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. WO 96110745 ~ ~ PCT/FR95/OI263
DISPOSITIF POUR DÉTERMINER SUR UN SITE D'EXPLOITATION
DES CARACTÉRISTIQUES D'ÉCHANTILLONS DE FLUIDES
PÉTROLIERS PAR EXEMPLE
La présente invention concerne un dispositif pour déterminer sur un site
d'exploitation, des caractéristiques d'échantillons de fluides extraits du
sous-sol, et
notamment de zones pétroliferes et plus particulièrement un dispositif de
chantier
compact pouvant être facilement transporté jusque sur des sites de production.
Le dispositif selon l'invention permet de réaliser sur site des mesures
thermodynamiques étendues en déchargeant si nécessaire, les opérateurs de la
conduite
de nombreuses séquences opératoires. Il permet aussi de valider des
échantillons, pour
s'assurer qu ils sont bien représentatifs des prelèvements qui ont été
effectués, avant
leur envoi à un laboratoire central pour des analyses plus complètes.
Par ces mesures et analyses préalables menées sur site avec des échantillons
de
très petits volumes, on évite les solutions classiques longues et coûteuses
d'envoi
IS systématique à un laboratoire éloigné d'échantillons à réitérer parfois
quand il s'avère
qu'ils ne sont pas valides et représentatifs. L'utilisation du dispositif
selon (invention
procure de ce fait un gain de temps et des économies substantielles.
Le dispositif selon (invention permet par exemple dans le cas d'échantillons
pétroliers de type huile, de mesurer leur G.O.R (gas-oil ratio), le "point de
bulle" et la
masse spécifique de (huile, et dans le cas d'échantillons de type gaz, de
mesurer le
"point de rosée" de la phase gazeuse, d'établir la courbe des dépôts liquides,
ou
encore de faire une analyse qualitative du mélange gazeux.
Comme on le sait, il est d'usage de conduire une étude des propriétés
thermodynamiques d'échantillons extraits de puits forés en vue de la mise en
production de gisements souterrains d'effluents tels que des effluents
pétroliers. Par
une bonne connaissance de ces propriétés thermodynamiques, il est possible
d'évaluer
les réserves enfouies, d'optimiser (installation de mise en production ou bien
encore
de spécifier les méthodes opératoires. Les propriétés thermodynamiques sont
calculées
en utilisant des modèles compositionnels dans lesquels on intègre des données
obtenues par (analyse des échantillons.
Une méthode d'analyse du type dit "PVT" permet par exemple de mesurer Ie
comportement d'échantillons dont on fait varier certains paramètres tels que
la pression
et la température par exemple depuis des valeurs reproduisant celles qui
existent à leur
profondeur d'enfouissement jusqu'à celles régnant en surface. Par des méthodes
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d'analyse de ce type, on arrive à mesurer des propriétés importantes telles
que le
"point bulle" indiquant fappariàon d'une phase gazeuse dans féchanàllon testé,
le
coefficient de compressibilité, la viscosité, la masse volumique, le
G.O.R.etc, comme
il est bien connu des spécialistes.
Par le brevet FR 2 666 415 du demandeur, on tonnait un dispositif pour faire
au
laboratoire ou sur un chanàer, des mesures thermodynamiques sur des
échantillons de
faible volume. Ce disposiàf comporte une enceinte thermostatée, une structure
de
support avec deux plateaux de part et d'autre d'un bloc transparent en saphir
par
exemple et deux chambres cylindriques de faible secàon délimitées par deux
pistons
coulissants déplacés dans les deux chambres par des moyens 'd'entraînement
mécaniques: àges filetées mises en rotaàon par des arbres couplés avec des
moyens
moteurs. Des ~oirits d'étanchéité sont placés dans des rainures ménagées dans
la paroi
des deux chambres, autour des deux pistons. La première chambre est en partie
visible
au travers du bloc transparent, et elle est terminée par un biseau en haut
duquel
débouche un canal communiquant par (intermédiaire d'une vanne avec la deuxième
chambre. Un capillaire relie les deux chambres et permet de faire des mesures
de
viscosité sur les échantillons. Du fait de sa compacité, ce disposiàf
antérieur est
facilement transportable jusqu'aux sites de prélèvement des échantillons.
Le dispositif selon l'invention permet de conduire directement sur un site
d'exploitation, des caractérisàques d'échantillons de fluides extraits du sous-
sol, et
notamment de zones pétroliferes. Il comporte dans une enceinte thermostatée,
un corps
comprenant une première chambre et une deuxième chambre disposée au-dessus de
la
première, la première chambre au moins compotrtant une extrémité de forme
pointue,
les volumes de ces deux chambres pouvant varier par déplacement d'éléments
mobiles
dans deux cylindres, des moyens de déplacement des deux éléments mobiles, des
moyens de transfert de fluides dans ou hors des chambres, et des moyens de
communication contrôlée entre les deux chambres.
Le disposiàf est caractérisé en ce que le corps comporte deux cavités radiales
coaxiales débouchant dans cette première chambre dans sa partie pointue, pour
un
ensemble opàque de visualisaàon consàtué de deux éléments opàques insérés de
façon
étanche respecàvement dans les deux cavités, comportant chacun un manchon
rigide,
un bloc cylindrique en un matériau transparent tel que du saphir disposé dans
l'axe du
manchon rigide et des moyens de fixaàon d'un embout de fibre optique relié à
un
élément photo-émetteur ou photo-récepteur, pour former (image de l'extrémité
de la
première chambre.
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L'utilisation de ces blocs de visualisation à fibres optiques permet par des
moyens de détection du ménisque entre la phase liquide et la phase gazeuse de
(échantillon, d'automatiser les opérations de séparation des phases avec
détermination
du G.O.R..
' 5 Suivant un premier mode de mise en oeuvre, les deux chambres sont
délimitées
respectivement par deux tiges formant pistons pourvues chacune de joints
d'étanchéité, le dispositif comportant des moyens moteurs pour contrôler le
déplacement des deux tiges, et un gazomètre disposé dans (enceinte
thermostatée, ce
qui contribue à raccourcir les circuits d'interconnexion et à diminuer les
risques de
condensation, causes habituelles d'erreurs de mesure.
Suivant un premier mode de mise en oeuvre, la première chambre est délimitée
par une tige formant piston pourvue de joints d'étanchéité, et la deuxième
chambre cst
constituée du volume intérieur d'un gazomètre à piston mobile surmontant la
première
chambre.
Ce mode de mise en oeuvre où la cellule et le gazomètre sont intégrés, conduit
à
un appareil plus léger et donc plus facilement déplaçable sur les sites
d'exploitation
avec un circuit de connexion très court entre la cellule et le gazomètre, ce
qui est
favorable à la précision des mésures.
Suivant un mode de réalisation, le corps est fixé à l'intérieur de l'enceinte
thermostatée, les deux éléments mobiles ( et au moins la tige dans la première
chambre
basse dans le cas od elle est surmontée d'un gazomètre) sont solidaires
respectivement
de deux étriers déplaçables chacun parallèlement aux deux pistons par la mise
en
rotation respectivement de tiges filetées et des moyens moteurs (tels que des
moteurs
pas-à-pas ou des moteurs synchrones) pour faire,tourner séparément ou de façon
sychdnne les tiges associées à chaque étrier.
Le piston du gazomètre coulisse par exemple dans un cylindre et il est pourvu
d'une tige reliée à des moyens moteurs adaptés à limiter la pression dans le
cylindre à
une valeur de consigne, de façon à pouvoir mesurer à cette pression le volume
de gaz
dégagé par la détente du me'Iange. .
Le dispositif comprend de préférence un ensemble de contrôle des moyens
moteurs et de (ensemble optique de visualisation. comportant par exemple un
module
de commande des moyens moteurs pour fentrainement des tiges filetée et un
circuit de
mesure par codage optique pour détecter les mouvements transmis aux tiges
filetées et
les transformer en mesures des variations de volume, et éventuellement un
module
pour commander (éclairement de la première chambre à travers du premier
élément
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optique, et former l'image d'une interface entre des phases au travers du
deuxième
ëlément optique.
Le dispositif peut comporter en oùtre un vibrateur pour agiter les fluides
dans la
première chambre, l'ensemble de contrôle comportant un circuit produisant Ie
signal à
appliquer au vibrateur. ,
-Le dispositif comporte avantageusement un,micro-ordinateur programmé pour
réaliser des procédures automatiques de mesure.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de mesure de
la pression au moins dans la première chambre, l'ensemble de contrôle
comportant un
circuit de mêmorisation des facteurs d'étalonnage de ces moyens de mesure, en
fonction d'une température de consigne associé à un élément de sélection des
facteurs
d'étalonnage à choisir en fonction de cette température de consigne assignée,
pour
rendre la réponse du moyen de mesure indépendante de celle-ci.
Les moyens de mesure de la pression comprennent au moins un capteur de
pression à membrane disposé dans une cavité dans la paroi de la première
chambre
ménagée dans la paroi de la première chambre avec la membrane affleurant la
surface
intérieure de cette chambre de.façon à limiter les volumes morts.
Les joints d'étanchéité étant mobiles avec les pistons, les volumes morts
entre
les deux cylindres et les pistons correspondants restent sensiblement
constants quel
què soit leur degré d'enfoncement dans leurs chambres respectives.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention,
a~~~°nt à la lecture de la. description ci-après d'un mode de
réalisation décrit à titre
d'exemple non limitatif, en se réfêrant aux dessins annexés où : .
- Ia Fig.I montre schématiquement une première we en coupe du dispositif dans
son
enceinte thermostatée;
- la Fig.2 montre schématiquement une autre vue en coupe du dispositif;
- la Fig.3 montre une vue en coupe schématique des moyens d'entraînement des
tiges
filetées en rotation;
- la Fig.4 montre schématiquement le dispositif associé à des modules de
contrôle;
- la Fig.S montre schématiquement un premier mode de mise en oeuvre du
dispositif
convenant pour des triesures thermodynamiques sur des échantillons de fluides;
- la Fig.tS est un schéma fonctionnel de (ensemble de contrôle associé à son
micro-
ordinateur de commande et
- la Fig.7 montre schématiquement un deuxième mode de mise en oeuvre du
dispositif
convenant pour valider des ëchantillons de fluides.
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Le dispositif comporte (Fig.l) un corps rigide 1 constitué de deux plateaux 2,
3
séparés par un bloc cylindrique 4. Les deux plateaux du corps 1 sont fixés à
un
montant vertical 5 d'une cadre de support rigide 6. Le corps 1 est placé dans
une
enceinte thermostatée 7. Deux tiges filetées 8a, 8b latéralement écartées
l'une 'de
l'autre, et libres de tourner sur elles-mémes, sont disposées entre un montant
horizontal supérieur 9 du cadre 6 et le plateau supérieur 2. Deux tiges
analogues 10a,
lOb, alignées respectivement avec les tiges 8a, 8b, sont disposëes entre le
plateau
inférieur 3 du corps et un autre mtintant horizontal inférieur 11 du cadre 6. -
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Deux étriers 12,13 sont disposés de part et d'autre du corps 1. Ils comportent
des alésages filetés adaptés respectivement aux tiges filetées 8, 10. La
translation
verticale des étriers 12, 13, est obtenue par la mise en rotation
respectivement de ces
tiges filetées 8, 10.
Deux chambres cylindriques coaxiales 14, 15 (Fig.2 à S) avec un fond ou
extrémité conique, sont ménagées au travers du corps 1. Elles communiquent
l'une
avec l'autre à leurs pointes par un canal fin 16 commandé par une vanne V5.
Dans ces
deux chambres coulissent deux pistons 17, 18 pourvus chacun d'une extrémité
conique adaptée à la focne des deux chambres. Les deux pistons sont
respectivement
solidaires des deux étriers mobiles 12, 13. Chacun est pourvu au voisinage de
sa
pointe d'un joint d'étanchéité J. Le volume mort périphérique entre chaque
pointe de
piston et le joint J correspondant est ainsi constant quel que soit leur degré
enfoncement à (intérieur de leurs chambres respectives.
Le dispositif comporte un ensemble optique de visualisation constitué (Fig.l)
de
deux éléments optiques 19, 20. Deux cavités radiales coaxiales débouchant dans
la
chambre basse 14 au voisinage de son sommet, sont ménagées au travers du corps
1,
respectivement pour les deux éléments optiques 19, 20. Chacun d'eux est
constitué
d'une monture métallique avec un alésage central pour un bloc transparent 2I,
en
saphir par exemple. Chaque bloc est prolongé extérieurement par un embout 22
de
fibre optique. Une des fibres optiques 23a communique avec une source de
lumibre
telle qu'une diode photo-émettrice par exemple, la fibre optique 23b de
l'élément
optique opposé 20, avec un élément photo-récepteur permettant de former (image
du
bec conique de la chambre basse 14.
Avec la confom~ation particulière à bec conique donnée à la zone de
prélèvement
cn haut de la premibre chambre, avec le bloc de saphir 22 et le système
d'éclairement,
on obtient une u~ès grande précision dans toutes les opérations que fon peut
mener sur
les fluides dans la première chambre. C'est vrai en particulier, quand on doit
prélever
avec précision toute la phase gazeuse d'une substance diphasique sous pression
dans
cette première chambre basse 14 pour l'introduire dans la deuxième chambre 15.
~Le corps comporte une cavité ouvrant sur la chambre inférieure 14 vers le
haut
de celle-ci, pour un capteur de pression PI. De préférence, on utilise au
moins dans la
première chambre 14, un capteur à membrane affleurante Pl (cf. Fig.7), de
façon à
minimiser les volumes morts susceptibles d'altérer la précision des mesures.
Des
conducteurs ZS relient le capteur Pl à un ensemble de contrôle extérieur à
(enceinte
thermostatée 7 qui sera décrit en relation avec les Fig.4 et 6.
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7
En outre, une sonde de température ST est placée dans le corps 1 pour mesurer
la température de l'échantillon de substance.
Au plateau inférieur 3, est fixé une céramique piézo-électrique (non
représentée)
associée à un générateur d'ultrasons SU (Fig.4) pour agiter l'échantillon de
substance
introduit dans la première châmbre 14.
Les deux chambres 14, 15 communiquent respectivement par (intermédiaire de
vannes V2, V4 avec un serpentin capillaire 27 (Fig.S), permettant dé faire des
transferts de fluide de fane à l'autre et ainsi de faire des mesures de
viscosité. Une
vânne V3 communiquant avec le canal fin 16 a~ioce les c3a.ix d~arb~es 14, 15,
penrret àe
purger la chambre inférieure 14. Une vanne V1 commande un accès à la chambre
basse 14 pour l'introduction des échantillons fluides à analyser.
A chaque paire de tiges filetées 8a, 8b et 10a, lOb, est associé (Fig.3)
respectivement un arbre d'entraînement 28, 29 disposé dans un plan
perpendiculaire
aux axes des tiges filetées. Chaque arbre est assujetti à l'un des plateaux 2,
3, mais il
peut tourner-sur lui-même. Chacun d'eux-porte deux engrenages 30a, 31a, d'une
part
et 30b, 31b d'autre part, venant s'engrener sur les filetages des tiges
correspondantes
8, 10. Les sorties des deux arbres 28, 29 sont couplées chacune avec un moteur
d'entrainement pas-à-pas ME1, ME2 (Fig.l) dans un boitier adjacent à
l'enceinte
thezmostatée.
Le dispositif comporte également un ensemble de contrôle CA (Fig.6)
comprenant
- un module 32 de commande des deux moteurs d'entrainement ME1, ME2 et un
circuit
33 de mesure par codage optique pour détecter les mouvements transmis aux
arbres
d'entrainement 28; 29 des deux moteurs MEl, NLE2 et les transformer en mesures
des
variations de volume concomitantes de la première et de la deuxième chambre
14,15;
- un circuit 34 pour réguler la température. Ce circuit reçoit les données de
température
de la sonde ST. Il agit soir des e'léments de chauffage 35 de (enceinte
thermostatée et il
est adapté à limiter automatiquement lâ température maximale qui y règne;
un module 36 pour commander .l'éclairement de lâ chambre basse 14 à travers du
hublot 19 et recevoir l'image de (interface entre les phases reçue au travers
du hublot
20;
- un circuit 37 produisant le signal à appliquer au générateur d'ultrasons SU;
- un circuit 38 de mémorisation des facteurs d'étalonnage du capteur de
pression 26 en
fonction de la température de consigne indiquée par la sonde de température
ST,
. associé à un élément de sélection 39 des facteurs d'étàlonna.ge à choisir en
fonction de
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la température de consigne assignée, pour rendre la réponse du capteur
indépendante de celle-ci. L'ensemble de contrôle~comporte également des
circuits 40,
41 de détection de la position des étriers avec des indicateurs de fin de
course ainsi
q'un circuit de détection 42 connecté aux capteurs de pression P1, P2 pour
détecter les
dépassements de pression dans les chambres au-delà d'une pression de consigne.
Un micro-ordinateur 43 est assôcié à l'ensemble de contrôle pour conduire de
façon automatique les séquences de mesures.
La secrion des chambres 14, 15 est suffisamment faible pour que l'on puisse
fâire des essais avec de petits volumes de substance, de l'ordre de quelques
cm3 et les
moyens moteurs sont adaptés à porter la pression dans ces chambres à plusieurs
centaines de bars, par déplacement des tiges 17, 18 formant pistons. Les
petits
volumes mis en jeu permettent de minimiser les problèmes de sécuritê d'une
part et
aussi la durée des étapes préalables de chauffage, d'agitation.
L'échantillon de substance étant soumis aux conditions de température et de
pression régnant dans la zone souterraine où il a été prélevé, on peut dans un
premier
temps' abaisser sa pression par retrait du premier piston 17 suffisamment pour
pouvoir
mesurer par exemple sa compressibilité. En abaissant encore sa pression, on
provoque
sa vaporisation partielle. Par ouverture de la vanne V5, il est possible de
transférer
toute Ia phase gazeuse dans la deuxième chambre 15.
Suivant Ie mode de mise en oeuvre de la Fig. 5, on associe le dispositif à un
gazomètre 44 que l'on dispose.dans (enceinte climatique 7 à proximité du corps
1 de
la cellule. Une entrée du gazomètre commandée par une vanne V9, est reliée à
la
deuxième chambre 15 par la vanne V6.
Par une vanne V7, le gazomètre peut être connecté avec une pompe à vide (non
représentée). Avec ce gazomètre 44, on fait des mesures du volume du gaz
prélevé
dans la deuxième chambre après détente jusqu'à la pression atmosphérique.
Cette
proximité de la chambre 15 et du gazomètre 44 et leur maintien à la même
température,
qui évite toute condensation, permet de faire des mesures plus précises.
Le gazomètre est couplé par exemple avec un appareil de çhromatographie 45 par
(intermédiaire d'une vanne V8. Par la vanne VI, la première chambre peut être
couplée avec une micro-cellule de prélèvement d'un type connu 46 afin de
mesurer la
masse volumique de Ia substance. étudiée.
Le transfert sous pression d'un échantillon dans la première chambre du
dispositïf peut aussi être fait directement depuis une bouteille 47 de
transport. On peut
aussi l'introduire dans la micro-cellule 46 à un stade intermédiaire, avant de
le
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.';',,1; Is,.
i
transférer dans la première chambre 17. La micro-cellule peut être pesée pour
détetatiner la masse introduite dans la cellule. On peut aussi déterminer la
masse
spécifique de la substance.
Le mode de réalisation de la Fig.S conviens particulièrement pour faire des
S études thermodynamiques sur des échantillons avec possibilité par exemple de
mesurer
la viscosité en couplant les deux chambres 1S et 17 par le serpentin 27. Dans
le cas où
fon'cherche seulement à valider un échantillon pour vérifier qu'il est bien
représentatif
des substances à analyser, on utilise le dispositif par exemple suivant le
mode de
réalisation de la Fig.7.
Sur la Fig.7, on voit que la deuxième chambre est constituée par le volume
intérieur d'un gazomètre tel que 44. La tige 18 couplée avec les moyens
moteurs (8,
12, MEl), est remplacée ici par un piston 48 coulissant dans un cylindre 49.
La tige de
ce piston est reliée à des moyens moteurs adaptés à maintenir la pression dans
le
cylindre 49 au plus égal à une valeur de référence, de façon à pouvoir mesurer
à cette
1S pression le volume de gaz dégagé par la détente du mélange. De la même
façon, ce
gazom8tre est placé dans (enceinte thermostatée 7 pour une meilleure précision
des
mesures.
Avec cet agencement où la cellule et le gazomêtre sont intégrés, on réalise un
appareil plus léger et donc plus facilement déplaçable sur les sites
d'exploitation. En
outre, le circuit de connexion de la cellule au gazom8tre étant tr8s court, ce
qui élimine
une cause connue d'imprécision des mesures.
Le micro-ordinateur 43 est adapté à réaliser certaines séquences d'acquisition
et
de conduite d'opérations.
- ll effectue par exemple un contrôle automatique de la pression lorsque, à
une certaine
2S température de consigne, on transfère en le détendant le gaz de la deuxième
chambre
dans le gazomètre 44, jusqu'à la pression atmosphérique, afin de déterminer
son
volume à des conditions standards (une correction est apportée pour donner le
volume
à 1S°C). II effectue aussi une programmation de la température de
consigne à
respecter. Sur commande de l'opérateur il procède à une acquisition des
données
mesurées de pression, de volume et de température (P, V, T).
- Le micro-ordinateur 43 peut conduire aussi une séquence de décompression
automatique avec stabilisations successives à plusieurs paliers de pression.
Dans ce
câs, il scrute la pression et attend sa stabilisation pour procéder à
l'acquisition des
données P, V, T avant une nouvelle décompression.
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- Sur commande de l'opérateur le micro-ordinateur 43 peut effectuer également
toutes
les mesures P, V, T nécessaires et les acquérir aprbs validation, qu'il
s'agisse de la
pression à température de consigne, de la détermination des volumes des
fluides
contenus dans la première et dans la deuxième chambre '~ une température et
une
pression de consigne, du volume de la phase gazeuse obtenue à la température
ambiante et la pression atmosphérique.
- Le micro-ordinateur 43 comporte des moyens de mémorisation pour enregistrer
les
données,acquises.
- Par programmation, on peut faire effectuer au micro-ordinateur 43 un certain
nombre
d'opérations différentes suivant que l'on utilise le mode de réalisation de la
Fig.S,
pour déterminer des paramètres thermodynamiques de (échantillon étudié et/ou
des
paramètres d'étalonnage, ou bien pour des opérations de validation
d'échantillons
suivant le mode de réalisation de la Fig.7.
