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CA 02281173 1999-08-30
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«DISPOSITIF DE SÉPARATION ET DE MESURE DU VOLUME
DES DIFFÉRENTES PHASES D'UN MÉLANGE DE FLUIDE»
La présente invention concerne un séparateur de phases destiné à séparer et
mesurer le volume des différentes phases d'un mélange de fluides.
Le séparateur selon l'invention convient de façon générale, pour mesurer les
volumes des constituants de mélanges de fluides dans toutes sortes de
récipients
destinés au stockage de produits ou substances fluides liquides etlou
polyphasiques
1 o réservoirs et cuves utilisés pour le stockage ou le transport
d'hydrocarbures, de
colonnes, fermetures ou autres récipients utilisés en génie chimique etc. Il
est plus
particulièrement avantageux pour la mesure de volumes dans des enceintes où
l'on
maintient des températures et des pressions élevées. C'est le cas notamment
dans le
cadre d'études en continu de caractéristiques physiques d'échantillons de
matériaux
poreux et notamment d'échantillons géologiques prélevés dans des formations
recélant ou susceptibles de recéler des hydrocarbures o~ l'on reproduit en
laboratoire
les conditions de pression et de température régnant dans les zones
souterraines de
prélèvement
La connaissance que l'on peut acquérir de différents paramètres
pétrophysiques des roches durant des phases de draînage ou d'imbibition, peut
servir
par exemple à choisir le fluide le plus apte à déplacer les hydrocarbures
pétroliers
qu'elles contiennent et à améliorer de ce fait l'efficacité des procédés de
récupération
assistée d'hydrocarbures dans un gisement. Il est connu de déterminer par
exemple
la saturation et la mouillabilité des roches vis-à-vis de fluides tels que
l'eau (sous
forme de saumure généralement), (huile et éventuellement une phase gazeuse qui
peuvent y être contenus. A cet effet, on procède à des opérations de draînage
de la
3 o roche c'est-à-dire à un déplacement des fluides visant à diminuer la
saturation en
eau, suivies de phases d'imbibition, visant au contraire à augmenter sa
saturation en
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la
eau (Sw). On peut mesurer ainsi la pression capillaire en un point d'un
échantillon
poreux en présence d'eau et d'huile en phase continue, qui se définit, on le
rappelle,
comme la différence Pc à l'équilibre entre la pression P(huile) et la pression
Peau)
de l'eau. Des dispositifs permettant de mesurer des paramètres pétrophysiques
de
roches sont décrits par exemple dans les demandes de brevet FR.2.603.040,
2.708.742 ou 2.724.460 du demandeur.
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ART ANTERIEUR
Par le brevet FR 2.728.346 du demandeur, on connaît un séparateur destiné à
séparer et mesurer les volumes des constituants d'un mélange d'un premier
liquide
et d'un deuxième liquide, comprenant un récipient initialement rempli avec le
s premier liquide et posé sur une balance électronique. Le mélange est
recueilli dans
le récipient, le premier liquide en excès s'écoulant au dehors. L'accumulation
progressive du deuxième fluide dans le séparateur, fait varier la masse
totale. Un
processeur programmé calcule en permanence les valeurs des saturations de
(échantillon vis-à-vis du premier et du deuxième fluide, à partir des
variations
to mesurées de la masse du séparateur (9)
Par le brevet FR 2 728 344 (US 5 698 791) du demandeur, on connaît un
séparateur pour un mélange polyphasique adapté à mesurer après décantation
dans
un récipient, les volumes des différentes constituants d'un mélange
polyphasique
contenu dans un récipient, essentiellement en comparant au moyen de deux
capteurs
t5 de pression relatifs ou différentiels, les pressions générées par trois
colonnes fluides
de même hauteur remplies Tune, entièrement avec au moins un des fluides (une
phase liquide par exemple surmontée d'une phase gazeuse), une deuxième avec au
moins deux des fluides, (deux phases liquides par exemple surmontée de la même
phase gazeuse), une troisième contenant du gaz.
2o Il est connu de détecter la position de l'interface entre un fluide
conducteur
de l' électricité et d' uri autre fluide par la mesure des variations de la
capacité
électrique d'un condensateur comportant généralement une tige métallique
centrale
recouverte d'une fine couche isolante, disposée suivant l'axe d'un récipient
contenant le mélange. On mesure, la variation de la capacité inter-électrodes
entre la
25 tige gaînée et le fluide conducteur résultant de la variation du niveau.
La précision de ce type de mesure électrique est affectée dans la pratique
pour plusieurs raisons : a) la surface des électrodes en regard est faible du
fait que la
tije est mince, b) il est difficile de déposer une couche isolante uniforme et
mince
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sur une tige métallique, et c) les matériaux utilisés pour constituer cette
fine gaîne
isolante sont généralement microporeux, si bien que dans le cas d'un
séparateur
liquide-gaz, la constante diélectrique peut varier dans des proportions
notables selon
que la gaîne est plus ou moins saturé avec le liquide.
LE DISPOSITIF SELON L'INVENTION
Le dispositif selon l'invention permet de séparer les phases d'un mélange
polyphasique et de mesurer (par le biais d'un suivi d'interface(s)), les
volumes
respectifs des phases par des mesures de type électrique dans une gamme très
étendue de variation de la pression et de la température, en évitant notamment
les
lo inconvénients signalés précédemment.
Le dispositif de séparation et de mesure selon l'invention comprend au moins
une unité de séparation d'un premier fluide conducteur de l'électricité (e.g.
un
liquide tel que de l'eau) et d'un deuxième fluide de masse spécifique
différente de
celle du premier fluide (e.g. de l'huile par exemple ou un gaz), et de mesure
de type
~5 capacitif, de la position de l'interface entre les deux phases.
Il comportant un récipient tubulaire allongé pour les fluides dont la paroi
extérieure est en un matériau conducteur et la paroi intérieure est réalisée
en un
matériau diélectrique, ce récipient étant disposé verticalement en opération,
un
élément conducteur au contact du premier fluide conducteur, un ensemble de
2o mesure de capacité électrique relié électriquement respectivement à la
paroi
extérieure du récipient et au premier fluide conducteur, qui est adapté à la
mesure
des variations de la capacité électrique entre la paroi extérieure et le
premier fluide
conducteur de l'électricité de part et d'autre de la paroi intérieure (2),
résultant de la
variation du niveau de l'interface entre le premier fluide et le deuxième
fluide, et
25 des moyens d' alimentation en fluides connectés au récipient.
Suivant un premier mode de réalisation, la paroi extérieure du récipient est
celle d'un tube métallique et la paroi intérieure est celle d'un tube
d'épaisseur bien
constante disposé à l'intérieur du tube métallique.
x.
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Suivant un deuxième mode de réalisation, la paroi extérieure du récipient est
celle d'un tube métallique et la paroi intérieure est celle d'un revêtement
isolant
rapporté sur la face intérieure du tube métallique.
L'élément conducteur en contact avec le fluide conducteur est par exemple
une paroi d'un socle sur lequel repose le récipient tubulaire.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif de séparation et de mesure
comporte en combinaison une deuxième unité de séparation d'une phase liquide
non
conductrice et d'une phase gazeuse, et de mesure de la position de l'interface
entre
ces deux phases, comprenant un deuxième récipient tubulaire allongé en un
lo matériau conducteur pour les deux phases, ce deuxième récipient étant
disposé
verticalement en opération, une électrode allongée disposée sensiblement
suivant
l' axe du deuxième récipient et électriquement isolée de lui, et des
conducteurs
électriques pour relier respectivement le deuxième récipient et l'électrode à
l' appareil de mesure.
~5 La deuxième unité de séparation peut être superposée à la première unité de
séparation soit par l'intermédiaire d'une pièce de raccordement adaptée à
isoler
électriquement le premier et le deuxième récipient tubulaire, les moyens
d'alimentation étant connectés aux deux unités de séparation, soit par
l'intermédiaire d'une pièce de raccordement adaptée à isoler électriquement le
20 premier et le deuxième récipient tubulaire, ainsi qu' à mettre en
communication les
volumes intérieurs des deux récipients, les moyens d'alimentation délivrant un
mélange comprenant un premier liquide conducteur, un deuxième liquide de messe
spécifique moindre que celle du premier liquide, et un gaz, et étant connectés
à la
pièce de raccordement.
2s Le dispositif selon l'invention se prête particulièrement bien à des
mesures
précises dans des enceintes où règnent des températures et des préssions
élevées.
Il comporte une unité de séparation de liquides particulièrement sensible et
précise du fait que la surface des électrodes est celle relativement grande
d'un tube
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S
(ou d'un revêtement) isolant à la périphérie du récipient contenant les
liquides. La
réalisation d'une tel tube (ou revêtement) isolant est aussi plus facile car
la surface
des électrodes étant relativement grande, on peut utiliser une plus grande
épaisseur
isolante sans diminuer sensiblement la sensibilité de la mesure.
s D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon (invention,
apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non
limitatif de
réalisation, en se référant aux dessins annexés où:
- la Fig.l montre schématiquement une première unité de séparation de deux
fluides, et de suivi d'interface ;
io - la Fig.2 montre un exemple de courbe de variation de la capacité inter-
électrodes en fonction de la variation de volume du liquide conducteur dans
l'unité
de séparation de la Fig.l ;
- la Fig.3 montre un deuxième mode de réalisation du dispositif avec deux
unités de séparation superposées pour la séparation et le suivi d'interfaces
des
is fluidesd'un mélange ;
- la Fig.4 montre un exemple de variation de la capacité inter-électrodes en
fonction de la variation de volume du liquide dans l'unité de séparation
liquide-gaz
du mode de réalisation de la Fig.3 ; et
- la Fig.S montre l'effet de la pression sur les mesures de capacité obtenues
2o avec l'unité de séparation de la Fig.l.
DESCRIPTION DETAILLEE
Le séparateur diphasique de la Fig.l est adapté à séparer les constituants
d'un
mélange de liquide conducteur de l'électricité tel que de la saumure par
exemple et
de l'huile non conductrice. Il comporte un récipient T constitué d'un tube
métallique
2s cylindrique 1 recouvert sur sa surface intérieure d'une couche isolante 2.
Cette
couche isolante 2 peut être aussi la paroi d'un tube en matière plastique
isolante
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chemisant intérieurement le tube métallique 1 ou bien un revêtement isolant
déposé
bien uniformément sur sa face intérieure. La surface inter-électrodes est ici
la
surface de la paroi interne du tube 1.
On utilise par exemple un matériau plastique tel que du Makrolon ou, si la
température de fonctionnement est élevée (250°C par exemple) un
matériau
thermoplastique tel que du Peek.
Le tube T est disposé verticalement sur un socle 3 muni de préférence de
pieds 4 de hauteur réglable, de façon à rectifier au besoin la verticalité. Il
est pourvu
d'un embout de façon à être isolé électriquement du socle 3. Des conduits
intérieurs
to au socle font communiquer le volume intérieur du tubé 1 avec un connecteur
5 de
branchement permettent le raccordement au socle 3 d'une tube 6 relié à un
appareil
extérieur 7 délivrant les fluides à mesurer. Il peut s'agir par exemple d'une
pompe
d'injection où une cellule d'essai d'échantillons telle que celles décrites
dans les
brevets précités FR.2.603.040, 2.708.742 ou 2.724.460. Les fluides introduits
sont
ls en contact électrique avec le socle 3. Un impédancemètre d'un type connu 8
est
connecté par des conducteurs Ll, L2 à la paroi extérieure du tube 1 et à la
paroi du
socle 3. A sa partie supérieure, le tube isolant 2 est terminé par un embout 9
avec un
connecteur 10 permettant la connexion d'une voie d'échappement pour le gaz.
La capacité inter-électrodes entre le tube 1 et le socle 3 a pour expression
1~j-1
2o c = 2~zEo s~ ~ln~ R R e J J h = 2~t~o E, R h , où
R est le rayon intérieur du tube isolant 2, e, son épaisseur, s, , la
constante
diélectrique du matériau isolant, Eo , la constante diélectrique du vide qui
vaut 8,859
10.-12 A.s/V.m, h, la hauteur variable de la partie du tube 1 plongée dans le
fluide
conducteur (position de l'interface Rentre les deux liquides).
2s Les mesures de volume que l'on effectue étant déduite d'une variation de
hauteur de l'interface entre les fluides, on définit au préalable un niveau de
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référence dans le récipient T et l'on dresse des courbes d'étalonnage de la
variation
de la capacité inter-électrodes en fonction du volume de fluide conducteur
introduit
et pour différentes fréquences. On établit ainsi des courbes de réponse de la
sonde
telles que celle de la Fig.2.
A titre d'exemple, on a réalisé un séparateur WOS avec les dimensions
suivantes : diamètre intérieur du tube 2 : 11 mm, épaisseur e : 0.7 mm,
hauteur du
récipient 230 mm, contenance : 21 ml, et l'on a déterminé qu'une variation de
volume de 1% se traduisait par une variation de capacité de 0.3 pF.
Le séparateur triphasique schématisé à la Fig.3, comporte l'assemblage d'un
lo séparateur analogue à celui de la Fig.l avec un séparateur gaz-huile à
électrode
centrale GOS que l'on superpose par l'intermédiaire d'une pièce de
raccordement
11.
Le séparateur gaz-huile GOS comporte un tube métallique 12 terminé à sa
partie supérieure par un embout métallique 13 comportant un connecteur 14 pour
la
~5 mise en communication de l'intérieur du tube 12 avec un tuyau d'évacuation.
Une
électrode allongée 14 est disposée suivant l'axe du tube 12. Elle est fixée à
l'embout
13 par l'intermédiaire d'un manchon isolant 15. Des conducteurs L3, L4 relient
respectivement l'électrode 14 et la paroi métallique du tube 12 avec les
entrées de
l'impédancemètre 8.
2o Suivant un mode de mise en oeuvre, la pièce de raccordement 11 est pourvue
d'une cavité intérieure I6 communiquant avec l'intérieur des tubes 2 et 12 et
avec
des canaux radiaux pouvant être raccordés par l'intermédiaire d'un connecteur
17
avec une voie d'introduction d'un mélange triphasique W+O+G d'eau, d'huile et
de
gaz connectée à un élément 19. Le mélange triphasique se stratifie par
décantation,
25 l'huile occupant la partie intermédiaire de part et d'autre de la pièce de
raccordement 11.
Lorsque l'interface huile-gaz I2 monte dans le tube 12 par exemple, la
capacité du condensateur constitué par ce tube 12 et l'électrode 14 change du
fait
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que la constante diélectrique de l'huile est supérieure à celle du gaz. La
capacité
inter-électrodes s' exprime également par la relation
-1
c = 2II~os, 1nC RZ ~ h
où R2 est le rayon intérieur du tube 12 et R1, le rayon de la tige 14, $,.
étant la
s constante diélectrique relative du fluide non conducteur. A titre d'exemple,
on a
réalisé un séparateur huile-gaz GOS comportant uri tube 12 de diamètre
intérieur de
8 mm, une longueur h de 140 mm, et une électrode centrale 14 de rayon R = 3 mm
de, l'écartement inter-électrodes e étant par conséquent égal à 2.5 mm.
Quand on étalonne le séparateur huile-gaz GOS, on obtient des courbes de
1o variation telles que celle représentée à la Fig.3. On a noté une variation
de capacité
de quelques 8 pF, une variation de volume de 1 % se traduisant par une
variation de
l'ordre de 0.08 pF mesurable par l'impédancemètre 8.
La pièce intermédiaire 11 comporte un connecteur 18 pour le branchement
d'une voie de soutirage de l'huile en excès. Le gaz et l'eau en excès sont
évacués
i5 respectivement par les connecteurs 20 et 5 associés respectivement à
l'embout 13 et
au socle 3.
On a décrit un mode de réalisation où les deux unités de séparation sont
superposées avec une pièce de raccordement adaptés à isoler électriquement les
récipients tubulaires, tout en assurant leur mise en communication de leurs
volumes
2o intérieurs, par l'intermédiaire de laquelle on peut introduire directement
un mélange
triphasique de fluides.
On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant un troisième unité de
séparation disposée en amont, destinée à séparer au préalable les liquides et
les gaz
et permettant une alimentation séparée des deux séparateurs WOS et GOS.
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On a décrit à la Fig.3 un dispositif de séparation et de mesure d'un mélange
comprenant un liquide conducteur et un autre liquide non conducteur. Il est
bien
évident toutefois que l' on pourrait utiliser l' agencement de la Fig.3 pour
mesurer la
position de l'interface entre un liquide conducteur et un gaz non conducteur.
s Un processeur (non représenté) peut être associé à l'appareil de mesure 8
pour calculer les variations de volume des différents constituants du mélange
concomitant aux déplacement des interfaces I1 et I2.
