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DISPOSITIF POUR TESTER DES ÉCHANTILLONS DE ROCHE Ä PRESSION
ET TEMPÉRATURE RELATIVEMENT ÉLEVÉES
La présente invention concerne un dispositif pour l'étude de propriétés
physiques d'échantillons solides en présence de fluides, à température et
pression élevées.
1 o Le dispositif selon l'invention convient pour tester par exemple des
échantillons géologiques et déterminer différents paramètres tels que la
pression
capillaire des roches dans des phases de drainage ou d'imbibition, leurs
indices
de mouillabilité, leurs perméabilités relatives, leurs indices de résistivité
etc, dans
des conditions de température et de pression reproduisant celles que l'on
trouve
dans des formations recelant ou susceptibles de receler des hydrocarbures où
ils
ont été prélevés.
Pour déterminer la répartition des volumes d'huile et de gaz dans un
gisement, il faut connaître en tout point les valeurs des saturations qui
dépendent
2 o de paramètres tels que la mouillabilité et la tension interfaciale. A cet
effet, on
détermine la mouillabilité des roches vis à vis de l'eau et de l'huile qui
peuvent y
être contenues. II faut procéder pour cela à des opérations de drainage de la
roche c'est-à-dire à un déplacement des fluides visant à diminuer la
saturation en
eau, suivi d'opérations d'imbibition, en désignant par ce terme un déplacement
des fluides permettant d'augmenter la saturation en eau (Sw) de la roche. La
pression capillaire en un point d'un matériau poreux contenant deux fluides
tels
que de l'eau et de l'huile en phase continue, se définit, on le rappelle,
comme la
différence Pc à l'équilibre entre la pression P(huile) de l'huile et celle
Peau) de
l'eau.
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la
La connaissance de différents paramètres et notamment de la mouillabilité
des roches, est utile notamment quand on doit procéder à une récupération
assistée d'une formation, en drainant les effluents qu'elle contient par une
injection d'un fluide sous pression, et que l'on doit par des tests préalables
choisir
le fluide (eau ou gaz) qui convient. le mieux pour déplacer les effluents.
Pour mener à bien ces opérations de drainage et d'imbibition, en
lo laboratoire, différents types de dispositifs sont utilisés. Les barreaux
d'échantillons
sont placés généralement dans une cellule. A ses extrémités opposées, la
cellule
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comporte deux embouts communiquant avec des moyens pour établir un
déplacement de fluides sous pression au travers de l'échantillon testé. Des
moyens de mesure sont utilisés pour mesurer différents paramètres: pressions,
saturations, résistivité électrique etc. Le barreau d'échantillon peut être
placé à
s l'intérieur d'une gaine de confinement en élastomère comprimée par une
injection
de fluide sous pression.
Différentes dispositifs de mesure de paramètres physiques d'échantillons
solides poreux sont décrits par exemple dans les brevet FR.2 708 742, FR 2 724
460 (US 5 610 524) ou FR 2 728 684 (US 5 637 796) du demandeur.
io Le suivi du déplacement des fluides à l'intérieur d'un échantillon est
souvent réalisé en utilisant des moyens d'investigation par rayonnement X ou
gamma extérieurs à la cellule. Les parois du corps de cellule doivent être
suffisamment résistantes pour supporter des pressions de confinement de
plusieurs dizaines de Mpa tout en restant transparentes au rayonnement et donc
is relativement minces.
Les moyens classiques pour maintenir l'échantillon à une température
relativement élevée (150°C par exemple) : étuve ou manchons chauffants
enroulés autour du corps, sont difficilement compatibles avec l'utilisation
d'un
appareil d'investigation à rayonnement du fait qu'ils se trouvent interposés
entre
20 lui et l'échantillon et contribuent encore plus à l'atténuation des rayons
Le dispositif selon l'invention permet de réaliser des mesures des
propriétés physiques d'un échantillon à pression et températures relativement
élevées, en évitant notamment les inconvénients des dispositifs antérieurs.
Le dispositif comporte un corps rigide allongé fermé à ses extrémités
2s opposés par deux pièces d'embout, une gaine souple autour de l'échantillon,
coopérant avec les deux pièces d'embout pour délimiter à l'intérieur du corps
rigide, une enceinte de confinement, des moyens pour établir un déplacement de
fluides sous pression au travers de l'échantillon dans son enceinte, des
moyens
de mesure pour mesurer différents paramètres de l'échantillon et des moyens
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d'injection d'un fluide sous pression autour de la gaine souple de façon à
exercer
une pression radiale autour de l'échantillon.
Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage
du fluide sous pression (tels que des résistances électriques) associés à au
moins
s un des deux couvercles et des moyens pour homogénéiser la température autour
de la gaine par circulation du fluide chauffé au contact des moyens de
chauffage.
Les môyens de circulation de fluide comportent par exemple un moyen de
brassage coopérant avec un circuit destiné à faire circuler le fluide au
contact des
moyens de chauffage.
io Suivant un mode de réalisation, le moyen de brassage comporte une
turbine actionnée par un moteur, qui est disposée dans une cavité de l'un des
deux couvercles, et le circuit destiné à faire circuler le fluide au contact
des
moyens de chauffage comporte un tube disposé dans l'espace annulaire entre le
corps et la gaine, ce tube faisant communiquer des conduits intérieurs aux
deux
is couvercles.
Suivant un mode préféré de réalisation, le corps comporte une partie
tubulaire réalisée en un matériau composite, les deux couvercles étant
réalisés en
un matériau bon conducteur de la chaleur.
Les couvercles peuvent être réunis au corps soit directement soit par des
2o tirants qui peuvent être aussi en matériau composite.
Le dispositif comporte par exemple des canaux au travers des deux
couvercles pour la mise en communication des extrémités de l'échantillon avec
des moyens de circulation de fluide.
Les moyens de mesure peuvent comporter un appareil de mesure de
?s l'absorption d'un rayonnement par le dit échantillon.
Le mode de chauffage utilisé est avantageux car il est simple et efficace.
Les moyens de chauffage sont au contact direct de l'échantillon ce qui permet
de
diminuer le temps nécessaire pour obtenir une répartition de température bien
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uniforme. En outre, aucun élément extérieur ne se trouve interposé,
susceptible
de venir absorber des rayonnements émis par des appareils de mesure extérieurs
au corps, la sensibilité des mesures faites par rayonnement est améliorée.
L'utilisation d'un corps réalisé en un matériau composite permet aussi de
s limiter l'épaisseur requise compatible avec les pressions élevées
nécessaires à la
conduite des opérations de mesure. La faible absorption d'un tel matériau aux
émis par les appareils de mesure permet en outre de faciliter leur mise en
oeuvre.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention,
apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non
limitatif de
io réalisation, en se référant aux dessins annexés où
- la Fig.1 montre une vue en coupe longitudinale de la cellule ; et
- la Fig.2 montre une vue en coupe transversale d'un couvercle d'extrémité
avec
des moyens de chauffage intégrés.
Le dispositif comporte un corps creux 1 constitué d'une partie tubulaire 2
ls fermée à ses deux extrémités opposées par deux couvercles 3, 4 pourvus
chacun
d'un épaulement 5 muni de joints d'étanchéité 6, venant s'emboîter étroitement
à
l'intérieur de la partie tubulaire 2. Le dispositif comporte deux pièces
d'embout
réalisées en un matériau bon conducteur de la chaleur, constituée chacune
d'une
tige 7 et d'une tête 8 de section plus grande que celle de la tige mais
inférieure à
2o celle de la partie tubulaire 2. Chaque couvercle 3, 4 comporte un alésage
axial
pour une tige 7. L'échantillon S à tester est placé dans une gaine souple 9 en
élastomère par exemple, dont les extrémités opposées sont enfilées sur les
deux
têtes 8. Chaque pièce d'embout est traversée de part en part par des canaux 10
et de moyens de connexion pour conduits extérieurs 11 reliés à des moyens de
~s pompage (non représentés), permettent de déplacer des fluides à l'intérieur
de
l'échantillon S, comme décrit dans les brevets antérieurs précédemment cités.
Une cavité est ménagée dans le couvercle 3 pour une turbine 12. Un
alésage 13 parallèle à l'axe du corps 1, est ménagé au travers du couvercle 3,
permettant la connexion de l'axe de la turbine avec un moteur d'entraînement
14.
3o La cavité de la turbine communique par un canal 15 avec l'espace annulaire
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entre la gaine 9 et la partie tubulaire 2. Un tube fin 17 est disposé dans
l'espace
annulaire 16 entre les têtes 8 des deux pièce d'embout. II communique à une
première extrémité avec la cavité de la turbine 12 par l'intermédiaire d'une
rainure
circulaire 18 dans le couvercle 3, et à son extrémité opposée, avec l'espace
s annulaire 16 par l'intermédiaire d'une deuxième rainure circulaire 19 dans
le
deuxième couvercle 4. Un canal 20 au travers du deuxième couvercle 4, permet
de mettre en communication l'espace annulaire 16 avec des moyens d'injection P
d'un fluide sous pression (de l'huile par exemple) destinée à exercer une
pression
radiale sur, l'échantillon S par l'intermédiaire de la gaine souple 9. Des
passages
io (Fig.2) sont ménagés dans chacun des couvercles 3, 4 pour des résistances
électriques 21 connectées à une alimentation électrique (non représentée).
Les deux couvercles d'extrémité 3, 4 sont emboîtés dans un cylindre 22
formant entretoise et maintenus fermement contre la partie tubulaire 2, par
plusieurs tirants 23.
is Le dispositif fonctionne de la façon suivante
L'échantillon S ayant été positionné entre les deux têtes des pièces
d'embout et les couvercles ayant été ajustés et fixés au corps, on injecte par
le
canal 20 du fluide sous pression dans l'espace annulaire 16. On alimente alors
les
résistances électriques 21 servant à chauffer les deux couvercles 3, 4 et on
2o actionne la turbine 12. Le fluide circule d'une extrémité à l'autre de
l'espace
annulaire 16 par l'intermédiaire du tube 17 et des voies de communication
d'extrémité 15, 18, 19. II est réchauffé en permanence à son passage par
l'intérieur des deux couvercles 3, 4 qui sont portées à température élevée par
les
résistances électriques 23. Par ce brassage et ce chauffage permanents,
l'huile
2s de l'espace annulaire 16 et par conséquent l'échantillon S peuvent être
portés
rapidement à une température de consigne bien homogène reproduisant par
exemple celle qui règne dans le sous-sol à la profondeur où il a été prélevé.
Un appareil d'analyse de l'échantillon par rayonnement peut être placé à la
périphérie du cylindre 22 dans les secteurs angulaires entre les tirants 23
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La partie tubulaire 2 ainsi que le cylindre 22 sont réalisés de préférence
dans un matériau composite. On bénéficie de sa rigidité intrinsèque pour
diminuer
leur épaisseur et du même coup leur capacité d'absorption des ondes émises par
les appareils d'examen par rayonnement que l'on peut disposer autour du
s dispositif. On bénéficie aussi d'une conductibilité thermique moindre que
celle des
métaux utilisés (l'aluminium par exemple), ce qui a pour effet bénéfique, de
diminuer les pertes calorifiques par rayonnement et donc d'atteindre plus vite
la
température de consigne nécessaire pour les besoins des essais.
Les tirants 23 peuvent aussi être réalisés dans un matériau composite de
io manière à ne plus faire obstacle à la pénétration du rayonnement des
appareils
de mesure et autoriser ainsi des déplacements sur toute la périphérie du corps
rigide.
On a décrit un agencement où des tirants 23 sont utilisés pour solidariser
les couvercles et la partie périphérique 2 du corps 1. On peut préférer
cependant
is un mode de fixation direct des couvercles au corps, permettant de libérer
tout à
fait la périphérie du corps, ce qui permet d'obtenir un dispositif plus
compact et de
simplifier la mise en place d'appareils d'examen de l'échantillon autour et le
long
de l'échantillon S.
