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Dispositif d'analyse d'au moins un gaz contenu dans un liquide notamment
un fluide de forage.
La présente invention concerne un dispositif d'analyse d'au moins un
gaz contenu dans un liquide notamment un fluide de forage, circulant dans
un conduit d'une installation d'extraction de fluides dans un sous-sol, ce dis-
positif étant du type comprenant :
- des moyens d'analyse du ou de chaque gaz ;
- des moyens de prélèvement d'au moins une fraction du ou de cha-
que gaz comprenant au moins un organe membranaire poreux, cet organe
comportant un support et possédant une première face en contact avec le
liquide circulant dans le conduit et une seconde face qui débouche dans une
conduite reliée aux moyens d'analyse.
Lors du forage d'un puits de pétrole ou d'un autre effluent (notamment
gaz, vapeur, eau), il est connu de réaliser une analyse des composés ga-
zeux contenus. dans les boues de forage émergeant du puits. Cette analyse
permet de reconstituer la succession géologique des formations traversées
lors du forage et intervient dans la détermination des possibilités
d'exploitation des gisements de fluides rencontrés.
Cette analyse, réalisée en continu, comprend deux phases principa-
les. La première phase consiste à extraire les gaz véhiculés par la boue (par
exemple composés hydrocarbonés, dioxyde de carbone, sulfure
d'hydrogène). La deuxième phase consiste à qualifier et quantifier les gaz
extraits.
A cet effet, des dégazeurs à agitation mécanique sont fréquemment
utilisés. Cependant, en raison de leur encombrement, ces dégazeurs doi-
vent être implantés à l'écart du puits, en général à proximité d'un tamis vi-
brant, en aval de la tête de puits. Les boues sont convoyées depuis la tête
de puits jusqu'au dégazeur par une goulotte qui peut être ouverte à
l'atmosphère. Ainsi, une partie des composés gazeux présents dans la boue
se libère dans l'atmosphère durant le trajet dans cette conduite. L'analyse
des gaz au niveau du dégazeur à agitation mécanique n'est donc pas repré-
sentative du contenu gazeux de la boue dans le puits.
Pour résoudre ce problème, des dispositifs du type précité ont été
directement implantés dans le conduit de forage, en amont de la tête de
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puits, comme décrit dans le brevet US 5, 469, 917. Ces dispositifs compren-
nent une membrane tubulaire capillaire. Cependant, les boues qui circulent
autour de la membrane sont chargées de morceaux de roches.
Pour éviter la dégradation de la membrane tubulaire sous l'effet des
chocs avec ces morceaux de roche, la membrane est enroulée sur une tige
filetée. La protection de la membrane est alors assurée par le filetage du
support pour des morceaux de roche ayant une taille supérieure à la dis-
tance qui sépare, deux filets consécutifs de la tige filetée.
Ces dispositifs ne donnent pas entière satisfaction. En effet, pour en-
rouler la membrane autour de la tige filetée et assurer ainsi sa protection,
certaines contraintes sont nécessaires sur la membrane. Ainsi, une mem-
brane de géométrie tubulaire doit être utilisée pour pouvoir s'enrouler entre
les filets de la tige filetée. Par ailleurs, la membrane doit être
relativement
souple. Par conséquent, seule une membrane à base de matériaux organi-
ques est utilisable dans ces dispositifs. Or, les membranes organiques pré-
sentent une résistance à la température et une compatibilité chimique qui
n'est pas suffisante dans certaines applications.
L'invention a donc pour but principal de disposer d'un dispositif d'analyse
des gaz contenus dans un liquide contenant des débris de taille variée,
notamment un fluide de forage, circulant dans un conduit d'une installation
d'extraction de fluides dans un sous-sol, ce dispositif étant du type
comprenant :
- des moyens d'analyse du ou de chaque gaz;
- des moyens de prélèvement d'au moins d'une fraction du ou de
chaque gaz comprenant au moins un organe membranaire poreux, cet organe
comportant un support et possédant une première face en contact avec le
liquide circulant dans le conduit et une seconde face qui débouche dans une
conduite reliée aux moyens d'analyse,
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caractérisé en ce que ladite première face présente une dureté
supérieure à 1400 Vickers exprimée en kgf/mm2, notamment comprise entre
1400 et 1900 Vickers exprimée en kgf/mm2.
Le dispositif selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des
caractéristiques prises isolément ou suivant toutes combinaisons techni-
quement possibles :
- l'organe membr*anaire poreux comporte un revêtement qui recouvre
le support suivant ladite première face ;
- le revêtement est à base de carbure de silicium ;
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- ladite première face est en outre hydrophobe et oléophobe ;
- l'angle de mouillage de l'eau sur ladite première face est supérieur à
120 ;
- ladite première face comprend des polymères fluorés incorporés par
greffage ;
- la première face de l'organe membranaire en contact avec le liquide
est sensiblement plane ;
- ce dispositif comprend en outre des moyens de régulation de la
pression dans la conduite au niveau de la deuxième face de l'organe mem-
branaire ; et
- il comprend une pluralité d'organes membranaires et les secondes
faces de ces organes débouchent successivement sur la conduite reliée aux
moyens d'analyse.
L'installation a également pour objet une installation d'extraction de
fluides dans le sous-sol du type comprenant un conduit reliant au moins un
point du sous-sol à la surface, et une conduite d'évacuation reliée au conduit
au niveau de la surface, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au
moins un dispositif selon les caractéristiques décrites ci-dessus, et en ce
que les moyens de prélèvement dudit dispositif sont montés sur un élément
tubulaire constitué par le conduit ou la conduite d'évacuation.
L'installation selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des
caractéristiques prises isolément ou suivant toutes combinaisons techni-
quement possibles :
- la première face de l'organe membranaire en contact avec le liquide
est disposée sensiblement parallèle à l'axe d'allongement de l'élément tubu-
laire ;
- ladite première face en contact avec le liquide est disposée suivant
une paroi de l'élément tubulaire
- ladite première face est disposée en retrait d'une paroi de l'élément
tubulaire ;
- l'élément tubulaire comprend une dérivation et lesdits moyens de
prélèvement sont placés dans ladite dérivation ; et
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- les moyens de prélèvement dudit dispositif sont placés dans ledit
conduit en amont de ladite conduite ;
- elle comprend en outre des moyens de filtration en aval de la
conduite d'évacuation et elle comprend deux dispositifs tels que définis ci-
dessus, les moyens de prélèvement respectifs des deux dispositifs étant
placés respectivement en amont et en aval des moyens de filtration.
Des exemples de mise en uvre de l'invention vont maintenant être
décrits en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 représente schématiquement en coupe verticale une ins-
tallation de forage munie d'un dispositif d'analyse selon l'invention ;
- la Figure 2 représente schématiquement les principaux éléments du
dispositif d'analyse suivant l'invention ;
- la Figure 3 représente schématiquement un détail d'une variante de
l'installation représentée sur la Figure 1;
- la Figure 4 représente schématiquement en coupe verticale une ins-
tallation comprenant deux dispositifs d'analyse selon l'invention ; et
- la Figure 5 représente schématiquement en coupe verticale un détail
d'une variante du dispositif représenté sur la Figure 2.
Un dispositif selon l'invention est utilisé par exemple dans une instal-
lation de forage d'un puits de production de pétrole. Comme illustré sur la
Figure 1, cette installation 11 comprend un conduit de forage 13 dans une
cavité percée par un outil de forage 15 rotatif, une installation de surface
17,
et un dispositif d'analyse 19 selon l'invention monté sur le conduit de forage
13.
Le conduit de forage 13 est disposé dans la cavité percée dans le
sous-sol 21 par l'outil de forage 15 rotatif. Ce conduit 13 comporte au niveau
de la surface une tête de puits 23 munie d'une conduite 25 d'évacuation.
L'outil de forage 15 comprend une tête de forage 27, une garniture de
forage 29, et une tête 31 d'injection de liquide.
La tête de forage 27 comprend des moyens de perçage 33 des ro-
ches du sous-sol 21. Elle est montée sur la partie inférieure de la garniture
de forage 29 et est positionnée dans le fond du conduit de forage 13.
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La garniture 29 comprend un ensemble de tubes de forage creux.
Ces tubes délimitent un espace interne 35 permettant d'amener un liquide
depuis la surface 37 jusqu'à la tête de forage 27. A cet effet, la tête
d'injection 31 de liquide est vissée sur la partie supérieure de la garniture
29.
5 L'installation de surface 17 comprend des moyens 41 de support et
d'entraînement en rotation de l'outil de forage 15, des moyens 43 d'injection
du liquide de forage et un tamis vibrant 45.
Les moyens d'injection 43 sont reliés hydrauliquement à la tête
d'injection 31 pour introduire et faire circuler un liquide dans l'espace
interne
35 de la garniture de forage 29.
Le tamis vibrant 45 collecte le liquide chargé de résidus de forage qui
sort de la conduite d'évacuation 25 et sépare le liquide des résidus de fo-
rage solides.
Le dispositif d'analyse 19 comprend une tête de prélèvement 51 d'au
moins une fraction du ou de chaque gaz et des moyens d'analyse 53 du ou
de chaque gaz.
Comme illustré sur la Figure 2, la tête de prélèvement 51 comprend
un organe membranaire 55 poreux dont une première face 57 plane est en
contact avec le liquide circulant dans le conduit 13 et une seconde face 59
débouche dans une conduite 61 reliée aux moyens d'analyse 53.
L'organe membranaire poreux 55 comprend un support 63 membra-
naire et un revêtement 65 qui recouvre le support 63 du côté du liquide sui-
vant la première face 57.
Cette première face 57 est disposée dans le conduit 13 parallèlement
à l'axe d'allongement du conduit 13, c'est à dire parallèlement à
l'écoulement du flux de liquide. Préférentiellement, cette première face 57
est disposée le long d'une paroi du conduit 13 ou légèrement en retrait de
cette paroi. Ainsi, des outils peuvent être introduits ou extraits du conduit
13
de forage, en minimisant le risque de détérioration de l'organe membranaire
55 par un contact mécanique ou un choc. Par ailleurs, la circulation du li-
quide parallèlement à la première face 571imite les forces d'abrasion
s'appliquant sur le revêtement 65.
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Le support membranaire 63 est réalisé à base d'un matériau poreux,
par exemple une céramique. Préférentiellement, le support membranaire 63
se présente sous la forme d'un disque. Dans l'exemple illustré sur les des-
sins, le diamètre de ce support est sensiblement égal à 50 mm et son épais-
seur est inférieure à 10 mm.
Des exemples de matériaux pouvant être utilisés pour réaliser le sup-
port membranaire 63 sont de l'inox fritté, des fibres métalliques, ou de
l'alumine.
La taille des pores du support membranaire 63 est comprise entre
0,01 pm et 5 pm selon l'application désirée. Préférentiellement, le diamètre
des pores est choisi entre 0,02 pm et 3 pm.
Le revêtement 65 qui constitue la première face 57 de l'organe mem-
branaire 55 comprend une couche mince à base de carbure de silicium dé-
posée sur le support 63. L'épaisseur de cette couche est comprise entre 0,5
pm et 2 pm. Cette couche mince couvre la surface du support entre les po-
res.
Ainsi, l'organe membranaire 55 est perméable à l'ensemble des gaz présents
dans la boue.
Par ailleurs, la dureté de la première face 57 de l'organe membra-
naire 55 est supérieure à 1400 Vickers (kgf/mm2). Dans l'exemple décrit sur
les Figures, cette dureté est comprise entre 1400 et 1900 Vickers
(kgf/mm2).
Cette couche mince protége donc l'organe membranaire 55 contre
l'abrasion générée par les morceaux de roches et les débris de forage.
En variante, le revêtement 65 est modifié par greffage de chaînes po-
lymères fluorées présentant un fort caractère hydrophobe et oléophobe. Pré-
férentiellement, ce greffage est réalisé à base d'un perfluoroalkylethoxysi-
lane. Cette modification du revêtement 65 permet de rendre la première face
57 de l'organe membranaire 55 hydrophobe et oléophobe. Par suite, l'angle
de mouillage de l'eau sur la première face 57 de l'organe membranaire 55
est supérieur à 120 et sensiblement égal à 130 .
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L'organe membranaire 55 est ainsi imperméable au liquide circulant
dans le conduit, ce qui contribue à limiter le colmatage des pores du support
par des résidus solides provenant de ce liquide.
La conduite 61 reliant l'organe membranaire poreux 55 et les moyens
d'analyse 53 comprend une chambre 71 de réception des gaz, un contrôleur
73 de pression dans la chambre, des moyens 75 de convoyage des gaz ex-
traits depuis la chambre de réception 71 jusqu'aux moyens d'analyse 53 et
des moyens 77 de filtration des gaz extraits.
La chambre de réception 71 couvre la seconde face 59 de l'organe
membranaire, en regard de la première face 57. Elle comprend une cloche,
munie d'un orifice d'entrée 79 et d'un orifice de sortie 81 reliés respective-
ment aux moyens de convoyage 75 et au contrôleur de pression 73.
Le contrôleur 73 de pression dans la chambre comprend des élé-
ments 83 de mesure de la pression différentielle entre le liquide dans le
conduit et le gaz dans la chambre en liaison avec un régulateur de pression
85 monté sur la conduite en aval de la chambre.
Ce régulateur 85 est commandé de sorte que, lorsque le dispositif se-
Ion l'invention est utilisé pour l'analyse des gaz contenus dans la boue, la
différence de pression entre le liquide circulant dans le conduit 13 et le gaz
présent dans la chambre de réception 17 est sensiblement nulle. Cette diffé-
rence de pression sensiblement nulle évite la pénétration du liquide circulant
dans le conduit 13 dans l'organe membranaire 55.
Si toutefois l'organe membranaire poreux 55 se colmate, il est possi-
ble de commander le régulateur de pression 85 pour que la pression dans la
chambre 71 soit largement supérieure à la pression dans le conduit 13 pen-
dant quelques secondes. La différence entre ces deux pressions est alors
comprise entre 1 bar et 3 bar, Il est ainsi possible de décolmater les pores
de l'organe membranaire 55.
Les moyens de convoyage des gaz extraits comprennent des moyens
87 d'introduction d'un gaz vecteur dans la chambre de réception 71 par
l'orifice d'entrée 79. Le gaz vecteur est par exemple de l'azote ou de l'air.
Un régulateur 89 de débit massique fixe le débit de gaz vecteur en-
trant dans la chambre 71 et par suite dans les moyens d'analyse 53. Par
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conséquent, la dilution des gaz extraits est constante en fonction du temps.
Un débitmètre volumique 91 est monté sur la conduite 61 en aval des
moyens de filtration 77 pour mesurer le débit de gaz résultant du gaz vec-
teur et des gaz extraits.
Les moyens de filtration 77 sont disposés sur la conduite en aval du
régulateur de pression 85. Ces moyens de filtration 77 éliminent notamment
la vapeur d'eau présente dans les gaz extraits. Ils sont constitués par exem-
ple d'un dessicateur à base de cartouches filtrantes en silicagel, d'un tamis
moléculaire ou d'un filtre coalesceur.
Les moyens d'analyse 53 comprennent une instrumentation 93 per-
mettant la détection et la quantification d'un ou plusieurs gaz extraits et un
calculateur 95 pour déterminer la concentration en gaz dans le liquide circu-
lant dans le conduit 13.
L'instrumentation comprend par exemple des appareils à détection in-
frarouge pour la quantification du dioxyde de carbone, des chromatographes
FID (détecteur à ionisation de flamme) pour la détection des hydrocarbures
ou encore TCD (détecteur à conductivité thermique), en fonction des gaz à
analyser. La détection et la quantification simultanée d'une pluralité de gaz
au moyen du dispositif selon l'invention est donc possible.
Cette instrumentation 93 est placée dans la zone explosive au voisi-
nage de la tête de puits 23 (Figure 1) pour éviter de convoyer les gaz sur
une longue distance, ce qui augmente la précision de la mesure.
Les moyens d'analyse comprennent en outre un capteur 97 de me-
sure de la température du liquide circulant dans le conduit 13.
Le calculateur 95 comprend une mémoire 99 contenant des abaques
de calibration et un processeur 101 pour la mise en oeuvre d'un algorithme
de calcul.
Les abaques de calibration sont établies en fonction de la tempéra-
ture, du débit et des caractéristiques de la boue. Elles contiennent des don-
nées qui relient la concentration d'un ou plusieurs gaz dans la boue à la
concentration des gaz extraits de cette boue à travers l'organe membra-
naire, telle que mesurée à l'aide de l'instrumentation.
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L'algorithme de calcul détermine les quantités réelles de gaz dans la
boue à partir des mesures effectuées par l'instrumentation 93, de la tempé-
rature mesurée dans le conduit 13 par le capteur 97 et des données conte-
nues dans la mémoire 99.
La concentration des gaz dans la boue est déterminée de manière in-
dividuelle ou cumulée.
Le fonctionnement du dispositif selon l'invention lors du forage d'un
puits va maintenant être décrit comme exemple.
Lors du forage, l'outil de forage 15 est entraîné en rotation par
l'installation de surface 41. Un liquide de forage est introduit dans l'espace
intérieur 35 de la garniture de forage 29 par les moyens d'injection 43. Ce
liquide descend jusqu'à la tête de forage 27, et passe dans le conduit de
forage 13 à travers la tête de forage 27. Ce liquide refroidit et lubrifie les
moyens de perçage 33. Puis, le liquide collecte les déblais solides résultant
du forage et remonte par l'espace annulaire défini entre la garniture de fo-
rage 29 et les parois du conduit de forage 13: L'écoulement de ce liquide est
sensiblement parallèle à ces parois.
Le liquide circule donc continûment le long de la première face 57 de
l'organe membranaire 55. Une fraction du gaz présent dans le liquide est
extraite à travers l'organe membranaire 55 et pénètre dans la chambre
d'extraction 71. Le contrôleur 73 de pression dans la chambre 71 est activé
de sorte que la pression différentielle entre la chambre 71 et le conduit de
forage 13 est sensiblement nulle. Ainsi, la pénétration du liquide dans
l'organe membranaire 55 est évitée.
Les gaz extraits sont alors entraînés par le gaz vecteur depuis la
chambre d'extraction 71 à travers l'orifice de sortie 81, le régulateur de
pres-
sion 85 et les moyens de filtration 77, jusqu'aux moyens d'analyse 53. Les
gaz extraits sont alors analysés par l'instrumentation 63 et le calculateur 95
détermine la concentration réelle du ou des gaz analysés dans la boue de
.30 forage en fonction du temps.
Dans la variante représentée Figure 3, la tête de prélèvement 51 est
installée dans une dérivation 111 du conduit de forage 13. Des moyens
d'isolement, comme une vanne d'entrée 113 et une vanne de sortie 115 sont
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prévues aux extrémités de cette dérivation 111, de part et d'autre de la tête
51 pour isoler cette dérivation et démonter facilement la tête de prélèvement
51. Dans cette configuration, le risque de détérioration de l'organe membra-
naire 55 par contact mécanique ou choc lors de l'introduction et de la circu-
5 lation d'outils dans le conduit de forage 13 est minimisé.
Dans la variante illustrée sur la Figure 4, une conduite 121 de recircu-
lation est prévue pour acheminer le liquide extrait au niveau du tamis vibrant
45 vers les moyens 43 d'injection du liquide dans l'espace intérieur 35.de la
garniture de forage 29.
10 A la différence de l'installation représentée sur la Figure 1, deux dis-
positifs selon l'invention 19, 19A sont utilisés. La tête de mesure 51 du pre-
mier dispositif 19 est disposée sur la conduite d'évacuation 25 dans la partie
amont de cette conduite, c'est à dire au niveau de la tête de puits 23. La
tête
de mesure'51A du second dispositif 19A est disposée sur la conduite
d'injection 123 entre les moyens d'injection 43 et la tête d'injection 31. Il
est
ainsi possible de quantifier la différence entre le contenu gazeux du liquide
en sortie du conduit de forage 13 et le contenu gazeux du liquide réinjecté
après dégazage sur le tamis filtrant 45.
Dans la variante illustrée sur la Figure 5, à la différence du dispositif
représenté Figure 1, la tête de prélèvement 51 comprend deux organes
membranaires poreux 55, 55A. Chaque organe membranaire poreux 55,
55A est associé à une chambre de réception 71, 71A des gaz extraits com-
prenant chacune un orifice d'entrée 79, 79A et un orifice de sortie 81, 81A.
L'orifice d'entrée de la première chambre est relié aux moyens de
convoyage 75. L'orifice de sortie 81 de la première chambre est relié à
l'orifice d'entrée 79A de la seconde chambre 71A par la conduite 61.
Ainsi, le gaz vecteur est amené dans la première chambre 71 via
l'orifice d'entrée 79 de cette première chambre 71. Ce gaz amène les gaz
extraits dans la première chambre 71 jusqu'à la seconde chambre 71A par
l'orifice de sortie 81, la conduite 61 et l'orifice d'entrée 79A de la seconde
chambre 71A. La seconde chambre 71A reçoit donc un mélange contenant
les gaz extraits dans la première chambre 71 et le gaz vecteur. Ce mélange
reçoit alors le gaz extrait dans la seconde chambre 71A ce qui l'enrichit en
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gaz provenant du conduit de forage 13 et facilite la détection des gaz ex-
traits par les moyens d'analyse 53.
En variante, le support 63 de l'organe membranaire poreux comporte
une face qui présente une dureté supérieure à 1400 Kgf/mm2, notamment
comprise entre 1400 et 1900 Kgf/mm2, sans qu'un revêtement à base de
carbure de silicium ne soit nécessaire. Suivant un exemple, l'organe mem-
branaire de ce type peut être en alumine a.
Dans une autre variante, le support membranaire est réalisé à base
d'un matériau organique comme par exemple du polytétrafluoroéthylène et
comprend un revêtement en carbure de silicium.
Dans une autre variante, des moyens de chauffage sont implantés
sur le conduit de forage en amont du dispositif selon l'invention par rapport
au sens de circulation du fluide de forage pour faciliter l'extraction des gaz
dissous ou libres. Dans ce cas, le dispositif et les moyens de chauffage sont
disposés dans une dérivation dans laquelle la boue circule librement ou de
manière assistée.
Grâce à l'invention qui vient d'être décrite, un dispositif est obtenu
pour l'analyse précise et en continu des gaz contenus dans un liquide abra-
sif circulant dans une installation de forage dans un sous-sol.
Des organes membranaires de nature et de géométrie diverses peu-
vent être utilisés dans ce dispositif, en fonction des caractéristiques du
fluide
de forage et de la configuration du puits de forage.
En particulier, ce dispositif peut être fabriqué à partir de membranes
de géométries simples et facilement disponibles comme des membranes
discoïdes planes.
Ce dispositif n'est pas sélectif et permet l'analyse des concentrations
individuelles ou cumulées d'une pluralité de gaz dissous ou libres dans le
fluide de forage. ,
Ce dispositif présente en outre l'avantage de minimiser les risques de
détérioration du dispositif lors de l'introduction et de la circulation
d'objets
dans le conduit de forage.
Ce dispositif permet en outre de limiter fortement le colmatage des
membranes et les pertes de rendement résultantes.
