Brevet FR2254025A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne un dispositif de détection de la présence de matière particulaire dans un courant de fluide,et concerne plus particulièrement un dispositif acoustique de surveillance de la présence de matière particulaire de faibles dimensions, comme par exemple du sable, dans un courant de fluide circulant dans une canalisation. Lorsqu'on fait circuler des fluides dans des canalisations, il est souvent souhaitable pour différentes raisons de surveiller la quantité de matière particulaire, par exemple de sable, contenue dans le courant liquide. Par exemple, dans le cas de la production de pétrole et de gaz dans certaines régions, la production des fluides minéraux est quelquefois accompagnée d'une production de sable. Le sable ainsi entraîné peut non seulement provoques une érosion grave du matériel de production, mais peut également interrompre la production, et peut provoquer des difficultés liées à l'évacuation du sable lorsque de grandes quantités de sable s'accumulent dans le dispositif de production. Si l'on peut surveiller de façon sûre le contenu en sable du courant de fluide de production, il est possible de prendre diverses mesures correctives au moment approprié, de façon à supprimer plusieurs des difficultés inhérentes à la production de sable, mentionnées ci-dessus. plusieurs types différents d'appareils ont été utilisés ou suggérés pour détecter la présence de sable dans les fluides provenant d'un puits de production. Un de ces dispositifs surveille le courant de fluide en déterminant l'usure produite par le sable qu'ilentratne, et est couramment dénommé "sonde d'érosion't. Un Un modèle de sonde d'érosion est introduit directement dans le courant de fluide et le sable entravé érode graduellement la paroi de la sonde jusqu'à la traverser. A cet instant la pression du courant de fluide déclenche une alarme, ou un dispositif analogue, pour avertir l'opérateùr qu'un certain taux d'érosion est atteint.Cependant, ces appareils comportent toujours un retard temporel entre une production accrue de sable et le retentissement d'une alarme, et ne réalisent pas une surveillance continue de la teneur en sable du courant de fluide. Un autre type de. sonde d'érosion est une sonde enduite d'une matière radio-active qui est placée dans le courant de fluide. La matière particulaire enlève par érosion la matière radio-active,ce qui modifie l'intensité du rayonnement indiquée par la sonde. Ce type de sonde est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 678 273. On connaît d'autres appareils de ce type générique, dans lesquels un appareil acoustique est descendu dans un puits pour déterminer si un courant se produit en direction d'un puits de forage et/ou pour déterminer l'emplacement à l'intérieur de ce puits ou cet écoulement se produit. A cet égard, on se reportera par exemple aux brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 2 210 417, 2 396 935, 3 509 764 et 3 563 311. Cependant, ces appareils exigent que la production soit arrêtée pendant qu'ils sont descendus et mis en oeuvre dans le puits, et par conséquent ils sont incapabl-es de surveiller de façon continue la teneur en matière particulaire du courant de fluide produit au cours des opérations normales de production. On a également utilisé des dispositifs acoustiques en tant que débitmètres, dans les cas où l'on-- cherche à connaitre s'il existe ou non un écoulement, ou bien la valeur de l'écoulement, et non surveiller une composante particulière du courant, comme par exemple le sable. Un exemple classique d'un tel dispositif est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 580 092. Dans un autre dispositif acoustique de surveillance des matières solides contenues dans un écoulement de fluide, deux transducteurs sont disposés à une certaine distance l'un de l'autre le long d'une conduite, ou autour de celle-ci, l'un des transducteurs produisant un signal reçu par l'autre transducteur. L'atténuation du signal produit fournit une indication de la concentration en particules dans le courant de fluide, au fur et à mesure du passage de ce courant entre les trans-ducteurs. Un dispos-itif de ce type est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 710 615. Dans un autre dispositif de surveillance, une sonde microphonique est disposée dans un courant de fluide, et on écoute les bruits produits par les chocs sur la sonde des particules solides contenues dans le courant de fluide. Un tel dispositif est décrit dans le.brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 2 760 184. Dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 297 175, déposée par la demssnderessele 12 octobre 1972, on décrit une sonde acoustique placée directement dans le courant de fluide. Cette sonde comporte un élément transducteur suspendu à l'intérieur de la sonde et sensible aux fréquences élevées produites par le choc contre la sonde de particules solides de faibles dimensions, comme les particules de sable. Les signaux due sortie de la sonde peuvent ensuite être traités de façon à mesurer ces fréquences élevées, pour fournir un signal représentatif de la quantité de sable contenue dans l'écoulement de fluide. Bien que cette sonde soit très efficace, il existe des cas dans lesquels cette sonde ne peut pas être employée.Cela se produit par exemple losqu'une conduite existante est placée de telle manière qu'il est impossible d'installer la sonde directement dans le courant de fluide; C'est également le cas lorsqu'on sait que des courants de fluide très rapides pourront contenir de très fortes concentrations de matière par ticulaire, comme dans le cas des appareils de sablage, ou lorsque de grandes quantités de matière particulaire sont mises en jeu au cours des opérations defractu,atiodeii1ts de pétrole. Dans de tels cas, une sonde exposée directement à de fortes concentrations de sable se déplaçant à grande vitesse présenterait une durée de vie trop courte, du fait de l'éros-.on. En conséquence, l'invention, qui est une modification de la sonde faisant l'objet de la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 297 175 mentionnée précédemment, concerne un dispositif permettant la surveillance de la quantité de sable contenue dans un fluide, tout en étant préservé de l'érosion par l'écoulement de fluide. L'invention cc-erne un dispositif de surveillance permanente alun écoulement de fluide dans une conduite, servant à indiquer la présence de matière particulaire, par exemple de sable, dans ledit écoulement de fluide, ou l'augmentation de la quantité de matière part-cul2ire contenue dans cet écoulement. De façon plus précise, l'invention fait appel à un dispositif de détection acoustique placé à l'extérieur de la conduite dans laquelle circule l'écoulement de fluide devant être surveillé. Le dispositif de détection est constitué de préférence par un boîtier cylindrique en forme de cloche,comportant une extrémité ouverte destinée à outre placée sur ladite conduite, en un point où. ledit écoulement de fluide vient frapper avec force la surface interne de ladite conduite, comme par exemple sur la surface externe d'un coude à 90" de ladite conduite. Un transducteur acoustique est suspendu à l'intérieur dudit boitier grâce à son conducteur de sortie et a son conducteur de masse, de façon à présenter la réponse maxinale Le signal de sortie du transducteur est transmis à un point situé à l'extérieur dudit boîtier. Un dispositif approprié permet de remplir le boîtier avec un fluide incompressible et non conducteur, par exemple de l'huile.L'huile réalise un couplage effectif entre le transducteur et la paroi de la conduite tout en empêchant un contact mécanique direct entre ces deux éléments. Le transducteur acoustique, par exemple un dispositif piézoélectrique, possède une fréquence de résonance fondamentale dans l'un de ses modes supérieure à environ 100 kHz, par exemple 700 kHz, ce qui assure une caractéristique de réponse appropriée pour la détection de matière particulaire, comme il sera expliqué ci-après au cours de la description détaillée de l'invention. Lorsque le dispositif de détection est placé correctement sur la conduite3 le courant de fluide frappant la surface intérieure de la conduite cède de l'énergie cinétique qui est transmise au transducteur acoustique situé à l'intérieur du boîtier rempli d'huile et fait osciller celui-ci en produisant un signal dont les composantes de fréquence sont représentatives de ladite énergie cinétique. Le signal de sortie du dispositif de détection peut alors être traité par des circuits filtrant et amplifiant le signal de façon à le présenter sous une forme utilisable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe, du dispositif de détection selon i'invention, accompagnée d'un schéma synoptique des circuits pouvant être utilisés pour traiter le signal fourni par la sonde - la figure 2 est une vue en coupe agrandie du dispositif de détection de la figure 1 - la figure 3 est une vue partiellement en coupe selon la ligne 3-3 de la- figure 2 - la figure 4 est. une représentation graphique de la courbe da réponse en fréquence du transducteur du dispositif de détection de la figure 2 ; et - la figure 5 est une représentation graphique du signal de sortie du transducteur après passage à travers le filtre de la figure 1. La figure 1 à laquelle on se référera plus particulibrement maintenant représente une conduite 10 destinée à faire circuler un écoulement de fluide dont on doit surveiller le contenu en matière particulaire, par exemple en sable. Comme il sera expliqué plus en détail ci-après, le dispositif de détection de matiere particulaire 12 est placé sur la conduite 10, au niveau d'un coude marqué de celle-ci, par exemple sur la surface extérieure d'un coude à 900 de la conduite 10. Le dispositif de détection de matière particulaire (figure 2) est constitué de préférence par un boîtier cylindrique 15, en forme decloche,qui est de préférence ouvert à l'une de ses extrémités I1 faut noter que la forme du boîtier 15 n'est pas critique. Le transducteur 20 est suspendu librement à Itaide de son conducteur de sortie 21 et de son conducteur de masse 23, de manière à présenter la sensibilité maximale aux vibrations. Le conducteur de sortie 21 passe à travers le connecteur électrique 22 qui, à son tour, est fixé dans une ouverture de la paroi latérale du boîtier 15, et le conducteur de masse 23 est fixé au-connecteur 22 comme il est représenté sur la figure 2. Les conducteurs 21 et 23 sont des conducteurs électriques dont la rigidité est juste suffisante pour que le transducteur 20 soit suspendu dans le boîtier 15, sans toucher les parois du boîtier 15, et qui sont en même temps suffisament flexibles pour offrir la résistance minimale aux vibrations du transducteur 20, lorsque celui-ci est excité. Le boîtier 15 comporte une ouverture qui est normalement fermée par un bouchon fileté 25 ou un élément analogue, de façon à permettre le remplissage complet de ce bottier avec un fluide incompressible et isolant, par exemple de l'huile. Lorsque le boîtier 15 possède une extrémité ouverte, le remplissage du boîtier 15 avec de huile est accompli après que le bottier a été fixé en position sur la conduite 10. Si le boîtier 15 doit être rempli préalablement, une mince membrane flexible (non représentée), par exemple en caoutchouc, peut être utilisée pour fermer l'extrémité ouverte du bottier 15. Cette membrane doit pouvoir se conformer complètement' au contour de la conduite 10 lorsque le dispositif de détection est en position de fonctionnement sur ladite conduite,et doit offrir une atténuation minimale aux vibrations, entre la paroi de lacaiduite et le transducteur 20. On a constaté que la réponse du transducteur 20 n'est pas aussi bonne lorqu'il y a présence d'une membrane que dans le cas contraire. Lorsque le boîtier 15 est fixé sur la conduite 10 par une soudure, par de la résine époxy, ou par un autre moyen, en fonction du matériau utilisé pour le boîtier 15,.et lorsque ledit boîtier est rempli, seule l'huile contenue dans le boîtier 15 assure le couplage acoustique entre le transducteur 20 et la paroi de la conduite 10. Les conducteurs relativement flexibles 21et 23 permettent la vibration du transducteur 20, presque sans amortissement, lorsque celui-ci est excité par les vibrations de la conduite produites par la matière particulaire frappant la surface interne de cette conduite. Le transducteur 20 est constitué de préférence par un dispositif piézoélectrique accordé sur la fréquence de résonance fondamentale de l'un de ses modes, de manière à présenter un signal de sortie maximal pour ladite fréquence d'accord, et à atténuer la plupart des autres fréquences. Dans le cas de la détection de matière particulaire selon l'invention, cette fréquence fondamentale de résonance doit être supérieure à environ 100 kHz, comme il sera décrit plus en détail ci-après. Du fait qu'il est accordé sur une fréquence fondamentale de résonance, le transducteur 20.répond rapidement aux fréquences produites par l'énergie cinétique cédée par le matériau particulaire frappant la surface intérieure de la conduite 10, et produit un signal représentatif de cette énergie.Le signal de sortie du transducteur 20 est transmis par le conducteur 21 aux circuits de traitement 30 (figure 1), afin de mettre ce signal de sortie sous une forme utilisable. A titre d'exemple, le transducteur 20 peut être constitué par un dispositif piézoélectrique en céramique, en forme de disque circulaire (par exemple du type "Vernitron PTZ-5"), ayant un diamètre de 12 > 7 mm et une épaisseur de 2,54 mm. Ce dispositif piézoélectrique particulier 20 possède une fréquence de résonance fondamentale d' environ 700 kHz lorsqu'il résonne en mode transversal (c'est-à-dire selon l'épaisseur). Cette fréquence est nettement supérieure à la fréquence minimale de l'ordre de îoe kHz nécessaire pour détecter de façon sûre la matière particulaire contenue dans le courant de fluide, à l'aide du dispositif selon l'invention.Lorsque le transducteur est accordé à l'aide dtun élément d'accord 31, (par exemple une bobine d'accord de type "Cambion 1505-6", placée de préférence à l'intérieur du boîtier 15, comme il est indiqué sur la figure 2) a -sa fréquence fondamentale de résonance de 700 kHz, la réponse en tension v a classique du transducteur 20 suit approximativement la courbe représentée sur la figure 4. On notera que la courbe -de réponse de ce transducteur particulier présente deux fréquences de résonance, l'une vers 100 kHz se produisant en mode radial du dispositif piézoélectrique, et l'autre vers 700 kHz se produisant en mode transversal du dispositif piézoélectrique. Le signal de sortie produit par le transducteur 20 sous l'effet du choc de matière particulaire sur la conduite 10 contient des composantes de fréquence dominantes aussi bien dans la plage des 100 kHz que dans la plage des 700 kHz.Cependant, du fait que le signal de sortie du transducteur 20 produit par le bruit normal de l'écoulement, le bruit de pompage et/ou d'autres bruits parasites faisant vibrer le boîtier 15 peut également contenir des composantes de fréquence dominantes dans la plage des 10O kHz,il est nécessaire de se baser sur le bruit compris dans la plage des 700 kHz pour déterminer sril y a effectivement présence de matière particulaire dans le courant de fluide. En fait, certaines expériences ont montré que le bruit de fond pouvait présenter des composantes dominantes atteignant 250 kHz Les signaux de sortie du transducteur 20 produits par le bruit normal de l'écoulement, par le bruit de pompage, etc, ne contiennent pas de composantes de fréquence dominantes dans la plage des 700 kHz.Bien que les circuits 30 ne fassent pas partie de l'invention, ils seront décrits brièvement ci-après pour permettre une meilleure compréhension de l'invention. Pour avoir une description plus détaillée des circuits pouvant être utilisés pour traiter le signal de sortie du transducteur 20, on se référera à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 297 097 déposée par la demanderesse le 12 octobre 1972. Le transducteur 20 est accordé approximativement à 700 kHz, et la tension de sortie v a de ce transducteur est appliquée un filtre passe-bande classique 32 conçu de façon à laisser passer une bande de fréquences aussi étroite que possible, présentant par exemple une largeur inférieure ou égale à 50 kHz, centrée sur ladite fréquence d'accord du transducteur, c'est-à-dire que le filtre 32 laisse passer une bande étroite de fréquences comprise approximativement entre 675 et 725 kHz, tout en atténuant toutes les autres fréquences. La capacité de surveillance du dispositif de détection est d'autant meilleure que la bande passante est plus étroite, mais il est cependant nécessaire d'augmenter l'amplification lorsqu'on diminue la bande passante. Le signal de sortie classique vb du filtre 32 est représenté sur la figure 5.Le signal de sortie v b du filtre 32 est ensuite amplifié par l'amplificateur 33 qui peut être constitué par un ou plusieurs étages, comme il est bien connu dans l'art antérieur. I1 faut noter que le filtre 32 peut être placé à l'endroit représenté, ou placé après l'amplificateur 33, sans que la fonction ou le but de ce filtre ne soit modifié. De plus ce filtre peut être constitué par une boucle de contre-réaction atténuant les fréquences inférieures, comme il est bien connu par l'art antérieur. Le signal filtré et amplifié est ensuite transmis à un redresseur 34, de façon à convertir le signal alternatif en un signal constitué par une tension continue dont la valeur représente la moyenne redressée du signal de sortie dans l'amplificateur 33. Le signal obtenu est ensuite enregistré directement sur un enregistreur classique de. signaux continus 35, et/ou est appliqué à un circuit d'alarme 36 qui avertit l'opérateur lorsqu'il existe dans le courant de fluide une certaine condition liée au contenu en matière particulaire. Dans le circuit d'alarme 36 représenté, le signal produit par- le dispositif de détection 12 est appliqué aucomparateur 37 dans lequel il est comparé à un signal vr, constitué par une tension de référence représentant une condition particulière pour le contenu en particules d'écoulement de fluide.Si le signal traité dépasse le signal de référence vr, le comparateur 37 fournit un signal d'erreur qui, à son tour, déclenche le circuit alarme 45. On peut résumer lue fonctionnement du dispositif de détection 12 de ia façon suivante. L'extrémité ouverté du boîtier 15 est placée sur la surface extérieure de la conduite 10, au niveau d'un coude marqué de cette conduite. Le boîtier 15 est placé de façon que la face 20a (figure 3) du transducteur 20 soit aussi voisine que possible de la perpendiculaire à l'écoulement de fluide dans la conduite. C'est de cette façon que le transducteur 20 présente la plus grande sensibilité, en mode de vibration transversal aux vibrations de la conduite 10 produites par la matière particulaire contenue dans l'écoulement de fluide frappant avec la force maximale la surface intérieure de la conduite 10 au niveau de ce coude. En frappant la surface interne du conduit 10, la matière particulaire cède de l'énergie cinétique qui provoque des vibrations dans la conduite 10,au point où cette matière frappe la conduite. Ces vibrations sont transmises par l'huile se trouvant à l'intérieur du boîtier 15 et excitent le transducteur 20 qui, à son tour, produit un signal de sortie représentatif de l'énergie cinétique cédée par la matière frappant la conduite. En traitant le signal de sortie de la manière décrite ci-dessus, il est possible de surveiller la présence de matière particulaire dans l'écoulement de fluide, La sensibilité du transducteur 20 dépend en partie de l'épaisseur de la paroi de la conduite, de la vitesse de l'écoulement de fluide, etc.L'invention a été utilisée pour surveiller le sable contenu dans des écoulements de fluide circulant dans des conduites présentant une épaisseur de paroi de 15 mm. De plus, bien que le dispositif de détection 12 soit essentiellement un dispositif permettant de détecter la présence ou l'absence de matière particulaire dans un écoulement de fluide, le signal de sortie peut dans certains cas être étalonné Cen utilisant- des concentrations connues de matière particulaire, à des vitesses d'écoulement connues) de façon à obtenir une mesure quantitative de la concentration en matière particulaire. Une telle mesure est normalement possible dans le cas où il y a présence de fortes concentrations de matière particulaire dans des écoulements de fluide à grande. vitesse comme par exemple dans les opérations de fracturation de puits de pétrole. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de matière particulaire dans un courant de fluide circulant dans une conduite, caractérisé en ce qu'il comporte : un bottier destiné à être fixé à l'extérieur de ladite conduite ; un transducteur sensible à l'énergie acoustique et produisant un signal représentatif de cette énergie ; un dispositif permettant de suspendre librement ledit transducteur à l'intérieur dudit boîtier, de façon que ledit transducteur ne soit pas en contact avec ledit boîtier et soit libre de vibrer de façon relativement non amortie lorsqutil est excité ; un dispositif permettant le remplissage dudit boîtier avec un liquide incompressible ; et un dispositif de sortie procurant une sortie pour ledit signal produit par ledit transducteur. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit transducteur comprend un dispositif piézoélectrique possédant une fréquence fondamentale de résonance supérieure à 100 kHz. 3. Dispositif de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fréquence fondamentale de résonance est d'environ 700 kHz. 4. Dispositif de détection selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit dispositif de sortie est constitué par un conducteur électrique qui forme également au moins une partie dudit dispositif permettant de suspendre librement ledit conducteur dans ledit boîtier. 5. Dispositif de détéction selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte dans ledit boîtier un dispositif accordant la sortie dudit transducteur sur ladite fréquence de résonance fondamentale de ce transducteur. 6. Dispositif de détection de matière particulaire contenue dans un courant de fluide circulant dans une conduite présentant un coude marqué, caractérisé en ce qu'il comporte : un boîtier présentant une extrémité puverte, cette extrémité ouverte étant destinée entre placée contre la surface extérieure dudit coude de ladite conduite un transducteur sensible à l'énergie acoustique et produisant un signal représentatif de cette énergie, ledit transducteur comprenant un dispositif piézoélectrique présentant une fréquence de résonance fondamentale supérieure à 100 kHz;- un dispositif permettant de suspendre librement ledit dispositif piézoélectrique dans ledit boîtier, de façon que ledit dispositif piézoélectrique ne soit pas en contact avec ledit boîtier, et puisse vibrer librement, de façon relativement non amortie, lorsqu'il est excité; un dispositif appartenant audit boîtier et permettant le remplissage de ce boîtier avec un liquide incompressi ble lorsque ce boîtier est en place sur ladite conduite ; et un dispositif de sortie procurant une sortie pour ledit signal produit par ledit transducteur. 7. Dispositif de détection selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite fréquence de résonance fondamentale est d'environ 700 kHz. 8. Dispositif de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit dispositif de sortie est constitué par un conducteur électrique formant également une partie au moins dudit dispositif permettant de suspendre librement ledit transducteur dans ledit boîtier. 9. Dispositii de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce qu il comporte un dispositif logé dans le boîtier, servant à accorder la sortie dudit transducteur sur ladite fréquence de résonance. fondamentale de ce transducteur.