Brevet FR2377038A1 — publié le 19780804

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif utilisant les ultrasons, pour la détection et la mesure do la quantité de gaz inclus dans un liquide. Elle trouve une application notamment dans 11 analyse des boues de forage. Pour détecter la présence de gaz dans un liquide, et notamment dans les boues de forage, on peut opérer de plusieurs manières. Tout d'abord par prélevement puis par analyse, cette dernière pouvant consister en une mesure du coefficient de compressibilité. Mais une telle méthode est longue, et sa mise en oeuvre se heurte à des problèmes de colmatage des moyens de piquage de la boue. D'autres méthodes consistent soit à provoquer une ionisation de la boue en plaçant celle-ci entre deux électrodes convenablement excitées, (l'intensité de l'ionisation dépendant de la quantité d'inclusions gazeuses présentes dans le milieu) soit à mesurer l'impédance du milieu. Mais ces deux méthodes qui sont toujours de mise en oeuvre délicate nécessitent en plus, une energie électrique importante. La présente invention a justement pour objet un proçedé et un dispositif qui évitent les inconvénients susmentionnés, notamment en ce qu'ils sont de mise en oeuvre simple et ne nécessitent pas une énergie électrique d'alimentation importante. Ce résultat est obtenu, selon l'invention, par l'utilisation d'une technique d'échométrie par ultrasons. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé pour la détection et la mesure de la quantité de gaz inclus dans un liquide, caractérisé en ce qu'on émet dans ledit liquide des impulsions ultrasonores, on détecte les impulsions ultrasonores réfléchies par le gaz et on mesure l'énergie totale des impulsions détectées qui est représentative de la quantité de gaz inclus dans le liquide. De préférence, l'opération de détection ne s'effectue que pendant un intervalle de temps correspondant aux instants de réception des échos provenant d'une tranche de liquide. L'invention a également pour objet un dispositif mettant en oeuvre le procédé qui vient entre défini et qui est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un couple émetteur-récepteur d'impulsions ultrasonores et un circuit de mesure de l'énergie des impulsions ultrasonores réfléchies par le liquide et détectées par le récepteur De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnes à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale d'un tube de forage muni du dispositif de la présente invention - la figure 2 illustre une variante de réalisation permettant l'analyse d'une tranche de liquide ;; - la figure 3 représente un schéma synoptique des moyens électroniques utilisés. Sur la figure 1, sont représentés les moyens de l'invention utilises dans le cas où l'on désire détecter et mesurer la quantité de gaz inclus dans la boue contenue dans un tube de forage. Ce tube, représenté en coupe longitudinale, porte la référence 2 ; il est rempli d'une masse de boue 4 qui contient des bulles de gaz 6, de composition variée et à base notamment d'hydrocarbures Selon l'invention, on dispose sur les parois intérieures du tube 2 au moins un couple C emetteur-récepteur d'impulsions ultrasonores. Ce couple émetteur-récepteur peut être constitué par un transducteur électroacoustique (par ex une céramique piézoélectrique), fonctionnant aussi bien en émetteur qu'en récepteur. Le transducteur C est commandé, à l'émission, par un circuit 10 qui delivre des impulsions électriques de commande véhiculées par la connexion 12.Les impulsions électriques engendrées par le transducteur-récepteur sont véhiculées par la connexion 14 vers des moyens de réception 16 reliés à un circuit de mesure 18 Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Les impulsions ultrasonores émises dans le milieu remplissant le tube de forage se réfléchissent partiellement sur les bulles présentes dans la zone balayée par le faisceau ultrasonore (zone hachurée). Une partie des échos ainsi formés vient frapper en retour le transducteur C. On peut admettre que l'énergie réfléchie par une bulle de gaz dépend de la surface qu'elle offre aux ondes ultrasonores donc de volume, de sorte que, au moins en première approximation, l'énergie de l'onde globale réfléchie par le milieu est représentative du volume de gaz contenu dans celui-ci. Les moyens de réception 16 comprennent donc des circuits aptes à mesurer l'énergie de l'ensemble des échos détectés par le transducteur C. Comme ce transducteur délivre pour chaque écho qu'il reçoit une impulsion électrique dont la tension crête est fonction de l'énergie de l'écho reçu, les moyens 16 sont essentiellement constitués par un circuit d'intégration. Quant aux moyens de mesure 18 ils peuvent consister en un appareil de mesure de tension, analogique ou numérique. Dans certains cas, il est possible d'effectuer un étalonnage de l'appareil, en provoquant artificiellement l'apparition de bulles gazeuses au sein d'un liquide analogue à celui qui doit être analysé (par exemple en créant un phénomène d'électrolyse), ce qui permet d'établir de manière quantitative la correspondance entre le signal de réception délivre par le récepteur 16 et la quantité de gaz présent dans le liquide En effet, sil'on a indiqué plus haut qu'il y avait proportionnalité entre l'énergie reçue et la quantité de gaz présent dans le liquide ce n'est qu'à titre explicatif et approximatif.Dans certains cas (notamment si les bulles sont de très petit diamètre et par exemple inférieur à la longueur de l'onde acoustique, ce qui conduit à des phénomènes de diffraction qui modifient le mécanisme de réflexion des impulsions ultrasonores) la linéarité de la réponse peut notre pas totalement respectée et il peut être alors utile d'effectuer une correction afin d'obtenir une mesure précise de la quantité de gaz. La correspondance ayant été établie par un tel étalonnage, il est possible, à l'aide d'un circuit 2Q de correction, de modifier le signal délivré par le récepteur 16 pour que la grandeur affichée par le circuit 8 corresponde exactement à la quantité de gaz présent dans le liquide Mais dans la plupart des cas ce circuit de correction est inutile, en particulier si l'on se contente d'une détection de la présence de gaz. Afin d'éviter que les échos provenant d'une reflexion sur la paroi intérieure du tube ou sur des appareils qui pourraient s'y trouver (tiges de forage, joints de tiges, outils etcs) ne viennent perturber la mesure, il est préférable de n'effectuer l'opération de détection que pendant un intervalle de temps limité correspondant aux instants de réception des échos provenant d'une tranche de liquide ne s' étendant pas jusqu'aux parois du tube ou-jusqu'à la zone où sont censés être situés lesdits appareils C'est ainsi que sur la figure 2 est représenté un tube de forage pouvant être traversé, dans une zone située à au moins une distance d du transducteur, par une tige 22 formée de tronçons, assemblés au moyen de joints de tiges 24 ; pour éviter de prendre en compte les réflexions des impulsions ultra sonores sur cette tige ou ces joints de tige, le récepteur d'échos n'est commandé qu'à l'intérieur d'une fenêtre de détection dont la durée est égale à 2d/V à compter de l'instant d'émission, si V désigne la célérité du son dans le milieu, La tranche analysée correspond alors à la zone hachurée On pourrait naturellement, sans sortir du cadre de l'invention, définir une fenêtre de détection telle qu'une tranche du liquide d'épaisseur d2-dl soit analysée, en définissant un intervalle de detection débutant à l'instant 2dl/V après l'émission des impulsions ultrasonores et se terminant à l'instant 2d2/V La figure 3 représente le schéma synoptique des moyens électroniques utilisés selon l'invention. Le circuit d'émission 10 comprend une horloge 30 émettant une suite d'impulsions rectangulaires 32 de période T commandant un circuit 34 qui engendre les impulsions électriques destinées au transducteur électroacoustique d'émission E Ce circuit est classique pour l'homme de l'art I1 oomprend essentiellement un circuit dérivateur qui permet d'obtenir des impulsions brèves synchronisées sur les impulsions d'horloge et un transistor dont la base reçoit lesdites impulsions et dont le collecteur est relié au transducteur. Les moyens de réception 16 comprennent un circuit amplificateur 36 relié au récepteur R et une porte 38 de type ET qui n'est ouverte que pendant un intervalle de temps t de la période T La durée t est déterminée par un circuit 40 à partir des impulsions d'horloge Le signal 42 de commande de la porte est au niveau +1 pendant la durée t et au niveau O pendant le reste de l'intervalle T. Un tel circuit 40 est bien connu de l'homme de l'art ; il peut être constitué par exemple par une bascule monostable de durée t commandée par le front avant des impulsions d'horloge. Les signaux de réception qui ont franchi la porte 38 sont intégrés dans un circuit 44, qui délivre une valeur moyenne dont l'amplitude est mesurée par un appareil 46, du genre voltmètre analogique ou numérique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détection et la mesure de la quantité de gaz inclus dans un liquide, caractérisé en ce que ; on émet dans ledit liquide des impulsions ultrasonores, on détecte les impulsions ultrasonores réflé- chies par le gaz et on mesure l'énergie totale des impulsions détectées qui est représentative de la quantité de gaz inclus dans le liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que l'opération de détection ne s'effectue que pendant un intervalle de temps correspondant aux instants de réception des échos provenant d'une tranche de liquide. w 3. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que, pour mesurer l'énergie totale des impulsions détectées, on intègre le signal de détection. 4. Application du procédé selon la revendication 1 a la détection du gaz inclus dans les boues des puits de forage. 5. Dispositif pour la détection et la mesure de la quantité de gaz inclus dans un liquide, mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un couple émetteur-récepteur d'impulsions ultrasonores et un circuit de le mesure de l'énergie des impul- sions ultrasonores réfléchies par le liquide et détectées par le récepteur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de commande des récepteurs pendant un intervalle de temps correspondant aux instants de réception des échos provenant d'une tranche du liquide.