Brevet FR2459974A1 — publié le 19810116

-1- La présente invention concerne un capteur pour détecter des particules entraînées dans un courant de fluide. Il est souvant déèirable de détecter les particules contenues dans un fluide qui s'écoule dans un conduit, en oarticulier lorsou'on contrôla l'écoule- ment de fluides provenant de puits, tels que de l'eau et/ou du pEtrole et/ou du gaz produits par des couches. ou formations terrestres perrnmables dans lesouelles s'enfoncent des puits ou trous de sonde qui s'étendent à partir de la surface du sol jusqu'à ces couches. Les fluides qui s'écoulent dans les puits à partir de- couches ou formations terrestres sont trans- portées dans les puits jusqu'à la surface. Ces fluides entraînent fréquemment des particules solides, telles que des grains de sable, qui sont arrachées des forma- tions par le fluide en écoulement. Ces particules en- dommagent l'équipement de production, par exemple, par une action d'érosion, ou elles se déposent dans cer- taines parties de l'équipement, ce qui a pour effet qu'il est nécessaire de nettoyer fréquemment l'équi- pement. Pour éviter cet inconvénient, le courant de fluide doit être contrôlé pour permettre à l'opérateur de prendre les mesures nécessaires lorsqu'il s'avre que des quantités inacceptables de grain- de sable sont présentes dans le courant de fluide. Pour contrôler un courant de fluide entrat- nant des particules, on a déjà utilisé des syst&mes oui comportent un capteur constitué par une tige métallique qui est exposée au courant de fluide. Les particules, en frappant la tige, engendrent une énergie acoustique, énergie nui est détectée Dar des moyens 4randucteurs acoustiques (tels au'un Ilément piézo-électrique) coo- pérant avec la tige. Les moyens transducteurs engendrent des signaux électriques qui sont représentatifs de l'é- nergie acoustique engendrée par led particules qui ont -2- heurté la tige. En calibrant ou en étalonnant le sys- tème on peut obtenir des données de référence qui sont reurésentatives de la aurntité et/ou de la masse totale des particules qui sont présentes dans le cou- rant. En outre, on connaît déjà un capteur conçu pour détecter des particules dans un courant de fluide qui comprend un corps métallique cylindrique creux rempli de liquide comportant un élément piézo-électri- que qui est librement suspendu dans le liquide. Les chocs produits par les particules qui heurent l'ex- térieur de la paroi métallique se propagent dans le liquide sous la forme d'ondes de pression jusqu'à l'élément piézo-électrique et sont ensuite traduits en signaux électriques qui sont représentatifs de l'é- nergie acoustique engendrée par les chocs. Les capteurs connus - bien qu'ils conviennent pour être utilisés dans de nombreuses conditions - ne sont pas d'un emploi intéressant dans le cas o des chocs de grains de sable ou autres particules doivent être mesurés dans des régions ou emplacements sDécifi- ques, en particulier lorsque ces régions ou emplacements ont de petites dimensions ou lorsque les capteurs doivenF être utilisés pour détecter de manière préférentielle les particules qui arrivent à partir d'une direction prédéterminée par rapport au capteur. L'un des buts de la présente invention est de réaliser un capteur pour détecter des chocs produits sur ce capteur par des particules entraînées dans un courant de fluide, capteur qui est conçu pour détecter des Particules qui passent pas des "fenêtres" de peti- tes dimensions et/ou pour détecter des particules qui heurtent le capteur suivant une direction particulière. Un autre but de la présente invention est de réaliser un capteur du type ci-dessus qui soit d'une 3-5 construction robuste et qui puisse être utilisé pour la détection de particules dans des courants s'écou- lant dans un trou de sonde en étant descendu dans le trou jusqu'aux niveaux de profondeur o le fluide entre dans le trou de sonde en provenance des formations souterraines productrices, cette construction permet- tant, si désiré, que l'on y suspende d'autres outils de diagraphie. Le capteur selon l'invention comporte un organe métallique de forme annulaire Supportant des moyens transducteurs en contact de transmission des ondes acoustiques avec lui, une tige munie d'un épau- lement, des moyens de serrage pour serrer l'organe de forme annulaire sur la tige en exerçant une force axiale sur la tige et l'organe et une matière possédant des propriétés élastiques disposée entre l'organe de forme annulaire et la tige et entre l'organe et les surfaces par l'intermédiaire desquelles une force de serrage est exercée sur l'organe de forme annulaire. L'organe de forme annulaire supportant les moyens transducteurs peut être serré sur la tige par l'intermédiaire d'anneaux disposés respectivement entre l'organe de forme annulaire et l'épaulement et entre l'organe de forme annulaire et les moyens de serrage. Une matière possédant des propriétés élastiques est alors disposée entre les anneaux et la tige et entre les anneaux et les surfaces par l'intermédiaire des- quelles une force de serrage est exercée sur les an- neaux. On décrira ci-après l'invention de manière plus détaillée au moyen d'un exemple et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - La Figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'un capteur selon l'inven- tion qui convient pour être descendu dans un trou de -4- sonde ou puits pour détecter le niveau auquel des grains de sable entrent dans le puits, grains qui sont arrachés à la formation productrice par le cou- rant de fluide qui s'écoule dans le puits à partir de la formation productrice; La Figure 2 est une vue en coupe longitu- dinale d'un capteur qui convient pour être placé dans un courant de fluide s'écoulant dans un tuyau ou con- duit situé à la surface de la terre, le capteur étant conçu pour détecter les chocs de grains de sable qui passent par une fenêtre extrêmement petite de la surfa- ce totale de la section transversale du tuyau ou con- duit; * La Figure 3 est une vue en coupe du capteur de la Figure 2, dans le sens des flèches III-111; et La Figure 4 représente en plus de détails la partie A de la vue en coupe représentée sur la Figure 1. Le capteur représenté sur la Figure 1 est constitué par une tige métallique 1 munie d'une tête support 2 comportant un oeil 3 qui convient pour atta- cher un cAble destiné à descendre le capteur dans un trou de sonde jusqu'à une grande profondeur, par exem- ple jusqu'à 6000 m ou même plus, afin de détecter la présence de grains de sable qui sont entraînés par un fluide qui s'écoule par des perforations formées dans la paroi d'un tubage ou autre élément tubulaire monté dans le puits ou-trou de sonde. La tête 2 comporte, en outre, un épaulement 4 à son extrémité inférieure. Un ensemble, constituée par un élément 5 de forme annulaire et deux anneaux 6 et 7, est serré sur la tige 1 contre la tête 2 de la tige par un écrou profilé 8 qui coopère avec un filetage 9 formé sur l'extrémité inférieure de la tige 1. Plusieurs bagues toriques 10 en matière -5- élastique, par exemple en caoutchouc élastique ou en une autre matière élastique appropriée, sont montées dans des rainures 11 formées aux emplacements repré- sentés sur la Figure 1. Les bagues toriques empêchent la transmission des ondes acoustiques entre l'organe de forme annulaire et les anneaux 6 et 7, d'une part et la tige 1, la tète 2 et l'écrou de serrage 8, d'au- tre part, ainsi qu'entre les anneaux 6 et 7 et l'organe de forme annulaire. Les bagues torîques 10 disposées entre les surfaces qui sont soumises à une charge axia- le Dar la force axiale exercée lorsque l'écrou 8 est fermement serré sur la tige 1 sont comprimées par cette charge axiale, Les bagues toriques 10 qui sont montées dans les rainures 11 formées dans les parois intérieu- res de l'organe 5 de forme annulaire et des anneaux 6 et 7 ont une diamètre intérieur oui est inférieur au diamètre de la tige 1 et sont déformées lorsque l'or- gane 5 de forme annulaire et les anneaux 6 et 7 sont enfilés sur la tige 1, Les bagues 10 ont des dimen- sions appropriées et sont fabriquées en une matière appropriée pour empêcher les fronts d'onde acoustique d'entrer dans l'organe 5 de forme annulaire à partir d'autres parties du capteur. Ainsi, seuls les fronts d'ond e engendrés par les chocs des particules contre l'organe 5 de forme annulaire seront détectés par l'élément transducteur 12. L'élément transducteur 12 est monté sur la face intérieure de l'organe 5 de forme annulaire et on se référera maintenant à la Figure 4 qui représente le détail A du capteur de la Figure 1 d'une manière plus détaillée. L'élément transducteur 12 est formé par un cristal piézo-électrique qui est logé dans un alvéole 13 formé dans la paroi intérieure de l'organe 5. Le cristal 12 a une de ses faces collée au fond de l'alvéole 13 -6- par une colle ayant des propriétés de conduction de l'électricité tandis qu'une mince placue métallique 14 est collée sur l'autre face de cristal. Le cristal est en outre, disposé dans un anneau 16 en matière électri- quement isolante. La fige 1 comporte une rainure 18 formée face au cristal piézo-électrique 12 porté par l'organe 5 de forme annulaire. Un élément annulaire 19 en matière électriquement isolante (cet élément étant formé de deux moitiés) est collé dans la rainure 18 et porte deux contacts élastiques 20 et 22 qui sont électricue- ment connectés à des fils conducteurs 22 et 23 par des vis à métaux 24 et, respectivement, 25. De cette maniè- re, les signaux engendrés par les ondes acoustiques détectées par le cristal 12 sont transmis par les fils conducteurs 22 et 23 qui sont disposés respectivement dans un canal 26 et dans un canal 27 formés dans la tige support 1 à des conducteurs électriques (non représen- tés) qui sont portés par le câble support souple (non représenté) attaché à l'oeil 3 de la tête support 2 de la tige 1. Les signaux sont, de cette manière, trans- mis à la surface de la terre, d'une manière en soi con- nue dans les techniques de diagrauhie, éventuellement après avoir été amplifiés, filtrés ou traités d'une autre manière appropriée par un équipement électronique porté par la tête support 2 ou dans un bottier quelcon- que disposé entre la tète support 2 et le câble support (non représenté). On comprendra que, du fait que l'organe 5 de forme annulaire est acoustiquement isolé des anneaux 6 et 7 ainsi que de la tête 2, de la tige 1 et de l'écrou 8, seuls ceux des grains de sable qui heurtent l'organe du capteur sont détectés. Tous les autres chocs appli- qués au capteur engendrent également des ondes acousti- ques mais ces ondes ne sont pas transmises à l'organe 5 -7- de forme annulaire ni aux moyens transducteurs 12 au'il porte. Par conséquent, le capteur représenté sur la Figure 1 ne détecte pas les grains de sable contenus dans le courant de fluide qui se déplacent dans une direction ui est parallèle à l'axe central du capteur. Ainsi, seules sont détectées les particules qui sont entraînées par un fluide s'écoulant par une perfora- tion formée dans la paroi du tube, perforation qui est située en face de l'organe 5. Ainsi, en abaissant (ou en soulevant) lentement le capteur dans le trou de sonde et en contrôlant le niveau auquel le capteur est suspendu (d'une manière en soi connue en mesurant la longueur du câble qui supporte le capteur dans le trou de sonde), on peut facilement détecter le niveau de la perforation qui produit des grains de sable. On comprendra nue l'emploi de l'organe 5 de forme annulaire portant le transducteur 12, organe oui est acoustiquement isolé du reste du capteur rermet la détection des particules qui passent par une "fenêtre" de surface réduite et frappent le capteur dans une direction approximativement perpendiculaire à Pon axe central sans interaction des particules qui passent le long du capteur approximativement dans la direction longidutinale de ce dernier. Dans une variante de construction du capteur représenté sur la Figure 1, on peut supprimer l'un ou l'autre des anneaux 6 et 7 ou les deux. Dans une autre application du capteur de la Figure 1, le capteur peut être monté à poste fixe dans un conduit dans lequel s'écoule un fluide entraînant des particules. Le capteur est monté avec son axe cen- tral approximativement perpendiculaire au courant de fluide. A cette fin, la tête 2 est munie, à la place de l'oeil 3, de moyens d'accouplement qui sont conçus pour permettre de montrer la tête dans une ouverture -8formée dans la paroi du conduit. L'emplacement et les dimensions de la "fenêtre" dans laquelle la présence de particules doit être détectée dépendent de la hauteur et du diamètre de l'organe 5 et, respectivement, des hauteurs des anneaux 6 et 7. Le capteur selon l'invention peut être égale- ment utilisé pour détecter la présence de grains de sable dans un courant de fluide à deux phases, tel qu'un mélange de pétrole et de gaz, qui s'écoule à partir d'un puits Jusqu'à un équipement de traitement. La demande de brevet français n0 80 13979 déposée le 24 juin 1980 au nom de la deman- deresse et ayant pour titre "Dispositif pour détecter des particules entratnées dans un courant de fluide", c'crit une technique au moyen de laquelle le bruit indée- sirable, tel que le bruit résultant de la présence de bulles de gaz dans le courant de fluide, peut être éliminé en utilisant deux corps métalliques coopérant chacun avec des moyens transducteurs acoustiques conçus pour détecter l'énergie acoustique dans le corps corres- pondant et pour engendrer des signaux électriques repré- sentatifs de cette énergie. L'un des corps a au moins une partie de sa surface métallique recouverte d'une couche de matière insonore et des moyens sont prévus pour soustraire l'un des signaux électriques de l'autre signal après quoi le signal résultant est affiché et/ou enregistré. Les deux corps métalliques coopérant chacun avec un transducteur acoustique, dont l'emploi est nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus décrit de détection des particules dans un courant de fluide à deux phases peuvent être formés en-utilisant deux capteurs du type représenté sur la Figure 1. On recouvre alors la paroi extérieure de l'organe 5 de forme annulaire de l'un des capteurs d'une couche de -9- matière insonore et on traite ensuite les signaux électriques engendrés par les éléments piézo-électri- ques 12 en soustrayant l'un des signaux de l'autre. Cependant, dans un autre mode de réalisation, les deux corps métalliques peuvent etre montés dans un capteur commun. A cette fin, on peut utiliser le capteir selon l'invention. La Figure 2 représente, à titre d'exemple, une vue en coupe longitudinale d'un tel capteur. La tige support 30 du capteur représenté sur la Figure 2 comporte un filetage 31 à son extrémité supérieure, ce filetage étant approprié pour coopérer avec une ouverture taraudée formée dans la paroi d'un conduit (non représenté) dans lequel s'écoule un cou- rant de fluide à contrôler. L'extrémité inférieure de la tige 30 est mu- nie d'un filetage 32 qui coopère avec un filetage formé dans l'écrou profilé 33. Deux organes métalli- ques 34 et 35 de forme annulaire entre lesquels est disposé un anneau 36 sont serrés entre l'écrou 33 et l'épaulement annulaire 76 de la tige 30. Les organes 34 et 35 sont constitués rar des anneaux métalliques dont chacun porte un cristal piézo-électrique 38 de le même manière que celle ci-dessus décrite en se référant à la Figure 4. Des conducteurs électriques s'étendent dans la tige support 30 afin de transmettre les signaux électriques des cristaux 38 à un équipement de mesure et/ou d'enregistrement approprié (non représenté). Les organes 34 et 35 de forme annulaire et l'anneau 36 sont isolés acoustiquement les uns des au- tres et de la tige support au moyen de bagues toriques en matière élastique. L'organe de forme annulaire supérieur 34 est muni d'une couche 41 d'une matière insonore sur Fa paroi extérieure. -10- La Figure 3 représente une vue en coupe du capteur de la Figure 2 suivant la licne de coupe III-III de cette figure à travers l'organe de forme annulaire supérieur 34 et la rainure 42 de la tige support 30, rainure qui est disposée face à l'élément piézo-élec- trique 38 qui est porté dans un alvéole formé dans l'organe 34 de la même manière que celle représentée sur la Figure 4 dans le cas de la rainure 18 disposée face à l'élément piézo-électrique 12. Le transducteur 38 (cf. Figure 2) coopérant avec l'organe 35 de forme annulaire détecte les ondes acoustiques dans cet organe, ondes oui sont engendrées à la fois par les bulles de gaz présentes dans un flui- de à deux phases qui s'écoule le long du capteur et par les chocs contre l'organe 5 produits par les particules présentes dans ce courant. Cependant, le transducteur 38 de l'organe 34 de forme annulaire ne détecte que les ondes acoustiques produites par les bulles de gaz étant donné que la cou- che 41 de matière insonore présente sur la paroi exté- rieure de l'organe 34 amortit les chocs des particules. En soustrayant l'un des signaux engendrés par les deux transducteurs de l'autre signal, on ob- tient un signal résultant qui est approximativement représentatif des ondes acoustiques engendrées par les chocs des particules. Dans une variante de construction du capteur de la Figure 2, on peut supprimer l'anneau 36. Dans encore une autre variante de construction, d'autres anneaux 36 peuvent être placés entre l'épaulement 37 et l'organe 34 de forme annulaire ainsi qu'entre l'or- gane 35 de forme annulaire et l'écrou 33. Lorsque l'on positionne le capteur représenté sur la Figure 2 dans un conduit (non représenté) dans lequel circule un courent de fluide à deux phases qui -il- doit être contr8lé, on le nlace de 'réf4rence dans un plan de symétrie du conduit. Un tel plan peut être vertical mais de bons résultats neuvent Atre également obtenus, dans certaines situations, en utilisant un plan de symétrie horizontal. Les signaux engendrés par les transducteurs acoustiques peuvent etre amplifiés, filtrés et/ou sou- mis à d'autres traitements qui sont couramment utilisés dans les techniques de transmission et d'enregistrement de signaux. Les transducteurs acoustiques peuvent coopé- rer avec les organes 5, 34 et 35 de forme annulaire de toute manière désirée. On utilise de préférence des élé- ments piézo-électriques mais on neut également utiliser d'autres moyens. Les éléments piézo-électriques peuvent être serrés sur les organes au moyen de ressort ou de vis ou ils peuvent être collés sur les organes. On comprendra que les organes de forme annu- laire tels que les organes 5, 34 et 35 de- capteurs selon l'invention doivent posséder d'excellentes pro- priétés de transmission des ondes acoustiques et que ces organes sont, par conséquent, fabriqués en métal. Les anneaux disposés adjacents aux organes de forme annulaire, tels que les anneaux 6, 7 et 36, peuvent être fabriqués en métal ou en toute autre matière con- venant à cette fin. Il est sans importance que la matiè- re de ces anneaux possède ou non de bonnes propriétés de transmission des ondes acoustiques étant donné que ces anneaux sont acoustiquement isolés des autres élé- ments du capteur par une matière possédant des proprié- tés élastiques. Des moyens appropriés quelconques pour monter les organes 5, 34 et 35 de forme annulaire et les tiges 1 et, respectivement, 30 de telle sorte que les contacts électriques (tels que le contact 21 représenté sur la l -12Figure 4) coopèrent avec le cristal piézo-électrique respectif peuvent être utilisés à cette fin. - Les espaces compris entre la tige du capteur et ses autres éléments sont remplis d'air ou de tout autre gaz susceptible d'être utilisé à cette fin. Des essais ont montré que le volume de la matière élastique disposée entre les divers éléments du capteur selon l'invention doit être aussi petit que possible afin d'atténuer dans une mesure suffisante le passage des ondes acoustiques entre ces éléments. L'emploi, à cette fin, de bagues toriques, comme repré- senté sur les dessins, est particulièrement avantageux bien que l'on puisse également utiliser des organes annulaires ayant une autre forme en section transver- sale. L'invention n'est pas limitée en ce qui con- cerne le nombre et/ou les dimensions des organes de forme annulaire portant des moyens transducteurs ni en ce qui concerne le nombre et/ou les dimensions des anneaux disposés entre les organes de forme annulaire ou disposés entre ces organes et les autres parties du capteur. Ainsi, d'autres anneaux 36 (cf. Figure 2) peuvent être placés entre l'organe de forme annulaire supérieur 34 et l'épaulement 37 de la tige 30 et entre l'organe de forme annulaire inférieur 35 et l'écrou 33. Des bagues toriques (ou tout autre type d'anneaux en matière élastique) nécessaires sont disposées entre ces autres anneaux et les parties du capteur adja- centes à ces autres anneaux. Enfin, on fera observer que l'on peut suspen- dre d'autres outils de diagraphie, ou tout autre équi- pement, au capteur représenté sur la Figure 1 en retirat l'écrou 8 et en vissant le filetage 9 du capteur dans une ouverture taraudée formée dans la tête de cet autre outil de diagraphie. Cet autre outil doit être monté i -13- sur le filetage 9 d'une manière telle aue les anneaux 6 et 7 et l'organe 5 de forme annulaire sont serrés contre l'épaulement 64 de la tête 2. La tige I peut comporter un ou plusieurs canaux longitudinaux (non représentés) conçus pour permettre le massage de con- ducteurs électriques servant à transmettre les signaux qui proviennent de ces autres outils de diagraphie. Si désiré, l'oeil 3 peut 9tre remplacé par un autre type de moyens d'accouplement (tels qu'un filetage) conçus pour accoupler la tête 2 à un câble ou à l'extrémité inférieure d'un autre outil de diagraphie. -14- R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Capteur pour détecter des particules dans un courant de fluide caractérisé en ce qu'il comporte au moins un organe métallique (5, 34, 35) de forme annu- laire supportant des moyens transducteurs (12, 38) en contact de transmission des ondes acoustiques avec lui, une tige (1, 30) munie d'un épaulement (4, 37), des moyens de serrage (8, 33) pour serrer l'organe de forme annulaire sur la tige en exerçant une force axiale sur la tige et l'organe et une matière (10, 40) possédant des propriétés élastiques disposée entre l'organe de forme annulaire et la tige et entre l'organe et les sur- faces par l'intermédiaire desquelles une force de serra- ge est exercée sur l'organe de forme annulaire. 2. Capteur selon la revendication 1 caracté- risé en ce qu'il comporte deux organes (34, 35) de for- me annulaire, chaque organe portant des moyens trans- ducteurs (38) en contact de transmission des ondes a- coustiques avec lui, un anneau (36) disposé entre les organes de forme annulaire et une matière (10) possédant des propriétés élastiques disposée entre les organes de forme annulaire et l'anneau ainsi Qu'entre la tige (30) et l'anneau. 3. Capteur selon la revendication 1 caracté- risé en ce qu'au moins un organe (5) de forme annulaire est disposé entre deux anneaux (6, 7) et en ce qu'une matière (10) possédant des propriétés élastiques est disposée entre le ou les organes de forme annulaire et les anneaux ainsi qu'entre la tige (1) et les anneaux. 4. Capteur selon la revendication 1 caracté- risé en ce qu'au moins un organe (5) de forme annulaire comporte un alvéole (13) dans sa paroi intérieure dans lequel un élément transducteur (12), constitué par un cristal piézo-électrique, est porté. -15- 5. Capteur selon la revendication 4 caracté- risé en ce qu'une face du cristal (12) coopère avec un contact électrique (21) porté par la tige (1). 6. CaDteur selon la revendication 5 caracté- risé en ce que le contact (21) est logé dans une rai- nure (18) formée dans la surface extérieure de la tige (1). i