Brevet FR2508167A1 — publié le 19821224

Procédé et dispositif d'identification de particules solides " La présente invention concerne un procédé de dé- tection et d'identification de particules dans un système de récupération de pétrole. Dans les systèmes secondaires de récupération de pétrole, on récupère le pétrole en pompant de l'eau de façon à l'injecter dans le sol, par un forage secondaire, près du gisement de pétrole L'eau s'infiltre à travers le sol et, du fait qu'elle est sous pression, elle entraîne le pétrole vers la surface par un forage principal Cependant, cet écoulement de pétrole contient du pétrole, de l'eau et des particules solides En surface, on sépare la majeure partie du pétrole par rapport au reste de l'écoulement, et on ren- voie le liquide résiduel dans le sol par le forage secondai- re l'utilisation de cette eau résiduelle réduit notablement la quantité d'eau douce ou d'eau de mer qu'on doit ajouter continuellement pendant le fonctionnement du système. Le principal inconvénient de ce procédé consiste en ce que les particules solides sont entraînées par l'eau résiduelle et retournent dans le forage secondaire, et elles peuvent 4 etre suffisamment grosses pour obstruer les trous d'infiltration dans le sol, empochant ainsi l'eau d'attein- dre le gisement de pétrole Du fait de la très petite taille des particules susceptibles de produire une telle obstruction la filtration classique s'est avérée incapable de résoudre le problème Une autre solution a consisté à arrêter le sys- tème jusqu'à ce que l'eau soit purifiée de façon satisfai- sante Cependant, les procédés classiques de détection de particules ne sont pas utilisables pour déterminer le moment auquel il faut arr 4 ter le système, du fait que l'écoulement en cycle fermé contient également des gouttelettes de pétro- le, qui seraient détectées simultanément Bien que les gout- telettes n'aient par ailleurs pas d'action défavorable sur le système, les détecteurs de l'art antérieur ne peuvent pas discriminer entre les particules solides et les gouttelettes, et la présence des gouttelettes brouille les mesures qu'on peut effectuer et leur enlève toute signification. En outre, l'écoulement en cycle fermé peut égale- ment contenir de grosses gouttes de pétrole, dont la présen- ce indique que les dispositifs séparateurs pétrole-eau ne fonctionnent pas correctement Il est donc souhaitable de détecter également ces grosses gouttes. On a découvert qu'il était possible d'identifier des particules solides dans un écoulement en cycle fermé pour un système de récupération de pétrole, en utilisant un émetteur ultrasonore pour émettre des faisceaux d'énergie ultrasonore traversant l'écoulement, en recevant des réfle- xions séparées à partir de toutes les particules, en comptant ensuite ces réflexions et en comparant le compte avec la valeur d'atténuation du faisceau que produit l'écoulement, la comparaison donnant le pourcentage de particules qui sont des particules solides On détermine la taille des particu- les solides en sélectionnant des tensions de seuil appro- priées lors du comptage des réflexions. Dans des modes de réalisation préférés, deux transducteurs sont montés de part et d'autre de l'écoulement et on mesure l'atténuation de l'énergie ultrasonore'qui est transmise entre eux Simultanément, un transducteur émetteur- récepteur est monté à proximité pour compter le nombre total de réflexions sur des particules Du fait que la présence de pétrole augmente notablement la valeur de l'atténuation, en décibels, une comparaison de la valeur de l'atténuation et du nombre de particules détectées donne le pourcentage de particules solides détectées On obtient l'information de taille par la valeur de la tension de seuil pour le trans- ducteur émetteur-récepteur Le fait d'augmenter cette tension augmente la taille minimale des particules qui peuvent 9 tre détectées, ce qui permet de compter le nombre de particules pour une plage de tailles de part et d'autre de la taille de particule critique, et permet de déterminer le pourcenta- ge de particules solides pour chaque taille. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: 2 O 8167 La figure 1 est une coupe d'un système de récupéra- tion de pétrole équipé du dispositif de l'invention; La figure 2 est une coupe du détecteur de l'inven- tion; la figure 3 est un schéma synoptique du circuit électronique utilisé avec l'invention; la figure 4 est une courbe représentative pour le compte de particules; et la figure 5 est une courbe représentative pour l'atténuation. On va maintenant considérer la figure 1 sur laquel- le la référence 10 désigne un système secondaire de récupéra- tion de pétrole Le système 10 comprend un forage principal 12 qui s'étend jusque dans le gisement de pétrole, et un fo- rage secondaire 14, situé à proximité L'extrémité inférieu- re du forage secondaire 14 est séparée du gisement de pétro- le par une zone d'infiltration dans le sol, 16. L'extrémité de surface du forage principal 12 est reliée à une unité de séparation 18 L'unité de séparation 18 comporte également un tuyau de sortie de pétrole 20, un tuyau d'entrée d'eau 22 et un tuyau de raccordement 24 Le tuyau d'entrée 22 injecte de l'eau, de préférence de l'eau de mer, dans le système Le tuyau de raccordement 24 se di- rige vers le forage secondaire 14, et il contient deux dé- tecteurs identiques 30, de part et d'autre d'un filtre 28. L'un des détecteurs ultrasonores 30 est représen- té sur la figure 2 Le détecteur 30 comprend un tube 32 en méthracrylate de méthyle qui comporte un passage intérieur 34 Le tube 32 comporte une première paire de trous 36, 38, qui sont situés à 1800 l'un de l'autre Une première paire de transducteurs ultrasonores 40, 42 sont logés dans les trous 36, 38 Les transducteurs 40, 42 sont tous deux du type décrit dans la demande de brevet US 187 615, déposée le 15 septembre 1980 Le détecteur 30 comporte également une seconde paire de trous 44, 46 qui sont identiques aux trous de la première paire 36, 38 et qui contiennent une seconde paire de transducteurs ultrasonores 50, 52 Les transduc- teurs 50, 52 sont identiques à ceux de la première paire, à l'exception du fait qu'ils utilisent des cristaux à 3 M Hz, tandis que les transducteurs de la première paire utilisent des cristaux à 10 M Hz Comme le montre également la figure 2, l'écoulement normal traversant le passage 34 contient des particules solides 90 et des gouttelettes de pétrole et il peut également contenir de grosses gouttes de pé- trole, 110. Comme le montre la figure 3, un conducteur 60 con- necte la sortie d'impulsions de l'émetteur-récepteur d'im- pulsions 62 au transudcteur 50 Un second conducteur 64 con- necte le transducteur 52 à l'entrée de réception de l'émet- teur-récepteur d'impulsions 62 L'émetteur-récepteur d'impul- sions 62 est connecté à un dispositif de contrôle d'absorp- tion 66 dont les signaux de sortie sont dirigés vers un oscilloscope 68 et un enregistreur analogique à 2 canaux, L'émetteur-récepteur d'impulsions 62 et le dispositif de contrôle d'absorption 66 sont respectivement du type MPH 1150 et MPH 1700, tous deux de la firme Micro Pure Systems, Inc, qui est la demanderesse L'oscilloscope 68 est un oscilloscope Tektronix 465 B, et l'enregistreur analogique est le modèle OIMNISCRIBE B 5117-5, de la firme Houston Instruments. En ce qui concerne la première paire de transduc- teurs 40, 42, le transducteur 42 n'est pas connecté dans le mode de réalisation préféré Cependant, le transducteur 40 est connecté aux conducteurs 72, 76 Le conducteur 72 pro- vient de la sortie d'impulsions de l'amplificateur 74 et le conducteur 76 est connecté à l'entrée de réception de l'am- plificateur 78 Les signaux de sortie de l'amplificateur 78 sont dirigés vers l'oscilloscope 80 et l'enregistreur ana- logique 70 De plus, un conducteur d'impulsions de synchro- nisation 81 part de l'oscilloscope 80 vers l'émetteur-ré- cepteur d'impulsions 62, le dispositif de contrôle d'absorp- tion 66, l'oscilloscope 68 et l'amplificateur 78 L'ampli- ficateur 74 est un MPH 1150 et l'amplificateur 78 est un MCM 1100 A, tous deux de la firme Micro Pure Systems, Inc. L'oscilloscope 80 est le même que l'oscilloscope 68. Pendant le fonctionnement, on injecte de l'eau dans le système 10 par le tuyau d'entrée 22, et cette eau est pompée vers le forage secondaire 14 par le tuyau de rac- cordement 24 Au fond du forage 14, l'eau s'infiltre sous pression dans le sol Une partie de cette eau traverse la zone 16 entre le forage 14 et le gisement de pétrole Pour les formationsde terrain qu'on rencontre habituellement, la zone d'infiltration 16 à proximité d'un gisement de pétrole comporte de petits passages d'environ 10 Fm de diamètre. Lorsque l'eau atteint le gisement de pétrole, la pression de l'eau entra Tne une partie du pétrole vers le haut, dans le forage principal 12 et vers l'unité de séparation 18 Cepen- dant, cet écoulement contient également de l'eau et des par- ticules solides entraînées par l'eau et le pétrole L'unité de séparation 18 sépare le pétrole du reste de l'écoulemnciit et le pétrole récupéré est ensuite pompé à partir du tuyau de sortie 20 Le reste de l'écoulement, qui consiste mainte- nant essentiellement en eau avec des gouttelettes de pétrole et des particules solides 90, comme le montre la figure 2, est ensuite renvoyé vers le tuyau de raccordement 24 Ce- pendant, le système 10 présente une perte nette d'eau du fait que l'eau sort du forage secondaire dans toutes les di- rections et toute l'eau n'est pas récupérée Par conséquent,- on injecte dans le système de l'eau supplémentaire, habituel- lement de l'eau de mer si on en dispose, et cette eau qui est pompée par le tuyau d'entrée 22 s'ajoute à l'écoulement récu- péré qui se dirige vers le forage secondaire 14 L'eau sup- plémentaire peut également entraîner des particules Le fil- tre 28 est capable de retenir les plus grandes particules, mais il est généralement préjudiciable qu'il y ait plus de quelques ppm de particules solides avec des diamètres supé- rieurs ou égaux au tiers du diamètre des trous d'infiltration, du fait que de telles particules obturent les trous d'infil- tration et empochent l'eau d'atteindre le gisement de pétrole. Ainsi, dans le cas habituel, des particules ayant des diamè- tres d'environ 3 pn sont les plus grandes admissibles En ce qui concerne cette mesure, une quantité de 1 ppm correspon- drait à un poids de 1 mg de particules solides de cette tail- le pour chaque litre de fluide. Le détecteur 30 de l'invention permet de détecter une condition de fonctionnement incorrecte et donne aux opé- rateurs le temps d'arr Cter le système, jusqu'à ce que l'eau soit purifiée correctement Dans le mode de réalisation pré- féré, le transducteur ultrasonore 40 fonctionne de la maniè- re indiquée dans la demande de brevet US 187 615, déposée le 15 septembre 1980 Le transducteur 40 fonctionne en émet- teur-récepteur et il émet des trains d'énergie ultrasonore dans l'écoulement Il compte ensuite les réflexions prove- nant de toutes les particules On peut tracer ou présenter le nombre total de réflexions pour n'importe quel intervalle de temps ou train donné, sur l'oscilloscope 80 et sur un tracé de l'enregistreur analogique 70 La figure 4 représen- te un exemple de tracé de compte de particules Pour l'inter- valle de temps t 1, on a reçu un total d'environ 2000 réfle- xions, et ceci représente à la fois les particules solides et les gouttelettes d'huile En ce qui concerne cet exemple, on effectue cette mesure particulière en utilisant une ten- sion de seuil de 17 m V pour le transducteur 40 Pour que la réflexion provenant d'une particule soit détectée, elle doit produire un signal ayant un niveau de tension supérieu- re à la tension de seuil Par conséquent, du fait que des particules plus grandes produisent une tension de réflexion plus élevée, il existe une corrélation entre la tension de seuil et le rayon minimal des particules solides détectées. Cette relation est définie par la formule suivante: = A ;V si KR satisfaite pour le mode de réalisation préféré. Par conséquent, pour l'intervalle t 1, la totalité des 2000 particules détectées ont un diamètre supérieur ou égal à 3 p I, c'est-à-dire la valeur limite Il faut noter que cette équation ne donne pas un résultat précis pour les gouttelettes d'huile Les gouttelettes ont une assez bonne adaptation d'impédance avec l'eau, et pour une gouttelette et une particule solide de même taille, la réflexion à par- tir de la gouttelette est beaucoup plus faible le signal le plus faible sera interprété comme étant une réflexion provenant d'une particule plus petite Par conséquent, pour l'exemple donné, toutes les particules solides auraient des diamètres de 3 pm ou plus, mais la plus petite gouttelette aurait probablement un diamètre d'environ 30 PM. Dans l'équation ci-dessus, la constante A n'est qu'une approximation Par exemple, si les particules solides étaient toutes du charbon, A seraitégal à 1,18 Si ellescon- sistaient en verre, A serait égal à 2,0 Du fait qu'on ne conna t pas le type particulier de particule, on effectue des mesures supplémentaires en utilisant des tensions de seuil légèrement supérieure et-inférieure à la tension de seuil qui donnerait théoriquement le diamètre limite, d'après la formule On sélectionne par exemple des tensions de seuil supplémentaires de 10 m V et 30 m V On compte les particules pour ces tensions de seuil et les trois mesures donnent con- jointement une bonne approximation du nombre de particules dont le diamètre est supérieur ou égal au diamètre critique particulier Bien que ces trois mesures soient effectuées séquentiellement, les conditions de l'écoulement changent très progressivement, et on peut considérer qu'elles ont été effectuées au même instant. Pour le même intervalle t 1, les transducteurs ul- trasonores 50, 52 mesurent l'atténuation-à quelques centi- mètres en amont Cette mesure donne environ 20 d B pour tl, comme le montre la courbe de la figure 5 La mesure en d B est effectuée en même temps que la détermination du compte de particules, du fait qu'une impulsion de synchronisation provenant du conducteur d'impulsions de synchronisation 81 déclenche simultanément les deux transducteurs 40, 50 Les deux courbes représentées sur les figures 4 et 5 sont tra- cées sur l'enregistrement de l'enregistreur analogique 70. Les oscilloscopes 68, 80 présentent également individuelle- ment les résultats, si on le désire Le faible niveau d'at- ténuation pour cet intervalle de temps signifie que la pres- que totalité des particules détectées sont des particules solides, et, comme l'indique la formule, toutes ces particu les ont des diamètres supérieurs ou égaux à la limite accep- table Pour l'intervalle de temps t 2, le nombre de particules est tombé à 1000, mais l'atténuation en d B a également di- minué légèrement Ainsi, bien qu'il y ait moins de particules dans l'écoulement, ce sont encore pour la plupart des parti- cules solides d'une taille suffisamment grande pourdbstruer les trous d'infiltration Par conséquent, pour les interval- les de temps t 1 et t 2, le système serait arr 8 té jusqu'à ce que l'eau soit purifiée Pour l'intervalle t 5, on trouve une pointe sur les deux courbes La pointe indique la présence d'une grosse goutte de pétrole et, comme on l'a expliqué pré- cédemment, ceci indique un défaut dans l'unité de séparation 18 Si on détectait plus d'une ou deux pointes dans un in- tervalle de quelques minutes, le système 10 serait arr 8 té jusqu'à ce que l'unité de séparation 18 soit réparée Pen- dant l'intervalle de temps t 4, le compte de particules est d'environ 1800, mais le niveau d'atténuation en d B s'est élevé jusqu'à environ 28 Ceci indique que la grande majorité des particules sont des gouttelettes de pétrole Enfin, dans l'intervalle t 5, le compte de particules est tombé à 1000, mais du fait que le niveau d'atténuation en d B demeure élevé, la plupart des particules détectées sont des gouttelettes de pétrole Le système pourrait continuer à fonctionner dans les conditions des intervalles t 4 et t Naturellement, les graphiques des figures 4 et 5 sont fortement comprimés et, sauf en ce qui concerne les pointes produites par les grosses gouttes de pétrole, les changements seraient en réalïté beau- coup plus progressifs. Les détecteurs 30 situés en amont et en aval du filtre 28 fonctionnent de la m 4 me manière L'utilisation des deux détecteurs permet de comparer les conditions avant et après le filtre, ce qui indique l'efficacité du fonctionne- ment du filtre. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on n'utilise qu'une seule paire de transducteurs 40, 42. Dans cette configuration, le transducteur 40 reçoit les ré- flexions, comme précédemment, mais le trarducteur 42 est con- necté et il mesure l'atténuation de la partie non réfléchie des faisceaux Dans ce mode de réalisation, la seconde paire de transducteurs 50, 52 est supprimée. On peut également utiliser le procédé et le dispo- sitif de l'invention avec un système de récupération de pé- trole de type tertiaire, dans l Muel on utilise des produits chimiques, au lieu d'eau circulant en cycle fermé. Bien entendu, diverses autres modifications peuvent 9 tre apportées au procédé et au-dispositif décrits et repré- sentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé d'identification de particules solides dans un écoulement, dans un système de récupération de pé- trole, caractérisé en ce que: on émet des impulsions ultra- sonores qui traversent l'écoulement, on détecte et on compte les réflexions de l'énergie ultrasonore à partir de particu- les ( 90, 100, 110) contenues dans l'écoulement, et on compare le nombre de réflexions avec la valeur de l'atténuation des impulsions ultrasonores traversant l'écoulement, ce qui per- met de déterminer le pourcentage de particules qui sont des particules solides ( 90). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émission d'impulsions ultrasonores comprend l'émission simultanée d'une première impulsion ultrasonore pour obtenir les réflexions et d'une seconde impulsion pour obtenir la valeur d'atténuation. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émission d'impulsions ultrasonores comprend l'émission d'une impulsion dont une partie est réfléchie par les particules ( 90, 100, 110) contenues dans l'écoulement et dont une partie est atténuée par l'écoulement. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la comparaison comprend la pré- sentation simultanée d'un tracé du nombre de réflexions et d'un tracé de l'atténuation en d B, sur un enregistrement d'un enregistreur analogique ( 70). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à fixer une première tension de seuil pour les réflexions, de façon que seules les réflexions provenant de particules ayant un diamètre supérieur ou égal à une valeur sélectionnée soient détectées et comptées. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fixe des tensions de seuil supplémentaires et on compte les réflexions correspondantes, ces tensions de seuil supplémentaires étant situées audessus et au-dessous de la première tension de seuil. 7 Dispositif d'identification de particules, 1 1 caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 74, 40) des- tinés à émettre des impulsions ultrasonores dans un écoule- ment contenant des particules ( 90, 100, 110); des moyens ( 40, 78) destinés à recevoir et à compter des impulsions ul- trasonores réfléchies par ces particules; des moyens ( 62, , 52) destinés à mesurer l'atténuation d'impulsions ultra- sonores traversant l'écoulement; et des moyens ( 70) destinés à comparer le nombre d'impulsions comptées avec l'atténuation, pour déterminer le pourcentage de particules qui sont des particules solides ( 90). 8 Dispositif d'identification de particules selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent un transducteur d'émission ( 50) d'un coté d'un conduit ( 34) et un transducteur-de réception ( 52) du c 8 té opposé du conduit. 9 Dispositif d'identification de particules selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens de comparaison comprennent un enregis- treur analogique à deux canaux ( 70) et cet enregistreur présente simultanément des tracés des impulsions réfléchies comptées et de l'atténuation.