Brevet FR2511769A1 — publié le 19830225

La présente invention concerne un appareil de mesure de la teneur en eau en pourcentage dans de l'huile brute. Un appareil selon 11 invention destiné a mesurer la teneur en pourcentage d'eau dans de l'huile brute circulant dans un pipe-line comporte une cellule agencée pour être associée avec un pipe-line de manière que l'huile brute circule dans la cellule, un émetteur d'hyperfréquences disposé de manière a émettre de l'énergie en hyperfréquence a travers l'huile brute qui circule dans la cellule, un récepteur disposé pour recevoir l'énergie transmise et pour fournir un signal représentant l'énergie reçue et un dispositif connecté au récepteur et destiné a fournir une indication sur la teneur en pourcentage d'eau dans l'huile brute. Un mode de réalisation de l'invention sera maintenant décrit à titre d'exemple et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une courbe du facteur de perte relative en fonction de la température à une longueur d'onde particulière, - la figure 2 est un schéma simplifié d'un dispositif de contrôle d'eau dans l'huile brute réalisé selon l'invention, et - la figure 3 est un schéma détaillé du dispositif de contrôle de la figure 2. Un procédé de détermination de la teneur en eau douce ou en eau salée dans des courants d'huile brute exempte de yaz, da-ns des conditions apparaissant dans des conduites de puits met en oeuvre la mesure de l'atténuation de l'hyperfréquence produite par l'eau présente dans le courant d'huile brute. La relaxation diélectrique des molécules d'eau aux hyperfréquences provoque une atténuation sévère des ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde de l'ordre du cer.tir.ld- tre.L'atténuation des ondes centimAtriques a eté utilisée pour mesurer la teneur en humidité dans de nombreuses matières, par exemple dans le béton et dans des carottes, comme cela est décrit dans "Microwave Attenuation - A New Tool for Monitoring Saturations in Laboratory Flooding Experiments", par R.W. Parsons, Marathon Oil Company, Society of Petroleum Engineers Journal, Aout 1975, pages 302-310. La propagation d'une onde électromagnétique plane-parallèle peut être représentée par les équations suivantes: E = Eoe-&alpha;x . ej2#(vt-ssx/2#) H = Joe-&alpha;x . ej2(vt-ssx/2#) (1) o où E et H sont les vecteurs des champs diélectrique et magnétique, x et t la direction de. propagation et le temps de propagation dans l'espace et v la fréquence de l'onde. Bien entendu, l'onde a une période t = l/v et une période spatiale # = 2w/ss (longueur d'onde). En outre, l'onde est atténuée par le facteur e-&alpha;x lorsqu'elle se propage selon la direction x. Le facteur d'atténuation &alpha; est fonction des caractéristiques diélectrique et magnétique de la matière de propagation a la fréquence de l'onde, et il ne présente d'intérêt que pour la détermination d'eau dans l'huile brute. Si l'on suppose qu'il n'y a aucune perte magnétique dans les matières de propagation, ce qui est certainement vrai pour les courants d'huile brute, le facteur d'atténuation a est donné par l'équation suivante : &alpha; = (2#/#o) {(k'/2)[(1+(k"/k')2)1/2 - 1]}1/2 où : #o = longeur d'onde dans l'espace libre (air), k' = constante diélectrique relative, et k" = facteur de perte relative. Les paramètres k' et k" dépendent de la fréquence de l'onde, de la température et de la composition de la matière de propagation. Les hydrocarbures dans les huiles brutes ont de faibles valeurs de w et k" comparativement aux valeurs correspondantes de l'eau et des solutions aqueuses de chlorure de sodium. A titre d'exemple, la figure 1 est une courbe de k", facteur de perte relative pour de l'eau pure et pour une solution aqueuse à 253 000 ppm de NaCl, en fonction de la température pour une longueur d'onde de 1,267 cm (23,68 GHz). Les données pour cette courbe ont été obtenues dans "The Dielectric Properties of Water in Solutions" par J. B. Hasted, S.M.M. El Sabeh, Transaction of the Faraday Society, vol. 49, 1953, Londres. I1 faut noter que le facteur de perte présente un maximum à environ 280C.Ce maximum se décale vers des températures inférieures aux fréquences plus basses et vers des températures supérieures à des fréquences plus élevées. I1 faut également noter que les valeurs pour la solution aqueuse de NaCl presque saturée ne sont que légèrement inférieures à celles de l'eau pure. Les valeurs de k" pour les hydrocarbures dans la plupart des huiles brutes sont inférieures à environ 0,05 à la longueur d'onde précitée, comme cela peut être déterminé à partir des "Tables of Dielectric Dispersion Data for Pure Liquias and Dilué Solutions" par Floyd Buckley et al, Novembre 1958, NTIS PB-188296. Le coefficient d'atténuation a pour de l'eau pure et pour la solution à 253 000 ppm de NaCl a été calculé dans la plage des températures de 0 à 60 C pour une longueur d'onde de 1,267 cm. Le coefficient d'atténuation pour les hydrocarbures liquides dans les huiles brutes se situe à moins de 0,0013 cml dans la même plage de températures. L'exemple de calcul ci-après montre comment des mesures d'atténuation en hyperfréquence peuvent déterminer l'indice d'eau' à la tête de forage ou dans la conduite vers une unité GOSP pour séparer le'gaz'natu- rel de l'huile liquide dans laquelle il est-dissous. Sur la base des données poids-volurretoepe-rature pour un puits et en supposant une terpérature dans la conduite et une pression au voisinage de la tête de forage de 660C et de 3,5 MPa respectivement, un volume d'hydrocarbure liquide de 30t du volume total en circulation a été calculé. I1 a été suppose que la salinité de l'eau produite était de l'ordre de 230 000;ppm NaCl.Les facteurs d'atténuation d'hyperfréquence à une longueur d'onde de 1,267 cm et a la température ci-dessus étaient de l'ordre de 9 cm pour l'eau, 0,0012 cm pour les hydrocarbures liquides et négligeables pour les gaz libres dans la conduite de circulation. I1 y a lieu d'examiner maintenant un trajet de propagation d'hyperfréquence de 60,96 cm dans le mélange d'eau et d'hydrocarbures en circulation dans la conduite. L'atténuation de l'intensité initiale 10 de l'onde jusqu a une valeur I le long de cette longueur de trajet sous l'effet de différents indices d'eau des hydrocarbures liquides est indiquée dans le tableau I ci-après. La teneur en eau est exprimée en kg de sel par m3 d'huile brute. Le tableau II montre les données pour un trajet de 30,48 cm. Les données des tableaux I et II sont calculées pour la composition moyenne de 30% en volume d'hydrocarbures liquides et de 70% en volume de gaz libre. Cependant, les conditions d'écoulement dans la conduite varient avec le temps (écoulement calme, écoulement dispersé, etc). Par conséquent, les données- ci-dessus représentent des mesures moyennes dans le temps et ne servent qu'à illustrer le fort effet de faibles indices d'eau dans l'huile brute. La réfraction et la réflexion des hyperfréquences sur les phases dispersées ne sont pas prises en considération dans le calcul, mais doivent être évaluées expérimentalement. Comme le montrent les données représentées dans les tableau et II, des mesures d'atténuation d'hyperfréquence permettent de détecter des indices d'eau de 0,285 kg/m3. La figure 2 représente schématiquement les circuits hyperfréquence de base permettant une simple mesure d'atténuation. D'autres modes de réalisation sont possibles et ne seront pas considérés ici. La cellule de mesure de la figure 3 peut être installée de façon permanente dans une conduite ou être montée de façon temporaire sur la tête de puits ou la conduite, par des vannes appropriées. Les circuits a hyperfréquence et les appareils d'enregistrement peuvent être séparés de la cellule, et être portatifs. TABLEAU I Teneur en eau en kg/n3 Atténuation I/Io 0,028 0,981 0,285 0,828 0,571 0,686 1,427 0,390 2,855 0,152 5,710 0,023 Un calcul similaire a été fait pour une longueur de trajet de seulement 30,48c..; ces informations sont données dans le tableau Il. TABLEAU Il Teneur en eau en kg/m3 Atténuation 1/10 0,285 0,910 0,571 0,828 1,427 0,625 2,855 0,390 5,710 0,152 14,277 0,009 La figure 2 montre que du pétrole provenant d'une tête de puits pénètre dans une cellule de mesure 1 par une conduite 3 et quitte la cellule 1 par une conduite 5. La cellule 1 comporte des fenêtres en céramique 7, 9. Un klystron 12 de type courant produit un rayonnement d'hyperfréquence par des guides d'onde 14 vers un isolateur 16. Ce dernier empêche des hyperfréquences réfléchies de pénétrer dans le klystron 12; un dispositif d'accord 24 permet un accord du type mécanique pour adapter le sous-ensemble de transmission quand l'isolateur 16 délivre des hyperfréquences à l'atténuateur 28. L'atténuateur 28 délivre des hyperfréquences atténuées à une antenne en cornée 33 de type courant, par laquelle les hyperfréquences se propagent à travers la fenêtre 7 et a travers la fenêtre 9 vers une seconde antenne cornée 38. L'antenne 38 délivre les hyperfréquences reçues à un détecteur d'hyperfréquences 42 qui,- a son tour, délivre un signal électrique E1 à un amplificateur 46. Le signal amplifié provenant de l'amplificateur 46 est appliqué à un intégrateur 50, qui reçoit des impulsions E2 d'une horloge 54 et qui délivre un-signal E3 intégré à un circuit de contrôle 60. La figure 3 montre que le circuit de contrôle 60 comporte des comparateurs 63 à 63n qui reçoivent le signal E3 et des signaux de référence correspondant à différents pourcentages d'eau ou d'eau salée dans l'huile, comme cela sera expliqué par la suite. Les comparateurs 63 à 63n représentent un nombre n de comparateurs en fonction de la précision requise. Les comparateurs 63 à 63n délivrent des signaux de sortie a-un décodeur logique 65 qui décode les signaux de sortie de 'manière à produire des signaux de commande vers des portes ET de transfert 70. Les portes ET de transfert 70 reçoivent également des groupes de signaux numériques provenant d'un dispositif 73 de signaux d'affichage. Chaque groupe de signaux numériques correspond à un pourcentage différent de l'eau dans l'huile brute.Lorsqu'elle est commandée par le décodeur logique 65, une porte ET 70 de transfert sélectionne un groupe particulier de signaux numériques et les délivre au dispositif d'affichage 80 pour produire un affichage visuel ou un affichage imprimé, ou les deux, du pourcentage d'eau dans l'huile brute. Les détails du dispositif de signaux dlaffichage 73 ne sont pas nécessaires à la compréhension de l'invention. Une version peut comporter des registres dans lesquels sont mémorisés préalablement les contenus numériques voulus. La production de signaux de référence se fait de la manière suivante. Le signal E3 est appliqué à un convertisseur analogique-numérique 82 qui délivre à des portes ET de transfert 85 à 85n des signaux numériques correspondant au signal E3. Comme cela a été indiqué ci-dessus, la lettre n représente le nième canal parmi un nombre de n canaux . Les portes ET de transfert 85 à 85n sont commandées par des signaux provenant d'un dispositif 87 de signaux de commande fonctionnant manuellement, pour laisser passer les signaux reçus à l'instant approprié, et provenant du dispositif de signaux de commande 87. Ce dernier produit également un signal d'inhibition pour le décodeur logique 65 afin d'éviter la production de signaux de commande par ce décodeur pendant que les signaux de référence sont en cours d'établissement. Des registres 89 à 89n produisent des signaux numériques correspondant à leur contenu, respectivement pour des convertisseurs numériques-analogiques 92 à 92n. Ces derniers délivrent des signaux analogiques correspondants sous forme de signaux de rérerence, aux comparateurs 63 à 63n respectivement. En fonctionnement, de l'huile brute pure ou de l'eau à 100% ou des mélanges de différents pourcentages d'huile et d'eau sont introduits dans la cellule de mesure 1 pendant l'étalonnage de l'ensemble. Par exemple, lorsque de l'huile brute.à 100% se trouve dans la cellule de mesure 1, l'opérateur commande le dispositif 87 de signaux de commande pour qu'il délivre une impulsion d'autorisation à la porte ET de transfert 85, afin que les signaux numériques provenant du convertisseur analogique-numérique 82 soient délivrés au registre 89 et y pénètrent. Le contenu du registre 89 correspond donc à de l'huile brute à 100% et le comparateur 63 reçoit un signal de référence correspondant a de l'huile à 100%.A l'autre extrémité de I'échelle, lorsque de l'eau pure se trouve dans la cellule de mesure 1, l1opérateur produit un signal d'autorisation dans le dispositif 87 de signaux de commande vers la porte ET de transfert 85n, provoquant ainsi l'entrée dans le registre 89n dont le contenu correspond donc à de l'eau à 10vs. D'une façon similaire, le signal de référence reçu par le comparateur 63n correspond a de l'eau à lu08. Au début de chaque période d'étalonnage, l'opérateur commande le dispositif 87 de signaux de commande pour délivrer une impulsion de mise au repos aux registres 89 a 89n et le signal d'inhibition au décodeur logique 65. L'impulsion d'inhibition cesse la fin de l'opération d'étalonnage. L'invention telle qu'elle a été décrite cidessus concerne donc un dispositif de contrôle d'eau dans l'huile brute utilisant des techniques d'hyperfréquences selon lesquelles un signal d'hyperfréquence est transmis a travers le mélange d'huile et d'eau puis est comparé avec des valeurs connues pour ce signal. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de la teneur en pourcentage d'eau dans de l'huile brute circulant dans un pipe-line et comprenant une cellule (1) agencée pour être associée avec un pipe-line de manière que l'huile brute circule dans la cellule, appareil caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'émission d'hyperfréquences (12, 14, 16, 28, 33) disposé pour émettre de l'énergie en hyperfréquence à travers l'huile brute circulant dans la cellule, un dispositif récepteur (38, 42, 46, 50, 60) destiné à recevoir l'énergie transmise et à produire un signal représentant l'énergie reçue et un dispositif (80) connecté au dispositif récepteur et destiné à produire une indication de la teneur en pourcentage d'eau dans l'huile brute. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule (1) comporte une paire de fenêtres de céramique (7, 9) disposées de manière que l'énergie en hyperfréquence soit transmise a travers une première fenêtre de céramique (7) et soit reçue par le dispositif récepteur à travers l'autre fenêtre de céramique (9). 3. Appareil selon la revendication 2, caracte- risé en ce que le dispositif d'émission comporte un klystron (12), un guide d'onde (14) destiné à conduire les hyperfréquences provenant du klystron, un dispositif d'accord (24) destiné à accorder les hyperfréquences, un isolateur (16) disposé entre le dispositif d'accord et le klystron pour éviter le retour d'hyperfréquences vers le klystron, un atténuateur (28) destiné à recevoir des hyperfréquences provenant de l'isolateur et une première antenne (33) qui reçoit les hyperfréquences atténuées pour transmettre de l'énergie en hyperfréquence à travers la première fenêtre de céramique (7). 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif récepteur comporte une seconde antenne (38) disposée avec l'autre fenêtre de céramique (9) et destinée à recevoir l'énergie transmise, un détecteur (42) couplé avec la seconde antenne pour produire un signal représentant l'énergie en hyperfréquence reçue, un amplificateur (46) connecté au détecteur pour amplifier le signal qui en provient, et un dispositif d'intégration (501 connecté à l'amplificateur et au dispositif indicateur pour produire un signal intégré vers le dispositif indicateur en fonction du signal provenant de l'amplificateur afin que le dispositif indicateur fournisse l'indication sur la teneur en eau de l'huile brute. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif indicateur comporte un dispositif (82, 85, 89, 92) qui produit des signaux de référence, chaque signal de référence représentant une teneur différente en pourcentage d'eau dans l'huile brute, un dispositif de comparaison (63), connecté au dispositif d'intégration et au dispositif de signaux de référence pour comparer le signal provenant du dispositif d'intégration avec le signal de référence pour produire des signaux représentant la teneur en pourcentage d'eau dans l'huile brute, un dispositif de décodage t65) connecté au dispositif de comparaison et destiné à produire des signaux de commande en fonction des signaux provenant du dispositif de comparaison, un dispositif de signaux d'affichage (73) destiné à produire des signaux d'affichage correspondant à différentes teneurs en pourcentage d'eau dans l'huile brute, un dispositif de conmutation (70) connecté au dispositif de décodage et au dispositif de signaux d'affichage pour sélectionner les signaux d'affichage appropriés en fonction des signaux de commande provenant du dispositif de décodage afin de produire des signaux d'affichage sélectionnés, et un dispositif d'affichage (80) connecté au dispositif de commutation et destiné à produire un affichage en fonction des signaux d'affichage sélectionnés. 6. Appareil selon la revendication 5, caracte- risé en ce que le dispositif de signaux de réference comporte un convertisseur analogique-numérique (82) connecté au dispositif d'intégration et destiné à produire des signaux numériques correspondant au signal provenant du dispositif d'intégration, plusieurs canaux de signaux de référence connectes au conver- tisseur analogique-numérique et commandés pour mémoriser des signaux numériques appropriés correspondant à des teneurs d'eau en pourcentage connues en volume de l'huile brute, et un dispositif de signaux de commande (87) connecté auxdits plusieurs canaux de signaux de référence et au dispositif de décodage pour commander lesdits canaux de signaux de référence en fonction de différentes conditions connues de l'huile brute, et pour inhiber le dispositif de décodage pendant le développement des signaux de référence. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque canal de signal de réference comporte des portes ET de transfert-(85) connectées au dispositif de conversion analogique-numérique et au dispositif de signaux de commande pour laisser passer les signaux numériques provenant du convertisseur analogique-numérique en réponse à un signal provenant du dispositif de signaux de commande, un registre (89) connecté à la porte ET de transfert et au dispositif de signaux de commande, ce registre étant mis au repos par un signal de mise au repos provenant du dispositif de signaux de commande, et permettant d'introduire les signaux produits par la porte ET de transfert, et de produire des signaux numériques correspondant à son contenu, et un convertisseur numérique-analogique (92) connecté au dispositif de comparaison et destiné à convertir les signaux numériques provenant du registre en un signal de référence correspondant.