Brevet FR2533702A1 — publié le 19840330

X? Le forage de puits de pétrole et de puits géothermiques exige l'utilisation de boues de forage et de ciments de puits Ces matériaux sont conçus spéciale- ment pour leurs propriétés aux températures et pressions élevées Pour le développement et l'essai de boues de forage et de ciments de puits, on doit utiliser des enceintes sous pression pour simuler les conditions régnant dans le sondage Des consistomètres sous pression, destinés à mesurer les temps d'épaississement et d'autres propriétés existent déjà Avec eux, des échantillons sont essayés dans une coupelle tournante à suspension, équipée d'une palette interne fixe La consistance de l'échantillon est mesurée en fonction du temps dans des conditions, contrôlées soigneusement, de température et de pression croissantes. En fait, un équipement etdes méthodes normalisées sont décrits dans l'ouvrage "Specification for Materials and Testing for Well Cements", édité par The American Petroleum Institute (janvier 1982) Généralement, les consistomètres à pression sont conçus pour une pression de travail de 175 M Pa à une température maximale de 2050 C Le consisto- mètre comprend une coupelle (destinée à contenir le ciment de puits à tester), un entraînement destiné à faire tourner la coupelle à vitesse constante (habituellement 150 tr/min) et une palette qui pénètre dans le récipient et qui est associée à un transducteur de mesure de coiple, Générale- ment, l'entraînement destiné à faire tourner le récipient (ou la coupelle à suspension comme il est -souvent appelé) passe à travers le fond du récipient au moyen d'une garni- ture d'étanchéité pour haute pression Le transducteur de mesure de couple est placé à l'intérieur du récipient et se présente sous la forme d'un potentiomètre de détection à rotation et d'un ressort de torsion normalisé Des conducteurs électriques partant du potentiomètre passent à travers les côtés supérieurs du récipient L'intérieur de ce dernier est chauffé par des éléments électriques et il est mis sous pression par un circuit hydraulique (la coupelle à échantillon est recouverte, à sa partie supé- rieure, d'un diaphragme qui sépare sensiblement l'huile sous pression de l'échantillon de ciment à tester) Récem- ment, on a remplacé les garnitures d'étanchéité, au moyen desquels la coupelle est entraînée, par des entraînements à aimants permanents. Etant donné que des sondages sont forés à des profondeurs de plus en plus grandes et étant donné l'acti- vité croissante dans le domaine des puits géothermiques dont les sondages sont plus chauds, on rencontre des pres- sions plus élevées (par exemple 280 M Pa) et des températures plus élevées (par exemple 400 'C) Par conséquent, il faut utiliser un meilleur équipement pour l'essai de matériaux (boues et ciments) à des pressions et des températures plus élevées Le comportement à la chaleur ne réside pas simplement en une valeur maximale de température, mais également en une vitesse d'échauffement Ainsi, des vitesse E d'échauffement accrues, de l'ordre de 5,50 C par minute, sont recherchées. L'invention a pour objet un consistomètre pour températures et pressions élevées, et notamment un consis- toiaètre sans joint d'étanchéité, dahs lequel l'instrumen- tation de mesure de couple est extérieure au récipient sous pression L'invention a également pour objet un consis- tomètre à pression ayant des possibilités d'élévation rapide de température L'invention a en outre pour objet un consistomètre à pression dont l'étànchéité n'est assurée que par troips joints toriques qui peuvent être aisément remplacés. Brièvement décrite, l'invention concerne un consistomètre pour hautes températures et hautes pressions, comprenant un récipient cylindrique résistant à la pression, réalisé d'une seule pièce avec un fond, et un couvercle destiné à ce récipient Un dispositif est prévu pour fixer hermétiquement le couvercle au récipient De préférence, le récipient comprend une paroi résistant à la pression qui présente une surface intérieure cylindrique et une chemise cylindrique présentant une surface extérieure sensiblement cylindrique destinée à s'appliquer contre la surface intérieure de la paroi La chemise présente plusieux gorges qui définissent un circuit d'écoulement d'un fluide de refroidissement Des ouvertures ménagées dans la paroi résistant à la pression communiquent avec les gorges de la chemise La paroi résistant à la pression est plus épaisse vers le fond du récipient de façon à former un siège qui limite le mouvement de descente de la chemise. De préférence, le couvercle comprend un obturateur non rotatif dont l'extrémité inférieure comporte un collet. Le dispositif destiné à fixer le couvercle au récipient comprend un manchon d'étanchéité pouvant coulisser sur l'obturateur Ce manchon d'étanchéité présente une face extrême axiale destinée à buter contre le collet de l'obtu- rateur Il présente également des filets extérieurs destinés à entrer en prise avec des filets intérieurs du récipient. Le couvercle porte de préférence un joint torique qui bute contre une surface cylindrique intérieure lisse de la chemise. Une cartouche non magnétique part vers le bas du fond du récipient dans lequel elle est montée hermétique- ment Un ensemble à aimant mené est monté de façon à pouvoir tourner dans la cartouche Un arbre d'entraînement, relié à l'ensemble à aimant mené, s'élève à l'intérieur du réci- pient La chemise présente avantageusement un évidement réalisé par lamage de son extrémité inférieure La car- touche non magnétique orientée vers le bas-comporte, à son extrémité supérieure,, un col et destiné à se loger en butée dans l'évidement del'extrémité-inférieure de la chemise Une gorge annulaire est formée entre la surface de l'évidement de la chemise et le collet de la cartouche non magnétique afin de retenir un joint torique d'étan- chéité. Une cartouche non magnétique s'élève du couvercle dans lequel elle est logée hermétiquement Un ensemble à aimant menant est monté de façon à pouvoir tourner dans la cartouche Un arbre relié à cet ensemble à aimant menant descend à l'intérieur du récipient L'obturateur du cou- vercle présente avantageusement un alésage axial dont l'extrémité inférieure comporte un évidement réalisé par lamage La cartouche non magnétique s'étendant vers le haut comporte, à son extrémité inférieure, un collet destiné à se loger et à buter dans l'évidement de l'obturateur Une gorge annulaire est formée entre la surface de l'évidement de l'obturateur et le collet de la cartouche non magnétique afin de retenir un joint torique d'étanchéité. Un premier ensemble à aimant menant est monté de façon à pouvoir tourner sur la cartouche s'étendant vers le bas et un ensemble à aimant mené est monté de façon à pouvoir tourner sur la cartouche s'étendant vers le haut Une coupelle à échantillon est reliée à l'arbre d'entraînement s'étendant vers le haut et une palette, reliée à l'arbre mené s'étendant vers le bas, est disposée à l'intérieur de la coupelle. Des éléments à résistances électriques chauffantes sont espacés sur le pourtour de la surface intérieure de la paroi cylindrique du récipient Des orifices sont ména- gés dans le fond du récipient pour l'introduction de fluides sous pression Un dispositif, placé à l'extérieur du récipient sous pression et destiné à mesurer un couple transmis magnétiquement à l'ensemble à aimant mené, est monté dans une certaine position par rapport au couvercle. Un moteur est prévu pour faire tourner l'ensemble à aimant menant à une vitesse constante afin d'entraîner la coupelle à l'intérieur du récipient, également à une vitesse cons- tante. Un bouclier thermique, comprenant un premier groupe de feuilles réfléchissantes espacées, entoure de préférence la paroi latérale intérieure du récipient, à l'extérieur des éléments chauffants, et un second groupe de feuilles réfléchissantes espacées est disposé au-dessous du couvercle du récipient Les espaces compris entre les feuilles sont en communication libre avec l'intérieur du récipient. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale du consisto- mètre selon l'invention, montrant une partie du couvercle et du récipient; et la figure 2 est une coupe axiale partielle du couvercle du récipient de la figure 10 Comme représenté sur les dessins, le consisto- mètre comprend un récipient 10 résistant à la pression, refroidi par eau, défini généralement par une paroi laté- rale cylindrique circulaire, une paroi extrême inférieure et un couvercle La paroi latérale comprend une paroi exté- rieure 13 résistant à la pression, d'une épaisseur conve- nable et d'une solidité lui permettant de résister aux pressions concernées, par exemple 280 M Pa La paroi 13 résistant à la pression présente une surface cylindrique circulaire intérieure 14 dont l'extrémité inférieure présente un diamètre intérieur réduit 15 afin de définir un siège La transition vers la diamètre réduit peut être réalisée par une surface conique 16 La surface intérieure de la paroi résistant à la pression présente, à son extré- mité supérieure, de gros filets 17 destinés à la fixation du couvercle Une chemise 20 est disposée radialement à l'intérieur de la surface intérieure de la paroi résistant à la pression La chemise porte par sa face extérieure contre la surface intérieure 14, la surface conique 16 et la surface 15 de diamètre réduit La surface conique ou siège 16 limite le mouvement axial de descente de la chemise 20. Cette dernière présente une gorge ou plusieurs gorges communiquantes 22 tournées vers la surface intérieure 14 de la paroi résistant à la pression Ces gorges sont des- tinées à permettre la circulation d'un liquide de refroi- dissement; Le liquide de refroidissement de la chemise est utilisé pour refroidir le récipient après l'achèvement du programme Dans la forme de réalisation représentée sur les dessins, une gorge indépendante 23 est prévue à proximité de l'extrémité supérieure de la chemise 20. Cette gorge est disposée de façon à permettre un refroi- dissement indépendant d'un joint torique d'étanchéité décrit ci-après L'extrémité inférieure de la chemise 20 présente un alésage 25 qui la traverse et dans lequel est réalisé par lamage un évidement 26 partant de l'inté- rieur du récipient Un certain nombre de petits alésages, parallèles à l'axe du cylindre formé par le récipient, traversent le fond de la chemise pour aboutir à l'intérieur du récipient afin de permettre le passage de conducteurs de thermocouples, de conducteurs d'éléments chauffants électriques et afin également de permettre l'introduction d'un fluide sous pression. Un bouclier ou écran thermique 30 est disposé directement dans la surface intérieure de la chemise Le "bouclier thermique" assure une protection contre les trois modes de transmission de la chaleur, à savoir le rayonnement, la convection et la conduction Ce bouclier comprend plu- sieurs feuilles métalliques ou céramiques espacées Chaque feuille présente un diamètre différent et les feuilles disposées le long de la paroi latérale Sont montées télesco- piquement les unes sur les autres Elles sont espacées de manière que les intervalles les séparant communiquent librement avec l'intérieur du récipient En d'autres termes, la mise sous pression du récipient ne provoque -as un écra- sement du bouclier Un autre bouclier thermique 32, analogue au précédent, ayant une configuration annulaire permettant le passage de certains arbres et de conducteurs de thermo- couples décrits ci-après, est disposé au sommet de la chambre de travail, à l'intérieur du récipient Le bouclier supérieur 32 est constitué, de la même manière, de plu- sieurs feuilles métalliques ou céramiques espacées les unes des autres Le métal particulier constituant les feuilles n'est pas important, sauf qu'il doit être brillant et difficilement corodable L'acier inoxydable constitue un choix excellent pour le bouclier thermique. Le couvercle Il comprend un obturateur central qui présente une surface extérieure cylindrique circu- laire 41 et un collet 42 de plus grand diamètre La chemise présente, à proximité de son extrémité supérieure, une surface cylindrique circulaire lisse contre laquelle un joint torique d'étanchéité peut réaliser un contact étanche. L'obturateur 40 comporte, à son extrémité inférieure, un siège 43 destiné à un joint torique 44 et situé sur un prolongement cylindrique 45 dépassant du collet afin d'être inséré dans le diamètre intérieur de la chemise 20 de la paroi du récipient pour appliquer le joint torique contre ladite surface cylindrique lisse. Un manchon 50 d'étanchéité présente une configura- tion cylindrique creuse et de gros filets extérieurs 51 destinés à entrer en prise avec les gros filets intérieurs 17 de la paroi du récipient résistant à la pression La face radiale inférieure 52 du manchon d'étanchéité porte contre le collet 42 de l'obturateur afin de soutenir ce dernier et de le fixer dans l'extrémité du récipient. L'obturateur 40 ne tourne pas avec le manchon d'étanchéité et, par conséquent, tout grippage ou toute formation de rayure est évité dans la zone d'étanchéité De plus, des éléments de service traversant l'obturateur ne sont soumis à aucune torsion lorsque le couvercle est mis en place ou retiré. Un entraînement à aimant permanent est placé à chaque extrémité axiale du récipient L'entraînement disposé au fond transmet un mouvement continu de rotation à un arbre logé à l'intérieur du récipient L'entratnement placé au sommet transmet vers l'extérieur la position angulaire, sur un tour, d'un arbre disposé à l'intérieur du récipient A l'extrémité inférieure, une cartouche non magnétique 55,comportant un collet 56 de diamètre agrandi, est logée dans l'évidement-26 et fait saillie au-dessous du fond du récipient Cette cartouche présente une extré- mité inférieure obturée hermétiquement Le collet 56 présente une gorge annulaire 57 destinée à maintenir un joint torique d'étanchéité La cartouche présente un file- tage extérieur 59 à proximité de son point de sortie du fond du récipient Un écrou 60 de blocage est vissé sur le filetage pour fixer la cartouche dans le fond de la chemise -L'étanchéité est cependant assurée entre la chemise et la cartouche par la précharge exercée par l'écrou 60 de blocage sur le joint torique Un arbre 61, maintenu en place par une bague 62, tourillonne à l'inté- rieur de la cartouche Des aimants permanents, de préfé- rence des aimants 63 au cobalt et aux terres rares, compor- tant plusieurs pôles Nord et Sud espacés circonférentielle- ment, sont calés sur l'arbre L'extrémité de l'arbre 61 pénétrant dans le récipient présente un trou taraudé 64 permettant la fixation à cet arbre d'un plateau 65 destiné à recevoir une coupelle à suspension Une coupelle 66 à suspension est posée sur le plateau et est mise en rotation lorsque ce plateau est lui-même mis en rotation par l'arbre 61 Un manchon 67, portant un ensemble à entraînement permanent, est monté de façon à pouvoir tourillonner sur la surface extérieure de la cartouche non magnétique 55 Le manchon 67 porte des aimants permanents 68, de préférence des ai- mants aux terres rares et au cobalt, qui sont magnétisés de façon à comporter plusieurs pôles Nord et Sud espacés circonférentiellement Il est évident que le nombre de pôles de l'aimant monté dans le manchon est identique au nombre de pôles associés de l'aimant mené calé sur l'arbre 61 Le manchon 67 peut être entraîné par une courroie. Lorsque le manchon 67 est mis en rotation, l'arbre 61 tourne en synchronisme avec lui. L'obturateur 40 présente un alésage axial 46 le traversant sur toute sa longueur axiale, et un évide- ment intérieur 47 réalisé par lamage, partant de l'inté- rieur du récipient, et un évidement extérieur 48 également réalisé par lamage L'obturateur 40 du couvercle comporte une cartouche non magnétique 70 logée dans l'alésage axial 46 La cartouche comporte à son extrémité inférieure un collet 71 de diamètre accru, qui se loge dans l'évide- ment 47 Une gorge annulaire 72, ménagée dans le collet et tournée vers une surface de l'évidement, est destinée à recevoir un joint torique 73 pour permettre l'établisse- ment automatique de l'étanchéité entre la cartouche 70 et l'obturateur 40 L'extrémité inférieure de l'évidement 47 présente des filets intérieurs 74 destinés à recevoir un écrou 75 de blocage qui fixe la cartouche à l'obturateur. La cartouche 70 s'élève dans l'évidement extérieur 48 et aboutit à proximité de l'extrémité supérieure de l'obtura- teur 40 La cartouche comporte un couvercle fileté 76 fermant hermétiquement son extrémité supérieure Un élé- ment 77 d'entrée étanche de thermocouple traverse le cou- vercle 76 Un arbre creux supérieur 80 tourillonne dans la cartouche au moyen de coussinets et d'une bague de butée axiale située à l'extrémité inférieure L'arbre descend à l'intérieur du récipient Des aimants permanents menants 82, similaires ou identiques à ceux de l'arbre inférieur 61, sont calés sur l'arbre supérieur 80 Un manchon 83 est monté de façon à pouvoir tourner sur la surface extérieure de la cartouche non magnétique 70 de façon à être placé sensiblement dans l'évidement supé- rieur 48 Le manchon porte des aimants menés 84 qui sont des aimants permanents analogues ou identiques à ceux du manchon inférieur 670 L'extrémité supérieure du manchon supérieur comporte une clavette 85 a destinée à se loger dans une rainure 85 b présentée par un potentiomètre 86 afin de permettre la transmission d'un couple du manchon à ce potentiomètre 86, qui est fixé par rapport à l'obtu- rateur 40 au moyen d'une plate-forme 87 d'entretoisement boulonnée sur l'obturateur Un thermocouple 88 passe dans l'élément d'entrée disposé dans le couvercle 76 de la cartouche non magnétique et dans l'arbre creux afin d'attein- dre l'intérieur de la coupelle à suspension 66 L'arbre supérieur comporte plusieurs palettes qui en font saillie, à l'intérieur de la coupelle 66 à suspension. Des éléments chauffants 90 passent dans des élé- ments d'entrée étanches disposés dans le fond de la chemise. Ces éléments chauffants sont conçus pour être alimentés en courant alternatif et ont, par exemple, une puissance nominale de 5000 watts Les éléments chauffants sont dis- posés à l'intérieur du bouclier thermique 30 Ils peuvent être commandés par un contrôleur à Triac pour permettre la programmation de la vitesse d'échauffement de l'inté- *rieur du récipient Un orifice 92, traversant le fond de la chemise inférieure, permet une communication avec le circuit hydraulique à haute pression, capable, par exemple, d'appliquer au récipient une pression de 280 M Pa. La coupelle 66 à suspension peut comporter un couvercle à diaphragme (non représenté) placé sur sa partie supé- rieure et réduisant le mélange de l'huile hydraulique sous pression avec la suspension testée Au moins un ther- mocouple passe à travers le fond du récipient au moyen d'une entrée étanche Ce thermocouple capte la température de l'huile à l'intérieur du récipient et peut être utilisé comme commande de réaction des éléments chauffants. Une caractéristique préférée de l'invention réside dans la présence d'une palette 91 fixée au fond de la coupelle à suspension ou à l'arbre inférieur afin de favoriser la circulation de l'huile et donc l'uniformité de la température dans le récipient Cette circulation aide également au refroidissement de l'intérieur du réci- pient. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au consistomètre décrit et repré- senté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Consistomètre pour haute température et haute pression, caractérisé en ce qu'il comporte un récipient cylindrique ( 10) résistant à la pression et réalisé d'une seule pièce avec un fond, un couvercle ( 11) destiné à ce récipient, des moyens ( 50) destinés à fixer de façon étanche le couvercle au récipient, une cartouche non magné- tique ( 55) s'étendant vers le bas du fond dans lequel elle est montée hermétiquement, un ensemble à aimant mené ( 63) pouvant tourillonner dans la cartouche et un arbre ( 61) d'entraînement étant relié à cet ensemble à aimant mené et pénétrant dans le récipient, une cartouche non magnétique ( 70) s'étendant vers le haut du couvercle dans lequel elle est montée de façon étanche, un ensemble à aimant menant ( 82) étant monté de façon à pouvoir tourillonner dans la cartouche et un arbre ( 80) étant relié à cet ensemble à aimant menant et s'étendant vers le bas, à l'intérieur du récipient, un ensemble à aimant menant ( 68) étant monté de façon à pouvoir tourner sur l'extérieur de la cartouche s'étendant vers le bas et un ensemble à aimant mené ( 84) étant monté de façon à pouvoir tourner sur l'extérieur de la cartouche s'étendant vers le haut, une coupelle à échan- tillon ( 66) étant reliée à l'arbre d'entraînement s'éten- dant vers le haut et une palette ( 91) étant reliée à l'arbre s'étendant vers le bas et étant disposée à l'intérieur de la coupelle, le cpnsistomètre comportant en outre des moyens ( 90, 92) destinés à chauffer et mettre sous pression l'intérieur du récipient, des moyens extérieurs à ce récipient, destinés à mesurer le couple transmis magnéti- quement de l'arbre portant la palette à l'ensemble à aimant mené, et des moyens destinés à faire tourner l'ensemble à aimant menant à une vitesse constante afin d'entraîner la coupelle, placée à l'intérieur du récipient, également à une vitesse constante. 2 Consistomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un écran ther- mique ( 30) comprenant plusieurs feuilles réfléchissantes espacées qui entourent la paroi latérale intérieure du récipient, les espaces compris entre les feuilles communi- quant avec l'intérieur du récipient. 3- Consistomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un écran ther- mique ( 30) comprenant plusieurs feuilles réfléchissantes espacées, disposées au-dessous du couvercle du récipient, les espaces compris entre les feuilles communiquant avec l'intérieur du récipient. 4 Consistomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un écran ther- mique ( 30) comprenant un premier groupe de feuilles ré- fléchissantes espacées, entourant la paroi latérale inté- rieure du récipient, et un second groupe de feuilles ré- fléchissantes espacées disposées au-dessous du couvercle du récipient, les espaces compris entre les feuilles commu- niquant librement avec l'intérieur du récipient. Consistomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient comprend une paroi ( 13) résistant à la pression, présentant une surface intérieure cylindrique ( 14), et une chemise cylindrique ( 20) qui pré- sente une surface extérieure sensiblement cylindrique, destinée à s'appliquer contre la surface intérieure de la paroi résistant à la pression, la chemise présentant plu- sieurs gorges ( 22) qui forment un circuit permettant l'écou- lement d'un fluide de refroidissement, la paroi résistant à la pression présentant des ouvertures qui communiquent avec les gorges de la chemise. 6 Consistomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la paroi résistant à la pression est plus épaisse à proximité du fond du récipient afin de former un siège limitant le mouvement de descente de la chemise par rapport au récipient, la chemise présentant, à son extrémité inférieure, un évidement ( 26) formé par lamage, la cartouche non magnétique s'étendant vers le bas comportant, à son extrémité supérieure, un collet ( 56) destiné à se loger en butée dans ledit évidement. 7 Consistomètre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il présente une gorge annulaire ( 57) formée entre la surface de l'évidement de la chemise et le collet de la cartouche non magnétique, afin de retenir un joint torique ( 58) d'étanchéité. 8 Consistomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle comprend un obturateur ( 40) ne tournant pas, qui comprend, à son extrémité infé- rieure, un collet ( 42), les moyens de fixation du couvercle au récipient comprenant un manchon ( 50) d'étanchéité qui est monté de façon à pouvoir coulisser sur l'obturateur et qui présente une face extréme axiale destinée à buter contre le collet de l'obturateur, ce manchon d'étanchéité présentant des filets extérieurs ( 51) destinés à entrer en prise avec des filets intérieurs ( 17) du récipient, l'obturateur présentant un alésage axial ( 46) dont l'extré- mité inférieure comporte un évidement ( 47) formé par lamage, la cartouche non magnétique s'étendant vers le haut comportant, à son extrémité inférieure, un collet ( 71) destiné à se loger en butée dans ledit évidement. 9 Consistomètre selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il présente une gorge annulaire ( 72) formée entre la surface de l'évidement de l'obturateur et le collet de la cartouche non magnétique afin de retenir un joint torique ( 73) d'étanchéité - Consistomètre selon l'une des revendications 5 et 8, caractérisé en ce que le couvercle porte un joint torique ( 44) d'étanchéité qui est appliqué contre une sur- face cylindrique intérieure ( 10) de la chemise. 11 Consistomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une palette ( 91) est fixée à l'arbre d'entraînement s'étendant vers le haut afin de provoquer la circulation d'un fluide sous pression dans le récipient pendant la rotation de la coupelle à échantillon.