Brevet FR2559906A1 — publié le 19850823

Viscosimètre à entonnoir et capillaire pour mesure de la viscosité des fluides industriels. notamment dans l'industrie étrolire. Dans tous les processus industriels impliquant l'utilisation de matière à l'état liquide, la mesure de la viscosité des fluides présente très souvent un aspect essentiel. L'industrie pétrolière est, bien entendu, plus particulièrement concernée, tant au niveau du forage que des divers services. La connaissance de la viscosité d'un fluide est absolument nécessaire pour le calcul des pertes de charge dans une tuyauterie ou l'optimisation des vitesses de pompage. La mesure de viscosité en continu est un excellent moyen de centrale de la qualité d'un fluide. C'est une donnée fondamentale pour estimer la capacité d'une boue de forage à "remonter" les copeaux hors du puits, et fournir des données sur la lubrification de l'outil. Lors de certaines opérations, une cimentation de puits , par exemple, il est nécessaire de connaître l'étant d'écoulement du laitier de ciment, de savoir s'il est laminaire ou turbulent. Ceci n'est bien entendu possible qu'en ayant des indications sur la viscosité des fluides pompés. L'efficacité du déplacement de la boue par un laitier de ciment peut être appréciée en mesurant de façon continue la viscosité des fluides à la sortie de l'espace annulaire existant entre le tubage et la formation. L'enregistrement continu de la viscosité permet en outre la détection d'anomalies telles que l'infiltration de laitier de ciment dans la boue (fingering). De nombreux appareils de mesure de viscosité sont disponibles sur le marché. Néanmoins, peu d'entre eux se prêtent à une utilisation de chantier. En outre, le caractère non newtonien de la quasi-totalité des fluides utilisés dans l'industrie pétrolière est à l'origine du fait que la mesure se fait généralement en laboratoire après échantillonnage. La notion de mesure continue a dans ce cas, bien entendu, disparu. La majeure partie des viscosimètres existants peut se classer en deux grandes familles. Dans la première, le fluide est cisaillé entre deux corps de révolution coaxiaux (cylindres, plan-cône, plan-plan, cane-cône). La vitesse relative de rotation est une indication de vitesse de cisaillement du fluide, alors que le couple exercé sur l'un des corps par le fluide est directement relié à la tension de cisaillement. L'évolution de la tension de cisaillement en fonction de la vitesse de cisaillement - le rhéogramme - représente le comportement rhéologique du fluide étudié. On en déduit la viscosité apparente correspondant aux différents gradients de cisaillement. Dans la deuxième grande famille de viscosimètres, le fluide est cisaillé en s'écoulant dans un tube ou un capillaire. Le débit d'écoulement indique la vitesse de cisaillement, alors que la chute de pression le long d'une section droite de tube est directement reliée à la tension de cisaillement. L'établissement du rhéogramme nécessite, par conséquent, la mesure simultanée d'une chute de pression et d'un débit. Ce type d'appareil est donc généralement relativement sophistiqué puisqu'il nécessite l'utilisation d'une pompe, d'un débitmètre, d'un ou de deux capteursde pression. L'instrument faisant l'objet de l'invention peut se classer dans cette dernière famille. I1 est destiné à des applications de chantier et,par conséquent, de construction robuste. L'avantage majeur de cet appareil réside dans sa simplicité et, surtout, dans le fait qu'il ne nécessite la mise en oeuvre que d'un capteur unique. Par "capillaire", on désignera ici un tube (ou analogue) de rapport longueur (1)/diamètre (d) élevé, dimensionné de manière à conduire pour le fluide considéré à un écoulement dit "de HAGEN- POISEUILLE". Ce type d'écoulement est particulier et bien connu de l'homme du métier. On connaît également le viscosimètre MARS, qui consiste en un entonnoir de diamètre maximal 152 mm, terminé à sa partie inférieure par un tube de diamètre intérieur 4,75 mm et de longueur 50,8 mm. Pour effectuer la mesure dans cet appareil, on verse le fluide dont on veut mesurer la viscosité dans l'entonnoir, on déclenche un chronomètre 3 au début de la vidange, et on laisse couler 946 cm de fluide dans un godet. Le nombre de secondes lu sur le chronomètre pour atteindre un écoulement de 946 cn3 représente la "viscosité RUSH". Cette vis cosité est donc seulement une indication relative. On notera encore que l'appareil MARKS11 comporte un tube de vidange qui n'est pas un capillaire. Le tube de l'appareil MARSH forme une simple restriction de passage pour le fluide, et ne realise absolument pas un cisaillement du fluide comme dans l'appareil selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront décrits dans a description qui va suivre, et en se réferant au dessin annexé qui représente la variante préférée du viscosimètre selon l'invention. Sur la figure unique annexée, les symboles et réfé- rences ont les significations suivantes 1 conduit d'alimentation en fluide à caractériser 2 fluide 3 débitmètre 4 conduit de recirculation du fluide (lorsque le viscosimètre fonctionne en mode déversoir comme il sera dit ci-aprEs) 5 débordement du fluide dans le mode déversoir 6 surface libre du fluide dans le mode vidange 7 partie cylindrique verticale de l'entonnoir 8 raccord tronconique entre la partie cylindrique 7 et le tube capillaire 9 9 tube capillaire de vidange du fluide ho, h, 1 et d : les significations apparaissent clairement sur la figure unique. De manière générale, l'appareil selon l'invention se compose d'un entonnoir (parties 7 et 8) raccordé à un tube capillaire (9). De manière avantageuse, l'entonnoir (7, 8) se présente comme sur la figure unique annexée, c'est-à-dire qu'il est constitué par une partie supérieure cylindrique raccordée à une partie tronconique elle-même raccordée au tube capillaire. Cependant, oh pourra également concevoir un appareil où les parties 7 et 8 formeraient un tronc de cône unique. Comme il sera dit ci-apres, l'appareil selon l'invention peut fonctionner en mode "déversoir" lorsque le fluide à carac tériser aura un comportement newtonien, ou en mode "vidange" lorsque le fluide à caractériser aura un comportement non newtonien. Fonctionnement en mode déversoir - fluides newtoniens Les fluides newtoniens sont, du point de vue de la rhéologie, les plus simples, dans la mesure où leur viscosité ne dépend pas de la vitesse de cisaillement. Du point de vue de la rhéométrie, ils sont par conséquent les plus faciles à traiter. Selon l'invention, on alimente le viscosimètre en fluide à un débit supérieur à son débit de vidange de façon à le faire déborder. La hauteur de fluide est donc constante et la pression est la pression hydrostatique qui ne dépend plus que de la masse volumique du fluides le principe de la mesure repose sur le fait que moins le fluide est visqueux, plus le débit d'écoulement est élevé, et vice versa. La mesure du débit est donc une indication directe de la viscosité du fluide.L'enregistrement du débit Q en fonction du temps revient à contrôler continûment la viscosité. Compte tenu de la gamme de viscosité à mesurer, les dimensions de l'appareil sont déterminées de manière connue de façon à obtenir un écoulement laminaire dans le capillaire. Une mesure de la vitesse moyenne d'écoulement u permet d'en déduire aisément la valeur de la viscosité p, connaissant les caractéristiques géométriques de l'appareil : d, 1, h . Si la masse o volumique du fluideZest inconnue, on peut obtenir la viscosité cinématique ss =,u/w- Fonctionnement en mo idane - fluides non newtoniens Dans le paragraphe précédent consacré à la mesure de la viscosité d'un fluide newtonien, la vitesse de cisaillement a été ignorée. La caractérisation rhéologique d'un fluide non newtonien passe par l'établissement de la dépendance de la tension de cisaillement r (homogène à une pression) en fonction de la vitesse de cisaille ment T (homogène à l'inverse d'un temps). Pour un écoulement laminaire dans un tube, la vitesse de cisaillement t est directement reliée à la vitesse moyenne du fluide. Y = 8 u/d On sait comment relier la viscosité du fluide au débit d'écoulement dans le cas d'un fluide non newtonien, la donnée de la viscosité (apparente) n'a de sens que si elle est accompagnée de la vitesse de cisaillement à laquelle elle correspond. L'utilisation de viscosimètre en mode déversoir avec des fluides non newtoniens ne permet d'obtenir qu'un seul point du rhéogramme (t, j). Le fonctionnement en mode vidange de l'appareil selon l'invention consiste à faire varier la tension de cisaillement t en agissant sur la pression motrice T gho, ou, plus exactement sur la hauteur de fluide h . Si l'on cesse d'alimenter l'appareil en fluide, o il va bien entendu se vider et la hauteur de fluide h va diminuer o au cours du temps. En conséquence, la vitesse de l'écoulement va décroître également, ce qui a pour effet de faire varier la tension de cisaillement Qet de décrire ainsi, une partie - au moins - du rhéogramme. L'enregistrement de la décroissance du débit Q en fonction du temps (Q, t) contient toute l'information nécessaire à l'établissement du rhéogramme (T, Y ). L'expérience a confirmé l'hypothèse selon laquelle, dans l'appareil selon l'invention, les pertes de charge dans la partie "entonnoir" (7,8) étaient tout à fait négligeables,ainsi que les effets d'inertie, aux dimensionnements considérés. On constate en fait un fonctionnement en mode vidange qui est quasi-stationnaire. Une caractéristique importante de ce mode de fonctionnement est que la courbe de vidange présente, au temps exact de début de vidange, un point quasi-anguleux (présentant une discontinuité de tangente), entre le palier de niveau constant avant vidange et la courbe de vidange proprement dite qui présente ensuite une concavité tournée vers le haut. Un calculateur peut facilement déceler un tel point et donc déterminer avec précision (et sans par exemple qu'un capteur de niveau ou autre système soit nécessaire) l'instant exact du début de vidange, qui sera la borne t du calcul intégral dans les équations o bien connues de l'homme du métier. Cette caractéristique de la courbelqui n'était pas prévisible, représente donc une importance déterminante dans la pratique. I1 convient de remarquer que l'analyse ci-dessus n'est valable que lorsque le niveau supérieur du fluide se trouve dans la partie (7). En effet, dans la partie conique (8) ou le capillaire (9), l'équation de continuité s'écrit autrement et les effets d'inertie ne sont plus négligeables. Ceci explique le fait que cette méthode ne permet pas de décrire entièrement le rhéogramme, en particulier pour les faibles valeurs de la vitesse de cisaillement. Toutefois, des expériences conduites sur un prototype montrent que les valeurs obtenues à l'aide de cet instrument sont en bon accord avec celles que l'on obtient en utilisant un viscosimètre a cylindres coaxiaux. Les gammes de vitesses de cisaillement ';f- qui dépendent bien entendu de la nature des fluides étudiés - ont une étendue de I à 2 (gamme de viscosités mesurable, par exemple 5 à 50 centipoises.) L'appareil selon l'invention est donc un viscosimètre "temps réel" de chantier permettant également l'établissement rapide, pratique et précis d'une partie du rhéogramme pour des fluides non newtoniens. Sa conception est extrêmement simple et permet une construction robuste. I1 n'y a aucune pièce en mouvement. Un autre avantage important de l'appareil selon l'invention réside dans le fait que, contrairement aux mesures faites avec des rhéomètres classiques, il n'est pas nécessaire d'attendre pour chaque point du rhéogramme l'établissement d'un régime stationnaire. Au contraire, selon l'invention, un calculateur (qui pourra être programmé sans aucune difficulté par l'homme du métier, à la lecture de la présente demande de brevet) relié à une table traçante permet de suivre l'évolution de la mesure avec un retard de seulement quelques microsecondes. Le fait qu'il nty ait qu'un seul capteur (le débitmètre) en fait d'autre part un appareil relativement moins cher à construire qu'un rhéomètre à capillaire conventionnel qui nécessite en plus une pompe et des capteurs de pression, ainsi qu'un enregistreur de signaux multicanaux. Dans l'appareil selon l'invention, la pesanteur joue le ralle de la pompe et les caractéristiques géométriques (la hauteur) déterminent la chute de pression. En mode de vidange, cette information peut être déduite de l'enregistrement du signal de sortie du débitmètre. Comme tous les appareils de mesure, le présent appareil n'opbre que dans une certaine gamme de viscosité. Celle-ci est déterminée par les conditions géométriques de l'appareil (diamètre et longueur du capillaire, hauteur h ). o Ces grandeurs doivent être calculées compte tenu de la gamme de viscosité que l'on désire explorer7 et compte tenu de la masse volumique du fluide utilisé, le principal critère étant l'obtention d'un écoulement laminaire dans le capillaire. Pour des fluides à faible viscosité et forte masse volumique, on peut envisager d'incliner l'appareilce qui a pour effet de réduire la pression motrice en conservant la même longueur de capillaire. Le choix d'un raccord conique entre le réservoir et le capillaire se justifie pour les raisons suivantes - le type de jonction est celui qui présente le moins de perte de charge singulière (qu'il est difficile de relier à la viscosité); - cette forme évolutive permet au fluide de se présenter à rentrée du capillaire en possédant déjà un profil des vitesses. Par suite, le parcours d'entrée où s'élabore le profil est considérablement réduit, de sorte que l'on peut écrire que la tension de cisail lement est uniforme tout le long du capillaire. Cet aspect des choses est très important car il simplifie considérablement l'analyse du problème. On s'aperçoit en effet que les formules utilisées sont d'une très grande simplicité et aisément program mables; - l'usinage de ce type de raccord est simple. On utilisera de préférence pour la mesure du débit un débitmètre électromagnétique car il est à la fois précis, non intrusif de façon à ne pas modifier le profil des vitesses, et en raison de son temps de reponse assez court, permet une analyse précise de vidange de l'appareil. Comme il a déjà été dit, l'un des atouts majeurs de l'appareil selon l'invention réside dans sa simplicité et dans le fait qu'une grande partie du résultat de la mesure provient d'un calcul. Compte tenu de ce que toute l'information rhéologique est contenue dans la courbe débit fonction du temps, le problème de la mesure est transposé à un problème de logiciel, plus aisé à résoudre. Les tests effectués sur un prototype montrent que les résultats sont satisfaisants. On obtient aisément une bonne estimation de la viscosité apparente du fluide correspondant à une gamme de cisaillement relativement étendue. Dans la plupart des cas, c'est de ce type de résultats qu'ont besoin les opérateurs sur les chantiers pour effectuer les calculs de perte de charge, détecter des infiltrations ou estimer la capacité de la boue à remonter les copeaux. L'appareil peut être équipé d'un thermomètre et d'un dispositif de mesure de la masse volumique de façon à améliorer l'exploitation des résultats. L'invention n'est pas limitée à un appareil de section circulaire. En particulier, si l'on choisit un débitmètre électromagnétique, il sera très intéressant d'avoir une section droite rectangulaire. A cet égard, on peut d'ailleurs combiner des ornes géométriques différentes, par exemple un cylindre pour la partie 7 reliée à une géométrie rectangulaire pour le capillaire, par l'intermédiaire d'une partie 8 de géométrie appropriée. Il est cependant tout à fait préférable de garder une similitude de géométrie entre la partie 7 et le tube capillaire, afin d'obtenir un écoulement plus favorable dans ce tube. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que, par simple inclinaison de l'appareil, on peut choisir la gamme du rhéogramme explorable. Enfin, une combinaison simple de vannes permettra de commuter alternativement le fonctionnement du mode déversoir en mode vidange et réciproquement. L'analyse de la courbe ainsi obtenue permet de caractériser le fluide quant à sa rhéologie. REVENDICATIONS 1. Viscosimètre comportant à sa partie supérieure une partie formant entonnoir età sa partie inférieure un tube de vidange connecté directement audit entonnoir, caractérisé en ce que ledit tube de vidange est un tube capillaire, et en ce que ledit viscosimètre comporte un moyen d'alimentation en fluide à la partie supérieure ouverte de l'entonnoir et un moyen permettant de recueillir et de recirculer le fluide débordant à la partie supérieure de l'entonnoir lorsqu'on alimente ledit entonnoir avec un débit suffisant de fluide, les dimensionnements étant choisis de telle manière que l'écoulement dans le capillaire soit du type dit "de HAGEN-POISEUILLEt'. 2. Viscosimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie supérieure formant entonnoir est constituée par une partie supérieure cylindrique reliée à un tronc de cne dont la partie inférieure est destinée à se raccorder à la partie supérieure dudit tube capillaire. 3. Viscosimètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un débitmètre au niveau du capillaire, capable de mesurer le débit de vidange du fluide contenu dans la partie supérieure formant entonnoir. 4. Viscosimètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débitmètre consiste en un débitmètre électromagnétique. 5. Procédé de mesure de la viscosité cinématique d'un fluide newtonien, caractérisé en ce qu'on utilise un viscosimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, on l'alimente en fluide à sa partie supérieure avec un débit supérieur a la possibilité de vidange par le tube capillaire, et en ce que l'on mesure en régime permanent le débit d'écoulement dans le tube capillaire, qui permet de déterminer la vitesse moyenne d'écoulement et donc la viscosité cinématique du fluide. 6. Procédé de mesure de la viscosité d'un fluide non newtonien, caractérisé en ce que l'on utilise un viscosimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, en ce qu'on le remplit de fluide, en ce qu'on stoppe l'alimentation en fluide, on laisse le fluide s'écouler dans le capillaire, et on relève la courbe de débit de l'écoulement en fonction du temps.