Brevet FR2573208A1 — publié le 19860516

! La présent- inv(nri ion esf dit ci omaine des ou t, i s e I(techniques pour 1 'val al. ion dc-s d(!)'f;ts m.i nf.ratix pI us. pci ai forcé sous pression à pénétrer dans des pores et ouvertu- res mcroscopiques d'une carotte géologique de façon à fournir des données relatives à la teneur en gaz de l'échantillon de la carotte. Une pompe à mercure utilisée couramment est décrite par exemple dans le brevet US 2 296 8 52. On a découvert récemment qu'il existe une relation entre le rapport gaz libre/pétrole dans une couche rocheuse d'une part, et d'autre part le rapport probable gaz/pétrole sous lequel un puits dans cette roche produira. De façon générale, plus élevé est le taux gaz libre/pétrole, plus élevé sera le rapport gaz/pétrole du puits d'écoulement. Du fait qu'au moins une quantité minimale de gaz devrait être produite avec chaque baril de pétrole pour assurer le meilleur rende- ment, la teneur en gaz d'un échantillon de la carotte est un indice important et est intéressant dans l'exploration pétrolière. Une pompe à mercure peut être utilisée pour tester les échantillons de roche quant à leur teneur en gaz. Ceci est obtenu en comprimant le gaz dans l'échantillon de carotte avec un liquide non com- pressible, ordinairement le mercure dans lequel l'échan- - tillon est immergé. Le mercure est forcé à pénétrer dans les pores de l'échantillon pour comprimer le gaz et le volume du liquide exigé pour le faire est mesuré. Leslectures ainsi obtenues peuvent être traduites facilement en pourcentage de gaz par unité de volume de la roche dans laquelle la carotte a été prélevée; ceci est traduit ?3208 évidemment en caractéristique de la roche elle-même à partir de quoi la probabilité d'une exploitation pétro- lière profitable peut être déduite. Dans une pompe à mercure type, il y a une chambre à échantillons ayant une ouverture d'air appropriée à son sommet et une ouverture dans le bas à travers laquelle le liquide incompressible est versé dans la chambre à partir d'une chambre de déplacement. Initiallement, le dispositif est réglé en remplissant la chambre vide de mercure et en lisant le volume sur un vernier d'échelle. Ensuite, le mercure est retiré dans la chambre de déplacement du mercure et un échantillon de la carotte est inséré dans la chambre -à échantillons. Après cela, le mercure est de nouveau versé dans la chambre à échantillons à la pression atmosphéri- que jusqu'à ce que le niveau de mercure apparaisse à un orifice sur le couvercle de la pompe à mercure. A ce moment, le volume de mercure déplacé est lu à partir sur le vernier et la-différence entre les 2 lectures est égale au volume total de l'échantillon de la carotte. Ensuite, un joint de pression est fermé pour sceller l'orifice et le mercure est de nouveau déplacé dans la chambre à échantillons. Le mercure est soumis à une-pres- sion de 50 atmosphères par exemple, ce qui fait pénétrer le mercure dans les fentes, crevasses et pores microsco- piques de l'échantillon de la carotte, et comprimer et supplanter le gaz présent dans la carotte jusqu'à ce que le gaz occupe seulement 1/50 du volume qu'il occuperait sous une atmosphère. Ainsi, le volume du liquide entrant dans les pores de l'échantillon est mesuré et-ce volume peut être corrigé vers le haut d'environ 2% pour compen- ser le volume résiduel du gaz à 50 atmosphères. A partir de cette lecture et à partir de la lecture précédente indiquant le volume de l'échantillon de roche lui-même, on obtient la fraction du volume de la carotte qui est occupé par le gaz libre. De plus, la vitesse à laquelle le mercure pénètre les pores et autres espaces de l'échantillon de la carotte microscopiques sous 50 atmosphères de pression peut aussi être mesuré, comme indication de la perméabilité de l'échantillon de la carotte. Dans l'appareil de réalisation de cette technique, la chambre à échantillons est géné- ralement reliée à une chambre de déplacement séparée. La chambre à échantillons est fermée à son sommet par un couvercle approprié qui peut être fixé par des boulons après que l'échantillon soit en place dans la chambre. L'ouverture ou l'orifice peut être dans le couvercle, et le joint de pression peut être une simple vanne à pointeaux. De façon générale, la chambre de déplacement a un piston ou un plongeur d'une section prédéterminée qui est vissée dans la chambre de déplacement au moyen d'un volant. Le nombre de tours du volant correspond au volume de mercure déplacé, et ce volume est mesuré en notant les graduations du vernier sur la manivelle. Pendant la mesure également, la pression véritable est notée manuel- lement en observant une jauge de pression conventionnelle équipant la chambre de déplacement. Du fait que les pompes à mercu- re utilisées couramment et précédemment sont formées de chambres de déplacement et à échantillons séparées, on peut rencontrer un problème d'alignement. De plus, l'uti- lisation d'une jauge de pression conventionnelle et l'utilisation des verniers à lecture directe peut souvent provoquer des erreurs humaines dans les mesures. De plus, cette pompe à mercure conventionnelle ne se prête pas facilement à l'automatisation, et ne se prête pas à un mode de calcul automatique et numérisé des paramètres géologiques de la carotte. Un objet souhaité de la présen- te invention est de proposer une pompe à mercure qui évite les imperfections des pompes à mercure proposées précédemment. Un autre objet de la présente invention est de proposer une pompe à mercure ayant une chambre à échantillons et de déplacement unique permet- tant une conception simplifiée et plus fiable. Un autre objet de la présente invention est de proposer une pompe à mercure dans laquelle le volume de mercure déplacé ou autre liquide incompressible est mesuré automatiquement, et sans recou- rir à la lecture d'un vernier ou autre par un opérateur, évitant ainsi une source importante d'erreur humaine. Un autre objet de la présente invention est de proposer une pompe à mercure dans laquelle le déplacement de mercure ou autre liquide incompressible peut être déterminé avec une précision qui est d'un ordre de grandeur meilleur que celui des pompes à mercure proposées précédemment. Un autre objet de l'invention est de proposer une pompe à mercure dans laquelle la pression de mercure pendant une mesure est captée élec- troniquement au moyen d'une jauge de contrainte, d'un transducteur transistorisé ou analogues. Un autre objet de la présente invention est de proposer une commande pour le déplace- ment du piston de la pompe à mercure avec un mécanisme de commande qui est extrêmement durable et relativement sans frottement. Les objectifs sus-décrits et autres objectifs souhaités de l'invention sont réalisés avec une pompe à mercure selon la présente invention, qui est très approprié à l'analyse de carottes géologiques. Conformément à plusieurs aspects souhaités de l'inven- tion, la pompe à mercure à une cavité cylindrique orientée verticalement dans laquelle une partie inférieu- re forme une chambre de déplacement de mercure et une partie supérieure en alignement axial avec celle-ci forme une chambre à échantillons. Un transducteur de pression, tel qu'une jauge de contrainte ou un capteur transistori- sé, communique avec la chambre à échantillons et produit un signal électrique de pression. Un vérin hélicoidal à billes pousse un piston en résine synthétique vers le haut dans la section de déplacement pour pousser le mercure ou autre liquide incompressible qui en provient dans la chambre à échantillons. Le déplacement de mercure est capté par un codeur électronique couplé à la manivel- le du vérin, et ceci fournit des données relatives à la fois au sens et à l'amplitude de déplacement du piston. Favorablement, le codeur est précis dans l'intervalle d'un déplacement de 0,001 centimètres-cube. Un dispositif de mesure du volume contrôlé par microprocesseur a des entrées reliées au codeur et calcule automatiquement les données de la carotte, en réponse aux signaux du codeur et du transducteur de pression, à la fin du déroulement de l'analyse de la carotte. Dans plusieurs formes d'exé- cution intéressantes, le piston de la section de la chambre de déplacement de la pompe à mercure est formé d'une matière en résine synthétique résistant au mercure et durable, par exemple le nylon. - Les objets cidessus et bien d'autres ainsi que les caractéristiques et les avantages de l'invention apparaîtront à la description qui va être faite des formes préférées de l'invention, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles: - La fig. 1 est une élévation de face d'une forme de réalisation préférée de la pompe à mercure de la présente invention, et montré montée sur une paillasse de laboratoire typique. - La fig.2 est une élévation de côté de la même, - La fig.3 est une autre éléva- tion, partiellement en coupe, montrant la construction de cette forme de réalisation, et - La fig.4 est un diagramme des fonctions montrant le fonctionnement global de la pompe à mercure et l'électronique qui s'y associe. En référence aux planches anne- xées, et initialement aux fig.1 à 3, la pompe à mercu- re 10 de l'invention est formé du corps de la pompe 12 monté sur un vérin hélicoïdal à billes 14 ayant une manivelle 16 et un carter 18. La pompe à mercure 10 peut être montée sur une paillasse T appropriée. Sur le corps de pompe 12, un étrier 20 en - U est monté de façon pivotante sur des oreilles 22 de l'étrier. Une vis 24 à autocentrage et à blocage vers le bas est montée sur l'étrier 20 et est pourvu d'une poignée 26 pour visser ou dévisser. Cette vis 24 maintient vers le bas un bou- chon 28 qui ferme le corps de pompe 12 à son extrémité supérieure ouverte. Un capteur de niveau 30 disposé au sommet du corps 12 fournit une indication lorsque le corps de pompe 12 est rempli de mercure. Egalement, un capteur de pression 32, qui peut être une jauge de contrainte ou un transducteur de pression transistorisé, communique par l'intermédiaire d'un conduit à l'intérieur du corps de pompe 12 et délivre une tension électrique de sortie correspondant à la pression à l'intérieur du corps de pompe 12. Un codeur/compteur 34 est monté à l'intérieur du carter 18 et est couplé en rotation avec la manivelle 16. Ce codeur/compteur délivre 1.000 impulsions par tour de manivelle 16, et chaque impulsion correspond à un déplacement de 0,001 centimètres cube de mercure à l'intérieur du corps de pompe 12. Des lignes 36 et 38 partent respectivement depuis un capteur de niveau et à un capteur de pression, et un câble multilignes 40 part du compteur/codeur 34. Ces lignes 36, 38 et 40 sont reliés à un processeur électronique 42 à affichage à cristaux liquides 44 qui donne des lectures visibles de valeurs de sortie calculées correspondant par exemple à la teneur en gaz mesurée de la carotte. Comme cela apparait plus clai- rement sur la fig.3, la pompe 12 est pourvue d'une cavité verticale cylindrique 46, une partie supérieure de celle-ci forme une chambre à échantillons de carotte 48, dans laquelle est insérée la carotte, et une partie inférieure forme une chambre de déplacement de mercure 50. Un conduit 60 part de la base de la chambre à échantillons 48 pour aller au capteur de pression 32. La chambre à échantillons 48 a un diamètre légèrement plus grand que la chambre de déplacement de mercure 50. A l'intérieur de la chambre de déplacement 50 est ajusté un piston 62. Ce piston 62 est formé d'un corps de piston 64 et constitué de préférence d'un nylon ou autres polymères appropriés résistant au mercure, d'un joint de piston 66 disposé dans une gorge périphérique du corps de piston 64, d'un feutre hui- leur 68 disposé dans une autre gorge périphérique du corps de piston 64, et d'un accouplement inférieur 70 à la base du corps de piston 64. Un joint torique 72 est disposé à la base de l'accouplement inférieur 70. Le piston 62 est déplacé vers le haut et vers le bas dans la chambre de déplacement cylindrique 50 au moyen du vérin hélicoïdal à billes 14, dont le mécanisme est décrit ci-dessous. Ce vérin 14 a une vis porteuse filetée et verticale 74 s'étendant axialement et un fourreau 76 disposé sur la partie inférieure de celle-ci. A l'intérieur du carter 18, il se trouve un manchon d'entraînement de forme générale cylindrique 78 monté pour que la rotation à l'intérieur d'un boitier d'entraînement pourvu d'un roulement 82 permette la rotation mutuelle de celui-ci. Un coussinet 84 est disposé entre le manchon d'entraîne- ment 78 et le corps de pompe 12. Une extension du boitier 86, de forme générale cylindrique, relie le boitier 80 au fourreau 76 au moyen d'un adaptateur 88. A l'extrémité inférieure de la vis porteuse, une noix d'accouplement 90 accouple la vis 74 au fourreau 76 pour prévenir la vis 74 à l'encontre de sa rotation. Un arbre d'entrée 92 de vis sans fin, lié à la manivelle 16, engraine dans le manchon d'entraînement 78 pour le faire tourner. Un écrou à billes 94 est monté sur le manchon d'entraînement 78 et tourne avec lui. L'écrou à billes 94 est séparé par un roulement 96 de l'extension du boitier 86. Une pluralité de sphéroïdes ou billes 98 circule dans les filets entre l'écrou 94 et la vis 76 pour constituer une vis d'entrai- nement du type à recirculation de billes qui a une très faible friction et exige très peu en matière de lubrifi- cation et d'entretien. L'écrou à billes 94, les billes 98 et la vis porteuse 74 définissent ensemble un mécanisme porteur ou leveur, à course de billes recyclées. Comme cela est montré sur les fig.2 et 3, le codeur/compteur 34 comprend un mécanisme d'indexation 100 pourvu d'un engrenage synchronisé 102 qui est lié, au moyen d'une courroie crantée 104 à l'arbre d'entraînement 92 de vis sans fin. Les ver- niers 106 sont également prévus sur le mécanisme d'in- dexation pour donner une indication visuelle de déplace- ment du mercure. Le mécanisme d'indexation 100 est d'un type connu, par exemple magnétique ou électro-optique, donnant 1.000 impulsions par révolution de l'arbre d'en- traînement de vis sans fin 92, et donnant également une indication de la direction de la rotation. Une pluralité de lignes formant le câble 40 relie le compteur/codeur 34 à un connecteur multibroches 108 qui peut être branché dans une prise de courant correspondante sur le proces- seur électronique 42. Le fonctionnement de ce dis- positif peut être compris en se référant au diagramme de la fig.4. D'abord, pendant le déroulement de l'analyse pour un échantillon particulier de la carotte dans la pompe à mercure 10, le codeur 34 fournit une information de comptage et de direction à un circuit d'interface 110, tandis et préalablement que les commutateurs de fonction 112, ayant été sélectionnés fournissent également des informations à l'interface 110. Les données de l'interface sont fournies à des entrées appropriées d'un tableau d' ordinateur 114, qui est alimenté par une alimentation appropriée 116, par exemple régulé, en courant continu de 5 V. Sur le tableau d'ordinateur 114, le compteur de volume total 118 (par exemple, le volume total de l'échantillon de carotte), et le compteur de volume de gaz 120 (c'est-à dire, la différence entre les lectures de volume de mercure à une et à 50 atmosphères) sont utilisées, et les valeurs corres- pondant à leur teneur (c'est-à-dire volume total gazeux) sont affichées sur l'écran à cristaux liquides 44. Ensuite avec ces données des compteurs 118 et 120, le l'ordinateur 114 calcule la teneur en gaz relatif réel de l'échantillon de carotte, et cette valeur est également fournie à l'écran 44. Pendant le déroulement de l'analyse de l'échantillon de carotte et pendant la phase de calcul, les indicateurs de commutation de fonction 112 sont commandés par l'ordinateur 114 pour indiquer les différentes phases de fonctionnement à un opérateur qui surveille ou conduit le fonctionnement de la pompe à mercure. Les compteurs 118 et 120 sont actifs séparément pendant les phases respectives du processus d'analyse de l'échantillon de carotte. Selon la disposition de la pompe à mercure décrite ci-dessus, les données relatives aux propriétés géologiques de 'l'échantillon de la carotte sont affichées sur une échelle numérique étalée pour une meilleu- re lecture, et ces données sont également retenues sous forme de code numérique pour la transmission et pour l'utilisation par d'autres systèmes d'ordinateur. La pompe à mercure et le processeur électronique décrits ci-dessus peuvent convertir les données brutes en un certain nombre de paramètres techniques, dépendant de l'application exigée. De plus, cette disposition a la capacité de corriger les données pour des erreurs volumétriques dues à la tolérance de fabrication par exemple. Les données mesurées pour chaque phase de l'analyse sont maintenues sur l'affichage visuel 44 jusqu'à ce que le déroulement particulier de l'analyse soit complété ou que les données soient annulées intentionnelle- ment. A travers la présente descrip- tion, et dans la technique d'une manière générale, le terme "pompe à mercure" est utilisé généralement en relation avec ce type de procédé d'analyse d'échantillon de carotte, même si un liquide approprié pourrait être utilisé à la place du mercure. Cependant, on préfère le mercure à cause de sa grande densité et en ce que sa conductivité électrique - permet la détection de son niveau relativement facilement. Egalement, alors que l'orientation verticale montrée sur les dessins est préférée, il est clair qu'une orientation inclinée et horizontale pourrait également être employée dans des circonstances appropriées. En outre, bien qu'une manivelle soit employée dans cette forme de réalisation, il est très clair qu'un moteur électrique pourrait l'être également avec des modifications appropriées du mécanisme. il REV E N D I C A T I 0 N S 1.- Dispositif, dit pompe à mercure, destiné à l'analyse du contenu gazeux d'un échantillon de carotte géologique, caractérisé: en ce qu'il comprend pour agir en combinaison: - un corps de pompe (12) comportant une chambre orientée verticalement dont une partie inférieure (50) définit une chambre de déplacement du mercure et dont une partie supérieure (48) forme une chambre à échantillons dans laquelle l'échantillon de carotte peut être introduit, - un bouchon (28) amovible fixable à la chambre d'échan- tillons, destiné à boucher le sommet dudit corps de pompe, - un transducteur de pression (32) disposé en relation avec l'intérieur de ladite chambre et destiné à fournir un signal de sortie de pression, - un piston (64) disposé dans ladite chambre de déplace- ment de mercure pour s'y mouvoir verticalement et déplacer le mercure dans ladite chambre, - des moyens (74,94,78,92) d'entraînement pour entraîner ledit piston verticalement dans ladite chambre, lesdits moyens incorporant une vis d'entraînement verticale (74) supportant ledit piston à son extrémité supérieure, un boitier d'entraînement (80), un volant, une vis sans fin disposée horizontalement et couplée par un arbre au dit volant 16, un manchon d'entraînement monté dans ledit boitier d'entraînement (78) autour de ladite vis et entraîné en rotation par ladite vis sans fin, un écrou (94) à circulation de billes disposé autour de ladite vis et relié au dit manchon d'entraînement, une plurali- té de billes (98) disposée dans le filetage dudit écrou pour former avec celui-ci un mécanisme de vérin à recyclage de billes coopérant avec ladite vis d'entraî- nement vertical et les moyens d'accouplement (90) pour prévenir la rotation de ladite vis d'entraînement par rapport à son fourreau (76), un codeur de déplacement (34) couplé en rotation avec ledit arbre de vis sans fin et destiné à fournir des indicateurs sur le sens de rotation de ladite vis, et une impulsion pour chaque incrément prédéterminé de la rotation de celle-ci, ledit codeur délivrant une impul- sion pour chaque millième de cm3 de déplacement dudit piston, et - des moyens de mesure de volume par microprocesseur comportant des entrées couplées au dit codeur de dépla- cement et au dit transducteur de pression en vue d'éla- borer des données à partir des comptages dudit codeur et de fournir des données relatives au contenu gazeux dudit échantillon; 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé: en ce qu'il comprend un méca- nisme à étrier pour maintenir ledit bouchon sur ledit corps de pompe, ledit mécanisme comprenant des oreilles (22) solidaires du corps de pompe, un étrier pivotable (20) sur lesdites oreilles et une vis (24) du type à auto-centrage et blocage vers le bas destiné à maintenir ledit bouchon lorsque ledit étrier est amené en place au-dessus du bouchon; 3.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ladite chambre de déplacement de mercure est une cavité cylindrique ayant un certain diamètre, et en ce que ladite chambre à échantillons est une cavité sensiblement cylindrique et coaxiale à la précédente et de plus grand diamètre; 4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé: en ce que ledit piston est cons- titué de résine synthétique; - 2573208 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé: en ce que ladite résine syn- thétique est le nylon; 6.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé: en ce que lesdits moyens de mesure de volume par microprocesseur incorporant des premier et second moyens de comptage pour traiter lesdites impulsions provenant du codeur, chacun desdits moyens de comptage opérant séparément durant les phases respectives de mesure du contenu gazeux de l'échantil- lon.