Brevet FR2593921A1 — publié le 19870807

La présente invention est relative à un appareil au- tomatique portable pour l'analyse thermodynamique de fluides souterrains. Comme on le sait, il est usuel, pour déterminer les paramètres d'exploitation d'un puits de forage, de prélever dans un tel puits un échantillon d'un fluide à analyser, par exemple un échantillon de pétrole ou d'eau géothermale, et de le soumettre à une analyse thermodynamique dite "PVT, destinée à déterminer l'évolution et les variations des caractéristiques de ce fluide, lorsque l'on fait varier sa pression, notamment en simulant la détente qui se produit lorsqu'un tel fluide passe progressivement de la température et de la pression de gisement à la pression atmosphérique et à la température nor- male lors de l'écoulement en production du puits. C'est ainsi, notamment, qu'il est nécessaire de sa- voir à partir de quelle pression le fluide produit devient di- phasique, c'est-à-dire se sépare en un liquide contenant du gaz dissous et en unt gaz libre (point bulle), de déterminer égale- ment le "gas oil ratio" (GOR), c'est-à-dire la quantité de gaz qui est produite par unité de volume du liquide, et d'appréhen- der le coefficient de compressibilité et la densité du liquide dans les conditions de gisement. En effet, les divers paramètres précédemment mention- nés sont indispensables pour prévoir et dimensionner un type déterminé d'équipement du puits devant être exploité et pour choisir notamment, en vue de sa production, les installations de surface nécessaires, telles que séparateur gaz-huile-eau, bacs de stockage, pompes, etc... - Pour obtenir l'échantillon à mesurer, ou bien on le prélève au fond du puits dans les conditions de température et de pression du gisement, par des systèmes appropriés connus, et on le transfère dans une bouteille métallique de stockage sous pression, ou bien on l'obtient en prélevant et en recombinant en surface, en proportion appropriée, un échantillon de liquide et de gaz prélevé dans le séparateur et remis à la pression du gisement. Les laboratoires de PVT classiques sont équipés de cellules sous pression que l'on peut ajuster en injectant du mercure avec une pompe spéciale et susceptibles de renfermer quelques dizaines à quelques centaines de centimètres-cube d'échantillon; il s'agit là d'installations lourdes et com- plexes, difficiles à transporter et impliquant de plus une ma- nipulation délicate de mercure. L'invention remédie aux inconvénients des installa- tions rappelées cidessus et elle vise un appareil portable, relativement léger, automatisé par des moyens connus et ne com- portant ni mercure ni pompe volumétrique complexe, ledit appa- reil devant pouvoir entrer directement en action sur le chan- tier dès que l'échantillon à analyser a été prélevé. Le but essentiel de l'appareil est d'assurer une ana- lyse immédiate relativement simplifiée de l'échantillon, de contrôler que ce dernier est de bonne qualité et représentatif du gisement, qu'il peut par conséquent être conservé pour des analyses ultérieures plus approfondies et, de plus, de fournir immédiatement en quelques heures les premières valeurs appro- chées des paramètres précédemment indiqués, à savoir le point bulle, la compressibilité, la densité, le "GOR". L'appareil conforme à l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il est incorporé, conjointement avec les dispositifs électroniques de contrôle et de régulation qui lui sont adjoints, dans plusieurs valises de transport pourvues des organes hydrauliques et électroniques de liaison qui sont nécessaires. Selon une caractéristique importante de l'invention, l'appareil auquel elle a trait comporte en combinaison un ré- servoir contenant l'échantillon à analyser, un dispositif de détente relié audit réservoir et constitué par un cylindre com- portant une partie transparente permettant la lecture, à l'aide d'un dispositif opto-électronique, du niveau de l'échantillon aspiré dans le cylindre précité par un piston mobile déplacé de façon progressive, la réserve du liquide à analyser étant pul- sée depuis le réservoir de stockage par un piston, lui-même soumis à l'action d'un fluide auxiliaire contenu dans la partie inférieure d'un gazomètre divisé en deux enceintes par une mem- brane souple au-dessus de laquelle s'accumule le gaz développé par l'échantillon lorsque le point bulle de ce dernier à été atteint dans le cylindre du dispositif de détente. Pour pouvoir alimenter en fluide auxiliaire, d'une part le réservoir contenant également l'échantillon à analyser, et d'autre part le réservoir recevant le dégazage de l'échan- tillon, il est prévu un réservoir d'alimentation dans lequel le fluide auxiliaire, par exemple de l'huile de silicone, est as- piré par une pompe à main qui permet, à l'aide d'un robinet à trois voies, prévu à sa sortie, d'ajuster à la demande le ni- veau de liquide auxiliaire, d'une part dans le gazomètre relié au dispositif de détente et, d'autre part dans le réservoir contenant également l'échantillon à analyser. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour permettre un contrôle de la pression du liquide auxiliaire dans le gazomètre, il est prévu une vanne à laminage à commande au- tomatique montée sur une canalisation de vidange du liquide au- xiliaire aboutissant à un réservoir placé sur une balance des- tinée à déterminer le poids du liquide auxiliaire ayant été chassé par le gaz de détente de l'échantillon qui a pénétré dans le gazomètre. Selon une autre caractéristique de l'invention, la vanne de laminage régulant le volume du liquide auxiliaire dans le gazomètre est asservie au signal fourni par un capteur de pression qui, relié par une canalisation au volume de liquide à analyser renfermé dans le cylindre de détente, contrôle égale- ment le mécanisme de relevage du piston se déplaçant dans le cylindre de détente. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en regard des des- sins annexés qui représentent, schématiquement et simplement à titre d'exemple, un mode d'exécution non limitatif de l'appa- reil automatique d'analyse thermodynamique d'un échantillon de pétrole. Sur ces dessins: La Fig. 1 est une vue schématique en perspective de l'appareil, montrant la répartition dans trois valises portables des organes le constituant; La Fig. 2 est une vue en élévation à plus grande échelle, par- tie en coupe, de l'appareil, les dispositifs électro- niques de régulation et d'enregistrement illustrés sur la partie de droite de la Fig. i n'étant pas re- présentés. La Fig. 3 est une vue en élévation à grande échelle, partie en coupe, du corps principal du dispositif de détente de l'appareil. Comme on peut le voir à la Fig. 1 des dessins, l'en- semble des dispositifs constituant l'appareil est logé, dans l'exemple représenté, dans trois valises désignées d'une façon générale par les références V1, V2, V3, la valise V1, suscep- tible de former pour le transport une enceinte hermétiquement étanche, étant destinée à recevoir les organes de l'appareil qui sont encadrés dans le cartouche dessiné en trait interrompu à la Fig. 2, ainsi que le réservoir de stockage de l'échantil- lon de fluide pétrolier à analyser. En ce qui concerne la valise V2, elle renferme la pompe à main, la réserve de fluide auxiliaire et le réservoir de vidange du fluide auxiliaire expulsé du gazomètre, ainsi que la balance pour le peser et déterminer ainsi le volume de gaz ayant pénétré dans le gazomètre. Quant à la valise V3 elle comporte, de façon connue et non individuellement revendiquée en tant que telle, toute l'électronique de commande et d'asservissement permettant de réguler la température, de programmer la pression, de sortir tous les résultats sous forme de courbes, de tableaux et de commander automatiquement le fonctionnement du système, ces di- vers moyens n'étant pas décrits en détail dans ce brevet. La valise V1 comporte une embase i recevant une en- ceinte thermostatique 2 contenant les éléments représentés dans le cartouche également désigné par la même référence à la fi- gure 2 des dessins annexés et pouvant, en position de trans- port, être fermée par un couvercle 3. Comme le montre la Fig. 2 des dessins, qui illustre schématiquement l'ensemble de l'appareil, à l'exception des dispositifs électroniques de régulation et de commande schéma- tisés sur la partie de droite de la Fig. 1, l'appareil d'ana- lyse thermodynamique conforme à l'invention comporte un réser- voir 4 dans lequel le fluide 5 à analyser se trouve renfermé au-dessus d'un piston flottant 6 soutenu par la pression d'un fluide auxiliaire 7 arrivant par une canalisation 8 contrôlée par une vanne 9 et provenant d'une pompe à main 10 prélevant ce fluide auxiliaire dans un récipient 11 de stockage. La pompe à main 10, manoeuvrée à l'aide du levier 12, sert également à en- voyer, par la conduite 13 contrôlée par la vanne 14, du liquide auxiliaire dans la partie inférieure 15' d'un gazomètre 15 qui, dans la forme de réalisation représentée a la forme d'une bou- teille et comporte également une enceinte supérieure 15" sépa- rée du liquide auxiliaire 7 par une membrane souple 16, ladite enceinte supérieure 15" recevant, par une canalisation 17 con- trôlée par une vanne 18, le gaz 19 se dégageant de l'échantil- lon pétrolier 5 à analyser, que l'on a préalablement introduit dans le cylindre de détente en trois parties 20, 21 et 22 qui sera décrit ci-après et qui comporte un piston mobile 23 sus- ceptible d'être remonté progressivement et régulièrement dans le cylindre précité jusqu'à atteindre le niveau désigné par la référence 24, permettant ainsi à l'échantillon, lorsque le point bulle est atteint, de libérer le gaz qu'il renferme et de l'envoyer dans la chambre 15" du gazomètre 15, par l'intermé- diaire de la conduite 17 contrô6lée par la vanne 18. La partie centrale 21 du cylindre de détente est avantageusement réalisée transparente et constituée notamment par un saphir dont le mon- tage sera décrit plus en détail dans ce qui va suivre, en re- gard de la Fig. 3. Ce saphir transparent est utilisé pour permettre d'une part de distinguer l'interface liquide-gaz de l'échantil- lon 5 analysé, interface qui est projetée optiquement à l'aide d'une source lumineuse placée au foyer d'un miroir parabolique fournissant un faisceau qui, collimaté, vient irradier l'une d'une pluralité de photodiodes 26 fournissant un signal au dispositif de mesure du niveau intégré dans le système électro- nique de contrôle et de régulation non spécialement représen- té. La partie inférieure 20 du cylindre comporte un canal 27 partant de la chambre de détente de l'échantillon 5 et aboutis- sant à un capteur de pression 28 pourvu d'un cadran de lecture 28' et asservissant le mécanisme de relevage du piston 23 dans le cylindre de détente. La partie supérieure 22 du cylindre est suffisamment longue pour que le piston 23 puisse,en remontant dans le cylindre 21, 22, dépasser le niveau 24 situé au-dessus du débouché de la conduite 17 par laquelle les gaz 19 se déga- geant de l'échantillon 5 peuvent parvenir, dans la partie supé- rieure 15" du gazomètre 15. Le gazomètre 15 comporte, partant de sa partie infé- rieure 15', une canalisation 29 d'évacuation du liquide auxi- liaire 7 dans un réservoir de vidange 30 supporté par une ba- lance 31 servant, par mesure du poids du liquide auxiliaire 7 évacué dans le réservoir 30, à déterminer le volume de gaz 19 développé par l'échantillon 5 analysé. La Fig. 3 des dessins montre en détail le montage des trois parties 20, 21 et 22 du cylindre. Sur cette figure, la référence 31 désigne le point d'accouplement d'un réducteur 32 avec l'arbre de sortie d'un moteur non représenté, ledit réduc- teur servant à la commande d'une vis sans fin 33 déplaçant vers le haut, par l'intermédiaire d'un accouplement 34, le piston 23 attirant l'échantillon du fluide 5 à analyser. La chambre de détente qui est prévue dans le cylindre pour recevoir l'échantillon 5 est reliée, à la partie infé- rieure du saphir 21, par une canalisation 35, à la partie supé- rieure du réservoir 4 contenant la réserve de fluide 5 néces- saire pour plusieurs analyses successives nécessitant chacune, de préférence, un centimètre-cube de fluide à analyser. Cette canalisation 35 est contrôlée par une vanne pointeau 36 et elle comporte également un robinet à trois voies 36' servant à in- troduire, par une canalisation 37, l'échantillon 5 de fluide dans la réserve 4. Du point de vue constructif, le saphir 21 est enserré entre le bloc supérieur 22 et le bloc inférieur 20 qui sont serrés entre eux par quatre entretoises 38, dont une seule est représentée sur la droite du dessin. Ces entretoises 38 serrent une pièce 39 en forme de cloche renversée qui serre elle-même le bloc 20 par une double rondelle 40, dont les deux éléments sont séparés par une surface de contact sphérique 41. Cette rondelle est pressée sur l'élément 20 par la bride 42 d'une douille intermédiaire 43 logée dans la cloche 39 autour d'un élément inférieur de fermeture 44, ladite bride 42 servant d'appui à un jeu de rondelles Belleville 45 logées dans la cloche 39. L'élément de fermeture inférieur 44 est constitué par une douille filetée qui est vissée dans le bloc 20 et vient presser une noix 46 pouvant être extraite par une vis 47 tra- versant la douille de fermeture 44. En ce qui concerne le piston 23 qui est représenté à la Fig. 3 dans sa position la plus basse, son étanchéité est assurée par des joints 48 et par un presse-étoupe 49 comprimé autour de la tige de piston 23 par une douille de serrage 50. La vis sans fin 33, animée d'un mouvement vertical par un réducteur 51 à billes de rattrapage du jeu, entraîne, par l'intermédiaire de l'accouplement 34, le piston 23 vers le haut, en l'écartant de la noix 46 et en permettant ainsi l'ad- mission du fluide 5 dans l'enceinte de détente ménagée dans le saphir 21. La plupart des éléments représentés, ainsi que le piston 23, sont réalisés en acier inoxydable résistant à la corrosion sulfhydrique. En ce qui concerne les vannes 18 et 36, leurs pointeaux sont télécommandés à l'aide de moteurs équipés de codeurs angulaires de contrôle non représentés. La commande automatique de ces vannes, ainsi que celle des mouvements du piston, sont réalisées par des moyens électroniques connus qui sont logés dans la valise V3 visible à la Fig. i et qui asservissent le mouvement du piston à un pro- gramme chronologique ou à la programmation de la pression cons- tamment mesurée par le capteur de pression 28. Le fonctionnement du dispositif est le suivant: Après avoir enlevé le couvercle des valises V1, V2, V3, opportunément mises en place sur le chantier, l'opérateur assure la liaison hydraulique ou électronique des différents organes de mesure, à l'aide des connexions hydrauliques 52 re- liant les valises V1 et V2 et des connexions électroniques 53 reliant les valises V1 et V3. Après avoir introduit par la conduite 37 et le robi- net à trois voies 36' du fluide à analyser dans la conduite 35 aboutissant au réservoir 4, il assure la connexion dudit réser- voir avec la conduite 35 en manoeuvrant à nouveau le robinet à trois voies 36'. En pompant à la main, à l'aide du levier 12 de la pompe 10, du liquide auxiliaire 7 dans le réservoir 11, la vanne 14 étant-également ouverte, il envoie à la fois du li- quide auxiliaire 7 sous le piston flottant 6 dans le réservoir 4 et dans la partie inférieure du gazomètre 15, sous la mem- brane 16 qui vient alors s'appliquer contre la paroi dudit ga- zomlètre. Ces mesures préparatoires étant terminées, et une vanne 54 contrôlant la conduite 29 étant à nouveau ouverte et la vanne 14 étant fermée, l'opérateur assure alors la remontée du piston 23 dans le cylindre et l'aspiration dans la chambre du saphir 21 d'une quantité dosée d'échantillon, par exemple un centimètre-cube. Le mouvement du piston 23 est d'ailleurs contr6ôlé par le capteur de pression 28 qui, en fonction de la pression régnant dans l'enceinte du saphir 21, met en route l'électronique d'asservissement du moto-réducteur 51 couplé à la vis-sans-fin 33 assurant la remontée du piston par l'in- termédiaire de l'accouplement 34. L'échantillon 5 désiré étant mis en place dans le sa- phir 21 et la vanne 36 étant alors fermée, l'ensemble du sys- tème de détente, ainsi que le gazomètre 15, se trouvent dans l'enceinte thermiquement isolée et thermostatée 2. L'opérateur porte alors l'ensemble à la température constante désirée, en principe celle du gisement d'o provient l'échantillon 5 à analyser; bien entendu, pendant ce chauffage le mécanisme de relevage du piston 23 continue à être asservi automatiquement à la pression mesurée par le capteur de pres- sioni 28, pour que la pression soit constante et en principe su- périeure à celle du gisement, afin qu'une marge de sécurité ap- propriée soit maintenue. Lorsque la stabilisation thermique a lieu, on peut commencer la détente en procédant, selon une programmation éta- blie à l'avance, à une remontée lente et progressive du pis- ton 23, effectuée à vitesse constante. Dans ce mouvement, le volume de l'échantillon est connu par le repérage de la posi- tion exacte du piston 23. Lorsque la pression atteint le point bulle, l'échan- tillon 5 commence à se dégazer et une poche de gaz 19 se forme entre l'échantillon 5 et le piston 23 comme visible à la Fig. 2. En ce qui concerne le point-bulle, on le détermine exactement, selon une méthode classique connue, en traçant, comme illustré à la Fig. 4 des dessins, un diagramme PV (pres- sions en ordonnées et volumes en abscisses) faisant ressortir la variation de pression en fonction du volume. A la Fig. 4, la branche AB représente la détente de l'échantillon monophasique liquide et la branche BC la détente du gaz; au point de rupture B, on lit la pression de bulle Pb. En mesurant la pente de la branche AB, on déduit le coeffi- cient de compressibilité du mélange monophasique. La détente se poursuit par remontée du piston 23 jus- qu'à ce que sa base atteigne le repère 24. La course totale du- dit piston entre la noix 46 obturant la partie inférieure 20 du cylindre et le repère 24 est, dans le cas considéré, de 123 mm, la hauteur du saphir 21 étant de 50 mm et le diamètre du piston 23 étant de 6,35 mm. Si la pression est encore trop élevée lorsque le pis- ton 23 a atteint sa position rétractée supérieure dans la par- tie 22 du cylindre de détente, on poursuit dans ce cas la dé- tente en ouvrant la vanne 18 et en.envoyant le gaz 19 dans la partie supérieure 15" du gazomètre 15, dont l'autre partie 15', séparée de la précedente par la membrane souple 16, est remplie de liquide auxiliaire 7 transmettant la pression fournie par la pompe à main 10. La pression régnant dans le liquide 7 situé dans la partie inférieure 15' du gazomètre 15 est contrôlée par la vanne 54 à laminage a commande automatique, asservie, par le dispositif électronique de contrôle et de programmation non re- présenté, au signal délivré par le capteur de pression 28, de façon que la vanne 18 étant ouverte, on puisse établir dans l'appareil toute pression prédéterminée désirée et/ou program- mée; la bouteille du gazomètre 15 ayant un volume de 300 cm3, on peut mesurer le gaz jusqu'à des "gas oil ratio" (GOR) de 5000 pied-cube par baril. Il va de soi que l'appareil n'a été décrit qu'à titre purement explicatif, nullement limitatif, et que diverses modi- fications de détail pourraient être apportées à la forme de réalisation indiquée sans que l'on sorte pour autant du domaine de l'invention. C'est ainsi, notamment qu'au lieu d'avoir lieu par voie pondérale, la mesure du volume du liquide auxiliaire 7 chassé dans le récipient 30 par la pénétration du gaz 19 accu- mulé dans le gazomètre 15 pourrait avoir lieu de tout autre ma- nière, par exemple par voie volumétrique. REVENDICATIONS 1. Appareil automatique portable pour l'analyse ther- modynamique de fluides souterrains, caractérisé par le fait qu'il est incorporé, conjointement avec les dispositifs élec- troniques de contrôle et de régulation qui lui sont adjoints, dans plusieurs valises de transport (V1, Y2, V3) pourvues des organes hydrauliques (52) et électroniques (53) de liaison qui sont nécessaires. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison un réservoir (4) conte- nant l'échantillon à analyser, un dispositif de détente relié audit réservoir (4) et constitué par un cylindre comportant une partie transparente (21) permettant la lecture, à l'aide d'un dispositif opto-électronique (25, 26), du niveau de l'échantil- lon (5) aspiré dans le cylindre précité par un piston mobile (23) déplacé de façon progressive, la réserve du liquide (5) à analyser étant pulsée depuis le réservoir de stockage (4) par un piston (6), lui-même soumis à l'action d'un fluide auxi- liaire (7) contenu dans la partie inférieure (15') d'un gazo- mètre (15) divisé en deux enceintes (15', 15") par une membrane souple (16) au-dessus de laquelle s'accumule) dans l'enceinte supérieure (15"), le gaz (19) développé par l'échantillon (5) lorsque le point bulle de ce dernier à été atteint dans le cy- lindre du dispositif de détente (21, 22). 3. Appareil selon les revendications 1 et 2, caracté- risé par le fait qu'il est prévu un réservoir d'alimentation (11) dans lequel le fluide auxiliaire (7), par exemple de l'huile de silicone, est aspiré par une pompe (10) à main qui permet à l'aide d'une vanne (14) prévue à sa sortie d'ajuster à la demande le niveau de liquide auxiliaire, d'une part dans le gazomètre (15) relié au dispositif de détente et, d'autre part dans le réservoir (4) contenant également l'échantillon à ana- lyser. 4. Appareil selon les revendications 1 à 3, caracté- risé par le fait qu'il est prévu une vanne à laminage (54) à commande automatique montée sur une canalisation de vidange (29) du liquide auxiliaire (7) aboutissant à un réservoir (30) placé sur une balance (31) destinée à déterminer le poids du liquide auxiliaire (7) ayant été chassé de l'enceinte (15') par le gaz de détente (19) de l'échantillon qui a pénétré dans l'enceinte supérieure (15") du gazomètre (I5). 5. Appareil selon l'une des revendications i à 4, caractérisé par le fait que la vanne de laminage (54) régulant le volume du liquide auxiliaire (7) dans la chambre (15') du gazomètre (15) est asservie au signal fourni par un capteur de pression (28) qui, relié par une canalisation (27) au volume de liquide (5) à analyser renfermé dans le cylindre (21) de dé- tente, contrôle également le mécanisme de relevage (32, 51) du piston se déplaçant dans le cylindre de détente. 6. Appareil selon l'une des revendications i à 5, ca- ractérisé par le fait que le dispositif de contrôle du niveau est formé d'un système opto-électronique comportant une source lumineuse placée au foyer d'un miroir parabolique (25) dont le faisceau collimaté, ayant traversé la partie transparente du cylindre (2i) au niveau de l'interface huile-gaz dans la cham- bre de détente de l'échantillon (5) à analyser, est envoyé sur une échelle (26) de photo-diodes dont le nombre de points four- nit un nombre représentant la hauteur de l'interface. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, ca- ractér-isé par le fait que la partie transparente (21) du cylin- dre de détente est constituée par un tube en saphir d'épaisseur convenable qui est enserré entre le bloc supérieur (22) du cy- lindre et le bloc inférieur (20) de celui-ci, lesdits blocs (22, 20) étant serrés entre eux par au moins trois entretoises (38) serrant une pièce (39) en forme de cloche renversée ren- fermant trois rondelles Belleville (45) transmettant leur pres- sion à une douille intermédiaire (43) serrant le bloc inférieur (20) avec interposition d'une double rondelle (40) dont les éléments sont séparés par une surface de contact sphérique (41) assurant le centrage dans l'axe du tube (21) en saphir, afin d'éviter toute rupture au serrage. 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, ca- ractérisé par le-fait que la base du cylindre (20) de détente du fluide à analyser est obturée par une noix (46) maintenue en place par une douille filetée (44) vissée dans le bloc infé- rieur (20) et sur laquelle sont enfilées d'une part la double rondelle de centrage (40) et, d'autre part, la douille (43) sur laquelle sont enfilées les rondelles Belleville (45). 12 2593921 9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 9, ca- ractérisé par le fait qu'à sa partie supérieure, le piston (23) coulissant dans le cylindre (21, 22) de détente est relié, par un accouplement (34) non rigide, à une vis (33) déplaçable ver- ticalement par un réducteur à billes (51) transformant en mou- vement vertical la rotation de l'arbre de sortie (31) d'un mo- teur d'entraînement.