Brevet FR2605738A1 — publié le 19880429

DENSIMETRE A RAYONNEMENT A TUBE COMPOSITE INTEGRE ET APPLICATIONS NOTAMMENT AUX FLUIDES DU SECTEUR PETROLIER La présente invention se rapporte à la mesure non-intrusive de densité d'un fluide circulant dans un conduit. Une technique utilisée fréquemment consiste à mesurer l'absorption, par le dit fluide, d'un rayonnement de photons émis par une source placée diamétralement opposée par rapport au détecteur. L'absorption du rayonnement est reliée à la densité du fluide par une loi de type exponentiel. Après calibration de l'appareil, le signal recueilli par le détecteur peut être directement converti en densité. L'utilisation de cette technique en milieu industriel et pétrolier, en particulier dans des conditions de pression élevée, impose que le dispositif soit installé sur des conduits, généralement métalliques, de relativement forte épaisseur, ce qui résulte en l'absorption importante, par ce conduit, du rayonnement émis par la source; compte tenu de cette absorption supplémentaire, le niveau de rayonnement imposé par la sensibilité du détecteur nécessite d'utiliser des sources de photons de forte activité, ce qui d'une part complique considérablement la législation et les démarches administratives requises pour l'utilisation des sources radioactives, et d'autre part impose la mise en oeuvre d'un blindage de protection lourd et volumineux. La présente invention utilise, intégré dans le dispositif classique de mesure de densité, un conduit constitué d'un matériau composite.Un tel matériau présente en effet un degré d'absorption aux rayonnements considérés nettement plus faible que les aciers et plus généralement-les métaux, ce qui permet de considérablement réduire l'activité de la source de rayonnement, pour un signal de détection identique, et, par conséquent, le blindage de protection autour de la source, donc le poids et l'encombrement de l'ensemble. En outre, les matériaux composites possèdent des propriétés mécaniques et chimiques comparables ou supérieures à celles des métaux, ce qui permet l'utilisation de cette technique dans un grand nombre d'applications industrielles et des environnements hostiles. Les propriétés ci-dessus des matériaux composites sont connues depuis environ dix ans.Il n'était cependant pas apparu possible d'utiliser ces matériaux dans le domaine des appareils à très haute pression utilisant une source de rayonnement permanent. L'expérimentation a montré que, en fait, l'emploi de ces matériaux était compatible avec l'application envisagée. La figure 1 représente, dans un plan perpendiculaire au conduit, la vue en coupe d'un dispositif expérimental à rayons gamma. La figure 2 représente la vue en coupe longitudinale de ce dispositif. Les mêmes références numériques désignent les mêmes organes sur les différentes figures. Sur les figures 1 et 2, l'élément 1 représente le conduit en matériau composite; pour respecter les normes liées à l'utilisation de hautes pressions, celui-ci est intégral, c'est-à-dire qu'il ne doit pas être usiné. Son diamètre, sa longueur et l'épaisseur de paroi sont définies en fonction des conditions d'utilisation du densimètre. A l'intérieur du conduit circule le fluide 7 dont on veut mesurer la densité. Selon les applications, et notamment en fonction des fluides pompés, il pourra être nécessaire de revêtir l'intérieur du tube composite d'une couche de protection 10, notamment contre les acides. De façon à garder de bonnes propriétés anti-abrasion, en particulier pour les applications aux laitiers de ciment, celle-ci devra être d'un matériau du type polyuréthane ou polytétrafluoréthylène, ou produit analogue. L'élément 8 représente le support de la source de photons, qui, dans cet exemple de réalisation de l'invention, est une source chimique radioactive. Cet élément est constitué de plomb contenu dans un support mécaniquement solide et solidaire du blindage 2 qui enserre le conduit 1. Le plomb est destiné à absorber le rayonnement émis par la source 3 dans les directions autres que celles définies par la fenêtre de collimation 6, et par conséquent à limiter la dose de rayonnement fugitif autour de l'appareil aux valeurs définies par les normes de radioprotection. Dans cet exemple, la source 3 est un radioisotope dont la nature et l'activité sont définies en fonction de l'utilisation du densimètre (dimensions du conduit, type de détecteur, nature des fluides circulant dans le conduit). Suivant les cas, un système d'occultage de la source peut être considéré.L'élément 2 représente le blindage enserrant le conduit composite. Ce blindage est constitué d'un matériau absorbant fortement les photons de forte énergie (100 à 1000 KeV), tel que de l'acier, du plomb, du tungstène, du tantale, ou une combinaison de ces matériaux. Il est destiné à atténuer les photons qui, à la suite d'une interaction avec un atome du fluide ou du conduit, sont diffusés dans une direction différente de leur direction initiale. L'épaisseur de ce blindage est fonction du matériau dont il est constitué, de l'activité de la source, des dimensions du dispositif, et doit être définie en prenant en considération les normes établies par les organismes de radioprotection. Un blindage, représenté par l'élément 9, et constitué des mêmes matériaux ou de leur combinaison, enserre également le détecteur 4.Les deux éléments 2 et 9 peuvent représenter une pièce unique ou deux pièces distinctes reliées mécaniquement pour former un ensemble solidaire et indissociable (par exemple par soudure). L'élément 9 sert également de support au détecteur 4. L'élément 4, non représenté, est un détecteur classique de rayonnement, du type à ionisation (chambre d'ionisation, compteur proportionnel, compteur Geiger-Mueller), à scintillation ou à semi-conducteur. Le choix du détecteur dépend des conditions d'utilisation du densimètre. Le détecteur comporte l'électronique requise pour son fonctionnement. Les éléments 6 et 5 représentent respectivement les fenêtres de collimation pour la source et le détecteur. La collimation de la source 6 est définie par une ouverture dans le support 8 et dans le cylindre de blindage 2.La géométrie est adaptée aux dimensions des différents éléments du densimètre et fonction du degré de collimation souhaité. Du côté détecteur, la fenêtre de collimation 5 consiste également en une ouverture rectangulaire dans le cylindre de blindage 2; la largeur, visualisée sur la figure 1, et la longueur, visualisée sur la figure 2, de cette fenêtre dépendent de l'angle du faisceau de rayonnement défini par la collimation 6 de la source, de la taille du détecteur et des dimensions du conduit. Sur les figures 1 et 2 sont représentés les limites angulaires du faisceau de photons utiles émis par la source, ainsi que le parcours possible de quelques photons (symbolisés par des flèches ondulées) dans les différents cas envisagés. Le mode de fonctionnement de ce dispositif est, dans son principe, tout à fait similaire aux densimètres à rayonnement existants. Les photons émis par la source 3 et collimatés suivant la fenêtre 6 traversent d'abord la première paroi du conduit en composite, puis le fluide circulant dans le conduit, puis la deuxième paroi du conduit, avant de pénétrer dans le détecteur. Le long de ce parcours, chaque photon a une certaine probabilité de subir une ou plusieurs interactions avec les atomes du matériau qu'il traverse; cette probabilité est d'autant plus forte que le matériau considéré a une densité plus grande.Le résultat de ces interactions est soit l'absorption, ctest-à-dire la disparition, du photon par un atome du matériau (effet photoélectrique), soit la ré-émission du photon avec une énergie légèrement inférieure à son énergie initiale et dans une direction différente de sa direction incidente (diffusion Compton). Le principe de mesure du densimètre repose sur la détection des photons transmis entre la source et le détecteur sans interaction sur leur parcours. Il est évident que le nombre de ces photons varie de façon inverse avec la densité des matériaux traversés, mais également avec la distance parcourue dans chaque matériau; ces matériaux sont, dans le cas d'un densimètre à rayonnement, le conduit et le fluide dont on veut mesurer la densité.On comprend donc pourquoi il est important de diminuer au maximum la contribution du conduit à l'absorption des photons. C'est dans cet aspect que réside le principal avantage de l'invention. En effet, grâce à l'utilisation, pour le conduit, d'un matériau composite, dont la densité est de l'ordre de 4 fois moins que celle de l'acier, et dont les propriétés mécaniques permettent d'obtenir des caractéristiques comparables ou supérieures à celles de l'acier, avec une augmentation# des épaisseurs de parois d'un facteur 2 par rapport aux conduits classiques en acier, on peut ainsi réaliser des densimètres à rayonnement avec des activités de sources considérablement réduites, tout en gardant des degrés de performance similaires ou supérieurs aux densimètres classiques.Parmi les avantages de l'invention par rapport à un système classique, et outre celui de la réduction de l'activité de la source, citons les points suivants: - le poids total du dispositif est réduit, - le composite étant plus résistant à l'abrasion que l'acier, il est parfaitement adapté à l'utilisation de fluides aussi abrasifs que des laitiers de ciment ou fluides chargés d'agent de soutènement, sable, grenaille, etc, - les problèmes de corrosion et de rouille rencontrés avec des conduits en acier sont éliminés, ce qui, outre l'avantage d'une meilleure tenue dans le temps, offre également l'avantage d'un meilleur contrôle et d'une meilleure constance de l'épaisseur des parois, donc d'une géométrie plus stable, un point important pour l'obtention d'une bonne précision de la mesure. Bien entendu, les applications de l'invention ne sont pas limitées au secteur pétrolier, mais s'étendent aux domaines connus des densimètres à rayonnement également connus. REVENDICATIONS 1) Densimètre constitué d'une source (3) de photons énergétiques (100-1000 KeV) et d'un détecteur (4), mesurant l'absorption des photons par le fluide circulant dans un conduit caractérisé en ce que le dit conduit est constitué d'un matériau en fibres synthétiques alliées par une résine polymère (matériau dit "composite") (1) enserré, dans la zone de diffusion des photons, par un cylindre en métal fortement absorbant aux photons émis par la source, et comportant une fenêtre (5) pour la source (3) et une fenêtre (6) pour le détecteur (4). 2) Densimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (3) émet, par radioactivité, des photons gamma, et en ce que le détecteur (4) est de l'un des types suivants: à ionisation, à scintillation, à semi-conducteur. 3) Densimètre selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source de photons a une activité inférieure ou égale à 25 mCi. 4) Densimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (3) émet des photons X, par un dispositif artificiel du type tube à rayons X ou laser X et en ce que le détecteur (4) est de l'un des types suivants: à ionisation, à scintillation, à semi-conducteur. 5) Densimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau composite (1) comporte des fibres de l'un des types suivants: verre, carbone, aramide. 6) Densimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi interne du tube en composite est recouverte d'un matériau de protection 10 anti-acide de l'un des types suivants: polyuréthane ou polytétrafluoréthylène, ou produit analogue. 7) Densimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau constituant le cylindre de blindage (2) est de l'un des types suivants: acier, plomb, tungstène, tantale, ou d'une combinaison des dits matériaux. 8) Densimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le détecteur comporte toute l'électronique nécessaire à son fonctionnement. 9) Applications des densimètres selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 à la mesure de la densité de fluides pétroliers, y compris acides ou corrosifs ou abrasifs tel que laitier de ciment, fluide de fracturation, agent de soutènement, et analogues.