Brevet FR2641613A1 — publié le 19900713

La présente invention se rapporte à une cellule d'échantillonnage et de stockage de fluides de gisement. Ces cellules sont des réceptacles clos calibrés en volume, dans lesquels sont récupérés des échantillons de fond d'un fluide de gisement sous pression ou des échantillons d'huile prélevés en surface sur le séparateur. On réalise couramment de tels tranferts d'huiles de gisement sur prélèvement de fond ou sur prélèvement de surface à l'aide d'une cellule à mercure. Après raccordement d'une cellule de ce type, emplie de mercure, sur la cellule de prélèvement au fond ou sur le séparateur lui-même, l'huile de gisement sous pression est admise dans la cellule à mercure, et au fur et à mesure du remplissage, il y a évacuation d'une quantité correspondante de mercure. Le mercure est choisi parmi tous les liquides du fait de ses qualités intrinsèques, bien connues, de non pollution de l'échantillon transféré. Une telle technique, largement connue de l'art antérieur et très utilisée, présente les inconvénients dus également à la nature du mercure. En premier lieu, le mercure est un produit pesant, qui alourdit les opérations de transfert. En second lieu, le mercure est un produit dangereux, très toxique à tel point que son utilisation sur plateforme dans l'application ci-dessus est interdite au regard de dispositions réglementaires nationales, comme, à titre d'exemple, les réglementations norvégiennes. De plus, si l'huile prélevée contient des gaz acides, H2S par exemple, il y a des risques de réaction qui peuvent considérablement fausser les mesures de l'échantillon, lesquelles sont des mesures principalement dites mesures PVT (Pression Volume Température), telles que la mesure du point de bulle, la pression d'apparition de bulle, le rapport massique gaz- huile, la mesure de la rétraction de l'huile sous l'influence de la perte de gaz,etc. La présente invention a pour but d'obvier aux inconvénients précités des cellules à mercure. Elle offre un dispositif simple, facilement manoeuvrable, fiable, pouvant échantillonner à de très hautes pressions (jusqu'à 700 bars) et ne contenant pas de mercure. Pour atteindre ce but, la cellule d'échantillonnage et de stockage comprend un corps de pompe à l'intérieur duquel peut être déplacé un piston, lequel définit dans cet espace intérieur une chambre antérieure et une chambre postérieure. Elle se caractérise par le fait que la concordance des formes de la face postérieure du piston et de la face correspondante interne de la chambre postérieure du corps de pompe rendent extrêmement petit le volume de la dite chambre postérieure lorsque le piston est en position de stockage, et en ce que, dans cette position, l'ensemble formé par ladite chambre postérieure et la chambre antérieure est isolé de l'extérieur par un joint de haute étanchéité et qui se réalise automatiquement par l'arrivée du piston dans ladite position de stockage. En position de stockage, il est prévu un moyen de blocage en translation du piston par concordance de formes, lequel moyen se réalise automatiquement par l'arrivée du piston dans ladite position de stockage.La concordance des formes est réalisée par un évidement de la partie postérieure du piston dont la forme concorde sensiblement avec la partie antérieure d'une extension du corps de pompe. De cette manière, en position de stockage, c'est-à- dire en position extrême arrière du piston dans la chambre cylindrée, le volume de la chambre postérieure est réduit presque à zéro. En atteignant cette position de stockage un joint métal-métal, c'est-à-dire un joint de haute performance se met automatiquement en place et isole les deux chambres antérieure et postérieure de l'extérieur. De cette manière, le risque de diffusion de gaz stocké dans la chambre antérieure calibrée est quasiment nul, la quantité de gaz diffusant étant limitée par le volume quasiment nul de la chambre postérieure, parfaitement isolée de l'extérieur grâce à son joint automatique en position de stockage. Un autre avantage de l'invention vient du fait que la structure mécanique de la cellule permet de prévoir une réserve ou tampon de gaz avec l'échantillon prélevé, nécessaire en cas de forte variation de température de l'aire de stockage ou d'échantillonnage. Le dispositif de manoeuvre, manuel ou automatique, de la tige de piston, et par conséquent du piston, comporte à cet effet, des moyens de lecture du volume de la chambre antérieure. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront dans la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif de l'objet de l'invention, accompagné du dessin dans lequel: - la figure 1 est une vue axiale de la cellule en position au moment du commencement de l'admission dans la cellule de l'échantillon de fluide de gisement. - les figures la et lb sont des demi-vues axiales agrandies de la cellule en position représentée sur le dessin de la figure 1. - la figure 2 est une vue axiale de la même cellule en position de stockage de l'échantillon, l'échantillon de fluide de gisement étant prélevé. - les figures 2a et 2b sont des demi-vues axiales agrandies de la cellule en position représentée sur le dessin de la figure 2. - la figure 3 illustre en détails la conformation du joint d'étanchéité qui isole, en position de stockage de l'échantillon, les deux chambres de l'extérieur. La cellule d'échantillonnage et de stockage comprend principalement un corps de pompe en plusieurs éléments 1,2,3,4 qui seront décrits en détail ci-après, un piston 7 qui se déplace dans une chambre cylindrique ou cylindrée du corps de pompe, et un mécanisme de manoeuvre du piston. Le corps de pompe de forme générale sensiblement cylindrique, d'axe xx' est conformé en plusieurs pièces cylindriques. Un cylindre 1, dont la paroi interne la cylindrique constitue une chambre pour le déplacement d'un piston 7, présente un orifice fileté d'admission 29 du fluide de gisement, cet orifice permettant la liaison avec une canalisation qui peut être reliée au séparateur huile-gaz en surface d'un site de production. Le filetage 30 permet le vissage d'un capot de protection. En prolongement axial du cylindre 1 est montée par assemblage par filetage une chemise porte-cylindre 2. Entre le cylindre 1 et la chemise porte- cylindre 2 est déposé un joint métalloplastique 13a assurant une parfaite étanchéité entre les deux pièces lorsque celles - ci sont vissées à force l'une sur l'autre. Le corps de pompe est ensuite prolongé par une tête 3 (figures 1 et lb) assemblée par un filetage extérieur sur un alésage de la chemise porte cylindre 2, l'assemblage étant également pourvu d'un joint métalloplastique intermédiaire 13b. Cette tête 3 comporte une extension cylindrique 3a qui s'engage dans la chambre cylindrique 31 dite chambre postérieure au piston 7. La tête 3 présente un alésage intérieur en plusieurs tronçons de forme et de section différentes qui seront décrits plus loin en détails. La tête 3 est enfin prolongée et fermée par une pièce cylindrique 4 que l'on appellera verrou, monté par filetage sur le tronçon postérieur de l'alésage de la tête 3, en butée sur un épaulement 3b de la tête 3. L'alésage du verrou 4 forme un palier de guidage pour la tige de manoeuvre du piston 7, mobile en translation dans ce verrou 4. Le corps de pompe ainsi constitué des quatre éléments: le cylindre 1, la chemise porte cylindre 2, la tête 3 et le verrou 4, forme intérieurement une chambre ou cylindrée dans laquelle peut se mouvoir en translation le piston 7, prolongé par sa tige de manoeuvre 18 traversant le palier formé par le verrou 4. Dans son déplacement le piston définit deux chambres internes à volume variable: une chambre antérieure 32 (figures 2 et 2a) délimitée par l'alésage interne du cylindre 1 compris entre la face antérieure 7a du piston 7 et la partie antérieure du cylindre 1 du côté de l'admission, et une chambre postérieure 31 délimitée par l'alésage interne du corps de pompe 1,2,3,4 et la face postérieure 7b du piston 7. Le piston 7 comprend un ensemble d'étanchéité monté annulairement et en retrait de la tête du piston avec des garnitures de piston 11 enserrant des anneaux 10,en téflon, par exemple, l'ensemble étant retenu par une rondelle d'appui 9 sous la pression d'un écrou de serrage de la garniture 8. Monté également sur le corps du piston 7, en prolongement de l'ensemble d'étanchéité, est prévu un raccord tubulaire 6 dont le diamètre extérieur est très voisin du diamètre de la paroi interne de la chambre la du cylindre 1 et de la paroi interne de la chemise porte-cylindre qui prolonge celle-là. Il présente une extension postérieure 6a de plus faible épaisseur, donc présentant une certaine élasticité radiale. Cette extension définit elle-même un évidement 6b destiné à recevoir en position de stockage (retrait complet du piston) la partie antérieure de l'extension 3a de la tête 3. Le raccord tubulaire 6 porte par son alésage intérieur fileté un collet 5 (figures 1 et la), qui entoure la tige de manoeuvre 18 et vient en prolongement de la tête de piston à laquelle il est abouté par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 13c. Le collet est prolongé par un joint métallique tubulaire 33, présentant une élasticité radiale, terminé à sa partie postérieure par un bourrelet 34 de forme parfaitement déterminée dont la fonction sera décrite plus loin. Le joint tubulaire 33 peut être avantageusement constitué d'une série de tétons disposés cylindriquement. Le piston 7 est relié à sa tige de manoeuvre 18 par un assemblage par filetage dans un alésage 7b de la partie postérieure du corps de piston. La forme et la disposition de la partie postérieure du raccord tubulaire 6, la forme et la disposition du collet 5 et du joint tubulaire 33, ainsi que celles de son bourrelet 34 sont conçues et réalisées pour s'adapter par concordance de formes dans la partie antérieure ou extension 3a de la tête 3 et dans l'alésage de ladite tête 3. Cette concordance des formes est illustrée par le dessin des figures 2 et 2a montrant le piston en position de retrait total, position dans laquelle les formes correspondantes s'appliquent les unes sur les autres en laissant le moins possible de jeu entre elles. L'extension 6a vient s'emmancher par légère déformation radiale sur la paroi externe de l'extension 3a de la tête 3, tandis que le bourrelet 34, après contraction radiale lorsqu'il glisse sur le tronçon 3b de l'alésage interne de la tête 3, vient en blocage contre le tronçon 3c du même alésage (fig.lb et 2a). Le passage du bourrelet 34 en butée est rendu possible par la conformation du joint tubulaire à élasticité radiale. Dans cette position de retrait total du piston, le bourrelet 34 vient aussi en butée contre le verrou 4. Le positionnement du bourrelet 34 dans la gorge 3c réalise un blocage efficace en translation du piston 7. Sur le dessin de la figure 3 est illustrée la concordance de formes de l'extension 6a sur l'extension 3a de la tête. L'extension 6a présente un renflement ou concavité 6b, et l'extension 3a une rampe 3d qui donne un diamètre plus important à l'extension 3a au delà de la rampe. Lorsque l'extension 6a est engagée sur l'extension 3a, il y a blocage par réaction radiale élastique de 6a à l'encontre de l'augmentation de diamètre de 3a, au-delà de la rampe 3d. Ce qui réalise un joint efficace d'étancheité. Le renflement 6b peut être revêtu de PTFE (ou Teflon), par exemple, pour un meilleur glissement. La tige de manoeuvre 18, qui traverse le palier formé par le verrou 4, peut être manoeuvrée en translation dans les deux sens au moyen d'un dispositif de manoeuvre immobile en translation, qui peut être rapidement décrit comme suit en regard des figures 2 et 2b. Il comporte une cage sensiblement cylindrique 16, dans laquelle est monté un moyeu de manoeuvre 22, manoeuvrable en rotation au moyen d'un levier 35, qui coopère avec le filetage 18a de la tige de manoeuvre 18, la rotation du moyeu 22 entraînant en translation la tige de manoeuvre 18. Pour réaliser cette transformation du mouvement de rotation en mouvement de translation, le moyeu 22 est relié à la cage fixe 16 par un écrou porte-roulement 17 dans lequel est logé une butée à billes 27, une entretoise 20 entre la butée fixe de ladite butée à billes 27 et la cage extérieure fixe d'un roulement 26, une bague-écrou porte-joint 21 enserrant un joint 28, l'ensemble étant fermé par un cache 36. Le moyeu 22 est solidaire en rotation de l'écrou porte- roulement 17 au moyen de la clavette 23 (figure lb). L'alésage interne de l'écrou 17 est fileté pour coopérer avec le filetage de la tige de manoeuvre 18. Le moyeu 22 est immobililisé en translation entre un moyen de raccordement au corps de pompe et un écrou 24 serré par une rondelle frein 25. L'écrou porte-roulement 17 est appliqué dans la cage 16 sur une rondelle d'appui 19. L'ensemble du dispositif de manoeuvre est relié au corps de pompe; a cet effet la cage 16 est assemblée par filetage sur un corps de liaison 14, lequel est abouté a la tête 3 du corps de pompe et serré contre celle-ci par un écrou de liaison 15. Le dispositif de raccordement ainsi décrit permet un montage et un démontage facile du dispositif de manoeuvre; il suffit pour cela d'ôter l'écrou de liaison 15 pour désolidariser le corps de pompe et le dispositif de manoeuvre. Le corps de pompe après échantillonnage constitue un élément qui peut être facilement stocké, tandis que le dispositif de manoeuvre peut être utilement employé à d'autres prélèvements sur d'autres corps de pompe. Le fonctionnement de la cellule de stockage et d'échantillonnage est le suivant: Le piston étant en position antérieure représentée sur le dessin des figures 1,la et lb on raccorde la cellule à une cellule d'échantil]onnage de fond ou au séparateur huile- gaz en cas de prélèvement de surface. Le fluide pénètre dans la chambre par l'orifice d'admission 29. Le remplissage et la création d'un tampon de gaz s'effectuent par le déplacement du piston dans la chambre calibrée jusqu'en position de retrait complet contre la partie postérieure du corps de pompe. Dans cette position, la forme et la disposition des éléments correspondants du piston et du corps de pompe réalisent d'une part un blocage efficace en translation du piston par le jeu du bourrelet 34 du joint tubulaire 33 dans la gorge 3c et, d'autre part, une parfaite étanchéité métal/métal par l'engagement de l'extension 6a du raccord tubulaire 6 sur l'extension 3a de la tête 3. Dans cette position (figures 2, 2a et 2b), on voit que le volume de la chambre postérieure 31 est réduit pratiquement a zéro par la concordance des formes. De plus, cet espace, si petit soit-il, est isolé de l'extérieur par un joint métal/métal (6a,3a) à très forte efficacité. Par conséquent, la conformation des divers éléments du corps de pompe et des divers éléments du piston rendent négligeable la quantité de matière qui peut diffuser de la chambre antérieure 32 renfermant l'échantillon. De cette façon, le fluide ne perd pas de gaz et les mesures pratiques sur l'échantillon ne sont pas faussées. La chambre antérieure 32 est séparée de la chambre postérieure 31 par l'étanchéité du piston, à savoir par l'élément d'étanchéité 8 à 11. Cette étanchéité ne peut être à elle seule une barrière totale contre la diffusion de gaz d'une chambre vers l'autre. C'est la raison pour laquelle la structure et la forme des mécanismes de la présente invention, par la réduction quasiment à zéro du volume de la chambre postérieure annulent quasiment les risques de diffusion. REVENDICATIONS 1- Cellule d'échantillonnage et de stockage de fluides de gisement comprenant un corps de pompe à l'intérieur duquel peut être déplacé un piston, lequel définit dans cet espace intérieur du corps de pompe une chambre antérieure et une chambre postérieure, et un dispositif de manoeuvre pour déplacer le piston par l'intermédiaire d'une tige solidaire du piston, caractérisée en ce que la concordance des formes de la face postérieure du piston (7) et de la face correspondante interne du corps de pompe (1,2,3,4) rendent extrêmement petit le volume de la chambre postérieure (31) lorsque le piston (7) est en position de stockage, et en ce que, dans cette position l'ensemble formé par ladite chambre postérieure (31) et la chambre antérieure (32) est isolé de l'extérieur par un joint de haute étanchéité (3a,6a) et qui se réalise automatiquement par l'arrivée du piston (7) dans ladite position de stockage. 2- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 1, caractérisée en ce que de plus, en position de stockage, il est prévu un moyen de blocage (3a,3b,3c,33,34) en translation du piston (7) par concordance de formes, lequel moyen se réalise automatiquement par l'arrivée du piston (7) dans ladite position de stockage. 3- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concordance des formes est réalisée par un évidement (6b) de la partie postérieure du piston dont la forme concorde sensiblement avec la partie antérieure d'une extenion (3a) du corps de pompe. 4- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 3, caractérisée en ce que la partie cylindrique ou extension (6a) définissant l'évidement (6b) dans la partie postérieure du piston (7) s'emboite à force par élasticité radiale sur la partie extérieure de ladite extension (3a) du corps de pompe, réalisant ainsi le joint de haute étanchéité (3a,6a) qui isole l'ensemble des deux chambres antérieure (32) et postérieure (31) de l'extérieur. - Cellule d'échantillonnage et de stockage - selon la revendication 4, caractérisée en ce que les parties ou extensions (6a,3a) des éléments en concordance de formes sont réalisées en métal, de manière à obtenir un joint d'étanchéité de haute performance métal-métal. 6- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que l'extension (6a) présente dans son tronçon d'attaque un renflement (6b) pour augmenter le rappel élastique radial lorsque l'extension (6a) du piston est engagée sur l'extension (3a) du corps de pompe. 7- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 3 ou la revendication 4 ou la revendication 6, caractérisée en ce que la partie antérieure de l'extension (3a) du corps de pompe qui s'engage dans l'extension (6a) du piston présente deux tronçons: un tronçon d'attaque et un tronçon de plus grand diamètre en prolongement dudit tronçon d'attaque pour augmenter le rappel élastique radial lorsque l'extension (6a) et l'extension (3a) coopérent par engagement en position de stockage. 8- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'évidement (6b) est porté par un raccord tubulaire (6) solidaire du piston (7). 9 - Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'extension (3a) du corps de pompe est l'extension d'une partie constitutive appelée tête (3) du corps de pompe. - Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen de blocage (3a,3b,3c,33,34) en translation du piston (7) est constitué par une série de tétons disposés cylindriquement (33) à élasticité radiale comportant un bourrelet (34) terminal qui peut être engagé dans une gorge (3c) de l'extension (3a), de manière à bloquer en translation le piston (7). 11- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits tétons (33) sont portés par un collet (5) solidaire du piston (7). 12- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 10, caractérisée en ce qu' il est prévu à la partie postérieure interne du corps de pompe une butée constituée par la face antérieure du verrou 4. 13- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'il est prévu sur l'alésage interne postérieur de la gorge (3c), en amont de celui-ci dans le sens de la mise en positionnement, une rampe (3b) pour comprimer radialement lesdits tétons avant leur engagement et leur relâchement radial dans la gorge (3c). 14- Cellule d'échantillonnage et de stockage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de pompe (1,2,3,4) est en quatre parties: un cylindre (1) à alésage interne (la) pour le déplacement du piston (7), prolongé par une chemise porte-cylindre (2) dont l'alésage prolonge ledit alésage (la) du cylindre, une tête sur laquelle sont fixées directement ou indirectement les formes correspondantes et concordantes à celles de la partie postérieure du piston et un verrou (4) fermant la partie postérieure du corps de pompe et servant de palier au mouvement de translation de la tige de manoeuvre (18) du piston (7).