Brevet FR2640745A1 — publié le 19900622

DEBITMETRE PASSIF POUR DETERMINER LE DEBIT ET LE SENS DE CIRCULATION D'UN FLUIDE DANS UN PUITS DE FORAGE. Description La présente invention a pour objet un débitmètre passif pour déterminer Le débit et Le sens de circulation d'un fluide dans un puits de forage. Dans les puits en production, il est important de connaître le débit moyen des fluides en fonction de la profondeur. Cette information permet de Localiser les zones productrices. On complète cette étude par La détermination du sens de circulation du fluide dans le puits en fonction de La profondeur. La figure 1 représente schématiquement un débitmètre suspendu dans un puits en production. De manière usuelle, le débitmètre 10 est suspendu dans un puits 12 à l'extrémité d'un câble 14 qui s'enroule sur un treuil (non représenté) permettant de déplacer L'appareil 10 Le Long du puits. Le débitmètre 10 est essentiellement composé d'une cartouche électronique 16 dans Laquelle sont places des circuits électroniques et d'une partie inférieure 18 équipée d'une hélice 20 dont la vitesse de rotation est fonction du débit du fluide dans Le sondage. Le sens de rotation de l'hélice 20 est fonction du sens de circulation du fluide dans Le sondage. L'appareil 10 élabore des signaux électriques représentatifs de La vitesse et du sens de rotation de t'hélice 20. Ces signaux sont des impulsions électriques dont La période est fonction de La vitesse de rotation. Ces impulsions sont comptées par un des circuits électroniques de La cartouche 16 qui contient une horloge délivrant des impulsions de -2640745 référence. On peut ainsi déduire la vitesse de rotation de l'hélice 20. Ces signaux sont transmis par un conducteur solidaire du câble 14 à un ensemble de traitement et d'enregistrement 22 placé en surface. Cet ensemble 22 permet d'enregistrer, en fonction de la profondeur, la vitesse et le sens de rotation de l'héLice 20 et par conséquent de déduire Le débit moyen du fluide dans Le sondage ainsi que son sens de circulation. Le brevet américain US-A-3 433 070 décrit un dispositif engendrant des signaux électriques à partir desquels sont déterminés Le débit et le sens de circulation du fluide. Ce dispositif est un dispositif actif; plus précisément un générateur fournit à une bobine un signal électrique sinusoidal. Cette bobine fait partie d'un circuit résonnant et la fréquence du signal électrique est égale à la fréquence de résonance du système. La bobine entoure un barreau magnétique fixe mais excentré par rapport à l'axe de la bobine. On mesure la variation d'accord du circuit résonnant lors de la rotation d'une pièce magnétique dissymétrique mobile autour de la bobine; La pièce magnétique mobile est entraînée par La rotation de L'hélice. Les variations d'inductance de La bobine Lors de La rotation de la pièce mobile modulent L'amplitude du signal électrique parcourant la bobine. Cette modulation est mesurée éLectroniquement de manière à déterminer le débit et Le sens de circulation du fluide. Le brevet américain US-A-4 566 317 décrit un autre dispositif actif engendrant des signaux permettant de déduire Le débit et le sens de rotation du fluide. Une croix métallique est solidaire de l'hélice. Deux bobines fixes lui font face. Chacune de ces bobines est connectée à un circuit résonant et alimentée par un courant électrique périodique. La rotation de La croix entraPnée par L'hélice change l'amplitude du courant électrique circulant dans les bobines car L'impédance de chaque bobine est modifiée par La proximité des bras métalliques de La croix. Chaque rotation de La croix engendre en sortie de chaque circuit osciL[ant des impulsions de courant qui sont traitées électroniquement de manière à déduire Le débit et Le sens de circulation du fluide. Ces deux dispositifs actifs présentent L'inconvénient majeur de nécessiter des sources électriques parfaitement stables fournissant Le courant qui va être modulé Lors de la rotation de l'hélice. Le brevet américain US-A-3 162 042 décrit quant à lui un dispositif passif fournissant un signal électrique permettant de déduire le débit et Le sens de circulation du fluide. Un noyau magnétique annulaire supporte trois bobinages équidistants reliés entre eux. Dans la partie centrale du noyau annulaire, un élément magnétique présentant un pôle Nord et un p8le Sud est entraîné en rotation par L'hélice. Un courant est alors engendré dans Les bobinages qui après traitement permet de déduire les informations désirées. L'objet de La présente invention est de fournir un dispositif passif délivrant un signal périodique dissymétrique permettant, par un traitement électronique approprié, de déduire le débit moyen et le sens de circulation d'un fluide dans un puits de forage. La présente invention permet d'effectuer ces mesures avec une résolution améliorée, même dans Le cas d'un débit de fluide faible. De manière plus précise, la présente invention concerne un débitmètre comprenant: - un premier circuit magnétique apte à être entraîné en rotation autour d'un axe et comportant un générateur d'induction magnétique présentant au moins un pôle Nord et un pôle Sud disposés sur une circonférence centrée sur ledit axe, les pôles du générateur affleurant à une première surface perpendiculaire audit axe, - un second circuit magnétique fixe, placé à proximité du premier circuit magnétique, comportant un noyau magnétique prolongé par deux parties magnétiques terminales, une bobine conductrice de l'électricité entourant au moins une partie du noyau; la rotation du premier circuit magnétique engendre un flux magnétique variable à travers la bobine. Les parties magnétiques terminales affleurent sensiblement à une seconde surface perpendiculaire audit axe, cette seconde surface étant en regard de La première surface. Ces parties magnétiques terminales occupent chacune une aire différente de la seconde surface et sont non jointives. Les pôles du premier circuit magnétique sont séparés par un angle tel que les variations du flux magnétique présentent un rapport cyclique différent de 1. Pour un signal périodique présentant des alternances positives et négatives, le rapport cyclique est défini par le rapport entre La durée des alternances positives et la durée des alternances négatives. Dans un dispositif selon l'invention, Les parties magnétiques terminales prolongeant le noyau magnétique couvrent sensiblement toute La seconde surface, ce qui favorise la fermeture des lignes magnétiques entre les premier et second circuits magnétiques. De plus, cette disposition permet d'éviter un coupte d'accrochage: Les pôles Nord et Sud, quand le dispositif est au repos, ne se fixent pas dans une position préférentielle. Cela permet d'éviter des ondulations parasites sur Les signaux électriques produits aux bornes de La bobine Lors de La rotation du premier circuit magnétique. Les caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux après La description qui suit donnée à titre explicatif et nullement Limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexes sur lesquels: - La figure 1, déjà décrite, représente schématiquement un débitmètre de l'art antérieur suspendu dars un puits en production, - La figure 2 représente schématiquement en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif seLon L'invention, - la figure 3 représente schématiquement, un écorché du premier mode de réalisation d'un dispositif seLon L'invention, - Les figures 4A et 4B représentent schématiquement Les sections droites des premier et second circuits magnétiques respectivement dans des plans P1 et P2, pour Le premier mode de réalisation d'un dispositif selon L'invention, - La figure 5 représente schématiquement un développé des parties terminales du second circuit magnétique dans Le plan P2, pour une variante du premier mode de réalisation d'un dispositif selon L'invention, - La figure 6 représente schématiquement L'évoLution du -flux magnétique traversant La bobine en fonction de La rotation du premier circuit magnétique, - Les figures 7A à 7C représentent schématiquement La dérivée par rapport au temps du fLux magnétique traversant la bobine en fonction de La rotation du premier circuit magnétique, - la figure 8 représente schématiquement un second mode de réalisation d'un dispositif seLon L'invention, - Les figures 9A et 9B représentent schématiquement les sections droites des premier et second circuits magnétiques respectivement dans des plans P1 et P2, pour Le second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - la figure 10 représente schématiquement la section droite du premier cicuit magnétique dans Le plan P1 pour une variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention. On a représenté schématiquement sur la figure 2, en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Pour des raisons de clarté de description, seule La partie inférieure 18 du débitmètre est représentée. Cette partie 18 contient un support 24 en titane par exemple. Ce support 24 assure le maintien d'un capteur magnétique qui permet la transformation du mouvement de rotation de l'héLice 20 en signaux électriques représentatifs de ce mouvement. Le support 24 présente un premier et un second Logements séparés par une paroi 26 suffisamment épaisse pour supporter des différences de pression pouvant dépasser 150 MPa; en effet, Le premier Logement est soumis à la pression du fluide qui est de l'ordre de 150 MPa alors que le second est soumis à La pression atmosphérique. L'épaisseur de la paroi peut être de 2,5 mm par exemple. Le premier logement est muni d'un arbre 28 dressé selon L'axe RR de rotation de l'héLice 20. Le capteur magnétique est composé d'un premier circuit magnétique 29 apte à être entralné en rotation autour de L'axe RR. Ce premier circuit magnétique 29 est positionné dans Le premier logement grâce à L'arbre 28. IL comporte un générateur d'induction magnétique: un aimant par exemple. Cet aimant est fixé sur un support d'aimant 30 solidaire d'un arbre 32 supportant L'hélice 20. Le support d'aimant 30 est donc entraîné par la rotation de L'hélice 20 autour de L'arbre 28. Il est par exemple en titane. Le capteur magnétique est aussi composé d'un second circuit magnétique 33 fixe placé dans le second logement à proximité du premier -circuit magnétique 29. Le second circuit magnétique 33 comporte un noyau magnétique 34, par exemple en fer doux ayant subi un traitement thermique connu afin d'améliorer sa perméabilité magnétique. Le noyau 34 est prolongé par deux parties magnétiques terminales 36, 38. Une bobine 40 conductrice de L'électricité entoure au moins une partie du noyau 34. Les bornes de La bobine 40 sont reliées à La cartouche électronique 16. La figure 3 est une représentation schématique en écorché d'un capteur magnétique selon le premier mode de reatlisation du dispositif conforme à L'invention. Le générateur d'induction du premier circuit magnétique 29 est' composé d'un aimant ayant un pôle Nord (référence N) et un pôle Sud (référence S) affleurant à une première surface P1 perpendiculaire à L'axe RR. Cet aimant est en fait constitué de deux aimants 42, 44 reLiés par leurs pôles opposés par une pièce 46 en fer doux traité thermiquement de manière connue pour améliorer sa perméabilité magnétique. Les parties magnétiques terminales 36, 38 du second circuit magnétique affleurent sensiblement à une seconde surface P2 perpendiculaire à L'axe RR et en regard de la première surface P1. Les parties terminales 36, 38 occupent chacune une aire différente de cette seconde surface P2. Chaque partie terminale 36, 38 possède un nombre M d'extrémités réparties autour de L'axe RR et sur La seconde surface P2. Les extrémités de l'une des parties terminales alternent avec Les extrémités de l'autre partie terminale. Bien entendu, les extrémités des parties terminales 36, 38 sont non jointives pour éviter tout court-circuit magnétique. Dans l'exemple représenté sur La figure 3, le nombre M est égal à 3; les extrémités de chaque partie terminale sont de plus équidistantes. On voit que dans ce mode de réalisation, le noyau 34 est dispose selon L'axe RR, ce qui permet de positionner une bobine présentant un grand nombre d'enroulement (environ 15 000) et d'augmenter ainsi le signal électrique obtenu aux bornes de La bobine lors de La rotation du premier circuit magnétique 29. - Les figures 4A et 4B représentent schématiquement les sections droites des premier et second circuits magnétiques, respectivement dans Les plans P1 et P2, ceci pour l'exemple de réalisation de la figure 3. La valeur de l'angle entre Les pôles Nord et Sud du premier circuit magnétique est telle que les variations du flux magnétique traversant La bobine présentent un rapport cyclique différent de 1. En d'autres termes, L'évolution du flux présente deux pentes différentes selon que Le signal évolue du flux minimum au flux maximum ou L'inverse. L'angle entre les p Les Nord et Sud doit obligatoirement être différent de 1800; dans ce cas, en effet le signal électrique engendré dans La bobine 40 serait symétrique et ne permettrait pas de déduire le sens de rotation de L'héLice 20. Le problème se pose de manière analogue Lorsque Les pôles sont séparés par un angle de 1200 qui correspond à la symétrie des extrémités des parties terminales 36, 38. D'autre part, la valeur choisie pour cet angle dépend de la reluctance entre les deux circuits magnétiques (autrement dit de l'épaisseur de la paroi 16 et du matériau La constituant). Pour une paroi 16 en titane et de 2,5 mm d'épaisseur, le signal électrique parcourant la bobine Lors de la rotation du premier circuit magnétique est maximum Lorsque l'angle entre Les poles Nord et Sud est de 150 . Sur la figure 4B, on voit que les extrémités des parties terminales 36 et 38 sont non jointives. Mais de plus, pour éviter tout court-circuit magnétique, on reLie Les différentes extrémités par un matériau non magnétique 48. La figure 5 représente schématiquement un développé des parties terminales du second circuit magnétique dans le plan P2. Cette figure représente une variante du premier mode de réalisation. Pour obtenir le sens et la vitesse de rotation de L'hélice 20, iL suffit, comme Le préconise L'invention de dissymétriser le signal électrique produit aux bornes de la bobine 40 lors de la rotation du premier circuit magnétique 29. Pour cela, on joue' essentiellement sur le fait que Les extrémités des parties terminales 36 et 38 présentent des aires différentes sur La figure P2. Pour faciliter Le traitement électronique du signal délivré par la bobine, on particularise Le passage d'un pôle de l'aimant devant chaque extrémité d'une des parties terminales du noyau 34. En plaçant Les extrémités de l'une des parties terminales (36 par exemple) à des hauteurs hl, h2, h3 différentes par rapport à La surface P2, La reluctance entre les premier et second circuits magnétiques 29, 33 est différente pour chacune des extrémités de la partie terminale 36. Cela permet de signer Le passage d'un pôLe devant L'une de ces extrémités. La figure 6 représente schématiquement l'évolution du flux magnétique traversant La bobine en fonction de la rotation du premier circuit magnétique 29 à partir d'une position de référence choisie à un maximum de fLux. Le flux magnétique est désigné par f, ses valeurs maximum et minimum fmax et fmin respectivement. Dans Le cas du premier mode de réalisation o chaque partie terminale du noyau 34 présente 3 extrémités et o le premier circuit magnétique 29 ne présente qu'un pôle Sud et un pôle Nord, Le flux magnétique traversant La bobine 40 a une allure en dents de scie dissymétrique. Sur un tour dans Le sens inverse du sens trigonométrique (courbe en trait plein), f prend sa valeur maximum fmax pour Les angles a valant 0 , , 240 et 360 alors qu'il est égaL à fmin pour , 150 et 270 ; L'angLe a est choisi tel qu'il soit égaL à 0 Lorsque Le pôLe Sud S est sur une extrémité 36, soit Le cas des figures 4A et 4B. Sur un tour dans le sens trigonométrique (courbe en tiretés), f prend sa valeur maximum fmax pour Les angles a (comptés négativement) égaux à 0 , 120 , 240 et 360 . f est égal à fmin pour les angles 90 , 210 , 330 . On constate donc que Le flux a bien une allure dissymétrique qui n'est pas identique lorsque le premier circuit magnétique 29 tourne dans un sens ou dans L'autre. Les figures 7A à 7C représentent schématiquement La dérivée par rapport à l'angle a df/da du flux magnétique en fonction de l'angle a de rotation pour différents cas. Le signal électrique aux bornes de la bobine 40 est en effet proportionnel à df/da et non à f. On déduit Le débit moyen et Le sens de circulation du fluide dans un puits de forage à partir de la courbe représentant Les variations de df/da en fonction du temps. Pour fournir des exempLes indépendants de La vitesse, on ne présente ci-après que les variations de df/da en fonction de La rotation du premier circuit magnétique. Suivant La vitesse de rotation, Les constantes de temps de df/da changent mais L'alLure des courbes est bien La suivante. La figure 7A représente en tiretés La courbe théorique df/da correspondant au fLux f de La figure 6 mesuré lors d'une rotation dans Le sens trigonométriqẻ. La courbe en trait plein a été réaLisée à partir d'essais expérimentaux. On constate qu'on n'obtient pas réeLlement des créneaux ceci provient d'un effet de peau et d'un filtrage parasite dû aux circuits électroniques utilisés, aucun composant électronique n'étant parfait. La figure 7B représente schématiquement la dérivée df/da du flux magnétique f lors d'une rotation dans le sens inverse du sens trigonométrique. La figure 7C représente schématiquement la dérivée df/da du flux magnétique f lors d'une rotation dans Le sens trigonométrique mais pour un dispositif seLon La variante de réalisation qui consiste à positionner Les extrémités d'une des parties terminales du noyau 34 à des hauteurs h1, h2, h3 différentes (cf. figure 5). La courbe en tiretés sur la figure 7C est théorique alors que la courbe en trait plein est réalisée à partir d'essais expérimentaux. On constate que f présente trois maxima et trois minima, tous, de valeurs différentes, ce qui permet de signer chaque extrémité des parties terminales du noyau 34 supporte la bobine. Cela permet de réduire les erreurs et d'améliorer le traitement électronique du signal afin de déduire Le sens et le débit moyen du fluide. La figure 8 représente schématiquement une coupe d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans cet exemple de réalisation, Le nombre M d'extrémités des parties terminales 36 et 38 du noyau magnétique 34 est égal à 1. Le noyau 34 est placé transversalement et support La bobine 40. Le générateur d'induction magnétique contenu dans le premier circuit magnétique 29 comporte deux aimants séparés de 90 par exemple (un seul est représenté sur la figure 8 qui représente une coupe comprenant L'axe de rotation). Ces deux aimants sont reliés par leurs pôles opposes par une pièce 46 en fer doux traité thermiquement par exemple. Les figures 9A et 9B représentent schémitiquement les sections droites des premier et second circuits magnétiques 29 et 33 dans Les plans P1 et P2 respectivement, pour le second mode de réalisation. Les aimants 42 et 44 sont placés à 90 par exemple, L'un de l'autre, Le pôLe Nord de L'un et Le pôle Sud de l'autre affleurant à la surface P1. Les extrémités des parties terminales 36 et 38 recouvrent sensiblement toute la surface du second circuit magnétique 33 dans Le plan P2. Elles sont évidement non jointives et peuvent être reliées par un matériau non magnétique 48 pour éviter tout risque de court-circuit magnétique. IL va de soi que L'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus spécialement décrits précédemment; elle admet au contraire d'autres variantes. En particulier, comme on Le voit sur la figure 10 qui représente schématiquement la section droite du premier circuit magnétique 29 dans le plan P1, le générateur d'induction peut présenter six pôles alternativement Nord et Sud, réunis par couples NordSud; les couples sont équidistants les uns des autres. Ce générateur peut être réalisé à partir de six aimants réunis par une pièce magnétique en fer doux traité thermiquement par exemple. Augmenter le nombre de pôles du premier circuit magnétique 29 permet d'augmenter la résolution du système. Ce résultat peut aussi être obtenu en augmentant le nombre M d'extrémités des parties terminales du noyau 34. Revendications - 1. Débitmètre comprenant: - un premier circuit magnétique (29) apte à être entrainé en rotation autour d'un axe (RR) et comportant un générateur d'induction magnétique présentant au moins un pôle Nord (N) et un pôle Sud (S) disposés sur une circonférence centrée sur ledit axe (RR), Les pôles du générateur affleurant à une première surface (P1) perpendicuLaire audit axe (RR), - un second circuit magnétique (33) fixe, placé à proximité du premier circuit magnétique (29), comportant un noyau magnétique (34) prolongé par deux parties magnétiques terminales (36, 38), une bobine conductrice de l'éLectricité (40) entourant au moins une partie du noyau (34), la rotation du premier circuit magnétique (29) engendrant un flux magnétique variable à travers la bobine (40), caractérisé en ce que: lesdites parties terminales (36, 38) affleurent sensiblement à une seconde surface (P2) perpendiculaire audit axe (RR) et en regard de La première surface (P1), Lesdites parties terminales (36, 38) occupant chacune une aire différente de la seconde surface (P2) et étant non jointives, et en ce que Les pôles (N, S) du premier circuit magnétique (29) sont séparés par un angle tel que Les variations du flux magnétique présentent un rapport cyclique différent de 1. 2. Débitmètre selon La revendication 1, caractérisé en ce que chaque partie terminale (36, 38) possède un nombre (M) d'extrémités réparties autour dudit axe (RR) et sensiblement sur La seconde surface (P2), Les extrémités de L'une des parties terminales alternant avec Les extrémités de L'autre partie terminale. 3. Débitmètre seLon la revendication 2, caractérisé en re que les (M) extrémités de L'une des parties terminales sont placées à des hauteurs (hl, h2, h3) différentes par rapport à La seconde surface (P2). 4. Débitmètre seLon L'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que Le noyau magnétique (34) est disposé selon Ledit axe (RR). 5. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que Le noyau magnétique (34) est disposé transversalement audit axe (RR). 6. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties terminales (36, 38) sont reliées par un matériau non magnétique (48) au moins au niveau de La seconde surface (P2). 7. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de flux comprend un nombre pair de pôles, supérieur à deux, divisé en nombre égal de pôle Nord et de pôle Sud, les pôLes Nord et Sud étant répartis alternativement sur la première surface, chaque pôLe Nord étant apparié à un pôle Sud. 8. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que Le nombre M est égal à trois. 9. Débitmètre selon La revendication 8, caractérisé en ce que Le générateur d'induction magnétique présente un pôLe Nord et un pôLe Sud séparés de 1500. 10. Débitmètre selon La revendication 2, caractérisé en ce que le nombre M est égal à un. 11. Débitmètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que Le générateur de flux présente un pôLe Nord et un pôLe Sud séparés d'un angle de 900 .