Brevet FR2638524A1 — publié le 19900504

-1 CAPTEUR DE PRESSION UTILISABLE DANS LES PUITS DE PETROLE DESCRIPTION Le domaine de l'invention est la mesure des pressions, notamment dans les puits d'hydrocarbure, en particuLier après le forage et avant l'exploitation du puits. L'invention concerne le capteur lui-même. Dans la procédure d'exploitation d'une nappe pétrolière, on procède, après le forage, à une analyse de la nappe et à des mesures permettant de connaître les éventuelLes conditions d'expLoitation de cette nappe. La dénomination anglo-saxonne de cette phase est le "testing". Parmi les différentes mesures effectuées, figurent des mesures de température et de pression du fluide se trouvant dans le puits. Les capteurs de pression et de température utilisés doivent résister à de sévères conditions d'utilisation, tout en restant fiables pendant la durée de la mesure, soit trois à quatre semaines. On définit donc des spécifications d'environnement pour ces capteurs. Ils doivent notamment pouvoir subir des températures variant de -50 C en ce qui concerne la température de stockage, à plus de 200 C en fonctionnement dans un puits. Ils doivent également résister à des pressions allant de 1 à I 400 bars, soit 14.107 Pa. Pour leur fonctionnement, les spécifications de fiabilité concernent la précision de la valeur, les stabilités à court et long termes et l'hystérésis. Les capteurs existant actuellement sur le marché ne satisfont pas entièrement à ces spécifications. Un des types de capteurs existants est constitué d'un corps à L'intérieur duquel est soudée une celLule de mesure. Cette cellule de mesure est constituée d'un unique substrat plat en acier, sur Lequel a été déposés une première couche d'isolant, puis un circuit de jauges extensométriques, recouvert d'une deuxième couche d'isolant laissant à découvert des plots métalLiques de connexion. La fixation de cette cellule à L'intérieur du corps est étanche, c'estâdire que la pression à mesurer est appliquée sur une première face de cette cellule, la deuxième face de la cellule est soumise à une pression de référence, en L'occurrence la pression atmosphérique. La mesure de pression doit être complétée par une mesure de température, et en particulier une mesure de La température de l'élément de mesure, et dont le but est de remédier à L'influence des variations de température sur la mesure de pression. Dans ce type de capteur, la mesure de la température s'effectue à c8té de La membrane. Pour réduire la sensibilité thermique du capteur et ajuster le zéro du pont du WHEATSTONE constitué par Les jauges extensométriques, on ajoute des systèmes de compensation réalisés avec des résistances passives disposées dans la chaÂne de mesure. Plusieurs inconvénients sont inhérents à ce type de construction. En premier lieu, le raccordement de l'élément de mesure (ou membrane sensible) au corps du capteur, souvent réalisée par soudure, est une source potentielle d'instabilité. L'absence d'isolation mécanique entre L'élément de mesure et le corps du capteur peut conduire à des différences entre les mesures observées avant et après le remontage du capteur, le couple de serrage pouvant notamment influencer le niveau de sortie. D'autre part, on observe une dérive du capteur lorsqu'il est soumis pendant plusieurs semaines à une pression élevée dans un milieu ambiant dont la température est également élevée. Cette dérive est en partie attribuable à des phénomènes d'anélasticité et de fluage. Finalement, les systèmes de compensation diminuent d'une part la fiabilité de l'ensemble du capteur, et d'autre part limitent ses performances en mode dynamique du fait que t'égalisation en température des jauges extensométriques et des résistances de compensation n'est plus assurée. Le but de l'invention est de proposer un capteur de pression de haute précision, stable dans le temps, fidèle en ce qui concerne la reproduction des mesures et présentant de bonnes caractéristiques en mode dynamique, tout en évitant les inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, l'objet principal de l'invention est un capteur de pression comprenant au moins une cellule portant un dispositif extensométrique à résistances électriques constituées par des dépôts en couches minces. Le capteur se caractérise en ce que la cellule comprend une chambre hermétique à l'intérieur de laquelle règne une pression prédéterminée faible, la totalité de la surface externe de la cellule étant soumise à la pression à mesurer. La pression régnant à l'intérieur de la cellule est de préférence de l'ordre de 0,1 Pascal. Le matériau utilisé pour la cellule est de préférence le saphir. Dans la réalisation principale du capteur selon l'invention, la celLule est formée de deux demi-coquilles scellées l'une contre l'autre, Le dispositif extensométrique étant placé sur une face d'une demi-coquille, parallèLe au plan de scellement. Le saphir utilisé est de préférence monocristaL, son axe d'orientation cristalLographique étant placé perpendiculairement au plan de scellement des deux demi-coquilles, afin d'obtenir une isotropie des contraintes dans le plan de scellement. Une caractéristique secondaire de l'invention est que Les deux demicoquilles sont symétriques, et ont chacune une demi-chambre interne formée d'une paroi cylindrique fermée par une calotte en forme d'eLLipsoide aplatie. Des moyens de mesure de la température de la cellule sont places sur la surface sur laquelle est placé le dispositif extensométrique. On réalise de préférence ces moyens de mesure de la température à L'aide d'une résistance électrique placée à un endroit de la surface qui n'est pas soumis à déformation sous L'effet de la pression, et réalisée de manière analogue aux résistances du dispositif extensométrique, ceci afin de faciliter la fabrication de la cellule, et d'assurer un comportement identique aux différentes résistances lors des conditions transitoires. Dans ce cas, les résistances électriques du dispositif extensométrique sont montées en pont de WHEATSTONE dont l'équilibrage est réalisé par grattage ou usinage au laser des branches de connexion situées entre lesdites résistances. Dans sa réalisation principale, le capteur comprend en outre un corps comportant une cavité interne dans laquelle ladite cellule est montée de manière souple, ledit corps étant percé d'un orifice pour mettre la totalité de la surface externe de la cellule en contact avec la pression à mesurer. Une caractéristique de fonctionnement du capteur est que la cavité interne est remptie d'huile et est isolée du milieu extérieur par L'intermédiaire d'une membrane élastique. L'invention et ses caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit, annexée des figures représentant respectivement: - figure 1, une vue en coupe du capteur de pression selon l'invention, équipé de demicoquilles différentes; - figure 2, un schéma relatif à L'implantation des jauges et de leur connexion, sur une face de la cellule utilisée dans le capteur de pression selon l'invention. - figure 3, une coupe de la cellule seLon le plan perpendiculaire au plan de scellement. En référence à la figure 1, le capteur de pression selon l'invention comporte principalement la cellule de mesure constituée des deux pièces A et lOB et placée à l'intérieur d'un corps du capteur. Cette cellule porte un dispositif extensométrique à résistances électriques, celles-ci étant constituées par des dépôts de couches minces. En ce qui concerne la technique de dépôt des couches minces, on pourra notamment se reporter au volume 10 de l'année 1972 de la revue technique "Thin Solid Films", et en particulier à l'article de R. G. DUCKWORTH intitulé "Tantalum Thin Film Resistor". La cellule délivre des signaux de mesure, transmis par l'intermédiaire de moyens de connexion 14, à une chaîne d'exploitation de ces signaux de mesure, non représentée sur les figures. Pour des raisons de montage, le corps est réalisé en deux parties distinctes, à savoir un corps principal 2 et un corps avant 4 qui Lui est fixé de manière solidaire. La cellule est placée à l'intérieur d'une cavité interne 7 ménagée à l'intérieur du corps principal 2. Les moyens de connexion sont constitués par des câbles de connexion 14 et des traversées étanches 22 traversant le corps principal 2 pour déboucher dans la cavité interne 7 autour de la ceLLuLe. La fonction principale du corps avant 4 du capteur de pression est de mettre en contact la cellule de mesure avec la pression du fluide environnant. A cet effet, le corps avant 4 possède un canal axial 5 débouchant d'une part sur l'extérieur, et d'autre part sur la cavité interne 7, dans laquelle se trouve la cellule de mesure. De la sorte, le milieu extérieur au corps avant 4 du capteur pénètre à l'intérieur du canal axial pour venir contre la cellule de mesure. Toutefois, pour protéger cette cellule de mesure, une membrane 8 est placée entre le corps principal 2 et le corps avant 4, dans leur plan de jonction. Le milieu extérieur reste donc au-dessus de cette membrane 8, sans rentrer en contact direct avec la cellule de mesure. Néanmoins, cette membrane est d'une élasticité suffisante pour permettre la transmission de la pression de ce milieu extérieur à l'intérieur mime de la cavité interne 7, o se trouve la cellule de mesure. Le volume de cette cavité, déLimité par la membrane 8, est rempli totalement d'une huile qui entoure ainsi la cellule de mesure. Cette huile est introduite lors du montage du capteur de pression, une fois que les deux parties 2 et 4 du corps sont assemblées, enfermant ainsi la membrane 8 et La cellule de mesure. On crée alors une dépression à l'intérieur de la cavité interne 7 pour y introduire de l'huile, par l'intermédiaire d'un canal 24 pratiqué dans le corps principal 2. Une fois que la cavité interne 7 est totalement remplie d'huile, une bille de pression 16 est appliquée contre un siège conique 26 placé à la sortie du canal 24. Une vis de pression 18, introduite dans le prolongement du canal 24, presse la bille 16 contre le siège 26, assurant ainsi l'étanchéité de la cavité interne 7. On constate ainsi que la totalité de la surface externe de la cellule est soumise à la pression à mesurer et est isolée mécaniquement du corps 2 du capteur. Ceci permet d'éviter les problèmes liés au raccordement mécanique de l'élément de mesure, rencontrés lors de la mise en oeuvre des cellules de l'art antérieur. Selon une autre caractéristique principale de L'invention, la cellule possède une chambre interne 12 hermétique. Pour pouvoir effectuer la mesure de la pression du milieu extérieur, une pression faibte et prédéterminée est établie à l'intérieur de cette chambre interne 12 et sert ainsi de pression de référence pour la mesure. De préférence, cette pression est de l'ordre de 0,1 Pascal. Dans la réalisation principale, le matériau constituant la cellule de mesure est du saphir, ou plus exactement un saphir monocristallin, tel que l'alumine. Ce matériau possède une excellente résistance à la corrosion. Une qualité très importante de ce matériau, compte tenu que la cellule porte un circuit de jauges extensométriques constituant l'élément de mesure, est le comportement parfaitement élastique et linéaire du saphir, jusqu'à son point de rupture. Sa plasticité est totalement inexistante et il est insensible au mouvement de dislocation et au fluage, phénomènes qui sont en partie à l'origine de là dérive observée sur les capteurs connus. Le choix du saphir comme matériau constituant la cellule présente en outre l'avantage qu'il est parfaitement isolant, supprimant ainsi la nécessité de recourir à une couche d'isolant entre le substrat métallique de l'art antérieur et le dispositif extensométrique. Non seulement cette suppression simplifie la fabrication du capteur, mais elle améliore également les caractéristiques du capteur du fait qu'on élimine les problèmes liés à la dégradation de l'isolement de la couche d'isolant lorsque le capteur est soumis à des températures élevées. Pour améliorer la résistance mécanique de la cellule de mesure, celle-ci est formée de deux demi-coquilles 10A et 0lB comportant chacune une demi- chambre interne, comme représenté sur la figure 3. Elles sont scellées l'une contre l'autre par un plan de scellement 11, de manière à former la chambre interne 12. Un dispositif extensométrique est placé sur une face plane 20 d'une demi-coquille 10A. Sur la figure 1, les deux demi-coquilles A et 10B ont été représentées avec une surface interne différente, dans Le but de représenter plusieurs réalisations possibles de ces deux demi-coquilles. Dans la réalisation effective de la cellule de mesure, les demi-coquilles 10A et lOB seront choisies identiques. On obtient ainsi une cellule parfaitement symétrique, ce qui a pour effet de réduire les contraintes dans le plan de scellement 11. Le scellement des deux demi-coquilles 10A et 0lB est réalisé à l'aide d'un verre de scellement qui présente un coefficient de dilatation très voisin de celui du saphir dans le plan de scellement 11. En ce qui concerne la technique de scellement, on pourra notamment se reporter à la demande de brevet suisse n 8272/79 publiée sous le no 632 891 G. De préférence, la saphir est monocristallin et il est taillé de façon à assurer aux demi-coquilles 10A et 10B la mime orientation cristallographique: l'axe perpendiculaire au plan de scellement 11 et à la face 20 o sont déposées les jauges constitue l'axe cristallographique c du cristal. Possédant une structure hexagonale, le saphir présente des déformations, dilatations et contraintes isotropes dans un plan perpendiculaire à l'axe c du cristal. Pour les conventions d'orientation, on pourra se reporter à l'ouvrage de J. F. NYE, intitulé "Physical Properties of Crystal", publié par Oxford University Press, New York, 1985. Le choix de cette orientation permet d'éviter les problèmes de dilatation différentielle dans le plan de scellement 11 qui pourraient nuire à la stabilité à long terme du scellement, et par conséquent à celle du capteur. La cellule est, de préférence, montée de manière souple à l'intérieur de La cavité interne 7. Des entretoises de matériau élastique sont alors insérées sur Les parois de La cavité interne 7. La membrane 8 est en un matériau possédant des propriétés mécaniques stables, dans la gamme de températures d'utilisation de capteur de pression. Toutefois, il doit posséder une forte déformation élastique pour transmettre La pression du milieu O10 extérieur à L'huile entourant La cellule de mesure. Une bonne résistance à la corrosion en milieu aqueux est nécessaire pour cette utilisation. Sur la figure 2, est représenté un dispositif extensométrique à résistances électriques, utilisé dans le capteur selon L'invention. Le diamètre de la cellule, sur la surface 20 de Laquelle iL est implanté, a un diamètre de l'ordre de 10 millimètres. Ce dispositif comprend principalement quatre résistances 32, appelées également jauges, de petite dimension. La partie centrale peut avoir une Largeur de seulement 50 micromètres. Ces résistances 32 sont connectées entre elles en pont de WHEATSTONE. Ce circuit en pont de WHEATSTONE est placé au centre de la surface 20 de la celluLe et a une forme symétrique par rapport au centre de cette surface, allongée Le long d'un diamètre de cette surface. Des branches de connexion 34 relient les résistances 32 entre elles, et peuvent être réalisées avec le même matériau que les résistances 32 et lors du même dépôt. Elles présentent une surface importante, de manière à minimiser leur résistance électrique. Cette configuration assure ainsi une grande stabilité en température et dans le temps. Des contacts métalliques 38 relient Les branches de connexion 34 aux cibles de connexion 14 Logés dans les traversées étanches 22 au moyen des fils 40. Une couche protectrice 50 est placée au dessus du dispositif extensométrique, seuls les contacts métalliques 38 dépassent de cette couche protectrice. Sur la surface 20 représentée sur la figure 2, une résistance 36 est placée à La périphérie de cette surface, à un empLacement qui n'est pas soumis à la déformation sous L'effet de La pression. Elle constitue les moyens de mesure de La température du dispositif extensométrique. La réalisation de cette résistance et de ces connexions est analogue à la réalisation du dispositif extensométrique. La couche protectrice 50. servant à isoler les résistances 32 et les branches de connexion 34 recouvre également la résistance 36. Cette dernière est également connectée par deux contacts 38 à un des c&bles 14 situés dans les traversées étanches 22 à travers le corps 2. Ceci permet de placer les moyens de mesure de la température du dispositif extensométrique le plus prés possible de ce dernier et sur la même surface 20. A l'aide de la mesure de température ainsi obtenue, on peut corriger les effets de température subis par Les jauges extensométriques et avoir un capteur de pression pratiquement insensible aux variations de température. Le réglage du dispositif extensométrique réalisé sous la forme d'un pont de WHEATSTONE est obtenu en équilibrant le pont par grattage des branches de connexion 34; cette opération peut être réalisée au moyen d'un laser. En référence à la figure 3 qui illustre une caractéristique secondaire du capteur de pression, les deux-demi coquilles 10A et 10B possède chacune une demi chambre interne qui est formée d'une paroi cylindrique complétée d'une calotte en forme d'ellipsoXde applatie. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression comprenant au moins une cellule (10A, 10B) portant un dispositif extensométrique à résistances électriques (32) constituées par des dépôts en couches minces, caractérisé en ce que la cellule comprend une chambre hermétique (12) à l'intérieur de laquelle règne une pression prédéterminée faible, la totalité de la surface externe de La cellule étant soumise à la pression à mesurer. o10 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pression prédéterminée est le vide d'environ 0,1 Pascal. 3. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cellule (10A, 10B) est en saphir. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cellule est formée de deux demi-coquilles (10OA, 10B) scellées l'une contre l'autre, le dispositif extensométrique étant placé sur une face (20) d'une demi-coquille parallèle au plan de sceLLement. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les demi-coquilles (10A, 10B) sont en saphir monocristallin dont l'axe cristallographique (c) est perpendiculaire à leur plan de scellement (11). 6. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux demicoquilles (10A, lOB) sont symétriques et ont chacune une demi-chambre interne formée d'une paroi cylindrique fermée par une calotte en forme d'ellipsoide aplatie. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'iL comprend en outre des moyens de mesure de la température de la cellule qui sont placés sur la face (20) sur laquelLe est placé le dispositif extensométrique. 8. Capteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la température sont constitués d'une résistance électrique (36) placée sur la cellule à un endroit qui ne subit pas de déformations, et réalisée de manière analogue aux résistances (32) du dispositif extensométrique. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résistances électriques (32) du dispositif extensométrique sont montées en pont de WHEATSTONE dont l'équilibrage est réalisé par grattage ou usinage au laser des branches de connexion (34) situées entre lesdites résistances (32). 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'iL comprend en outre un corps (2, 4) comportant une cavité interne (7) dans laquelle ladite cellule est montée de manière souple, ledit corps étant percé d'un orifice (5) pour mettre la totalité de la surface externe de La cellule en contact avec la pression à mesurer. 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la cavité interne (7) est remplie d'huile et est isolée du milieu extérieur par l'intermédiaire d'une membrane élastique (8).