Brevet FR2678730A1 — publié le 19930108

CAPTEUR DESTINE A DETECTER DES ECOULEMENTS GAZ-LIQUIDE La présente invention se rapporte à un capteur destiné à détecter différentes propriétés d'un fluide s'écoulant dans une conduite Le capteur de la présente invention possède une utilité particulière dans la mesure des propriétés d'un fluide tel que du pétrole s'écoulant dans un pipeline. Le pétrole qui est extrait des puits comporte de manière typique un fluide à deux phases qui contient une phase gaz et une phase liquide Une des variables les plus importantes devant être détectée et commandée dans un pipeline de production de puits est la proportion de gaz dans le pétrole brut Comme conséquence de cela, plusieurs procédés et systèmes différents sont utilisés pour détecter la présence de gaz dans le pétrole en écoulement. Parmi les techniques connues pour la détection de l'écoulement de fluide à deux phases se trouve la mesure des variations de la résistance électrique de l'écoulement à deux phases qui est contrôlé L'appareil qui est utilisé pour mesurer ces variations possède de manière générale une partie de détection qui comporte une paire d'électrodes sur lesquelles est appliquée une tension prédéterminée. Lorsque la partie de détection est immergée dans une phase liquide de l'écoulement, la résistance entre les deux électrodes a une valeur spécifique liée à la nature du liquide qui est contrôlé Si, toutefois, la partie de détection est dans une phase gazeuse de l'écoulement, les deux électrodes sont sensiblement isolées du fait que la résistance a une valeur extrêmement importante Il y a plusieurs inconvénients liés à ce procédé Par exemple, cette technique est inefficace pour des liquides non conducteurs tel que du pétrole En outre, il y a un risque substantiel qu'une réaction chimique se produise dans les liquides conducteurs du fait de l'écoulement de courant provenant de la tension appliquée. Le brevet US N O 4 286 208 au nom de French et autres illustre un détecteur destiné à détecter l'interface de deux fluides à un niveau particulier Le détecteur d'interface comporte un circuit destiné à détecter la présence d'au moins deux fluides afin d'établir un niveau d'interface entre eux Le circuit de détection produit un signal de sortie ayant une largeur d'impulsion variable qui est déterminée par la nature du fluide qui est présent Le détecteur comporte en outre au moins un circuit destiné à produire un signal de référence ayant une largeur d'impulsion prédéterminée, et des moyens destinés à comparer la largeur d'impulsion du signal de sortie du circuit de détection avec la largeur d'impulsion prédéterminée du signal de référence Un signal de sortie qui est représentatif de la présence d'un premier fluide ou bien d'un second fluide est produit Le circuit de détection utilise un ou plusieurs dispositifs de détection capacitifs qui transmettent de manière capacitive une série d'impulsions électriques Les impulsions électriques sont modifiées lorsqu'un liquide électriquement conducteur qui est mis à la masse se déplace à proximité de chaque dispositif de détection capacitif La modification des impulsions électriques est convertie par le circuit de détection en un signal de sortie ayant différentes largeurs d'impulsion Pour chaque dispositif de détection capacitif additionnel inclus dans le circuit de détection, le détecteur d'interface de fluide comprend un capteur destiné à produire des signaux de référence additionnels, chacun d'entre eux ayant une largeur d'impulsion prédéterminée différente et des moyens additionnels destinés à comparer chaque signal de référence du circuit de référence avec le signal de sortie du circuit de détection De cette manière, le détecteur de French et autres détecte lequel des deux fluides est présent. Une autre technique destinée à détecter l'écoulement de fluides à deux phases gaz-liquide utilise la mesure de changements d'intensité lumineuse. Dans cette technique, l'appareil se compose de manière typique d'une fibre optique pliée en forme de U Une partie du revêtement de protection de la fibre est enlevée La partie exposée est alors utilisée comme partie de détection qui est placée dans l'écoulement à deux phases Lorsque la partie de détection est dans la phase liquide, l'intensité lumineuse de sortie à l'autre extrémité de la fibre optique diminue du fait qu'une partie de la lumière reste dans le liquide (la différence entre les indices de réfraction du liquide et de la fibre étant très faible) Lorsque la partie de détection est dans la phase gaz, la lumière est totalement réfléchie et l'intensité de sortie est sensiblement la même que l'entrée Il a été constaté que cette technique est inefficace en présence de petites bulles et en présence de liquides très visqueux tels que des pétroles bruts. Le brevet US N O 4 516 432 au nom de Hironaga et autres illustre un appareil destiné à mesurer un écoulement à deux phases gaz-liquide qui utilise une fibre optique positionnée perpendiculairement à la direction d'écoulement Un des défauts de l'appareil utilisé par Hironaga et autres est que des résidus s'accumulent sur les fenêtres optiques et que les fenêtres nécessitent par conséquent d'être nettoyées continuellement. Un des problèmes lié aux pipelines de puits de production est qu'un endommagement sérieux peut être causé aux pistons dans des pompes à pistons si il y a une quanti-té disproportionnée de gaz par rapport au liquide dans le fluide s'écoulant dans le pipeline Il existe ainsi un besoin d'un capteur amélioré qui a une utilité particulière dans le contrôle de l'écoulement dans des pipelines de production de puits de pétrole dans lesquels l'écoulement comprend un liquide non conducteur tel que du pétrole et une phase gazeuse Il est souhaitable que le capteur soit susceptible d'être commandé depuis un système de supervision à distance de façon à être capable de détecter des débuts de défaillance dans des puits avant qu'un dommage substantiel apparaisse. Par conséquent, c'est un but de la présente invention que de procurer un capteur qui peut détecter l'écoulement d'un fluide gaz-liquide dans un pipeline de puits de production. C'est un autre but de la présente invention que de procurer un capteur tel que ci-dessus qui identifie des liquides de différentes viscosités s'écoulant dans un pipeline lorsque le volume de liquide s'écoulant dans le pipeline est maintenu sensiblement constant. C'est encore un autre but de la présente invention que de procurer un capteur qui peut également être utilisé comme détecteur d'écoulement simple et comme débitmètre dans le cas de fluides homogènes s'écoulant dans un pipeline. C'est encore un autre de la présente invention que de procurer un capteur tel que ci-dessus qui procure des moyens destinés à détecter l'écoulement de fluides à deux phases gaz-liquide. Les buts et avantages précédents sont obtenus grâce au capteur de la présente invention Le capteur comporte un élément de détection mobile disposé à l'intérieur d'une conduite et qui est au moins partiellement immergé dans le fluide s'écoulant dans la conduite ou pipeline, des moyens destinés à détecter le déplacement de l'élément de détection sous l'effet d'un déplacement quelconque du à l'écoulement de fluide, et des moyens destinés à générer un signal électrique représentatif du fluide détecté en réponse au déplacement détecté de l'élément de détection. Dans une forme de réalisation préférée de la présente invention, l'élément de détection comporte une tige réalisée dans un matériau non magnétique supportée à l'intérieur d'une structure de logement pour un mouvement oscillant L'élément de détection comporte en outre un élément de tête fixé à une extrémité de la tige qui est réalisé dans un matériau magnétique tel qu'un matériau ferromagnétique ou un aimant permanent. L'élément de tête est écarté de sa position de repos lorsque du fluide frappe l'élément de détection Deux bobines électriques sont supportées à l'intérieur d'un corps afin de générer un champ magnétique. En contrôlant les changements dans le champ magnétique ou bien la variation de l'inductance des bobines dûs au déplacement de l'élément de tête magnétique, on peut déterminer différentes propriétés de l'écoulement de fluide dans le pipeline Par exemple, si l'écoulement de fluide dans le pipeline est homogène, c'est-à-dire gaz ou liquide, on peut utiliser le capteur pour mesurer le débit En variante, le capteur peut être utilisé simplement pour détecter la présence ou l'absence d'écoulement dans le pipeline De même, lorsque le fluide s'écoule à vitesse constante et lorsqu'il y a deux composants de viscosités significativement différentes, on peut détecter des variations dans les proportions des deux composants du fluide avec le capteur de la présente invention. Ces buts et avantages ainsi que d'autres apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante et des dessins dans lesquels les références identiques se rapportent à des éléments identiques. La figure 1 illustre une vue en coupe partielle transversale d'un pipeline pourvu du capteur de la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe partielle longitudinale d'un pipeline pourvu d'un capteur de la présente invention. La figure 3 est une vue de face partiellement en coupe du capteur de la présente invention. La figure 4 est une vue de côté en coupe du capteur de la présente invention. La figure 5 est une vue éclatée du capteur de la présente invention. Si l'on se réfère aux dessins annexés, et plus particulièrement aux figures 1 à 5, le capteur 10 de la présente invention comporte une partie de logement 14 et une partie de corps 12 La partie de corps 12 est pourvue sur sa surface extérieure de filets 16 destinés à fixer le capteur 10 à l'intérieur d'un raccord 18 prévu sur une conduite 20 de telle sorte que le logement 14 dépasse dans le conduite 20. Tout filetage approprié peut être utilisé pour le corps 12 et le raccord 18, par exemple un filet NPT. La partie de logement 14 du capteur 10 possède un élément de détection 22 sous la forme d'une plaque de capteur qui y est fixée La plaque de capteur 22 est fixée à la paroi inférieure 24 du logement 14 d'une manière appropriée quelconque, par exemple par soudage par point ou équivalent, et, comme cela se voit plus clairement sur la figure 3, se trouve sur la paroi 24 à mi-chemin entre des parois latérales 26 et 28 du logement 14 La plaque de capteur 22 est ainsi montée dans le logement 14 de façon à permettre un mouvement oscillant autour d'une position de repos et dans différentes positions de mesure lors de l'écoulement d'un fluide dans la conduite qui vient en contact avec la plaque de capteur 22. Selon la présente invention, la plaque de capteur 22 est de préférence réalisée dans un matériau non magnétique tel que de l'acier inoxydable ou équivalent Selon la présente invention, l'extrémité de la plaque de capteur 22 opposée à l'extrémité fixée au partie de logement 14 est pourvue d'un élément de tête 30 qui y est fixé L'élément de tête 30 est réalisé dans un matériau magnétique tel qu'un matériau ferromagnétique ou, en variante, peut être sous la forme d'un aimant permanent. Comme cela se voit mieux sur les figures 3 et 5, le logement 14 et la plaque de capteur correspondante 22 sont fixés au partie de corps 12 au moyen de vis 32 La plaque de capteur 22 qui est fixée à la paroi inférieure 24 du logement 14 peut avoir une épaisseur quelconque souhaitée en fonction de la rigidité devant lui être apportée et une largeur qui dépend de la viscosité du fluide qui est contrôlée dans la conduite Par exemple, si le fluide est un pétrole brut très visqueux, une plaque étroite est alors appropriée; toutefois, si le fluide est d'un type à faible viscosité, une plaque plus large est souhaitée afin de procurer une flexion mesurable de la plaque de capteur 22 Comme cela peut se voir sur les dessins, la plaque de capteur 22 est supportée dans le logement de telle sorte que sa largeur est sensiblement perpendiculaire à la direction d'écoulement du fluide dans le pipeline Comme cela a été noté ci-dessus, la sensibilité de la plaque de capteur 22 par rapport à l'écoulement dans le pipeline est directement liée à la largeur de la plaque De plus, il est souhaitable d'utiliser une plaque relativement large dans le cas o le volume de fluide s'écoulant dans la conduite est faible. Le corps 12 du capteur 10 est pourvu d'une paire d'alésages 34 qui reçoivent une paire de bobines électriques 36 a et 36 b Les bobines 36 a et 36 b et le corps 12 sont séparés du fluide dans la conduite 20 et de l'élément de tête 30 sur la plaque de capteur 22 au moyen d'un joint mécanique 38 qui est maintenu contre le corps 12 et les bobines 36 a et 36 b au moyen d'un écrou 40 Le joint 38 empêche du fluide provenant du pipeline d'entrer dans le corps 12 en contact avec les bobines électriques 36 a et 36 b Le joint 38 est de préférence sous la forme d'une plaque d'acier inoxydable ayant une épaisseur dans la fourchette d'environ 0,1 à environ 2 mm. Selon la présente invention, les bobines électriques 36 a et 36 b sont utilisées pour générer une paire de champs magnétiques Les champs magnétiques générés sont à leur tour utilisés pour détecter l'emplacement de l'élément de tête 30 sur la plaque de capteur 22 Les bobines électriques 36 a et 36 b sont de préférence reliées en une configuration en demi-pont et sont de manière additionnelle reliées à un circuit électrique standard quelconque disponible dans le commerce destiné à amplifier et traiter des signaux provenant des bobines en fonction du déplacement de l'élément de tête et d'une condition de contrôle de l'écoulement dans le pipeline Le circuit électronique typique disponible dans le commerce peut être utilisé avec le capteur de la présente invention Le circuit est utilisé pour amplifier et traiter les signaux électriques générés par les bobines 36 a et 36 b et produit un signal de sortie destiné à être utilisé par un instrument tel qu'un dispositif d'enregistrement De manière typique, le circuit disponible dans le commerce génère un signal de sortie dans la fourchette standard d'environ 4 à 20 m A. Comme cela a été exposé précédemment, le capteur 10 de la présente invention peut être utilisé pour contrôler différents paramètres se rapportant à l'écoulement dans la conduite 20 Par exemple, il peut être utilisé pour mesurer la quantité de gaz dans le pétrole s'écoulant dans la conduite Il est à noter que lorsque le fluide s'écoulant dans le pipeline est un liquide tel que du pétrole brut, la viscosité du liquide est relativement élevée Par conséquent, lorsque le fluide frappe la plaque de capteur 22, une force qui amène la plaque à se déplacer autour d'un point de pivotement créé par la soudure par point de la plaque 22 sur le logement 14 est créée Le déplacement de la plaque depuis sa position de repos déplace l'extrémité contenant l'élément de tête magnétique 30. Le déplacement de l'élément de tête 30 entraîne à son tour une variation dans le champ magnétique généré par chaque bobine 36 a et 36 b, cette variation pouvant être mesurée La variation mesurée est alors traitée par le circuit du commerce de façon à générer un signal de sortie qui est représentatif du fluide s'écoulant dans la conduite. Si le fluide s'écoulant dans la conduite est du gaz, il n'y a pas de changement substantiel dans les champs magnétiques produits par les bobines, avec pour résultat l'absence de signal électronique L'absence de changement quelconque dans le champ magnétique est due à la viscosité relativement faible du gaz s'écoulant dans le pipeline et l'absence de toute déviation significative de la plaque de détection. Si le fluide s'écoulant dans le pipeline est un fluide à deux phases gazliquide, une déviation de la plaque 22 qui produit un signal électrique qui augmente avec l'augmentation de la phase liquide et la déviation accrue de manière correspondante de la plaque 22 apparait. Le capteur de la présente invention peut être utilisé comme dispositif de mesure destiné à contrôler des fluides ayant des viscosités sensiblement différentes On peut étalonner la plaque de capteur 22 de sorte que son signal de sortie peut être utilisé pour déterminer la proportion des deux liquides s'écoulant dans le pipeline Par exemple, le capteur de la présente invention peut être utilisé pour déterminer la proportion d'eau et de pétrole s'écoulant dans un pipeline du fait que les viscosités de ces deux liquides sont sensiblement différentes de l'un à l'autre Un autre avantage du capteur de la présente invention est qu'il peut être utilisé simplement pour détecter la présence ou l'absence d'écoulement dans le pipeline 20 Lorsqu'il n'y a pas d'écoulement dans le pipeline, la plaque de capteur 22 reste dans sa position neutre; toutefois, lorsqu'il y a un écoulement dans le pipeline, la plaque de capteur se déplace et génère un signal indiquant qu'il y a un écoulement de fluide dans le pipeline. Le capteur de la présente invention peut également être utilisé comme débitmètre pour des liquides homogènes Dans ce cas, le capteur peut être étalonné de sorte que son signal de sortie reflète le débit de fluide dans le pipeline Ceci est possible du fait que le signal de sortie est proportionnel à la vitesse du fluide s'écoulant dans le pipeline Dans ce cas bien sûr, on doit prévoir un capteur destiné à mesurer la température du fluide dans le pipeline du fait que ce paramètre affecte l'étalonnage de la plaque de capteur 22. Bien qu'il soit préférable de réaliser la plaque 22 en acier inoxydable, il est également possible de réaliser celle-ci dans d'autres matériaux. il Plus spécialement, dans le cas de pétrole avec une forte proportion de sable qui est capable de provoquer un effet d'abrasion, il est possible de remplacer l'acier inoxydable par une céramique La céramique utilisée doit bien sûr être sensiblement résistante à l'abrasion par le sable dans l'écoulement de pétrole. Comme cela ressort de la description précédente, un capteur qui peut être utilisé pour contrôler différents paramètres d'un écoulement de fluide dans un pipeline a été procuré Le capteur présente l'avantage d'être relativement simple de construction Il présente également l'avantage que si le capteur tombe en panne, il peut facilement être remplacé Afin de remplacer le capteur, il suffit simplement de dévisser le corps du pipeline et de le remplacer par un autre élément de détection dans un autre corps. Le capteur de la présente invention présente en outre l'avantage que sa sensibilité peut être fortement améliorée en utilisant une plaque ayant une largeur spécifiquement choisie pour le fluide passant dans la conduite. Il est évident que la présente invention procure un capteur destiné à détecter la présence d'écoulement dans des pipelines de production de pétrole qui satisfait totalement les buts, moyens et avantages exposés ci-dessus. REVENDICATIONS 1 Capteur ( 10) destiné à détecter un paramètre d'un fluide s'écoulant dans une conduite ( 20), ledit capteur étant caractérisé en ce qu'il comporte: un élément de détection mobile disposé à l'intérieur de ladite conduite ( 20) et au moins partiellement immergé dans ledit fluide; des moyens destinés à détecter le déplacement dudit élément de détection; et des moyens destinés à générer un signal électrique représentatif dudit paramètre de fluide détecté en réponse audit déplacement détecté de l'élément de détection. 2 Capteur ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de détection comporte une tige ( 22) en matériau non magnétique et un élément de tête ( 30) en matériau magnétique fixé à une extrémité de la tige. 3 Capteur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de tête ( 30) est réalisé dans un matériau ferromagnétique. 4 Capteur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de tête ( 30) est constitué par un aimant permanent. Capteur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite tige ( 22) est réalisée en acier inoxydable. 6 Capteur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un corps ( 12) fixé à ladite conduite ( 20); et ledit élément de détection est fixé à un logement ( 14) porté par ledit corps ( 12) d'une manière qui permet l'oscillation dudit élément de détection. 7 Capteur ( 10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit corps ( 12) est en engagement fileté avec une partie ( 18)de ladite conduite ( 20). 8 Capteur ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent deux bobines espacées ( 36 a, 36 b) ayant chacune son propre champ magnétique, le déplacement dudit élément de détection entraînant un changement dans ledit champ magnétique. 9 Capteur ( 10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledites bobines ( 36 a, 36 b) sont reliées en une configuration en demi- pont et le déplacement dudit élément de détection entraîne une variation de l'inductance des bobines ( 36 a, 36 b). Capteur ( 10) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un corps ( 12) monté sur ladite conduite ( 20); ledit élément de détection étant supporté dans un logement ( 14) fixé audit corps ( 12); lesdites bobines ( 36 a, 36 b) étant supportées dans ledit corps ( 12); et ledit élément de détection et lesdites bobines ( 36 a, 36 b) étant séparés par un joint mécanique ( 38) qui empêche du fluide dans ladite conduite ( 20) de venir en contact avec lesdites bobines ( 36 a, 36 b). 11 Capteur ( 10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération comprennent des moyens formant circuit électronique destinés à amplifier et traiter le signal électrique produit par chaque bobine ( 36 a, 36 b) et à délivrer un signal de sortie adapté à une utilisation avec une instrumentation d'enregistrement. 12 Capteur ( 10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit fluide comporte deux composants et lesdits moyens de génération de signal génèrent un signal représentatif de la proportion d'un premier composant par rapport à un deuxième composant. 13 Capteur ( 10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de signal génèrent un signal représentatif de la présence dudit fluide dans ladite conduite ( 20). 14 Capteur ( 10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de signal génèrent un signal représentatif d'un débit dudit fluide dans ladite conduite ( 10). Capteur ( 10) destiné à contrôler un écoulement de pétrole dans un pipeline, caractérisé en ce qu'il comporte: un capteur ( 10) fixé audit pipeline ( 20) en un emplacement souhaité; ledit capteur ( 10) ayant un corps ( 12) fixé audit pipeline ( 20); un élément de détection allongé ( 22) monté de façon pivotante dans un logement ( 14) fixé audit corps ( 12); ledit élément de détection ( 22) ayant une première extrémité fixée audit logement ( 14) et une deuxième extrémité ayant un élément magnétique ( 30) qui y est fixé; et ledit élément de détection ayant une épaisseur souhaitée et une largeur souhaitée et étant orienté dans ledit pipeline ( 20) de telle sorte que sa largeur est sensiblement perpendiculaire à la direction dudit écoulement de pétrole. 16 Capteur ( 10) selon la revendication , caractérisé en ce qu'il comporte en outre: des moyens ( 36 a, 36 b) destinés à générer deux champs magnétiques; et des moyens destinés à détecter des changements dans lesdits champs magnétiques dûs au déplacement dudit élément magnétique ( 30) sur ledit élément de détection ( 22) et destinés à délivrer un signal de sortie représentatif d'un paramètre dudit écoulement de pétrole.