Brevet FR2717573A1 — publié le 19950922

Procédé et dispositif pour la mesure et l'asservissement du débit d'un fluide polyphasique dans une canalisation de transport. La présente invention s'applique au domaine de la protection des installations de production d'hydrocarbures, et en particulier des installations situées en aval des têtes de puits sous- marins et/ou situées sur des plate-formes (inhabitées ou non) en milieu marin. Les effluents recueillis à la sortie d'un puits pétrolier sont généralement polyphasiques, c'est-à-dire qu'ils sont constitués d'un mélange de gaz, de liquide, et éventuellement de solides. Les effluents sont conduits à travers une canalisation soit jusqu'aux installations côtières soit jusqu'à une plate-forme de traitement. En raison de l'instabilité des écoulements polyphasiques, il se forme inévitablement au sein de la canalisation, des bouchons de liquide et/ou des poches de gaz de longueurs plus ou moins importantes. En sortie de canalisation, le fluide transporté est reçu dans un ballon de séparation dans lequel s'opère une décantation naturelle du fluide polyphasique en ses différentes phases. La phase liquide est extraite au fond du ballon et transportée jusqu'à des installations de séparation et de traitement, tandis que la phase gazeuse est prélevée à la partie supérieure du ballon et est traitée et comprimée avant utilisation locale ou transport. La présente invention a pour objet de déterminer les débits de liquide et de gaz qui traversent la canalisation, grâce à la mesure de la longueur et de la vitesse desdits bouchons et desdites poches. La connaissance des caractéristiques des bouchons et des poches permet, grâce à une régulation adéquate: - d'éviter l'arrivée au ballon de séparation de grandes poches de gaz, ce qui obligerait à diriger l'excès de gaz vers les torchères o il serait brûlé en pure perte, - de maintenir dans le ballon de séparation un niveau relativement stable de la phase liquide et d'éviter donc son engorgement par suite de l'arrivée d'un bouchon liquide de grande longueur, - et d'optimiser les dimensions du ballon et des équipements de traitement qui, jusqu'à présent, devaient être surdimensionnés pour pouvoir absorber les fluctuations importantes des effluents. L'invention concerne un procédé de mesure des quantités de gaz et de liquides contenues dans un fluide polyphasique circulant dans une canalisation, par exemple dans un effluent recueilli à la sortie d'un puits de pétrole et qui est acheminé vers un ballon de séparation dans lequel les phases gazeuse et liquide sont séparées puis envoyées à des équipements de traitement respectifs, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: - à exciter mécaniquement la canalisation en amont dudit ballon de séparation en appliquant en au moins deux zones de sa surface extérieure une excitation de type vibratoire ou acoustique, chaque zone excitée constituant une zone de mesure, - à enregistrer en au moins un point par zone de mesure les vibrations mécaniques transmises via la canalisation, - à traiter lesdites vibrations et à les analyser afin d'en déduire des informations sur la présence de poches de gaz et/ou bouchons liquides dans le fluide polyphasique ainsi que sur la longueur et la vitesse de déplacement desdits bouchons liquides et poches de gaz, - et à asservir auxdites informations, les débits d'entrée de la phase gazeuse et de la phase liquide dans lesdits équipements de traitement respectifs afin de ne pas dépasser leur capacité de traitement ou de stockage. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé susmentionné, caractérisé en ce qu'il comprend: - un excitateur mécanique ou acoustique par zone de mesure, permettant d'appliquer à la canalisation, en au moins deux zones de sa surface extérieure, une vibration mécanique, ledit excitateur étant monté en amont dudit ballon de séparation, - au moins un capteur par zone de mesure disposé au voisinage de la canalisation, à l'extérieur de celle-ci, ledit capteur étant susceptible de recueillir les informations vibratoires et/ou acoustiques qui lui parviennent via la canalisation, en provenance de l'excitateur, un appareillage de traitement et d'analyse qui permet de déduire desdites informations vibratoires des informations sur la teneur en gaz et en liquide (huile et eau) du fluide polyphasique, ainsi que sur la longueur et la vitesse de déplacement des bouchons liquides et des poches d'air, et un appareillage de contrôle permettant d'asservir les vannes d'entrée desdits équipements pétroliers, de manière à réguler le débit d'entrée de ces phases en fonction de la capacité de stockage ou de traitement desdits équipements. L'invention sera à présent décrite en détail en regard des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre schématiquement une installation de transport d'hydrocarbures depuis un puits de production jusqu'aux équipements de traitement; la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une canalisation de transport d'un fluide polyphasique et du dispositif d'une zone de mesure selon l'invention; la figure 3 montre un signal brut relevé par un capteur, avant traitement; et la figure 4 montre le signal après traitement. L'installation représentée sur la figure 1 comprend un puits de pétrole 10, par exemple sous-marin, d'o le fluide polyphasique est acheminé, par une canalisation en acier 12, jusqu'à des unités de traitement se trouvant sur la côte. Celles-ci comprennent un ballon de séparation 14 o le fluide est reçu pour subir une décantation. L'entrée du ballon est commandée par une vanne d'admission 16. Après décantation, l'huile et l'eau sont soutirées au fond du ballon par deux canalisations 18 et 19. L'huile est conduite à travers une vanne 20 vers des installations de séparation et traitement S situées en aval et l'eau est traitée avant rejet à la mer ou réinjection. La phase gazeuse est amenée à un compresseur C par une canalisation 22 commandée par une vanne 24. En cas d'excès de gaz dans le ballon, une partie du gaz est dérivée par la vanne 25 vers la torchère T o elle est brûlée. Pour optimiser le fonctionnement des équipements pétroliers e t éviter e n particulier leur surdimensionnement, on utilise, selon l'invention, le dispositif de mesure de débit et d'asservissement qui est illustré par la figure 2. Sur cette figure, on a représenté un tronçon de canalisation 12 situé en amont du ballon de séparation 14. Le dispositif selon l'invention comprend un excitateur 26 qui permet d'appliquer à la canalisation des excitations vibratoires et acoustiques. L'excitateur peut être alimenté en énergie électrique, pneumatique ou hydraulique. Il peut être constitué par un impacteur, un pot vibrant, ou des pastilles piézoélectriques en céramique. L'excitateur 26 applique une excitation vibratoire sur un point de la surface extérieure de la canalisation. Une jauge de contrainte ou capteur d'effort 28 est prévue pour vérifier le bon fonctionnement en niveau d'énergie et en fréquence de l'excitateur. A proximité de l'excitateur est disposé à l'extérieur de la canalisation 12, au moins un capteur 30, qui recueille les informations vibratoires et acoustiques qui lui parviennent à travers la canalisation. Ces informations sont transformées en signaux électriques qui sont représentatifs des caractéristiques de la canalisation et du fluide polyphasique transporté. Ces signaux permettent donc de déterminer la composition instantanée du fluide passant au droit du capteur, et en particulier la présence de poches de gaz ou de bouchons liquides dans le fluide. La figure 3 montre un enregistrement obtenu lors du passage d'un bouchon liquide. A ce moment en effet, la résonance qui est due au passage d'une poche d'air disparaît. Il en résulte une diminution de l'énergie vibratoire recueillie par le capteur et l'apparition de creux 34, 36 dans les enveloppes supérieure et inférieure de l'enregistrement. L'interprétation du signal brut de la figure 3 étant difficilement exploitable, ce signal est traité dans un dispositif de traitement 40 qui forme l'enveloppe inverse du signal temporel et qui filtre le signal afin d'en éliminer les parasites. La figure 4 montre un exemple de signal traité. Le signal ainsi traité est reçu par un dispositif de contrôle 42, lequel l'envoie à un affichage 44 et à un dispositif d'asservissement 46. Celui-ci commande les vannes 16, 20, 24 (seule la vanne 16 représentée sur la figure 2 pour la clarté du dessin), régulant ainsi le passage des différentes phases de l'effluent vers le ballon de séparation 14, vers le compresseur C et vers les installations de séparation et de traitement S. On notera que deux zones de mesure au minimum sont nécessaires pour obtenir les caractéristiques de longueur et de vitesse d'un bouchon liquide ou d'une poche de gaz. L'invention permet de déterminer par des mesures non intrusives et non radioactives les quantités de liquide et de gaz débitées contenues dans un fluide polyphasique grâce à la mesure de la longueur et de la vitesse des bouchons liquides et des poches de gaz qui se forment dans ledit fluide. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des quantités de gaz et de liquides contenues dans un fluide polyphasique circulant dans une canalisation, par exemple dans un effluent recueilli à la sortie d'un puits de pétrole et qui est acheminé vers un ballon de séparation dans lequel les phases gazeuse et liquide sont séparées puis envoyées vers des équipements de traitement respectifs, caractérisé en ce qu'il consiste: - à exciter mécaniquement la canalisation en amont dudit ballon de séparation en appliquant en au moins deux zones de sa surface extérieure une excitation de type vibratoire ou acoustique, chaque zone excitée constituant une zone de mesure, - à enregistrer en au moins un point par zone de mesure les vibrations mécaniques transmises via la canalisation, - à traiter lesdites vibrations et à les analyser afin d'en déduire des informations sur la présence de poches de gaz et/ou bouchons liquides dans le fluide polyphasique ainsi que sur la longueur et la vitesse de déplacement desdits bouchons liquides et poches de gaz, - et à asservir auxdites informations les débits d'entrée de la phase gazeuse et de la phase liquide dans lesdits équipements de traitement respectifs afin de ne pas dépasser leur capacité de traitement ou de stockage. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - un excitateur mécanique ou acoustique (26) par zone de mesure permettant d'appliquer à la canalisation (12) en au moins deux zones de sa surface extérieure une vibration mécanique, ledit excitateur étant monté en amont dudit ballon de séparation (14), au moins un capteur par zone de mesure (30) disposé au voisinage de la canalisation, à l'extérieur de celle- ci, ledit capteur étant susceptible de recueillir les informations mécaniques et/ou acoustiques qui lui parviennent le long de la canalisation, en provenance de l'excitateur, - un appareillage de traitement et d'analyse (40) qui permet de déduire desdites informations mécaniques et/ou acoustiques, des informations sur la teneur en gaz et en liquide (huile et eau) du fluide polyphasique, ainsi que sur la longueur et la vitesse de déplacement des bouchons liquides et des poches d'air, deux zones de mesures au moins étant nécessaires pour accéder aux informations longueur et vitesse, - et un appareillage de contrôle (42) permettant d'asservir des vannes d'entrée desdits équipements pétroliers (14, C, S), de manière à réguler le débit d'entrée de ces phases en fonction de la capacité de stockage ou de traitement desdits équipements. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une jauge de contrainte ou capteur d'effort (28) pour mesurer l'intensité et la fréquence de la vibration émise par l'excitateur (26).