Brevet FR2710752A1 — publié le 19950407

La présente invention se rapporte à un appareil de mesure de caractéristiques thermodynamiques d'un échantillon d'hydrocarbures, plus particulièrement destiné à fournir des mesures thermodynamiques concernant un échantillon de fluide de gisement provenant d'un puits pétrolier. A la découverte d'un champ pétrolier on procède périodiquement à un prélèvement d'un échantillon du fluide de gisement afin de pouvoir mesurer les diverses caractéristiques physiques et thermodynamiques du fluide. Ces mesures permettent de caractériser le fluide de gisement et ainsi d'optimiser la production du puits en prévoyant des installations de surface mieux adaptées au traitement des fluides produits en prévoyant le comportement du fluide à l'intérieur du gisement au cours de la production, ainsi que son comportement aux conditions de surface au cours de son exploitation. Les mesures prises sur l'échantillon permettent de connaître la composition du fluide de gisement ainsi que ses caractéristiques physiques telles que sa viscosité ou sa compressibilité. Les mesures prises permettent également de prévoir l'évolution de la composition du gaz dans le gisement et de déterminer des mécanismes de drainage et de récupération. De plus, en déterminant l'évolution du fluide de gisement dans les conditions de température et de pression existant en fond de puits, les mesures permettent à prédire la durée de production du puits. En effet, la pression du fluide dans la roche réservoir décroît en fonction de la production du puits et peut ainsi baisser jusqu'à un niveau o les gaz présents dans la roche réservoir commencent à se condenser. L'échantillonnage du fluide de gisement, ainsi que la mesure des caractéristiques de ce fluide, doivent être effectués dans des conditions très précises car le volume prélevé pour l'analyser ne représente qu'une infime partie du fluide dans la roche réservoir, et les propriétés physiques mesurées ne pourront être valablement extrapolées au gisement lui-même que si cette fraction est elle-même représentative de l'ensemble et si les mesures prises sont exactes. Il existe deux façons de prélever des échantillons du fluide de gisement; l'échantillonnage de fond qui s'effectue généralement pour des gisements d'huile, et l'échantillonnage de surface qui comprend un prélèvement effectué au niveau du séparateur de test gaz-huile. Dans ce dernier cas on prélève deux échantillons, l'un de gaz et l'autre d'huile, les deux dans les conditions de pression et de température du séparateur qui sont de l'ordre de 40 bars et 30 C, c'est-à-dire nettement inférieures à celles existant en fond de puits. Ensuite on procède à une reconstitution du fluide de gisement en recombinant les fractions liquide et gazeuse dans les conditions de pression et de température du fond de puits afin de mesurer les diverses caractéristiques de l'échantillon. Ces mesures sont normalement effectuées en laboratoire loin du chantier de forage en utilisant un appareil de mesure muni de cellules dans lesquelles sont appliquées les températures et les pressions de fond de puits. Dans les appareils de mesure connus, les cellules de mesure sont reliées à une source de mercure permettant la mise sous pression du fluide. L'utilisation de mercure présente des inconvénients évidents compte tenu de sa toxicité, mais, en outre, les systèmes à base de mercure ne permettent pas de mesurer, avec une précision suffisante, les volumes du fluide de gisement. La présente invention a donc pour objet un appareil de mesure des caractéristiques d'un échantillon d'hydrocarbures qui est de précision accrue et qui ne nécessite pas l'utilisation d'éléments toxique tel le mercure. Pour se faire l'invention propose un appareil de mesure de caractéristiques thermodynamiques d'un échantillon d'hydrocarbures comprenant au moins une cellule de mesure destinée à être reliée sélectivement à une jauge à gaz; la jauge à gaz étant susceptible d'être reliée sélectivement à un ensemble de récupération de gaz et un ensemble de stockage de liquide, la cellule de mesure comprenant un ensemble piston-cylindre, le piston étant déplaçable dans le cylindre sous l'action d'un vérin. De plus, dans les appareils connus jusqu'alors, le point de rosée est défini visuellement dans une cellule à hublot par endoscopie. Cette technique dont l'appréciation est subjective entraîne inéluctablement une marge d'erreur non négligeable. La présente invention a également pour objet un appareil de détection qui permet de déterminer, avec une précision accrue, le point de rosée d'un gaz échantillonné. Pour se faire l'invention propose un appareil de détection gaz-liquide disposé dans une cellule de mesure de l'appareil de mesure, ledit appareil de détection comportant un élément tubulaire en matériau transparent, comprenant une extrémité conique destinée à faire saillie à l'intérieur de la cellule, l'élément tubulaire étant muni d'une entrée et d'une sortie pour une signal lumineux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un appareil de mesure selon l'invention; - les figures 2A et 2B sont chacune une vue en coupe longitudinale, d'un appareil de détection gaz-liquide par fibre optique. Comme représenté sur la figure 1 un appareil de mesure des paramètres thermodynamiques d'un échantillon d'hydrocarbures, représenté généralement en 10, comporte une première 12 et une deuxième 14 cellule haute pression. Chaque cellule est montée verticalement et comprend une enceinte généralement cylindrique 16,18 en acier inoxydable, munie d'un piston 20, 22 monté à coulissement étanche. Les pistons 20, 22 sont déplaçables à l'intérieur des enceintes 16,18 sous l'effet des ensembles verins vis à billes 24, 26 respectivement, chaque ensemble 24, 26 étant entraîné par un moteur électrique associé 28, 30. Les cellules 12 et 14 sont dimensionnées pour une pression de service de 1500 bars et une température de 230 C et sont reliées ensemble par des conduits 32 et 34 munis chacun de deux vannes motorisées 36, 38 et 40, 42. La partie inférieure de chaque cellule 12, 14 est munie d'un appareil de détection gaz-liquide par fibre optique 44, respectivement qui sera décrit plus en détail ci-après et d'un système d'agitation par ultrasons 48, 50 respectivement qui comprend une cellule piezo-électrique reliée à un amplificateur d'ultrasons (non-représenté). Dans l'exemple illustré, la cellule 12 a un volume de 700 cm3 tandis que la cellule 14 a un volume de 110 cm3. Les cellules 12 et 14 sont munies de capteurs de pression internes 52, 54 à membrane affleurente, sans volume mort, répondant à une gamme de 0 à 2000 bars et de capteurs de pression 56, 58 analogues, répondant à une gamme de 0 à 2000 bars, reliés respectivement aux cellules 12 et 14 par des conduites comportant des vannes manuelles volume mort réduit 60 et 62. Les cellules 12, 14 comportent chacune de plus une sonde de température 64, 66. Une vanne motorisée 68, disposée dans un conduit 70 débouchant dans la cellule 12 est destinée à commander l'entrée de fluide dans la cellule. Le conduit 34 est relié, en un point entre les vannes 40 et 42, par un conduit 72 muni d'une vanne motorisée 74, à une vanne différentielle 76, dont l'ouverture est commandée par un ensemble moteur 78 analogue à ceux utilisés dans les cellules 12 et 14, comportant un capteur de pression 80. La vanne différentielle 76 est destinée à relier sélectivement le conduit 72 à une jauge de gaz, représentée généralement en 82 et un ensemble de traitement par le froid, représenté généralement en 84. La jauge à gaz 82 comprend une cellule 86 de forme généralement cylindrique muni d'un piston 88 monté à coulissement étanche et déplaçable sous l'effet d'un ensemble verins vis à billes 90 entraîné par un moteur électrique 92. La cellule 86 comprend un capteur de pression 94 et une sonde de température 96. Dans l'exemple illustré la cellule 86, qui a un volume de 20 litres, est dimensionnée pour une pression maximale statique de 15 bars et une température de 230 C pour une pression de service de 4 bars. La cellule 86 peut être reliée sélectivement à un ensemble de récupération de gaz qui, dans l'exemple illustré, comprend des bouteilles 98, par un conduit de 100 muni d'une vanne motorisée 102. De plus, la cellule 86 peut être reliée sélectivement à l'ensemble de traitement par le froid 84 par un conduit 104 munie d'une vanne motorisée 106. Cet ensemble 84 comprend une vanne 108 de type chromatographe, susceptible de communiquer sélectivement avec le conduit 104, la vanne différentielle 76 par l'intermédiaire d'un conduit 110, et une entrée commune 112 d'un ensemble de stockage de liquide 114 qui, dans l'exemple illustré, comprend six bouteilles 116 disposées dans un bain thermostatique 118 au glycol qui assure le refroidissement et le réchauffement sélectif des bouteilles 116 entre, par exemple, -30 C et 50 C. De préférence, l'ensemble de stockage de liquide 114 est disposé à l'intérieur d'une enceinte climatique, non représentée, une autre enceinte climatique, non-représentée, renfermant les cellules 12 et 14, la vanne différentielle 76 et la jauge à gaz 82. Comme représenté sur les figures 2A et 2B, un appareil de détection gaz-liquide par fibre optique 44 est monté sur l'extrémité inférieure d'une partie conique 120 de chacune des cellules 12 et 14. Chaque appareil 44 comprend un élément 122 tubulaire ayant une extrémité conique 124 qui fait saillie dans une chambre de détection 126 formée dans l'apex de la partie conique des cellules 12 et 14. L'élément 122 est en matériau transparent qui, dans une mode de réalisation préféré, est du saphir. L'extrémité 128 de l'élément tubulaire 122, opposée à l'extrémité conique 124, définit un plan normal à l'axe longitudinal de cet élément. Cette extrémité est en communication optique avec deux câbles fibre optique 130, 132, l'une 130 formant une entrée de lumière vers l'élément 122 et l'autre 132 une sortie de lumière. Sur la figure 2A est représenté l'appareil de détection gaz-liquide 44 en l'absence de liquide dans la chambre de détection 126, la cellule 12 ne contenant que du gaz. Un signal lumineux, arrivant par le câble fibre optique d'entrée 130, est réfléchi par la surface inclinée de l'extrémité conique 124 et repart par le câble fibre optique de sortie 132. Lorsque les conditions dans la cellule 12 provoquent une condensation du gaz présent dans la cellule, des gouttelettes de liquide se forment et s'accumulent dans la chambre de détection 126. Dès lors que des gouttelettes de liquide se déposent sur la surface de l'extrémité conique 124, le rayon du signal lumineux, arrivant par le câble fibre optique d'entrée 130 est réfracté vers l'extérieur de l'élément 122, ce qui a pour résultat qu'il n'y a plus de signal de retour passant par le câble fibre optique de sortie 132. L'appareil de détection permet, ainsi, de déterminer avec une précision accrue, le point de rosée du gaz échantillonné. Le volume de liquide présent dans la chambre de détection 126, avant que le niveau du liquide n'atteigne la surface conique 124, est égal au volume mort de la cellule 12. Il est à rappeler que la forme du piston 12 est complémentaire de celle de l'intérieur de l'enceinte cylindrique 16. Ce volume mort, déterminé avant toute utilisation de l'appareil, est négligeable par rapport au volume de l'enceinte cylindrique 16. De préférence, les pistons 20 et 22 comprennent chacun un corps et une tête (non représentés), un joint d'étanchéité étant serré entre le corps et la tête. Ce joint d'étanchéité comprend plusieurs rondelles en matières plastiques différentes. L'appareil de mesure selon l'invention permet d'atteindre des niveaux de pression et de température nettement supérieurs à ceux utilisés dans les appareils connus jusque là. REVENDICATIONS 1 - Appareil de mesure de caractéristiques thermodynamiques d'un échantillon d'hydrocarbures comprenant au moins une cellule de mesure (12;14) destinée à être reliée sélectivement à une jauge à gaz (82); la jauge à gaz étant susceptible d'être reliée sélectivement à un ensemble de récupération de gaz (98) et un ensemble de stockage de liquide (114), la cellule de mesure (12;14) comprenant un ensemble piston-cylindre (16;20; 118;22), le piston étant déplaçable dans le cylindre sous l'action d'un vérin (24;26). 2 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que la forme du piston (20;22) est complémentaire de celle de l'intérieur du cylindre (16;18) afin de réduire à un minimum le volume mort de l'ensemble piston-cylindre. 3 - Appareil selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le vérin (24;26) est un vérin vis à billes (24;26). 4 - Appareil selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend deux cellules (12;14) chacune étant susceptible d'être reliée à la jauge à gaz (82), les deux cellules étant agencées pour être reliées sélectivement entre elles. - Appareil selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un appareil de détection gaz-liquide disposé dans une cellule de mesure de l'appareil de mesure, ledit appareil de détection comportant un élément tubulaire (122), en matériau transparent, comprenant une extrémité conique (124) destinée à faire saillie à l'intérieur de la cellule, l'élément tubulaire étant muni d'une entrée (130) et d'une sortie (132) pour un signal lumineux. 6 - Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'élément tubulaire (122) est formé du saphir.