Brevet FR2764065A1 — publié le 19981204

À Procédé et dispositif pour la caractérisation d'effluents de forages pétroliers L'invention concerne les mesures relatives à la composition des effluents de puits pétrolier, constitués de fluides multiphasiques comprenant typiquement trois phases: deux phases liquides - pétrole brut et eau - et une phase gazeuse à base d'hydrocarbures, et plus particulièrement les mesures de l'atténuation de rayons gamma par le fluide. L'invention concerne également l'association de telles mesures avec des mesures de débit, dans le but de déterminer le débit des différentes phases. La pratique traditionnelle dans l'industrie pétrolière consiste à séparer l'effluent en ses phases constitutives et à effectuer les mesures sur les phases ainsi séparées. Mais cette technique requiert la mise en place sur le site de séparateurs, équipements coûteux et volumineux, ainsi que, dans le cas des essais de puits, de conduites supplémentaires. De nombreuses propositions ont été avancées pour le développement de techniques qui permettraient d'éviter le recours à ces séparateurs. On trouvera un exposé de ces développements dans la publication SPE 28515 (SPE Annual Technical Conference, la Nouvelle Orléans, 25-28 septembre 1994) de J.Williams "Status of Multiphase Flow Measurement Research". Parmi ces propositions, le brevet US 4 788 852 décrit un appareil qui comprend un dispositif de mesure d'atténuation de rayonnements gamma, ce dispositif étant associé à un capteur de débit total à venturi et étant situé au niveau de la restriction du venturi. Un appareil de ce type est également décrit dans la demande de brevet WO 94/25859 et la publication SPE 36593 "Multiphase Flow Measurement Using Multiple Energy Gamma Ray Absorption (MEGRA) Composition Measurement" de Scheers, A.M. et Slijkerman, W.F.J., du 6 octobre 1996. 2 2764065 L'invention vise à fournir de telles mesures d'atténuation de rayons gamma de manière avantageuse, particulièrement bien adaptées à l'association avec des mesures de débit utilisant l'effet venturi. Selon un aspect, l'invention concerne un procédé pour caractériser un effluent de forage pétrolier, formé d'un mélange fluide multiphasique comprenant habituellement de l'eau, du pétrole et du gaz, caractérisé par le fait qu'on émet au moyen d'une source de Gadolinium 153 des rayons gamma à un premier niveau d'énergie de l'ordre de 100 kev et à un second niveau d'énergie de l'ordre de 40 kev, et on mesure l'atténuation des rayons gamma à ces deux niveaux d'énergie après transmission dans l'effluent. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés. La liste des dessins est la suivante: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de mesure destiné à caractériser un effluent de forage pétrolier, incluant une section venturi et un dispositif de mesure d'atténuation de rayons gamma; - la figure 2 montre en coupe longitudinale une forme de réalisation du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une vue de détail montrant à plus grande échelle une partie du dispositif représenté à la figure 2; - la figure 4 illustre schématiquement une section venturi telle que représentée aux figures 2 et 3, équipée pour une utilisation semi-périodique. La figure 1 représente de façon très schématique un dispositif de débitmétrie adapté aux effluents de puits pétrolier. Le dispositif comprend une section de conduite 10 comprenant un venturi convergent 11 dont la partie la plus resserrée 12 est appelée la gorge. Dans l'exemple représenté, la section de conduite 10 est disposée selon la verticale et l'écoulement d'effluent est ascendant, comme le symbolise la flèche F. 3 2764065 La restriction de la section d'écoulement dans le venturi induit une chute de pression Ap entre le niveau 13 situé en amont du venturi, à l'entrée de la section de mesure, et la gorge 12. Cette chute de pression est liée au débit s massique total Q et à la densité Pm du fluide par la relation: K.Q2() Ap = P + pm g hv (1) Pm +mh g étant l'accélération de la pesanteur, hv désignant la distance entre le niveau amont 13 et la gorge 12, et K étant une constante liée essentiellement à la géométrie du venturi, qui vaut: K 1- I4 2C2A2 o P est le rapport de restriction du venturi, c'est-à-dire le rapport entre le diamètre à la gorge et le diamètre en amont du venturi, C le coefficient de décharge, et A la section à la gorge. Le terme pm g hv est généralement petit voire négligeable. En posant Ap* = AP Pm g hv la relation (1) devient: Q= k (Ap*.pm)1/2 (2) avec k = K- 1/2 La densité Pm est mesurée à la gorge du venturi. Ceci est lié à la validité de la relation (2) pour la raison suivante. L'accélération, et par suite la chute de pression, subies par le fluide dans le venturi se produisent de façon privilégiée dans la région voisine de la gorge, du fait que la vitesse, étant proportionnelle au carré du diamètre, augmente considérablement dans cette 4 2764065 région. La relation (2) suppose normalement un fluide monophasique. Elle reste convenablement applicable à un fluide multiphasique si la densité Pm est mesurée à la gorge. Cela est d'autant plus vrai que l'effet venturi est plus prononcé et pour cette raison, une valeur appropriée pour le rapport de restriction est f3 = 0,5. Avec un diamètre de conduite de 10 cm, le diamètre à la gorge est alors 5 cm. Le coefficient de décharge C vaut environ 1. Il dépend, faiblement et de façon modélisable, des propriétés du fluide.Traditionnellement, cet effet correctif est pris en compte par le nombre de Reynolds. La mesure de la chute de pression Ap est réalisée au moyen d'un capteur de pression différentielle 15 relié à deux prises de pression 16, 17 débouchant dans la section de mesure respectivement au niveau amont 13 et dans la gorge 12 du venturi. En variante, cette mesure peut également être effectuée au moyen de deux capteurs de pression absolue reliés respectivement aux prises de pression 16 et 17. La densité du mélange fluide Pm est déterminée au moyen d'un capteur qui mesure l'atténuation de rayonnements gamma, comportant une source 20 et un détecteur 21 placés de part et d'autre de la gorge 12 du venturi. Celle-ci est munie de "fenêtres" en matériau faiblement absorbant pour les photons aux énergies considérées. La source 20 produit des rayons gamma à deux niveaux d'énergie différents, appelés ci- après le niveau "haute énergie" et le niveau "basse énergie". Le détecteur 21, qui comprend de façon classique un cristal scintillateur tel que NaI et un photomultiplicateur, produit deux séries de signaux Whi et W1o dits taux de comptage, représentatifs du nombre de photons détectés par période d'échantillonnage dans des plages d'énergie encadrant respectivement les niveaux susvisés. 2764065 Ces niveaux d'énergie sont tels que le taux de comptage "haute énergie" Whi est essentiellement sensible à la densité Pm du mélange fluide, cependant que le taux de comptage "basse énergie" Wo est également sensible à sa composition, et permet de déterminer la teneur en eau de la phase liquide. De façon préférée, le niveau "haute énergie" est situé dans une plage de 85 à kev. Ce niveau d'énergie présente, pour la caractérisation des effluents pétroliers, une propriété remarquable, à savoir que le coefficient d'atténuation massique des rayons gamma y est sensiblement le même pour l'eau, le chlorure de sodium et le pétrole, de l'ordre de 0,17 cm2/g. Il en résulte que l'atténuation "haute énergie" permet de déterminer la densité Pm du mélange fluide, sans qu'il soit nécessaire pour cela de procéder à des mesures auxiliaires pour déterminer les propriétés (coefficients d'atténuation et densités) des phases individuelles du mélange fluide. L'atténuation mesurée par le détecteur 21 s'exprime en effet par la relation: A = Dv.Vm.Pm (3) o Dv est la distance parcourue dans le fluide, c'est-à-dire en l'occurrence le diamètre à la gorge du venturi, et Vm est le coefficient d'atténuation massique du mélange fluide. Comme, au niveau d'énergie indiqué ci-dessus, les coefficients d'atténuation massique de l'eau et du pétrole ont des valeurs sensiblement identiques, et que par ailleurs la contribution du gaz est négligeable en raison de sa très faible densité, le coefficient d'atténuation massique Vm, et donc le produit Dv.vm figurant dans la relation (3), peut être considéré comme sensiblement constant, indépendant des densités Po et pw des phases pétrole et eau. Dans ces conditions, l'atténuation "haute énergie" Ahi est un indicateur très avantageux de la densité Pm du mélange. 6 2764065 Un matériau approprié pour produire des rayons gamma "haute énergie" dans la plage d'énergie considérée et des rayons "basse énergie" est le gadolinium 153. Ce radioisotope comporte une raie d'énergie de l'ordre de 100 kev et convient parfaitement en tant que source "haute énergie". Le gadolinium 153 comporte en outre une raie à environ 40 kev, qui convient pour le niveau "basse énergie" servant à déterminer la teneur en eau. Ce niveau offre un bon contraste entre l'eau et l'huile, les coefficients d'atténuation y étant sensiblement différents: des valeurs typiques sont 0,228 cm2/g pour le pétrole et 0,291 cm2/g pour l'eau de mer. Il est en outre à la fois bien séparé du niveau "haute énergie" et nettement au-dessus du niveau de bruit du détecteur. Il est à noter, au sujet du capteur d'atténuation de rayons gamma décrit ci- dessus, que d'autres usages que celui décrit ci-dessus sont envisageables. Ce capteur peut être utilisé seul, pour fournir la teneur en eau, auquel cas le capteur peut être monté dans une section de conduite droite, ou bien combiné avec un capteur de débit d'un autre type que le capteur à venturi. Comme exemple de tels capteurs, on peut citer en particulier les dispositifs dans lesquels, comme dans le cas du venturi, on provoque une variation de vitesse de l'écoulement et on mesure la chute de pression résultante (plaques à orifices). On a représenté par ailleurs à la figure 1 un capteur de pression 22 relié à une prise de pression 23 débouchant dans la gorge 12 du venturi, lequel capteur produit des signaux représentatifs de la pression Pv dans la gorge du venturi, et un capteur de température 24 produisant des signaux T représentatifs de la température du mélange fluide. Les données Pv, T servent notamment à déterminer la densité de gaz pg dans les conditions de l'écoulement et le débit de gaz qg dans les conditions normales de pression et de température à partir de la valeur de ce débit dans les conditions de l'écoulement, déterminée comme décrit ci- après. Il est préférable à cet égard que la pression soit 7 2764065 mesurée à la gorge du venturi. En revanche, le point de mesure est indifférent en ce qui concerne la température. Enfin, on a représenté sous la forme du bloc 30 une unité d'acquisition et de traitement de données à laquelle sont appliqués les signaux issus des capteurs mentionnés ci-dessus. Description en référence aux figures 2 et 3 La figure 2 montre en coupe un exemple de réalisation de la section venturi schématisée à la figure 1, et la figure 3 montre plus en détail l'assemblage des éléments 20, 21 du dispositif de mesure d'atténuation gamma à la gorge du venturi. On désignera les éléments homologues des éléments de la figure 1 par le même chiffre de référence augmenté de 100. La section venturi 110 comporte ainsi un convergent 111 dont la gorge 112 est la partie la plus resserrée. On voit sur la figure 2 des orifices de prise de pression 116, disposés au niveau amont 113 du venturi. D'autres orifices de prise de pression 117 se trouvent au niveau de la gorge 112. Ces orifices sont munis chacun d'un alésage 125 débouchant dans la gorge 112 et un trou taraudé 126 de plus grand diamètre dans lequel on peut fixer l'embout d'un conduit, non représenté, afin de mettre en communication l'écoulement avec, selon le cas, un capteur de pression différentielle ou de pression absolue tels que les capteurs 15, 22 mentionnés en référence à la figure 1. Le nombre d'orifices est optionnel. On a représenté sur la figure 2 deux paires d'orifices 116 disposés à 90 , mais un seul orifice 116 suffit pour obtenir une mesure convenable. La figure 2 montre le dispositif de mesure d'atténuation de rayons gamma, formé d'un bloc-source 120 et d'un bloc-détecteur 121, assemblé à la section venturi. Ces éléments ont leur axe longitudinal 118 disposé 8 2764065 perpendiculairement à l'axe 114 de la section venturi au niveau de la gorge 112 et sont représentés en coupe longitudinale sur la figure 3. La figure 3 montre plus en détail d'une part les logements 130 et 131 débouchant dans la paroi extérieure du venturi et munis de filetages pour y visser respectivement le bloc-source 120 et le bloc- détecteur 121, et d'autre part les logements 132 et 133 débouchant dans la paroi intérieure du venturi et recevant les "fenêtres" (pièces en matériau à faible atténuation des rayons gamma) 134 et et les éléments associés. Chaque fenêtre est maintenue en place par un élément tubulaire 136 vissé dans une portion filetée de plus grand diamètre 137 du logement correspondant, et un joint d'étanchéité 138 maintenu contre un épaulement du logement. Cet agencement des fenêtres assure une barrière d'étanchéité et permet de réaliser le bloc-source 120 et le bloc- détecteur 121 sous forme d'éléments amovibles qui peuvent être démontés en toute sécurité. Selon une forme de réalisation appropriée, les fenêtres 134 et 135 sont formées de béryllium, matériau présentant une faible atténuation des rayons gamma aux énergies considérées, revêtu d'une couche protectrice d'hydrure de bore, matériau hautement résistant à la corrosion et à l'usure et également doté d'une faible atténuation des rayons gamma. Il est à noter que les fenêtres 134 et 135, décrits ci- dessus comme des éléments distincts, peuvent également être réalisées sous la forme de portions distinctes, diamétralement opposées, d'une pièce unique de forme annulaire logée dans un évidement de forme correspondante ménagé à l'intérieur de la section venturi. Dans ce cas, le joint d'étanchéité aurait bien entendu une géométrie annulaire adaptée. Le bloc-source 120 tel que représenté à la figure 2 est adapté à l'utilisation d'un radioisotope de durée de vie brève, tel que le gadolinium 153 mentionné plus haut dont la durée de demi-vie est d'environ 7 mois, car il permet de compenser le déclin de l'activité de la source en diminuant sa distance à la gorge 112 de la section venturi. Dans la forme de réalisation représentée, le bloc-source comprend un corps de forme tubulaire ménageant un alésage central, fermé par un bouchon 9 2764065 141 du côté opposé à la section venturi 110, et muni à l'autre extrémité d'une portion 142 de plus petit diamètre destinée à être vissée dans le logement 130 susvisé, cette portion 142 portant sur sa face avant un joint d'étanchéité torique 143. L'alésage central est fermé à son extrémité, au niveau de la portion 142, par une pièce 144 en matériau à faible atténuation des rayons gamma, qui prend appui sur une bague 145. La source proprement dite 146, de préférence une source de gadolinium 153 ayant une activité par exemple de 100 millicuries, est centrée dans l'alésage central, et est déplaçable selon l'axe longitudinal 118 au moyen d'un bouton de réglage 147. Le bouton 147 est monté à l'extrémité d'une vis sans fin 148 excentrée par rapport à l'axe 118. La vis 148 est supportée à une extrémité par la bague 145, munie d'un évidement prévu à cet effet, et est fixée à son autre extrémité à une tige 149 qui traverse le bouchon 141 et forme l'axe du bouton de réglage 147. La source 146 est fixée à une pièce porte-source 150 dont la forme épouse d'un côté la paroi intérieure du corps tubulaire 140 de façon à pouvoir coulisser à l'intérieur du corps tubulaire, et qui est munie de dentures adaptées à être en prise avec la vis sans fin 148. On peut ainsi déplacer la source 146 en translation à l'intérieur du corps tubulaire 140, en particulier pour la rapprocher de la section venturi, en tournant le bouton de réglage 147. Cette manoeuvre permet de compenser la baisse d'activité dans le temps de la source, dans la forme de réalisation o il s'agit de gadolinium 153. Un autre intérêt de cet agencement, indépendant du type de source utilisé, est qu'il permet d'adapter le flux de photons émis par la source 146 à la nature - donc aux caractéristiques d'atténuation - du fluide multiphasique circulant dans la section venturi. Il est à noter que tout déplacement de la source 146 implique une nouvelle mesure des taux de comptage "à vide" Whi,o et Wl,o, puisque le flux de photons atteignant le détecteur est modifié par le déplacement de la source. ]0 2764065 Le bloc-détecteur 121 comporte, à l'instar du bloc-source 120, un corps de forme généralement tubulaire 160 fermé à une extrémité par un bouchon 161 et comportant à 1' autre extrémité, pour 1' assemblage à la section venturi, une portion 162 de plus petit diamètre extérieur, destinée à être vissée dans le logement 131 susvisé. La portion 162 est traversée par un alésage 164 comportant deux portions de diamètres différents de manière à former un épaulement 165 sur lequel prend appui d'un côté une bague 167 en matériau faiblement absorbant pour les photons aux énergies émises par la source 146, la bague 167 étant en butée de l'autre côté contre l'épaulement du logement 131. Dans le corps tubulaire 160 est disposé un boîtier 175 dont la forme extérieure cylindrique lui permet de coulisser axialement par rapport au corps , un ressort hélicoïidal étant monté entre le boîtier 175 et un évidement pratiqué dans le bouchon 161. Ce boîtier contient une unité de détection 177, 178 composée comme on l'a dit plus haut d'un cristal scintillateur, par exemple en iodure de sodium, et d'un photomultiplicateur. Le circuit de traitement des impulsions mentionné plus haut, et non représenté, est intégré à cette unité de détection et donc placé à l'intérieur du boîtier 175. Des conducteurs, repérés globalement par la référence 179, relient l'unité de détection à une source d'alimentation extérieure et à l'unité de traitement de données 30. Description en référence à la figure 4 La vue en coupe de la figure 4 illustre un mode d'utilisation avantageux d'un dispositif tel que représenté à la figure 2. Le principe consiste à relier à l'installation de production située à proximité d'une tête de puits une section de conduite adaptée aux mesures telles que décrites plus haut, mais dépourvue des moyens de mesure proprement dits - capteurs et moyens de traitement associés. La section de mesure est montée à poste fixe sur la conduite principale reliée à la tête de puits et des vannes sont prévues dans la il 2764065 conduite principale et entre celle-ci et la section de mesure de manière que lorsqu'une mesure est à effectuer, l'effluent du puits puisse être dérivé dans la section de mesure. L'assemblage des moyens de mesure à la section de mesure, réalisant un dispositif tel que celui de la figure 2, n'a lieu que lorsque la mesure est à faire. Ce mode de mise en oeuvre, qu'on peut qualifier de semi-périodique, permet d'assurer une surveillance périodique de la production d'un puits dans des conditions avantageuses pour l'utilisateur. En effet, comme la section de mesure est déjà en place, les manoeuvres nécessaires pour effectuer une mesure se limitent à l'assemblage des capteurs sur la section de mesure, ce qui est très rapide et simple. De plus, les capteurs, qui représentent la partie coûteuse et fragile du dispositif, ne restent pas exposés en dehors des opérations de surveillance. Cela est d'un intérêt particulier pour le capteur d'atténuation de rayons gamma, qui comprend un radioisotope. En outre, ces capteurs constituent un équipement très léger - relativement à la section de mesure - ne nécessitant pas de moyens de transport spéciaux. A l'inverse, la section de mesure est un équipement robuste et simple qui peut être laissé en permanence sur le site de production sans grand risque. La figure 4 montre de façon schématique une section de mesure du type représenté à la figure 2, en dehors des opérations de mesure. Les chiffres de référence sont les mêmes que sur les figures 2 et 3 pour des éléments homologues, augmentés de 100. La section de mesure est désignée dans son ensemble par la référence 210. Elle est montée en dérivation sur une conduite de production reliée à une tête de puits de façon que l'effluent du puits s'écoule par la section de mesure, dans le sens représenté par la flèche F, lorsqu'on désire procéder à des mesures. Les conduites sont munies à cet effet de vannes, non représentées. De façon appropriée, la section de mesure est disposée verticalement et l'écoulement dans la section de mesure est ascendant, comme l'indique la flèche F. 12 2764065 La section de mesure comporte des évidements destinés à recevoir les composants d'un dispositif de mesure de l'atténuation de rayons gamma, ces évidements traversant la paroi de la section de mesure en deux positions diamétralement opposées. Un premier évidement, destiné à la source, est formé d'un logement 230 débouchant dans la paroi extérieure de la section de mesure 210, et d'un logement 232 de plus petit diamètre débouchant dans la paroi intérieure, et de même un second évidement, destiné au détecteur, comprend un logement 231 débouchant dans la paroi extérieure et un logement 233 de plus petit diamètre débouchant dans la paroi intérieure. Les logements 230 à 233 sont réalisés de façon appropriée respectivement comme les logements 130 à 133 décrits en détail en référence à la figure 4. De même, les logements 232 et 233 reçoivent des "fenêtres" 234, 235 réalisées de façon appropriée comme les éléments 134, 135 représentés à la figure 3 et qu'il est donc inutile de décrire à nouveau. Rappelons seulement que chacun des éléments 234, 235 est conçu pour présenter une faible atténuation des rayons gamma, et qu'un moyen d'étanchéité lui est associé, et qu'en variante, les deux éléments peuvent être formées par des portions distinctes d'une pièce annulaire unique dotée d'un moyen d'étanchéité approprié. Les éléments 234, 235 sont en outre protégés par des bouchons, respectivement 270, 271, vissés dans les logements 230, 231. Lors d'une opération de mesure, on dévisse ces bouchons et on visse dans les logements 230, 231 les éléments, décrits en référence aux figures 2 et 3, du bloc-source et du bloc-détecteur. La section de mesure représentée comporte, pour la mesure des pressions dans l'écoulement, des orifices de prise de pression 216, 217 analogues aux orifices 116, 117 de la figure 2. Un logement fileté 226 relie chaque orifice à l'extérieur de la section de mesure. Dans ce logement est vissé un connecteur 274 auquel est reliée, comme représenté schématiquement sur la figure 4, une ligne hydraulique 275 munie d'un raccord d'extrémité 276 et comprenant une vanne 277 fermée en dehors des périodes de mesure. Pour effectuer une 13 2764065 mesure, il suffit ainsi de relier le raccord 276 au capteur de pression et d'ouvrir la vanne 277. Le principe exposé ci-dessus est aussi applicable dans le cas, évoqué plus haut, o la section de mesure n'est destinée qu'à des mesures d'atténuation de rayons gamma. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de prévoir un venturi dans la section de mesure, pas plus que les orifices de pression servant à mesurer la chute de pression due au venturi. La section de mesure peut dans ce cas avoir un diamètre constant et ne comporter que les " fenêtres " à faible atténuation des rayons gamma et les éléments associés tels que décrits ci-dessus. 14 2764065 Revendications 1. Procédé pour caractériser un effluent de forage pétrolier, formé d'un mélange fluide multiphasique comprenant habituellement de l'eau, du pétrole et du gaz, caractérisé par le fait qu'on émet au moyen d'une source de Gadolinium 153 des rayons gamma à un premier niveau d'énergie de l'ordre de kev et à un second niveau d'énergie de l'ordre de 40 kev, et on mesure l'atténuation des rayons gamma à ces deux niveaux d'énergie après transmission dans l'effluent. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on fait passer l'effluent dans une section comprenant un venturi et on mesure la chute de pression résultant de l'écoulement dans le venturi et la dite atténuation des rayons gamma au niveau de la gorge du venturi. 3. Capteur d'atténuation de rayons gamma destiné à caractériser un effluent de forage pétrolier, comprenant une source (20; 146) de Gadolinium 153 émettant des rayons gamma à une première énergie de l'ordre de 100 kev et à une seconde énergie de l'ordre de 40 kev. 4. Capteur selon la revendication 3, comprenant un moyen (147-150) pour modifier la distance de la source au fluide à caractériser. 5. Dispositif de mesure pour caractériser un effluent pétrolier, comprenant un capteur selon l'une des revendications 3 et 4, une section d'écoulement (10; ) comprenant un venturi (11; 111), des moyens (15, 16-17; 116-117) pour mesurer la chute de pression résultant de l'écoulement dans le venturi, et un capteur pour mesurer l'atténuation des rayons gamma par transmission dans l'effluent au niveau de la gorge du venturi, ledit capteur comprenant une source (20; 146) de Gadolinium 153 émettant des rayons gamma à une première énergie de l'ordre de 100 kev et à une seconde énergie de l'ordre de 40 kev.