Brevet FR2780499A1 — publié le 19991231

DISPOSITIFS DE CARACTERISATION DE L'ECOULEMENT D'UN FLUIDE POLYPHASIQUE La présente invention concerne des capteurs et des dispositifs de caractérisation de l'écoulement d'un fluide polyphasique circulant dans une conduite, et plus particulièrement de tels dispositifs pour la mesure de la constante diélectrique du fluide, de la fraction volumique des composants du fluide, et de la vitesse et du débit des différentes phases. Il est important dans le suivi des puits d'extraction d'hydrocarbures, de connaître la quantité d'eau produite simultanément aux hydrocarbures. Pour évaluer les débits d'eau et d'hydrocarbures dans le cas d'écoulements homogènes dans une conduite, trois quantités doivent être estimées, à savoir la fraction volumique moyenne en eau H[., et les vitesses moyennes de l'eau v, et de l'hydrocarbure v0. Les débits sont alors qw = AHwvw pour l'eau, et qo = A(1 -H,)v% pour l'hydrocarbure, o A est la section de la conduite. Lorsque l'écoulement n'est pas homogène, comme ce peut être le cas dans les puits inclinés, les évaluations de débit fondées sur les équations ci- dessus ne sont plus valides. Il est alors nécessaire de tenir compte de la distribution effective des vitesses et des fractions volumiques dans la section du puits. Une telle approche conduit à la mise en place d'une pluralité de dispositifs dans une section transversale donnée de la conduite. Il est par ailleurs connu de déterminer la vitesse d'un écoulement dans une conduite en relevant dans deux sections transversales différentes de cette conduite l'évolution d'une grandeur fluctuant dans le temps, s,(t) et s2(t), puis en calculant une fonction de corrélation croisée C = Dans le cas d'un fluide diphasique, les fluctuations de la grandeur s(t) peuvent par exemple être dues à la propagation dans la conduite, à la vitesse moyenne de l'écoulement, de structures d'inhomogénéité. 2 2780499 Si ' est la valeur de I correspondant au maximum de la fonction de corrélation croisée C, la vitesse v de l'écoulement est donnée par v= LI T o L est la distance axiale entre les deux sections de mesure. Il est également connu, par exemple par le document US-A-5017879, d'utiliser des dispositifs capacitifs pour la caractérisation des écoulements polyphasiques. En effet, la constante diélectrique d'un mélange de fluides dépend de la fraction respective de chacun de ses constituants et de leurs constantes diélectriques individuelles. On a donc déjà proposé d'estimer la o0 composition d'un fluide diphasique à partir de sa constante diélectrique. Cette constante est elle-même obtenue en excitant le fluide à l'aide d'électrodes séparées par le fluide, notamment placées sur la conduite, et entre lesquelles est appliquée une tension alternative. La grandeur mesurée est le courant qui en résulte. Des électrodes de garde ont en outre été ajoutées pour maintenir le champ électrostatique entre les électrodes actives. On facilite ainsi l'interprétation des mesures en limitant les effets de bord dus à la longueur finie de ces électrodes actives, ou en focalisant le champs électrique dans une zone particulière de l'écoulement. Dans l'un et l'autre cas mentionnés ci-dessus, écoulement non homogène ou mesure de vitesse, on est donc amené à disposer sur une conduite une pluralité de dispositifs, notamment capacitifs, à proximité les uns des autres. On est alors confronté à des impératifs contradictoires. Il est en effet souhaitable d'utiliser des dispositifs de petite dimension. Dans le cas de l'écoulement non homogène, on obtient ainsi une meilleure résolution spatiale, ce qui améliore considérablement la vitesse et la précision de l'algorithme de reconstruction. Dans le cas de la mesure de vitesse, la petite taille des dispositifs permet de les rapprocher, et donc d'obtenir un pic de corrélation plus net des mesures obtenues, du fait d'une moindre déformation des structures d'inhomogénéité entre les deux dispositifs. Mais cette petite dimension rend généralement les mesures beaucoup plus sensibles au bruit électromagnétique. Dans le cas de mesures capacitives, les capacités mesurées sont faibles. Typiquement les courants induits par les capacités parasites peuvent être supérieurs de plusieurs ordres de grandeur à celui qui résulte de la capacité à mesurer. Les 3 2780499 capacités parasites provoquent donc une erreur systématique dont les variations peuvent excéder l'amplitude du signal lui-même. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Plus particulièrement, I'invention vise à fournir des capteurs capacitifs pour la caractérisation d'écoulements polyphasiques, qui soient de faible dimension tout en étant peu sensibles au bruit et donc sensiblement exempts d'erreur systématique, ainsi que des dispositifs de mesure comportant de tels capteurs. A cet effet, I'invention a tout d'abord pour objet un capteur capacitif lo pour la caractérisation de l'écoulement d'un fluide polyphasique dans une conduite, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une électrode d'excitation comportant au moins une découpe dans laquelle est disposée au moins une électrode de mesure, lesdites électrodes étant agencées pour être appliquées sur ladite conduite. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mesure de la constante diélectrique d'un fluide polyphasique circulant dans une conduite, comprenant au moins un capteur tel que décrit ci-dessus, des moyens pour maintenir lesdites électrodes au même potentiel et pour mesurer le courant issu de ladite électrode de mesure, et des moyens pour déduire ladite constante diélectrique dudit courant. Cette configuration permet alors de maintenir aisément au potentiel de l'électrode d'excitation tous les conducteurs susceptibles d'engendrer des parasites situés à proximité du dispositif dans la chaîne de détection. Ces conducteurs se trouvent donc au même potentiel que l'électrode de mesure. La charge sur cette dernière ne dépend donc que des potentiels appliqués aux électrodes actives. Deux modes de réalisation sont possibles. Dans un premier mode de réalisation, I'électrode d'excitation est reliée à la masse générale desdits moyens d'alimentation. Cette solution présente lI'avantage de la simplicité. Dans l'autre mode de réalisation, I'électrode d'excitation constitue la référence flottante de masse pour lesdits moyens de mesure de courant. L'avantage est ici de pouvoir amener le signal par amplification à un niveau o il domine la tension de réjection du mode commun de l'amplificateur. 4 2780499 Dans ce dernier cas, les moyens de mesure de courant peuvent comprendre un premier étage d'amplification référencé par rapport au potentiel de l'électrode d'excitation, et un deuxième étage d'amplification agencé pour ramener la référence du signal de sortie à la masse générale. Plus particulièrement, le dispositif peut comporter un blindage électriquement relié à l'électrode d'excitation, autour de l'électrode de mesure et dudit premier étage d'amplification. On observera qu'une telle disposition n'impose pas que ce premier étage d'amplification soit physiquement disposé à proximité immédiate de io l'électrode de mesure. Le blindage de cette dernière peut au contraire se prolonger par un câble blindé parcouru par un conducteur reliant l'électrode de mesure aux moyens d'amplification, eux-mêmes munis d'un blindage formant la suite du câble blindé. Ladite électrode d'excitation peut en outre recouvrir l'électrode de 1 5 mesure. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mesure capacitive de la fraction volumique d'un premier composant d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, comprenant au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus pour la mesure de la constante diélectrique dudit fluide, et des moyens pour déduire ladite fraction volumique de ladite constante diélectrique. On sait en effet que, dans un mélange homogène, et à condition que les gouttes d'un fluide conducteur soient immergées dans un fluide isolant, la valeur de la constante diélectrique s, est reliée à celle de la constante diélectrique so de la phase continue et à la fraction volumique 1-H de cette phase continue par la relation ! c = (IHw) (1 -= H(i Dans le cas d'un mélange d'eau et d'hydrocarbure dans un puits, cette relation s'applique si le puits est sensiblement vertical. Plus particulièrement, un tel dispositif de mesure de fraction volumique peut comporter une pluralité de dispositifs tels que décrits ci-dessus de la constante diélectrique dudit fluide, lesdits dispositifs de ladite pluralité de dispositifs étant répartis à la périphérie d'une section transversale de ladite conduite. 2780499 On peut alors réaliser une coupe de la section transversale de la conduite. Dans le cas d'un puits d'hydrocarbure, la relation ci-dessus ne s'applique plus mais on s'affranchit de la condition de verticalité du puits. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mesure s capacitive de la vitesse d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, comprenant au moins deux dispositifs tels que décrits ci- dessus pour la mesure de la constante diélectrique dudit fluide, disposés dans des sections transversales différentes de ladite conduite, et des moyens pour établir une corrélation croisée des mesures desdits deux dispositifs et pour en déduire ladite vitesse. Plus particulièrement, lesdits au moins deux dispositifs tels que décrits ci-dessus de la constante diélectrique dudit fluide peuvent être disposés sensiblement le long d'une même génératrice de ladite conduite et posséder une électrode d'excitation commune. Du fait que le signal ne comporte pas d'erreur systématique, les électrodes de mesure peuvent être petites. Typiquement, ces électrodes peuvent avoir des dimensions de l'ordre du centimètre. En outre l'électrode d'excitation commune assure que la zone surveillée est homogène. Enfin, aucun espace minimum n'est nécessaire entre les différentes électrodes de mesure associées à la même électrode d'excitation. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mesure capacitive du débit d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, comprenant au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus pour la mesure de la fraction volumique en un premier composant dudit fluide, au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus pour la mesure de la vitesse dudit premier composant, et des moyens pour en déduire ledit débit. Bien entendu, le dispositif de mesure de fraction volumique et le dispositif de mesure de vitesse peuvent utiliser les mêmes électrodes. L'invention a également pour objet un procédé pour la mesure de la constante diélectrique d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, comprenant les étapes consistant à placer deux électrodes de part et d'autre d'une portion dudit fluide et à appliquer une tension alternative entre les deux électrodes, dans lequel on réalise au moins une électrode d'excitation comportant au moins une découpe dans laquelle on dispose au moins une électrode de mesure, et comprenant les étapes consistant à maintenir ladite électrode d'excitation et ladite électrode de mesure au même potentiel et à 6 2780499 mesurer le courant circulant entre cesdites électrodes, et à déduire ladite constante diélectrique dudit courant. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, des modes de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma électrique d'un dispositif selon l'invention pour la mesure de la constante diélectrique d'un fluide diphasique; - la figure 2 montre une variante du dispositif de la figure 1; - la figure 3 illustre l'application de dispositifs du type de celui de la 0 figure 1 à la réalisation de coupes transversales, par exemple de distribution de fraction volumique; - la figure 4 montre un autre mode de réalisation de l'agencement de la figure 3; et -la figure 5 illustre l'application de dispositifs du type de celui de la figure 1 à la réalisation de mesures de débit. On voit à la figure 1 une conduite, qui est ici représentée horizontale mais qui pourrait être verticale ou inclinée, constituée d'un tube métallique 1 destiné à résister à la pression recouvert intérieurement d'un matériau isolant 2. Un fluide diphasique constitué d'hydrocarbures et d'eau, représenté par la flèche F, circule dans la conduite 1. Deux électrodes actives 3 et 4 sont disposées en vis-à-vis à la surface intérieure de la conduite, formant sensiblement deux demi-manchons semi- cylindriques (comme cela est aussi représenté à la figure 5). L'électrode 3 est continue, alors que l'électrode 4, dite électrode d'excitation, est découpée pour laisser place au contact du tube à une électrode de mesure 5 dont elle est électriquement isolée. En fait, I'électrode 4 recouvre l'essentiel de l'électrode de mesure 5 et ne possède un orifice 6 que pour le passage d'un conducteur 7 connecté à l'électrode de mesure 5. Un générateur de tension 8 dont les bornes de sortie sont reliées aux électrodes 3 et 4 fournit une tension alternative entre ces électrodes. Le conducteur 7 ainsi qu'un conducteur 9 relié à l'électrode 4 sont connectés à l'entrée d'un amplificateur 10 alimenté en courant continu à partir d'une alimentation 11. Cet amplificateur maintient les électrodes 4 et 5 au même potentiel. La sortie 12 de l'amplificateur 10 est connectée à une entrée d'un amplificateur d'instrumentation 13 dont l'autre entrée reçoit un conducteur 14 relié à l'électrode 4. Les deux amplificateurs 10 et 13 forment donc les deux premiers étages d'une chaîne d'amplification du courant i issu de l'électrode de mesure 5. Le premier étage a une masse flottante référencée par rapport au potentiel de l'électrode 4, tandis que le second est référencé à la masse générale 15. La tension de sortie U( de l'amplificateur 13, par rapport à la masse générale , est proportionnelle au courant i. On observera qu'un blindage 16 relié à l'électrode 4 recouvre et isole I'ensemble du premier étage d'amplification incluant l'électrode de mesure 5 et l'amplificateur 10, ce qui contribue à encore diminuer la diaphonie entre le dispositif et l'excitation, déjà considérablement limité par le fait que tous les conducteurs situés à proximité de l'électrode de mesure 5 sont au même potentiel que cette dernière. 1 5 La sortie 17 de la chaîne d'amplification est reliée à l'entrée d'une unité de traitement 18. L'unité de traitement 18 assure la mise en forme du signal de sortie, sa numérisation, et déduit la capacité du condensateur constitué par l'électrode 3 et l'électrode de mesure 5 de la tension alternative fournie par le générateur et du courant i qui en résulte. Connaissant la géométrie du condensateur, I'unité 18 peut alors déterminer la constante diélectrique du fluide diphasique, et calculer la fraction volumique en eau par la relation précitée (1i- HJ)3 Dans un autre mode de réalisation représenté à la figure 2, I'électronique d'amplification et de mesure n'est plus localisée au niveau de l'électrode de mesure 5, mais déportée à une certaine distance. Dans ce cas, I'électronique 19 est disposée dans un blindage 20 relié au blindage 16 de l'électrode de mesure 5 par la tresse 21 d'un câble coaxial 22. Le conducteur 7 est alors acheminé à l'électronique 19 dans le câble 22. La figure 2 représente le cas o l'électrode d'excitation 4 est reliée à la masse générale des moyens d'alimentation. Si, au contraire, une masse flottante était prévue pour les moyens de mesure de courant, I'équivalent du conducteur 14 de la figure 1 serait également amené au travers du câble 22. Lorsque le fluide n'est pas homogène, ce qui se produit par exemple dans un puits incliné à faible débit, on peut adopter les configurations des la figure 3 ou 4. Le mode de réalisation de la figure 3 est similaire à celui de la figure 1. Une électrode semi-cylindrique 23 correspond à l'électrode 3 et une électrode d'excitition 24 correspond à l'électrode d'excitation 4. Toutefois, I'électrode d'excitation 24 comporte ici trois découpes dans lesquelles sont insérées trois électrodes de mesure 25, 26 et 27. Les trois électrodes de mesure sont disposées dans une même section transversale de la conduite et sont régulièrement réparties sur une demi-circonférence de cette section. Bien entendu, un plus grand nombre d'électrodes de mesure pourrait être prévu. Dans le mode de réalisation de la figure 4, on a prévu quatre capteurs indépendants comprenant chacun une électrode d'excitation, 28a-28d respectivement, dans une découpe de laquelle est incluse une électrode de mesure, 29a-29d respectivement. Les sorties de tous les capteurs sont reliées à l'entrée d'une unité de traitement non représentée qui, par des calculs à la portée de l'homme de métier, réalise une coupe de la fraction volumique en eau dans le fluide dans la section considérée. La figure 5 montre un dispositif similaire à celui de la figure 1, si ce n'est qu'il comprend deux électrode de mesure 30 et 31 disposées sur une même génératrice d'une conduite et incluses dans deux découpes d'une même électrode d'excitation 32. Le générateur électrique 33 applique comme précédemment une tension alternative entre l'électrode 32 et une électrode opposée 34. La corrélation croisée des signaux recueillis sur les électrode de mesure 30 et 31 donne comme indiqué ci-dessus la vitesse de déplacement des structures d'inhomogénéité entre les électrode de mesure 30 et 31, et donc la vitesse moyenne de l'écoulement dans la conduite. Les deux modes de réalisation des figures 2 et 3 peuvent bien entendu être combinées pour fournir le plus grand nombre possible de caractéristiques de l'écoulement. On observera que les dispositifs décrits ci-dessus sont particulièrement robustes, ne comportant aucune pièce mobile. Ils sont donc particulièrement bien adaptés à une utilisation dans le domaine de l'exploitation pétrolière, en particulier dans des applications de fond de puits, notamment sous-marins. 2780499 REVENDICATIONS 1- Capteur capacitif pour la caractérisation de l'écoulement d'un fluide polyphasique dans une conduite, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une électrode d'excitation (4) comportant au moins une découpe dans laquelle est disposée au moins une électrode de mesure (5), lesdites électrodes étant agencées pour être appliquées sur ladite conduite. 2- Dispositif pour la mesure capacitive de la constante diélectrique o0 d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un capteur selon la revendication 1, des moyens d'alimentation (8) pour appliquer une tension alternative sur ladite électrode de mesure, des moyens (10, 13) pour maintenir cesdites électrodes au même potentiel et pour mesurer le courant (d) issu de ladite électrode de mesure, et 1 5 des moyens (17) pour déduire ladite constante diélectrique dudit courant. 2- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite première électrode est reliée à la masse générale desdits moyens d'alimentation. 3- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'autre desdites électrodes (3) est reliée à la masse générale (15) desdits moyens d'alimentation, une masse flottante étant prévue pour lesdits moyens de mesure de courant. 4- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de mesure de courant comprennent un premier étage d'amplification (10) référencé par rapport au potentiel de l'électrode d'excitation, et un deuxième étage d'amplification (13) agencé pour ramener la référence du signal de sortie à la masse générale. - Dispositif selon la revendication 4, comportant un blindage (15) électriquement relié à l'électrode d'excitation, autour de l'électrode de mesure et dudit premier étage d'amplification. 6- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ladite électrode d'excitation recouvre l'électrode de mesure. 7- Dispositif pour la mesure capacitive de la fraction volumique en un premier fluide d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la mesure de la constante diélectrique dudit fluide, et des moyens (17) pour déduire ladite fraction volumique de ladite constante diélectrique. 8- Dispositif selon la revendication 7, comportant une pluralité de dispositifs (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 de la constante diélectrique dudit fluide, lesdits dispositifs de ladite pluralité de dispositifs étant répartis à la périphérie d'une section transversale de ladite conduite. 9- Dispositif capacitive pour la mesure de la vitesse d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, caractérisé par le fait qu'il comprend io au moins deux dispositifs (30, 31, 32, 34) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la mesure de la constante diélectrique dudit fluide, disposés dans des sections transversales différentes de ladite conduite, et des moyens pour établir une corrélation croisée des mesures desdits deux dispositifs et pour en déduire ladite vitesse. 10- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel lesdits au moins deux dispositifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 de la constante diélectrique dudit fluide sont sensiblement disposés le long d'une même génératrice de ladite conduite et possèdent une électrode d'excitation (32) commune. 11- Dispositif pour la mesure capacitive du débit d'un fluide d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8 pour la mesure de la fraction volumique en un premier fluide dudit fluide, au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 et 10 pour la mesure de la vitesse dudit premier fluide, et des moyens pour en déduire ledit débit. 12- Procédé pour la mesure de la constante diélectrique d'un fluide diphasique circulant dans une conduite, comprenant les étapes consistant à placer deux électrodes de part et d'autre d'une portion dudit fluide et à appliquer une tension alternative entre les deux électrodes, caractérisé par le fait que l'on réalise une première desdites électrodes sous la forme d'une électrode d'excitation disposée à la périphérie d'une électrode de mesure, et qu'il comprend les étapes consistant à maintenir ladite électrode d'excitation et ladite électrode de mesure au même potentiel, à mesurer le courant circulant entre cesdites électrodes, et à déduire ladite constante diélectrique dudit courant.