Brevet FR2791434A1 — publié le 20000929

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ANALYSE THERMODYNAMIQUE D'UN MELANGE DE FLUIDES La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse thermodynamique d'un mélange de fluides, notamment d'hydrocarbures. Plus particulièrement, I'invention a pour objet un tel procédé comprenant les étapes consistant à faire varier pas à pas et de façon monotone le volume d'un échantillon d'une quantité donnée de ce mélange, et relever la pression de l'échantillon à chaque pas, procédé dans lequel l'échantillon est agité à chaque pas de manière à accélérer l'établissement de l'équilibre thermodynamique du mélange, Une opération fondamentale lors de la caractérisation des propriétés d'un fluide extrait d'un gisement d'hydrocarbure réside dans la détermination du point de saturation du fluide. De ce point de saturation dépendent en effet les conditions dans lesquelles le fluide se présente sous forme mono ou polyphasique, c'est-à-dire sous la forme d'un gaz ou d'un liquide seul, ou sous la forme d'un mélange de gaz et de liquide, conditions essentielles dans le cadre de l'exploitation du gisement. On rappellera que le point de saturation d'un fluide à une température donnée est généralement défini comme étant la pression à laquelle le fluide monophasique commence à se présenter sous une forme polyphasique. Ainsi, la pression à laquelle un fluide contenu initialement à l'état liquide dans un gisement libère une première bulle de gaz alors que sa pression diminue est appelé le point de bulle. Inversement, si le fluide est initialement à l'état gazeux et que sa pression est diminuée, la pression à laquelle il se forme une première goutte de liquide est appelée point de rosée. La détermination du point de saturation d'un fluide donné est réalisée en effectuant ce que l'on appelle une analyse PVT 2 2791434 (Pression Volume Température), ou analyse thermodynamique, consistant à relever en fonction du temps la pression et la variation de volume d'un échantillon du fluide que l'on soumet à une variation de pression. Cette opération est de préférence effectuée à température constante égale à celle du réservoir dont est issu le fluide sous expérimentation. Pour cela, ce fluide est introduit à l'état monophasique dans une enceinte étanche à haute pression dite cellule PVT qui peut être maintenue de façon stable à la température désirée. Une telle cellule est réalisée de façon connue sous la forme d'une chambre divisée en deux parties par un piston mobile. L'échantillon de fluide est disposé d'un des côtés du piston et un fluide de contrôle est disposé de l'autre côté. Dans le cas de la détermination du point de bulle, la pression dans la cellule est ensuite diminuée pas à pas en déplaçant le piston mobile de manière à retirer progressivement du fluide de contrôle de la partie de la chambre o il est contenu. Le fluide échantillon peut ainsi se détendre en occupant un plus grand volume. Au cours de ce processus, la pression P et la variation de volume AV sont relevées en fonction du temps J, et une courbe de P en fonction de AV est établie. Lorsque la pression atteint le point de saturation, le fluide commence à libérer la deuxième phase, ici la phase gazeuse lorsque le fluide atteint le point de bulle. Ce point est détecté par une rupture de la pente de la courbe P = f(AI V) Les figures 1 et 2 illustrent un exemple du procédé qui vient d'être rappelé ci-dessus. On voit à la figure 1 le relevé à température constante, en fonction du temps (en secondes), au cours d'une expérimentation visant à déterminer le point de bulle d'un mélange d'hydrocarbures liquides, de la variation de volume et de la pression. La courbe 1 représente la variation de volume (en cm3) et la courbe 2 la pression (en Mpa) de l'échantillon. Les plages 3 pendant lesquelles le mélange est à l'équilibre thermodynamique apparaissent clairement sous forme de paliers de pression stabilisée. Les périodes 3 2791434 4 de mise en équilibre thermodynamique apparaissent également sur cette figure. A la figure 2, le paramétrage en fonction du temps a été éliminé, de sorte que la pression est représentée directement en fonction de la variation du volume. Cette représentation est constituée ici de deux demi-courbes 5 et 6 o respectivement le volume et la pression sont relativement constants. Le point de saturation (Psat) apparaît comme le point de la courbe de la figure 2 o cette dernière présente une rupture de sa pente. Au cours de la manipulation qui conduit aux courbes des figures 1 et 2, il est nécessaire à chaque pas d'attendre que la pression se stabilise (période 4). En effet, la précision de la détermination du point de saturation dépend dans une large mesure de la qualité de l'équilibre thermodynamique. Afin d'accélérer cet équilibre, il est connu d'agiter le fluide contenu dans la cellule PVT. Pour cela, on fait tourner la cellule autour d'un axe et on place dans le fluide à agiter un élément métallique tel qu'une bille ou un anneau susceptible de se déplacer librement tandis que la cellule est entraînée en rotation. On a également déjà utilisé du mercure à la fois comme piston et comme agitateur. Toutefois, cet usage a disparu du fait que le mercure est potentiellement dangereux pour les utilisateurs mettant en oeuvre le procédé. Par ailleurs, I'expérience doit être renouvelée plusieurs fois afin d'en assurer le résultat. Il est donc nécessaire, après dissociation du fluide, de recombiner les deux phases en augmentant la pression dans la cellule au-delà du point de bulle. Là encore, une agitation est nécessaire pour accélérer cette recombinaison. Il est donc essentiel que le processus d'agitation soit le plus efficace possible pour réduire le temps nécessaire à atteindre l'équilibre thermodynamique après chaque pas de l'expérimentation. Or, les procédés connus mentionnés ci-dessus n'ont qu'une efficacité relativement limitée. La présente invention vise à pallier cet inconvénient. 4 2791434 Plus particulièrement, I'invention a pour but de fournir un procédé et un dispositif pour la détermination du point de saturation d'un mélange de fluides qui permette de réduire le temps passé aux expérimentations et qui soit indépendant du type d'hydrocarbure concerné. A cet effet, I'invention a tout d'abord pour objet un procédé d'analyse thermodynamique d'un mélange de fluides, notamment d'hydrocarbures, comprenant les étapes consistant à faire varier pas à pas et de façon monotone le volume d'un échantillon d'une quantité donnée de ce mélange, et relever la pression de l'échantillon à chaque pas, procédé dans lequel l'échantillon est agité à chaque pas de manière à accélérer l'établissement de l'équilibre thermodynamique du mélange, caractérisé par le fait que l'agitation de l'échantillon comprend une étape d'application d'ultrasons à cet échantillon. On a constaté qu'il était possible d'obtenir une bonne homogénéité du fluide échantillon en lui appliquant des ultrasons. Les ondes de pression ainsi générées favorisent en effet la mise en équilibre thermodynamique de ce fluide. Elles évitent l'établissement d'un équilibre métastable de sorte que le point de saturation peut être identifié avec certitude et déterminé avec précision. Dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé, les ultrasons sont appliqués à une enveloppe rigide contenant I'échantillon. C'est par exemple le cas lorsque le procédé est utilisé dans un dispositif à piston du type rappelé ci-dessus. Toutefois, dans un autre mode de mise en oeuvre, les ultrasons sont appliqués à un fluide dans lequel est immergé un sac en matériau souple contenant l'échantillon. Ce dernier mode de mise en oeuvre nécessite une moindre quantité d'énergie. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, les ultrasons peuvent être appliqués après une succession d'étapes de variation monotone du volume et au cours d'une étape d'inversion du sens de variation du volume. C'est le cas o la mesure est répétée plusieurs fois et o la pression doit donc être ramenée à sa valeur initiale avant de 2791434 commencer une nouvelle série d'étapes de variation pas à pas. Les ultrasons sont utilisés ici pour favoriser un retour rapide du mélange à son état initial. Bien entendu, le procédé selon l'invention peut être indifféremment appliqué à la détermination du point de bulle d'un mélange de fluides, dans laquelle la pression d'un échantillon liquide est diminuée pas à pas, ou à la détermination du point de rosée d'un mélange de fluides, dans laquelle la pression d'un échantillon gazeux est diminuée pas à pas. L'invention a également pour objet un dispositif pour la détermination du point de saturation d'un mélange de fluides, comprenant une enceinte susceptible de contenir un échantillon dudit mélange et des moyens d'agitation de cet échantillon, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'agitation comprennent des moyens pour engendrer des ultrasons dans ledit échantillon. Dans un premier mode de réalisation, ladite enceinte peut comporter un conteneur rigide agencé pour contenir directement un échantillon dudit mélange, lesdits moyens pour engendrer des ultrasons étant montés pour appliquer les ultrasons à ladite enveloppe. Dans ce cas, lesdits moyens pour engendrer des ultrasons sont par exemple disposés à l'extérieur dudit conteneur. Dans un autre mode de réalisation, ladite enceinte comporte un sac en matériau souple susceptible de contenir ledit échantillon, ledit sac étant reçu dans un conteneur rigide avec un autre fluide interposé entre le sac et le conteneur, lesdits moyens pour engendrer des ultrasons étant montés pour appliquer les ultrasons audit autre fluide. Dans ce cas, lesdits moyens pour engendrer des ultrasons sont par exemple disposés à l'intérieur dudit conteneur, immergés dans ledit autre fluide. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels: 6 2791434 - les figures 1 et 2 montrent les courbes obtenues lors de la détermination du point de bulle d'un mélange d'hydrocarbures liquides et la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un dispositif selon l'invention. Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites. On se référera donc directement a la figure 3. On voit à cette figure une enceinte 10 délimitée par une paroi rigide 11 et munie d'un orifice 12 de remplissage et de vidange. Un conduit 13 est raccordé à l'orifice 12 et une vanne 14 montée sur le conduit 13 permet le contrôle du fluide admis dans, ou soutiré de l'enceinte 10. Un autre orifice 15 est prévu dans la paroi 11 de l'enceinte 10. Cet orifice 15 permet la traversée d'un conduit 16 dans lequel l'écoulement est contrôlé par une vanne 17. Le conduit 16 traverse donc la paroi 10 et son extrémité intérieure à l'enceinte 11 est raccordée à la paroi 18 d'un sac 19 en matériau souple résistant aux hydrocarbures et à la température. Le sac 19 est ici réalisé par soudage ou collage périphérique de deux feuilles d'enveloppe. En pratique, I'extrémité du conduit 16 intérieure à l'enceinte 10 est raccordée par tout moyen convenable à un orifice ménagé dans une des feuilles d'enveloppe du sac 19. La vanne 17 permet l'admission dans le sac 19 de I'échantillon dont on veut déterminer le point de saturation. La vanne 14 est prévue pour contrôler le volume de fluide de contrôle contenu dans l'enceinte 10 à l'extérieur du sac 19. Le dispositif ci-dessus ne sera pas décrit plus en détail dans la mesure o il est connu en lui-même par le document FR-A-2 754 307. Les moyens de contrôle du volume de fluide ainsi que les moyens de mesure de ce volume et de la pression sont de tout type convenable et ne seront donc pas non plus décrits en détail. En soutirant un volume donné de fluide de contrôle contenu dans l'enceinte 10 avec la vanne 17 ouverte, on admet un volume égal de fluide échantillon dans le sac 19. Après fermeture de la 7 2791434 vanne 17, on contrôle la pression dans l'enceinte 10, et donc dans le sac 19, en admettant ou en soutirant du fluide de contrôle par le conduit 13 et la vanne 14. Selon l'invention, un transducteur piézo-électrique 20 est monté sur la paroi 11 à l'intérieur de l'enceinte 10. Ce transducteur est alimenté par un câble 21 traversant la paroi 11. Il permet, lorsqu'il est alimenté, d'émettre des ultrasons dans le fluide de contrôle, qui sont transmis au fluide échantillon à travers l'enveloppe souple du sac 19. Les ultrasons utilisés peuvent avoir une fréquence de l'ordre de 40 kHz. La détermination du point de saturation du fluide échantillon contenu dans le sac 19 s'effectue comme il est connu dans l'art antérieur en contrôlant le volume de fluide de contrôle admis dans, ou soutiré de l'enceinte 10, et en relevant la pression du fluide échantillon contenu dans le sac 19. Toutefois, I'enceinte 10 est ici fixe, et l'agitation du fluide échantillon est obtenue selon l'invention en émettant momentanément des ultrasons dans le fluide moteur à l'aide du transducteur 20. Le dispositif ci-dessus n'est décrit qu'à titre d'exemple, I'invention pouvant être utilisée avec d'autres types d'enceintes. C'est ainsi que le fluide échantillon pourrait être reçu dans un conteneur à parois rigides, du type des cellules à piston de l'art antérieur. Dans ce cas, le transducteur 20 pourrait être monté sur une de ces parois à l'extérieur du conteneur. Toutefois, I'énergie nécessaire à l'agitation du fluide serait dans ce cas bien supérieure. 8 2791434 REVENDICATIONS 1 - Procédé d'analyse thermodynamique d'un mélange de fluides, notamment d'hydrocarbures, comprenant les étapes consistant à faire varier pas à pas et de façon monotone le volume d'un échantillon d'une quantité donnée de ce mélange, et relever la pression de l'échantillon à chaque pas, procédé dans lequel l'échantillon est agité à chaque pas de manière à accélérer l'établissement de l'équilibre thermodynamique du mélange, caractérisé par le fait que l'agitation de l'échantillon comprend une étape d'application d'ultrasons à cet échantillon. 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel les ultrasons sont appliqués à une enveloppe rigide contenant l'échantillon. 3 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel les ultrasons sont appliqués à un fluide dans lequel est immergé un sac (19) en matériau souple contenant l'échantillon. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les ultrasons sont appliqués après une succession d'étapes de variation monotone du volume et au cours d'une étape d'inversion du sens de variation du volume. 5 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la détermination du point de bulle d'un mélange de fluides, dans laquelle la pression d'un échantillon liquide est diminuée pas à pas. 6 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la détermination du point de rosée d'un mélange de fluides, dans laquelle la pression d'un échantillon gazeux est diminuée pas à pas. 7 - Dispositif pour la détermination du point de saturation d'un mélange de fluides, comprenant une enceinte (19) susceptible 9 2791434 de contenir un échantillon dudit mélange et des moyens d'agitation de cet échantillon, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'agitation comprennent des moyens (20) pour engendrer des ultrasons dans ledit échantillon. 8 - Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ladite enceinte comporte un conteneur rigide agencé pour contenir directement un échantillon dudit mélange, lesdits moyens pour engendrer des ultrasons étant montés pour appliquer les ultrasons à ladite enveloppe. 9 - Dispositif selon la revendication 8, dans lequel lesdits moyens pour engendrer des ultrasons sont disposés à l'extérieur dudit conteneur. - Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ladite enceinte comporte un sac (19) en matériau souple susceptible de contenir ledit échantillon, ledit sac étant reçu dans un conteneur rigide (10) avec un autre fluide interposé entre le sac et le conteneur, lesdits moyens (20) pour engendrer des ultrasons étant montés pour appliquer les ultrasons audit autre fluide. 1il - Dispositif selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens pour engendrer des ultrasons sont disposés à l'intérieur dudit conteneur (10), immergés dans ledit autre fluide