Brevet FR2806799A1 — publié le 20010928

DISPOSITIFS DE CARACTERISATION D'UN FLUIDE POLYPHASIQUE A PHASE CONDUCTRICE CONTINUE La présente invention concerne un dispositif pour la détermination de la résistivité moyenne d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, et plus particulièrement un tel dispositif comportant un tronçon de canalisation en matériau isolant et des moyens pour engendrer un courant électrique dans le fluide circulant dans ladite canalisation. L'invention concerne également un dispositif pour la détermination de la fraction volumique en fluide résistif d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, ainsi qu'un procédé pour la détermination de la résistivité moyenne d'un tel fluide. On connaît par le document FR-A-2780499 des dispositifs de caractérisation de l'écoulement d'un fluide polyphasique, utilisant des capteurs capacitifs. Ces dispositifs permettent notamment de déterminer la constante diélectrique d'un fluide isolant et d'en déduire la fraction volumique des deux phases dans le cas d'un fluide diphasique. Ces dispositifs donnent satisfaction mais ne sont pas utilisables dans le cas d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue puisque alors le fluide n'est plus isolant. Ceci est par exemple le cas dans un puits d'extraction d'hydrocarbures lorsque la fraction en eau dépasse une certaine valeur. On connaît également des dispositifs de caractérisation comportant un tronçon de canalisation en matériau isolant et des moyens pour engendrer un courant électrique dans le fluide circulant dans ladite canalisation. Ces dispositifs complètent donc les précédents puisqu'ils visent le cas des fluides polyphasiques à phase conductrice continue, donc non isolants. La difficulté dans ces derniers dispositifs réside dans la mesure de la différence de potentiel entre deux points du fluide pour en déduire, connaissant le courant, la résistance électrique entre ces deux points. On déduit ensuite de cette résistance la résistivité moyenne du fait que l'on connaît la géométrie de la canalisation. 2 2806799 La présente invention vise à fournir des moyens permettant une telle mesure. Plus particulièrement, I'invention a pour but de fournir de tels moyens qui ne soient pas sensibles à la corrosion et à l'état de surface de la face intérieure de la paroi de la canalisation. A cet effet, I'invention a tout d'abord pour objet un dispositif pour la détermination de la résistivité moyenne d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, comportant un tronçon de canalisation en matériau isolant et des moyens pour engendrer un courant électrique dans le fluide circulant dans ladite canalisation, caractérisé par le fait qu'il comprend deux électrodes de mesure espacées dans la direction de l'axe du tronçon isolant pour la mesure de la résistance électrique entre ces deux électrodes, lesdites électrodes de mesure étant appliquées extérieurement sur la paroi dudit tronçon pour une mesure par couplage capacitif, et par le fait qu'il comprend en outre des moyens de mesure de la tension entre lesdites électrodes de mesure. La mesure peut donc être assimilée à une mesure de résistance "4 points". Cet agencement présente l'avantage de ne pas dépendre de l'impédance de contact entre le fluide et les parties métalliques amont et aval de la canalisation. L'état de surface de la canalisation est donc sans incidence sur la mesure. Par ailleurs, aucune électrode de mesure n'est en contact avec le fluide. Il n'y a donc pas de risque de corrosion. Cette caractéristique rend le dispositif selon l'invention tout particulièrement adapté à des mesures permanentes, notamment en fond de puits. On peut ainsi équiper le tube de production de tronçons de mesure selon l'invention au niveau des entrées de fluide et ainsi contrôler la production effective de chaque zone de production d'un puits d'hydrocarbures. Le dispositif est également adapté pour des mesures permanentes en surface, notamment en tête de puits. Dans un mode de réalisation particulier, lesdites électrodes de mesure sont des électrodes annulaires disposées autour dudit tronçon isolant de canalisation. 3 2806799 Egalement dans un mode de réalisation particulier on prévoit une électrode de garde entourant chacune desdites électrode de mesure. Plus particulièrement, lesdits moyens de mesure de la tension entre lesdites électrodes de mesure peuvent être agencés pour maintenir la tension de ladite électrode de garde à la même valeur que celle de l'électrode de mesure. Lesdits moyens de mesure de la tension entre lesdites électrodes de mesure peuvent en outre être agencés pour que le courant qui circule lesdites électrodes de mesure soit suffisamment faible pour ne pas affecter la tension mesurée. Ainsi, la différence de potentiel entre les deux électrodes est égale à la différence de potentiel entre les points du fluide en vis-à- vis desquels elles sont disposées. Dans ce cas, lesdits moyens de mesure de la tension entre lesdites électrodes de mesure peuvent comprendre un amplificateur suiveur associé à chacune desdites électrodes de mesure, chaque amplificateur ayant une de ses entrées connectée à une électrode de mesure et son autre entrée connectée à l'électrode de garde correspondante, et ayant sa sortie connectée à ladite électrode de garde, ledit dispositif comprenant en outre des moyens pour déterminer la différence de potentiel entre les sorties des deux amplificateurs suiveurs. Un tel amplificateur suiveur possède une impédance d'entrée élevée qui évite la chute de potentiel due au passage du courant à travers l'isolant par effet capacitif. Sa tension de sortie est égale à la tension d'entrée, mais un courant est disponible en sortie. Plus particulièrement, chaque amplificateur suiveur peut être connecté à l'électrode de mesure correspondante par l'âme d'un câble coaxial, et à l'électrode de garde correspondante par la gaine dudit câble. Dans un mode de réalisation particulier, lesdits moyens pour engendrer un courant électrique dans le fluide circulant dans ladite canalisation comprennent une bobine toroïdale émettrice entourant ledit tronçon isolant et un conducteur électrique de retour reliant les 4 2806799 parties de canalisation métalliques situées respectivement en amont et en aval du tronçon isolant. Une telle bobine présente l'avantage de ne pas être en contact avec le fluide, et par conséquent de ne pas connaître de problèmes de corrosion. La bobine émettrice, reliée à un générateur de tension alternative, génère un champ électrique dans le fluide, et se comporte donc comme l'enroulement primaire d'un transformateur dont l'enroulement secondaire serait constitué par le fluide et le conducteur de retour. Ce champ électrique engendre le courant précité, qui dépend de la résistance du fluide. Egalement dans un mode de réalisation particulier, le dispositif selon l'invention comprend une bobine toroïdale réceptrice entourant ledit tronçon isolant pour former un système ampèremétrique. Cette bobine réceptrice est reliée à une électronique à faible impédance d'entrée. La sortie de cette électronique fournit un signal proportionnel au courant circulant dans le fluide. Dans ce cas, le dispositif peut comprendre des moyens pour déterminer le rapport entre la sortie des moyens de mesure de la tension entre lesdites électrodes de mesure et la sortie du système ampèremétrique. Ce rapport est proportionnel à la résistance du fluide à l'impédance de contact près. L'invention a également pour objet un dispositif pour la détermination de la fraction volumique en fluide conducteur d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif du type décrit ci-dessus pour mesurer la résistivité moyenne dudit fluide polyphasique, et des moyens pour déduire ladite fraction volumique de ladite résistivité. La détermination de cette fraction volumique implique, en plus de la connaissance de la résistivité moyenne, celle de la résistivité de la phase conductrice et celle du régime d'écoulement. La résistivité de la phase conductrice sera supposée connue par ailleurs, et l'on verra que diverses hypothèses peuvent être formées en ce qui concerne le régime d'écoulement. 2806799 L'invention a également pour objet un procédé pour la détermination de la résistivité d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à effectuer une mesure par couplage capacitif de la résistance du fluide dans un tronçon de canalisation en matériau isolant, et à en déduire la résistivité. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'invention; et - la figure 2 en est un schéma électrique. On voit à la figure 1 une canalisation 1 dans laquelle circule un fluide diphasique, ici un mélange d'eau et d'hydrocarbures. La proportion d'eau est suffisante pour que la phase aqueuse soit continue, de sorte que le mélange est électriquement conducteur. La canalisation 1 et composée d'un tronçon amont 2 et d'un tronçon aval 3 métalliques, et d'un tronçon de mesure 4 en matériau électriquement non conducteur. Un conducteur électrique 5 relie les tronçons conducteurs 2 et 3 de manière à former un circuit électrique fermé avec le fluide circulant dans la canalisation. Une bobine toroïdale émettrice 6 est disposée autour de la canalisation 1, à l'intérieur de la boucle de courant définie par le conducteur 5, par exemple dans la partie amont du tronçon de mesure 4 comme ici représenté. La bobine 6 est alimentée par un générateur 7 de tension électrique alternative. Elle génère donc dans le fluide un champ électrique alternatif qui engendre à son tour un courant alternatif dans le fluide et le conducteur 5. Une bobine toroïdale réceptrice 8 est disposée autour de la canalisation 1, également à l'intérieur de la boucle de courant définie par le conducteur 5 soit par exemple dans la partie aval du tronçon de mesure 4. La bobine 8 est reliée à un circuit de mesure 9 à faible impédance d'entrée. Le courant dans le fluide induit un courant dans la bobine 8, de sorte que le signal de sortie du circuit de mesure 9 est proportionnel au courant dans le fluide. 6 2806799 Deux électrodes annulaires de mesure 10 et 11 sont disposées à la surface extérieure du tronçon de canalisation 4. Elles sont recouvertes par deux électrodes annulaires de garde 12 et 13 respectivement. La sortie de l'électrode de mesure 10 se fait par l'âme 14 d'un câble coaxial 15 qui traverse un trou de l'électrode de garde 12. La gaine 16 du câble coaxial 15 est connectée à cette électrode 12. De même, la sortie de l'électrode de mesure 11 se fait par l'âme 17 d'un câble coaxial 18 qui traverse un trou de l'électrode de garde 13. La gaine 19 du câble coaxial 18 est connectée à cette électrode 13. L'âme 14 du câble 15 est connectée à une entrée d'un amplificateur suiveur 20 dont l'autre entrée et la sortie sont connectées à la gaine 16. De même, I'âme 17 du câble 18 est connectée à une entrée d'un amplificateur suiveur 21 dont l'autre entrée et la sortie sont connectées à la gaine 19. Ainsi, les électrodes 10 et 12 d'une part, et 11 et 13 d'autre part, sont maintenues à un même potentiel et un courant très faible circule dans les conducteurs 14 et 17, de sorte que chacune des électrodes 10 et 11 est au même potentiel que le fluide se trouvant en vis-à-vis de l'autre côté de la paroi du tronçon de canalisation 4. Les sorties des amplificateurs 20 et 21 sont respectivement reliées aux entrées - et + d'un amplificateur différentiel 22. La sortie de l'amplificateur 22 est donc représentative de la différence de potentiel dans le fluide entre les plans des électrodes 10 et 11. Les sorties du circuit de mesure 9, c'est-à-dire le courant dans le fluide, et de l'amplificateur 22, c'est-à-dire la différence de potentiel précitée, sont fournies en entrée d'un circuit 23 qui forme le rapport de ces deux quantités. La sortie du circuit 23 est donc représentative de la résistance du fluide entre les plans des électrodes 10 et 12. Connaissant la section du tronçon 4 et la distance axiale entre les électrodes 10 et- 12, on peut dans un circuit 24 en déduire la résistivité moyenne du fluide. On peut maintenant déduire de ce qui précède, à l'aide de moyens de calcul adaptés, la fraction volumique en eau du mélange 7 2806799 diphasique, en supposant connue la résistivité de l'eau et en faisant des hypothèses sur le régime de l'écoulement du fluide. Dans le cas d'un écoulement parfaitement stratifié, I'eau et les hydrocarbures s'écoulent dans la canalisation sous la forme de deux couches séparées. Dans ce cas, R =,oP L S,, o Pw,, est la résistivité de l'eau, Sw est la section transversale de la couche d'eau, et L est la distance entre les électrodes de mesure. La fraction volumique de l'eau Hw est alors HS. -p. S RS o S est la section transversale totale de la canalisation. A l'inverse, dans le cas d'un écoulement parfaitement homogène, la résistivité du mélange Pmix est donnée par L S R = P,, L La fraction volumique en eau H, est alors déduite de la formule dite de Ramu Rao Pix = PW 2H 2H,,. 8 2806799 REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la détermination de la résistivité moyenne d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, comportant un tronçon de canalisation (4) en matériau isolant et des moyens (6) pour engendrer un courant électrique dans le fluide circulant dans ladite canalisation, caractérisé par le fait qu'il comprend deux électrodes de mesure (10, 11) espacées dans la direction de l'axe du tronçon isolant pour la mesure de la résistance électrique entre ces deux électrodes, lesdites électrodes de mesure étant appliquées extérieurement sur la paroi dudit tronçon pour une mesure par couplage capacitif, et par le fait qu'il comprend en outre des moyens de mesure (12-22) de la tension entre lesdites électrodes de mesure. 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdites électrodes de mesure (10, 11) sont des électrodes annulaires disposées autour dudit tronçon isolant de canalisation (4). 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant une électrode de garde (12, 13) entourant chacune desdites électrode de mesure (10, 11). 4 - Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de mesure (12-22) de la tension entre lesdites électrodes de mesure (10, 11) sont agencés pour maintenir la tension de ladite électrode de garde (12, 13) à la même valeur que celle de l'électrode de mesure. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits moyens de mesure de la tension (12-22) entre lesdites électrodes de mesure (10, 11) sont agencés pour que le courant circulant entre les électrodes de mesure soit suffisamment faible pour ne pas affecter la tension mesurée. 6 - Dispositif selon l'ensemble des revendications 4 et 5, dans lequel lesdits moyens de mesure (12-22) de la tension entre lesdites électrodes de mesure (10, 11) comprennent un amplificateur suiveur (20, 21) associé à chacune desdites électrodes de mesure, chaque amplificateur ayant une de ses entrées connectée à une électrode de mesure et son. autre entrée connectée à l'électrode de garde correspondante (12, 13), et ayant sa sortie connectée à ladite 9 2806799 électrode de garde, ledit dispositif comprenant en outre des moyens (22) pour déterminer la différence de potentiel entre les sorties des deux amplificateurs. 7 - Dispositif selon la revendication 6, dans lequel chaque amplificateur suiveur (20, 21) est connecté à l'électrode de mesure (10, 11) correspondante par l'âme (14, 17) d'un câble coaxial (15, 18), et à l'électrode de garde correspondante (12, 13) par la gaine (16, 19) dudit câble. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 7, dans lequel lesdits moyens pour engendrer un courant électrique dans le fluide circulant dans ladite canalisation comprennent une bobine toroïdale émettrice (6) entourant ledit tronçon isolant (4) et un conducteur électrique de retour (5) reliant les parties de canalisation métalliques (2, 3) situées respectivement en amont et en aval du tronçon isolant. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant bobine toroiïdale réceptrice (8) entourant ledit tronçon isolant (4) pour former un système ampèremétrique (8, 9). - Dispositif selon la revendication 9, comprenant des moyens (23) pour déterminer le rapport entre la sortie des moyens de mesure de la tension (12, 22) entre lesdites électrodes de mesure (10, 11) et la sortie du système ampèremétrique (8, 9). 11 - Dispositif pour la détermination de la fraction volumique en fluide conducteur d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 pour mesurer la résistivité moyenne dudit fluide polyphasique, et des moyens pour déduire ladite fraction volumique de ladite résistivité. 12 - Procédé pour la détermination de la résistivité moyenne d'un fluide polyphasique à phase conductrice continue, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à effectuer une mesure par couplage capacitif de la résistance du fluide dans un tronçon de canalisation (4) en matériau isolant, et à en déduire la résistivité moyenne. 13 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la fraction volumique de la phase conductrice continue est déduite de 2806799 la résistivité moyenne connaissant le type d'écoulement dans la canalisation. 14 - Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 à la mesure permanente dans un puits d'hydrocarbures de la résistivité de fluides produits par les formations souterraines.