Brevet FR2818379A1 — publié le 20020621

Dispositif et procédé pour la caractérisation d'effluents multiphasiques L'invention concerne un dispositif et un procédé pour la caractérisation d'effluents multiphasiques. Une application privilégiée de l'invention concerne les mesures relatives à la composition des effluents issus de puits pétroliers, constitués de fluides multiphasiques comprenant typiquement trois phases : deux phases liquides-pétrole brut et eau-et une phase gazeuse à base d'hydrocarbures. La pratique traditionnelle dans l'industrie pétrolière pour caractériser la composition des effluents multiphasiques 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". Le brevet FR 2 764 065 décrit un procédé pour caractériser un effluent de forage pétrolier directement à l'intérieur du tube de production sans qu'il soit nécessaire d'effectuer de séparation. Dans ce procédé, on émet dans l'effluent au moyen d'une source de Gadolinium 153 des rayons gamma à un premier niveau d'énergie de l'ordre de 100 keV (kilo-électronvolts) 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. Les résultats relevés permettent de déterminer les fractions huile/eau/gaz dans l'effluent. Le rapprochement de ces mesures avec celles d'un débitmètre permet de déduire la production pour chacune des trois phases. Cependant, la durée de vie (période) du gadolinium 153 étant courte (moins d'un an), son usage, intéressant pour des mesures de courte durée comme des mesures périodiques dans les puits de pétrole, devient inadapté pour des mesures permanentes ou semi-permanentes. En effet, dans le cas de mesures par des outils fixés de manière indémontable dans ou sur le puits, il est nécessaire d'utiliser une source dont la durée de vie soit suffisante pour assurer la fonctionnalité de cet outil tout le long de la durée de vie du puits, sans changement de ladite source. Le baryum 133 a déjà été utilisé comme autre source émettrice de rayons gamma avec l'avantage d'avoir une durée de vie plus importante. Cette source permet donc de réaliser des mesures permanentes. De manière connue, ces mesures sont réalisées en comptabilisant l'atténuation des rayons gamma pour un premier niveau d'énergie à 32 keV et un second niveau d'énergie à 356 keV. Dans ces applications, la stabilisation en énergie de l'instrumentation nucléaire de l'outil, c'est à dire le procédé qui permet de caler un pic de photons reçus par le blocdétecteur au niveau d'énergie lui correspondant (ce qui permet le comptage précis desdits photons), se fait sur le pic à 356 keV. Ceci offre différents inconvénients. Premièrement, le pic d'énergie correspondant au rayonnement à 356 keV n'a pas l'aspect d'une courbe de Gauss. En effet, la répartition de cette courbe par rapport au sommet est très large et présente une forte dissymétrie due à la présence d'autres pics d'énergie (276,303, et 384 keV) non complètement résolus par un cristal scintillateur de détection. Ceci a pour inconvénient majeur de rendre difficile la stabilisation du détecteur, ladite stabilisation étant approximative. Deuxièmement, les photons émis à 356 keV ont tendance à ne déposer qu'une partie de leur énergie dans le cristal de détection et perturbent ainsi les mesures à plus basse énergie. L'invention a donc pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif et un procédé pour la caractérisation d'effluent de forages pétroliers tels que la détermination des fractions et de la densité des phases dans ledit effluent soit particulièrement fiable. Dans ce but, l'invention propose un dispositif pour caractériser un effluent formé d'un mélange fluide multiphasique, ledit dispositif comprenant une source émettant des rayons gamma à une pluralité de niveaux d'énergie au travers dudit effluent en direction d'un bloc-détecteur comptabilisant les photons conséquemment reçus pour en déduire l'atténuation desdits rayons par ledit effluent. Selon l'invention, le bloc-détecteur comprend un filtre destiné à détecter sélectivement les photons reçus à un premier et à un second niveaux d'énergie, lesdits premier et second niveaux étant prédéterminés parmi les niveaux d'énergie de rayonnement de la source. Cette solution est particulièrement avantageuse car ce dispositif permet de diminuer le nombre de photons inutilement détectés par le bloc-détecteur, ce qui augmente significativement l'efficacité des mesures. En effet, cette diminution permet de minimiser les corrections d'empilement (pile-up en terminologie pétrolière) c'est-à-dire les effets d'addition de deux photons détectés simultanément à des niveaux d'énergie différents pour les comptabiliser comme un seul photon à un niveau d'énergie supérieur. Cette solution permet également de diminuer le temps mort (dead-time en terminologie pétrolière), qui correspond au temps d'indisponibilité du bloc-détecteur entre la détection de l'arrivée d'un photon et sa comptabilisation effective à un certain niveau d'énergie. Ces deux améliorations augmentent la précision des mesures d'atténuation pour une même activité de source ou permettent d'augmenter l'activité de la source afin de réduire l'erreur statistique. Enfin, le dispositif selon l'invention, en ne comptabilisant pas une grande partie des photons émis aux autres raies d'énergie permet de diminuer significativement les erreurs de mesures rencontrées avec les dispositifs connus dans l'état de la technique. Selon un exemple préféré de réalisation de l'invention, le filtre comprend un cristal scintillateur dont les dimensions sont telles que ledit cristal détecte principalement les photons émis aux dits premier et second niveaux d'énergie. Cet exemple de réalisation est avantageux puisqu'il permet de manière très simple et économique de réaliser la fonction de discrimination entre différents niveaux d'énergie des photons dans le dispositif selon l'invention. En effet, plus les dimensions de ce cristal scintillateur sont importantes, plus ledit cristal peut détecter des photons de haute énergie, une adaptation en conséquence de ces dimensions permet donc simplement de ne comptabiliser qu'une certaine partie desdits photons reçus par le bloc-détecteur. Avec le dispositif selon l'invention, on peut détecter principalement les photons émis aux niveaux d'énergie les plus bas tandis qu'on ne détecte plus qu'une faible portion des photons reçus aux niveaux d'énergie supérieurs. Dans un exemple avantageux de réalisation de l'invention, la source émettrice de rayons gamma comprend du baryum 133. Cette solution est avantageuse car en utilisant une source dont la durée de vie est importante, elle permet l'utilisation du dispositif pour des mesures permanentes de la composition d'un effluent, par exemple au fond d'un forage pétrolier, sur une plate-forme inhabitée ou au fond de la mer Dans un exemple préféré de réalisation de l'invention, le premier niveau d'énergie se situe sensiblement à 32 keV et le second niveau d'énergie se situe sensiblement à 80 keV. Dans cet exemple préféré, le dispositif selon l'invention comprend en outre une boucle de stabilisation verrouillée sur le premier et/ou sur le second niveau d'énergie Ces deux niveaux d'énergie sont préférés parce que le comptage des photons s'y est avéré plus précis. En effet, la diminution de la quantité de photons de haute énergie comptabilisés diminue les risques d'empilement (pile-up) et de temps mort (dead-time). De plus, la boucle de stabilisation étant verrouillée sur l'un de ces deux niveaux d'énergie ou sur les deux, le fait que ces derniers soient proches l'un de l'autre permet de minimiser les erreurs d'attribution d'un photon à l'un ou l'autre de ces niveaux lors du comptage. Enfin, le pic d'énergie correspondant au rayonnement à 80 keV a l'aspect d'une courbe de Gauss dont la répartition par rapport au sommet est étroite, ce qui garantit une calibration fiable énergie reçue/attribution du photon à une raie d'énergie. Il en est de même pour le pic à 32 keV. L'invention a également pour objet de proposer un procédé pour caractériser un effluent formé d'un mélange fluide multiphasique, dans lequel : - on émet des rayons gamma dans ledit effluent au moyen d'une source émettrice de rayons gamma à une pluralité de niveaux d'énergie, - on filtre au moyen d'un bloc détecteur les photons reçus depuis ladite source après transmission dans ledit effluent pour détecter sélectivement les photons correspondant aux rayons gamma d'un premier et d'un second niveaux d'énergie, lesdits premiers et second niveaux d'énergie étant prédéterminés parmi les niveaux d'énergie de rayonnement de la source ; - on mesure l'atténuation des rayons gamma aux dits premier et second niveaux d'énergie à partir du taux de comptage correspondant au nombre de photons détectés après filtrage pour en déduire les fractions multiphasiques et la densité dans ledit effluent. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention ; - la figure 2 représente deux spectres de détection de photons pour dont l'un est obtenu au moyen d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 représente une section de conduite 1 dans laquelle circule un mélange fluide multiphasique. A titre d'exemple, cette conduite est située dans un puits de pétrole et le fluide multiphasique comporte de l'eau, de l'huile et du gaz. Un dispositif 2 selon l'invention a été installé sur ledit tube. Ce dispositif comporte une source 3 et un détecteur 4, placés de part et d'autre de la conduite 1, cette dernière étant munie de fenêtres en matériau faiblement absorbant pour les photons aux énergies considérées. Dans l'exemple de réalisation représenté, la source 3 comporte du baryum 133 produisant des rayons gamma pour différents niveaux d'énergie : 30,80, 276,303, 356 et 384 keV. Cependant, toute autre source de rayon gamma, chimique ou électronique peut-être utilisée. Dans l'exemple avantageux d'application du dispositif selon l'invention représenté en figure 1, la section de conduite 1 comprend un venturi convergent. La source 3 et le détecteur 4 se situent de part et d'autre de la gorge de ce venturi, c'est-à-dire la partie la plus resserrée. Ceci permet de coupler les mesures de composition due l'effluent avec des mesures de débits, selon par exemple la méthode développée dans le brevet FR 97 10648. Le détecteur 4 comporte un cristal scintillateur 40, tel que Nal, et un photomultiplicateur 41. Dans les détecteurs connus dans l'état de la technique, le photomultiplicateur 41 comptabilise entre autres les photons correspondant à deux niveaux d'énergie dits niveau haute énergie et niveau basse énergie correspondant sensiblement respectivement à 32 et 356 keV. Ces niveaux d'énergie sont tels que le taux de comptage haute énergie est sensible essentiellement à la densité du mélange fluide, tandis que le taux de comptage basse énergie est en revanche également sensible à la composition du mélange liquide, et permet de déterminer la teneur en eau de l'effluent. Cependant, le cristal scintillateur est tel que l'ensemble des photons émis par la source 3 sont détectés et comptabilisés, ce qui introduit des erreurs de mesure sur les niveaux d'énergie qui sont particulièrement visés pour les mesures de composition de l'effluent. Le cristal scintillateur 40 selon l'invention est tel qu'au contraire, seulement une partie de photons émis par la source 3 est détectée. En effet, la longueur d du cristal 40 est préalablement déterminée pour que ce cristal détecte principalement les photons ayant des niveaux d'énergie sensiblement inférieurs ou égaux à 80 keV, la majeure partie des photons aux niveaux supérieurs d'énergie traversant le cristal sans être détectés. De ce fait, le photomultiplicateur 41 ne comptabilise que les photons pour un niveau basse énergie correspondant sensiblement à 30 keV et un niveau haute énergie correspondant sensiblement à 80 keV. Cette détection sélective est particulièrement intéressante parce qu'elle diminue le nombre total de photons détectés et donc les erreurs statistiquement inhérentes à ce comptage. En effet, le dispositif selon l'invention détecte préférentiellement les photons utiles (ceux de basse énergie), ce qui diminue les erreurs notamment dues au pile-up mais aussi au dead-time du bloc-détecteur. Il n'y a donc plus d'erreurs induites par le nombre de photons à détecter puisque ce nombre est globalement diminué. Le niveau haute 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 douce, l'eau salée et le pétrole. Il en résulte que l'atténuation haute énergie permet de déterminer la densité du mélange, sans qu'il soit nécessaire pour cela de procéder à des mesures auxiliaires (coefficients d'atténuation et densités) pour déterminer les phases individuelles de l'effluent. A ce niveau d'énergie, L'atténuation A mesurée par le détecteur 21 s'exprime en effet par la relation : A = Dv. vm. pm [1] où Dv est la distance parcourue dans le fluide, c'est-à-dire en l'occurrence le diamètre de la section de la conduite 1, Vm est le coefficient d'atténuation massique et Pm la densité du mélange multiphasique. 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 [1], peut être considéré comme sensiblement constant, indépendant des densités des phases pétrole et eau. Dans ces conditions, l'atténuation "haute énergie"Ahe est un indicateur très avantageux de la densité pm du mélange. Le photomultiplicateur 41 du bloc-détecteur 4 selon l'invention comporte également une boucle de stabilisation calée sur le niveau haute énergie , à 80 keV. Cette boucle de stabilisation sert en fait au photomultiplicateur, à partir du photon détecté par le cristal scintillateur, à attribuer ledit photon, pour le comptage, à son niveau d'énergie. Ce calage du photomultiplicateur sur le pic à 80 keV, génère la calibration pour l'attribution des autres photons aux autres niveaux d'énergie leur correspondant. Dans le cas du dispositif selon l'invention, la boucle de stabilisation est particulièrement efficace, et ce pour plusieurs raisons. Tout d'abord, comme on peut d'ailleurs le remarquer sur la figure 2, le pic correspondant au niveau 80 keV présente la forme d'une courbe de Gauss très étroite. Il est donc plus facile de stabiliser un appareil sur cette plage étroite de détection plutôt que sur une plage large, comme c'est le cas pour le pic à 356 keV qui présente la forme d'une courbe de Gauss beaucoup plus large. Ensuite, les niveaux haute énergie et base énergie étant proches l'un de l'autre, il est également facile de garantir un minimum de déviation de la stabilisation pour le niveau basse énergie . Dans un autre exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, une seconde boucle de stabilisation peut avantageusement être introduite sur le pic basse énergie , ceci afin d'augmenter encore la précision du comptage. Les taux de comptage aux deux niveaux d'énergie considérés s'avèrent ainsi très fiables. Pour illustrer les avantages du dispositif selon l'invention, la figure 2 représente deux spectres correspondant aux taux de comptage de deux blocsdétecteurs. Les deux spectres ayant été normalisés sur le pic à 80 keV pour les besoins de la comparaison. La première courbe A correspond au spectre obtenu à partir d'un dispositif dont la boucle de stabilisation est verrouillée sur le niveau d'énergie à 80 keV et pour lequel la longueur d du cristal scintillateur est importante : de l'ordre d'un pouce (25.4 mm). La seconde courbe B correspond au spectre obtenu à partir d'un dispositif selon l'invention dont la boucle de stabilisation est indexée sur le niveau d'énergie 80 keV et pour lequel la longueur d du cristal scintillateur est faible : de l'ordre de Y2 pouce (12.7 mm). On remarque clairement à la comparaison de ces deux courbes que l'amplitude du pic correspondant au niveau 356 keV est beaucoup plus faible pour la courbe B que pour la courbe A, pour la simple raison que le dispositif selon l'invention ne détecte que très peu de photons à ce niveau d'énergie. La partie grisée correspond au gain sur le taux de comptage obtenu par le bloc détecteur de la courbe B par rapport au taux de comptage obtenu par le bloc détecteur de la courbe A. On peut remarquer pour la courbe B la faible hauteur au-dessus de 100 keV, alors que cette hauteur est plus importante pour la courbe A. La hauteur plus importante sous la courbe A provient de la pollution des mesures en quelque sorte par le phénomène connu de Compton qu'effectuent les photons à 356 keV (une partie de leur énergie n'est pas détectée tandis qu'une autre partie est détectée à un niveau inférieur et donc apparaît dans le graphe). De ce fait, la courbe B présente un spectre dont l'aspect est plus représentatif des photons réellement utiles aux niveaux 80 et 30 keV. A partir du dispositif selon l'invention, la méthode détermination de la composition multiphasique d'un effluent s'avère particulièrement simple et fiable. En effet, la détermination de cette composition s'effectue selon les principes suivants : si l'on connaît l'atténuation des rayons gamma induite par chaque composant pris séparément à 80 keV et à 30 keV et la densité de chacun de ces composants, alors l'atténuation des rayons gamma à 80 keV caractérise la densité et donc la fraction de gaz dans l'effluent multiphasique et la combinaison des données à 80 keV et 30 keV pour ledit mélange, caractérise la fraction d'eau dans l'effluent. Ce calcul peut se présenter sous la forme matricielle suivante : H H H H A'= A x 1 1 1 1 , 9 où les fractions de pétrole, d'eau et de gaz sont les inconnues o H représente le niveau haute énergie , L représente le niveau basse énergie , 0 la phase d'huile, W la phase d'eau et G la phase gaz. Pour déterminer les atténuations des différents composants et du mélange à 30 keV et à 80 keV, la méthode selon l'invention consiste donc à émettre au moyen de la source 3 des rayons gamma au travers de la section de conduite 1, en direction du bloc-détecteur 4. Le cristal scintillateur 40 du bloc-détecteur, détecte ensuite après leur transmission dans l'effluent les photons correspondant principalement aux niveau d'énergie 30 et 80 keV, la longueur d dudit cristal étant insuffisante pour retenir la totalité des photons d'énergie supérieure. La comparaison des taux de comptage ainsi obtenus avec ceux obtenus quand la section de conduite est vide permet d'en déduire l'atténuation due au mélange multiphasique et finalement la composition dudit mélange. La méthode et le dispositif selon l'invention permettent donc d'obtenir des taux de comptage de photons particulièrement fiables pour fournir la composition d'un mélange fluide multiphasique. Lorsque la source qui émet des rayons gamma à une pluralité de niveaux d'énergie est du baryum 133, le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans des applications pour des mesures permanentes de la composition d'un effluent circulant par exemple dans des conduites au fond d'un puits de pétrole ou dans une conduite située en fond de mer ou en surface. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour caractériser un effluent formé d'un mélange fluide multiphasique, ledit dispositif comprenant une source émettant des rayons gamma à une pluralité de niveaux d'énergie au travers dudit effluent en direction d'un bloc-détecteur comptabilisant les photons conséquemment reçus pour en déduire l'atténuation desdits rayons par ledit effluent, caractérisé en ce que ledit bloc-détecteur comprend un filtre destiné à détecter sélectivement les photons reçus pour un premier et un second niveaux d'énergie, lesdits premier et second niveaux étant prédéterminés parmi les niveaux d'énergie de rayonnement de la source. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre comprend un cristal scintillateur dont les dimensions sont telles que ledit cristal détecte principalement les photons émis aux dits premier et second niveaux d'énergie. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source émettrice de rayons gamma comprend du baryum 133. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier niveau d'énergie se situe sensiblement à 30 keV et le second niveau d'énergie se situe sensiblement à 80 keV. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une première boucle de stabilisation verrouillée sur le second niveau d'énergie et/ou une seconde boucle de stabilisation verrouillée sur le premier niveau d'énergie. 6. Procédé pour caractériser un effluent formé d'un mélange fluide multiphasique, caractérisé par le fait que : - on émet des rayons gamma dans ledit effluent au moyen d'une source émettrice de rayons gamma à une pluralité de niveaux d'énergie, - on filtre au moyen d'un bloc détecteur les photons reçus depuis ladite source après transmission dans ledit effluent pour détecter sélectivement les photons correspondant aux rayons gamma d'un premier et d'un second niveaux d'énergie, lesdits premiers et second niveaux d'énergie étant prédéterminés parmi les niveaux d'énergie de rayonnement de la source ; - on mesure l'atténuation des rayons gamma aux dits premier et second niveaux d'énergie à partir du taux de comptage correspondant au nombre de photons détectés après filtrage pour en déduire les fractions des différentes phases dans ledit effluent. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source émettrice de rayons gamma comprend du baryum 133. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier niveau d'énergie se situe sensiblement à 30 keV et le second niveau d'énergie se situe sensiblement à 80 keV. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 pour caractériser les fractions des différentes phases d'un effluent issu d'un forage pétrolier.