Brevet FR2833705A1 — publié le 20030620

La présente invention à trait à un dispositif et à une méthode pour déterminer la position des interfaces entre différents fluides contenus dans un ballon, ainsi que la nature et la composition des fluides. En particulier, la présente invention s'applique à un effluent pétrolier contenu dans un ballon séparateur pour déterminer la position des interfaces gaz/huile et huile/eau, et pour caractériser l'émulsion située entre l'huile et l'eau et la mousse située entre l'huile et le gaz. En production pétrolière, l'effluent produit est composé de plusieurs 1 0 fluides: de l'huile (mélange d'hydrocarbures), de l'eau salée et du gaz, et souvent de particules solides, par exemple du sable. La séparation des différents fluides est effectuée dans un ballon séparateur en fonction de la densité de chacun des fluides. Dans le ballon, la séparation est physiquement réalisoe par une barrière permettant de laisser couler le fluide le plus loger (huile) et bloquer le fluide le plus lourd (eau). La position et surtout la géométrie (hauteur de la barrière) détermine l'efficacité du ballon séparateur. Cette barrière physique est définie lors de la conception du ballon séparateur et n'est pas modifiable lors de l'exploitation en production. Par conséquent, il est important de pouvoir contrôler le volume d'eau et d'huile entrant et les niveaux respectifs d'huile et d'eau. Les mélanges d'huile et d'eau se séparent spontanément par décantation liée à la différence de densité. Cependant, pour la plupart des systèmes, il y a formation d'une couche intermédiaire de nature émulsionnée. La formation de l'émulsion est difficile à prédire et à contrôler. Elle dépend des conditions opératoires telles que l'agitation, la présence d'une pompe, de vannes, et de paramètres telles que la pression, la température et la composition physico-chimique de l'huile et de l'eau. I1 est important de localiser cette couche d'émulsion et de connaître son volume au cours du traitement de séparation afin d'ajuster le débit de production pour minimiser les pertes d'eau dans l'huile et, réciproquement, les pertes d'huile dans l'eau. De plus, la connaissance de la nature de l'émulsion permet d'introduire des agents chimiques desémulsifiants adéquats en amont du ballon, ou d'activer des dispositifs de stabilisation de l'écoulement dans le ballon séparateur. Le brevet WO 00/22387 propose un ballon séparateur muni de capteurs à rayon gamma permettant notamment de déterminer la position des interfaces huile/eau et gaz/huile et l'épaisseur de l'émulsion. Cependant, les capteurs à rayon gamma peuvent, de par leur nature lo radioactive, être dangereux pour l'homme et sont de manipulation difficile et délicate. Ils ne permettent pas de déterminer la nature de l'émulsion. De plus, l'utilisation de sources radioactives pose des problèmes d'homologations. La présente invention propose un ballon séparateur pourvu d'émetteurs et de récepteurs de faisceaux de micro-ondes. De manière générale, l'invention concerne un dispositif pour déterminer la position, la composition et la nature de plusieurs couches de fluides superposées, comprenant: - une enceinte contenant plusieurs fluides, l'enceinte comportant au moins deux émetteurs de faisceaux de micro-ondes disposés sur une première tige et au moins deux récepteurs de faisceaux de micro ondes disposés sur une deuxième tige, - une source de faisceaux de micro-ondes connectable aux émetteurs, - des moyens de traitement pour enregistrer et analyser les faisceaux de micro-ondes reçus par les récepteurs et le faisceau de micro ondes émis par la source. Selon l'invention, la première tige et la deuxième tige peuvent être verticales et séparées d'une distance comprise entre 5 mm et 50 mm. La distance séparant deux émetteurs consécutifs sur la première tige peut être comprise entre 10 mm et 30 mm et la distance séparant deux récepteurs consécutifs sur la deuxième tige peut être comprise entre 10 mm et 30 mm. La source peut émettre un faisceau de micro-ondes ayant une fréquence comprise entre 1 et 10 GHz. L'invention concerne également une méthode mettant en _uvre le 0 dispositif précédemment décrit pour déterminer la position, la composition et la nature de plusieurs couches de fluides superposées, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: a) la source émet un faisceau de micro-ondes; b) le s moyen s de traitement enregi strent le fai sce au de micro-ondes émi s par la source; c) on connecte un des émetteurs à la source; d) les moyens de traitement enregistrent le faisccau de micro-ondes reçu par chacun des récepteurs; e) on effectue les étapes c) et d) pour chacun des émetteurs; f) les moyens de traitement analysent les faisceaux de micro-ondes enregistrés aux étapes b) et d). Selon un mode de réalisation, on peut effectuer les étapes a) à e) la source émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence fl, puis on peut effectuer le s étape s a) à e) la source émettant un fai sce au de microondes de fréquence f2, la fréquence fl étant différente de la fréquence f2. Selon un autre mode de réalisation, on peut effectuer les étapes a) à e) la source émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence fl, puis on peut effectuer les étapes a) à e) la source émettant un faisccau de microondes de fréquence f2, puis on peut effectuer les étapes a) à e) la source émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence f3, puis on peut effectuer les étapes a) à e) la source émettant un faisccau de microondes de fréquence f4, les fréquences fl, f2, f3 et f4 étant chacune différente. Selon l'invention, à l'étape f), les moyens de traitement peuvent enregistrer et analyser la variation d'intensité et la variation de phase entre le faisceau de micro-ondes émis par la source et le faisceau de micro-ondes reçu par un récepteur. lo Le dispositif et de la méthode selon l'invention peuvent étre utilisé pour: - déterminer le niveau des fluides contenus dans un ballon séparateur en production pétrolière; - déterminer la proportion d'huile et d'eau composant l'émulsion huile/eau contenue dans un ballon séparateur en production pétrolière; - déterminer la proportion d'eau présente dans l'huile quittant un ballon de séparation. L'utilisation de faisceaux micro-ondes est moins dangereuse pour l'étre humain que les rayons gamma car l'énergie rayonnée est environ mille fois plus faible. De plus, les capteurs à micro-ondes permettent de donner la nature et la composition de l'émulsion. Par nature de l'émulsion, on signifie que l'on détermine le liquide continu dans lequel sont dispersées les gouttes d'un second liquide, par exemple: la présence de gouttes d'eau dispersées dans de l'huile, ou réciproquement la dispersion de gouttes d'huile dans de l'eau. La composition indique les proportions d'huile et d'eau composant l'émulsion. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite ciaprès en se référant aux figures parmi lesquelles: - la figure 1 représente un ballon séparateur muni de capteurs micro ondes, - la figure 2 schématise en détail un émetteur micro-ondes. La figure 1 représente un ballon séparateur 1. La barrière 8 partage la zone inférieure du ballon 1 en deux parties. En amont de la barrière 8, le lo conduit 2 alimente le ballon séparateur 1 en effluent pétrolier. Le gaz 7 est évacué par le conduit 9 situé dans la zone supérieure du ballon 1. En amont de la barrière 8, le sable 3 se dépose au fond du ballon 1, l'eau se sépare de l'huile sous forme de trois couches superposées. L'eau 4 forme une couche au-dessus du sable 3 et la couche d'émulsion eau/huile 5 sépare la couche d'eau 4 de la couche d'huile 6. Une couche de mousse d'huile 30 sépare la couche d'huile 6 et le gaz 7. L'eau 4 est évacuée par le conduit 10 situé en amont de la barrière 8. Le niveau supérieur de la couche d'huile 6 est au dessus de la barrière 8. Ainsi l'huile se déverse dans la partie du ballon séparateur en aval de la barrière 8. En aval de la barrière 8, le conduit 11 permet d'évacuer l'huile du ballon. Le ballon 1 est pourvu d'un dispositif de détection du niveau des couches d'eau 4, d'émulsion eau/huile 5, d'huile 6 et de mousse d'huile 30. Ce dispositif est composé d'une première tige 12 sensiblement verticale pourvue d'émetteurs 13 de faisccaux de micro-ondes et d'une seconde tige 14 sensiblement verticale pourvue de récepteurs 15 de faisccaux microondes. La tige 12 est proche de la tige 14 et la distance séparant les deux tiges est connue. Par exemple, les tiges 12 et 14 sont distantes de 40 mm. Les émetteurs 13 peuvent être disposés à intervalle régulier sur toute la hauteur du ballon 1, par exemple trente émetteurs distants de 30 mm. Pour chaque émetteur 13, il correspond un capteur 14 qui peut 8tre disposé à hauteur égale sur la tige 14. Une source 16 génère un faisceau de micro-ondes qui est transmis aux émetteurs 13. Le faisceau de micro-ondes peut 8tre un faisceau d'énergie électromagnétique ou champ électromagnétique de fréquence comprise entre 1 et 100 GHz, de préférence entre 1 et 10 GHz. Ce faisccau généré par la source est caractérisé par une valeur d'intensité et une phase. Les moyens électroniques de commande 18 permettent de connecter la source 16 avec un ou plusieurs émetteurs 13. Le faisceau de micro-ondes est émis par les lO émetteurs 13 pour irradier l'effluent pétrolier. Après avoir traversé la distance séparant les deux tiges, le faisceau est capté par les récepteurs 15. Lors du trajet dans l'un des fluides composant l'effluent pétrolier, l'intensité et la phase du faisceau sont modifiées. Le faisceau reçu par les récepteurs 15 est dirigé vers des moyens de traitement de l'information 17. Les moyens électroniques de commande 19 permettent de connecter un ou plusieurs récepteurs 16 aux moyens de traitement de l'information 17. Les moyens 17 enregistrent et effectuent une comparaison entre les caractéristiques (intensité et phase) du faisceau émis par l'un des émetteurs 13 et les caractéristiques (intensité et phase) du faisceau reçu par un récepteur 15. Ainsi, on peut connaître d'une part l'atténuation du faisceau de micro-onde, c'est à dire le rapport entre l'intensité du faisceau émis par un émetteur 13 et l'intensité du faisceau reçu par un récepteur 15, et d'autre part on peut connatre le déphasage du faisceau de micro-onde, c'est à dire la différence entre la phase du faisceau émis par un émetteur 13 et la phase du faisceau reçu par un récepteur 15. L'analyse de ces comparaisons permet de déterminer la nature et la composition du fluide qui sépare l'émetteur du récepteur. L'émetteur 13, présenté sur la fgure 2, est sensiblement cubique. Il comporte une antenne 20 à deux branches moulées dans une résine 24, par exemple une résine époxy. Cinq faces du cube sont recouvertes d'un matériau imperméable aux faisceaux micro-ondes, seul la face 22 est perméable aux faisceaux micro-ondes. La face 22 de l'émetteur est couverte par un matériau présentant un faible coefficient d'atténuation des faisceaux micro-ondes, par exemple un matériau de type céramique. Ce matériau a pour rôle d' adapter l 'impédance de l 'émetteur 13 à la nature du fluide se trouvant à son contact. De plus le matériau céramique 25 est protégé des agressions chimiques de l'effluent pétrolier par une couche de matériau 23, par exemple du polyfluorure de vinylidène (PVDF). Les deux branches de l'antenne 20 lo s'étendent dans le cube devant la face 22 en contact avec l'effluent pétrolier. L'antenne peut se présenter sous la forme d'un ffl ou d'un ruban métallique, par exemple du cuivre. Les moyens électroniques de commande 18 permettent d'établir un contact entre la connexion 21 et la source de micro-ondes 16. Les récepteurs 15 sont physiquement identiques aux émetteurs 13. Les émetteurs 13 et les récepteurs 15 sont des antennes électromagnétiques identiques, et leurs rôles peuvent étre inversés. La méthode de mesure peut comprendre les étapes suivantes: 1) la source 16 génère un faisceau micro-ondes de fréquence fl; 2) une partie du faisceau micro-ondes est communiquée aux moyens de traitement de l'information 17; cette partie du faisceau, appelée faisceau de référence, présente les caractéristiques (intensité et phase) du faisccau émis par un émetteur 13 à l'étape 3); 3) les moyens électroniques de commande 18 mettent en contact un des émetteurs 13 avec la source 16; l'émetteur 13 émet le faisceau de micro- ondes qui se propage à travers le fluide compris entre les tiges 12 et 14 jusqu'aux récepteurs 15; 4) les moyens électroniques de commande 19 mettent en contact chacun des récepteurs 15 avec les moyens de traitement de l'information 17; ainsi les moyens 17 enregistrent le faisceau reçu par chacun des récepteurs 15; par exemple, pour une tige 14 comportant trente récepteurs 15, les moyens de traitement de l'information 17 enregistrent trente mesures; ) les moyens 17 effectuent d'une part, une comparaison entre l'intensité du faisceau de rélérence et l'intensité du faisceau reçu par l'un des récepteurs (dans la suite de la description, la variation de l'intensité est nommée atténuation de l'onde), et d'autre part, une mesure du déphasage entre le lO faisccau de réDérence et le faisccau reçu par l'un des récepteurs 15; 6) les étapes 3, 4 et 5 sont répétées pour chacun des émetteurs 13; ainsi les émetteurs 13 sont successivement connoctés à la source de manière à émettre successivement un faisceau de micro-onde; Si la tige 12 comporte trente émetteurs 13 et la tige 14 comporte trente récepteurs 15, les moyens l 5 de traitement de l'information 17 effectuent neuf cents mesures; 7) les étapes 1 à 6 sont répétées pour plusieurs valeurs différentes de la fréquence fl: par exemple, on peut effectuer les étapes 1 à 6 pour les quatre valeurs successives de fl: 2 GHz, 3 GHz, 4 GHz et 6 GHz. Sans sortir du cadre de l'invention, les étapes 1 à 7 peuvent étre effectuées dans un ordre différent. En exploitant les valeurs d'atténuation et de déphasage mesurées par les moyens de traitement de l'information 17 lors de l'étape 4), on détermine la position des interfaces. En général: gaz/huile ou huile/eau et en particulier la détection des couches intermédiaires entre le gaz et l'huile, c'est à dire une couche de mousse, et entre l'huile et l'eau, c'est à dire la couche d'émulsion. L'atténuation d'une onde, ainsi que son déphasage, va dépendre de paramètres intrinsèques aux fluides traversés tels que la salinité de l'eau, et la permittivité des fluides (la permittivité d'un fluide variant en fonction de la fréquence de l'onde qui traverse le fluide). Par exemple, à la fréquence de GHz, la permittivité est égale à environs 2 quand l'onde traverse de l'huile. La permittivité augmente quand l'onde traverse de l'huile contenant de plus en plus d'eau, jusqu'à atteindre une valeur de l'ordre de 80 lorsque l'onde traverse uniquement de l'eau. A partir de la transmission d'une onde de fréquence fl connue entre un émetteur 13 et un récepteur 15 dont les positions sont connues et des mesures de l'atténuation et du déphasage, on détermine la nature du fluide compris 0 entre l'émetteur et le récepteur. Cette analyse étant répétée pour chacun des émetteurs 13 et récepteurs 15, on peut déterminer avec précision la position de s interface s entre le s différente s couches de fluide pré sente s dans le ballon séparateur. On peut aussi optimiser le choix de la fréquence du faisceau de micro l 5 ondes émis par la source. En effet la permittivité étant fonction de la fréquence de l'onde qui traverse le fluide, on peut effectuer une série de mesures à une fréquence pour laquelle l'atténuation et le déphasage à travers l'eau sont importants par rapport à l'huile, puis une autre série de mesures à une fréquence pour laquelle l'atténuation et le déphasage à travers l'huile sont importants par rapport au gaz. Le s mesure s effectuée s par le s moyens de traitement de l 'information 17 permettent également de déterminer la nature et la composition de la couche d'émulsion et la composition de la couche de mousse. La valeur de la permittivité de l'émulsion dépend de la nature de l'émulsion. Par conséquent, à partir des mesures de l'atténuation et du déphasage d'une onde de fréquence fl traversant une couche d'émulsion, on peut calculer la permittivité de l'émulsion pour connaître la nature de l'émulsion. A partir d'un étalonnage multi-fréquence, la composition en huile et en eau de l'émulsion et la composition en gaz de la mousse sont déterminées par un traitement spécifique de l'ensemble des données issues des mesures d'atténuation et de déphasage. Ce traitement spécifique est basé sur une exploitation des données type "traitement du signal " et une analyse statistique. La présente invention permet de déterminer le niveau des différents fluides présents dans un ballon séparateur utilisé pour la production d'un 0 effluent pétrolier. Ces informations permettent de réguler le débit d'entrée de l'effluent afin de maintenir l'interface entre l'émulsion et l'huile en dessous de la barrière du ballon séparateur. Ainsi on minimise les pertes d'huile dans l'eau ou les pertes d'eau dans l'huile. Le dispositif selon la présente invention peut également être installé en sortie d'un ballon séparateur au niveau de la conduite d'évacuation de l'huile. Sur la figure 1, le dispositif selon l'invention référencé 31 est installé sur la conduite 11. Les deux tiges comportant les émetteurs et les récepteurs sont sensiblement perpendiculaires à l'axe de la conduite 11. Dans ce cas de figure, on peut déterminer la quantité d'eau présente dans l'huile qui quitte le ballon séparateur. La présente invention permet également de connaître la nature et la composition de la couche émulsionnée huile/eau séparant la couche d'huile de la couche d'eau et de la couche de mousse d'huile/gaz séparant la couche d'huile de la couche de gaz. Ces informations permettent d'optimiser les conditions opératoires du ballon séparateur (l'agitation, la présence d'une pompe, de vannes, et de paramètres telles que la pression, la température et la composition physico-chimique de l'huile et de l'eau), de contrôler l'introduction d ' agents chimique s stabili sants et dé s émulsifi ants dans l'effluent pétroli er en aval du ballon séparateur et/ou d'actionner des appareils de stabilization de l'écoulement dans le ballon séparateur. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour déterminer la position, la composition et la nature de plusieurs couches de fluides superposées, comprenant: - une enceinte (1) contenant plusieurs fluides, l'encointe (1) comportant au moins deux émetteurs (13) de faisceaux de micro ondes disposés sur une première tige (12) et au moins deux 0 récepteurs (15) de faisccaux de micro-ondes disposés sur une deuxième tige (14), - une source (16) de faisceaux de micro-ondes connectable aux émetteurs, - des moyens de traitement (17) pour enregistrer et analyser les faisceaux de micro-ondes reçus par les récepteurs (15) et le faisceau de micro-ondes émis par la source (16). 2) Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la première tige (12) et la deuxième tige (14) sont verticales et séparées d'une distance comprise entre mmet50 mm. 3) Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la distance séparant deux émetteurs (13) consécutifs sur la première tige (12) est comprise entre 10 mm et 30 mm et dans lequel la distance séparant deux récepteurs (15) consécutifs sur la deuxième tige (14) est comprise entre 10 mm et 30 mm. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la source (16) émet un faisceau de micro-ondes ayant une fréquence comprise entre 1 et 10 GHz. 5) Méthode mettant en _uvre le dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 pour déterminer la position, la composition et la nature de plusieurs couches de fluides superposées, dans laquelle on effectue les étapes suivantes: a) la source (16) émet un faisceau de micro-ondes; b) les moyens de traitement (17) enregistrent le faisceau de micro-ondes émis lO par la source (16); c) on connecte un des émetteurs (13) à la source (16); d) les moyens de traitement (17) enregistrent le faisceau de micro-ondes reçu par chacun des récepteurs (15); e) on effectue les étapes c) et d) pour chacun des émetteurs (13); l 5 f) les moyens de traitement (17) analysent les faisceaux de micro-ondes enregistrés aux étapes b) et d). 6) Méthode selon la revendication 5, dans laquelle on effectue les étapes a) à e) la source (16) émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence fl, puis on effectue les étapes a) à e) la source (16) émettant un faisceau de micro- ondes de fréquence f2, la fréquence fl étant différente de la fréquence f2. 7) Méthode selon la revendication 5, dans laquelle on effectue les étapes a) à e) la source (16) émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence fl, puis on effectue les étapes a) à e) la source (16) émettant un faisceau de micro- ondes de fréquence f2, puis on effectue les étapes a) à e) la source (16) émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence f3, puis on effectue les étapes a) à e) la source (16) émettant un faisceau de micro-ondes de fréquence f4, les fréquences fl, f2, f3 et f4 étant chacune différente. 8) Méthode selon l'une des revendications 5, 6 et 7, dans laquelle à l'étape f), les moyens de traitement (17) enregistrent et analysent la variation d'intensité et la variation de phase entre le faisceau de micro-ondes émis par la source (16) et le faisceau de micro-ondes reçu par un récepteur (15). 9) Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 et de la méthode selon l'une des revendications 5 à 8 pour déterminer le niveau des fluides contenus dans un ballon séparateur en production pétrolière. ) Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 et de la méthode selon l'une des revendications 5 à 8 pour déterminer la proportion d'huile et d'eau composant l'émulsion huile/eau contenue dans un ballon séparateur en production pétrolière. 11) Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 et de la méthode selon l'une des revendications 5 à 8 pour déterminer la proportion