Brevet FR2962761A1 — publié le 20120120

B11-3169FR 1 Détecteur d'écoulement de fluide La présente invention concerne un détecteur d'écoulement de fluide qui, par exemple, peut être installé sur un outil de fond de forage tel qu'un outil matriciel de mesure de d'écoulement. Il est souhaitable de comprendre le régime d'écoulement du fluide dans un puits de forage, qui contient ordinairement de l'huile, de l'eau et du gaz. En particulier, les puits non verticaux peuvent présenter une circulation de gaz dans un sens, par exemple montant, et une circulation de liquides dans un autre sens, par exemple descendant, souvent avec des débits différents. Un exemple de détecteur d'écoulement de fluide utilise trois aimants espacés axialement sur une longue turbine hélicoïdale rotative ou ce qu'on appelle un "spinner", dont l'équilibre en rotation est difficile à réaliser. De plus, les détecteurs utilisés risquent de ne pas être très sensibles et peuvent nécessiter de puissants aimants et/ou de petits intervalles entre la turbine et le carter qui l'entoure. Les aimants ont également tendance à attirer des débris magnétiques, ce qui provoque un encrassement de la turbine miniature. Il serait souhaitable d'avoir un détecteur d'écoulement de fluide qui supprime ou au minimum atténue au moins certains des problèmes des détecteurs selon l'état de la technique. La présente invention propose un détecteur d'écoulement de fluide bidirectionnel, le détecteur comprenant une turbine conçue pour tourner sur un axe par suite du passage d'un fluide dans la turbine ; un aimant monté sur la turbine et conçu pour tourner avec la turbine ; et un capteur d'angle de flux magnétique disposé au voisinage immédiat de la turbine et conçu pour détecter l'angle relatif de flux de l'aimant au cours de la rotation de celui-ci. Dans des formes de réalisation de la présente invention, la turbine est plus facile à équilibrer, si bien que le détecteur d'écoulement peut être plus sensible à de faibles débits du fluide et plus simple à fabriquer, ce qui permet des économies de temps et d'argent. En outre, comme le capteur d'angle de flux magnétique peut être plus sensible que des capteurs magnétiques selon la technique antérieure, tels que des capteurs à effet Hall, un plus grand intervalle peut être créé entre la turbine et le capteur d'angle de flux magnétique, ce qui réduit le risque d'encrassement de la turbine. De préférence, le ou les aimants sont disposés de manière symétrique sur l'axe de rotation de la turbine. Cela maintient l'équilibre en rotation de la turbine sur son axe et peut contribuer au maintien de la turbine sur un arbre le long de son axe de rotation. L'axe des pôles de l'aimant est de préférence perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine. De préférence, le détecteur d'écoulement de fluide comporte une connexion électrique, telle qu'un fil, qui peut servir à fournir de l'électricité au détecteur et également à fournir un signal numérique à partir du détecteur. Cela permet des connexions plus simples qui sont plus robustes et fiables. Un outil matriciel de mesure d'écoulement pour un puits de forage peut également être proposé, l'outil comprenant une pluralité de ressorts à lames arquées élastiques s'étendant vers l'extérieur, munis chacun d'un détecteur d'écoulement de fluide selon la présente invention. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un outil matriciel de mesure d'écoulement comprenant des détecteurs d'écoulement de fluide selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 2 représente schématiquement un détecteur d'écoulement de fluide selon un exemple de la présente invention ; - la figure 3 représente schématiquement un détecteur d'écoulement de fluide selon un autre exemple de la présente invention ; - la figure 4 représente plus en détail un exemple du détecteur d'écoulement de fluide selon une forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 5 représente un exemple de montage de l'aimant dans la turbine ; - la figure 6 représente schématiquement des lignes de flux magnétique selon un exemple de la présente invention ; - la figure 7 représente le champ magnétique auquel est confronté un capteur d'angle de flux à divers stades de la rotation d'une turbine selon un exemple de la présente invention ; - la figure 8 représente un exemple de capteur d'angle de flux magnétique ; et - la figure 9 représente schématiquement un exemple de circuit électronique de commande pouvant être associé à un capteur d'angle de flux magnétique. La figure 1 représente un exemple d'outil matriciel 10 de mesure d'écoulement, pouvant par exemple être installé au fond d'un puits de forage. L'outil 10 comprend un certain nombre de ressorts 20 à lames arquées fixés à chaque extrémité de l'outil 10. Les ressorts 20 à lames arquées sont élastiques et conçus pour s'étendre radialement vers l'extérieur et au contact d'une surface intérieure d'un puits de forage, par exemple pendant son utilisation. Chaque ressort 20 à lames arquées est muni d'un détecteur 30 d'écoulement de fluide conçu pour détecter l'écoulement d'un fluide passant par ce point. Une pluralité de détecteurs 30 d'écoulement de fluide sont disposés sur le pourtour de l'outil 10 afin de pouvoir mesurer l'écoulement en différents points à cet endroit dans le puits de forage. En effet, le fluide dans le puits peut s'écouler à différents débits en différents endroits du puits et, en fait, peut même s'écouler dans des directions différentes, par exemple, dans un puits non vertical, le gaz peut s'écouler vers le haut sur un côté supérieur et les liquides peuvent s'écouler vers le bas sur le côté opposé. La figure 2 représente schématiquement un exemple du détecteur 30 d'écoulement de fluide. Le détecteur d'écoulement de fluide comprend une turbine 31 ou ce qu'on appelle un "spinner" conçu pour tourner sur un axe 32 par suite du passage du fluide F dans la turbine 31, ordinairement sensiblement dans le sens de l'axe 32. Un aimant 33 ou des aimants sont montés sur la turbine 31 et conçus pour tourner avec la turbine 31. Un capteur 34 d'angle de flux magnétique est disposé au voisinage immédiat de la turbine 31 et conçu pour détecter l'angle relatif du flux de l'aimant 33 lors de la rotation de celui-ci. Le capteur 34 d'angle de flux magnétique est monté en position fixe, de préférence dans un boîtier, espacé d'une distance x par rapport au plan de rotation 35 de l'aimant 33. Bien qu'un seul aimant 33 soit représenté dans l'exemple de la figure 2, deux ou plus de deux aimants peuvent être présents pour accroître encore la résolution du détecteur 30. Par exemple, deux aimants peuvent être disposés dans le plan de rotation 35 comme représenté sur la figure 3, montés chacun sur le bord de la turbine 31, sur des côtés opposés et avec des pôles opposés (nord et sud) orientés vers l'extérieur depuis le bord de la turbine. Selon une autre possibilité, davantage d'aimants peuvent être disposés à angles égaux sur le bord périphérique de la turbine 31, dans le plan de rotation 35, des pôles alternés étant orientés vers l'extérieur. La figure 4 fournit un exemple plus détaillé du détecteur 30 d'écoulement de fluide représenté sur la figure 2. Dans cet exemple, la turbine 31 est montée sur un arbre rotatif 40, le long de son axe 32. L'arbre 40 est monté à chaque extrémité sur un support 41. Les supports 41 sont placés sur un boîtier 42 qui contient le capteur 34 d'angle de flux magnétique et des composants électroniques de traitement de signaux. Le détecteur 30 d'écoulement de fluide est fixé à un ressort 20 à lames arquées, de n'importe quelle manière appropriée connue de l'homme de l'art, dans le présent exemple par des supports 43. Comme représenté dans l'exemple de la figure 4, le détecteur 30 d'écoulement de fluide est disposé sur la face intérieure ou concave du ressort 20 à lames arquées, afin d'éviter de toucher une paroi 44 d'un puits lors de l'utilisation, ce qui risquerait d'endommager le détecteur 30 d'écoulement de fluide. Le boîtier 42 est pourvu d'une connexion électrique 45 qui peut servir à fournir de l'électricité aux composants électroniques de traitement de signaux ainsi qu'à produire un signal numérique à partir du détecteur 30 d'écoulement de fluide. La figure 5 représente un exemple du montage de l'aimant 33 représenté sur la figure 4 sur la turbine 31 et l'arbre 40. L'aimant 33 est disposé dans une cavité cylindrique ménagée dans la turbine 31 et traversant l'arbre 40. L'aimant 33 peut contribuer à maintenir la turbine 31 sur l'arbre 40 et à créer un agencement facilement équilibré qui rend le détecteur 30 très sensible et précis. L'arbre 40 peut comporter des paliers concaves 46 permettant un montage commode sur des pivots 47 présents sur les supports 41. La figure 6 représente les lignes 36 de flux magnétique de l'aimant 33 frappant le capteur 34 d'angle de flux magnétique dans une première position pendant la rotation de la turbine 31 et de l'aimant 33 autour de l'axe 32. Comme on peut le voir, l'aimant 33 tourne autour de l'axe 32 dans un plan 35 et le capteur 34 d'angle de flux magnétique est décalé par rapport à ce plan de rotation 35 afin de résoudre la direction du flux magnétique. La résolution de la direction du flux magnétique 36 fournit des informations quant au sens de rotation de l'aimant 33 et de la turbine 31, et donc également quant au sens d'écoulement du fluide passant par le capteur détecteur 30 d'écoulement de fluide. Connaître le sens d'écoulement est très utile dans les puits en fond de forage dans lesquels des fluides peuvent s'écouler dans l'un et/ou l'autre sens. La figure 7 représente schématiquement une vue en plan à divers stades de rotation de l'aimant 33 et de la turbine 31. Le capteur 34 d'angle de flux magnétique est fixe et l'aimant 33 présent sur la turbine en rotation 31 balaye un côté du capteur 34 d'angle de flux magnétique en fournissant les angles de flux indiqués sur le côté droit de la figure 5. Bien que des lignes de flux sortent radialement de l'aimant dans toutes les directions, seule la ligne de flux passant par le capteur 34 d'angle de flux magnétique est représentée à chaque stade de la figure 5. Ces signaux d'angles de flux mesurés par le capteur 34 d'angle de flux servent ensuite à déterminer la vitesse et le sens de rotation à l'aide des composants électroniques de traitement des signaux décrits en référence à la figure 9. La figure 8 représente schématiquement l'agencement interne du capteur 34 d'angle de flux magnétique comprenant, dans le présent exemple, un montage en pont composé de quatre éléments magnétorésistifs 60 conçus pour fournir le sinus et le cosinus 61 , 62 correspondant à l'angle de flux auquel est confronté le capteur 34 d'angle de flux. Comme représenté sur la figure 8, le montage en pont est disposé entre une tension d'alimentation 63 et la connexion à la terre 64. Les capteurs 34 d'angles de flux magnétique sont commercialisés, par exemple, par la société NVE Corporation aux USA. La figure 9 illustre le capteur 34 d'angle de flux magnétique pourvu d'un circuit de traitement de signaux pour fournir une information indiquant l'écoulement de fluide devant le détecteur 30 d'écoulement de fluide. Dans cet exemple, le sinus 61 et le cosinus 62 fournis par le capteur 34 d'angle de flux magnétique sont amenés à passer chacun par un amplificateur 70 et à être reçus par une unité de commande 71 telle qu'un microcontrôleur. Le contrôleur 71 traite les signaux amplifiés de sinus et de cosinus et fournit au connecteur 45 une information indiquant le sens et la vitesse du fluide passant par le détecteur 30. Les informations fournies au connecteur 45 peuvent, par exemple, être mémorisées ou transmises à la surface pour être interprétées et analysées. Dans le présent exemple, le connecteur 45, qui peut être un unique fil électrique entouré d'une gaine mise à la terre, sert à la fois à fournir de l'électricité aux composants électroniques de traitement de signaux ainsi qu'à fournir une information numérique destinée à être stockée/interprétée et analysée. De nombreuses variantes peuvent être apportées aux exemples décrits ci-dessus tout en restant dans le cadre de la présente invention. Par exemple, au lieu d'un seul aimant 33 comme représenté sur les figures 2 et 4, une pluralité d'aimants peuvent être disposés sur le pourtour de la turbine 31, les pôles Nord et Sud alternant. Bien qu'une forme particulière de turbine soit illustrée, n'importe quelle turbine appropriée peut être utilisée, comme le comprendra un spécialiste de la technique. REVENDICATIONS1. Détecteur (30) d'écoulement de fluide bidirectionnel, le détecteur (30) comprenant une turbine (31) conçue pour tourner sur un axe (32) du fait du passage d'un fluide dans la turbine (31) ; un aimant (33) monté sur la turbine (31) et conçu pour tourner avec la turbine (31) ; et un capteur (34) d'angle de flux magnétique disposé au voisinage immédiat de la turbine (31) et conçu pour détecter l'angle relatif du flux de l'aimant (33) lorsqu'il tourne. 2. Détecteur (30) d'écoulement de fluide selon la revendication 1, dans lequel l'aimant (33) est disposé à travers l'axe de rotation (32) de la turbine (31). 3. Détecteur (30) d'écoulement de fluide selon la revendication 1, comprenant une pluralité d'aimants (33) disposés sur le pourtour de l'axe de rotation (32) de la turbine (31). 4. Détecteur (30) d'écoulement de fluide selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel l'axe des pôles de l'aimant ou des aimants (33) est perpendiculaire à l'axe de rotation (32) de la turbine (31). 5. Détecteur (30) d'écoulement de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur (34) d'angle de flux magnétique est monté de manière décalée par rapport au plan de rotation (35) de l'aimant ou des aimants (33). 6. Détecteur (30) d'écoulement de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur (34) d'angle de flux magnétique est conçu pour fournir des signaux correspondant au sinus et au cosinus du signal magnétique détecté. 7. Détecteur (30) d'écoulement de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur (34) d'angle de flux magnétique comporte un contrôleur (71) avec une connexion électrique conçue pour fournir de l'électricité aucontrôleur (71) et également conçue pour fournir un signal issu du contrôleur (71). 8. Outil matriciel de mesure (10) d'écoulement pour un puits de forage, l'outil (10) comprenant une pluralité de ressorts élastiques à lames (20) s'étendant radialement vers l'extérieur, munis chacun d'un détecteur (30) d'écoulement de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes.