Brevet FR2989458A1 — publié le 20131018

Procédé et dispositif de mesures géolocalisées d'une caractéristique d'un fluide en mouvement dans une conduite L'invention concerne un dispositif et un procédé permettant de géolocaliser et mesurer une ou plusieurs caractéristiques d'un fluide circulant dans une conduite. De manière générale, l'invention concerne les dispositifs de mesure de grandeurs physiques localisées et géolocalisées déployés dans des systèmes de transports de fluides impliquant le besoin de relevés physiques géolocalisés conduisant à un gain de productivité, là où les approches clas- siques sont lourdes à déployer et consommatrices en moyens. Elle s'applique, par exemple, pour la mesure géolocalisée de la pression et de la température des effluents pétroliers dans des pipelines, dans des conduits de forages verticaux, horizontaux ou mêmes inclinés. Elle peut aussi être utilisée pour caractériser tout fluide circulant dans une conduite. L'un des problèmes techniques posé est de répondre au besoin de mesure géolocalisée des conditions de pression et de température d'un effluent pétrolier, ou de tout autre fluide, par exemple un gaz avec un gra- dient de pression ou un liquide, polyphasique ou monophasique, en mouvement dans une conduite. Une première famille de dispositifs de mesure et de contrôle connue du Demandeur concerne les outils opérationnels d'inspection qui sont des engins robotiques polyarticulés, connus sous l'acronyme anglo-saxon « smart pigs » dont un exemple est donné dans le brevet US5208936. Ces dispositifs ont généralement une longueur de plusieurs mètres, et sont équipés d'une instrumentation très avancée ayant pour objectif de réaliser du contrôle non destructif sur les canalisations. Ils permettent également d'effectuer des relevés géolocalisés de variation de pression et de tempéra- ture. L'utilisation de ces dispositifs reste cependant extrêmement restreinte en raison, d'une part de la nécessité du déploiement d'une infrastructure lo- gistique importante, et d'autre part, des risques encourus liés au blocage de ces dispositifs robotiques dans les canalisations. La géolocalisation est assurée quant à elle, par exemple, par le biais de roues encodeuses disposées en périphérie de la surface du robot. Ce principe de mesure, bien que simple à mettre en oeuvre, est sensible au glissement de la roue et n'assure pas toujours une estimation correcte de la distance parcourue. Une seconde famille d'outils opérationnels consiste à utiliser des instruments avec un encombrement plus réduit, mais nécessitant cependant une liaison filaire avec la surface pour assurer à la fois l'alimentation du dis- positif et l'échange des données mesurées par le dispositif vers un opérateur ou un centre de traitement. La fonction de géolocalisation est assurée par le bais du comptage de la longueur linéaire déroulée. Un dispositif de treuillage sur camion est utilisé à cet effet, ce qui rend le déploiement de ces solutions peu ou pas flexible et coûteux. Le brevet US6241028 décrit un outil opérationnel adressant la mesure de paramètres physiques (pression, température) d'un fluide et la localisation du dispositif de mesures associé. Le système met en oeuvre une sphère en rotation au sein d'une conduite permettant de localiser sa position dans la conduite grâce au suivi de sa rotation. Ce dispositif: 1. n'adresse pas la fonction de localisation par une approche purement ma- gnétique (et uniquement- sans fusion de capteurs) 2. ne décrit pas une approche active (effet actif permet de soustraire aux bruits environnement) 3. ne décrit pas une approche différentielle (i.e. insensible à la rotation et l'inclinaison de la capsule) 4. a une approche de détection en mode contact contrairement à notre approche (sans contact) L'objet de la présente invention est notamment d'offrir un disposi- tif simple, peu volumineux capable d'être utilisé dans de nombreux types de conduites, et qui offre une géolocalisation précise pour une mesure d'une ou de plusieurs caractéristiques d'un fluide. Dans la suite de la description, pour des raisons de simplification, on utilisera indifféremment l'expression « dispositif de géolocalisation et de mesures », ou l'expression « dispositif pour géolocaliser et mesurer un ou plusieurs paramètres caractéristiques d'un fluide ». Il en sera de même pour le procédé. L'invention concerne un dispositif pour géolocaliser et mesurer un ou plusieurs paramètres caractéristiques d'un fluide circulant dans une con- duite, le dispositif de géolocalisation et de mesures comprenant des moyens de détection du ou desdits paramètres caractéristiques et étant caractérisé en ce que ledit dispositif de géolocalisation et de mesures comporte au moins : - une première partie I composée au moins d'une bobine d'excitation du matériau constituant la conduite dans lequel circule le dispositif et d'une bobine de détection du signal résultant de la réponse du champ magnétique dans ce matériau, - une deuxième partie II adaptée à traiter les signaux S de réponse de la conduite soumis au champ magnétique, à associer les signaux de ré- ponse à une mesure temporelle (t) afin de déterminer la position (P) du dispositif de mesure à un instant t donné, et à combiner les mesures du ou des paramètres caractéristiques du fluide à une position P donnée. Le moyen de géolocalisation comprend deux bobines d'excitation parcourues par un courant alternatif et une bobine de réception, les deux bobines d'excitation étant montées tête bêche l'une par rapport à l'autre. La bobine de réception est par exemple disposée entre les deux bobines d'excitation. Le moyen de détection d'un paramètre du fluide est un capteur de pression et/ou un capteur de température. La partie électronique de traitement II comprend : une carte d'acquisition de données qui reçoit les valeurs mesurées par les capteurs de la partie I via une entrée, une sortie de la carte d'acquisition est en liaison avec l'entrée d'un calculateur, une première sortie du calculateur est en liai- son avec un sélecteur, et une deuxième sortie du calculateur est en liaison avec un dispositif de mémorisation ou de stockage des données mesurées, une horloge interne et un système de cadencement de mesures. Le dispositif comprend un générateur de signal adapté pour générer un signal ayant une amplitude et une fréquence d'excitation contrôlées par un microprocesseur, un amplificateur, un détecteur de phase. Le fluide est, par exemple, un effluent pétrolier circulant dans une conduite. L'invention concerne aussi un procédé pour géolocaliser et mesurer un ou plusieurs paramètres caractéristiques d'un fluide circulant dans une conduite, le procédé de géolocalisation et de mesures mettant en oeuvre des moyens de détection du ou desdits paramètres caractéristiques et étant caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les étapes suivantes : 1) paramétrer le dispositif présentant l'une des caractéristiques précitées avec la connaissance des positions des joints dans la conduite, 2) insérer ledit dispositif dans le fluide circulant dans la conduite, et déclencher le passage d'un courant alternatif circulant dans les bobines d'excitation, la gestion du passage du courant peut être programmée à l'avance, le dispositif de mesure va ensuite, 3) détecter plusieurs signatures magnétiques à différents instants t, 4) comparer la ou les signatures magnétiques à un signal de référence correspondant au signal d'excitation des bobines d'excitation à l'aide d'un détecteur de phase, 5) mémoriser les valeurs mesurées des signatures magnétiques au fur et à 30 mesure, 6) déterminer les valeurs de position Pi du dispositif en fonction des signatures Si et associer aux valeurs de Pi les valeurs mesurées de la ou des paramètres caractéristiques du fluide pour tout instant t . Le paramètre caractéristique du fluide mesuré est la pression et/ou la température. Le procédé utilise, par exemple, un courant alternatif parcourant deux bobines d'excitation, les deux bobines d'excitation étant montées tête bêche l'une par rapport à l'autre. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : - La figure 1, une représentation schématique du système selon l'invention, - Les figures 2A et 2B, un exemple d'intégration des éléments constituant le système selon l'invention, la figure 2C, un schéma montrant l'intégration du capteur de mesure dans le couvercle fermant le dispositif, - La figure 3A, la représentation physique du principe de magnétoscopie et la figure 3B, un exemple de signatures résultant de la présence de joints au niveau des tronçons formant une conduite, - La figure 4, un synoptique des éléments formant le dispositif, et - La figure 5, un exemple de signature magnétique variant selon le sens de passage du dispositif. Afin de mieux comprendre l'objet de l'invention, l'exemple qui suit est donné dans le cadre de mesures géolocalisées de pression et de température pour un effluent pétrolier. Sans sortir du cadre de l'invention, la description pourrait s'appliquer pour du gaz avec un gradient de pression, un fluide polyphasique ou monophasique, par exemple de l'eau, ou tout autre fluide circulant dans une conduite. On part du principe que le dispositif de mesures de paramètres géolocalisés n'a pas besoin d'être motorisé pour un fonctionnement normal et est entrainé par le mouvement du fluide circulant dans une conduite. La figure 1 schématise les éléments composant le système de mesure selon l'invention. Le dispositif selon l'invention comprend une partie capteurs de mesures I et une partie électronique de traitement des données II. La partie I comprend, par exemple, un détecteur magnétique 10 ayant pour fonction de géolocaliser le dispositif selon l'invention en cours de fonctionnement. Il comporte aussi un détecteur de pression 12 et un détec- teur de température 11. Ces trois détecteurs 10, 11, 12 sont reliés à la partie électronique de traitement par un sélecteur 13 comprenant plusieurs voies pour relier un ou plusieurs capteurs à la partie II. La partie électronique de traitement II comprend, par exemple, les éléments décrits ci-après : une carte d'acquisition de données 14 qui reçoit les valeurs mesurées par les capteurs de la partie I via une entrée 14e, une sortie 14s de la carte d'acquisition 14 qui est en liaison avec l'entrée 15e d'un calculateur 15, une première sortie 15s1 du calculateur qui est en liaison avec le dispositif 13, et qui forme une boucle de retour permettant d'effectuer l'acquisition de plusieurs données pour un cycle de mesures donné et une deuxième sortie 15s2 du calculateur qui est en liaison avec un dispositif 16 de mémorisation ou de stockage des données mesurées. La partie électronique du système II comprend aussi une horloge interne 17 et un système de cadencement de mesures 18. L'horloge interne permet ainsi de dater les mesures effectuées, c'est-à-dire d'associer à une donnée mesurée une valeur d'un instant t. Un couple (donnée mesurée, temps) sera ainsi associé à une position P du dispositif de mesure. Un autre paramètre disponible est la composition structurelle de la conduite dans laquelle le dispositif va être utilisé. Le diamètre de la conduite, le nombre de tronçons qu'elle comporte sont connus, et donc la présence et la position des joints Ji, J2,.... reliant les différents tronçons C1, C2, C3... de la conduite est également connue (figure 3B). Ces paramètres peuvent être mémorisés au préalable dans une mémoire du dispositif de mesure ou encore au niveau d'un système de traitement externe au dispositif de mesure. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'ajouter des capteurs supplémentaires, par exemple, un capteur chimique, un capteur de vitesse d'écoulement du fluide, non représentés pour des raisons de simplification de figure. Le dispositif de géolocalisation et de mesures selon l'invention est compact. Ses dimensions et sa géométrie sont adaptées à permettre sa cir- culation dans une conduite quelque soient les dimensions et la forme de la conduite. Ainsi les dimensions du dispositif selon l'invention, seront déterminées au préalable à son utilisation en fonction de la conduite. La figure 2A schématise un exemple de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention composé d'une enveloppe cylindrique creuse 20 dans laquelle va venir s'insérer l'ensemble décrit à la figure 1 comprenant la partie détecteur et l'électronique de traitement, ainsi qu'une alimentation 19 non représentée sur la figure conférant au dispositif selon l'invention une autonomie pour effectuer les mesures. L'alimentation 19 est, par exemple, constituée de batteries choisies pour assurer une durée d'autonomie qui est fonction de l'application du dispositif. L'enveloppe 20 est constituée, par exemple, d'un matériau insensible aux ondes électromagnétiques produites par le procédé magnétique de localisation. Il est aussi choisi pour résister aux conditions environnementales, telles que le milieu chimique dans lequel circule le dispositif, les sollicitations mécaniques, etc. Un couvercle 21 permet de fermer de manière étanche l'enveloppe cylindrique. Sur les figures 2A, 2B le moyen de détection de la position est composé de deux bobines d'excitation 22, 23 et d'une bobine de détection 24. La bobine de détection 24 est, par exemple, disposée entre les deux bobines d'excitation 22, 23. Les bobines d'excitation sont alimentées, par exemple, par la chaine d'éléments 19, 41, 40, 42 du dispositif. L'intensité et la fréquence du champ d'excitation pourront être modulées en fonction du matériau formant la conduite et de la nature du fluide dans lequel circule le dispositif de mesure. Sans sortir du cadre de l'invention, il n'est pas indispensable que la bobine de détection soit disposée entre les deux bobines d'excitation (22, 23). La figure 2C, schématise un exemple d'intégration du détecteur de pression 12 inséré dans le couvercle, le couvercle 21 assurant l'étanchéité à l'aide de joints 25. Notons que le dispositif peut être moulé dans une résine polymère assurant l'étanchéité et la tenue en pression pour un gain en com- pacité. Le principe mis en oeuvre par le système selon l'invention repose sur la mise en oeuvre de la technique de magnétoscopie qui consiste à créer un flux magnétique intense à l'intérieur d'un matériau ferromagnétique. Lors de la présence d'un défaut sur son chemin, le flux magnétique est dévié et crée ainsi une fuite qui fournit une signature particulière caractéristique du défaut. Dans le système selon l'invention, on va utiliser le fait qu'une conduite dans laquelle circule un fluide est composée de plusieurs tronçons qui sont reliés entre eux par des joints. Ainsi, le système va être capable de me- surer la signature d'un joint de la conduite qui se comporte vis-à-vis du champ magnétique produit comme un défaut, ainsi que le temps At écoulé entre deux mesures à deux instants ti, t2, grâce à un système de cadence-ment des mesures et de l'horloge interne 17 du dispositif électronique. Grâce au système de cadencement, il est possible d'associer à un instant t donné, une signature magnétique S mesurée. Cette mesure ou signature magné- tique étant horodatée, il est alors possible de connaître la vitesse Va d'avance du système et d'estimer la position Pd du dispositif dans la canalisation. La figure 3A schématise le principe de la magnétoscopie. Une bo- bine d'excitation 10 autour d'un matériau ferromagnétique 30 produit des lignes de champ magnétique 31 à la surface de la paroi de la conduite 32. Ces lignes se propagent dans le matériau de la conduite 32. La bobine de réception 24, non représentée sur la figure 3A, permet de détecter par principe inductif un changement de la constitution, forme, défaut, matériau de la paroi inspectée. Un défaut débouchant 33 va être caractérisé par une signa- ture, alors qu'un défaut interne 34 va l'être par une autre signature .Ainsi les figures 3B et 5 représentent le signal reçu par la bobine de réception au niveau des joints de la conduite, la figure 5 représentant la signature obtenue lors du passage des joints de la conduite lorsque le dispositif circule dans un sens de la conduite ou dans l'autre. Un microprocesseur 41 (figure 4) est adapté à différencier ces formes et à leur associer un sens de circulation du dispositif dans la conduite. Selon un mode de réalisation le dispositif de détection est formé par deux bobines d'excitation parcourues par un courant alternatif avec une fréquence, par exemple, de l'ordre du KHz et d'une bobine de réception 24 (figure 2A, 2B). Le principe par paire de bobines d'excitation montées tête bêche permet d'obtenir une mesure différentielle. En effet, la détection centrale aura une mesure nulle s'il n'y a pas de déséquilibre du champ magnétique. Ainsi, la paire de bobines excitatrices associée à la bobine de réception permet de détecter la jonction entre chaque segment de canalisation indépendamment de la vitesse de déplacement du système, ainsi que le sens de déplacement du système dans la canalisation. La figure 4 schématise un synoptique du fonctionnement du dispositif selon l'invention. L'amplitude ainsi que la fréquence d'excitation générée par le bloc 40 (générateur de signal) d'une bobine d'excitation sont contrôlées par le microprocesseur 41 et peuvent être modulées simplement par l'intermédiaire de l'électronique de contrôle associée afin de s'adapter à l'environnement de mesure, notamment les propriétés des conduites. Cette amplitude et cette fréquence sont par exemple obtenues par une calibration préliminaire du sys- tème pour un diamètre de conduite dans lequel on va faire passer le disposi- tif de mesure et de géolocalisation selon l'invention. La fréquence d'excitation et l'amplitude générées par le bloc 40 peuvent être modulées (lors d'une calibration préliminaire) de sorte à rendre l'outil utilisable pour différents diamètres de conduites. Le signal sinusoïdal issu du générateur de signaux 40 est amplifié par un moyen électronique 42 (ce facteur d'amplification est obtenu, par exemple, par calibration préliminaire du dispositif) et le signal amplifié est envoyé aux deux bobines d'excitation 22, 23. Les bobines d'excitation 22, 23 produisent un champ magnétique variable qui se diffuse dans le matériau constituant la conduite, la réponse magnétique à l'excitation de ce matériau traverse la bobine de réception 24. Le calculateur ou microprocesseur 41 différencie les signaux réponse qu'il reçoit suivant la première occurrence rencontrée. Si celle-ci est positive, il s'agit du sens d'avance Si, si celle-ci est négative, il s'agit du sens de recul S2. Les signaux réponse correspondent aux joints Jj de la conduite, ou à d'autres défauts présents mais qui seront différenciés des joints par leur forme et leur amplitude. Le signal issu de la bobine de réception 24 est comparé par le comparateur de phase 43 avec un signal de référence correspondant au signal d'excitation issu de l'étage d'amplification 42 puis le signal comparé est ensuite analysé par le microprocesseur 41. Si une variation de propriétés magnétiques est observée (ex. variation d'épaisseur de tubes, variation de propriétés mécaniques, ...), il en résulte une variation de phase 0 entre le signal émis par la bobine d'excitation et le signal reçu par la bobine de réception. L'amplitude A de cette variation est traduite par le détecteur de phase sous la forme d'une amplitude en tension. Cette dernière est d'autant plus grande que la variation de propriété magnétique est importante. Le principe de détection est, dans cet exemple de mise en oeuvre, réalisé par approche différentielle. En effet, les deux bobines d'excitation 22 et 23 sont agencées de manière à annuler le signal au sein de la bobine de réception (configura- tion tête bèche). Lorsque la bobine 22 ou 23 est à proximité d'un joint de la conduite, il se crée alors un déséquilibre qui se traduit par un signal sur la 2 98945 8 11 bobine de réception et donc une variation de phase 0 entre le signal émis par les bobines d'excitation et le signal reçu par la bobine de réception (comme décrit précédemment). Un filtre de phase 44 est introduit également afin de filtrer les fré- 5 quences non désirées. Le signal utile (issu du filtre) est stocké dans la mé- moire de l'unité centrale 16 du dispositif. Une phase de post-traitement a notamment pour fonction de synchroniser les signaux de détection et la localisation du dispositif dans la conduite. Le post-traitement consiste, par exemple, à détecter si le signal carac- 10 téristique est plutôt de type « avance » S1 ou de type « recul » S2, et à l'associer au plan de la conduite de manière automatique ou manuelle. Le calculateur formé par le microprocesseur 41 assure également la mise en forme des signaux d'excitation émis par la chaine formée par le générateur de signal 40, l'étage d'amplification 42, les deux bobines 15 d'excitation22, 23 par l'application de facteurs correctifs ou de calibration. L'application de ce facteur correctif ou de calibration intervient lorsque le rapport signal/ bruit passe en dessous d'une valeur de seuil déterminée lors de la calibration (en fonction des propriétés mécaniques de la conduite). Outre cette fonction, il est possible au calculateur de moduler en temps réel 20 la fréquence d'acquisition des signaux pour atteindre une précision optimale préétablie par l'utilisateur. Les données collectées sont finalement stockées sur un support de mémoire de type RAM non volatile 16. La gestion ou monitoring de l'acquisition des signaux selon l'invention peut être programmée par des événements temporels (timer), ou 25 par le biais d'événements environnementaux, par exemple des gradients de température, de pression, de localisation du dispositif dans la conduite. Un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention peut être illustré par la mise en oeuvre de la succession d'étapes suivantes : 1) une première étape est le paramétrage du dispositif avec la 30 connaissance des positions des joints dans la conduite, 2) un opérateur vient ensuite insérer le dispositif dans le fluide circulant dans la conduite, et déclencher le passage d'un courant alternatif circulant dans les bobines d'excitation, la gestion du passage du courant peut être programmée à l'avance, le dispositif de mesure va ensuite, 3) détecter les signatures magnétiques à différents instants t, comparer les signatures à un signal de référence, 4) mesurer la valeur de la pression et/ou de la température pour un ensemble de valeurs d'instants t, 5) mémoriser les valeurs mesurées au fur et à mesure, 6) interpréter les résultats en déterminant les valeurs de position Pi du dispositif en fonction des signatures Si et associer les valeurs mesurées des pressions et des températures, par exemple, à une valeur de position donnée. Selon un exemple de mise en oeuvre, pour l'interprétation des me- sures effectuées par les capteurs, un opérateur va récupérer le dispositif et traiter les données mémorisées comprenant des valeurs mesurées de pression, température à un instant t donné. Selon une autre variante de mise en oeuvre, il est possible d'équiper le dispositif de moyens de communication adaptés à transmettre les données mesurées au niveau d'une infrastructure de surface. Le dispositif de mesure dont la structure vient d'être déployée, peut être utilisé, sans sortir du cadre de l'invention et sans modification majeure de structure pour effectuer des mesures de pression et de température transportant de l'eau, par exemple. Le système selon l'invention s'affranchit du déploiement d'une in- frastructure matérielle importante, contrairement à des approches de mesure couramment utilisées où des dispositifs volumineux sont mis en place ainsi que des systèmes de treuillage difficiles à déployer rapidement. Le dispositif peut ainsi être mis en oeuvre sans équiper a priori les conduites. Le dispositif est autonome en énergie et ne nécessite pas l'utilisation d'un câble pour fournir l'énergie. Le procédé de mesure est sans contact avec les parois et offre de fait une mesure non invasive. Le procédé est indépendant du sens de déplacement du dispositif au sein de canalisations, et de la vitesse d'avance du dispositif. Il permet de détecter le sens de déplacement du dispositif. Le procédé permet de discriminer les signatures magnétiques des différents éléments caractéristiques de l'assemblage des canalisations et de discerner le signal utile pour procéder à la géolocalisation du signal caractéristique d'autres éléments. En outre, le signal caractéristique des éléments hors caractéristiques d'assemblages de tubes peut être enregistré pour trai- terrent postérieur. Le procédé de localisation utilisé repose sur une approche de mesure différentielle qui reste indépendante de la rotation ou l'inclinaison du dispositif dans la canalisation, Les matériaux constitutifs du dispositif permettent d'envisager un usage unique ou sa destruction par des moyens mécaniques conventionnels (forage).