Brevet FR3001546A1 — publié le 20140801

CELLULE DE CARACTERISATION THERMODYNAMIQUE DE FLUIDES SOUS PRESSION La présente invention concerne une cellule prévue pour réaliser des caractérisations thermodynamiques de tout type de fluides sous pression, et notamment mais non exclusivement pour des fluides prélevés lors de forages. De manière habituelle en cours d'exploration ou d'exploitation pétrolière, des échantillons de fluide prélevés dans les forages sont envoyés dans des laboratoires pour effectuer des mesures détaillées très précises d'un grand nombre de caractéristiques du produit. Cependant ces mesures nécessitent un temps assez long qui peut durer plusieurs semaines, à cause de l'éloignement des laboratoires et de la durée des procédures. L'exploration pétrolière mobilisant du personnel qualifié et un matériel important, coûte cher. Les techniciens qui travaillent sur les sites souhaitent généralement disposer de manière très rapide, d'un nombre minimum de données sur le comportement thermodynamique des échantillons prélevés, avec un bon niveau de précision, permettant de guider les évolutions de l'exploration ou de l'exploitation. Afin de réaliser sur-place des analyses d'échantillons de fluide prélevés, il est connu d'utiliser des appareils qui mettent en pression un petit volume de fluide, afin d'analyser notamment les variations de pression, de volume et de température, et de suivre les changements de phase du produit. L'analyse préliminaire sur-place des échantillons permet en particulier de vérifier la non contamination par des polluants, avant de les envoyer vers des laboratoires extérieurs. Ce type d'appareil comporte généralement un système de mise en pression d'un petit volume de fluide, qui peut atteindre 1500 bars, des moyens de mesure de cette pression, du volume et de la température, ainsi qu'un dispositif de visualisation permettant d'étudier en particulier les changements de phase, la mesure respective des volumes des différentes phases et les dépôts solides. Ces appareils dérivés de ceux installés en laboratoire, sont généralement disposés dans des containers apportant une certaine protection, afin de pouvoir les déplacer avec des moyens de manutention. Toutefois ce type d'appareils comporte généralement un encombrement relativement important, ainsi qu'une masse excessive qui peut aller de quelques dizaines de kilogrammes à plus de 100kg. Il s'agit d'appareils relativement lourds et encombrants, pouvant être déplacés difficilement, qui sont généralement installés de manière fixe afin de réaliser les opérations au même endroit. Ainsi, on ne peut pas déplacer rapidement ces appareils d'analyse d'un forage à un autre pour traiter des d'échantillons sortant de ces forages. Il faut donc apporter les échantillons venant de différents forages jusqu'à l'appareil. On ne peut pas alors obtenir très rapidement les résultats sur des échantillons sortant directement de plusieurs forages espacés, situés sur un même champ d'exploration ou d'exploitation. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet une cellule de caractérisation thermodynamique de fluides sous pression, comportant une chambre de compression fermée à volume variable recevant un échantillon du fluide, des moyens de mesure de la pression, du volume et de la température de l'échantillon, ainsi qu'un dispositif de visualisation du fluide. La cellule comporte également un corps principal contenant un support coulissant suivant un axe principal, ce support étant lié à un piston descendant dans la chambre de compression afin de faire varier son volume, ainsi qu'une motorisation comprenant un moteur électrique déplaçant le support par des démultiplications, et un dispositif de rattrapage de jeux de ces démultiplications appliquant une charge axiale sur le support coulissant. Un avantage de cette cellule de caractérisation thermodynamique est qu'on peut utiliser un moteur électrique compact et léger, qui développe un effort important grâce à des démultiplications dont les jeux internes sont rattrapés par le dispositif de rattrapage de jeu afin de faciliter la mesure du volume. Cette combinaison de moyens permet de réaliser une cellule comprenant une masse et un encombrement réduits facilitant son déplacement pour effectuer des mesures précises à la sortie des échantillons. La cellule de caractérisation thermodynamique selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles : - la motorisation comporte également un réducteur de vitesse et un système de transformation de mouvement qui réalise le coulissement d'un poussoir ; - le poussoir agit sur une extrémité extérieure d'un levier basculant autour d'un pivot fixe lié au corps, qui se trouve à l'autre extrémité de ce levier, un pivot mobile disposé entre ces extrémités près du pivot fixe, déplaçant le support coulissant avec une démultiplication importante. - le dispositif de rattrapage de jeux comporte des ressorts ; - les ressorts peuvent comprendre un empilement de rondelles coniques du type « Belleville », disposé axialement du côté opposé à la chambre de compression, qui prend appui d'un côté sur le corps, et de l'autre côté sur le support coulissant. Les moyens de mesure de la pression peuvent comporter une tige centrale traversant le piston qui est annulaire, son extrémité débouchant dans la chambre de compression, afin de transmettre une information de pression à un capteur de pression qui se trouve au-dessus du corps. Avantageusement, les moyens de mesure de la pression comportent un capteur de pression du type à membrane. Avantageusement, la cellule de caractérisation comporte un joint d'étanchéité annulaire statique entourant le piston, qui assure une étanchéité en se déformant pour suivre le mouvement de ce piston. Avantageusement, le dispositif de visualisation du fluide comporte un 5 hublot fermant la chambre de compression, et une caméra disposée en face d'un perçage du corps aligné sur ce hublot. Le joint annulaire peut également assurer l'étanchéité avec le hublot. Selon un mode de réalisation, la cellule de caractérisation comporte une chambre de compression comprenant un volume variant sensiblement de 1 à 10 0.1 cm3 par le déplacement du piston. En particulier, la cellule de caractérisation peut comporter une masse inférieure à environ 5kg, et un encombrement inférieur à environ 1dm3. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après 15 donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de face d'une cellule de caractérisation selon l'invention, présentée partiellement en coupe axiale ; - la figure 2 est une vue de côté de cette cellule, présentée partiellement en coupe axiale ; et 20 - la figure 3 est une vue de détail de la chambre de compression, présentée en coupe axiale. Les figures 1 à 3 présentent une cellule de caractérisation 1 comportant un corps principal 2 allongé suivant un axe principal, contenant vers le bas une chambre de compression 4, ce corps recevant en partie supérieure un 25 capteur de pression cylindrique 10 disposé suivant le même axe. Une motorisation 8 formant globalement un cylindre disposé parallèlement au corps principal 2, comporte une face supérieure alignée sur celle du capteur de pression 10, et une partie inférieure arrivant sensiblement au milieu du corps principal 2. 30 La motorisation 8 comporte en partant du haut, un moteur électrique 18, un réducteur de vitesse 20 réalisant une première démultiplication, qui peut comprendre des trains planétaires, et enfin un système de transformation de mouvement 22 qui transforme le mouvement de rotation en un coulissement axial d'un poussoir inférieur 24. Le poussoir 24 applique une force vers le bas sur l'extrémité extérieure d'un levier 26 basculant autour d'un pivot fixe 14 lié au corps 2, qui se trouve à l'autre extrémité de ce levier. Un pivot mobile 16 disposé près du pivot fixe 14, et aligné sur l'axe principal du corps, est lié à un support 12 coulissant axialement afin de le déplacer vers le bas avec une démultiplication importante. L'extrémité inférieure du support coulissant 12 est liée à un piston annulaire cylindrique 30 centré sur l'axe principal, qui descend dans la chambre de compression 4 afin de faire varier son volume ainsi que sa pression intérieure. Une tige centrale 28 traversant le piston annulaire 30, a son extrémité inférieure débouchant dans la chambre de compression 4 afin de transmettre une information de pression à un capteur de pression 10 qui se trouve au-dessus du corps 2. Avantageusement, le capteur de pression 10 est du type à membrane, permettant une mesure précise de la pression dans la chambre de compression 4. La partie supérieure du support coulissant 12 comporte une partie cylindrique creuse 34 entourant la tige centrale 28, comprenant une face supérieure transversale sur laquelle prend appui axialement un ressort de rattrapage de jeux 32 comprenant un empilement axial de rondelles coniques du type « Belleville », afin de suivre le déplacement du piston 30 vers le bas qui comprime ces rondelles. La base de l'empilement des rondelles Belleville 32 prend appui sur un épaulement supérieur 36 du corps principal 2. Pour déplacer le piston 30 vers le bas en réduisant le volume de la chambre de compression 4, la motorisation 8 descend le poussoir 24, qui applique une force élevée sur le support coulissant 12 par la démultiplication du levier 26. En descendant le support coulissant 12 comprime le ressort de rattrapage de jeux 32, qui maintient de manière constante sur ce support une charge vers le haut, afin d'appliquer une contrainte sur le levier 26 pour éviter un jeu dans la motorisation 8. De cette manière on obtient une relation linéaire entre la rotation du moteur électrique 18 et le déplacement du piston 30 pour toutes les conditions de pression dans la chambre de compression 4, permettant de connaître avec précision le volume variable de cette chambre en fonction des informations données par la position de la motorisation 8, par exemple par un capteur indiquant la position du rotor du moteur. Le piston annulaire 30 comporte un joint d'étanchéité annulaire épais 48 l'entourant sur toute sa hauteur, qui est serré entre ce piston et le corps 2. La base du joint annulaire 48 est en appui sur un hublot 40 qui forme la face de fermeture inférieure de la chambre de compression 4. De cette manière par son épaisseur, le joint annulaire 48 constitue un unique joint d'étanchéité statique entre le corps 2 et le piston 30, en pouvant suivre le mouvement axial de ce piston grâce à son épaisseur assez importante, et entre le corps et le hublot 40. La face supérieure du hublot 40 se trouvant dans la chambre de compression 4, forme un cône centré sur l'axe principal, comprenant une pointe tournée vers le bas. Un dispositif de visualisation de la chambre de compression 4 comprenant une caméra numérique 46, est disposé en dessous du corps 2 en regard d'un perçage 44 réalisé à la base de ce corps, qui est aligné suivant l'axe principal. De cette manière, on peut observer et enregistrer les images des produits se trouvant dans la chambre de compression 4 lors des manipulations, pour étudier en particulier les changements de phase ou les sédimentations du fluide. Le support coulissant 12 comporte deux vannes 50 reliant des tubes d'alimentation et d'évacuation du fluide à la chambre de compression 4, de manière à permettre de manière automatique une purge et un nouveau remplissage de cette chambre, pour remplacer l'échantillon de fluide et réaliser des nouvelles mesures. Le corps 2 comporte un dispositif de chauffage non représenté, qui permet de chauffer l'échantillon à des températures élevées. Un capteur de température 52 fixé sur le support coulissant 12, comporte une sonde qui descend vers la chambre de compression 4, pour prendre la température du fluide en cours d'analyse directement dans cette chambre afin d'obtenir une mesure précise. L'appareil suivant l'invention forme une cellule de caractérisation thermodynamique compacte et légère, comprenant une chambre de compression 4 qui peut monter à 1500 bars. Dans cet exemple, le volume de la chambre de compression 4 varie de 1 à 0.1 cm3 par le déplacement du piston 30. La motorisation du piston ainsi que le dispositif mécanique de rattrapage de jeu, permet une grande précision dans la mesure des volumes, qui peut être inférieure à 10-6cm3. D'une manière générale, la cellule de caractérisation comporte des matériaux résistant à la corrosion, notamment le gaz carbonique et le sulfure d'hydrogène, ainsi qu'à des températures élevées pouvant atteindre 220°C. La cellule de caractérisation suivant cet exemple comporte une masse inférieure à environ 5kg, et un encombrement inférieur à environ 1dm3. Cette cellule constitue un module qui peut être placé dans une mallette très 20 facilement transportable, permettant de le déplacer rapidement vers différents sites pour effectuer des mesures sur des échantillons prélevés sous haute pression. Dans l'application particulière de forage, les mesures sont effectuées sur des échantillons sortant directement des forages. La cellule selon l'invention permet de réaliser en particulier les études 25 suivantes sur des échantillons de fluide : - des mesures des volumes des différentes phases qui peuvent se former dans la chambre de compression ; - les conditions de séparation suivant la pression et la température ; - les mesures de densité et de viscosité ; 30 - l'analyse de la composition ; - la mesure du facteur d'expansion thermique ; - la relation pression-volume à différentes températures (« CME » = expansion a masse constante) ; - le point critique sur les huiles et les gaz à condensats ; - la mesure des volumes relatifs des phases huile et gaz ; - la détermination de la courbe des dépôts liquides en fonction de la pression à différentes températures (« CMD » = déplétion à masse constante et « CVD » = déplétion à volume constant) ; - des tests séparateurs à différentes températures « GOR (Gas Oil Racio) séparateur »; - l'établissement du « GOR » dans les conditions standards et du « Bo » (huile à conditions de fond/huile conditions standards) ; et - le facteur Z de compressibilité des gaz. REVENDICATIONS1 - Cellule de caractérisation thermodynamique de fluides sous pression, comportant une chambre de compression fermée à volume variable (4) recevant un échantillon du fluide, des moyens de mesure de la pression, du volume et de la température (52) de l'échantillon, ainsi qu'un dispositif de visualisation du fluide, caractérisée en ce qu'elle comporte un corps principal (2) contenant un support (12) coulissant suivant un axe principal, ce support étant lié à un piston (30) descendant dans la chambre de compression (4) afin de faire varier son volume, une motorisation (8) comprenant un moteur électrique (18) déplaçant le support par des démultiplications, et un dispositif de rattrapage de jeux de ces démultiplications appliquant une charge axiale sur le support coulissant (12). 2 - Cellule de caractérisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la motorisation (8) comporte également un réducteur de vitesse (20) et un système de transformation de mouvement (22) qui réalise le coulissement d'un poussoir (24). 3 - Cellule de caractérisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le poussoir (24) agit sur une extrémité extérieure d'un levier (26) basculant autour d'un pivot fixe (14) lié au corps (2), qui se trouve à l'autre extrémité de ce levier, un pivot mobile (16) disposé entre ces extrémités près du pivot fixe, déplaçant le support coulissant (12) avec une démultiplication importante. 4 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de rattrapage de jeux comporte des ressorts (32). 5 - Cellule de caractérisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les ressorts comprennent un empilement de rondelles coniques du type « Belleville » (32), disposé axialement du côté opposé à la chambre de 30 compression (4), qui prend appui d'un côté sur le corps (2), et de l'autre côté sur le support coulissant (12). 6 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la pression comportent une tige centrale (28) traversant le piston (30) qui est annulaire, son extrémité débouchant dans la chambre de compression (4), afin de transmettre une information de pression à un capteur de pression (10) qui se trouve au-dessus du corps (2). 7 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de mesure de la pression comportent un capteur de pression (10) du type à membrane. 8 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un joint d'étanchéité annulaire statique (48) entourant le piston (30), qui assure une étanchéité en se déformant pour suivre le mouvement de ce piston. 9 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de visualisation du fluide comporte un hublot (40) fermant la chambre de compression (4), et une caméra (46) disposée en face d'un perçage (44) du corps (2) aligné sur ce hublot. 10 - Cellule de caractérisation selon les revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le joint annulaire (48) assure aussi l'étanchéité avec le hublot (40). 11 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre de compression (4) comprenant un volume variant sensiblement de 1 à 0.1 cm3 par le déplacement du piston (30). 12 - Cellule de caractérisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une masse inférieure à environ 5kg, et un encombrement inférieur à environ 1dm3.