FR2905761A1 - Procede et dispositif de mesure d'un fluide polyphasique circulant dans un conduit. - Google Patents

Abstract

Ce procédé comprend l'illumination du fluide au moyen d'une première sonde coaxiale (32) plaçée au contact de la phase liquide (16) du fluide avec une première onde électromagnétique émise à une haute fréquence, la mesure de l'admittance à l'interface entre la première sonde (32) et le fluide, et le calcul des fractions d'au moins deux constituants de la phase liquide (16) pour obtenir la permittivité effective (epsilonI) de cette phase. Il comprend l'illumination du fluide au moyen d'une deuxième sonde coaxiale (50) avec une deuxième onde électromagnétique émise à une basse fréquence, la mesure de l'admittance à l'interface entre la deuxième sonde (50) et le liquide, et le calcul de l'épaisseur (e) de liquide. Ce calcul est effectué sur la base de la permittivité effective (epsilonI) calculée, et de l'admittance mesurée par la deuxième sonde (50).

Description

La présente invention concerne un procédé de mesure d'un fluide

polyphasique circulant dans un conduit, le fluide comportant une phase liquide en contact avec une surface du conduit et une phase gazeuse située à l'écart de la surface couverte par le liquide. Pour optimiser la production et la durée de vie des exploitations de production d'hydrocarbures, il est connu d'utiliser un débitmètre polyphasique qui permet de déterminer régulièrement les proportions de liquide et de gaz dans un conduit de l'installation, par exemple situé à la sortie d'un puits de production. Les données fournies par la mesure sont exploitées par les exploitants de l'installation, notamment pour adapter les conditions de séparation des phases du fluide polyphasique. A cet effet, il est exigé de la mesure de débit qu'elle soit précise (plus ou moins 5 % du débit pour chaque phase), non destructive, fiable, et indépendante du type de régime d'écoulement circulant dans le conduit. Pour mesurer les fractions de phase, il est connu d'utiliser une instrumentation utilisant une source radioactive qui présente de nombreux inconvénients en termes de stockage, de transport et d'utilisation. Pour pallier ce problème, on connaît de l'article de Hilland dans Meas. Sci.Technol. 8 (1997) pages 901 à 910, un procédé de mesure d'un fluide polyphasique circulant dans une conduite, à l'aide d'une sonde coaxiale dont l'extrémité est placée en contact avec le fluide. Le fluide est illuminé à l'aide d'une onde électromagnétique par la sonde coaxiale, et l'admittance est mesurée à l'interface entre la sonde et le fluide. Puis, la permittivité du fluide et sa composition sont calculées. Pour faire fonctionner le système, il est nécessaire de calibrer la sonde à l'aide d'au moins trois solutions de référence, puis d'utiliser un modèle empirique. La précision de la mesure n'est donc pas entièrement satisfaisante. Un but de l'invention est donc d'obtenir un procédé de mesure d'un fluide polyphasique permettant de déterminer au moins les proportions de chacun des constituants du fluide polyphasique, par une méthode simple et très précise.

2905761 2 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) détermination des fractions relatives d'au moins deux constituants de la phase liquide comportant les phases suivantes : . illumination du fluide au moyen d'une première sonde coaxiale placée au contact de la phase liquide avec une première onde électromagnétique émise à une haute fréquence ; . mesure de l'admittance à l'interface entre la première sonde et le fluide ; et . calcul desdites fractions relatives sur la base de l'admittance mesurée ; (b) détermination de l'épaisseur de la phase liquide, comprenant les phases suivantes : . calcul de la permittivité effective de la phase liquide, sur la base 15 des fractions relatives calculées à l'étape (a) ; et . illumination du fluide au moyen d'une deuxième sonde coaxiale distincte de la première sonde, avec une deuxième onde électromagnétique émise à une basse fréquence ; . mesure de l'admittance à l'interface entre la deuxième sonde et le 20 fluide ; et . calcul de l'épaisseur de la phase liquide sur la base de la permittivité effective calculée de la phase liquide, et de l'admittance mesurée à l'interface entre la deuxième sonde et le fluide. Le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes combinai-sons techniquement possibles : - la première sonde coaxiale comprend une âme centrale s'étendant radialement par rapport à un axe du conduit, et une fenêtre diélectrique cylindrique pleine présentant une première face en contact avec le fluide et une deuxième face en contact avec l'âme centrale, la première 25 onde électromagnétique étant émise à travers la fenêtre diélectrique ; - la phase de calcul des fractions relatives dans la phase liquide comprend l'établissement d'une corrélation entre : 2905761 3 - une admittance simulée à l'interface entre la première sonde et un fluide de référence, et - les fractions relatives dans ce fluide de référence, sur la base d'une simulation par éléments finis de la propagation de la première 5 onde dans le fluide de référence ; - la haute fréquence est supérieure à 25 GHz, et de préférence comprise entre 30 GHz et 60 GHz ; - la deuxième sonde coaxiale présente une âme centrale s'étendant radialement par rapport à un axe du conduit, et une fenêtre 10 diélectrique cylindrique pleine présentant une première face au contact du fluide, et une deuxième face au contact de l'âme centrale ; - la basse fréquence est inférieure à 1 GHz. - la phase de calcul de l'épaisseur de la phase liquide comprend l'utilisation d'une équation reliant : - une admittance théorique calculée à une interface entre la deuxième sonde et une cellule théorique de calcul présentant une longueur radiale finie et une géométrie différente de celle du conduit, à : - la permittivité effective de la phase liquide, et - la longueur radiale, l'équation étant obtenue sur la base de 20 la résolution analytique d'un modèle mathématique de propagation de la deuxième onde dans la cellule théorique de calcul ; - la phase de calcul de l'épaisseur comprend les sous-étapes suivantes : - variation de la longueur radiale de la cellule de calcul 25 théorique ; - calcul de la différence entre l'admittance calculée sur la base du modèle mathématique de propagation dans la cellule de calcul à l'interface entre la deuxième sonde et le fluide, et l'admittance mesurée à l'étape (b) ; et 30 - détermination de l'épaisseur de la phase liquide sur la base de la longueur radiale de la cellule de calcul obtenue lorsque ladite différence est inférieure à une valeur prédéterminée ; 2905761 4 -la cellule de calcul est formée par un cylindre creux métallique fermé d'axe radial coaxial avec l'axe de l'âme centrale de la deuxième sonde, le cylindre présentant une première paroi transversale située à l'interface entre la deuxième sonde et le conduit, la longueur radiale étant la 5 distance séparant la première paroi transversale et d'une deuxième paroi transversale délimitant le cylindre. L'invention a en outre pour objet un dispositif de mesure d'un fluide polyphasique circulant dans un conduit, le fluide comportant une phase liquide en contact avec une surface du conduit et une phase gazeuse située 10 à l'écart de la surface couverte par le liquide, le dispositif comprenant : (a) des moyens de détermination des fractions relatives des constituants de la phase liquide comportant : * une première sonde coaxiale placée au contact de la phase liquide et propre à émettre une première onde électromagnétique à une 15 haute fréquence ; * des premiers moyens de mesure de l'admittance à l'interface entre la première sonde et le fluide ; . des premiers moyens de calcul des fractions relatives dans la phase liquide sur la base de l'admittance mesurée ; (b) des moyens de détermination de l'épaisseur de la phase liquide comportant : * des moyens de calcul de la permittivité effective sur la base des fractions relatives calculées par les premiers moyens de calcul de la composition ; et . une deuxième sonde coaxiale, distincte de la première sonde, propre à émettre une deuxième onde électromagnétique à une basse fréquence, . des deuxièmes moyens de mesure de l'admittance à l'interface entre la deuxième sonde et le fluide ; . des deuxièmes moyens de calcul de l'épaisseur de la phase liquide sur la base de la permittivité effective calculée par les moyens de calcul de la permittivité, et de l'admittance mesurée par les deuxièmes moyens de mesure.

2905761 5 Le dispositif selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possibles : - la première sonde coaxiale comprend une âme centrale s'étendant radialement par rapport à un axe du conduit, et une fenêtre diélectrique cylindrique pleine présentant une première face destinée à entrer en contact avec le fluide, et une deuxième face au contact de l'âme 5 centrale ; - la deuxième sonde coaxiale présente une âme centrale s'étendant radialement par rapport à un axe du conduit, et une fenêtre diélectrique cylindrique pleine présentant une première face destinée à entrer en contact avec le fluide, et une deuxième face au contact de l'âme 10 centrale ; - les moyens de détermination de l'épaisseur comprennent des moyens d'utilisation d'une équation reliant : - une admittance théorique calculée à une interface entre la deuxième sonde et une cellule théorique de calcul présentant une longueur 15 radiale finie et une géométrie différente de celle du conduit, à : - la permittivité effective de la phase liquide et - la longueur radiale, l'équation étant obtenue sur la base de la résolution analytique d'un modèle mathématique de propagation de la deuxième onde dans la cellule théorique de calcul. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique en coupe suivant un plan vertical d'un dispositif pour mettre en oeuvre un procédé selon l'invention ; - la Figure 2 est une vue en coupe suivant le plan horizontal Il du disposif de la Figure 1 ; - la Figure 3 est une vue en coupe suivant le plan horizontal III du disposif de la Figure 1 ; - la Figure 4 est un organigramme décrivant les étapes principales du procédé selon l'invention ; 2905761 6 - la Figure 5 est un organigramme décrivant les détails de l'étape de détermination de la composition de la phase liquide dans le procédé de la Figure 4 ; - la Figure 6 est un organigramme décrivant les détails de l'étape de détermination de l'épaisseur de la phase liquide dans le procédé de la Figure 4 ; - la Figure 7 est une vue schématique partiellement en coupe suivant un plan longitudinal médian de la cellule de calcul théorique du modèle mathématique de propagation utilisé dans le procédé selon l'invention; et - la Figure 8 est une vue en coupe suivant un plan transversal de la cellule de la Figure 7. Le procédé de mesure selon l'invention est destiné à être mis en oeuvre dans une installation d'exploitation d'un fluide polyphasique, comme une installation 10 d'exploitation d'hydrocarbures. Ce procédé est mis en oeuvre à l'aide d'un dispositif 12 représenté sur les Figures 1 à 3. De manière connue, l'installation 10 comprend par exemple un puits d'exploitation (non représenté) ménagé dans le sous-sol, et un conduit 14 illustré sur la Figure 1 raccordant le puits à un ensemble de stockage des hydrocarbures exploités (non représenté). Dans l'exemple représenté sur la Figure 1, le conduit 14 est un conduit sensiblement cylindrique et vertical. Ce conduit 14 forme par exemple une partie d'un débitmètre polyphasique, propre à mesurer le débit d'hydrocarbures circulant dans le conduit 14. Le fluide polyphasique circule dans le conduit sous forme d'une phase liquide 16 formée par une émulsion d'huile dans de l'eau ou d'eau dans de l'huile, et d'une phase gazeuse 18. La phase liquide 16 circule le long des parois du conduit 14 sous forme d'un manchon annulaire d'épaisseur moyenne e, qui couvre sensiblement la totalité de la surface intérieure du conduit 14. La phase gazeuse 18 circule sensiblement au centre de la phase liquide 16, le long d'un axe X-X' du conduit.

2905761 7 La phase liquide 16 présente une permittivité effective E, différente de celle de la phase gazeuse E9. Le dispositif 12 comprend une cellule de mesure 20, des moyens 22 de détermination de la composition de la phase liquide 16, des moyens 24 de détermination de la l'épaisseur e de la phase liquide 18 et un calculateur 26. Par composition de la phase liquide , on entend les fractions volumiques relatives d'au moins deux constituants de la phase liquide à sa-voir, dans cet exemple, l'eau et l'huile, et éventuellement une émulsion. La cellule de mesure 20 est formée par un tronçon du conduit vertical 14 délimitant une ouverture supérieure 28 et une ouverture inférieure 30. Chaque ouverture 28, 30 est délimitée latéralement par deux 5 génératrices du cylindre constituant le conduit 14 situées dans un plan vertical. Les moyens 22 de détermination de la composition comprennent une sonde coaxiale 32 haute fréquence, dont une extrémité est placée radialement au contact de la phase liquide 16, des moyens 34 de mesure de 10 l'admittance à l'interface entre la phase liquide 16 et la sonde 32, et des moyens 36 de calcul de la composition. La sonde 32 est réalisée sous forme d'une connectique normalisée de type APC 2.4. Elle comprend une âme centrale 38 conductrice, une chemise conductrice 40 extérieure, et un isolant annulaire 41 placé entre 15 l'âme centrale 38 et la chemise 40. La sonde haute fréquence 32 comprend en outre une fenêtre 42 diélectrique cylindrique pleine en contact avec la phase liquide 16. L'âme 38, l'isolant 41 et la chemise 40 s'étendent suivant un axe Y-Y' sensiblement radial au voisinage de l'ouverture inférieure 30. Le 20 diamètre extérieur de l'âme 38 autour de l'axe Y-Y' est égal à 1,04 mm et le diamètre intérieur de la chemise 40 autour de l'axe Y-Y' est égal à 2,4 mm. La chemise 40 est prolongée à l'extrémité intérieure de la sonde 42 par une collerette d'obturation 43 de l'ouverture inférieure 30.

2905761 8 La fenêtre 42 est constituée à base de PEEK. Elle présente une épaisseur supérieure à 0,7 mm et sensiblement égale à 1 mm, entre une face intérieure plane 44 au contact de la phase liquide 16 et une face extérieure plane 46 placée en contact avec l'âme 38 et l'isolant 41, afin 5 d'assurer une bonne tenue mécanique et une bonne étanchéité. Les faces 46 et 44 sont perpendiculaires à l'axe radial Y-Y'. Ainsi, la fenêtre 42 obture la sonde 32 à son extrémité intérieure vers l'axe X-X' et réalise l'étanchéité entre l'intérieur du conduit 14 et la sonde 32. De plus, la face intérieure 44 affleure la paroi du conduit 14.

10 Les moyens de mesure de l'admittance 34 et les moyens de calcul 36 sont placés dans le calculateur 26. Ils sont raccordés à la sonde haute fréquence 32. Les moyens 24 de détermination de l'épaisseur comprennent une sonde coaxiale 50 basse fréquence dont une extrémité est placée 15 radialement au contact de la phase liquide 16, des moyens 52 de mesure de l'admittance à l'interface entre la phase liquide 16 et la sonde 50, et des moyens 54 de calcul de la permittivité El de la phase liquide et de l'épaisseur e. La sonde basse fréquence 50 est réalisée suivant la connectique 20 normalisée GR 900. Elle s'étend ainsi radialement par rapport à l'axe X-X' du conduit 14, parallèlement à un axe Z-Z', au dessus de la sonde haute fréquence 32. La sonde basse fréquence 50 comprend une âme centrale 56 conductrice d'axe Z-Z' au voisinage de l'ouverture supérieure 28, une 25 chemise extérieure 58 conductrice, et un isolant annulaire 60 interposé entre la chemise 58 et l'âme centrale 56. La sonde 50 comprend en outre une fenêtre diélectrique cylindrique pleine 62 à son extrémité au contact de la phase liquide 16. Le diamètre intérieur de l'âme centrale 56 autour de l'axe Z-Z' est 30 égal sensiblement à 6,20 mm, alors que le diamètre intérieur de la chemise 58 est égal à 14,28 mm. L'extrémité intérieure de l'âme centrale 56 est placée au contact de la phase liquide 16.

2905761 9 La fenêtre cylindrique 62 est réalisée à base de PEEK. Elle s'étend autour de l'âme 56 à l'extrémité intérieure de la sonde 50. La fenêtre cylindrique 62 présente ainsi une face intérieure 64 au contact de la phase liquide et une face extérieure 66 en contact avec l'âme centrale 56. 5 tâ?të 56 et la face intérieure 64 de la fenêtre 62 isolent ainsi la sonde basse fréquence 50 par rapport à l'intérieur du conduit 14 en obturant de manière étanche l'ouverture supérieure 28. Les moyens de mesure 52 et les moyens de calcul 54 sont situés dans le calculateur 36. Ils sont raccordés à la sonde basse fréquence 50.

10 Le diamètre de la collerette 43 de la sonde haute fréquence 32 est sensiblement égal au diamètre de la sonde basse fréquence 50. Le procédé de mesure du fluide polyphasique circulant dans le conduit 14 va maintenant être décrit en regard des Figures 4 à 7. Dans tout ce qui suit, l'admittance à une interface est définie comme 15 le rapport Y = 1 F , où r est le coefficient complexe de réflexion d'une onde électromagnétique à cette interface. Comme illustré par la Figure 4, le procédé comprend initialement une étape 70 de simulation de la propagation dans le conduit 14 d'une onde émise par la sonde haute fréquence 32 pour établir une corrélation entre la 20 composition de la phase liquide et l'admittance mesurée à l'interface 44 entre la sonde haute fréquence 32 et la phase liquide 16. Le procédé comprend ensuite une étape 72 de détermination de la composition de la phase liquide 16 par la sonde haute fréquence 32, une étape 74 de détermination de l'épaisseur e de la phase liquide 16 par la sonde basse fréquence 25 50, et une étape 76 de calcul du Gaz Hold-Up (GHU) qui est la proportion de gaz dans la section du conduit 14. Dans l'étape de simulation 70, l'admittance à l'interface entre la fenêtre 42 et un liquide de référence est simulée à l'aide d'un logiciel de simulation aux éléments finis, comme le logiciel ANSYS Multiphysics de la 30 société ANSYS pour au moins une fréquence fh donnée d'illumination du liquide de référence par la sonde haute fréquence. La composition du liquide 2905761 10 de référence constitué d'eau et d'huile est variée depuis une fraction volumique en eau nulle jusqu'à une fraction volumique en eau égale à 1. La fréquence fh d'illumination donnée est par exemple comprise entre 20 GHz et 60 GHz, et de préférence égale à 32 GHz. A cette 5 fréquence et compte tenu de la géométrie de la sonde coaxiale haute fréquence 32, et notamment de la fenêtre diélectrique 42 cylindrique, la pénétration de l'onde électromagnétique émise par la sonde 32 dans la phase liquide 16 est réduite à une couche de liquide très fine appliquée sur la fenêtre 42. La présence de la phase gaz 18 n'influence pas la valeur de 10 l'admittance mesurée. Pour la simulation, le conduit 14 est donc considéré comme totalement rempli par la phase liquide 16. En outre, compte tenu du domaine fréquentiel d'utilisation de la sonde coaxiale haute fréquence 32, la conductivité de la phase aqueuse n'a 15 plus d'influence sur la permittivité de l'eau à ces fréquences et a donc été négligée. Une courbe de référence sensiblement linéaire reliant la partie imaginaire de l'admittance simulée à la fraction volumique d'eau dans le liquide de référence est ainsi établie à la fréquence donnée, par exemple 32 20 GHz. Puis, comme illustré par la Figure 5, l'étape 72 de détermination de la composition de la phase liquide 16 est effectuée. Cette étape 72 comprend l'illumination 78 du fluide polyphasique avec une première onde électromagnétique émise à une haute fréquence 25 égale à la fréquence fh utilisée à l'étape de simulation 70, puis la mesure 78A de l'admittance à l'interface entre la sonde haute fréquence 32 et la phase liquide 16 par les moyens de mesure 34. L'étape 72 comprend en outre la corrélation 78B entre l'admittance mesurée par les moyens de mesure 34 et la composition de la phase liquide 16.

30 Dans cette gamme de fréquence, l'onde émise par la sonde 32 est évanescente dans la phase liquide 16. La corrélation 78B entre l'admittance mesurée à l'étape 78A et la composition de la phase liquide 16 est effectuée à l'aide de la courbe de 2905761 11 référence obtenue à l'étape 70 de simulation, en déterminant d'après cette courbe, la valeur de la fraction volumique en eau de la phase liquide 16 correspondant à la partie imaginaire de l'admittance mesurée par les moyens de mesure 34.

5 L'étape 74 de détermination de l'épaisseur e de la phase liquide 16 par la sonde basse fréquence 50 est ensuite réalisée. Cette étape 74 est décrite sur la Figure 6. Cette étape comprend initialement une phase 78C de calcul de la permittivité effective s, de la phase liquide 16, exclusivement sur la base de la composition de la phase aqueuse 16 telle que calculée à 10 l'étape 72. Le calcul 78C de la permittivité effective si comprend l'utilisation d'une loi de mélange fondée sur la fraction volumique en eau déterminée lors de la phase 78B, éventuellement accompagnée d'un modèle de salinité comme énoncé dans l'article de J. Hilland, Simple sensor system for measu- 15 ring the dielectric properties of saline solutions, Meas. Sci. Technol (8) pp. 901-910, 1997 et d'un modèle de Debye comme énoncé dans l'article de P. Debye, Polar molecules, Chemical Catalog Company, New-York, 1929. L'étape 74 comprend ensuite une phase 80 d'illumination du fluide polyphasique au moyen de la sonde basse fréquence 50 à l'aide d'une 20 deuxième onde électromagnétique à une basse fréquence fb inférieure à la haute fréquence comprise entre par exemple entre 1 MHz et 100 MHz, puis une phase de mesure 82 de l'admittance Ym à l'interface entre la sonde basse fréquence 50 et la phase liquide 16 par les moyens de mesure 52. Dans cette gamme de fréquences, la deuxième onde électromagné- 25 tique émise par la sonde basse fréquence 50 est évanescente. Elle pénètre dans la phase liquide 16 et se propage jusqu'à la phase gazeuse 18. L'étape 74 comprend en outre une phase 84 de calcul de l'épaisseur e, sur la base de la permittivité effective s, déterminée à l'étape 78C au moyen de la composition de la phase aqueuse 16 calculée à l'étape 30 72, de l'admittance Ym mesurée lors de la phase 82 par les moyens de mesure 52, et d'un modèle mathématique résolu de propagation de la deuxième onde électromagnétique dans une cellule 86 de calcul théorique représentée sur les Figures 7 et 8.

2905761 12 Comme illustré par les Figures 7 et 8, cette cellule 86 présente une géométrie différente de celle du conduit 14. La cellule 86 est formée virtuellement par une paroi métallique fermée 88 délimitant un volume intérieur 90 rempli par de la phase liquide 16 présentant une permittivité 5 effective El. Comme illustré par la Figure 7, la cellule 86 utilisée dans le calcul présente un axe central s'étendant radialement par rapport à l'axe X-X' du conduit 14 et s'étendant coaxialement avec l'axe Z-Z' de l'âme centrale 56 de la sonde basse fréquence 50.

10 La paroi métallique 88 comprend une paroi intérieure 92 et une paroi extérieure 94 sensiblement planes de contours circulaires, raccordées entre elles par une paroi périphérique 96 cylindrique d'axe Z-Z'. Les parois 88, 92 sont séparées entre elles par une distance h, le long de l'axe Z-Z'. Dans cette cellule de calcul théorique 86, la sonde coaxiale 50 15 affleure la paroi extérieure 94 sensiblement au centre de cette paroi 94. Ainsi, la fenêtre diélectrique 62 annulaire de la sonde 50 affleure, dans le calcul théorique, la paroi 94 pour être en contact avec la phase liquide 16 présente dans la cellule 86. Le rayon de la cellule pris autour de l'axe Z-Z' est supérieur au 20 rayon de la sonde 50. La phase de calcul 84 comprend le choix 98 d'une géométrie particulière de cellule 86. Cette géométrie particulière de cellule 86 est choisie par comparaison entre les valeurs des parties réelles et imaginaires de l'admittance en fonction de la fréquence du mode TMo1 dans la cellule 25 théorique et dans le conduit 14 telles que simulées par un modèle par élément finis pour une gamme de fréquence comprise entre 0 MHz et 2000 MHz. Comme illustré par la Figure 6, une fois la géométrie de la cellule 86 choisie lors de la phase 98, une valeur arbitraire de la dimension radiale h, 30 de la cellule 88, prise le long de l'axe Z-Z' entre les parois 92, 94, est choisie lors de la phase 100. Puis, l'admittance théorique Yt à l'interface entre la sonde 50 et la phase liquide 16 dans la cellule de calcul 86 est calculée lors de la phase 2905761 13 102 par la résolution analytique de la propagation de la deuxième onde électromagnétique émise à la fréquence fb dans la cellule 86 en utilisant les calculs analytiques décrits par exemple dans l'article de O. Meyer, et al., Cellule de Caractérisation Diélectrique Large Bande Surdimensionnée, 5 7èmes Journées Micro-ondes et Matériaux, Toulouse, mars 2002. Cette étape inclut la résolution analytique des équations de Maxwell dans la géométrie de la cellule 86 avec les conditions limites définies par les parois métalliques 88 de la cellule 86. Ceci permet d'obtenir une équation reliant directement l'admittance Yt calculée analytiquement, aux dimensions 10 de la cellule 86, et aux caractéristiques de propagation de la deuxième onde électromagnétique dans la cellule 86. Dans ces calculs, la paroi métallique 96 placée à l'écart de la sonde 50 est remplacée par un mur magnétique. Lors de la phase 104, la valeur absolue de la différence entre 15 l'admittance théorique Yt et l'admittance mesurée Ym est calculée. Si cette différence est supérieure à une valeur de convergence a prédéterminée, la dimension radiale de la cellule de calcul 86, prise entre les parois 92 et 94 est modifiée suivant un critère de convergence, et les phases 102 et 104 de calcul de l'admittance théorique Yt et de calcul de la différence entre Yt et Ym 20 sont reproduites. A la phase 106, lorsque la valeur absolue de la différence entre l'admittance théorique Yt et l'admittance mesurée Ym est inférieure à la va-leur de convergence a, l'épaisseur de la couche liquide e est considérée comme égale à la dimension radiale hi de la cellule de calcul 86 obtenue.

25 Ensuite, à l'étape 76 de calcul du CHU, la surface SI de la phase liquide prise en coupe suivant un plan horizontal est calculée à partir de l'épaisseur e de la phase liquide 16. De même la surface Sg de la phase gazeuse 18, prise en coupe dans le même plan, est calculée par différence entre la surface S, de la 30 phase liquide 16 et la surface totale du conduit 14 prise en coupe dans le même plan. Le GHU est ainsi déterminé par le rapport de la surface Sg à la surface SI.

2905761 14 Dans l'invention qui vient d'être décrite, une sonde haute fréquence 32 fonctionnant au moins à 25 GHz est utilisée dans un premier temps pour mesurer facilement, et de manière très sélective, la composition de la phase liquide 16 d'un fluide polyphasique, sans tenir compte de la phase gazeuse 5 18. Par ailleurs, l'utilisation d'une sonde basse fréquence 50, complétée par un calcul analytique résolu de propagation dans une cellule de calcul 86 de géométrie simple et différente de celle du conduit 14, permet d'obtenir rapidement et de manière très précise, la valeur de l'épaisseur e de la phase liquide 16, et par suite, le rapport des surfaces des phases 16, 18 circulant 10 dans le conduit 14. Le procédé selon l'invention, mis en oeuvre dans le dispositif 12 est donc particulièrement performant pour déterminer les propriétés du fluide polyphasique sans avoir recours à l'utilisation d'une sonde radioactive. Dans une variante, la sonde haute fréquence 22 et la sonde basse 15 fréquence 24 sont placées sensiblement à la même hauteur par rapport au conduit 14 dans un plan vertical commun, décalées angulairement autour de l'axe X-X' du conduit 14. Dans ce cas, l'illumination des sondes 22 et 24 est séquentielle et non simultanée. Dans une autre variante, au moins une des fenêtres diélectriques 20 42, 62 est formée par un manchon annulaire entourant l'âme centrale 38, 56. Dans ce cas, l'extrémité de l'âme centrale affleure la face intérieure 44, 64 dans le conduit 20, et est placée au contact de la phase liquide 16. Dans une variante (nonreprésentée), le conduit 14 est sensiblement horizontal. Dans ce cas, la phase liquide 16 couvre une 25 surface inférieure du conduit 14 délimitée vers le haut par un plan horizontal constituant l'interface entre la phase liquide 16 et la phase gazeuse 18. La sonde haute fréquence 32 et la sonde basse fréquence 50 sont placées verticalement sous le conduit 14, espacées le long d'une génératrice inférieure horizontale du conduit 14.

30 L'épaisseur e de la phase liquide 16 est alors définie comme la distance, prise verticalement entre la génératrice inférieure et l'interface entre la phase liquide 16 et la phase gazeuse 18.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure d'un fluide polyphasique circulant dans un conduit (14), le fluide comportant une phase liquide (16) en contact avec une surface (20) du conduit (14) et une phase gazeuse (18) située à l'écart de la surface (20) couverte par le liquide, le procédé comprenant les étapes suivantes : (a) détermination (72) des fractions relatives d'au moins deux constituants de la phase liquide (16) comportant les phases suivantes : . illumination (78) du fluide au moyen d'une première sonde coaxiale (32) placée au contact de la phase liquide (16) avec une première onde électromagnétique émise à une haute fréquence (fh); . mesure (78A) de l'admittance à l'interface entre la première sonde (32) et le fluide ; et . calcul (78B) desdites fractions relatives sur la base de l'admittance mesurée ; (b) détermination (74) de l'épaisseur (e) de la phase liquide (16), comprenant les phases suivantes : . calcul (78C) de la permittivité (si) effective de la phase liquide (16), sur la base des fractions relatives calculées à l'étape (a) ; et . illumination (80) du fluide au moyen d'une deuxième sonde 20 coaxiale (50) distincte de la première sonde (32) , avec une deuxième onde électromagnétique émise à une basse fréquence (f)); . mesure (82) de l'admittance (Ym) à l'interface entre la deuxième sonde (50) et le fluide ; et . calcul (84) de l'épaisseur (e) de la phase liquide (16) sur la base 25 de la permittivité effective calculée (ci) de la phase liquide, et de l'admittance (Ym) mesurée à l'interface entre la deuxième sonde (50) et le fluide.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première sonde coaxiale (32) comprend une âme centrale (38) s'étendant radialement par rapport à un axe (X-X') du conduit (14), et une fenêtre 30 diélectrique (42) cylindrique pleine présentant une première face (44) en contact avec le fluide et une deuxième face (46) en contact avec l'âme 2905761 16 centrale (38), la première onde électromagnétique étant émise à travers la fenêtre diélectrique (42).

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase (78B) de calcul des fractions relatives dans la phase liquide 5 comprend l'établissement (70) d'une corrélation entre : - une admittance simulée à l'interface entre la première sonde (50) et un fluide de référence, et - les fractions relatives des constituants dans ce fluide de référence, sur la base d'une simulation par éléments finis de la propagation de la 10 première onde dans le fluide de référence.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la haute fréquence (fh) est supérieure à 25 GHz, et de préférence comprise entre 30 GHz et 60 GHz.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que la deuxième sonde coaxiale (50) présente une âme centrale (56) s'étendant radialement par rapport à un axe (X-X') du conduit (14), et une fenêtre diélectrique (62) cylindrique pleine présentant une première face (64) au contact du fluide, et une deuxième face au contact de l'âme centrale (56).

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la basse fréquence (fb) est inférieure à 1 GHz.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase (84) de calcul de l'épaisseur (e) de la phase liquide (16) comprend l'utilisation d'une équation reliant : - une admittance théorique (Yt) calculée à une interface entre la deuxième sonde (50) et une cellule théorique de calcul (86) présentant une longueur radiale finie (hi) et une géométrie différente de celle du conduit (14), à: - la permittivité effective (si) de la phase liquide (16), et - la longueur radiale (h,), l'équation étant obtenue sur la base de la résolution analytique d'un modèle mathématique de propagation de la deuxième onde dans la cellule (86) théorique de calcul. 2905761 17

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la phase de calcul de l'épaisseur comprend les sous-étapes suivantes : - variation de la longueur radiale (hi) de la cellule de calcul théorique (86) ; 5 -calcul de la différence entre l'admittance (Yt) calculée sur la base du modèle mathématique de propagation dans la cellule de calcul (86) à l'interface entre la deuxième sonde (50) et le fluide, et l'admittance (Ym) mesurée à l'étape (b) ; et - détermination de l'épaisseur (e) de la phase liquide sur la base de 10 la longueur radiale (h,) de la cellule de calcul (86) obtenue lorsque ladite différence est inférieure à une valeur (a) prédéterminée.

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la cellule de calcul (86) est formée par un cylindre creux métallique fermé d'axe radial (Z-Z') coaxial avec l'axe de l'âme centrale de la deuxième sonde (50), 15 le cylindre présentant une première paroi transversale (94) située à l'interface entre la deuxième sonde (50) et le conduit (14), la longueur radiale (h,) étant la distance séparant la première paroi transversale (94) et d'une deuxième paroi transversale (96) délimitant le cylindre.

10. Dispositif (12) de mesure d'un fluide polyphasique circulant dans 20 un conduit (14), le fluide comportant une phase liquide (16) en contact avec une surface (20) du conduit (14) et une phase gazeuse (18) située à l'écart de la surface (20) couverte par le liquide, le dispositif (12) comprenant : (a) des moyens (22) de détermination des fractions relatives d'au moins deux constituants de la phase liquide (16) comportant : 25 * une première sonde coaxiale (32) placée au contact de la phase liquide (16) et propre à émettre une première onde électromagnétique à une haute fréquence (fh) ; * des premiers moyens (34) de mesure de l'admittance à l'interface entre la première sonde (32) et le fluide ; 30 . des premiers moyens (36) de calcul des fractions relatives dans la phase liquide (16) sur la base de l'admittance mesurée ; (b) des moyens (24) de détermination de l'épaisseur (e) de la phase liquide (16) comportant : 2905761 18 * des moyens (54) de calcul de la permittivité effective (E,) sur la base des fractions relatives calculées par les premiers moyens de calcul de la composition (36) ; et . une deuxième sonde coaxiale (50), distincte de la première sonde 5 (32), propre à émettre une deuxième onde électromagnétique à une basse fréquence (fb), . des deuxièmes moyens (52) de mesure de l'admittance à l'interface entre la deuxième sonde (50) et le fluide ; . des deuxièmes moyens de calcul (54) de l'épaisseur (e) de la 10 phase liquide (16) sur la base de la permittivité effective (si) calculée par les moyens de calcul de la permittivité (54), et de l'admittance mesurée par les deuxièmes moyens de mesure (52).

11. Dispositif (12) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première sonde coaxiale (32) comprend une âme centrale (38) s'étendant 15 radialement par rapport à un axe (X-X') du conduit (14), et une fenêtre diélectrique (42) cylindrique pleine présentant une première face (44) destinée à entrer en contact avec le fluide, et une deuxième face (46) au contact de l'âme centrale (38).

12. Dispositif (12) selon l'une des revendications 10 ou 11, 20 caractérisé en ce que la deuxième sonde coaxiale (50) présente une âme centrale (56) s'étendant radialement par rapport à un axe (X-X') du conduit (14), et une fenêtre diélectrique (62) cylindrique pleine présentant une première face (64) destinée à entrer en contact avec le fluide, et une deuxième face au contact de l'âme centrale (56). 25

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les moyens de détermination (24) de l'épaisseur (e) comprennent des moyens d'utilisation d'une équation reliant : - une admittance théorique (Yt) calculée à une interface entre la deuxième sonde (50) et une cellule théorique de calcul (86) présentant une 30 longueur radiale finie (hi) et une géométrie différente de celle du conduit (14), à: - la permittivité effective (El) de la phase liquide (16) et 2905761 19 -la longueur radiale (hi), l'équation étant obtenue sur la base de la résolution analytique d'un modèle mathématique de propagation de la deuxième onde dans la cellule (86) théorique de calcul. 5