EP1160932A1 - Dispositif de connexion électrique étanche d'électrodes par cable blinde et système pour mesures petrophysiques utilisant le dispositif - Google Patents

Dispositif de connexion électrique étanche d'électrodes par cable blinde et système pour mesures petrophysiques utilisant le dispositif Download PDF

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EP1160932A1
EP1160932A1 EP01401295A EP01401295A EP1160932A1 EP 1160932 A1 EP1160932 A1 EP 1160932A1 EP 01401295 A EP01401295 A EP 01401295A EP 01401295 A EP01401295 A EP 01401295A EP 1160932 A1 EP1160932 A1 EP 1160932A1
Authority
EP
European Patent Office
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sample
tubular sleeve
electrode
connection
sheath
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01401295A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Fleury
Gabriel Ringot
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R24/00—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure
    • H01R24/38—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts
    • H01R24/40—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency
    • H01R24/52—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency mounted in or to a panel or structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/46—Bases; Cases
    • H01R13/52—Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases
    • H01R13/5205—Sealing means between cable and housing, e.g. grommet

Definitions

  • the present invention relates to a device for establishing precisely in laboratory the curve of the resistivity index of a solid sample independent of the capillary pressure curve, suitable for high measurements frequency.
  • Measuring the resistivity index of small carrots is necessary for obtain an accurate estimate of water saturation from data from logs obtained for example by the measurement technique during drilling (MWD).
  • the sample is contained in a sheath and subjected to pressure radial by injecting pressurized oil into the annular space between the body of the cell and sheath.
  • a membrane wettable only by the second fluid is interposed between the sample and the first end of the cell to perform reimbibition operations.
  • Electrodes interposed between the sample and its sheath allow applying an electric current and detecting potential differences appearing between distinct points in response to the application of current electric.
  • the electrodes being connected to an impedance measuring device sample complex.
  • the longitudinal extension of the electrodes is relatively important compared to the length of the sample so as to involve the most as much of the sample volume as possible in impedance measurements while avoiding short-circuits at the ends of the sample which could distort measures.
  • One or more injection pressure levels are applied, the continuous variations in the resistivity index as a function of the variation in saturation average without waiting for the capillary balances to be established.
  • the electrical conductors connecting the electrodes to the device measure cross the outside wall of the cell by tight crossings (glass bead connectors for example).
  • the device according to the invention makes it possible to make the connection by shielded cable at least one electrode to a measuring device, located on either side of a wall separating a pressurized enclosure from the outside environment. It includes at least a rigid protective sleeve of insulating material which passes through the wall waterproof and extends to the immediate vicinity of the electrode, in which pass the shielded cable, this rigid sleeve containing a tube of conductive material in electrical contact with the cable shield, and being rigidly associated and sealingly to a connection means electrically connecting the core of the shielded cable to the electrode.
  • the electrical connection means comprises for example a plug connected to the electrode, with a base which is rigidly and tightly fixed in a sleeve cavity, and electrically connected to the core of the shielded cable.
  • the plug is engaged in a recess in the electrode and adapted to maintain electrical contact with the electrode as it moves.
  • the device comprises an electrical connector associated with the rigid sleeve on the outside of the wall for the connection of a shielded wire connected to the measuring device, a shielded cable element inside the rigid sleeve the core of which is connected by means of connection, and the shielding is electrically connected to the conductive tube which extends towards the inside of the rigid sleeve up to the connection zone of the core by means of connection.
  • the wall is for example the wall of the body of a cell intended for measurement variations in the resistivity index of a porous solid sample coated with a sheath and subjected to radial pressure by injection of a pressurized liquid into the body of the cell, these variations being consecutive to displacement operations forced a first fluid out of the sample by injection of a second fluid, one of the two fluids being electrically conductive and the other not, by means of electrodes arranged between the sample and the sheath and each provided with a extension passing through the sheath, each rigid sleeve passing through the wall of the body cell and extending substantially to the sheath.
  • the measurement system comprises a confinement cell elongated for a sample in a coating sheath, means for injecting a pressurized liquid in the cell body to exert radial pressure on the sample, electrodes placed between the sample and the coating sheath, allowing the application of an electric current and the detection of differences in potential appearing between distinct points in the sample in response to the application of electric current.
  • the electrodes are each provided with a extension passing through the sheath and being connected to a device for measuring the impedance of the sample, outside the cell body, a first semi-permeable filter, permeable to the first fluid and disposed substantially in contact with a first end of the sample, and injection means for injection under pressure of a second fluid through a second end of the sample.
  • connection devices to connect the different electrodes to the meter by shielded cables and each device includes at least one rigid protective sleeve of insulating material which passes through the wall in a sealed manner and extends to the immediate vicinity of the electrode, in which the shielded cable is passed, this rigid sleeve containing a tube in conductive material in electrical contact with the cable shield and being associated rigidly and sealingly to a connection means electrically connecting the core shielded cable to the electrode.
  • the electrodes have a relatively longitudinal extension important compared to the length of the sample (between 1 ⁇ 4 and 3 ⁇ 4 of the length of the sample and preferably of the order of half) but less than this length, so as to involve as much of the sample volume as possible in impedance measurements while avoiding short circuits at the ends of the sample.
  • connection device as just defined, is advantageous in that it allows the tight crossing of a wall by a shielded wire without there being discontinuity of the core and the shielding of the cable likely to affect the signals which are transmitted there, this in a frequency range extending up to several tens of MHz.
  • connection device will be described without this constituting a any limitation, to an experimental system for measuring variations the resistivity index of a porous solid sample, consecutive to forced displacements of a first wetting fluid conducting electricity such as brine for example, by injecting a second non-conductive fluid such as only oil for example (drainage phase) or the second fluid by the first (imbibition phase) such as that described in the aforementioned patents of the applicant.
  • a first wetting fluid conducting electricity such as brine for example
  • a core containment cell which includes a hollow body 1 with cylindrical symmetry closed at its two opposite ends by two end caps 2, 3.
  • the sample S is placed inside a cylindrical piece in elastomer 4 whose longitudinal section is U-shaped, constituting a sheath for sample S.
  • the set of sample S and its sheath 4 is installed in an interior cavity of the body 1 and is delimited axially on either side by the two tips 2, 3.
  • the sample S is in contact with a semi-permeable filter 5, wettable by the first fluid such as a filter ceramic.
  • the sample S is in contact with a membrane 6 wettable by the second fluid.
  • the interior faces of both end caps 2, 3 are provided with a network of grooves 7 (Fig. 2). Fastening means not shown allow the two end pieces to be rigidly fixed to each other.
  • Channels 8 pass through the nozzle 3 and communicate the network of grooves 7 on its end face, with a first source 9 delivering the second fluid under pressure.
  • channels 10 pass through the end piece 2 and communicate the network of grooves 7 corresponding with a second pressure source 11 of the first fluid drained from the sample due to the injection of the second fluid.
  • An element 12 is installed on the circuit 10 to measure the volume of fluid displaced out of sample S.
  • a low cost capacitive sensor is used with an accuracy of 0.05 cc and a resolution of 0.01 cc, similar to that used in the device described in patent application FR 2,772,477 of applicant.
  • the device comprises for example two pairs of electrodes E1, E2 which are molded inside the sheath 4, so as to press tightly against the wall device of the sample, allowing the application of an electric current.
  • E'1, E'2 At by means of another pair of electrodes E'1, E'2, likewise molded, the potential difference V created in response to the application of electric current.
  • the electrodes are for example of square shape and made in Monel.
  • the angular extension of a pair of electrodes around the sample is less than 90 °.
  • Their length must be less than the length of the sample so as to avoid electrical end short circuits outside the sample, directly through the fluids, which would distort the measurements.
  • their length must be sufficiently large compared to the length of the sample so that the current lines embrace most of the of its volume with a relatively regular distribution. This length may vary in significant proportions depending on the size of the sample diameter. In the experiments that were performed, we found that the length of the electrodes could advantageously be between 1 ⁇ 4 and 3 ⁇ 4 of the length of the sample and preferably be of the order of half this length.
  • the radial pressure of confinement around the sample is for example of the order of a few Mpa, sufficient to ensure good electrical contact of the electrodes. So in under normal conditions, the contact resistance is generally of the same order of magnitude as the resistance of the sample to be measured with a low water saturation.
  • the assembly is placed in a thermostatically controlled enclosure (not shown).
  • All the electrodes E are provided with a hollow through extension 15 the thickness of the sheath 4, and are connected to an RLC 16 impedance meter coupled with a set 17 of measurement acquisition, by the connection device which will be described below.
  • connection device comprises for each electrode E (Fig. 3) a tubular sleeve M of insulating material which engages in a bore N in the outer end wall 18 of the body 1 and rigidly fixed to it. Seals sealing 19 are arranged in grooves of the tubular sleeve M.
  • a BNC type electrical connector 20 well known to those skilled in the art for example, is fixed against the outer wall of the tubular sleeve M.
  • One of its terminals is connected to the core 21 of a portion of screened cable, the other to the braid 22 of this same cable.
  • the braid 22 is in close electrical contact with a stainless steel tube 23 disposed in a cylindrical cavity of the tubular sleeve M.
  • the base 24 of a plug is engaged in another cavity at the opposite end of this same tubular sleeve M and fixed to it by a threaded ring 26. The fixing is sealed by gaskets 25.
  • This base 24 is provided with a first extension 27 to which is welded the core 21 of the shielded cable and at its opposite end is integral with the plug 28 intended to come to engage in a housing of the extension 15 of each electrode E.
  • the plug 28 is provided with a leaf spring 29. A certain amount of travel is allowed plug 28 in its slot of electrode E to take account of the displacements of the sheath 4 in elastomer when it is pressed against the sample S by injection of liquid into the annular space 13.
  • the stainless steel tube 23 extends towards the inside of the tubular sleeve M of so as to cover and electrically insulate the area where the cable core is welded to the extension 27. As it is connected to the shield 22, the core 21 is electrically insulated to its junction with plug 24.
  • the wire 21 has a certain looseness between the connector 20 and the end piece 24 inside the tubular sleeve M for mounting requirements.
  • the sample S saturated with the first fluid is placed in the enclosure and applies a radial confinement pressure by connection with the means of pressure 14.
  • a second fluid such as oil is then injected through the channels 8 at a first pressure and the variations in the complex impedance of the sample are continuously measured for several frequencies between 0.1 Hz and a few tens of MHz. , which are recorded by the acquisition assembly 16, 17.
  • ( Re ( Z ) 2 + Im ( Z ) 2 ) 1 ⁇ 2
  • Figs. 5, 6 The curves of Figs. 5, 6, the dispersion curves can be extracted from data recorded for two saturation values. For a water saturation of 100%, there is little difference at high frequency (Fig.5A).
  • the frequency of cut i.e. the top of the semicircle in the Argand diagram (Fig. 6A), is in the order of 5 MHz in both cases.
  • Low frequency between 0.1 and 1 kHz
  • the deviations are due to different surface roughness for the two samples.
  • Sw 0.38
  • there is a decrease cutoff frequency around 500KHz). The phenomena attributed to the roughness of surface are shifted to lower frequencies (0.1 Hz).
  • an electrical circuit consisting of a resistance of some 1 K ⁇ and a capacitor with a capacity of the order is placed inside the cell and connected to the electrodes E. of 200 pF, typically reproducing the electrical behavior of a sample S.
  • the complex impedance Z of this circuit has been measured, for all frequencies up to 20 MHz when this circuit is placed outside the cell and at l inside the cell and connected by the connection device described above. It can be seen in FIGS. 4A, 4B that the results obtained are completely identical and that the cell and the connection device do not in any way affect the quality of the measurements.

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

  • Dispositif pour réaliser la connexion par câble blindé d'électrodes à un appareil de mesure, situés de part et d'autre d'une paroi (18) séparant une enceinte sous pression du milieu extérieur.
  • Le dispositif comporte un manchon rigide de protection (16) en matériau isolant qui traverse la paroi de façon étanche et se prolonge jusqu'au voisinage immédiat de l'électrode, dans lequel on fait passer le câble blindé (C). A l'intérieur du manchon rigide (16) est disposé un tube en matériau conducteur (23) qui est en contact électrique avec le blindage du câble -Une fiche (24, 28) est assujettie au manchon rigide (16). Elle est connectée à l'électrode (15) et - reliée électriquement à l'âme (21) du câble blindé à l'intérieur du tube métallique (23). Un connecteur électrique (20) est associé au manchon rigide (16) à l'extérieur de la paroi (18) pour la connexion d'un fil blindé relié à l'appareil de mesure. Ce dispositif peut être utilisé dans un système de mesure de la résistivité électrique d'un échantillon dans une gamme de fréquence pouvant atteindre plusieurs dizaines de MHz.
  • Applications par exemple aux mesures pétrophysiques sur échantillons de roche poreux.

Description

La présente invention a pour objet un dispositif pour établir précisément en laboratoire la courbe de l'indice de résistivité d'un échantillon solide indépendamment de la courbe de pression capillaire, adapté à des mesures en haute fréquence.
La mesure de l'indice de résistivité de petites carottes est nécessaire pour obtenir une estimation précise de la saturation en eau à partir de données de diagraphie obtenues par exemple par la technique de mesure pendant forage (MWD).
Etat de la technique
Par les brevets FR2 781 573 et FR 2 762 681 (US 5 979 223) du demandeur, notamment on connaít des méthode et des dispositifs de mesure en continu de la courbe de l'indice de résistivité d'un échantillon solide initialement saturé par un premier fluide mouillant, tel qu'un échantillon géologique, indépendamment de la courbe de pression capillaire. L'échantillon solide poreux est contenu dans une gaine étanche qui est placée dans une cellule de confinement allongée entre deux embouts. Des canaux au travers des deux embouts communiquent avec un système d'injection permettant d'injecter un deuxième fluide non mouillant dans l'échantillon à une première extrémité de la cellule et de drainer le premier fluide hors de la cellule à l'extrémité opposée, au travers d'une membrane semi-perméable, perméable au premier fluide. L'échantillon est contenu dans une gaine et soumis à une pression radiale par injection d'huile sous pression dans l'espace annulaire entre le corps de la cellule et la gaine. Une membrane mouillable seulement par le deuxième fluide est interposée entre l'échantillon et la première extrémité de la cellule pour réaliser des opérations de réimbibition.
Des électrodes interposées entre l'échantillon et sa gaine permettent l'application d'un courant électrique et la détection des différences de potentiel apparaissant entre des points distincts en réponse à l'application du courant électrique. Les électrodes étant connectées à un appareil de mesure de l'impédance complexe de l'échantillon. L'extension longitudinale des électrodes est relativement importante rapportée à la longueur de l'échantillon de façon à impliquer la plus grande partie possible du volume de l'échantillon dans les mesures d'impédance tout en évitant les court-circuits par les extrémités de l'échantillon susceptibles de fausser les mesures.
On applique un ou plusieurs paliers de pression d'injection, on mesure les variations continues de l'indice de résistivité en fonction de la variation de saturation moyenne sans attendre que s'établisse les équilibres capillaires.
L'espace annulaire entre la gaine et la paroi extérieure de la cellule étant sous pression élevée, les conducteurs électriques reliant les électrodes à l'appareil de mesure traversent la paroi extérieure de la cellule par des traversées étanches (connecteurs à perles de verre par exemple).
Des études ont montré que l'indice de résistivité des roches poreuses variait sensiblement avec la fréquence. Comme les sondes de diagraphie mesurent la résistance électrique des terrains traversés à des fréquences souvent très élevées, il est nécessaire pour bien mettre en relation les mesures obtenues par les outils de puits et les mesures de l'indice de résistivité obtenues en laboratoire au moyen des cellules, que celles-ci puissent fonctionner avec précision dans la même gamme de fréquence.
Les résultats obtenus avec les cellules précédentes sont satisfaisants quand la plage de fréquence des courants électriques appliqués reste dans la limite de quelques KHz ou quelques dizaines de KHz. Ils perdent beaucoup de leur signification quand les mesures d'impédance sont effectuées à des fréquences beaucoup plus élevées comprises par exemple dans la plage 1MHz - 10MHz. A de telles fréquences, il faut bien entendu utiliser des câbles blindés d'impédance constante. La liaison continue des électrodes à l'appareil de mesure par câbles blindés est difficile à réaliser à cause à cause de problèmes d'étanchéité. Si l'on a recours à un connecteur classique de type à perles de verre par exemple, cela entraíne une rupture de la continuité du blindage. Cette discontinuité qui serait sans effet notable à basse fréquence, est la source à fréquence élevée, de réflexions parasites et d'un affaiblissement significatif des signaux.
LE DISPOSITIF SELON L'INVENTION
Le dispositif selon l'invention permet de réaliser la connexion par câble blindé d'au moins une électrode à un appareil de mesure, situés de part et d'autre d'une paroi séparant une enceinte sous pression du milieu extérieur. Il comporte au moins un manchon rigide de protection en matériau isolant qui traverse la paroi de façon étanche et se prolonge jusqu'au voisinage immédiat de l'électrode, dans lequel on fait passer le câble blindé, ce manchon rigide contenant un tube en matériau conducteur en contact électrique avec le blindage du câble, et étant associé rigidement et de façon étanche à un moyen de connexion reliant électriquement l'âme du câble blindé à l'électrode.
Le moyen de connexion électrique comporte par exemple une fiche connectée à l'électrode, avec une embase qui est fixée rigidement et de façon étanche dans une cavité du manchon, et reliée électriquement à l'âme du câble blindé.
Pour tenir compte d'une certaine latitude possible de déplacement de l'électrode, la fiche est engagée dans un évidement de l'électrode et adaptée à maintenir le contact électrique avec l'électrode quand elle se déplace.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif comporte un connecteur électrique associé au manchon rigide à l'extérieur de la paroi pour la connexion d'un fil blindé relié à l'appareil de mesure, un élément de câble blindé intérieur au manchon rigide dont l'âme est connectée au moyen de connexion, et le blindage est électriquement relié au tube conducteur qui se prolonge vers l'intérieur du manchon rigide jusqu'à la zone de connexion de l'âme au moyen de connexion.
La paroi est par exemple la paroi du corps d'une cellule destinée à la mesure des variations de l'indice de résistivité d'un échantillon solide poreux enrobé d'une gaine et soumis à une pression radiale par injection d'un liquide sous pression dans le corps de la cellule, ces variations étant consécutives à des opérations de déplacement forcé d'un premier fluide hors de l'échantillon par injection d'un deuxième fluide, l'un des deux fluides étant conducteur de l'électricité et l'autre non, au moyen d'électrodes disposées entre l'échantillon et la gaine et pourvues chacune d'un prolongement traversant la gaine, chaque manchon rigide traversant la paroi du corps de cellule et se prolongeant sensiblement jusqu'à la gaine.
Le système de mesure selon l'invention comprend une cellule de confinement allongée pour un échantillon dans une gaine d'enrobage, des moyens d'injection d'un liquide sous pression dans le corps de la cellule pour exercer une pression radiale sur l'échantillon, des électrodes disposées entre l'échantillon et la gaine d'enrobage, permettant l'application d'un courant électrique et la détection des différences de potentiel apparaissant entre des points distincts de l'échantillon en réponse à l'application du courant électrique. Les électrodes sont pourvues chacune d'un prolongement traversant la gaine et étant connectées à un appareil de mesure de l'impédance de l'échantillon, extérieur au corps de la cellule, un premier filtre semi-perméable, perméable au premier fluide et disposé sensiblement au contact d'une première extrémité de l'échantillon, et des moyens d'injection pour l'injection sous pression d'un deuxième fluide au travers d'une deuxième extrémité de l'échantillon. Le système comporte des dispositifs de connexion pour connecter les différentes électrodes à l'appareil de mesure par des câbles blindés et chaque dispositif comprend au moins un manchon rigide de protection en matériau isolant qui traverse la paroi de façon étanche et se prolonge jusqu'au voisinage immédiat de l'électrode, dans lequel on fait passer le câble blindé, ce manchon rigide contenant un tube en matériau conducteur en contact électrique avec le blindage du câble et étant associé rigidement et de façon étanche à un moyen de connexion reliant électriquement l'âme du câble blindé à l'électrode.
De préférence, les électrodes ont une extension longitudinale relativement importante rapportée à la longueur de l'échantillon (entre ¼ et ¾ de la longueur de l'échantillon et de préférence de l'ordre de la moitié) mais inférieure à cette longueur, de façon à impliquer la plus grande partie possible du volume de l'échantillon dans les mesures d'impédance tout en évitant les court-circuits par les extrémités de l'échantillon.
Le dispositif de connexion tel qu'il vient d'être défini, est avantageux en ce qu'il permet la traversée étanche d'une paroi par un fil blindé sans qu'il y ait discontinuité de l'âme et du blindage du câble susceptibles d'affecter les signaux qui y sont transmis, ceci dans une gamme de fréquence s'étendant jusqu'à plusieurs dizaines de MHz.
Le système de mesure avec son ou ses différents dispositifs de connexion tel qu'il vient d'être défini est particulièrement avantageux en ce qu'il permet :
  • d'établir une courbe très précise d'indice de résistivité continue en drainage et en peu de temps (environ 2 jours pour un grès typique de 100 mD alors que la durée typique nécessaire en utilisant la technique d'injection continue est souvent de l'ordre d'une quinzaine de jours) ;
  • l'incidence de profils de saturation non uniformes au cours des mesures, s'avère négligeable. Ceci est dû à la combinaison de trois facteurs : (i) la technique de mesure de résistivité radiale, (ii) la présence de filtres semi-perméables côté sortie, (iii) la totalité du volume de la carotte est analysée au moyen de mesures électriques (ceci est vérifié lorsque le diamètre de la carotte est supérieur à sa longueur) ;
  • de fournir des mesures d'indice de résistivité précis dans une gamme de fréquence très étendue prolongée jusqu'à des fréquences de l'ordre de plusieurs dizaines de MHz.
Présentation des figures
D'autres caractéristiques et avantages apparaítront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :
  • la Fig.1 montre schématiquement en coupe longitudinale une cellule de mesure permettant la mesure de la résistivité d'un échantillon poreux ;
  • la Fig.2 montre en coupe transversale la disposition des électrodes autour d'un échantillon permettant d'injecter un courant électrique et mesurer la différence de potentiel engendrée par le passage du courant au travers de l'échantillon ;
  • la Fig.3 montre schématiquement en coupe longitudinale un dispositif de connexion permettant la connexion électrique étanche d'un câble blindé reliant une électrode à un appareil de mesure extérieur ;
  • la fig. 4A représente les variations comparées du module d'impédance Z d'un circuit électrique de test placé à l'extérieur de la cellule (en trait plein) et à l'intérieur de la cellule et raccordée à l'impédancemètre par l'intermédiaire du dispositif de connexion décrit (en pointillés),
  • la Fig.4B représente dans les mêmes conditions les diagrammes d'Argand : partie réelle de Z en abscisse et partie imaginaire de Z en ordonnée) qui leur correspondent ;
  • la Fig.5A, 5B représentent respectivement les variations comparées du module d'impédance normalisée en fonction de la fréquence pour deux échantillon de grès de Fontainebleau mouillables respectivement à l'eau (ww) et à l'huile (ow) et pour des saturations Sw respectivement de 1 et de 0,38 ;
  • les Fig.6A, 6B) représentent dans les mêmes conditions les diagrammes d'Argand qui leur correspondent respectivement ; et
  • les Fig.7A, 7B montrent les effets dispersifs de la fréquence sur les courbes représentatives de la variation de l'index de résistivité en fonction de la saturation en saumure, pour deux échantillons de grès de Fontainebleau mouillable l'un à l'eau (ww) (Fig.7A), l'autre à l'huile (ow) (Fig.7B) et la réduction rapide de la pente des courbes au-dessus de 500 KHz.
DESCRIPTION DETAILLEE
Le dispositif de connexion va être décrit sans que cela constitue une quelconque limitation, à un système expérimental destiné à la mesure des variations de l'indice de résistivité d'un échantillon solide poreux, consécutifs à des déplacements forcés d'un premier fluide mouillant conducteur de l'électricité tel que de la saumure par exemple, par injection d'un deuxième fluide non conducteur tel que de l'huile par exemple, (phase de drainage) ou du deuxième fluide par le premier (phase d'imbibition) tel que celui décrit dans les brevets précités du demandeur.
Il comporte (Fig.1) une cellule de confinement d'une carotte qui comporte un corps creux 1 à symétrie cylindrique fermé à ses deux extrémités opposées par deux embouts 2, 3. L'échantillon S est placé à l'intérieur d'une pièce cylindrique en élastomère 4 dont la section longitudinale est en forme de U, constituant une gaine pour l'échantillon S. L'ensemble de l'échantillon S et de sa gaine 4, est installé dans une cavité intérieure du corps 1 et se trouve délimité axialement de part et d'autre par les deux embouts 2, 3. Du côté de l'embout 2, l'échantillon S est en contact avec un filtre semi-perméable 5, mouillable par le premier fluide tel qu'un filtre en céramique. Du côté de l'embout 3 opposé, l'échantillon S est en contact avec une membrane 6 mouillable par le deuxième fluide. Les faces intérieures des deux embouts 2, 3 sont pourvues d'un réseau de rainures 7 (Fig.2). Des moyens de fixation non représentés permettent de fixer rigidement l'un à l'autre les deux embouts.
Des canaux 8 traversent l'embout 3 et font communiquer le réseau de rainures 7 sur sa face terminale, avec une première source 9 délivrant le deuxième fluide sous pression. De même, des canaux 10 traversent l'embout 2 et font communiquer le réseau de rainures 7 correspondant avec une deuxième source de pression 11 du premier fluide drainé hors de l'échantillon du fait de l'injection du deuxième fluide. Un élément 12 est installé sur le circuit 10 pour mesurer le volume de fluide déplacé hors de l'échantillon S. On utilise de préférence un capteur capacitif de faible coût possédant une précision de 0,05 cc et d'une résolution de 0,01 cc, analogue à celui utilisé dans le dispositif décrit dans la demande de brevet FR 2.772.477 du demandeur.
Le dispositif comporte par exemple deux couples d'électrodes E1, E2 qui sont moulées à l'intérieur de la gaine 4, de façon à s'appliquer étroitement contre la paroi périphérique de l'échantillon, permettant l'application d'un courant électrique. Au moyen d'un autre couple d'électrodes E'1, E'2, pareillement moulées, on mesure la différence de potentiel V créée en réponse à l'application du courant électrique.
Cette affectation séparée des couples d'électrodes, les uns, à l'application d'un courant, et l'autre, à la mesure de différences de potentiel, permet d'éviter les résistances dues aux contacts. Les électrodes sont par exemple de forme carrée et réalisées en Monel. L'extension angulaire d'une paire d'électrodes autour de l'échantillon est inférieure à 90°. Leur longueur doit être inférieure à la longueur de l'échantillon de façon à éviter les court-circuits électriques d'extrémité extérieurs à l'échantillon, directement au travers des fluides, ce qui fausseraient les mesures,. Cependant leur longueur doit être suffisamment importante rapportée à la longueur de l'échantillon de façon que les lignes de courant embrassent la plus grande partie de son volume avec une répartition relativement régulière. Cette longueur peut varier dans de notables proportions selon l'importance du diamètre de l'échantillon. Dans les expériences qui ont été réalisées, on a trouvé que la longueur des électrodes pouvait avantageusement être comprise entre ¼ et ¾ de la longueur de l'échantillon et de préférence être de l'ordre de la moitié de cette longueur.
L'espace annulaire 13 entre le corps 1 et la gaine 4 communique avec des moyens de pression 14 permettant l'injection d'un liquide sous pression qui exerce une pression radiale de confinement sur l'échantillon S. La pression radiale de confinement autour de l'échantillon est par exemple de l'ordre de quelques Mpa, suffisante pour assurer un bon contact électrique des électrodes. Ainsi, dans des conditions normales, la résistance de contact est généralement du même ordre de grandeur que la résistance de l'échantillon qui doit être mesurée avec une faible saturation en eau.
L'ensemble est placé dans une enceinte thermostatée (non représentée).
Toutes les électrodes E sont pourvues d'un prolongement creux 15 traversant l'épaisseur de la gaine 4, et sont reliées à un impédancemètre RLC 16 couplé avec un ensemble 17 d'acquisition de mesures, par le dispositif de connexion qui va être décrit ci-après.
Le dispositif de connexion comporte pour chaque électrode E (Fig.3) un manchon tubulaire M en matériau isolant venant s'engager dans un alésage N dans la paroi terminale extérieure 18 du corps 1 et fixé rigidement à lui. Des joints d'étanchéité 19 sont disposés dans des rainures du manchon tubulaire M. Un connecteur électrique 20 de type BNC bien connu des gens de l'art par exemple, est fixé contre la paroi extérieure du manchon tubulaire M. L'une de ses bornes est reliée à l'âme 21 d'une portion de câble blindé, l'autre, à la tresse 22 de ce même câble. La tresse 22 est en contact électrique étroit avec un tube en inox 23 disposé dans une cavité cylindrique du manchon tubulaire M. L'embase 24 d'une fiche est engagé dans une autre cavité à l'extrémité opposée de ce même manchon tubulaire M et fixé à lui par une bague filetée 26. La fixation est rendue étanche par des joints d'étanchéité 25. Cette embase 24 est pourvue d'un premier prolongement 27 auquel est soudé l'âme 21 du câble blindé et à son extrémité opposée, est solidaire de la fiche 28 destinée à venir s'engager dans un logement du prolongement 15 de chaque électrode E. Pour affermir le contact électrique avec le prolongement 15 de l'électrode E, la fiche 28 est pourvue d'un ressort à lame 29. Un certain débattement est permis à la fiche 28 dans son logement de l'électrode E pour tenir compte des déplacements de la gaine 4 en élastomère quand elle se trouve plaquée contre l'échantillon S par injection de liquide dans l'espace annulaire 13.
Le tube en inox 23 se prolonge vers l'intérieur du manchon tubulaire M de façon à recouvrir et isoler électriquement la zone où l'âme du câble est soudée au prolongement 27. Comme il est connecté au blindage 22, l'âme 21 est électriquement isolée jusqu'à sa jonction avec la fiche 24.
Le fil 21 présente un certain relâchement entre le connecteur 20 et l'embout 24 à l'intérieur du manchon tubulaire M pour les nécessités du montage.
FONCTIONNEMENT
L'échantillon S saturé avec le premier fluide est placé dans l'enceinte et l'on applique une pression de confinement radiale par connexion avec les moyens de pression14.
On injecte alors par les canaux 8 un deuxième fluide tel que de l'huile à une première pression et l'on mesure en continu les variations de l'impédance complexe de l'échantillon pour plusieurs fréquences entre 0.1 Hz et quelques dizaines de MHz., qui sont enregistrées par l'ensemble d'acquisition 16, 17. Les données sont analysées en utilisant un index de résistivité généralisé ou index d'impédance fonction de la saturation et de la fréquence f, défini comme suit : Ir(Sw) = |Z(Sw)||Z(Sw = 1) = g(Sw, f) où |Z| = (Re(Z)2 + Im(Z)2)½
On vérifie que la fréquence agit fortement sur les courbes d'index de résistivité Ir au dessus de 500 KHz (Fig.7A). Pour l'échantillon mouillable à l'eau, les données peuvent être ajustées par application de la loi d'Archie bien connue et l'exposant de saturation baisse de 2 à 1 KHz jusqu'à 1,5 à 2 MHz. Pour l'échantillon mouillable à l'huile, l'influence de la fréquence est différente (Fig.7B) et la courbe est fortement non linéaire dans une échelle log-log. A fréquence élevée, l'écart par rapport à la courbe à 1KHz dépend de la saturation. A 2MHz, l'écart se forme vers Sw=0,7 et la courbe s'aplatit graduellement à saturation faible. Si on mesurait un seul point de la courbe à saturation faible, on trouverait un exposant de saturation de 2.
Les courbes des Fig.5, 6, les courbes de dispersion peuvent être extraites des données enregistrées pour deux valeurs de saturation. Pour une saturation en eau de 100%, on observe peu de différence à haute fréquence (Fig.5A). La fréquence de coupure (i.e. le sommet du demi-cercle dans le diagramme d'Argand) (Fig.6A), est de l'ordre de 5MHz dans les deux cas. A fréquence faible (entre 0,1 et 1 KHz) les écarts sont attribuables à des rugosités de surface différentes pour les deux échantillons. Pour une saturation plus faible (Sw=0,38), on observe une diminution de la fréquence de coupure (vers 500KHz). Les phénomènes attribués à la rugosité de surface sont décalés vers les fréquences plus basses (0,1 Hz).
Tests
Pour tester la qualité du dispositif de connexion, on a placé à l'intérieur de la cellule et connecté aux électrodes E, 15 un circuit électrique constitué d'une résistance de quelque 1 KΩ et d'un condensateur avec une capacité de l'ordre de 200 pF, reproduisant typiquement le comportement électrique d'un échantillon S. On a mesuré l'impédance complexe Z de ce circuit, pour toutes fréquences jusqu'à 20 MHz lorsque ce circuit est placé à l'extérieur de la cellule et à l'intérieur de la cellule et connecté par le dispositif de connexion décrit plus haut. On voit sur les Fig.4A, 4B que les résultats obtenus sont tout à fait identiques et que la cellule et le dispositif de connexion n'altèrent en rien la qualité des mesures.

Claims (10)

  1. Dispositif pour réaliser la connexion par câble blindé, au travers de la paroi (18) d'une enceinte sous pression, d'au moins une électrode (E, 15) dans l'enceinte et d'un appareil de mesure extérieur à l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un manchon tubulaire de protection (M) en matériau isolant qui est fixé à la paroi et la traverse de part en part et de façon étanche, ce manchon tubulaire (M) comportant une cavité intérieure dans lequel on fait passer le câble blindé (C), un tube en matériau conducteur (23) rapporté dans le manchon tubulaire (M) et en contact électrique avec le blindage (22) du câble, un moyen de connexion électrique (24, 28) comportant une fiche (24, 27) connectée à l'électrode (E,15) avec une embase (24) qui est engagée dans la cavité intérieure du manchon tubulaire (M) et reliée électriquement à l'âme (21) du câble blindé à l'intérieur du tube conducteur (23), et des moyens d'étanchéité (19, 25) associés au manchon tubulaire (M) et au moyen de connexion électrique, pour isoler l'intérieur de l'enceinte de l'extérieur et de la cavité intérieure du manchon tubulaire (M).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fiche (24,28) est engagée dans un évidement de l'électrode (15,E) et adaptée à maintenir le contact électrique avec l'électrode quand celle-ci subit un déplacement.
  3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un connecteur électrique (20) associé au manchon tubulaire (M) à l'extérieur de la paroi (18) pour la connexion d'un fil blindé relié à l'appareil de mesure, un élément de câble blindé (21, 22) intérieur au manchon tubulaire dont l'âme (21) est connectée au moyen de connexion (24, 28), et le blindage (22) est électriquement relié au tube conducteur (23) qui se prolonge-vers l'intérieur du manchon tubulaire jusqu'à la zone de connexion de l'âme (21) au moyen de connexion (24, 28).
  4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (18) est celle du corps d'une cellule (1) destinée à la mesure des variations de l'indice de résistivité d'un échantillon solide poreux (S) enrobé d'une gaine (4) et soumis à une pression radiale par injection d'un liquide sous pression dans le corps de la cellule, ces variations étant consécutives à des opérations de déplacement forcé d'un premier fluide hors de l'échantillon par injection d'un deuxième fluide, l'un des deux fluides étant conducteur de l'électricité et l'autre non, au moyen d'électrodes (E) disposées entre l'échantillon et la gaine (4) et pourvues chacune d'un prolongement (15) traversant la gaine, chaque manchon tubulaire (16) traversant la paroi du corps de la cellule (1) et se prolongeant sensiblement jusqu'à la gaine (4).
  5. Système de mesure de grandeurs physiques d'un échantillon solide poreux (S) placé dans une gaine d'enrobage (4), comprenant une cellule de confinement allongée pour l'échantillon dans sa gaine, des moyens (14) d'injection d'un liquide sous pression dans le corps (1) de la cellule permettant d'exercer une pression radiale sur l'échantillon par injection d'un liquide sous pression, et des moyens destinés à la mesure des variations de l'indice de résistivité de l'échantillon (S), consécutives à des opérations de déplacement forcé d'un premier fluide hors de l'échantillon par injection d'un deuxième fluide, l'un des deux fluides étant conducteur de l'électricité et l'autre non, comportant des électrodes (E) disposées entre l'échantillon et la gaine (4) et pourvues chacune d'un prolongement (15) traversant la gaine, et un appareil de mesure (16, 17) extérieur à la cellule connecté aux électrodes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un manchon tubulaire de protection (M) en matériau isolant qui est fixé à la paroi et la traverse de part en part et de façon étanche, ce manchon tubulaire (M) comportant une cavité intérieure dans lequel on fait passer le câble blindé (C), un tube en matériau conducteur (23) rapporté dans le manchon tubulaire (M) et en contact électrique avec le blindage (22) du câble, un moyen de connexion électrique (24, 28) comportant une fiche (24, 27) connectée à l'électrode (E,15) avec une embase (24) qui est engagée dans la cavité intérieure du manchon tubulaire (M) et reliée électriquement à l'âme (21) du câble blindé à l'intérieur du tube conducteur (23), et des moyens d'étanchéité (19, 25) associés au manchon tubulaire (M) et au moyen de connexion électrique, pour isoler l'intérieur de l'enceinte de l'extérieur et de la cavité intérieure du manchon tubulaire (M).
  6. Système de mesure suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les électrodes (E) permettent l'application d'un courant électrique et la détection des différences de potentiel apparaissant entre des points distincts de l'échantillon (S) en réponse à l'application du courant électrique, et la cellule comporte un premier filtre semi-perméable (5), perméable au premier fluide et disposé sensiblement au contact d'une première extrémité de l'échantillon, et des moyens (8, 9) d'injection pour l'injection sous pression d'un deuxième fluide au travers d'une deuxième extrémité de l'échantillon.
  7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de connexion électrique comporte une fiche (24, 28) connectée à l'électrode (15, E) avec une embase (24) qui est fixée rigidement et de façon étanche dans une cavité du manchon tubulaire (M), et reliée électriquement à l'âme (21) du câble blindé.
  8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fiche (28) est engagée dans un évidement de l'électrode et adaptée à maintenir le contact électrique avec l'électrode quand celle-ci subit un déplacement.
  9. Système selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un connecteur électrique (20) associé au manchon tubulaire (M) à l'extérieur de la paroi (18) pour la connexion d'un fil blindé relié à l'appareil de mesure, un élément de câble blindé (21, 22) intérieur au manchon tubulaire dont l'âme (21) est connectée au moyen de connexion (24, 28), et le blindage (22) est électriquement relié au tube conducteur (23) qui se prolonge vers l'intérieur du manchon tubulaire jusqu'à la zone de connexion de l'âme (21) au moyen de connexion (24, 28).
  10. Système selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des électrodes ayant une extension longitudinale relativement importante rapportée à la longueur de l'échantillon mais inférieure à cette longueur, de façon à impliquer la plus grande partie possible du volume de l'échantillon dans les mesures d'impédance tout en évitant les court-circuits par les extrémités de l'échantillon.
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