BRPI0710075A2 - método e aparelho para um espectrÈmetro de fundo de poço baseado em filtros ópticos ajustáveis - Google Patents

Abstract

<B>MéTODO E APARELHO PARA UM ESPECTRÈMETRO DE FUNDO DE POçO BASEADO EM FILTROS óPTICOS AJUSTáVEIS<D>A presente invenção refere-se a sensores ópticos termicamente ajustáveis são utilizados em ferramentas de amostragem para análise de amostras a partir de um furo de poço. Os sensores ópticos termicamente ajustáveis geram uma série de faixas de passagem de emissões de comprimento de onda e detectam a atenuação em um sinal das mesmas. A atenuação detectada é processada e utilizada para determinar aspectos das amostras. A análise pode ser completada remotamente (fora do furo de poço),dentro do furo de poço (durante a perfuração ou em outra atividade), ou como uma parte de outro processo tal como gerenciamento, transporte e refinamento de fluido.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO EAPARELHO PARA UM ESPECTRÔMETRO DE FUNDO DE POÇO BA-SEADO EM FILTROS ÓPTICOS AJUSTÁVEIS".

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção

A presente invenção refere-se em geral ao campo de amostra-gem de fundo de poço de hidrocarbonetos e em particular, com a espectros-copia de superfície de alta resolução de fundo de poço e no local de trabalhode amostras de hidrocarboneto utilizando um filtro óptico ajustável para me-dição e estimativa de propriedades físicas e químicas de fluido a partir deuma formação de fundo de poço.

2. Informação de Antecedente

Na indústria de óleo e gás, as ferranfôntas de teste de formaçãotêm sido utilizadas para monitorar pressões da formação ao longo de umfuro de poço, obtendo amostras de fluido da formação a partir do furo de po-ço e prognosticando o desempenho dos reservatórios ao redor do furo depoço. Tais ferramentas de teste de formação tipicamente contêm um corpoalongado possuindo um pacote elastomérico que é de forma vedada impeli-do contra a zona de interesse no furo de poço para coletar amostras de flui-do da formação em câmaras de armazenamento colocadas na ferramenta.

Durante a perfuração de um furo de poço, um fluido de perfura-ção ("lama") é utilizado para facilitar o processo de perfuração e para manteruma pressão no furo de poço maior do que a pressão do fluido nas forma-ções rodeando o furo de poço. Isto é particularmente importante quando per-furando em formações onde a pressão é anormalmente alta. Se a pressãodo fluido no furo de sonda ficar abaixo da pressão da formação, existe umrisco de explosão do poço. Como resultado desta diferença de pressão, ofluido de perfuração penetra ou invade a formação em profundidades radiaisvariadas (referidas geralmente como zonas invadidas) dependendo dos tiposde formação e do fluido de perfuração utilizado. As ferramentas de teste daformação recebem fluidos da formação a partir das formações ou zonas deinteresse desejadas, testam os fluidos recuperados para garantir que o fluidorecuperado esteja substancialmente livre de líquidos filtrados da lama, e co-letam tais fluidos em uma ou mais câmaras associadas com a ferramenta.Os fluidos coletados são levados para a superfície e analisados para deter-minar as propriedades de tais fluidos e para determinar a condição das zo-nas ou formações a partir de onde tais fluidos foram coletados.

Um aspecto que a maioria das ferramentas de teste de formaçãopossui em comum é uma sonda de amostragem de fluido. Esta pode consis-tir em uma plataforma de borracha durável que é mecanicamente pressiona-da contra a formação rochosa adjacente ao furo de sonda, a plataforma sen-do pressionada firme o suficiente para formar uma vedação hidráulica. Atra-vés da plataforma é estendida uma extremidade de um tubo de metal quetambém faz contato com a formação. Este tubo ("sonda") é conectado comuma câmara de amostra€|ue, por sua vez, é conectada com uma bomba queopera para diminuir na pressão na sonda anexa. Quando a pressão na son-da é diminuída para baixo da pressão dos fluidos da formação, os fluidos daformação são puxados através da sonda para dentro do furo de poço parajorrar os fluidos penetrados antes da amostragem. Em alguns testes de for-mação, um sensor de identificação de fluido determina quando o fluido a par-tir da sonda consiste substancialmente em fluido da formação; então, umsistema de válvulas, tubos, câmaras de amostra e de bombas torna possívelrecuperar uma ou mais amostras de fluido que podem ser recuperadas eanalisadas quando o dispositivo de amostragem é recuperado a partir dofuro de sonda.

É desejável que somente fluidos não contaminados sejam cole-tados, na mesma condição na qual eles existem na formação. Normalmente,os fluidos recuperados são contaminados pelos fluidos de perfuração. Istopode acontecer como resultado de uma vedação ruim entre a plataforma deamostragem e a parede do furo de sonda, permitindo ao fluido do furo desonda infiltrar na sonda. O depósito de sólidos formado pelos fluidos de per-furação pode permitir que alguns líquidos filtrados da lama continuem a in-vadir e infiltrar ao redor da plataforma. Mesmo onde existe uma vedação efi-caz, o fluido do furo de sonda (ou alguns componentes do fluido do furo desonda) podem "invadir" a formação, particularmente se ela for uma formaçãoporosa, e serem puxados para dentro da sonda de amostragem junto com osfluidos afins da formação.

A Patente US 4.994.671 emitida para Safinya e outros descreveum dispositivo no qual a análise visível e próxima de infravermelho (IR) dosfluidos é feita no furo de sonda, principalmente para o propósito de determi-nar quando um fluido sendo bombeado alcançou sua contaminação mínimade líquido filtrado e é uma coleta de valor para um tanque de amostra, o qualserá subseqüentemente levado de volta para a superfície. A parte de porçãoinfravermelha do espectro eletromagnético (região com comprimento de on-da de 0,8 até 2 μιτι, ou de forma equivalente os números os números de on-da de 12.500 até 400 cm"1) de uma substância contém aspectos de absor-ção devido às vibrações ou rotações moleculares das moléculas constituin-tes. A absorção resulta tanto das bandas fundamentais (transições únicas dequantum ocorrendo na região de médio-infravermelho a partir de 2,5 até 25,0mícron) e de bandas de combinação e sobre-modulares (transições de vá-rios quantums ocorrendo na região de médio e próximo de infravermelho apartir de 0,8 até 2,5 mícron). A posição (freqüência ou comprimento de onda)destas absorções contém informação quanto aos tipos de estruturas molecu-lares que estão presentes no material, e a intensidade das absorções con-tém informação a cerca das quantidades de tipos moleculares que estãopresentes. Para utilizar a informação nos espectros para o propósito de iden-tificar e quantificar cada um dos componentes ou propriedades exige queuma calibragem seja executada para estabelecer a relação entre as absor-ções e o componente ou propriedade que é para ser estimada. Para mistu-ras complexas, onde sobreposição considerável entre as absorções de cons-tituintes individuais ocorre, tais calibragens devem ser realizadas utilizandovários métodos de análise de dados quimiométricos.

Em misturas complexas, cada constituinte no fluido recuperadogeralmente dá origem a vários aspectos de absorção correspondendo a dife-rentes movimentos vibracionais. Fundamentalmente, o efeito sobre os es-pectros da mistura de quaisquer interações (por exemplo, ligação de hidro-gênio) entre as moléculas de diferentes componentes é desprezível, de mo-do que a lei de Beer é obedecida e as intensidades destas absorções irãotodas variar juntas de um modo linear à medida que a concentração dosconstituintes varia. Tais aspectos são ditos como possuindo intensidadesque estão correlacionadas no domínio de freqüência (ou de comprimento deonda). Esta correlação permite que estas absorções sejam matematicamen-te distinguidas de aspectos espectrais não relacionados e de ruído aleatóriode medição espectral que não apresenta tal correlação. Os cálculos de álge-bra linear que separam os sinais de absorvência correlacionados dos sinaisnão correlacionados formam a base para as técnicas tais como a RegressãoLinear Múltipla (MLR), a Regressão de Componentes Principais (PCR) e deMínimos Quadrados Parcial (PLS). Como é de conhecimento, a PCR é es-sencialmente o procedimento matemático analítico da AnáMâe de Compo-nentes Principais (PCA) seguido da análise por regressão.

A PCR e o PLS têm sido utilizados para estimar as composiçõesbásicas e químicas e até uma menor extensão, as propriedades físicas outermodinâmicas de sólidos, líquidos e gases baseados em seus espectrosde infravermelho médio ou infravermelho próximo. Alguns exemplos da utili-zação de quimiométricas para deduzir propriedades físicas e químicas deóleo bruto a partir de seus espectros infravermelho próximos foram dadosem 1988 na GB 2.217.838, onde os espectros foram obtidos no laboratórioutilizando um espectrômetro de alta resolução (tamanho de fase de 2 nm).Tipicamente, os métodos quimiométricos envolvem [1] a coleta de espectrosde infravermelho médio ou de infravermelho próximo de um conjunto de a-mostras representativas; [2] o tratamento matemático dos dados espectraispara extrair os melhores comprimentos de onda individuais se correlacio-nando (MLR), ou as variáveis latentes de Componentes Principais ou Míni-mos Quadrados Parciais (por exemplo, os sinais de absorvência correlacio-nados descritos acima); e [3] a regressão destas variáveis espectrais emrelação à composição e/ou aos dados de propriedade para construir um mo-delo multivariado. A análise de novas amostras então envolve a coleta deseus espectros, a decomposição dos espectros em termos de variáveis es-pectrais utilizadas na regressão e a aplicação da equação de regressão paracalcular a composição ou as propriedades.

Em Safinya e outros, a luz visível e infravermelha próxima épassada através da amostra de fluido. Então, um espectrômetro (o qual naverdade é um fotômetro de filtro que possui 10 filtros em diferentes compri-mentos de onda centrais) mede o espectro da luz transmitida e de difusãoretrógrada, e, conhecendo o espectro da luz incidente, os espectros de ab-sorção de transmissão e de difusão retrógrada para a amostra são determi-nados. Utilizando os espectros de absorção de água, e exemplos particula-res de espectros de absorção de gás, óleos refinados e brutos, e fluidos deperfuração, uma análise de mínimos quadrados é executada, a qual modelaos espectros absorvidos como uma soma ponderada dos espectros de seuscomponentes, a análise de mínimos quadrados fornecendo a composição dofluido em termos de pesos dos vários componentes. O método de Safinyaassume que os espectros do óleo bruto e do líquido filtrado, que compreen-de uma mistura contaminada de fluido da formação, são os mesmos à medi-da que qualquer que seja o exemplo, espectros do óleo bruto e de líquidofiltrado foram escolhidos para o ajuste de mínimos quadrados. Entretanto,quando testando qualquer zona suportando hidrocarboneto pela primeiravez, esta suposição é problemática devido à alta variabilidade dos espectrosdo óleo bruto.

Atualmente, os espectrômetros de furo de poço típicos são real-mente fotômetros de filtro. Eles utilizam filtros de interferência fixos de corúnica cuja resolução de faixa de passagem está limitada a não mais do queuma largura total de 11 nm em meio máximo devido ao estado atual da téc-nica para fabricar filtros de interferência, assim proporcionando uma resolu-ção espectroscópica relativamente baixa em um pequeno número de com-primentos de onda centrais selecionadas (por exemplo, 10 até 24 diferentesfiltros ópticos). Estes filtros não são adequados para distinguir entre picosespectrais estreitamente espaçados ou para isótopos de identidade cujosespaçamentos de pico espectral são muito menores do que 11 nm. Assim,existe uma necessidade por uma técnica de análise adequada para a análiseespectroscópica de superfície de fundo de poço e no local de trabalho deamostras de hidrocarbonetos com resolução mais elevada.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É descrita uma ferramenta de amostragem para proporcionardados espectroscópicos para uma amostra a partir de um furo de sonda, aferramenta possuindo o aparelho de amostragem para coletar a amostra edispor pelo menos uma parte da amostra dentro de uma câmara de amostra:a câmara de amostra incluindo pelo menos um sensor óptico termicamenteajustável para interrogar a amostra e proporcionar dados de análise da a-mostra para um controlador, o controlador produzindo a partir dos dados deanálise da amostra os dados espectroscópicos para a amostra.

Também é descrito um método para proporcionar dados espec-troscópicos para uma amostra a partir de um furo de sonda, o método inclu-indo coletar a amostra a partir do furo de sonda; dispor pelo menos uma par-te da amostra dentro de uma câmara de amostra, a câmara de amostra pos-suindo pelo menos um sensor óptico termicamente ajustável para interrogara amostra e proporcionar dados de análise da amostra para um controlador;iluminar a amostra com uma série de faixas de passagem de emissões decomprimento de onda; detectar a série para produzir um sinal de detecção;proporcionar o sinal de detecção para um processador; e, processar o sinalde detecção para proporcionar os dados espectroscópicos.

Adicionalmente é descrito um produto de programa de computa-dor armazenado em meio legível por máquina e possuindo instruções paraproporcionar dados espectroscópicos para uma amostra a partir de um furode sonda, as instruções para coletar a amostra a partir do furo de sonda;dispor pelo menos uma parte da amostra dentro de uma câmara de amostra,a câmara de amostra possuindo pelo menos um sensor óptico termicamenteajustável para interrogar a amostra e proporcionar dados de análise da a-mostra para um controlador; iluminar a amostra com uma série de faixas depassagem de emissões de comprimento de onda; detectar a série para pro-duzir um sinal de detecção; proporcionar o sinal de detecção para um pro-cessador; e, processar o sinal de detecção para proporcionar os dados deespectroscopia.

Aqui, exemplos de certos aspectos da invenção foram resumidosao invés de amplamente descritos de modo que a descrição detalhada dosmesmos que se segue possa ser mais bem entendida e de modo que ascontribuições que eles representam para a técnica possam ser apreciadas.Obviamente, existem aspectos adicionais da invenção que serão descritosdaqui para frente e que irão formar o assunto das reivindicações anexas aeste documento.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Para entendimento detalhado da presente invenção, deve serfeita referência à Descrição Detalhada seguinte da Invenção, feita em con-junto com os desenhos acompanhantes, nos quais elementos iguais recebe-ram números iguais, onde:

A figura 1 representa aspectos de amostragem em um furo desonda com uma ferramenta de amostragem;

A figura 2 representa aspectos da ferramenta de amostragem;

A figura 3 representa uma câmara de amostra;

A figura 4 proporciona uma vista geral do micro-ajuste de umsensor óptico termicamente ajustável;

A figura 5 é um diagrama de blocos representando os compo-nentes do sensor óptico termicamente ajustável;

A figura 6A e a figura 6B, coletivamente referidas como figura 6,representam aspectos de uma concretização de um emissor óptico ajustável;

A figura 7A e a figura7B, coletivamente referidas como figura 7,representam aspectos de uma concretização de outro emissor óptico ajustá-vel;

A figura 8 representa emissões versus comprimento de onda;

A figura 9 representa vários estados de ajuste para o sensor óp-tico termicamente ajustável;

A figura 10 representa os vários estados de ajuste da figura 9,considerando um filtro;

A figura 11 e a figura 12 representam aspectos de componentespara o sensor óptico termicamente ajustável;

As figuras 13A até 13F, coletivamente referidas como figura 13,representam várias concretizações do sensor óptico termicamente ajustávelutilizado na ferramenta de amostragem; e

A figura 14 representa aspectos de um procedimento ilustrativopara proporcionar dados de espectroscopia.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

As instruções neste documento proporcionam uma espectrosco-pia de alta resolução (HRS) por fazer uso de pelo menos um sensor ópticotermicamente ajustável selecionado a partir de várias concretizações. Exem-plos de sensores ópticos ajustáveis incluem sensores ópticos termicamenteajustáveis, Fabry-Perot, Compalint Micro Electromechanical System, e ou-tros. Os sensores são utilizados para estimar, determinar, ou quantificar umavariedade de aspectos de amostras pegas a partir do fluido da formação. Asestimativas, determinações e quantificações são alcançadas através da cole-ta de espectros e da análise espectral. A coleta pode ser empreendida oucompletada dentro do furo de poço 11 ou na "superfície", como pode ser de-sejado.

Como descrito neste documento, uma concretização do sensorque oferece certas vantagens em relação a outras concretizações é esta dosensor óptico termicamente ajustável. Por conseqüência, a descrição nestedocumento geralmente se refere aos sensores ópticos termicamente ajustá-veis e às concretizações dos mesmos. Entretanto, deve ser reconhecido queo uso de sensores ópticos termicamente ajustáveis não é Iimitante das ins-truções neste documento. Por exemplo, em algumas concretizações, a refe-rência ao sensor óptico termicamente ajustável pode realmente contemplar eabranger vários sensores ópticos termicamente ajustáveis. Em outras con-cretizações, o sensor óptico termicamente ajustável pode ser utilizado emconjunto com outros sensores, tal como o filtro de Fabry-Perot.

Um exemplo não Iimitativo de um filtro óptico termicamente ajus-tável é descrito na Publicação de Pedido de Patente dos Estados UnidosUS/2005/0030628 A1, denominada "Very Low Cost Narrow Band InfraredSensor", publicada em 10 de Fevereiro de 2005, cuja revelação é incorpora-da por referência neste documento em sua totalidade.

Voltado agora para a figura 1, é representada uma seção trans-versal de solo 10 ao longo do comprimento de uma penetração referida co-mo um "furo de sonda" 11. Normalmente, o furo de sonda 11 é pelo menosparcialmente cheio com uma mistura de líquidos, incluindo água, fluido deperfuração, e fluidos da formação, os quais são nativos da formação terres-tre penetrada pelo furo de sonda 11. Suspensa dentro do furo de sonda 11na extremidade inferior de um cabo elétrico 12 está a ferramenta de amos-tragem de fluido da formação 20. O cabo elétrico 12 freqüentemente é trans-portado através de uma polia 13 suportada por uma torre de perfuração 14.A disposição e a recuperação do cabo elétrico tipicamente são executadaspor guincho motorizado transportado por um caminhão de serviço 15.

Uma concretização ilustrativa da ferramenta de amostragem 20é esquematicamente ilustrada pela figura 2. A ferramenta de amostragem 20tipicamente inclui uma montagem de vários segmentos da ferramenta quesão unidos extremidade com extremidade pelas luvas com roscas ou poruniões de compressão mútua 23. O conjunto de segmentos da ferramentaapropriada para a presente invenção pode incluir uma unidade de energiahidráulica 21 e um extrator de fluido da formação 22. Abaixo do extrator 22,uma bomba de grande volume 24 é proporcionada para purgação da linha.Abaixo da bomba de grande volume 24 está uma bomba de pequeno volumesimilar 25 possuindo um volume de deslocamento menor que é quantitati-vamente monitorado. Via de regra, uma ou mais seções de módulo de tan-que de amostra 26 são montadas abaixo da bomba de pequeno volume 25.Cada seção de módulo 26 tipicamente inclui pelo menos um tanque de a-mostra de fluido 30.

Nesta modalidade, o extrator de fluido da formação 22 inclui umasonda de sucção extensível 27 que é oposta pelos braços de reserva 28.Tanto a sonda de sucção 27 como os braços de reserva opostos 28 são hi-draulicamente extensíveis para de forma firme engatar com as paredes dofuro de sonda 11. Os detalhes da construção e operacionais da ferramentade amostragem 20 são bem conhecidos na técnica. Por conseqüência, dis-cussão adicional dos aspectos da ferramenta de amostragem 20 geralmenteé omitida neste documento.

Os aspectos da câmara de amostra são representados na figura3. Tipicamente, dentro da ferramenta de amostragem 20 está uma câmarade amostra 301. Nas concretizações não Iimitativas apresentadas neste do-cumento, uma amostra 299 é disposta dentro da câmara de amostra 301. Aamostra 299 é iluminada pelo sensor óptico termicamente ajustável 300. Nafigura 3, o sensor óptico termicamente ajustável 300 tipicamente inclui umemissor óptico ajustável 120 e um detector 108, entretanto, os aspectos dosensor óptico termicamente ajustável 300 são discutidos em maiores deta-lhes abaixo. Como uma vista geral, o emissor óptico ajustável 120 produzalguma largura de banda de luz infravermelha (IR) cujo comprimento de on-da central é ajustável e é detectado pelo detector 108 após passar atravésde uma amostra 299 (ou seja, um espectrômetro baseado na pré-filtragemde luz). Os comprimentos de onda de IR atravessam a amostra 299. O ajus-te do sensor óptico termicamente ajustável 300 proporciona interrogação daamostra 299 para determinar a presença e outros aspectos de um constituin-te de interesse na amostra 299. Alternativamente, um feixe de luz brancapode primeiro passar através da amostra 299 e então somente alguma parteda luz transmitida irá passar através do filtro termicamente ajustável e sobreo detector 108 (ou seja, um espectrômetro baseado na pós- filtragem de luz).

O sensor óptico termicamente ajustável 300 é acoplado com oequipamento como tipicamente é utilizado para processamento de sinal. Oequipamento ilustrativo inclui, sem limitação, um processador, uma fonte deenergia, uma memória, um armazenamento, um dispositivo de entrada e umdispositivo de saída. Como o equipamento de processamento de sinal é co-nhecido na técnica, e não é por si uma parte desta invenção, discussão adi-cional de tal equipamento geralmente é omitida neste documento.

Apesar de descrito neste documento em termos de possuir e-missões infravermelhas e operar na região de infravermelho, é reconhecidoque o sensor óptico termicamente ajustável 300 pode operar em outroscomprimentos de onda. Por exemplo, o sensor óptico termicamente ajustável300 pode operar na região infravermelho próximo. Na verdade, apesar daspresentes concretizações se referirem à operação na região de infraverme-lho (IR), as instruções neste documento poderiam fazer uso de qualquer e-missão de comprimento de onda, onde um constituinte de interesse dentrode uma amostra possui uma banda de absorção. Portanto, o uso de IR nestedocumento é meramente ilustrativo dos aspectos da invenção e não Iimitati-vo da mesma.

Além disso, como utilizado neste documento, "constituinte deinteresse" geralmente faz referência a um componente químico da amostraI 299. O constituinte de interesse tipicamente é o componente químico para oqual o sensor óptico termicamente ajustável 300 foi selecionado. Por exem-plo, em uma concretização, monóxido de carbono (CO) ^é o constituinte deinteresse. Nesta concretização, CO possui uma banda de absorção determi-nante em cerca de 4,7 μηι. À medida que o sensor óptico termicamente ajus-tável 300 possui uma faixa operacional óptica útil finita, o sensor óptico ter-micamente ajustável 300 é selecionado para ter a faixa operacional centradaao redor de uma banda de absorção para CO, ou em cerca de 4,7 μιτι. Osaspectos desta relação são representados em maiores detalhes na figura 4.

Na figura 4, uma série de diferentes emissões de faixa de pas-sagem 305 é apresentada. A série de emissões de faixa de passagem 305representada é indicativa de pelo menos uma parte da faixa operacional óp-tica do sensor óptico termicamente ajustável 300. A geração da série de e-missões de faixa de passagem 305 ocorre no emissor 120 através de umprocesso referido neste documento como "microajuste", e também pode serreferido como "varredura" através da faixa operacional óptica 308. O sensoróptico termicamente ajustável 300 tipicamente é ajustado pela filtragem debanda larga com um filtro para seletivamente passar uma primeira emissãode faixa de passagem centralizada ao redor de um primeiro comprimento deonda, e então pelo ajuste da filtragem da emissão de banda larga para sele-tivamente passar uma segunda emissão de faixa de passagem centralizadaao redor de um segundo comprimento de onda de forma crescente maior (oumenor). Por conseqüência, o sensor óptico termicamente ajustável 300 podeser ajustado através da faixa operacional óptica 308. As bandas de absorção304 do constituinte de interesse absorvem pelo menos uma parte de pelomenos uma faixa de passagem correlacionada de emissões dentro da sériede emissões de faixa de passagem 305. Por conseqüência, o detector 108, oqual detecta um sinal para a faixa de passagem de emissões, passa a infor-mação do sinal para um processador. O processador emprega técnicas co-nhecidas de processamento de sinal para determinar o significado de quais-quer alterações, tal como atenuação (referidas como "depressões") no sinal.O significado pode ser correlacionado com aspectos, tais como, sem limita-ção, identidade química e concentração.

Por conseqüência, os versados na técnica irão entender que vá-rios sensores ópticos termicamente ajustáveis 300 podem ser empregadospara proporcionar análise espectral abrangente para á mostra 299. Ou seja,cada um dos vários sensores pode ser selecionado para analisar aspectosespecíficos da amostra 299. Nesta concretização, o processador proporcio-nar agregação de dados da amostra e provisão de dados abrangentes deanálise espectral.

Apesar das instruções neste documento proporcionarem um es-pectrômetro de alta resolução utilizando um sensor óptico termicamente a-justável 300, é considerado que o termo "alta resolução" pode ser, pelo me-nos em alguns casos, um termo subjetivo. Para os propósitos da presenterevelação, a espectrometria de alta resolução geralmente se refere à resolu-ção de tipicamente mais do que 100 nanômetros para uma região infraver-melha média do espectro eletromagnético, e tipicamente mais do que 10nanômetros para uma região infravermelha próxima. Esta regra geral, entre-tanto, não é Iimitativa das instruções. Por exemplo, em termos práticos paraa descrição neste documento, o termo "alta resolução" pode se referir à per-formance de espectroscopia que proporciona separação e resolução ade-quadas dos constituintes de interesse. Por conseqüência, enquanto os ver-sados na técnica podem considerar que menos do que 100 nanômetros édesejável, tal performance pode nem sempre ser requerida. Por exemplo,em alguns casos, o sinal derivado a partir da interrogação de um constituintede interesse pode ser altamente separado de outro constituinte de interessenormalmente ocorrendo. Nestes casos, pode não ser necessário incluir reso-lução dentro de uma largura de banda arbitrariamente selecionada que podeser desejada para outras avaliações.

Adicionalmente, e de acordo com as considerações de resolu-ção, o termo "faixa de passagem" não é para ser limitação das instruçõesneste documento. Ou seja, "faixa de passagem" , como utilizado neste do-cumento, geralmente proporciona a distinção entre bandas de comprimentosde onda geradas durante a micro-sintonização do sensor óptico termicamen-te ajustável 300. Na prática, as faixas de passagens de comprimentos deonda podem não ser muito estreitas, particularmente quando consideradasno contexto de outras aplicações não relevantes para estas instruções. Ésuficiente dizer que a série de faixas de passagens de (comprimento de on-da) emissões 305 proporciona distinções adequadas (dentro da série) e for-nece suporte para espectroscopia em um nível de performance aceitável. Naprática, a metade máxima da largura total real da faixa de passagem decomprimentos de onda irá depender de várias restrições, tal como as condi-ções de construção e de operação (por exemplo, temperatura) para o sensoróptico termicamente ajustável 300.

Por conseqüência, os versados na técnica irão entender que ouso do pelo menos um sensor óptico termicamente ajustável 300 pode pro-porcionar a determinação com respeito a pelo menos um constituinte de inte-resse na amostra 299. Tipicamente, vários sensores ópticos termicamenteajustáveis 300 estão incluídos em um instrumento para análise da amostra299. Nestas modalidades, cada sensor óptico termicamente ajustável 300dentre os vários sensores, possui uma faixa de operação 308 centralizadaao redor e microsintonizada ao redor de certos comprimentos de onda deinteresse, os comprimentos de onda de interesse se correlacionando combandas de absorção conhecidas para um constituinte. Desta maneira, osconstituintes de uma amostra relativamente homogênea 299, podem ser de-terminados.Voltando agora em maiores detalhes para o sensor óptico termi-camente ajustável 300, um dos exemplos principais para ilustração de ope-ração do sensor óptico termicamente ajustável 300 é um sensor de gás COque utiliza um emissor óptico ajustável 120 (TOE) para direcionar luz infra-vermelha (IR) de banda estreita direta através de uma amostra de gás e so-bre um detector 108. O sensor óptico termicamente ajustável 300 geralmen-te modula o comprimento de onda da luz IR para frente e para trás atravésdos aspectos de absorção espectral do CO, isto é, a partir de cerca de 4500nm até cerca de 4700 nm.

Como é descrito em maiores detalhes abaixo, o TOE 120 incluium emissor de corpos negros, que está associado com o sensor óptico ter-micamente ajustável 300, por proximidade com pouco ou nenhum acopla-mento térmico, ou por integração direta, de modo que o emissor e filtroestão termicamente acoplados. Na figura 5, a caixa com linhas tracejadas118 representa uma associação entre um emissor 102 e um filtro óptico ajus-tável 104, de modo a formar o emissor óptico ajustável 120 (TOE). Tipica-mente, o TOE 120 é realizado em uma dentre duas concretizações princi-pais.

Em uma primeira concretização do TOE 120, um emissor fixocom um espectro e magnitude de saída constantes proporciona retro-iluminação para o filtro óptico ajustável 104. O emissor 102 e o filtro ópticoajustável 104 podem ser dispostos em um pacote único, tal como uma caixaou como outro pacote adequado de componentes eletrônicos conhecido natécnica. O filtro óptico ajustável 104 tipicamente inclui um mecanismo de a-quecimento (por exemplo, um resistor) para sintonização, onde o mecanismode aquecimento é independente do emissor 102. O emissor 102 tipicamenteestá em uma temperatura constante, relativamente alta (por exemplo, entrecerca de 500°C e cerca de 10000°C) para proporcionar emissão intensa. Emcontraste, a temperatura do filtro óptico ajustável 104 tipicamente é muitomenor, e varia através de uma faixa de temperaturas (por exemplo, de cercade 25°C até cerca de 4000°C). A variação proporciona a sintonjzação. Umataxa de sintonização de comprimento de onda para temperatura de 0,6 nm/°C é típica para materiais de germânio e para o projeto de IR-média. Tipica-mente, as taxas de sintonização de comprimento de onda para temperaturasão cerca de 1,3E-04 do comprimento de onda/°C central para o germânio, e6E-05 do comprimento de onda/°C central para silício.

No caso do emissor 102 montado próximo do filtro óptico ajustá-vel 104 possuindo o mecanismo de aquecimento independente incorporadono mesmo, o emissor 102 é normalmente pelo menos alguma coisa termi-camente isolado do filtro óptico ajustável 104, para evitar aberrações na sin-tonização. A separação térmica pode ser alcançada através de várias técni-cas, incluindo proporcionar uma distância suficiente entre os elementos epelo empacotamento apropriado.

Como apresentado na figura 6A, proporcionar um retro-refletorparabólico de metal, elíptico ou com outro formato 60 para concentrar a e-missão IR e guiar a mesma para uma abertura do filtro óptico ajustável 104,tipicamente aperfeiçoa a eficiência do emissor 102. Um refletor elíptico 60,como apresentado na figura 6A, pode ser utilizado para focar novamente aluz a partir do emissor 102 para a abertura de entrada do filtro óptico ajustá-vel 104. A figura 6B apresenta que durante o processo de varredura, a tem-peratura do emissor 102 permanece substancialmente constante pelo uso deum primeiro circuito de aquecimento 131. Em contraste, a temperatura dofiltro óptico ajustável 104 é periodicamente ciclada pelo uso de um segundocircuito de aquecimento independente 132.

Na figura 7A é representada uma segunda concretização doTOE 120, referido neste documento como TOE Integrado 121 (ITOE), o qualinclui um acoplamento térmico com um emissor IR, através de separaçãomínima, ou por diretamente ligar o filtro óptico ajustável 104 com o emissor102, tal como pelo uso de um material de ligação ou por outra técnica defixação. Como com a primeira concretização do TOE 120, o emissor 102 e ofiltro óptico ajustável 104 do ITOE 121 também podem ser dispostos em umúnico pacote, tal como uma caixa ou outro pacote adequado de componen-tes eletrônicos, conhecido na técnica. Tipicamente, o refletor 60 é parabólicoe incluído com o ITOE 121 para direcionar as emissões. O acoplamento tér-mico causa que o filtro óptico ajustável 104 seja aquecido (por conseqüên-cia, sintonizado) diretamente pelo emissor 102. Por conseqüência, o filtroóptico ajustável 104 não precisa de um mecanismo de aquecimento internoou independente. Apesar do acoplamento térmico poder incluir pelo menosum acoplamento radiativo e um acoplamento condutivo, o acoplamento radi-ativo tipicamente é empregado como acoplamento radiativo que permite umamaior alteração na temperatura com respeito ao tempo. Nesta concretiza-ção, a temperatura do emissor 102 é periodicamente variada ao invés daoperação em uma temperatura constante. A faixa de temperaturas tipica-mente é entre cerca de 800°C até cerca de 1000°C. Isto tipicamente causaque o filtro óptico ajustável 104 seja aquecido através do acoplamento térmi-co entre cerca de 100°C e cerca de 400°C. Um perfil de aquecimento ilustra-tivo para essa relação é representado na figura 7B. A relação entre a faixade temperaturas do emissor 102 e a faixa de temperaturas do filtro ópticoajustável 104 é disposta pela estrutura e dimensionamento apropriados, epor se proporcionar o filtro óptico ajustável 104, com camadas adequadasque absorvem comprimentos de ondas que o filtro óptico ajustável 104 nãotransmite, desse modo acentuando o acoplamento com o emissor 102.

Outras versões desta concretização podem utilizar diferentesfaixas e relações de temperaturas. De forma vantajosa, somente um meca-nismo de aquecimento é utilizado para o emissor 102. Assim, um emissoróptico ajustável totalmente integrado 121 pode ser fabricado em uma escalamuito pequena.

É bem conhecido que à medida que a temperatura de um emis-sor de corpos negros aumenta, a emissão em qualquer dado comprimentode onda igualmente irá aumentar, como apresentado na figura 8. Portanto,pode-se esperar que a saída do ITOE 121 também aumentaria à medida quea sintonização continua (cujos aspectos são apresentados na figura 9). Taisvariações na energia de saída geralmente são indesejáveis, especialmentese as variações forem excessivas. Entretanto, à medida que a capacidadede transmissão do germânio diminui à medida que sua temperatura aumen-ta, para filtros ópticos ajustáveis 104 que utilizam películas de germânio, adiminuição na capacidade de transmissão tende a deslocar a iluminação decorpos negros aumentada à medida que o emissor 102 aquece (e, por con-seqüência, sintoniza) o filtro óptico ajustável 104, resultando em intensidadede saída constante ou substancialmente constante, como apresentado nafigura 10. Notadamente, o filtro óptico ajustável 104 também é um emissorde corpos negros, o que adicionalmente contribui para o aumento geral deintensidade com respeito à temperatura. Estes fatores podem ser combina-dos para produzir um TOE 120 com intensidade de saída constante ou qua-se constante, à medida que o TOE 120 faz a varredura através dos compri-mentos de onda desejados. Pequenas variações de saída podem ser com-I pensadas no ou após o detector 108, via técnicas eletrônicas conhecidas natécnica.

O sensor de gás CO sintoniza pelo menos um dentre o TOE 120e o ITOE 121 utilizando um mecanismo térmico, tirando vantagem das pro-priedades termo-ópticas inerentes. O TOE 120 e o ITOE 121 são relativa-mente baratos de fabricar por técnicas conhecidas para deposição de pelícu-la fina, tal como a deposição de feixe e, crepitação, e deposição química porvapor acentuada por plasma (PECVD). Adicionalmente, variações de projetorelativamente simples podem ser realizadas para proporcionar uma amplafaixa de largura de banda. Incorporar um TOE em um sensor químico é por-tanto uma abordagem de baixo custo e que pode ser fabricada em volumepara filtros IR ajustáveis e pode ser aplicada através de uma ampla faixa decomprimentos de onda alvo.

Referindo-se novamente à figura 5, uma concretização de umsensor de gás CO 100 inclui um emissor de corpos negros 102, um filtro óp-tico ajustável 104, uma câmara de amostra 299, um detector 108 e um con-trolador 110. O emissor de corpos negros 102 proporciona radiação de cor-pos negros de banda larga para o filtro óptico ajustável 102. O controlador110 causa que o filtro ajustável 104 faça a varredura de sua transmissãoatravés de uma faixa de comprimentos de onda correspondendo ao perfil deabsorção do CO. O filtro óptico ajustável 104 filtra a luz a partir do emissor102 de modo a produzir luz filtrada com um espectro que também faz a var-redura através da mesma faixa de comprimentos de onda. A luz filtrada apartir do filtro ajustável 104 entra na célula de gás multitrajeto 106, a qual éprojetada para permitir que a luz filtrada passe várias vezes através da a-mostra de gás dentro da câmara de amostra 299. O detector 108 recebe aluz a partir da câmara de amostra 299 após a luz ter passado através deuma amostra, e produz um sinal de detecção correspondendo à luz recebi-da. O controlador 110 analisa o sinal de detecção para determinar se umpico de absorção está presente.

Várias estruturas alternativas do emissor podem ser seleciona-das para a saída IR de vida longa, de baixo custo e intensa. Tipicamente, oemissor 102 menor possível é desejado de modo a proporcionar operaçãoeficiente. Tais emissores 102 incluem chips de silício tratados de modo con-dutivo, membranas finas de silício, membranas finas de carbono tipo dia-mante, ou enrolamentos ou filamentos de meta! (como utilizado neste docu-mento, uma "membrana" pode incluir uma única camada fina de película, oupode incluir várias camadas finas de película empilhadas uma sobre a ou-tra). Ligas de Cr com NI, Fe ou Al (tal como "nicromo" ou "kanthal") são boasescolhas para o emissor de enrolamento ou filamento de metal, porque elaspodem operar no ar em 1000° C ou mais, com vida útil longa, sem exigir ja-nelas que de outro modo iriam bloquear a emissão IR entre cerca de 4000nm até cerca de 5000 nm.

O emissor de corpos negros 102 pode incluir uma superfície desilício que é texturizada com aspectos em nível de mícron, resultando em umespectro de corpos negros alguma coisa mais estrito se comparado comuma película de silício simples. O espectro de corpo negro mais estreitopermite um uso mais eficiente da energia fornecida para o emissor, desdeque menos energia IR fora de banda é desperdiçada.

O filtro óptico ajustável 104 tipicamente é um filtro termo-ópticoque proporciona uma resposta de transmissão de faixa de passagem na fai-xa de aspecto de absorção. Em geral, os filtros ópticos ajustáveis 104 descri-tos neste documento são filtros de faixa de passagem que foram desenvolvi-dos para a indústria de telecomunicações e para aplicações próximas ou em1500 nm. Como é conhecido, estes filtros podem ter várias ou uma únicacavidade, formato de linha Fabry-Perot, ou formato de linha de cima plano, epodem operar em várias larguras de banda. Tais filtros são ajustáveis poraquecimento ou resfriamento com películas internas condutivas ou com pelí-cuias resistoras de metal. As concretizações descritas neste documento es-tendem esta tecnologia, principalmente desenvolvida para uso em 1,5 mí-cron e utilizando silício amorfo, para comprimentos de onda mais longos de3 até 12 micrômetros para uso na percepção de gás e na percepção de ou-tras formas. Os princípios subjacentes são quase os mesmos, exceto que ogermânio tipicamente é utilizado em vez do silício em vários casos para apli-cações de IR-média, devido à capacidade de transmissão superior do ger-mânio em comprimentos de onda IR média, e a maior taxa de sintonizaçãode comprimento de onda para temperatura do germânio.

Para o uso na faixa de !R média (comprimento de onda de apro-ximadamente 2 até 5 mícron), o filtro ajustável 104 é feito de películas finasde germânio e de monóxido de silício depositada em uma pastilha Silicon OnInsulator (SOI). O filtro de película fina como tal, é projetado e fabricado utili-zando métodos bem-conhecidos. Por exemplo, em uma concretização, ofiltro óptico ajustável 104 é projetado com uma estrutura de película fina detrês cavidades ressonantes, aproximadamente 20 camadas, e exibe umaregião de transmissão "quadrada" que tem a largura de cerca de 0,1 mícron(100 nm) no comprimento de onda de 4,55 mícron, dentro da qual o filtro 104é cerca de 90% transmissivo. Este número particular de cavidades, númerode camadas, e estabelecimento de dimensões, é somente um caso ilustrati-vo para os propósitos desta descrição, e outras construções também podemser utilizadas.

Referindo-se agora à figura 11 e à figura 12, uma concretizaçãodo filtro óptico ajustável 104 que inclui um pequeno recipiente, normalmentereferido como pacote de caixa "T08" 170, é apresentada. O filtro óptico ajus-tável 104 é montado em uma chapa 160, a qual funciona como a base dopacote de caixa 170. Ligações por fio conectam o anel da chapa 162 no filtroóptico ajustável 104 com pinos na chapa 130. Filtros de bloqueamento 144na parte de cima da caixa 161 e na chapa 160 permitem luz somente dentrode uma largura de banda de cerca de 4000 nm até cerca de 5000 nm pas-sar, desse modo excluindo luz estranha fora de banda.

O filtro óptico ajustável 104 é sintonizado pela variação de suatemperatura. Em um caso ilustrativo de um filtro baseado em germânio, comcomprimento de onda central de 4,45 mícron, um coeficiente de alteração docomprimento de onda central com temperatura, é cerca de 0,6 nm por °C, ou60 nm para cada 100°C. A banda de absorção de CO possui uma estruturade pico duplo de cerca de 4420 nm até cerca de 4900 nm. A percepção a-contece pela sintonização do filtro óptico ajustável 104 através da inclinaçãoque existe próxima do pico de absorção do CO a partir de cerca de 4450 nmaté cerca de 4570 nm, a faixa de sintonização sendo cerca de 120 nm. Estafaixa de sintonização implica na sintonização de temperatura do filtro atravésde uma faixa de temperatura de cerca de 200°C. Outras seleções de varia-ções de comprimento de onda podem ser utilizadas para aplicações particu-lares (isto é, detectando outros elementos químicos) ou para resolver pro-blemas particulares. Por exemplo, uma característica de absorção de CO2ocorre apenas no lado curto do comprimento de onda do pico de absorçãodo CO, de modo que a sintonização entre dois comprimentos de onda Iigei-ramente maiores pode evitar a interferência a partir da absorção do CO2.

Apesar das concretizações descritas para o sensor óptico termi-camente ajustável 300 utilizarem um emissor ajustável 102 para proporcio-nar variação espectral para detectar um pico de absorção química, outrasconcretizações utilizando configurações alternativas também podem ser utili-zadas. Várias concretizações de um sensor óptico químico são apresenta-das nas figuras 13A até 13F.

A concretização na figura 13A representa um ajuste na localiza-ção do filtro óptico ajustável 104 com respeito ao emissor 102. A fonte deradiação de corpo negro 150 (o emissor 102) produz radiação IR de espectroamplo (isto é, banda larga). Um filtro de película fina termoopticamente ajus-tável 152 (filtro óptico ajustável 104) é colocado em frente desta fonte 150 eo conjunto de circuitos associado faz a varredura do filtro 152 para váriasconfigurações de comprimento de onda. A radiação filtrada 154 passa atra-vés da câmara de amostra 301 contendo a amostra 299 a ser medida, e umdetector de banda larga 158 mede a intensidade da radiação após a radia-ção passar através da amostra 299. O conjunto de circuitos associado medea atenuação (uma "depressão") na intensidade da radiação com respeito aocomprimento de onda para determinar se um elemento químico particularestá presente na amostra 299, e se estiver presente, a concentração quími-ca a partir da magnitude da depressão. O filtro 152 e a fonte 150 não estãotermicamente acoplados, de modo que o filtro ajustável 152 inclui um ele-mento de aquecimento para variar a temperatura do filtro 152 independenteI da fonte 150. Em uma concretização, o elemento de aquecimento inclui umanel metálico de película fina depositado no filtro 152.

A figura 13B representa a configuração da figura 7, con? o emis-sor 150 ligado com o filtro 152.

A concretização apresentada na figura 13C difere da concretiza-ção na figura 7 pelo fato de que o filtro ajustável 172 está localizado próximodo detector 162. Uma fonte de radiação de corpos negros 170 produz radia-ção IR de espectro amplo. A radiação de banda larga passa através da câ-mara de amostra 301 contendo a amostra 299, e o conjunto de circuitos as-sociado (não apresentado) faz a varredura de um filtro com película fina ter-moopticamente ajustável 172 para admitir diferentes comprimentos de ondada radiação de banda larga para um detector de banda larga 174. O detectorde banda larga 174 mede a intensidade da radiação da radiação IR filtrada apartir do filtro 172. O conjunto de circuitos associados para a "depressão" naintensidade de radiação com respeito ao seu comprimento de onda para de-terminar se um elemento químico particular está presente na amostra 299, ese estiver, a concentração química a partir da magnitude da depressão.

A concretização apresentada na figura 13D, acopla o filtro ajus-tável e o detector para formar um detector óptico ajustável (TOD). Esta con-cretização utiliza uma fonte de radiação de corpos negros 180 para produzirradiação IR com espectro amplo. A radiação de banda larga passa atravésda câmara de amostra 310 contendo a amostra 299. Após passar através daamostra 299, uma combinação de filtro de película fina termo-opticamenteajustável com detector térmico de banda larga 182, recebe a radiação debanda larga. O conjunto de circuitos associados (não apresentados) aqueceo filtro/detector 182 para fazer a varredura de diferentes comprimentos deonda, enquanto gravando a quantidade de energia requerida para aquecer ofiltro/detector 182 até as temperaturas correspondentes. Quando menos ra-diação IR alcança o filtro/detector 182 (isto é, quando a amostra 299 absorveuma parte da luz IR), mais energia é requerida para alterar a temperatura (e,por conseqüência, o comprimento de onda) do filtro/detector 182. O conjuntode circuito externo utiliza este diferencial de energia para calcular a concen-tração química da amostra 299.

A configuração do TOD é útil se o filtro, o qual em virtude de seumecanismo de sintonização deve ser aqueoldo, não irradia ele próprio muitaradiação de corpos negros de modo a sobrepujar o detector próximo. O pa-cote contendo os componentes do TOD pode ser cheio com gás, tal comoxenônio, para aperfeiçoar a resposta do detector termopilha.

A concretização da figura 13E utiliza uma única combinação deum emissor de corpos negros - detector de corpos negros / filtro termo-opticamente ajustável 190. A combinação é aquecida para emitir radiaçãoinfravermelha de faixa de passagem de varredura de comprimento de onda.Esta radiação passa duas vezes através da câmara de amostra 301 conten-do a amostra 299 com o auxílio de um retro-refletor 192. A radiação retro-refletida é filtrada e absorvida na combinação de emissor/detector de corposnegros 190. Similar à concretização apresentada na figura 13D, o conjuntode circuito associado (não apresentado) aquece a combinação 190 para fa-zer a varredura de diferentes comprimentos de onda, enquanto gravando aquantidade de energia requerida para aquecer a combinação 190 até astemperaturas correspondentes. Quando menos radiação IR alcança a com-binação 190, mais energia é requerida para alterar a temperatura (e, porconseqüência, o comprimento de onda) da combinação 190. O conjunto decircuitos externo utiliza este diferencial de energia para calcular a concentra-ção química na amostra 299.A concretização da figura 13F utiliza um emissor/detector decorpos negros 200 combinado para produzir radiação IR de banda larga quepassa através da câmara de amostra 301 contendo a amostra 299. Um filtrode película fina termo-opticamente ajustável 202 reflete uma parte da faixade passagem desta radiação IR. O conjunto de circuitos associado (não a-presentado) faz a varredura do filtro 202 no comprimento de onda. O emis-sor/detector de corpos negros 200 absorve novamente a parte de faixa depassagem refletida da radiação IR após a radiação passar de volta atravésda amostra 299. Similar à concretização apresentada na figura 13D, o con-junto de circuito associado (não apresentado) aquece o emissor/detector 200para fazer a varredura de diferentes comprimentos de onda, enquanto gra-vando a quantidade de energia requerida para aquecer o emissor/detector200 até as temperaturas correspondentes. Quando menos radiação IR al-cança o emissor/detector 200, mais energia é requerida para alterar a tem-peratura (e por conseqüência, o comprimento de onda) do emissor/detector200. O conjunto de circuitos externo utiliza este diferencial de energia paracalcular a concentração química na amostra.

Em geral, as concretizações descritas na figura 13A até a figura13F estão estritamente inter-relacionadas, com os diferentes tipos de emis-sores e detectores em uso em diferentes comprimentos de onda. Em com-primentos de onda IR média, emissores de baixo custo incluem fontes quen-tes de corpos negros (por exemplos, fios quentes e membranas condutivas)e detectores de baixo custo incluem termopilhas não resfriadas ou dispositi-vos piroelétricos. Nos comprimentos de onda IR próxima, os emissores debaixo custo incluem LEDs, e os detectores de baixo custo são detectores defóton, tal como fotodiodos PIN. Nos comprimentos de onda IR próxima, tantoas fontes como os detectores são muito mais eficientes do que estes utiliza-dos para os comprimentos de onda IR média.

Como uma questão prática, estes fatores restringem o uso deuma implementação de um detector óptico ajustável (figuras 13D e 13E) pa-ra comprimentos de onda úteis na IR próxima (menos do que 2000 nm), on-de a radiação a partir do filtro aquecido até cerca de 200°C até cerca de300°C, comparada com a radiação IR sendo medida, não irá sobrepujar odetector. Para a espectroscopia de CO2 (por exemplo), na banda sobremo-dular de 2000 nm, ou para outros gases residuais com absorção na faixa de1400 nm até 1800 nm, um TOD pode ser utilizado. Nestes comprimentos deonda mais curtos, o emissor típico inclui um LED, desde que um emissor decorpos negros iria requerer uma temperatura de modo não prático alta paraservir como uma fonte IR próxima eficaz.

Para comprimentos de onda mais longos, por exemplo, 4600 nm, oTOD pode ser impraticável porque o filtro quente irá sobrepujar um detectorde termopilha colocado dentro de poucos milímetros de separação. Nestecaso, a configuração do emissor óptico ajustável (figura 13B) é uma escolhamelhor.

Uma configuração de filtro óptico ajustável (figura 13A e figura13C), na qual o filtro ajustável empacotado é colocado em um sistema ópticode um modo tal a não ser associado com o emissor, nem com o detector,também é utilizada em concretizações alternativas. Todas as concretizaçõesdescritas neste documento são baseadas no filtro ajustável, seja ele imple-mentado como TOE, TOD ou TOF.

Voltando novamente para uso do sensor óptico termicamenteajustável 300 para a análise de fluidos de fundo de poço, os versados natécnica irão reconhecer que a câmara de amostra 301 pode ser fabricadapara considerar fluidos com alta viscosidade, ou outros aspectos da amostra299. Ou seja, bombear a amostra 299 pode proporcionar a extrusão de umapelícula fina de fluidos. A película fina pode ser fisicamente separada dosensor óptico termicamente ajustável 300 pelo uso de materiais altamentetransmissíveis (por exemplo, vidro com qualidade óptica). Em algumas con-cretizações, o sensor óptico termicamente ajustável 300 é proporcionado emum invólucro que suporta a imersão dentro da amostra 299, assim, propor-cionando maior sensibilidade durante a análise.

Por conseqüência, medições espectrais para determinar ou es-timar a fração molar ou o percentual de grupos químicos (aromáticos, olefi-nas, saturados) em uma amostra de óleo bruto ou de gás utilizando um sen-sor óptico termicamente ajustável 300, podem ser realizadas. Tais mediçõespodem ser utilizadas para determinar ou estimar ou diretamente medir umaproporção de gás para óleo (GOR) nos fluidos da formação em um furo depoço 11.

As instruções neste documento adicionalmente proporcionam ouso de sensores ópticos termicamente ajustáveis 300 em várias concretiza-ções. Por exemplo, em uma concretização, os sensores ópticos termicamen-te ajustáveis 300 são utilizados com a ferramenta de amostragem 20 paraproporcionar dados em tempo real. Observe que como utilizado neste docu- mento, a geração de dados em "tempo real" é assumida significando a gera-I ção de dados em uma taxa que é útil ou adequada para a tomada de deci-sões durante ou simultaneamente com processos, tal como produção, expe-rimentação, verificação, e outros tipos de levantamentos ou usos como po-dem ser escolhidos por um usuário. Como um exemplo não Iimitativo, asmedições em tempo real e os cálculos podem proporcionar para os usuáriosinformações necessárias para fazerem ajustes desejados durante o proces-so de perfuração. Em uma concretização, os ajustes são permitidos em umabase contínua (na taxa de perfuração), enquanto em outra concretização, osajustes podem requerer cessação periódica de perfuração para avaliação dedados. Por conseqüência, deve ser reconhecido que "tempo real" é para serconsiderado no contexto, e não indica necessariamente a determinação ins-tantânea dos dados, ou dar quaisquer outras sugestões acerca da freqüên-cia temporal da coleta e da determinação dos dados.

Em outras concretizações, os sensores ópticos termicamenteajustáveis 300 são utilizados para proporcionar uma análise das amostras299 remotamente recuperadas e distribuídas para a câmara de amostra 301de um instrumento separado. Como um exemplo destas outras concretiza-ções, os sensores ópticos termicamente ajustáveis 300 podem ser empre-gados em uma ferramenta manual, em um equipamento de bancada nocampo, em um equipamento de laboratório ou como um equipamento deprocesso em linha. Mais especificamente, a presente invenção é adequadapara uso em pelo menos um dentre uma configuração de exploração, umoleoduto, uma refinaria e um laboratório.

Uma variedade de determinações ou de estimativas podem serrealizadas através da aplicação das instruções neste documento. Dados es-pectroscópicos produzidos de acordo com estas instruções podem incluir,sem limitação, qualquer um ou mais dentre: correlação de medições espec-trais com propriedades físicas (Gravidade API, ponto de turvação, ponto deebulição, pressão de precipitação de asfalteno, etc); propriedades químicas(número ácido, níquel, vanádio, enxofre, mercúrio, etc) do óleo bruto, a pro-porção, 13C / 12C, de isótopos de metano no gás natural (isto é, não dissolvi- dos em um líquido); determinações ou estimativas de proporção de fitano /pristano de óleo bruto, determinações ou estimativa de H2S que é dissolvidono óleo bruto (absorvência NIR de 100% de H2S e muito fraca, de modo quea absorvência de 10 ppm de H2S é igualmente mais fraca); estimativa quan-to a se a amostra de óleo bruto contém gás úmido ou gás seco (Ci vs C2, C3,C4); determinações ou estimativas de CO2 no gás metano ou de CO2 dissol-vido no óleo bruto; determinações ou estimativas de proporções, 170/180, deisótopos de água; obtenção de cromatogramas de gás "sintético" de curso-escala (o envelope de C1, C2, C3 que é a distribuição de número de carbonodo óleo); determinação ou estimativa dos isótopos 13C/12C de gás metanoenquanto ele ainda está dissolvido no óleo bruto líquido; determinação ouestimativa da porcentagem de contaminação do líquido filtrado da lama ba-seado no óleo, no furo de poço 11, particularmente se o óleo base estiverlivre de aromáticos (diferente do óleo bruto) mas rico em olefinas (tambémdiferente do óleo bruto); e, a quantificação de aromáticos, olefinas (umaclasse química que é improvável de ocorrer no óleo bruto, mas é comum nolíquido filtrado OBM), saturados, metano, etano, propano e butano. Apesardesta ser uma lista substancial de capacidades para a ferramenta de amos-tragem 20 equipada co m o sensor óptico termicamente ajustável 300, estalista não é considerada como sendo exaustiva e é meramente ilustrativa dosaspectos das instruções neste documento.

Adicionalmente, as instruções neste documento proporcionam aderivação de uma equação correlativa a partir do mapeamento, tal comomédia quadrática mínima, quimiométricas ou uma rede neural para inferirpropriedades físicas e químicas dos fluidos da formação de amostra ou deoutros fluidos, até um grau não anteriormente pensado possível pela espec-troscopia dentro do furo de poço 11. Estas instruções tiram vantagem dacapacidade de rapidamente executar a espectroscopia de alta resolução oua espectroscopia de modulação de comprimento de onda para encontrarpicos espectrais em um ressalto de outro pico ou para altamente aperfeiçoaro sinal para ruído e tornar possível observar as alterações sutis (por exem-plo, 10 até 20 partes por milhão (ppm) de H2S - anteriormente não possívelquando executando a espectroscopia dentro do furo de poço 11) com espec-troscopia de infravermelho médio (MIR) convencional com resolução inferiore de infravermelho próximo (NIR). Para aperfeiçoar a sensibilidade e permitira detecção de quantidades traço de um gás com absorção fraca, a espec-troscopia com modulação de comprimento de onda pode ser utilizada comodescrito nas Equações 1 até 9 do Pedido de Patente US 20050099618, eincorporado neste documento em sua totalidade na Referência Cruzada a-cima.

Adicionalmente, as instruções neste documento proporcionamresolver as diferenças espectrais extremamente sutis entre o gás metano13C a partir do gás metano 12C (posto que a pressão não é tão alta de modoa causar excessiva ampliação de pressão destes picos até o ponto em queeles se unem).

Devido às altas temperaturas de operação do sensor óptico ter-micamente ajustável 300, é esperado que a temperatura ambiente dentro dofuro de poço 11 não seja problemática. Entretanto, em algumas concretiza-ções, a ferramenta de amostragem 20 inclui resfriamento de sorção ou outromecanismo de resfriamento para superar quaisquer questões de temperatu-ra na operação em um ambiente de alta temperatura. Tipicamente, para oresfriamento de sorção, o sensor óptico termicamente ajustável 300 é colo-cado em contato térmico com uma fonte de água (líquida ou como hidrato).O sensor óptico termicamente ajustável 300 é resfriado à medida que a águaé evaporada a partir do líquido ou liberada pelo hidrato. O vapor de águaresultante é sorvido por um sorvente, o qual se torna mais quente no pro-cesso. O sorvente transfere seu calor em excesso para o fluido do furo depoço com o qual ele está em contato térmico através do invólucro da ferra-menta de amostragem 20.

Adicionalmente, a ferramenta de amostragem 20 fabricada deacordo com as instruções neste documento, é bem adaptada para ambien-tes hostis, à medida que os sensores ópticos termicamente ajustáveis 300são fisicamente robustos. Ou seja, os sensores ópticos termicamente ajustá-veis 300 são comparativamente insensíveis à vibração e a outros aspectosde vigilância de furo de poço aos quais alguns sistemas da técnica anteriorsão suscetíveis.

A figura 14 representa os aspectos de um procedimento de es-pectroscopia ilustrativo 1400. Na figura 14, proporcionar dados espsctroscó-picos para a amostra 299 pega a partir do furo de poço 11 exige coletar aamostra 1410, dispor pelo menos uma parte da amostra 1420 na câmara deamostra 301, iluminar a amostra 1430 com a série de faixas de passagem deemissões de comprimentos de onda; detectar a série 1440 com um detectorpara produzir um sinal de detecção; proporcionar o sinal de detecção 1450para um processador; e processar 1460 o sinal de detecção para proporcio-nar os dados de espectroscopia.

Em suporte às instruções neste documento, vários componentesde computador, incluindo software, podem ser possuídos para proporcionara operação e as análises do aparelho e método de espectroscopia descritosneste documento. Por conseqüência, é considerado que estas instruçõespodem ser implementadas como um conjunto executável por computador deinstruções armazenadas em um meio legível por computador, compreen-dendo ROM, RAM, CD ROM, flash ou qualquer outro meio legível por com-putador atualmente conhecido ou desconhecido que quando executadascausam que um computador implemente o método da presente invenção.Estas instruções podem proporcionar a operação do equipamento, o contro-le, a coleta e análise de dados e outras funções julgadas relevantes pelousuário.Decisões de vários milhões de dólares sobre como desenvolverum reservatório (localizações do poço, tipos de instalações de produção, etc)são baseadas em vários fatores, tal como se um reservatório é ou não com-partimentado. Enquanto uma membrana pode ser utilizada para separar gásde líquido para executar a análise de proporção ísotópica de gás, também épossível avaliar a compartimentalização utilizando a análise de proporçõesde fitano / pristano de óleo bruto líquido ou por utilizar quaisquer outros as-pectos de distinção, tal como quaisquer diferenças sutis não esperadas nosespectros do fluido que são capazes de serem resolvidas utilizando uma fer-ramenta de amostragem 20 possuindo capacidades para executar a espec-I troscopia de alta resolução. Por conseqüência, as instruções neste docu-mento proporcionam uma ferramenta de amostragem 20 que proporciona ascapacidades desejadas.

Enquanto a descrição precedente é direcionada para concretiza-is ções ilustrativas da invenção, várias modificações serão aparentes para osversados na técnica. É pretendido que todas as variações dentro do escopodas reivindicações anexas sejam abrangidas pela revelação precedente.Exemplos dos aspectos mais importantes da invenção foram resumidos aoinvés de amplamente descritos de modo que a descrição detalhada dosmesmos que vem a seguir possa ser mais bem entendida, e de modo que ascontribuições para a técnica possam ser apreciadas. Obviamente, existemaspectos adicionais da invenção que serão descritos daqui para frente e queirão formar o objeto das reivindicações anexas a este documento.

Claims (18)

1. Ferramenta de fundo de poço para proporcionar dados espec-troscópicos para uma amostra, a ferramenta compreendendo um filtro ópticotermicamente ajustável.

2. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo:um emissor para produzir luz de banda larga que percorre aolongo de um caminho de luz que passa através da câmara de amostra;um detector para produzir um sinal de detecção correspondendoà luz que o detector receber, onde o detector é disposto no caminho da luz.

3. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 2, adicionalmente compreendendo um refletor.

4. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 2, onde o emissor gera uma série de emissões de faixa de passagem dentrode uma faixa de operação.

5. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 4, onde a faixa de operação está centralizada ao redor de uma banda deabsorção para um constituinte de interesse na amostra.

6. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com a reivindicação 1,onde os dados espectroscópicos compreendem pelo menos um dentre:uma correlação de medições espectrais para uma dentre propri-edades físicas e identidade química; pelo menos uma dentre uma proporçãode isótopos e uma quantidade de isótopos; pelo menos uma dentre uma de-terminação e uma estimativa de proporções de fitano para pristano; pelomenos uma dentre uma determinação e uma estimativa de uma quantidadede H2S dissolvido; um cromatograma de gás de curso-escala sintética; pelomenos uma dentre uma determinação e uma estimativa de uma porcenta-gem de contaminação de líquido filtrado de lama baseado em óleo; e, quanti-ficação de pelo menos um dentre aromáticos, olefinas, saturados, metano,etano, propano e butano na amostra.

7. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com reivindicação 1,onde a amostra compreende uma mistura de água, fluido de perfuração efluido da formação.

8. Ferramenta de fundo de poço, de acordo com reivindicação 1,onde a câmara de amostra é compreendida dentro de uma dentre uma fer-ramenta manual, equipamento de bancada de campo, equipamento de Iabo-ratório e equipamento de processo em linha.

9. Método para proporcionar dados espectroscópicos de fundode poço para uma amostra, o método compreendendo:iluminar a amostra com uma série de faixas de passagem deemissões de comprimento de onda utilizando um filtro óptico termicamenteajustável;detectar as emissões em série; eprocessar as emissões detectadas para proporcionar dados es-pectroscópicos.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde iluminarcompreende:produzir luz possuindo um primeiro espectro de comprimento deonda; eseletivamente filtrar o espectro para produzir luz filtrada compre-endendo a série de faixas de passagem de emissões de comprimento deonda.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde iluminarcompreende microajustar a série de faixas de passagem de emissões decomprimento de onda através de uma faixa de operação.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, onde a faixa deoperação pelo menos parcialmente correlaciona uma banda de absorção deum constituinte de interesse na amostra.

13. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde proporcionardados espectroscópicos compreende utilizar uma ferramenta de amostra-gem para proporcionar os dados espectroscópicos.

14. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde proporcionardados espectroscópicos compreende utilizar uma dentre uma ferramentamanual, um equipamento de bancada de campo, equipamento de laboratórioe equipamento de processo em linha.

15. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde proporcionardados espectroscópicos compreende pelo menos um dentre:correlacionar medições espectrais com propriedades físicas; de-terminar pelo menos uma dentre uma proporção de isótopos e uma quanti-dade de isótopos; pelo menos uma dentre determinar e estimar proporçõesde fitano para pristano; pelo menos uma dentre determinar e estimar umcomponente de HfeS dissolvido; proporcionar um cromatograma de gás decurso-escala sintética; pelo menos uma dentre determinar e estimar umaporcentagem de contaminação de líquido filtrado de lama baseado em óleo;e, quantificar pelo menos um dentre aromáticos, olefinas, saturados, metano,etano, propano e butano na amostra.

16. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde a amostracompreende uma mistura de água, fluido de perfuração e fluido da formação.

17. Método, de acordo com a reivindicação 9, onde produzir luzfiltrada compreende variar uma temperatura do filtro óptico ajustável paraproduzir a série de faixas de passagem de emissões de comprimento de on-da.

18. Produto de programa de computador armazenado em ummeio legível por máquina e compreendendo instruções para proporcionardados espectroscópicos de fundo de poço para uma amostra, as instruçõespara:iluminar a amostra com uma série de faixas de passagem deemissões de comprimento de onda utilizando um filtro óptico termicamenteajustável;detectar as emissões em série; eprocessar as emissões detectadas para proporcionar dados es-pectroscópicos.