BRPI0710810A2 - método e aparelho para realizar espectroscopia de fundo de poço dentro de um furo de poço - Google Patents

Abstract

<UM><B>MéTODO E APARELHO PARA REALIZAR ESPECTROSCOPIA DE FUNDO DE POçO DENTRO DE UM FURO DE POçO.<D><MV> Trata-se de um sistema, ferramenta e método de análise para realizar análises de fluido de fundo de poço, tal como dentro de um poço. O sistema, ferramenta e método de análise oferecem uma ferramenta que inclui um espectroscópio para uso na análise de fluido de fundo de poço que utiliza um elemento óptico adaptativo tal como um Arranjo de Microespelhos (MNA) e dois canais luminosos e detectores distintos para proporcionar o escalonamento ou a normalização em tempo real.

Description

Patente de Invenção para "MÉTODO EAPARELHO PARA REALIZAR ESPECTROSCOPIA DEFUNDO DE POÇO DENTRO DE UM FURO DE POÇO

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOSRELACIONADOS

O presente pedido reivindica o benefício doPedido de Patente US Provisório de N. de Série 60/827,837,depositado em 2 de outubro de 2006, e é uma Continuação-em-parte (CIP) do Pedido de Patente US de N. de Série 11/696,005,depositado em 3 de abril de 2007, o qual reivindica o benefício doPedido de Patente US Provisório de N. de Série 60/827,837,depositado em 2 de outubro de 2006 e do Pedido de Patente USProvisório de N. de Série 60/744,246, depositado em 4 de abril de2006, a revelação por completo destes documentos sendoincorporada ao presente a título de referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção

Em geral, a presente invenção refere-se aocampo de espectroscopia e análise espectral, maisespecificamente, a um sistema, uma ferramenta e um método deanálise capazes de realizar análise óptica e outras análisesespectrais de fluido dentro de um furo de poço utilizando canaisde amostra e de referência e um Arranjo de Microespelhos(MMA) para proporcionar escalonamento ou normalização emtempo real.

2. Descrição do Estado da TécnicaOs mais diversos sistemas são utilizados naexploração geográfica e nas operações de produção de poços paradeterminar parâmetros físicos e químicos de materiais nasimediações do poço. As imediações do poço incluem materiais,tais como fluidos, nas adjacências do poço, bem como materiais,tais como fluidos, dentro do poço. Os vários sistemas incluem,mas sem a isto se restringirem, testadores de formação a caboelétrico, testadores de formação de perfuração, sistemas deperfilagem de produção, sistemas de perfuração sub-balanceada,sistemas de análise de fluido de furo de poço conduzidos dentrodo furo de poço e sistemas de monitoração e análise de fluidodispostos permanentemente dentro do furo de poço.

Os sistemas testadores de formação a caboelétrico são usados na indústria de petróleo e gás principalmentepara medir a pressão de uma formação penetrada por um furo depoço e para coletar e analisar fluidos das imediações do furo depoço a fim de determinar componentes relevantes presentes nofluido. Os sistemas testadores de formação a cabo elétricotambém são usados para determinar várias propriedades daformação nas proximidades do poço. Essas propriedades deformação, somadas às análises das propriedades físicas e químicasdo fluido de formação, podem ser usadas para prever e avaliarprospectos de produção de reservatórios penetrados pelo furo dopoço.

Com relação à coleta de amostras de fluido deformação, é de suma importância que o fluido coletado paraanálise represente o fluido de formação com a contaminaçãomínima dos fluidos usados na operação de perfuração do furo depoço. Várias técnicas vêm sendo empregadas para minimizar acontaminação de amostras, incluindo a monitoração de fluidos bombeados por meio de um instrumento de fundo de poço ou aseção, ou as seções, do sistema da ferramenta testadora deformação de fundo de poço a cabo elétrico até que uma e/ou maispropriedades fluidas, tal como a resistividade, deixe de mudar emfunção do tempo. A ferramenta testadora de formação utilizaelementos isolantes tais como obturadores duplos ou obturadoreshidráulicos em forma de anel que contêm uma ou várias portas.Esses elementos vedam-se junto à formação para isolar umaregião da formação do interior do furo do poço, permitindo que aformação seja amostrada com um certo isolamento. Os fluidosdentro da formação são bombeados diretamente através da porta,ou das portas, a partir de dentro da formação isolada e são, então,bombeados através das seções da ferramenta de teste por meio deuma ou mais linhas de fluxo. Dentro da ferramenta há vários instrumentos ou sensores para analisar o fluido. O fluido, quecontém componentes brutos (sólidos, líquidos e/ou gasosos), bemcomo líquido filtrado da lama de perfuração ou outroscontaminantes, escoa através da ferramenta de teste de formação eé analisado. Quando é determinado que o líquido filtrado da lama ou outra contaminação foi minimizado, o fluido pode ser retidodentro dos cilindros de amostra dentro da ferramenta e,geralmente, levado de volta à superfície da terra para sersubmetido a testes químicos e físicos mais detalhados.

Além da coleta de amostras, as análises defluidos dentro da ferramenta de exploração de fundo de poçoincluem a determinação dos constituintes de óleo, água e gás dofluido. Às vezes, os instrumentos e sensores são utilizados paraanalisar as propriedades fluidas do fluido a partir de uma regiãoespecífica da formação de fundo de poço e não resta nenhumaamostra para ser trazida à superfície. Essa análise pode ser usada,por exemplo, para determinar a conectividade do reservatório aoexaminar e identificar os fluidos que aparecem naquelecompartimento específico do reservatório. Além disso, é desejadodeterminar as concentrações de metano, CO2, H2S,hidrocarbonetos (Cn, onde η = 2, ..., 6+), ou água, bem como decertos metais dentro dos fluidos. Muitas vezes, deseja-se obtervárias análises ou amostras de fluidos em função da profundidadedo furo do poço. De forma operacional, procura-se obter essasvárias análises e/ou amostras em uma única viagem da ferramentadentro do poço.

As ferramentas testadoras de formação podemser conduzidas ao longo do furo do poço por vários meiosincluindo, mas sem a isto se restringir, um cabo uni oumulticondutor, um cabo de aço, uma coluna de perfuração, umacoluna de completação permanente ou uma coluna de tubulaçãoflexível contínua. Os dados e as informações de resposta daferramenta, bem como os dados operacionais da ferramenta,podem ser transferidos para e a partir da superfície da terrausando cabos elétricos, tubulação flexível contínua e sistemastelemétricos de colunas de perfuração. Como alternativa, os dadose as informações de resposta da ferramenta podem serarmazenados na memória dentro da ferramenta para acessoposterior na superfície da terra.

Para realizar a análise de fluido, osespectroscópios, tais como os espectrofotômetros, espectrômetros,espectrofluorômetros ou analisadores espectrais, são utilizados emvárias situações para detectar e informar as característicasespectrais de um fluido de teste. Essas características podem serentão usadas para proporcionar uma análise das propriedadesquímicas e/ou físicas do fluido para a descrição e modelagem doreservatório, para o planejamento da produção e para outrosserviços de produção e exploração de hidrocarbonetos. Osespectroscópios costumam utilizar alguma forma de radiaçãoeletromagnética (EM) para realizar a análise de fluido. Ocomprimento de onda dessa radiação EM pode ser na faixa deraios-x, na faixa de radiação gama, na faixa ultravioleta, na faixavisível, na faixa de infravermelho ou qualquer combinação dessasfaixas de radiação.

Os espectroscópios até então utilizadoscostumam ser dispositivos de grandes proporções físicas devido ànecessidade de dividir a radiação EM em vários componentes.Além disso, muitos sistemas espectroscópios que utilizam análiseespectral têm sua capacidade de uso limitada a um númerolimitado de técnicas de análise espectral devido a suaconfiguração de hardware. Em geral, uma vez construído, oespectro só pode ser analisado temporal ou espacialmente; nuncaos dois. Por causa do ambiente geralmente hostil em que umaferramenta de fundo de poço opera, os espectroscópios de fundode poço até então utilizados foram muito limitados pelo númerode canais distintos que podiam possuir. Além disso, osespectroscópios até então utilizados costumam depender de suacapacidade de continuarem calibrados enquanto analisam ouvarrem. Isso pode ser muito difícil em espectroscópios utilizadosem uma ferramenta de fundo de poço, uma vez que osespectroscópios geralmente necessitam da quase que constanteinteração do operador para ajustar fatores sistemáticos demudança e para verificar e ajustar ininterruptamente a calibragempara uma calibragem "padrão". Portanto, todas essascaracterísticas de sistemas anteriores costumam tornar a maioriados espectroscópicos relativamente inapropriados para análisesem tempo real do fluido circulante em um ambiente de fundo dofuro de poço.

Além dos sistemas testadores de formação, ossistemas de perfilagem de produção, bem como os sistemasinstalados permanentemente, são usados na indústria de petróleo egás para identificar a localização, tipo e quantidade de fluidoecoando através de ou penetrando em um furo de poço em funçãodo tempo e/ou da profundidade dentro do furo de poço. Depreferência, as vazões de volume de cada um dentre óleo, água egás são medidas em função do tempo e/ou da profundidade. Osperfis de produção costumam ser usados para monitorar odesempenho da produção de poços existentes. Igualmente, osperfis de produção podem ser usados para avaliar as completaçõesde poços recém-perfurados e para diagnosticar problemas deprodução e de revestimento de poços já existentes. Adeterminação dos constituintes e/ou das propriedades do fluido,somada à vazão de volume dos constituintes de óleo, água e/ougás, proporciona uma ferramenta poderosa para a tomada dedecisões de produção, completação ou recomissionamento emrelação ao poço.

Os sistemas de análise de fluido do fundo dopoço não são usados somente em circunstâncias de monitoraçãodistintas. Os sistemas para monitoração do fundo do poço tambémpodem ser usados na indústria de petróleo e gás para monitorarconstituintes de fluido escoando dentro de um furo de poço emfunção do tempo e/ou da profundidade, em que o tempo demonitoração pode levar dias ou até mesmo semanas. Mais umavez, tais sistemas necessitam da medição dos constituintes e/oudas propriedades do fluido na ferramenta e sob condiçõessemelhantes às descritas acima.

SUMÁRIO

A seguir, será apresentado o sumário dainvenção a fim de propiciar um entendimento básico de algunsaspectos da invenção. Este sumário não foi construído com aintenção de identificar elementos cruciais ou fundamentais dainvenção ou de delinear o âmbito da invenção. A única finalidadedesta seção é a de apresentar alguns conceitos da invenção demaneira simplificada para que sirvam de introdução à descriçãomais detalhada apresentada a seguir.

Por causa desse e de outros problemas natécnica anterior, o presente documento descreve uma ferramentapara realizar a análise de fundo de poço de um fluido, aferramenta compreendendo: uma porta para obter uma amostra defluido de fundo de poço; e um espectroscópio, o espectroscópioincluindo: um canal de amostra que avalia o referido fluido deformação; um canal de referência; e um Arranjo de Microespelhos(MMA) compreendendo elementos que são orientados emseqüência para direcionar a luz, no comprimento de onda daamostra, para o canal de amostra e para o canal de referência;«caracterizada pelo fato de que a resposta do canal de amostra e aresposta do canal de referência são combinadas para produzir amedição de uma propriedade do referido fluido de formação epara corrigir as mudanças sistemáticas da medição noespectroscópio. Em uma concretização, o sistema determina,dentro da ferramenta, propriedades químicas e físicas de fluidosque são colocados em contato com um sensor.

Em uma concretização, a ferramenta pode serparte de um sistema testador de formação a cabo elétrico, de umsistema de perfílagem de produção, de um sistema de análise defluido de fundo de poço, de um sistema testador de formação dePerfílagem Durante a Perfuração (LWD) ou um sistema testadorde formação de Medição Durante a Perfuração (MWD) (umsistema testador de formação LWD/MWD).

Também é descrito no presente documento umsistema para medir propriedades de um fluido de dentro de umfuro de poço, o sistema compreendendo: uma ferramenta, aferramenta incluindo; um elemento de isolamento para isolar umaparte de uma formação de terra; uma porta para obter umaamostra de fluido de formação da referida parte isolada; e umespectroscópio, o referido espectroscópio incluindo: uma fonte luminosa; um Arranjo de Microespelhos (MMA) que é usado parafiltrar comprimentos de onda; um canal de amostracompreendendo um acessório de amostragem em contato ópticocom o fluido; um detector de amostra; e um canal de referênciacompreendendo um detector de referência; um sistema de controle que orienta os elementos do referido arranjo demicroespelhos de modo que a luz em um comprimento de onda deamostra seja direcionada para o referido canal de amostra, e queoriente altemadamente os elementos do referido arranjo demicroespelhos de modo que a luz no referido comprimento de onda de amostra seja direcionada para o referido canal dereferência; e um processador para combinar respostas do referidodetector de amostra e do referido detector de referência para obtera medição de pelo menos uma propriedade de um fluido dentro deum furo de poço e para corrigir as mudanças sistemáticas damedida no referido espectroscópio.Em outra concretização, o espectroscópiocompreende ainda meios para detectar a corrente escura doespectroscópio. Em uma concretização adicional, o sistema decontrole orienta os elementos do MMA de modo que a luz sejadirecionada para longe ou do canal de amostra ou do canal dereferência, e as respostas do detector de referência e do detectorde amostra, respectivamente, são usadas para determinar ascorrentes escuras do respectivo canal. Em uma concretização,essas medições são usadas no futuro para corrigir mediçõesespectroscópicas para os efeitos adversos da variação de fundo.

Em ainda outra concretização, a ferramentaadicionalmente compreende uma seção de espectroscópio em queo espectroscópio é disposto, e uma sonda ou seção de portaatravés da qual o fluido escoe para a seção de espectroscópio.

Em outra concretização, a ferramentacompreende ainda uma seção de bomba da ferramenta e meiospara isolar a sonda ou seção de porta da ferramenta de modo queo fluido possa ser extraído para a ferramenta a partir da formaçãode terra penetrada pelo furo de poço.

Em uma concretização, o sistema compreendeainda uma unidade telemétrica de superfície, uma seção etelemétrica disposta na ferramenta, em que o sistema eletrônico etelemétrico compreende uma unidade telemétrica de fundo depoço e um canal de dados conectando operacionalmente a unidadetelemétrica do fundo do poço à unidade telemétrica da superfície,permitindo assim a medição da propriedade a ser enviada portelemetria ao equipamento da superfície.

Também é descrito no presente documento ummétodo para medir a propriedade de um fluido dentro de um furode poço, o método compreendendo: dispor um espectroscópiodentro do furo do poço, o espectroscópio compreendendo umcanal de amostra que interage com um fluido, um canal dereferência e um Arranjo de Microespelhos (MMA)compreendendo elementos de microespelho; orientarseqüencialmente os elementos de microespelho para direcionar aluz, em um comprimento de onda, para o referido canal deamostra e para o referido canal de referência; e combinar umaresposta do referido canal de amostra e uma resposta do referidocanal de referência para obter uma medição de uma propriedadedo fluido e para corrigir as mudanças sistemáticas da medição noespectroscópio.

Esse método pode ser realizado por um sistematestador de formação a cabo elétrico, por um sistema testador deformação de Perfilagem Durante a Perfuração (LWD) ou umsistema testador de formação de Medição Durante a Perfuração(MWD) (um sistema testador de formação LWD/MWD), por umsistema de perfilagem de produção, por um sistema de análise defluido de fundo de poço.

Também é descrita no presente documento umaferramenta para medir propriedades de um fluido de formação defundo de poço dentro de um furo de poço, a ferramentacompreendendo: meios para isolar uma parte de uma formação deterra; uma porta para obter uma amostra de fluido de formação dareferida parte isolada; meios para avaliar uma propriedade doreferido fluido de formação; e meios que permitem a correção demudanças sistemáticas na referida avaliação enquanto a referidaferramenta está no fundo do poço dentro do referido furo do poço.

Em outra concretização, o espectroscópio utilizaum elemento óptico adaptativo, tal como um MMA, o qual écapaz de proporcionar escalonamento ou normalização em temporeal ao usar dois canais de coleta distintos ou trajetórias luminosase que pode ser usado em um sistema testador de formação.

Em uma concretização, o espectroscópiocompreende: um MMA compreendendo vários espelhos, cada umdeles podendo alternar entre uma primeira e segunda posições,uma fonte de luz com um espectro, e pelo menos dois detectores;caracterizado pelo fato de que a fonte luminosa é espacialmentedispersa através do MMA de modo que um primeiro grupo dosreferidos espelhos possa direcionar uma primeira parte doespectro ao longo de uma primeira trajetória luminosa dos pelomenos dois detectores ao ser colocado na primeira posição; e pelofato de que uma segunda posição dos espelhos pode direcionaruma segunda parte do espectro ao longo de uma segundatrajetória luminosa para o segundo dentre os pelo menos doisdetectores ao colocá-lo na referida segunda posição.

Dependendo da concretização doespectroscópio, a fonte de luz pode ser uma fonte luminosa debanda larga ou uma fonte de luz de banda estreita. A primeiratrajetória luminosa inclui uma amostra a ser analisada, ao passoque a segunda trajetória luminosa não inclui uma amostra a seranalisada; portanto, a saída do segundo detector pode ser usadacomo referência para a saída do primeiro detector.

Em uma concretização, o MMA compreendeum Dispositivo Digital de Microespelhos (DMD).

Em outra concretização, o espectroscópiotambém compreende uma fenda de entrada por onde a luz passaantes de atingir o MMA. As colunas do espectro podemcorresponder à dimensão espectral de dispersão e as linhas àdimensão espacial da fenda de entrada. Os vários espelhos podemser dispostos em várias linhas e colunas em que as colunas doespectro incidem no MMA de modo a alinharem-se às colunas deespelhos ou em que as colunas do espectro incidem no MMA demodo a alinharem-se a uma diagonal das linhas e colunas dosespelhos.

Em outra concretização, o MMA realiza aseparação espectral do espectro.

Em outra concretização, o MMA podedirecionar, de maneira reversível, a primeira parte ao longo daprimeira e segunda trajetórias e a segunda parte ao longo daprimeira e segunda trajetórias de modo que quando uma daspartes for direcionada à primeira trajetória, a outra serádirecionada à segunda trajetória e vice-versa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSA FIG. 1 oferece uma visão geral de umaconcretização de um sistema testador de formação a cabo elétricoe operando no fundo de poço dentro de um furo de poço.

A FIG. 2A é um diagrama conceituai de umaconcretização de um espectroscópio que usa vários canaisdispostos dentro da seção de espectroscópio da ferramenta daconcretização de uma ferramenta. A FIG. 2B ilustra um únicomicroespelho de um Arranjo de Microespelhos (MMA) orientadopara direcionar a luz para o canal de amostra do espectroscópio.

A FIG. 2C ilustra um único microespelho de umMMA orientado para direcionar a luz para o canal de referênciado espectroscópio.

A FIG. 3 é um diagrama conceituai de outraconcretização de um espectroscópio usando acessórios de amostrae de referência.

A FIG. 4 é um diagrama conceituai de outraconcretização de um espectroscópio usando uma fonte luminosaincidente em uma amostra antes de incidir no MMA.

A FIG. 5 ilustra uma concretização de umatrajetória óptica.

A FIG. 6 ilustra uma concretização de umatrajetória óptica.

A FIG. 7 ilustra outra concretização de umatrajetória óptica.A FIG. 8 é um diagrama conceituai dascapacidades do processamento de canal duplo de umaconcretização do espectroscópio.

A FIG. 8A ilustra um primeiro comprimento deonda direcionado ao canal de referência com todos os outroscomprimentos de onda direcionados ao canal de amostra.

A FIG. 8B ilustra o primeiro comprimento deonda direcionado ao canal de amostra com todos os outroscomprimentos de onda direcionados ao canal de amostra.

A FIG. 9 ilustra uma vista lateral (FIG. 9A),superior (FIG. 9B) e final (FIG. 3C) da arquitetura interna de umaprimeira concretização do espectroscópio.

A FIG. 10 é um diagrama conceituai daarquitetura interna de um espectroscópio usando duas entradasseparadas e medindo duas amostras.

A FIG. 11 ilustra o posicionamento de umespectro em um MMA. Na FIG. 1 IA, o espectro é alinhado aoMMA, ao passo que, na FIG. 11B, o espectro é desviado por meiodo MMA.

A FIG. 12 é um gráfico ilustrando como oespectroscópio pode ser usado para o controle dinâmico daresolução.

A FIG. 13 é um gráfico de como oespectroscópio pode ser usado para melhorar dinamicamente arelação sinal-ruído.A FIG. 14 é um gráfico de como oespectroscópio pode ser usado para a filtragem dinâmica.

A FIG. 14A ilustra um gráfico antes dafiltragem, ao passo que a FIG. 14b ilustra o mesmo gráfico após afiltragem.

A FIG. 15 é um gráfico de como oespectroscópio pode ser usado para a filtragem dinâmica.

A FIG. 16 ilustra duas indicações de como ossegmentos dos comprimentos de onda do espectro podem sermodulados para gerar a análise (FIG. 16A) e a divisão óptica(FIG. 16B) da Transformada Rápida de Fourier (FFT).

A FIG. 17 ilustra um espectro de amostramedido com uma concretização do espectroscópio ilustrandoconstituintes de óleo, água e gás no fluido.

DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES

PREFERIDAS

A descrição detalhada é ilustrada a seguir atítulo exemplificativo não-limitante. E discutido no presentedocumento um sistema para realizar, no fundo do poço dentro dofuro do poço, a análise espectroscópica de um fluido. Também édiscutida uma ferramenta de fundo de poço incluindo umespectroscópio para realizar tal análise de um fluido no fundo dopoço dentro do furo do poço. Os conceitos básicos doespectroscópio são apresentados com o sistema concretizado atítulo exemplificativo como um sistema testador de formação. Noentanto, em concretizações alternativas, o espectroscópio pode serconcretizado em sistemas tais como, mas sem a isto se restringir,um sistema de perfilagem de produção e um sistema de análise eamostragem de fluidos de furo de poço.

A FIG. 1 ilustra de forma conceituai oselementos principais de uma concretização do sistema testador deformação (5) operando no fundo do poço em um furo de poço(28) que penetra em uma formação de terra (42). A concretizaçãoda FIG. 1 é uma concretização exemplificativa de um dispositivode análise de fluido de fundo de poço mais geral. Além disso, odispositivo da FIG. 1 é ilustrado de forma conceituai e não se tema intenção de transmitir escalas ou localização específica a partirdele. A concretização da FIG. 1 é típica de um testador deformação a cabo elétrico; entretanto, os dispositivos, sistemas emétodos discutidos no presente documento podem ser usados emuma variedade de ferramentas incluindo, mas sem a isto serestringir, testadores de formação a cabo elétrico, ferramentas deperfilagem de produção, testadores de formação em uso duranteperfurações - testadores de formação de Perfilagem Durante aPerfuração/Medição Durante a Perfuração (LWD/MWD),ferramentas de análise de fluido de fundo de poço ou qualqueroutra ferramenta de fundo de poço conhecida pelos versados natécnica. Além disso, embora um sistema testador de formaçãoconforme discutido no presente documento deva ser enviado parao fundo do poço e então retornado, os sistemas, dispositivos emétodos também podem ser usados em sistemas de monitoraçãode fundo de poço permanentes ou semipermanentes.Em geral, um sistema testador de formação (5)compreende uma ferramenta testadora de formação (10) que éconduzida dentro de um furo de poço (28) por um transportador(30). O instrumento de furo de poço testador de formação, ou"ferramenta" conforme pode ser referido pelo presentedocumento, é indicado como um todo pelo número (10). O meiotransportador (30) é disposto na superfície da terra e coopera comum cabo ou tubo (26) que pode servir como um canal de dadosentre a ferramenta (10) e o transportador (30). O transportador(30) é conectado operacionalmente ao equipamento na superfície(32), que pode oferecer várias funções incluindo processamentode dados de resposta da ferramenta (10), controle operacional daferramenta (10), registro de medições feitas pela ferramenta (10),acompanhando o posicionamento da ferramenta (10) dentro dofuro de poço (28), entre outros.

A ferramenta testadora de formação (10)compreende várias seções conectadas operacionalmente quepodem ser dispostas dentro de um invólucro ou de um colar deperfuração. Essas seções podem incluir uma sonda ou seção deporta da ferramenta (12), uma seção auxiliar de monitoração daferramenta (14), uma seção de espectroscópio da ferramenta (16),uma seção de bomba da ferramenta (20) e uma seção eletrônica etelemétrica da ferramenta (22). Um processador é disposto, depreferência, dentro de cada seção da ferramenta (10).

Com referência mais uma vez à FIG. 1, emgeral, o fluido é extraído para a ferramenta testadora (10) pormeio de uma sonda ou de uma seção de porta da ferramenta (12).Com o único propósito de facilitar a discussão, iremos pressuporque a sonda ou a seção de porta da ferramenta (12) compreendeuma porta configurada como uma sonda e a seção (12) seráreferida doravante como seção de "sonda" (12), embora, com essetermo, não se tenha a intenção de especificar que a porta sejaconfigurada como uma sonda. A seção de sonda (12) podecompreender uma ou mais portas de admissão, as quais não sãoestão ilustradas. O fluxo de fluido dentro da seção de sonda (12) éilustrado de forma conceituai com a seta indicando a extração dofluido de formação (36) de dentro da estrutura de terra (42) e paradentro da seção de sonda (12).

De modo a reduzir a contaminação do fluidoamostrado obtido pela seção de sonda (12), a seção de formaçãode terra (42) será, por via de regra, isolada do furo do poço (28)de modo a melhorar a capacidade de retirar fluido de formação daformação de terra (42) e para não obter amostras de fluido dentrodo furo de poço (28). Durante a operação de perfuração do furodo poço, o fluido do furo do poço e o fluido dentro ou próximo àformação do furo do poço pode ser contaminado com o fluido deperfuração normalmente compreendendo sólidos, fluidos e outrosmateriais. A contaminação de fluido de perfuração do fluido (36)extraído da formação de terra (42) pode ser minimizada usandovários meios para inibir tal contaminação. Isso inclui, mas sem aisto se restringir, usar uma ou mais sondas em conjunto com umelemento isolante de furo de poço tal como um dispositivo do tipoobturador hidráulico (não ilustrado) que é colocado junto à parededa formação de terra (42). Uma ou mais sondas estendem-seatravés do obturador hidráulico para dentro da formação de terra(42). Como alternativa, a parte a formação a ser testada pode serisolada do furo do poço por um ou mais obturadores (nãoilustrado). Vários obturadores podem ser configurados axialmentecomo obturadores "duplos". Os obturadores duplos e seu uso sãorevelados na Patente U.S. No. 5,337,621, cuja revelação éanexada ao presente documento na íntegra a título de referência.

Ainda com referência à FIG. 1, o fluido (36)pode passar da seção de sonda (12) através das linhas de fluxoapropriadas (não ilustrado) e para dentro da seção auxiliar demonitoração da ferramenta (14). A seção auxiliar de monitoraçãoda ferramenta (14) pode compreender um ou mais sensores (nãoilustrados) que podem medir vários parâmetros físicos do fluido,tais como, mas sem a isto se restringir, a resistividade, o potencialdielétrico, a temperatura, a densidade, a viscosidade ou a massa.O fluido então passa dentro das linhas de fluxo apropriadas (nãoilustrado) para dentro da seção de espectroscópio da ferramenta(16), onde análises químicas e/ou físicas são realizadas no fluidoenquanto a ferramenta (10) permanece dentro do furo do poço(28).

E possível medir e controlar a taxa de fluxo defluido através da ferramenta (10). Conforme discutido emdetalhes nas seções precedentes e seguintes da presente revelação,um espectroscópio tal como o espectroscópio (100) (discutidomais tarde) é instalado dentro da seção de espectroscópio daferramenta (16) ou em qualquer outra localização adequada erealiza medições espectrais ópticas ou, como alternativa, deoutros tipos no fluido (36) a partir do qual as concentrações deconstituintes e/ou outras propriedades físicas e químicas do fluido(36) são determinadas. Essas medições também podem serprocessadas para identificar e determinar propriedades físicas e/ouquímicas do fluido (36). As medições espectroscópicas e aspropriedades físicas e/ou químicas podem ser, de preferência,realizadas em tempo real e em várias posições axiais ou"profundidades" durante uma única viagem da ferramenta (10) nofuro do poço (35). Além disso, várias medições podem ser feitasem uma única profundidade durante uma única viagem daferramenta (10) no furo do poço (35). O espectroscópio (100)também pode ser instalado como parte de uma completaçãopermanente dentro do furo do poço (28). O espectroscópio (100)pode ser instalado por qualquer meio conhecido pelos versados natécnica e não deve ser limitado aos métodos exempliflcativosdescritos no presente documento.

Em uma concretização, o espectroscópio podeser composto por um Sistema Microoptoeletromecânico(MOEMS) que, em geral, é fabricado a partir de váriosdispositivos de microespelhos. Um dispositivo MOEMS para essefim inclui, mas sem a isto se restringir, qualquer descrição usadanormalmente para esses dispositivos tais como DMD, DLP ouMMA. Para fins de clareza, todos esses nomes comuns serãoreferidos como um Arranjo de Microespelhos (MMA) emdiscussões posteriores. Além de outros benefícios, um MMApode ser usado para oferecer calibração de sensibilidade doinstrumento em tempo real, correção da corrente escura ecorreções de variações do sistema, incluindo ganho e variação dovalor de referência. A estrutura do espectroscópio é resistente,fazendo dele adequado para uso em condições tipicamente hostisdo furo de poço. Além disso, o espectroscópio pode ser adaptadopara várias condições de furo de poço, além de ser de uso versátilconforme transparecerá em seções posteriores da presenterevelação.

Com referência mais uma vez à FIG. 1, o fluidopode ser direcionado para a seção de amostra da ferramenta (18),através de linhas de fluxo apropriadas (não ilustrado), após passaratravés da seção de espectroscópio da ferramenta (16). Asamostras de fluido podem ser retidas dentro de um ou maisrecipientes de amostra dentro da seção de amostra da ferramenta(18) para retornarem para a superfície para análises adicionais. Asuperfície é geralmente a superfície da formação de terra (42) ou asuperfície de qualquer água revestindo a formação de terra (42),como vem a ser o caso quando o furo de poço é gerado no solo dooceano ou em outra estrutura semelhante.

O fluido pode ser extraído para a seção de sondada ferramenta (12), bombeado através das seções auxiliar (14) ede espectroscópio (16) da ferramenta, respectivamente, bombeadoopcionalmente para dentro dos recipientes de amostra dentro daseção de amostra da ferramenta (18) e expurgado para o furo dopoço (28) por uma ou mais seções de bomba (20) dispostas naferramenta (10). A energia para todas as seções já discutidas daferramenta (10), para o funcionamento da ferramenta e dos várioselementos dentro da ferramenta e para a transferência de dados ecomandos para dentro e fora da ferramenta pode ser fornecida econtrolada por meio da seção eletrônica e telemétrica daferramenta (22). Um processador dentro da seção deespectroscópio da ferramenta (16) é, de preferência, usado paraprocessar dados medidos pela seção de espectroscópio daferramenta (16) e para controlar o funcionamento doespectroscópio dentro da seção de espectroscópio da ferramenta,conforme será discutido posteriormente. As trajetórias do fluxo defluido descritas são exemplificativas e não devem serinterpretadas de modo a limitar os métodos pelos quais aferramenta (10) pode ser implementada, uma vez que as seçõespodem ser usadas em ordens alternativas e o fluxo de fluido nãoprecisa ser linear.

Mais uma vez com referência à FIG. 1, aextremidade superior da ferramenta (10) pode ser terminada porum conector (24). A ferramenta (10) pode ser conectadaoperacionalmente a um transportador (30) disposto na superfíciepor meio de um tubo, cabo (26) ou de outra estrutura semelhanteprojetada para interconexão. Mais especificamente, a extremidadeinferior ou "do furo do poço" do cabo (26) é conectadaoperacionalmente à ferramenta (10) por meio do conector (24). Aextremidade superior ou "da superfície" do cabo (26) éoperacionalmente conectada ao meio transportador (30). Em umaconcretização, o cabo (26) pode funcionar como um canal dedados entre a ferramenta (10) e o equipamento disposto nasuperfície.

Em uma concretização, a ferramenta (10) é umelemento de ferramenta de perfilagem de um sistema testador deformação a cabo elétrico e o cabo (26) é um cabo elétrico deperfilagem multicondutor e o meio transportador (30) é umconjunto de perfuração a cabo elétrico compreendendo umguincho. Em outra concretização, a ferramenta (10) é umcomponente de um sistema de medição durante a perfuração oude perfilagem durante a perfuração, o cabo (26) é uma coluna deperfuração e o transportador (30) é uma sonda de perfuraçãorotativa. Em ainda outra concretização, a ferramenta (10) é umelemento de um sistema de perfilagem de tubulação flexívelcontínua, o cabo (26) é uma tubulação flexível contínua e otransportador (30) é um injetor de tubulação flexível contínua.Em ainda outra concretização, a ferramenta (10) é um elementode um sistema testador de coluna de perfuração, o cabo (26) émais uma vez uma coluna de perfuração e o transportador (30) émais uma vez uma sonda de perfuração rotativa. Outrasconcretizações da ferramenta (10), do cabo (26) e dotransportador (30) serão facilmente assimiladas pelos versados natécnica.Com referência novamente à FIG. 1, oequipamento de superfície (32) pode ser conectadooperacionalmente à ferramenta (10) por meio do transportador(30) e da estrutura (26). O equipamento de superfície (32) podecompreender um elemento telemétrico de superfície, o qual secomunica com a unidade telemétrica de fundo de poço dentro daseção eletrônica e telemétrica da ferramenta (22). O cabo (26)funciona como um canal de dados entre os elementos telemétricosda superfície e de fundo de poço. A unidade de superfície (32)também pode compreender um processador de superfície querealiza, opcionalmente, o processamento adicional dos dadosmedidos na seção de espectroscópio da ferramenta (16).

Em outra concretização, o processador desuperfície também pode cooperar com um dispositivo de mediçãode profundidade (não ilustrado) para acompanhar dados medidospela ferramenta (10) em função da profundidade (40) dentro dofuro do poço no qual eles são medidos, ou o equipamento dasuperfície (32) pode compreender meios de registro para registraros "perfis" de um ou mais parâmetros de interesse em função dotempo e/ou da profundidade. O equipamento de superfície (32)pode compreender qualquer dado ou máquina, circuito,computador ou outro dispositivo com base mecânica para realizarqualquer função desejada.

Embora, em certos momentos, esta revelaçãotambém faça referência aos dispositivos dentro da seção deespectroscópio (16) da ferramenta (10) como "espectroscópios", énecessário reconhecer que esse termo não é usado com o intuitode nos referirmos a um tipo específico de dispositivo de avaliaçãoespectral, mas com a intenção de nos referirmos, em geral, a umaclasse de dispositivos usados em associação à revisão, avaliaçãoou análise de espectros. Não é necessário que todos osdispositivos de análise e avaliação espectrais usados em umespectroscópio sejam usados neste dispositivo. O dispositivo podeser usado em qualquer monitoração por processo espectroscópico,seja em tempo real ou de outro tipo, incluindo, mas sem a isto serestringir, monitoração óptica, espectrofotometria,espectrofluorometria, análise espectral, espectrocolorimetria eespectroradiometria.

Em geral, o espectroscópio (100) incluicomponentes ópticos para modular, manipular ou encaminhar aluz incidente a alvos de interesse, dispersar espectralmente a luzentrante, formar a imagem da luz dispersa sobre um dispositivo defiltragem espacial, espectral ou temporal, direcionar a luz filtradasobre, para ou ao redor (contornando) uma amostra e, então,direcionar a luz para algum tipo de detector óptico. Oespectroscópio (100) da presente revelação é munido de váriosdetectores, cada um deles associado ao seu próprio canal ópticoou trajetória luminosa. Nas concretizações ilustradas, sãoilustrados dois canais, uma vez que essa é a quantidadegeralmente preferida; porém, em concretizações alternativas, aquantidade pode ser aumentada.Além de determinar as propriedades físicas e/ouquímicas do fluido, o espectroscópio (100) concretizado naferramenta (10) pode ser capaz de corrigir em tempo real acorrente escura e de referenciar qualquer fonte de iluminaçãoantes ou depois da varredura. A corrente escura também éconhecida como ruído escuro ou por outros nomes comuns.

O espectroscópio (100) pode ser controlado porum processador disposto, de preferência, dentro da seção deespectroscópio da ferramenta (16). Em uma concretização, oscomandos podem ser programados com antecedência noprocessador. Como alternativa, os comandos podem ser enviadosa partir do equipamento da superfície (32) em tempo real tal comopor meio do sistema telemétrico supramencionado. O processadorcontrola a operação do espectroscópio (100) e, em umaconcretização, pode ser usado no processamento de resultadosobtidos pela resposta do espectroscópio (100) ao fluido.

As concretizações do espectroscópio (100) quepodem ser usadas na ferramenta (10) são descritas também nopedido de patente U.S. de No. de Série 11/696,005, cuja revelaçãoencontra-se incorporada na íntegra ao presente documento a títulode referência.

Com referência às FIGS. 2 a 4, que ilustramvárias concretizações do espectroscópio (100) que podem serusadas em diferentes concretizações da ferramenta (10), a luzgeralmente é distribuída ao espectroscópio (100) por meio defibra óptica ou de distribuição por espaço livre a partir de umafonte luminosa (102). Em geral, costuma-se preferir o método dedistribuição por fibra óptica. Em geral, a fonte luminosa (102)pode ser operada em condições de furo de poço (28) tipicamentehostis e é localizada dentro da seção de espectroscópio daferramenta (16); no entanto, isto não é de forma algumanecessário. A fonte luminosa (102) pode ser fornecida por umaúnica fonte tal como, mas sem a isto se restringir, filamento detungstênio, haleto metálico, luz incandescente ou qualquer fonteconhecida ou a ser descoberta. A luz também pode ser obtida pormeio de qualquer combinação de fontes incluindo, mas sem a istose restringir, diodos emissores de luz (LED's), lasers, fontes dearco e semelhantes.

Ademais, embora as concretizações doespectroscópio (100) discutidas neste documento sejam capazesde manipular todos os comprimentos de onda de uma radiaçãoeletromagnética, o restante da discussão se focará nas faixas decomprimento de onda das regiões de infravermelho médio epróximo, visíveis e ultravioleta, de acordo com o espectroeletromagnético sendo usado. Além disso, faremos referência àradiação usando o termo "luz", embora tenhamos a intenção deincluir ao espectro comprimentos de onda fora dos limitesluminosos visíveis em pelo menos algumas concretizações.

A fonte luminosa (102) normalmentecompreende uma fonte luminosa de banda larga que emite umasérie de diferentes comprimentos de onda luminosos ao mesmotempo, tais como, mas sem a isto se restringir, a radiação solarnatural, um filamento de tungstênio ou qualquer combinação defontes de banda estreita. Em uma concretização alternativa, afonte luminosa (102) pode compreender uma única banda estreitaou única fonte de comprimentos de onda tal como, mas sem a istose restringir, diodos emissores luminosos ou lasers; um gáscarregado eletricamente, tal como o neônio, que emite uma bandaestreita ou uma série de bandas estreitas, ou qualquer outra fonteluminosa conhecida pelos versados na técnica. A luz pode seremitida ao dispositivo espectroscópico (100) discutido nopresente documento por qualquer método conhecido pelosversados na técnica, inclusive, mas sem a isto se restringir, sendorefletida, refratada, focalizada ou difundida antes de atingir oespectroscópio (100).

Nas FIGS. 2A, 2B e 2C, os dois detectores(201) e (203), que fazem parte do espectrômetro, são acessadospor meio de um dos dois canais ópticos (211) e (213). Um canalóptico (213) é capaz de direcionar a luz a um acessório deamostragem (204), tal como, mas sem a isto se restringir, umasonda de fibra óptica, um conjunto de cubeta ou outro dispositivo,conforme entendido pelos versados na técnica. O segundo canalóptico (211) costuma ser usado como um canal óptico dereferência para calibração e, portanto, não inclui um acessório deamostragem (204). No entanto, em concretizações alternativas, osegundo canal óptico (211) poderia ser utilizado como um canalde dados secundário em algumas aplicações, tal como aespectroradiometria ou a espectrofluorimetria, para aperfeiçoar arelação Sinal-Ruido (S/N) e/ou para aprimorar as taxas deamostragem de dados, caso este em que um acessório deamostragem pode ser fornecido. Nesta concretização, umatrajetória luminosa é, portanto, usada para interrogar a amostra, aopasso que a outra é direcionada para contornar (sem interrogar) aamostra.

No decorrer desta revelação, tais canais (211) e(213), ou trajetórias luminosas, podem ser referidos como "canaisde amostra" ou "canais de referência". Isso serve para nosreferirmos ao fato de que o canal de amostra (213) é geralmenteusado quando a radiação eletromagnética é direcionada através deuma amostra enquanto, no canal de referência (211), a luzgeralmente não é direcionada através dessa amostra, mas é usadacomo referência. No entanto, os versados na técnica reconhecerãoque os canais podem ter seus papéis invertidos dependendo daconcretização e nenhum ou ambos os canais podem incluiramostras dependendo da operação desejada. Por exemplo, o canalde referência (211) pode incluir uma célula de correlação de gásem uma concretização.

A FIG. 2A é um diagrama de blocos ilustrandoo esquema conceituai de uma concretização do espectroscópio(100) da presente invenção que, em uma concretização, é dispostodentro da seção de espectroscópio da ferramenta (16) de umaconcretização da ferramenta (10). Em geral, o dispositivo da FIG.2A compreende uma carcaça (101) dentro da qual os outroscomponentes são colocados para serem protegidos da luzambiente. A carcaça (101) inclui uma abertura de entrada (103),tal como uma fenda, a qual servirá para proporcionar a luzincidente que será usada no espectroscópio. O uso de uma fendaresultará na luz contendo, geralmente, um espalhamento espectralcom a altura dependendo da altura da fenda. Como alternativa, afonte luminosa (102) pode ser disposta na carcaça (101), caso esteem que ela teria uma trajetória predefinida formada na carcaça(101) para formar uma entrada de luz do tamanho e formatodesejados. Em geral, a fonte luminosa incidente (102) forneceráluz (130) com uma série de comprimentos de onda diferentes (luzde banda larga). A luz incidente que passa através da fenda (103)é direcionada para uma rede (105), prisma ou outra superfíciecapaz de separar a luz em seu espectro, o qual é usado paradispersar espacialmente a luz em função do comprimento deonda.

Essa luz é então projetada para um elementoóptico adaptativo, que é um tipo de dispositivo que pode alterarsua superfície ou que possui outra propriedade óptica para alterara direção em que a luz incidente sobre ele é direcionada. Em umaconcretização, ele compreende um conjunto de espelhos quepodem ser movidos separadamente. Na concretização preferida,ele é um dispositivo microopticoeletromecânico (MOEM)compreendendo um Arranjo de Microespelhos (MMA) (107). Emuma concretização, o MMA (107) compreende um DispositivoDigital de Microespelhos (DMD), tal como os produzidos pelaTexas Instruments. O MMA (107) costuma compreender umagrande quantidade de espelhos de tamanho muito pequeno, osquais são organizados em um padrão reconhecido. Na maioria dasconcretizações, tal padrão será o de uma grade. Os espelhos noMMA (107) geralmente podem ser posicionados de formaindependente por meio de um sistema de controle (não ilustrado)em pelo menos duas posições diferentes. Os espelhos do MMAtambém podem ser movidos entre as referidas pelo menos duasposições quando tal movimento é solicitado pelo sistema decontrole. Na concretização ilustrada, em que o MMA é um DMD,as duas posições são normalmente de +10° e -10° a partir de umaposição horizontal predeterminada (posição de 0o).

Alguns detalhes do MMA serão discutidos emuma seção posterior da presente revelação e são ilustrados nasFIGS. 8A e 8B. Em prol da simplicidade, as FIGS. 2A, 2B e 2Cilustram o rastro de um único raio incidente em um espelho único(120) do MMA (107).

É possível utilizar meios alternativos paraformar a luz dispersa (106). Por exemplo, a rede (105) pode sersubstituída por um prisma para redirecionar e dispersar a luz dafonte de luz (103) sobre o dispositivo MMA (107). Outra fonte deluz dispersa alternativa (não ilustrado) pode compreender umarranjo de fontes de feixe de luz estreito, tal como, mas sem a istose restringir, diodos emissores de luz ou lasers. Cada elemento doarranjo é focalizado sobre o dispositivo MMA (107).

Com referência mais uma vez às FIGS. 2A, 2Be 2C, um espelho único (120) do MMA (107) é exibido a fim deilustrar os conceitos operacionais básicos do espectroscópio(100). O espelho único (120) é orientado dentro do MMA (107)em pelo menos duas posições distintas de modo que algum outodos os vários comprimentos de onda de luz (106) incidentessobre o espelho único (120) sejam orientados para dois canaisdiferentes, os quais são definidos como canal de "amostra" e canalde "referência".

Com referência a ambas as FIGS. 2A e 2B, oespelho único (120) é orientado em um ângulo Θ], onde θι édefinido como o ângulo entre o normal (142) do MMA (107) e onormal (144) do espelho único (120). Isso orienta oespectroscópio (100) no canal de "amostra", em que a luz érefletida a partir do espelho único (120) para um espelho (109),conforme ilustrado de forma conceituai pela trajetória do raio(213).

Conforme ilustram as FIGS. 2B e 2C, osespelhos costumam ser organizados de maneira independente emdois estados diferentes com posições angulares diferentes. Emgeral, essas duas posições diferentes podem ser angularmentesimétricas ao redor de uma localização central simplesmente paraobter estabilidade posicionai. Por exemplo, se o ponto central foiclassificado como um estado de 0o, as duas posições podem ficarem um estado de +X e -Xo a partir da posição 0o. De preferência,o ponto central também é escolhido para corresponder à posiçãoonde o espelho individual sobre o MMA está disposto, geralmenteem paralelo ao substrato do MMA.O espelho (109) reflete a luz, conforme indicadode forma conceituai pela trajetória do raio (215), para fora dacarcaça do espectroscópio (101) e para dentro do guia de luz(138), tal como um cabo de fibra óptica. O guia de luz (138)inclui um acessório de amostra (204) que fica em contato com umfluido (180) a ser analisado. A resposta óptica do fluido conformemedida pelo acessório de amostragem (204) é retornada por meiode um guia de luz (138) ao espectroscópio (100) e para dentro deum detector de amostra (203), conforme indicado de formaconceituai pela trajetória do raio (152). A respostaespectroscópica do detector de amostra (203) para os constituintesdo fluido (180) será discutida em uma seção posterior da presenterevelação. Deve-se reconhecer que as trajetórias do raio (215) e(152) são meras continuações da trajetória do raio (213), mas sãoindicados por números de referência distintos para fins de maiorclareza.

O acessório de amostragem (204) pode ser, massem a isto se restringir, um acessório de imersão, um acessório derefletância, um acessório de transmitância, um acessório defluorescência, um acessório de Refletância Total Atenuada(ATR), uma célula de fluxo extrativo ou qualquer outrodispositivo de amostragem ou monitoração conhecido pelosversados na técnica.

O espectroscópio pode usar Varredura porRastreio Convencional (CRS), Transformada de Hadamard (HT),Transformada de Fourier (FT) ou qualquer outro método decodificação conhecido pelos versados na técnica.

Com referência agora a ambas as FIGS. 2A e2C, o espelho único (120) é orientado em um ângulo O2, onde O2 édefinido como o ângulo entre o normal (142) do MMA (107) e onormal (144) do espelho único (120). Isso orienta oespectroscópio (100) no canal de "referência", em que a luz érefletida a partir do espelho único (120) para um detector dereferência (201), conforme indicado de forma conceituai pelatrajetória do raio (211). O canal de referência permite que aresposta do canal de amostra seja corrigida em tempo real paravariação e outras mudanças sistemáticas, conforme será discutidoposteriormente.

Com referência às FIGS. 2A, 2B e 2C, oespelho único (120) pode ser orientado de modo que o normal(142) do MMA (107) coincida com o normal (144) dos espelhosindividuais do MMA. Isso orienta o espectroscópio (100) demodo que a luz seja direcionada para dentro de uma armadilhaóptica (111), conforme indicado de forma conceituai pelatrajetória de raio (137). Faremos referência a essa orientaçãocomo estado de "zero grau" e ela poderia ser usada como ummétodo para corrigir os canais de amostra e de referência para acorrente escura. Outros métodos de medição da corrente escurasão percebidos com facilidade ao direcionar os espelhos do MMApara longe dos canais de amostra e de referência enquanto elesestão sendo medidos.Usando a nomenclatura acima para definir aorientação do MMA (107) (vide FIGS. 2B e 2C), O1 para o canalde amostra é de preferência em torno de +10°, O2 para o canal dereferência é de preferência em torno de -10°, e o ângulo de estadode zero grau é 9=0°. Observe que o uso de+10e-10 graus é parafins ilustrativos apenas e que os ângulos reais dependerão dodispositivo usado e embora tal ângulo possa ser usado em umaconcretização, geralmente há estados de +Xo e -Xo. Embora aconcretização ilustrada utilize espelhos que têm três estadosdistintos (+Xo, 0, -Xo), concretizações alternativas podem utilizarum MMA com várias posições de espelho, tal como um MMAmovido analogicamente ou um MMA com duas posições distintas(tais como as ilustradas nas FIGS. 2B e 2C) sem estado de 0o. Oespectroscópio pode usar a posição dos espelhos, tantoindividualmente quanto em qualquer combinação, para obter asmedições da amostra, de referência e da corrente escura.

As FIGS. 9A, 9B e 9C ilustram váriosdiagramas de blocos gerais de concretizações do espectroscópioilustrado no diagrama conceituai da FIG. 2A. Para maior clareza,não foram ilustrados os elementos ópticos (205) usados paraformar, nos canais individuais, a imagem da luz processada deforma espectral (isto é, após passar pelo MMA (107)). Essasfiguras foram proporcionadas para ilustrar uma possibilidade decomo se pode realizar uma trajetória óptica real usando o MMA(107) e dois canais de amostra. A FIG. 10 ilustra um esquemaconceituai do espectroscópio que inclui duas entradas luminosase, principalmente, quatro trajetórias luminosas graças à disposiçãode dois espectroscópios (100) na mesma carcaça (101) e ao uso domesmo MMA (107).

A luz incidente no MMA (107) seráencaminhada a partir da fenda (103) e da rede (105) e,possivelmente, pode ser adicionalmente manipulada paramelhorar, entre outras coisas, seu formato, sua dispersão ou suaintensidade. As FIGS. 5 a 7 ilustram uma série de concretizaçõesdo espectroscópio ilustrando a manipulação da trajetória luminosaantes de chegar ao MMA (107). As várias concretizações podemincluir redes de difração côncavas (901), redes de difraçãoconvexas (903), espelhos côncavos (905) ou lentes (907) paramanipular o espectro luminoso antes de ele ser incidido no MMA(107). Nas concretizações das FIGS. 5 a 7, também é incluídauma série de outros objetos para manipular a luz antes de elachegar ao MMA, incluindo espelhos retransmissores (961), lentes(907) e uma lente telecêntrica (951), os quais são adicionadospara tornar todas as luzes incidentes no MMA (107) normais(perpendiculares) à superfície do MMA (107). A inclusão de umfiltro (953) também é possível. Nesta configuração, oespectrômetro (100) pode ser usado para reagrupar a luz no canalde referência (211) ou no canal de amostra (213). O esquema daFIG. 7 refere-se a um espectrômetro (100) atérmico que pode serusado para aumentar a resolução e a precisão de leiturasresultantes em uma grande faixa de temperaturas.A FIG. 3 é uma ilustração conceituai de outraconcretização do espectroscópio. Muitos dos elementos e dastrajetórias de raio de luz relacionadas são os mesmos ilustrados naFIG. 2A e, por motivos de brevidade, não serão definidos outravez. Há, no entanto, novos elementos importantes naconcretização. O canal de referência compreende um segundoespelho (109B) além do espelho no canal de amostra, o que éindicado agora como (109A). A configuração e a operação docanal de amostra são essencialmente as mesmas do canal deamostra ilustrado na concretização da FIG. 2A quando o espelhoúnico (120) do MMA (107) é orientado no ângulo Oi. A luz passapelo espelho único (120) do MMA (107) e é refletida pelo espelho(109A), conforme ilustrado de forma conceituai pelas trajetóriasde raio (213) e (215). A luz então sai da carcaça do espectrômetro(101) e passa por um canal de luz (138), tal como um cabo defibra óptica. A trajetória (215) passa por um acessório de amostra(204) que fica em contato com uma amostra (180) a ser analisada.A resposta óptica do acessório de amostra (204) é retornada pormeio de um canal óptico (138) ao espectroscópio (100) e para umdetector de amostra (203), conforme indicado de forma conceituaipela trajetória de raio (152).

Com referência mais uma vez à FIG. 3, quandoo espelho único (120) do MMA (107) é orientado no ângulo O2, aluz é refletida do espelho único (120) para o espelho (109B),conforme ilustrado de forma conceituai pela trajetória do raio(211). Então, o espelho (109B) reflete a luz, conforme indicado deforma conceituai pela trajetória do raio (215), para fora da carcaçado espectroscópio (101) e para o canal de luz (138B), tal comoum cabo de fibra óptica. A trajetória luminosa (215B) passa porum acessório de referência (304) que fica em contato com umaamostra de referência a ser analisada. A resposta óptica doacessório de referência (304) é retornada por meio de um canalóptico (138B) ao espectroscópio (100) e para um detector dereferência (201), conforme indicado de forma conceituai pelatrajetória luminosa (152).

Como já mencionado, a luz no canal dereferência é direcionada através do acessório de referência (304)por meio dos canais de luz (138B). O acessório de referência(304) pode compreender uma célula de correlação de gásconvencional de hólmio e/ou qualquer outra calibração, materialde referência ou padrão conhecido pelos versados na técnica.

Ainda com referência à FIG. 3, o MMA (107)opera de modo alternado nos canais padrão e de amostra. Asrespostas espectroscópicas correspondentes são medidas no fluido(180), pelo acessório de amostra (204), e no acessório dereferência (304). Uma vez que, por definição, a respostaespectroscópica do acessório de referência é um "padrão dereferência", a resposta espectroscópica do fluido pode sercomparada continuamente à resposta espectroscópica do acessóriode referência, e qualquer variação sistemática dentro doespectroscópio (100) pode ser medida e usada para corrigir essasvariações da resposta do fluido, que incluem ganho e variação dovalor de referência.

A FIG. 4 refere-se à outra concretizaçãoconceituai do espectroscópio (100). Muitos dos elementos e dastrajetórias luminosas relacionadas são semelhantes aos ilustradosnas concretizações anteriores e, por motivos de brevidade, nãoserão definidos novamente. No entanto, também há nessaconcretização novos elementos importantes. O canal de referênciacompreende uma primeira trajetória luminosa (252) direcionadapor um divisor (270) sobre a fonte luminosa (102) e a fenda (103).

A segunda trajetória luminosa (253) proveniente do divisor (270)é enviada ao acessório de amostragem (204). A luz de retorno(256) proveniente do acessório de amostra (204) é direcionadapara uma grade (105) que é usada para dispersar a luz em funçãodo comprimento de onda. Essa luz dispersa, representada deforma conceituai pela trajetória luminosa (257), é projetada sobreo dispositivo MMA (107). O espelho único (120) é novamenteilustrado para fins ilustrativos. O dispositivo MMA (107) é usadopara filtrar a luz com base no comprimento de onda. Essa luzfiltrada é, a seguir, direcionada pelo dispositivo MMA (107) aolongo da trajetória (262) para um primeiro detector de amostra Slilustrado em (203A) ou ao longo da trajetória (260) para umsegundo detector de amostra S2 ilustrado em (203B). É possívelrealizar uma medição de corrente escura para o primeiro detectorde amostra (203A) projetando todas as luzes para longe dessedetector e no ângulo ΘΒ para o detector de amostra (203B) aolongo da trajetória luminosa (260). O contrário também épossível, realizar uma medição de corrente escura para o segundodetector de amostra (203B) projetando todas as luzes para longedesse detector e no ângulo ΘΑ para o detector de amostra (203A)ao longo da trajetória luminosa (262). As medições de ambos osdetectores de amostra Sl (203A) e S2 (203B) podem ser usadaspara informações adicionais de calibração a fim de reduzir otempo de aquisição ou de minimizar os efeitos de ruído e/ouvariação.

Em geral, a luz incidente no MMA (107) tem aforma de um espalhamento espectral. Ou seja, os comprimentosde onda componentes da luz serão espacialmente separados unsdos outros ao serem desviados por diferentes ângulos de uma vezantes de serem incididos no MMA (107). Por via de regra, essaluz terá um espectro abrangendo desde a luz com o maiorcomprimento de onda (vermelho e infravermelho) até a luz com omenor comprimento de onda (violeta e ultravioleta). O espectrode luz (801) é ilustrado como o retângulo de contorno escuro(801) nas FIGS. IlA e IlB com uma extremidade representandoa luz com o menor comprimento de onda e a outra extremidade aluz com o maior comprimento de onda. Deve-se observar que ospontos diretamente verticais uns aos outros nas FIGS. IlAellBtêm o mesmo comprimento de onda. Portanto, as "linhas" noespectro correspondem à dimensão espacial da fenda de entrada,ao passo que as "colunas" no espectro correspondem à dimensãoespectral da dispersão.O MMA (107) é posicionado na carcaça (101)de modo que alguns ou todos os vários comprimentos de luzincidentes no MMA (107) sejam direcionadas para os dois canaisdistintos (211) e (213) ou (260) e (262) dependendo daconcretização. Para maior clareza, nesta discussão, faremosreferência aos canais (211) e (213), embora os canais (260) e(262) possam ser usados em seu lugar, dependendo daconcretização. Cada canal é associado a um detector (201) ou(203) com base no posicionamento dos vários espelhos do MMA(107). O encaminhamento da luz depende da posição específicado espelho do MMA (107) em relação à radiação incidente. Ouseja, os comprimentos de onda são "espectralmente" filtrados peloMMA (107) entre os canais luminosos (211) e (213). Com ointuito de direcionar comprimentos de onda específicos da luzincidente dentro do canal apropriado (211) ou (213), dispositivos,tais como espelhos (961), podem ser colocados nas váriastrajetórias para direcionar os comprimentos de onda incidentessobre eles conforme apropriado para aquele canal (211) ou (213).

Vale a pena observar que o MMA (107) nãoatua como um divisor óptico ou outro dispositivo que envia parteda intensidade para cada trajetória. Em vez disso, o MMA (107)envia uma parte do espectro para uma trajetória sem incluir aoutra. Por exemplo, o MMA (107) pode enviar a parte vermelha,laranja, amarela ou verde do espectro visível para uma trajetória ea parte azul, anil e violeta do mesmo espectro para a outratrajetória. Isso significa que se a primeira trajetória for o canal dereferência (213) o detector (203) não receberá nenhumaincidência azul, anil ou violeta sobre ele naquele momento.

Como alternativa ou em aditamento, uma sériede filtros de ordenação, espelhos dobradiços e/ou lentes decolimação ou lentes de focalização (205) pode ser usada paracoletar e formar imagens policromáticas ou monocromáticas daluz do MMA (207) sobre os detectores apropriados (201) ou (203)para processamento espectral. Deve-se observar que aconcretização da FIG. 7 permite que os espelhos e outroscomponentes sejam usados para uma série de finalidadesdiferentes dependendo de se a luz incide sobre ou é refletida peloMMA (107). Em outra concretização, o espectro incidente sobre oMMA (107) pode ser estruturado temporalmente ou filtradoespacialmente além de ou no lugar da filtragem espectraldiscutida.

Os detectores (201) e (203) podem medirqualquer forma ou espectro de luz e, em uma concretização, osdetectores (201) e (203) utilizam dois fotodiodos de elementoúnico (PDs) como detectores. Em uma configuração alternativa,os detectores (201) e (203) podem usar dois dispositivos de cargaemparelhada (CCDs) bidimensional (2D) ou arranjos de fotodiodo(PDAs). Em ainda outras concretizações, os detectores (201) e(203) compreendem, mas sem a isto se restringirem, TubosFotomultiplicadores (PMTs), Fotodiodos de Avalanche (APDs),detectores CMOS, Bolômetros, qualquer outro detector conhecidopelos versados na técnica ou qualquer combinação dessesdetectores.

Nas várias concretizações discutidas no presentedocumento, o espectroscópio (101) é, de preferência, ligado a umacessório de amostragem (204) que permite que um canal de luzinteraja com uma amostra de teste e, então, retorne a radiação desaída ao detector de amostra (203) e, por conseguinte, ao sistemade controle. O acessório de amostragem (204) pode ser, mas sema isto se restringir, um acessório baseado em fibras ópticas, umasonda de imersão de transmissão, uma sonda de refletância, umasonda de fluorescência, uma célula de fluxo extrativo, outrosdispositivos de amostragem conhecidos pelos versados na técnicaou qualquer combinação de dispositivos de amostragem.

As FIGS. 8A e 8B ilustram um desenhoconceituai de um possível modo de amostragem doespectroscópio (100) da FIG. 2A. Nas FIGS. 8A e 8B, o MMA(107) é usado como um filtro espectral, com a amostragemocorrendo usando uma ou mais bandas estreitas de radiação porvez. A FIG. 8A ilustra uma filtragem espectral em que uma únicabanda estreita de radiação (ou mesmo único comprimento deonda) é usada para investigar a amostra. A banda selecionada é abanda estreita (311). Na FIG. 8A, essa banda (311) percorre ocanal de referência (211) e, como conseqüência, incide sobre odetector de referência (201), ao passo que as bandas restantes(313) percorrem o canal de amostra (213) e são retratadas nodetector de amostra (203). Sendo assim, nesse caso, a banda (311)não incide na amostra, mas contorna a amostra. Uma vez que sedeseja que essa banda (311) passe por interrogação de amostra,nesse caso, o sinal gerado pela banda (311) no detector dereferência (201), como conseqüência, representa um sinal de"não-amostra" que pode ser usado como referência. Nesseesquema, a saída do detector de amostra (203) está sendo gerada apartir de uma parte do espectro que pode ou pode não ser deinteresse. Em particular, a intensidade, a dispersão, oscomprimentos de onda, a largura de banda ou qualquer outracaracterística da banda (311) pode ser detectada pelo detector(201). Ou seja, é possível estabelecer uma determinação de baseou de referência da banda (311).

Na FIG. 8B, a banda (311) é agora direcionadaao canal de amostra (213) para o detector de amostra (203) comas bandas restantes (313) direcionadas ao canal de referência(211) para o detector de referência (201). Agora, a saída dodetector de amostra (203) é de interesse, uma vez que a amostraestá sendo interrogada pelo espectro desejado. A transmissão ouabsorvência percentuais ou outros valores mensuráveis podem sercalculados com base nas medições tanto do canal de amostraquanto do de referência ao comparar a saída dos detectores (201)e (203). Como é evidente, uma vez que a troca entre os doiscanais com o espectro de interesse pode ocorrer de maneirarelativamente rápida e repetida, a saída do detector de referência(201) pode ser usada para normalizar a saída do detector deamostra (203) para oferecer uma leitura escalonada. De modo aatingir a referência mais precisa possível, os dois detectores (201)e (203) serão, em geral, semelhantes, de modo que a saída da luzinteragindo com a amostra e não interagindo com a amostra sejaincidente em detectores semelhantes.

Como pode ser observado por meio das FIGS.8A e 8B, a troca da banda (311) do detector de referência (201)para o detector de amostra (203) (e o movimento correspondentede bandas (313)) é consumada pelo ajuste da posição dos espelhosindividuais no MMA (107). Em específico, com referência à FIG.11A e IlB o espectro incidente sobre o MMA (107) é espalhadoatravés dos espelhos do MMA (107) de modo que diferentescomprimentos de onda sejam incididos em diferentes partes doMMA (107) em geral com um comprimento de onda específicoou com uma banda de comprimento de onda pequeno sendoincidida em cada espelho no arranjo conforme ilustrado. Cadacomponente de espelho individual do MMA (107) pode serajustado de maneira independente entre pelo menos duas posiçõesdiferentes, conforme já revelado. Isso permite que cada uma dasbandas (311) e (313) na FIG. 8A e 8B seja enviada de maneiraindependente ou para o detector de referência (201) ou para o deamostra (203) pela simples seleção de uma disposição dosespelhos.

A luz incidente é, de preferência, direcionada aoMMA (107) de modo que a mudança em cada espelho, ou maismudanças específicas em uma fila, coluna ou diagonal deespelhos, possa direcionar um comprimento de onda específico ouuma banda estreita de comprimentos de onda a uma trajetóriaespecífica. Para tanto, dois métodos diferentes são ilustrados naFIG. 11. Na FIG. 11A, o espectro (801) incide sobre a grade doMMA (107) de modo a alinhar, em geral, cada freqüência de luz auma coluna (ou fila) de espelhos. Como referência, neste caso, acoluna (811) é geralmente alinhada com uma banda pequena decomprimentos de onda (821) na área média, ao passo que a coluna(813) é geralmente alinhada com uma banda pequena decomprimentos de onda (823) limítrofes à banda (821). Outrasbandas podem ser alinhadas com outras colunas de maneirasemelhante. Se a banda de comprimentos de onda (821) na coluna(811) for desejada para medição, os espelhos naquela coluna(811) serão compensados pelos outros espelhos no MMA (107)em sua posição. De forma específica, em geral, a coluna (811)estará na posição +X (correspondendo, por exemplo, ao canalluminoso (211)) quando as colunas restantes (incluindo a coluna(813)) estiverem, em geral, na posição -X (correspondendo, porexemplo, ao canal luminoso (213)) e vice-versa.

Como pode ser observado, uma única colunanão precisa ser segregada e qualquer coluna única ou combinaçãode colunas, até, e incluindo, todas as colunas, pode ser incluída nasegregação. Cada uma das colunas separadas pode então ser usadapara interrogar a amostra e ser referenciada enquanto os espelhosdo MMA (107) trocam de posição. Como deve ser observado, ascolunas não-selecionadas podem ser, em aditamento ou comoalternativa, usadas para interrogar a amostra enquanto os doisgrupos circulam entre os dois canais (211) e (213).

A FIG. 1IB ilustra um esquema alternativo. NaFIG. 11B, a banda espectral (821) é disposta em uma diagonal(815) com o MMA (107). Isso proporciona praticamente a mesmafuncionalidade da FIG. 11A, mas, devido à orientação de cadaespelho em relação ao espectro (com parte de cada bandasobrepondo as bandas adjacentes) uma forma adicional desuavização óptica pode ser atingida ao separar as várias diagonaisem vez de colunas.

A capacidade do MMA (107) em oferecerqualquer número de bandas de comprimento de onda, conformeselecionado, sendo usadas para a avaliação pode permitir que oespectroscópio (100) realize um grande número de ajustesdinâmicos no sinal resultante recebido da amostra. Já que asbandas de comprimento de onda (821) podem ser separadasindividualmente e, portanto, influenciadas, o usuário podeselecionar a natureza de sua interrogação da amostra de um mododependente do comprimento de onda.

Por exemplo, a FIG. 12 ilustra um gráficohipotético ilustrando o MMA (107) sendo usado para permitir ocontrole dinâmico de resolução. A linha (1101) é uma curvamuito lisa e pode ser gerada selecionando-se um grande númerode colunas (811) para interrogar ao mesmo tempo. Por outro lado,a linha (1103) pode ser gerada usando cada coluna individual parainterrogar separadamente. Nesse último caso, a determinação émuito mais exata quanto à absorção de uma banda decomprimento de onda menor, mas a avaliação geralmente levarámais tempo. Dependendo do tipo de saída de dados desejado, épossível selecionar o modo de operação enquanto em uso.

A FIG. 13 ilustra outra estruturação dainterrogação dependente do comprimento de onda desse tipo.Nesta hipótese, o MMA (107) é usado para aperfeiçoardinamicamente a relação sinal ruído. A linha (1111) é um sinalruidoso em ambas as extremidades representando a ocorrêncianormal com as fontes luminosas de banda larga. A linha tracejada(1113) ilustra como o MMA pode oferece intensidade uniformeao longo de toda a extensão do comprimento de onda por meio doajuste dinâmico do período de interrogação, do número decolunas por onde passa luz, do número de linhas na coluna ou devários outros esquemas de controle. Na implementação maiscomum, isso permite que o detector se integre durante um períodode tempo maior, o que permite que os comprimentos de onda deextremidade proporcionem intensidade equivalente comparada àregião de comprimento de onda central removendo, de formaeficaz, as diferenças na porcentagem de transmissão em todos oscomprimentos de onda. Como alternativa, os versados na técnicareconhecerão que a relação sinal-ruído pode ser equilibradacontrolando o ciclo de atividade dos espelhos ou simplesmenteescalonando o tempo de integração para cada banda (821) demodo que a resposta de sinal equivalente resulte de cada bandasendo medida. Ao fazer isso, o canal de referência também poderáser medido de forma comparativa.

A FIG. 14 ilustra uma representação defiltragem dinâmica. Na FIG. 14A, é ilustrada uma banda luminosade comprimento de onda específico (1131) que representa umaresposta de sinal saturado. Em determinadas aplicações, talresposta de sinal saturado pode encobrir ou desviar os detalhesdas respostas de sinal menores (1133), (1135) e (1137). Na FIG.14 B, as seções do espectro correspondentes aos comprimentos deonda problemáticos foram cortadas, eliminando qualquertransmissão naquele comprimento de onda e permitindo que ospicos menores (1133), (1135) e (1137) sejam relativamente maisproeminentes.

A FIG. 15 ilustra o ajuste do canal de amostrapelo escalonamento dinâmico ou normalização ao longo dotempo. Sabe-se que, ao longo do tempo, a operação de umespectroscópio mudará, fazendo com que o espectro medido mudedevido a partes aquecendo-se ou desgastando-se. De fato, essa é aessência das fontes luminosas. Isso é indicado pela linha (1141)que ilustra como, ao longo do tempo, a transmissão de um dadocomprimento de onda desviou-se. Como conseqüência, isso fezcom que o espectroscópio perde sua precisão de calibração. Já quetais mudanças podem ser detectadas pelo canal de referência(211) como não ocorrentes devido à amostra, a capacidade dereferência dinâmica do espectroscópio (100) pode ser usada paracorrigir a perda na calibração, permitindo que a transmissão daporcentagem real se aproxime do ideal (1143).

As FIGS. 12 a 15 ilustram uma série dediferentes benefícios advindos da capacidade de referênciadinâmica graças à existência de duas trajetórias ópticas (211) e(213). Em particular, o espectroscópio (100) pode oferecer umaestruturação dependente do comprimento de onda do espectro queé usado para interrogar a amostra. Essa estruturação pode ser umaestruturação espacial, na qual os elementos específicos da luz sãocontrolados com base no seu posicionamento espacial, ou podeser uma estruturação temporal, na qual a luz é modulada ao longodo tempo.

Em operação, qualquer espelho disposto noestado +Xo pré-selecionado direcionará comprimentos de ondaincidentes para o detector de amostra (203), ao passo que osespelhos no estado -Xo direcionarão os comprimentos de ondaincidentes para o detector de referência (201) ou vice-versa,dependendo da disposição específica. Além disso, quando osespelhos estão entre os estados, a luz pode ser direcionada parauma armadilha de luz (111), conforme ilustra a FIG. 2A.

E evidente que, com uma banda geralmente decomprimento de onda único ou de comprimento de onda pequenoincidente em cada um dos espelhos no MMA (107), é possívelajustar os espelhos para fornecer essas bandas de comprimento deonda incidentes no espelho em qualquer um dos detectores (201)e (203) individualmente ou em qualquer combinação. O estado doponto central (ou 0°) no dispositivo MMA (107) mais atual égeralmente instável e, portanto, a luz não pode ser direcionadacom precisão a qualquer outra parte que não seja os dois estadosneste momento. No entanto, é possível reconhecer que se umaterceira posição do espelho for estável o suficiente, o queprovavelmente ocorrerá em breve graças à tecnologia atual, essaposição pode ser usada para oferecer um terceiro canal distinto.Em uma concretização preferida, esse terceiro canal é usado paraa medição de sinais escuros, nos quais não há luz incidente nocanal de referência (211) nem no canal de amostras (213).Conforme ilustrado na FIG. 2A, com os espelhos dispostos emum terceiro estado (tal como 0°), os comprimentos de onda sãodirecionados a uma armadilha óptica (111), fazendo com queambos os detectores (201) e (203) fiquem temporariamenteescuros. Isso permite que ambos os detectores (201) e (203)realizem uma medição de "sinal escuro" ao mesmo tempo,economizando etapas do processo. Em aditamento, mesmo sem aterceira posição, todos os comprimentos de onda podem serdirecionados para qualquer um dos detectores (201) ou (203),removendo assim toda a radiação incidente advinda do outrodetector (201) ou (203), o que também permite a medição de sinalescuro em tempo quase real no detector (201) ou (203) escuro nomomento. Essa operação possibilita a calibração adicional nadeterminação do "ruído escuro" (a resposta térmica dos detectores(201) e (203), bem como qualquer luz incidente nos detectores(201) e (203) que não está sendo direcionada de propósito a elespela ação do MMA (107)), o qual pode, então, ser anulado pelosistema de controle do espectroscópio (100).

Compreender-se-á também que as FIGS. 8A e8B ilustram o monitoramento de uma banda única em um modode varredura. As FIGS. 16A e 16B ilustram um par de exemplosde como as colunas espectrais (821) podem ser modificadas pararealizar alguns tipos de estruturação. Na FIG. 16A, cada colunatem sua freqüência de largura de banda modulada em freqüênciasindependentes de modo a possibilitar a análise da TransformadaRápida de Fourier (FFT). Em uma abordagem alternativa ilustradana FIG. 16B, em vez de modular cada comprimento de onda emuma freqüência diferente, cada banda pode ser moduladaseqüencialmente na mesma freqüência para aprimorar a relaçãosinal-ruído por meio da divisão óptica. O espectroscópio (100)também pode ser usado para medir várias bandas ao mesmotempo usando o MMA (107) parar processar temporalmente aradiação incidente pela simples alteração da freqüência em quecada banda de comprimento de onda individual é modulada. Isso,por sua vez, concede uma estrutura temporal à radiação incidente.Esse método permite que o espectroscópio (100) leia todos oscomprimentos de onda ao mesmo tempo, ou de formamultiplexada, em vez de varrer individualmente cadacomprimento de onda ou banda de comprimento de ondaindividual em qualquer um dos detectores (201) ou (203). Isso éapenas um método alternativo para o processo espectral usando omesmo espectroscópio (100). Embora a concretização ilustrada naFIG. 2A utilize o MMA (107) para filtragens espectrais, umaconcretização alternativa pode usar o MMA (107) para filtragensespaciais, espectrais ou temporais, permitindo assim um meioalternativo de processar dados, tal como um Espectroscópio daTransformada de Hadamard ou um Espectroscópio daTransformada de Fourier, respectivamente.

O uso de um MMA para um Espectroscópio daTransformada de Hadamard e para um Espectroscópio daTransformada de Fourier foi documentado por DeVerse e col. em"Realization of the Hadamard Multiplex Advantage Using aProgrammable Optical Mask in a Dispersive Flat-Field Near-Infrared Spectrometer". Applied Spectroscopy, vol. 54 No. 12,pgs. 1751-1758 (2000), cuja revelação encontra-se incorporada naíntegra ao presente documento a título de referência. No entanto,em DeVerse, as implementações eram limitadas, pois apenas umúnico canal óptico era utilizado. Ao operar o espectroscópio (100)como um analisador espectral da Transformada de Hadamard oude Fourier e ao utilizar a qualidade de canal duplo doespectroscópio (100) e algoritmos conhecidos pelos versados natécnica de processamento de sinais para a desconvolução doconteúdo espectral dos canais de referência e de amostras, oespectroscópio (100) é capaz de se calibrar dinamicamente e/ouescalonar a saída usando implementações semelhantes às deDeVerse.

Além disso, deve-se reconhecer que, em geral, oespectroscópio (100) não se limita pela configuração de hardwarea qualquer técnica de análise específica, mas pode ser usado paravárias técnicas espectroscópicas incluindo, mas sem a isto serestringir, as descritas em Spudich e col. "Potential for Using aDigital Micromirror Device as a Signal Multiplexer in VisibleSpectroscopy." Applied Spectroscopy, vol. 57 No. 7, pgs. 733-736 (2003); Patente US No. 6.781.691; e nas Publicações dePatentes dos Estados Unidos US 2004/0239923 e US2004/0169858. A revelação de todos esses documentos encontra-se anexada na íntegra ao presente documento a título dereferência.

Em geral, como pode ser evidenciado por meiodas figuras, o espectroscópio (100), utilizando o MMA (107),permite que o sistema de controle selecione qualquer banda oubandas de comprimento de onda para amostragem e estruturebandas temporalmente sem necessitar de nenhuma reconfiguraçãode hardware. Em vez disso, a(s) banda(s) de comprimento deonda inerente(s) desejada(s) é(são) simplesmente selecionada(s)pelo sistema de controle com base no que está disponível na luzincidente e como a operação do MMA (107) é instruída. Apósisso, a(s) banda(s) selecionada(s) sendo usada(s) para amostragempode(m) ser comparadas com um sinal de referência com certafacilidade pelo simples redirecionamento da(s) banda(s) àtrajetória de referência. A medição de uma amostra, portanto,demonstrou boa precisão e estabilidade para um espectroscópiocom uma grande quantidade de espectros utilizáveis e alteráveissem a necessidade de qualquer reconfiguração de hardware.Em operação, o espectroscópio (100) em uso emuma ferramenta de sistema de processamento de fluido (10) podeavaliar o fluido de formação enquanto dentro de um poço dehidrocarbonetos. O óleo, a água e o gás são os principaisconstituintes dos fluidos produzidos em poços de hidrocarboneto,embora outros materiais também possam se fazer presentes. AFIG. 17 é uma representação gráfica da densidade óptica emunidades arbitrárias (ordenada) versus o comprimento de onda λem nanômetros (nm) (abscissa) para óleo, água e gás. As curves(320), (322) e (326) representam o óleo, a água e o gás,respectivamente. Como pode ser observado, cada constituinteexibe pelo menos uma dispersão significativa ou "pico". Porexemplo, a água exibe dois picos elevados em aproximadamente1450±50 nm e 1940±50 nm. O metano exibe um pico forte nafaixa de cerca de 1600 nm a 1650 nm. O hidrocarboneto éassociado à estrutura de pico na faixa de 1650 nm a 1780 nm.

Além disso, tanto o dióxido de carbono (CO2) quanto o sulfeto dehidrogênio (H2S) são mensuráveis na região do infravermelhopróximo sob condições específicas de concentração. O petróleobruto pesado exibe uma grande seqüência contínua abaixo deaproximadamente 1100 nm considerando que as curvas de luz têmuma resposta de absorvência mensurável na região espectralvisível. E evidente que o óleo, a água e o gás exibemcaracterísticas espectrais únicas. A medição de um espectro dotipo ilustrado na FIG. 17 pode, portanto, ser usada para identificarconstituintes do fluido e o dispositivo da FIG. 2A pode ser usadopara medir tal espectro ao testar os fluidos presentes no fundo dopoço. Além disso, a grandeza dos componentes de um espectro decompósito medido pode ser usada para obter as concentrações dosconstituintes. Ademais, o espectro medido pode ser usado paraobter outras propriedades físicas ou químicas.

Em vista da discussão acima da operação doespectroscópio (100), fica evidente que o MMA (107) pode serconfigurado de modo que a luz de um ou mais comprimentos deonda predeterminados entre em contato com o fluido (180). Issotorna a medição espectroscópica sensível a um ou maisconstituintes do fluido. Por exemplo, se o espectroscópio (100)for configurado para emitir luz nas bandas λ=1450±50 nm e1940±50 nm no canal de amostra, a resposta do espectroscópio docanal de amostra será mais sensível ao constituinte água no fluido.Como outro exemplo, o espectroscópio (100) pode serconfigurado de modo que o canal de amostra "varra" oscomprimentos de onda sobre uma faixa predeterminada de bandasde energia. Por exemplo, o espectroscópio (100) pode serconfigurado para emitir luz à amostra em bandas de energiacontíguas de 10 nm de largura e variando de 1000 a 2100 nm. Aresposta espectroscópica do espectroscópio (100) produzirá umespectro, com componentes representando os constituintes deóleo, gás e água, da forma ilustrada na FIG. 17. O espectromedido pode então ser usado para determinar as concentraçõesrelativas dos constituintes do fluido usando vários métodos deanálise espectral. Ademais, o espectro medido pode ser usadopara obter outras propriedades físicas ou químicas.

O processamento dos dados medidos pode serrealizado no processador de fundo de poço disposto depreferência na seção de espectroscópio (16) da ferramenta (10),no processador da superfície disposto no equipamento dasuperfície (32) ou em ambos os processadores. O processamentode fundo de poço ou da superfície dos dados pode serdeterminado pela configuração do sistema testador de formação epela largura de banda telemétrica disponível. Como alternativa, osdados de resposta da ferramenta podem ser armazenados namemória dentro da ou conectados operativamente à ferramenta(10) para poderem ser acessados novamente na superfície. Osresultados podem ser tabelados em função do tempo e/ou daprofundidade em que foram medidos e transmitidos peloequipamento da superfície (32) usando qualquer formato deregistro desejado, incluindo, mas sem a isto se restringir, um"perfil" ou um "gráfico linear".

Concretizada como um sistema de análise defluido de furo de poço (5), a ferramenta (10) é geralmentedisposta a uma profundidade predeterminada dentro do furo depoço (28) na qual o fluido escoa, ou a partir de uma formação deprodução sob pressão em excesso ou a partir da ação de umabomba de poço. A seção de sonda (12) compreende uma porta deentrada através da qual o fluido escoa para dentro da ferramenta(10). Como na concretização da ferramenta de perfílagem deprodução, a seção de bomba da ferramenta (20) e a seção deamostra da ferramenta (18) (vide FIG. 1) não são necessárias. Ofluxo de fluido através da ferramenta (10) e as medições feitaspela ferramenta (10) são essencialmente iguais aos descritos naconcretização de perfilagem de produção. A ferramenta (10) medeas propriedades do fluido em função do tempo e/ou daprofundidade. O tempo de monitoração do fluido pode levar diasou até mesmo semanas. Mais uma vez, os parâmetros típicos deinteresse são relacionados aos constituintes de óleo, água e gás eàs propriedades físicas e químicas do fluido escoando.

Conforme mencionado anteriormente, oespectroscópio (100) pode ser concretizado em um sistema deperfilagem de produção. Com referência à FIG. 1, a seção debomba da ferramenta (20) e a seção de amostra da ferramenta (18)não são necessárias em uma concretização projetada para aperfilagem de produção. Em uma concretização de perfilagem deprodução, a ferramenta (10) é conduzida ao longo do poço (28). Aseção de sonda (12) compreende uma porta para dentro da qual ofluido do furo de poço escoa devido ao movimento relativo daferramenta conduzida (10) ou do fluido produzido. O fluido podeescoar através da seção auxiliar (14), na qual as mediçõesrelacionadas às vazões de fase, à densidade de fluido docompósito, aos fatores de retenção de fase e a qualquer outroparâmetro desejado do constituinte do fluido pode ser feito. Ofluido pode então escoar através da seção de espectroscópio daferramenta (16). As medições relacionadas aos constituintes e àspropriedades físicas e/ou químicas do fluido são feitas na seção deespectroscópio da ferramenta (16), conforme descrito nas seçõesanteriores da presente revelação. Após escoar através da seção deespectroscópio da ferramenta (16), o fluido sai da ferramenta (10)através da porta de saída (não ilustrada) e retorna ao furo do poço(28). As medições espectroscópicas são combinadas às mediçõesda seção auxiliar, no processador (não ilustrado), de preferência,na seção de espectroscópio da ferramenta (16), para obter osparâmetros de perfilagem de produção de interesse tais como asvazões de volume para óleo, água e gás. Esses parâmetros deinteresse são formados em função do tempo e/ou da profundidade(40) no fiiro de poço (28), gerando assim um perfil de produção.

Embora a invenção tenha sido revelada comrelação a certas concretizações preferidas, isso não deve serconsiderado como uma restrição a todos os detalhes mencionados.Modificações e variações das concretizações descritas podem serfeitas sem divergir do âmbito e da essência da invenção, bemcomo outras concretizações podem ser reconhecidas pelosversados na técnica.

Claims (25)

1. - Ferramenta para medir propriedades de umfluido de fundo de poço, a ferramenta sendo caracterizada porcompreender:uma porta para obter uma amostra de fluido defundo de poço; eum espectroscópio, o espectroscópio incluindo:um canal de amostra que avalia oreferido fluido;um canal de referência; eum Arranjo de Microespelhos (MMA)compreendendo elementos que são orientados em seqüência paradirecionar a luz, no comprimento de onda da amostra, para ocanal de amostra e para o canal de referência;em que a resposta do canal de amostrae a resposta do canal de referência são combinadas para produziruma medição de uma propriedade do referido fluido e corrigirmudanças sistemáticas da medição no espectroscópio.

2. - Ferramenta, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o referido espectroscópio avaliapelo menos uma propriedade física ou química do referido fluidodentro do referido furo de poço.

3. - Ferramenta, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a referida ferramenta faz parte deum sistema testador de formação a cabo elétrico.

4. Ferramenta, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de que a referida ferramenta faz parte deum sistema de perfilagem de produção.

5. Ferramenta, de acordo com a reivindicação -1, caracterizada pelo fato de que a referida ferramenta faz parte deum sistema de análise de fluido de fundo de poço.

6. Ferramenta, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de que a referida ferramenta faz parte deum sistema testador de formação de Perfilagem Durante a Perfuração/Medição Durante a Perfuração (LWD/MWD).

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o referido espectroscópioadicionalmente compreende meios para determinar a correnteescura do espectroscópio.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que o referido sistema de controleorienta os elementos do arranjo de microespelhos de módo que aluz seja direcionada para longe ou do canal de amostra ou docanal de referência, e as respostas do detector de referência e do detector de amostra, respectivamente, são usadas para determinaras correntes escuras do respectivo canal.

9. Sistema para medir propriedades de umfluido de dentro de um furo de poço, o sistema sendocaracterizado por compreender: uma ferramenta, a ferramenta incluindo;um elemento de isolamento de furo depoço para isolar uma parte de uma formação de terra;uma porta para obter uma amostra defluido de formação a partir da referida parte isolada; eum espectroscópio, o referidoespectroscópio incluindo:uma fonte luminosa;um Arranjo de Microespelhos(MMA) que é usado para filtrar comprimentos de onda;um canal de amostra compreendendoum acessório de amostragem em contato óptico com o fluido;um detector de amostra; eum canal de referênciacompreendendo um detector de referência;um sistema de controle que orienta os elementosdo referido arranjo de microespelhos de modo que a luz em umcomprimento de onda de amostra seja direcionada para o referidocanal de amostra, e que orienta alternadamente os elementos doreferido arranjo de microespelhos de modo que a luz no referidocomprimento de onda de amostra seja direcionada para o referidocanal de referência; eum processador para combinar as respostas doreferido detector de amostra e do referido detector de referênciapara obter uma medição de pelo menos uma propriedade de umfluido dentro de um furo de poço e para corrigir as mudançassistemáticas da medição no referido espectroscópio.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado pelo fato de que o referido espectroscópioadicionalmente compreende meios para determinar a correnteescura do espectroscópio.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação-10, caracterizado pelo fato de que o referido sistema de controleorienta os elementos do arranjo de microespelhos de modo que aluz seja direcionada para longe ou do canal de amostra ou docanal de referência, e as respostas do detector de referência e dodetector de amostra, respectivamente, são usadas para determinaras correntes escuras do respectivo canal.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação-11, caracterizado pelo fato de que essas medições são usadasposteriormente para corrigir os efeitos adversos da variação defundo das medições do espectroscópio.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado pelo fato de que a referida ferramentaadicionalmente inclui:uma seção de espectroscópio da ferramenta emque o referido espectroscópio é disposto; euma seção de sonda na qual a referida parte édisposta.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação-13, caracterizado pelo fato de que a referida ferramentaadicionalmente inclui:uma seção de bomba da ferramenta.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado por adicionalmente compreender:uma unidade telemétrica de superfície;uma seção eletrônica e telemétrica daferramenta disposta na ferramenta incluindo uma unidadetelemétrica de fundo de poço; eum canal de dados conectandooperacionalmente a referida unidade telemétrica de fundo de poçocom a unidade telemétrica de superfície, permitindo assim que areferida medição da referida pelo menos uma propriedade sejaenviada por telemetria à referida unidade telemétrica desuperfície.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado por adicionalmente compreender uma seção deamostragem para reter uma amostra do referido fluido deformação.

17. Ferramenta, de acordo com areivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a referidaferramenta faz parte de um sistema testador de formação a caboelétrico.

18. Ferramenta, de acordo com areivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a referidaferramenta faz parte de um sistema testador de formação dePerfilagem Durante a Perfuração/Medição Durante a Perfuração(LWD/MWD).

19. Método para medir uma propriedade deum fluido dentro de um furo de poço, o método sendocaracterizado por compreender:dispor um espectroscópio dentro do furo dopoço, o espectroscópio compreendendo um canal de amostra queinterage com um fluido, um canal de referência e um Arranjo deMicroespelhos (MMA) compreendendo elementos demicroespelho;orientar seqüencialmente os elementos demicroespelho para direcionar a luz, em um comprimento de ondade amostra, para o referido canal de amostra e para o referidocanal de referência; ecombinar uma resposta do referido canal deamostra e uma resposta da referida câmara de referência paraobter uma medição de uma propriedade do fluido e corrigir asmudanças sistemáticas da medição no espectroscópio.

20. Método, de acordo com a reivindicação-19, caracterizado pelo fato de que o referido método é realizadopor um sistema testador de formação a cabo elétrico.

21. Método, de acordo com a reivindicação-19, caracterizado pelo fato de que o referido método é realizadopor um sistema de perfilagem de produção.

22. Método, de acordo com a reivindicação-19, caracterizado pelo fato de que o referido método é realizadopor um sistema de análise de fluido de fundo de poço.

23. Método, de acordo com a reivindicação19, caracterizado pelo fato de que o referido método é realizadopor um sistema testador de formação de Perfilagem Durante aPerfuração/Medição Durante a Perfuração (LWD/MWD).

24. Sistema, de acordo com a reivindicação19, caracterizado pelo fato de que o referido espectroscópioadicionalmente compreende meios para determinar a correnteescura do espectroscópio.

25. Ferramenta para medir propriedades deum fluido de fundo de poço dentro de um furo de poço, aferramenta sendo caracterizada por compreender:meios para isolar uma parte de uma formação deterra;meios para obter uma amostra de fluido deformação a partir da referida parte isolada;meios para avaliar uma propriedade do referidofluido de formação; emeios que permitem a correção de mudançassistêmicas na referida avaliação enquanto a referida ferramentaestá no fundo do poço dentro do referido furo de poço.