BRPI0806676B1 - Portador para fibra óptica com pluralidade de sensores ópticos - Google Patents

Description

(54) Título: PORTADOR PARA FIBRA ÓPTICA COM PLURALIDADE DE SENSORES ÓPTICOS (51) lnt.CI.: G01C 19/72 (30) Prioridade Unionista: 16/01/2007 US 60/885,048,19/12/2007 US 11/960,007 (73) Titular(es): BAKER HUGHES INCORPORATED (72) Inventor(es): CLARK D. BOYD (85) Data do Início da Fase Nacional: 16/07/2009

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PORTADOR PARA FIBRA ÓPTICA COM PLURALIDADE DE SENSORES ÓPTICOS. Antecedentes da Invenção

A presente invenção refere-se, de maneira geral, a tecnologias 5 de fibra óptica. Em particular, a invenção se refere à fibra óptica que contém sensores de pressão e de temperatura ao longo de seu comprimento.

Sensores eletrônicos disponíveis medem uma série de valores, como pH, cor, temperatura ou pressão, para citar alguns. Para sistemas que requeiram uma seqüência de sensores eletrônicos por uma longa distância, por exemplo, vinte a trinta quilômetros ou mais, torna-se difícil energizar os sensores eletrônicos. Convencionalmente, a energização de sensores eletrônicos requer a distribuição de fios elétricos desde uma fonte de alimentação até cada um dos sensores eletrônicos. Energizar eletricamente sensores eletrônicos não tem sido uma tarefa confiável na indústria de petróleo e gás.

Por exemplo, os fios elétricos que se estendem por longas distâncias estão sujeitos a uma quantidade significativa de interferência e ruído, reduzindo assim a precisão dos sensores eletrônicos.

As fibras ópticas se tornaram o meio de comunicação de escolha para comunicação a longa distância devido a suas excelentes características de transmissão de luz por longas distâncias e facilidade de fabricação de comprimentos de muitos quilômetros. Adicionalmente, a luz que é transmitida pode interrogar os sensores, prevenindo a necessidade de fios elétricos extensos. Isso é particularmente importante na indústria de petróleo e gás, onde são usadas seqüências de sensores eletrônicos em poços para moni25 torar as condições na perfuração.

Como resultado, na indústria de petróleo e gás, sensores de fibras ópticas passivos são usados para obter medições dentro do poço, como pressão ou temperatura. É usada uma seqüência de fibras ópticas dentro de um sistema de fibra óptica para comunicar informações a partir de poços que estão sendo perfurados, assim como de poços completados. A fibra óptica pode ser distribuída com sensor de fibra óptica de pressão-temperatura de ponto simples. Fibras ópticas discretas são totalmente descritas no pediPetição 870180051571, de 15/06/2018, pág. 6/14 < do de patente internacional N° PCT/US 04/28625, cujo titulo é Optical Sensor with Co-Located Pressure and Temperature Sensors. Este pedido é incorporado ao contexto à guisa de referência em sua integridade.

Adicionalmente, é possível gravar uma série de retículos de 5 Bragg de fibra fracamente refletora (FBGs - Fiber Bragg Gratings) em um comprimento de fibra óptica ou um único sensor do tipo Point Fabry-Perot pode ser unido a um comprimento de fibra óptica. Um sinal óptico é transmitido pela fibra, o qual é refletido e/ou disperso de volta para um receptor e analisado para caracterizar parâmetros externos ao longo do comprimento da fibra óptica. Usando esta informação, é possível obter medições dentro do poço que incluem, mas não estão limitadas a, temperatura, pressão e ambiente químico.

Para FBGs fracamente refletoras que são gravadas em um comprimento de fibra óptica, não existe sistema eficiente de carregar FBGs e de distribuir estes sensores dentro do poço, e existe a necessidade por tal sistema.

Sumário da Invenção

Um aspecto da invenção é direcionado a um sistema para portar uma fibra óptica tendo uma pluralidade de sensores ópticos gravados ou localizados nela. Tais fibras ópticas podem se estender por longas distâncias e podem ser distribuídas em poços de petróleo e gás.

Breve Descrição dos Desenhos

Estas e outras características, aspectos e vantagens do período se tornarão melhor entendidas quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência aos desenhos anexos em que caracteres similares representam partes similares em todos os desenhos, em que:

a figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de sensores ópticos distribuídos sendo portados sobre uma parte de um tubo capilar de parede espessa, de acordo com a presente invenção, com a fibra ópti30 ca/sensores omitidos por questão de clareza;

a figura 2 é uma vista em corte transversal do tubo capilar ao longo da linha 2-2 na figura 1;

a figura 3A é uma vista em corte transversal do tubo capilar ao longo da linha 3-3 na figura 1; a figura 3B é uma outra modalidade da figura 3A; e a figura 4 é uma outra vista em corte transversal do tubo capilar 5 na direção longitudinal ao longo da linha 4-4 na figura 1.

Descrição Detalhada

Conforme está ilustrado nos desenhos anexos e discutido abaixo em detalhes, a presente invenção está direcionada a sensores ópticos distribuídos ao longo de uma fibra óptica. De acordo com a presente invenção, uma pluralidade de sensores de temperatura/pressão é formada sobre uma fibra óptica. Embora seja possível usar qualquer tipo de sensor, como retículos Bragg (FBGs) ou Fabry-Perot, intrínsecos ou extrínsecos, prefere-se FBGs porque eles podem ser gravados imediatamente sobre a fibra óptica. A fibra óptica com sensores ópticos distribuídos sobre ela é carregada, de preferência, na parede lateral de um tubo capilar. O sensor óptico e tubo capilar podem se estender por longas distâncias, por exemplo, diversos quilômetros ou milhas, e podem cobrir toda a profundidade de um poço de petróleo e gás. Em uma modalidade preferida, o tubo capilar é um tubo capilar de metal de parede espessa que é tipicamente usado para carregar sensores ópticos de pressão e temperatura discretos, como um sensor de Fabry-Perot intrínseco ou um sensor de Fabry-Perot extrínseco.

Com referência à figura 1, é ilustrado um tubo capilar de metal de parede espessa 10. O tubo capilar 10 pode ter qualquer comprimento e, em um exemplo, o tubo 10 tem um diâmetro externo de cerca de 6,35 mm (0,250 polegadas) e um diâmetro interno de cerca de 4,69 mm (0,185 polegadas). Pode-se usar tubo capilar de qualquer espessura, contanto que o tubo capilar tenha espessura suficiente para suportar a fibra óptica e os sensores ópticos. O tubo 10 tem uma fenda longitudinal 12 formada ao longo de todo o seu comprimento. A fenda 12 deve ter uma largura que seja suficiente para carregar nela uma fibra óptica com cobertura de núcleo e ser pequena o suficiente para não ter impacto significativo sobre a integridade estrutural do tubo capilar 12. Tipicamente, a fenda 12 pode ser usinada ou recortada a * partir de um tubo capilar convencional, conforme é mostrado na figura 2. Ao longo da superfície do tubo 10 em locais predeterminados, áreas 14 são modeladas. Conforme é melhor mostrado nas figuras 3A e 3B, uma parte das paredes laterais do tubo 10 é usinada para formar uma seção de parede fina 16, que age como um diafragma sensível ao diferencial de pressão através dele. A seção 16 de parede fina pode ter uma superfície plana, conforme é mostrado nas figuras 1 e 3A ou a fenda 12 pode permanecer sobre a superfície da seção de parede fina 16, conforme é mostrado na figura 3B. Embora apenas duas áreas modeladas 14 sejam mostradas, qualquer número de áreas modeladas 14 pode ser formado no tubo 10. O espaçamento entre as áreas modeladas adjacentes 14 pode ser selecionado, onde quer que se deseje medições de pressão e temperatura. Em um exemplo, o espaçamento pode ser de alguns centímetros e mais.

Alternativamente, a fenda 12 pode ser omitida e a fibra óptica 20 pode ser fixada ao tubo capilar 10 em forma de serpentina para absorver a expansão/contração térmica do tubo 10. A fixação pode ser contínua ou em pontos discretos.

Dentro de cada área modelada 14, pelo menos um sensor óptico, por exemplo, FBG 18, é formado na fibra óptica 20, conforme é melhor mostrado na figura 4. FBG 18 é fixado à seção de parede fina 16, por meio de qualquer método conhecido, como soldagem a laser ou por epóxi ou adesivo, tal que , conforme a seção 18 de parede fina flexione ou dobre, o FBG 18 também flexione ou dobre. FBG 18 também pode ser metalizado, por deposição a vapor de metal sobre o sensor ou por meio de outras técnicas co25 nhecidas. O espaço interno 22, de preferência, é selado para reter uma pressão de referência (P_ref) substancialmente constante dentro dele. Conforme a pressão a ser medida fora do tubo capilar 10 mudar, a diferença de pressão arqueia a seção 16 de parede fina, que age como um diafragma. FBG 18 também se curva ao longo da seção 16 de parede fina e muda a freqüência do sinal óptico refletido pelo FBG. Uma unidade de instrumentação superficial (SIU - Surface Instrumentation Unit) (não-mostrada) recebe a freqüência alterada e lê a pressão na área modelada 14.

Em uma modalidade alternativa, o tubo capilar 10 e o espaço interno 22 são segmentados em uma pluralidade de seções seladas, por exemplo, por paredes ou membranas ortogonais ao eixo longitudinal do tubo capilar, similar aquele de uma haste de bambu. Um ou mais sensores ópticos podem estar localizados sobre cada segmento. Uma vantagem de segmentar o espaço interno 22 em seções seladas é que se o espaço interno 22 for rompido, isto é, exposto à pressão do poço, apenas a seção rompida é afetada e o resto do tubo capilar permanece selado para os sensores ópticos restantes funcionarem.

Entre áreas perfiladas adjacentes 14, a fibra óptica 20, de preferência, é livremente recheada ou colocada dentro da fenda 12, conforme é melhor mostrado na figura 4. A liberdade da fibra óptica 20 entre áreas perfiladas 14 permite que a parte solta absorva a expansão e a contração térmica do tubo capilar de metal 10 e permite a folga necessária para enrolar o tubo capilar 10 em carretéis. A quantidade de parte solta pode ser determinada a partir do coeficiente de expansão térmica do material do tubo capilar 10 e/ou do raio do carretei. Opcionalmente, um segundo FBG 24 é proporcionado próximo ao FBG 18 para medir as alterações na temperatura. Em outras palavras, FBG 18 arqueia com a seção de parede fina 16 para medir a tensão/deformação e o FBG 24 mede as alterações de temperatura e compensa o efeito da temperatura no FBG 18.

Como a fibra óptica 20 pode se estender por longas distâncias, espera-se que um grande número de fibras ópticas seja gravada ou localizada sobre a fibra óptica. Como tal, prefere-se que sejam empregadas técnicas de processamento de sinal avançadas para distinguir os sinais refletidos pelos múltiplos sensores ópticos. Tais técnicas avançadas são descritas no pedido de patente U.S., de propriedade comum, número de série 11/222.357, cujo título é System and Method for Monitoring a Well e depositado em 08 de setembro de 2005. O pedido de patente ‘357 é incorporado ao contexto à guisa de referência em sua integridade, entre outras coisas, o pedido ‘357 descreve uma técnica de intercalação física, onde as pluralidades de sensores são dispostas ao longo do comprimento de uma fibra óptica em cada lado de um refletor de referência. Nesta técnica, os sensores correspondentes são colocados a distâncias equiparadas do refletor para aumentar o comprimento de sensoriamento. Adicionalmente, a técnica de intercalação física pode ser expandida para combinar múltiplos comprimentos de sensoriamento dentro de uma fibra óptica para aumentar um comprimento total de sensoriamento. O pedido ‘357 também discute a combinação da técnica de intercalação física de múltiplos comprimentos de sensoriamento com multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), onde cada comprimento de sensoriamento individual é projetado para responder ape10 nas a um comprimento de onda que é ligeiramente diferente do próximo comprimento de onda. Isso pode aumentar adicionalmente o comprimento de sensoriamento por meio de uma função do número de divisões de comprimento de onda que estão presentes. Adicionalmente, é possível gerar comprimentos de sensoriamento adicionais usando-se uma técnica de pola15 rização, mais especifícamente, empregando-se FBGs de banda estreita colocados fora da distância de amostragem Nyquist. Técnicas adicionais de processamento de sinal são discutidas ou citadas no pedido de patente ‘357.

Embora fique aparente que as modalidades ilustrativas da invenção descritas aqui preenchem os objetivos da presente invenção, apre20 cia-se que inúmeras modificações e outras modalidades podem ser visualizadas por aqueles que são versados na técnica. Por exemplo, o tubo capilar 10 pode ser substituído por um portador de um outro formato, como vasos de pressão esféricos ou cilíndricos que tenham sido perfilados para formar neles seções de parede fina. Adicionalmente, característica(s) e/ou elemen25 to(s) de qualquer modalidade pode(m) ser usado(s) sozinhos ou em combinação com características e/ou elementos de outra(s) modalidade(s). Logo, será entendido que as reivindicações anexas destinam-se a cobrir todas tais modificações e modalidades que estejam dentro do espírito e escopo da presente invenção.

Claims (14)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Portador para uma fibra óptica tendo uma pluralidade de sensores ópticos localizados nela, caracterizado por compreender:

   um corpo oco selado tendo uma parede lateral longitudinal, em 5 que a parede lateral longitudinal é perfilada em pelo menos um local predeterminado para formar uma seção de parede fina e em que pelo menos um sensor óptico é fixado à dita seção de parede fina, tal que a dita seção de parede fina se curva em resposta a uma diferença de pressão através da seção de parede fina e a dita diferença de pressão é percebida pelo dito pelo

   10 menos um sensor óptico.
2. 2. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo oco selado é um tubo capilar.
3. 3. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo oco selado compreende um vaso de pressão esférico

   15 ou cilíndrico.
4. 4. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parede lateral compreende adicionalmente uma fenda definida nela.
5. 5. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe20 Io fato de que a fibra óptica é disposta de maneira solta no interior da dita fenda.
6. 6. Portador de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a fenda é definida sobre a seção de parede fina.
7. 7. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe25 Io fato de que a fibra óptica é fixada a uma superfície externa do corpo oco.
8. 8. Portador de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica é fixada à superfície do corpo oco em forma de serpentina.
9. 9. Portador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pe30 Io fato de que a fibra óptica é fixada de maneira intermitente à superfície externa do corpo oco.
10. 10. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado

    Petição 870180051571, de 15/06/2018, pág. 7/14 pelo fato de que a fibra óptica compreende adicionalmente um sensor óptico de temperatura próximo ao sensor óptico de pressão.
11. 11. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor óptico de pressão é metalizado.

    5
12. 12. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que possui um espaço interno, em que o dito espaço interno é segmentado em uma pluralidade de espaços selados.
13. 13. Portador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma localização compreende uma pluralida10 de de localizações predeterminadas dispostas em uma disposição em série.
14. 14. Portador de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a seção de parede fina compreende uma área plana.

    Petição 870180051571, de 15/06/2018, pág. 8/14

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