ES2900544T3 - Sistema de sensor óptico - Google Patents

Abstract

Un sistema (100) de sensor para detectar la presión de un primer fluido, comprendiendo el sistema (100) de sensor - una fibra óptica (102) de detección que está configurada para detectar presión, - al menos una carcasa (104) de sensor que incorpora la fibra óptica (102) de detección, por lo que la carcasa (104) del sensor está llena de un segundo fluido (120), conteniendo la carcasa (104) del sensor un medio (112) de transferencia de presión no hermético comprendido en el sistema (100) de sensor y colocado en la carcasa (104) del sensor de manera que la presión del primer fluido pueda transferirse a través del medio (112) de transferencia de presión al segundo fluido (120) hacia la fibra óptica (102) de detección para determinar en base a ella la presión del primer fluido en donde el sistema (100) comprende una carcasa interior (110) comprendida en la carcasa (104) del sensor, estando el sistema de sensor caracterizado por que la carcasa interior (110) está en conexión abierta con el segundo fluido (120) de la carcasa (104) del sensor y proporciona protección adicional a la fibra óptica (102) de detección de modo que la fibra óptica (102) no se puede doblar.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de sensor óptico

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un sensor óptico para detectar presión. Más particularmente, la presente invención se refiere a una fibra óptica de detección encapsulada para medir la presión, en la que la sensibilidad a la presión y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura están principalmente determinadas por las propiedades de la fibra óptica de detección y no por la carcasa de sensor del sensor.

Antecedentes de la invención

Hay dos parámetros curiales que se deben monitorizar o rastrear en un pozo de perforación, que son la temperatura y la presión. Estos datos se pueden utilizar para optimizar la capacidad de producción del pozo, el método de exploración que se debería realizar y el valor económico del pozo. Este último ha sido descrito por Ma et al. en Opt. Eng. 53(8) (2014) 087102. Además, dependiendo de las diferentes aplicaciones, un sistema de monitorización se puede clasificar en un sistema de monitorización a largo plazo o un sistema de monitorización de resolución de problemas a corto plazo, como se describe en Eck et al. en Oilfield Review (1999) 20 - 33.

Con este propósito, los sensores de fibra óptica basados en redes de Bragg en fibra (FBG, por sus siglas en inglés) se han beneficiado de sus numerosas ventajas en aplicaciones de fondo de pozo, como la ausencia de requerimientos de energía eléctrica en el elemento sensor, la sensibilidad inherente a la temperatura y la alta resistencia al entorno hostil. Con respecto a la monitorización de temperatura en el entorno de fondo de pozo, un FBG bien calibrado puede simplemente lograr este objetivo con una sensibilidad significativa a la temperatura. Sin embargo, cuando se trata de la monitorización de presión en el entorno de fondo de pozo, la mayoría de los sensores de presión disponibles comercialmente dependen de un encapsulado del sensor que también afecta a la sensibilidad a la presión y/o a la sensibilidad cruzada con la temperatura, y/o al tiempo de respuesta a la presión del sensor FBG. Las influencias del encapsulado del sensor en estos parámetros no siempre son las preferidas, pero son difíciles de evitar. La patente US2007/0292071 describe una carcasa de sensor que tiene un tubo de sensor flexible que contiene un fluido de transmisión y que tiene extremos sellados y un sensor óptico conectado a una fibra óptica para medir la presión. El tubo de sensor flexible está dispuesto dentro de un elemento filtrante permeable y poroso saturado con un fluido limpio.

Compendio de la invención

Es un objeto de las realizaciones de la presente invención proporcionar buenos sensores basados en fibra óptica para detectar presión, mediante los cuales la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura estén determinados principalmente por la fibra óptica de detección.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que se proporcionan sensores para la detección de presión y/o se proporcionan para la detección combinada de presión y temperatura.

Es una ventaja de al menos algunas realizaciones de la presente invención que se proporcionan sensores que son capaces de separar la información de temperatura de la información de presión con una sensibilidad cruzada de presión y temperatura despreciable.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que se proporcionan sistemas de sensores que tienen una carcasa de sensor que no solo ofrece protección mecánica de la fibra, sino que también proporciona transferencia de presión desde el fluido del pozo a la fibra óptica de detección.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que el mecanismo de transferencia de presión está diseñado de tal manera que no se induce una sensibilidad cruzada de presión y temperatura adicional.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que se puede realizar la detección con una temperatura y presión operativas de hasta al menos 150 °C y 700 bar, respectivamente.

La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas y se refiere a un sistema de sensor para detectar la presión de un primer fluido, comprendiendo el sistema de sensor una fibra óptica de detección que está configurada para detectar presión, al menos una carcasa de sensor que incorpora la fibra óptica de detección, por lo que la carcasa del sensor está llena de un segundo fluido, conteniendo la carcasa del sensor un medio de transferencia de presión no hermético comprendido en el sistema de sensor y colocado en la carcasa del sensor de modo que la presión del primer fluido pueda transferirse a través del medio de transferencia de presión al segundo fluido hacia la fibra óptica de detección para determinar basándose en la misma una presión del primer fluido.

El primer fluido puede ser un líquido o un gas. El segundo fluido también puede ser un líquido o un gas.

Es una ventaja de las realizaciones de la presente invención que la carcasa del sensor del sistema de sensor no contribuye o solo contribuye poco a la sensibilidad a la presión, y/o al tiempo de respuesta a la presión, y/o a la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema de sensor, de modo que la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema de sensor están definidos principalmente por la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura de la fibra óptica de detección. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que no quedan atrapadas permanentemente burbujas de aire dentro de la carcasa del sensor. Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que las burbujas de aire que estén temporalmente dentro de la carcasa del sensor no afectarán a la sensibilidad a la presión y/o al tiempo de respuesta a la presión, y/o a la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sensor.

El medio de transferencia de presión puede elegirse de tal manera que la carcasa del sensor del sistema de sensor no contribuya o solo contribuya poco a la sensibilidad a la presión, y/o al tiempo de respuesta a la presión, y/o a la sensibilidad cruzada de temperatura y presión del sistema de sensor, por lo que la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema de sensor están definidos principalmente por la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura de la fibra óptica de detección.

Una ventaja de las realizaciones de la presente invención es que la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura está al menos en un 50% determinada por la fibra óptica de detección.

El medio de transferencia de presión puede ser una estructura rígida como, por ejemplo, un filtro de presión metálico. El medio de transferencia de presión puede ser un filtro de presión de metal sinterizado.

Además, el sistema puede comprender una barrera de presión para proporcionar aislamiento entre el fluido dentro de la carcasa del sensor y la fibra de conexión para leer la señal óptica de la fibra óptica de detección.

El primer fluido puede ser un líquido o un gas. En algunas realizaciones, el primer fluido es un líquido.

El segundo fluido puede ser un líquido o un gas. En algunas realizaciones, el segundo fluido es un líquido.

La fibra óptica de detección puede comprender una red de Bragg en fibra.

La fibra óptica de detección puede comprender un elemento de detección de Fabry-Perot.

La fibra óptica de detección puede ser una fibra microestructurada.

Además, la fibra óptica de detección puede estar configurada para medir la temperatura.

El medio de transferencia de presión puede estar adaptado para mantener el segundo fluido dentro de la carcasa. Puede seleccionarse una porosidad particular para el medio de transferencia de presión.

El medio de transferencia de presión puede estar adaptado de manera que la mezcla del segundo fluido con el primer fluido se minimice o incluso no se produzca. Puede seleccionarse una porosidad particular para el medio de transferencia de presión.

Según la invención, el segundo fluido está en contacto directo con la fibra óptica de detección.

Según la invención, el sistema comprende una carcasa interior comprendida en la carcasa del sensor, estando la carcasa interior en conexión abierta con el fluido de la carcasa del sensor y brindando protección adicional a la fibra óptica de detección de modo que la fibra no se pueda doblar (por ejemplo, siendo la carcasa interior un capilar perforado, que rodea la fibra).

Los aspectos particulares y preferidos de la invención se establecen en las reivindicaciones independientes y dependientes adjuntas. Se pueden combinar características de las reivindicaciones dependientes con características de las reivindicaciones independientes y con características de otras reivindicaciones dependientes según sea apropiado y no simplemente como se establece explícitamente en las reivindicaciones.

Con el propósito de resumir la invención y las ventajas logradas sobre la técnica anterior, se han descrito anteriormente en la presente memoria ciertos objetos y ventajas de la invención. Por supuesto, debe entenderse que no necesariamente todos estos objetos o ventajas pueden lograrse de acuerdo con cualquier realización particular de la invención. Así, por ejemplo, los expertos en la técnica reconocerán que la invención puede realizarse o llevarse a cabo de una manera que logre u optimice una ventaja o grupo de ventajas como se enseña en la presente memoria sin lograr necesariamente otros objetos o ventajas que se puedan enseñar o sugerir en la presente memoria.

Los aspectos anteriores y otros de la invención resultarán evidentes a partir de, y se aclararán con referencia a, las realizaciones descritas a continuación.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describirá ahora con más detalle, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la Figura 1 muestra un diseño esquemático de un sensor MS-FBG encapsulado como se puede usar en realizaciones de la presente invención

la Figura 2 muestra un esquema de diseño general y una fotografía de un sensor MS-FBG encapsulado ejemplar como se puede usar en realizaciones de la presente invención.

la Figura 3 ilustra un filtro (a) y un filtro en un soporte (b), como se pueden utilizar en realizaciones de la presente invención.

la Figura 4 muestra un dibujo de una configuración experimental para la calibración de presión a varias temperaturas.

la Figura 5a ilustra el espectro de longitud de onda de la resonancia de Bragg de un sensor MS-FBG, como se puede utilizar en realizaciones de la presente invención.

la Figura 5b ilustra las respuestas de resonancia de Bragg del sensor MS-FBG encapsulado en la calibración de presión a tres temperaturas diferentes, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

la Figura 6 ilustra la sensibilidad a la presión de la separación de picos de un sensor MS-FBG encapsulado a tres temperaturas diferentes, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

la Figura 7a ilustra el tiempo de respuesta a la presión del sensor MS-FBG encapsulado a temperatura ambiente, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

la Figura 7b ilustra el tiempo de respuesta a la presión del sensor MS-FBG encapsulado a 150 °C, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

la Figura 8 ilustra las evoluciones de la resonancia de Bragg del sensor MS-FBG encapsulado en la calibración de temperatura, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

la Figura 9a ilustra la resonancia de Bragg individual y la Figura 9b ilustra las respuestas de separación de picos y los resultados de sus ajustes en la calibración de temperatura, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

la Figura 10a ilustra la evolución de la resonancia de Bragg y la Figura 10b ilustra la presión y temperatura calculadas a partir de la variación de longitud de onda en la prueba de choque térmico, ilustrando características de realizaciones particulares de la presente invención.

Los dibujos son solo esquemáticos y no son limitativos. En los dibujos, el tamaño de algunos de los elementos puede ser exagerado y no estar dibujado a escala con fines ilustrativos. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden necesariamente a reducciones a la práctica reales de la invención.

Cualquier símbolo de referencia en las reivindicaciones no se interpretará como una limitación del alcance.

En los diferentes dibujos, los mismos símbolos de referencia se refieren a elementos iguales o análogos.

Descripción detallada de realizaciones ilustrativas

La presente invención se describirá con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invención no está limitada a los mismos, sino únicamente a las reivindicaciones.

Los términos primero, segundo y similares en la descripción y en las reivindicaciones se usan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir una secuencia, ya sea temporalmente, espacialmente, en una clasificación o de cualquier otra manera. Debe entenderse que los términos así usados son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en la presente memoria pueden funcionar en otras secuencias distintas a las descritas o ilustradas en la presente memoria.

Además, la terminología direccional como superior, inferior, frontal, posterior, inicial, final, debajo de, encima de, y similares en la descripción y las reivindicaciones se utiliza con fines descriptivos con referencia a la orientación de los dibujos que se describen, y no necesariamente para describir posiciones relativas. Debido a que los componentes de las realizaciones de la presente invención se pueden colocar en varias orientaciones diferentes, la terminología direccional se usa solo con fines ilustrativos, y de ninguna manera se pretende que sea limitativa, a menos que se indique lo contrario. Por tanto, debe entenderse que los términos así usados son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en la presente memoria pueden funcionar en otras orientaciones distintas a las descritas o ilustradas en la presente memoria.

Debe observarse que el término "comprendiendo/que comprende", utilizado en las reivindicaciones, no debe interpretarse como restringido a los medios enumerados a continuación; no excluye otros elementos o etapas. Por lo tanto, debe interpretarse como que especifica la presencia de los elementos, números enteros, etapas o componentes indicados como se mencionan, pero no excluye la presencia o adición de uno o más elementos, números enteros, etapas o componentes o grupos de los mismos. Por lo tanto, el alcance de la expresión "un dispositivo que comprende los medios A y B" no debe limitarse a dispositivos que constan únicamente de los componentes A y B. Significa que, con respecto a la presente invención, los únicos componentes relevantes del dispositivo son A y B.

La referencia a lo largo de esta especificación a "una realización" significa que un elemento, estructura o característica particular descrito/a en relación con la realización está incluido/a en al menos una realización de la presente invención. Por tanto, las apariciones de la frase "en una realización" en varios lugares a lo largo de esta especificación no se refieren todas necesariamente a la misma realización, pero pueden hacerlo. Además, los elementos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, como resultará evidente para un experto en la técnica a partir de esta descripción, en una o más realizaciones.

De manera similar, debe apreciarse que en la descripción de las realizaciones ejemplares de la invención, varios elementos de la invención a veces se agrupan juntos en una sola realización, figura o descripción de la misma con el propósito de simplificar la descripción y ayudar en la comprensión de uno o más de los diversos aspectos inventivos. Sin embargo, este método de descripción no debe interpretarse como un reflejo de la intención de que la invención reivindicada requiera más elementos de los que se mencionan expresamente en cada reivindicación. Más bien, como reflejan las siguientes reivindicaciones, los aspectos inventivos residen en menos de todos los elementos de una única realización descrita anteriormente. Por tanto, las reivindicaciones que siguen a la descripción detallada por la presente se incorporan expresamente en esta descripción detallada, con cada reivindicación manteniéndose por sí sola como una realización separada de esta invención.

Además, aunque algunas realizaciones descritas en la presente memoria incluyen algunos pero no otros elementos incluidos en otras realizaciones, se pretende que las combinaciones de elementos de diferentes realizaciones estén dentro del alcance de la invención y formen diferentes realizaciones, como entenderán los expertos en la técnica. Por ejemplo, en las siguientes reivindicaciones, cualquiera de las realizaciones reivindicadas puede usarse en cualquier combinación.

Cabe señalar que el uso de terminología particular cuando se describen ciertos elementos o aspectos de la invención no debe implicar que la terminología se esté redefiniendo en la presente memoria para restringirla a incluir características específicas de los elementos o aspectos de la invención con los que se asocia esa terminología.

En la descripción proporcionada en la presente memoria, se establecen numerosos detalles específicos. Sin embargo, se entiende que las realizaciones de la invención se pueden poner en práctica sin estos detalles específicos. En otros casos, los métodos, estructuras y técnicas bien conocidos no se han mostrado en detalle para no dificultar la comprensión de esta descripción.

Si bien la invención se ha ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior, dichas ilustración y descripción deben considerarse ilustrativas o ejemplares y no restrictivas. La descripción anterior detalla ciertas realizaciones de la invención. Se apreciará, sin embargo, que independientemente de lo detallado que aparezca lo anterior en el texto, la invención se puede poner en práctica de muchas maneras. La invención no se limita a las realizaciones descritas.

Los expertos en la técnica pueden comprender y realizar otras variaciones de las realizaciones descritas al poner en práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la descripción y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra "comprendiendo" no excluye otros elementos o etapas, y los artículos indefinidos "un" o "una" no excluyen una pluralidad. El mero hecho de que se mencionen determinadas medidas en reivindicaciones dependientes diferentes entre sí no indica que una combinación de estas medidas no pueda utilizarse ventajosamente. Cualquier símbolo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como una limitación del alcance.

Cuando en realizaciones de la presente invención se hace referencia a la sensibilidad cruzada de presión y temperatura, se hace referencia al hecho de que si la temperatura cambia, la presión también cambia aparentemente, mientras que este no es necesariamente el caso en la realidad. Por lo general, los sensores deben compensarse por esto. De acuerdo con las realizaciones de la presente invención, la sensibilidad cruzada de presión y temperatura puede mantenerse baja debido al hecho de que la fibra utilizada tiene una sensibilidad cruzada de presión y temperatura relativamente baja y debido al hecho de que la sensibilidad cruzada de presión y temperatura está determinada principalmente por la fibra. La influencia de la carcasa en la sensibilidad cruzada de presión y temperatura es, según las realizaciones de la presente invención, limitada.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de sensor para detectar la presión de un primer fluido. El primer fluido puede ser un líquido o un gas. Puede ser, por ejemplo, aceite, agua, gas, etc. El sistema de sensor puede, por ejemplo, ser especialmente adecuado para aplicaciones de fondo de pozo, p. ej. aplicaciones en la industria del petróleo, gas o agua. Según la presente invención, el sistema de sensor comprende una fibra óptica de detección que está configurada para detectar la presión y al menos una carcasa de sensor que incorpora la fibra óptica de detección, por lo que la carcasa del sensor está llena con un segundo fluido. El segundo fluido puede ser un líquido o un gas. Según la presente invención, la carcasa del sensor contiene un medio de transferencia de presión no hermético comprendido en el sistema de sensor y colocado en la carcasa del sensor de modo que la presión del primer fluido pueda transferirse a través del medio de transferencia de presión al segundo fluido hacia la fibra óptica de detección para determinar en base a ella la presión del primer fluido.

En realizaciones particulares, la fibra óptica de detección utilizada es una fibra microestructurada. La fibra óptica de detección puede comprender una red de Bragg en fibra. La fibra óptica de detección puede ser, por ejemplo, una fibra óptica de detección como se describe en la solicitud de patente Europea EP2502102, incorporándose aquí la especificación de la misma por referencia, aunque las realizaciones no se limitan a la misma.

En realizaciones particulares, el medio de transferencia de presión puede seleccionarse, por ejemplo, de modo que la carcasa del sistema sensor no contribuya o solo contribuya poco a la sensibilidad a la presión, y/o al tiempo de respuesta a la presión, y/o a la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema sensor. En otras palabras, la sensibilidad a la presión y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema de sensor están principalmente, p. ej. al menos en un 50%, como p. ej. al menos en un 60%, como p. ej. al menos en un 70%, como p. ej. al menos en un 80%, p. ej. al menos en un 90%, p. ej. al menos en un 99% definidos por la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura de la fibra óptica de detección. El medio de transferencia de presión puede ser una estructura rígida. Puede ser un filtro de presión de metal, como por ejemplo un filtro de presión de metal sinterizado. En algunas realizaciones ejemplares, las porosidades del filtro pueden estar entre 1 gm y 100 gm. Ejemplos de materiales que pueden usarse, aunque las realizaciones no se limitan a los mismos, son aluminio, acero inoxidable, titanio, acero súper dúplex, etc.

Según la invención, la al menos una carcasa está llena con un segundo fluido. Ejemplos de tal fluido pueden ser aceite de silicona o aceite mineral, aunque las realizaciones no se limitan a los mismos.

En realizaciones particulares, la al menos una carcasa puede estar hecha de uno de los siguientes materiales: acero inoxidable 316, acero súper dúplex, titanio, Inconel, aunque las realizaciones no se limitan a los mismos.

A modo de ilustración, no limitándose las realizaciones de la presente invención al mismo, se describirá a continuación un sistema 100 de sensor ejemplar, que ilustra características y ventajas estándar y opcionales. En la Figura 1 se muestra una vista de conjunto esquemática del diseño general del sistema 100 de sensor basado en microestructura FBG encapsulado ejemplar. El sistema 100 de sensor se basa en un sensor de microestructura FBG (sensor MS-FBG) que es capaz de monitorizar hasta 280 °C de temperatura y hasta 1400 bar de presión simultáneamente. Más importante aún, una sensibilidad cruzada de presión-temperatura- insignificante de este sensor y el principio de detección único para medir directamente la presión hacen que el sistema de sensor sea un buen candidato en la industria del petróleo y el gas. El sistema 100 de sensor según el presente ejemplo está implementado con protección en el elemento de detección, es decir, la fibra óptica 102 de detección, con el fin de cumplir con los requisitos de fondo de pozo. La principal funcionalidad de la carcasa 104 del sensor es ofrecer una protección a la parte frágil de la fibra óptica 102 de detección, permitiendo que la fibra óptica 102 de detección sea transportada, manipulada, instalada y entregada de manera segura al lugar de medición y proteger la fibra óptica 102 de detección del entorno hostil durante la operación de campo. Mientras tanto, la carcasa 104 del sensor no debe poner en peligro la integridad de la presión en el entorno de fondo de pozo y debe permitir una transferencia completa del fluido del pozo a la fibra óptica 102 de detección. Además, el fluido del pozo y las partículas del pozo deben mantenerse alejados de la fibra óptica 102 de detección. El fluido, denominado segundo fluido 120, en torno a la fibra óptica 102 de detección puede ser controlado.

El sistema 100 de sensor MS-FBG encapsulado según el presente ejemplo comprende 5 partes diferentes, incluida la fibra óptica 102 de detección MS-FBG, la barrera 106 de presión para conectar la fibra óptica 102 de detección a una fibra 108 de conexión para leer la señal, la carcasa interior 110 del sensor, la carcasa 104 del sensor y el medio 112 de transferencia de presión no hermético como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2. Se analizará a continuación la funcionalidad de cada parte.

La fibra óptica 102 de detección utilizada en el presente ejemplo es una FBG escrita por láser de femtosegundo en fibra microestructurada, para lograr simultáneamente detección de presión y temperatura, empalmada a una fibra recubierta de poliimida de alta NA (Fibercore SM1500 (6,4/125) P) como la fibra de entrada. El experto en la técnica conoce la producción de MS-FBG. Prácticamente, la longitud de la fibra óptica microestructurada 102 de detección puede optimizarse no solo para minimizar el tamaño total del sensor sino también para maximizar la producción de red por unidad de longitud. La fibra de entrada pasa a través de una barrera 106 de presión a la cámara 118 de conexión/empalme donde la fibra de entrada se conecta usando un empalme 114 de fibra a la fibra 108 de conexión procedente del cable 116 de conexión para leer la señal de reflexión. La fibra 108 de conexión y el empalme 114 de fibra están en el presente ejemplo colocados en la cámara 118 de conexión/empalme. La posición de la red está colocada a 4 cm del extremo de la fibra óptica MSF 102 de detección, lo suficientemente lejos para evitar que le afecte el sellado de la estructura de microagujeros como es necesario en la detección de presión.

La barrera 106 de presión utilizada en el presente ejemplo necesita proporcionar un buen aislamiento entre la presión del fluido de dentro de la carcasa 104 del sensor y la fibra 116 de conexión que podría estar acoplada al área de presión atmosférica. La barrera 106 de presión en el sistema ejemplar consta de 2 subpartes: (1) una parte que la fibra de entrada está sellada herméticamente en un capilar de alta presión y (2) otra parte que una férula comprimida está fijada en el capilar junto con una tuerca hueca. Con este propósito, el sellado en torno a la fibra de entrada asegura que no se produzcan fugas entre la fibra de entrada y la pared interior del capilar, y la férula comprimida y la tuerca hueca aseguran el sellado entre la pared exterior del capilar y la carcasa 104 del sensor.

La carcasa interior 110 del sensor sirve como protección mecánica adicional para la parte de la fibra óptica MS-FBG 102 de detección.

En el presente ejemplo, la carcasa 104 del sensor está hecha de acero inoxidable de grado marino 316, que ofrece una protección mecánica principal en el entorno final, como se muestra en la Figura 2. La carcasa 102 del sensor también está provista de una brida, una rosca más grande y ranuras para un par de juntas tóricas para ser montada en una cámara 118 de empalme o conexión. La cámara 118 de empalme o conexión tiene la función de conectar el cable 116 de conexión a la carcasa 104 del sensor y alojar el empalme 114 entre la fibra 108 de conexión procedente del cable 116 de conexión y la fibra 102 de entrada de la fibra óptica de detección. El otro extremo de la carcasa 104 del sensor está hecho para sujetar el filtro (metal sinterizado) para la transferencia de presión, también denominado medio 112 de transferencia de presión, y también está provisto de una rosca para hacer una conexión directa a la tapa del extremo para bloquear el filtro.

El medio 112 de transferencia de presión consiste en un filtro de alta presión de metal sinterizado con una porosidad entre 1 pm y 100 pm, p. ej. 5 pm, montado en un soporte, ver Figura 3. De esta manera, la presión del fluido del pozo se puede transferir al sensor que está lleno con aceite de silicona (Dow Corning 710) de antemano. Más importante aún, el fluido del pozo y sus contenciones pueden mantenerse fuera del sensor.

Además, se analizan ahora los resultados experimentales del sensor MS-FBG encapsulado.

La sensibilidad a la presión del sensor MS-FBG encapsulado se determina dentro del intervalo de funcionamiento de presión y temperatura de trabajo. Para esto, el sensor MS-FBG encapsulado se conecta a través de un accesorio de alta presión a una configuración de calibración de presión hidráulica en combinación con un horno, como se muestra en la Figura 4. Las lecturas de referencia se registran con un medidor de presión digital y un medidor de temperatura. En la parte óptica, las resonancias de Bragg del MS-FBG se rastrean con un interrogador óptico que utiliza una fuente de luz despolarizada. Finalmente, toda la información se transmite y se combina en un PC externo para el procesamiento de datos.

La calibración de la presión se realiza de 0 a 700 bar en etapas de 100 bar y esto a 3 temperaturas diferentes (temperatura ambiente, 85 °C y 150 °C). El tiempo de espera para cada etapa de presión se establece en 1 minuto con una tasa de registro de datos de 1 Hz. La Figura 5a ilustra el espectro de longitud de onda de la resonancia de Bragg de un sensor MS-FBG, como puede usarse en realizaciones de la presente invención. La Figura 5b presenta las respuestas de resonancia de Bragg del sensor MS-FBG encapsulado para las calibraciones de presión a tres temperaturas diferentes. La resonancia de Bragg de eje lento tiene una sensibilidad de presión significativa positiva y obvia, mientras que la resonancia de Bragg de eje rápido tiene una sensibilidad de presión negativa y menor.

En la Figura 6, se presenta la calibración de presión de la separación de picos para las tres temperaturas diferentes. Se puede ver que las tres curvas de calibración se superponen muy bien. Esto se puede explicar porque ambos picos del sensor MS-FBG ven el efecto de la temperatura casi como un efecto de modo común y, por lo tanto, los cambios de temperatura se reducen significativamente cuando se monitoriza la evolución de la separación de picos. Además, se puede observar que la separación de picos cambia casi linealmente con la presión, lo que da como resultado una sensibilidad de aproximadamente 3,1 pm/bar. La barrera de presión no mostró ningún signo de fugas de aceite, lo cual es ventajoso para mantener el aceite de silicona dentro de la carcasa del sensor y para evitar que el fluido sea empujado a través del cable de conexión.

A continuación, se determina el tiempo de respuesta del sensor MS-FBG encapsulado cuando se expone a un cambio rápido de presión. En esta prueba, el sensor se expone a una rápida caída de presión que se aplicó abriendo la válvula de la línea de purgado como se muestra en la Figura 4. La caída se aplicó a partir de diferentes valores iniciales, dados como 100%, 75%, 50% y 25% de la presión máxima de funcionamiento de 700 bar. La prueba se realizó a temperatura ambiente y a 150 °C, ver Figura 7a y Figura 7b. El interrogador de detección óptica de la fibra está configurado para tener una frecuencia de muestreo fija de 2 Hz y, por lo tanto, esto dicta el límite inferior para la determinación del tiempo de respuesta. Las Figuras 7a y 7b presentan la evolución de las resonancias de Bragg en las pruebas de tiempo de respuesta a la presión a temperatura ambiente y a 150 °C respectivamente. Se puede observar que el tiempo de respuesta a la presión del sensor MS-FBG encapsulado es casi instantáneo dentro del intervalo de temperatura y presión de funcionamiento. En algunos casos, se puede capturar un punto intermedio en los estados transitorios. Por tanto, se puede afirmar que el tiempo de respuesta a la presión es del orden de 1 segundo o más rápido.

A continuación, se determina la sensibilidad a la temperatura del sensor MS-FBG encapsulado dentro del intervalo de temperatura de trabajo a presión atmosférica. Para ello, se coloca un sensor MS-FBG encapsulado en la cámara climática. Las resonancias de Bragg son registradas cada 30 segundos por el mismo interrogador óptico. La calibración de temperatura varía de 20 °C a 150 °C en etapas de 26 °C durante un ciclo completo. En cada etapa, la evolución del sensor se monitoriza durante 2 horas. Obsérvese que es necesario establecer un tiempo de espera largo debido a la masa térmica relativamente grande en torno al elemento sensor que proviene de la carcasa protectora y el aceite que lo rodea. La Figura 8 expresa las evoluciones de la resonancia de Bragg durante la calibración de temperatura. Debido a la inercia térmica, solo las últimas 0,7 horas de cada etapa son estables. En la figura solo se muestran estas medidas estables.

Para calcular la sensibilidad a la temperatura de cada resonancia de Bragg y la de la separación de picos, se usa un enfoque lineal como se muestra en las Figuras 9a y 9b. Se obtiene una sensibilidad de 10,63 pm/°C, 10,65 pm/°C y 0,019 pm/°C para las resonancias de Bragg de eje rápido, de eje lento, y la separación de picos, respectivamente.

Dado que la presión fue constante (presión atmosférica) durante la prueba, la sensibilidad residual a la temperatura de la separación de picos es una medida de la sensibilidad cruzada de presión y temperatura, que se puede estimar dividiendo la sensibilidad a la temperatura de la separación de picos por la sensibilidad a la presión. Al hacerlo, se obtiene un valor de 6,25 x 10-3 bar/°C. Este valor tan pequeño es muy comparable con la sensibilidad cruzada del MS-FBG desnudo, que es de 6,06 x 10-3 bar/°C. La pequeña diferencia está relacionada con la sensibilidad a la presión ligeramente diferente que proviene de la diferencia en el intervalo de presión probado (1400 bar en comparación con 700 bar, lo que resultó en una sensibilidad de 3,3 pm/bar en comparación con 3,1 pm/bar).

Finalmente, se evalúan el tiempo de respuesta a la temperatura y el error de presión cuando el sensor está expuesto a un choque térmico. Se puso un sensor MS-FBG encapsulado en el horno a 150 °C durante varias horas para asegurar que la temperatura interna se estabilizara. Luego, el sensor se pone en agua a temperatura ambiente (TA) para crear un cambio repentino de temperatura. Todo el proceso se monitoriza con un interrogador que monitoriza ambos estados de polarización y con una frecuencia de muestreo de 10 Hz, para monitorizar ambas longitudes de onda de la resonancia de Bragg.

La Figura 10a presenta las evoluciones de la longitud de onda de Bragg del sensor MS-FBG encapsulado durante la prueba de choque térmico. Como se puede observar, se necesitan varios minutos antes de que el sensor se estabilice en la temperatura. Por supuesto, esto es considerablemente más largo que con la fibra sola (segundo tiempo de respuesta similar) debido a la gran diferencia en la masa térmica de la carcasa del sensor y el fluido de dentro de la carcasa del sensor. Sin embargo, durante este período de estabilización, la separación de picos, que es una medida de la presión, está cambiando solo en torno a 1 pm en un cambio de temperatura de 130 °C. Podemos verificar que la sensibilidad a la temperatura de la separación de picos de este sensor es de alrededor de 0,008 pm/°C (=1 pm/130 °C), que es muy comparable al valor que hemos determinado usando la calibración de temperatura.

A continuación, los parámetros de calibración de este sensor MS-FBG encapsulado se pueden enumerar aquí: la sensibilidad a la temperatura son 10,54 pm/°C, 10,55 pm/°C para la resonancia de Bragg de eje rápido y eje lento, y la sensibilidad a la presión son -0.285 pm/bar, 2,8 pm/bar para la resonancia de Bragg de eje rápido y eje lento. Con estos parámetros, podemos obtener la lectura de presión y temperatura simultáneamente en base al cambio de resonancia de Bragg individual a través de un enfoque lineal, ver la Figura 10b. Como se puede observar, la lectura de temperatura calculada del sensor MS-FBG encapsulado sigue muy bien el cambio de la temperatura ambiental. Mientras tanto, la lectura de presión calculada permanece relativamente estable con menos de 0,25 bar de diferencia durante el tránsito de temperatura.

En un aspecto, la presente invención también se refiere al uso de un sistema de sensor como se describe en el primer aspecto para medir al menos la presión de un primer fluido. La presente invención también se refiere a un método para medir al menos la presión de un primer fluido, usando un sistema sensor como se describió anteriormente. Según una ventaja de las realizaciones de la presente invención, el método puede dar como resultado una medición de la presión o una medición de la presión y la temperatura por lo que la sensibilidad cruzada entre la presión y la temperatura es limitada.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (100) de sensor para detectar la presión de un primer fluido, comprendiendo el sistema (100) de sensor - una fibra óptica (102) de detección que está configurada para detectar presión,

- al menos una carcasa (104) de sensor que incorpora la fibra óptica (102) de detección, por lo que

la carcasa (104) del sensor está llena de un segundo fluido (120),

conteniendo la carcasa (104) del sensor un medio (112) de transferencia de presión no hermético comprendido en el sistema (100) de sensor y colocado en la carcasa (104) del sensor de manera que la presión del primer fluido pueda transferirse a través del medio (112) de transferencia de presión al segundo fluido (120) hacia la fibra óptica (102) de detección para determinar en base a ella la presión del primer fluido

en donde el sistema (100) comprende una carcasa interior (110) comprendida en la carcasa (104) del sensor, estando el sistema de sensor caracterizado por que

la carcasa interior (110) está en conexión abierta con el segundo fluido (120) de la carcasa (104) del sensor y proporciona protección adicional a la fibra óptica (102) de detección de modo que la fibra óptica (102) no se puede doblar.

2. Un sistema (100) de sensor según la reivindicación 1, en donde el segundo fluido es un líquido.

3. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio (112) de transferencia de presión está elegido de manera que la carcasa (104) de sensor del sistema (100) de sensor no contribuya a la sensibilidad a la presión, y/o al tiempo de respuesta a la presión, y/o a la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema (100) de sensor, para que la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura del sistema (100) de sensor estén definidos por la sensibilidad a la presión, y/o el tiempo de respuesta a la presión, y/o la sensibilidad cruzada de presión y temperatura de la fibra óptica (102) de detección.

4. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio (112) de transferencia de presión es una estructura rígida.

5. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio (112) de transferencia de presión es un filtro de presión de metal sinterizado.

6. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema comprende además al menos una barrera (106) de presión para proporcionar aislamiento entre el fluido de dentro de la carcasa (104) del sensor y una fibra (116) de conexión que se utiliza para leer la señal óptica de la fibra óptica (102) de detección.

7. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fibra óptica (102) de detección comprende una red de Bragg en fibra (FBG).

8. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fibra óptica (102) de detección comprende un elemento Fabry-Perot de detección.

9. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fibra óptica (102) de detección es una fibra microestructurada.

10. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fibra óptica (102) de detección además está configurada para medir la temperatura.

11. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio (112) de transferencia de presión está adaptado para mantener el segundo fluido (120) dentro de la carcasa.

12. Un sistema (100) de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio (112) de transferencia de presión está adaptado de manera que no existe la mezcla del segundo fluido (120) con el primer fluido.

13. Uso de un sistema de sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores para medir la presión de un primer fluido.