ES2905643B2 - IN SITU IDENTIFICATION SYSTEM OF PETROLEUM PRODUCTS IN RESERVOIRS - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
SISTEMA DE IDENTIFICACIÓN IN SITU DE PRODUCTOS PETROLÍFEROSIN SITU IDENTIFICATION SYSTEM OF PETROLEUM PRODUCTS
EN YACIMIENTOSIN FIELDS
SECTOR TÉCNICOTECHNICAL SECTOR
Esta invención es de utilidad en la industria petrolera y muy especialmente en el sector de la extracción de productos petrolíferos en instalaciones, yacimientos y/o prospecciones petrolíferas, así como en el sector del seguimiento de procesos en refinerías petrolíferas e instalaciones semejantes.This invention is useful in the oil industry and especially in the sector of the extraction of petroleum products in installations, deposits and/or oil prospecting, as well as in the sector of process monitoring in oil refineries and similar installations.
Más en particular, la presente invención se refiere a un sistema capaz de identificar crudos in situ y en tiempo real en un yacimiento de productos petrolíferos, es decir, en la propia ubicación en la que se encuentran dichos productos.More particularly, the present invention refers to a system capable of identifying crude oil in situ and in real time in a deposit of petroleum products, that is, in the very location where said products are found.
Una de las ventajas del sistema según la presente invención es, por tanto, que hace innecesario el tener que transportar muestras de dichos productos petrolíferos desde la posición del yacimiento, hasta otra ubicación diferente, para que puedan ser analizados.One of the advantages of the system according to the present invention is, therefore, that it makes it unnecessary to have to transport samples of said petroleum products from the position of the reservoir, to a different location, so that they can be analyzed.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Los productos petrolíferos, por ejemplo los crudos, son mezclas complejas formadas por hidrocarburos líquidos y otros componentes, tales como componentes volátiles disueltos, asfaltenos y resinas (que habitualmente se encuentran en suspensión coloidal), sólidos dispersados e incluso agua emulsionada. En consecuencia, la composición y distribución específica de hidrocarburos de un producto petrolífero puede variar notablemente de un caso a otro. Petroleum products, for example crude oils, are complex mixtures made up of liquid hydrocarbons and other components, such as dissolved volatile components, asphaltenes and resins (usually found in colloidal suspension), dispersed solids and even emulsified water. Consequently, the composition and specific distribution of hydrocarbons in a petroleum product can vary markedly from case to case.
Por ello, para poder decidir cuál es el uso más adecuado para un producto petrolífero presente en un yacimiento y gestionarlo adecuadamente, es muy importante poderlo identificar y clasificar en base a su composición química y a la distribución específica de los distintos hidrocarburos de los que consta. En el estado de la técnica se conocen diversos métodos destinados a este fin, así como para poder detectar posibles variaciones en la composición del producto petrolífero durante la explotación del yacimiento.Therefore, in order to decide which is the most appropriate use for an oil product present in a reservoir and manage it properly, it is very important to be able to identify and classify it based on its chemical composition and the specific distribution of the different hydrocarbons it consists of. Various methods are known in the state of the art for this purpose, as well as for being able to detect possible variations in the composition of the petroleum product during the exploitation of the reservoir.
La mayoría de los métodos de identificación de productos petrolíferos del estado de la técnica están basados en el hecho de que ciertas propiedades físico-químicas de dichos crudos petrolíferos, tales como -por ejemplo- su índice de refracción, densidad, viscosidad o espectro de absorción óptica, varían dependiendo del producto petrolífero del que se trate y de las fracciones específicas de hidrocarburos y otros componentes que están presentes en el mismo.Most of the state-of-the-art methods for identifying petroleum products are based on the fact that certain physical-chemical properties of said petroleum crudes, such as -for example- their refractive index, density, viscosity or absorption spectrum Optically, they vary depending on the petroleum product in question and the specific fractions of hydrocarbons and other components that are present in it.
Los métodos del estado de la técnica empleados más frecuentemente en el laboratorio para la identificación y clasificación de crudos y otros productos petrolíferos están basados en técnicas de cromatografía de gases, detección por ionización de llama y/o espectroscopía de masas.The state-of-the-art methods most frequently used in the laboratory for the identification and classification of crude oil and other petroleum products are based on gas chromatography techniques, flame ionization detection and/or mass spectroscopy.
Por otro lado, los productos petrolíferos suelen encontrarse en yacimientos (expresión que en esta descripción engloba -entre otros- a los pozos, instalaciones y/o prospecciones petrolíferas), ubicados bajo tierra a grandes profundidades, habitualmente, mayores que 1 Km.On the other hand, oil products are usually found in deposits (an expression that in this description includes -among others- wells, facilities and/or oil prospecting), located underground at great depths, usually greater than 1 km.
Esto provoca que los productos petrolíferos allí acumulados estén sometidos, en la mayoría de los casos, a unas condiciones extremas: frecuentemente la presión es superior a los 800 bares y la temperatura es igual o superior a los 170°C. This means that the petroleum products accumulated there are subjected, in most cases, to extreme conditions: frequently the pressure is higher than 800 bars and the temperature is equal to or higher than 170°C.
Las elevadas temperaturas, presiones y profundidades a las que se encuentran los yacimientos de productos petrolíferos y las restricciones de accesibilidad que estas condiciones imponen, impiden aplicar los métodos convencionales -anteriormente descritos- en la propia ubicación del yacimiento, para analizar in situ los productos petrolíferos.The high temperatures, pressures and depths at which oil product deposits are found and the accessibility restrictions that these conditions impose, prevent the application of conventional methods -previously described- at the location of the deposit itself, to analyze oil products in situ. .
Por ello, para poder identificar los productos petrolíferos y determinar la distribución de los hidrocarburos que están presentes en un yacimiento de productos petrolíferos, lo más habitual es extraer una muestra de dicho producto petrolífero y transportarla posteriormente -para que pueda ser analizada- hasta un lugar especializado, normalmente un laboratorio, en el que las condiciones ambientales son las propias de condiciones normales: temperatura próxima a la temperatura ambiente (entre 20 y 25 °C) y presión próxima a la presión atmosférica (1,01 Bar).For this reason, in order to identify the petroleum products and determine the distribution of the hydrocarbons that are present in a petroleum product deposit, the most common thing is to extract a sample of said petroleum product and transport it later -so that it can be analyzed- to a place specialized, normally a laboratory, in which the environmental conditions are those of normal conditions: temperature close to room temperature (between 20 and 25 °C) and pressure close to atmospheric pressure (1.01 Bar).
Una vez allí, se estudian las propiedades físicas de la muestra extraída, tales como su densidad, índice de refracción, viscosidad y comportamiento óptico para poder identificar el producto petrolífero y estimar la composición química de las distintas sustancias de las que se compone.Once there, the physical properties of the extracted sample are studied, such as its density, refractive index, viscosity, and optical behavior in order to identify the petroleum product and estimate the chemical composition of the different substances of which it is composed.
El hecho de tener que transportar la muestra hasta otra ubicación diferente conlleva, entre otras, las siguientes desventajas: complica el procedimiento de análisis de los productos petrolíferos, lo ralentiza y aumenta los costes asociados al mismo. Además, durante el transporte de la muestra pueden producirse alteraciones de su contenido en fragmentos volátiles.The fact of having to transport the sample to a different location entails, among others, the following disadvantages: it complicates the petroleum product analysis procedure, slows it down and increases the costs associated with it. In addition, during the transport of the sample, alterations of its content in volatile fragments may occur.
En vista de dichas desventajas, se han desarrollado varios sistemas de análisis in situ de yacimientos de productos petrolíferos.In view of these drawbacks, various in situ analysis systems for petroleum product reservoirs have been developed.
Así, por ejemplo, existen varios sistemas de análisis de productos petrolíferos basados en los llamados "sensores de núcleo de hielo” (en inglés, "Ice Core Sensors”). Estos sistemas emplean redes de sensores, en las que cada uno de dichos sensores está diseñado específicamente para detectar la huella óptica (en el rango del infrarrojo medio y lejano) de unos componentes químicos predeterminados. La variación de intensidad de dicha huella óptica permite determinar la concentración del compuesto químico correspondiente.Thus, for example, there are several oil product analysis systems based on so-called "Ice Core Sensors". These systems use networks of sensors, in which each of These sensors are specifically designed to detect the optical fingerprint (in the mid and far infrared range) of predetermined chemical components. The intensity variation of said optical trace makes it possible to determine the concentration of the corresponding chemical compound.
No obstante, gran parte de los componentes ópticos empleados en dichos sistemas con sensores de núcleo de hielo (tales como las fuentes ópticas, detectores y fibras ópticas), son más costosos de lo habitual al tener que cumplir con unas características técnicas especiales, que les permitan trabajar correctamente en el rango del infrarrojo medio y lejano (es decir, aquellos rangos del espectro electromagnético con una longitud de onda comprendida entre los 2.500 nm y los 1.000 ^m). De hecho, el precio de dichos componentes es, frecuentemente, del orden de cuatro veces superior al de los componentes ópticos diseñados para trabajar en el espectro visible.However, a large part of the optical components used in said systems with ice core sensors (such as optical sources, detectors and optical fibers), are more expensive than usual, as they have to comply with special technical characteristics, which allow them to work correctly in the mid and far infrared range (that is, those ranges of the electromagnetic spectrum with a wavelength between 2,500 nm and 1,000 ^m). In fact, the price of such components is often on the order of four times higher than that of optical components designed to work in the visible spectrum.
También se conocen varios sistemas de análisis de productos petrolíferos basados en herramientas de sensor óptico de retención de gas (también conocidas por su acrónimo en inglés, GHOST). Dichos sistemas Ghost son capaces de detectar cambios de índice de refracción de una muestra de producto petrolífero para determinar si dicha muestra contiene petróleo, gas o agua. Para esto miden la diferencia de intensidad en la luz en una longitud de onda concreta reflejada por la muestra.Various petroleum product analysis systems based on Gas Retention Optical Sensor (also known by its acronym, GHOST) tools are also known. These Ghost systems are capable of detecting changes in the refractive index of a petroleum product sample to determine if the sample contains oil, gas, or water. To do this, they measure the difference in intensity of light at a specific wavelength reflected by the sample.
Los sistemas Ghost sólo son capaces de diferenciar si la muestra contiene petróleo, gas o agua, por lo que sería ventajoso desarrollar sistemas de identificación de productos petrolíferos más versátiles y que fuesen capaces de inferir diferentes propiedades físico-químicas características de dichos productos petrolíferos.Ghost systems are only capable of differentiating whether the sample contains oil, gas or water, so it would be advantageous to develop more versatile petroleum product identification systems capable of inferring different characteristic physicochemical properties of said petroleum products.
Se conocen, igualmente, varios sistemas basados en los sensores de fibra de ión selectivo (ISF), los cuales miden la concentración concreta de especies químicas que reaccionan con unas fibras especiales que son selectivas a ciertos iones. Al igual que en el caso anterior, sería ventajoso desarrollar sistemas de identificación de productos petrolíferos más versátiles que fuesen capaces de clasificar crudos, infiriendo sus propiedades en lugar de solo detectar ciertos componentes químicos.Several systems based on ion-selective fiber (ISF) sensors are also known, which measure the specific concentration of chemical species that react with special fibers that are selective to certain ions. As in the previous case, it would be advantageous to develop more versatile petroleum product identification systems that are capable of classifying crudes, inferring their properties instead of only detecting certain chemical components.
Los espectrómetros de onda evanescente de fibra óptica en fondo de pozo son capaces de medir variaciones del espectro de absorbancia óptica en el infrarrojo medio. Para ello, emplean como transductor una fibra óptica cuyo recubrimiento se ha eliminado parcialmente y que entra en contacto directo con la muestra de producto petrolífero a identificar.Downhole fiber optic evanescent wave spectrometers are capable of measuring variations of the optical absorbance spectrum in the mid-infrared. To do this, they use an optical fiber as a transducer whose coating has been partially removed and which comes into direct contact with the sample of petroleum product to be identified.
Una desventaja de los espectrómetros de onda evanescente es la escasa resistencia mecánica de sus elementos de medición que consisten, según lo dicho anteriormente, en núcleos de fibra óptica desnudos.A disadvantage of evanescent wave spectrometers is the low mechanical strength of their measuring elements which consist, as previously stated, of bare fiber optic cores.
En el documento WO201633199 se describe un sistema de control en tiempo real para un interferómetro de fibra óptica que puede utilizarse en la exploración remota de pozos petrolíferos. Los sistemas descritos en dicho documento están basados en la tecnología de sensores acústicos distribuidos (también conocida por su acrónimo en inglés, DAS) y están diseñados para poder medir la energía acústica distribuida a la largo de una guía de ondas óptica, mediante detección de retrodispersión Raleigh.Document WO201633199 describes a real-time control system for a fiber optic interferometer that can be used in remote exploration of oil wells. The systems described in said document are based on distributed acoustic sensor technology (also known by its acronym in English, DAS) and are designed to be able to measure acoustic energy distributed along an optical waveguide, by means of backscatter detection. Raleigh.
Estos sistemas basados en sensores DAS permiten calcular la composición de un producto petrolífero ubicado en un yacimiento, así como estimar la proporción de crudo en agua. Dichos sistemas, al igual que los otros sistemas de análisis in situ de yacimientos de productos petrolíferos de la técnica anterior -arriba descritos- están diseñados para medir propiedades de crudos acumulados en el fondo de un pozo petrolífero exclusivamente durante la fase de perforación de dicho pozo petrolífero. These systems based on DAS sensors make it possible to calculate the composition of a petroleum product located in a reservoir, as well as to estimate the proportion of crude oil in water. Said systems, like the other in situ analysis systems for oil product reservoirs of the prior art -described above- are designed to measure properties of crude oil accumulated at the bottom of an oil well exclusively during the drilling phase of said well. oil.
Por ello, en el sector técnico del análisis de productos petrolíferos aún existe la necesidad de desarrollar nuevos sistemas de identificación in situ que sean capaces de operar de forma continua (a tiempo real) y no sólo durante la fase de perforación. Asimismo, también sería ventajoso desarrollar sistemas de identificación de productos petrolíferos más versátiles, que fuesen capaces de inferir diferentes propiedades físico-químicas características de dichos productos petrolíferos, y que las proporcionasen en tiempo real.For this reason, in the technical sector of oil product analysis there is still a need to develop new in situ identification systems that are capable of operating continuously (in real time) and not only during the drilling phase. Likewise, it would also be advantageous to develop more versatile petroleum product identification systems, capable of inferring different characteristic physicochemical properties of said petroleum products, and providing them in real time.
El documento US 200717400A divulga un opto-reflectómetro destinado a la detección de ondas de presión acústicas que puede emplearse para la detección de bolsas de petróleo. No obstante, los dispositivos descritos en este documento presentan desventajas similares a las ya mencionadas con relación al documento WO201633199.Document US 200717400A discloses an opto-reflectometer intended for the detection of acoustic pressure waves that can be used for the detection of oil pockets. However, the devices described in this document have drawbacks similar to those already mentioned in relation to document WO201633199.
Por otro lado, es importante señalar que para que un sistema de identificación in situ de productos petrolíferos pueda funcionar adecuadamente es necesario que sea capaz de soportar, según lo visto anteriormente, las difíciles condiciones de presión, profundidad y temperatura a las que se encuentran habitualmente sometidas los yacimientos de crudos petrolíferos, así como el carácter químicamente agresivo de los mismos.On the other hand, it is important to point out that in order for an in situ identification system for petroleum products to function properly, it must be able to withstand, as seen above, the difficult conditions of pressure, depth and temperature at which they are usually found. subjected to crude oil deposits, as well as their chemically aggressive nature.
Asimismo, dicho sistema de identificación debería de ser capaz de recopilar toda la información necesaria para realizar la identificación con la suficiente precisión y transmitirla, sin pérdidas excesivas, hasta la unidad del sistema encargada de realizar dicho análisis. Por ello, también es deseable mejorar los procedimientos de identificación de crudos petrolíferos para poder obtener unos resultados más fiables.Likewise, said identification system should be able to collect all the information necessary to carry out the identification with sufficient precision and transmit it, without excessive losses, to the system unit in charge of carrying out said analysis. Therefore, it is also desirable to improve crude oil identification procedures in order to obtain more reliable results.
Además, sería ventajoso desarrollar un sistema de identificación capaz de medir en tiempo real, en continuo y no solo durante la perforación del pozo petrolífero. In addition, it would be advantageous to develop an identification system capable of measuring in real time, continuously and not only during the drilling of the oil well.
Por otro lado, en los yacimientos de productos petrolíferos habitualmente y según lo ya anticipado, están presentes distintos componentes formando dos o más fases diferentes. De hecho, en la mayoría de yacimientos es habitual encontrar una combinación de crudo, gases y agua. Por ello, es preciso que el sistema de identificación sea capaz de determinar las composiciones de crudo, gas y agua presentes en un yacimiento de productos petrolíferos.On the other hand, in deposits of petroleum products, usually and as already anticipated, different components are present, forming two or more different phases. In fact, in most deposits it is common to find a combination of crude oil, gases and water. For this reason, it is necessary that the identification system be able to determine the compositions of crude oil, gas and water present in a deposit of petroleum products.
En el estado de la técnica se conocen diversos sensores para detectar la presencia o ausencia de sustancias químicas o biológicas en fluidos, por ejemplo aceites. Así, por ejemplo, la solicitud de patente WO2010/0066727 divulga un sistema para detectar la presencia/ausencia de sustancias químicas o biológicas que comprende un sustrato translucido, sobre el que se extienden una pluralidad de objetos configurados para dispersar la radiación electromagnética y provistos de estructuras para generar una resonancia plasmónica de superficie localizada, una fuente de luz unida a una fibra óptica de interrogación y unos detectores.Various sensors are known in the state of the art to detect the presence or absence of chemical or biological substances in fluids, for example oils. Thus, for example, patent application WO2010/0066727 discloses a system for detecting the presence/absence of chemical or biological substances that comprises a translucent substrate, on which a plurality of objects configured to scatter electromagnetic radiation and provided with structures to generate a localized surface plasmonic resonance, a light source attached to an interrogation optical fiber and detectors.
Los sistemas de detección contemplados en dicho documento WO2010/0066727 están pensados principalmente para aplicaciones biomédicas (tal y como se menciona, por ejemplo en la pág. 5 líneas 14 a 22 de dicho documento, así como en todos los ejemplos dados en las págs. 20-21), un campo remoto al de la presente invención. Además, dichos sistemas de detección no se han diseñado, por tanto, de forma que puedan soportar las condiciones extremas de presión, profundidad, y temperatura a las que se encuentran habitualmente sometidos los yacimientos de crudos petrolíferos, así como el carácter químicamente agresivo de dichos crudos petrolíferos.The detection systems contemplated in said document WO2010/0066727 are intended mainly for biomedical applications (as mentioned, for example, on page 5, lines 14 to 22 of said document, as well as in all the examples given on pages. 20-21), a field remote from that of the present invention. In addition, said detection systems have not been designed, therefore, in such a way that they can withstand the extreme conditions of pressure, depth, and temperature to which crude oil deposits are usually subjected, as well as the chemically aggressive nature of said detection systems. petroleum crudes.
Por otro lado, la solicitud PCT n° WO2005/088270 divulga sensores para monitorizar fluidos densos, por ejemplo aceites. Dichos sensores están previstos para usarse en combinación con un aparato de reflexión interna atenuada (ATIR) que comprende un sensor de onda evanescente, un módulo para alojar dicho sensor y un conector óptico para conectar el sensor al aparato ATIR.On the other hand, PCT application no. WO2005/088270 discloses sensors for monitoring dense fluids, for example oils. Said sensors are intended to be used in combination with an attenuated internal reflection apparatus (ATIR) comprising an evanescent wave sensor, a module to house said sensor and an optical connector to connect the sensor to the ATIR apparatus.
No obstante, dicho sensor tampoco se ha diseñado para poder soportar condiciones extremas de presión, composición química, profundidad y temperatura a las que se encuentran habitualmente sometidos los yacimientos de productos petrolíferos.However, this sensor has not been designed to be able to withstand extreme conditions of pressure, chemical composition, depth and temperature to which oil product deposits are usually subjected.
Asimismo, se conocen diversas celdas fotónicas, utilizadas para analizar ópticamente las propiedades físico-químicas de distintas clases de disoluciones acuosas, por ejemplo, las celdas fotónicas de nano-pilares resonantes y las celdas fotónicas de nano-poros estructurados en capas resonantes. No obstante, dichas celdas fotónicas no se han utilizado hasta la fecha para la identificación in situ de yacimientos de crudos petrolíferos.Likewise, various photonic cells are known, used to optically analyze the physicochemical properties of different kinds of aqueous solutions, for example, resonant nano-pillar photonic cells and resonant layer-structured nanopore photonic cells. However, such photonic cells have not been used to date for the in situ identification of crude oil reservoirs.
Las celdas fotónicas de nano-pilares resonantes comprenden, habitualmente una serie de nanopilares ordenados donde se apilan varias capas delgadas según una estructura de un reflector de Bragg donde se incluye además una capa que actúa como cavidad resonante.Resonant nano-pillar photonic cells usually comprise a series of ordered nano-pillars where several thin layers are stacked according to a Bragg reflector structure which also includes a layer that acts as a resonant cavity.
Tal y como divulgan, por ejemplo Hernández A.L et Al en “Resonant Nanopillars Arrays for Label Free biosensing” Optics Letters 41(23), 5430, esta distribución de capas, así como la topografía específica de los nano-pilares resonantes, generan un patrón de interferencia en la luz cuya posición en longitud de onda depende del índice de refracción del medio en que las estructuras estén sumergidas. A consecuencia de ello, las celdas fotónicas de los nano-pilares resonantes permiten detectar cambios en el índice de refracción de los fluidos que rellenan el espacio que hay entre los nano- pilares.As reported, for example, by Hernández AL et al in "Resonant Nanopillars Arrays for Label Free biosensing" Optics Letters 41(23), 5430, this distribution of layers, as well as the specific topography of the resonant nano-pillars, generate a pattern of interference in light whose position in wavelength depends on the refractive index of the medium in which the structures are submerged. As a result, the photonic cells of the resonant nano-pillars make it possible to detect changes in the refractive index of the fluids that fill the space between the nano-pillars.
Por otro lado, los nano-poros estructurados en capas resonantes, se divulgan -por ejemplo- en Manuel Oliva-Ramírez et Al “Liquids Analysis with optofluidic Bragg Microcavities ACS Appl. Matter Interfaces” 2013, 5, 6743-6750. Dichos nano-poros estructurados en capas resonantes comprenden una cavidad de Bragg unidimensional hecha a partir de un apilamiento de capas porosas, formadas por deposición en ángulo oblicuo. De forma similar al caso anterior, en dichas estructuras fotónicas se produce un cambio en la posición de los picos resonantes cuando los nano-poros se llenan con líquidos de diferentes índices de refracción.On the other hand, nano-pores structured in resonant layers are disclosed -for example- in Manuel Oliva-Ramírez et al “Liquids Analysis with optofluidic Bragg Microcavities ACS Appl. Matter Interfaces” 2013, 5, 6743-6750. sayings Resonant layer-structured nanopores comprise a one-dimensional Bragg cavity made from a stack of porous layers, formed by oblique angle deposition. In a similar way to the previous case, in these photonic structures a change in the position of the resonant peaks occurs when the nano-pores are filled with liquids of different refractive indices.
También se conoce otro tipo técnica espectroscópica, llamada espectroscopia de transreflexión. En el caso de la espectroscopía de transreflexión en el NIR, los sistemas de transducción son más simples y consisten en un espejo que refleja la luz en ese rango de longitudes de onda y un sistema de colección de la luz. En general, para este propósito, se utilizan espejos metálicos que presentan sin embargo una reactividad química considerable que hace previsible su degradación en el ambiente corrosivo dentro de los yacimientos. Una alternativa divulgada recientemente en García-Valenzuela et al. "SiOx by magnetron sputtered revisited: Tailoring the photonic properties of Multilayers” en Appl. Surf. Sci. 2019, 488, 791-800 consiste en fabricar un espejo de Bragg formado por el apilamiento de capas de SiO2 y SiOx (x<2) or Si que refleje en la región NIR y con una considerable estabilidad química en las condiciones de trabajo de un yacimiento de crudos.Another type of spectroscopic technique is also known, called transreflection spectroscopy. In the case of NIR transreflection spectroscopy, the transduction systems are simpler and consist of a mirror that reflects light in that range of wavelengths and a light collection system. In general, for this purpose, metallic mirrors are used which, however, present considerable chemical reactivity that makes their degradation foreseeable in the corrosive environment within the deposits. An alternative recently reported in García-Valenzuela et al. "SiOx by magnetron sputtered revisited: Tailoring the photonic properties of Multilayers” in Appl. Surf. Sci. 2019, 488, 791-800 consists of manufacturing a Bragg mirror formed by stacking layers of SiO 2 and SiOx (x<2 ) or Si that reflects in the NIR region and with considerable chemical stability under the working conditions of a crude oil reservoir.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
A fin de solucionar los problemas y desventajas descritos con relación a la técnica anterior, un primer objeto de la presente invención se refiere a un sistema de identificación in situ de productos petrolíferos en yacimientos, caracterizado porque comprende:In order to solve the problems and disadvantages described in relation to the prior art, a first object of the present invention refers to an in situ identification system for petroleum products in reservoirs, characterized in that it comprises:
i) una unidad sensora provista, al menos, de:i) a sensor unit provided with at least:
- un primer transductor, de tipo fotónico resonante, que comprende al menos una celda fotónica de nano-pilares resonantes o al menos una celda fotónica de nano-poros estructurados en capas resonantes, estando dicha celda fotónica configurada para generar un patrón de interferencia óptica predeterminado cuando incide sobre ellas una señal óptica de interrogación, siendo dicho patrón de interferencia diferente cuando las celdas están en contacto con un producto petrolífero;- a first transducer, of the resonant photonic type, comprising at least one photonic cell with resonant nano-pillars or at least one photonic cell with nano-pores structured in resonant layers, said photonic cell being configured to generate an interference pattern predetermined optical when an optical interrogation signal falls on them, said interference pattern being different when the cells are in contact with a petroleum product;
- un segundo transductor seleccionado entre- a second transducer selected from
a) un transductor fotónico de transreflexión que comprende al menos un espejo de transreflexión, estando dicho espejo de transreflexión configurado para entrar en contacto con el producto petrolífero y para reflejar al menos una porción de la señal óptica de interrogación que ha atravesado el producto petrolífero (conocida como señal óptica de transreflexión); ya) a transreflection photonic transducer comprising at least one transreflection mirror, said transreflection mirror being configured to come into contact with the petroleum product and to reflect at least a portion of the optical interrogation signal that has passed through the petroleum product ( known as transreflection optical signal); and
b) un transductor de radiofrecuencia, que comprende un circuito resonante configurado para resonar a una frecuencia de resonancia predeterminada en el rango de la radio frecuencia, siendo dicha frecuencia de resonancia diferente cuando el transductor de radiofrecuencia está en contacto con un producto petrolífero;b) a radio frequency transducer, comprising a resonant circuit configured to resonate at a predetermined resonance frequency in the radio frequency range, said resonance frequency being different when the radio frequency transducer is in contact with a petroleum product;
ii) unos medios de interrogación, provistos de una fuente óptica configurada para generar una señal óptica de interrogación con un espectro de longitudes de onda predeterminado;ii) interrogation means, provided with an optical source configured to generate an optical interrogation signal with a predetermined spectrum of wavelengths;
iii) una unidad de análisis e identificación configurada para analizar al menos:iii) an analysis and identification unit configured to analyze at least:
a) los patrones de interferencia óptica generados en las celdas fotónicas del primer transductor; ya) the optical interference patterns generated in the photonic cells of the first transducer; and
b) el espectro de la señal óptica de transreflexión reflejada por el espejo de transreflexión del segundo transductor cuando se utiliza un transductor fotónico de transreflexión y/o la variación de la frecuencia de resonancia en el rango de la radio frecuencia cuando se utiliza un transductor de radio frecuencia; b) the spectrum of the transreflection optical signal reflected by the transreflection mirror of the second transducer when a transreflection photonic transducer is used and/or the variation of the resonance frequency in the radio frequency range when a transreflection transducer is used. radio frequency;
estando configurada, además, la unidad de análisis e identificación para identificar el producto petrolífero presente en el yacimiento a partir de los resultados de dichos análisis; ythe analysis and identification unit also being configured to identify the petroleum product present in the reservoir from the results of said analyses; and
iv) una línea de comunicación multicanal que comprende fibras ópticas y está configurada para:iv) a multi-channel communication line comprising optical fibers and configured to:
a) transportar la señal óptica de interrogación, desde los medios de interrogación hasta la unidad sensora y para transmitir los patrones de interferencia óptica en la forma de una señal óptica de respuesta, desde las celdas fotónicas de primer transductor de la unidad sensora, hasta la unidad de análisis; y paraa) transporting the interrogation optical signal, from the interrogation means to the sensor unit and to transmit the optical interference patterns in the form of an optical response signal, from the first transducer photonic cells of the sensor unit, to the analysis unit; and to
b) trasmitir la señal óptica de transreflexión reflejada por el espejo de transreflexión del segundo transductor hasta la unidad de análisis y/o transmitir señales de radiofrecuencia desde la unidad de interrogación hasta el transductor de radiofrecuencia y desde el transductor de radiofrecuencia hasta la unidad de interrogación.b) transmitting the transreflection optical signal reflected by the transreflection mirror of the second transducer to the analysis unit and/or transmitting radio frequency signals from the interrogation unit to the radio frequency transducer and from the radio frequency transducer to the interrogation unit .
Las celdas fotónicas de nano-pilares resonantes (RNP) de uso en la presente invención comprenden, al menos, una agrupación de nano-pilares, teniendo dichos nano-pilares un diámetro aproximado del orden de 200 nm y una altura aproximada de 1.900-2.200 nm y que tienen la estructura típica de un conjunto de microcavidades de Bragg.The resonant nano-pillar (RNP) photonic cells for use in the present invention comprise at least one array of nano-pillars, said nano-pillars having an approximate diameter of the order of 200 nm and an approximate height of 1,900-2,200 nm and having the typical structure of a set of Bragg micro-cavities.
Las celdas fotónicas de nano-poros estructurados (BMC) de uso en la presente invención están formadas por el apilamiento de capas porosas de dos materiales con un índice de refracción alto (H), por ejemplo en el rango de 1,7 1,8 y bajo (L) por ejemplo en el rango de 1,2-1,3, con un espesor alrededor de 100 nm definiendo también una estructura típica de reflectores de Bragg. La estructura la integran dos reflectores de Bragg integrando un número variable de bicapas HL separados por una capa del material L con mucho mayor espesor formando lo que se denomina un defecto óptico. El conjunto, con un espesor aproximado de 1000-1500 nm forma lo que se denomina una microcavidad de Bragg.The nano-pore structured photonic cells (BMC) for use in the present invention are formed by stacking porous layers of two materials with a high refractive index (H), for example in the range of 1.7 1.8 and low (L) for example in the range of 1.2-1.3, with a thickness around 100 nm also defining a typical structure of Bragg reflectors. The structure is made up of two Bragg reflectors integrating a variable number of HL bilayers separated by a much thicker layer of L material, forming what is called an optical defect. The set, with a thickness of approximately 1000-1500 nm forms what is called a micro Bragg cavity.
Las celdas fotónicas de nano-pilares resonantes (RNP) y las celdas fotónicas de nano-poros estructurados (BMC) de uso en la presente invención tienen, preferiblemente, un rango de trabajo comprendido entre los 500 y los 800 nm, que pertenece al espectro visible.The resonant nano-pillar photonic cells (RNP) and structured nanopore photonic cells (BMC) for use in the present invention preferably have a working range between 500 and 800 nm, which belongs to the spectrum visible.
Asimismo, en la presente invención cada nano-pilar está preferiblemente formado por una agrupación de 10 multicapas. A su vez, cada multicapa está preferiblemente formada por una serie de láminas alternas de SiO2 (con un espesor del orden de 110nm) y de Si3N4 (con un espesor del orden de 97 nm). La cavidad resonante en la mitad del pilar también está hecha en SiO2, y tiene un grosor aproximado de 200nm.Likewise, in the present invention each nano-pillar is preferably formed by an array of 10 multilayers. In turn, each multilayer is preferably formed by a series of alternating sheets of SiO 2 (with a thickness of the order of 110 nm) and Si3N4 (with a thickness of the order of 97 nm). The resonant cavity in the middle of the pillar is also made of SiO 2 , and is approximately 200nm thick.
Por otra parte, las celdas fotónicas, tanto RNP como BMC, se han formado crecidas preferiblemente sobre un substrato de cuarzo de 500 ^m de espesor.On the other hand, the photonic cells, both RNP and BMC, have grown preferably on a 500 ^m thick quartz substrate.
Se ha podido comprobar que, tanto las celdas fotónicas de nano-pilares resonantes, como las celdas fotónicas de nano-poros estructurados en capas resonantes, son capaces de soportar sin deteriorarse de forma apreciable las difíciles condiciones de temperatura, presión, composición química y profundidad a las que se encuentran habitualmente los yacimientos de productos petrolíferos. Asimismo, pueden emplearse para analizar dichos productos petrolíferos, sin que su rendimiento se vea afectado negativamente por dichas condiciones adversas.It has been possible to verify that both the photonic cells of resonant nano-pillars and the photonic cells of nano-pores structured in resonant layers are capable of withstanding the difficult conditions of temperature, pressure, chemical composition and depth without appreciable deterioration. to which are usually found the deposits of petroleum products. Likewise, they can be used to analyze said petroleum products, without their performance being negatively affected by said adverse conditions.
Igualmente, tanto los transductores fotónicos de transreflexión (dotados de al menos un espejo de transreflexión), como los transductores de radiofrecuencia (dotados de un circuito resonante en el rango de la radio frecuencia), son capaces igualmente de soportar las difíciles condiciones de temperatura, presión y profundidad a las que se encuentran habitualmente los yacimientos de productos petrolíferos.Similarly, both transreflection photonic transducers (provided with at least one transreflection mirror) and radiofrequency transducers (provided with a resonant circuit in the radio frequency range) are equally capable of withstanding difficult temperature conditions, pressure and depth at which deposits of petroleum products are usually found.
En una realización preferida de la invención, al menos un espejo de transreflexión del transductor fotónico de transreflexión es un espejo de infrarrojo cercano (NIR) es decir, un dispositivo capaz de reflejar la radiación electromagnética en el rango del infrarrojo cercano. Asimismo, los espejos de transreflexión de uso en la presente invención consisten preferiblemente en un espejo de Bragg formado por un apilamiento de capas de SiO2 y SiOx/Si.In a preferred embodiment of the invention, at least one transreflection mirror of the transreflection photonic transducer is a near infrared (NIR) mirror, ie a device capable of reflecting electromagnetic radiation in the near infrared range. Likewise, the transreflection mirrors for use in the present invention preferably consist of a Bragg mirror formed by a stack of SiO 2 and SiOx/Si layers.
A lo largo de la presente invención se considera que el infrarrojo cercano (NIR) es aquella región del espectro electromagnético cuya longitud de onda está comprendida entre los 800 y los 2.500 nanómetros, pudiéndose seleccionar la zona de longitudes de onda deseada dentro de ese rango modificando la estructura de los espejos de transreflexión de infrarrojo cercano (NIR) utilizados en las correspondientes realizaciones de la presente invención.Throughout the present invention, the near infrared (NIR) is considered to be that region of the electromagnetic spectrum whose wavelength is between 800 and 2,500 nanometers, being able to select the desired wavelength area within that range by modifying the structure of near-infrared (NIR) transreflection mirrors used in corresponding embodiments of the present invention.
De forma similar, se considera que la radiofrecuencia (RF) es aquella región del espectro electromagnético cuya longitud de onda está comprendida entre los 10-3 y los 108 metros, pudiéndose seleccionar la zona de longitudes de onda deseada dentro de ese rango.Similarly, radio frequency (RF) is considered to be that region of the electromagnetic spectrum whose wavelength is between 10-3 and 108 meters, being able to select the desired wavelength area within that range.
La unidad de análisis del sistema de identificación de la presente invención está configurada para analizar los patrones de interferencia óptica generados en las celdas fotónicas del primer transductor. A partir de esta comparación pueden obtenerse a tiempo real parámetros característicos del producto petrolífero que se encuentra en el yacimiento, tales como su índice de refracción, viscosidad, densidad, composición (distribución de cadenas de carbono), contenido de agua y salinidad.The analysis unit of the identification system of the present invention is configured to analyze the optical interference patterns generated in the photonic cells of the first transducer. From this comparison, characteristic parameters of the petroleum product found in the reservoir can be obtained in real time, such as its refractive index, viscosity, density, composition (distribution of carbon chains), water content, and salinity.
Asimismo, en aquellas realizaciones de la invención provistas de un transductor de transreflexión, la unidad de análisis también está configurada para analizar el espectro de la señal óptica de transreflexión (es decir, el espectro de la porción de la señal óptica de interrogación que es reflejada por el espejo de transreflexión tras alcanzar el producto petrolífero) y compararlo con el de la señal óptica de interrogación inicial. De esta forma, el sistema según la presente invención es capaz de deducir cuál es el espectro de absorción de dicho producto petrolífero. A partir de dicho espectro de absorción óptica puede deducirse información relevante para identificar el producto petrolífero, por ejemplo, acerca de la distribución de cadenas de carbono y grupos funcionales de los hidrocarburos que están presentes en dicho producto petrolífero o la presencia de otros componentes como partículas en suspensión, agua o gases disueltos.Likewise, in those embodiments of the invention provided with a transreflection transducer, the analysis unit is also configured to analyze the spectrum of the transreflection optical signal (ie, the spectrum of the portion of the interrogation optical signal that is reflected by the transreflection mirror after reaching the petroleum product) and compare it with that of the initial interrogation optical signal. In this way, the system according to the present invention is capable of deducing the absorption spectrum of said petroleum product. From said optical absorption spectrum, relevant information can be deduced to identify the petroleum product, for example, about the distribution of carbon chains and functional groups of the hydrocarbons that are present in said petroleum product or the presence of other components such as particulate matter. in suspension, water or dissolved gases.
Por último, en aquellas realizaciones de la invención provistas de un transductor de radiofrecuencia, la unidad de análisis también está configurada para analizar la variación de la frecuencia de resonancia que se produce cuando el circuito resonante entra en contacto con el producto petrolífero. A partir de dicha comparación pueden extraerse parámetros característicos del producto petrolífero que se encuentra en el yacimiento, tales como la distribución de cadenas de carbono de los hidrocarburos que están presentes en dicho producto petrolífero, la densidad del producto petrolífero, así como la presencia de agua.Finally, in those embodiments of the invention provided with a radio frequency transducer, the analysis unit is also configured to analyze the variation of the resonant frequency that occurs when the resonant circuit comes into contact with the petroleum product. From said comparison, characteristic parameters of the petroleum product found in the reservoir can be extracted, such as the distribution of carbon chains of the hydrocarbons that are present in said petroleum product, the density of the petroleum product, as well as the presence of water. .
Asimismo, en aquellas realizaciones de la invención en las que está presente un transductor de radiofrecuencia: i) los medios de interrogación están provistos -además- de un transmisor y un receptor de radio frecuencia y ii) la línea de comunicación multicanal está provista - además- de una guía de onda de RF configurada para conducir señales de radiofrecuencia desde los medios de interrogación hasta el transductor de radiofrecuencia y desde el transductor de radiofrecuencia hasta los medios de interrogación. Likewise, in those embodiments of the invention in which a radio frequency transducer is present: i) the interrogation means are provided -in addition- with a transmitter and a radio frequency receiver and ii) the multi-channel communication line is provided -in addition - of an RF waveguide configured to conduct radio frequency signals from the interrogation means to the radio frequency transducer and from the radio frequency transducer to the interrogation means.
Dicho transmisor está configurado, preferiblemente, para generar un tono ajustable en un rango de frecuencias predefinido, perteneciente a la región de la radiofrecuencia (RF).Said transmitter is preferably configured to generate an adjustable tone in a predefined frequency range, belonging to the radio frequency (RF) region.
El uso combinado de un transductor fotónico resonante con transductores de otro tipo (fotónico de transreflexión y/o de radio frecuencia), que contempla el sistema según la presente invención permite un análisis e identificación más robusto del producto petrolífero, puesto que la información obtenible por cada uno de ellos es complementaria entre sí. Además, el sistema de identificación de productos petrolíferos según la presente invención es capaz de operar de forma continua (es decir, a tiempo real) y no sólo durante la fase de perforación.The combined use of a resonant photonic transducer with transducers of another type (transreflection photonic and/or radio frequency), contemplated by the system according to the present invention, allows a more robust analysis and identification of the petroleum product, since the information obtainable by each of them is complementary to each other. In addition, the petroleum product identification system according to the present invention is capable of operating continuously (ie, in real time) and not only during the drilling phase.
Preferiblemente, el espejo de transreflexión del transductor fotónico de transreflexión es un espejo formado por apilamiento de capas de de un material dieléctrico como SiO2 y de un material seleccionado entre Si o SiOx, preferiblemente con valores de x muy bajos o cero para aumentar la diferencia entre los índices de refracción entre las capas apiladas. Estos materiales son estables en las condiciones de análisis de productos petrolíferos que son objetivo de esta invención, superando en prestaciones y estabilidad a los espejos metálicos comúnmente utilizados en este tipo de estructuras.Preferably, the transreflection mirror of the transreflection photonic transducer is a mirror formed by stacking layers of a dielectric material such as SiO 2 and a material selected from Si or SiOx, preferably with very low or zero x values to increase the difference between the refractive indices between the stacked layers. These materials are stable under the conditions of analysis of petroleum products that are the objective of this invention, surpassing in performance and stability the metallic mirrors commonly used in this type of structures.
El Si, SiOx (0<x<<1) y SiO2 son materiales transparentes en la región del infrarrojo cercano y el apilamiento resultante se comporta como un espejo de Bragg unidimensional debido a la gran diferencia en el índice de refracción en la región del NIR que existe entre las capas de SiO2 y las capas de Si / SiOx (entre 1.4 a 1.500 nm en el caso del SiO2 y aproximadamente 3,4 a 1.500 nm en el caso del Si ó SiOx para valores de x próximos a cero, aunque en este último caso puede variar en función de su estequiometria). Dependiendo del contraste entre el índice de refracción y/o e espesor de las capas individuales los apilamientos pueden fabricarse para registrar selectivamente regiones predeterminadas del espectro NIR. Asimismo, los apilamientos formados por capas de estos materiales son capaces de soportar las difíciles condiciones de presión, temperatura y profundidad a las que se encuentran habitualmente los yacimientos de productos petrolíferos y poseen, además, una elevada resilencia química que permiten utilizarlos de forma prolongada para analizar productos petrolíferos.Si, SiOx (0<x<<1) and SiO 2 are transparent materials in the near-infrared region and the resulting stack behaves like a one-dimensional Bragg mirror due to the large difference in refractive index in the near-infrared region. NIR that exists between the SiO 2 layers and the Si / SiOx layers (between 1.4 to 1,500 nm in the case of SiO 2 and approximately 3.4 to 1,500 nm in the case of Si or SiOx for values of x close to zero , although in the latter case it can vary depending on its stoichiometry). Depending on the contrast between the refractive index and/or the thickness of the individual layers the stacks can be fabricated to selectively record predetermined regions of the NIR spectrum. Likewise, the stacks formed by Layers of these materials are capable of withstanding the difficult conditions of pressure, temperature and depth that oil product deposits are usually found in and also have high chemical resilience that allows them to be used for a long time to analyze oil products.
En una realización preferida de la invención, el espejo de transreflexión es un espejo dieléctrico formado por apilamiento de capas de Si y de SiO2, habiéndose elegido el espesor de las distintas capas para que dicho espejo trabaje en el rango de longitudes de onda comprendido entre los 800 nm y los 1.700 nm.In a preferred embodiment of the invention, the transreflection mirror is a dielectric mirror formed by stacking layers of Si and SiO 2 , the thickness of the different layers having been chosen so that said mirror works in the range of wavelengths between 800 nm and 1,700 nm.
Preferiblemente, el transductor de radiofrecuencia de uso en los sistemas según la invención comprende:Preferably, the radio frequency transducer for use in the systems according to the invention comprises:
- un sustrato dieléctrico con forma de lámina, provisto de dos caras opuestas entre sí;- a sheet-shaped dielectric substrate, provided with two faces opposite to each other;
- un circuito resonante provisto de tiras eléctricamente conductoras, dispuestas sobre la primera cara del sustrato dieléctrico y configuradas para definir una línea de conducción y al menos dos resonadores eléctricos dispuestos simétricamente en torno a la línea de conducción; y - un revestimiento metalizado, dispuesto sobre la segunda del sustrato dieléctrico;- a resonant circuit provided with electrically conductive strips, arranged on the first face of the dielectric substrate and configured to define a conduction line and at least two electrical resonators arranged symmetrically around the conduction line; and - a metallized coating, arranged on the second of the dielectric substrate;
estando un primer extremo de la línea de conducción dispuesto en circuito abierto y un segundo extremo a conectado a un puerto eléctrico configurado para poner la línea de conducción a un potencial electrico predetermiando.a first end of the conduction line being arranged in open circuit and a second end connected to an electrical port configured to bring the conduction line to a predetermined electrical potential.
Cuando este transductor de radiofrecuencia está modo operativo, las variaciones de potencial de la línea inducen corrientes en uno y otro resonador estableciendo una frecuencia de resonancia del transductor. La frecuencia de resonancia propia de dicho transductor, depende de la extensión y forma de las tiras conductoras, por lo que en los sistemas según la presente invención, dichas tiras se dimensionan de tal forma que la frecuencia de resonancia propia del transductor se encuentra dentro del rango de la radiofrecuencia.When this radiofrequency transducer is in operational mode, the line potential variations induce currents in one and the other resonator, establishing a resonance frequency of the transducer. The resonant frequency of said transducer depends on the extension and shape of the conductive strips, therefore, in the systems according to the present invention, These strips are sized in such a way that the transducer's own resonant frequency is within the radio frequency range.
Por otro lado, si el medio que rodea al transductor y/o las propiedades fisicoquímicas del mismo varían, la frecuencia de resonancia del transductor también cambia en consecuencia, lo que permite emplearlo para la identificación de productos petrolíferos.On the other hand, if the environment surrounding the transducer and/or its physicochemical properties change, the resonance frequency of the transducer also changes accordingly, which allows it to be used for the identification of petroleum products.
Preferiblemente, el puerto eléctrico es un conector SMA y los resonadores comprenden tiras eléctricamente conductoras dispuestas en espiral. Dicha forma en espiral permite obtener una respuesta más sensible en frecuencia con menores dimensiones en comparación con otras geometrías.Preferably, the electrical port is an SMA connector and the resonators comprise spirally arranged electrically conductive strips. Said spiral shape allows obtaining a more sensitive frequency response with smaller dimensions compared to other geometries.
Las tiras eléctricamente conductoras de los resonadores están hechas preferiblemente de cobre. Asimismo, dichas tiras de cobre están preferiblemente provistas de un recubrimiento externo de oro, lo que evita la corrosión.The electrically conductive strips of the resonators are preferably made of copper. Likewise, said copper strips are preferably provided with an external gold coating, which prevents corrosion.
Asimismo, el sustrato dieléctrico es preferiblemente un metamaterial que comprende politetrafluoro etileno (PTFE), fibras de vidrio y materiales cerámicos. Un ejemplo de posible material cerámico de uso en el sustrato dieléctrico descrito anteriormente es Rogers AD1000 (marca comercial). Una cobertura protectora (por ejemplo, de Kapton) evita la contaminación del sustrato por parte de la muestra.Also, the dielectric substrate is preferably a metamaterial comprising polytetrafluoroethylene (PTFE), glass fibers, and ceramic materials. An example of a possible ceramic material for use in the dielectric substrate described above is Rogers AD1000 (Trade Mark). A protective cover (eg Kapton) prevents contamination of the substrate by the sample.
A los efectos de la presente invención se sobreentiende que un metamaterial es un material artificial que presenta propiedades inusuales (especialmente propiedades electromagnéticas) que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, dichas propiedades son distintas a las de sus constituyentes. For the purposes of the present invention, it is understood that a metamaterial is an artificial material that presents unusual properties (especially electromagnetic properties) that come from the designed structure and not from its composition, that is, said properties are different from those of its constituents.
El uso de este tipo de metamateriales permite, por un lado, que dicho sustrato dieléctrico soporte las difíciles condiciones de presión, composición química, profundidad y temperatura a las que se encuentran sometidas los yacimientos de productos petrolíferos y que, simultáneamente, dicho sustrato posea una permitividad relativa del orden de 10, lo que facilita su miniaturización.The use of this type of metamaterials allows, on the one hand, said dielectric substrate to withstand the difficult conditions of pressure, chemical composition, depth and temperature to which oil product deposits are subjected and, simultaneously, said substrate has a relative permittivity of the order of 10, which facilitates its miniaturization.
Preferiblemente, en los sistemas según la presente invención, el primer transductor comprende los dos tipos de celdas fotónicas descritas anteriormente. En otras palabras, el primer transductor fotónico resonante comprende al menos una celda fotónica de nano-pilares resonantes y al menos una celda fotónica de nano-poros estructurados en capas resonantes.Preferably, in the systems according to the present invention, the first transducer comprises the two types of photonic cells described above. In other words, the first resonant photonic transducer comprises at least one resonant nano-pillar photonic cell and at least one resonant layer-structured nanopore photonic cell.
En una realización preferida del sistema de identificación según la presente invención la unidad sensora está provista de los tres tipos de transductores diferentes ya descritos. Es decir: i) transductores fotónicos resonantes (con celdas fotónicas de nano-pilares resonantes y/o de nano-poros estructurados en capas resonantes); ii) transductores fotónicos de transreflexión y iii) transductores de radiofrecuencia. Y en el que todos los transductores actúan simultáneamente de la forma ya descrita anteriormente.In a preferred embodiment of the identification system according to the present invention the sensor unit is provided with the three different types of transducers already described. That is to say: i) resonant photonic transducers (with photonic cells of resonant nano-pillars and/or nano-pores structured in resonant layers); ii) transreflection photonic transducers and iii) radiofrequency transducers. And in which all the transducers act simultaneously in the manner already described above.
Más en particular, en dicha realización concreta de la presente invención, la unidad sensora está provista, al menos, de:More particularly, in said specific embodiment of the present invention, the sensor unit is provided, at least, with:
- un primer transductor, de tipo fotónico resonante, que comprende al menos una celda fotónica de nano-pilares resonantes o al menos una celda fotónica de nano-poros estructurados en capas resonantes, estando dicha celda fotónica configurada para generar un patrón de interferencia óptica predeterminado cuando incide sobre ellas una señal óptica de interrogación, siendo dicho patrón de interferencia diferente cuando las celdas están en contacto con un producto petrolífero;- a first transducer, of the resonant photonic type, comprising at least one photonic cell with resonant nano-pillars or at least one photonic cell with nano-pores structured in resonant layers, said photonic cell being configured to generate a predetermined optical interference pattern when an optical interrogation signal falls on them, said interference pattern being different when the cells are in contact with a petroleum product;
- un segundo transductor fotónico de transreflexión, que comprende al menos un espejo de transreflexión, estando dicho espejo de transreflexión configurado para entrar en contacto con el producto petrolífero y para reflejar al menos una porción de la señal óptica de interrogación que ha atravesado el producto petrolífero (conocida como señal óptica de transreflexión); y- a second transreflection photonic transducer, comprising at least one transreflection mirror, said transreflection mirror being configured to contact the petroleum product and to reflect at least a portion of the interrogation optical signal that has passed through the petroleum product (known as a transreflection optical signal); and
- un tercer transductor, de radiofrecuencia, que comprende un circuito resonante, estando dicho circuito configurado para resonar a una frecuencia de resonancia predeterminada en el rango de la radio frecuencia, siendo dicha frecuencia de resonancia diferente cuando el transductor de radiofrecuencia está en contacto con un producto petrolífero.- a third radio frequency transducer, comprising a resonant circuit, said circuit being configured to resonate at a predetermined resonance frequency in the radio frequency range, said different resonance frequency being when the radio frequency transducer is in contact with a petroleum product.
Además, en esta realización concreta de la invención, la unidad de análisis configurada para analizar:In addition, in this specific embodiment of the invention, the analysis unit configured to analyze:
- los patrones de interferencia óptica generados en las celdas fotónicas del primer transductor;- the optical interference patterns generated in the photonic cells of the first transducer;
- el espectro de la señal óptica de transreflexión reflejada por el espejo de transreflexión del segundo transductor; y- the spectrum of the transreflection optical signal reflected by the transreflection mirror of the second transducer; and
- la variación de la frecuencia de resonancia de dicho tercer transductor.- the variation of the resonant frequency of said third transducer.
Asimismo, en esta realización concreta de la invención, la línea de comunicación multicanal está provista - además- de una guía de onda de RF (que es precisamente la encargada de conducir las señales de radiofrecuencia desde los medios de interrogación hasta el transductor de radiofrecuencia y desde el transductor de radiofrecuencia hasta los medios de interrogación).Likewise, in this specific embodiment of the invention, the multichannel communication line is also provided with an RF waveguide (which is precisely the one in charge of conducting the radiofrequency signals from the interrogation means to the radiofrequency transducer and from the radio frequency transducer to the interrogation means).
Por último, la línea de comunicación multicanal, además de fibras ópticas, también comprende un transmisor y un receptor de radio frecuencia y está configurada para:Finally, the multichannel communication line, in addition to optical fibers, also includes a radio frequency transmitter and receiver and is configured to:
- transportar la señal óptica de interrogación, desde los medios de interrogación hasta la unidad sensora y para transmitir los patrones de interferencia óptica en la forma de una señal óptica de respuesta, desde las celdas fotónicas de primer transductor de la unidad sensora, hasta la unidad de análisis;- transporting the interrogation optical signal, from the interrogation means to the sensor unit and for transmitting the optical interference patterns in the form of an optical response signal, from the photonic cells of the first transducer of the sensor unit, up to the analysis unit;
- trasmitir la señal óptica de transreflexión reflejada por el espejo de transreflexión del segundo transductor hasta la unidad de análisis; y - conducir señales de radiofrecuencia desde la unidad de interrogación hasta el transductor de radiofrecuencia y desde el transductor de radiofrecuencia hasta la unidad de interrogación.- transmitting the transreflection optical signal reflected by the transreflection mirror of the second transducer to the analysis unit; and - conducting radio frequency signals from the interrogation unit to the radio frequency transducer and from the radio frequency transducer to the interrogation unit.
Preferiblemente, la unidad sensora comprende una lámina de soporte sobre la que están dispuestos el primer transductor, el segundo transductor y, si existe, el tercer transductor.Preferably, the sensor unit comprises a support sheet on which the first transducer, the second transducer and, if present, the third transducer are arranged.
En una realización preferida de la invención, la unidad sensora está provista de un portasensor que comprende:In a preferred embodiment of the invention, the sensor unit is provided with a sensor holder comprising:
- una región de sujeción de la línea de comunicación multicanal, provista de férulas de superficie interior hueca, configuradas para permitir el paso a través de dicha superficie interior hueca de las fibras ópticas de la línea de comunicación multicanal;- a holding region of the multichannel communication line, provided with ferrules with a hollow inner surface, configured to allow the passage through said hollow inner surface of the optical fibers of the multichannel communication line;
- una región de alojamiento de la línea de comunicación multicanal, configurada para alojar las porciones finales de la fibra óptica de la línea de comunicación multicanal, y- a housing region of the multichannel communication line, configured to house the final portions of the optical fiber of the multichannel communication line, and
- una región de retención de la lámina de soporte de la unidad sensora, configurada para disponer dicha unidad sensora de forma colindante a las porciones finales de la fibra óptica de la línea de comunicación multicanal, estando provista además la región de retención de un orificio configurado para permitir el paso del producto petrolífero hacia la unidad sensora.- a retention region of the support sheet of the sensor unit, configured to arrange said sensor unit adjacent to the final portions of the optical fiber of the multichannel communication line, the retention region further being provided with a configured hole to allow the passage of the petroleum product towards the sensor unit.
El portasensor está preferiblemente fabricado, al menos parcialmente, de teflón (politetrafluoroetileno). Este material permite trabajar a condiciones de alta temperatura (hasta 260°C), alta presión y en entornos químicamente agresivos. The sensor holder is preferably made, at least partly, of Teflon (polytetrafluoroethylene). This material allows working under high temperature conditions (up to 260°C), high pressure and in chemically aggressive environments.
También posee un bajo coeficiente de rozamiento (coeficiente de rozamiento estático y dinámico teflón sobre teflón: 0,04) y una baja resistencia a la compresión (4-5 N/mm2 a 1% de deformación, medida según la norma ASTMD695) por lo que puede alojar componentes del sistema de análisis de la invención sin dañarlos y protegerlos de esfuerzos mecánicos externos.It also has a low coefficient of friction (coefficient of static and dynamic friction Teflon on Teflon: 0.04) and a low resistance to compression (4-5 N/mm2 at 1% deformation, measured according to the ASTMD695 standard) therefore that can house components of the analysis system of the invention without damaging them and protect them from external mechanical stress.
Asimismo, el portasensor comprende preferiblemente piezas fabricadas en acero inoxidable 316, por ejemplo piezas de tornillería. Se prefiere este tipo de acero porque resiste mejor que otros aceros (por ejemplo, el acero inoxidable 304) a altas condiciones de temperatura y salinidad.Likewise, the sensor holder preferably comprises parts made of 316 stainless steel, for example hardware parts. This type of steel is preferred because it resists better than other steels (for example, 304 stainless steel) to high temperature and salinity conditions.
Las fibras ópticas de la línea de comunicación multicanal están preferiblemente protegidas de un recubrimiento protector, por ejemplo un recubrimiento depoliamida. También puede utilizarse una resina epoxi 353 ND para sellar las fibras ópticas dentro de las feruilas porque dicha resina resiste mejor que otras resinas a altas temperaturas.The optical fibers of the multichannel communication line are preferably protected by a protective coating, for example a polyamide coating. A 353 ND epoxy resin can also be used to seal the optical fibers inside the ferrules because this resin is more resistant to high temperatures than other resins.
Asimismo, la línea de comunicación multicanal comprende, preferiblemente, al menos un pasamuros que provisto de:Likewise, the multichannel communication line preferably comprises at least one bushing that is provided with:
- una tapa, configurada para acoplarse de forma estanca a una sonda de análisis o alternativamente, a la boca de un orificio de acceso al yacimiento de producto petrolífero;- a cover, configured to couple tightly to an analysis probe or alternatively, to the mouth of an access hole to the petroleum product reservoir;
- al menos un agujero pasante, provisto en la tapa y configurado para permitir el paso de las fibras ópticas hacia la unidad sensora;- at least one through hole, provided in the cover and configured to allow the passage of the optical fibers towards the sensor unit;
- al menos unos medios de apriete provistos de:- at least one clamping means provided with:
i) un casquillo de apriete con una superficie interior hueca que permite el paso de las fibras ópticas hacia la unidad sensora; i) a clamping bushing with a hollow inner surface that allows the passage of the optical fibers towards the sensor unit;
ii) unos medios de fijación, configurados para fijar el casquillo de apriete a una porción superior del agujero pasante; iii) un capuchón, configurado para acoplarse a la parte superior del casquillo de apriete;ii) fixing means, configured to fix the tightening bushing to an upper portion of the through hole; iii) a cap, configured to engage the top of the collet;
iv) al menos un elemento deformable provisto de una superficie interior hueca que permite el paso de las fibras ópticas hacia la unidad sensora y dispuesto en el interior del casquillo de apriete, estando dicho elemento deformable configurado para deformarse cuando el capuchón se acopla al casquillo de apriete y de forma que aprieta las fibras ópticas.iv) at least one deformable element provided with a hollow interior surface that allows the passage of the optical fibers towards the sensor unit and arranged inside the clamping bushing, said deformable element being configured to deform when the cap is coupled to the clamping bushing. tighten and in such a way that it squeezes the optical fibers.
En una realización preferida de la invención, los medios de fijación del casquillo de apriete comprenden un roscado practicado en una porción inferior del casquillo de apriete y que es complementario a un roscado practicado en la porción superior del agujero pasante.In a preferred embodiment of the invention, the clamping bushing fixing means comprise a thread made in a lower portion of the tightening bush and which is complementary to a thread made in the upper portion of the through hole.
Los medios de interrogación óptica están preferiblemente provistos de:The optical interrogation means are preferably provided with:
- una fuente óptica, configurada para generar una señal óptica de interrogación;- an optical source, configured to generate an optical interrogation signal;
- al menos un filtro sintonizable, configurado para limitar el espectro de la señal óptica de interrogación a un rango de longitudes de onda predetermiando;- at least one tunable filter, configured to limit the spectrum of the interrogation optical signal to a predetermined range of wavelengths;
- al menos un acoplador óptico dispuesto a continuación del filtro sintonizable; y- at least one optical coupler arranged after the tunable filter; and
- al menos un multiplexor de emisión, configurado para alinear la salida del acoplador con las fibras ópticas de la línea de comunicación multicanal que transportan la señal óptica de interrogación desde los medios de interrogación hasta la unidad sensora. - at least one emission multiplexer, configured to align the output of the coupler with the optical fibers of the multichannel communication line that carry the optical interrogation signal from the interrogation means to the sensor unit.
En una realización preferida de la invención, los medios de interrogación óptica comprenden, además, un divisor de haz configurado para dividir la señal óptica de interrogación en dos partes, una primera parte cuyo rango de longitud de onda está dentro de la región visible y una segunda parte cuyo rango de longitud de onda está en el infrarojo cercano. El divisor de haz es, preferiblemente, un espejo dicróico.In a preferred embodiment of the invention, the optical interrogation means further comprise a beam splitter configured to divide the optical interrogation signal into two parts, a first part whose wavelength range is within the visible region and a second part whose wavelength range is within the visible region. second part whose wavelength range is in the near infrared. The beam splitter is preferably a dichroic mirror.
La unidad de análisis está preferiblemente provista de:The analysis unit is preferably provided with:
- medios de transducción optoelectrónica, configurados para convertir la señal óptica de respuesta y la señal óptica de transreflexión (si el sistema está provisto de un transductor fotónico de transreflexión) en señales eléctricas; y- optoelectronic transduction means, configured to convert the response optical signal and the transreflection optical signal (if the system is provided with a transreflection photonic transducer) into electrical signals; and
- una unidad lógica programable, configurada para analizar al menos:- a programmable logic unit, configured to analyze at least:
a) las señales eléctricas correspondientes a la señal óptica de respuesta y, b) las señales eléctricas correspondientes a la señal óptica de transreflexión, o la variación de la frecuencia de resonancia.a) the electrical signals corresponding to the response optical signal and, b) the electrical signals corresponding to the transreflection optical signal, or the variation of the resonance frequency.
Los medios de transducción optoelectrónica comprenden, preferiblemente:The optoelectronic transduction means preferably comprise:
- un fotodetector configurado para trabajar en el rango visible del espectro electromagnético;- a photodetector configured to work in the visible range of the electromagnetic spectrum;
- un fotodetector configurado para trabajar en el rango del infrarrojo cercano;- a photodetector configured to work in the near infrared range;
- un multiplexor de recepción configurado para dirigir la señal óptica de respuesta al fotodetector que trabaja en el visible y para dirigir la señal óptica de transreflexión al fotodetector que trabaja en el infrarrojo cercano. - a reception multiplexer configured to direct the response optical signal to the photodetector that works in the visible and to direct the transreflection optical signal to the photodetector that works in the near infrared.
Los fotodetectores arriba indicados comprenden preferiblemente al menos un fotodiodo, configurado para convertir la señal óptica correspondiente (ya sea la señal óptica de respuesta, o la señal optica de interrogación reflejada), en corrientes eléctricas.The above indicated photodetectors preferably comprise at least one photodiode, configured to convert the corresponding optical signal (either the response optical signal, or the reflected interrogation optical signal), into electrical currents.
Asimismo, los medios de transducción optoelectrónica también comprenden, preferiblemente:Likewise, the optoelectronic transduction means also preferably comprise:
- al menos un amplificador, configurado para convertir las corrientes eléctricas creadas por el fotodiodo en tensiones eléctricas amplificando su magnitud; y- at least one amplifier, configured to convert the electrical currents created by the photodiode into electrical voltages, amplifying their magnitude; and
- al menos un convertidor analógico digital (ADC), configurado para convertir las tensiones eléctricas obtenidas en el amplificador en señales electrónicas digitales.- at least one analog-to-digital converter (ADC), configured to convert the electrical voltages obtained in the amplifier into digital electronic signals.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para completar la presente descripción de la invención y con el objetivo de ayudar a una mejor comprensión de las características técnicas de la invención, de acuerdo con ejemplos preferentes de realizaciones prácticas de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complete this description of the invention and with the aim of helping to better understand the technical characteristics of the invention, in accordance with preferred examples of practical embodiments thereof, a set of instructions is attached as an integral part of said description. drawings where, with an illustrative and non-limiting nature, the following has been represented:
Fig. 1.- Es una vista esquemática y no a escala, de los principales elementos de los que consta un sistema de análisis según la presente invención;Fig. 1.- It is a schematic view and not to scale, of the main elements of which an analysis system according to the present invention consists;
Fig. 2A.- Es una vista frontal en planta que muestra una posible realización de la unidad sensora de uso en el sistema de análisis según la presente invención;Fig. 2A.- Is a front plan view showing a possible embodiment of the sensor unit for use in the analysis system according to the present invention;
Fig. 2B.- Es una vista en perspectiva de la unidad sensora mostrada en la Fig. 2A; Fig. 2B.- Is a perspective view of the sensor unit shown in Fig. 2A;
Fig. 2C.- Es una vista en perspectiva de una posible realización de un transductor fotónico resonante, con celdas fotónicas de nano-pilares resonantes;Fig. 2C.- Is a perspective view of a possible embodiment of a resonant photonic transducer, with photonic cells of resonant nano-pillars;
Fig. 2D.- Es una vista en perspectiva de una posible realización de un transductor fotónico resonante, con celdas fotónicas de nano-poros estructurados en capas resonantes;Fig. 2D.- Is a perspective view of a possible embodiment of a resonant photonic transducer, with photonic cells of nano-pores structured in resonant layers;
Fig. 2E.- Es una vista esquemática que muestra una posible realización de un transductor fotónico de transreflexión y su principio de funcionamiento;Fig. 2E.- Is a schematic view that shows a possible embodiment of a transreflection photonic transducer and its operating principle;
Fig. 2F.- Es una vista de un conjunto de espejos de transreflexión que forma parte del transductor fotónico de transreflexión de la fig. 2E;Fig. 2F.- Is a view of a set of transreflection mirrors that forms part of the transreflection photonic transducer of fig. 2E;
Fig. 2G.- Es una vista esquemática en planta que muestra una realización de un transductor de radio frecuencia de la unidad sensora;Fig. 2G.- Is a schematic plan view that shows an embodiment of a radio frequency transducer of the sensor unit;
Fig. 3A es una vista en planta que muestra una realización de la invención en la que el sistema de análisis comprende un portasensor y un pasamuros;Fig. 3A is a plan view showing an embodiment of the invention in which the analysis system comprises a sensor holder and a bushing;
Fig. 4A es una vista en perspectiva que muestra una posible realización del pasamuros de uso en el sistema de análisis según la presente invención;Fig. 4A is a perspective view showing a possible embodiment of the feedthrough for use in the analysis system according to the present invention;
Fig. 4B muestra dos vistas en corte lateral del pasamuros de la Fig. 4A;Fig. 4B shows two side sectional views of the transit of Fig. 4A;
Fig. 4C es una vista en sección de una primera realización de un casquillo de apriete de un pasamuros de uso en el sistema de análisis de la presente invención;Fig. 4C is a sectional view of a first embodiment of a gland for use in the test system of the present invention;
Fig. 4D es una vista en sección de una segunda realización de un casquillo de apriete de un pasamuros de uso en el sistema de análisis de la presente invención; Fig. 4D is a sectional view of a second embodiment of a gland for use in the test system of the present invention;
Fig. 5 es un diagrama de bloques que muestra esquemáticamente una posible realización de la invención, en el que se muestran algunos de los elementos más importantes que componen el sistema de identificación;Fig. 5 is a block diagram that schematically shows a possible embodiment of the invention, in which some of the most important elements that make up the identification system are shown;
Fig. 6A muestra tres imágenes SEM (imágenes de microscopio de barrido de electrones) que ilustran, respectivamente, una celda fotónica de nano pilares resonantes, una celda fotónica de nano-poros estructurados en capas resonantes y un espejo de transreflexión, de uso en el sistema de la invención;Fig. 6A shows three SEM images (scanning electron microscope images) illustrating, respectively, a resonant nanopillar photonic cell, a resonant layer-structured nanopore photonic cell and a transreflection mirror, for use in the system of the invention;
Fig. 6B muestra tres gráficas que ilustran -respectivamente- el espectro de reflexión de la celda fotónica de nano pilares resonantes, la celda fotónica de nano-poros estructurados en capas resonantes y el espejo de transreflexión de la Fig. 6A.Fig. 6B shows three graphs illustrating -respectively- the reflection spectrum of the resonant nanopillar photonic cell, the resonant layer-structured nanopore photonic cell and the transreflection mirror of Fig. 6A.
Fig. 7A muestra el espectro de reflexión obtenido con transductor provisto de una celda fotónica de nano pilares resonantes, de uso en la presente invención;Fig. 7A shows the reflection spectrum obtained with a transducer provided with a resonant nanopillar photonic cell, for use in the present invention;
Fig. 7B muestra el espectro de reflexión obtenido con transductor provisto de una celda fotónica nano-poros estructurados, de uso en la presente invención;Fig. 7B shows the reflection spectrum obtained with a transducer equipped with a structured nano-pore photonic cell, for use in the present invention;
Fig. 7C muestra el espectro obtenido con transductor de radiofrecuencia, de uso en la presente invención; yFig. 7C shows the spectrum obtained with a radiofrequency transducer, for use in the present invention; and
Fig. 7D muestra el espectro de reflexión obtenido con transductor óptico de transreflexión, de uso en la presente invención;Fig. 7D shows the reflection spectrum obtained with a transreflection optical transducer, for use in the present invention;
Referencias numéricas de las FigurasNumerical references of the Figures
(1) Yacimiento de producto petrolífero;(1) Reservoir of petroleum product;
(1a) Producto petrolífero;(1a) Petroleum product;
(2) Bolsa de gas; (2) Gas bag;
(3) Orificio de acceso al yacimiento de producto petrolífero;(3) Orifice for access to the oil product deposit;
(4) Torre de perforación;(4) Drilling tower;
(5) Tubería de perforación;(5) Drill pipe;
(10) Unidad sensora;(10) Sensor unit;
(11) Transductor fotónico resonante (de la unidad sensora);(11) Resonant photonic transducer (of the sensor unit);
(IIA ) Celda fotónica de nano-pilares resonantes (del primer transductor);(IIA ) Resonant nano-pillar photonic cell (from the first transducer);
(IIB ) Celda fotónica de nano-poros estructurados en capas resonantes (del primer transductor);(IIB ) Photonic cell of nano-pores structured in resonant layers (from the first transducer);
(12) Transductor fotónico de transreflexión (de la unidad sensora);(12) Transreflection photonic transducer (of the sensor unit);
(12a) Espejo de transreflexión (del transductor fotónico de transreflexión);(12a) Transreflection mirror (of transreflection photonic transducer);
(12b) Soporte (del transductor fotónico de transreflexión);(12b) Support (of the transreflection photonic transducer);
(12c) Férulas (del transductor fotónico de transreflexión);(12c) Ferrules (of the transreflection photon transducer);
(13) Transductor de RF (de la unidad sensora);(13) RF transducer (from sensor unit);
(13a) línea de conducción (del transductor de RF);(13a) conduction line (from the RF transducer);
(13b) resonadores eléctricos (del transductor de RF);(13b) electrical resonators (of the RF transducer);
(13c) puerto eléctrico (del transductor de RF);(13c) electrical port (of the RF transducer);
(14) Sustrato dieléctrico (del transductor de RF);(14) Dielectric substrate (of the RF transducer);
(15) Sustrato de cuarzo (del transductor fotónico resonante);(15) Quartz substrate (of the resonant photonic transducer);
(20) Medios de interrogación;(20) Means of interrogation;
(21) Fuente óptica;(21) Optical source;
(22) Divisor de haz;(22) Beam splitter;
(23) Filtro sintonizable;(23) Tunable filter;
(24) Acoplador óptico;(24) Optical coupler;
(25) Multiplexor de emisión;(25) Emission multiplexer;
(30) Unidad de análisis e identificación;(30) Analysis and identification unit;
(31) Medios de transducción optoelectrónica;(31) Optoelectronic transduction means;
(32) Multiplexor de recepción;(32) Reception multiplexer;
(33a) Fotodetector (espectro visible);(33a) Photodetector (visible spectrum);
(33b) Fotodetector (NIR);(33b) Photodetector (NIR);
(34) Medios lógicos programables;(34) Programmable logic means;
(35) Unidad lógica programable;(35) Programmable logic unit;
(36) Software de análisis; (36) Analysis software;
(37) Bases de datos;(37) Databases;
(40) Línea de comunicación multicanal;(40) Multichannel communication line;
(40a) Fibra óptica que transporta la señal óptica de interrogación;(40a) Optical fiber that carries the optical interrogation signal;
(40b) Fibra óptica que transporta la señal óptica de respuesta/ transreflejada; (50) Portasensor;(40b) Optical fiber carrying the response/transreflected optical signal; (50) Sensor holder;
(51) Región de sujeción de la línea de comunicación multicanal;(51) Clamping region of the multi-channel communication line;
(51a) Acoplador de tramos de fibra óptica;(51a) Coupler of fiber optic sections;
(52) Región de alojamiento de la línea de comunicación multicanal;(52) Hosting region of the multi-channel communication line;
(53) Región de retención del sustrato;(53) Substrate retention region;
(56) Pletina del portasensor;(56) Sensor holder plate;
(60) Pasamuros;(60) Grommets;
(61) Tapa del pasamuros;(61) Grommet cover;
(62) Agujero pasante del pasamuros;(62) Through hole of the wall bushing;
(63) Casquillo de apriete para ópticos;(63) Clamping sleeve for optics;
(63a) Medios de fijación del casquillo de apriete;(63a) Means for fixing the clamping bushing;
(64) Capuchón del casquillo de apriete;(64) Cap of the tightening bushing;
(65) Elemento deformable del casquillo de apriete;(65) Deformable element of the tightening bushing;
(66) Pieza de latón;(66) Piece of brass;
(67) Junta de goma del pasamuros;(67) Grommet rubber gasket;
(68) Orificio pasante auxiliar (para RF);(68) Auxiliary Through Hole (for RF);
(69) Pieza de plástico;(69) Plastic part;
(70) Sonda de análisis; y(70) Analysis probe; and
(71) Conector estanco coaxial.(71) Coaxial watertight connector.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDADESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT
A lo largo de la presente descripción, así como en las figuras adjuntas, los elementos que posean la misma función o una similar, se denotarán con las mismas referencias numéricas.Throughout this description, as well as in the attached figures, the elements that have the same or a similar function will be denoted with the same numerical references.
La Fig. 1 muestra, de forma esquemática, un sistema de análisis según la presente invención. Dicho sistema está destinado a analizar, en esta realización particular, el contenido de un yacimiento petrolífero. Fig. 1 shows, schematically, an analysis system according to the present invention. Said system is intended to analyze, in this particular embodiment, the content of an oil reservoir.
En el ejemplo de aplicación del sistema de la invención ilustrado en dicha Fig. 1, el yacimiento petrolífero está provisto de una torre 4 de perforación, por medio de la cual se ha practicado un orificio 3 de acceso a un yacimiento 1 de producto petrolífero 1a. Por encima de dicho yacimiento está provista una bolsa 2 de gas natural en la que están presentes los hidrocarburos y componentes más volátiles del producto petrolífero 1a. Además, en el orificio 3 se ha dispuesto una tubería 5 de perforación a través de la cual se bombea el producto petrolífero para que suba hasta la superficie.In the application example of the system of the invention illustrated in said Fig. 1, the oil field is provided with a drilling tower 4, by means of which an access hole 3 has been made to a field 1 of petroleum product 1a . Above said reservoir is provided a pocket 2 of natural gas in which the hydrocarbons and more volatile components of the petroleum product 1a are present. In addition, a drill pipe 5 has been arranged in the hole 3 through which the petroleum product is pumped to rise to the surface.
Por otro lado, el sistema de análisis de la invención consta de una unidad sensora 10 que se ha introducido a través del orificio 3 de acceso hasta entrar en contacto en contacto con el yacimiento 1 de producto petrolífero. La unidad sensora 10 está conectada a los medios 20 de interrogación y a la unidad 30 de análisis, a través de la línea 40 de comunicación multicanal.On the other hand, the analysis system of the invention consists of a sensor unit 10 that has been introduced through the access hole 3 until it comes into contact with the reservoir 1 of petroleum product. The sensor unit 10 is connected to the interrogation means 20 and to the analysis unit 30, through the multichannel communication line 40.
Más en particular, la línea 40 de comunicación multicanal está conectada por uno de sus extremos a la unidad sensora 10 y discurre a lo largo de todo la extensión del orificio 3 de acceso hasta la ubicación de los medios 20 de interrogación y de la unidad 30 de análisis, conectándose por el segundo de sus extremos a dichos medios 20 y a dicha unidad 30.More particularly, the multichannel communication line 40 is connected at one of its ends to the sensor unit 10 and runs along the entire length of the access hole 3 to the location of the interrogation means 20 and of the unit 30. analysis, connecting by the second of its ends to said means 20 and to said unit 30.
En las Figs. 2A y 2B se ilustra una unidad sensora 10 de uso en un sistema de identificación según la presente invención.In Figs. 2A and 2B a sensor unit 10 for use in an identification system according to the present invention is illustrated.
En la realización mostrada en dichas figuras, la unidad sensora 10 comprende tres tipos diferentes de transductores: un transductor 11 fotónico resonante, un transductor 12 fotónico de transreflexión y un transductor 13 de radio frecuencia. Asimismo, el transductor 11 fotónico resonante comprende, a su vez, varias celdas fotónicas 11A de nano-pilares resonantes y varias celdas fotónicas 11B de nano-poros estructurados en capas resonantes. In the embodiment shown in said figures, the sensor unit 10 comprises three different types of transducers: a resonant photonic transducer 11, a transreflective photonic transducer 12 and a radio frequency transducer 13. Likewise, the resonant photonic transducer 11 comprises, in turn, several photonic cells 11A of resonant nano-pillars and several photonic cells 11B of nano-pores structured in resonant layers.
El transductor 12 fotónico de transreflexión comprende, en esta realización de la invención, como espejo 12a de transreflexión un conjunto formado por cuatro espejos de infrarrojo cercano (NIR). Dicho conjunto de espejos 12a no es visible en las Figs. 2A y 2B, ya que está dispuesto en la cara interna del soporte 12b, pero puede apreciarse en la Fig. 2F. Además, en la Fig. 2E se muestran en detalle los distintos elementos de los que consta dicho transductor 12 fotónico de transreflexión.The transreflection photonic transducer 12 comprises, in this embodiment of the invention, as transreflection mirror 12a an assembly formed by four near-infrared (NIR) mirrors. Said set of mirrors 12a is not visible in Figs. 2A and 2B, since it is arranged on the internal face of the support 12b, but it can be seen in Fig. 2F. In addition, in Fig. 2E the different elements of which said transreflection photonic transducer 12 consists are shown in detail.
De forma similar, el único elemento del transductor 13 de radio frecuencia que puede apreciarse en las Figs. 2A y 2B es el puerto eléctrico 13c. No obstante, en la Fig. 2G se muestran en detalle los distintos elementos de los que consta dicho transductor 13 de radio frecuencia.Similarly, the only element of the radio frequency transducer 13 that can be seen in Figs. 2A and 2B is the electrical port 13c. However, in Fig. 2G the different elements of which said radio frequency transducer 13 consists are shown in detail.
En la Fig. 2C se muestra una posible realización de un transductor fotónico resonante 11 de uso en el sistema de análisis de la presente invención. En la realización aquí mostrada, dicho transductor fotónico resonante 11 está montado sobre un sustrato 15 hecho de cuarzo. En el caso aquí ilustrado, el transductor fotónico resonante 11 comprende celdas fotónicas 11A de nanopilares resonantes.Shown in Fig. 2C is a possible embodiment of a resonant photonic transducer 11 for use in the analysis system of the present invention. In the embodiment shown here, said resonant photonic transducer 11 is mounted on a substrate 15 made of quartz. In the case illustrated here, the resonant photonic transducer 11 comprises resonant nanopillar photonic cells 11A.
En esta realización particular de la invención, dichas celdas fotónicas 11A de nano-pilares resonantes son celdas cuadradas de 1mm de lado y están formadas a partir de un proceso de fotolitografía.In this particular embodiment of the invention, said resonant nano-pillar photonic cells 11A are square cells with a side of 1mm and are formed from a photolithography process.
La Fig. 2D muestra otra posible realización de un transductor fotónico resonante 11 similar al de la Fig. 2C, pero en la que el transductor fotónico resonante 11 comprende celdas fotónicas 11B de nano-poros estructurados en capas resonantes.Fig. 2D shows another possible embodiment of a resonant photonic transducer 11 similar to that of Fig. 2C, but in which the resonant photonic transducer 11 comprises resonant layer-structured nano-pore photonic cells 11B.
La Fig. 2E muestra esquemáticamente el funcionamiento de un transductor 12 fotónico de transreflexión de uso en la presente invención. Como puede apreciarse en dicha figura, el transductor 12 está provisto de un soporte 12b el cual, en esta realización particular de la invención, comprende dos paredes separadas por un espacio vacío al que accede el producto petrolífero 1a, al introducir la unidad sensora 10 en el yacimiento 1.Fig. 2E schematically shows the operation of a transreflection photonic transducer 12 for use in the present invention. As can be seen in said figure, the transducer 12 is provided with a support 12b which which, in this particular embodiment of the invention, comprises two walls separated by an empty space accessed by the petroleum product 1a, when introducing the sensor unit 10 in the reservoir 1.
La cara interior de una de dichas paredes del soporte 12b está provista de espejos 12a de transreflexión los cuales, en esta realización de la invención, son del tipo de infrarrojo cercano (NIR), mientras que la otra pared del soporte 12b está provista de unas férulas 12c, estando cada uno de dichas férulas 12c alineada con el centro de uno de los espejos 12a. Además, cada una de las férulas 12c sujeta una fibra óptica 40a y una fibra óptica 40b de la línea de comunicación multicanal.The inner face of one of said walls of the support 12b is provided with transreflection mirrors 12a which, in this embodiment of the invention, are of the near-infrared (NIR) type, while the other wall of the support 12b is provided with some splints 12c, each of said splints 12c being aligned with the center of one of the mirrors 12a. Furthermore, each of the ferrules 12c holds an optical fiber 40a and an optical fiber 40b of the multi-channel communication line.
Las fibras ópticas 40a son las encargadas de transportar la señal óptica de interrogación, desde los medios 20 de interrogación, hasta el transductor 12 fotónico de transreflexión. Como puede apreciarse en la figura Fig. 2E, la señal óptica de interrogación atraviesa espacio vacío en el que se encuentra el producto petrolífero 1a del yacimiento, alcanzando el centro del correspondiente espejo 12a de transreflexión. Dicho espejo 12a la refleja en la forma de una señal óptica de transreflexión que, atravesando el pequeño espesor de crudo entre espejo y fibra, es transportada a través de la fibra óptica 40b hasta la unidad 30 de análisis e identificación.The optical fibers 40a are responsible for transporting the optical interrogation signal, from the interrogation means 20, to the transreflection photonic transducer 12. As can be seen in the figure Fig. 2E, the interrogation optical signal passes through the empty space in which the petroleum product 1a of the reservoir is located, reaching the center of the corresponding transreflection mirror 12a. Said mirror 12a reflects it in the form of a transreflection optical signal which, traversing the small thickness of raw material between the mirror and the fiber, is transported through the optical fiber 40b to the analysis and identification unit 30.
En la Fig. 2F se muestra un conjunto formado por cuatro espejos 12a de transreflexión, del tipo de infrarrojo cercano (NIR), que forma parte del transductor 12 fotónico de transreflexión mostrado en las Figs. 2A, 2B y 2E.In Fig. 2F an assembly formed by four transreflection mirrors 12a is shown, of the near-infrared (NIR) type, which forms part of the transreflection photonic transducer 12 shown in Figs. 2A, 2B and 2E.
En la Fig. 2G se ilustra una posible realización de un transductor 13 de radiofrecuencia de la unidad sensora 10. Dicho transductor 13 comprende un sustrato dieléctrico 14 que está hecho de un metamaterial que comprende politetrafluoro etileno (PTFE), fibras de vidrio y material cerámico Rogers AD1000 (marca comercial). Además, en dicha figura se muestra la primera cara del sustrato dieléctrico 14 sobre la que está provisto el circuito resonante. No obstante, el sustrato dieléctrico 14 posee una segunda cara, no visible en la figura 2A, sobre la que dispuesto un revestimiento metalizado que hace las veces de plano de masa.A possible embodiment of a radio frequency transducer 13 of the sensor unit 10 is illustrated in Fig. 2G. Said transducer 13 comprises a dielectric substrate 14 which is made of a metamaterial comprising polytetrafluoroethylene (PTFE), glass fibers and ceramic material. Rogers AD1000 (trade mark). In addition, said figure shows the first face of the dielectric substrate 14 on which the resonant circuit is provided. No However, the dielectric substrate 14 has a second face, not visible in figure 2A, on which is arranged a metallic coating that acts as a ground plane.
El circuito resonante del transductor 13 comprende una línea 13a de conducción y dos resonadores eléctricos 13b en forma de espiral dispuestos simétricamente en torno a la línea 13b de conducción. En esta realización particular de la invención, tanto la línea 13a como los resonadores están hechos a partir de tiras conductoras de cobre provistas de un recubrimiento exterior de oro.The resonant circuit of the transducer 13 comprises a conduction line 13a and two spiral-shaped electrical resonators 13b arranged symmetrically around the conduction line 13b. In this particular embodiment of the invention, both the line 13a and the resonators are made from conductive strips of copper provided with an outer coating of gold.
Cuando el circuito resonante del transductor 13 entra en contacto con un producto petrolífero, su frecuencia de resonancia varía (ya que está relacionada con la permitividad de dicho producto petrolífero). La presente invención utiliza esta particularidad para extraer información sobre las propiedades físico-químicas del producto petrolífero acumulado en el yacimiento.When the resonant circuit of the transducer 13 comes into contact with a petroleum product, its resonance frequency changes (since it is related to the permittivity of said petroleum product). The present invention uses this particularity to extract information on the physical-chemical properties of the petroleum product accumulated in the reservoir.
Uno de los extremos de la línea 13a de conducción está dispuesto en circuito abierto, mientras que el segundo extremo está conectado a un puerto eléctrico 13c el cual, es esta realización de la invención es una soldadura de aleación de plomo-estaño-plata. Dicha aleación posee un punto de fusión en torno a los 300°C, que es superior a la temperatura a la que se encuentran habitualmente sometidos los yacimientos de productos petrolíferos.One end of the conduction line 13a is open-circuited, while the second end is connected to an electrical port 13c which, in this embodiment of the invention, is a lead-tin-silver alloy solder. Said alloy has a melting point of around 300°C, which is higher than the temperature to which deposits of petroleum products are usually subjected.
El transductor 13 está preferiblemente recubierto de una capa de Kapton, destinada a evitar que el producto petrolífero lo degrade o contamine.The transducer 13 is preferably covered with a Kapton layer, intended to prevent the petroleum product from degrading or contaminating it.
La Fig. 3A muestra una realización de la invención en la que el sistema de identificación comprende un portasensor 50 y un pasamuros 60. Fig. 3A shows an embodiment of the invention in which the identification system comprises a sensor holder 50 and a bushing 60.
El pasamuros 60 mostrado en la figura 3A está provisto de una tapa 61 acoplada de forma estanca a una sonda 70 de análisis. La tapa 60 está provista de dos agujeros pasantes 62, a través de los cuales se hacen pasar las fibras ópticas 40a y 40b de la línea de comunicación multicanal.The bushing 60 shown in Figure 3A is provided with a cap 61 sealedly coupled to an analysis probe 70 . The cover 60 is provided with two through holes 62, through which the optical fibers 40a and 40b of the multi-channel communication line are passed.
En esta realización particular de la invención, la fibra óptica 40a es la encargada de transportar la señal óptica de interrogación, desde los medios 20 de interrogación, hasta la unidad sensora 10. Por otro lado, la fibra óptica 40b es la encargada de transportar la señal óptica de respuesta y la señal óptica de transreflexión, desde la unidad sensora 10 que, ya ha interactuado con el producto petrolífero, hasta la unidad 30 de análisis e identificación.In this particular embodiment of the invention, the optical fiber 40a is in charge of transporting the optical interrogation signal, from the interrogation means 20, to the sensor unit 10. On the other hand, the optical fiber 40b is in charge of transporting the response optical signal and the transreflection optical signal, from the sensor unit 10, which has already interacted with the petroleum product, to the analysis and identification unit 30.
El pasamuros 60 está provisto, además, de dos casquillos 63 de apriete. La parte superior de cada uno de los casquillos 63 está provista de un capuchón 64 con un agujero pasante. Además, los casquillos 63 tienen una superficie interior hueca, por lo que es posible hacer pasar cada una de las fibras ópticas 40a y 40b a través de los casquillos 63 y conectarlas a la región 51 de alojamiento de la línea de comunicación multicanal, colindante con la unidad sensora 10.The cable gland 60 is additionally provided with two clamping bushings 63. The upper part of each of the sockets 63 is provided with a cap 64 with a through hole. In addition, the bushings 63 have a hollow inner surface, so it is possible to pass each of the optical fibers 40a and 40b through the bushings 63 and connect them to the housing region 51 of the multichannel communication line, adjacent to the sensor unit 10.
Asimismo, los casquillos 63 están provistos, en su superficie interior, de unos elementos deformables 65 de superficie interior hueca (no mostrados en la Fig. 3A pero visibles en las Figs. 4C y 4D), configurados para deformarse cuando el capuchón 64 se presiona contra al casquillo 63 de apriete al introducir las fibras ópticas 40a y 40b. Al deformarse, los elementos 65 presionan las fibras ópticas 40a y 40b contra la superficie interior del casquillo de apriete, reteniéndolas en una posición fija.Likewise, the bushings 63 are provided, on their inner surface, with deformable elements 65 with a hollow inner surface (not shown in Fig. 3A but visible in Figs. 4C and 4D), configured to deform when the cap 64 is pressed. against the clamping bushing 63 when inserting the optical fibers 40a and 40b. Upon deformation, the elements 65 press the optical fibers 40a and 40b against the inner surface of the clamping bushing, holding them in a fixed position.
En esta realización particular de la invención de la invención, tal y como puede apreciarse en la Fig. 3A, el portasensor 50 está montado sobre una pletina 56 de acero inoxidable. In this particular embodiment of the invention, as can be seen in Fig. 3A, the sensor holder 50 is mounted on a stainless steel plate 56.
Dicho portasensor 50 comprende una primera región 51 de sujeción de la línea de comunicación multicanal. En esta realización particular de la invención, la región 51 comprende dos acopladores 51a, de superficie interior hueca destinados a acoplar ópticamente entre sí dos tramos de las fibras ópticas 40a y 40b. Los tramos finales de las fibras ópticas 40a y 40b alcanzan la segunda de las regiones del portasensor 50: la región 52 de alojamiento de la línea de comunicación multicanal. La región 52 de alojamiento es -a su vez- colindante a la tercera región que forma parte del portasensor 50: la región 53 de retención del sustrato 15 de la unidad sensora 10.Said sensor holder 50 comprises a first region 51 for holding the multichannel communication line. In this particular embodiment of the invention, region 51 comprises two couplers 51a, with a hollow inner surface intended to optically couple together two sections of optical fibers 40a and 40b. The final sections of the optical fibers 40a and 40b reach the second of the regions of the sensor holder 50: the region 52 for housing the multichannel communication line. The housing region 52 is -in turn- adjacent to the third region that forms part of the sensor holder 50: the region 53 for retaining the substrate 15 of the sensor unit 10.
En la realización mostrada en la Fig. 3A, las fibras ópticas tienen un núcleo de 200 ^m y están recubiertas de poliamida.In the embodiment shown in Fig. 3A, the optical fibers have a 200 µm core and are sheathed with polyamide.
En las Figs. 4A y 4B se muestra otra posible realización de un pasamuros 60 según la presente invención. Dicho pasamuros 60 está provisto de todos los elementos ya descritos con relación al pasamuros visible en la figura 3A. Por ello, dichos elementos ya citados, a los que se ha identificado usando las mismas referencias numéricas, no serán descritos en más detalle.In Figs. 4A and 4B another possible embodiment of a bushing 60 according to the present invention is shown. Said bushing 60 is provided with all the elements already described in relation to the bushing visible in figure 3A. For this reason, said elements already mentioned, which have been identified using the same numerical references, will not be described in more detail.
Además, la tapa 61 del pasamuros 60 de las Figs. 4A y 4B está provista de una junta de gorma 67 que permite acoplarla de forma estanca a la sonda 70 de análisis. Dicha junta 67 también permitiría acoplar la tapa 61 a un roscado a una junta o elemento roscado.In addition, the cover 61 of the transit 60 of Figs. 4A and 4B, it is provided with a rubber gasket 67 that allows it to be coupled tightly to the analysis probe 70. Said joint 67 would also allow the cover 61 to be coupled to a threaded joint or threaded element.
El pasamuros 60 de las Figs. 4A y 4B está igualmente provisto de un orificio auxiliar 68 en cuyo extremo inferior está provisto un conector estanco coaxial 71. Dicho orificio auxiliar 68 permite la conexión del transductor de RF, que se conecta un cable coaxial a una punta de cobre del pasamuros por el interior, y con un cable diferente en el exterior.The transit 60 of Figs. 4A and 4B is also provided with an auxiliary hole 68 at the lower end of which is provided with a coaxial watertight connector 71. Said auxiliary hole 68 allows the connection of the RF transducer, which connects a coaxial cable to a copper end of the bushing through the inside, and with a different cable outside.
En las Figs. 4C y 4D se muestran dos posibles realizaciones adicionales de casquillos 63 de apriete, de uso en un sistema según la presente invención. In Figs. 4C and 4D show two further possible embodiments of collet 63, for use in a system according to the present invention.
Dichos casquillos 63 están provistos de todos los elementos ya descritos con relación a los casquillos visibles en la figura 3A. Por ello, dichos elementos ya citados, a los que se ha identificado usando las mismas referencias numéricas, no serán descritos en más detalle.Said bushings 63 are provided with all the elements already described in relation to the bushings visible in figure 3A. For this reason, said elements already mentioned, which have been identified using the same numerical references, will not be described in more detail.
Además, el casquillo 63 de apriete de la Fig. 4C está provisto en su superficie interior hueca de un elemento deformable 65, hecho de teflón y cuya superficie interior también es hueca. Asimismo, entre el capuchón 64 y el elemento deformable 65 está dispuesta una pieza 66 de latón.In addition, the clamping sleeve 63 of Fig. 4C is provided on its hollow inner surface with a deformable element 65, made of Teflon and whose inner surface is also hollow. Likewise, between the cap 64 and the deformable element 65 a piece 66 of brass is arranged.
De este modo, cuando el capuchón 64 se presiona contra el casquillo 63 de apriete al introducir las fibras ópticas 40a y 40b, el capuchón 64 empuja la pieza 66 de latón contra el elemento deformable 65, ejerciendo presión sobre este último hasta que se deforma presionando las fibra óptica correspondiente, 40a y 40b, contra la superficie interior del casquillo 63 de apriete, de forma que la retiene en una posición fija.In this way, when the cap 64 is pressed against the clamping bushing 63 when inserting the optical fibers 40a and 40b, the cap 64 pushes the brass piece 66 against the deformable element 65, exerting pressure on the latter until it is deformed by pressing the corresponding optical fibers, 40a and 40b, against the inner surface of the tightening bushing 63, so as to retain it in a fixed position.
El casquillo 63 de apriete de la Fig. 4D es idéntico al mostrado en la Fig. 4C, con la salvedad de que entre la pieza 66 de latón y el elemento deformable 65 está interpuesta, además, una primera pieza 69 de plástico. Además, está provista una segunda pieza 69 de plástico a continuación del elemento deformable 65.The clamping bushing 63 in Fig. 4D is identical to that shown in Fig. 4C, except that a first plastic part 69 is also interposed between the brass part 66 and the deformable element 65. In addition, a second plastic part 69 is provided after the deformable element 65.
La Fig. 5 muestra, por medio de un diagrama de bloques, una posible realización del sistema de identificación según la presente la invención. En dicha figura pueden apreciarse, en primer lugar los medios 20 de interrogación comprenden que una fuente óptica 21, configurada para generar una señal óptica de interrogación. En esta realización particular de la invención, la fuente óptica 21es una fuente láser de luz con un ancho de banda que abarca, tanto la región visible del espectro, como el infrarrojo cercano, por ejemplo, un láser de supercontinuo como el modelo SC4x0 de Fianium (Marca comercial). Fig. 5 shows, by means of a block diagram, a possible embodiment of the identification system according to the present invention. In said figure it can be seen that, firstly, the interrogation means 20 comprise an optical source 21, configured to generate an optical interrogation signal. In this particular embodiment of the invention, the optical source 21 is a laser light source with a bandwidth that covers both the visible region of the spectrum and the near infrared, for example, a supercontinuous laser such as the Fianium SC4x0 model. (Commercial brand).
Los medios 20 de interrogación, de la realización particular de la invención mostrada en la Fig. 5 solo contienen elementos ópticos que trabajan en el rango del espectro visible y del NIR. No obstante y según lo ya mencionado anteriormente, en aquellas realizaciones de la invención en las que está presente un transductor 13 de radiofrecuencia los medios 20 de interrogación, además de elementos ópticos, también están provistos de medios para emitir y transmitir señales en la región de la radiofrecuencia (RF).The interrogation means 20 of the particular embodiment of the invention shown in Fig. 5 only contain optical elements that work in the range of the visible spectrum and NIR. However, and as already mentioned above, in those embodiments of the invention in which a radio frequency transducer 13 is present, the interrogation means 20, in addition to optical elements, are also provided with means for emitting and transmitting signals in the region of radio frequency (RF).
Un divisor 22 de haz divide la señal óptica de interrogación en dos partes, una primera parte cuyo rango de longitudes de onda está dentro de la región visible (y que está destinado a iluminar un transductor fotónico resonante de la unidad sensora 10) y una segunda parte cuyo rango de longitudes de onda está en el infrarojo cercano (y que está destinado a iluminar un transductor fotónico de transreflexión).A beam splitter 22 divides the optical interrogation signal into two parts, a first part whose wavelength range is within the visible region (and which is intended to illuminate a resonant photonic transducer of sensor unit 10) and a second part whose wavelength range is in the near infrared (and which is intended to illuminate a transreflection photonic transducer).
Cada uno de los haces obtenidos a la salida del divisor de haz pasa a través de un filtro sintonizable 23, configurado para limitar el espectro de la señal óptica de interrogación a un rango de longitudes de onda predetermiando y a través de un acoplador óptico 24.Each of the beams obtained at the output of the beam splitter passes through a tunable filter 23, configured to limit the spectrum of the interrogation optical signal to a predetermined range of wavelengths, and through an optical coupler 24.
La salida de los acopladores ópticos está conectada a su vez, al multiplexor 25 de emisión, que dirige la señal óptica de interrogación proveniente de uno de los acopladores ópticos 24 a la fibra óptica 40a de la línea 40 de comunicación multicanal, conectada al transductor de la unidad sensora 10 que esté en funcionamiento en ese momento particular.The output of the optical couplers is connected, in turn, to the emission multiplexer 25, which directs the optical interrogation signal coming from one of the optical couplers 24 to the optical fiber 40a of the multichannel communication line 40, connected to the transmission transducer. which sensor unit 10 is in operation at that particular time.
La operación de los filtros sintonizables 23 se controla, preferiblemente, por medio de un ordenador personal (PC) u otros medios de control conectados a los filtros 23 por ejemplo, por medio de una conexión USB. Gracias a dichos medios lógicos programables es posible seleccionar, los rangos de longitud de onda (A) que dejan pasar los filtros sintonizadles 23. The operation of the tunable filters 23 is controlled, preferably, by means of a personal computer (PC) or other control means connected to the filters 23, for example, by means of a USB connection. Thanks to said programmable logic means, it is possible to select the wavelength ranges (A) that the tuneable filters 23 allow to pass.
P a ra c o n s e g u ir e s ta s e le c c ió n d e A, c a d a f iltro s in to n iz a b le 23 h a ce p a s a r in te rn a m e n te la s e ñ a l ó p tic a p ro v e n ie n te de la fu e n te ó p tic a 21 p o r u n a red de d ifra c c ió n (g ra tin g ) co n u n a in c lin a c ió n re s p e c to a l h a z d e s e ñ a l ó p tica . La p o s ic ió n d e la red d e d ifra c c ió n re s p e c to a l h a z e s p re c is a m e n te lo q u e d e te rm in a d a la lo n g itu d d e o n d a a la q u e v a a e m it ir e l f iltro . E s e s ta re a liz a c ió n c o n c re ta d e la in ve n c ió n , c a d a f iltro s in to n iz a b le 23 lleva In te rn a m e n te in c o rp o ra d o d o s re d e s de d ifra c c ió n d ife re n te s y se u tiliz a u n a u o tra , en fu n c ió n de l ra n g o d e lo n g itu d d e o n d a q u e se d e s e e s e le c c io n a r.To achieve this selection of A, each tunable filter 23 internally passes the optical signal coming from the source optics 21 by a grating of diffraction (g ra ting ) with an inclination with respect to the optical signal beam. The position of the diffraction grating with respect to the beam is precisely what determines the wavelength at which the filter will emit. In this concrete embodiment of the invention, each tunable filter 23 has internally incorporated two different diffraction networks re n tes and one or the other was used, depending on the range of the wavelength that you wish to select.
L o s ra n g o s lo n g itu d d e o n d a c u b ie r to s p o r c a d a g ra tin g p u e d e n ser, p o r e je m p lo , los s ig u ie n te s :The ranges of wavelengths covered by each degree can be, for example, the following:
La s e ñ a l ó p tic a d e in te rro g a c ió n , tra s h a b e r in te ra c tu a d o en los tra n s d u c to re s d e la u n id a d s e n s o ra 10 co n e l p ro d u c to p e tro lífe ro a id e n tif ica r, s a le a tra v é s d e las f ib ra s ó p tic a s 40 b , en la fo rm a d e u n a s e ñ a l ó p tic a de re s p u e s ta y en e s te ca s o p a rticu la r, en la fo rm a d e u n a s e ñ a l ó p tic a d e tra n s re fle x ió n (en el ra n g o d e l N IR ). L a s f ib ra s ó p tic a s 40 b c o n d u c e n d ic h a s e ñ a l ó p tic a de re s p u e s ta d e tra n s re fle x ió n h a s ta la u n id a d 30 de a n á lis is e id e n tif ic a c ió n de p ro d u c to s p e tro lífe ro s .The interrogation optical signal, after having interacted in the transducers of the sensing unit 10 with the petroleum product, identifies r, comes out through the optic fibers 40 b, in the form of an optical response signal and in this particular case, in the form of an optical signal of transreflection (in the NIR range). The optical fibers 40 b conduct these optical signals of response of trans-reflection up to the unit 30 of analysis and identification o f p ro d u c ts p etro líferos .
P re fe r ib le m e n te , ta n to las f ib ra s ó p tic a s 40a , c o m o las f ib ra s ó p tic a s 40b , t ie n e n un n ú c le o d e 200 gm y u n a a p e rtu ra n u m é r ic a d e 0 ,22.Preferably, both the 40a optical fibers and the 40b optical fibers have a 200-gm core and a num- ber opening Erica 0.22.
La lín e a 40 d e c o m u n ic a c ió n m u ltic a n a l, a d e m á s d e las f ib ra s ó p tic a s 40 a y 40b , ta m b ié n e s tá p re fe r ib le m e n te p ro v is ta de c o n e c to re s ó p tic o s d e s tin a d o s a d ir ig ir c o r re c ta m e n te las s e ñ a le s ó p tic a s a los d is t in to s e le m e n to s d e los q u e c o n s ta la p a rte ó p tic a d e l s is te m a . Multianal communication line 40, in addition to optical fibers 40 a and 40b, are also pre fe r ib lely pro vis ted with connectors óp ticos des tin adjos ir ig ir cor rectamente s sig a s óp ticas a los diferentes semen tos de los que cons ta la parte óptica del sistema .
La señal óptica de respuesta y la señal de transreflexión son conducidas por las fibras ópticas 40b a los medios 31 de transducción optoelectrónica de la unidad 30 de análisis e identificación. Una vez allí, pasan por un multiplexor 32 de recepción que dirige la señal óptica de respuesta a un fotodetector 33a (configurado para trabajar en el rango visible del espectro) y que dirige la señal de transreflexión a un fotodetector 33b (configurado para trabajar en el NIR).The optical response signal and the transreflection signal are conducted by optical fibers 40b to the optoelectronic transduction means 31 of the analysis and identification unit 30 . Once there, they pass through a receive multiplexer 32 that directs the optical response signal to a photodetector 33a (configured to work in the visible range of the spectrum) and that directs the transreflection signal to a photodetector 33b (configured to work in the visible range of the spectrum). NIR).
Los fotodetectores 33a , 33b comprenden, en esta realización particular de la invención, un fotodiodo que convierte las señales ópticas recibidas en corrientes eléctricas. Dichas corrientes eléctricas son preferiblemente amplificadas y las tensiones eléctricas resultantes pasan por un convertidor analógico digital para convertirse en señales digitales.The photodetectors 33a, 33b comprise, in this particular embodiment of the invention, a photodiode that converts the received optical signals into electrical currents. Said electrical currents are preferably amplified and the resulting electrical voltages pass through an analog-to-digital converter to be converted into digital signals.
En esta realización de la invención, la unidad 30 de análisis e identificación comprende además, una unidad lógica programable 35 provista de unos medios lógicos programables 34 con al menos una placa de procesamiento.In this embodiment of the invention, the analysis and identification unit 30 further comprises a programmable logic unit 35 provided with programmable logic means 34 with at least one processing board.
Los medios lógicos programables 34 recibien las señales digitales formadas a partir de las corrientes eléctricas generadas por los fotodetectores 33a , 33b, las analizan por medio de un software 37 y comparan con los valores obtenidos con una seríe de valores de referencia incluidos en unas bases de datos 37.The programmable logic means 34 receive the digital signals formed from the electrical currents generated by the photodetectors 33a, 33b, analyze them by means of software 37 and compare them with the values obtained with a series of reference values included in databases. data 37.
La Fig. 6A muestra tres microfotografías identificadas con las letras a), b) y c) que ilustran, respectivamente, una celda fotónica 11A de nano pilares resonantes una celda fotónica 11B de nano-poros estructurados en capas resonantes y un espejo de de transreflexión que trabaja en el infrarrojo cercano. Tanto las celdas fotónicas 11A como las celdas fotónicas 11B forman parte de un transductor fotónico resonante, mientras que el espejo de transreflexión es parte de un transductor fotónico de transreflexión, de uso en el sistema de la invención. Fig. 6A shows three photomicrographs identified with the letters a), b) and c) that illustrate, respectively, a photonic cell 11A with resonant nanopillars, a photonic cell 11B with nanopores structured in resonant layers, and a transreflection mirror that works in the near infrared. Both the photonic cells 11A and the photonic cells 11B are part of a resonant photonic transducer, while the transreflective mirror is part of a transreflective photonic transducer, for use in the system of the invention.
Asimismo, la Fig. 6B muestra el espectro de reflexión correspondiente a cada uno de los elementos sensores de la Fig. 6A: la celda fotónica 11A de nano pilares resonantes, la celda fotónica 11B de nano-poros estructurados en capas resonantes y el espejo de de transreflexión. En este caso se incluye también un espectro de transmisión de heptano para mostrar que un rango de longitudes de onda que recoja información sobre las bandas típicas de hidrocarburos puede ser el comprendido entre 1250 y 2000 nm. Otros rangos son seleccionables variando la topología del apilamiento SiOx-SiO2 utilizado en el espejo.Likewise, Fig. 6B shows the reflection spectrum corresponding to each of the sensor elements in Fig. 6A: the photonic cell 11A with resonant nanopillars, the photonic cell 11B with nanopores structured in resonant layers and the mirror of of transreflection. In this case, a heptane transmission spectrum is also included to show that a range of wavelengths that collect information on typical hydrocarbon bands can be between 1250 and 2000 nm. Other ranges are selectable by varying the topology of the SiOx-SiO 2 stack used in the mirror.
Se utilizó un sistema similar al ilustrado en la Fig. 5, anteriormente descrita, en diversos ensayos de laboratorio para identificar diferentes crudos petrolíferos. Los resultados de dichos ensayos se ilustran en las Figs. 7A a 7D.A system similar to that illustrated in Fig. 5, described above, was used in various laboratory tests to identify different crude oils. The results of such tests are illustrated in Figs. 7A to 7D.
Más en particular, para realizar dichos ensayos de identificación de crudos se empleó una unidad sensora 1 que comprendía, tanto transductores fotónicos resonantes provistos de celdas fotónicas 11A de nano-pilares resonantes (RNP) y celdas fotónicas 11B de nano-poros estructurados en capas resonantes (BMC), como transductores 12 fotónicos de transreflexión que -en esta realización particular de la invención- trabajan en el infrarrojo cercano (NIR) y un último transductor 13 de RF.More particularly, to carry out said crude oil identification tests, a sensor unit 1 was used, comprising both resonant photonic transducers provided with photonic cells 11A of resonant nano-pillars (RNP) and photonic cells 11B of nano-pores structured in resonant layers. (BMC), such as transreflection photonic transducers 12 that -in this particular embodiment of the invention- work in the near infrared (NIR) and a last RF transducer 13.
A cada uno de los transductores fotónicos resonantes accedía la señal óptica de interrogación por medio de una fibra óptica 40a específica, mientras que el transductor 13 de RF estaba alimentado por su propio cable de alimentación.Each of the resonant photonic transducers was accessed by the optical interrogation signal via a specific optical fiber 40a, while the RF transducer 13 was powered by its own power cable.
En la tabla que sigue a continuación se resumen lo distintos transductores de los que contaba la unidad sensora utilizada:The following table summarizes the different transducers included in the sensor unit used:
A continuación se resumen las propiedades (densidad y viscosidad) a diferentes temperaturas, de los crudos petrolíferos empleados en los ensayos:The properties (density and viscosity) at different temperatures of the crude oil used in the tests are summarized below:
P o r o tro lado , la d is tr ib u c ió n d e las c a d e n a s d e c a rb o n o [C x 1 -40 ] d e d ic h o s c ru d o s p e tro lí fe ro s e m p le a d o s a n te s de re a liz a r los e n s a y o s e s la s ig u ie n te :On the other hand, the distribution of the carbon chains [C x 1 -40] of said crude oil used before carrying out the tests is as follows i.e. nte:
P a ra c a d a u n o d e los c ru d o s p e tro lí fe ro s d e s c r ito s p re v ia m e n te , se to m a ro n e s p e c tro s en flu jo , a tra v é s d e c a d a u n o de los tre c e tra n s d u c to re s , s e g ú n lo d e s c r ito a c o n tin u a c ió n :For each of the previously described crude oils, flowing spectra were taken through each of the thirteen transducers, according to what is described below:
En c a d a u n o d e los c o n ju n to s d e e s p e c tro s d e s c r ito s a n te r io rm e n te se e lim in a ro n a q u e llo s e s p e c tro s a típ ic o s co n re s p e c to a l e s p e c tro p ro m e d io (m e d ia ) d e d ic h o co n ju n to , a s í c o m o un f i ltra d o (s u a v iz a d o ) d e los m is m o s m e d ia n te un f iltro S a v itz k y -G o la y de g ra d o 3 y fra m e le n g h t d e 11.In each of the sets of spectra described above, those spectra that were typical with respect to the average spectra were eliminated (mean day ) of said together, as well as a filtering (smoothing) of them through a S av itz k y -G o la y filter of grade 3 and frame length of 11.
En los e n s a y o s re a liz a d o s se u tiliz ó e l s is te m a d e id e n tif ic a c ió n s e g ú n la p re s e n te in v e n c ió n p a ra d e te rm in a r los s ig u ie n te s p a rá m e tro s de los c ru d o s p e tro lí fe ro s a a n a liz a r: d e n s id a d , v is c o s id a d y c a d e n a s d e ca rb o n o .In the tests carried out, the identification system was used according to the present invention to determine the following parameters s of the crude oil to be analyzed: density, viscosity and carbon chains.
P a ra e llo , los s ig u ie n te s tra n s d u c to re s se d e s tin a ro n a la d e te rm in a c ió n d e u n o o v a r io s d e d ic h o s p a rá m e tro s , s e g ú n se re s u m e en la ta b la q u e s ig u e a c o n tin u a c ió n :For this, the following transducers were used for the determination of one ovary of said parameters, as summarized in the table which follows:
En los e n s a y o s re a liz a d o s la u n id a d a n á lis is d e id e n tif ic a c ió n y se c o n fig u ró p a ra s o m e te r p r im e ra m e n te a los e s p e c tro s d e los tra n s d u c to re s R N P 0, B M C 0 y N IR d is p e rs ió n , a un p ro c e s o d e re fe re n c ia c ió n .In the tests carried out, the identification analysis unit was configured to first subject the spectra of the RNP 0 transducers , BMC 0 and NIR dispersion, to a process of reference.
A s í, c a d a e s p e c tro d e R N P 0 y B M C 0 se d iv id ió p o r e l e s p e c tro d e R E F 0 o b te n id o en la m is m a ta n ta d e m e d id a s . P a ra e l c a s o N IR d is p e rs ió n , el e s p e c tro o b te n id o se d iv id e p o r la lín e a b a s e d e l m is m o tra n s d u c to r. E s ta línea b a s e e s s ie m p re la m is m a a lo la rg o d e la e x p e r im e n ta c ió n y c o n s is te en el p ro m e d io d e los e s p e c tro s N IR o b te n id o s p a ra m e d id a s a l a ire . La F ig. 7 A muestra los espectros obtenidos con los transductores de nano-pilares resonantes (RNP).Thus, each spectrum of RNP 0 and BMC 0 was divided by the spectrum of REF 0 obtained in the same number of measurements. For the NIR dispersion case, the spectrum obtained is divided by the base line of the same transducer. This baseline is always the same throughout the exper im en ta tio n and consists of the average of the NIR spectra ob tained for room mea surement. The Fig. 7 to shows the spectra obtained with the resonant nano-pillar (RNP) transducers.
En esta realización de la invención, la unidad de análisis e identificación está configurada para, partiendo de un conjunto de datos limpio para los espectros obtenidos por el transductor RNP 0, aplicar análisis de componentes principales (PCA), obteniendo 3 componentes principales (PC), que explican el 87,7, 5,7 y 3,3% de la señal experimental.In this embodiment of the invention, the analysis and identification unit is configured to, starting from a clean data set for the spectra obtained by the RNP 0 transducer, apply principal component analysis (PCA), obtaining 3 principal components (PC). , which explain 87.7, 5.7 and 3.3% of the experimental signal.
A la transformación generada por PCA sobre los espectros, la unidad de análisis e identificación incorpora unas etiquetas relativas a la densidad corregida con respecto al valor de temperatura para cada crudo.To the transformation generated by PCA on the spectra, the analysis and identification unit incorporates labels relative to the corrected density with respect to the temperature value for each crude oil.
Con esa información la unidad de análisis e identificación entrena un algoritmo de regresión exponencial, obteniendo la siguiente precisión:With this information, the analysis and identification unit trains an exponential regression algorithm, obtaining the following precision:
-Error cuadrático medio (RMSE): 0,01-Mean square error (RMSE): 0.01
- RA2: 0,94;- AR2: 0.94;
- MSE: 0,00;- MSE: 0.00;
- MAE: 0,00.- MAE: 0.00.
La unidad de análisis e identificación pasa entonces a inferir la densidad del crudo petrolífero "problema” objeto de ensayo (teniendo en cuenta la temperatura durante su medida). Así, obtiene las siguientes métricas de error cuadrático medio (RMSE) comparando el valor predicho con el real:The analysis and identification unit then proceeds to infer the density of the "problem" crude oil under test (taking into account the temperature during its measurement). Thus, it obtains the following root mean square error (RMSE) metrics by comparing the predicted value with the real:
De forma similar, para determinar la viscosidad del crudo petrolífero "problema” objeto de ensayo, la unidad de análisis e identificación parte de un c o n ju n to d e d a to s lim p io p a ra los e s p e c tro s o b te n id o s p o r e l t ra n s d u c to r R N P 0, y a p lic a a n á lis is d e c o m p o n e n te s p r in c ip a le s (P C A ), o b te n ie n d o 3 P C s, q u e e x p lic a n e l 87 ,7 , 5 ,7 y 3 ,3 % d e la s e ñ a l e x p e rim e n ta l.Similarly, to determine the viscosity of the "problem" crude oil under test, the analysis and identification unit starts from a con to junto de dato s lim p io para los spectro sobre obtenidos osporeltra nsduc tor RNP 0, y ap lic aan alisis decomponente spr in c ip a le s (PCA ), obten ie Using 3 PCs, which explained 87.7, 5.7 and 3.3% of the expe rim en ta l signal.
A la tra n s fo rm a c ió n g e n e ra d a p o r P C A s o b re los e s p e c tro s , la u n id a d de a n á lis is e id e n tif ic a c ió n in c o rp o ra u n a s e tiq u e ta s re la tiv a s a la v is c o s id a d c o rre g id a co n re s p e c to a l v a lo r d e te m p e ra tu ra p a ra c a d a c ru d o .To the transformation generated by PCA on the spectra, the analysis unit and identifi cation incorporates labels rela tive to the v is c o s ity corrected with respect to the value of temperature for each crude oil.
C o n e s a in fo rm a c ió n la u n id a d de a n á lis is e id e n tif ic a c ió n e n tre n a un a lg o r itm o d e re g re s ió n e x p o n e n c ia l (P ro c e s o d e re g re s ió n G a u s ia n a , G P R ) o b te n ie n d o la s ig u ie n te p re c is ió n :With this information, the analysis and identification unit trains an exponential regression algorithm (regression process n G aus ia n a , G P R ) obtaining the following precision:
- E rro r c u a d rá tic o m e d io R M S E : 7 ,86 ;- Mean square error R M S E: 7.86;
- R A2: 0 ,84 ;- RA2: 0.84;
- M S E : 57 ,14 ;-MS E: 57.14;
- M A E : 2 ,06.- M A E : 2.06.
La u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n p a sa e n to n c e s a in fe r ir la v is c o s id a d de l c ru d o p e tro lífe ro "p ro b le m a ” o b je to d e e n s a y o ( te n ie n d o en c u e n ta la te m p e ra tu ra d u ra n te su m e d id a ). A s í, se o b tie n e n las s ig u ie n te s m é tr ic a s de e rro r c u a d rá tic o m e d io (R M S E ) c o m p a ra n d o el v a lo r p re d ic h o co n e l rea l:The analysis and identification unit then passes to infer the viscosity of the crude oil "problem" object of assay (has taking into account the temperature during its measurement) Thus, the following mean square error metrics are obtained ( R M SE ) comparing the predicted value with the actual value:
La F ig. 7B m u e s tra los e s p e c tro s o b te n id o s co n los tra n s d u c to re s d e n a n o -p o ro s e s tru c tu ra d o s (B M C ).The Fig. 7B shows the spectra obtained with the nano-pore transducers (BMC).
En e s ta re a liz a c ió n d e la in ve n c ió n , la u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n e s tá c o n fig u ra d a pa ra , p a r t ie n d o d e un c o n ju n to d e d a to s lim p io p a ra los e s p e c tro s o b te n id o s p o r e l tra n s d u c to r B M C 0, a p lic a r a n á lis is d e c o m p o n e n te s p r in c ip a le s (P C A ), o b te n ie n d o 1 c o m p o n e n te p r in c ip a l, q u e e x p lic a n e l 98 ,2 % d e la s e ñ a l e x p e r im e n ta l. In this embodiment of the invention, the analysis and identification unit is configured for, starting from a set of data clean for the spectra obtained from the transducer BMC 0, they will apply spr in c ip a le com ponent a lysis (PCA ), obtaining 1 pr in com ponent c ip al, which explains 98.2 % of the exper im en ta l signal.
A la tra n s fo rm a c ió n g e n e ra d a p o r P C A s o b re los e s p e c tro s , la u n id a d de a n á lis is e id e n tif ic a c ió n in c o rp o ra u n a s e tiq u e ta s re la tiv a s a la d e n s id a d c o rre g id a co n re s p e c to a l v a lo r d e te m p e ra tu ra p a ra c a d a c ru d o .To the transformation generated by PCA on the spectra, the analysis unit and identifi cation incorporates labels rela tive to the corrected density with respect to the temperature value for each crude oil.
C o n e s a in fo rm a c ió n , la u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n e n tre n a un a lg o r itm o d e re g re s ió n e x p o n e n c ia l, o b te n ie n d o la s ig u ie n te p re c is ió n :With this information, the analysis and identification unit trains an exponential regression algorithm, obtaining the following ie n te precision:
- R M S E : 0 ,00 ;- R M S E : 0.00 ;
- R A2: 1,00;-R A2: 1.00;
- M S E : 0 ,00 ;-MSE: 0.00;
- M A E : 0 ,00.- M A E : 0.00.
La u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n p a s a e n to n c e s a in fe r ir la d e n s id a d de l c ru d o p e tro lífe ro "p ro b le m a ” o b je to d e e n s a y o ( te n ie n d o en c u e n ta la te m p e ra tu ra d u ra n te su m e d id a ). A s í, o b tie n e las s ig u ie n te s m é tr ic a s d e e rro r c u a d rá tic o m e d io (R M S E ) c o m p a ra n d o e l v a lo r p re d ic h o co n e l rea l:The analysis and identification unit then proceeds to infer the density of the crude oil "problem" under test (taking into account Thus, you obtain the following metrics of root mean square error (RMSE) by comparing the p value re said with the real:
D e fo rm a s im ila r, p a ra d e te rm in a r la v is c o s id a d d e l c ru d o p e tro lí fe ro "p ro b le m a ” o b je to d e e n s a y o , la u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n p a rte d e un c o n ju n to de d a to s lim p io p a ra los e s p e c tro s o b te n id o s p o r e l t ra n s d u c to r B M C 0, y a p lic a a n á lis is d e c o m p o n e n te s p r in c ip a le s (P C A ), o b te n ie n d o 1 PC , q u e e x p lic a n el 98 ,2 % de la s e ñ a l e x p e r im e n ta l.In a similar way, to determine the viscosity of the crude oil "problem" object of test, the análisis unit is and iden tyf ication part of a clean data set for the spectra obtained by the transducer BMC 0, and apply principal component analysis s (PCA), obtaining 1 PC, which explain 98.2% of the experimental signal.
A la tra n s fo rm a c ió n g e n e ra d a p o r P C A s o b re los e s p e c tro s , la u n id a d de a n á lis is e id e n tif ic a c ió n in c o rp o ra u n a s e tiq u e ta s re la tiv a s a la v is c o s id a d c o rre g id a co n re s p e c to a l v a lo r d e te m p e ra tu ra p a ra c a d a c ru d o . To the trans fo rm atio n generated by the PCA on the spectro s, the analy sis an id en tif ica tio n unit incor porates a rela tive tags the v is co sity corrected with respect to alva lo rde tempera ture for cadac ru do.
Con esa información, la unidad de análisis e identificación entrena un algoritmo de regresión exponencial, obteniendo la siguiente precisión:With this information, the analysis and identification unit trains an exponential regression algorithm, obtaining the following precision:
- RMSE: 0,78663- RMSE: 0.78663
- RA2: 1,00- RA2: 1.00
- MSE: 0,61879- MSE: 0.61879
- MAE: 0,49063- MAE: 0.49063
La unidad de análisis e identificación pasa entonces a inferir la viscosidad del crudo "problema” objeto de ensayo (teniendo en cuenta la temperatura durante su medida). Así, obtiene las siguientes métricas de error cuadrático medio (RMSE) comparando en valor predicho del real:The analysis and identification unit then proceeds to infer the viscosity of the "problem" crude under test (taking into account the temperature during its measurement). Thus, it obtains the following metrics of root mean square error (RMSE) comparing the predicted value of the real :
La Fig. 7C muestra los espectros obtenidos por el transductor de radiofrecuencia (RF).Fig. 7C shows the spectra obtained by the radio frequency (RF) transducer.
En esta realización de la invención, la unidad de análisis e identificación está configurada para, partiendo de un conjunto de datos limpio para los espectros obtenidos por el transductor RF, aplicar análisis de componentes principales (PCA), obteniendo 3 PC's, que explican el 52,6, 29,5 y 12, 9% de la señal experimental.In this embodiment of the invention, the analysis and identification unit is configured to, starting from a clean data set for the spectra obtained by the RF transducer, apply principal component analysis (PCA), obtaining 3 PC's, which explain the 52 0.6, 29.5 and 12.9% of the experimental signal.
A la transformación generada por PCA sobre los espectros, la unidad de análisis e identificación incorpora unas etiquetas relativas a la densidad corregida con respecto al valor de temperatura para cada crudo.To the transformation generated by PCA on the spectra, the analysis and identification unit incorporates labels relative to the corrected density with respect to the temperature value for each crude oil.
Con esa información, la unidad de análisis e identificación entrena un algoritmo de regresión lineal (iterations linear), obteniendo la siguiente precisión:With this information, the analysis and identification unit trains a linear regression algorithm (linear iterations), obtaining the following precision:
- RMSE: 0,01;- RMSE: 0.01;
- RA2: 0,96;- AR2: 0.96;
- MSE: 0,00; - MSE: 0.00;
- MAE: 0,00.- MAE: 0.00.
La unidad de análisis e identificación pasa entonces a inferir la densidad del crudo "problema” obteniendo las siguientes métricas de error cuadrático medio (RMSE) comparando en valor predicho del real:The analysis and identification unit then proceeds to infer the density of the "problem" crude, obtaining the following metrics of root mean square error (RMSE) comparing the predicted value of the real one:
La Fig. 7D muestra los espectros obtenidos por el transductor de transreflexión el cual, en esta realización de la invención actúa en el infrarrojo cercano (NIR 0).Fig. 7D shows the spectra obtained by the transreflection transducer which, in this embodiment of the invention acts in the near infrared (NIR 0).
Para inferir la distribución de cadenas de carbono a partir de dichos espectros, la unidad de análisis e identificación parte de un conjunto de datos limpio para los espectros obtenidos por el transductor NIR y aplica análisis de componentes principales (PCA), obteniendo 3 componentes principales que explican el 73,5, 17,7 y 5,5 % de la señal experimental.To infer the distribution of carbon chains from these spectra, the analysis and identification unit starts from a clean data set for the spectra obtained by the NIR transducer and applies principal component analysis (PCA), obtaining 3 principal components that explain 73.5, 17.7 and 5.5 % of the experimental signal.
A la transformación generada por PCA sobre los espectros, la unidad de análisis e identificación incorpora unas etiquetas relativas a la distribución de cadenas de carbono por cada uno de los grupos definidos previamente (Sin incluir el crudo "problema” que será inferido).To the transformation generated by PCA on the spectra, the analysis and identification unit incorporates labels relative to the distribution of carbon chains for each of the previously defined groups (not including the raw "problem" that will be inferred).
La unidad de análisis e identificación entrena un algoritmo de regresión lineal (iterations linear) para el primer grupo Cx_1_5, obteniendo los siguientes valores de precisión:The analysis and identification unit trains a linear regression algorithm (linear iterations) for the first group Cx_1_5, obtaining the following precision values:
- RMSE: 0,59;- RMSE: 0.59;
- RA2: 0,91;- AR2: 0.91;
- MSE: 0,35;- MSE: 0.35;
- MAE: 0,41. - MAE: 0.41.
Para el segundo grupo Cx_6_10 se emplea una metodología similar obteniendo:For the second group Cx_6_10 a similar methodology is used, obtaining:
- RMSE: 0,88;- RMSE: 0.88;
- RA2: 1,00;- AR2: 1.00;
- MSE: 0,78;- MSE: 0.78;
- MAE: 0,57.- MAE: 0.57.
Para el tercer grupo Cx_11_15 se emplea una metodología similar obteniendo: For the third group Cx_11_15 a similar methodology is used, obtaining:
- RMSE: 0,33;- RMSE: 0.33;
- RA2: 0,99;- AR2: 0.99;
- MSE: 0,11;- MSE: 0.11;
- MAE: 0,25.- MAE: 0.25.
Para el cuarto grupo Cx_16_20 se emplea una metodología similar obteniendo:For the fourth group Cx_16_20 a similar methodology is used, obtaining:
- RMSE: 0,28;- RMSE: 0.28;
- RA2: 0,99;- AR2: 0.99;
- MSE: 0,08;- MSE: 0.08;
- MAE: 0,21.- MAE: 0.21.
Para el quinto grupo Cx_21_25 se emplea una metodología similar obteniendo: For the fifth group Cx_21_25 a similar methodology is used, obtaining:
RMSE: 0,20;RMSE: 0.20;
- RA2: 0,99;- AR2: 0.99;
- MSE: 0,04;- MSE: 0.04;
- MAE: 0,15.- MAE: 0.15.
Para el sexto grupo Cx_26_30 se emplea una metodología similar obteniendo: For the sixth group Cx_26_30 a similar methodology is used, obtaining:
- RMSE: 0,18;- RMSE: 0.18;
- RA2: 0,99;- AR2: 0.99;
- MSE: 0,03;- MSE: 0.03;
- MAE: 0,14.- MAE: 0.14.
Para el séptimo grupo Cx_31_35 se emplea una metodología similar obteniendo:For the seventh group Cx_31_35 a similar methodology is used, obtaining:
RMSE: 0,13;RMSE: 0.13;
- RA2: 0,99;- AR2: 0.99;
- MSE: 0,02;- MSE: 0.02;
- MAE: 0,10. - MAE: 0.10.
P a ra e l o c ta v o g ru p o C x _ 35 _ 40 se e m p le a u n a m e to d o lo g ía s im ila r o b te n ie n d o : For the eighth group C x _ 35 _ 40, a similar methodology is used, obtaining:
- R M S E : 0.09- R M S E : 0.09
- R A2: 0.99-R A2: 0.99
- M S E : 0.01- M S E : 0.01
- M A E : 0.07- M A E : 0.07
U n a v e z g e n e ra d o s los o c h o m o d e lo s la u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n in fie re la d is tr ib u c ió n d e c a d e n a s de c a rb o n o d e l c ru d o p ro b le m a . A s í, se o b tie n e las s ig u ie n te s m é tr ic a s d e e r ro r c u a d rá t ic o m e d io (R M S E ) c o m p a ra n d o e l v a lo r p re d ic h o co n e l rea l:Once the eight models have been generated, the analysis and identification unit infers the distribution of carbon chains or the crude oil problem. Thus, the following mean square error metrics (RMSE) are obtained by comparing the predicted value with the actual value:
P a ra in fe r ir la p re s e n c ia de a g u a la u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n e m p le a los e s p e c tro s o b te n id o s p o r e l t ra n s d u c to r d e ra d io fre c u e n c ia p a ra c o n c e n tra c io n e s d e C ru d o D a g u a d e l 1,6805 % , 3 ,6568 % , 8 ,5188 % , 23 ,0593 % e in c ó g n ita (e n tre los v a lo re s 8 ,5188 % , 23 ,0593 % ).To infer the presence of water in the analysis and identification unit, I use the spectra obtained by the radio-frequency transducer c o n c e n t r i o n s of Crude D agua of 1.6805%, 3.6568%, 8.5188%, 23.0593% and unknown (among the values 8.5188%, 23 .0593%).
D ic h a u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n a p lic a a n á lis is d e c o m p o n e n te s p r in c ip a le s (P C A ), u tiliz a n d o to d o s los e s p e c tro s d is p o n ib le s o b te n ie n d o 3 c o m p o n e n te s p r in c ip a le s q u e e x p lic a n e l 68 ,5 , 18 ,8 y 10 ,0 % d e la s e ñ a l e x p e r im e n ta l.Said unit of analysis and identification applies analysis of main components (PCA ), using all available spectra There are 3 main components that explain 68.5, 18.8 and 10.0% of the experimental signal.
A c o n tin u a c ió n , se tra n s fo rm a n los e s p e c tro s a l e s p a c io d e f in id o p o r P C A y se u tiliz a n los c a s o s 1,6805 % , 3 ,6568 % , 8 ,5188 % y 23 ,0593 % p a ra e n tre n a r el sistema de inteligencia mediante regresión lineal, obteniendo la siguiente precisión:Subsequently, the spectro salesspace defined by PCA are transformed and the cases 1.6805%, 3.6568%, 8.5188% and 23.0593% pa are used. ra train the intelligence system through linear regression, obtaining the following precision:
RMSE: 0,82;RMSE: 0.82;
- RA2: 0,99;- AR2: 0.99;
- MSE: 0,67;- MSE: 0.67;
- MAE: 0,62.- MAE: 0.62.
La unidad de análisis pasa a predecir el crudo problema (utilizando para ello las coordenadas PCA previamente obtenidas) obteniendo:The analysis unit proceeds to predict the crude problem (using the previously obtained PCA coordinates) obtaining:
El sistema según la presente invención, puede combinar opcionalmente los resultados obtenidos por varios transductores diferentes para mejorar la precisión y la robustez de las predicciones de las correspondientes magnitudes físico-químicas de los productos petrolíferos a analizar.The system according to the present invention can optionally combine the results obtained by various different transducers to improve the accuracy and robustness of the predictions of the corresponding physical-chemical magnitudes of the petroleum products to be analyzed.
Así, por ejemplo, para inferir la densidad del producto petrolífero correspondiente con mayor precisión, la unidad de análisis puede utilizar los resultados obtenidos por varios transductores fotónicos resonantes RNP de los que consta la unidad sensora.Thus, for example, to infer the density of the corresponding petroleum product with greater precision, the analysis unit can use the results obtained by several RNP resonant photonic transducers of which the sensor unit consists.
En el ejemplo mostrado con relación a las figs. 7Aa 7D la unidad de análisis puede generar, por ejemplo, modelos para la predicción de la densidad para RNP 1 y RNP 3. El modelo para RNP 1 se generó utilizando un algoritmo de regresión exponencial y 1 componente principal (97,5%), obteniendo la siguiente precisión:In the example shown in connection with Figs. 7A to 7D the unit of analysis can generate, for example, models for the prediction of density for RNP 1 and RNP 3. The model for RNP 1 was generated using an exponential regression algorithm and 1 principal component (97.5%), getting the following precision:
- RMSE: 0,01;- RMSE: 0.01;
- RA2: 0,88;- AR2: 0.88;
- MSE: 0,00; - MSE: 0.00;
- MAE: 0,01.- MAE: 0.01.
La predicción para el crudo problema fue la siguiente:The prediction for the crude problem was as follows:
El modelo para RNP 3 se generó utilizando un algoritmo de regresión exponencial y 2 componentes principales (93,4%, 5,7%), obteniendo la siguiente precisión:The model for RNP 3 was generated using an exponential regression algorithm and 2 principal components (93.4%, 5.7%), obtaining the following precision:
- RMSE: 0,00;- RMSE: 0.00;
- RA2: 1,00;- AR2: 1.00;
- MSE: 0,00;- MSE: 0.00;
- MAE: 0,00.- MAE: 0.00.
Con estos datos obtenidos por los transductores RNP es posible desarrollar un sistema de fusión que, en base al nivel de confianza en el modelo generado, que proporcione una respuesta conjunta de los transductores RNP. En este caso se puede definir el nivel de confianza como el valor de RA2 obtenido durante el proceso de entrenamiento. Así, la respuesta conjunta se rige según:With these data obtained by the RNP transducers, it is possible to develop a fusion system that, based on the level of confidence in the generated model, provides a joint response of the RNP transducers. In this case, the confidence level can be defined as the RA2 value obtained during the training process. Thus, the joint response is governed by:
donde U éñ sidadRm„ es el valor promedio predicho por el modelo de densidad en RNP 0 y R2Rflp o o es el valor de RA2 obtenido durante la fase de entrenamiento para el modelo de densidad en RNP 0. Las definiciones para D eñsidddRNp 1 , uensid.ad.PNP3 , R2pnpi , y R2 pnp3 siguen el modelo dado para UeñsidadRNP o y R¿ rnp o . where U esityRm „ is the average value predicted by the density model at RNP 0 and R 2 Rflp oo is the RA2 value obtained during the training phase for the density model at RNP 0. The definitions for D esidddRNp 1 , uensid.ad.PNP3 , R2 pnpi , and R2 pnp 3 follow the model given for UñsidadRNP o and R¿ rnp o .
Utilizando esta formulación la unidad de análisis e identificación obtiene los siguientes resultados: Using this formulation, the analysis and identification unit obtains the following results:
D e fo rm a s im ila r, e l s is te m a s e g ú n la p re s e n te in ve n c ió n , p u e d e c o m b in a r o p c io n a lm e n te los re s u lta d o s o b te n id o s p o r d ife re n te s tra n s d u c to re s R N P y /o B M C p a ra m e jo ra r la p re c is ió n y la ro b u s te z d e las p re d ic c io n e s c o rre s p o n d ie n te s v is c o s id a d .Similarly, the system according to the present invention can optionally combine the results obtained by different transducers. tors RNP and/or BMC to improve the precision and robustness of the predictions corresponding to viscosity.
T a m b ié n p u e d e c o n fig u ra rs e la u n id a d d e a n á lis is e id e n tif ic a c ió n d e fo rm a q u e c o m b in e los re s u lta d o s o b te n id o s p o r d ife re n te s tra n s d u c to re s B M C s im ila r a la d e s c r ita a n te r io rm e n te p a ra in fe r ir co n m a y o r p re c is ió n la v is c o s id a dThe analysis and identification unit can also be configured in such a way that it combines the results obtained from different BMC transducers. yes imitate the one described above to more accurately infer the viscosity
La p re s e n te in v e n c ió n no e s tá lim ita d a , en m o d o a lg u n o , a las re a liz a c io n e s a q u í d iv u lg a d a s . P a ra la p e rs o n a e x p e rta en la té c n ic a s e rá n e v id e n te s o tra s p o s ib le s re a liz a c io n e s d ife re n te s d e e s ta in ve n c ió n , a la v is ta d e la p re s e n te d e s c r ip c ió n . E n c o n s e c u e n c ia , e l a lc a n c e d e p ro te c c ió n d e la p re s e n te in v e n c ió n e s tá d e fin id o , e x c lu s iv a m e n te , p o r las re iv in d ic a c io n e s q u e s ig u e n a c o n tin u a c ió n . The present invention is not limited, in any way, to the embodiments disclosed herein. For the person skilled in the art, it will be obvious other pos s ib le realizations di erent of this invention, in view of the present description. Consequently, the scope of protection of the present invention is defined, exclusively, by the claims that follow n a c o n tin u a tio n .
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202031026A ES2905643B2 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | IN SITU IDENTIFICATION SYSTEM OF PETROLEUM PRODUCTS IN RESERVOIRS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202031026A ES2905643B2 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | IN SITU IDENTIFICATION SYSTEM OF PETROLEUM PRODUCTS IN RESERVOIRS |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2905643A1 ES2905643A1 (en) | 2022-04-11 |
| ES2905643B2 true ES2905643B2 (en) | 2023-06-20 |
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ID=81175128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES202031026A Active ES2905643B2 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | IN SITU IDENTIFICATION SYSTEM OF PETROLEUM PRODUCTS IN RESERVOIRS |
Country Status (1)
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|---|---|
| ES (1) | ES2905643B2 (en) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102928398A (en) * | 2012-11-27 | 2013-02-13 | 上海神开石油化工装备股份有限公司 | Device for detecting hydrocarbon content of drilling fluid |
-
2020
- 2020-10-09 ES ES202031026A patent/ES2905643B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2905643A1 (en) | 2022-04-11 |
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| Radlinski | PROFESSIONAL OPINION |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2905643 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20220411 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2905643 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20230620 |


















