BR0214105B1 - sistema e método para controlar o fluxo de fundo de poço e sistema de sensoriamento para utilização em uma ferramenta furo abaixo. - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA E MÉTODO PARA CONTROLAR O FLUXO DE FUNDO DE POÇO E SISTE- MA DE SENSORIAMENTO PARA UTILIZAÇÃO EM UMA FERRAMENTA FURO ABAIXO".
Referência Cruzada a Pedido Relacionado
Este pedido reivindica a prioridade do Pedido Provisório U.S. N0 60/332.478 depositado em 14 de novembro de 2001.
Antecedentes da Invenção
Campo da Invenção
Esta invenção é relativa, genericamente, a um método para o
controle de poços de produção de petróleo e gás. Mais particularmente, ela é relativa a um sistema sensor ótico de posição para determinar a posição de elementos móveis em equipamento de produção de poço.
Descrição da Técnica Relacionada
O controle de poços de produção de petróleo e gás constitui uma preocupação permanente da indústria de petróleo devido, em parte, à enorme despesa monetária envolvida, bem como os riscos associados a aspectos ambientais e de segurança.
O controle de poço de produção tornou-se particularmente im- portante e mais complexo à vista do amplo reconhecimento da indústria que poços que têm diversos ramais (isto é, poços multilaterais) serão progressi- vamente importantes e lugar comum. Tais poços multilaterais incluem zonas de produção discretas que produzem fluido seja em tubulação de produção comum ou discreta. Em qualquer caso existe uma necessidade por controlar a produção da zona, isolar zonas específicas e monitorar de outra forma ca- da zona em um poço particular. Dispositivos de controle de escoamento tais como válvulas de luva deslizante, engaxetamentos, válvulas de segurança furo abaixo, estrangulamentos furo abaixo e sistemas de batente de ferra- menta furo abaixo são utilizados comumente para controlar escoamento en- tre a tubulação de produção e o anel do revestimento. Tais dispositivos são utilizados para isolamento de zonas, produção seletiva, interrupção de esco- amento, produção de forma misturada e teste transitório. Estas ferramentas são tipicamente atuadas por meio de siste- mas hidráulicos ou motores elétricos que acionam axialmente um elemento com relação a uma carcaça de ferramenta. A atuação hidráulica pode ser implementada dentro de uma ferramenta de deslocamento baixada para a ferramenta em uma linha de cabo ou operando linhas hidráulicas a partir da superfície até a ferramenta furo abaixo. Atuadores acionados por motor elé- trico podem ser utilizados em sistemas de completação inteligente controla- dos a partir da superfície ou utilizando controladores furo abaixo.
Os controladores na superfície são muitas vezes ligados por fio a sensores furo abaixo, que transmitem informação para a superfície tais como pressão, temperatura e escoamento. Com zonas de produção diversas entremisturadas em um único furo de poço é difícil determinar a operação e desempenho de ferramentas individuais furo abaixo a partir apenas de medi- ções de superfície. Também é desejável conhecer a posição dos elementos móveis tais como a luva deslizante em uma válvula de luva deslizante, para melhor controlar o escoamento a partir de diversas zonas. Originalmente, luvas deslizantes eram atuadas ou para uma posição completamente aberta ou completamente fechada. Luvas deslizantes hidráulicas controladas da superfície, tais como a Família de Produtos H81134 de Baker Oil Tools, for- nece controle de posição variável da luva, o que permite controle de escoa- mento contínuo da zona de interesse. Para utilizar de maneira eficiente esta capacidade de controle, um sistema sensor é necessário para determinar a posição da luva. Os dados de posição são então processados na superfície por meio do sistema de controle computadorizado, e são utilizados para o controle do poço de produção. Dados de posição similares irão aprimorar o controle de escoamento eficiente das outras ferramentas furo abaixo men- cionadas. Em adição, para ferramentas críticas tais como válvulas de segu- rança furo abaixo, indicação da posição ou ajuste da válvula, é desejado pa- ra assegurar que a válvula está operando de maneira adequada.
Assim, existe uma necessidade por um sistema de sensoriamen- to de posição que possa monitorar a configuração operacional das ferramen- tas furo abaixo, medindo a posição de um elemento móvel sobre uma gran- de faixa de deslocamento. Sumário da Invenção
Os métodos e aparelhos da presente invenção superam as des- vantagens anteriores da técnica precedente, fornecendo um processo confi- ável de sensoriar a posição de um elemento móvel em uma ferramenta furo abaixo que inclui, porém não está limitada a, uma válvula de produção de luva deslizante, uma válvula de segurança e um estrangulamento furo abaixo.
A presente invenção considera um aparelho para, e método de, utilizar sensores óticos de posicionamento para determinar a posição de um elemento de controle de escoamento móvel em uma ferramenta de controle de fluxo de fundo de poço tal como uma luva deslizante, válvula de seguran- ça de válvula de produção, ou similar.
Em uma modalidade preferencial, esta invenção fornece um sis- tema para controlar fluxo de fundo de poço que compreende um dispositivo de controle de escoamento em uma coluna de tubulação, em um poço. O dispositivo de controle de escoamento tem um primeiro elemento engatado com a coluna de tubulação e um segundo elemento móvel com relação ao primeiro elemento, e que atua operando em conjunto com o primeiro ele- mento para controlar o fluxo de fundo de poço, através do dispositivo de con- trole de escoamento. Um sistema de sensoriamento ótico de posição atua de operando em conjunto com o primeiro elemento e o segundo elemento para detectar uma posição do segundo elemento em relação ao primeiro elemen- to e gera no mínimo um sinal relacionado a isto. Um controlador recebe no mínimo um sinal e determina, de acordo com instruções programadas, a po- sição do segundo elemento em relação ao primeiro elemento, e controla o fluxo de fundo de poço em resposta a isto.
Um método é fornecido para determinar a posição de um ele- mento de controle de escoamento móvel em uma ferramenta de controle de escoamento de poço que compreende sensoriar a posição do elemento de controle de escoamento utilizando um sistema de sensoriamento ótico de posição e gerar um sinal relacionado à posição do elemento de controle de escoamento. O sinal é transmitido para um controlador. A posição do ele- mento de controle de escoamento é determinada de acordo com instruções programadas.
Exemplos das características mais importantes da invenção fo- ram assim resumidas de forma bastante ampla para que sua descrição deta- lhada que segue possa ser melhor entendida, e para que as contribuições à técnica possam ser apreciadas. Existem naturalmente características adicio- nais da invenção que serão descritas daqui em diante e que irão formar o assunto das reivindicações aqui anexas.
Breve Descrição dos Desenhos
Para entendimento detalhado da presente invenção deveriam ser feitas referências à descrição detalhada a seguir da modalidade prefe- rencial, tomada em conjunto com os desenhos que acompanham, nos quais, elementos iguais receberam numerais iguais, nos quais:
A Figura 1 é uma vista diagramática que delineia uma completa- ção de diversas zonas com um sistema de sensoriamento ótico de posição de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 2 é uma vista diagramática de uma seção de uma vál- vula de luva deslizante com sensores de fibra ótica de acordo com uma mo- dalidade da presente invenção;
As Figuras 3a-d são um diagrama esquemático de um gradea- mento Bragg colocado em uma fibra ótica de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 4 é um diagrama esquemático de um sensor de posi- cionamento de fibra ótica de duas posições de válvula de luva deslizante que utiliza gradeamentos Bragg de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 5 é um diagrama esquemático de um sensor de posi- cionamento de fibra ótica de diversas posições de válvula de luva deslizante de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 6 é um diagrama esquemático de um sensor alternativo de posicionamento de fibra ótica de diversas posições de válvula de luva deslizante que utiliza gradeamentos Bragg de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 7 é um diagrama esquemático de um segundo sensor alternativo de posicionamento de fibra ótica de diversas posições de válvula de luva deslizante que utiliza gradeamentos Bragg de acordo com uma mo- dalidade da presente invenção;
A Figura 8 é um diagrama esquemático de um sensor de posi- cionamento de fibra ótica de diversas posições de válvula de luva deslizante que utiliza técnicas de reflexão ótica no domínio de tempo de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 9 é um diagrama esquemático de um sensor alternativo de posicionamento de fibra ótica de diversas posições de válvula de luva deslizante que utiliza técnicas de reflexão ótica no domínio de tempo de a- cordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 10 é um diagrama esquemático de uma ferramenta de controle de poço com um sistema sensor ótico de acordo com uma modali- dade da presente invenção;
A Figura 11 é um esquema de um padrão de marcação prefe- rencial para determinar posição de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A Figura 12 é um esquema de um padrão de gradeamento pre- ferencial de acordo com uma modalidade da presente invenção; e
A Figura 13 é um esquema que mostra uma técnica de sensori- amento de posicionamento por fibra ótica de técnica ótico-magnética de a- cordo com uma modalidade da presente invenção.
Descrição de Modalidades Preferenciais
Como é conhecido, um dado poço pode ser dividido em uma pluralidade de zonas separadas que são necessárias para isolar áreas es- pecíficas de um poço para finalidade de produzir fluidos selecionados, impe- dir explosões e impedir entrada de água. Uma característica contemporânea particularmente significativa de produção de poço é a perfuração e comple- tação de poços laterais ou ramais que se estendem a partir de um furo de poço primário particular. Estes poços laterais ou ramais podem ser comple- tados de tal modo que cada poço lateral constitua uma zona separável e possa ser isolado para produção selecionada.
Com referência à Figura 1, o poço 1 inclui três zonas, a saber zona A, zona B e zona C. Cada uma das zonas A, B e C foram completadas em uma maneira conhecida.
Na zona A, uma completação de revestimento fendilhado está mostrada em 69, associada com um engaxetamento 71. Na zona B, uma completação de furo aberto está mostrada com uma série de engaxetamen- tos 71 e luva deslizante 75, também chamada uma válvula de luva deslizan- te. Na zona C, uma completação de furo revestido está mostrada novamente com uma série de engaxetamentos 71, luva deslizante 75 e ferramentas de perfuração 81. Os engaxetamentos 71 vedam o anel entre os furos de poço e a luva deslizante 75 restringindo com isto a formação de fluido quanto a escoar somente através de uma luva deslizante aberta 75. A coluna de com- pletação 38 é conectada na superfície à cabeça de poço 13.
Em uma modalidade preferencial, fluido hidráulico é alimentado para cada luva deslizante 75 através de um feixe de tubos hidráulicos (não- mostrado) que corre abaixo do anel entre o furo de poço 1 e a coluna de tu- bulação 38. Cada um dos engaxetamentos 71 é adaptado para passar as linhas hidráulicas enquanto mantém uma vedação a fluido. Da mesma maneira, no mínimo uma fibra ótica 15 é passada no anel para cada uma das luvas deslizante 75. As fibras óticas podem passar em um feixe separa- do, ou podem ser incluídas no feixe com as linhas hidráulicas. A fibra ótica 15 é terminada na superfície em um sistema ótico 17 que contém a fonte ótica e equipamento de análise como será descrito. Em uma modalidade preferencial, o sistema ótico 17 compreende uma fonte de luz e um analisa- dor espectral (ver Figuras 4-7). Em uma outra modalidade preferencial, o sistema ótico 17 compreende um reflexômetro ótico no domínio de tempo (ver Figuras 8-9). O sistema ótico 17 dá saída a um sinal condicionado pa- ra um controlador 100 que utiliza a informação para controlar o poço. O con- trolador 100 contém um microprocessador e circuitos para interfacear com o sistema ótico 17 para controlar o sistema hidráulico 109, de acordo com ins- truções programadas para o posicionamento das luvas deslizantes e outros dispositivos de controle de escoamento, como desejado nas diversas zonas de produção, para conseguir os escoamentos desejados. Tais outros dispo- sitivos incluem, porém não estão limitados a, válvulas de segurança furo a- baixo, estrangulamentos furo abaixo, e sistemas de batente de ferramenta furo abaixo, e estão descritos na Patente U.S. 5.868.201 consignada ao consignatário deste pedido e é, com isto, aqui incorporada para referência.
Será apreciado por aqueles versados na técnica, que em uma outra modalidade preferencial, um sistema inteligente de controle de poço controla os dispositivos de controle de escoamento, tais como luva deslizan- te 75. Em um tal sistema, os dispositivos de controle de escoamento são energizados por meio de um acionador eletromecânico furo abaixo (não- mostrado) e o sistema ótico 17 pode estar contido em um controlador furo abaixo (não-mostrado). Tal sistema de controle furo abaixo está descrito na Patente U.S. 5.975.204 consignado ao consignatário deste pedido e é, com isto, aqui incorporada para referência.
A Figura 2 é uma seção esquemática de um conjunto válvula de luva deslizante, também referido comumente como uma luva deslizante 75. A carcaça 110 é ligada em uma extremidade superior à coluna de produ- ção (não-mostrado). Como indicado anteriormente na Figura 1, a coluna de produção é vedada ao furo de poço acima e abaixo da válvula deslizante por meio de engaxetamentos 71. Nesta modalidade preferencial, a carcaça 110 tem diversas fendas 135 arranjadas ao redor de uma seção da carcaça 110. Um elemento de controle de escoamento ou carretei deslizante 155, é colocado dentro da carcaça 110 e tem diversas fendas 120. O carretei 155 tem vedações elastoméricas 125 arranjadas para vedar escoamento de flui- dos de formação 145, quando o carretei 155 está na posição fechada mos- trada. O carretei 155 é acionado por meio de um mecanismo de desloca- mento energizado de forma hidráulica controlado na superfície (não- mostrado). Tais dispositivos de deslocamento hidráulico são comuns em fer- ramentas furo abaixo, e não serão mais discutidos. Alternativamente, o car- retel 155 pode ser acionado por meio de um atuador eletromecânico (não- mostrado).
A carcaça 110 tem um sulco longitudinal interno 130. Colocada na fenda longitudinal 130 existem a fibra ótica 15 e elementos de microdo- bramento 31 e 32. A fibra ótica 15 tem gradeamentos Bragg escritos sobre a fibra 15 em posições de interesse. A operação dos gradeamentos Bragg e elementos de microdobramento é discutida abaixo. A fibra ótica 15 e os ele- mentos de microdobramento 31, 32 são abrigados no sulco 130 utilizando um material elastomérico ou epóxi adequado. O sulco abrigado é misturado com o diâmetro interno da carcaça 110, de tal modo que vedações 125 efe- tuem uma vedação a fluido com a carcaça 110. Os elementos de microdo- bramento 31 e 32 induzem um microdobramento na fibra ótica 15 quando os elemento são atuados. Este microdobramento cria uma perda ótica em um ponto do microdobramento que pode ser detectada utilizando técnicas óti- cas, como será discutido abaixo em mais detalhe. Elementos de microdo- bramento podem ser dispositivos atuados mecanicamente e magneticamen- te. Elementos de microdobramento mecânicos são conhecidos na técnica de sensores de fibra ótica, e não serão mais discutidos. Um tipo de elemento de microdobramento atuado magneticamente é discutido mais tarde. Os ele- mentos 31, 32 são autuados por meio de engatamento com um elemento externo, também denominado um atuador 30, ligado a uma localização pre- determinada sobre a periferia do carretei 155. O elemento externo 30 pode ser uma nervura anelar contínua ou, alternativamente, uma ligação do tipo botão ao carretei 155. Em uma modalidade preferencial, o elemento externo 30 engata somente um elemento de microdobramento de cada vez. Em uma outra modalidade preferencial, o elemento externo 30 se estende longitudi- nalmente ao longo do carretei 155, de tal modo que o elemento externo 30 continua a engatar cada elemento de microdobramento engatado anterior- mente, quando o carretei 155 se move da posição fechada até a posição aberta. Será apreciado que tantos elementos de microdobramento podem estar colocados ao longo da fibra ótica 15 quantas posições de interesse do carretei 155 existirem. Em uma outra modalidade preferencial, técnicas de reflexão óti- ca no domínio de tempo são utilizadas para determinar a localização do mi- crodobramento. Técnicas de reflexão ótica no domínio de tempo são discuti- das abaixo.
Fazendo referência às Figuras 2 e 4, uma fibra ótica 15 é embu- tida na carcaça 110 com elementos de microdobramento 31 e 32 localizados em posições ao longo da fibra 15 que correspondem a posições de interesse do carretei 155. Um gradeamento Bragg é escrito na fibra 15 próximo a cada um dos elementos de microdobramento 31 e 32 utilizando técnicas conheci- das na técnica. Uma pessoa versada na técnica irá apreciar como o grade- amento Bragg de fibra ótica é utilizado como um elemento sensor. Cada gradeamento Bragg de fibra é um filtro de reflexão de banda estreita impres- so de maneira permanente na fibra ótica. O filtro é criado imprimindo grade- amentos formados por uma modulação periódica do índice de refração do núcleo de fibra. As técnicas para modular o índice são conhecidas na técni- ca. O comprimento de onda refletido é determinado pelo espaçamento inter- no do gradeamento, como visto genericamente nas Figuras 3a-3d. Luz é parcialmente refletida em cada gradeamento, cóm reflexão máxima quando cada reflexão parcial está em fase com seus vizinhos. Isto ocorre no com- primento de onda Bragg Wb = 2nd, onde η é o índice de refração médio do gradeamento e d é o espaçamento do gradeamento. Nesta invenção, cada gradeamento tem um espaçamento predeterminado diferente e, portanto, cada gradeamento irá refletir um comprimento de onda de luz diferente, pre- determinado. Tais gradeamentos são disponíveis comercialmente. Utilizando um comprimento de onda predeterminado diferente para cada gradeamento, a luz refletida pode ser analisada de forma espectral para determinar o com- primento de onda e amplitude do sinal refletido a partir de cada gradeamento ao longo da fibra ótica.
Em geral, os elementos de microdobramento são autuados por meio de um elemento externo que pode ser uma faixa anelar ou, alternati- vamente, um botão sobre o carretei deslizante 155 quando ele passa por cada elemento de microdobramento. Quando o elemento de microdobra- mento é atuado, ele imprime uma dobra na fibra ótica 15, que cria uma per- da de energia ótica através da fibra ótica 15 no ponto do dobramento. Anali- sando a amplitude e o comprimento de onda da luz refletida a partir dos di- versos gradeamentos, a posição do elemento de microdobramento atuado pode ser determinada.
As Figuras 2 e 4 mostram uma modalidade preferencial de um sensor de duas posições, para determinar se uma luva deslizante está aber- ta ou fechada. Uma fibra ótica 15 é colocada em uma carcaça tubular 110 que contém o carretei deslizante 155 e o elemento externo 30. O elemento de microdobramento 31 está localizado ao longo da fibra ótica 15 e posicio- nado para indicar um limite do passeio do carretei 155 quando engatado pe- lo elemento externo 30. O elemento externo 30 é dimensionado para engatar somente um sensor de microdobramento de cada vez. De maneira similar, o elemento de microdobramento 32 é localizado de modo a indicar o outro Iimi- te do passeio do carretei 155.
Gradeamentos Bragg 20 e 21 são escritos sobre a fibra ótica 15 próximo ao elemento de microdobramento 31. O gradeamento Bragg 20 é localizado entre a fonte de luz 10 e o elemento de microdobramento 31, e atua como uma referência de linha básica para indicar a reflexão de energia ótica de linha base sem os efeitos dos elementos de microdobramento. O gradeamento 21 é escrito sobre a fibra ótica 15 logo a jusante do elemento de microdobramento 31. Como aqui utilizado, a montante se refere à direção no sentido da fonte de luz 10 e, a jusante se refere à direção para longe da fonte de luz 10. O gradeamento 22 é localizado próximo a e a jusante do elemento de microdobramento 32. A extremidade da fibra 25 da fibra ótica 15 é terminada em uma maneira anti-reflexiva, de modo a impedir interferên- cia com os comprimentos de onda reflexivos a partir dos gradeamentos Bragg. A extremidade da fibra 25 pode ser clivada em um ângulo de modo que a face extrema não seja perpendicular ao eixo da fibra. Alternativamen- te, a extremidade da fibra 25 pode ser revestida com um material que cor- responde ao índice de refração da fibra, permitindo assim que luz saia da fibra sem reflexão de volta. Luz refletida a partir dos gradeamentos passeia de volta no sentido da fonte de luz 10 e é introduzida no analisador espectral 11 por meio do acoplador de fibra 12. O analisador espectral 11 determina a energia ótica refletida e comprimento de onda dos sinais refletidos.
Ainda fazendo referência à Figura 4, pode ser visto que o ele- mento externo 30 está engatado com o elemento de microdobramento 32, criando com isto uma dobra na fibra ótica 15, naquela localização. A dobra na localização do elemento 32 provoca uma perda em energia ótica transmi- tida a jusante do elemento 32. Em operação, a fonte de luz 10 transmite um sinal de luz de banda larga para a fibra ótica 15. O sinal é refletido pelo gra- deamento 20 no comprimento de onda 20w e nível de energia 20p, estabe- lecendo com isto uma linha base para comparação com as reflexões do gra- deamento da jusante. Uma vez que o elemento de microdobramento 31 não é atuado, a luz passeia relativamente não-reduzida até o gradeamento 21 onde o comprimento de onda 21 w é refletido no nível de energia 21 p. Na Figura 4, os níveis de energia 20p e 21 ρ são essencialmente iguais. O sinal de luz continua pela fibra ótica 15 e encontra o elemento de microdobramen- to atuado 32, o que provoca um sinal de luz atenuado ser transmitido a ju- sante para o gradeamento 22. O gradeamento 22 reflete o comprimento de onda 22w em um nível de energia reduzido 22p em relação aos níveis de energia 20p e 21 ρ. O sinais refletidos são analisados pelo analisador espec- tral 11 e os sinais resultantes são mostrados na Figura 4 onde o nível de energia engatado 22p a partir do gradeamento 22 é de forma mensurável menor do que os níveis de energia 20p e 21 ρ a partir dos gradeamentos 20 e 21, respectivamente. Os níveis de energia e comprimentos de onda relati- vos são enviados para uma unidade de processamento 100 que determina, de acordo com instruções programadas e as localizações predeterminadas dos elementos de microdobramento e dos gradeamentos, a posição do car- retei 155.
A Figura 5 mostra uma modalidade preferencial para determinar diversas posições de um carretei deslizante. Esta modalidade é similar ao sistema de duas posições. Como mostrado na Figura 5, elementos de mi- crodobramento 31, 32, 33 e 34 com gradeamentos associados 21, 22, 23 e processo. Uma descrição do teste de filtração aquecido Sheil é encontrado em A.J.J., Journal of the Inst. of Petroleum (1951) 37, pp. 596-604 por Van Kerkvoort, W,J. e Nieuwstad, A.J.J. que é incorporado na presente invenção como referência.
Foi especulado que tais substâncias carbonadas insolúveis são formadas quando os hidrocarbonetos pesados são convertidos na unidade de hidroconversão, desta forma tornando-os um solvente mais fraco para a fração asfaltênica não convertida e consequentemente criando as substâncias carbonadas insolúveis. A formação de tais insolúveis pode ser diminuída por apresentar a maior parte da área de superfície no catalisador da hidroconversão acessível por poros muito grandes para que a maior parte da superfície do catalisador esteja acessível para grandes moléculas asfaltênicas. Também, os poros grandes facilitam o depósito de níquel e vanádio no catalisador do hidrotratamento. Consequentemente, pode ser desejável aumentar o conteúdo do macroporo dos aglomerados da presente invenção por técnicas bem conhecidas na área para aplicações de hidrotratamento.
Foi descoberto que o uso de um inibidor do crescimento do tamanho do cristal (CSGI) oferece ao formulador um meio para ajustar a distribuição do tamanho do poro de poros na região de 400 a 80Â para acomodar alterações no peso molecular do suprimento que está sendo processado para controlar os efeitos de difusão.
Os compostos da presente invenção estão particularmente adotados para uso no hidrotratamento. Como mostrado na Figura 6, o elemento externo carretei desli- zante 30 está engatado com o elemento de microdobramento 33. O elemen- to 33 impõe um microdobramento exclusivo sobre a fibra ótica 15, que resul- ta em uma transmissão de energia mensurável de maneira exclusiva que é detectada medindo a energia refletida a partir do gradeamento 24 no com- primento de onda 24w, como mostrado pelo sinal refletido 24r na Figura 6. A amplitude de sinal 24r corresponde à transmissão de característica exclusiva do elemento 33. Observar que embora os níveis de energia exclusivos mos- trados para cada elemento de microdobramento sejam decrescentes de for- ma monotônica, isto não é um requisito. É apenas necessário que cada ele- mento de microdobramento tenha uma perda de transmissão que seja ex- clusiva de maneira mensurável.
A Figura 7 mostra ainda uma outra modalidade preferencial para determinar diversas posições de uma luva deslizante. Aqui, cada um dos elementos de microdobramento 131, 132, 133 e 134 cria uma perda ótica uniforme na fibra ótica 15, quando atuado pelo elemento externo carretei 30. O elemento externo carretei 30 é adaptado para continuar a engatar cada elemento de microdobramento depois que a luva tenha passado o dito ele- mento. Como mostrado na Figura 7, o elemento externo luva 30 está enga- tando o elemento de microdobramento 133 e continua a engatar o elemento 134. Cada elemento engatado reduz de maneira uniforme a energia ótica transmitida para a fibra ótica 15 e, com isto, reduz a energia ótica refletida por meio do gradeamento 24 e sensoriada por meio do analisador 11. O ní- vel de energia detectado é transmitido para o processador 100 que determi- na a localização da luva a partir das posições predeterminadas dos elemen- tos de microdobramento 131, 132, 133, 134 e perda uniforme predetermina- da através de cada elemento de microdobramento atuado. Será apreciado que um número maior ou menor de elementos de microdobramento pode ser empregado, dependendo do número de posições de carretei deslizante de interesse a serem detectadas.
A Figura 8 mostra uma modalidade preferencial de um indicador de posição de luva deslizante, de fibra ótica, que utiliza técnicas de reflexão ótica em domínio de tempo para medir o tempo de deslocamento de um si- nal ótico quando ele é refletido a partir de um microdobramento em uma fibra ótica. O arranjo físico é similar aos indicadores de posição descritos anteri- ormente, contudo, nenhum gradeamento Bragg é utilizado para caracterizar o sinal refletido. Como mostrado, elementos de microdobramento 31, 32, 33 e 34 são colocados ao longo da fibra ótica 15, em localizações predetermi- nadas de interesse, com o elemento 33 engatado e atuado por meio do ele- mento externo carretei 30. O elemento 33 cria um microdobramento na fibra ótica 15. Como é conhecido na técnica, o microdobramento na fibra ótica 15 irá gerar um ponto de reflexão para a luz que passeia ao longo da fibra ótica 15. O reflexômetro ótico em domínio de tempo (OTDR) 90 gera um sinal de luz que viaja até a fibra ótica 15 e uma porção do sinal de luz é refletida pelo microdobramento criado no elemento 33. O sinal refletido é sensoriado no OTDR 90 e o tempo para o sinal alcançar o microdobramento e retornar é medido. Este tempo de passeio e as propriedades óticas predeterminadas da fibra ótica 15 são introduzidos no processador 100 que determina, de a- cordo com instruções programadas, qual elemento de microdobramento foi atuado. Reflexômetros óticos no domínio de tempo são disponíveis comerci- almente, e são utilizados de maneira extensiva na determinação da posição de anomalias em linhas de transmissão de fibra ótica.
A Figura 9 mostra uma outra modalidade preferencial que utiliza uma técnica de fibra ótica para determinar a posição de uma luva deslizante. A fibra ótica 15 é engatada diretamente por meio do elemento externo carre- tei 30 que cria um microdobramento ótico 91 na fibra ótica 15. O microdo- bramento 91 provoca uma reflexão de luz discreta que viaja na fibra ótica 15. O OTDR 90 gera um sinal de luz que passeia na fibra ótica 15 e é refleti- do parcialmente no microdobramento 91. O sinal refletido é detectado pe- lo OTDR 90 e o tempo de passeio até o ponto de reflexão no microdobra- mento 91 e de volta, é determinado. O tempo de passeio e as propriedades óticas predeterminadas da fibra ótica 15 são introduzidos no processador 100, que determina a localização do microdobramento 91 ao longo da fibra ótica 15. A Figura 10 mostra uma outra modalidade preferencial que utili- za uma técnica de codificação ótica para determinar a posição de uma válvu- la de luva deslizante. O leitor de codificação 220 é colocado na carcaça 200 de tal modo que ele escaneia a superfície externa do elemento de controle de escoamento, ou carretei 210, quando o carretei 210 se move axialmente em relação à carcaça 200. Um padrão predeterminado de marcas de codifi- cação de posição 215 é colocado sobre a superfície externa do carretei 210 e é detectado pelo leitor 220 quando o carretei 210 se move. Sinais a partir do leitor 220 são transmitidos para o processador de superfície 100 para de- terminar a posição do carretei 210. A Figura 11 mostra um padrão preferen- cial de marcas de codificação lineares 230-235 colocadas axialmente sobre a superfície externa do carretei 210. Marcas 230-235 podem ser colocadas sobre a superfície externa do carretei 210 por meio de técnicas de usina- gem, técnicas de fotogravação ou técnicas de fotoimpressão, comuns nas técnicas de fabricação. As marcas 230-235 podem ser saliências a partir da superfície externa do carretei 210, depressões na superfície, ou mesmo em nível com a superfície. As marcas 230-235 podem ser revestidas com mate- riais ou tintas reflexivas para aprimorar a detecção pelo leitor 220. As marcas 230-235 são posicionadas para cruzar a visão de escaneamento do leitor 220 quando o carretei 210 se move axialmente. A superposição das marcas 230-235 resulta nas leituras de posição discretas 241-150 como indicado na Figura 11. Será apreciado que números diferentes e desenhos de superpo- sição de marcas podem resultar em números diferentes de posições discre- tas. A posição do carretei 210 pode ser determinada dentro da resolução do padrão de codificação utilizado.
A Figura 12 mostra uma outra modalidade preferencial que utili- za uma técnica de codificação ótica para determinar a posição de uma válvu- la de luva deslizante. Um gradeamento ótico 325 é colocado sobre a superfí- cie externa do carretei 310. O espaçamento L entre as linhas de gradeamen- to adjacentes muda com a localização axial ao longo do carretei 310. Uma fonte ótica 315 ilumina os gradeamentos 325 e o padrão refletida é lido pelo detector ótico 320 montado na parede da carcaça 300. A fonte ótica 315 e o detector ótico 320 podem ser empregados em um único módulo ou, alterna- tivamente, podem ser módulos separados. A variação no espaçamento L pode ser contínua ou, alternativamente, seções discretas (não-mostrado) do carretei 210 podem ter cada uma um espaçamento exclusivo (não- mostrado).
A Figura 13 mostra uma outra modalidade preferencial que utili- za uma técnica ótico-magnética para determinar a posição de uma válvula de luva deslizante. Utilizando uma configuração física com mostrado na Figura 2, elementos de resposta magnética 420, 421, 422, 423 e 424 são localizados em posições predeterminadas ao longo da, e são engatados com a, fibra ótica 415. Um ímã 430, tal como um ímã de terra rara é monta- do sobre o carretei luva deslizante 155. Elementos de microdobramento de resposta magnética 420-424 são construídos de materiais que sofrem magneto-estricção, de tal modo que os elementos 420-424 criam um micro- dobramento na fibra ótica 415 quando um elemento é justaposto ao imã 430. Em uma modalidade, cada um dos elementos 420-424 é dimensionado para criar um microdobramento exclusivo e daí uma única reflexão ótica ex- clusiva a partir de cada um dos elementos 420-424, que é detectada medin- do o sinal de energia refletido. Alternativamente, os elementos 420-424 po- dem ser adaptados para fornecer uma reflexão ótica essencialmente unifor- me a partir de cada elemento. O sinal refletido é transmitido para o proces- sador 100 que determina a localização do carretei a partir da posição prede- terminada dos elementos 420-424 e a reflexão exclusiva associada com ca- da elemento. Os elementos de resposta magnética 420-424 podem ser utili- zados como elementos de microdobramento para todas as técnicas descri- tas nas Figuras 4-9 que utilizam gradeamentos Bragg ou reflexometria no domínio do tempo.
Será apreciado que as técnicas de sensoriamento de posição com fibra ótica podem ser incorporadas nas outras ferramentas furo abaixo, onde sensores de posição ou de proximidade são requeridos para indicar o movimento axial de um elemento em relação a um segundo elemento, onde o movimento axial possibilita o controle do poço. Estas ferramentas podem incluir, porém não estão limitadas a, ferramentas de inflação/deflação para engaxetamentos, um batente de ferramenta atuado de maneira remota, um dispositivo de controle para fluido/gás atuado de maneira remota, uma válvu- la de segurança furo abaixo, e um atuador de estrangulamento variável. Es- tas ferramentas estão descritas na Patente U.S. 5.868.201 anteriormente aqui incorporada para referência.
A descrição precedente é orientada para modalidades particula- res da presente invenção para a finalidade de ilustração e explicações. Será evidente, contudo, a alguém versado na técnica, que diversas modificações e mudanças à modalidade descrita acima são possíveis. É intenção que as reivindicações a seguir sejam interpretadas para abranger todas tais modifi- cações e mudanças.
Claims (34)
1. Sistema para controlar o fluxo de fundo de poço, que compre- ende: a. um dispositivo de controle de escoamento em uma coluna de tubula- ção em um poço, o dito dispositivo de controle de escoamento tendo um primeiro elemento (31) engatado com dita coluna de tubulação e segundo elemento (32) móvel com relação ao primeiro elemento (31) e que atua em operando em conjunto com o primeiro elemento (31) para controlar o fluxo de fundo de poço através do dispositivo de con- trole de escoamento; b. um atuador (30) para acionar o segundo elemento (32); c. um sistema de sensoriamento ótico de posição (17) que atua operan- do em conjunto com o primeiro elemento (31) e o segundo elemento (32) para detectar uma posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31) e gera no mínimo um sinal relacionado a ele; caracterizado pelo fato de que o sistema de sensoriamento óti- co de posição (17) compreende: i. uma fibra ótica (15) colocada no primeiro elemento (31); ii. uma fonte de luz para injetar um sinal de luz de banda larga para a fibra ótica (15); iii. uma pluralidade de elementos óticos colocados ao longo da fibra ótica (15), em posições predeterminadas para refletir pelo menos uma porção do sinal de luz de banda larga, cada um dos elementos óticos refletindo um sinal ótico em um comprimento de onda ótico predeterminado, diferente de qualquer outro dos elementos; iv. uma pluralidade de elementos de microdobramento cor- respondentes próximo aos elementos óticos e que atu- am operando em conjunto com o segundo elemento (32) para mudar uma característica de transmissão ótica da fibra ótica (15) quando o segundo elemento (32) atua pe- lo menos em um dos elementos de microdobramento; e ν. um analisador espectral para detectar no mínimo uma característica de transmissão ótica de interesse dos ditos sinais óticos refletidos e gerar no mínimo um sinal de analisador em resposta a isto; d. um controlador que recebe o pelo menos um sinal e determina, de acordo com instruções programadas, a posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31), e aciona o dito atuador (30) para posicionar o segundo elemento (32) em uma posição prede- terminada para controlar o fluxo de fundo de poço.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador compreende: i. circuitos para interfacear com, e controlar o dito sensor ótico, ii. circuitos para interfacear com, e acionar o dito atuador (30); e iii. um microprocessador para atuar de acordo com instruções programa- das.
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos de microdobramento são atuados de maneira mecânica.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos de microdobramento são atuados de maneira magnética.
5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma outra característica de transmissão ótica de interesse do sinal ótico é pelo menos uma dentre (i) energia ótica do sinal ótico refletido, (ii) comprimento de onda do sinal ótico refletido, e (iii) tempo de passeio do sinal ótico.
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o poço é um dentre (i) um poço de produção e (ii) um poço de injeção.
7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos óticos consiste em gradeamentos Bragg (20, 21).
8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o atuador (30) é pelo menos um dentre (i) um atuador (30) hi- dráulico e (ii) um atuador (30) eletromecânico.
9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador está localizado em um dentre (i) uma localização na superfície e (ii) uma localização furo abaixo.
10. Sistema para controlar o fluxo de fundo de poço, que com- preende: a. um dispositivo de controle de escoamento em uma coluna de tubula- ção em um poço, o dispositivo de controle de escoamento tendo um primeiro elemento (31) engatado com dita coluna de tubulação e se- gundo elemento (32) móvel com relação ao primeiro elemento (31) e que atua em operando em conjunto com o primeiro elemento (31) pa- ra controlar o fluxo de fundo de poço através do dispositivo de contro- Ie de escoamento; b. um atuador (30) para acionar o segundo elemento (32); c. um sistema de sensoriamento ótico de posição (17) que atua operan- do em conjunto com o primeiro elemento (31) e o segundo elemento (32) para detectar uma posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31) e gera no mínimo um sinal relacionado a ele; caracterizado pelo fato de que o sistema de sensoriamento óti- co de posição (17) compreende: i. um padrão predeterminado de marcas de codificação de posição colocado sobre uma superfície do segundo ele- mento (32), o dito padrão adaptado para fornecer uma indicação de posição do segundo elemento (32); e ii. um sensor ótico colocado no primeiro elemento (31), pa- ra sensoriar o dito padrão de marcas de codificação de posição e gerar um sinal relativo a isto; d. um controlador que recebe o pelo menos um sinal e determina, de a- cordo com instruções programadas, a posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31), e aciona o dito atuador (30) para posicionar o segundo elemento (32) em uma posição predetermi- nada para controlar o fluxo de fundo de poço.
11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o controlador compreende: i. circuitos para interfacear com, e controlar o dito sensor ótico; ii. circuitos para interfacear com, e acionar o dito atuador (30).
12. Sistema de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o padrão predeterminado de marcas de posição codificadas dispostas sobre uma superfície do segundo elemento (32) compreende um padrão de linhas de modo que o espaçamento entre as linhas adjacentes é relacionado à localização axial ao longo do membro de controle de fluxo.
13. Sistema de sensoriamento para utilização em uma ferramen- ta furo abaixo, que compreende: a. um dispositivo de controle de escoamento em uma coluna de tubula- ção em um poço, o dito dispositivo de controle de escoamento tendo um primeiro elemento (31) engatado com dita coluna de tubulação e segundo elemento (32) móvel com relação ao primeiro elemento (31) e que atua em operando em conjunto com o primeiro elemento (31) para controlar o fluxo de fundo de poço através do dispositivo de con- trole de escoamento; b. um sistema de sensoriamento ótico de posição (17) que atua operan- do em conjunto com o primeiro elemento (31) e o segundo elemento (32) para detectar uma posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31) e gerar, no mínimo, um sinal relacionado a isto; caracterizado pelo fato de que o sistema de sensoriamento óti- co de posição (17) compreende: i. uma fibra ótica (15) colocada no primeiro elemento (31); ii. uma fonte de luz para injetar um sinal de luz de banda larga para a fibra ótica (15); iii. uma pluralidade de elementos óticos colocados ao longo da fibra ótica (15), em posições predeterminadas para refletir pelo menos uma porção do sinal de luz de banda larga, cada um dos elementos óticos refletindo um sinal ótico em um comprimento de onda ótico predeterminado, diferente de qualquer outro dos elementos; iv. uma pluralidade de elementos de microdobramento cor- respondentes próximo aos elementos óticos e que atu- am operando em conjunto com o segundo elemento (32) para mudar uma característica de transmissão ótica da fibra ótica (15) quando o segundo elemento (32) atua pe- lo menos em um dos elementos de microdobramento; e v. um analisador espectral para detectar no mínimo uma característica de transmissão ótica de interesse dos di- tos sinais óticos refletidos e gerar no mínimo um sinal de analisador em resposta a isto; c. um controlador que recebe o pelo menos um sinal e determina, de acordo com instruções programadas, a posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31).
14. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o controlador compreende: i. circuitos para interfacear com, e controlar o dito sistema de sensoria- mento ótico de posição (17); ii. circuitos para interfacear com, e acionar o dito atuador (30); e iii. um microprocessador para atuar de acordo com instruções programa- das.
15. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos de microdobramento são atua- dos de forma mecânica.
16. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos de microdobramento são atua- dos de forma magnética.
17. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma característica de transmissão ótica de interesse do sinal ótico é pelo menos uma dentre (i) energia ótica do sinal ótico refletido, (ii) comprimento de onda do sinal ótico refletido, e (iii) tempo de passeio do sinal ótico.
18. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o poço é um dentre (i) um poço de produção e (ii) um poço de injeção.
19. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos óticos consiste em gradeamen- tos Bragg (20, 21).
20. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o atuador (30) é pelo menos um dentre (i) um atuador (30) hidráulico e (ii) um atuador (30) eletromecânico.
21. Sistema de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o controlador está localizado em um dentre (i) uma localiza- ção na superfície e (ii) uma localização furo abaixo.
22. Sistema de sensoriamento para utilização em uma ferramen- ta furo abaixo, que compreende: a. um dispositivo de controle de escoamento em uma coluna de tubula- ção em um poço, o dito dispositivo de controle de escoamento tendo um primeiro elemento (31) engatado com dita coluna de tubulação e segundo elemento (32) móvel com relação ao primeiro elemento (31) e que atua em operando em conjunto com o primeiro elemento (31) para controlar o fluxo de fundo de poço através do dispositivo de con- trole de escoamento; b. um sistema de sensoriamento ótico de posição (17) que atua operan- do em conjunto com o primeiro elemento (31) e o segundo elemento (32) para detectar uma posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31) e gerar, no mínimo, um sinal relacionado a isto; caracterizado pelo fato de que o sistema de sensoriamento óti- co de posição (17) compreende: i. um padrão predeterminado de marcas de codificação de posição colocado sobre uma superfície do segundo ele- mento (32), o dito padrão adaptado para fornecer uma indicação de posição do segundo elemento (32); e ii. um sensor ótico colocado no primeiro elemento (31), pa- ra sensoriar o dito padrão de marcas de codificação de posição e gerar um sinal relativo a isto; c. um controlador que possui um microprocessador, em que o controla- dor recebe o pelo menos um sinal e determina, de acordo com instru- ções programadas, a posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31) para controlar o fluxo de fundo de poço.
23. Sistema de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o controlador compreende: i. circuitos para interfacear com, e controlar o dito sensor ótico; e ii. circuitos para interfacear com, e acionar o dito atuador (30).
24. Sistema de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o padrão predeterminado de marcas de posição codificadas dispostas sobre uma superfície do segundo elemento (32) compreende um gradeamento ótico que compreende um padrão de linhas tal que o espaça- mento entre linhas adjacentes seja relacionado à localização axial ao longo do dito elemento de controle de escoamento.
25. Método para controlar o fluxo de fundo de poço que compre- ende: a. estender um dispositivo de controle de escoamento em uma coluna de tubulação em um poço, o dito dispositivo de controle de escoamen- to tendo um primeiro elemento (31) engatado com dita coluna de tubu- lação e segundo elemento (32) móvel em relação ao primeiro elemen- to (31) e atuando em operação conjunta com o primeiro elemento (31), para controlar o fluxo de fundo de poço através do dispositivo de controle de escoamento; b. prover um atuador (30) para acionar o segundo elemento (32); c. detectar a posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31) e gerar, no mínimo, um sinal relacionado a isto, carac- terizado por usar um sistema de sensoriamento ótico de posição (17) que atua cooperativamente com o primeiro elemento (31) e o segundo elemento (32), em que o sistema de sensoriamento ótico de posição (17) compreende: i. uma fibra ótica (15) colocada no primeiro elemento (31); ii. uma fonte de luz para injetar um sinal de luz de banda larga para a fibra ótica (15); iii. uma pluralidade de elementos óticos colocados ao longo da fibra ótica (15), em posições predeterminadas para refletir pelo menos uma porção do sinal de luz de banda larga, cada um dos elementos óticos refletindo um sinal ótico em um comprimento de onda ótico predeterminado, diferente de qualquer outro dos elementos; iv. uma pluralidade de elementos de microdobramento cor- respondentes próximo aos elementos óticos e que atu- am operando em conjunto com o segundo elemento (32) para mudar uma característica de transmissão ótica da fibra ótica (15) quando o segundo elemento (32) atua pe- lo menos em um dos elementos de microdobramento; e v. um analisador espectral para detectar no mínimo uma característica de transmissão ótica de interesse dos di- tos sinais óticos refletidos e gerar no mínimo um sinal de analisador em resposta a isto; e d. utilizar um controlador para receber o pelo menos um sinal e determi- nar, de acordo com instruções programadas, a posição do segundo elemento (32) em relação ao primeiro elemento (31), e acionar o dito atuador (30) para posicionar o segundo elemento (32) em uma posi- ção predeterminada, para controlar o fluxo de fundo de poço.
26. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que compreende: i. circuitos para interfacear com, e controlar o dito sistema de sen- soriamento ótico de posição (17); ii. circuitos para interfacear com, e acionar o dito atuador (30); e iii. um microprocessador para atuar de acordo com instruções pro- gramadas.
27. Método, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de elementos de microdobramento são atua- dos de forma mecânica.
28. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pe- lo fato de que a pluralidade de elementos de microdobramento são atuados de forma magnética.
29. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pe- lo fato de que a pelo menos uma característica de transmissão ótica de inte- resse do sinal ótico é pelo menos uma dentre (i) energia ótica do sinal ótico refletido, (ii) comprimento de onda do sinal ótico refletido, e (iii) tempo de passeio do sinal ótico.
30. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pe- lo fato de que o poço é um dentre (i) um poço de produção e (ii) um poço de injeção.
31. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pe- lo fato de que o padrão predeterminado de marcas de posição codificadas dispostas sobre uma superfície do segundo elemento (32) compreende um gradeamento ótico que compreende um padrão de linhas tal que o espaça- mento entre linhas adjacentes seja relacionado à localização axial ao longo do dito elemento de controle de escoamento.
32. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pe- lo fato de que a pluralidade de elementos óticos consiste em gradeamentos Bragg (20,21).
33. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pe- lo fato de que o atuador (30) é pelo menos um dentre (i) um atuador (30) hidráulico e (ii) um atuador (30) eletromecânico.
34. Sistema de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que o controlador está localizado em um dentre (i) uma Iocaliza- ção na superfície e (ii) uma localização furo abaixo.
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