BR112013020376B1

BR112013020376B1 - método para usar envelopes espectroscópicos para determinar componentes em uma amostra e aparelho para determinar componentes em uma amostra

Info

Publication number: BR112013020376B1
Application number: BR112013020376-5A
Authority: BR
Inventors: Jing Chen; Christopher Michael Jones; Michael T. Pelletier
Original assignee: Halliburton Energy Services, Inc.
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2021-01-12
Also published as: AU2011358621B2; US20140042323A1; MX2013009208A; AU2011358621A1; BR112013020376A2; CA2826744A1; US9863870B2; WO2012108886A1; EP2673665A1

Abstract

MÉTODO PARA USAR ENVELOPES ESPECTROSCÓPICOS PARA DETERMINAR COMPONENTES EM UMA AMOSTRA E APARELHO PARA DETERMINAR COMPONENTES EM UMA AMOSTRA Um método para usar envelopes espectroscópicos para determinar componentes em uma amostra pode incluir selecionar envelopes espectroscópicos e passar luz de entrada através de uma amostra compreendendo pelo menos um componente absorvente é provido. O método inclui medir luz produzida com um fotodetector e determinar a concentração do pelo menos um componente absorvente na amostra usando a produção medida, sendo que pelo menos um da pluralidade de envelopes espectroscópicos se sobrepõe à pelo menos uma banda de absorção do pelo menos um componente absorvente na amostra. Um aparelho para determinar componentes em uma amostra incluindo uma fonte de luz de entrada tendo um espectro e um recipiente de amostra tendo um comprimento de trajetória ótica fixo também é provido. O aparelho pode incluir uma pluralidade de envelopes espectroscópicos pré-selecionados para selecionar porções espectrais da luz produzida a partir da amostra; e pelo menos um fotodetector para medir a luz produzida selecionada pelos envelopes espectroscópicos.

Description

MÉTODO PARA USAR ENVELOPES ESPECTROSCÓPICOS PARA DETERMINAR COMPONENTES EM UMA AMOSTRA E APARELHO PARA DETERMINAR COMPONENTES EM UMA AMOSTRA

Antecedentes Campo técnico

[0001] As configurações divulgadas aqui se relacionam geralmente com o campo de medição próxima ao infravermelho de componentes absorventes em uma amostra. Mais particularmente, as configurações divulgadas aqui estão relacionadas com a medição de Razão de Gás-Óleo (GOR) para extração de óleo cru.

Descrição da técnica relacionada

[0002] A Razão de Gás-Óleo (GOR) é um parâmetro importante para propósitos práticos em ambientes de extração de óleo. GOR é uma medida volumétrica provendo a razão de gás para óleo em pressões atmosféricas, uma vez que o líquido é extraído do “furo” em altas pressões. A GOR é convencionalmente definida como o volume de gás em condições padrões, tal como condições padrões de temperatura e pressão, em pés cúbicos dividido pelo número de barris de óleo (cada barril de óleo é igual a 159 litros (42 galões)). Óleo se refere a líquido na superfície, não barris de fluido no reservatório. Uma relação inerente existe entre GOR e a porcentagem em massa de metano CH4 no líquido no furo abaixo. Um procedimento para obter GOR pode ser aproximado por tais métodos descritos de acordo com Mullins e outros “Gas-Oil Ratio of Live Crude Oils Determined by Near-Infrared Spectroscopy” [Razão de gás-óleo de óleos crus determinada por espectroscopia próxima de infravermelho], Appl. Spectrosc. 55(2) págs. 197-201. A relação entre GOR e concentração de CH4 no furo abaixo é válida para a maioria das amostras de óleo cru tendo concentrações relativamente baixas de H2S ou CO2. Portanto, é de importância prática medir precisamente o CH4 dissolvido na fase líquida da amostra de cru no furo abaixo.

[0003] A espectroscopia de absorção próxima de infravermelho (NIR) tem sido usada para estimar a GOR. As aplicações de espectroscopia NIR usam um envelope espectroscópico localizado entre 1620 e 1700 nm para estimar a GOR. Duas bandas de absorção têm sido detectadas para CH4, uma centrada em 1670 nm, e uma centrada em 1682 nm. Também existe a confirmação de banda de absorção de CO2 centrada em aproximadamente 2010 nm. Isto tem aplicações limitadas de NIR para medir GOR para comprimentos de onda abaixo de 2000 nm.

[0004] O que é necessário é um método para determinar confiavelmente componentes em uma amostra usando espectroscopia de absorção de banda larga. Mais especificamente, o que é necessário é um método para confiavelmente determinar GOR usando espectroscopia de absorção de banda larga.

Sumário

[0005] De acordo com configurações divulgadas aqui, um método para usar envelopes espectroscópicos para determinar componentes em uma amostra pode incluir as etapas de selecionar uma pluralidade de envelopes espectroscópicos e passar luz de entrada por uma amostra compreendendo pelo menos um componente absorvente. Adicionalmente, o método pode incluir medir a luz produzida a partir da amostra com um fotodetector e determinar a concentração do pelo menos um componente absorvente na amostra usando a produção medida, sendo que pelo menos um da pluralidade de envelopes espectroscópicos se sobrepõe a pelo menos uma banda de absorção do pelo menos um componente absorvente na amostra.

[0006] De acordo com algumas configurações divulgadas aqui, um aparelho para determinar componentes em uma amostra pode incluir uma fonte de luz de entrada tendo um espectro, e um recipiente de amostra tendo um comprimento de trajetória óptica fixo onde a luz de entrada passa por uma amostra no recipiente de amostra formando uma luz produzida, a amostra tendo pelo menos um componente absorvente. O aparelho também pode incluir uma pluralidade de envelopes espectroscópicos pré-selecionados para selecionar porções espectrais da luz produzida a partir da amostra; e pelo menos um fotodetector para medir a luz produzida selecionada pelos envelopes espectroscópicos. Adicionalmente, o aparelho pode incluir um analisador para usar a medição a partir dos fotodetectores para determinar a concentração do pelo menos um componente absorvente na amostra.

[0007] Estas e outras configurações serão descritas em detalhes adicionais abaixo, com referência aos desenhos seguintes.

Descrição resumida dos desenhos

[0008] A figura 1 mostra uma plataforma de extração de óleo de acordo com algumas configurações;

[0009] A figura 2a mostra um evento de absorção para luz de entrada atingindo uma amostra e resultando em luz produzida, de acordo com algumas configurações;

[0010] A figura 2b mostra um envelope espectroscópico para luz de entrada e luz produzida de acordo com configurações consistentes com a figura 2a;

[0011] A figura 2c mostra uma vista parcial de um aparelho para determinar componentes em uma amostra, de acordo com algumas configurações;

[0012] A figura 2d mostra uma vista parcial de um aparelho para determinar componentes em uma amostra usando um Elemento Ótico Multivariado (MOE), de acordo com algumas configurações;

[0013] A figura 3 mostra um espectro de absorvência de acordo com algumas configurações;

[0014] A figura 4 mostra uma extração de linha de referência usando múltiplos envelopes espectroscópicos de acordo com algumas configurações; e

[0015] A figura 5 mostra um diagrama de fluxo para um método para usar múltiplos envelopes espectroscópicos para determinar componentes em uma amostra, de acordo com algumas configurações.

[0016] Sempre que possível, os mesmos números de referência são usados através de todos os desenhos para se referir a elementos iguais ou similares.

Descrição detalhada

[0017] A figura 1 mostra uma plataforma de extração de óleo 110 de acordo com algumas configurações. A plataforma 110 é um ambiente atmosférico em condições aproximadamente CPTP. As condições CPTP são 101,32 kPa (1 atm) de pressão e 20ºC de temperatura (cerca de 20 ºC (68 ºF)). A plataforma 110 pode incluir tubulação de extração 112 se estendendo do subterrâneo até o furo abaixo 120. O furo abaixo 120 é o ponto subterrâneo onde a tubulação faz contato com o reservatório 115, que inclui óleo cru 130. Um mecanismo que pode incluir válvulas, bombas, e outros componentes (não mostrados na figura 1) direcionam o óleo cru 130 para a superfície e para fora da plataforma 110 pela saída 135.

[0018] O óleo cru 130 é um líquido contendo uma mistura de hidrocarbonetos formando óleo, e gases dissolvidos tais como metano CH4, dióxido de carbono, CO2, e outros. Os gases dissolvidos formarão uma fase gasosa nas condições atmosféricas. Portanto, quando óleo cru 130 é liberado na atmosfera ele contém duas fases principais, uma fase líquida 140, que é o comumente conhecido ‘petróleo’ e uma fase gasosa 145 contendo gás natural, incluindo metano e outros gases.

[0019] A figura 2a mostra um evento de absorção para luz de entrada 210 (I0) atingindo a amostra 201 e resultando em luz produzida 220 (I(L)), de acordo com algumas configurações. A amostra 201 tem um comprimento, L, e contém um componente absorvente com concentração molar ‘c’. De acordo com algumas configurações divulgadas aqui, um aparelho para determinar componentes na amostra 201 pode incluir um recipiente de amostra tendo uma espessura fixa, L. O design ótico do aparelho pode ser tal que a espessura L corresponda à trajetória óptica de luz de entrada 210 levando à luz produzida 220.

[0020] A luz de entrada 210 e a luz produzida 220 incluem uma pluralidade de componentes tendo diferentes comprimentos de onda, λ. Em geral, os componentes do comprimento de onda de luz de entrada 210 e luz produzida 220 formam um espectro contínuo. A capacidade de um componente na amostra 201 de absorver luz de entrada 210 é dada por sua absortividade molar ε(λ). A absortividade molar, ε(λ), depende do componente do comprimento de onda, λ, da luz de entrada 210. De acordo com configurações divulgadas aqui, as medições de absorvência podem ser executadas em amostras 201 incluindo gás metano CH4 dissolvido em óleo líquido. A absortividade ε(λ), pode ser relacionada com uma faixa espectral contínua tendo largura de banda ∆λ e centrada no comprimento de onda λ. Tal faixa de espectro contínua tendo largura de banda ∆λ é referida como envelope espectroscópico, e é descrita em detalhes com relação à figura 2b, abaixo.

[0021] A figura 2b mostra o envelope espectroscópico 230 para luz de entrada 210 e luz produzida 220 de acordo com configurações consistentes com a figura 2a. A figura 2b ilustra o espectro de luz de entrada 210s e espectro de luz produzida 220s. De acordo com configurações consistentes com a figura 2b, uma porção de espectro 201s é absorvida pelo componente absorvente na amostra 201 e não é parte do espectro 220s. A porção absorvida está destacada na figura 2b. O envelope espectroscópico 230 pode ter uma largura de banda espectral incluindo uma porção absorvida, como ilustrado na figura 2b. De acordo com configurações consistentes com as figs. 2a e 2b, um detector sensível a luz tendo componentes incluindo o envelope espectroscópico 230 pode ser usado para medir a luz de entrada 210 e luz produzida 220. A relação entre a intensidade I0 de entrada 210 e intensidade I(L) de produzida 220 pode portanto ser dada pela lei de absorção de Beer-Lambert (BL), como segue:
I(L) = I0 ⋅10-α(λ,L) (1)
onde nenhum efeito de interferência ou dispersão é considerado. O coeficiente exponencial na Eq. (1), α, é a absorvência. A absorvência, α, é dependente da absortividade molar no envelope espectroscópico 230, ε(λ), da concentração molar, c, e do comprimento L da amostra 201. Em uma aproximação linear, a absorvência α pode ser modelada como:
α(λ,L) = ε(λ) ⋅L ⋅c (2)

[0022] Configurações consistentes com as figs. 1, 2a e 2b podem usar a luz de entrada 210 (I0) e uma medição de luz produzida 220 (I(L)) para obter a absorvência, α, a partir das Eqs. (1) e (2):
α = -Log10(I(L)/I0) (3)

[0023] Os dados de absorvência no domínio de comprimento de onda de próximo a infravermelho até médio-infravermelho podem ser modelados usando as Eqs. (1) e (2). As Eqs. (1) e (2) provêem um modelo preciso de amostra 201 para valores de concentração de CH4 abaixo da saturação. A concentração de saturação para uma dada condição de temperatura (T) e pressão (P) é dada pela concentração máxima de CH4 que pode ser dissolvido na amostra líquida antes que bolhas de gás comecem a se formar na mistura. Para valores de concentração mais altos que a saturação, o surgimento de bolhas pode afetar a coleta de dados óticos devido a efeitos de interferência e dispersão. Na presença de interferência e dispersão, I(L) pode não ser descrito corretamente pela Eq. (1). Adicionalmente, a Eq. (2) assume que exista uma relação linear entre absorvência, α, e concentração molar ‘c’ do componente absorvente na amostra. A hipótese linear é válida para valores relativamente baixos da absorvência, α. As configurações divulgadas aqui consistentes com as figs. 2a e 2b e a descrição nas Eqs. (1), (2) e (3) têm uma absorvência, α, entre 0 e 3.

[0024] De acordo com as configurações divulgadas aqui, um aparelho usando múltiplos envelopes espectroscópicos para determinar concentrações de componente pode incluir uma medição óptica da razão I(L)/I0. Portanto, usando a Eq. (1) com um conhecimento da distância L, e absortividade para envelope espectroscópico 230, ε(λ), um valor de concentração pode ser obtido como:

[0025] A figura 2c mostra uma vista parcial do aparelho 250 para determinar componentes na amostra 201, de acordo com algumas configurações. O aparelho 250 pode incluir a fonte de luz 255 para produzir luz de entrada 210, e fotodetectores 260-1 a 260-N para medir luz produzida 220. Também está incluso no aparelho 250 o recipiente de amostra 270 tendo uma espessura tal que o comprimento da trajetória óptica de luz de entrada 210 através da amostra 201 seja fixo até uma distância L. De acordo com configurações consistentes com a figura 2c, uma porção de luz produzida 220 é acoplada a cada um de o pelo menos um fotodetector 260 por elementos óticos 240-1 a 240-N. Por exemplo, o elemento ótico 240-1 acopla uma porção de luz 220 ao fotodetector 260-1. Em algumas configurações tal como ilustrada na figura 2c, o elemento ótico 240 pode ser um divisor de feixe, tal que o elemento 240-(N-1) possa acoplar uma porção de luz 220 aos fotodetectores 260-(N-1) e 260-N. Em algumas configurações, o elemento ótico 240-i, para i entre 1 e N, pode incluir mais que um elemento ótico, tal como um espelho e uma lente.

[0026] A figura 2c também ilustra os envelopes espectroscópicos 230 através dos quais seleciona-se uma porção de luz 220 que é acoplada ao fotodetector 260. Por exemplo, o envelope 230-1 seleciona uma porção de luz 220 que é acoplada ao detector 260-1, e o envelope 230-N seleciona uma porção de luz 220 que é acoplada ao detector 260-N. A porção de luz 220 selecionada pelo envelope 230-i pode ser a porção do espectro 220s se sobrepondo à largura de banda ∆λi e centrada em λi (conforme a figura 2b). Em algumas configurações consistentes com a figura 2c, os envelopes 230-i podem ser filtros de passabanda, centrados no comprimento de onda λi, e tendo uma largura de banda aproximadamente igual a ∆λi. Por exemplo, os filtros de passa-banda 230-i podem ser filtros de película fina. Em algumas configurações, os filtros 230-i podem ser todos incluídos em um único elemento tal como um filtro ótico ajustável. Um filtro ótico ajustável é um dispositivo ópticoeletrônico que provê uma passagem de banda variável ∆λi em um comprimento de onda central desejado λi fornecendo um sinal eletrônico para um cristal acústico-ótico.

[0027] As configurações do aparelho 250 consistentes com a figura 2c podem incluir um único fotodetector 260 acoplado aos envelopes espectroscópicos 230-1 a 230-N. Também, algumas configurações do aparelho 250 podem incluir um único elemento ótico 240 tendo envelopes espectroscópicos 230-1 a 230-N. Em algumas configurações, os envelopes espectroscópicos 230-1 a 230-N podem ser incluídos como parte do elemento ótico 240, tal como um MOE.

[0028] A figura 2d mostra uma vista parcial do aparelho 250-M para determinar componentes em uma amostra usando MOE 230-M, de acordo com algumas configurações. De acordo com configurações consistentes com a figura 2d, o MOE 230-M pode incluir os envelopes espectroscópicos 230-1 a 230-N em um elemento dielétrico multicamada único. O aparelho 250-M pode incluir os detectores 260-A e 260-B. O detector 260-A mede luz refletida a partir do MOE 230-M, e o detector 260-B mede luz transmitida através do MOE 230-M. Coletando separadamente os sinais a partir dos detectores 260-A e 260-B, o analisador 270 pode obter um valor preciso da diferença entre os espectros 210s e 220s (conforme figura 2b). Adicionalmente, o uso do MOE 230-M pode permitir a determinação da diferença entre os espectros 210s e 220s em uma pluralidade de envelopes espectroscópicos 230-i. Em algumas configurações consistentes com a figura 2d, dados para uma pluralidade de envelopes espectrais 230-i podem ser obtidos em uma única medição.

[0029] Algumas configurações do aparelho 250 consistentes com a figura 2c podem incluir um elemento dispersivo para separar fisicamente componentes espectrais diferentes de luz 220. Tal elemento dispersivo pode incluir um prisma ou uma grade de difração, em algumas configurações. Em tais configurações, os detectores 260-1 a 260-N podem ser incluídos em um arranjo de detectores, tais como um arranjo CCD ou um CMOS. Adicionalmente, em algumas configurações, os elementos 240-i, 230-i, e 260-i podem ser incluídos em um espectrômetro tendo uma grade de difração e um arranjo detector de CCD ou CMOS.

[0030] De acordo com configurações consistentes com as figs. 2c e 2d, os detectores 260-1 a 260-N, e 260-A, B podem ser acoplados ao analisador 270. O analisador 270 processa os dados providos pelos detectores 260-1 a 260-N, ou 260-A e 260- B, para determinar um valor de concentração para o componente absorvente na amostra 201.

[0031] A figura 3 mostra os espectros de absorvência 301 e 302 de amostras de óleo, de acordo com algumas configurações. Os espectros de absorvência incluem arranjos de valores α(λ,L) como na Eq. (1) para um continuum de comprimentos de onda λ, e um comprimento de amostra fixo, L. As amostras 301 e 302 podem ser misturas de óleo líquido tendo diferentes concentrações de hidrocarbonetos, incluindo metano (CH4). As amostras 301 e 302 são similares em termos de sua composição de hidrocarbonetos líquidos, tendo uma diferença na quantidade de CH4 dissolvido nelas. Enquanto a amostra 301 pode conter zero mol de CH4 dissolvidos nela, a amostra 302 pode ter certa quantidade, c, de CH4 dissolvido nela. Por exemplo, a concentração de CH4 na amostra 302 pode ser próxima à saturação. De acordo com a figura 3, os envelopes espectroscópicos 310, 320, 330 e 340 podem ser selecionados para obter um valor de ‘c’. Cada um da pluralidade de envelopes espectroscópicos tem um comprimento de onda central λi, e uma largura de banda, ∆λi. Em geral, os envelopes espectroscópicos podem ter diferentes larguras de banda entre si (∆λi ≠ ∆λj para i ≠ j). Em algumas configurações, os envelopes espectroscópicos não são sobrepostos em comprimento de onda. Portanto, a faixa espectral coberta pode ser diferente para cada envelope espectroscópico. Algumas configurações podem incluir faixas espectrais sobrepostas para dois ou mais envelopes espectroscópicos.

[0032] Usar a Eq. (1) para cada envelope espectroscópico ‘i’, onde ‘i’ pode corresponder a qualquer um dos envelopes 310, 320, 330 e 340 pode resultar em uma medição de concentração:

[0033] De acordo com a figura 3, envelopes espectroscópicos cobrindo a faixa de comprimento de onda de 1500 nm a 3000 nm podem ser usados. Em configurações consistentes com a figura 3, os envelopes espectroscópicos 310, 320, 330, e 340 pode corresponder às bandas de absorção de alcano. Alcanos são compostos hidrocarbonetos saturados tendo só ligações simples entre os átomos. O envelope de alcano 310 está localizado entre 1620 e 1700 nm. O envelope 320 está localizado entre 2190 e 2270 nm. O envelope 330 está localizado entre 2360 e 2400 nm. E o envelope 340 está localizado entre 2530 e 2650 nm. A faixa dinâmica pode cobrir uma faixa de comprimento de onda de 1500 a 3000 nm. Outros envelopes espectroscópicos dentro da faixa de 1500-3000 nm podem ser selecionados de acordo com os espectros de absorvência mostrados na figura 3. O critério para selecionar um envelope espectroscópico específico pode variar de acordo com a aplicação, disponibilidade e custo de elementos de filtragem cobrindo o envelope desejado. Por exemplo, a região de comprimento de onda de 2700-2900 nm mostra uma grande diferença entre os espectros 301 e 302. Parece atrativo usar um envelope espectroscópico cobrindo a região de 2700-2900 nm. Considerações tais como disponibilidade de filtros óticos de alta qualidade na região de 2700-2900 podem ser incluídas para o uso de tais envelopes.

[0034] Um outro fator a considerar na seleção de envelopes espectroscópicos é a presença de bandas de absorção interferentes no envelope selecionado. Bandas de absorção interferentes podem vir de componentes diferentes na amostra. Por exemplo, bandas de absorção fortes de CO2 e H2O (água) são sabidas a existir na faixa espectral 1500 a 3000 nm.

[0035] O uso de múltiplos envelopes espectroscópicos, cada um tendo absortividade εi(λi), produz múltiplos valores de ‘c’ para um único componente. Estes múltiplos valores de ‘c’ podem ser comparados entre si, provendo uma medição de concentração mais precisa. Por exemplo, múltiplos valores de ‘c’ obtidos através da Eq. (4) podem ser ponderados e o desvio padrão pode fornecer uma estimativa precisa de uma medição de erro. Isto pode ser desejável em situações onde um envelope espectroscópico sozinho pode ser associado com uma absortividade relativamente alta εi(λi). Em tais situações, a absortividade alta no envelope ‘i’ pode ser nivelada usando um envelope diferente ‘j’ tendo uma absortividade relativamente baixa εj(λj) ≪ εi(λi), tal que a linearidade da Eq. (2) seja mantida.

[0036] Em algumas configurações consistentes com a figura 3, um método e aparelho para determinar componentes em uma amostra podem incluir um envelope ‘j’ tendo uma baixa absortividade εj(λj), e envelope ‘i’ tendo uma absortividade mais alta εi(λi) tal que εj(λj) ≪ εi(λi). Tais configurações podem funcionar precisamente para amostras tendo concentrações muito baixas de ‘c’ do componente absorvente através da absorvência provida pelo envelope ‘i’. No caso de amostras tendo valores baixos de ‘c’, a linearidade da Eq. (2) pode ser válida, mas o nível de absorção pode ser difícil de medir usando o envelope ‘j’ somente. As configurações tendo envelopes ‘j’ e ‘i’ também podem funcionar precisamente para amostras tendo altas concentrações ‘c’ do componente absorvente. Em tais amostras, embora a linearidade da Eq. (2) possa ser comprometida para o envelope ‘i’, a hipótese linear pode ser altamente precisa para o envelope ‘j’. O resultado é uma faixa de operação dinâmica ampla e aplicabilidade do método e aparelho para determinar componentes em uma amostra.

[0037] Configurações consistentes com o conceito da figura 3, usando múltiplos envelopes espectroscópicos ‘i’, podem reduzir a sensibilidade do sistema a ruído. Por exemplo, ruído de cintilação pode ocorrer na luz 210 devido a efeitos do instrumento na fonte de luz usada para medição. Outros efeitos podem ocorrer na linha de transmissão óptica entre uma fonte de luz e amostra 201. O resultado destes efeitos de ruído pode ser que a luz de entrada 210 mude de intensidade pelo mesmo fator para todos os envelopes 230:
; Inovo0i = K.Iantigo0i (6.1)
Inovo0j = K.Iantigo0j . (6.2)

[0038] Usando a Eq. (4) para os dois envelopes espectroscópicos ‘i’ e ‘j’ na fórmula
εi(λi).L.c = -Log10(Ii / Inovo0i) (7.1)
εj(λj).L.c = -Log10(Ij / Inovo0j) (7.2)

[0039] Subtraindo a Eq. (7.1) e Eq. (7.2) e usando as Eqs. (6.1) e (6.2) chega-se a

[0040] Portanto, de acordo com configurações consistentes com a figura 3, a Eq. (8) pode ser usada para medir um valor de concentração ‘c’ que é independente de ruído de cintilação ou outros fatores afetando a intensidade de luz de entrada 210 homogeneamente (isto é, um efeito aproximadamente igual para todos os comprimentos de onda).

[0041] As configurações consistentes com o conceito da figura 2 usando ‘N’ envelopes espectroscópicos múltiplos ‘i’ podem ser usadas em combinação com técnicas de regressão linear multivariada. Em tais configurações, uma pluralidade de ‘M’ componentes absorventes na amostra 201 podem ser medidos usando N envelopes espectroscópicos múltiplos. Um vetor c pode ser formado incluindo uma pluralidade de ‘M’ concentrações ‘ci’ para cada um dos componentes absorventes na amostra 201. Em tais configurações, o vetor α pode ser formado incluindo uma pluralidade de ‘N’ absorvências αj. Cada entrada ‘j’ no vetor α pode ser associada com um envelope espectroscópicos centrado no comprimento de onda λj. De acordo com algumas configurações usando uma aproximação linear, o vetor α pode ser obtido a partir de uma generalização da Eq. (2) acima:
α = L . E . c (9)

[0042] Na Eq. (9), E é uma matriz N x M produzindo um vetor N-dimensional (proporcional a α) a partir de um vetor Mdimensional (c). A matriz E inclui elementos ‘eij’ na linha ‘i’ e coluna ‘j’. O elemento ‘eij’ na matriz E pode ser a contribuição de componente tendo concentração ‘cj’ para a absorvência ‘ai’. Portanto, a matriz E inclui informações não específicas para a amostra 201 e pode ser calibrada antes da medição. O vetor α pode ser medido usando a luz de entrada 210 e a luz produzida 220. Com um conhecimento de α e E, o vetor c pode ser obtido resolvendo a Eq. (9) usando técnicas de regressão linear. As concentrações dos ‘M’ componentes absorventes na amostra 201, c, podem ser portanto obtidas.

[0043] Em algumas configurações, os números N e M podem ser iguais, tal que a inversão da matriz E na Eq. (7) seja direta. Em algumas configurações, N e M podem ser diferentes, e técnicas de diagonalização podem ser usadas para resolver a Eq. (9) para o vetor c. As técnicas para resolver a Eq. (9) podem ser óbvias para alguém experiente na técnica de álgebra linear e algoritmos de regressão multivariada.

[0044] Configurações consistentes com o conceito da figura 3 usando envelopes espectroscópicos múltiplos ‘i’ também podem ser usadas para executar uma extração de linha de referência a partir dos espectros de absorvência 301 e 302. A extração de linha de referência será descrita em detalhes com referência à figura 4, como segue.

[0045] A figura 4 mostra a extração de linha de referência 400 usando múltiplos envelopes espectroscópicos de acordo com algumas configurações. Em algumas configurações consistentes com a figura 4 a linha de referência de absorvência 401 pode ser uma função linear de comprimento de onda, λ. A linha de referência 401 é uma medição de ‘absorvência’ que pode ser obtida plotando Log10(I(L)/I0) para diferentes comprimentos de onda λ tendo uma amostra homogênea 201 sem componentes absorventes. Em algumas configurações, a linha de referência 401 pode ser obtida coletando luz 220 a partir de luz 210 passando através de uma amostra vazia 201. Por exemplo, uma amostra vazia pode ser uma amostra tendo espessura L e um índice de refração homogêneo ‘nb’ similar à parte real do índice de refração ‘ns’ da amostra de interesse. Em algumas configurações a amostra de interesse é óleo cru.

[0046] De acordo com configurações consistentes com as figs. 3 e 4, o efeito da linha de referência 401 no espectro de absorvência global pode ser muito pequeno. Isto pode ser visto comprando os valores ordenados nas figuras 3 e 4. Entretanto, a linha de referência 401 pode ter um efeito prejudicial na precisão das medições de concentração, e algumas configurações podem se beneficiar de sua extração a partir de dados de absorvência.

[0047] Como mostrado na figura 1, um modelo e aparelho para determinar componentes de uma amostra que usam um único envelope 410 podem não ser capazes de encontrar a linha de referência 401. Mesmo se a linha de referência 401 for só uma linha reta tendo uma inclinação, a medição da linha de referência 411 usando uma amostra vazia como descrito acima no comprimento de onda λ411 só fornece um ponto na linha de referência 401. Como ilustrado na figura 4, algumas configurações de extração de linha de referência 400 podem incluir a medição 421 usando um segundo envelope espectroscópico centrado no comprimento de onda λ421. Em tais configurações a linha de referência 401 pode ser determinada completamente com pontos de dados 411 e 421.

[0048] Extensões adicionais do método e aparelho para extração de linha de referência consistentes com o conceito ilustrado na figura 4 são óbvias para alguém de experiência regular na técnica. Por exemplo, usar um terceiro envelope espectroscópico pode permitir a remoção de uma linha de referência tendo um segundo grau de dependência do comprimento de onda, λ. Mais geralmente, ter um número ‘N’ de envelopes espectroscópicos pode permitir a extração de linha de referência 400 para uma linha de referência incluindo um polinômio de grau ‘N-1’.

[0049] A figura 5 mostra um diagrama de fluxo para o método 500 para usar envelopes espectroscópicos múltiplos para determinar componentes em uma amostra, de acordo com algumas configurações.

[0050] Na etapa 510 uma pluralidade ‘N’ de envelopes espectroscópicos é selecionada dentro de uma região de comprimento de onda de interesse. O valor de N pode ser 1, ou qualquer número maior que 1. Em algumas configurações, um número menor de elementos espectroscópicos pode ser preferido para simplicidade de operação e redução de custo. A seleção de envelopes espectroscópicos é feita de acordo com o componente que é desejado a ser medido na amostra 201. Por exemplo, em configurações do método 500 usadas para medir GOR, os envelopes espectroscópicos podem incluir uma região de comprimento de onda entre 1500 e 3000 nm. Adicionalmente, em configurações usadas para medir GOR, pelo menos um envelope espectroscópico pode incluir uma banda de absorção para metano (CH4).

[0051] Na etapa 520, luz de entrada 210 é passada pela amostra 201, tendo uma espessura, L. A luz de entrada 210 pode ser selecionada para ter uma composição espectral 210s que permita uma quantidade substancial de luz 210 ser transmitida através da amostra 201 (conforme a figura 1). Também, o espectro 210s pode ser tal que uma porção do espectro seja seletivamente absorvida por um componente na amostra 201. Em algumas configurações do método 500 o espectro 210 é tal que diferentes porções no espectro 210s podem ser absorvidas por um componente na amostra 201. Adicionalmente, em algumas configurações pode haver uma pluralidade de componentes na amostra 201 absorvendo uma pluralidade de porções no espectro 210s. A luz de entrada 210 também pode ser selecionada de acordo com a disponibilidade de fotodetectores eficientes em uma faixa espectral incluindo o espectro 210s.

[0052] Na etapa 530, a luz produzida 220 é medida usando um fotodetector. A produzida 220 é medida para cada envelope espectroscópico 230 selecionado. Em algumas configurações, a produzida 220 para cada envelope 230 é medida independentemente, usando um único fotodetector. Em algumas configurações, a produzida 220 pode ser medida simultaneamente para todos os envelopes 230, usando um arranjo de fotodetectores acoplados a um espectrômetro. Algumas configurações do método 500 consistentes com as figs. 1 a 5 podem executar a etapa 530 usando um MOE. Em tais configurações, a luz produzida 220 pode ser direcionada sobre um MOE. A luz 220 transmitida a partir do MOE pode ser medida usando um fotodetector. A luz 220 refletida a partir do MOE pode ser medida usando um fotodetector. De acordo com algumas configurações, um MOE pode ser projetado tal que uma diferença entre as medições de transmissão e reflexão na ausência de amostra 201 seja proporcional à soma dos componentes de um vetor pré-selecionado. Em algumas configurações, o vetor préselecionado pode ser obtido multiplicando um espectro de referência com a solução para um problema de regressão linear multivariada. As medições de transmissão e reflexão de luz 220 a partir do MOE na presença de amostra 201 podem então ser usadas para determinar uma concentração de componente como descrito em detalhes abaixo.

[0053] De acordo com configurações consistentes com as figs. 1 a 5, um MOE pode incluir um elemento ótico de película fina multicamada tal como descrito no pedido de patente US nº 11/684.779 intitulado “Thin Film Interference Filter and Bootstrap Method for Interference Filter Thin Film Deposition Process Control” [Filtro de interferência de película fina e método de rotina de inicialização para controle de processo de deposição de película fina de filtro de interferência], por Michael L. Myrick e outros. O uso de um MOE para determinar componentes em uma amostra é descrito no pedido de patente US nº 12/295.631, intitulado “Data Validation and Classification in Optical Analysis Systems” [Validação e classificação de dados em sistemas de análise óticos], por Michael L. Myrick e outros.

[0054] Algumas configurações de um método consistentes com a figura 5 podem incluir a etapa 540 para obter pelo menos um valor de absorvência a partir da medição de luz produzida 220. Em algumas configurações, a etapa 540 é executada usando a Eq. (3) acima. Algumas configurações consistentes com as figs. 1 a 5 podem executar a etapa 540 usando uma aproximação linear para a Eq. (3) no limite de absorvências baixas. Em tais configurações, uma absorvência para entrada 210 e produzida 220 (I(L)) pode ser aproximada como:

[0055] Na etapa 540, um valor de absorvência pode ser obtido para cada um dos envelopes espectroscópicos 230 selecionados na etapa 510.

[0056] Na etapa 550 um componente na amostra 201 é determinado. Em algumas configurações, o valor de absorvência obtido na etapa 540 acima pode ser usado em um modelo linear tal como descrito pela Eq. (2) ou Eq. (9). Em tais configurações, a etapa 550 pode incluir obter um valor de concentração para o componente na amostra 201. As configurações do método 500 consistentes com as figs. 1 a 5 usando um MOE podem executar a etapa 550 com uma solução de um problema de regressão linear para determinar um componente na amostra. Em tais configurações, a solução para um problema de regressão linear pode ser uma equação linear. A equação linear pode relacionar a diferença da transmissão e reflexão de luz 220 a partir de um MOE, com um valor de concentração para um componente absorvente da amostra 201. A relação linear pode incluir um fator de proporcionalidade, β, e um valor de desvio, γ. Os valores de β e γ podem ser pré-determinados por um processo de calibração.

[0057] Em algumas configurações da etapa 550, a determinação de um componente na amostra 201 pode incluir obter valores de concentração para uma pluralidade de componentes na amostra 201.

[0058] As configurações descritas aqui são somente exemplares. Alguém experiente na técnica pode reconhecer várias configurações alternativas a partir daquelas especificamente divulgadas. Estas configurações alternativas também são intencionadas a estarem dentro do escopo desta divulgação. Como tal, as configurações são limitadas só pelas reivindicações seguintes.

Claims

Método para usar envelopes espectroscópicos para determinar componentes em uma amostra, o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
- - selecionar uma pluralidade de envelopes espectroscópicos que sobrepõe pelo menos duas bandas de absorção de um único componente absorvente, a pelo menos duas bandas de absorção tendo diferentes absortividades para o único componente absorvente;
- - passar luz de entrada através da amostra compreendendo o único componente absorvente;
- - medir a luz produzida a partir da amostra com um fotodetector; e
- - usar as diferentes absortividades das pelo menos duas bandas de absorção, determinando a concentração do único componente absorvente na amostra.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a amostra ser óleo cru no furo abaixo de uma plataforma de extração e o único componente absorvente ser metano.
Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a medição de concentração ser relacionada com uma razão de gás-óleo (“GOR”) em óleo cru em uma saída da plataforma de extração.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a determinação da concentração do único componente absorvente compreender uma etapa de extração de linha de referência.
Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a etapa de extração de linha de referência remover uma linha de referência linear a partir de um espectro.
Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a etapa de extração de linha de referência remover uma linha de referência polinomial de um espectro, onde o polinômio tem um grau maior ou igual a um.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de determinar a concentração do componente absorvente compreender:
- - obter uma primeira absortividade para o único componente absorvente;
- - obter uma segunda absortividade, menor que a primeira absortividade, para o único componente absorvente; e
- - determinar a concentração do único componente absorvente usando a primeira e a segunda absortividade.
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de determinar a concentração do componente absorvente compreender:
- - nivelar a pluralidade de absortividades para o único componente absorvente.
Aparelho para determinar componentes em uma amostra, o aparelho caracterizado pelo fato de compreender:
- - uma fonte de luz de entrada tendo um espectro;
- - um recipiente de amostra tendo um comprimento de trajetória óptica fixo;
sendo que a luz de entrada passa através de uma amostra no recipiente de amostra formando uma luz produzida, a amostra tendo pelo menos um componente absorvente;
- - uma pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados para selecionar porções espectrais da luz produzida a partir da amostra;
- - pelo menos um fotodetector para medir a luz produzida selecionada pelos envelopes espectroscópicos; e
- - um analisador para usar a medição a partir dos fotodetectores para determinar a concentração do pelo menos um componente absorvente na amostra,
sendo que os envelopes espectroscópicos são selecionados para se sobreporem pelo menos duas bandas de absorção tendo diferentes absortividades para um único componente absorvente, as diferentes absortividades de pelo menos duas bandas de absorção sendo usadas para determinar a concentração do único componente absorvente na amostra.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato da pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados compreender porções dos espectros de absorção de alcanos.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de pelo menos dois da pluralidade de envelopes espectroscópicos pré-selecionados ter porções espectrais sobrepostas entre si.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados compreender filtros de absorção óptica.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados compreender filtros de interferência óptica.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados compreender um elemento óptico multivariado (“MOE”).
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados incluir a faixa espectral de 1500 nm – 3000 nm.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados incluir uma banda de absorção de metano.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados incluir uma banda de absorção de dióxido de carbono.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados incluir uma banda de absorção de água.
Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a pluralidade de envelopes espectroscópicos préselecionados incluir uma banda de absorção de sulfeto de hidrogênio (H2S).