BR112014018798B1 - Sistema e método para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente, e, sistema para determinar uma vazão de um componente de fluido de furo descendente - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA DETERMINAR FONTES DE ÁGUA EM UM FLUIDO DE FURO DESCENDENTE, E, SISTEMA PARA DETERMINAR UMA VAZÃO DE UM COMPONENTE DE FLUIDO DE FURO DESCENDENTE. revelado um sistema para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente que inclui um ou mais sensores de furo descendente que medem pelo menos a concentração de um analito no fluido de furo descendente, e um computador com características de concentração de analito para água de múltiplas fontes. O computador usa as características de concentração de analito e pelo menos uma mediação de concentração de analito para determinar a quantidade de água de pelo menos uma dada fonte. Um método descrito para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente inclui associar com cada qual das múltiplas fontes de água com uma concentração característica de pelo menos um analito, obter concentrações medidas do pelo menos um analito com um ou mais sensores de furo descendente, e derivar para pelo menos uma fonte de água uma fração do fluido de furo descendente atribuível a essa pelo menos uma fonte. A derivação pode também ser baseada em mediações de sensores de pressão e/ou temperatura distribuídos.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0001] Depois de um furo de poço ter sido perfurado, o furo de poço tipicamente é revestido inserindo-se comprimentos de tubo de aço ("seções de revestimento") conectados extremidade a extremidade no furo de poço. Anéis exteriores rosqueados denominados acoplamentos ou colares são tipicamente usados para conectar extremidades adjacentes das seções de revestimento em juntas de revestimento. O resultado é uma "coluna de revestimento" incluindo seções de revestimento e colares de conexão que estende-se da superfície até o fundo do furo de poço. A coluna de revestimento é então cimentada no lugar para completar a operação de revestimento. Depois que um furo de poço é revestido, o revestimento é frequentemente perfurado para dar acesso a uma ou mais formações desejadas, por exemplo, para permitir que fluido da(s) formação(ões) entre no furo de poço.

[0002] Fraturamento hidráulico é uma técnica operacional onde um fluido de fraturamento, tipicamente água com aditivos selecionados, é bombeada para um poço completado sob alta pressão. O fluido de fraturamento de alta pressão faz com que fraturas se formem e propaguem na formação geológica em volta, tornando mais fácil para os fluidos da formação atingirem o furo de poço. Depois que o fraturamento é completado, a pressão é reduzida, permitindo que a maior parte do fluido de fraturamento escoe de volta para o poço. É de se esperar que uma certa quantidade residual do fluido de fraturamento permaneça na formação em volta e talvez escoe de volta para o poço com o tempo à medida que outros fluidos são produzidos pela formação. O volume e taxa de retorno do fluido de fraturamento são indicativos da estrutura física das fraturas criadas, bem como da permeabilidade efetiva para a zona de completação recém-fraturada.

[0003] Durante operações normais, o poço produz uma combinação de fluidos, tipicamente incluindo um fluido de hidrocarboneto desejado (por exemplo, óleo ou gás) e água (isto é, "água produzida"). A água produzida pode ser proveniente de múltiplas fontes tais como água conata de diferentes camadas da formação, fluido de fraturamento, água injetada de um poço remoto e/ou vapor injetado por um poço remoto. Esses últimos exemplos são típicos de uma operação de inundação de vapor ou água projetada para forçar hidrocarbonetos a escoar para o poço de produção.

[0004] A fim de monitorar e otimizar as operações de fraturamento hidráulico, e entender melhor as permeabilidades relativas e estruturas físicas de fraturas resultantes do fraturamento hidráulico, seria benéfico determinar as fontes de água produzidas por cada zona de completação. Para operações de vapor, tais como Drenagem por Gravidade Assistida por Vapor (SAGD) e operações de inundação de água, existe igualmente uma necessidade de avaliar áreas de escoamento de vapor e água. A despeito desses benefícios aparentes, existe uma necessidade de sistemas ou métodos melhorados para tais determinações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0005] Dessa maneira, são revelados nos desenhos e na descrição seguinte exemplos específicos de sistemas e métodos de furo descendente para determinação de fonte de água. Nos desenhos:

[0006] Fig. 1 é uma vista em elevação lateral de um sistema de detecção de fonte de água de furo descendente ilustrativo em um poço de produção; Fig. 2 é um diagrama de um cabo de fibra óptica e sistema de detecção óptica ilustrativos; Figs. 3-4 mostram modalidades de sistema de detecção de fonte de água de furo descendente alternativas; Figs. 5A-5C mostram técnicas de detecção de espécies de furo descendente distribuídas ilustrativas; e Fig. 6 é um fluxograma de um método ilustrativo para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente.

[0007] Deve-se entender, entretanto, que as modalidades específicas dadas nos desenhos e sua descrição detalhada não limitam a revelação. Ao contrário, elas fornecem a fundação para versados na técnica discernirem as formas alternativas, equivalentes e modificações que são englobadas em uma ou mais das dadas modalidades no escopo das reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0008] De volta agora às figuras, a Fig. 1 mostra um poço de produção 10 equipado com um sistema de detecção de fonte de água de furo descendente ilustrativo 12. O poço 10 mostrado na Fig. 1 foi construído e completado de uma maneira típica, e inclui uma coluna de revestimento 14 posicionada em um furo de sondagem 16 que foi formado na terra 18 por uma broca de perfuração. A coluna de revestimento 14 inclui múltiplas seções de revestimento tubulares (normalmente com cerca de 30 pés de comprimento) conectadas extremidade a extremidade por acoplamentos. Um tal acoplamento está mostrado na Fig. 1 e rotulado 20. No poço 10, cimento 22 foi injetado entre uma superfície externa da coluna de revestimento 14 e uma superfície interna do furo de sondagem 16 e deixado pegar. Uma coluna de tubulação de produção 24 foi posicionada em um furo interno da coluna de revestimento 14.

[0009] O poço 10 é adaptado para guiar um fluido desejado (por exemplo, óleo ou gás) do fundo do furo de sondagem 16 para a superfície da terra 18. Perfurações 26 foram formadas no fundo do furo de sondagem 16 para facilitar o fluxo de um fluido 28 de uma formação em volta (isto é, um "fluido da formação") para o furo de sondagem e daí para a superfície via uma abertura 30 no fundo da coluna de tubulação de produção 24. Embora esteja mostrada somente zona perfurada, muitos poços de produção podem ter múltiplas tais zonas, por exemplo, para produzir fluidos de diferentes formações.

[00010] O fluido 28 produzido pelo poço inclui o fluido desejado (por exemplo, óleo ou gás) junto com água (isto é, "água produzida") proveniente de uma ou mais fontes. Por exemplo, a água no fluido produzido 28 pode ser uma mistura de água da formação em volta (isto é, "água da formação"tal como água conata) e fluido de fraturamento previamente bombeado para a formação em volta sob alta pressão via a coluna de tubulação de produção 24. Alternativamente, ou adicionalmente, a água produzida pode incluir água de outras formações, ou água injetada por poços de injeção (por exemplo, fluido de inundação de um poço remoto). Nota-se que a configuração do poço 10 na Fig. 1 é ilustrativa e não limitante do escopo da revelação.

[00011] Como descrito a seguir com mais detalhes, o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 é adaptado para detectar concentração(s) de uma ou mais espécies químicas no fluido produzido 28. Em algumas modalidades, é sabido que as espécies químicas detectadas estão presentes em uma ou mais fontes de água contribuindo para a água produzida no fluido 28. Nessas modalidades, o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 possibilita determinar uma porção da água produzida proveniente de uma dada das múltiplas fontes de água potenciais. Por exemplo, o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 pode ser adaptado para determinar uma porção da água produzida proveniente do fluido de fraturamento. Esta informação pode vantajosamente ser usada para monitorar e otimizar operações de fraturamento hidráulico, e em tender melhor as permeabilidades relativas e estruturas físicas de fraturas resultantes do fraturamento hidráulico.

[00012] Na modalidade da Fig. 1, o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 inclui um sensor óptico 40 em contato com o fluido 28 no fundo do furo de sondagem 16 e acoplado em uma interface 42 via um cabo de fibra óptica 44. A interface 42 pode ser localizada na superfície da terra 18 perto da cabeça de poço, isto é, uma "interface de superfície". O sensor óptico 40 inclui uma guia de onda e é adaptado para alterar a luz que passa através da guia de onda dependendo da concentração de uma ou mais espécies químicas no fluido 28.

[00013] Na modalidade da Fig. 1, o cabo de fibra óptica 44 estende-se ao longo de uma superfície externa da coluna de revestimento 14 e é mantido contra a superfície externa da coluna de revestimento 14 em locais espaçados por múltiplas cintas 46 que estendem-se em torno da coluna de revestimento 14. Uma cobertura protetora pode ser instalada sobre o cabo de fibra óptica 44 em cada qual dos acoplamentos da coluna de revestimento 14 para impedir que o cabo seja pinçado ou cisalhado pelo contato do acoplamento com a parede do furo de sondagem. Na Fig. 1, uma cobertura protetora 48 é instalada sobre o cabo de fibra óptica 44 no acoplamento 20 da coluna de revestimento 14 e é mantida no lugar por duas das cintas 46 instaladas em qualquer lado do acoplamento 20.

[00014] Em pelo menos algumas modalidades, o cabo de fibra óptica 44 termina na interface da superfície 42 com uma porta óptica adaptada para acoplar o cabo de fibra óptica em uma fonte de luz e um detector. A fonte de luz transmite luz ao longo do cabo de fibra óptica para o sensor óptico 40, que altera a luz para fornecer alguma indicação da concentração de uma dada espécie química. O sensor óptico 40 retorna luz ao longo do cabo de fibra óptica para a interface de superfície 42 onde a porta óptica comunica-a com o detector. O detector responsivamente produz um sinal de saída elétrico indicativo da concentração das dadas espécies químicas no fluido produzido 28. A porta óptica pode ser configurada para comunicar o sinal de luz descendente ao longo de uma ou mais fibras ópticas que são diferentes das fibras ópticas que portam o sinal de luz de retorno, ou pode ser configurada para usar as mesmas fibras ópticas para comunicar ambos os sinais de luz.

[00015] O sistema de sensor óptico de furo descendente ilustrativo 12 da Fig. 1 inclui adicionalmente um computador 60 acoplado na interface de superfície 42 para controlar a fonte de luz e detector. O computador ilustrado 60 inclui um chassi 62, um dispositivo de saída 64 (por exemplo, um monitor, mostrado na Fig. 1, ou uma impressora), um dispositivo de entrada 66 (por exemplo, um teclado), e mídia de armazenamento de informação 68 (por exemplo, discos de armazenamento de dados magnéticos ou ópticos). Entretanto, o computador pode ser implementado em diferentes formas incluindo, por exemplo, um computador embutido permanentemente instalado como parte da interface de superfície 42, um computador portátil que é plugado na interface de superfície 42 da maneira desejada para coletar dados, um computador de mesa remoto acoplado na interface de superfície 42 via uma ligação sem fio e/ou uma rede de computador por fio, um telefone celular/PDA, ou certamente qualquer dispositivo eletrônico com um processador programável e uma interface para I/O.

[00016] Em algumas modalidades, o sensor óptico 40 altera a luz que chega para fornecer uma indicação de uma concentração de uma ou mais espécies químicas selecionadas (isto é, um ou mais analitos selecionados) conhecidas por estar presentes na água produzida. Como anteriormente descrito o fluxo de fluido da formação pode incluir água de múltiplas fontes. O computador 60 armazena faixas de concentração conhecidas de uma ou mais espécies químicas selecionadas para cada qual das múltiplas possíveis fontes de água (isto é, "características de concentração de analito"). O computador 60 recebe o sinal de saída elétrico produzido pela interface de superfície 42, usa o sinal de saída para calcular uma concentração medida de cada qual dos analitos selecionados na água produzida, e usa a concentração medida de cada qual dos analitos selecionados e as características de concentração de analito armazenadas para determinar uma fração de pelo menos uma fonte de água na água produzida. O computador 60 também usa uma quantidade medida do fluido produzido e a fração determinada de pelo menos uma fonte de água para calcular a quantidade de água de pelo menos uma fonte na água produzida.

[00017] Por exemplo, a água produzida presente no fluido 28 pode incluir uma mistura de água da formação e fluido de fraturamento. O sensor óptico 40 pode ser configurado para alterar a luz que chega para prover uma indicação de uma concentração de um analito selecionado conhecido por estar presente em um maior grau no fluido de fraturamento, e em um menor grau na água da formação. O computador 60 pode armazenar as características de concentração de analito para o fluido de fraturamento (isto é, a concentração conhecida do analito selecionado no fluido de fraturamento), e as características de concentração de analito para a água da formação (isto é, a concentração conhecida do analito selecionado na água da formação). O computador 60 pode ser adaptado para receber o sinal de saída elétrico produzido pela interface de superfície 42, usar o sinal de saída para calcular uma concentração medida do analito selecionado na água produzida, e usar a concentração medida do analito selecionado e as características de concentração de analito armazenadas para determinar uma fração do fluido de fraturamento na água produzida. O computador 60 pode também ser adaptado para usar uma quantidade medida do fluido produzido e a fração determinada do fluido de fraturamento na água produzida para calcular a quantidade do fluido de fraturamento produzido.

[00018] Em algumas modalidades, a mídia de armazenamento de informação 68 armazena um programa de software para execução pelo computador 60. As instruções do programa de software podem fazer com que o computador 60 colete informação relativa a condições de furo descendente incluindo concentração de analito(s) selecionado(s) derivada do sinal elétrico da interface de superfície 42 e, com base pelo menos em parte nelas, determine uma quantidade de água produzida proveniente de pelo menos uma fonte. Além de derivar a fração de água produzida de uma dada fonte, o computador pode adquirir uma medição do volume de fluxo ou de vazão que, quando combinada com a fração derivada, fornece o volume de fluxo ou vazão de água produzida pela dada fonte. Para isto, o computador pode ser acoplado em um sensor de fluxo de fluido de furo descendente ou superfície, em função do tempo, a vazão e/ou volume de fluxo de fluido cumulativo produzido pelo poço. Em alguns sistemas, separadores de fase fluido podem ser empregados para separar gás, óleo e componentes de água do fluido produzido, com medições do sensor de fluxo separadas sendo feitas para cada fase.

[00019] Como parte de derivar a fração ou quantidade de água produzida por uma dada fonte, o computador 60 pode, por exemplo, interpolar características de concentração de analito armazenadas para múltiplas fontes potenciais. As instruções do programa de software podem também fazer com que o computador 60 comunique a um usuário a quantidade (por exemplo, a fração relativa, a vazão, ou o volume de fluxo acumulado) de água produzida proveniente de pelo menos uma fonte. Note que a quantidade de água produzida proveniente de pelo menos uma fonte pode ser comunicada via um dispositivo gráfico de saída, via endereço eletrônico ou texto SMS, via um indicador de alarme audível ou visual, ou certamente por qualquer adequada técnica de saída.

[00020] Em algumas modalidades, a quantidade de água produzida proveniente de pelo menos uma fonte é determinada como uma diferença ou razão entre as quantidades de água de diferentes fontes. O computador 60 pode determinar e exibir a quantidade de água produzida proveniente de cada das múltiplas fontes em função do tempo. O computador 60 pode também determinar e exibir a quantidade de água produzida proveniente de cada qual das múltiplas fontes em função da posição no furo de sondagem.

[00021] O programa de software executado pelo computador 60 pode, por exemplo, incorporar um modelo para determinar uma fração ou quantidade de pelo menos uma fonte de água na água produzida. Diversos modelos adequados são conhecidos na indústria de produção de óleo e gás. Vide, por exemplo, "Returns Matching Reveals New Tools for Fracture/Reservoir Evaluation" por R.D. Gdanski et. al, Society of Petroleum Engineers (SPE) Paper No. 133806, Tight Gas Completions Conference, 2-3 November 2010, San Antonio, Texas, USA, incluído aqui pela referência na sua íntegra. O modelo empregado pelo programa de software pode, por exemplo, usar as medições das concentrações de um ou mais analitos selecionados no fluido produzido 28, junto com medições de temperaturas e/ou pressões do fluido produzido 28 ao longo de seu caminho de fluxo, para prever uma fração ou quantidade de pelo menos uma fonte de água na água produzida.

[00022] Em algumas modalidades, o programa de software executado pelo computador 60 incorpora o modelo de equação seguinte (do trabalho SPE No. 133806 supracitado) para determinar uma fração de fluido de fraturamento (Ffrat) em um fluido produzido consistindo substancialmente em uma mistura de água da formação e fluido de fraturamento:

onde Cmed é a concentração medida de um analito selecionado na água produzida, Cform é a concentração do analito selecionado na água da formação (isto é, a característica de concentração de analito para a água da formação), e Cfrat é a concentração do analito selecionado no fluido de fraturamento (isto é, a característica de concentração de analito para o fluido de fraturamento). Nota-se que a fração do fluido de fraturamento (Ffrat) na água produzida varia de 0,0 quando a concentração medida do analito selecionado na água produzida (Cmed) é igual à concentração do analito selecionado na água da formação (Cform), a 1,0 quando a concentração medida do analito selecionado na água produzida (Cmed) é igual à concentração do analito selecionado no fluido de fraturamento (Cfrat). Como a diferença entre as concentrações do analito selecionado no fluido de fraturamento (Cfrat) e a água da formação (Cform) está no denominador, é desejável que a diferença entre as concentrações dos analitos selecionados no fluido de fraturamento (Cfrat) e a água da formação (Cform) seja máxima possível. Em uma situação ideal, a concentração do analito selecionado no fluido de fraturamento é relativamente grande, e o analito selecionado está ausente no fluido produzido (Cform = 0).

[00023] Analitos potencialmente adequados incluem espécies químicas tais como íons contendo sódio, potássio, boro, cálcio, magnésio, ferro, bário, estrôncio, cloro, enxofre e/ou carbono. Exemplos de analitos iônicos potencialmente adequados incluem aqueles contendo sódio, potássio, boro, cálcio, magnésio, ferro, bário, estrôncio, cloro, sulfato, e bicarbonato. Em algumas modalidades, múltiplas concentrações de analito são medidas. A fração da equação (1) pode ser calculada individualmente para cada analito selecionado, e os resultados combinados com uma média ponderada para obter um resultado geral.

[00024] É possível estender o modelo de equação citado para determinar as frações de água produzidas por cada qual das múltiplas possíveis fontes resolvendo um sistema de equações simultâneas onde existe uma equação para cada possível fonte:

onde o número de analitos selecionados é T, o número de fontes de água potenciais é S, Cu é a concentração do J-ésimo analito selecionado (T > J > 1) na água da I-fiukoc fopVg *U @ K > 3+. Hk fi c htc>«q fc ágwc fc K-ésima fonte na água produzida (1,0 > Fi > 0,0), e Mj é a concentração medida do J-ésimo analito selecionado na água produzida. Este conjunto de equações pode ser estendido de forma a incluir uma fração de fluido produzido representada por fontes não água (por exemplo, hidrocarboneto) adicionando os termos apropriados nas características de analito de tais fontes.

[00025] O programa de software executado pelo computador 60 pode alternativamente incorporar uma rede neural ou uma máquina de vetor de suporte que foi programada para estimar frações Fi quando provida com concentração medida de analitos Mj. A expressão rede neural evoluiu para descrever um novo paradigma para computação com base na arquitetura de neurônios altamente paralela em cérebros de animais. Redes neurais são particularmente adequadas para processar dados de processos complexos onde um algoritmo não é conhecido, ou tem um número relativamente grande de variáveis. Uma rede neural é um sistema adaptativo que responde a entradas produzindo saídas, e (pelo menos na fase de treinamento) muda sua estrutura com base em informação que passa pela rede. Redes neurais aprendem relacionamentos de entrada/saída através de treinamento. Em aprendizado supervisionado, um usuário de rede neural monta um conjunto de dados de treinamento que contém exemplos de entradas junto com as saídas corretas ou desejadas correspondentes. Durante treinamento, os dados do treinamento são usados para ajustar pesos e/ou patamares na rede de maneira a minimizar o erro entre as saídas geradas pela rede e as saídas corretas ou desejadas do com junto de treinamento. Uma rede neural devidamente treinada "modela" o relacionamento ou função entre as entradas e as saídas, e pode subsequentemente ser usada para gerar saídas para entradas onde as saídas correspondentes não são conhecidas.

[00026] A Fig. 2 é um diagrama ampliado de uma ponta ilustrativa de cabo de fibra óptica 44 com um sensor óptico 40. Na modalidade da Fig. 2, o cabo de fibra óptica 44 inclui pelo menos uma fibra óptica 80 que pode ser exposta puxando de volta a bainha do cabo. A fibra óptica 80 inclui um núcleo interno substancialmente transparente 82 envolto por uma camada de revestimento substancialmente transparente 84 com um maior índice de refração, que faz com que o núcleo interno 82 sirva como uma guia de onda. A camada de revestimento 84 é por sua vez envolta por uma ou mais camadas protetoras 86 que impedem que gases externos degradem o desempenho da fibra óptica.

[00027] A fibra óptica 80 é provida com uma região de detecção 88 que, pelo menos em algumas modalidades, é uma porção exposta da camada de revestimento 84 que pode ser adicionalmente melhorada com um reagente projetado para complexar com uma dada espécie química em solução. A região do reagente 88 do sensor óptico 40 envolve o núcleo interno 82 (isto é, a guia de onda) e fica em contato direto tanto com a guia de onda quanto com o fluido produzido 28 (vide Fig. 1). A região do reagente 88 pode incluir, por exemplo, uma cor que muda o reagente (isto é, muda seu espectro de absorção de luz) quando ele complexa com uma espécie química em solução. O reagente pode ser ou incluir, por exemplo, um cromoionoforo que complexa com íons de uma espécie química selecionada tais como, por exemplo, sódio, potássio, boro/boratos, cálcio, magnésio, ferro, bário, estrôncio, cloro, sulfatos e/ou bicarbonatos. O reagente pode ser suspenso ou quimicamente ligado em um meio que confina o reagente à região do reagente 88, e também permite que a dada espécie química difunda para fluido em volta, ou a partir dele, de acordo com a concentração nesse fluido. (vide, por exemplo, patente U.S. No. 7.864.321).

[00028] Dentro do sensor óptico 40, uma porção da luz que passa pelo núcleo interno 82 (isto é, a guia de onda) do sensor óptico 40 previsivelmente interage com a região do reagente 88. Quando o reagente complexa com uma espécie química no fluido produzido 28, os complexos podem mais fortemente ou mais fracamente absorver o comprimento de onda particular da luz que desloca através da região do reagente 88. Em decorrência disto, a intensidade da luz que sai do sensor óptico 40 pode ser reduzida dependendo da concentração das espécies químicas no fluido produzido 28. Novamente, as espécies químicas podem ser selecionadas com base em sua presença conhecida em água de pelo menos uma fonte que contribui para a água produzida.

[00029] Em pelo menos algumas modalidades do sistema de sensor óptico de furo descendente 12, a fonte de luz na interface de superfície 42 fornece pulsos de luz via a porta óptica para a fibra óptica 80 do cabo de fibra óptica 44. A luz tem, ou inclui, um ou mais comprimentos de onda que são absorvidos na região do reagente 88 do sensor óptico 40 quando o reagente complexa com um analito selecionado no fluido produzido 28. A luz pode ser ou incluir, por exemplo, luz próxima do infravermelho. Quando um pulso de luz atinge o sensor óptico 40, a luz passa através do sensor óptico 40 e é alterada (por exemplo, atenuada) na região do reagente 88 uma quantidade que depende da concentração do analito selecionado no fluido produzido 28.

[00030] A luz que desloca através do sensor óptico 40 pode ser roteada de volta para a superfície ao longo de uma fibra óptica diferente no cabo 44. Na modalidade ilustrada, entretanto, a luz que desloca através do sensor óptico 40 atinge uma extremidade do núcleo interno 82, que é polido ou espelhado para refletir uma porção substancial da luz incidente nele. A luz refletida desloca de volta através do sensor óptico 40 no seu caminho para a interface de superfície 42. Durante a viagem de retorno através do sensor óptico, o pulso de luz é adicionalmente alterado (por exemplo, atenuado) na região do reagente 88 dependendo da concentração das espécies químicas selecionadas no fluido produzido 28. O pulso de luz refletido então desloca de volta através da fibra óptica 80 do cabo de fibra óptica 44 até a interface de superfície 42. Um detector de luz na interface de superfície 42 recebe o pulso de luz refletido e produz o sinal de saída elétrico indicativo da concentração das espécies químicas selecionadas no fluido produzido 28. Por exemplo, a intensidade detectada do pulso de luz recebido a uma dada frequência pode ser proporcional à concentração das dadas espécies. Alternativamente, a intensidade detectada pode ser uma função não linear da intensidade da luz transmitida e da concentração da dada espécie, mas a interface de superfície ou o computador é provido com informação suficiente para derivar a medição da concentração desejada.

[00031] Nota-se que múltiplos sensores ópticos podem ser co- localizados para detectar múltiplos analitos para caracterizar melhor o fluido produzido 28. Sensores ópticos podem também ser desdobrados em múltiplas zonas para detectar fluidos de diferentes formações. A Fig. 3 mostra uma modalidade alternativa do sistema de sensor óptico de furo descendente 12 onde o cabo de fibra óptica 44 é amarrado com fita no lado de fora da tubulação de produção 24 em vez de no lado de fora do revestimento 14. Duas perfurações 26A e 26B foram criadas no furo de sondagem 16 para facilitar a obtenção de fluido das formações de duas diferentes zonas. Fluido da formação de uma primeira das duas zonas entra na coluna de revestimento 24 via a perfuração 26A, e fluido da formação da outra zona entra na coluna de tubulação de produção 24 via a perfuração 26B. Um obturador 90 sela uma coroa anular em torno da coluna de tubulação de produção 24 para definir as duas diferentes zonas. Um primeiro sensor óptico 40A é posicionado em um lado do obturador 90 adjacente à perfuração 26A, e um segundo sensor óptico 40B é posicionado em um lado oposto do obturador 90 adjacente à perfuração 26B. O sensor 40A permite que medições sejam feitas no fluido da formação a partir da primeira zona, e o sensor 40B permite que medições sejam feitas no fluido da formação a partir da outra zona.

[00032] Na modalidade da Fig. 3, os sensores ópticos 40A e 40B são ambos acoplados na interface de superfície 42 via o cabo de fibra óptica 44. O cabo de fibra óptica 44 sai através de um orifício apropriado em uma "árvore de Natal" 100, isto é, um conjunto de válvulas, carretéis e adaptadores conectados em um topo de um poço para direcionar e controlar o fluxo de fluidos para o poço, e a partir dele. O cabo de fibra óptica 44 estende-se ao longo da superfície externa da coluna de tubulação de produção 24, e é mantido contra a superfície externa da coluna de tubulação de produção 24 em locais espaçados por múltiplas cintas 46 que estendem-se em torno da coluna de tubulação de produção 24. Em outras modalidades, os sensores ópticos 40A e 40B podem ser acoplados na interface de superfície 42 via diferentes cabos de fibra óptica.

[00033] A Fig. 4 mostra uma outra modalidade alternativa de sistema de sensor óptico de furo descendente 12 com o cabo de fibra óptica 44 suspenso dentro da tubulação de produção 24. Um peso 110 ou outro mecanismo de transferência é empregado para desdobrar e possivelmente ancorar o cabo de fibra óptica 44 dentro da tubulação de produção 24 para minimizar riscos de enrosco e movimento do cabo de seu local desejado. O sensor óptico 40 pode ser posicionado no fundo do poço perto do peso 110. O cabo de fibra óptica 44 sai do poço via um orifício apropriado na árvore de Natal 100 e anexa na interface de superfície 42.

[00034] Outras modalidades alternativas empregam tubulação mista com uma ou mais fibras ópticas embutidas na parede da tubulação. A tubulação mista pode ser empregada como o revestimento e/ou a coluna de produção. De qualquer maneira, um acoplamento ou terminador pode ser provido na extremidade da tubulação mista para acoplar um sensor óptico 40 na fibra óptica embutida. Em ainda outras modalidades, a fonte de luz e/ou detector de luz podem ser posicionados no furo descendente e acoplado na interface de superfície 42 via condutores elétricos.

[00035] O poço 10 ilustrado nas Figs. 1 e 3-4 oferece dois caminhos de fluxo potenciais para fluido mover entre a superfície e o fundo do poço. O primeiro, e mais comumente empregado, é o interior da tubulação de produção. O segundo é o espaço anular entre a tubulação de produção e o revestimento. Normalmente, o espaço anular mais externo (revestimento externo) é selado por cimento por uma variedade de motivos, tipicamente incluindo a prevenção de qualquer fluido escoar neste espaço. Normalmente, o ponto no qual é mais desejável medir concentrações de espécies químicas será o ponto no qual fluido produzido entra no furo de sondagem, isto é, a zona de completação, ou pontos de restrição potencial, por exemplo, onde o fluido entra no caminho de fluxo e qualquer derivação, restringidor, ou válvula ao longo do caminho de fluxo. Em alguns casos, um sensor óptico 40 será suficiente, e ele pode ficar localizado na extremidade do cabo de fibra óptica 44 em um dos desdobramentos previamente descritos.

[00036] Entretanto, outras configurações de poço são conhecidas que têm um número substancial de caminhos de fluxo, particularmente poços projetados para produzir a partir de múltiplas zonas de completação. Pode ser desejável prover múltiplos sensores ópticos 40 de maneira a poder monitorar individualmente cada fluxo de fluido. Além disso, pode ser desejável prover múltiplos sensores ópticos ao longo de um dado caminho de fluxo de fluido, já que uma configuração de poço pode criar mudanças de pressão e temperatura atípicas ao longo do caminho de fluxo e, em alguns casos, misturar com outros fluxos de fluido. Embora seja possível prover tais sensores provendo-se um cabo de fibra óptica separado para cada sensor óptico, em muitos casos será mais eficiente prover um único cabo de fibra óptica com múltiplos sensores.

[00037] As Figs. 5A-5C mostram várias modalidades de sistema de sensor óptico de furo descendente ilustrativas 12 que fornecem múltiplos sensores para um dado cabo de fibra óptica. As Figs. 5A-5C mostram múltiplos sensores ópticos espaçados 120A-120E, referidos coletivamente como os sensores ópticos 120. Colocados em contato com um fluido produzido, cada qual dos sensores ópticos 120 pode ser adaptado para alterar luz que passa através, dependendo da concentração de uma ou mais espécies químicas no fluido produzido (por exemplo, de uma maneira similar ao sensor óptico 40 da Fig. 2). Outros dos sensores ópticos 120 podem ser adaptados para alterar luz que passa através dependendo da concentração de íons de hidrogênio no fluido produzido para indicar o pH do fluido produzido. Ainda outros dos sensores ópticos 120 podem ser adaptados para alterar a luz que passa através dependendo da temperatura ou da pressão do fluido produzido.

[00038] Na modalidade da Fig. 5A, a interface de superfície 42 para o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 inclui uma fonte de luz 122, um detector de luz 124, e um circulador óptico 126 que acopla a fonte e o detector no cabo de fibra óptica 44. Divisores ópticos 130A-130D acoplam a fibra óptica nos sensores ópticos correspondentes 120A-120D, e um último sensor óptico 120E pode ser acoplado na extremidade terminal da fibra óptica. O circulador óptico 126 roteia pulsos de luz da fonte de luz 122 para a fibra óptica no cabo de fibra óptica 44. Cada pulso de luz propaga ao longo da fibra óptica até a série de divisores ópticos 130A-130D. Cada divisor direciona uma porção da luz (por exemplo, 2%) para o sensor correspondente e deixa passar o restante da luz ao longo do cabo 44. Cada sensor óptico 120A-120E altera (por exemplo, atenua) a luz de acordo com a concentração das espécies químicas selecionadas e reflete a luz alterada. Os divisores ópticos 130A- 130D recombinam a luz refletida em um único feixe que propaga para cima ao longo do cabo de fibra óptica 44. Por causa das diferenças nos tempos de deslocamento, a luz que propaga para cima agora consiste em uma série de pulsos, o primeiro pulso correspondendo ao primeiro sensor 120A, o segundo pulso correspondendo ao segundo sensor 120B, etc. O circulador óptico 126 direciona esses pulsos para o detector de luz 124 que determina uma medição de sensor para cada pulso.

[00039] Onde o cabo de fibra óptica 44 inclui múltiplas fibras ópticas ou fibras ópticas multitrançadas, os sensores ópticos 120A-120E podem ser diretamente acoplados em diferentes das fibras ópticas ou fios. Os divisores ópticos não seriam necessários nesta variação. O detector 124 pode ser acoplado para medir a luz total retornada ao longo das múltiplas fibras ou fios, já que a diferença no tempo de deslocamento para os vários sensores converterá o pulso de luz transmitido em uma série de pulsos de luz refletidos, com cada pulso representando uma medição do sensor óptico correspondente.

[00040] Na modalidade da Fig. 5B, o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 também inclui a fonte de luz 122, o detector de luz 124 e o circulador óptico 126 como anteriormente. Os sensores ópticos 120 são posicionados em série ao longo do cabo de fibra óptica 44. Cada qual dos sensores ópticos 120 é adaptado para alterar (por exemplo, atenuar) luz em uma faixa distinta de comprimentos de onda (isto é, faixa de frequências) de maneira tal que os sensores ópticos 120 alterem a luz em diferentes faixas de comprimento de onda (isto é, bandas de frequência) deixando ainda os outros comprimentos de onda amplamente inafetados.

[00041] A fonte de luz 122 pode produzir luz com componentes em cada qual das faixas de comprimento de onda correspondentes aos sensores ópticos 120. À medida que a luz propaga ao longo do cabo de fibra óptica e através dos sensores ópticos 120, cada qual dos sensores ópticos altera os componentes de luz na sua faixa de comprimento de onda associada. Na modalidade ilustrada, a luz reflete na extremidade do cabo e propaga de volta para a superfície, passando por uma segunda vez através de cada qual dos sensores que adicionalmente alteram (por exemplo, atenuam) o componente de luz em sua faixa de comprimento de onda associada. Quando a luz refletida atinge a interface da superfície, o circulador óptico 126 direciona a luz refletida para o detector de luz 124, que analisa cada qual das faixas de comprimento de onda associadas com os vários sensores 120 para determinar uma medição para cada sensor.

[00042] A modalidade mostrada na Fig. 5C é similar à modalidade da Fig. 5A. Em vez de usar uma única fibra óptica tanto para luz direcionada para baixo quanto direcionada para cima, entretanto, a modalidade da Fig. 5C separa o caminho de luz direcionado para baixo 44A do caminho de luz direcionado para cima 44B. Embora ambos os caminhos possam ser contidos em um único cabo de fibra óptica, os dois caminhos de luz são carregados em fibras separadas. Pulsos de luz da fonte 122 deslocam para baixo no caminho 44A, são distribuídos para os sensores ópticos 120 providos previamente, e atingem o detector 124 via o caminho 44B. Diferenças no tempo de deslocamento produzirão uma série de pulsos de luz no detector, cada pulso correspondendo a um sensor óptico diferente. Alternativamente, ou adicionalmente, os sensores ópticos podem operar em diferentes bandas de comprimentos de onda e as medições do sensor podem ser distintas dessa maneira. Uma modificação similar pode ser feita na modalidade da Fig. 5B para retornar a luz ao longo de um caminho para cima separado.

[00043] Em muitos casos, um perfil de temperatura e pressão do poço pode ser previsível o bastante para que um sistema de detecção de temperatura/pressão distribuído seja considerado desnecessário e, em tais casos, ele pode ser omitido. Onde um sistema como este é considerado útil, o sistema de sensor óptico de furo descendente 12 pode adicionalmente operar como um sistema de medição de temperatura e/ou pressão distribuído. Tais sistemas são comercialmente disponíveis e podem ser modificados para prover detecção de espécies químicas supradescritas sem sacrificar sua capacidade de obter medições de temperatura e/ou pressão distribuídas. Tais sistemas podem operar com base em medições de luz retrodispersa em impurezas ao longo do comprimento da fibra. Tal luz retrodispersa tem propriedades indicativas de temperatura e tensão no local da dispersão. A interface da superfície transmite pulsos de luz e mede as propriedades da luz retrodispersa em função do tempo. Combinadas com conhecimento da velocidade de propagação da luz na fibra, tais medições podem ser facilmente convertidas em medições de pressão de temperatura dependentes da posição. Essas medições podem ser feitas nas fibras ópticas que acoplam a interface de superfície nos sensores ópticos de furo descendente, ou eles podem ser feitos em fibras ópticas separadas providas dentro do cabo 44. Onde fibras separadas são usadas, uma fonte de luz e detector adicionais podem ser empregados, ou a fonte e detector existentes podem ser comutados periodicamente entre as fibras.

[00044] O cabo de fibra óptica multimedições pode, por exemplo, ser desdobrado em um furo de sondagem ao longo de um caminho de fluxo de fluido (por exemplo, cabo 44 na Fig. 4) de maneira tal que o cabo de fibra óptica passe pela mesma temperatura e/ou pressão do fluido que escoa no poço. Uma interface de superfície (por exemplo, a interface da superfície 42 da Fig. 1) pode transmitir pulsos de luz para as fibras ópticas e coletar medições para uso por um sistema de medição.

[00045] A Fig. 6 é um fluxograma de um método 140 para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente (por exemplo, o fluido produzido 28 da Fig. 1). Durante um primeiro bloco 142 do método 140, uma concentração característica de pelo menos um analito é associada com cada qual das múltiplas fontes de água. Por exemplo, concentrações características de múltiplos analitos podem ser associadas com cada qual de múltiplas fontes de água durante o bloco 142. Um ou mais sensores ópticos de furo descendente (por exemplo, o sensor óptico 40 da Fig. 1 ou Figs. 3-4, ou os sensores ópticos 120 das Figs. 5A-5C) são desdobrados em um caminho de fluxo de fluido (por exemplo, o fluido produzido 28 da Fig. 1) no poço durante um bloco 144. Simultaneamente, ou separadamente, um sensor de temperatura distribuído e/ou um sensor de pressão distribuído podem ser desdobrados no poço durante o bloco 144 durante um bloco 146. Durante um bloco 148, concentrações medidas de pelo menos um analito são obtidas (por exemplo, via os sensores ópticos de furo descendente). Uma fração do fluido de furo descendente atribuível a pelo menos uma fonte é derivada para pelo menos uma fonte de água durante um bloco 150.

[00046] Inúmeras modificações, equivalentes e alternativas ficarão aparentes aos versados na técnica uma vez que a revelação apresentada seja completamente percebida. Pretende-se que as reivindicações seguintes sejam interpretadas (onde aplicável) de forma a abranger todas tais modificações, equivalentes e alternativas.

Claims (16)

1. Sistema para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente, caracterizadopelo fato de que o sistema compreende: uma bomba que bombeia fluido de fraturamento para dentro de uma formação de furo descendente através de um furo de sondagem; um ou mais sensores (40, 120) ópticos de furo descendente ao longo de um cabo de fibra óptica (44) desdobrado no furo de sondagem e anexado ao longo de um exterior de uma coluna de revestimento (14) ou tubulação de produção (24) para medir pelo menos uma concentração de analito no fluido de furo descendente; um processador (60); e uma mídia de armazenamento (68) legível por computador compreendendo instruções executáveis pelo processador (60) para fazer com que o sistema: identifique características de concentração de analito para diferentes tipos de fluidos à base de água, incluindo o fluido de fraturamento e pelo menos um outro tipo de fluido à base de água, em que as características de concentração do analito indicam faixas de concentração diferentes de uma ou mais espécies químicas para cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água; determine uma quantidade de água no fluido de furo descendente correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água com base, pelo menos em parte, nas características de concentração de analito e medições de pelo menos uma concentração de analito de um ou mais sensores (40, 120) ópticos de furo descendente; e controle a bomba, a bomba bombeando fluido de fraturamento para a formação de furo descendente através do furo de sondagem com base, pelo menos em parte, na quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um analito compreende íons.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os diferentes tipos de fluidos à base de água adicionalmente incluem água conata.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os diferentes tipos de fluidos à base de água incluem um fluido de inundação de um poço remoto.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um do um ou mais sensores (140, 120) ópticos inclui: uma guia de onda (82) para conduzir luz; e uma região do reagente (88) posicionada entre a guia de onda (82) e o fluido de furo descendente para absorver uma porção da luz da guia de onda (82), a porção sendo dependente da concentração de pelo menos um analito.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água é determinada como uma fração do fluido de furo descendente.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água é determinada como uma diferença ou razão entre quantidades de água correspondente aos diferentes tipos de fluidos à base de água.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente instruções executáveis pelo processador (60) para fazer com que o sistema interpole a partir das características de concentração de analito para determinar a quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente instruções executáveis pelo processador (60) para fazer com que o sistema determine a quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água como uma função do tempo.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente instruções executáveis pelo processador (60) para fazer com que o sistema determine a quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água como uma função da posição no furo de sondagem.

11. Método para determinar fontes de água em um fluido de furo descendente, caracterizado pelo fato de que o método compreende: bombear, através de uma bomba, fluido de fraturamento para dentro de uma formação de furo descendente através de um furo de sondagem; identificar características de concentração de analito para diferentes tipos de fluidos à base de água, incluindo o fluido de fraturamento e pelo menos um outro tipo de fluido à base de água, em que as características de concentração do analito indicam faixas de concentração diferentes de uma ou mais espécies químicas para cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água; obter medições de concentrações de analito a partir de um ou mais sensores ópticos (40, 120) de furo descendente ao longo de um cabo de fibra óptica (44) desdobrado no furo de sondagem e anexado ao longo de um exterior de uma coluna de revestimento (14) ou tubulação de produção (24); determinar uma quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água com base, pelo menos em parte, nas características de concentração de analito e nas medições obtidas de concentração de analito; bombear, através da bomba, fluido de fraturamento para dentro da formação de furo descendente através do furo de sondagem com base, pelo menos em parte, na quantidade de água correspondente a cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: desdobrar pelo menos um de um sensor de pressão distribuído e um sensor de temperatura distribuído no furo descendente, em que a dita etapa de determinação é baseada, pelo menos em parte, em medições do sensor de pressão distribuído ou sensor de temperatura distribuído.

13. Sistema para determinar uma vazão de um componente de fluido de furo descendente, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende: uma bomba que bombeia fluido de fraturamento para dentro de uma formação de furo descendente através de um furo de sondagem; pelo menos um sensor óptico de furo descendente ao longo de um cabo de fibra óptica (44) desdobrado no furo de sondagem e anexado ao longo de um exterior de uma coluna de revestimento (14) ou tubulação de produção (24) para medir concentrações de múltiplos analitos em um fluido produzido; um sensor de fluxo que mede uma vazão de fluxo ou uma quantidade de fluxo acumulada do fluido produzido; e um processador (60); e uma mídia de armazenamento (68) legível por computador compreendendo instruções executáveis pelo processador (60) para fazer com que o sistema: identifique características de concentração de analito para diferentes tipos de fluidos à base de água, incluindo o fluido de fraturamento e pelo menos um outro tipo de fluido à base de água, em que as características de concentração do analito indicam faixas de concentração diferentes de uma ou mais espécies químicas para cada um dos diferentes tipos de fluidos à base de água; determinar uma quantidade de água no fluido produzido correspondente a diferentes tipos de fluidos à base de água com base em uma comparação das características de concentração de analito com as medições de concentração de analito coletadas pelo o pelo menos um sensor (40, 120) óptico de furo descendente; determinar uma vazão de fluxo do fluido de fraturamento como uma função do tempo com base, pelo menos em parte, em medições de fluxo do fluido produzido coletado pelo sensor de fluxo e a quantidade de água correspondente aos diferentes tipos de fluidos à base de água; e controlar a bomba, a bomba bombeando fluido de fraturamento para dentro de uma formação de furo descendente através de um furo de sondagem com base, pelo menos em parte, na quantidade de água correspondente aos diferentes tipos de fluidos à base de água e na vazão de fluxo do fluido de fraturamento.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente múltiplos sensores (40, 120) ópticos de furo descendente posicionados em diferentes locais em um poço, em que a quantidade de água correspondente aos diferentes tipos de fluidos à base de água é determinada como uma função do tempo e posição.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor (40,120) óptico de furo descendente mede concentração de pelo menos um analito compreendendo um íon.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o íon é selecionado do grupo consistindo em: sódio, potássio, borato, cálcio, magnésio, ferro, bário, estrôncio, cloro, sulfato, e bicarbonato.

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