BR112016016251B1 - ferramenta de análise óptica e sistema de perfilagem do poço - Google Patents

Abstract

FERRAMENTA DE ANÁLISE ÓPTICA, SISTEMA DE PERFILAGEM DO POÇO E MÉTODO. Uma ferramenta de análise óptica inclui um elemento computacional integrado (ICE) incluindo um núcleo de ICE para processar luz recebida pelo ICE a partir de uma amostra, quando a ferramenta é operada, de modo que a luz processada está relacionada, ao longo de um intervalo de comprimento de onda, com uma característica da amostra. Adicionalmente, o ICE inclui um filtro monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE, o filtro sendo para bloquear a luz com comprimentos de onda que são mais curtos do que o intervalo de comprimento de onda ou mais longos que o intervalo de comprimento de onda, ou ambos, de modo que o ICE emita a luz processada que passa pelo filtro, quando a ferramenta é operada.

Description

Fundamentos

[0001] O objeto da presente divulgação está geralmente relacionado com sistemas de análise óptica para analisar uma substância de interesse, por exemplo, petróleo bruto, gás, água, ou outros fluidos de poço. Por exemplo, os sistemas de análise óptica divulgados usam um elemento computacional integrado (ICE) limitado por banda que inclui um núcleo de ICE monoliticamente acoplado a um ou mais filtros de limitação de banda.

[0002] Informações sobre uma substância podem ser derivadas através da interação da luz com essa substância. A interação muda características da luz, por exemplo, a frequência (e o comprimento de onda correspondente), intensidade, polarização e/ou direção (por exemplo, por meio de espalhamento, absorção, reflexão ou refração). Características químicas, térmicas, físicas, mecânicas, ópticas ou várias outras características da substância podem ser determinadas com base nas mudanças das características da luz que interage com a substância. Desta forma, em certas aplicações, uma ou mais características de petróleo bruto, gás, água ou outros fluidos de poço podem ser derivadas in-situ, por exemplo, no fundo do poço em locais de poço, como um resultado da interação entre essas substâncias e a luz.

[0003] Um ICE pondera seletivamente, quando operado como parte das ferramentas de análise óptica, a luz modificada por uma amostra num comprimento de onda particular, de modo que as ponderações estejam relacionadas com uma ou mais características físicas ou químicas da amostra. O ICE inclui um núcleo de ICE- que mede as várias características da amostra através do uso de técnicas de regressão - e um ou mais filtros de limitação de banda - que limitam as características medidas em um intervalo de comprimento de onda específico. Uma vez que os ICEs extraem informação da luz modificada por uma amostra de forma passiva, eles podem ser incorporados em ferramentas de análise óptica de baixo custo e robustas. Assim, as ferramentas de análise óptica de fundo de poço com base no ICE podem prover um sistema robusto, preciso e com custo relativamentebaixo para, por exemplo, monitorar a qualidade dos fluidos de poço.

Descrição das figuras

[0004] A Figura 1 mostra um exemplo de um instrumento de análise óptica para a medição de uma propriedade de uma amostra usando um ICE limitado por banda monolítica.

[0005] As Figuras 2A-2C mostram aspectos de um ICE limitado por banda monolítica com um núcleo de ICE que inclui camadas dielétricas empilhadas sobre um substrato.

[0006] A Figura 3 mostra um exemplo de um ICE limitado por banda monolítica com um núcleo de ICE que inclui uma superfície seletiva de frequência.

[0007] A Figura 4 mostra um exemplo de um ICE limitado por banda monolítica com um núcleo de ICE que inclui filtros espectrais distribuídos lateralmente.

[0008] As Figuras 5A-5C mostram múltiplas configurações de um exemplo de um sistema de análise de fluidos do poço que usam uma ferramenta de perfilagem de poço, incluindo um ICE limitado por banda monolítica.

[0009] Os símbolos de referência semelhantes nas várias figuras indicam elementos semelhantes.

descrição detalhada

[0010] De acordo com as tecnologias descritas, sistemas de análise ópticos utilizam um ICE limitado por banda, que inclui um núcleo de ICE monoliticamente acoplado a um ou mais filtros de limitação de banda. Aqui, o núcleo de ICE processa a luz recebida pelo ICE a partir de uma amostra, de modo que a luz processada é relacionada, ao longo de um intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax], a uma característica da amostra. Além disso, um filtro de limitação de banda que é monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE bloqueia a luz nos comprimentos de onda que são mais curtos do que Àmin ou mais longos do que Àmax, ou ambos. Deste modo, o ICE divulgado emite luz processada que é passada pelo filtro de limitação de banda.

[0011] Em algumas implementações, o núcleo do ICE do ICE limitado por banda é um substrato óptico com múltiplas camadas dielétricas empilhadas, cada umatendo um índice de retração diferente dos índices de retração das suas camadas adjacentes. O número específico de camadas, N, as propriedades ópticas das camadas, as propriedades ópticas do substrato e a espessura física de cada uma das camadas que compõem o núcleo do ICE são selecionados de forma que a luz processada pelo núcleo ICE esteja relacionada a uma ou mais características da amostra. Em outras implementações, o núcleo de ICE do ICE limitado por banda contém cristais líquidos, líquidos e/ou gases que são selecionados de modo que a luz processada pelo núcleo de ICE está relacionada com uma ou mais características da amostra. Aqui, o núcleo de ICE pode incluir um recipiente que aloja os gases, líquidos ou cristais líquidos. Em algumas outras implementações, o núcleo de ICE do ICE limitado por banda inclui elementos óptico-acústicos, elementos holográficos, gradeamentos, dispositivos baseados em sistemas de microeletro mecânica (MEMS) ou superfícies seletivas de frequência, por exemplo, que a saída transmitida, refletida, e/ou luz absorvida que está relacionada com uma ou mais características da amostra.

[0012] O intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax] ao longo do qual a luz processada pelo núcleo de ICE refere-se a característica da amostra que representa uma largura de banda óptica operacional da ICE, em analogia com uma largura de banda operacional eletrônica de um dispositivo computacional eletrônico. Em geral, uma largura de banda óptica operacional especificada de um ICE pode ser realizado através da colocação de um filtro óptico da banda passante (ou combinação de passagem de comprimento e filtros ópticos de passagem curtas para alcançar um filtro óptico da banda de passagem total) num percurso óptico que inclui (i) a amostra, (ii) o núcleo de ICE que processa a luz recebida a partir da amostra e (iii) um transdutor óptico (por exemplo, um detector) que detecta a luz processada pelo núcleo e as saídas ICE e um sinal de que está relacionada com uma ou mais características da amostra. Convencionalmente, um filtro de banda de limitação está espaçado do núcleo de ICE. Em contraste, o filtro de banda é limitativo monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE de acordo com as tecnologias descritas. Desta maneira, a ICE divulgado tendo um núcleo de ICE monoliticamenteacoplado e filtro de limitação de banda - aqui referido como um ICE limitado por banda monolítica - é mais compacto e requer complexidade alinhamento óptico reduzida em relação aos ICEs convencionais limitados por banda que têm o núcleo de ICE afastado do filtro de limitação de banda. Deste modo, os sistemas de análise ópticos baseados em ICEs limitados por bandas monolíticas podem ser vantajosamente fabricados para serem mais compactos e robustos do que os sistemas com base em análise óptica convencional ICEs de bandas limitadas. Além disso, um ICE para que o núcleo de ICE seja monoliticamente acoplado ao filtro (s) de limitação de banda contém uma interface menos óptica, para cada um dos filtros de limitação de banda, relativa a um ICE de banda limitada convencional para que o núcleo de ICE seja afastado do filtro (s) de limitação de banda. Assim, a relação sinal-ruído (SNR) ICEs limitados de banda monolítica podem ser vantajosamente maiores do que o SNR da banda convencional limitada ICE.

[0013] Em algumas implementações do ICE divulgado tendo um núcleo de ICE acoplado monoliticamente e filtro de limitação da banda, um valor de um índice de refração eficaz ΠFassociado com o filtro de limitação de banda é escolhido para estar compreendido entre um valor de um índice de refração eficaz nc associado com o núcleo de ICE e um valor de um índice de no de um meio de saída. Como tal, |nc - nr| < |no - nc| and |nr - no| < |no - nc|. Por exemplo, quando um transdutor óptico está afastado do ICE divulgado, o meio de saída é o ambiente entre o ICE limitado por banda monolítica e o transdutor óptico. Como outro exemplo, quando um transdutor óptico é acoplado monoliticamente ao ICE divulgado, o meio de saída é um material constituinte do transdutor óptico. Desta maneira, o filtro limitativo de banda que é monoliticamente acoplado ao núcleo do ICE do ICE divulgado vantajosamente reduz um índice de refração de incompatibilidade |No - nc| entre o núcleo de ICE de um ICE limitado da banda convencional e o meio de saída. Exemplos do índice de refração eficaz nc associado com o núcleo de ICE junto com exemplos da eficácia do índice de refração ΠFassociado com o filtro de limitação da banda monoliticamente acoplado são descritos abaixo em ligação com as Figuras 2A-2C, 3 e 4 para várias combinações de diferentes tipos de núcleos deICE e diferentes tipos de filtros de limitação de banda.

[0014] Em algumas implementações do ICE divulgado tendo um núcleo de ICE acoplado monoliticamente e filtro de limitação da banda, um valor de um índice de refração eficaz ΠFassociado com o filtro de limitação de banda é escolhido para estar compreendido entre um valor de um índice de refração eficaz nc associado com o núcleo de ICE e um valor de um índice de m de um meio de entrada. Como tal, |m - ΠF|< |ni - nc| and |np - nc| < |ni - nc|. Por exemplo, quando o ICE divulgado está espaçado a partir de uma amostra, o meio de entrada é o ambiente entre a amostra e o ICE limitado por banda monolítica. Como outro exemplo, quando uma amostra é monoliticamente acoplada ao ICE divulgado, o meio de entrada é um material constituinte da amostra. Desta maneira, o filtro limitativo de banda que é monoliticamente acoplado ao núcleo do ICE do ICE divulgado vantajosamente reduz um índice de refração de incompatibilidade |ni - nc| entre o núcleo de ICE de um ICE limitado da banda convencional e o meio de entrada.

[0015] Antes de descrever exemplos de implementações dos ICEs limitados por banda monolítica, as ferramentas de análises ópticas baseadas nos ICEs divulgados são descritas abaixo junto com os exemplos de seu uso na exploração de petróleo/gás.

[0016] A Figura 1 mostra um exemplo de um instrumento de análise óptica 110 para a medição de uma propriedade de uma amostra 130 usando um ICE limitado por banda monolítica 140. Neste exemplo, a ferramenta de análise óptica 110 inclui uma fonte de luz 120, o ICE limitado em banda monolítica 140 e um transdutor óptico 160. A ferramenta de análise óptica 110 tem uma estrutura 112 de tal modo que os componentes anteriores estão dispostos num alojamento 114 do mesmo. Uma seção transversal da ferramenta de análise óptica 110 em um plano perpendicular à página pode variar, dependendo do espaço disponível. Por exemplo, a seção transversal da ferramenta de análise óptica pode ser circular ou retangular, por exemplo. A ferramenta de análise óptica 110 direciona a luz para a amostra 130 através de uma interface óptica 116, por exemplo, uma janela na moldura 112. A ferramenta de análise óptica 110 é configurada para sondar aamostra 130 (por exemplo, os fluidos de furo de poço em fluxo ou estacionários) no furo de poço 38 por meio da interface óptica 116 e para determinar uma quantidade (por exemplo, um valor) de uma dada característica (também referida como uma propriedade a ser medida) da amostra sondada 130. A propriedade a ser medida pode ser qualquer uma das múltiplas propriedades físicas ou químicas da amostra 130, incluindo concentração de uma dada substância na amostra, uma proporção de gás-óleo (GOR), valor de pH, densidade, viscosidade, etc.

[0017] A fonte de luz 120 saída de luz com um espectro da fonte ao longo de um comprimento de onda particular. Em algumas implementações, o espectro da fonte pode ter intensidade diferente de zero ao longo de todo ou a maior parte do intervalo de comprimento de onda particular. Em algumas implementações, o espectro da fonte se estende ao longo de faixas espectrais UV-vis (0,2-0,8 pm) e IV próximo (0,8-2,5 pm). Alternativamente, ou adicionalmente, o espectro da fonte estende-se através de um intervalo do espectro IV (2.5-1 OOprn). Em algumas implementações, a fonte de luz 120 é ajustável e é configurada em combinação com a detecção resolvida no tempo e processamento de sinal.

[0018] A fonte de luz 120 é arranjada para direcionar um feixe de sonda 125 da fonte de luz na direção da interface óptica 116, onde ele ilumina a amostra 130 em um local 127. A fonte de luz no feixe de sonda 125 interage com a amostra 130 e reflete para fora da mesma como luz modificada pela amostra 130. A luz modificada pela amostra 135 tem um espectro modificado l(À) 135' ao longo do intervalo de comprimentos de onda em particular. No geral, o espectro modificado l(À) 135' codifica informações sobre múltiplas características associadas com a amostra 130 e, mais especificamente, a informação codificada se relaciona a valores atuais das múltiplas características. No exemplo ilustrado na Figura 1, o espectro modificado 135' contém informações sobre uma ou mais características dos fluidos de furo de poço 130.

[0019] Em referência continuada à Figura 1, e o sistema de coordenadas Cartesianas provido na mesma como referência, o ICE limitado por banda monolítica 140 é arranjado para receber um feixe 135 da luz modificada pelaamostra, e é configurado para processá-la e emitir um feixe 155 de luz processada. O feixe 135 de amostra de luz incidente é modificado ao longo do eixo z em uma interface óptica de entrada do ICE de limitado por banda monolítica 140, e o feixe 155 de luz de saída é processado ao longo do eixo z - Após a transmissão através do ICE limitado da banda monolítica 140 - a uma interface de saída do mesmo. No exemplo ilustrado na Figura 1, o ICE limitado por banda monolítica 140 inclui um núcleo de ICE 145, monoliticamente acoplado a um ou mais filtros de limitação de banda 147, 147 '. O núcleo de ICE 145 processa a amostra de luz modificada 135 pela ponderação da mesma de acordo com um espectro óptico associado w(À) 150, ao longo de um intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax], com uma característica a ser medida. O filtro 147 ou a combinação de filtros 147, 147' bloqueia a luz inferior a Àmin e superior a Àmax, de modo que a luz processada 155 de saída pelo ICE limitado por banda monolítica 140 é limitado ao intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] sobre o qual o espectro óptico w(À) 150 está associado com a característica a ser medida.

[0020] O espectro óptico w(À) 150 é determinado offline através da aplicação de processos convencionais a um conjunto de espectros de calibração l(À) da amostra que correspondem aos respectivos valores conhecidos da característica a ser medida. Como ilustrado pelo espectro óptico w(À) 150, espectros ópticos geralmente podem incluir múltiplos máximos (picos) e mínimos (vales) locais entre Àmin e Àmax. Os picos e vales podem ter as mesmas amplitudes ou amplitudes diferentes. Por exemplo, um espectro óptico w(À) pode ser determinado através da análise de regressão de Nc espectros de calibração lj(À) de uma amostra, onde j = 1,..., Nc, de modo tal que cada um dos espectros de calibração lj(À) corresponda a um valor conhecido associado de uma dada característica para a amostra. Um número típico Nc de espectros de calibração lj(À) usado para determinar o espectro óptico w(À) 150 através de tal análise de regressão pode ser Nc = 10, 40 ou 100, por exemplo. A análise de regressão, dentro dos Nc espectros de calibração lj(À), fornece um padrão espectral que é único para a dada característica. O padrão espectral fornecido pela análise de regressão corresponde ao espectro óptico w(À)150. Desse modo, quando um valor da dada característica para a amostra é desconhecido, um espectro modificado lu(À) da amostra é adquirido através da interação do feixe de sonda 125 com a amostra de 130, então o espectro modificado lu(L) é ponderado pelo núcleo ICE 145 do ICE limitado por banda monolítica 140 para determinar uma magnitude do padrão espectral correspondente ao espectro óptico w(À) 150 dentro do espectro modificado lu(A). A magnitude determinada é proporcional ao valor desconhecido da dada característica para a amostra.

[0021] Por exemplo, a amostra pode ser uma mistura (por exemplo, o fluido de furo de poço 130), contendo substâncias X, Y e Z, e a característica a ser medida para a mistura é a concentração cx da substância X na mistura. Nesse caso, Nc espectros de calibração lj(À) foram adquiridos para Nc amostras da mistura com valores de concentração conhecidos respectivamente para cada uma das substâncias contidas nas Nc amostras. Através da aplicação de análise de regressão para os Nc espectros de calibração lj(A), um primeiro padrão espectral que é único para a concentração cx da substância X pode ser detectado (reconhecido), de modo tal que o primeiro padrão espectral corresponda a um primeiro espectro óptico wcx(À) associado com um primeiro núcleo de ICE, por exemplo. De modo semelhante, o segundo e o terceiro padrões espectrais que são, respectivamente, únicos para as concentrações CY e cz das substâncias Y e Z também podem ser detectados, de modo tal que o segundo e o terceiro padrões espectrais correspondam, respectivamente, ao segundo e ao terceiro espectros ópticos WCY(À) e wcz(À), respectivamente associados com o segundo e o terceiro núcleos de ICEs. Desse modo, quando uma nova amostra da mistura (por exemplo, o fluido de furo de poço 130) tiver uma concentração desconhecida cx da substância X, por exemplo, um espectro modificado lu(À) da nova amostra poderá ser adquirido através da interação do feixe de sonda com a mistura, então o espectro modificado lu(À) é ponderado com o primeiro núcleo de ICE para determinar uma magnitude do primeiro padrão espectral dentro do espectro modificado lu(À). A magnitude determinada é proporcional ao valor desconhecido da concentração cx da substância X para a nova amostra.

[0022] Em algumas implementações descritas em detalhe abaixo em ligação com as Figuras 2A-2C, o núcleo de ICE145 inclui N camadas de materiais empilhados sobre um substrato, de tal modo que índices de retração das camadas adjacentes são diferentes uns dos outros. Um conjunto dos parâmetros de design de núcleo ICE 145' do núcleo ICE 145 - que aqui inclui o número total N de camadas empilhadas, os índices de retração de camadas empilhadas adjacentes, e as espessuras das camadas N empilhadas - correspondem a um espectro óptico w'(À) associado com esta modalidade o núcleo de ICE 145. Em outras implementações descritas em detalhe abaixo em ligação com a Figura 3, o núcleo de ICE 145 inclui uma camada de material condutor modelado como estruturas periódicas lateralmente deslocadas durante um substrato dielétrico, de tal modo que a camada padronizada forma uma superfície de frequência seletiva (FSS). Um conjunto de parâmetros design de núcleo ICE 145' do núcleo ICE 145 - que aqui inclui uma ou mais das dimensões de características laterais do padrão FSS, materiais e espessuras do substrato e camada padronizada, e um ou mais arranjos das características laterais do padrão de FSS, por exemplo, triangular, retangular, hexagonal ou circular - corresponde a um espectro óptico w'(À) associada com esta modalidade do núcleo de ICE 145. Em algumas outras implementações descritas em detalhe abaixo em ligação com a Figura 4, o núcleo de ICE 145 inclui N filtros espectrais que são suportados por um substrato e distribuídos lateralmente em relação a uma interface de entrada óptica do núcleo de ICE 145. Um conjunto de parâmetros de design de núcleo ICE 145' do núcleo ICE 145 - que aqui inclui o número total N de filtros espectrais e as suas áreas relativas - corresponde a um espectro óptico w'(À) associada com esta modalidade o núcleo de ICE 145.

[0023] Em qualquer das modalidades do núcleo ICE anterior (ou outras modalidades do núcleo ICE a seguir descritos na presente especificação), o conjunto de parâmetros design do núcleo do ICE 145' é escolhido de tal modo que o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 140 é espectralmente equivalente, ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax], com um espectro óptico w(À) 150 associado com a característica a ser medida.Contribuições do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 145 que são de comprimentos de onda fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] são retirados da luz processada 155, por uma ou mais filtros de limitação de banda 147, 147' monoliticamente acoplados ao núcleo de ICE 145, para reduzir o ruído análise potencialmente causado por tais contribuições "fora-de-banda", que podem não ser espectralmente equivalentes ao espectro óptico w(À) 150 associado com a característica a ser medida. Desta maneira, as contribuições do espectro óptico l(À) 135' da luz modificada de exemplo que são fora dos comprimentos de onda do intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax] são ponderadas para zero.

[0024] Além de limitar a luz processada 155 para o intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax] sobre o qual o espectro óptico w(À) 150 está associado com a característica a ser medida, os filtros de limitação de banda 147, 147', monoliticamente acoplados ao núcleo de ICE 145, podem reduzir uma incompatibilidade |nc - no| entre um índice de refração eficaz n c associado com o núcleo de ICE 145 e um índice de refração no de uma forma de saída, ou uma incompatibilidade |m - nc| entre um índice de ni de um meio de entrada e de eficácia de índice de refração nc associado com o núcleo de ICE 145. Exemplos do índice eficaz de refração nc associado com um núcleo de ICE são descritos abaixo em ligação com as Figuras 2A-2C, 3 e 4 para os diferentes tipos de núcleos de ICE.

[0025] Por exemplo, quando o transdutor óptico 160 é afastado da ICE limitado por banda monolítica 140, o meio de saída é o ambiente entre o ICE limitado por banda monolítica 140 e o transdutor óptico 160. Como outro exemplo, quando o transdutor óptico 160 é acoplado monoliticamente ao ICE limitado por banda monolítica 140, o meio de saída é um material constituinte do transdutor óptico 160. Aqui, um valor de um índice de refração eficaz ΠFassociado com o filtro de limitação de banda 147 é escolhido para estar compreendido entre um valor de um índice de refração eficaz nc associado com o núcleo de ICE 145 e o valor de um índice de no de um meio de saída. Como tal, |nc - nr| < |No - nc| e |nr - no| < |No - nc|. Desta maneira, o filtro de limitação de banda 147 que é acoplado de forma monolítica para o núcleo de ICE 145 do ICE limitado da banda monolítica 140 vantajosamente reduz um índicede refração de incompatibilidade |no - nc| entre o núcleo ICE 145 e o meio de saída. Em algumas implementações, o filtro de limitação de banda 147 pode ser formado a partir de materiais constitutivos misturados numa matriz. Nesse caso, o índice de refração efetiva ΠFassociado com o filtro de limitação da banda 147 é uma média ponderada dos índices de refração individuais dos materiais constitutivos. Em outras implementações, o filtro de limitação da banda 147 pode ser formado como uma pilha de camadas, por exemplo, como filtros de interferência. Neste caso, o índice eficaz de refração ΠFassociado com o filtro de limitação da banda 147 é uma função particular dos índices de refração individuais dos materiais de camada constitutivos como descritos na literatura, por exemplo, para todos os filtros de interferências dielétricas (ADI). (Ver, por exemplo, B. Dorband et. al, em Metrology of Optical Components and systems, páginas 354-357, como parte do vol. 5 de Handbook of Optical Systems, editador por H. Gross e publicado em 2012.)

[0026] Além disso, em alguns casos, quando o ICE limitado por banda monolítica 140 é espaçado a partir da amostra 130, o meio de entrada é o ambiente entre a amostra 130 e o ICE limitado por banda monolítica 140. Em outros casos, quando o ICE limitado por banda monolítica 140 está monoliticamente acoplado com a amostra 130, o meio de entrada é um material constituinte da amostra 130. Aqui, um valor do índice eficaz de refração ΠFassociado com o filtro de limitação de banda 147' é escolhido para estar compreendido entre um valor do índice de refração ni do meio de entrada e o valor do índice eficaz de refração nc associado com o núcleo de ICE 145. Como tal, |m - ΠF|< |m - nc| e |nc - ΠF|< |m - nc|. Desta maneira, o filtro de limitação da banda 147' que é acoplado monoliticamente ao núcleo de ICE 145 do ICE limitado por banda monolítica 140 reduz vantajosamente um índice de refração de incompatibilidade |m - nc| entre o meio de entrada e o núcleo de ICE 145.

[0027] Continuando a descrição dos aspectos funcionais da ferramenta de análise óptica 110, o feixe 155 de saída de luz processada pelo ICE limitado por banda monolítica 140 tem um espectro processado P (À) = w (À)®l (À) 155' sobre o intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] de tal forma que o espectro processado 155'representa o espectro modificado I (À) 135' ponderado pelo espectro óptico w(À) 150 associado com a característica a ser medida.

[0028] O feixe 155 de luz processada é direcionado a partir do ICE limitado por banda monolítica 140 ao transdutor óptico 160, que detecta a luz processada 155 e emite um sinal detector 165. Um valor (por exemplo, uma tensão) do sinal do detector 165 é um resultado de uma integração do espectro processado 155' ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax] e está relacionado com o valor desconhecido "c" 165' da característica a ser medida para a amostra 130.

[0029] Em algumas implementações, a ferramenta de análise óptica 110 pode incluir um segundo ICE limitado por banda monolítica (não mostrado na Figura 1) associados com um segundo espectro óptico w"(À). Aqui, um segundo conjunto de parâmetros de criação de núcleos de ICE 145" é escolhido de tal modo que o segundo espectro óptico w" (À) está associado, ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax], com uma segunda característica da amostra de 130. Assim, um segundo espectro processado representa o espectro modificado l(À) 135' ponderado pelo segundo espectro óptico w"(À) ao longo do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax], de modo que um segundo valor de um segundo sinal do detector é relativo a um valor da segunda característica para a amostra 130.

[0030] Em algumas implementações, o valor 165' da característica a ser medida pode ser registrado juntamente com um tempo de medição, geolocalização, e outros metadados, por exemplo. Em algumas implementações, o sinal de detector 165, que é relatado a uma característica a ser medida pela ferramenta de análise óptica 110, pode ser usado como um sinal de feedback para ajustar a característica da amostra, para modificar a amostra ou as condições ambientais associadas com a amostra, como for desejado.

[0031] No exemplo ilustrado na Figura 1, o monolítico ICE limitado por banda 140 da ferramenta de análise óptica 110 é geralmente descrito como um núcleo de ICE 145 monoliticamente acoplado a um ou mais filtros de limitação de banda 147,147'. Exemplos de implementações do ICE limitado por banda monolítica 140 sãodescritos abaixo.

[0032] As Figuras 2A-2C mostram aspectos de um ICE limitadopor banda monolítica 240 com um núcleo de ICE 245 que inclui camadas dielétricas empilhadas sobre um substrato. Aqui, o ICE limitado por banda monolítica 240 inclui ainda um ou mais filtros de limitação de banda 247, 247' que estão acoplados monoliticamente ao núcleo de ICE 245. O ICE limitado por banda monolítica 240 representa uma modalidade do ICE limitado por banda monolítica 140 da ferramenta de análise óptica 110, descrita acima, em ligação com a Figura 1.

[0033] Neste exemplo, o núcleo de ICE 245 inclui N camadas de materiais empilhados sobre o substrato, de tal modo que os índices de refração dos materiais constitutivos de camadas adjacentes são diferentes uns dos outros. O número total de camadas empilhadas pode estar entre 2 e 50, por exemplo. Ao longo desta especificação, o índice de refração de "n" de um material da camada tem um valor complexo, Re(n) + ilm(n). Re(n) representa um componente real do índice complexo de refração responsável pelas propriedades de refração do material, e lm(n) representa um componente imaginário do índice complexo de refração (também conhecido como coeficiente de extinção K) responsável pelas propriedades de absorção do material.

[0034] O material de substrato pode ser BK7, diamante, Ge, ZnSe (ou outro material dielétrico transparente óptico), e pode ter uma espessura na faixa de 0,02-2 mm, por exemplo, para assegurar a integridade estrutural do núcleo ICE 245. Um índice de refração do substrato é ns. Materiais de camadas adjacentes do núcleo de ICE 245 são selecionados para terem um primeiro índice de refração ΠH(por exemplo, Si), e um segundo índice de refração ΠL(por exemplo, SÍO2). Aqui, nsi~ 2.4>NSÍ02 « 1,5. Para outros emparelhamentos de material, no entanto, a diferença entre 0 primeiro índice de refração ΠHe segundo índice de refração ΠLpode ser muito menor, por exemplo, NH « 1.6>NL « 1,5. O uso de dois materiais para fabricar as N camadas é escolhido somente para fins ilustrativos. Por exemplo, uma pluralidade de materiais com diferentes índices de refração, respectivamente, pode ser usada.

[0035] Um conjunto de parâmetros de design do núcleo ICE 245'- que inclui 0número total de camadas empilhadas N; índices de refração ΠH, ΠLde camadas empilhadas adjacentes e o índice de refração ns do substrato; e as espessuras de N camadas empilhadas ti, t2,..., ÍN - do núcleo ICE 145 corresponde a um espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245. O conjunto de parâmetros de projeto núcleo de ICE 245' é escolhido de tal forma que o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245 é espectralmente equivalente, ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax], com um espectro óptico w(À) 250 associado com uma característica de uma amostra a ser medida. Contribuições do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245 que são de comprimentos de onda fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] são retirados da luz processada por uma ou mais filtros de limitação de banda 247, 247' monoliticamente acoplados ao núcleo de ICE 245, para reduzir o ruído análise potencialmente causado por tais contribuições "fora-de-banda", que podem não ser espectralmente equivalentes ao espectro óptico w(À) 250 associado com a característica a ser medida.

[0036] Em algumas implementações, o filtro de limitação da banda 247 é integralmente formado sobre uma superfície do substrato do núcleo de ICE 245 opondo a uma superfície do substrato sobre o qual são empilhadas as camadas N. Além disso, o filtro de limitação da banda 247' está integralmente formado sobre uma superfície distai maior das camadas empilhadas em relação ao substrato. No exemplo ilustrado a Figura 2A, o filtro de limitação da banda 247' é colocado sobre a última camada LN da pilha de camadas do núcleo de ICE 245. Em outras implementações, a pilha de camadas Li, L2, ..., LN do núcleo ICE 245 pode ser formado sobre um substrato que inclui (é pré-formada com a) um filtro de passagem de banda 247, por exemplo. Em qualquer uma destas implementações, os filtros de limitação de banda 247, 247' podem ser formados a partir de um ou mais materiais constitutivos. Por exemplo, os materiais constitutivos dos filtros de limitação de banda 247, 247' podem ser misturados numa matriz. Neste caso, um índice eficaz de refração ΠF(ou ΠF')associado com 0 filtro de limitação de banda 247 (ou 247') é uma média ponderada dos índices de refração individuais dos materiaisconstitutivos. Como outro exemplo, os materiais constitutivos dos filtros de limitação de banda 247,247' podem ser formados como uma pilha de camadas, por exemplo, como filtros de interferência. Neste caso, o índice eficaz de refração ΠF (OU ΠF') associado com o filtro de limitação de banda 247 (ou 247') é uma função particular de índices de refração individuais dos materiais de camada constitutivas tal como descrito na literatura, por exemplo, para filtros de ADI.

[0037] A Figura 2B mostra uma implementação do ICE limitado da banda monolítica 240b, que inclui (i) o núcleo de ICE 245 e as camadas dielétricas empilhadas sobre uma primeira superfície do substrato e (ii) um filtro passagem de banda 247b integralmente formada numa segunda superfície do substrato oposta à primeira superfície. Numa implementação alternativa, não mostrada na Figura 2B, um filtro da passagem de banda 247b' é integralmente formado na última camada LN das camadas dielétricas empilhadas do núcleo ICE 245.

[0038] Um envelope da passagem de banda SPB(À) do filtro da passagem de banda 247b (representado no gráfico da Figura 2B, como uma curva tracejada) é sobreposto sobre o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245. Uma passagem de banda AÀPB = Àmax - Àmin do filtro de passagem de banda 247b é escolhida para coincidir com uma parte (representada como uma curva de sólido) do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245 que é equivalente à espectralmente espectro óptico w(À) 250 associado com a característica a ser medida. Desta maneira, as porções (representadas como curvas ponteadas), fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245 estão bloqueados pelo filtro de passagem de banda 247b integralmente formado.

[0039] Em alguns casos, quando o filtro de passagem de banda 247b é integralmente formado sobre o substrato tal como mostrado na Figura 2B, um material constituinte do filtro de passagem de banda 247b é escolhido de tal modo que cada uma da (i) incompatibilidade entre o índice de refração |ns - ΠBPF|para a luz processada 155 através da interface óptica entre o substrato e o filtro de passagem de banda 247b e (ii) um índice de refração de incompatibilidade |ΠBPF -no| para a luz processada 155 através de uma interface óptica de saida 247b entre o filtro de passagem de banda e o meio de saída a jusante do ICE limitado por banda monolítica 240b é menor do que o índice de refração de incompatibilidade |ns - no| para a luz processada 155, se a interface de saída óptica foram entre o substrato e o meio de saída. Em casos alternativos, quando um filtro de passagem de banda 247b' está integralmente formado na última camada LN das camadas dielétricas empilhadas de núcleo do ICE 245 (não mostrado na Figura 2B), material constituinte do filtro de passagem de banda 247b' é escolhido tal que cada uma das (i) incompatibilidades do índice de refração |n I-ΠBPF| para a amostra modificada 135 de luz através de uma interface de entrada óptica entre o filtro de passagem de banda 247b' e o meio de entrada montante do ICE limitado da banda monolítica 240b e (ii) uma incompatibilidade de índice de refração |n BPF- ΠLN| para a luz filtrada através de uma interface óptica entre o filtro de passagem de banda 247b' e a última camada L Nde 245 de núcleo do ICE é menor do que a incompatibilidade do índice de refração |n I-ΠLN| para o exemplo da luz modificada 135 se a interface de entrada óptica estiver entre o meio de entrada e a última camada L N de núcleo do ICE 245.

[0040] A Figura 2C mostra uma implementação do ICE limitado por banda monolítica 240c, que inclui (i) o núcleo de ICE 245 e as camadas dielétricas empilhadas sobre uma primeira superfície de substrato, (ii) um filtro de passagem longa 247c integralmente formado numa segunda superfície do substrato oposta à primeira superfície, e (iii) um filtro de passagem curta 247c "integralmente formado na última camada LN das camadas dielétricas empilhadas do núcleo de ICE 245. Numa implementação alternativa, não mostrada na Figura 2C, ao filtro integralmente formado 247c é um filtro de passagem curta e o filtro integralmente formado 247c' é um filtro de passagem longa.

[0041] Um envelope de passagem longa SLP(À) do filtro de passagem longa 247c e um envelope de passagem curta SSP(À) do filtro de passagem curta 247c (cada um representado no gráfico da Figura 2C como uma curva tracejada) estão sobrepostas no espectro óptico w' (À) associado com o núcleo de ICE 245. Um comprimento de corte de passagem longa ÀLPC do filtro de passagem longa 247c éescolhido para coincidir com Àmin, ÀLPC 88 Àmin, de tal modo que o filtro de passagem longa 247c bloqueia a luz com comprimentos de onda mais curtos do que Àmin e um comprimento de corte de passagem curta ÀSPC do filtro de passagem curta 247c' é escolhido para coincidir com Àmax, ÀSPC « Àmax, ee modo que o filtro de passagem curta 247c' bloqueia a luz com comprimentos de onda mais longo do que Àmax. Desta maneira, a combinação do filtro de passagem longa formado integralmente 247c e filtro de passagem curta 247c' geram uma banda de passagem entre Àmin e Àmax que coincide com uma parte (representada como uma curva sólida) do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245 que é equivalente espectralmente ao espectro óptico w(À) 250 associado com a característica a ser medida. Desta maneira, as porções (representadas como curvas ponteadas), fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 245 estão bloqueados pela combinação do filtro de passagem longa formado integralmente 247c e filtro de passagem curta 247c'.

[0042] Em alguns casos, quando o filtro de passagem longa 247c está integralmente formado sobre o substrato e o filtro de passagem curta 247c' está integralmente formado na última camada LN das camadas dielétricas empilhadas do núcleo do ICE 245 como mostrado na Figura 2C, é escolhido um material constituinte do filtro de passagem longa 247c tal que cada uma das (i) incompatibilidades do índice de refração |n S-ΠLPF|para a luz processada 155 através da interface óptica entre o substrato e o filtro de passagem longa 247c e (ii) uma incompatibilidade de índice de refração |n LPF— no| para a luz processada 155, através de uma interface de saída óptica, entre o filtro de passagem longa 247c e a saída média a jusante do ICE limitado da banda monolítica 240c é menor do que a incompatibilidade do índice de refração |n s-no| para a luz processada 155 se a interface de saída óptica estiverem entre o substrato e o meio de saída. Nestes casos, um material constituinte do filtro de passagem de banda 247c' é escolhido tal que cada uma das (i) incompatibilidades do índice de refração |ni - ΠSPF|para a amostra modificada 135 de luz através de uma interface de entrada óptica entre o filtro de passagem de banda 247c' e o meio de entrada montante do ICE limitadoda banda monolítica 240b e (ii) uma incompatibilidade de índice de refração |ΠSPF- ni_N| para a luz filtrada através de uma interface óptica entre o filtro de passagem de banda 247c' e a última camada LN de 245 de núcleo do ICE é menor do que a incompatibilidade do índice de refração |ni - ΠLN|para o exemplo da luz modificada 135 se a interface de entrada óptica estiverem entre o meio de entrada e a última camada LN do núcleo do ICE 245.

[0043] Em casos alternativos, quando o filtro de passagem curta 247c' está integralmente formado sobre o substrato e o filtro de passagem longa 247c está integralmente formado na última camada LN das camadas dielétricas empilhadas de núcleo do ICE 245 (não mostrado na Figura 2B), uma matéria constitutiva do filtro de passagem curta 247c' é escolhido tal que cada uma das (i) incompatibilidades do índice de refração |n S-ΠSPF|para a luz processada 155 através da interface óptica entre o substrato e o filtro de passagem curta 247c e (ii) uma incompatibilidade de índice de refração |n SPF- no| para a luz processada 155 através de uma interface de saída óptica entre o filtro de passagem curta 247c' e o meio de saída a jusante do ICE limitado da banda monolítica 240c é menor do que a incompatibilidade do índice de refração |n s-no| para a luz processada 155 se a interface de saída óptica estiverem entre o substrato e o meio de saída. Nestes casos, um material constituinte do filtro de passagem longa 247c é escolhido de tal modo que cada uma das (i) incompatibilidades entre o índice de refração |Ni - ΠLPF| para a amostra de luz modificada 135 entre uma interface óptica de entrada entre o filtro de passagem longa 247c e o meio de entrada a montante do ICE limitado por banda monolítica 240c e (ii) um índice de refração de incompatibilidade |NLPF - ni_N| para a luz filtrada através de uma interface óptica entre o filtro de passagem longa 247c e a última camada LN do núcleo de ICE 245 é menor do que o índice de incompatibilidade |Ni - ΠLN|para a amostra da luz modificada 135, se a interface óptica de entrada estiver entre o meio de entrada e a última camada LN do núcleo ICE 245.

[0044] Figura 3 mostra um exemplo de um ICE limitado por banda monolítica 340 com um núcleo de ICE 345 que inclui uma superfície seletiva de frequência. Aqui,o ICE limitado por banda monolítica 340 inclui ainda um filtro passa-banda 347 que é acoplado de forma monolítica para o núcleo de ICE 345. O ICE limitado por banda monolítica 340 representa outra modalidade do ICE limitado por banda monolítica 140 da ferramenta de análise óptica 110, descrita acima, em ligação com a Figura 1.

[0045] Neste exemplo, o núcleo de ICE 345 inclui uma camada do material condutor (hash cheio na Figura 3) modelado como estruturas periódicas lateralmente deslocadas durante um substrato dielétrico, de tal modo que a camada padronizada forma uma superfície de frequência seletiva (FSS). Um conjunto de parâmetros design de núcleo ICE 345' do núcleo ICE 345 - que aqui inclui uma ou mais das dimensões de características laterais do padrão FSS, materiais e espessuras do substrato e camada padronizada, e um ou mais arranjos das características laterais do padrão de FSS, por exemplo, triangular, retangular, hexagonal ou circular - corresponde a um espectro óptico w'(À) associada com o núcleo de ICE 345.

[0046] Por exemplo, o material de substrato pode ser de diamante, Ge, ZnSe (ou outro material dielétrico transparente ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin, Àmax]), e pode ter uma espessura no intervalo de 0.02-2mm, por exemplo, para garantir a integridade estrutural do núcleo de ICE 345. Materiais da camada condutora refletem a amostra modificada de luz 135. A espessura da camada condutora tem tipicamente, pelo menos, três profundidades da pele. A profundidade da pele depende dos materiais (Al, Au, Ag, etc.) da camada condutora e do comprimento de onda da amostra da luz modificada 135. Desta forma, a espessura da camada condutora para o núcleo de ICE 345 pode estar no intervalo de 0,05 a 2pm, por exemplo. As propriedades ópticas (refletividade, transmissividade, absortividade, dependência de polarização, dependência angular, etc.) da FSS do núcleo de ICE 345 são principalmente dependentes da forma física e dimensões da matriz periódica de manchas condutoras (ou matriz de aberturas na camada condutora) e o índice de refração ns do substrato em que a camada condutora é modelada. O padrão da camada condutora que compõem o FSS pode ser bastante complicado, muitas vezes borram a distinção entre matrizes de adesivoscondutores "puros" e matrizes de aberturas "puras" na camada condutora. Na vista (x, y) do exemplo FSS mostrado na Figura 3, os furos ou aberturas foram formados em placas condutoras periódicas, e ilhas condutoras isoladas ou manchas foram dispostas em matrizes periódicas dos furos formados na camada condutora.

[0047] O conjunto de parâmetros de projeto núcleo de ICE 345' é escolhido de tal forma que o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 345 é espectralmente equivalente, ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin,Àmax], com um espectro óptico w(À) 350 associado com uma característica de uma amostra a ser medida. Contribuições do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 345 que são de comprimentos de onda fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] são retirados da luz processada pelo filtro de passagem de banda 347, monoliticamente acoplados ao núcleo de ICE 345, para reduzir o ruído análise potencialmente causado por tais contribuições "fora-de- banda", que podem não ser espectralmente equivalentes ao espectro óptico w(À) 350 associado com a característica a ser medida.

[0048] Em algumas implementações, o filtro de passagem de banda 347 é integralmente formado sobre uma superfície do substrato do núcleo de ICE 345 opondo a uma superfície do substrato sobre o qual a camada condutora é modelada para gerar o FSS. Em outras implementações, a camada condutora do núcleo de ICE 345 pode ser modelada para gerar o FSS sobre um substrato que inclui (é pré- formado com) o filtro de passagem de banda 347, por exemplo. Em qualquer uma destas implementações, o filtro de passagem de banda 347 pode ser formado a partir de um ou mais materiais constitutivos. Por exemplo, os materiais constitutivos do filtro de passagem de banda 347 podem ser misturados numa matriz. Nesse caso, um índice de refração efetiva ΠBPFassociado com o filtro de limitação da banda 347 é uma média ponderada dos índices de refração individuais dos materiais constitutivos. Como outro exemplo, os materiais constitutivos do filtro de passagem da banda 347 podem ser formados como uma pilha de camadas, por exemplo, como um filtro de interferência. Neste caso, o índice eficaz de refração ΠBPFassociado com o filtro de limitação de banda de 347' é uma função particularde índices de refração individuais dos materiais de camada constitutivos como descrito na literatura, por exemplo, para filtros de ADI.

[0049] Um envelope da passagem de banda SPB(À) do filtro da passagem de banda 347 (representado no gráfico da Figura 3, como uma curva tracejada) é sobreposto sobre o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 345. Uma passagem de banda AÀPB = Àmax - Àmin do filtro de passagem de banda 347 é escolhida para coincidir com uma parte (representada como uma curva de sólido) do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 345 que é equivalente à espectralmente espectro óptico w(À) 350 associado com a característica a ser medida. Desta maneira, as porções (representadas como curvas ponteadas), fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 345 estão bloqueados pelo filtro de passagem de banda 347 integralmente formado.

[0050] Em alguns casos, um material constituinte do filtro de passagem de banda 347 é escolhido de tal modo que cada uma da (i) incompatibilidade entre o índice de refração |ns - ΠBPF|para a luz processada 155 através da interface óptica entre o substrato e o filtro de passagem de banda 347 e (ii) um índice de refração de incompatibilidade |ΠBPF- no| para a luz processada 155 através de uma interface óptica de saída 347 entre o filtro de passagem de banda e o meio de saída a jusante do ICE limitado por banda monolítica 340 é menor do que o índice de refração de incompatibilidade |ns - no| para a luz processada 155, se a interface de saída óptica foram entre o substrato e o meio de saída.

[0051] A Figura 4 mostra um exemplo de um ICE limitado por banda monolítica 440 com um núcleo de ICE 445 que incluem filtros espectrais lateralmente-distribuídos. Aqui, o ICE limitado por banda monolítica 440 inclui ainda um filtro passa-banda 447' que é acoplado de forma monolítica para o núcleo de ICE 445. O ICE limitado por banda monolítica 440 representa ainda outra modalidade do ICE limitado por banda monolítica 140 da ferramenta de análise óptica 110, descrita acima, em ligação com a Figura 1.

[0052] Neste exemplo, o núcleo de ICE 445 inclui N filtros espectrais que sãosuportados por um substrato e distribuídos lateralmente (por exemplo, numa secção transversal AA' do plano x-y) em relação a uma interface de entrada óptica do núcleo de ICE 445. Um conjunto de parâmetros de design de núcleo ICE 445' do núcleo ICE 445 - que aqui inclui o número total N de filtros espectrais e as suas áreas relativas - corresponde a um espectro óptico w'(À) associada com o núcleo de ICE 445.

[0053] O substrato pode ser formado a partir de um material que tem índice de refração ns. O material de substrato não é transparente para os comprimentos de onda dentro do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] para uma configuração transmissiva do núcleo de ICE 445 (como mostrado na Figura 4.) Alternativamente, o material de substrato é não refletor para os comprimentos de onda dentro do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] para uma configuração reflexiva do núcleo de ICE 445 (não mostrado na Figura 4.) Vários materiais fotossensíveis podem ser usados como substratos, por exemplo, película de cor para medições na gama espectral de visível UV, ou película de sensível IR para as medições no intervalo do espectro IR. Em algumas implementações, os filtros espectrais podem ser distribuídos sobre uma superfície do substrato. Aqui, o substrato inclui a paredei, mas não a paredβ2, de modo que os filtros espectrais são expostos ao ambiente de o núcleo de ICE 445. Em outras implementações, os filtros espectrais podem ser distribuídos dentro da massa do substrato. Aqui, o substrato inclui tanto a paredei e paredβ2, de tal modo que os filtros espectrais estão contidos no interior do substrato sem ser exposto ao ambiente do núcleo de ICE 445. Em ambos os casos, as áreas relativas (por exemplo, em corte transversal AA' do plano x-y) dos filtros espectrais são escolhidos para passar ou bloquear (por exemplo, refletir ou absorver) frações predeterminadas seletivamente (por exemplo, correspondente à superfície lateral relativa de cada filtro) de luz de diferentes comprimentos de onda. Além disso, os filtros espectrais podem ter várias dimensões laterais e/ou formatos (por exemplo, índices de aspecto). Por exemplo, os filtros espectrais podem ser moldados como retângulos (de comprimento "I" e largura "d" no plano x-y), ânulos (como um donut), segmentos de anel (como porções de um donut), setorescirculares (como uma fatia de torta) e semelhantes. Um limite inferior para as dimensões laterais dos filtros espectrais pode estar na faixa de 2 a 20pm, dependendo da resolução de (i) um sistema de manufaturação utilizado para gerar os filtros espectrais, e/ou (ii) o material substrato.

[0054] O conjunto de parâmetros de projeto núcleo de ICE 445' é escolhido de tal forma que o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 445 é espectralmente equivalente, ao longo do intervalo de comprimentos de onda [Àmin,Àmax], com um espectro óptico w(À) 450 associado com uma característica de uma amostra a ser medida. Contribuições do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 445 que são de comprimentos de onda fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] são retirados da amostra da luz modificada 135 pelo filtro de passagem de banda 447, monoliticamente acoplados ao núcleo de ICE 445, para reduzir o ruído análise potencialmente causado portais contribuições "fora-de-banda", que podem não ser espectralmente equivalentes ao espectro óptico w(À) 450 associado com a característica a ser medida.

[0055] Em algumas implementações, o filtro de passagem da banda 447' é integralmente formado sobre uma superfície do substrato do núcleo de ICE 445 que suporta/protege os filtros espectrais do ambiente do núcleo de ICE 445. Em outras implementações, os filtros espectrais do núcleo de ICE 445 podem ser suportados/protegidos por um substrato que inclui (é pré-formada com) o filtro de passagem de banda 447', por exemplo. Em qualquer uma destas implementações, o filtro de passagem de banda 447' pode ser formado a partir de um ou mais materiais constitutivos. Por exemplo, os materiais constitutivos do filtro de passagem de banda 447' podem ser misturados numa matriz. Nesse caso, um índice de refração efetiva ΠBPFassociado com o filtro de limitação da banda 447' é uma média ponderada dos índices de refração individuais dos materiais constitutivos. Como outro exemplo, os materiais constitutivos do filtro de passagem da banda 447' podem ser formados como uma pilha de camadas, por exemplo, como um filtro de interferência. Neste caso, o índice eficaz de refração ΠBPF associado com o filtro de limitação de banda 447' é uma função particular de índicesde refração individuais dos materiais de camada constitutivos tal como descrito na literatura, por exemplo, para filtros de ADI.

[0056] Um envelope da passagem de banda SPB(À) do filtro da passagem de banda 447' (representado no gráfico da Figura 4, como uma curva tracejada) é sobreposto sobre o espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 445. Uma passagem de banda AÀPB = Àmax _ Àmin do filtro de passagem de banda 447' é escolhida para coincidir com uma parte (representada como uma curva de sólido) do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 445 que é equivalente à espectralmente espectro óptico w(À) 450 associado com a característica a ser medida. Desta maneira, as porções (representadas como curvas ponteadas), fora do intervalo de comprimento de onda [Àmin, Àmax] do espectro óptico w'(À) associado com o núcleo de ICE 445 estão bloqueados pelo filtro de passagem de banda 447' integralmente formado.

[0057] Em alguns casos, um material constituinte do filtro de passagem de banda 447' é escolhido de tal modo que cada uma da (i) incompatibilidade entre o índice de refração |ni - ΠBPF|para a amostra de luz modificada 135 entre uma interface de entrada óptica entre um meio de entrada (a montante do ICE limitado por banda monolítica 440) e o filtro de passagem da banda 447’ e (ii) um índice de refração de incompatibilidade |NBPF - ns| para a luz filtrada através da interface óptica entre o filtro de passagem de banda 447' e o substrato do núcleo de ICE 445 é menor do que o índice de refração de incompatibilidade |ni - ns| para a luz da amostra modificada 135, se a interface de entrada óptica estiver entre o meio de entrada e o substrato.

[0058] As Figuras 5A-5C mostram várias configurações 500, 500', 500" de um exemplo de um sistema de análise de fluidos do poço 130, de tal modo que as análises são geradas a partir de, pelo menos, algumas medições efetuadas com um instrumento de análise óptica 110, que inclui um ICE limitado por banda monolítica, como o descrito acima em ligação com a Figura 1. Aqui, a ferramenta de análise óptica 110 é referida como uma ferramenta de perfilagem de poço 110, e o sistema divulgado é referido como um sistema de perfilagem de poço.

[0059] Cada uma das configurações 500, 500', 500" do sistema de perfilagem de poço ilustrado nas Figuras 5A-5C inclui uma plataforma 14 acima da superfície terrestre 502 e um furo de poço 38 abaixo da superfície terrestre. O furo de poço 38 se estende a partir da superfície terrestre para dentro da terra 501 e passa geralmente por múltiplas formações geológicas. Em geral, o furo de poço 38 pode conter fluidos de furo de poço 130. Os fluidos de furo de poço 130 podem ser petróleo bruto, lama, água ou outras substâncias e combinações das mesmas. Além disso, os fluidos de furo de poço 130 podem estar em repouso, ou podem fluir na direção da superfície terrestre 502, por exemplo. Adicionalmente, aplicações de superfície da ferramenta de perfilagem de poço 110 podem incluir o monitoramento de água e gás e transporte e processamento de petróleo bruto.

[0060] A Figura 5A mostra uma configuração 500 do sistema de perfilagem de poço que inclui uma coluna de ferramentas 20 anexada a um cabo 16 que pode ser baixado ou elevado no furo de poço 38 por um guincho de perfuração 18. A coluna de ferramentas 20 inclui ferramentas de medição e/ou perfilagem para gerar e registrar informações sobre os fluidos de furo de poço 130 no furo de poço 38. Na configuração 500 do sistema de perfilagem de poço, essa informação pode ser gerada como uma função de uma distância (por exemplo, uma profundidade) em relação à superfície terrestre 502. No exemplo ilustrado na Figura 5A, a coluna de ferramentas 20 inclui a ferramenta de perfilagem de poço 110, uma ou mais ferramenta(s) de perfilagem de poço 22 adicional(is), e um transmissor de telemetria 30. Cada uma das ferramentas de perfilagem de poço 110 e 22 mede uma ou mais características dos fluidos de furo de poço 130. Em algumas implementações, a ferramenta de perfilagem de poço 110 determina valores da uma ou mais características em tempo real e relata esses valores instantaneamente conforme eles ocorrem na corrente em fluxo de fluidos de furo de poço 130, de forma sequencial ou simultânea com outras ferramentas de medição/perfilagem 22 da coluna de ferramentas 20.

[0061] A Figura 5B mostra outra configuração 500' do sistema de perfilagem de poço que inclui uma ferramenta de perfuração 24 anexada a uma coluna deperfuração 16'. A ferramenta de perfuração 24 inclui uma broca de perfuração 26, a ferramenta de perfilagem de poço baseada em ICE 110 configurada como uma ferramenta de medição durante a perfuração (MWD) e/ou de perfilagem durante a perfuração (LWD) e o transmissor de telemetria 30. A lama de perfuração é provida através da coluna de perfuração 16' para ser injetada no furo de poço 38 através das portas da broca de perfuração 26. A lama de perfuração injetada flui para cima no furo de poço 38 para ser retornada acima do nível terrestre 502, onde a lama de perfuração devolvida pode ser refornecida para a coluna de perfuração 16' (não mostrada na Figura 5B). Nesse caso, a ferramenta de perfilagem do poço configurada por MWD/LWD 110 gera e registra informações sobre os fluidos de furo de poço 130 (por exemplo, lama de perfuração, nesse caso) adjacentes à broca de perfuração em funcionamento 26.

[0062] A Figura 5C mostra ainda outra configuração 500" do sistema de perfilagem de poço que inclui uma instalação permanente adjacente ao furo de poço 38. Em algumas implementações, a instalação permanente é um conjunto de colares de revestimento que reforçam o furo de poço 38. Nesse caso, um colar de revestimento 28 dentre o conjunto de colares de revestimento suporta a ferramenta de perfilagem de poço 110 e o transmissor de telemetria 30. Dessa maneira, a ferramenta de perfilagem de poço 110 determina e registra características dos fluidos de furo de poço 130 adjacentes ao local subterrâneo do colar do revestimento 28.

[0063] Em cada uma das configurações acima 500, 500' e 500" do sistema de perfilagem de poço, os valores da uma ou mais características medidas pela ferramenta de perfilagem de poço 110 são providos (por exemplo, como um sinal de detector 165) para o transmissor de telemetria 30.0 último comunica os valores medidos para um receptor de telemetria 40 localizado acima da superfície terrestre 502. O transmissor de telemetria 30 e o receptor de telemetria 40 podem se comunicar através de um canal de telemetria com ou sem fio. Em algumas implementações das configurações do sistema 500, 500' ilustradas nas Figuras 5A e 5B, por exemplo, em aplicações de corda de piano ou de tubulação bobinada, dados de medição gerados pela ferramenta de perfilagem de poço 110 podem serescritos localmente na memória da ferramenta da perfilagem de poço 110.

[0064] Os valores medidos de uma ou mais características dos fluidos de furo de poço 130 recebidos pelo receptor de telemetria 40 podem ser registrados e analisados por um sistema de computador 50 associado com a plataforma 14. Desta forma, os valores medidos pela ferramenta de perfilagem do poço 110 podem ser usados para gerar informação física e química sobre os fluidos de poço 130 no poço 38.

[0065] Características dos fluidos de poço de exploração 130 que podem estar relacionadas ao espectro modificado 135' através dos espectros ópticos associados com o núcleo ICE 145 e a outros ICEs (não mostrados na Figura 1) do ICE 140 limitado por banda monolítica são concentrações de um de entre os asfaltenos, resinas, aromáticos; conteúdo de partículas sólidas; composição de hidrocarbonetos e de conteúdo; composição de gás C1-C6 e conteúdo: CO2, H2S e propriedades PVT correlacionadas incluindo GOR, ponto de bolha, densidade; um fator de formação de petróleo; viscosidade; um componente de gás de uma fase gasosa do petróleo; percentual de corrente total de água, gás, óleo, artigos sólidos, tipos sólidos; impressões digitais de óleo; continuidade de reservatório; tipo de óleo; e elementos aquáticos incluindo a composição iônica e teor, ânions, cátions, salinidade, orgânicos, pH, proporções de mistura, componentes do rastreador, contaminação ou outra propriedade de hidrocarboneto, gás, sólidos ou água.

[0066] Algumas modalidades foram descritas detalhadamente acima e várias modificações são possíveis. Embora este relatório descritivo contenha muitas especificidades, estas não devem ser interpretadas como limitações no escopo do que pode ser reivindicado, mas sim como descrições de recursos que podem ser específicos a modalidades particulares. Certos recursos que são descritos neste relatório descritivo no contexto de modalidades separadas também podem ser implementados em combinação em uma única modalidade. Por outro lado, vários recursos que são descritos no contexto de uma única modalidade também podem ser implementados em múltiplas modalidades separadamente ou em qualquer subcombinação adequada. Além disso, embora recursos possam ser descritosacima como agindo em certas combinações e até mesmo inicialmente reivindicados como tais, um ou mais recursos de uma combinação reivindicada podem, em alguns casos, ser removidos da combinação, e a combinação reivindicada pode ser direcionada a uma subcombinação ou variação de uma subcombinação.

[0067] De forma semelhante, embora operações sejam representadas nas figuras em uma ordem em particular, isso não deve ser entendido como requerendo que tais operações sejam desempenhadas na ordem em particular mostrada ou em ordem sequencial, ou que todas as operações ilustradas sejam desempenhadas para alcançar os resultados desejáveis. Em certas circunstâncias, o processamento de multitarefa e paralelo pode ser vantajoso. Além disso, a separação de vários componentes de sistema nas modalidades descritas acima não deve ser entendida como exigindo tal separação em todas as modalidades.

[0068] Outras modalidades estão dentro do escopo das seguintes reivindicações.

Claims (24)

1. Ferramenta de análise óptica, caracterizada pelo fato de compreender:- um elemento computacional integrado (ICE), compreendendo:- um núcleo de ICE para processar a luz recebida pelo ICE a partir de uma amostra, quando a ferramenta for operada, de modo que a luz processada está relacionada, ao longo de um intervalo de comprimento de onda, com uma característica da amostra, e- um filtro monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE, o filtro para bloquear a luz com comprimentos de onda que são mais curtos do que o intervalo de comprimento de onda ou são mais longos do que o intervalo de comprimento de onda, ou ambos, de modo que o ICE emita a luz processada que passa pelo filtro, quando a ferramenta for operada,sendo que cada uma dentre (i) uma incompatibilidade de índice de refração para a luz processada através de uma interface óptica entre o núcleo de ICE e o filtro e (ii) uma incompatibilidade de índice de refração para a luz processada através de uma interface óptica de saída entre o filtro e um meio de saída a jusante do ICE é menor do que uma incompatibilidade entre o índice de refração para a luz processada se a interface óptica de saída estiver situada entre o núcleo de ICE e o meio de saída.

2. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o filtro ser um filtro de passagem de banda para bloquear a luz nos comprimentos de ondas que são mais curtos ou mais longos do que o intervalo do comprimento de onda, de modo que o ICE emita a luz processada dentro do intervalo do comprimento da onda, quando a ferramenta for operada.

3. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o filtro ser um filtro de passagem longa para bloquear a luz nos comprimentos de onda que são mais curtos do que o intervalo de comprimento de onda, eo ICE compreende ainda um filtro de passagem curta monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE, o filtro de passagem curta sendo para bloquear a luz nos comprimentos de onda que são mais longos do que o comprimento de onda, deforma que o ICE emita a luz processada dentro do intervalo de comprimentos de onda, quando a ferramenta for operada.

4. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de cada uma dentre (i) uma incompatibilidade do índice de refração para a luz recebida através de uma interface óptica de entrada entre o filtro de passagem curta e um meio de entrada a montante do ICE e (ii) uma incompatibilidade do índice de refração para a luz filtrada pela passagem curta através de uma interface óptica entre o núcleo de ICE e o filtro de passagem curta ser menor do que uma incompatibilidade entre o índice de refração para a luz recebida, se a interface óptica de entrada estiver entre o núcleo de ICE e o meio de entrada.

5. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender ainda:- uma fonte de luz posicionada para iluminar a amostra com luz tendo um primeiro espectro ao longo do intervalo de comprimento de onda, sendo que o ICE está posicionado para receber a luz fornecida pela amostra em resposta à iluminação, de modo que a luz recebida da amostra tem um segundo espectro ao longo do intervalo de comprimento de onda, o segundo espectro corresponde ao primeiro espectro modificado pela amostra ; e- um transdutor óptico posicionado para receber a luz processada do ICE e produzir um sinal tendo um valor relacionado a uma intensidade integrada da luz processada através do intervalo de comprimento de onda, sendo que o valor de sinal corresponde a um valor da característica da amostra .

6. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de o transdutor óptico estar afastado do ICE, de tal modo que o meio de saída a jusante do ICE é o ambiente entre o ICE e o transdutor óptico.

7. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de o transdutor óptico ser monoliticamente acoplado ao filtro do ICE, de tal modo que o meio de saída a jusante do ICE é um material constituinte do transdutor óptico.

8. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizadainpelo fato de o ICE estar afastado da amostra, de tal modo que o meio de entrada a jusante do ICE é o ambiente entre a amostra e o ICE.

9. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de o filtro de passagem curta do ICE ser adjacente a amostra, de tal modo que o meio de entrada a montante de ICE é um material constituinte da amostra.

10. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o núcleo ICE compreender:- um substrato tendo uma primeira superfície e uma segunda superfície, sendo que o substrato compreende um material de substrato com um índice de refração do material de substrato, e- uma camada de material modelado na primeira superfície do substrato de tal forma que a luz processada está relacionada, ao longo do intervaloa de comprimento de onda, com a característica da amostra, a camada de material modelado compreendendo uma pluralidade de características idênticas dispostas em um arranjo, e cada característica compreendendo uma ou mais formas geométricas selecionadas a partir do grupo que consiste de triângulos, quadriláteros, hexágonos, e círculos.

11. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de o material constituinte do filtro ser colocado sobre a segunda superfície do substrato.

12. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de o material constituinte do filtro estar incluído dentro do substrato entre a primeira e a segunda superfície do mesmo.

13. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o núcleo do ICE compreender:- um substrato tendo uma primeira superfície e uma segunda superfície, sendo que o substrato compreende um material de substrato com um índice de refração do material do substrato, e- uma pluralidade de filtros espectrais suportados pelo substrato adjacente para a primeira superfície e disposta em posições laterais diferentes com relação a umpercurso de luz recebida da amostra, cada filtro espectral formado para transmitir ou refletir um subconjunto diferente de comprimentos de onda no intervalo de comprimento de onda, e cada filtro espectral tendo uma respectiva área exposta à luz a partir da amostra, as respectivas áreas sendo relacionadas a uma propriedade da amostra.

14. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de o material constituinte do filtro ser colocado sobre a segunda superfície do substrato.

15. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de o material constituinte do filtro estar incluído dentro do substrato entre a primeira e a segunda superfície do mesmo.

16. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o intervalo de comprimento de onda compreender comprimentos de onda em um intervalo de 0,2 pm a 25 pm.

17. Ferramenta de análise óptica, caracterizada pelo fato de compreender:- um elemento computacional integrado (ICE), compreendendo:- um núcleo de ICE para processar a luz recebida pelo ICE a partir de uma amostra, quando a ferramenta for operada, de modo que a luz processada está relacionada, ao longo de um intervalo de comprimento de onda, com uma característica da amostra, e- um filtro de passagem longa monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE, o filtro sendo um filtro de passagem longa para bloquear a luz com comprimentos de onda que são mais curtos do que o intervalo de comprimento de onda, sendo que um valor de um índice de refração efetivo ΠFassociado ao filtro de passagem longa está ligado por um valor de um índice de refração efetivo associado ao núcleo de ICE e um valor de um índice de refração de um meio de saída a jusante do ICE, e - um filtro de passagem curta monoliticamente acoplado ao núcleo de ICE, o filtro de passagem curta para bloquear a luz nos comprimentos de onda que são mais longos do que o intervalo de comprimento de onda, de forma que o ICE emita a luz processada dentro do intervalo de comprimentos de onda, quando a ferramenta foroperada, sendo que um valor de um índice de refração efetivo associado ao filtro de passagem curta está ligado por um valor do índice de refração efetivo associado ao núcleo de ICE e um valor de um índice de refração de um meio de entrada a montante do ICE.

18. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de o intervalo de comprimento de onda compreender comprimentos de onda em um intervalo de 0,2 pm a 2,5 pm.

19. Ferramenta de análise óptica, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de o intervalo de comprimento de onda compreender comprimentos de onda em um intervalo de 2,5 pm a 25 pm.

20. Sistema de perfilagem do poço, caracterizado pelo fato de compreender:- uma ferramenta de análise óptica que compreende:- um elemento computacional integrado (ICE) compreendendo:- um núcleo de ICE para processar a luz recebida pelo ICE a partir da amostra, quando a ferramenta é operada, de modo que a luz processada é relacionada, ao longo de um intervalo de comprimento da onda, a uma característica da amostra, sendo que o núcleo de ICE compreende:- um substrato tendo uma primeira superfície e uma segunda superfície, sendo que o substrato compreende um material de substrato com um índice de refração do material de substrato, e- uma pluralidade de camadas colocadas na primeira superfície do substrato, sendo que as camadas adjacentes da pluralidade de camadas compreendem, respectivamente, os materiais de camada com índices de refração diferentes um do outro, sendo que uma espessura do substrato e espessuras da pluralidade de camadas são de tal modo que a luz processada está relacionada, ao longo do intervalo de comprimento de onda, com a característica da amostra, e- um filtro acoplado monoliticamente ao núcleo de ICE, o filtro para bloquear a luz em comprimentos de ondas que são mais curtos do que o intervalo do comprimento de onda ou mais longos do que o intervalo do comprimento de onda, ou ambos, de forma que o ICE emita a luz processada que é passada pelo filtro, quando aferramenta é operada, sendo que o material constituinte do filtro é colocado sobre a segunda superfície do substrato,sendo que cada uma dentre (i) uma incompatibilidade de índice de refração para a luz processada através de uma interface óptica entre o substrato e o material constituinte do filtro e (ii) uma incompatibilidade de índice de refração para a luz processada através de uma interface óptica de saída entre o material constituinte do filtro e um meio de saída a jusante do ICE é menor do que uma incompatibilidade do índice de refração para a luz processada se a interface óptica de saída estiver entre o núcleo de ICE e o meio de saída; esendo que a amostra compreende fluidos do poço e a característica da amostra é uma característica dos fluidos do poço.

21. Sistema de perfilagem do poço, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de o material constituinte do filtro estar incluído dentro do substrato entre a primeira e a segunda superfície do mesmo.

22. Sistema de perfilagem do poço, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de o filtro ser um filtro de passagem longa para bloquear a luz nos comprimentos de onda que são mais curtos do que o intervalo de comprimento de onda, e- o ICE compreende ainda um filtro de passagem curta para bloquear a luz nos comprimentos de onda que são mais longos do que o comprimento de onda, de forma que o ICE emita a luz processada dentro do intervalo de comprimentos de onda, quando a ferramenta for operada, e- o material constituinte do filtro de passagem curta é empilhado sobre uma superfície mais distai das camadas empilhadas em relação ao substrato.

23. Sistema de perfilagem do poço, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de cada uma dentre (i) uma incompatibilidade do índice de refração para a luz recebida através de uma interface óptica de entrada entre o filtro de passagem curta e um meio de entrada a montante do ICE e (ii) uma incompatibilidade do índice de refração para a luz filtrada pela passagem curta através de uma interface óptica entre uma camada mais distal do núcleo de ICE emrelação ao substrato e o filtro de passagem curta é menor do que uma incompatibilidade do índice de refração para a luz recebida se a interface óptica de entrada estiver entre a camada mais distal do núcleo de ICE e o meio de entrada.

24. Sistema de perfilagem do poço, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de a característica da amostra ser selecionada a partir do grupo consistindo em uma concentração de uma substância na amostra, um pH da amostra, uma razão de concentrações de duas substâncias diferentes na amostra, uma fase da amostra, uma densidade da amostra e uma viscosidade da amostra.

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