BRPI0403240B1 - transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo e método para dita medida - Google Patents

Abstract

"transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo e método para dita medida". é descrito um transdutor óptico (100, 200) para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo em configuração monoponto ou multiponto, dito transdutor compreendendo um corpo (10a/10b), predominantemente cilíndrico, incluindo uma membrana elástica (50) para fixar pelo menos uma rede de bragg (60a/60b), e pelo menos mais uma rede de bragg (60b/60a) impressa sobre a mesma fibra óptica (30), e onde dito corpo (10a/10b) é vazado ao longo do eixo principal; dotado de dois planos de simetria para facilitar a instalação e conexão em série com outros transdutores (100,200) do mesmo tipo ou outros transdutores e sensores a fibra óptica; e dotado de acesso central e respectiva vedação (70), para permitir processo de fixação de pelo menos uma rede de bragg (60a/60b) à membrana (50); e dotado de meios de vedação contra a pressão externa. no transdutor (100, 200) a membrana elástica (50) transmite a deformação proporcional às condições de pressão e temperatura às quais está submetido o dito transdutor a pelo menos uma rede de bragg (60a/60b), a parcela de luz não refletida pelas redes de bragg (60a,60b) seguindo pelo restante da fibra óptica (30). a invenção contempla ainda o método para medir simultaneamente a pressão e temperatura em poços de petróleo em configuração monoponto ou multiponto usando o transdutor descrito.

Description

TRANSDUTOR ÓPTICO PARA MEDIDA SIMULTÂNEA DE PRESSÃO E

TEMPERATURA EM POÇOS DE PETRÓLEO E MÉTODO PARA DITA MEDIDA

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção diz respeito a um transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo, mais especificamente, a um transdutor óptico que utiliza, para essa medida, pelo menos duas redes de Bragg em uma mesma fibra óptica, sendo pelo menos uma dessas redes fixada em uma membrana elástica. A invenção diz ainda respeito ao método para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo utilizando o transdutor descrito.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Dentre as tecnologias de sensores disponíveis no mercado para a monitoração da pressão, temperatura e outras grandezas em ambiente de poços de petróleo, podem-se citar o Permanent Downhole Gage (PDG's) com tecnologia de cristal de quartzo e Strain Gage cujas características são: utilizam eletrônica embarcada, ou seja, são sensores ativos; baixa confiabilidade devido à eletrônica embarcada, e “drift” na leitura maior que 3 psi/ano, sofrem interferência eletromagnética; não possibilitam instalação distribuída (multiponto) e custo elevado. Em aplicações que superem essas especificações, a tecnologia óptica é a mais indicada para solucionar tais problemas.

Devido ao alto custo de intervenção e parada de produção de poços, é necessário que o sistema instalado no poço tenha uma alta confiabilidade (no mínimo, vinte anos). Com a utilização da tecnologia de sensores ópticos é possível alcançar esse requisito.

As fibras ópticas possuem algumas características, tais como: suportam altas temperaturas (sílica até 1000°C), apresentam altas taxas de transmissão e baixas perdas em grandes distâncias (atenuação do sinal transmitido/recebido), bem como isolamento elétrico e imunidade eletromagnética.

Por isso, afirma-se que os sensores ópticos têm uma série de vantagens em relação aos sensores disponíveis no mercado, tais como: baixa histerese, repetibilidade, reprodutibilidade, resistência mecânica, vida útil de vinte anos (alta confiabilidade), tecnologia passiva, ou seja, não necessidade da eletrônica para operação, facilidade de implementação em grandes distâncias (maiores que 20Km) sem necessidade de repetidor de sistemas de automação (têm telemetria simples a grandes distâncias), são imunes a ruído EMI/RFI, têm pequenas dimensões, operam em temperaturas elevadas e são naturalmente à prova de explosão (feixe do laser de baixa intensidade aproximadamente menor que 100mW).

Dentre as tecnologias de sensores ópticos disponíveis no mercado, a tecnologia Fiber Bragg Gratings (FBG), ou Redes de Bragg, de domínio público, é interessante por ser uma tecnologia com maior possibilidade de agregar uma grande variedade de transdutores (pressão, temperatura, pH, posição, vazão, etc) numa mesma fibra.

As redes de Bragg são bastante adequadas para uso como elementos sensores. Quando uma rede de Bragg recebe um feixe de luz (laser) de banda larga (C1 +C2), ela reflete uma banda de luz estreita em um certo comprimento de onda. No entanto, os mensurandos (grandezas físicas), como a variação da deformação induzida pela variação da pressão ou a variação da temperatura externa, produzem uma mudança no índice de refração (temperatura) e no espaçamento geométrico da rede, o que modifica os comprimentos de onda da luz que as redes refletem. O valor (magnitude) dos mensurandos está diretamente relacionado com os comprimentos de onda refletidos pela rede de Bragg e pode ser determinado detectando a variação dos comprimentos de onda da luz refletida. Os sensores a fibra óptica são sensores ópticos que utilizam fibras como meio de conexão para a luz entre os mensurandos (temperatura/pressão) e a região de leitura.

Assim, o princípio de medição de pressão e temperatura utilizando sensores com tecnologia de fibras ópticas consiste em injetar a luz por meio de uma fonte laser de banda larga pela fibra óptica até a rede e na saída avaliar as principais características (método FBG) do retorno luz: comprimento de onda e intensidade que foram alteradas pelo meio.

Dentre as tecnologias utilizadas para medição, as redes de Bragg (FBG) é a de maior potencial para utilização em sistemas multifuncionais e quase distribuídos de sensores para aplicações de monitoração permanente de poços e reservatórios. O conceito que forma a base do FBG é que ao se construir/projetar uma rede localizada em uma determinada região da fibra, tipicamente de 1 a 10 mm de comprimento, segundo um comprimento de onda pré-definido, um determinado comprimento de onda da luz incidente é afetado (filtro FBG). O resultado das perturbações do meio provoca uma variação no valor absoluto do comprimento de onda que possui uma relação direta com as grandezas físicas que originaram essa variação.

Os sensores ópticos representam uma quebra do paradigma dos sistemas convencionais, como os sensores a quartzo (PDG) em uso hoje foram em relação aos primeiros sensores a strain-gauge no processo de evolução destes sistemas. A característica principal do sensor óptico é o fato de ser totalmente passivo, ou seja, não necessita eletrônica embarcada para a transdução da grandeza medida, necessitando apenas de um elemento mecânico acoplado ao elemento FBG que é a própria fibra. Toda a eletrônica e fonte óptica ficam na superfície, sendo facilmente substituídas em caso de falhas ou atualizadas sem necessitar de intervenções nos poços. O aumento da confiabilidade dos sensores instalados nos poços representa, além do óbvio benefício econômico, a possibilidade da viabilização de outras tecnologias, a saber, completação inteligente, monitoração de reservatórios (poços “HtXHp” - Alta pressão e Alta temperatura ) e elevação artificial.

Os sensores ópticos podem ser divididos entre extrínsecos e intrínsecos; na primeira categoria estão aqueles em que a fibra serve simplesmente para guiar a luz e o efeito óptico a ser medido ocorre fora da fibra. No segundo caso a fibra serve também como meio onde ocorre o acoplamento entre o mensurando e a luz, o que os torna mais interessantes do ponto de vista mecânico.

Os sensores também podem ser divididos quanto ao tipo de efeito óptico a ser medido, podendo ser uma alteração na intensidade, na polarização, no espectro ou na fase da onda luminosa.

As principais características dos sensores de tecnologia óptica são: Interfero métricos: são constituídos por sistemas mecânicos (microóptica) sendo susceptíveis a vibrações mecânicas de alta intensidade, não possibilitam a instalação multiponto, não suprotam altas vibrações, possuem baixa confiabilidade e alto custo; - FBG's monoponto: Não possibilitam a instalação multiponto, dificultando a instalação em poços de petróleo devido ao número de penetrações necessárias, não possuem limitação em altas temperaturas (acima de até 150°C). - A tecnologia FBG multiponto possui, além dessas características, a possibilidade de localizar múltiplos tipos de sensores em pontos específicos conectados em uma mesma fibra (multiponto), além de custo mais baixo em relação aos sensores de tecnologia convencional. A literatura recente de patentes apresenta alguns documentos relevantes sobre a tecnologia FBG multiponto. GOlL 3PO

Assim, a patente US 6.016.702 ensina um sensor de pressão com compensação de temperatura para um ponto onde uma fibra óptica é fixada a um fole compressível em uma locação ao longo da fibra e a uma estrutura rígida em uma segunda locação ao longo da fibra, com uma rede de Bragg impressa na fibra entre essas duas locações de fixação da fibra e com a rede estando sob tensão. À medida que o fole é comprimido devido a uma variação na pressão externa, a tensão na rede de fibra é reduzida, o que varia o comprimento de onda da luz refletida pela rede. No entanto, a compensação para temperatura deve ser feita isolando a rede para temperatura em uma câmara isolada de pressão, o que adiciona custos ao equipamento. O sensor proposto pode ser usado em monoponto ou em multiponto, em série ao longo de uma única fibra óptica. Na montagem dos sensores em série, a fibra óptica passa através de uma passagem na extremidade de uma estrutura em fole para interconexão ao próximo sensor de pressão. Os vários sinais de pressão e temperatura dos diferentes sensores podem ser diferenciados uns dos outros usando técnicas de WDM (Wavelength Division Multiplexing). Assim, cada rede de Bragg opera a um comprimento de onda central λ no interior de uma amplitude de onda ω que não se sobrepõe à amplitude dos outros sensores a rede de Bragg. Portanto, os sinais de temperatura e pressão de cada um dos sensores em série podem ser facilmente diferenciados uns dos outros com base no comprimento de onda recebido.

Também técnicas de TDM (Time Division Multiplexing) podem ser usadas para diferenciar entre sinais de diferentes sensores a rede de Bragg. No entanto, o sensor dessa patente norte-americana não descreve nem sugere o transdutor proposto na invenção, utilizando duas redes de Bragg em uma mesma fibra óptica e pelo menos uma das redes fixada em uma membrana elástica. A tecnologia de sensor de pressão a rede de Bragg ensinada na patente QO&J&<p\00 , , US 6.278.811 compreende um dispositivo detector de pressão que pode ser deformado de modo elástico em função da pressão aplicada; e uma fibra óptica sendo enrolada pelo menos uma vez em torno do dispositivo e tendo pelo menos parte de seu comprimento fusionado ao dispositivo de modo que a deformação elástica do dispositivo confere uma deformação axial ao longo de um eixo longitudinal da fibra devido à pressão aplicada. O dispositivo tem geometria cilíndrica e pode ser sólido ou ter um orifício axial formado no mesmo. A fibra contém pelo menos uma rede disposta sobre a mesma. A rede tem um comprimento de onda característico que varia à medida que a pressão aplicada muda. O dispositivo compreende sílica ou quartzo. A tecnologia descrita pode ser usada como um sensor único ou como uma multiplicidade de sensores distribuídos, ou multiponto. \ A patente US 6.519.388 ensina uma configuração de rede de Bragg que permite que a rede seja usada em compressão sem requerer pinos ópticos ou uma estrutura de apoio mecânica e/ou que é adequada para reduzir o acoplamento núcleo/revestimento (“core to cladding coupling”). De acordo com a tecnologia ensinada nesta patente norte-americana, uma fibra óptica a rede de Bragg inserida em um tubo (“tube-encased") compreende uma fibra óptica tendo pelo menos uma rede de Bragg inserida na mesma, e um tubo, tendo a fibra óptica e a rede de Bragg inseridas no mesmo ao longo de um eixo longitudinal do tubo, o tubo sendo fusionado a pelo menos uma parte da fibra em uma locação onde pelo menos uma parte da rede de Bragg está locada. O tubo é feito de vidro e fusionado à fibra óptica em lados axiais opostos da rede de Bragg. O fato de estar inserida no tubo permite que a fibra seja comprimida sem causar empenamento da mesma. O pedido norte-americano publicado US 2002/0194917 A1 refere-se a um sensor de pressão a rede de Bragg que compreende um elemento óptico sensor que inclui uma fibra óptica contendo uma rede de Bragg impressa na mesma, a fibra estando inserida em e fusionada a pelo menos uma parte de um tubo capilar de vidro. Uma rede de Bragg para temperatura pode ser usada para medir a temperatura e permitir medida de pressão com temperatura corrigida. O sensor pode ser suspenso no interior de um revestimento externo por um fluido, espaçadores ou outro dispositivo. A patente US 6.439.055 B1 ensina uma montagem de sensor de pressão para determinar a pressão de um fluido em um ambiente hostil que inclui um sensor de pressão suspenso no interior de um compartimento cheio com um líquido. A montagem inclui um dispositivo transmissor de pressão que transmite a pressão do fluido para o sensor e mantém o fluido no interior do compartimento em uma condição isenta de vazio. A montagem do sensor de pressão mantém o sensor em uma condição de deformação básica próxima de zero e também protege o sensor de choques e vibrações. A montagem inclui adicionalmente protetores que limitam o movimento do sensor no interior do compartimento. O pedido norte-americano publicado US 2003/0094281 A1 ensina um sistema e método de monitoramento para monitorar um conjunto pré-determinado de características físicas associadas a uma estrutura usando o sistema de monitoramento. O sistema é distribuído na estrutura e compreende um dispositivo sensor óptico distribuído, compreendendo adicionalmente um cabo de fibra óptica, uma fonte de luz em comunicação operativa com o cabo de fibra óptica, um dispositivo de detecção de luz em comunicação operativa com o cabo de fibra óptica para medir a luz recebida no dispositivo de detecção de luz proveniente do cabo de fibra óptica, e um processador de dados capaz de usar a luz medida para calcular um conjunto pré-determinado de parâmetros físicos que descrevem o conjunto pré-determinado de características físicas.

No entanto, apesar dos desenvolvimentos existentes na tecnologia de transdutores de pressão mono- e multiponto utilizando redes de Bragg, a técnica ainda necessita de um transdutor óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo, esse transdutor compreendendo pelo menos duas redes de Bragg em uma mesma fibra óptica, com uma das redes, compatível com a temperatura de operação, sendo fixada em uma membrana elástica, a fixação garantindo que a membrana transmita para a rede de Bragg de modo eficiente as deformações sofridas por essa membrana decorrentes das variações de pressão e temperatura, enquanto a outra rede de Bragg pode ou não estar fixada a membrana, tal transdutor sendo descrito e reivindicado no presente pedido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De um modo amplo, a invenção é dirigida a um transdutor de pressão e temperatura óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo, dito transdutor estando inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcleo de uma fibra óptica contendo redes de Bragg gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg que reflete parte dessa luz, dito transdutor compreendendo um corpo, predominantemente cilíndrico, incluindo uma membrana elástica para fixar pelo menos uma rede de Bragg, e pelo menos mais uma rede de Bragg impressa sobre a mesma fibra óptica, e onde dito corpo é: a) vazado ao longo do eixo principal para permitir passagem de uma fibra óptica e garantir acesso a ambas as extremidades da dita fibra óptica; b) dotado de dois planos de simetria para facilitar a instalação e conexão em série com outros sensores do mesmo tipo ou outros transdutores e sensores a fibra óptica; c) dotado de acesso central e respectiva vedação, perpendicular ao eixo principal do dito corpo, no lado oposto à dita membrana, para permitir processo de fixação de pelo menos uma rede de Bragg à membrana; e d) dotado de meios de vedação contra a pressão externa, na entrada e na saída da fibra óptica e no furo cilíndrico central, pelo que: a membrana elástica transmite a deformação proporcional às condições de pressão e temperatura às quais está submetido o transdutor a pelo menos uma rede de Bragg, a parcela de luz não refletida pelas redes de Bragg seguindo pelo restante da fibra óptica, podendo ser utilizada para interrogar outros sensores e transdutores conectados ao longo da mesma fibra óptica ou em uma ou mais fibras ópticas acopladas a essa. E o método para medir a temperatura e pressão de modo simultâneo em poços de petróleo utilizando o transdutor da invenção compreende prover uma fibra óptica contendo pelo menos duas redes de Bragg sensíveis respectivamente a temperatura e pressão; causar uma variação no índice de refração das redes e deformação na membrana elástica decorrente das condições de temperatura e pressão às quais está submetido o transdutor; através da membrana elástica, transmitir a variação do índice de refração da rede provocado pela variação da temperatura externa, e a dita deformação da rede provocada pela variação da pressão externa; a partir da medição das variações dos comprimentos de onda das redes de Bragg, recuperar o valor da pressão e temperatura através de uma curva de calibração.

Assim, a invenção provê um transdutor óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo que utiliza duas redes de Bragg contidas na mesma fibra óptica. A invenção provê ainda um transdutor óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo em que pelo menos uma rede de Bragg gravada sobre uma fibra óptica é fixada sobre uma membrana elástica. A invenção provê ainda um transdutor óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo em que a parcela de luz não refletida pelas redes de Bragg do dito transdutor segue pelo restante da fibra óptica, para interrogar outros sensores e transdutores conectados ao longo da mesma fibra óptica ou em uma ou mais fibras ópticas acopladas a essa. A invenção provê ainda um método para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo usando o transdutor óptico descrito.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIGURA 1A anexa ilustra uma vista superior de uma modalidade do transdutor óptico conforme a invenção em que uma rede de Bragg está fixada na membrana elástica e a outra rede de Bragg está fora da membrana. A FIGURA 1B é um corte BB do mesmo transdutor. A FIGURA 1C anexa é uma vista lateral do mesmo transdutor. A FIGURA 2A anexa ilustra uma vista superior de uma outra modalidade do transdutor óptico da invenção. A FIGURA 2B anexa é um corte BB do mesmo transdutor. A FIGURA 2C anexa é uma vista lateral do mesmo transdutor. A FIGURA 2D anexa ilustra uma modalidade do mesmo transdutor em que as duas redes de Bragg estão fixadas sobre a membrana elástica. A FIGURA 6 anexa é um gráfico que mostra a calibração do transdutor da invenção para a rede de temperatura. A FIGURA 7 anexa é um gráfico que mostra a calibração do transdutor da invenção para a pressão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS A invenção se refere, portanto, a um transdutor óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo que compreende um corpo predominantemente cilíndrico, vazado ao longo do eixo principal para passagem de uma fibra óptica, com dois planos de simetria, o corpo sendo dotado de furo cilíndrico central para fixação de pelo menos uma rede de Bragg, e meios de vedação contra a pressão externa na entrada e saída da fibra e no furo cilíndrico central. A característica principal da construção do sensor é a forma de transdução mecânica da grandeza física de pressão e temperatura em variação de comprimento de onda. Esta transdução é feita por meio dos mecanismos de temperatura e pressão.

No presente relatório, os seguintes termos possuem o significado como detalhado abaixo. “Transdutor", conforme o vocabulário de metrologia, deve ser entendido como elemento que realiza a transdução (conversão) de uma grandeza física em outra (Pressão/Temperatrura em Variação de Comprimento de Onda do Sinal Óptico). “Sensor” conforme o mesmo glossário, significa elemento que sofre alteração/transformação em função da alteração de alguma grandeza física.

Um aspecto da invenção é um transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura nas condições operacionais dos poços de petróleo, útil para ser usado em configuração monoponto.

Um outro aspecto da invenção é um transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura nas condições operacionais dos poços de petróleo, útil para ser usado em configuração multiponto. O transdutor óptico da invenção utiliza a tecnologia FBG.

As redes de Bragg são projetadas de forma que haja uma modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra óptica ao longo do comprimento dessa fibra. A rede reflete uma faixa de comprimentos de onda cujo valor no pico do espectro, λβ, corresponde a cerca de três vezes o valor do período espacial Λ da modulação de índice, de acordo com: λΒ = 2n Λ, sendo n«1,5 o índice de refração do núcleo da fibra óptica. O comportamento das Redes de Bragg é semelhante ao de um sistema de filtro ressonante, ou seja, os comprimentos de onda que satisfazem à condição de ressonância são afetados e os demais são ignorados.

As redes de Bragg úteis para as finalidades da invenção compreendem as redes preparadas previamente à instalação no transdutor de pressão e temperatura. A construção da rede de Bragg é efetuada expondo localmente o núcleo da fibra óptica a um padrão de interferência de dois raios de luz ultravioleta onde a orientação em relação ao eixo longitudinal da fibra óptica é tal que para a rede, os máximos e mínimos do padrão de interferência se estendem ao longo de uma pequena parte da fibra em direções normais ao eixo longitudinal e que a periodicidade é aquela desejada para a rede. O sensor é composto por uma fibra óptica monomodo usualmente para o comprimento de onda na faixa de 1300 nm a 1550 nm contendo a FBG gravada no núcleo da mesma em qualquer posição ao longo da fibra. A FBG acoplada mecanicamente ao transdutor é interrogada utilizando-se um sistema óptico composto por uma fonte de luz — que pode ser um laser de banda larga (C1+C2), ou sintonizável em comprimento de onda ou uma fonte de luz com larga banda de emissão, como um LED ou uma fonte ASE — acoplada ao núcleo da fibra, e um sistema de medida do comprimento de onda de Bragg — que pode ser composto por um analisador de espectro ou por um sistema de medida do comprimento de onda, ou por variação da intensidade (convolução do sinal provindo da FBG com o do filtro fixo de mesmo comprimento de onda na superfície). A medida do sinal pode ser realizada em transmissão ou em reflexão. Para aplicações em fundo de poço ou em quaisquer equipamentos de difícil acesso, as medidas são realizadas em reflexão. A partir da medição do comprimento de onda de Bragg da rede, recupera-se o valor do mensurando em questão através de uma curva de calibração que deve ser levantada previamente em laboratório antes da instalação do sensor em campo. O transdutor de pressão e temperatura óptico utiliza como elemento sensor para ambas as grandezas redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). O parâmetro relevante a ser lido é a posição espectral do pico de reflexão para determinar o comprimento de onda do sinal de retorno característico de cada sensor, que depende de forma conhecida do estado de deformação e temperatura ao qual está sujeita a FBG. A pressão é obtida através da medida de uma fibra óptica contendo uma FBG gravada, fixada em uma membrana projetada para se deformar dentro do limite elástico do metal que a compõe, na faixa de operação a que se destina o transdutor. Este sensor sofre efeito tanto da pressão como da temperatura, devendo este segundo efeito ser compensado, de forma que seja isolada apenas a parcela indicativa da pressão.

Conforme a invenção, o transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo que utiliza uma fibra óptica contendo duas redes de Bragg onde pelo menos uma dessas redes é fixada sobre uma membrana elástica compreende duas modalidades.

Assim, uma primeira modalidade compreende uma só rede fixada na membrana, geralmente no centro da membrana, enquanto a outra rede é colocada fora da membrana. Deste modo, a rede que está fora da membrana só sofre efeito da temperatura. Quando a pressão externa aumenta, a membrana se deforma e alonga (estica) a fibra na região da rede de Bragg, gerando uma deformação ao longo do eixo principal da fibra óptica. É isto que se quer medir. A variação do comprimento de onda da rede de Bragg é proporcional à deformação e é proporcional também à temperatura. Com uma só rede não se pode determinar quanto da variação do comprimento de onda é relativo à temperatura e quanto é relativo à pressão.

Deste modo, a opção é ter uma outra rede que não dependa da pressão, somente da temperatura. Para que isto funcione, a temperatura nos dois pontos do sensor deve ser igual. A equação que descreve um tal sistema é a equação (1) abaixo Δ λι = fi (P) + gi(T) (1) Δ λ2 = g2 (T).

No entanto, principalmente em momentos de transição de uma temperatura para outra, as temperaturas nas duas redes são diferentes. Só vão ser iguais na equalização.

Uma das dificuldades para implementar esta modalidade é a calibração, que pode ser lenta até a equalização das temperaturas nas duas redes. A membrana é muito fina, a estabilização com a temperatura externa é mais rápida. A rede de temperatura está mais distante do exterior e demora mais para estabilizar. A temperatura é medida através de outra FBG mecanicamente desacoplada do corpo do transdutor. Este segundo sensor é fixado a uma pequena peça metálica de ancoragem.

Para tentar superar a dificuldade da equalização das temperaturas é proposta uma segunda modalidade do transdutor óptico de acordo com a invenção, em que as duas redes de Bragg são fixadas na membrana. A fixação (por coíagem ou outra maneira de fixação) deve ser feita de modo que uma das redes fica no centro da membrana como na primeira modalidade, enquanto a segunda rede vai ficar necessariamente fora do centro.

Ambas sofrem efeito da pressão, somente em intensidades diferentes No entanto, o efeito da temperatura é o mesmo para as duas redes. A equação da segunda modalidade é a equação (2) abaixo: Δ λ-ι = f-i (P) + g (T) AA2 = f2{P) + g(T) Como pode ser visto pela equação (2) acima, a diferença dos Δ λ depende unicamente de P, e será obtida uma f3(P), que é determinada por calibração. Para substituir na equação pode ser feito em λι ou λ2.

Esta abordagem garante que as duas redes estejam sempre na mesma temperatura, o que permite a medição correta de pressão e temperatura simultaneamente. Ainda que o “g“ não fosse o mesmo, seria possível resolver matematicamente, mas o fato de ser o mesmo “g” facilita a resolução das equações.

Explicitando em relação às grandezas Temperatura e Pressão: Temperatura: A rede FBG responsável pela leitura de temperatura pode ser acoplada de duas maneiras (i) Encapsulada em tubo metálico que fica alojado no interior do corpo do sensor próximo à membrana. Este tubo metálico faz o acoplamento térmico entre a temperatura do meio e a temperatura da rede; (íi) Presa na membrana junto com a rede de pressão.

Esta última configuração melhora o acoplamento térmico entre a rede sensora de temperatura e a medida de pressão do meio externo, já que esta medida é necessária para corrigir a medida da transdução de pressão (pressão X variação do comprimento de onda da rede de pressão). Esta configuração corrige (cancela) os efeitos da variação da temperatura de forma efetiva sobre a rede de pressão.

Pressão: A rede FBG de pressão é responsável pela transdução da variação de pressão do meio externo, que resulta em uma deformação da membrana que por sua vez transfere esta deformação na rede de pressão. Esta deformação na rede altera (desloca) o comprimento de onda de forma correlacionada com as deformações de pressão. Esta leitura deve ser corrigida pelos efeitos térmicos (variações térmicas) sofridos pela rede de pressão, já que afetam o comprimento de onda. O processamento da leitura de temperatura é realizado por meio da leitura da variação do comprimento de onda, pois é conhecido o valor de leitura do comprimento de onda gravado nas condições de temperatura ambiente. Desta forma variações serão computadas e corrigidas por um algoritmo simples que transforma as variações de comprimento de onda em graus de temperatura. Este algoritmo calcula a temperatura com base nas constantes de calibração de temperatura do sensor. O processamento da leitura de pressão é realizado por meio da leitura da variação do comprimento de onda, pois é conhecido o valor de leitura do comprimento de onda, gravado nas condições de temperatura ambiente e pressão atmosférica. Desta forma variações serão computadas e corrigidas por um algoritmo simples que corrige as variações de temperatura no comprimento de onda medindo as variações de comprimento de onda em função da pressão/ deformação da membrana externa (medida indireta). Este algoritmo calcula a pressão com base nas constantes de calibração de pressão (construção da membrana) do sensor.

Em ambas modalidades do transdutor de pressão e temperatura descritas, a membrana elástica é uma membrana delgada, cuja espessura é uma função da faixa de medida do mensurando. A membrana elástica apresenta espessura homogênea. Alternativamente, a espessura é variável ao longo da membrana. A invenção será descrita a seguir em relação às Figuras anexas. A Figura 1A ilustra uma vista superior de uma modalidade do transdutor óptico conforme a invenção em que uma rede de Bragg está fixada na membrana elástica e a outra rede de Bragg está fora da membrana. Essa modalidade de transdutor da invenção, geralmente designado pelo numeral (100), compreende um corpo (10a), vazado ao longo do eixo principal para permitir passagem de uma fibra óptica (30) e garantir acesso a ambas as extremidades da dita fibra óptica (30). O corpo (10a) é dotado de: (i) dois planos de simetria para facilitar a instalação e conexão em série com outros sensores do mesmo tipo ou outros transdutores e sensores a fibra óptica; (ii) uma membrana elástica (50), sendo fixada sobre a dita membrana (50) pelo menos uma rede de Bragg (60) contida na fibra óptica (30); e (iii) passagem longitudinal (31) da fibra óptica (30) através do corpo (10a) do transdutor. A membrana elástica (50) é uma fina chapa no corpo (10a) do sensor.

Alternativamente, a membrana elástica (50) não faz parte do corpo (10a) do transdutor (100) e é conectada ao mesmo por qualquer meio de fixação conhecido. O meio de vedação para efetuar a vedação no sentido transversal do transdutor óptico (100) é um bujão circular (70), ilustrado na Figura 1B. Na montagem do transdutor (100), a rede de Bragg (60) contida na fibra óptica (30) é fixada na membrana elástica (50) por qualquer dispositivo de fixação e em seguida o bujão (70) é rosqueado no corpo (10a) de modo a efetuar a vedação.

Assim, o bujão (70) facilita de um modo geral a montagem do transdutor óptico (100). A Figura 1C é uma vista lateral do mesmo transdutor, com o duto (31) para passagem da fibra óptica (30). O interior do corpo (10a) é dotado de uma câmara (80) para alojar meios de vedação (não representados) destinados a vedar o transdutor (100) do meio externo. No transdutor (100), a fibra óptica (30) atravessa os ditos meios de vedação e a passagem longitudinal (31) do corpo (10a), de modo que ao término da montagem, o transdutor (100) com a fibra óptica (30) contendo as redes de Bragg (60) é estanque. Alternativamente, se o transdutor (100) é usado sem estar conectado a nenhum outro transdutor, uma das extremidades é vedada totalmente por uma terminação (não representada).

As Figuras 1B e 2B são cortes BB que ilustram modalidades do transdutor (100,200) da invenção com uma rede de Bragg (60b) destinada a medir pressão fixada à membrana elástica (50) e outra rede de Bragg (60a) destinada a medir temperatura não fixada à dita membrana (50). Nesta modalidade a rede (60a) está protegida por uma proteção metálica (61) que também amplia o efeito da temperatura experimentado pela rede (60a), Alternativamente a proteção metálica (61) é dispensada e a fibra (30) é encapsulada em um tubo de proteção (não representado). A FIGURA 2A ilustra uma vista superior de uma outra modalidade do transdutor óptico da invenção. O transdutor, geralmente designado pelo numeral (200), é constituído de um corpo cilíndrico (10b). A FIGURA 2C é uma vista lateral do mesmo transdutor (200) com a passagem (31) da fibra óptica (30). A FIGURA 2D anexa ilustra uma modalidade do mesmo transdutor em que as duas redes de Bragg estão fixadas sobre a membrana elástica. A Figura 2D ilustra uma modalidade do transdutor (100) da invenção com as duas redes de Bragg (60a, 60b) contidas na mesma fibra óptica (30) afixadas à membrana elástica (50). Nesta modalidade, uma rede (60a) será fixada no centro da membrana (50) e outra rede (60b) será fixada deslocada do centro da membrana (50).

Os transdutores (100) e (200) diferem apenas pela configuração a ser acoplada aos meios de vedação externos.

As Figuras 3 e 4 referem-se à calibração do transdutor (100) da invenção.

De um modo geral verifica-se que a variação do comprimento de onda de reflexão para o transdutor (100) apresenta comportamento linear da variação do comprimento de onda em função das grandezas físicas (temperatura e pressão) quando um dos mensurandos, pressão ou temperatura, é variado enquanto o outro permanece constante. A Figura 3 é um gráfico que mostra a calibração do transdutor da invenção para a rede de temperatura.

Na Figura 3 podem ser vistas as dependências dos comprimentos de onda dos sensores de pressão e de temperatura. Verifica-se uma excelente linearidade, além de uma sensibilidade bem maior para o sensor fixado à membrana. Isto se deve à adição dos efeitos de aumento do índice de refração da fibra, presente em ambos os sensores, à dilatação térmica do material da membrana. A Figura 4 é um gráfico que mostra a calibração do transdutor da invenção para a pressão com base em um sistema de leitura por medida da variação do comprimento de onda.

Os valores de variação do comprimento de onda que compõem o gráfico da Figura 4 incluem medidas feitas a 25, 34, 45 e 76°C com um sistema de leitura por medida da variação do comprimento de onda. Fica claro por esses resultados que transdutor (100) não apresentou qualquer histerese e que sua resposta é linear e a sensibilidade é independente da temperatura. A configuração dos sensores (100,200) ilustrada nas Figuras 1A, 1B, 1C e 2A, 2B, 2C e 2D permite que uma pluralidade desses transdutores (100,200) tendo pelo menos uma rede de Bragg (60b) afixada a uma membrana elástica (50) seja conectada em série pela fibra óptica (30) em comum para medir pontos múltiplos de pressão e temperatura no modo de sensores distribuídos. Quaisquer técnicas de multiplexação podem ser usadas para distinguir o sinal de um sensor do sinal de outro sensor, tais como multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) ou multiplexação por divisão de tempo (TDM) ou outras técnicas de multiplexação. Nesse caso, a rede (60a/60b) em cada sensor pode ter um comprimento de onda de reflexão diferente.

Claims (23)

1. Transdutor óptico para medida simultânea de pressão e temperatura em poços de petróleo, dito transdutor estando inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcleo de uma fibra óptica (30) contendo redes de Bragg (60a, 60b) gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg (60a/ 60b) que reflete parte dessa luz, dito transdutor sendo caracterizado por que compreende um corpo (10a/10b), predominantemente cilíndrico, incluindo uma membrana elástica (50) para fixar pelo menos uma rede de Bragg (60a/60b), e pelo menos mais uma rede de Bragg (60b/60a) impressa sobre a mesma fibra óptica (30), e onde dito corpo (10a/10b) é: a) vazado ao longo do eixo principal para permitir a passagem via (31) de uma fibra óptica (30) e garantir acesso a ambas as extremidades da dita fibra óptica (30); b) dotado de dois planos de simetria para facilitar a instalação e conexão em série com outros transdutores (100,200) do mesmo tipo ou outros transdutores e sensores a fibra óptica; c) dotado de acesso central e respectiva vedação (70), perpendicular ao eixo principal do dito corpo (10a/10b), no lado oposto à dita membrana (50), para permitir processo de fixação de pelo menos uma rede de Bragg (60a/60b) à membrana (50); e d) dotado de meios de vedação contra a pressão externa, na entrada e na saída da fibra óptica (30) e no acesso central, pelo que: a membrana elástica (50) transmite a deformação proporcional às condições de pressão e temperatura às quais está submetido o dito transdutor a pelo menos uma rede de Bragg (60a/60b), a parcela de luz não refletida pelas redes de Bragg (60a,60b), seguindo pelo restante da fibra óptica (30).

2. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que uma rede de Bragg (60b) está fixada na membrana elástica (50) enquanto a outra rede de Bragg (60a) está fora da membrana.

3. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por que a rede de Bragg (60b) fixada sobre a membrana elástica (50) é a rede destinada a medir a pressão.

4. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por que a rede de Bragg (60a) fora da membrana elástica (50) é a rede destinada a medir a temperatura.

5. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por que a rede de Bragg (60a) que mede a temperatura é protegida por uma proteção metálica (61).

6. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por que alternativamente a rede de Bragg (60a) que mede a temperatura é encapsulada por um duto de proteção.

7. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que ambas as redes de Bragg (60a, 60b) estão fixadas sobre a membrana elástica (50).

8. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por que o efeito da temperatura é o mesmo para ambas as redes de Bragg (60a,60b) fixadas sobre a membrana elástica (50).

9. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a(s) redes de Bragg (60a/60b) são fixadas sobre a membrana elástica (50) por qualquer dispositivo de fixação.

10. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por que a(s) redes de Bragg (60a/60b) são fixadas sobre a membrana elástica (50) por colagem com um adesivo polimérico.

11. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que o corpo (10a, 10b) compreende câmaras (80), simétricas, destinadas a acomodar meios de vedação contra a pressão externa.

12. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a espessura da membrana elástica (50) é uniforme.

13. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a espessura da membrana elástica (50) é variável.

14. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a membrana elástica (50) é integral ao corpo (10a/10b).

15. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a membrana elástica (50) é acoplada ao corpo (10a/10b).

16. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por que é usado no modo monoponto.

17. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que uma pluralidade desses transdutores tendo pelo menos uma fibra óptica (30) contendo uma rede de Bragg (60b) afixada a uma membrana elástica (50) é conectada em série pela fibra óptica (30) comum para medir pontos múltiplos de pressão e temperatura no modo de sensores distribuídos.

18. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por que é conectado em série a outros transdutores e sensores do mesmo tipo.

19. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por que é conectado em série a transdutores e sensores de tipos diferentes.

20. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por que a conexão em série é feita através da mesma fibra óptica (30).

21. Transdutor óptico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por que a conexão em série é feita através de outra(s) fibra(s) óptica(s) (30a, 30b, 30n) acopladas à dita fibra óptica (30).

22. Transdutor óptico de acordo com as reivindicações 17, 18, 19, 20 e 21, caracterizado por que técnicas de multiplexação WDM/TDM são usadas para distinguir o sinal de um sensor do sinal de outro sensor.

23. Método para medir a temperatura e pressão de modo simultâneo em poços de petróleo utilizando o transdutor óptico da reivindicação 1, caracterizado por que dito método compreende prover uma fibra óptica (30) contendo pelo menos duas redes de Bragg (60a,60b) sensíveis respectivamente a temperatura e pressão; causar uma variação no índice de refração das ditas redes e deformação na membrana elástica (50) decorrente das condições de temperatura e pressão às quais está submetido dito transdutor; através da membrana elástica (50), transmitir a temperatura (variação do índice de refração) e deformações (geometria espacial da rede) a ditas redes de Bragg (60a,60b); a partir da medição das variações dos comprimentos de onda de rede de Bragg, recuperar o valor da pressão e temperatura através de uma curva de calibração.