BRPI0404127B1 - transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes - Google Patents

Abstract

"transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes". é descrito um transdutor de posição (100) a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes, que compreende pelo menos duas células de carga (10) instrumentadas com sensores a redes de bragg (fbg) e sustentadas por anéis (20a, 20b). a célula (10) é formada de um corpo quadrangular (11), dotada de orifício central (12) e orifício (13a/13b) para entrada/saída e passagem de uma fibra óptica (14) e pinos (14a, 14b). a dita célula (10) mede o deslocamento de uma mola utilizada na válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke do sistema de completação inteligente, o deslocamento (abertura ou fechamento) da válvula sendo monitorado a partir da força de restauração na mola medida pela célula de carga (10) instrumentada. o transdutor (100) é construído com dimensões e geometria tais de modo a não apresentar arestas e permitir a inserção do mesmo no espaço anular de uma válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke de um sistema de produção de petróleo. além disso, a construção do transdutor (100) é tal que permite que seja multiplexado a outros tipos de sensores de poço, através da mesma fibra óptica.

Description

TRANSDUTOR DE POSIÇÃO A FIBRA ÓPTICA PARA VÁLVULA DE CONTROLE DE VAZÃO EM POÇOS INTELIGENTES CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção pertence ao campo dos transdutores a fibra óptica para monitoramento em tempo real de parâmetros de poço, mais especificamente, transdutores para monitorar o percentual de abertura ou fechamento de válvulas de controle de vazão de produção ou injeção em poços inteligentes.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO A partir das atividades de pesquisa voltadas para aplicações de fibras ópticas no setor de telecomunicações, esforços paralelos vêm sendo conduzidos para o desenvolvimento de técnicas de sensoriamento utilizando fibras ópticas para a medição das mais variadas grandezas físicas, químicas e mesmo biológicas. Tal interesse é motivado por algumas características inerentes às fibras ópticas, como baixo peso, flexibilidade, longa distância de transmissão, baixa reatividade do material, isolamento elétrico e imunidade eletromagnética. Outro atrativo do sensoriamento a fibra óptica é a facilidade de se conseguir a multiplexação dos sinais de vários sensores ao longo da fibra, que podem inclusive estar medindo diferentes grandezas. Outra possibilidade é a realização de medidas continuamente distribuídas ao longo de toda a fibra. O setor de petróleo e gás (SPG) apresenta diversas oportunidades de aplicação para os sensores a fibra óptica (SFO). As características apontadas acima podem ser determinantes em diversas situações, seja nos segmentos de exploração, transporte, refino ou distribuição. Em muitos casos, tecnologias convencionais são incapazes de atender aos anseios por medições mais precisas, contínuas e em maior número de pontos, sob as altas temperaturas e nos ambientes agressivos encontrados em aplicações nos diversos segmentos da cadeia de produção e distribuição de petróleo e derivados. Ao mesmo tempo, no que se refere aos custos de aplicação, os sensores a fibra óptica, que aproveitam componentes optoeletrônicos regularmente utilizados em telecomunicações e benefíciam-se da escala de produção do enorme setor de fotônica, estão se tornando cada dia mais competitivos, especialmente em sistemas que incluam um grande número de pontos de medição.

As principais operadoras internacionais do setor de petróleo e gás (SPG), entre as quais a Requerente, identificaram a tecnologia de Sensores a Fibra Óptica (SFO) como um elemento chave para viabilizar, com toda a funcionalidade esperada, a instalação de sistemas de comptetação inteligente de poços de petróleo {produção ou injeção). O sensoriamento do poço permite obter, a qualquer momento, informações precisas sobre diversas grandezas, entre outras a pressão, temperatura, vazão, pH ou mesmo a posição de válvulas que controlam o fluxo através do poço. A monitoração em tempo real do poço é parte da estratégia de automação de todo o processo de produção dos poços de petróleo.

Este panorama fez com que, dentre as várias áreas de aplicação de sensores a fibra óptica, o SPG tenha sido palco dos movimentos mais intensos e de maior porte nos últimos anos. No entanto, poucos produtos estão comercialmente disponíveis e ainda faltam informações seguras sobre o desempenho dos mesmos. A tecnologia de Redes de Bragg em Fibras FBG (Fiber Bragg Grating) apresenta vantagens em relação a outras alternativas também a fibra. A completação inteligente pode ser definida como um sistema capaz de coletar, transmitir e analisar dados permitindo o acionamento remoto de dispositivos de controle de fluxo com o objetivo de conseguir sempre a produção do reservatório no ponto ótimo de escoamento. Um típico poço inteligente possui dispositivos de monitoração e atuação instalados em suas diferentes zonas de produção ou injeção. Neste tipo de implementação, busca-se aumentar a área de contato do poço com a formação produtora combinando a produção das diferentes zonas de forma ótima.

Um dos elementos principais do poço é o sistema de sensoriamento. Para que se avance na tecnologia de completação inteligente, ampliando-se o número de poços aonde este conceito venha a ser explorado, a confiabilidade dos sistemas de sensoriamento é a palavra chave. Sensores eletrônicos para monitoração permanente de fundo do poço já são conhecidos há vários anos no segmento upstream do setor de petróleo e gás. Entretanto, suas limitações e elevadas taxas de falha, principalmente quando operando em temperaturas mesmo moderadamente elevadas, motivou as operadoras e empresas de serviço do setor a buscar alternativas na tecnologia de sensores a fibra óptica.

Foi ao longo da última metade dos anos 90 que o enorme potencial de um novo componente de sistemas de demultiplexação para telecomunicações através de fibras ópticas, as redes de Bragg, começou a ser explorado para o sensoriamento de grandezas de fundo do poço. J. Angel, no artigo “Intelligent Weíl System - Where we’ve been and where we’re going”, Word! Oil Magazine, March 2003, Vol. 224 N°. 3, menciona que a evolução de três tecnologias da indústria do petróleo (medição no fundo do poço, válvulas sliding sleeve e o controle de válvulas de segurança na superfície) possibilitaram o desenvolvimento dos poços inteligentes. A primeira implementação de completação inteligente aparece no final dos anos 80, com a instalação de medidores de pressão-temperatura para fornecer leituras em tempo real das condições do fundo do poço. O controle do fluxo em tempo real sem intervenções não surgiu até o final dos anos 90. Antes disto, o fluxo numa zona só podería ser modificado por uma intervenção na sonda ou por meio de um squeeze ou pela movimentação de uma válvula sleeve.

Atualmente, os sistemas de poços inteligentes são gerenciados mediante redes de comunicações que fornecem em tempo real monitoramento nos poços de produção ou injeção, dados de taxas/modelos e ação na forma de controle remoto do fluxo. Sistemas de poços inteligentes adquirem dados de parâmetros de sensores alocados no poço e permitem ao operador mudar as características de fluxo (produção ou injeção) sem a necessidade de fazer uma intervenção no poço. As medições são feitas nas zonas de interesse. Assim, sensores permanentes no poço contribuem para melhorar o entendimento de zonas especificas de produção e/ou injeção como também as características do reservatório em torno do poço. A tecnologia de poços inteligentes abarca dois conceitos primários instantâneos: primeiro, a supervisão em tempo real, que se refere à habilidade para adquirir dados de fluxo no fundo do poço ou reservatório, e segundo o controle em tempo real, que é a capacidade para controlar remotamente o fluxo por meio do acionamento de qualquer dispositivo ou válvula de fechamento. L. A. Giangiacomo e D. R. Hill no artigo “Optimizíng Pumping Well Efficiency with Smart Fluid-Level Controller Technology” SPE 52210, SPE International, 1999, referem-se a um controlador de nível de fluido, possibilitando a automatização de uma bomba elétrica com dados de nível de fluido em tempo real. Além disso, a pressão no fundo do poço pode ser monitorada e seus valores otimizados para melhorar e tomar mais econômica a operação de diferentes técnicas de elevação artificial.

Sigurd M. Erlandsen, no artigo “Production Experience from Smart Wells in the Oseberg Field”, SPE 62953, SPE International 2000, relata experiências feitas com poços inteligentes off-shore no campo de Oseberg na Noruega, a uma profundidade de 100 m. Os testes foram feitos em quatro poços com excessiva produção de gás; o objetivo era controlar remotamente a produção de gás. No primeiro poço foi instalada uma completação inteligente em combinação com válvulas sliding-sleeve convencionais. A finalidade era ser capaz de bloquear para trás a zona no caso de que gás irrompesse nela. No segundo poço, foram completadas quatro zonas com completação inteligente; uma zona por vez foi produzida por meio do test separator para não ter impurezas no tubing e estabelecer o índice de produtividade (PI), razão gás-óleo (RGO) e irrupção da água em cada zona independentemente. O terceiro poço, também foi completado com quatro zonas com completação inteligente. Ao iniciar a produção todos os sensores funcionaram normalmente; mas, logo após 40 dias de produção, a comunicação foi perdida depois da primeira zona, mas mesmo com essa ocorrência a produção não foi interrompida. O quarto poço foi completado em três zonas com completação inteligente, tecnicamente a operação das três zonas foi satisfatória, mas o poço experimentou problemas no início da produção porque acusou baixa resistência à pressão e problemas na elevação do óleo. M. Thompson e E. D. Parker, no artigo “Predicting the Reservoir Response to Intelligent Wells”, SPE 65143, SPE Internationa! 2000, realizaram a modelagem de um poço inteligente, cujo maior desafio foi desenvolver um modelo que prediría corretamente a distribuição do fluxo e da pressão na completação assim como na seção transversal do poço no reservatório para qualquer posição da válvula estranguladora, para logo poder ser aplicado como uma ferramenta para gerenciamento de reservatórios. O desempenho do modelo é avaliado em meios homogêneos e heterogêneos simples para poder entender como o desenho da completação e o orifício da válvula estranguladora influenciam na distribuição da pressão e do fluxo dentro do poço e do reservatório; logo, o modelo é adaptado e introduzido em dois cenários de reservatórios desenvolvidos. Um dos cenários é um reservatório homogêneo com um poço inteligente vertical; o segundo é um reservatório com presença de falhas e dois ramais laterais, que incorpora uma válvula de estrangulamento variável. Os desempenhos dos campos desenvolvidos são comparados com poços com completação convencional. G. Cobertt et al, no artigo "Fiber Optic Monitoring in Open hole Gravei Pac Completions”, SPE 77682, SPE International 2002, apresentam um trabalho de completação inteligente em fibra óptica. O artigo descreve o desenvolvimento e aplicação de um sistema de gravei pack que incorpora um conduto para as fibras ópticas portadoras de sensores de temperatura distribuídos ou discretos ao longo do gravei pack. Para a montagem do sistema foi necessário adaptar um canal de avanço para o conduto, compatível com a ferramenta de passagem do gravei; logo, também foi necessário um método para restabelecer a conexão do tubing de produção ao gravei pack packer e estabelecer um conduto contínuo para a fibra óptica desde a superfície até o final da malha do gravei. É apresentada uma tabela com os problemas encontrados durantes os testes e as soluções implementadas foram resumidas nela; em outra tabela são estimados os tempos operacionais para colocar em funcionamento o sistema. G. Brown et al, e M. A!-Asimi, no artigo “Monitoring Horizontal Producers and Injectors During Cleanup and Prediction using Fiber-Optic Distributed Temperature Measurements”, SPE 84379, SPE International 2003, também apresentam um trabalho em fibras ópticas em completação inteligente. O trabalho descreve a aplicação de um sistema distribuído de temperatura em fibra óptica instalado em intervalos horizontais longos de completação aberta em poços de produção e injeção em Oman. O monitoramento da temperatura permitiu otimizar os métodos de completação e melhorar os conhecimentos do reservatório e seu desempenho. Os resultados demonstram que é possível monitorar continuamente longos intervalos abertos durante , a produção e limpeza do poço, sem a necessidade de múltiplas intervenções.

Uma rede de Bragg é um filtro óptico reflexivo com altíssima seletividade espectral. Sua construção se baseia em gerar uma modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra, esta estrutura reflete de forma eficiente o comprimento de onda λb que satisfaz a condição de Bragg em primeira ordem para incidência normal, ou seja: /.b = A/2n onde Λ é período espacial da modulação do índice e η o índice de refração da fibra. A capacidade de sensoriamento de redes de Bragg está relacionada ao fato de que pode ser alterado por esforços mecânicos que modificam a periodicidade da estrutura, A, ou através de temperatura que modifica o índice de refração n. Estas dependências podem ser resumidas, de forma aproximada, na expressão Δλβ./λβ - 9 x 10 6 ΔΤ + 0,78 ε onde ΔΤ é medido em °C e ε é adimensional (m/m). As constantes numéricas são características, do material que compõe a fibra e, em particular a constante térmica, pode apresentar variações entre fibras. O grande atrativo do uso das redes de Bragg para sensores está no fato de a informação estar contida no espectro o que significa ser uma medida absoluta e fácil de ser multiplexada.

As letras LVDT são as iniciais de “Linear Variable Differential Transformer”, um tipo comum de transdutor eletro-mecânico ou óptico que pode converter o movimento retilíneo de um objeto ao qual é acoplado mecanicamente em um sinal elétrico correspondente.

Muitas tecnologias podem ser aplicadas para os sensores de posição, sendo que a mais antiga destas consiste em um simples potenciômetro resistivo. A desvantagem desse equipamento é que existe um contato móvel deslizando em condutores fixos; isto causa ruído e propicia o rápido envelhecimento do sensor. Para uma boa exatidão e vida mais longa do sensor, é recomendável que não haja contato mecânico com o elemento sensor. Existem hoje quatro tecnologias de sensores que satisfazem este requisito: • Capacitivos; • Ópticos; • Indutivos; e a • Fibra Óptica - Capacitivos: Estes sensores permitem uma boa exatidão para medições, mas com faixa dinâmica reduzida. Outra desvantagem é sua sensibilidade a vibrações, umidade, e outros parâmetros. - Ópticos; Estes sensores permitem uma boa exatidão e faixa de medição grande, em muitos casos os sinais que estes sensores fornecem são digitais. Estes sensores são extensivamente usados em máquinas ferramentas, mas eles devem ser protegidos do meio ambiente, especialmente de poeira. Em geral são soluções de alto custo e frágeis. - Indutivos: Em algumas aplicações competem com os sensores ópticos em faixa de medição e exatidão. Além disso, sua grande vantagem com relação aos anteriores é sua capacidade de trabalhar em condições severas sem alterar seu desempenho. Na realidade, eles são insensíveis a partículas não magnéticas, umidade e vibrações. - Fibra Óptica: Uma técnica de desenvolvimento mais recente é a que se baseia em fibras ópticas. Os sensores a fibra óptica apresentam simplicidade de construção e bom desempenho. Na realidade trata-se não de uma, mas de várias técnicas que possuem em comum o fato de se utilizarem fibras ópticas como guia da luz usada na medição.

Dentre as técnicas de sensoriamento que utilizam fibras ópticas estão as que se baseiam em Redes de Bragg (FBG), que até o momento ainda não vêm sendo aplicadas em sensores de posição. A fim de desenvolver um LVDT empregando FBG como elemento sensor, é determinado o estado da arte no que se refere a transdutores de posição LVDT em geral. São conhecidas diversas técnicas de desenvolvimento para transdutores LVDT sendo a mais comum delas a que utiliza indução elétrica como princípio de funcionamento. Por ser a técnica predominante, apresenta-se a seguir seu princípio de funcionamento e algumas características típicas. São também apresentadas algumas possibilidades de medição empregando fibras ópticas. A principal vantagem deste tipo de transdutor LVDT sobre outros tipos de transdutores de deslocamento é seu alto grau de robustez. Isto é derivado de seu princípio de funcionamento no qual não há contato físico com o elemento sensor, havendo assim desgaste zero deste elemento. Isto significa que os transdutores LVDT podem ser feitos à prova de água e de forma adequada para as mais árduas aplicações.

Normalmente um transdutor LVDT deste tipo contém três bobinas, sendo uma de excitação (primário) e outras duas de captação (secundários). A primeira bobina é excitada com corrente alternada, normalmente na faixa de 1 kHz a 10 kHz com voltagens entre 0,5 v a 10 v RMS. O enrolamento dos secundários é tal que quando um núcleo ferroso está posicionado na posição central as duas bobinas fornecem voltagens da mesma amplitude, mas defasadas de π. O núcleo constitui a parte móvel do sistema de medição e está normalmente acoplado a uma haste não magnética que toca o ponto cujo deslocamento se deseja medir. Vide a esse respeito o artigo por G. Duplain, C. Velleville, S.Bussière e P.A.Bélanger: Absolute fiber-optic Linear Position and Displacement Sensor; 12th International Conference on Optical Fiber Sensors, Williamsburg, VA. 1997; pp 83 - 86.

Um outro tipo de transdutor de posição é aquele que utiliza fibra óptica. Alguns fabricantes (Phiítec, Fiso) têm desenvolvido transdutores de posição comercialmente, e também pesquisadores de universidades e laboratórios têm investigado diversos modelos.

Alguns transdutores se baseiam na intensidade luminosa enquanto outros são baseados em interferometria. Como já é sabido, a grande vantagem dos sensores e transdutores a fibra óptica é a ausência de sinais elétricos junto ao ponto de medição. Isto evita problemas de interferência eletromagnética, o que se torna crítico quando são requeridas longas distâncias, e torna os sensores a fibra óptica totaímente seguros em áreas com risco de explosões.

Apesar de todos os trabalhos anteriormente mencionados sobre LVDT, inclusive em fibra óptica, não foi encontrada nenhuma referência que seja baseada em FBG como elemento sensor. Considerando as vantagens de sensores baseados em FBG frente a outras possibilidades envolvendo fibras ópticas, busca-se uma forma de medição de posição que utilize esta tecnologia e, simultaneamente, não exija contato direto entre o elemento móvel do transdutor e a FBG.

Por outro lado, pode ser encontrada no mercado uma infinidade de células de carga, baseadas em diferentes princípios de funcionamento. A maioria delas utiliza elementos sensores eletro-resistivos (extensômetros elétricos) convencionais. Ao que tudo indica, não se encontram, até o momento, células de carga fornecidas comercialmente que utilizem como princípio de medição sensores a fibra óptica. A revista Epsilonics apresenta uma coletânea de artigos agrupados sob o título Modem Strain Gage Transducers: Their Design and Construction. Essa coletânea compreende os artigos de: October 1981, pp 5-7; March 1982, pp 5-6; July 1982, pp 6-8; December 1982, pp 5-7; April 1983, pp 5-7; August 1983, pp 6-7; December 1983, pp 7-9; April 1984, pp 5-7; October 1984, pp 6-11.

Nesta coletânea é apresentado um estudo detalhado referente ao desenho e construção de transdutores, enfatizando as células de carga. Este estudo descreve vários desenhos de células de carga para utilização com extensômetros elétricos convencionais (resistivos), bem como materiais para sua construção e as formas de instrumentá-las. São apresentadas as formas básicas de células de carga para diferentes usos: tração, compressão e cisalhamento, sob carregamentos estáticos ou dinâmicos.

Outros autores como Bray A.; The Role Of Stress Analysis In The Design Of Force-Standard Transducers," Experimental Mechanics, January 1981, pp 1-20 e Guindy S. S., “Force And Torque Measurement, A Technology OverView: Part I - Force,” Experimental Techniques, June 1985, pp 28-33 e Guindy S. S., “Force And Torque Measurement, A Technology OverView: Part li - Torque,” Experimental Techniques, July 1985, pp 9-15 entre outros, têm apresentado artigos e fívros tratando ampíamente das céíuías de carga.

Assim, apesar dos desenvolvimentos existentes, a técnica ainda necessita de um transdutor de posição baseado no uso de uma célula de carga, instrumentada com sensores a rede de Bragg, dita célula medindo o deslocamento de uma mola utilizada na válvula tipo slíding sleeve do sistema de completação inteligente, a válvula sendo acionada por um sistema hidráulico ou elétrico. Esta válvula descansa sobre uma mola, que trabalha sempre sob compressão, o que garante o retorno à sua posição de equilíbrio após cessada a ação do sistema de acionamento. O deslocamento (abertura ou fechamento) da válvula é monitorado a partir da força de restauração na mola medida pela célula de carga instrumentada com sensores a fibra óptica. Esse transdutor de posição é descrito e reivindicado no presente pedido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De um modo amplo, a invenção trata de um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes, o transdutor compreendendo pelo menos duas células de carga instrumentadas com sensores a rede de Bragg, para medir o deslocamento da mola utilizada na válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke do sistema de completação inteligente. E o funcionamento do transdutor de posição descrito envolve prover uma célula de carga instrumentada com redes de Bragg no meio das superfícies interna vertical e horizontal da dita célula, acionar de modo hidráulico ou elétrico a válvula sliding sleeve, rotativa ou choke do sistema de completação de um poço de injeção ou produção e a mola sobre a qual repousa dita válvula, e monitorar o deslocamento (abertura ou fechamento) da válvula a partir da força de restauração na mola medida pela dita célula de carga instrumentada.

Assim, a invenção provê um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes, o transdutor compreendendo uma célula de carga instrumentada com sensores a rede de Bragg. A invenção provê ainda um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes, o transdutor sendo capaz de quantificar um determinado deslocamento em função da deformação produzida na célula de carga óptica. A invenção provê também o uso de uma célula de carga instrumentada com sensores a rede e Bragg para medir o deslocamento da mola utilizada na válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke, do sistema de completação inteligente. A invenção provê iguaimente um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes que permite monitorar em tempo real o percentual de abertura ou fechamento das válvulas de controle de vazão de produção e injeção em poços inteligentes. A invenção provê ainda um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes onde o monitoramento em tempo real do percentual de abertura ou fechamento das válvulas de controle de vazão é feito a partir da força de reação na mola medida pela célula de carga instrumentada com sensores a fibra óptica. A invenção provê também um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes que pode ser multiplexado a outros sensores de pressão, temperatura, vazão, posição, pH etc. em pontos específicos e através da mesma fibra óptica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIGURA 1 anexa é uma vista esquemática de uma célula de carga para o transdutor da invenção. A FIGURA 2 anexa é um diagrama esquemático das regiões de fixação das redes de Bragg na célula de carga. A FIGURA 3A anexa é uma vista em perspectiva do transdutor da invenção com as células de carga. A FIGURA 3B anexa é uma vista superior do transdutor. A FIGURA 3C anexa é uma vista frontal do transdutor. A FIGURA 4A anexa é um diagrama esquemático de uma modalidade de interligação das redes de Bragg na célula de carga. A FIGURA 4B anexa é um diagrama esquemático de uma outra modalidade de interligação das redes de Bragg na célula de carga.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

Sob um aspecto, a invenção trata de um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes, o transdutor compreendendo pelo menos duas células de carga instrumentadas com sensores a rede de Bragg para medir o deslocamento da mola utilizada na válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke do sistema de completação inteligente. O transdutor é capaz de quantificar um determinado deslocamento em função da deformação produzida na célula de carga óptica de modo que é possível monitorar em tempo real o percentual de abertura ou fechamento das válvulas de controle de vazão de produção e injeção em poços inteligentes. O transdutor de posição pode ser multiplexado a outros sensores de pressão, temperatura, vazão, posição, pH etc. em pontos específicos e através da mesma fibra óptica.

Conforme o conceito da invenção, a célula de carga instrumentada com sensores a rede de Bragg mede o deslocamento da mola utilizada na válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke do sistema de completação inteligente. A válvula é acionada por um sistema hidráulico ou elétrico e descansa sobre uma mola, que trabalha sempre sob compressão, o que garante o retomo a sua posição de equilíbrio após cessada a ação do sistema hidráulico. O deslocamento, em termos de abertura ou fechamento da válvula, será monitorado a partir da força de restauração na mola medida pela célula de carga instrumentada.

De um modo geral a célula de carga a ser instrumentada com a fibra óptica contendo redes de Bragg é de formato quadrado, dotada de um furo central. O transdutor é formado por uma única peça usinada, com as células de carga e anéis de sustentação das mesmas. A fibra óptica contendo duas redes de Bragg é fixada em locais da célula de carga sujeitos a deformações de sinais opostos, correspondentes a tração e compressão. As redes de Bragg são fixadas nas paredes internas da célula de carga eqüidistantes de 90°. O transdutor de posição utiliza pelo menos duas e até quatro ou mais células de carga (sensores) a fibra óptica contendo redes de Bragg eqüidistantes. O número máximo de células de carga depende do espaço anular disponível no transdutor. Em uma modalidade, as redes de Bragg estão fixadas em apenas uma célula de carga, no meio da superfície interna vertical e no meio da superfície interna horizontal da mesma. Após fixação, por qualquer dispositivo, das redes nas posições escolhidas, a fibra óptica contendo as redes de Bragg é conectada a um conector óptico.

Alternativamente, a fibra óptica contendo as redes de Bragg é inserida em duas ou três células de carga em série ou em paralelo, como mostrado a seguir nas Figuras 4A e 4B.

Quanto ao funcionamento do transdutor, conforme já mencionado acima, a célula de carga instrumentada mede o deslocamento da mola utilizada na válvula tipo sliding sleeve, rotativa ou choke do sistema de completação inteligente. O atuador da válvula sofre a ação de duas forças em sentidos opostos: uma exercida pelo sistema hidráulico (ou elétrico) e outra pela reação da mola. Subentende-se que o movimento (abertura ou fechamento) do atuador da válvula é provocado propositalmente pela variação da pressão hidráulica exercida sobre ele, gerando o desequilíbrio de forças. Consequentemente, a mola irá se mover. A compressão ou relaxamento da mola irá provocar uma variação proporcional da intensidade da força de reação sobre a célula de carga óptica (sensor de posição), servindo como base para o cálculo da posição do atuador.

Sob um outro aspecto, a invenção trata de um transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes adaptado para ser colocado junto à válvula de controle de fluxo e constituído de uma célula de carga instrumentada com redes de Bragg e pelo menos mais uma e até três células de carga instrumentadas ou não. No caso de quatro células (10), elas estarão dispostas a 90° umas das outras. A invenção será descrita a seguir em relação às Figuras anexas. A Figura 1A ilustra uma vista esquemática da célula de carga (10) usada no transdutor da invenção, geralmente designado pelo numeral (100). A célula (10) é composta de um corpo quadrangular (11) com um furo circular (12) na região central e um furo (13a) numa das laterais do corpo (11), dito furo sendo destinado à passagem da fibra óptica (não representada) contendo as redes de Bragg, a ser fixada nas regiões determinadas. O furo (13a) é tangente à superfície do furo (12) do corpo (11). Pinos (14a, 14b) são encarregados de transmitir a carga ao corpo (11). A Figura 1B ilustra uma vista esquemática de uma configuração alternativa da célula de carga (10) dotada de furos (13a) de entrada da fibra óptica e 13(b) de saída da fibra óptica, dito furo de saída estando em posição defasada em relação à região central da célula de carga (10). A Figura 2 ilustra as posições dos sensores a rede de Bragg no corpo (11) da célula de carga (10), esses sensores sendo destinados a medir deformação.

Conforme ilustrado na Figura 2, as redes de Bragg podem ser afixadas nas posições “a” (interna, à direita e esquerda na parte central do furo (13), “c“ (externa, à direita e esquerda na parte vertical do corpo (11)) e “b”, na região de um pino (14a/14b). Não é possível afixar uma rede de Bragg na outra posição “b" devido à presença do furo (13) destinado à passagem da fibra óptica (não representada).

Uma configuração possível é fixar uma rede de Bragg na posição “c” externa e outra rede de Bragg na posição “a” interna do corpo (11) da célula (10).

Quando o transdutor é carregado sob compressão, o comprimento de onda central da rede fixada em “c” deve aumentar, então o comprimento de onda do segundo sensor deverá se mover em direção oposta à do primeiro quando o transdutor de posição for carregado compressivamente pela mola. A diferença entre os dois comprimentos de onda (Δλ) será o parâmetro de interesse nas relações deformação-deslocamento.. A Figura 3A mostra uma vista em perspectiva do transdutor (100) de posição com a célula de carga (10). O transdutor (100) é constituído de uma única peça usinada, com pelo menos duas células de carga (10) que são sustentadas por anéis (20a;20b). As dimensões do transdutor (100) são tais que permitem a inserção do mesmo no espaço anular de uma válvula tipo sliding sleeve de um sistema de produção de petróleo. A Figura 3B mostra que o transdutor (100) é construído de tal modo a não apresentar arestas. Isto é devido à necessidade de inserção do transdutor em um espaço anular em uma válvula sliding sleeve. A Figura 3C é uma vista frontal do transdutor (100), com a célula de carga (10) e os anéis (20a,20b). A Figura 4A ilustra de modo esquemático uma modalidade de interligação das redes de Bragg em células de carga (10) conectadas em série. Nessa modalidade o corpo (11) da célula (10) contém mais um furo (13b) por onde a fibra óptica contendo redes de Bragg que entrou pelo furo (13a) é fixada na posição interna “a" e na posição interna “b” da dita célula e pode deixar o corpo (11) da célula (10) através do furo (13b), e continuar o trajeto em direção ao corpo (11) de uma outra célula de carga (10), onde entra através de um furo (13a) e sai por um furo oposto (13b), entrando em um terceiro corpo (11) de uma célula (10) via um furo (13a) e saindo por um furo (13b) para se conectar a um outro sensor de mesma tecnologia ou de tecnologia diferente.

Alternativamente a fibra óptica contendo redes de Bragg que entrou pelo furo (13a) pode deixar o corpo (11) da célula de carga (10), ser fixada na posição externa "c” e continuar o trajeto em direção ao corpo (11) de uma outra célula de carga (10), etc. A Figura 4B ilustra de modo esquemático uma outra modalidade de interligação das redes de Bragg nas células de carga (10) conectadas em paralelo. Nessa modalidade uma fibra óptica (14a) contendo redes de Bragg e ligada a um acoplador (15) entra pelo furo (13) do corpo (11) da célula (10), é afixada na posição interna “a” e na posição interna “b” da dita célula. De modo análogo, outras duas fibras ópticas (14b,14c) contendo redes de Bragg e conectadas ao mesmo acoplador (15) são afixadas nas mesmas posições respectivas do corpo (11) das células de carga (10).

Ainda uma variante compreendida no escopo da invenção é que se pode fixar mais uma rede de Bragg da mesma fibra óptica na posição “a” frontal à posição “a” onde já está fixada uma rede de Bragg.

Claims (5)

1. Transdutor de posição a fibra óptica para válvula de controle de vazão em poços inteligentes, caracterizado por que compreende uma única peça usinada, consiste de: a) pelo menos duas células de carga (10) cada uma, formada por uma moldura quadrangular com conectores que transmitem carga a moldura nos dois lados opostos; e tendo um buraco central, um orifício tangencial a este buraco, aonde pelo menos uma célula de carga é instrumentada com duas redes de Bragg com a fibra óptica (14) inseridas no orifício; b) anéis (20a, 20b) de sustentação, paralelas entre si, com as ditas células de carga (10) perpendicularmente posicionadas entre os conectores e igualmente espaçadas, de maneira que: o conjunto forma um transdutor destinado a medir o deslocamento da mola utilizada na válvula tipo “sliding sleeve”, “rotativa” ou “choque” do sistema de completação inteligente em função da deformação produzida na célula de carga (10).

2. Transdutor de posição de acordo com a reivindicação 1, em que as células de carga (10) estão conectadas em série.

3. Transdutor de posição de acordo com a reivindicação 1, em que as células de carga (10) estão conectadas em paralelo.

4. Transdutor de posição de acordo com a reivindicação 1, em que as redes de Bragg estão ligadas na parte externa de pelo menos uma célula de carga (10) instrumentada.

5. Transdutor de posição de acordo com a reivindicação 1, em que as redes de Bragg são ligadas no lado interno e no lado externo de pelo menos uma célula de carga (10) instrumentada.