BRPI0906845B1 - Aparelho para avaliar uma propriedade de fluido do fundo de poço, método para avaliação das propriedades de um fluido de fundo de poço, e método para monitorar poço de produção - Google Patents

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Abstract

aparelho para avaliar uma propriedade de fluido do fundo de poço, método para avaliação das propriedades de um fluido de fundo de poço, e método para monitorar poço de produção a presente invenção refere-se a método e um aparelho para avaliação de uma propriedade de fluido de poço usando um transportador transferível em um furo de poço, uma ou mais fontes de luz carregadas pelo transportador, por uma ou mais fontes de luz que compreendem pelo menos uma fonte de luz de laser da cascata quântica, por uma célula de amostra de fluido que recebe a luz emitida de uma ou mais fontes de luz, e pelo menos por um fotodetector que detecta a luz emitida de uma ou mais fontes de luz depois que a luz interagir com um fluido na célula de amostra de fluido.

Description

[001] A presente invenção refere-se, de um modo geral, a ferramentas de furo de poço e, em particular, a aparelho e métodos para espectrometria de fundo de poço.
2. INFORMAÇÕES ANTECEDENTES [002] Poços de óleo e gás têm sido perfurados em profundidades que oscilam de uns poucos milhares de pés a tão profundos quanto 5 milhas. Ferramentas de perfuração e cabo elétrico de perfilagem, frequentemente, incorporam vários sensores, instrumentos e dispositivos de controle a fim de realizar qualquer número de operações de fundo de poço. Essas operações podem incluir testagem de formação, análise de fluido e monitoração e controle de ferramentas.
[003] O ambiente nesses poços apresenta muitos desafios a fim de manter as ferramentas usadas na profundidade devido à vibração, a produtos químicos e à temperatura. A temperatura em aplicações de ferramentas de fundo de poço apresenta um único problema para essas ferramentas. As altas temperaturas de fundo de poço podem alcançar tão alto quanto 200°C (392°F) ou mais e equipamento eletrônico sensível pode requerer resfriamento a fim de operar adequadamente no ambiente de fundo de poço. Um problema adicionado é que o espaço no conjunto transportador, usualmente, é limitado a umas poucas polegadas em diâmetro.
[004] Espectrômetros de alta resolução, passagem de faixa para cada canal ótico 1-2, por exemplo, estão localizados, completa e tipi
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2/23 camente em uma localização de superfície com amostras de fluido sendo transportados para a superfície para análise ou usam fibras óticas para transportar luz da superfície para uma amostra de fundo de poço. Algumas ferramentas de cabo elétrico de perfilagem usam espectrômetros de fundo de poço que analisam fluidos no ambiente de fundo de poço, mas, em geral, em resolução espectral comparativamente baixa de passagem de faixa de 20 - 30 nm para cada canal ótico.
SUMÁRIO [005] O seguinte apresenta um sumário geral de diversos aspectos da exposição a fim de proporcionar uma compreensão básica de pelo menos alguns aspectos da exposição. Este sumário não uma visão geral extensiva da exposição. Não é pretendido identificar elementos chave ou críticos da exposição ou delinear o escopo das reivindicações. O sumário a seguir apresenta apenas alguns conceitos da exposição em uma forma geral como uma introdução à descrição mais detalhada que segue.
[006] É divulgado um aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço. O aparelho inclui um condutor transportável em um furo de poço, uma ou mais fontes de luz transportadas pelo transportador, a uma ou mais fontes de luz, compreendendo pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica uma célula de amostra de fluido que recebe luz emitida da uma ou mais fontes de luz e pelo menos um fotodetector que detecta luz emitida da uma ou mais fontes de luz, após a luz interagir com um fluido na célula de amostra de fluido.
[007] Em outro aspecto, um método para avaliação de uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui o transporte de uma ou mais fontes de luz em um furo de poço, usando um transportador, a uma ou mais fontes de luz compreendendo pelo menos uma fonte de luz de
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3/23 laser em cascata quântica , emitindo luz da pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica em direção a uma célula de amostra de fluido contendo um fluido de fundo de poço e detectando a luz emitida da pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica, após a luz interagir com o fluido de fundo de poço na célula de amostra de fluido, usando pelo menos um fotodetector.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [008] Para uma compreensão detalhada da presente exposição, será feita à descrição detalhada seguinte das diversas modalidades não limitativas, tomada em conjunto com os desenhos anexos, em que a elementos semelhantes foram dados numerais semelhantes e em que:
[009] A figura 1 é um sistema de cabo elétrico de perfilagem de acordo com diversas modalidades da exposição;
[0010] A figura 2 ilustra exemplo não limitativo de um sistema durante a perfuração (while-drilling) de acordo com a exposição;
[0011] A figura 3 é um exemplo não limitativo de um espectrômetro de fundo de poço que pode ser usado com sistemas, tais como, aqueles representados nas figuras 1 e 2; e [0012] As figuras 4 e 5 ilustram exemplos de espectrômetro de
Raman de fundo de poço de acordo com diversas modalidades da exposição.
DESCRIÇÃO DE MODALIDADES EXEMPLIFICATIVAS [0013] A presente invenção usa termos cujo significado ajudará no fornecimento de uma compreensão desta discussão. Como aqui usado, alta temperatura se refere a uma faixa de temperaturas experimentadas, tipicamente, em furos de poço para a produção de óleo. Para as finalidades da presente exposição, alta temperatura e temperatura de fundo de poço incluem uma faixa de temperaturas de cerca de 100° C (212° F) a cerca de 200°C (392°F).
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4/23 [0014] A figura 1 ilustra, esquematicamente, um exemplo não limitativo de um aparelho de cabo elétrico de perfilagem 100 de acordo com diversas modalidades divulgadas. No exemplo mostrado, um furo de poço 110 através de diversas formações subterrâneas 102. O furo de poço 110, tipicamente, será enchido ou pelo menos parcialmente enchido com uma mistura de fluido que pode incluir vários gases, água, fluido de perfuração e fluidos da formação, que são naturais das formações subterrâneas, penetradas pelo furo de poço. Essas misturas de fluido são aqui referidas como fluidos de furo de poço.
[0015] Uma ferramenta de avaliação de formação 120 é transportada no furo de poço 110 usando um cabo elétrico de perfilagem 104. O desdobramento e a recuperação do cabo elétrico de perfilagem podem ser realizados por um guincho acionado transportado por um caminhão de serviço 108, por exemplo. O cabo elétrico de perfilagem 104, tipicamente, é um cabo blindado que transporta dados e condutores de energia para fornecimento de energia para a ferramenta de avaliação de formação 120 e proporcionar comunicação de dados bidirecional entre o processador de ferramenta 112 e um controlador 114, que pode ser conduzido pelo caminhão de serviço 108. O cabo elétrico de perfilagem 104, tipicamente, é transportado de um carretel 116 através de uma polia 118, suportada por uma torre 122. O carretel 116 pode ser transportado pelo caminhão 108, conforme mostrado para operações em terra, por um aparelho de off-shore para operações submarinas ou por qualquer outra estrutura de suporte móvel ou fixa adequada. O controlador 114 pode incluir um processador 142, tal como dentro de um computador ou um microprocessador, dispositivos de armazenamento de dados, tais como fitas magnéticas e memória de estado sólido, periféricos, tais como dispositivos de entrada de dados e dispositivos de exposição e outro circuito para controlar e processador dados recebidos da ferramenta 120. O controlador de superfície
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114 pode ainda incluir um ou mais programas de computador embutidos em um meio legível em computador acessível ao processador 142 no controlador 114 para executar instruções contidas nos programas de computador para realizar os vários métodos e funções associados com o processamento dos dados da ferramenta 120. Em diversas modalidades a serem descritas em detalhes mais tarde, a ferramenta 120 inclui um espectrômetro de fundo de poço.
[0016] A porção inferior da ferramenta de avaliação de formação
120 pode incluir um conjunto de diversos segmentos de ferramenta, que são unidos extremidade com extremidade por luvas rosqueadas ou uniões de compressão mútua 124. Um conjunto de segmentos de ferramenta adequados para a presente invenção pode incluir uma unidade de energia hidráulica, elétrica ou eletromecânica 126 e um extrator de fluido de formação 128. Uma unidade de motor/ bomba de grande volume de deslocamento 130 pode ser proporcionada abaixo do extrator 128 para purgação de linha. Uma unidade de motor /bomba similar 132, tendo um volume de deslocamento menor pode ser incluída na ferramenta em uma localização adequada, tal como abaixo da bomba de grande volume para monitoração, quantitativamente, de fluido recebido pela ferramenta 120. Uma ou mais seções de depósito de tanque de amostra (duas são mostradas 134, 136) podem ser incluídas para retenção de amostras de fluido da bomba e pequeno volume 132. Cada seção de depósito 134, 136 podem ter diversos tanques de amostra 106.
[0017] O extrator de fluido de formação 128 pode incluir uma sonda de sucção extensível 138, que é oposta pelos pés de parede de furo 140. Ambos, a sonda de sucção 138 e os pés de oposição 140 podem ser extensíveis hidráulica ou eletromecanicamente, para encaixar firmemente a parede do furo de poço. Detalhes da construção e da operação de uma ferramenta adequada de extração de fluido 128 são
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6/23 descritos completamente pela patente U.S. No. 5.303.775, a especificação da qual é aqui incorporada através de referência.
[0018] A figura 2 ilustra, esquematicamente um exemplo não limitativo de um sistema de perfuração 200 em uma disposição de medição durante perfuração (MWD) de acordo com uma modalidade da exposição. A torre 202 suporta uma coluna de perfuração 204, que pode ser um tubo espiralado ou tubo de perfuração. A coluna de perfuração 204 pode transportar um conjunto de furo inferior (BHA) 220 e uma broca de perfuração 206 em uma extremidade distal da coluna de perfuração 204 para perfurar um furo de poço 210 através de formações de terra.
[0019] As operações de perfuração de acordo com diversas modalidades podem incluir fluido ou ''lama'' de perfuração por bombeamento de um poço de lama 222 e usando um sistema de circulação 224, circulando a lama através de um furo interno da coluna de perfuração
204. A lama sai da coluna de perfuração 204, na broca de perfuração 206, e retorna para a superfície através de um espaço anular entre a coluna de perfuração 204 e a parede interna do furo de poço 210. O fluido de perfuração é destinado a proporcionar a pressão hidrostática que é maior do que a pressão da formação, para evitar explosões. O fluido de perfuração pressurizado pode ainda ser usado para acionar um motor de perfuração 208 e pode proporcionar lubrificação para vários elementos da coluna de perfuração 204.
[0020] Na modalidade não limitativa da figura 2, o BHA 220 pode incluir uma ferramenta de avaliação de formação 120, uma unidade de potência hidráulica, elétrica ou eletromecânica 126, um processador de ferramenta 112 e um controlador de superfície 114. A ferramenta 120, a unidade de potência 126, o processador de ferramenta 112 e o controlador 114 podem ser substancialmente similares aos componentes numerados semelhantemente, descritos acima e mostrados na fi
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7/23 gura 1. A ferramenta de durante a perfuração 120 pode transportar um extrator de fluido 128, incluindo uma sonda 138 e pés de oposição 140. Em diversas modalidades a serem descritas em novos detalhes mais tarde, a ferramenta 120 inclui um espectrômetro de fundo de poço. O espectrômetro pode ser usado em modalidades de durante a perfuração ou nas modalidades de cabo elétrico de perfilagem 104.
[0021] Aqueles versados na técnica, com o benefício da presente exposição, reconhecerão que as diversas modalidades divulgadas são aplicáveis a uma instalação de produção de fluido de formação, sem a necessidade de ilustração adicional. Os diversos exemplos descritos abaixo e mostrados nas figuras 3 - 5 podem ser implementados usando um sistema de cabo elétrico de perfilagem, conforme descrito acima e mostrado na figura 1, podem ser implementados usando um sistema de durante a perfuração, conforme descrito acima e mostrado na figura 2 ou pode ser implementado em uma instalação de produção para monitorar os fluidos de produção.
[0022] A figura 3 ilustra, esquematicamente, um exemplo não limitativo de um espectrômetro de fundo de poço 300 de acordo com a exposição. O espectrômetro de fundo de poço 300 pode ser incorporado em qualquer uma de diversas ferramentas de cabo elétrico de perfilagem, incluindo a ferramenta de avaliação de formação 120 descrita acima e mostrada na figura 1. Em outras modalidades, o espectrômetro de fundo de poço pode ser incorporado em uma ferramenta de durante a perfuração, tal como a ferramenta 120 ou BHA 220, descrito acima e mostrado na figura 2. O espectrômetro de fundo de poço 300 pode incluir múltiplos canais ópticos, com cada canal óptico compartilhando uma ou mais fontes de luz. O espectrômetro de fundo de poço 300, em outras modalidades não limitativas, pode incluir múltiplos canais ópticos, com cada canal óptico tendo uma fonte de luz.
[0023] Em uma modalidade não limitativa, o espectrômetro de fun
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8/23 do de poço 300 pode incluir uma fonte de luz única 322. No exemplo não limitativo mostrado, o espectrômetro de fundo de poço 300 inclui um arranjo 302 de fontes de luz individuais 322. A fonte de luz 322 ou arranjo 302 emite luz em direção a uma célula de amostra de fluido 304 via um curso óptico 320. O curso óptico pode ser qualquer curso que proporcione transmissão óptica. Em uma modalidade, o curso óptico 320 pode incluir um espaço de ar. Em outra modalidade, o curso óptico 320 pode incluir uma fibra óptica ou uma pluralidade de fibras ópticas.
[0024] A célula de amostra de fluido 304 inclui pelo menos uma janela 306 para recebimento da luz emitida, de modo que a luz pode interagir com fluido 308 dentro da célula de amostra de fluido 304. Diversas configurações de células de amostra de fluido e janelas podem ser usadas em outras modalidades, sem afastamento do escopo da presente exposição. Por exemplo, para medir a transmitância óptica através de uma célula de amostra de fluido, pode-se usar um par de janelas. Medições de transflectância podem ser conduzidas usando uma única janela com um espelho na célula de amostra de fluido atrás da janela e tendo a amostra de fluido entre o espelho e a janela. Medições de refletância atenuada podem ser conduzidas usando uma única janela e coletando a luz resultante no mesmo lado da janela que a fonte de luz. Em outro exemplo, a luz pode ser coletada através de uma segunda janela para medições de dispersão e fluorescência de Raman. Dependendo da opacidade da amostra de fluido, a segunda janela pode coletar a luz resultante em 90 graus da direção da fonte de luz.
[0025] Continuando com o exemplo da figura 3, pelo menos um fotodetector 310 recebe pelo menos uma porção da luz após a luz interagir com o fluido 308. O fotodetector 310, que pode ser um único fotodetector de banda larga, é sensível à luz emitida da fonte de luz 322
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9/23 ou arranjo 302 e proporciona um sinal de saída indicativo da luz recebida no fotodetector 310. Em alguns casos, o sinal de saída do fotodetector é um sinal elétrico analógico. Um conversor de analógico para digital 312 pode ser usado para converter o sinal de saída do fotodetector em um sinal digital que é recebido por um processador que é parte de um controlador 314, 316. A luz emitida da fonte de luz 322 ou arranjo 302 pode ser modulada por um processador 142 dentro do mesmo controlador 314 que recebe a saída do fotodetector ou por um modulador separado em um segundo controlador 316. No exemplo mostrado, um controlador 314 é acoplado ao fotodetector 310 e um segundo controlador 316 é acoplado ao arranjo 302 para modulação da luz emitida pela fonte de luz 322 ou pelo arranjo 302. Esses controladores podem ser implementados como um controlador único, sem afastamento do escopo da exposição. Em outras modalidades, o controlador ou controladores 314, 316 podem estar localizados na superfície do furo de poço.
[0026] Em modalidades de cabo elétrico de perfilagem, a comunicação pode ser realizada via o cabo elétrico de perfilagem. Em modalidades durante a perfuração, a comunicação pode ser realizada via tubo cabeado, comunicação por tubo acústico ou por telemetria de pulso de lama. Em modalidades de cabo elétrico de perfilagem aqui divulgadas, a fonte de luz 322 ou o arranjo 302 podem estar localizados em uma localização de superfície de furo de poço e o curso de luz 320 pode incluir uma ou mais fibras ópticas que se estendem da localização de superfície até a ferramenta de fundo de poço, usando o cabo elétrico de perfilagem como um suporte. Nessa modalidade de fonte de luz 322 ou arranjo 302 de superfície, operações de espectroscopia aqui divulgadas podem ser realizadas pelo controle do arranjo 302 na superfície.
[0027] Em uma modalidade, a fonte de luz 322 ou o arranjo 302
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10/23 podem incluir um ou mais semicondutores emissores de luz, usados como as fontes de luz 322 individuais; Por exemplo, a uma ou mais fontes de luz 322 podem incluir um ou mais lasers em cascata quântica, que podem incluir um ou mais lasers de cascata quântica de guia de ondas de crista, um ou mais lasers de cascata quântica de guia de ondas de heteroestrutura enterrada, um ou mais lasers de cascata quântica de Fabry Perot, um ou mais lasers de cascata quântica de realimentação distribuída (DFB), um ou mais lasers de cascata quântica de refletor de Bragg distribuído (DBR) ou qualquer combinação dos mesmos. Como aqui usado, laser de cascata quântica ou QCL se refere, em geral, a lasers de cascata quântica, tipos dos quais incluem lasers de cascata quântica de guia de ondas de crista, a lasers de cascata quântica de guia de ondas de heteroestrutura enterrada, lasers de cascata quântica de Fabry Perot, lasers de cascata quântica de DFB e lasers de cascata quântica de DFB e lasers de cascata quântica de DBR. Lasers de cascata quântica mostram larguras de linha relativamente estreitas e boa capacidade de sintonia de comprimento de onda.
[0028] As fontes de luz 322 individuais podem ser operadas continuamente ou em um modo pulsado, para emitir uma luz de um comprimento de onda ou comprimentos de onda selecionados para a célula de amostra de fluido 304. Em diversas modalidades não limitativas, as fontes de luz individuais podem emitir luz na região de infravermelho, por exemplo, de cerca de 2,5 gm a cerca de 10 gm. O comprimento de onda de lasers de cascata quântica de DFB pode ser mudado de modo que a derivada do espectro pode ser medida, o que pode remover a exigência de calibração de base.
[0029] Em um exemplo não limitativo, as fontes de luz 322 individuais podem ser todas acopladas a uma única fibra óptica 320. As fontes de luz 322 individuais, como outras modalidades, podem ser aco
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11/23 pladas a uma pluralidade de fibras ópticas 320. As fontes de luz 322 individuais ou grupos de duas ou mais fontes de luz 322 individuais podem ser acoplados, independentemente, a uma ou mais fibras ópticas 320, onde cada fibra óptica transmite luz emitida de uma única fonte de luz 322 ou grupos de fontes de luz 322 individuais. Pelo menos uma porção da luz emitida pelas fontes de luz 322 individuais pode ser transmitida através das fibras ópticas 320 para a célula de amostra de fluido 304. A luz pode interagir, por exemplo, através de transmissão ou através de reflexão atenuada com o fluido 308 na célula de amostra de fluido 304. A luz pode ser detectada, após interação de fluido, pelo fotodetector 310. Em outras modalidades, o espectrômetro de fundo de poço 300 pode incluir fontes de luz 322 em arranjos que não são lasers de QCL. Fontes de luz 322 não QCL podem incluir canais ópticos que têm uma passagem de faixa mais larga e menos resolução do que uma fonte de luz de laser. Exemplos não limitativos de fontes de luz não QCL incluem diodos emissores de luz (LEDs), diodos de laser de fontes de luz de banda larga.
[0030] A luz emitida por cada fonte de luz 322 no arranjo 302 pode ser modulada pelo controlador 314, 316, 114 associado. O processador 142, que recebe o sinal de saída de detector 310, também pode receber um sinal do controlador 314, 316, 114, modulando o arranjo 302, onde o sinal do modulador é indicativo de que a fonte de luz 322 individual dentro do arranjo 302 emitiu a luz em um ponto particular no tempo ou de uma frequência particular ou de um comprimento de onda particular ou de uma intensidade particular. Quando cada fonte de luz é modulada e/ou selecionada para emitir um comprimento de onda predeterminado, então, nenhuma filtragem é requerida para distinguir espectros através da largura de banda larga do arranjo 302.
[0031] Múltiplos comprimentos de onda, emitidos pelos lasers de
QCL, dispostos em um arranjo podem ser detectados usando um úni
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12/23 co fotodetector. Os fotodetectores, tipicamente, experimentam, desvio com relação um ao outro à medida que a temperatura aumenta, significando que as características de resposta de cada fotodetector são únicas, quando submetidas às flutuações de temperatura. O uso de um fotodetector único elimina a necessidade de levar em conta as diferenças em como um fotodetector sofre um desvio com relação aos outros fotodetectores. Uma medição óptica comum é a absorvância, que é o logaritmo de base dez da relação de luz que entra em uma amostra de fluido para a luz que sai da amostra de fluido. Da experiência, observa-se que, embora uma resposta de fotodetector seja diminuída em temperaturas elevadas e sua linha de base se desvie, sua resposta ainda varia linearmente com a intensidade de luz incidente. Desse modo, o uso de um único fotodetector quando fazendo uma medição de relação, tal como a da absorbância, especialmente em altas temperaturas, evita erros devido ao desvio. Por causa de sua simplicidade, o espectrômetro 300 de acordo com a extremidade tem uma alta confiabilidade e é forte.
[0032] Cada fonte de luz 322 no arranjo 302 pode ser configurada ou selecionada para emitir uma luz tendo um comprimento de onda correspondente a um canal óptico diferente do espectrômetro 300. Em uma modalidade, a modulação das fontes de luz 322 inclui a ligação de cada fonte de luz individualmente e em sequência, usando o controlador 314, 316 de modo que cada fonte de luz 322 no arranjo 302 emite um comprimento de onda de luz específico através da célula de fluido 304 em um tempo diferente. Um espectro de absorção óptica pode, então, ser gerado através de comparação, para cada comprimento de onda, de uma resposta quando a célula de fluido está cheia com fluido com a resposta quando a célula está vazia.
[0033] Componentes de resfriamento de fundo de poço podem aperfeiçoar o desempenho. Por exemplo, o resfriamento, em alguns
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13/23 casos, poderia aperfeiçoar a relação de sinal para ruído do fotodetector e pode aumentar o brilho da fonte de luz. O resfriamento de um ou mais componentes de fundo de poço pode ser realizado usando um dispositivo de resfriamento 318. O dispositivo de resfriamento 318 usado pode ser qualquer número de dispositivos, exemplos dos quais incluem resfriamento termoelétrico, por termo-tunelamento, por sorção, evaporadores e Dewar. O resfriamento é opcional onde os componentes selecionados são compatíveis com o ambiente da temperatura de fundo de poço. O resfriamento também pode ser aplicado onde uma temperatura de operação de componente é menor do que no ambiente de fundo de poço e/ou onde o resfriamento pode melhorar o desempenho do componente. Em diversas modalidades, a fonte de luz 322 e/ou o arranjo 302 é compatível com o ambiente da temperatura de fundo de poço. Em outras modalidades, as fontes de luz 322 e/ou o arranjo 302 podem ser resfriadas usando o dispositivo de resfriamento 318.
[0034] A manutenção da pelo menos uma fonte de luz em uma temperatura constante poderia proporcionar estabilidade do comprimento de onda. Em uma modalidade, o arranjo é mantido em uma temperatura substancialmente constante e o comprimento de onda de cada fonte de luz pode ser modulado por meio da mudança rápida de sua temperatura através de uma pequena faixa de temperatura. Isso seria feito mais facilmente por meio da rápida mudança da corrente através da fonte de luz ou pela mudança de corrente elétrica fornecida para aquecedores resistivos auxiliares em contato térmico com cada fonte de luz. Em outra modalidade, o comprimento de onda é modulado pelo uso de uma cavidade externa. De modo alternativo, cada comprimento de onda de fonte de luz poderia ser ligeiramente modulado por meio da leve modulação de sua temperatura, o que é feito mais facilmente por intermédio da modulação da corrente através dela.
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14/23 [0035] Em outra modalidade, o comprimento de onda de cada
QCL pode ser modulado em uma frequência diferente, o que poderia poupar tempo através da vantagem de multiplexação associada com a medição de todos os comprimentos de onda simultaneamente com um único fotodetector. Então, a saída do fotodetector poderia ser filtrada (digitalmente ou em hardware) para recuperar aquela porção da resposta do fotodetector que se deve a qualquer laser particular.
[0036] Voltando agora à figura 4, um diagrama esquemático ilustra um espectrômetro de Raman 400, que pode ser usado no fundo de poço para análise de fluido retirado de uma formação. O espectrômetro de Raman 400 inclui pelo menos uma fonte de luz 405 que induz ou bombeia luz infravermelha 412 via um curso de luz 320 em um fluido 420 através de uma janela 414 feita em uma parede de uma câmara de fluido 416. Pelo menos uma fonte de luz 405 pode incluir um ou mais lasers de QCL, conforme descrito acima e mostrado na figura 3. O espectrômetro exemplificativo de Raman 400, conforme mostrado na figura 4, inclui um arranjo 410 de fontes de luz de QCL. O curso de luz 320 da pelo menos uma fonte de luz 405 até a janeira 414 pode incluir pelo menos uma fibra óptica, tal como a fibra descrita acima e mostrada na figura 3. O arranjo 410 deste exemplo não limitativo inclui múltiplas fontes de luz, produzindo luz infravermelha, por exemplo, luz infravermelha mediana, dentro de uma faixa de comprimento de onda relativamente estreita. De modo alternativo, o arranjo 410 pode produzir luz infravermelha monocromática múltipla (comprimento de onda único) de cada fonte de luz 405. A luz infravermelha 412 interage com o fluido 420 e pelo menos uma porção da luz é refletida de volta para um fotodetector 430. O fotodetector 430 produz um sinal sensível à luz, sinal que é recebido por um controlador 450 para análise. O fotodetector 430 pode ser qualquer fotodetector 430 pode ser qualquer fotodetector 430 que possa detectar espectros dos dispersores de Ra
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15/23 man, correspondendo à luz emitida da pelo menos uma fonte de luz 405 e/ou o arranjo 410. O controlador 450 pode ainda ser usado para pelo menos uma fonte de luz 405 modular a luz emitida da fonte de luz 405.
[0037] Os sinais do fotodetector são passados para o controlador
450, que pode incluir um processador 452 e memória para armazenamento de dados 454 e programas de computador 456. O controlador 450 recebe e processa os sinais recebidos do detector 430. Em um aspecto, o controlador pode analisar ou avaliar a luz detectada e transmitir um espectro da luz dispersa de Raman para um controlador de superfície, usando um transmissor 458. Em um aspecto, o controlador 450 pode analisar ou estimar uma ou mais propriedades ou características do fluido de fundo de poço e transmitir os resultados da avaliação para um controlador de superfície, usando o transmissor 458. Em outro aspecto, o controlador 450 pode processar os sinais recebidos do detector 430 até certo ponto e realizar a telemetria dos dados processados até um controlador de superfície, para produzir um espectro e para proporcionar uma estimativa in-situ de uma propriedade do fluido, incluindo o nível de contaminação da lama no fluido da formação. O espectro proporcionado pelo espectrômetro de Raman 400 pode ser usado para avaliar, por exemplo, a contaminação da lama baseada em óleo e os componentes relativos em óleos brutos de um ou mais compostos na amostra de fluido, como ésteres ou olefinas. [0038] A figura 5 é um diagrama esquemático não limitativo, mostrando uma porção de um espectrômetro de Raman 500 otimizado em superfície para estimar uma propriedade de um fluido de acordo com uma modalidade da exposição. O espectrômetro exemplificativo 500 mostrado inclui uma célula de amostra de fluido 516 para conter um fluido 520 a ser analisado. O fluido 520 pode ser estacionário ou pode estar circulando através da célula de amostra de fluido 516. A célula
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16/23 de amostra de fluido 516 inclui uma janela 514 para permitir que a luz passe para o fluido 520. O espectrômetro 500 inclui pelo menos um QCL 505 que emite luz 512. O espectrômetro 500, conforme mostrado na figura 5, inclui um arranjo 510 de fontes de luz de QCL que emitem luz 512. Cada laser no arranjo 510 pode emitir um comprimento de onda ou faixa de comprimentos de onda desejada. Um controlador 450, substancialmente, conforme descrito acima e mostrado na figura 4, pode ser usado para controlar a operação do arranjo 510 de QCL para modular os lasers do arranjo 510. O curso de luz do arranjo 510 até a janela 514 pode ser uma fibra óptica, tal como a fibra 320 descrita acima e mostrada na figura 3. A luz incidente 512 entra na célula de amostra de fluido 516 através da janela 514 em um ângulo selecionado. A luz dispersa de Raman 524 do fluido 520 deixa a janela 514. O fotodetector 510, similar ao fotodetector 430 descrito acima e mostrado na figura 4, detecta os espectros de Raman. Um processador 452 recebe os sinais do fotodetector 530 e processa os sinais para avaliar uma propriedade do fluido 520. O controlador 450 pode ainda incluir memória 454 e programas 456 para armazenamento de informação e programas para controlar a ferramenta. Igualmente, um transmissor 458 pode ser usado para se comunicar com os componentes localizados na superfície.
[0039] A fluorescência pode interferir com os sinais de Raman, de modo a aumentar a intensidade do sinal de Raman, uma superfície interna da câmara 516, incluindo a superfície interna da janela 514, pode ser revestida com partículas condutoras 526. As partículas condutoras 526 podem ser colocadas na forma de partículas metálicas dispersas, uma estrutura do tipo treliça ou em qualquer outra forma adequada, que acentuará a luz dispersa de Raman. As partículas condutoras podem acentuar o Efeito de Raman devido à ressonância Plasmon, que consiste em troca de energia entre os sinais de Raman e a onda de
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17/23 superfície que existe em uma camada condutor, tal como a camada de partículas 526. O espectrômetro 500 pode ser usado no fundo de poço para análise in-situ de um fluido, tal como o fluido retirado de uma formação. Em outras modalidades operacionais, o espectrômetro 500 pode ser usado na superfície para estimar uma ou mais propriedades ou características do fluido. O espectrômetro 500 pode ser usado para avaliar, por exemplo, a contaminação da lama baseada em óleo e componentes relativos em óleos brutos de um ou mais componentes na amostra de fluido, tal como a presença de ésteres ou olefinas.
[0040] Fazendo referência agora às diversas modalidades não limitativas descritas acima e mostradas nas figuras 1 - 5, alguém versado na técnica, com o benefício da presente invenção compreenderá melhor os diversos exemplos operacionais não limitativos. Um espectro óptico de absorção pode ser gerado usando espectroscopia de absorção de passagem única ou de passagens múltiplas para indicar a presença de uma ou mais moléculas especificadas em uma amostra de fluido. Filtrado de lama baseado em óleo frequentemente tem uma assinatura espectral distinta devido à presença de olefinas e ésteres, o que não ocorre, naturalmente, em óleos brutos. Por exemplo, as olefinas produzem picos na região de infravermelho de cerca de 800 cm-1 a cerca de 1000 cm-1 e ésteres produzem picos de cerca de 1.600 cm-1 a cerca de 1.800 cm-1. Em operação, o espectrômetro 300 de fundo de poço pode ser usado para avaliar a percentagem de contaminação de filtrado de lama com base em óleo de amostras de óleo bruto, à medida que elas estão sendo coletadas no fundo de poço. Pode-se continuar a retirada e o descarte de óleo removido da formação de fundo de poço até que a contaminação caia abaixo de um nível desejado e, então, desviar uma amostra de fluido limpo sendo retirada para um tanque de coleta de amostra.
[0041] Em um exemplo não limitativo, um método para estimar as
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18/23 propriedades do fluido de fundo de poço pode incluir o uso de qualquer uma de diversas modalidades de ferramenta descritas acima e mostradas nas figuras de 1 a 5. Em uma modalidade, um QCL pode ser usado para emitir luz infravermelha de um comprimento de onda desejado em direção a uma célula de amostra de fluido contendo um fluido. A luz interage com o fluido e é detectada por um fotodetector. Um sinal de saída do fotodetector pode, então, ser processado usando um processador de superfície ou de fundo de poço para avaliar uma ou mais propriedades do fluido na célula de amostra de fluido. Por exemplo, as propriedades podem incluir identificação de compostos particulares. Em diversas modalidades, o método pode ser usado para determinar se a amostra de fluido inclui óleos baseados em sintéticos, contendo olefinas e/ou ésteres ou se a amostra de fluido é uma amostra de fluido de formação original.
[0042] Em algumas modalidades, uma ferramenta, tal como o espectrômetro descrito acima, pode ser usada para monitoração permanente do poço. Nessas modalidades, o espectrômetro ou pelo menos uma porção do espectrômetro pode ser instalada dentro de um poço de produção para monitorar fluidos de produção. Em alguns casos, poços de produção podem produzir compostos prejudiciais e/ou gerar gases que podem causar danos ao equipamento ou perigos presentes no local do poço. Em um exemplo, o método inclui a monitoração de um poço de produção para avaliar as propriedades do fluido de produção. As propriedades do fluido podem incluir a presença de componentes prejudiciais, tais como, sulfeto de hidrogênio, sulfito de carbonila, cianeto, cianeto de hidrogênio, dióxido de enxofre e salmoura.
[0043] Em pelo menos uma modalidade, um ou mais espectrômetros ou pelo menos uma porção dos espectrômetros, conforme descrito e discutido acima, podem ser usados para periódica ou continuamente monitorar os fluidos da produção. Por exemplo, uma ou mais
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19/23 leituras podem ser tomadas com pelo menos um espectrômetro a cada 30 segundos, 1 minuto, dois minutos, 5 minutos, meia hora, hora, duas horas, ou qualquer intervalo periódico desejado. Em outro exemplo, pelo menos um espectrômetro pode adquirir dados, continuamente, os quais podem ser processados em tempo real ou armazenados e, se desejado, mais tarde analisados para proporcionar uma monitoração contínua do fluido de produção à medida que ele é adquirido.
[0044] Tendo descrito acima os diversos aspectos da exposição, alguém versado na técnica apreciará diversas modalidades particulares úteis na determinação de uma propriedade de uma estrutura de subsuperfície de terra, usando um espectrômetro de fundo de poço.
[0045] Em uma modalidade particular, um aparelho para avaliar uma propriedade de um fluido de fundo de poço inclui um transportador que pode ser transportado em um furo de poço com uma ou mais fontes de luz conduzidas pelo transportador. A uma ou mais fontes de luz incluem pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica. Uma célula de amostra de fluido recebe luz emitida da uma ou mais fontes de luz e pelo menos um fotodetector detecta luz emitida da uma ou mais fontes de luz após a luz interagir com um fluido na célula de amostra de fluido.
[0046] Em outra modalidade particular, um aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica que é um laser de cascata quântica de realimentação distribuída.
[0047] Em outra modalidade particular, um aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica que inclui pelo menos um dentre um laser de cascata quântica de guia de onda de crista, um laser de cascata quântica de guia de onda de heteroestrutura enterrada, um laser de cascata quântica de Fabry Perot, um laser de cascata
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20/23 quântica de realimentação distribuída e um laser de cascata quântica de refletor de Bragg distribuído.
[0048] Em diversas modalidades particulares, um aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui um modulador que modula luz emitida de pelo menos uma fonte de luz de laser de cascata quântica. Em uma modalidade, o modulador modula uma temperatura da pelo menos uma fonte de luz de laser de cascata quântica. Em outra modalidade, o modulador modula a temperatura pela troca de uma corrente elétrica fornecida a pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica. Em outras modalidades, o modulador modula um parâmetro e o parâmetro inclui uma ou mais de uma intensidade de luz, um comprimento de onda, um ciclo liga - desliga, uma frequência e uma temperatura.
[0049] Em outra modalidade particular, um aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui uma luz de transporte média óptica não linear, emitida para pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica para a célula de amostra de fluido. Em outra modalidade particular, o aparelho para estimar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui uma ou mais fontes de luz que incluem pelo menos um dentre um laser de cascata quântica de realimentação distribuída, um diodo emissor de luz, um diodo a laser e uma luz de banda larga.
[0050] Em uma modalidade particular, um aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui uma pluralidade de fontes de luz de laser em cascata quântica. Em uma modalidade particular, o aparelho para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui uma pluralidade de fontes de luz de laser em cascata quântica que emitem pelo menos dois comprimentos de onda de luz.
[0051] Em uma modalidade, um aparelho para estimativa de uma propriedade de fluido de fundo de poço tem um fotodetector 530 que
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21/23 compreende um único fotodetector tendo uma banda de resposta pelo menos tão larga quanto uma largura de banda emitida da uma ou mais fontes de luz.
[0052] Em uma modalidade particular, um método para estimativa de uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui o transporte de uma ou mais fontes de luz compreendendo pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica, emitindo luz da pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica em direção a uma célula de amostra de fluido 516 contendo um fluido de fundo de poço e detectando a luz emitida da pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica após a luz interagir com o fluido de fundo de poço na célula de amostra de fluido, usando pelo menos um fotodetector.
[0053] Em outra modalidade particular, um método para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica que é um laser de cascata quântica de realimentação distribuída.
[0054] Em diversas modalidades particulares, um método para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui a modulação da luz emitida da pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica. A modulação da luz pode incluir a modulação de uma temperatura, uma intensidade de luz, um comprimento de onda, uma frequência, um ciclo liga - desliga ou qualquer de suas combinações do pelo menos um laser de cascata quântica.
[0055] Em uma modalidade, um método para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui pelo menos uma fonte de luz de laser em cascata quântica que inclui uma pluralidade de fontes de luz de laser em cascata quântica. Em outra modalidade, o método inclui a emissão de luz em uma pluralidade de comprimentos de onda estreitos, em que cada fonte de luz de laser em cascata quântica emite um único comprimento de onda de luz.
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22/23 [0056] Em uma modalidade, um método para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui o recebimento de luz em um fotodetector usando um único fotodetector 530 tendo uma banda de resposta pelo menos tão larga quando uma largura de banda emitida do pelo menos um laser de cascata quântica. Em outra modalidade, o método inclui a emissão de luz de um primeiro laser de cascata quântica e um segundo laser de cascata quântica e passagem da luz emitida através de um meio óptico não linear para a célula de amostra de fluido.
[0057] Em diversas modalidades particulares, um método para avaliar uma propriedade de fluido de fundo de poço inclui ésteres, olefinas, ou ambos, e o método ainda inclui a avaliação da propriedade do fluido usando a luz detectada através do pelo menos um fotodetector. A propriedade de fluido pode incluir a avaliação do nível de contaminação de lama baseado em óleo em um óleo bruto.
[0058] A presente invenção deve ser levada em conta como ilustrativa em lugar de como limitando o escopo ou a natureza das reivindicações abaixo. Numerosas modificações e variações tornar-se-ão evidentes para aqueles versados na técnica após o estudo da exposição, incluindo o uso de substitutos funcionais e/ou estruturais equivalentes para elementos aqui descritos, o uso de acoplamentos funcionais equivalentes para acoplamentos aqui descritos e/ou o uso de ações funcionais equivalentes para ações aqui descritas. Essas variações não substanciais devem ser consideradas dentro do escopo das reivindicações abaixo.
[0059] Dada a exposição acima de conceitos gerais e modalidades específicas, o escopo de proteção é definido pelas reivindicações anexas. As reivindicações emitidas não devem ser tomadas como limitando o direito do Requerente à reivindicação descrita, exceto a matéria em questão não reivindicada literalmente por meio de um ou mais pe
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23/23 didos adicionais, incluindo aquele depositados de acordo com as leis dos Estados Unidos e/ou o tratado internacional.

Claims (17)

1. Aparelho (120) para avaliar uma propriedade de fluido do fundo de poço, o aparelho (120) caracterizado pelo fato de compreender:
um transportador transportável para dentro de um furo de poço (110, 210);
um arranjo de lasers (302, 410, 510) de cascata quântica transportadas pelo transportador;
um modulador configurado para aplicar uma temperatura substancialmente constante ao arranjo (302, 410, 510), o modulador configurado para modular pelo menos uma de uma frequência de luz emitida, um comprimento de onda da luz emitida, uma intensidade da luz emitida e uma temperatura de pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) do arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica em um ambiente de fundo de poço (110, 210);
uma célula de amostra de fluido (304, 516) que recebe a luz emitida de pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505); e pelo menos um fotodetector (310, 430, 530) configurado para ser operado em um ambiente de fundo de poço, que detecta a luz emitida de pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) depois que a luz detectada interage com um fluido (308) na célula de amostra de fluido (304, 516).
2. Aparelho (120), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o arranjo (302, 410, 510) de laser de cascata quântica inclui um ou mais de um laser de cascata quântica de guia de ondas de crista, de um laser de cascata quântica do guia de ondas de heteroestrutura enterrada, de um laser de cascata quântica de Fabry Perot, de um laser de cascata quântica de realimentação distribuída, e de um laser de cascata quântica do refletor de Bragg distribuído.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracteriza
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2/5 do pelo fato de que o modulador é configurado para modular ciclo de liga - desliga do pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505).
4. Aparelho (120), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de adicionalmente, compreender um meio ótico não-linear carregando a luz emitida a partir de pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) para a célula de amostra de fluido (304, 516).
5. Aparelho (120), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica compreende uma pluralidade de lasers de cascata quântica, a pluralidade de lasers de cascata quântica emitindo pelo menos dois comprimentos de onda de luz.
6. Aparelho (120), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um fotodetector (310, 430, 530) compreende um fotodetector único tendo uma banda de resposta pelo menos tão larga quanto uma largura de banda emitida a partir do arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica.
7. Método para avaliação das propriedades de um fluido de fundo de poço, caracterizado pelo fato de compreender:
o transporte de um arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica dentro de um furo de poço (110, 210) usando um transportador, o arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica compreendendo pelo menos um laser de cascata quântica tendo um parâmetro configurado para ser modulado em um ambiente de fundo de poço (110, 210), o parâmetro incluindo pelo menos uma de uma frequência de luz emitida, um comprimento de onda da luz emitida, uma intensidade da luz emitida e uma temperatura do pelo menos um laser de cascata quântica;
aplicar uma temperatura substancialmente constante ao ar
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3/5 ranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica;
emissão de luz de pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) em direção a uma célula de amostra de fluido (304, 516) contendo um fluido de fundo de poço; e detecção da luz emitida a partir de pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) depois da luz detectada interagir com o fluido de fundo de poço na célula de amostra de fluido (304, 516) usando pelo menos um fotodetector (310, 430, 530), configurado para ser operado em um ambiente de fundo de poço (110, 210), a propriedade do fluido sendo avaliada pelo menos em parte pelo uso da luz detectada por pelo menos um fotodetector.
8. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o arranjo (302, 410, 510) de laser de cascata quântica compreende um ou mais de um laser de cascata quântica do guia de ondas de crista, de um laser de cascata quântica do guia de ondas de heteroestrutura enterrada, de um laser de cascata quântica de Fabry Perot, de um laser de cascata quântica de realimentação distribuída, e de um laser de cascata quântica do refletor de Bragg distribuído.
9. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o parâmetro ainda inclui um ciclo liga/desliga do pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505).
10. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica compreende uma pluralidade de lasers de cascata quântica, e em que a emissão de luz compreende emitir a luz em uma pluralidade de comprimentos de onda estreitos, em que cada laser de cascata quântica emite um único comprimento de onda de luz.
11. Método de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a detecção de luz compreende o uso de um único fotodetector (310, 430, 530) tendo uma banda de resposta pelo menos
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4/5 tão larga quanto uma largura de banda emitida do arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica.
12. Método, de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a emissão da luz compreende a emissão da luz de um primeiro laser de cascata quântica e um segundo laser de cascata quântica, o método compreendendo, adicionalmente, a passagem da luz emitida por um meio óptico não linear para a célula de amostra do fluido (304, 516).
13. Método, de acordo com reivindicação7, caracterizado pelo fato de que a propriedade do fluido compreende ésteres, olefinas, ou ambos.
14. Método, de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a avaliação da propriedade do fluido compreende avaliar o nível de contaminação de lama baseado em óleo em um óleo bruto.
15. Método para monitorar poço de produção caracterizado pelo fato de compreender:
dispor um arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica em um poço e em comunicação de fluido com uma linha de produto de poço em produção, o arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica compreendendo pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) tendo um parâmetro configurado para ser modulado em um ambiente de fundo de poço (110, 210), o parâmetro incluindo pelo menos uma de uma frequência de luz emitida, um comprimento de onda da luz emitida, uma intensidade da luz emitida e uma temperatura do pelo menos um laser de cascata quântica;
aplicar uma temperatura substancialmente constante ao arranjo (302, 410, 510) de lasers de cascata quântica;
emissão de luz a partir do pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) em direção a uma célula de amostra de fluido
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5/5 (304, 516) contendo um fluido de produção; e detecção de uma luz emitida a partir do pelo menos um laser de cascata quântica (322, 405, 505) após a luz detectada interagir com o fluido de produção na célula de amostra de fluido (304, 516) usando pelo menos um fotodetector (310, 430, 530), configurado para ser operado em um ambiente de fundo de poço.
16. Método de acordo com reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a monitoração do fluido de produção para um ou mais contaminantes.
17. Método de acordo com reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o um ou mais contaminantes compreendem pelo menos um dentre sulfeto de hidrogênio, sulfeto de carbonila, cianeto, cianeto de hidrogênio, dióxido de enxofre e salmoura.
BRPI0906845-7A 2008-01-16 2009-01-14 Aparelho para avaliar uma propriedade de fluido do fundo de poço, método para avaliação das propriedades de um fluido de fundo de poço, e método para monitorar poço de produção BRPI0906845B1 (pt)

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