BRPI1005002A2

BRPI1005002A2 - conjunto de fonte de méltiplos canais para a espectroscopia de fundo de poÇo

Info

Publication number: BRPI1005002A2
Application number: BRPI1005002-7A
Authority: BR
Inventors: Jess V Ford; Thomas Blankinship; Bryan W Kasperski; Margareth C Waid; Sean M Christian
Original assignee: Precision Energy Services Inc
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2013-02-26
Also published as: US20130020480A1; US20110108719A1; US8164050B2; AU2010227019A1; EP2320214A2; CA2718452C; EP2320214B1; US8536516B2; CA2718452A1; EP2320214A3

Abstract

CONJUNTO DE FONTE DE MéLTIPLOS CANAIS PARA A ESPECTROSCOPIA DE FUNDO DE POÇO. A presente invenção refere-se a um conjunto de fonte de múltiplos canais para a espectroscopia de fundo de poço que tem fontes indivíduais que geram sinais ópticos através de uma faixa espectral de comprimentos de onda. Um conjunto de combinação combina opticamente os sinais gerados em um sinal combinado e um conjunto de roteamento divide o sinal combinado em um canal de referência e um canal de medição. Um circuito de controle eletricamente acoplado às fontes modula cada urna das fontes em frequências únicas ou independentes durante uma operação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO DE FONTE DE MÚLTIPLOS CANAIS PARA A ESPECTROSCOPIA DE FUNDO DE POÇO".

REFERÊNCIA CRUZADA DE PEDIDOS RELACIONADOS O presente pedido é depositado simultaneamente com o Pedido

de Patente N. de Série / e intitulado "Multi-Canal Detector Assembly for Downhole Spectroscopy" (Caso N. 135-0078US1), e com o Pedido de Patente N. de Série 12/613 665 e intitulado "Filter Wheel Source Assembly for Downhole Spectroscopy", (Caso N. 135-0079US), ambos incorporados ao presente documento a título de referência em suas totalidades.

ANTECEDENTES

Ferramentas de fundo de poço usam vários tipos de sensores para testar uma formação de fundo de poço, analisar fluidos, e realizar ou- tras operações. Uma vez que o ambiente de fundo de poço tem altas tempe- raturas, altas pressões, produtos químicos severos, e vibrações mecânicas, as ferramentas de fundo de poço devem ser mecanicamente projetadas para lidar com os problemas associados a tais condições severas, e os sensores de fundo de poço devem ser capazes de operar com precisão analítica e confiabilidade. Adicionado a etes desafios, os sensores de fundo de poço devem se encaixar no espaço limitado disponível no ambiente de fundo de poço, devem ser leves e de pouco consumo de energia, e ter um grande al- cance dinâmico.

Na técnica anterior, espectrofotômetros, espectrômetros, espec- trofluorímetros, analisadores de índices refrativos, e dispositivos similares têm sido utilizados para analisar fluidos de fundo de poço por meio da medi- ção da resposta espectral dos fluidos. Cada um destes dispositivos tipica- mente utiliza alguma forma de radiação EM (eletromagnética) para realizar a sua função (isto é, analisar o fluido). Em geral, os comprimentos de onda da radiação EM podem ser faixas de raios X, gama, ultravioleta, visíveis, infra- vermelhas ou qualquer combinação destas faixas. Quando a radiação é de- tectada, a resposta pode identificar as características do fluido analisado, como, por exemplo, o tipo de fluido (por exemplo, petróleo, água, e/ou gás), o nível de contaminação por filtrados, a composição dos hidrocarbonetos (por exemplo, a quantidade de metano (C1), etano (C2), propano (C3), etc), a razão de gás para óleo (GOR), etc. O conhecimento destas características pode, então, ser empregada para modelar o reservatório, a produção plana, . 5 e realizar outras tarefas.

Diversos dispositivos ópticos têm sido desenvolvidos na técnica para a análise espectral. Por exemplo, um espectrômetro descrito na Paten- te U.S. N. 6.075.595 se baseia nos diodos emissores de luz (LEDs) e é ca- paz de refletir para um único canal óptico. Vide também Malinen et ai, "LED- based NIR Spectrometer Module for Hand-Held and Process Analyser Appli- cations," Sensors & Actuators B, vol. 51, N. (1-3), pp. 220-226 (1998). Em outro exemplo, um fotômetro de múltiplos comprimentos de onda usa sete LEDs, fibras óticas plásticas de 1 mm, um acoplador 7x2, e dois fotodiodos. Vide Hauser et ai, "A Multi-wavelength Photometer Based on Light-Emitting Diodes," Talanta, vol. 42, N. 4, pp. 605-612 (1995). Ainda outros espec- troscópios pequenos também usam LEDs. Vide Cantrell et ai, "The SLIM Spectrometer," Analytical Chemistry, vol. 75, N. 1, pp. 27-35 (2003); Vide também Yeh et ai, "Low Cost LED Based Spectrometer", Journal of the Chi- nese Chemical Society, vol. 53, pp. 1067-1072 (2006). Nenhum destes dis- positivos é adequado para uso em um ambiente de fundo de poço devido à temperatura severa e demandas de pressão no ambiente de furo de poço.

Outros dispositivos descritodescritos na técnica podem ser usa- dos em fundo de poço. Na Patente U.S. N. 6 476 384 para Mullins et ai, por exemplo, um dispositivo tem uma fonte de lâmpada de halogênio de banda larga e tem uma roda chopper mecânica acionada por um motor. A lâmpada é refletida em um feixe de fibras ópticas, e a luz do feixe é direcionada para um fotodiodo usado para sincronizar o motor da roda chopper. Uma roda de calibração acionada por uma chave de solenoide rotativa seleciona se a luz do feixe passa para um primeiro caminho, um segundo caminho, ou ambos. No primeiro caminho, a luz é direcionada para um distribuidor de luz que faz parte de um detector. No segundo caminho, a luz é provida como uma en- trada para uma célula de medição e é em seguida direcionada para o distri- buidor de luz para o detector. O distribuidor de luz distribui a luz recebida dos caminhos para diversos canais diferentes, com cada canal tendo uma lente, um filtro passa banda, e um fotodiodo. Embora esta fonte de banda larga do dispositivo provenha de fato diversos canais espectrais, o dispositi- . 5 vo deve usar um chopper mecânico, não pode realizar uma detecção síncro- na, e requer um sistema de detecção espectral complexo consistindo em múltiplos fotodiodos (ou seja, um por canal espectral).

Nas Patentes U.S. Ns. 7 336 356 e 7 379 180 para Vannuffelen et ai, um dispositivo tem uma fonte de banda larga. O dispositivo usa uma roda chopper rotativa girada por um motor a fim de modular a freqüência de referência e caminhos de medição independentemente. Por exemplo, o ca- minho de medição tem uma primeira freqüência e é dividido em duas partes, e o caminho de referência tem uma segunda freqüência e é dividido em duas partes. Cada uma destas partes é em seguida roteada para múltiplos siste- mas de detecção.

Na Publicação de Patente U.S. N. 2007/0109537, Vannuffelen et al. apresenta uma abordagem alternativa que utiliza choppers mecânicos e motores. Infelizmente, esta abordagem, em termos de desenho, é aparen- temente limitada à espectroscopia de varredura convencional (CRS), que envolve a varredura de uma pluralidade de fontes ou comprimentos de onda de medição de uma maneira seqüencial usando um tempo fixo por canal (ou seja, uma fonte ou comprimento de onda). Como conseqüência, a espec- troscopia CRS impede a detecção síncrona de todos os canais espectrais. Além disso, o dispositivo requer sinais de referência e medição para ser de- convolvido usando um único detector. Uma vez que o sinal de convolução que usa um único chopper mecânico resulta em harmônicos compartilhados, o dispositivo utiliza conjuntos choppers mecânicos duplos a fim de evitar a complicação de harmônicos compartilhados. Embora isto possa simplificar o sinal de deconvolução, isto também acrescenta maior complexidade aos dispositivos e aumenta as questões relativas ao espaço, à confiabilidade mecânica, e à precisão.

Outro dispositivo para a análise de fluidos em fundo de poço descrito na Publicação de Patente U.S. N. 2007/0013911 para DiFoggio et aí. provê uma Espectroscopia de modulação de comprimento de onda (WMS). O dispositivo utiliza uma fonte de feixe de luz estreita e um filtro óp- tico sintonizável (TOF). Nas apresentações adicionais das Patentes U.S. Ns. . 5 7 280 214 e 7 362 422, ambos os filtros elétricos sintonizáveis e os filtros mecânicos (ou seja, rotativos) sintonizáveis são usados para a espectrosco- pia WMS. Conforme imaginado, a espectroscopia WMS elimina a necessi- dade de um segundo canal de referência espectral. No entanto, os dispositi- vos têm uma faixa espectral limitada, o que limita o seu uso na análise de fluidos em fundo de poço. Em termos específicos, cada filtro, quer elétrico ou mecânico por natureza, possui uma largura de banda espectral sintonizável limitada. Para aumentar a faixa espectral, o dispositivo requer múltiplas fon- tes de banda estreita e filtros sintonizáveis, que são mecanicamente compli- cados para o ambiente de fundo de poço. Além disso, o dispositivo usa um único sistema de detecção de canal que impede a detecção síncrona, uma vez que os filtros ópticos sintonizáveis são atuados usando um único conjun- to de motor, o que oferece a cada canal espectral uma freqüência fundamen- tal comum.

Conforme descrito na Publicação de Patente U.S. N. 2008/0165356 para DiFoggio et al., um outro dispositivo tem uma fonte de arranjo de diodos de laser contendo uma pluralidade de fontes de luz de se- micondutor que permitem uma varredura (CRS) convencional e uma varre- dura síncrona de Hadamard e de Transformada Rápida de Fourier (FFT). No entanto, o dispositivo não apresenta uma maneira para dinamicamente esca- Ionar a resposta espectral, e as fontes do dispositivo não apresenta uma maneira para refletir um grande número de canais espectrais em um único analisador espectral.

Portanto, à luz do acima descrita, falta na técnica uma fonte de múltiplos canais de banda larga viável para a análise espectral de fundo de poço que permita uma operação de autorreferência, de baixo custo, uma detecção síncrona, e um aperfeiçoamento S/N que utilize uma modulação discreta de canais espectrais individuais. SUMARIO

Um conjunto de fonte de múltiplos canais pode ser usado em uma ferramenta de fundo de poço para prover sinais ópticos para a espec- troscopia de fundo de poço. O conjunto de fonte tem fontes individuais que . 5 geram sinais ópticos através de uma faixa espectral de comprimentos de onda. Um conjunto de combinador combina opticamente os sinais gerados em um sinal combinado, e em seguida um conjunto de roteamento roteia o sinal combinado para um canal de referência e um canal de medição. Um circuito de controle eletricamente acoplado às fontes pode modular cada uma das fontes em uma única freqüência ou freqüência independente duran- te uma operação.

O circuito de controle pode incluir uma pluralidade de entradas e saídas para o controle externo das fontes. Este controle externo pode ser manual ou automatizado e pode ser recebido de um equipamento de super- fície ou um controlador de fundo de poço. Quando provido, o controle exter- no pode operar o conjunto de fonte a fim de lidar com condições variáveis, tais como uma mudança de temperatura, uma mudança no modo de opera- ção desejado, etc. Ainda, o controle externo pode operar o conjunto de fonte a fim de lidar com eventos que requerem uma sincronização exata por meio do acionamento de sinais tanto para ligar como para desligar o circuito. Um esquema automatizado para controlar o conjunto de fonte pode usar as me- dições de amplitude do canal de referência. Estas medições podem ser en- tregues ao circuito de controle de fonte a partir de um conjunto de detecção externo para detectar os sinais ópticos do canal de referência e prover os sinais detectados como uma realimentação ao circuito de controle de fonte. Por sua vez, o circuito de controle de fonte pode usar a realimentação para controlar as fontes individuais.

Em uma implementação, o conjunto de roteamento tem um ou mais acopladores opticamente acoplados a cada uma das fontes e tem um roteador opticamente acoplado aos acopladores para dividir os sinais combi- nados nos canais de referência e de medição. Os acopladores podem ser fibras ópticas, cada qual tendo uma das fontes refletidas nos mesmos. Cada uma das fibras pode, em seguida, se enfeixar entre si em um feixe de fibras opticamente acopladas a um roteador. De maneira alternativa, as fibras po- dem ser fundidas uma à outra usando a topologia de árvore. Em uma outra alternativa, o acoplador pode ser um espelho segmentado tendo as fontes . 5 dispostas em torno do mesmo. Este espelho segmentado pode refletir os sinais ópticos de cada uma das fontes para pelo menos um cabo de fibra óptica opticamente acoplado ao roteador. Em ainda outra alternativa, os a- copladores podem ser uma série de filtros dispostos adjacentes às fontes que refletem pelo menos uma porção dos sinais ópticos de cada uma das fontes adjacentes para o mesmo cabo de fibra óptica.

Em uma implementação, o conjunto de roteamento (também re- ferido como um roteador) tem um divisor que divide fracionalmente o sinal combinado das fontes nos canais de referência e de medição. De maneira alternativa, o roteador pode ser um elemento óptico adaptativo ou elemento óptico de varredura que oscila entre duas ou mais orientações. O elemento óptico de varredura na primeira orientação produz o canal de referência, en- quanto o elemento óptico de varredura na segunda orientação produz o ca- nal de medição. Embora o elemento óptico de varredura reflita assincroni- camente os canais de referência e de medição, o elemento óptico de varre- dura pode prover uma saída de sinal aperfeiçoada, especialmente se o mesmo for executado em uma freqüência substancialmente mais baixa com relação à modulação dos canais ópticos individuais.

Em uma implementação, as fontes são espacialmente configu- radas em um arranjo, e o conjunto de roteamento pode ser uma rede de di- fração transmissiva ou refletiva opticamente acoplada às fontes espacial- mente configuradas. A rede de difração pode combinar os sinais gerados das fontes em um feixe óptico comum que é em seguida refletido usando um roteador para um canal de referência e um canal de medição. De maneira alternativa, o canal de referência pode ser retirado no ponto de imagem do conjunto de rede de difração usando uma segunda fibra óptica para o canal de referência. No entanto, em uma modalidade preferida, o canal de medi- ção é refletido usando a reflexão de primeira ordem da rede de difração, e o canal de referência é refletido usando a reflexão de segunda ordem da rede de difração, por meio do que removendo a necessidade de um conjunto de roteador e aumentando a eficiência espectral do conjunto de fonte.

Em operação, o circuito de controle controla as fontes por meio . 5 da modulação eletrônica das fontes. Em geral, o circuito de controle pode operar todas as fontes simultaneamente, um subconjunto das fontes simul- taneamente, ou cada fonte individualmente. Por exemplo, o circuito de con- trole pode operar as fontes em um modo de codificação síncrona no qual cada qual dentre duas ou mais fontes é operada simultaneamente e modu- Iada com uma freqüência única para gerar sinais ópticos. De maneira alter- nativa, o circuito de controle pode operar as fontes em um modo de codifica- ção assíncrona no qual cada qual dentre duas ou mais fontes é operada de uma maneira serial com apenas uma fonte ligada em qualquer ponto no tempo. Além disso, as fontes podem ser operadas em um modo de codifica- ção assíncrona de Transformada de Hadamard no qual uma seqüência úni- ca de um subconjunto das fontes é operada de uma maneira cíclica com a- penas um subconjunto das fontes em operação em um dado ponto no tem- po.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 ilustra uma ferramenta de fundo de poço tendo um

dispositivo de medição para análise de fluido.

A figura 2A ilustra esquematicamente um dispositivo de medição para análise de fluido tendo um conjunto de fonte de múltiplos canais, os canais de referência e de medição, uma unidade de amostra, um circuito de controle, e uma unidade de detector.

A figura 2B mostra a operação geral do dispositivo de medição mostrado na figura 2A.

A figura 3A ilustra uma primeira disposição de um conjunto de fonte de múltiplos canais tendo múltiplas fontes espectrais e tendo um con- junto de roteador com um divisor e refletor.

A figura 3B ilustra uma segunda disposição de um conjunto de fonte de múltiplos canais tendo múltiplas fontes espectrais e tendo um ele- mento óptico adaptativo.

As figuras 4A-4B ilustram disposições de alojamento para o con- junto de fonte de múltiplos canais descritos.

A figura 5A ilustra um conjunto de acoplamento de feixe tendo _ 5 fontes individuais e fibras.

A figura 5B ilustra uma vista final de um feixe de fibras para o conjunto de acoplamento de feixe da figura 5A.

As figuras 6A-6B ilustram um acoplamento de fibra entre uma fonte individual e um canal óptico. A figura 7 ilustra como o conjunto de acoplamento de feixe da fi-

gura 5A-5B pode ser refletido em um único canal óptico.

A figura 8 ilustra outro conjunto de acoplamento de feixe tendo uma topologia de árvore.

A figura 9 ilustra outro conjunto de acoplamento de feixe tendo um espelho segmentado.

As figuras 10A-10B ilustram conjuntos de acoplamento em mas- sa tendo uma série de fontes e filtros que refletem os sinais ópticos em um único canal óptico.

As figuras 11A-11B ilustram conjuntos de acoplamento em mas- sa adicionais tendo uma disposição não linear de fontes e filtros que reflete os sinais ópticos em um único canal óptico.

As figuras 12A-12B ilustram conjuntos de acoplamento em mas- sa utilizando microbancos ópticos.

As figuras 13A a 13D ilustram conjuntos de acoplamento de fei- xes que usam um arranjo de fontes e uma rede de difração.

As figuras 14A-14B ilustram um conjunto de roteamento tendo um divisor / refletor.

A figura 15A ilustra uma vista lateral de um dispositivo de medi- ção tendo um conjunto de fonte de múltiplos canais e uma unidade de detec- tor.

A figura 15B ilustra diagramaticamente disposições para o con- junto de fonte e as unidades de detector do dispositivo da figura 15A. A figura 16 ilustra esquematicamente um circuito de controle pa- ra o conjunto de fonte de múltiplos canais descrito.

DESCRIÇÃO DETALHADA

A.Ferramenta de Fundo de poço tendo um Dispositivo de Medi- . 5 ção para a Análise de Fluidos

Uma ferramenta de fundo de poço 10 da figura 1 tem um dispo- sitivo de medição 30 para uma amostragem in situ e análise de fluidos em um furo de poço. Um aparelho de transporte 26 na superfície desdobra a ferramenta 10 no fundo de poço usando um tubular, um cabo, uma tubula- ção, ou componente similar 27. Conforme mostrado na figura 1, a ferramenta pode ser um testador de formação, tal como o descrito na Publicação de Patente US. N. 2008/0173083, depositado em 24 de janeiro de 2007, que é incorporada no presente documento a título de referência. No entanto, o dis- positivo de medição 30 pode ser estendido em qualquer ferramenta adequa- da utilizada em um teste de formação de tubulação, transporte de madeira de produção, Arrasto de Madeira Durante Perfuração / Medição Durante Per- furação (LWD/MWD), ou outras operações.

1 .Ferramenta de Fundo de poço

Conforme mostrado na figura 1, a ferramenta de testador de formação ferramenta 10 tem linhas duplas de fluxo de fluido 24/25 que se estendem através das seções da ferramenta 10 e são funcionalmente confi- guráveis. No entanto, outros tipos de ferramentas de testador de formação podem também ser usados, tais como as que têm uma única linha de fluxo. Em operação, uma sonda 12 tendo um orifício de admissão arrasta fluido para dentro da ferramenta 10. Para isolar as amostras de fluido de formação de contaminados na coroa anular, a ferramenta 10 pode usar elementos de isolamento, tais como mpanques 11 ou outros dispositivos, a fim de isolar uma região da formação.

Uma bomba 20 em seguida bombeia o fluido coletado da sonda 12 para a ferramenta 10 através das linhas de fluxo 24/25. O fluido, que po- de conter componentes de hidrocarboneto (sólido, líquido, e/ou gás) como também um filtrado de lama de perfuração ou outros contaminantes, escoa através da ferramenta 10, e vários instrumentos e sensores na ferramenta analisam o fluido. Por exemplo, uma seção de medição 14 pode ter sen- sores que medem vários parâmetros físicos (ou seja, pressão, temperatura, etc) do fluido, e o dispositivo de medição 30 da seção de análise de fluido 16 . 5 pode determinar as propriedades físicas e químicas do óleo, da água, e dos constituintes gasosos do fluido no fundo de poço. Eventualmente, o fluido direcionado através das linhas de fluxo 24/25 pode ser purgado para a coroa anular ou pode ser direcionado para o transportador de amostra 18 no qual as amostras podem ser retidas para uma análise adicional na superfície. Outros componentes 22 da ferramenta 10 podem operar hidrau-

Iicamente válvulas e outros elementos dentro da ferramenta 10, podem pro- ver controle e força para diversos equipamentos eletrônicos, e podem comu- nicar dados através de uma fiação ou telemetria de fluido à superfície. Acima do furo, o equipamento de superfície 28 pode ter uma unidade de telemetria de superfície (não mostrada) para se comunicar com os componentes de telemetria da ferramenta de fundo de poço. O equipamento de superfície 28 pode ter ainda um processador de superfície (não mostrado) que realiza um processamento adicional dos dados medidos pela ferramenta 10.

2.Dispositivo de Medição para a Análise de Fluido em Fundo de

poço

Conforme acima notado, a seção de análise de fluido 16 usa o dispositivo de medição 30 para a análise de fluido em fundo de poço. De- pendendo da configuração e dos tipos de fontes e detectores utilizados e sua orientação com relação a uma amostra, o dispositivo de medição 30 po- de operar como um analisador fotométrico, um refletômetro, um espectros- cópio, um espectrofotômetro, um espectrômetro, ou coisa do gênero. Por exemplo, o dispositivo de medição 30 pode operar como um analisador fo- tométrico de múltiplos canais no qual comprimentos de onda discretos são interrogados por uma dada faixa de medição. Em um uso comum, tal anali- sador fotométrico de múltiplos canais pode ser referido como um espectrô- metro. Deste modo, o dispositivo de medição 30 pode usar vários canais espectrais para realizar a análise espectroscópica do fluido em passagem no fundo de poço com relação ao mesmo à medida que o fluido é bombeado através da ferramenta 10 (figura 1). Assim sendo, a análise espectroscópica aqui apresentada pode incluir, mas sem ficar limitada à, análise de transmis- são, absorbância, ou ambas as coisas, e pode aplicar uma técnica quimio- . 5 métrica, de espectroscopia derivativa, ou outras técnicas conhecidas na arte. Os detalhes de como um espectroscópio pode ser implementado em uma ferramenta de fundo de poço são descritodescritos na Patente U.S. N. 7 508 506, que é incorporada ao presente documento a título de referência.

Conforme esquematicamente mostrado na figura 2A, o dispositi- vo de medição 30 tem um conjunto de fonte de múltiplos canais 40, uma u- nidade de amostra 70, e uma unidade de detector 80. O conjunto de fonte 40 tem uma pluralidade de fontes 42, um acoplador 44, um roteador 46, e um circuito de controle 48. Quando operado, o conjunto de fonte 40 gera sinais ópticos com as fontes 42, e o acoplador 44 combina os sinais gerados das fontes 42 e acopla o sinal combinado ao roteador 46. Por sua vez, o roteador 46 roteia o sinal combinado para um canal de referência 60 e para um canal de medição 50 a fim de interrogar uma amostra.

O conjunto de fonte de fundo de poço 40 de preferência atende a características específicas. De preferência, o conjunto de fonte 40 oferece uma fonte de banda larga de sinais ópticos (radiação eletromagnética (EM)), mas contém um número de canais independentemente operáveis (ou seja, regiões de comprimento de onda) que são espectralmente alinhados de mo- do a cobrir uma ampla faixa espectral. Portanto, as fontes individuais 42 que geram os sinais ópticos de preferência possuem um comprimento de onda discreto ou uma distribuição de comprimentos de onda através de um espec- tro de comprimentos de onda, e as fontes 42 de preferência provêem canais ópticos únicos (ou seja, regiões de comprimento de onda) de interesse que são adequados a diversas aplicações e os comprimentos de onda desejados em um ambiente de fundo de poço. Em geral, a combinação das fontes 42 pode prover uma distribu-

ição espectral contínua por uma ampla faixa espectral. De maneira alternati- va, as fontes 42 podem cobrir uma ampla faixa espectral tendo uma distribu- ição espectral não contínua de duas ou mais regiões espectrais contínuas interpostas por pelo menos uma região espectral escura. Conforme descrito abaixo e dependendo da implementação, cada fonte 42 é de preferência ca- paz de uma modulação independente em uma freqüência única ou indepen- . 5 dente, que permite uma detecção síncrona. Além disso, uma ou mais dentre as fontes 42 podem ser espectralmente filtradas e espacialmente formadas usando uma série de elementos ópticos. Finalmente, o conjunto de fonte 40 de preferência permite uma escala contínua de sinal usando uma correção de referência e escura in situ e é de preferência de pouco consumo de ener- gia e durável. Além disso, o conjunto de fonte 40 de preferência permite uma escala dinâmica ao usar o seu canal de referência integrado e a correção escura dinâmica e ao usar a sua capacidade de desligar todas as fontes 42 ou bloquear todas as saídas dos canais de medição e de referência no co- mando. Finalmente, o conjunto de fonte 40 de preferência consome pouca energia e é durável.

Para ajudar a atender às características acima, as fontes 42 do conjunto 40 de preferência incluem fontes de estado sólido de múltiplos ca- nais, incluindo, porém não se limitando aos diodos emissores de luz (LED), aos diodos emissores de luz superluminescentes (SLED), e aos diodos de laser (LD)1 nos quais cada uma das fontes individuais 42 é acoplada usando um feixe de fibras, um acoplador de fibras, como, por exemplo, um acopla- dor do tipo estrela, um acoplador espectral de massa, ou algum outro aco- plador 44, conforme aqui descrito.

Uma operação mais detalhada do dispositivo de medição 30 é apresentada simultaneamente com referência à figura 2B. O circuito de con- trole 48 modula as fontes individuais do conjunto 42 em freqüências únicas ou independentes e codifica os sinais gerados de modo que uma Varredura Convencional (CRS), uma Transformada de Fourier (FT), ou outros métodos conhecidos aos versados na técnica possam ser usados em uma análise espectroscópica (Bloco 90). O acoplador 44 opticamente se acopla aos si- nais gerados de cada uma das fontes 42 e combina os sinais gerados em um canal de entrada (Bloco 91). Opticamente acoplado a este canal de en- trada, o roteador 46 roteia o canal de entrada para um canal de medição 50 e para um canal de referência 60 (Bloco 92). Em toda esta apresentação, estes canais 50/60 ou caminhos de luz são referidos como "um canal de medição" e "um canal de referência" a fim de indicar que o canal de medição . 5 50 interroga a amostra com a radiação EM enquanto o canal de referência 60 é usado para um referenciamento contínuo. Embora um canal de medi- ção 50 seja mostrado juntamente com um canal de referência 60, será apre- ciado que múltiplos canais de medição 50 podem ser providos para o mes- mo canal de referência 60. Portanto, o dispositivo 30 pode ter diversos ca- nais de medição 50 juntamente com conjuntos de amostra 70 e unidades de detector 80 para uma análise separada.

Para o canal de medição 50, os sinais codificados interagem com um fluido de amostra através da unidade de amostra 70 (Bloco 93). Por sua parte, a unidade de amostra 70 pode usar diferentes desenhos, incluin- do, mas não se limitando a, uma célula de amostra, um acessório de refle- tância, um acessório de transmitância, um acessório de fluorescência, um acessório de Refletância Total Atenuada (ATR), uma célula de fluxo extrati- vo, ou qualquer outro dispositivo de amostragem ou monitoramento conheci- do aos versados na técnica. Após a interação com a amostra, a unidade de detector 80 detecta o canal de medição 50 para análise (Bloco 94). Os de- teriores da unidade 80 podem cobrir a largura de banda espectral requerida provida e podem usar qualquer dentre os diversos materiais de detector dis- poníveis (ou seja, Si, InGaAs, PbS, PbSe, MCT, etc) ou quaisquer dentre as diversas configurações disponíveis (ou seja, fotodiodos (PD), fotodiodos ava- lanche (APD), tubos fotomultiplicadores (PMT), Placas de Múltiplos Canais (MCP), etc). Os detalhes da unidade de detector 80 são descritodescritos no Pedido co-pendente N. de Série / intitulado "Multi-Canal Detector As- sembly for Downhole Spectroscopy," que foi incorporado ao presente docu- mento em sua totalidade. Concorrente à interrogação do canal de medição 50, o canal de

referência 60 é também interrogado (Bloco 95). O circuito de controle 48 re- cebe os sinais detectados da unidade de detector 80, contendo ambos os detectores de medição e de referência. Em seguida, o circuito de controle 48 correlaciona os sinais recebidos e continuamente escala o sinal do canal de medição 50 pelo sinal do canal de referência 60 a fim de lidar com as condi- ções ambientais de fundo de poço, correntes, ou coisa do gênero (Bloco 96).

Quando os sinais recebidos são escalonados e decodificados, os dados es- pectrais resultantes podem ser usados para determinar as propriedades químicas e/ou físicas do fluido de amostra. Isto pode ser feito pelo circuito de controle 48 ou por algum outro controlador. Por último, conforme acima refe- rido, o dispositivo de medição 30 da figura 1 pode transmitir dados espec- trais para um sistema de processamento (não mostrado) posicionado na fer- ramenta 10 ou no equipamento de superfície 28.

B.Coniunto de Fonte Multiespectral em Fundo de poço

Com o entendimento do dispositivo de medição 30 e da ferra- menta de fundo de poço 10 na qual o mesmo pode ser estendido, a apresen- tação agora se volta para as figuras 3A e 3B que mostram diferentes dispo- sições de um conjunto de fonte de múltiplos canais 100 para a espectrosco- pia de fundo de poço de acordo com certos ensinamentos da presente in- venção.

IPrimeira Disposição tendo Roteador com Divisor e Refletor Em uma primeira disposição mostrada na Figura 3A, o conjunto

de fonte de múltiplos canais 100 tem uma unidade de acoplador de fonte 110, um conjunto de roteador 130, e um circuito de controle 160. Conforme descrito resumidamente acima e em mais detalhes abaixo, a unidade de a- coplador de fonte 110 tem uma pluralidade de fontes 112. O circuito de con- trole 160 pode eletricamente modular cada fonte individual 112 em uma fre- qüência única ou independente, e a unidade 110 opticamente acopla os si- nais gerados de cada fonte individual 112 a um canal de entrada 120, que pode ser carregado por uma fibra individual, um feixe de fibras, ou outro dis- positivo 102, conforme aqui descrito. No conjunto de roteador 130, um elemento óptico 134, como, por

exemplo, um colimador, colima o canal de entrada 120, e um divisor de fei- xes fracional 132 em seguida cria uma intensidade de feixe fracional ao Ion- go de caminhos ópticos separados a fim de produzir dois canais separados - um canal de medição 140 e um canal de referência 150. A fim de obter a mais elevada razão sinal para ruído possível no canal de medição 140, ape- nas uma pequena porção (ou seja, de 5 a 10 %) do canal de entrada 120 é . 5 rateada para o canal de referência 150. O percentual restante é rateado para o canal de medição 140. Acima de tudo, o uso de um canal de referência 150 aumenta a precisão e a exatidão da medição resultante.

Conforme mostrado, o roteador 130 cria um primeiro caminho óptico que constitui uma primeira fração ou maior parte do canal de entrada 120. Este primeiro caminho óptico passa por um elemento óptico 134 para um caminho óptico 104 para o canal de medição 140. Conforme mostrado, este caminho 104 pode usar uma fibra ou pode passar por um espaço livre. O roteador 130 também cria um segundo caminho óptico que constitui uma segunda fração ou menor parte do canal de entrada 120. Em uma implemen- tação, o canal de medição 140 constitui 90 % do canal de entrada 120, en- quanto o canal de referência 150 constitui 10 % do canal de entrada 120, embora outros percentuais possam ser usados em outras implementações.

O segundo caminho óptico do divisor 132 passa para um refletor 136, que pode ser um espelho, um prisma, ou outro dispositivo comparável. O refletor 136 direciona o canal de referência 150 através de outro elemento óptico 134 e para um caminho óptico 105 para o canal de referência 150. Mais uma vez, este caminho 105 pode usar uma fibra ou pode passar por um espaço livre. Desta maneira, o refletor 136 permite que os caminhos óp- ticos 104/105 que carregam os dois canais 140/150 fiquem posicionados adjacentes e paralelos um ao outro de modo a economizar espaço no con- junto de fonte 100 utilizado em um fundo de poço.

Após a divisão, o canal de medição 140 pode ser usado para analisar o fluido utilizando unidades de amostra e de detectar (não mostra- das), por exemplo, ou para outras finalidades. Por sua parte, o canal de refe- rência 150 pode ser usado para prover uma realimentação óptica a partir da unidade de detecção (não mostrada) ao circuito de controle 160 para contro- lar as fontes 112, para dinamicamente escalonar o sinal óptico do canal de medição 140, e realizar outras funções, conforme descrito em mais detalhes abaixo.

Conforme mostrado nas figuras 3A e 3B, o circuito de controle 160 tem um número de entradas e saídas que podem ser usadas para diver- . 5 sos fins, conforme descritodescritos mais adiante, (vide, por exemplo, a figu- ra 16). Resumidamente, o circuito de controle 160 tem uma entrada / acio- nador digital 162, uma saída / acionador digital 164, e uma interface de co- municação 170 que pode ser usada para o controle externo do circuito de controle 160. Ainda, uma entrada analógica 166 pode ser usada para um esquema de controle automatizado e pode receber sinais de medição analó- gicos a partir de detectores separados. Finalmente, tanto a saída analógica 168 como a interface de comunicação 170 podem ser usadas para a troca de mensagens, como, por exemplo, o envio de mensagens de status relati- vas à saúde do conjunto de fonte 100. Por exemplo, o circuito de controle 160 pode usar as entradas e as saídas para interagir com o circuito de con- trole externo (não mostrado) de um sistema de detecção e para dinamica- mente ajustar a operação do conjunto de fonte com base nesta interação.

2.Segunda Disposição tendo um Roteador com um Elemento Óptico de Varredura

Em uma segunda disposição mostrada na figura 3B, o conjunto

de fonte 100, mais uma vez, tem uma unidade de acoplador de fonte 110, um conjunto de roteador 130, e um circuito de controle 160. A geração do canal de entrada 120 pode seguir o mesmo curso, conforme descrito anteri- ormente. Em contrapartida à disposição anterior, o conjunto de roteador 130 usa um elemento óptico adaptativo ou elemento óptico de varredura 135 (em vez do dispositivo divisor de feixes fracional 132, como na figura 3A) para rotear o canal de entrada 120 para os canais separados 140/150. O elemen- to óptico de varredura 135 pode ser um espelho de varredura, um espelho de varredura do Sistema Micro-Eletro-Mecânico (MEMS). Os detalhes de uso de um elemento óptico de varredura são descritos na Patente U.S. N. 7 508 506, que foi incorporada ao presente documento a título de referência em sua totalidade. Em uso, um conjunto óptico 134 no conjunto de roteador 130 co- Iima o canal de entrada 120 gerado pela unidade de acoplador de fonte 110. Em seguida, o elemento óptico de varredura 135 roteia o canal de entrada 120 por meio do direcionamento serial de todo o canal de entrada 120 em . 5 dois conjuntos ópticos 134 com relação ao elemento óptico de varredura 135. Além disso, os conjuntos ópticos de entrada 134 podem ser usados para aperfeiçoar a forma, a dispersão ou a intensidade do feixe usando os diversos elementos ópticos disponíveis não mostrados para fins de simplifi- cação. Além disso, a orientação do elemento óptico de varredura 135 é con- trolada através de um controlador - ou independente do ou integrado ao cir- cuito de controle 160.

Em uma orientação, por exemplo, o elemento óptico de varredu- ra 135 direciona todo o canal de entrada 120 para um elemento óptico 134 e ao longo do caminho de luz 104 para o canal de medição 140, o qual pode interagir com as unidades de amostra e de detector (não mostradas). Quan- do oscilado ou girado, o elemento óptico de varredura 135 em seguida dire- ciona todo o canal de entrada 120 para um elemento óptico 134 e ao longo do caminho de luz 105 para o canal de referência 150, o qual pode ser inter- rogado por uma unidade de detector (não mostrada). Como se torna aparen- te, uma vez que o comutador entre os dois canais 140/150 tendo o espectro em questão pode ocorrer relativamente rápido e repetidamente, o canal de referência 150 pode ser usado para normalizar a saída do canal de medição 140 no sentido de prover uma leitura dinamicamente escalonada. Conforme implementado, o elemento óptico de varredura 135 reflete assincronicamen- te a intensidade total do canal de entrada 120 para os canais de referência e de medição 140/150, em oposição à divisão fracional da intensidade entre os canais de medição e de referência 150/140 na figura 3A. Consequentemen- te, o elemento óptico de varredura 135 pode prover uma razão sinal para ruído aperfeiçoado, especialmente quando o mesmo é executado em uma freqüência substancialmente menor com relação à modulação das fontes individuais 112. Além disso, múltiplos canais de medição (não mostrados) podem ser utilizados com esta implementação. Nas figuras 3A e 3B, duas disposições para o conjunto de fonte 100 foram mostradas. Ficarão aparente, com o benefício da presente inven- ção, que outras disposições são possíveis e que os componentes de uma das disposições apresentadas podem ser trocados ou combinados com os . 5 de outra disposição aqui apresentada.

C. Disposições de Alojamento para um Conjunto de Fonte de Múltiplos Canais

Uma vez que o conjunto de fonte 100 é usado em fundo de po- ço, o alojamento de seus componentes pode ser limitado pelo espaço de ferramenta disponível e pelas especificações ambientais no fundo de poço. Em termos ideais, os componentes do conjunto de fonte 100 têm um aloja- mento que é adequado para o desdobramento do fundo de poço e que pode se adequar ao espaço apertado de fundo de poço requerido em uma ferra- menta de fundo de poço. Portanto, o conjunto de fonte 100 é de preferência construído como uma unidade modular discreta que pode ser incorporada ou conectada a outras unidades modulares para amostragem e detecção em uma ferramenta de fundo de poço.

As figuras 4A e 4B ilustram disposições de alojamento para o conjunto de fonte 100 aqui descrito. Em um exemplo, o conjunto de fonte 100 da figura 4A tem um alojamento 180 que contém uma unidade de aco- plador de fonte 110, um conjunto de roteador 130, e um circuito de controle 160 similar ao descrito acima. Externamente, o alojamento 180 tem pelo menos um conector elétrico 182 para o acoplamento dos componentes in- ternos aos sensores de força, ambientais (não mostrados), e aos elementos de comunicação, de controle externo (não mostrados). Além disso, o aloja- mento 180 tem pelo menos dois conectores ópticos 184/185 que acoplam o alojamento 180 a outras unidades. Por exemplo, um conector óptico 184 po- de carregar o canal de medição 140 para a unidade de amostra e para a u- nidade de detecção (não mostrada) e o outro conector óptico 185 pode car- regar o canal de referência 150 para a unidade de detector (não mostrada).

Em outro exemplo, o conjunto de fonte 100 da figura 4B tem um alojamento 180, mais uma vez, contendo uma unidade de acoplador de fonte 110 e um conjunto de roteador 130. Externamente, o alojamento 180 tem pelo menos um conector elétrico 182 para o acoplamento dos componentes internos aos sensores de força, ambientais (não mostrados), e elementos de controle externo (não mostrados) e tem um conector óptico 184 que acopla o _ 5 alojamento 180 a uma unidade de amostra e a unidade de detecção (não mostrada) ao canal de medição 140. Para fins de compacidade, as fibras ópticas ou caminhos de luz ópticos 104, 105 para os canais 140, 150 são dispostas paralelas uma à outra no alojamento 180. Para esse efeito, o con- junto de roteador 130 tem um divisor 132 e um refletor 136 que divide o ca- nal de entrada 120 no canal de medição 140 para a fibra ou caminho de luz óptico 104 e o canal de referência 150 para a fibra ou caminho de luz óptico 105. (Detalhes de tal roteador tendo um divisor e refletor combinados são ilustrados nas figuras 14A e14B).

Para se manter pequeno e resistente, os alojamentos 180 e os componentes acima descritodescritos são de preferência mantidos dentro de vários limites de tamanho. Para suportar o uso do fundo de poço, os aloja- mentos 180 para o conjunto 100 de preferência também atendem às exigên- cias de choque e vibração para o ambiente de fundo de poço.

Embora as disposições de alojamento nas figuras 4A e 4B te- nham sido descritas usando apenas alguns componentes das disposições das figuras 3A e 3B, será apreciado que disposições de alojamento adicio- nais são possíveis usando outros componentes do conjunto de fonte 100 aqui descritodescritos.

D.Coniuntos de Acoplador de Múltiplas Fontes Conforme previamente descrito nas figuras 3A e 3B, o conjunto

de fonte 100 usa uma unidade de acoplador de fonte 110 que gera sinais ópticos com uma pluralidade de fontes individuais 112 e combina os sinais ópticos entre si em um canal de entrada 120. As figuras 5A a 12B abaixo apresentam um número de combinações de fontes e acopladores que po- dem ser usadas para o conjunto de fonte 100.

IFontes Individuais e Acopladores

Na figura 5A, uma unidade de acoplador de fonte 200 tem fontes individuais 210 e acopladores ópticos 220. As fontes individuais 210, que podem ser fontes eletrônicas, tais como LEDs ou coisa do gênero, podem ser espectralmente convolvidas ou individualmente selecionadas de modo que sua luz gerada possa ser usada para uma espectroscopia ou outra aná- _ 5 lise. Por exemplo, o circuito de controle (160; figuras 3A e 3B) pode iluminar as fontes 210 usando varredura, modulação de freqüência, ou outras técni- cas aqui apresentadas.

Os sinais gerados de cada fonte 210 são opticamente acoplados ao seu acoplador óptico individual 220, cada qual tendo uma extremidade opticamente acoplada a uma das fontes 210. Conforme mostrado, cada um desses acopladores 220 pode ser uma fibra óptica, embora outros acoplado- res ópticos individuais possam ser usados, incluindo guias de onda ópticas, tubos de luz, condutos espelhados, ou coisa do gênero. Cada uma dessas fibras individuais 220, em seguida, se enfeixa entre si, umas às outras de modo a formar um feixe de fibras 230. Eventualmente, a extremidade do fei- xe de fibras 230 pode opticamente se acoplar a um conjunto de roteador (130; figuras 3A e 3B) ou pode ser refletida para uma única fibra (vide figuras 7 e 9) para acoplamento ao conjunto de roteador. Como uma alternativa ao uso das fibras individuais 220, tipos de acoplamentos ópticos ou micro- ópticos, em massa, livre de espaços podem ser usados para o conjunto de fonte. Detalhes de tal disposição são aqui descritodescritos.

A figura 5B ilustra uma vista final do feixe de fibras 230 compos- to das fibras individuais 220. Conforme mostrado, o feixe 230 é uma disposi- ção de pacote fechado das fibras 220. Cada fibra 220 pode ser uma fibra revestida desencapada com um núcleo de 100 pm /110 pm, tendo uma aber- tura numérica (NA) de 0.22. Desta maneira, o feixe 230 de fibras 220 pode ter um diâmetro aproximado de 700 mícrons e pode se comportar como uma fonte de ponto de 700 mícron de diâmetro para acoplamento ao roteador (130; figuras 3A e 3B) ou a uma única fibra (vide figuras 7 e 9). Vários elementos ópticos podem ser usados para refletir a luz

gerada a partir das fontes 210 para a sua fibra ou caminho de luz 220 cor- respondente, e algumas fontes 210 podem ou não precisar de um filtro ópti- co. As figuras 6A e 6B mostram um acoplamento óptico representativo entre a fonte 210 e uma fibra óptica ou caminho de luz 220; no entanto, os versa- dos na técnica irão reconhecer que métodos de acoplamento alternativos podem ser usados para este fim. . 5 Conforme mostrado na figura 6A, a luz gerada a partir da fonte

210 (mostrada com uma matriz de LED 212) é individualmente colimada e focada sobre a superfície final da fibra 220. Conforme mostrado, uma lente de colimação 214, um filtro 216, e uma lente de acoplamento 218 são posi- cionados entre a matriz da fonte 212 e a fibra óptica 220. As lentes 214 e 218 têm uma região entre as mesmas através da qual a luz colimada pode passar através do filtro 216. Posicionado nesta região, o filtro 216 pode re- querer uma faixa relativamente pequena de ângulos para funcionar correta- mente. Quando a fonte de LED 210 não precisa de filtragem, uma única len- te poderá ser usada entre a fonte de LED 210 e a fibra 220. Conforme mostrado na figura 6B, a fonte 210 pode ter um cabe-

çote TO-46, e um colar 215 pode alojar a lente de colimação 214, o filtro 216, e a lente de acoplamento 218 em distâncias fixas com relação ao cabe- çote da fonte 210. Uma luva 224 e uma virola de fibra 222 se conectam a partir do colar 215 à fibra óptica 220, que pode ser um cabo de fibra óptica de múltiplos modos ou de um único modo. Em uma disposição, o cabo de fibra óptica de múltiplos modos empregado tem um diâmetro de núcleo de 100 mícrons.

O filtro 216 é um filtro de seleção de comprimento de onda (ou seja, um filtro passa banda). De preferência, o filtro 216 é um filtro passa banda de metal óxido de revestimento duro compatível às condições de fun- do de poço. Quando utilizado, o filtro óptico 216 reduz os efeitos adversos causados pelas características espectrais da fonte (ou seja, o comprimento de onda central e o passa banda espectral) que muda com a temperatura do fundo de poço. Embora o filtro óptico 216 ainda altere o comprimento de on- da central e do passa banda, isto irá acontecer em uma proporção significa- tivamente menor do que com a própria fonte 210. Portanto, em algumas im- plementações, o uso do filtro 216 pode ser preferido. Conforme mostrado na figura 7 e indicado anteriormente, as fon- tes individuais 210 se acoplam separadamente às fibras ópticas 220 que são formadas em um feixe de fibras 230, de acordo com as figuras 5A e 5B. Conforme mostrado aqui, este feixe 230 opticamente se acopla a uma lente . 5 óptica 245 que reflete os sinais gerados para uma fibra de entrada 240 que pode carregar o sinal para um roteador (130; figuras 3A e 3B), conforme a- cima descrito.

Em uma alternativa mostrada na figura 8, as fontes individuais 210 são, cada qual, refletidas para a sua própria fibra óptica 220, o que pode ser feito de uma maneira similar acima descrita. Cada fibra óptica 220 é, em seguida, fundida com outra fibra da fonte 220 usando um elemento de aco- plamento 235 que combina o sinal de entrada das fibras fundidas 220 para um sinal de saída para uma fibra de saída 220. Em seguida, as múltiplas fontes 210 e as fibras 220 são combinadas em uma topologia de árvore ou estrela 200, e os sinais gerados são subseqüentemente combinados em um feixe óptico comum carregado por uma fibra de entrada 240 para um rotea- dor (130; figuras 3A e 3B), conforme acima descrito.

Fontes Individuais e Espelho Segmentado

Na figura 9, uma outra unidade de acoplador de fonte 220 para o conjunto de fonte apresentado tem um espelho segmentado 250. Nesta dis- posição, as fontes individuais 210 são dispostas em uma configuração circu- lar ou anelar - apenas uma porção da qual sendo mostrada. O espelho segmentado 250 circundado por estas fontes 210 reflete a sua luz para a extremidade de uma fibra de entrada 240, que pode ser um cabo de fibra óptica único, de núcleo grande ou um feixe de fibras, bem como um canal óptico de espaço livre. Por sua vez, a fibra de entrada 240 pode transportar o canal de entrada para um roteador (130; figuras 3A e 3B), conforme acima apresentado.

Fontes Individuais e Combinadores Ópticos de Massa Nas figuras 10A e 10B, a unidade de acoplador de fonte 200 pa-

ra o conjunto de fonte apresentado tem as fontes individuais 210 refletidas em uma disposição em massa em uma fibra de entrada ou caminho de luz 240. Na figura 10A, por exemplo, a unidade 200 tem uma série de filtros passa baixa 260 que combinam os sinais gerados a partir das fontes indivi- duais 210 em um feixe óptico comum. Na extremidade dos filtros 260, uma lente óptica 262 reflete o feixe comum para a fibra de entrada ou caminho de luz 240. Conforme mostrado, os filtros passa banda 216 podem ser usados entre as fontes 210 e a série de filtros passa baixa 260. Uma vez que os fil- tros passa baixa 260 são usados, as diversas combinações de fontes e fil- tros aumentam em comprimento de onda (λ0 - λ7), uma vez que os mesmos são posicionados mais próximos da fibra de entrada 240 dentro da qual o feixe comum é refletido.

As fontes 210 e os filtros 216, 260 podem ser dispostos em ân- gulos agudos (como na figura 10A) ou dispostos perpendicularmente (como na figura 10B). Além disso, a unidade 200 da figura 10B tem uma série de filtros passa alta 264 (em oposição aos filtros passa baixa) que combinam a luz das fontes individuais 210 no feixe óptico comum. Para esta disposição, as várias combinações de fonte / filtro diminuem em comprimento de onda (A7 - K0) à medida que são posicionadas, mas próximas da fibra de entrada 240 para a qual o feixe comum é refletido.

Alem das disposições acima, as figuras 11A e 11B mostram dis- posições em massa adicionais das fontes individuais 210 e dos filtros 266. Neste caso, as fontes 210 são dispostas em grupamentos não lineares e usam filtros 266 para direcionar e combinar os comprimentos de onda de interesse das fontes 210. Por último, os sinais ópticos são direcionados para uma lente 262 que reflete o sinal combinado para a fibra de entrada 240. Estas configurações minimizam a distância entre as fontes 210 e a fibra de entrada ou caminho de luz 240, deste modo minimizando as perdas ópticas. Acopladores Ópticos de Massa tendo Microbancos Outros acopladores ópticos de massa usados para o conjunto de fonte 100 podem usar microbancos. Conforme mostrado na unidade de aco- plador de fonte 300 da figura 12A, várias fontes 310 se posicionam em pa- drões formados no microbanco 302. Estes padrões podem ser gravados ou microusinado no banco 302 usando técnicas conhecidas. Uma série de es- pelhos 312 é disposta em fendas no banco 302. Os sinais gerados das fon- tes 310 são refletidos para os espelhos 312 que, por sua vez, refletem os sinais para uma lente óptica 314. Por sua vez, a lente 314 reflete o feixe combinado para uma fibra, um feixe de fibras, ou caminho de luz 330 que - 5 carrega o canal de entrada para um conjunto de roteador (130; figuras 3A e3B), conforme acima apresentado.

Uma disposição similar na figura 12B tem fibras de entrada 320 que carregam os sinais gerados das fontes individuais 310 para as lentes ópticas 316. Por sua vez, as lentes 316 refletem os sinais para os espelhos 312, e uma lente óptica 314 recebe os sinais dos espelhos 312 e reflete o feixe combinado para a fibra ou feixe 330. Como será apreciado, o micro- banco 302 permite que os elementos fiquem precisamente alinhados durante a fabricação e estritamente alojados, o que é vantajoso para uso em fundo de poço.

Fontes Individuais e Acopladores de Rede

Na figura 13A, a unidade de acoplador de fonte 400 para o con- junto de fonte apresentado usa um arranjo 420 de fontes individuais 410, uma rede 430, e um controlador 460, que pode fazer parte do conjunto de circuito de controle da fonte (160; figuras 2A e 2B). Conforme mostrado, as fontes individuais 410, que podem ser LEDs ou coisa do gênero, são especi- almente configuradas sobre o arranjo 420. As fontes 410 geram sinais ópti- cos em diferentes bandas espectrais e podem ser ativadas em diversos pa- drões para codificar os sinais gerados. Em particular, as fontes 410 podem ser dispostas nas linhas deslocadas de um número de colunas com o com- primento de onda atribuído para uma fonte específica 410 dependendo da sua posição no arranjo 420. Por exemplo, as fontes 410 podem ser dispos- tas com comprimentos de onda crescentes ao longo do eixo do arranjo 420.

O controlador 460 acoplado ao arranjo 420 pode ter um micro- processador 462, um gerador de padrão 464, e um acionador de arranjo 466 para codificar as iluminações das fontes 410. Durante o uso, o controlador 460 seletivamente ilumina as fontes 410 para codificar seus sinais ópticos gerados em um padrão desejado. Dependendo da implementação, o padrão de iluminação pode requerer que uma Transformada de Hadamard, uma Transformada de Fourier, ou outro método seja usado para deconvolver os sinais ópticos recebidos no conjunto de detecção (não mostrado).

A rede de difração refletiva 430, que pode ser côncava com a . 5 sua superfície focai refletiva incorporando linhas finas, reflete e difrata os sinais gerados das fontes 410 e direciona o feixe refletido 431 para uma len- te 435. Por sua vez, a lente 435 reflete o feixe 431 para um feixe de entrada comum (120) que é direcionado para um roteador 130 similar ao apresenta- do acima. O divisor 132 no roteador 130 em seguida divide o feixe de entra- da (120) para o canal de medição (140) e para o canal de referência (150) para uso de acordo com os fins aqui apresentados.

Como uma alternativa ao conjunto de roteador 130, a unidade de acoplador de fonte 400 pode, por sua vez, usar um combinador 440 mostra- do na figura 13B para produzir os canais de medição e de referência (140, 150) a partir de um feixe refletido da rede de difração 431. O combinador 440 tem uma fenda 442 disposta com relação às duas fibras ópticas 444, 445. O feixe refletido 431 a partir da rede de difração (430) é direcionado para o combinador 440, onde a fenda 442 reflete o feixe 431 para as fibras espacialmente registradas 444, 445. A primeira fibra 444 é para o canal de medição (140), enquanto a segunda fibra 445 é para o canal de referência (150). Conforme mostrado, a fibra do canal de medição 444 pode ser maior que a fibra do canal de referência 445 de modo que uma fração maior do feixe comum seja refletida para o mesmo. No entanto, as fibras espacial- mente registradas 444, 445 podem ser de um tamanho comparável depen- dendo da implementação.

Na figura 13C, a unidade de acoplador de fonte 400 mais uma vez usa o arranjo 420 de fontes individuais 410, a rede de difração refletiva 430, e o controlador 460 que opera conforme acima descrito. No entanto, ao invés de usar um roteador 130 (figura 13A) ou um combinador 440 (figura 13B), a rede de difração refletiva 430 reflete um feixe refletido de primeira ordem 432 para uma primeira lente 433 e reflete um feixe refletido de se- gunda ordem 436 para uma segunda lente 437. A primeira lente 433 reflete o feixe de primeira ordem 432, que é mais forte, para o canal de medição (140), enquanto a segunda lente 437 reflete o feixe de segunda ordem 436 para o canal de referência (150). Ao usar as reflexões de primeira e segunda ordens de uma rede de difração 430, a unidade 400 poderá evitar o uso de . 5 um divisor de feixes ou outros dispositivos de roteador, o que pode aumentar a eficiência espectral da unidade 400.

Como uma alternativa à rede de difração refletiva 430, a unidade 400 da figura 13D usa uma rede de difração transmissiva 450. Neste caso, as fontes 410 são dispostas de maneira que um feixe de entrada comum (120) possa ser formado usando a rede de difração transmissiva 450 e uma lente 455. O arranjo 420 de fontes individuais 410 e o controlador 460 po- dem operar da mesma forma como acima descrito, e o feixe de entrada (120) pode ser carregado para um roteador (não mostrado). Em geral, o substrato das redes de difração 430, 450 pode ser composto de metal, vidro, carbeto de silício, cerâmica, quartzo, safira, ou similar. Os materiais especifi- cados são adequados às aplicações em altas temperaturas.

Roteador tendo Divisor e Refletor

Na figura 14A, um roteador 500 (apresentado em poucos deta- lhes na figura 4B) para o conjunto de fonte apresentado tem um divisor inte- grado 520 e um refletor 530 para rotear um canal de entrada para um canal de referência e um canal de medição. Na figura 14A, os componentes inter- nos do roteador 500 são mostrados sem os componentes de alojamento cir- cundantes e outros recursos necessários conhecidos e usados na técnica para a contenção desses componentes. O roteador 500 tem um elemento óptico de colimação de entrada 51OA que recebe o sinal de luz de entrada a partir de uma fibra de entrada ou feixe 502 que carrega o feixe óptico comum a partir das múltiplas fontes. O sinal de entrada colimado 504 do elemento óptico 51OA passa para um divisor 520 que divide o sinal de entrada 504 para um sinal de medição 506 e um sinal de referência 508. O sinal de me- dição 506 que passa a partir do divisor 520 atinge um elemento óptico 51OC que condensa a luz e reflete a mesma para uma fibra de medição 507. O sinal de referência 508 que passa ortogonal ao sinal de medição 506 atinge os refletores 530 (ou seja, um prisma de ângulo reto ou outro elemento ópti- co espelhado) que direciona o sinal de referência 508 para outro elemento óptico 51OB. Após a colimação por este elemento óptico 51OB1 o sinal de referência é refletido para a fibra de referência 509. . 5 O elemento óptico 51OC e a fibra de medição ou caminho de luz

de entrada 507 são deslocados ligeiramente devido ao desvio induzido pelo divisor 520. Para a implementação corrente, a região entre o elemento óptico de colimador 51OA e o elemento óptico de condensação 51OB de preferência tem uma distância nominal tal que o desempenho da transmissão através do conjunto seja otimizado. O tamanho da região pode diferir, no entanto, de- pendendo dos comprimentos de onda, do tamanho das fibras ópticas, e de outros fatores.

A perda de recuperação no divisor 520 é de preferência minimi- zada de maneira que o sinal potencial que pode atingir os detectores (não mostrados) seja maximizado. Por este motivo, o divisor 520 é de preferência composto de um quartzo fundido de grau infravermelho com um perfil de transmissão que estende os comprimentos de onda de medição de interesse e minimiza as perdas ópticas. Por exemplo, o divisor 520 pode ser uma cha- pa de quartzo de 1 mm de espessura. Outros materiais possíveis para o di- visor 520 incluem uma sílica fundida de 0 grau, uma sílica fundida de 45 graus, uma safira de 45 graus, ou qualquer outro material óptico conhecido àqueles versados na técnica. Adjacente ao divisor 520, o prisma de ângulo reto 530 permite que ambas as fibras ou caminhos de luz 507, 509 sejam paralelos por motivos mecânicos. O elemento óptico 51OB é colocado no mesmo plano do elemento óptico 510C. Isto é útil por motivos mecânicos, mas pode requerer uma distância de trabalho diferente para as fibras ou ca- minhos de luz 507, 509.

Em geral, os elementos ópticos 510A, C assim como outros e- Iementos ópticos (por exemplo, os elementos ópticos 134; figuras 3A e 3B) aqui apresentados podem ser uma lente acromática, um par de lentes acro- máticas, uma lente plano-convexa opticamente acoplada a uma lente bi- convexa, um elemento óptico refletivo, um espelho, um elemento óptico ho- lográfico, ou um elemento óptico adaptativo. A figura 14B mostra uma dispo- sição para um elemento óptico de colimação 510 para uso no roteador 500 da figura 14A, como também outros componentes aqui apresentados. O e- Iemento óptico 510 é um tipo de lente acromática tendo uma lente plano- . 5 convexa (PCX) 512 e uma lente bi-côncava 514, que pode ter uma separa- ção física usando um espaçador (não mostrado) ou que pode ser cimentada usando um cimento opticamente transmissivo adequado. O cimento óptico usado deve ser capaz de suportar temperaturas operacionais em fundo de poço. Os tipos e formas do material das duas lentes 512, 514 são escolhidos de modo a ter características de desempenho dependentes da temperatura que maximizam a saída óptica através das faixas térmica e espectral reque- ridas. Sendo assim, uma vez que o comprimento de onda varia, o compri- mento focai da lente bi-côncava 514 muda mais rapidamente que a da lente plano-convexa 512. Esta mudança dispare no tamanho focai com o compri- mento de onda serve para reduzir a dependência geral do tamanho focai combinado por uma faixa de comprimentos de onda.

Dispositivo de Medição e Disposição de Fonte Na figura 15A, a vista lateral de um dispositivo de medição 600 tem um conjunto de fonte de múltiplos canais 610 e um conjunto de detector 660 disposto em um corpo de fluxo 680. Para uso em uma ferramenta de fundo de poço, o corpo de fluxo 680 se encaixa em um chassi de ferramenta chassis (não mostrado) que prende o corpo de fluxo 680 no lugar e prende os elementos eletrônicos requeridos. Por sua vez, o corpo de fluxo 680 cor- responde a um subconjunto (não mostrado) que roteia os barramentos de fluxo em uma ferramenta de fundo de poço, e o chassi de ferramenta se en- caixa dentro de um alojamento de ferramenta (não mostrado) de uma ferra- menta de fundo de poço. O fluido de um dos barramentos de fluido da ferra- menta passa por uma passagem 682 a partir de uma extremidade do corpo de fluxo 680 para a outra e passa pelo conjunto de fonte 610 e pelo conjunto de detector 660.

Conforme mostrado, o conjunto de fonte 610 pode ter alojamen- tos 612, 614 que se acoplam ao corpo de fluxo 680. Um alojamento 612 prende a fonte de LEDs 620 disposta em uma placa de circuito 622. O outro alojamento 614 prende uma disposição de divisores de feixes e prismas (630, 640, 650), que são detalhados abaixo na figura 15B.

Por sua vez, o conjunto de detector 660 pode ser similarmente . 5 configurado no lado oposto do corpo de fluxo 680. Por conseguinte, um alo- jamento 662 fixado ao corpo de fluxo 680 aloja nos detectores de fotodiodo 670 dispostos sobre a placa de circuito 672. Ainda, um outro alojamento 664 aloja uma disposição de divisores de feixes e prismas (640, 650).

Os sinais para os canais de medição e de referência saem do conjunto de fonte 610 e passam para o conjunto de detector 660 usando e- Iementos ópticos atravessantes (não mostrados). Conforme aqui apresenta- do, o canal de referência pode passar diretamente para o conjunto de detec- tor 660, e o canal de medição pode interagir com o fluido que passa através do corpo de fluxo 680 antes de passar para o conjunto de detector 660. Des- te modo, o canal de medição pode passar por um acessório de amostra (não mostrado), tal como uma célula de amostra ou coisa do gênero, no corpo de fluxo 680.

Voltando, em seguida, para a vista esquemática em plano na fi- gura 15B, a fonte de LEDs 620 para o conjunto de fonte 610 é disposta em uma matriz ou arranjo padrão de iluminação. Vários divisores de feixes de cubo 630, divisores de feixes de placa 640, e prismas de ângulo reto 650 roteiam o sinal de entrada a partir dos LEDs 620 para um divisor de feixes de placa final 645 que divide o sinal de entrada para um canal de referência e um canal de medição conforme acima descrito. A partir do conjunto de fon- te 610, ambos os canais podem ser rateados através de fibra, espelhos, ou coisa do gênero para o conjunto de detector 660 com seus detectores de fotodiodo 670. Por exemplo, abordagens de elementos ópticos atravessan- tes, assim como os métodos de roteamento de fibra conhecidos na técnica e aqui apresentados, podem ser usadas para ratear os canais. Conforme mostrado, este conjunto de fonte 610 tem vinte LEDS

620 e vários divisores de feixes 640, 650 configurados para particulares comprimentos de onda desejados. Os comprimentos de onda de medição e os comprimentos de onda centrais de LED Ki a λ2ο podem ser selecionados para cobrir os canais espectrais adequados para a análise de fundo de poço em tempo real de petróleo bruto ou outros fluidos em fundo de poço. Da mesma forma, as especificações de filtro passa longa podem ser seleciona- . 5 das para os comprimentos de onda de medição e para os comprimentos de onda centrais de LED utilizados. Em um exemplo, o conjunto de fonte 610 é configurado para os comprimentos de onda de medição nas regiões espec- trais visíveis e quase infravermelhas. Uma pessoa versada na técnica irá apreciar que o número de LEDs 620 e de divisores de feixe 640, 650 bem como os comprimentos de onda em questão e outros valores podem ser configurados para uma implementação em particular.

Circuito de Controle

Conforme acima apresentado nas figuras 3A e 3B, o conjunto de fonte 100 usa um circuito de controle 160 para controlar as fontes na unida- de de acoplador de fonte 110. A figura 16 esquematicamente ilustra uma implementação de um circuito de controle 700 para o conjunto de fonte a- presentado. O circuito de controle 700 tem um circuito de processamento 720 acoplado a uma unidade de fonte 710, um circuito de conversão 730, e uma interface de entrada / saída 760. Conforme mostrado aqui, a unidade de fonte 710 tem múltiplos LEDs 712, mas poderia ter outras fontes, conforme aqui apresentado.

O circuito de processamento 720 usa esquemas de controle programável para controlar a operação do conjunto de fonte 710 e pode ter um microprocessador ou Arranjo de Porta Programável em Campo (FPGA). Em operação, o circuito de processamento 720 aciona os Leds 712, define as freqüências de modulação individuais para os LEDs 712, e realiza outras funções de controle apresentadas abaixo. Para acionar os LEDs 712, o cir- cuito de processamento 720 controla a força de uma fonte de força de cor- rente CC 715 para os LEDs 712 usando os sinais de controle comunicados aos transistores 714. Além disso, o hardware do conjunto de fonte 710 pode ser ajustado provendo amplitudes fixas únicas for cada fonte de LED 712. Além disso, o processador 720 pode controlar a amplitude de fonte de LED (ou seja, a intensidade) através da modulação de largura de pulso ou outros meios.

Ao acionar os LEDs 712, o circuito de processamento 720 pode modular cada uma das fontes em uma freqüência independente. Para modu- . 5 lar os LEDs 712, por exemplo, o circuito de processamento 720 pode ligar e desligar cada uma das fontes individuais 712, modular cada uma das fontes individuais 712 em uma freqüência mínima, ou modular uma ou mais dentre as fontes individuais 712 na mesma freqüência. Em geral, a modulação de freqüência pode ser em uma faixa entre 1 e 20-kHz, dependendo das exi- gências de medição pelo modo operacional usado (ou seja, quer seja varre- dura, análise FFT, etc., conforme descrito abaixo).

A interface de entrada / saída 760 tem várias entradas e saídas, como, por exemplo, uma saída de acionador / digital 762, uma entrada de acionador / digital 764, uma ou mais saídas analógicas 766, uma ou mais entradas analógicas 768, e uma interface de comunicação (770). As saídas 762, 766, 770 da interface 160 podem ser usadas para enviar mensagens para outros sistemas, tais como o envio de mensagens de status sobre a operação do conjunto de fonte, a saúde das fontes 712, etc.

Estas entradas e saídas da interface 760 podem ser usadas pa- ra interagir com o circuito de controle externo de um sistema de detecção (não mostrado) para o controle externo do circuito de controle 700. Por e- xemplo, a entrada analógica 768 ou a interface de comunicação 770 pode receber sinais de controle usados para o controle manual ou automatizado da operação do circuito. Este controle externo pode ser de uma fonte exter- na, tal como um equipamento de superfície, ou de um controlador de fundo de poço separado. Quando recebidos, os sinais de controle podem configu- rar a operação do circuito de controle para lidar com condições variáveis, tais como uma mudança de temperatura, uma mudança no fluido a ser ana- lisado, uma alteração no modo de operação a ser usado, etc. O controle ex- terno pode operar ainda o circuito de controle 700 para lidar com eventos que requerem uma sincronização exata por meio do uso da saída de acio- nador 762 e entrada 764 para sinais de acionamento. Alem do controle externo, um circuito de controle 700 pode usar os dados da entrada analógica 768 como parte de um esquema de controle automatizado. O circuito de conversão 730 interposto entre o circuito de pro- cessamento 720 e a interface de entrada / saída 760 usa uma conversão . 5 analógica para digital (ADC) a fim de converter os sinais analógicos da en- trada analógica 768 em sinais digitais para o circuito de processamento 720 processar. Estes sinais analógicos podem incluir as medições de amplitude usadas para realimentação ou podem incluir sinais de controle analógicos para o controle manual ou automatizado da operação do circuito. Em um exemplo, a entrada analógica 768 ou a interface de co-

municação 770 pode receber sinais de controle do circuito de controle exter- no (não mostrado) com base na amplitude do canal de referência e pode usar essas entradas para controlar a operação das fontes 712. Em tal situa- ção, as medições de amplitude podem vir de um sistema de detecção (não mostrado) configurado para detectar os sinais ópticos do canal de referência (150). Usando essas medições de amplitude como realimentação, o circuito de controle 700 pode, em seguida, controlar as fontes individuais 712. Por exemplo, o circuito de controle 700 pode manter um perfil de intensidade mais uniforme para os LEDs 712 mesmo quando há alterações significativas nas condições ambientais. Para isso, o circuito de processamento 720 pode acionar os LEDs 712 no sentido de manter um perfil de iluminação relativa- mente plano através de toda a faixa de temperatura ao usar a modulação de largura de pulso ou outros métodos dos sinais de acionamento para os LEDs 712.

Alem de controlar a fonte de LEDs 712 conforme mostrado, será apreciado que o circuito de controle 700 pode incluir componentes eletrôni- cos para iluminar outras fontes alem dos LEDs e operar um elemento óptico de varredura (como na figura 3B). O circuito de controle 700 pode funcionar por sua própria conta independente de quaisquer medições feitas pela uni- dade de detecção (não mostrada), tal com apresentado no Pedido de Paten- te copendente incorporado N. de Série _/_intitulado "Multi-Canal

Detector Assembly for Downhole Spectroscopy". Embora um controle analó- gico seja apresentado usando uma entrada analógica 768, o circuito de con- trole 700 pode usar uma entrada digital 764 para receber sinais de controle digitais. Além disso, a interface do circuito de controle 760 pode incluir en- tradas e saídas adicionais, tais como uma saída analógica para o envio de . 5 sinais para outro controlador de fundo de poço ou para o envio de sinais pa- ra uma unidade de telemetria a fim de retransmitir para o equipamento de superfície. Por este motivo, o circuito de controle 700 pode incluir um circuito conversor digital para analógico 740 e um circuito conversor analógico para digital 750. Modos Operacionais

Ao realizar a espectroscopia em fundo de poço, o conjunto de fonte de múltiplos canais 100 (figuras 3A e 3B) pode ser operado usando um ou mais modos que pode oferecer aos operadores controle sobre a veloci- dade de varredura, a razão sinal para ruído, e a metodologia de monitora- mento de processo. Para a corrente explicação, os modos operacionais são descritos em termos da modalidade do conjunto de fonte 100 tendo um cir- cuito de controle 700 e toda a fonte de LEDs 712 como na figura 16. No en- tanto, uma pessoa versada na técnica irá apreciar que os modos operacio- nais apresentados podem ser modificados para quaisquer outros conjuntos de fonte aqui apresentados.

Para fins de análise, o canal de referência (150) pode ser espec- ialmente correlacionado ao canal de medição (140) de maneira que os da- dos sejam apropriadamente escalonados (ou seja, calibrados) conforme a- cima apresentado. Assim sendo, um circuito de controle do conjunto de fonte 700 em conjunto com as unidades de amostra e detecção (não mostradas) podem analisar as propriedades espectrais da amostra (ou seja, a absorção, a transmissão, etc.) usando os canais (140, 150) através da varredura em um modo de onda contínua (CW), da varredura em um modo modulado com detecção de travamento ou modulação simultânea com uma análise de Transformada Rápida de Fourier (FFT) ou outra abordagem de transformada óptica a fim de espectralmente deconvolver as fontes simultaneamente mo- duladas 712. Além desses modos, cada fonte 712 pode ser acionada em diferentes níveis de corrente a fim de controlar a amplitude, o que poderá, por sua vez, melhorar o sinal para ruído dentro de bandas ópticas fracas ou altamente atenuantes.

Em geral, os modos operacionais para o conjunto de fonte 100 . 5 pode ser implementado como um software ou coisa do gênero no circuito de controle 700. Dependendo da implementação, os componentes de hardware do conjunto de fonte (FPGA, ADC, multiplexadores, fontes, etc.) podem ser especificamente configuradas para operar de acordo com um dos modos particulares. O hardware do conjunto de fonte é configurado para operar se- gundo todos esses modos diferentes. Desta maneira, a operação do conjun- to de fonte 100 em um dos modos desejados poderá simplesmente requerer mudanças programáveis ao circuito de controle 700, o que pode ocorrer du- rante a instalação ou mesmo durante o uso do fundo de poço.

Codificação Síncrona Em um modo operacional, o circuito de controle 700 opera as

fontes 712 usando uma codificação síncrona. Neste modo, o circuito de con- trole 700 opera cada fonte 712, ou um subconjunto limitado de fontes 712, simultaneamente com cada fonte 712 sendo modulada em uma freqüência única, independente. As freqüências de modulação usadas não devem com- partilhar elementos harmônicos comuns de uma ordem maior.

Em um exemplo deste, o circuito de controle 700 ilumina toda a fonte de LEDs 712 ao mesmo tempo e modula a fonte de LEDs 712 em fre- qüências únicas, independentes. A operação neste modo permite que os sinais de medição sejam espectralmente deconvolvidos usando uma análise de Transformada Rápida de Fourier (FFT) a fim de produzir informação para um processamento de dados posterior. Neste modo, a taxa de amostragem analógica para digital é usada para definir a resolução de freqüência.

Em um modo alternativo, porém similar, o circuito de controle 700 ilumina as fontes 712 usando um conjunto de freqüências fixas com propriedades predefinidas. Em particular, o circuito de controle 700 pulsa a fonte de LEDs 712 simultaneamente usando incrementos de freqüência fi- xos, e o circuito de controle 700 usa formas de onda para pulsar a fonte de LEDs 712 que se baseiam em um número inteiro de ciclos. A operação nes- te modo permite que os sinais de medição sejam espectralmente deconvol- vidos usando um método numérico predefinido com base nas características temporais conhecidas da forma de onda a fim de produzir informação para . 5 um processamento de dados posterior. Em termos ideais, o desvio de fase de sinal com relação à freqüência de modulação é de preferência muito pe- queno. Além disso, o período de amostra mínimo usado na análise é de pre- ferência maior que 1/Af, em que Af é o incremento de freqüência acima da freqüência fundamental (f0) usada para iluminar a fonte de LEDs individual 712. Finalmente, nenhum múltiplo ímpar de f (ou seja, 1 kHz ou 3 kHz) é u- sado para pulsar a fonte de LEDs 712.

Codificação Assíncrona

Em um outro modo operacional, o circuito de controle 700 opera as fontes 712 usando uma codificação assíncrona. Neste caso, o circuito de controle 700 opera cada fonte 712, ou um subconjunto limitado de fontes 712, de uma maneira serial com apenas uma fonte iluminada em qualquer ponto no tempo. Neste modo, por exemplo, cada fonte de LED 712 na uni- dade 710 é iluminada seqüencialmente, uma de cada vez, de modo que uma varredura possa ser realizada nos sinais produzidos. De maneira alternativa, cada fonte de LED 712 na unidade 710 é iluminada seqüencialmente, uma de cada vez, com cada fonte de LED 712 oscilando em uma freqüência fixa comum para todas as fontes de LED 712. Isto permite que uma varredura com detecção de trava seja realizada.

Codificação Assíncrona de Transformada de Hadamard Ainda, em um outro modo operacional, o circuito de controle 700

opera as fontes 712 usando uma codificação assíncrona de Transformada de Hadamard. Neste modo, o circuito de controle 700 opera uma seqüência única de um subconjunto de fontes 712 de uma maneira cíclica com apenas um subconjunto de fontes em operação em um dado ponto no tempo. Embo- ra operando neste modo, cada fonte 712 é modulada nas mesmas freqüên- cias.

Seleção de Fonte Conforme acima apresentado, o conjunto de fonte pode usar vá- rios tipos de fontes para operar através de uma faixa larga de comprimentos de onda EM (eletromagnética) usada análise espectral. Os comprimentos de onda EM podem ser na faixa de raios X, gama, ultravioleta, visível, ou infra- . 5 vermelha ou ser de qualquer combinação dessas faixas. Tal radiação EM é referida aqui como sinais ópticos ou de luz. Exemplos de tais fontes adequa- das que atendem a pelo menos algumas das especificações previamente apresentadas para o uso do fundo de poço incluem diodos emissores de luz (LED) de múltiplos canais de estado sólido, diodos emissores de luz super Iuminescentes (SLED), ou diodos de laser (LD) nos quais cada uma das fon- tes individuais foi acoplada usando um feixe de fibras, um acoplador de fi- bras, tal como um acoplador do tipo estrela, um acoplador óptico de massa, ou outro acoplador, conforme aqui apresentado.

Em uma implementação, cada uma das fontes para o conjunto apresentado é um LED. Dependendo das características do LED e da apli- cação desejada, estes LEDs poderão ou não usar filtros passa banda. O uso de LEDs para definir comprimentos de onda de medição permite que o con- junto de fonte apresentado seja produzido de forma compacta e versátil alem de maximizar a saída óptica através de uma larga faixa espectral. Além dis- so, ao usar filtros ópticos, LEDs com perfis espectrais amplos poderão ser usados com comprimentos de onda desejados relativamente próximos entre si para realizar uma espectroscopia. Isto é especialmente útil para uma regi- ão quase infravermelha (NIR) na qual uma grande quantidade de informação de dados de absorbância molecular ocorre para hidrocarbonetos, água, e gases de reservatório. Por exemplo, um único tipo de LED pode ser usado para prover luz de fonte para 3 ou 4 bandas específicas, uma vez que os LEDs podem ser filtrados separadamente para cada medição de comprimen- to de onda de interesse com um filtro espectral adequado. Isto permite que o conjunto de fonte apresentado atenda a exigências de medição para imple- mentações específicas.

Embora a presente invenção se refira a uma radiação eletro- magnética, usando os termos "sinais ópticos," "luz," "emissões," ou coisa do gênero, estas referências podem de fato pretender incluir os comprimentos de onda desejados fora dos limites da luz visível. Além disso, embora a pre- sente invenção enfoque as faixas de comprimento de onda das regiões ul- travioletas, visíveis, e quase infravermelhas do espectro eletromagnético que . 5 é utilizado, será apreciado que o dispositivo da presente invenção pode ser configurado de modo a manipular todos os comprimentos de onda da radia- ção eletromagnética. Conforme usado no presente documento, o termo "es- pectroscopia" se refere à produção e investigação de espectros e o termo "dispositivos espectroscópicos" inclui os instrumentos para a formação e e- xame de espectros especialmente na região visível do espectro eletromag- nético incluindo, mas não se limitando a, um espectrômetro, entre outros instrumentos para a análise espectral de fluidos em fundo de poço.

A descrição acima de modalidades preferidas e outras modali- dades não pretende limitar ou restringir o âmbito ou aplicabilidade dos con- ceitos inventivos concebidos pela Requerente. Em troca da apresentação dos conceitos inventivos aqui contidos, a Requerente deseja todos os direi- tos de Patente produzidos pelas reivindicações em apenso. Deste modo, pretende-se que as reivindicações em anexo incluam todas as modificações e alterações em plenitude abrangidas pelo âmbito das reivindicações a se- guir ou seus equivalentes.

Claims

1. Conjunto de fonte para a espectroscopia de fundo de poço, compreendendo: - uma pluralidade de fontes individuais que geram sinais ópticos através de uma faixa espectral de comprimentos de onda; - um conjunto de roteamento que combina os sinais gerados das fontes em um sinal combinado e que roteia o sinal combinado para um canal de referência e um ou mais canais de medição; e - um circuito de controle eletricamente acoplado às fontes e ope- rável no sentido de modular eletronicamente cada uma das fontes em uma freqüência independente.

2. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que as fontes são selecionadas a partir do grupo que consiste em diodos emissores de luz (LEDs), diodos de laser (LDs), Iasers de emissão superficial de cavidade vertical (VCSELs), e diodos emissores de luz super Iuminescentes (SLEDs).

3. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que as fontes provêem uma distribuição espectral contínua por uma ampla faixa espectral de comprimentos de onda.

4. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que as fontes provêem uma distribuição espectral não contínua de duas ou mais regiões espectrais contínuas interpostas por pelo menos uma região espectral escu- ra por uma ampla faixa espectral de comprimentos de onda.

5. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que uma ou mais dentre as fontes são espectralmente filtradas.

6. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que uma ou mais dentre as fontes são espacialmente formadas utilizando um ou mais elementos ópticos.

7. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que para mo- dular eletronicamente cada uma das fontes, o circuito de controle liga e des- liga cada uma das fontes individuais ou modula eletronicamente cada fonte sobre uma amplitude mínima.

8. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que para mo- dular eletronicamente cada uma das fontes, o circuito de controle modula eletronicamente uma ou mais dentre as fontes individuais em uma freqüên- cia única, diferentes umas das outras.

9. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que para mo- dular eletronicamente cada uma das fontes, o circuito de controle modula eletronicamente uma ou mais dentre as fontes individuais na mesma fre- qüência.

10. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjun- to de roteamento compreende: - um ou mais acopladores opticamente acoplados a cada uma das fontes; e - um roteador acoplado a um ou mais acopladores e que rateia os sinais opticamente combinados do um ou mais acopladores para o canal de referência e para o um ou mais canais de medição.

11. Conjunto, de acordo com a reivindicação 10, em que o um, ou mais, acopladores compreendem fibras ópticas, cada uma das fontes sendo refletida em uma das fibras ópticas, cada uma das fibras sendo enfei- xada em um feixe de fibras opticamente acopladas ao roteador.

12. Conjunto, de acordo com a reivindicação 10, em que o um, ou mais, acopladores compreendem fibras ópticas opticamente acopladas às fontes, cada uma das fontes sendo refletida em uma das fibras ópticas, uma ou mais dentre as fibras ópticas sendo fundidas na outra dentre as fibras ópticas utilizando uma topologia de acoplamento de árvore, no qual a saída da topologia de acoplamento de árvore é opticamente acoplada ao roteador.

13. Conjunto, de acordo com a reivindicação 10, em que o um, ou mais, acopladores compreendem um espelho segmentado tendo as fon- tes dispostas em torno do mesmo, o espelho segmentado refletindo os sinais ópticos de cada uma das fontes para o sinal combinado que é opticamente acoplado ao roteador.

14. Conjunto, de acordo com a reivindicação 10, em que o um, ou mais, acopladores compreende uma série de filtros dispostos adjacentes às fontes e pelo menos um elemento óptico que reflete pelo menos uma por- ção dos sinais ópticos de cada uma das fontes adjacentes para um sinal combinado opticamente acoplado ao roteador.

15. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjun- to de roteamento compreende banco micro-óptico.

16. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjun- to de roteamento compreende um divisor que divide fracionalmente o sinal combinado no canal de referência e no um ou mais canais de medição.

17. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjun- to de roteamento compreende um elemento óptico adaptativo opticamente acoplado ao sinal combinado e que oscila entre uma primeira orientação e uma ou mais segundas orientações, o elemento óptico adaptativo na primei- ra orientação produzindo o canal de referência, o elemento óptico adaptativo na uma ou mais segundas orientações produzindo o um ou mais canais de medição.

18. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que as fontes são espacialmente configuradas em uma topologia de arranjo disposta em uma ou mais dimensões, e no qual o conjunto de roteamento compreende uma rede opticamente acoplada às fontes espacialmente configuradas e que combina os sinais das fontes em um feixe óptico comum.

19. Conjunto, de acordo com a reivindicação 18, em que o con- junto de roteamento reflete uma primeira porção do feixe óptico para uma primeira fibra óptica para o canal de referência e reflete uma ou mais segun- das porções do feixe óptico para uma ou mais segundas fibras ópticas para o um ou mais canais de medição.

20. Conjunto, de acordo com a reivindicação 18, em que o con- junto de roteamento compreende um roteador opticamente acoplado ao feixe óptico e que rateia o feixe óptico para o canal de referência e para o um ou mais canais de medição.

21. Conjunto, de acordo com a reivindicação 18, em que a rede de difração gera os primeiro e segundo feixes ópticos, o primeiro feixe óptico sendo gerado usando uma reflexão de primeira ordem da rede de difração, o segundo feixe óptico sendo gerado usando uma reflexão de segunda ordem da rede de difração, o um ou mais canais de medição sendo refletidos usan- do a reflexão de primeira ordem, o canal de referência sendo refletido usan- do a reflexão de segunda ordem.

22. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de controle recebe uma entrada indicativa da energia medida do canal de referência e controla uma amplitude das fontes com base na entrada.

23. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de controle modula eletronicamente as fontes em um modo de codificação síncrona no qual o circuito de controle opera cada qual dentre duas ou mais fontes simultaneamente usando uma freqüência independente para gerar sinais ópticos, o modo de codificação síncrona permitindo análise de Trans- formada Rápida de Fourier dos canais de medição e de referência.

24. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de controle modula eletronicamente as fontes em um modo de codificação síncrona no qual o circuito de controle opera as fontes simultaneamente u- sando incrementos de freqüência fixos, o modo de codificação síncrona permitindo deconvolução dos canais de medição e de referência com base nas características temporais predefinidas dos incrementos de freqüência fixos.

25. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de controle modula eletronicamente as fontes em um modo de codificação assíncrona no qual o circuito de controle opera cada qual dentre duas ou mais fontes de uma maneira serial com apenas uma das fontes em operação em qualquer ponto no tempo, o modo de codificação assíncrona permitindo uma análise de varredura dos canais de medição e de referência.

26. Conjunto, de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de controle modula eletronicamente as fontes em um modo de codificação assíncrona no qual o circuito de controle opera uma seqüência única de subconjuntos das fontes de uma maneira cíclica com apenas um dos sub- conjuntos das fontes em operação em um dado ponto no tempo, o modo de codificação assíncrona permitindo uma análise de Transformada de Hada- mard dos canais de medição e de referência.

27. Ferramenta de análise de fluido em fundo de poço, compre- endendo: - um fundo de poço extensível em um alojamento de ferramenta e tendo uma passagem de fluxo para uma amostra de fluido; e - um dispositivo de análise de fluido disposto no alojamento de ferramenta com relação a uma passagem de fluxo, o dispositivo de análise de fluido pelo menos incluindo: - uma pluralidade de fontes individuais que geram sinais ópticos através de uma faixa espectral de comprimentos de onda, - um conjunto de roteamento que combina opticamente os sinais gerados de cada uma das fontes em um sinal combinado e que roteia o sinal combinado para um canal de referência e para um ou mais canais de medi- ção, e - um circuito de controle eletricamente acoplado às fontes e ope- rável no sentido de modular eletronicamente cada uma das fontes em uma freqüência independente.

28. Método de análise de fluido em fundo de poço, compreen- dendo as etapas de: - empregar um dispositivo de análise de fluido em fundo de po- ço; - obter uma amostra de fluido em fundo de poço; - gerar uma pluralidade de sinais ópticos através de um espectro de comprimentos de onda por meio da modulação eletrônica de cada qual dentre uma pluralidade de fontes em uma freqüência independente; - combinar os sinais gerados em um sinal combinado; e - rotear o sinal combinado simultaneamente para um ou mais canais de medição para interagir com a amostra de fluido e para um canal de referência para a escala dinâmica do canal de medição.

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de gerar os sinais ópticos compreende a filtragem espectral de uma ou mais dentre as fontes.

30. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada uma das fontes compreende ligar e desligar cada uma das fontes individuais.

31. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada uma das fontes compreende a modulação de cada uma das fontes individuais sobre uma amplitude mínima.

32. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada uma das fontes compreende a modulação de uma ou mais dentre as fontes individuais na mesma freqüência.

33. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada uma das fontes compreende a modulação de uma ou mais dentre as fontes individuais em freqüências únicas diferentes umas das outras.

34. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de combinar os sinais gerados em um sinal combinado compreende a refle- xão de cada uma das fontes individuais em um acoplador óptico.

35. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de rotear o sinal combinado compreende a divisão fracional do sinal combi- nado nos canais de referência e de medição.

36. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de rotear o sinal combinado compreende a oscilação do sinal combinado entre uma primeira orientação que produz o canal de referência e uma se- gunda orientação que produz o canal de medição.

37. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que as eta- pas de gerar, combinar, e rotear compreendem: - a configuração espacial das fontes individuais em uma ou mais dimensões; - a combinação dos sinais ópticos a partir das fontes configura- das espacialmente utilizando uma rede; e - o roteamento do sinal combinado para os canais de medição e de referência.

38. Método, de acordo com a reivindicação 37, em que a etapa de refletir o sinal compreende a reflexão de uma primeira porção do sinal para o canal de referência e a reflexão de uma segunda porção do sinal para o canal de medição.

39. Método, de acordo com a reivindicação 37, em que a etapa de rotear compreende: - o roteamento de uma reflexão de primeira ordem da rede de di- fração, - a geração da reflexão de primeira ordem para o canal de medi- ção; - o roteamento de uma reflexão de segunda ordem da rede de difração; e - a geração da reflexão de segunda ordem para o canal de refe- rência.

40. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada qual dentre uma pluralidade de fontes é controlada com base na energia medida do canal de referência.

41. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada qual dentre uma pluralidade de fontes compreende a codi- ficação síncrona das fontes ao operar simultaneamente cada qual dentre duas ou mais fontes e modular cada qual com uma freqüência independente.

42. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada qual dentre uma pluralidade de fontes compreende a codi- ficação síncrona das fontes ao operar as fontes simultaneamente usando incrementos de freqüência fixos.

43. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada qual dentre uma pluralidade de fontes compreende a codi- ficação síncrona das fontes ao operar cada qual dentre duas ou mais fontes de uma maneira serial com apenas uma das fontes em operação em qual- quer ponto no tempo.

44. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que a etapa de modular cada qual dentre uma pluralidade de fontes compreende a codi- ficação síncrona das fontes ao operar uma seqüência única de subconjuntos das fontes de uma maneira cíclica com apenas um dentre os subconjuntos das fontes em operação em um dado ponto no tempo.