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Título: Projeto e aplicação de um sistema de sensoriamento acústico distribuído baseado em OTDR sensível à fase
Título(s) alternativo(s): Design and application of a distributed acoustic sensing system based on phase-sensitive OTDR
Autor(es): Weber, Guilherme Heim
Orientador(es): Pipa, Daniel Rodrigues
Palavras-chave: Poços de petróleo - Gas-lift
Dispositivos óptico-acústicos
Fibras ópticas
Medidores de fluxo
Sensoriamento remoto
Heterodinação (Eletrônica)
Demodulação (Eletrônica)
Vibração
Modelos matemáticos
Escoamento multifásico
Oil wells - Gas-lift
Acoustooptical devices
Optical fibers
Flow meters
Remote sensing
Heterodyning (Electronics)
Demodulation (Electronics)
Vibration
Mathematical models
Multiphase flow
Data do documento: 15-Dez-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: WEBER, Guilherme Heim. Projeto e aplicação de um sistema de sensoriamento acústico distribuído baseado em OTDR sensível à fase. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: Sistemas de Sensoriamento Acústico Distribuído (DAS) têm experimentado grandes investimentos e esforços em pesquisa nos últimos anos, tendo encontrado diversas aplicações, especialmente na indústria de óleo e gás. As aplicações vão desde o monitoramento de integridade e vazamento em dutos até a detecção de intrusos, avaliações sísmicas e além. Esquemas baseados em reflectômetro óptico no domínio do tempo sensível à fase (Φ-OTDR) têm mostrado efetividade na detecção de eventos de vibrações ao longo de fibras ópticas, especialmente em relação à linearidade de resposta obtida por medições de fase do sinal retroespalhado. Dentre os vários esquemas propostos na literatura, o método de detecção heteródina tem se mostrado promissor devido à simplicidade de implementação por envolver menor número e complexidade de componentes. Neste trabalho, um sistema DAS baseado em detecção heteródina é desenvolvido. Um modelo matemático foi implementado e validado através de comparação com resultados reais obtidos com um equipamento desenvolvido. Os resultados promovem uma discussão sobre a cadeia do sinal do DAS, focando na otimização dos parâmetros de aquisição como o gauge length, no conceito de resolução espacial e sua implicação na capacidade de resolver perturbações na fibra, e ainda na demonstração de medições de subamostragem, explorando restrições importantes inerentes à correspondência entre parâmetros de aquisição e processamento. Por fim, o sistema DAS desenvolvido tem suas capacidades provadas em ensaios em campo para medições em duas aplicações diretamente relacionadas à indústria de óleo e gás. Na primeira, o sistema DAS foi implantado em um poço de 90 m de profundidade, permitindo o monitoramento remoto de uma bomba submersa e medições de atividades sísmica simuladas. Numa segunda campanha de ensaios em campo, medições de escoamento multifásico foram realizadas em um duto horizontal utilizando o sistema DAS. Dentre os parâmetros avaliados, foca-se em medições de velocidades de bolhas através da integração radial no espaço k-f e da correlação cruzada distribuída. Os resultados apresentaram similaridade significativa em relação aos valores teóricos esperados e a medições utilizando um medidor de fase referência baseado em condutância. Os resultados validam a viabilidade do sistema DAS desenvolvido para aplicações da indústria de óleo e gás.
Abstract: Distributed Acoustic Sensing Systems (DAS) have recently experienced significant investment and research efforts, having found several applications, especially in oil and gas industry. Applications range from pipeline integrity and leakage monitoring to intruder detection, seismic assessments and beyond. Schemes based on Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer (Φ-OTDR) have shown effectiveness in detecting vibration events along optical fibers, especially concerning the response linearity obtained by phase measurements of the backscattered signal. Among the various schemes proposed in the literature, the heterodyne detection method has shown to be promising due to the simplicity of implementation, involving a smaller number and complexity of components. In this work, a DAS system based on heterodyne detection is developed. A mathematical model was implemented and validated through comparison with real results obtained with the equipment developed. The results promote a discussion about the DAS signal chain, focusing on the optimization of acquisition parameters such as the gauge length, on the concept of spatial resolution and its implication in the ability to resolve disturbances in the fiber, and also on the demonstration of undersampled measurements, exploring important constraints inherent to the correspondence between acquisition and processing parameters. Finally, the DAS system developed has its capabilities proven in field tests for measurements in two applications directly related to the oil and gas industry. In the first one, DAS was deployed in a 90 m deep borehole, allowing remote monitoring of a submersible pump and measurements of simulated seismic activities. In a second field test campaign, multiphase flow measurements were performed in a horizontal pipe using the DAS system. Among the parameters evaluated, it focuses on measurements of bubble velocities through radial integration in k-f space and distributed cross-correlation. The results showed significant similarity in relation to the expected theoretical values and measurements using a reference conductance-based phase meter. The results validate the feasibility of the DAS system developed for oil and gas industry applications.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31512
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