Hace más de 50 años, se presentó la primera patente que consideraba el uso de fibra óptica como una forma de medir eventos ambientales. La patente US 03327584, concedida en 1967, describe un haz de fibras que iluminaría simultáneamente una superficie y también capturaría la luz reflejada. A principios de la década de 1980, se utilizaron sistemas de matrices de sensores acústicos de fibra óptica para matrices ligeras de apertura amplia (LWWAA) para submarinos de la clase Virginia, matrices remolcadas y varios sistemas de vigilancia.
El uso de detección de fibra óptica para el monitoreo dentro/debajo del pozo en el sector del petróleo y el gas se ha venido realizando durante los últimos 20 años. En la década de 2000, se utilizó la detección de temperatura distribuida, seguida del uso de la detección acústica distribuida en la década de 2010. Si bien se reconoce que la tecnología genera valor en muchos casos, está lejos de ser implementada en todos los pozos. Sin embargo, existe la promesa de que la detección de fibra se convertirá en el estándar en ciertas aplicaciones.
Durante la última década, la detección de fibra óptica distribuida se ha utilizado para detectar y prevenir fugas en oleoductos y gasoductos en tierra. A modo de ejemplo, en 2016, OptaSense firmó un contrato para proporcionar una solución de seguridad y detección de fugas en la tubería para el Gasoducto Transanatoliano de Gas Natural (TANAP). La solución monitoreará más de 1.850 kilómetros de ductos, así como la seguridad perimetral de todas las instalaciones. Actualmente, hay más de 15.000 kilómetros de oleoductos que están siendo monitoreados por tecnología de detección de fibra en todo el mundo.
Hay tres tipos de redes de detección de fibra.
Redes de sensores puntuales — en una red de sensores puntuales, cada sensor es distinto y debe conectarse de forma individual. Los sensores puntuales se utilizan a menudo en implantaciones de menor longitud. Comprender dónde se encuentran los sensores puntuales a lo largo de una ruta en particular es fundamental para interpretar correctamente los datos recibidos del entorno.
Redes de sensores casi-distribuidos — una versión de detección casi-distribuida incluye el uso de múltiples redes de Bragg de fibra (FBG), que están integradas en la fibra. El índice de refracción del núcleo de la fibra se modifica para que ciertas longitudes de onda de luz pasen mientras que otras se reflejan de regreso a la fuente. Cada FBG puede reflejar una longitud de onda específica, lo que hace que cada uno sea identificable a lo largo de la ruta de la fibra. En otras palabras, los FBG son como filtros de longitud de onda en línea que reflejan longitudes de onda específicas de regreso a la fuente, y se pueden emplear múltiples FBG en una sola ruta de fibra. Al igual que con las redes de sensores puntuales, comprender dónde están los FBG en relación con lo que se está detectando es fundamental para una interpretación adecuada de los datos.
Redes de sensores distribuidos — en una red de sensores distribuidos, el número de sensores a lo largo de una fibra óptica se distribuye y los números varían según la longitud del sistema, la resolución espacial de los sensores y la caja de interrogación utilizada. Normalmente, la resolución espacial de cada sensor es de 1 a 10 metros. La detección distribuida se logra enviando un pulso de luz a través de una fibra e interpretando la luz retrodispersada de ese pulso. Al observar la retrodispersión de Rayleigh, Brillouin y Raman, es posible detectar la acústica, la deformación/temperatura y la temperatura, respectivamente. La detección distribuida puede reemplazar la integración, a menudo complicada y costosa, de cientos o miles de sensores separados en una única solución continua.
Hay tres tipos principales de aplicaciones de detección distribuida.
- Con la detección acústica distribuida (DAS), los micrófonos “virtuales” se distribuyen a lo largo de una fibra. El número de micrófonos se basa en una combinación de resolución espacial, distancia y ancho de pulso. Dependiendo del proveedor, cada interrogador tiene un alcance típico de 30 a 50 kilómetros. Se pueden conectar en red varios interrogadores, lo que le da a un solo operador miles de kilómetros para monitorear.
- Con la detección de temperatura distribuida (DTS), los termómetros “virtuales” se distribuyen a lo largo de una fibra. La DTS puede tener un alcance de 10 a 100 kilómetros, resolución espacial de 1 a 5 metros, tiempo de medición de 2 a 30 minutos y precisión de medición de temperatura entre < 0,5 grados a < 5,5 grados Celsius. Recuerde que el rango, la resolución espacial, el tiempo de medición y la precisión de la temperatura son interdependientes.
- La detección de deformación distribuida (DSS) incluye galgas extensométricas “virtuales” distribuidas a lo largo de una fibra. Usando un sistema basado en Brillouin, es posible, con algunas soluciones, medir la deformación en un rango de más de 65 kilómetros, una resolución espacial de aproximadamente 1 metro y una resolución de deformación de menos de 10 microesfuerzos.
Como se señaló anteriormente, en una red de sensores distribuidos, la luz retrodispersada se puede dividir en tres componentes: Rayleigh, Brillouin y Raman.
La retrodispersión de Rayleigh se utiliza principalmente para aplicaciones acústicas distribuidas. Las señales acústicas u ondas sonoras que impactan en la fibra provocan pequeños cambios en el índice de refracción. Estos cambios pueden detectarse con retrodispersión de Rayleigh utilizando un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo coherente (COTDR). Normalmente se utiliza fibra óptica monomodo estándar.
La retrodispersión Brillouin se utiliza para mediciones de deformación y/o temperatura. Cuando la fibra está bajo tensión, se puede detectar y analizar un cambio de frecuencia de Brillouin. Se utiliza el reflectómetro óptico en el dominio del tiempo de Brillouin (BOTDR) o, para mejorar la detección, se puede utilizar un analizador óptico en el dominio del tiempo de Brillouin (BOTDA). Normalmente se utiliza fibra óptica monomodo estándar.
La retrodispersión de Raman se utiliza principalmente para aplicaciones de detección de temperatura. Para detectar cambios de temperatura, se comparan el pico Raman Anti-Stokes, que depende de la temperatura, y el pico Raman Stokes, que es casi independiente de la temperatura. La temperatura se determina en función del delta entre los dos. Para distancias más cortas, se suele utilizar fibra multimodo estándar.
