Há mais de 50 anos era depositada a primeira patente que considerava o uso da fibra ótica como forma de mensurar eventos ambientais. A patente US 03327584, concedida em 1967, descreve um feixe de fibras que iluminaria simultaneamente uma superfície e também capturaria a luz refletida. No início da década de 1980, os sistemas acústicos de fibra óptica para matrizes de sensores foram usados para matriz leve de abertura ampla (LWWAA) para submarinos da classe Virginia, matrizes rebocadas e vários sistemas de vigilância.
O uso de detecção de fibra óptica para monitoramento dentro/abaixo do poço no setor de petróleo e gás vem ocorrendo nos últimos 20 anos. Na década de 2000, a detecção de temperatura distribuída foi usada, seguida pelo uso de detecção acústica distribuída na década de 2010. Embora a tecnologia seja reconhecida como geradora de valor em muitos casos, está longe de ser implantada em todos os poços. No entanto, existe a promessa de que a detecção por fibra se tornará o padrão em certas aplicações.
Na última década, a detecção por fibra óptica distribuída tem sido usada para detectar e prevenir vazamentos em oleodutos e gasodutos em terra. A título de exemplo, em 2016, a OptaSense assinou um contrato para fornecer uma solução de detecção e segurança contra vazamentos em dutos para o Gasoduto Transanatoliano de Gás Natural (TANAP). A solução monitorará mais de 1.850 quilômetros de dutos, bem como a segurança do perímetro de todas as instalações. Atualmente, existem mais de 15.000 quilômetros de dutos sendo monitorados por tecnologia de detecção por fibra em todo o mundo.
Existem três tipos de redes de detecção por fibra.
Redes de sensores pontuais — em uma rede de sensores pontuais, cada sensor é distinto e deve ter seu backhaul feito individualmente. Sensores pontuais geralmente são usados em implantações de menor comprimento. Compreender onde os sensores pontuais estão ao longo de um determinado caminho é fundamental para interpretar corretamente os dados recebidos do ambiente.
Redes de sensores quasi-distribuídos — uma versão de detecção quasi-distribuída inclui o uso de várias grades de Bragg de fibra (FBG), que são incorporadas à fibra. O índice de refração do núcleo da fibra é modificado, de modo que certos comprimentos de onda de luz passem, enquanto outros são refletidos de volta para a fonte. Cada FBG pode refletir um comprimento de onda específico, tornando cada um identificável ao longo da via da fibra. Em outras palavras, os FBGs são como filtros de comprimento de onda em linha, que refletem comprimentos de onda específicos de volta para a fonte, e vários FBGs podem ser empregados em um único caminho de fibra. Assim como acontece com as redes de sensores pontuais, entender onde os FBGs estão em relação ao que está sendo detectado é fundamental para a interpretação adequada dos dados.
Redes de sensores distribuídos — em uma rede de sensores distribuídos, o número de sensores ao longo de uma fibra óptica é distribuído e os números variam com base no comprimento do sistema, na resolução espacial dos sensores e na caixa interrogadora usada. Normalmente, a resolução espacial de cada sensor é de 1 a 10 metros. A detecção distribuída é realizada enviando um pulso de luz por uma fibra e interpretando a luz retroespalhada desse pulso. Olhando para a retroespalhamento Rayleigh, Brillouin e Raman, é possível detectar acústica, deformação/temperatura e temperatura, respectivamente. A detecção distribuída pode substituir a integração frequentemente complicada e dispendiosa de centenas ou milhares de sensores separados em uma única solução contínua.
Existem três tipos principais de aplicações de detecção distribuída.
- Com a detecção acústica distribuída (DAS), microfones “virtuais” são distribuídos ao longo de uma fibra. O número de microfones é baseado em uma combinação de resolução espacial, distância e largura de pulso. Dependendo do fornecedor, cada interrogador tem um alcance típico de 30 a 50 quilômetros. Vários interrogadores podem ser ligados em rede, o que dá a uma única operadora milhares de quilômetros para monitorar.
- Na detecção de temperatura distribuída (DTS), termômetros “virtuais” são distribuídos ao longo de uma fibra. A DTS pode ter uma faixa de 10 a 100 quilômetros, resolução espacial de 1 a 5 metros, tempo de medição de 2 a 30 minutos e precisão de medição de temperatura entre < 0,5 graus a < 5,5 graus Celsius. Lembre-se de que o alcance, a resolução espacial, o tempo de medição e a precisão da temperatura são interdependentes.
- A detecção de deformação distribuída (DSS) inclui medidores de deformação “virtuais” distribuídos ao longo de uma fibra. Usando um sistema baseado em Brillouin, é possível, com algumas soluções, medir a deformação em uma faixa de mais de 65 quilômetros, resolução espacial de aproximadamente 1 metro e uma resolução de deformação de menos de 10 microtensões.
Conforme observado acima, em uma rede de sensores distribuída, a luz retroespalhada pode ser dividida em três componentes: Rayleigh, Brillouin e Raman.
O retroespalhamento Rayleigh é usado principalmente para aplicações acústicas distribuídas. Sinais acústicos ou ondas sonoras que impactam a fibra causam pequenas mudanças no índice de refração. Essas alterações podem ser detectadas com o retroespalhamento Rayleigh ao usar um refletômetro óptico coerente no domínio do tempo (COTDR). A fibra óptica monomodo padrão é normalmente usada.
O retroespalhamento Brillouin é usado para medições de deformação e/ou temperatura. Quando a fibra está sob tensão, uma mudança de frequência Brillouin pode ser detectada e analisada. É usado o refletômetro óptico no domínio do tempo Brillouin (BOTDR) ou, para uma detecção aprimorada, pode ser usado um analisador de domínio de tempo-óptico Brillouin (BOTDA). A fibra óptica monomodo padrão é normalmente usada.
O retroespalhamento Raman é usado principalmente para aplicações de detecção de temperatura. Para detectar mudanças de temperatura, são comparados o pico Raman Anti-Stokes, que é dependente da temperatura, e o pico Raman Stokes, que é quase independente da temperatura. A temperatura é determinada com base no delta entre os dois. Para distâncias mais curtas, a fibra multimodo padrão é normalmente usada.
