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JP6533618B2 - トレース可能なフィルタを使用する光コンピューティング装置の較正 - Google Patents

トレース可能なフィルタを使用する光コンピューティング装置の較正 Download PDF

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Description

本発明は、概して光コンピューティング装置に関し、より詳細にはトレース可能な光フィルタを使用する光コンピューティング装置の較正に関する。
多様な光コンピューティング技法が石油ガス業界での応用例のために開発されてきた。光コンピューティング装置の例は、物質または物質の試料から電磁放射線の入力を受け取り、処理要素から電磁放射線の出力を生じさせるように構成された装置である。処理要素は、例えば統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造であってよい。いくつかの光コンピューティング装置は、従来の電子プロセッサの配線で接続された回路とは対照的に、計算を実行するために光学素子を活用する。電磁放射線が物質と相互に作用するとき、物質についての一意の物理的及び化学的な情報が試料から反射される、試料を透過される、または試料から放射される電磁放射線で符号化される。この情報は、多くの場合、物質のスペクトル「フィンガープリント」と呼ばれる。したがって、光コンピューティング装置は、ＩＣＥ構造を使用することによって、物質の中の複数の特徴または検体のスペクトルフィンガープリントの情報を抽出し、その情報を試料の全体的な特性に関する検出可能な出力に変換できる。
本開示の例示的な実施形態に係る光コンピューティング装置較正システムのブロック図である。 本開示の例示的な較正方法のフローチャートである。 実検出器応答（「Ｒ２」）及びシミュレーション検出器応答（「Ｒ１」）の例示的なマッピング関数、ならびにマッピング原理を例示するのに有用な対応するプロットを示す図である。 本開示の特定の例示的な実施形態に従って試料を調査するために使用される自己較正式の光コンピューティング装置４００のブロック図である。 本開示の特定の例示的な応用に従って、それぞれ掘削中検層（「ＬＷＤ」）応用及びワイヤライン応用で使用される、本明細書に説明される自己較正式の光コンピューティング装置を示す図である。 本開示の特定の例示的な応用に従って、それぞれ掘削中検層（「ＬＷＤ」）応用及びワイヤライン応用で使用される、本明細書に説明される自己較正式の光コンピューティング装置を示す図である。
本開示の例示的な実施形態及び関係する方法は、光コンピューティング装置のための較正モデルで利用される可能性があるので、本開示の例示的な実施形態及び関係する方法は以下に説明される。明確にするために、実際の実装または方法のすべてが本明細書に説明されるわけではない。任意の係る実際の実施形態の開発では、実施形態によって変わる、システムに関係する制約及び事業に関係する制約の遵守等、開発者の特定の目標を達成するために実装に特有の多数の決定を下さなければならないことが理解されるのは言うまでもない。本開示の多様な実施形態及び関係する方法の追加の態様及び優位点は、以下の説明及び図面を検討することから明らかになる。
光コンピューティング装置の動作中、光源から発せられる光の強度は変動することがある。係る変動は、経時的な電球の弱体化を含むさまざまな理由のため、または単に関心のある試料の吸収特性に起因して発生する可能性がある。結果として、この変動及び標本特性値を正確に計算するために必要な出力信号比に対するその変動の影響は、出力信号及び結果として生じる測定値に誤差を生じさせる。
さらに、ダウンホール（ｄｏｗｎｈｏｌｅ）の温度の変動も光コンピューティング装置の精度に有害な影響を及ぼすことがある。光コンピューティング装置の温度が変化するにつれ、検出器等の多様な構成要素の動作特性も徐々に改変される。検出器が温まるにつれ、最終的に出力信号はゼロになる。この現象は「熱ドリフト」と呼ばれる。光コンピューティング装置の精度は部分的には検出器の安定性に基づいているので、熱ドリフトは当然出力信号にも誤差を生じさせる。
これらの問題に対処するために、従来の方法は、非常に法外な費用がかかり、時間費用がかかる実際の液状試料を使用し、開発される較正モデルを使用する。コンピューティング装置を較正するための実際の液状試料の使用は、完了するのに数日または数週間かかることがある時間がかかる清掃処置だけではなく、温度及び圧力の操作も必要とする。したがって、技術には、より経済的に効率的な較正モデルに対する必要性がある。
上記を鑑みて、本開示の例示的な実施形態及び方法は、トレース可能なフィルタを使用する光コンピューティング装置のための較正モデルを対象とする。これを達成するために、トレース可能なフィルタの高解像度スペクトル及びコンピューティング装置の特性（例えば、光源発光プロファイル、フィルタホイールスペクトル、検出器応答プロファイル）を使用し、シミュレーションされる、シミュレーション検出器応答に対し実検出器応答をマッピングするマッピング関数が生成される。本明細書に定義されるように、「トレース可能なフィルタ」は、例えば実験室の分光計を使用する、そのスペクトル出力（または基準スペクトル）が既知である光フィルタである。一般化された実施形態では、本開示は、シミュレーション検出器応答と実検出器応答との間でマッピング関数を生成するために２つ以上のトレース可能な光フィルタを使用することによって、光コンピューティング装置の検出器応答出力を較正するためのモデルを提供する。マッピング関数が生成されると、コンピューティング装置の動作中に取得される実検出器応答は、マッピング関数を使用し、シミュレーションされた応答に較正できる。その後、較正された検出器出力は関心のある標本特性値を決定するために使用される。
より詳細には、本開示は、実光検出器応答出力とシミュレーション光検出器応答出力との間の差異を補正するために、光コンピューティング装置のスペクトル出力を較正できるようにする。ここで説明される例示的な方法は、実検出器の出力を減衰させて、したがって液状試料を使用することなくシミュレーション検出器応答への実検出器応答のマッピングを可能にするために一式のトレース可能な光フィルタ基準（例えば、減光フィルタ、ガラス規格等）を使用する。トレース可能な光フィルタは光センサの中に内蔵されることがあるため、較正プロセスは、熱ドリフトの場合にコンピューティング装置を標準化し直すために、将来の任意の時点で実施できる。
光コンピューティング装置に関して本明細書に説明されているが、本明細書に説明される例示的な方法／実施形態は、関心のある物理的特性または化学的特性（例えば、粒子サイズ、密度、化学組成等）を予測するために、試料の定量的で正確な透過測定／吸収測定を行う任意の分光センサに適用可能である。
上記を鑑みて、図１は本開示の例示的な実施形態に係る光コンピューティング装置較正システムのブロック図を示す。本明細書に説明されるように、較正システム１００は、トレース可能なフィルタのシミュレーションされたスペクトルデータを使用し、光コンピューティング装置を較正するために使用されるマッピング関数を生成するためのプラットフォームを提供する。マッピング関数が生成された後、光コンピューティング装置は所望されるようにリアルタイムで較正されてよい。したがって、本明細書に説明されるように、本開示はどんなときにも光コンピューティング装置を較正するための効率的な方法を提供する。
図１を参照すると、較正システム１００は、すべてシステムバス１０９を介して相互接続される、少なくとも１つのプロセッサ１０２、非一過性のコンピュータ可読記憶装置１０４、トランシーバ／ネットワーク通信モジュール１０５、光入出力装置１０６、及び任意選択のディスプレイ１０８（例えばユーザーインタフェース）を含む。一実施形態では、ネットワーク通信モジュール１０５はネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）であり、イーサネット（登録商標）プロトコルを使用し、通信する。他の実施形態では、ネットワーク通信モジュール１０５は、光ファイバインタフェース等の別のタイプの通信インタフェースであってよく、いくつかの異なる通信プロトコルを使用し、通信してよい。本明細書に説明される例示的な実施形態に従って較正モジュール１１０の中に記憶されるソフトウェア命令を実装するためのプロセッサ１０２によって実行可能なソフトウェア命令は、記憶装置１０４またはなんらかの他のコンピュータ可読媒体に記憶されてよい。
図１に明示的に示されていないが、較正システム１００は１つ以上の適切なネットワーク接続を介して１つ以上のパブリックネットワーク（例えばインターネット）及び／またはプライベートネットワークに接続されてよいことが認識される。また、較正モジュール１１０を含むソフトウェア命令も有線方法または無線方法を介してＣＤ−ＲＯＭまたは他の適切な記憶媒体から記憶装置１０４の中にロードされてよいことも認識される。
さらに、本開示の方法及び実施形態は、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースの電子機器もしくはプログラム可能な家庭用電化製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ等を含むさまざまなコンピュータシステム構成で実施されてよい。任意の数のコンピュータシステム及びコンピュータネットワークは、本開示との使用のために許容できる。本開示の方法及び実施形態は、タスクが通信ネットワークを通してリンクされる遠隔処理装置によって実行される分散コンピューティング環境で実施されてよい。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールは、メモリ記憶装置を含むローカルコンピュータ記憶媒体とリモートコンピュータ記憶媒体の両方に位置してよい。したがって、本開示は、コンピュータシステムまたは他の処理システムで多様なハードウェア、ソフトウェア、またはその組合せと接続して実装されてよい。
試料の関心のある検体（例えば、原油中のＣ１、Ｃ２、またはＣ３等）に対するセンサの較正は２つの部分のプロセスから成る。つまり、第１のステップで、シミュレーション検出器応答を関心のある検体に相互に関連付ける較正モデルが構築される（シミュレーション及び較正の詳細は以下に説明される）。第２のステップで、（プロセスの第１のステップで構築された）較正モデルを実センサで適用できるようにする、実センサ検出器応答のシミュレーション検出器応答に対する較正マッピング関数が作成される。
ステップ１で、較正プロセスを始めるために、光コンピューティング装置が設計され、製作される。本開示の利点を有する技術の当業者によって理解されるように、設計プロセスは一般的に、例えばＰＶＴ実験室で多様な温度及び圧力で試料のスペクトルデータを記録するために、例えば実験室分光計システム（フーリエ変換近赤外線分光計（ＦＴ−ＮＩＲ）、分散型ＮＩＲ分光計等）を使用し、十分な数の液状試料を測定することを含む。設計プロセスの結果は、関心のある検体が検出器応答と最もうまく相互に作用できるようにするために最適なスペクトルプロファイルを有するＩＣＥ構造である。次に、光コンピューティング装置が製作され、ＩＣＥ構造のスペクトルプロファイルが分光計を使用し、測定され、光源発光プロファイル及び検出器スペクトル反応プロファイルが特徴付けされる。光センサの各構成要素のスペクトルデータに加えて、液状試料の多数のＦＴＩＲスペクトルもＦＴＩＲ分光計を使用し、ＰＶＴシステムで取得される。その後、液状試料のスペクトルデータ及び光コンピューティング装置の分光学的同定を使用し、各試料の光応答は以下により推定できる。
S ＝ FldSpec・Conv_filter_trs， 方程式（１）
上式では、
Conv_filter_Trs ＝ (Source_emission)(Filter_spec)(Detector_resp) 方程式（２）
である。
Ｓはｍ個の液状試料でのｎ個の光チャネルの統合検出器応答結果を表す。Ｆｌｄｓｐｅｃは、液状試料のｍ個のＦＴＮＩＲ透過スペクトルである。検出器出力／応答Ｓは、試料透過スペクトル及び光チャネルの畳込み透過スペクトルのドット積であり、Ｃｏｎｖ＿ｆｉｌｔｅｒ＿Ｔｒｓはｎ個の光チャネルの畳込み透過スペクトルである。畳込み透過スペクトルは光源発光プロファイル（Ｓｏｕｒｃｅ＿ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、ＩＣＥ構造の透過スペクトル（Ｆｉｌｔｅｒ＿ｓｐｅｃ）、及び検出器スペクトル応答曲線（Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＿ｒｅｓｐ）に基づいている。
その後、多変量較正モデルは、訓練試料でのシミュレーション検出器応答Ｓ、及び関心のある特性（例えば、濃度、密度等）に対するシミュレーション検出器応答Ｓに基づいて作成される。多変量較正モデルは、シミュレーション検出器応答Ｓと、関心のある検体の濃度との間に相互関連を確立するために作成される。これらの多変量較正モデルは、例えば主成分回帰（ＰＣＲ）、部分的最小二乗回帰（ＰＬＳＲ）、多重線形回帰（ＭＬＲ）、リッジ回帰（ＲＲ）、人工神経ネットワーク（ＡＮＮ）、最小絶対収縮及び選択演算子（Ｌｅａｓｔ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｏｐｅｒａｔｏｒ（ＬＡＳＳＯ）、またはサポートベクトル機械（ＳＶＭ）等の多様な統計アルゴリズム及び機械学習アルゴリズムを通して生成できる。
ステップ２で、２つ以上のトレース可能なフィルタのスペクトルが取得され、それらのシミュレーションされたセンサ検出器応答（「Ｒ１」）は方程式３に従って計算される。また、これらのトレース可能なフィルタは次いで実検出器応答（Ｒ２）を取得するためにセンサで使用され、次いでマッピング関数がシミュレーション検出器応答と実検出器応答の関係をマッピングするために生成される。
上記を考慮して、図２は本開示の例示的な較正方法のフローチャートである。ブロック２０２で、例えば減光フィルタ、またはガラス等の２つ以上のトレース可能な光フィルタの基準スペクトルが取得される。基準スペクトルは、例えば実験室分光装置（例えば、ＦＴ−ＮＩＲ）を使用し、取得されてよい。結果として、基準スペクトルは既知（つまりトレース可能）である。マッピング関数を作成できるようにするために少なくとも２つの異なる検出器応答が取得される必要があるため、トレース可能な光フィルタは異なるスペクトル透過レベルを有する。液状試料はここでは測定されていないが、基準スペクトルはそれぞれ、実際の液状試料のスペクトルデータをシミュレーションする定義スペクトルパターンを有する。言い換えると、トレース可能なフィルタは、トレース可能な基準スペクトルが液状試料スペクトルとして処理されるように液状試料のように機能し、これらのトレース可能な光フィルタにとってのシミュレーション検出器応答（「Ｒ１」）は次いで以下に説明されるように取得される。
R１ ＝ Filter_Spec・Conv_filter_Trs， 方程式（３）
上式では、この場合、Ｆｉｌｔｅｒ＿Ｓｐｅｃはトレース可能な光フィルタの基準スペクトルを表す。
次に、トレース可能な光ファイバの実検出器応答は、例えばトレース可能な光フィルタが位置決めされる可動アセンブリを使用し、取得される。可動アセンブリは、例えば光コンピューティング装置の回転式カルーセルまたは線形アレイであってよい。代わりに、可動アセンブリはスタンドアロン装置であってよい。それにも関わらず、（使用される場合）回転式カルーセルは各トレース可能フィルタを光学経路に設置するために回転され、それによって実検出器応答（「Ｒ２」）を取得する。Ｒ２反応は、光コンピューティング装置が製作され、センサの中に組み立てられた後の任意のときに取得されてよい。
実検出器応答及びシミュレーション検出器応答が取得された後、較正システムは次いで、チャネルごとにＲ１及びＲ２をマッピングするマッピング関数を生成する。１つの例示的な方法では、以下のマッピング関数によって定義されるように、それぞれの個々の光チャネルをマッピングする単変量マッピング関数（ｕｎｉｖａｒｉａｔｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が生成される。
Ｒ1,i＝Ｒ2,i＊βi＋αi 方程式（４）
上式で、Ｒ1,iは光チャネルｉ上のトレース可能な光フィルタの集合のシミュレーション検出器応答である。Ｒ2,iは光チャネルｉの上のトレース可能光ファイバの集合の実検出器応答である。αiはチャネルｉの較正ラインのオフセットであり、βiはチャネルｉの較正ラインの傾きである。図３は、マッピング関数Ｒ1，＝Ｒ2＊β＋α（及びマッピング原理を例示するのに有用な対応するプロットを示す。示されている例では、３つのトレース可能なフィルタが、シミュレーションＲ１検出器応答及び実Ｒ２検出器応答を取得するために使用される。代替の方法では、以下のマッピング関数によって定義されるように、１つの光チャネルに複数の光チャネルをマッピングする多変量マッピング関数（ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が生成されてよい。
Ｒ1＝Ｒ2＊Ｆ 方程式（５）
上式で、Ｆは非線形または線形の多変量マッピング関数である。
その後、図２を参照し直すと、基準スペクトルはブロック２０４でマッピング関数を使用し、光コンピューティング装置を較正するために使用される。ここでは、マッピング関数Ｆが決定されると、液状試料の実検出器応答（スペクトル）は、マッピング関数によってシミュレーション検出器応答に較正できる。次いで、上記ステップ１で最初に作成された多変量較正モデルは、関心のある標本特性値を取得するために／関心のある検体の濃度を予測するために較正済みの検出器応答で適用される。
図４は、本開示の特定の例示的な実施形態に従って、試料を調査するために使用される自己較正式の光コンピューティング装置４００のブロック図を示す。電磁放射線源４０８は電磁放射線４１０を発する、またはそれ以外の場合生成するように構成されてよい。技術で理解されるように、電磁放射線源４０８は電磁放射線を発するまたは生成することができる任意の装置であってよい。例えば、電磁放射線源４０８は電球、発光素子、レーザー、黒体、光結晶、またはＸ線源等であってよい。一実施形態では、電磁放射線４１０が試料４０６（例えば、裸孔または累層の一部を通って流れる裸孔流体）と光学的に相互に作用し、試料と相互に作用した光４１２を生成するように構成されてよい。試料４０６は任意の流体（液体または気体）、例えばダウンホールのツール構成要素、管状物、岩石層、スラリー、砂、泥、ドリル切削物、コンクリート、他の固体表面等の固体または固形物であってよい。しかしながら、他の実施形態では、試料４０６は、例えば元素腐食性副産物、試料物質損失により生じる要素、Ｃ１〜Ｃ４及びより高い炭化水素、係る要素のグループ、ならびに塩水等の、さまざまな流体特性から成る（例えば油、気体、水、固体を含む）多相裸孔流体である。
試料４０６は、例えば試料４０６を含む送り管または試料セルを通って光コンピューティング装置４００に提供されてよく、これにより試料４０６は電磁放射線４１０に導入される。図４は電磁放射線４１０を、試料と相互に作用する光４１２を生じさせるために試料４０６を通過するまたは試料４０６に入射するとして示すが、本明細書では、半透明、不透明、または固形であり、等しく試料と相互に作用する光４１２を生成する試料４０６の場合でのように、試料４０６から電磁放射線４１０を反射すること（つまり反射モード）が意図される。
電磁放射線４１０で照明された後、関心（例えば試料の特性）のある検体を含む試料４０６は電磁放射線（例えば試料と相互に作用する光４１２）の出力を生じさせる。上述されたように、試料と相互に作用する光４１２は、試料の特性（例えば密度または組成）を反映するスペクトルパターンも含む。最終的に、基板装置４００上または基板装置４００から遠く離れた処理回路網がこのスペクトル情報を分析して、標本特性値を決定する。明確に示されていないが、１つ以上のスペクトル要素は、システムの光波長及び／または帯域幅を制限し、それによって重要ではない波長領域に存在する不必要な電磁放射線を排除するために光コンピューティング装置４００で利用されてよい。係るスペクトル要素は光学縦列に沿ったどこかに位置することがあるが、通常、初期の電磁放射線を提供する光源の直後で利用される。
この例示的な実施形態では、光コンピューティング装置４００は少なくとも２つのトレース可能な光フィルタＩＣＥ構造４０４を有する第１の可動アセンブリ４０２を含む。この例では、３つのトレース可能なフィルタ４０４Ａ、Ｂ、及びＣが開放孔４０５とともに示される。示されるように、可動アセンブリ４０２は線形アレイ、または、例えばチョッパーホイール等の回転円盤として少なくとも一実施形態で特徴付けられてよく、トレース可能なフィルタ４０４Ａ〜Ｃ及び開放孔４０５はチョッパーホイールとの回転のために半径方向に配置される。また、図４は、以下により詳細に説明される可動アセンブリ４０２の対応する正面図も示す。しかしながら、他の実施形態では、可動アセンブリ４０２は、少なくとも１つの検出器を２つ以上のトレース可能なフィルタ４０４または開放孔４０５と連続して位置合わせするように構成された任意のタイプの可動アセンブリとして特徴付けられてよい。
光コンピューティング装置４００の通常動作の間、可動アセンブリ４０２は、標本特性値が決定され得るように、試料と相互に作用する光４１２の経路に開放孔４０５を位置決めするために回転される。しかしながら、以下により詳細に説明されるように、光コンピューティング装置４００が較正を必要とするとき、試料４０６は取り除かれ（例えば、流体の流れは試料セル等から妨げられ）、可動アセンブリ４０２は電磁放射線４１０の経路にトレース可能なフィルタ４０４Ａ〜Ｃを位置決めするために回転される。
それにも関わらず、可動アセンブリ４０２の位置に関わりなく、第１の光学的に相互に作用する光４１４Ａは、（開放孔４０５が使用される場合）試料と相互に作用する光４１２との、または（フィルタ４０４Ａ〜Ｃが使用される場合）電磁放射線４１０とのトレース可能なフィルタ４０４Ａ〜Ｃ（または開放孔４０５の）の相互作用により生じる。第２の可動アセンブリ４１６は、第１の光学的に相互作用的な光４１４と光学的に相互に作用するために位置決めされる。第２の可動アセンブリ４１６は、例えばＩＣＥ構造、狭帯域フィルタ、ＮＤ、ブロッカ等の、試料４０６の１つ以上の特性に対応する第２の光学的に相互に作用する光４１４Ｂを生じさせるために、所望されるように相互に作用するために位置決めされる、１つ以上の光学素子を含む。
特定の例示的な実施形態では、回転円盤４０２及び４１６は、円盤４０２上の所望される光学素子が円盤４１６上の所望される光学素子と位置合わせされるように所望される周波数で回転されてよい。検出器４２０は次いでそれぞれの第２の光学的に相互に作用する光４１４Ｂを受け取り、それによって出力信号４２２を生成する。したがって、検出器４２０に通信可能に結合される信号プロセッサ（不図示）は、本開示の較正動作及び／または標本特性値決定動作を達成するためにすべての出力信号を処理する。
上述されるように、光コンピューティング装置４００の通常の動作中、回転円盤４０２は、開放孔４０５が試料と相互に作用する光４１２の光学経路に位置決めされ、これにより関心のある所望される特性を検出できるように回転される。しかしながら、光コンピューティング装置４００の較正が必要とされるとき、回転円盤４０２は、トレース可能なフィルタ４０４Ａが電磁放射線４１０の経路に位置決めされるように回転され（試料４０６は較正を実施するために除去され）、プロセッサはすべての光学素子４１８Ａ〜Ｇにより円盤４１６を回転させ、これによって第２の光学的に相互に作用する光４１４Ｂが生成され、相応して検出器４２０によって検出される。次いで、トレース可能なフィルタ４０４Ｂは光学経路に位置決めされ、光学素子４１８Ａ〜Ｇは、すべての実検出器応答が取得されるまで、再び回転される等である。次いで、（トレース可能なフィルタの基準スペクトルを使用し、取得される）シミュレーション検出器応答は実検出器応答にマッピングされ、これによって実際の応答の較正が達成される。その後、試料４０６及び開放孔４０５は光学経路に位置決めされ、光コンピューティング装置４００はその較正された状態で通常動作を続行する。
本開示の利点を有する当業者は、上述の光コンピューティング装置が事実上例示的であり、使用されてよいさまざまな他の光学的な構成があることを理解している。これらの光学的な構成は本明細書に説明される反射方法、吸収方法、または透過方法を含むだけではなく、発光（例えば蛍光、Ｘ線励起等）だけではなく散乱（例えばレイリー及びラマン散乱法）を含むこともある。さらに、光コンピューティング装置は並列処理構成を含むことがあり、これによって試料と相互に作用する光は複数のビームに分割される。
本明細書に説明される光コンピューティング装置の例示的な実施形態及び関連する方法は、さまざまな環境で使用されてよい。係る環境は、例えばダウンホール井戸または完成応用例を含んでよい。他の環境は、表面モニタリング及び海中モニタリング、衛星監視またはドローン監視、パイプラインモニタリング、及び消化管等の体腔を移行するセンサ等多種多様なものを含んでよい。それらの環境の中で、コンピューティング装置及び温度センサは環境の中で多様な標本特性値を検出／モニタするために使用される。
図５Ａは、掘削中検層（「ＬＷＤ」）応用例で使用される、本明細書に説明される自己較正式の光コンピューティング装置を示す。図５Ａはドリルストリング５０８を昇降させるためのホイスト５０６を支持するデリック５０４を備えたドリリングプラットフォーム５０２を示す。ホイスト５０６は、ドリルストリング５０８を回転させ、井戸の先端５１２を通してドリルストリング５０８を下げるために適した上部駆動装置５１０を吊る。ドリルストリング５０８の下端に接続されるのは、ドリルビット５１４である。ドリルビット５１４は回転するにつれ、ドリルビット５１４は、累層５１８の多様な層を通過する裸孔５１６を生じさせる。ポンプ５２０は掘削液を、供給管５２２を通して上部駆動装置５１０に、ドリルストリング５０８の内部を通って下方に、ドリルビット５１４内のオリフィスを通って、ドリルストリング５０８の回りの環状路を介して表面に戻り、保持ピット５２４の中に循環する５０５。掘削液は切削物を掘削孔からピット５２４の中に移送し、裸孔５１６の完全性を維持するのに役立つ。塩水をベースにした伝導性の泥を含むが、これに限定されるものではない多様な材料が掘削液５１０のために使用できる。
リザーバ調査システム５２６（例えば光コンピューティング装置）は、ビット５１４に近い坑底アセンブリの中に統合される。本例示的な実施形態では、リザーバ調査システム５２６はＬＷＤツールである。しかしながら、他の例示的な実施形態では、リザーバ調査システム５２６はワイヤライン応用例または管類により伝達される検層応用例で使用されてよい。それにも関わらず、ドリルビット５１４が累層５１８を通して裸孔５１６を拡張するにつれ、リザーバ調査システム５２６は本明細書に説明されるように標本特性値に関係するデータを収集する。特定の実施形態では、リザーバ調査システム５２６は、ドリルカラー、つまり掘削プロセスを助けるために重量及び剛性を提供する壁の厚いチューブ型の形をとってよい。テレメトリサブ（ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ ｓｕｂ）５２８が、画像及び測定データ／信号を表面受信機５３０に転送し、表面からコマンドを受信するために含まれてよい。いくつかの実施形態では、テレメトリサブ５２８は表面と通信しないが、むしろ検層アセンブリが回収されるときに表面で後に回収するためにデータを記憶する。
さらに図５Ａを参照すると、リザーバ調査システム５２６は、本明細書に説明される較正技術を実行するだけではなく、標本特性値信号及び／または温度測定信号を取得するためにも使用される必要な処理／記憶／通信回路網とともにシステムコントロールセンタ（不図示）を含む。特定の実施形態では、測定信号が取得されると、システムコントロールセンタは測定信号を較正し、テレメトリサブ５２８を介して上向孔及び／または他のアセンブリ構成要素にデータを通信して戻す。代替実施形態では、システムコントロールセンタは、表面または異なる掘削孔内等のリザーバ調査システム５２６から離れた遠隔場所に位置してよく、相応して処理を実行する。
図５Ｂは本開示の代替実施形態を示し、これによって本明細書に説明される自己較正式の光コンピューティング装置がワイヤライン応用例に配備される。掘削プロセスの間の多様なときに、ドリルストリング５０８は図５Ｂに示される掘削孔から取り除かれてよい。ドリルストリング５０８が取り除かれると、ワイヤライン検層ゾンデ５３４、つまりゾンデから（リザーバ調査システムの一部を形成する）表面まで、ゾンデ及びテレメトリに電力を移送するための導体を有するケーブル５４１によって吊り下げられたプローブを使用し、検層動作を実施できる。ワイヤラインゾンデ５３４は本明細書に説明されるように光コンピューティング装置を含んでよい。ワイヤライン検層ゾンデ５３４は、ツールがアップホール（ｕｐｈｏｌｅ）で引かれるにつれ、掘削孔の軸の近くにツールを維持するためにパッド及び／または集中化ストリング（ｃｅｎｔｒａｌｉｚｉｎｇ ｓｐｒｉｎｇ）を有してよい。検層ゾンデ５３４は、地層比抵抗を測定するためのツールを含むさまざまな他のセンサを含むことがある。検層施設５４３は検層ゾンデ５３４から標本特性値の測定値を収集し、センサにより収集される測定値を処理し、記憶するためのコンピュータシステム５４５を含む。
したがって、図５Ａ及び図５Ｂの両方の実施形態では、光コンピューティング装置の較正は、コンピューティング装置自体の一部を形成するトレース可能なフィルタを使用し、ダウンホールで実行される。しかしながら、代替実施形態では、光コンピューティング装置は、コンピューティング装置にとって外部のトレース可能なフィルタを使用し、較正されてよい。
本開示の代替実施形態では、トレース可能なフィルタは較正基準として使用されることに加えて、異なる光学的に密な流体のための光レベルを動的に調整するためにインライン光フィルタとして使用することもできる。例えば、より多くの電力が最も透明な流体に対して検出器を飽和させるため、先行技術の光学装置は現在１．５Ｗで光源を駆動するためにより弱い光レベルを使用している。結果として、光信号が弱すぎるため、より色が濃い流体はつねに測定できるとは限らない。
したがって、図４を参照すると、本開示の特定の実施形態では、トレース可能なフィルタは光源により生成される電磁放射線の強度を管理するために使用されてよい。ここでは、より強い光の強度が電磁放射線源４０８（例えば１５Ｗ）のために使用され、（例えば、１０％の透過を可能にする）トレース可能なフィルタは電磁放射線とインラインで設置される。したがって、より透明な試料４０６が分析されているとき、円盤４０２は、検出器が飽和状態にならないように光を減衰するために１０％のトレース可能なフィルタまで回転される。しかしながら、より光学的に密な試料流体（例えば不透明な流体）が分析されているとき、円盤４０２は、例えば７０％透過を可能にする別のトレース可能なフィルタまで回転されてよく、これによって信号は使用可能な測定値を取得できるほど十分に強い。異なる透過レベルの任意の数のトレース可能なフィルタが使用されてよい。したがって、係る応用例は光コンピューティング装置により幅広いダイナミックレンジを提供する。
したがって、本明細書に説明される例示的な方法及び実施形態はいくつかの優位点を提供する。第１に、例えば、操作上高価であり、安全上の問題を呈し、指定された施設が較正試験を実施することを必要とする較正セットとして実際の液状試料を使用する代わりに、本開示は、較正プロセスをいつでもどこでも安全に、最小限の操作コストで実施できるようにする一式の内蔵トレース可能光フィルタ基準を使用する。第２に、トレース可能な光フィルタの高安定性及び再現性のため、較正は液状試料を使用するよりもより正確且つ精密である。第３に、トレース可能なフィルタ円盤は光コンピューティング装置構成の中に内蔵できるため、装置は実際のダウンホールのサンプリング流体を測定する前に、ダウンホールで較正できる。第４に、較正プロセスは容易に実施できるため、同じコンピューティング装置は各試料を測定する前に較正でき、それによって熱ドリフトのリスクを削減する。
第５に、較正は、センサ内の代わりにツール内で直接的に行うことができるので、センサとツールとの間の潜在的な不均衡は排除できる。ここでは、「センサ」はツールの中への組付けの前のスタンドアロンセンサパッケージを指す。センサがツールの中に組み付けられ、電子システム及び制御システムを他のツールモジュールと共用するとき、それは、スタンドアロンセンサと比較すると、センサ応答をわずかに変化させることがある。第６に、法外な費用がかかる、それぞれの個別の検出器の実試料スペクトルデータに基づいて較正モデルを作成する代わりに、開示される方法は、そのスペクトルが１つの集中実験室で収集された実際の流体のシミュレーションされたスペクトルデータに基づいて較正を構築できるようにする検出器較正手法を使用する。
本明細書に説明される方法及び実施形態はさらに、以下の項の任意の１つまたは複数に関する。
１．方法であって、２つ以上の光フィルタの基準スペクトルを取得することであって、前記光フィルタが異なる透過レベルを有し、前記基準スペクトルがそれぞれ、試料のスペクトルデータをシミュレーションする定義されたスペクトルパターンを有する、前記取得することと、前記基準スペクトルを使用して光コンピューティング装置を較正することと、を含む前記方法。
２．前記基準スペクトルを取得することが、実験室分光計器を使用し、前記基準スペクトルを取得することを含む、項１に記載の方法。
３．前記基準スペクトルを取得することがさらに、前記基準スペクトルを使用して、前記光コンピューティング装置の測定値を較正するマッピング関数を生成することを含む、項１または２に記載の方法。
４．前記基準スペクトルが単変量マッピング関数を生成するために使用される、項１から３のいずれかに記載の方法。
５．前記基準スペクトルが多変量マッピング関数を生成するために使用される、項１から４のいずれかに記載の方法。
６．前記基準スペクトルを取得することが、前記基準スペクトルを使用して前記光フィルタの検出器応答をシミュレーションすることを含み、
前記基準スペクトルを使用して前記光コンピューティング装置を較正することが、前記光フィルタの実検出器応答を取得することと、前記実検出器応答に前記シミュレーション検出器応答をマッピングするマッピング関数を生成することと、前記マッピング関数を使用して前記光コンピューティング装置の測定値を較正することと、を含む、項１〜５のいずれかに記載の方法。
７．前記実検出器応答を取得することが、電磁放射線を前記光フィルタと光学的に相互に作用させて、前記基準スペクトルの前記定義されたスペクトルパターンに相当する第１の光学的に相互に作用する光を生じさせることと、前記光学的に相互に作用する光を１つ以上の統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造と光学的に相互に作用させて、前記試料の１つ以上の特性に相当する第２の光学的に相互に作用する光を生じさせることと、検出器を使用し、前記第２の光学的に相互に作用する光に相当する出力信号を生成することと、前記出力信号を使用して前記実検出器応答を生成することと、を含む、項１〜６のいずれかに記載の方法。
８．前記較正が前記光コンピューティング装置の外部の光フィルタを使用し、実行される、項１〜７のいずれかに記載の方法。
９．前記較正が、前記光コンピューティング装置の一部を形成する光フィルタを使用し、実行される、項１〜８のいずれかに記載の方法。
１０．前記較正が、可動アセンブリを使用し、電磁放射線の経路の中に前記光フィルタを移動することを含む、項１〜９のいずれかに記載の方法。
１１．前記較正が前記電磁放射線の前記経路から試料を取り除くことをさらに含む、項１から１０のいずれかに記載の方法。
１２．前記較正が実行された後、前記電磁放射線の前記経路から前記光フィルタを移動することと、前記電磁放射線を試料と光学的に相互に作用させて試料が相互に作用する光を生成することと、前記試料が相互に作用する光を統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造と光学的に相互に作用させて、前記試料の特性に相当する光学的に相互に作用する光を生成することと、検出器を使用し、前記光学的に相互に作用する光に相当する出力信号を生成することと、前記出力信号を使用して前記試料の前記特性を決定することと、をさらに含む、項１〜１１のいずれかに記載の方法。
１３．前記構成が実行された後、前記光フィルタを使用して前記電磁放射線の強度を管理することをさらに含む、項１〜１２のいずれかに記載の方法。
１４．前記較正がダウンホールで実行される、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
１５．光コンピューティング装置であって、２つ以上の光フィルタと光学的に相互に作用して、試料のスペクトルデータをシミュレーションする定義されたスペクトルパターンを有する第１の光学的に相互に作用する光を生じさせる電磁放射線と、前記第１の光学的に相互に作用する光と光学的に相互に作用して、前記試料の１つ以上の特性に相当する第２の光学的に相互に作用する光を生じさせるために位置決めされた１つ以上の統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造と、前記第２の光学的に相互に作用する光を検出し、前記光コンピューティング装置を較正するために使用される出力信号を生成するために位置決めされた検出器と、を備える、前記光コンピューティング装置。
１６．前記光フィルタが前記光コンピューティング装置を較正するように構成される、項１５に記載の光コンピューティング装置。
１７．前記光フィルタが位置決めされる可動アセンブリをさらに備える、項１５または１６に記載の光コンピューティング装置。
１８．前記可動アセンブリが回転式カルーセルまたは線形アレイである、項１５〜１７に記載の光コンピューティング装置。
１９．前記可動アセンブリがさらに開放孔を備える、項１５〜１８のいずれかに記載の光コンピューティング装置。
２０．前記光フィルタが減光フィルタまたはガラスである、項１５〜１９のいずれかに記載の光コンピューティング装置。
２１．前記光コンピューティング装置がリザーバ調査システムの一部を形成する、項１５〜２０のいずれかに記載の光コンピューティング装置。
さらに、本明細書に説明される例示的な方法は、少なくとも１つのプロセッサによって実行されるときに、プロセッサに、本明細書に説明される方法のいずれかを実行させる命令を備える処理回路網またはコンピュータプログラム製品を備えるシステムによって実装されてよい。
多様な実施形態及び方法が示され、説明されているが、本開示は係る実施形態及び方法に制限されず、当業者に明らかになるようにすべての修正形態及び変形形態を含むと理解される。したがって、本開示は開示されている特定の形に制限されることを意図しないことが理解されるべきである。むしろ、意図は添付の特許請求の範囲によって定められる本開示の精神及び範囲に入るすべての修正形態、同等物、及び代替策をカバーすることである。

Claims (17)

  1. 方法であって、
    ２つ以上の光フィルタの基準スペクトルを取得することであって、前記光フィルタが異なる透過レベルを有し、前記基準スペクトルがそれぞれ、試料のスペクトルデータをシミュレーションする定義されたスペクトルパターンを有する、前記取得することと、
    前記基準スペクトルを使用して光コンピューティング装置を較正することと、
    を含み、
    前記基準スペクトルを取得することが、前記基準スペクトルを使用して前記光フィルタの検出器応答をシミュレーションすることを含み、
    前記基準スペクトルを使用して前記光コンピューティング装置を較正することが、
    前記光フィルタの実検出器応答を取得することと、
    前記実検出器応答に前記シミュレーション検出器応答をマッピングするマッピング関数を生成することと、
    前記マッピング関数を使用して前記光コンピューティング装置の測定値を較正することと、
    を含み、
    前記較正は、ダウンホールで実行される、
    前記方法。
  2. 前記基準スペクトルを取得することが、実験室分光計器を使用し、前記基準スペクトルを取得することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記基準スペクトルを取得することがさらに、前記基準スペクトルを使用して、前記光コンピューティング装置の測定値を較正するマッピング関数を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記基準スペクトルが、単変量マッピング関数または多変量マッピング関数を生成するために使用される、請求項３に記載の方法。
  5. 前記実検出器応答を取得することが、
    電磁放射線を前記光フィルタと光学的に相互に作用させて、前記基準スペクトルの前記定義されたスペクトルパターンに相当する第１の光学的に相互に作用する光を生じさせることと、
    前記光学的に相互に作用する光を１つ以上の統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造と光学的に相互に作用させて、前記試料の１つ以上の特性に相当する第２の光学的に相互に作用する光を生じさせることと、
    検出器を使用し、前記第２の光学的に相互に作用する光に相当する出力信号を生成することと、
    前記出力信号を使用して前記実検出器応答を生成することと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記較正が前記光コンピューティング装置の外部の光フィルタを使用し、実行される、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記較正が、前記光コンピューティング装置の一部を形成する光フィルタを使用し、実行される、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法
  8. 前記較正が、可動アセンブリを使用し、電磁放射線の経路の中に前記光フィルタを移動することを含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記較正が、前記電磁放射線の前記経路から試料を取り除くことをさらに含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記較正が実行された後、前記電磁放射線の前記経路から前記光フィルタを移動することと、
    前記電磁放射線を試料と光学的に相互に作用させて試料が相互に作用する光を生成することと、
    前記試料が相互に作用する光を統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造と光学的に相互に作用させて前記試料の特性に相当する光学的に相互に作用する光を生成することと、
    検出器を使用し、前記光学的に相互に作用する光に相当する出力信号を生成することと、
    前記出力信号を使用して前記試料の前記特性を決定することと、
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
  11. 前記較正が実行された後、前記光フィルタを使用して前記電磁放射線の強度を管理することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
  12. 光コンピューティング装置であって、
    ２つ以上の光フィルタと光学的に相互に作用して、試料のスペクトルデータをシミュレーションする定義されたスペクトルパターンを有する第１の光学的に相互に作用する光を生じさせる電磁放射線と、
    前記第１の光学的に相互に作用する光と光学的に相互に作用して、前記試料の１つ以上の特性に相当する第２の光学的に相互に作用する光を生じさせるために位置決めされた１つ以上の統合計算要素（「ＩＣＥ」）構造と、
    前記第２の光学的に相互に作用する光を検出し、前記光コンピューティング装置を較正するために使用される出力信号を生成するために位置決めされた検出器と、
    を備え、
    前記光コンピューティング装置を較正することは、
    前記２つ以上の光フィルタの基準スペクトルを取得して、前記基準スペクトルを使用して前記光フィルタの検出器応答をシミュレーションすることを含み、
    前記光コンピューティング装置を較正することは、さらに
    前記光フィルタの実検出器応答を取得することと、
    前記実検出器応答に前記シミュレーション検出器応答をマッピングするマッピング関数を生成することと、
    前記マッピング関数を使用して前記光コンピューティング装置の測定値を較正することと、
    を含み、
    前記光コンピューティング装置がリザーバ調査システムの一部を形成する、前記光コンピューティング装置。
  13. 前記光フィルタが前記光コンピューティング装置を較正するように構成される、請求項１２に記載の光コンピューティング装置。
  14. 前記光フィルタが位置決めされる可動アセンブリをさらに備える、請求項１２または請求項１３に記載の光コンピューティング装置。
  15. 前記可動アセンブリが回転式カルーセルまたは線形アレイである、請求項１４に記載の光コンピューティング装置。
  16. 前記可動アセンブリがさらに開放孔を備える、請求項１４に記載の光コンピューティング装置。
  17. 前記光フィルタが減光フィルタまたはガラスである、請求項１２から請求項１６のいずれかに記載の光コンピューティング装置。
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