СИСТЕМА АНАЛИЗА ФЛЮИДОВ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ, ОБРАЗОВАННЫМ ПУТЕМ АТОМНО-СЛОЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G02B5/28 E21B49/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Интегрированные вычислительные элементы (ИВЭ) используются для выполнения оптического анализа состава флюидов и материалов сложных образцов. Конструкция ИВЭ может быть представлена как последовательность слоев, толщина и отражательная способность которых подобраны таким образом, чтобы при фиксированной длине волны выполнять роль конструктивного или деструктивного препятствия для получения кодированной модели, характерной с точки зрения взаимодействия со светом, для последующего выполнения оптической вычислительной операции, которая обеспечивает возможность прогнозирования химического свойства или свойства материала. Способ создания ИВЭ аналогичен способу создания поляризационно-интерференционного светофильтра. Для волн сложных форм ИВЭ, созданный стандартными средствами интерференционного светофильтра, может содержать большое количество слоев. В дополнение к сложности производства, оптимальные рабочие характеристики ИВЭ, изготовленных таким образом, могут быть нарушены при эксплуатации в тяжелых условиях. К примеру, в ИВЭ с большим количеством слоев, либо в ИВЭ, у которых толщина отдельных слоев больше толщины слоя пленки, либо в ИВЭ с исключительно жесткими допусками, на прогнозируемые рабочие характеристики могут оказывать негативное влияние температурные воздействия, удары и вибрации в скважинных условиях бурильной установки при проведении работ по разведке или добыче нефти и газа.

Были направлены усилия на проектирование и производство упрощенных ИВЭ, которые могли бы обеспечивать сложные спектральные характеристики при существенном уменьшении числа слоев или толщины слоев. Тем не менее, многие конструкции ИВЭ (в которых формула слоев и толщин обеспечивает целевые прогнозирования химических свойств) отбраковываются по причине ограничений и противоречий доступных методов образования пленок, таких как реактивное магнетронное напыление (РМН).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Соответственно, в данном документе приведено описание систем анализа флюидов с одним и более компонентами оптического пути, которые образованы или модифицированы путем атомно-слоевого осаждения (АСО). В графических материалах:

ФИГ.1 иллюстрирует типовую систему анализа флюидов.

ФИГ.2 иллюстрирует типовые слои интегрированного вычислительного элемента (ИВЭ) на основании АСО.

ФИГ.3 иллюстрирует целевой спектр пропускания и промежуточный спектр модели пропускания для ИВЭ на основании АСО.

ФИГ.4 иллюстрирует типовую среду каротажа во время бурения (КВБ).

ФИГ.5 иллюстрирует типовую среду каротажа с использованием кабельного прибора.

ФИГ.6 иллюстрирует типовую вычислительную систему для управления операциями каротажа.

ФИГ.7 иллюстрирует блок-схему типового способа производства ИВЭ.

ФИГ.8 иллюстрирует блок-схему типового способа производства системы анализа флюидов.

ФИГ.9 иллюстрирует блок-схему типового способа анализа флюидов.

В графических материалах проиллюстрированы типовые варианты реализации изобретения, которые будут подробно описаны. Тем не менее, описание и сопровождающие графические материалы не ограничивают изобретение типовыми вариантами реализации, а наоборот - они предназначены для раскрытия и защиты всех эквивалентных и альтернативных вариантов реализации, входящих в объем приложенной формулы изобретения.

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Определенные понятия в отношении отдельных компонентов системы используются далее по тексту документа, в его пунктах и в описании изобретения. Данный документ не предназначен для определения различий между компонентами, которые отличаются по названию, но не по функциям. Понятия "включающий" и "содержащий" используются как неограничивающая форма, в связи с чем их следует понимать как "включая, но не ограничиваясь…".

Понятие "подключение" или "подключения" подразумевает прямое или непрямое электрическое, механическое или термическое соединение. Таким образом, в случае подключения первого устройства ко второму, такое подключение может быть выполнено как в виде прямого соединения, так и в виде непрямого соединения, посредством других устройств или соединений. В свою очередь, при использовании понятия "подключенный" без дополнительных пояснений его следует понимать как прямое соединение. Для электрического соединения это понятие означает, что два элемента соединены между собой посредством электрической цепи, сопротивление которой практически равно нулю.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанное в данном документе изобретение представляет собой систему анализа флюидов с одним и более компонентами оптического пути, образованными или модифицированными путем атомно-слоевого осаждения (АСО). Такие компоненты оптического пути могут содержать, но не ограничиваясь этим, интегрированные вычислительные элементы (ИВЭ) (которые также иногда называют многопараметровыми оптическими элементами или МОЭ), источник света, полосовой фильтр, интерфейс образцов флюидов, линзу с входной стороны, линзу с выходной стороны и датчик. Согласно указанному в данном документе, технология АСО может быть использована для изготовления или модификации определенных частей компонентов оптического пути или слоев, т.е. не обязательно компонентов в целом. Каждый слой, образованный путем АСО, может соответствовать плоскому или неплоскому слою (изогнутому или с наклоном) ИВЭ или другим компонентам оптического пути.

Использование АСО благоприятно влияет на производственную структуру и допуски для оптических компонентов системы анализа жидкостей по сравнению с другими вариантами производства. Дополнительно, применение АСО может оказать воздействие на критерии проектирования компонентов оптического пути, например, как количество слоев, оптическая плотность слоев и толщина слоев. Дополнительно, применение АСО может облегчить операции контроля в процессе производства компонентов оптического пути. Дополнительно, использование компонентов на основе АСО обеспечивает улучшение рабочих характеристик системы анализа флюидов при ее использовании в тяжелых условиях, например, как при нефтепоисковых работах и бурении. Улучшение рабочих характеристик при использовании в тяжелых условиях обусловлено производственной структурой и допусками, которые обеспечивает АСО. Дополнительно, в случае использования методики АСО доступны критерии проектирования компонентов оптического пути, которые не используются при других методах образования пленки, например, как реактивное магнетронное напыление (РМН). В некоторых вариантах реализации изобретения РМН может быть использовано для изготовления отдельных слоев компонентов, в то время как АСО используется для модификации таких слоев и/или изготовления других слоев. Выбор АСО или РМН может зависеть от проектных допусков (например, АСО может быть использована, если только технология АСО, а не РМН обеспечивает выполнение проектных допусков). В примере выполнения анализа флюида ИВЭ, образованный с применением АСО, может обеспечивать многовариантное прогнозирование химических или физических свойств вещества. Согласно описанному в данном документе, использование в системах анализа жидкостей ИВЭ и/или других компонентов оптического пути, образованных путем АСО, может повысить точность, тип и/или диапазон прогнозирования системы анализа флюидов.

ФИГ.1 иллюстрирует систему анализа флюидов 100. Для системы анализа флюидов 100 показаны различные элементы оптического пути, включая ИВЭ 102, интерфейс образца 114, полосовой фильтр 106, линзу с входной стороны 108, линзы с выходной стороны 110A и 110B и датчики 112A и 112B. В частности, ИВЭ 102 находится между источником света 116 и датчиками 112A и 112B. Могут быть использованы как дополнительные датчики, так и меньшее их количество. Образец флюида 104 помещается между источником света 116 и ICE 102. Положение образца флюида 104 может быть задано при помощи интерфейса образца флюида 114, который фиксирует образец флюида на месте. Тем временем, линза с входной стороны 108 и линзы с выходной стороны 110A и 110B настраиваются для фокусировки направления светового потока. Дополнительно, на входной стороне ИВЭ 102 может быть установлен полосовой фильтр (ПФ) 106 для фильтрации определенных длин волн светового потока. Фиг.1 иллюстрирует применимый вариант размещения компонентов оптического пути системы анализа флюидов 100. При этом возможны и другие варианты размещения компонентов оптического пути. Дополнительно, могут быть использованы и другие компоненты оптического пути, такие как линзы и/или отражатели.

Согласно описанному в данном документе, один и более компонентов оптического пути системы анализа флюидов 100 могут быть изготовлены или модифицированы при помощи АСО. Например, не менее части ИВЭ 102 может быть изготовлено или модифицировано при помощи АСО. Дополнительно, по меньшей мере некоторые из источников света 116, ПФ 106, линза 108, линзы 110A и 110B, датчики 112A и 112B, и/или интерфейс образца 104 могут быть изготовлены или модифицированы с применением технологии АСО.

Во время работы, система анализа флюидов 100 может согласовывать определенные параметры образца флюида 104. Принципы работы системы анализа флюидов 100 частично описаны в работе Myrick, Soyemi, Schiza, Parr, Haibach, Greer, Li and Priore, "Application of multivariate optical computing to simple near-infrared point measurements", Материалы SPIE, т. 4574 (2002).

Во время работы системы световой поток от источника света 116 проходит через линзу 108, в качестве которой может быть использована коллиматорная линза. Световой поток, прошедший через линзу 108, имеет характерное распределение компонентов длины волны, представленное спектром. Полосовой фильтр 106 пропускает световой поток предварительно установленной части распределенных компонентов длины волны. Световой поток, пропущенный через полосовой фильтр 106, проходит через образец 104, после чего поступает в ИВЭ 102. Согласно определенным вариантам реализации изобретения, образец 104 может включать флюид с множеством химических компонентов, растворенных в растворителе. Например, образец 104 может представлять собой смесь углеводородов, включающую водный раствор нефти и природного газа. Образец 104 может также содержать твердые частицы, образующие коллоидную суспензию, включая фрагменты твердых материалов различных размеров.

Образец 104, как правило, будет взаимодействовать со светом, пропущенным через полосовой фильтр 106, в различной степени поглощая различные компоненты длин волн, пропуская при этом компоненты с другими длинами волн. Таким образом световой поток, пропущенный через образец 104, имеет спектр S(λ), содержащий информацию, характерную для химических компонентов образца 104. Спектр S(λ) может быть представлен в виде вектора-строки с множеством цифровых данных S_i. Все цифровые данные S_i пропорциональны плотности спектра света при определенной длине волны λ. Таким образом, данные S_i всегда выше или равны нулю (0). Кроме того, подробный профиль спектра S(λ) может обеспечить информацию о концентрации каждого химического компонента в пределах множества химических веществ образца 140. Световой поток от образца 104 частично передается ИВЭ 102 для получения светового потока, который фокусируется линзой 110А и затем измеряется датчиком 112А. Другая часть светового потока частично отражается от ИВЭ 102, фокусируется линзой 110В и измеряется датчиком 112B. В некоторых вариантах реализации ИВЭ 102 может выступать в качестве интерференционного светофильтра с определенными характеристиками спектра, которые можно выразить как вектор-строку L(λ). Вектор L(λ) является массивом цифровых данных L_i, при котором спектр пропущенного света и отраженного света можно выразить следующим образом:

S_LT(λ)=S(λ)·(1/2+L(λ)), (1.1)

S_LR(λ)=S(λ)·(1/2-L(λ)), (1.2)

Следует обратить внимание, что данные L_i для вектора L(λ) могут быть меньше нуля, равными нулю или более нуля. Таким образом, в то время как S(λ), S_LT(λ) и S_LR(λ) соответствуют спектральным плотностям, L(λ) является спектральной характеристикой ИВЭ 102. Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что:

S_LT(λ)-S_LR(λ)=2·S(λ)·L(λ), (2)

Вектор L(λ) может являться вектором регрессий, полученным из решения линейной многовариантной задачи для определенного компонента с концентрацией κ в образце 104. В таком случае, следует, что:

где β является коэффициентом пропорциональности, а γ является смещением калибровки. Значения β и γ зависят от параметров проектирования системы анализа флюидов 100, а не от образца 104. Таким образом, параметры β и γ могут быть измерены независимо от области применения системы анализа флюидов 100. В некоторых вариантах реализации изобретения ИВЭ 102 специально разработан таким образом, чтобы обеспечивать значение L(λ), удовлетворяющее уравнениям (2) и (3), приведенным выше. Значение концентрации определенного компонента в образце 104 можно получить, измерив разницу спектра пропущенного и отраженного светового потока. Датчики 112A и 112B могут являться однозонными фотодатчиками, которые обеспечивают суммарное значение спектральной плотности. То есть, если сигнал от датчиков 112A и 112B является d₁ и d₂ соответственно, уравнение (3) может быть скорректировано для нового коэффициента калибровки β' следующим образом:

κ=β·(d₁-d₂)+γ, (4)

В некоторых вариантах реализации изобретения система анализа флюидов, аналогичная системе 100, может выполнять частичные измерения спектра, которые суммируются для получения необходимого значения измерения. В таком случае, для выполнения анализа нескольких компонентов в образце 104, которые могут представлять интерес, может быть использовано несколько ИВЭ. Независимо от количества ИВЭ в системе 100, каждый ИВЭ может включать интерференционный светофильтр с рядом параллельных слоев от 1 до K, каждый из которых имеет предварительно установленную толщину и коэффициент преломления. Количество слоев K может быть любым целым числом, которое больше нуля. Таким образом, ИВЭ 102 может иметь K слоев, по меньшей мере один из которых изготовлен или модифицирован путем АСО.

ФИГ.2 иллюстрирует слои 206A-206K ИВЭ на основе АСО, например, как ИВЭ 102. По меньшей мере один из слоев 206A-206K изготовлен или модифицирован путем АСО. Средствами ввода данных 204 и вывода данных 208 являются внешние слои с любой из сторон ИВЭ 102, которые имеют соответствующие коэффициенты преломления. В некоторых вариантах реализации изобретения коэффициенты преломления для слоев входа 204 и выхода 208 равны n₀. В альтернативных вариантах реализации изобретения коэффициенты преломления для слоев входа 204 и выхода 208 могут иметь различные значения. В то же время, слои 206A-206K ИВЭ 102 могут иметь соответствующие коэффициенты преломления и толщину.

ФИГ.2 иллюстрирует падающий световой поток 201, отраженный световой поток 202 и пропущенный световой поток 203. Как проиллюстрировано, падающий световой поток 201 поступает в ИВЭ 102 через слой входа 204 и проходит слева направо. Отраженный световой поток 202 отражается от переходов между слоями ИВЭ 102 и проходит справа налево. Пропущенный световой поток 203 проходит через весь ИВЭ 102 и идет слева направо в средство вывода 208. Для простоты описания, для ИВЭ 102 проиллюстрированы слои 206A-206K, соответствующие материалам, выбранным согласно коэффициентам преломления среди других характеристик. В различных вариантах реализации изобретения ИВЭ 102 может содержать дюжину слоев, сотни слоев или тысячи слоев.

На каждом переходе между слоями ИВЭ 102 падающий световой поток, который движется в направлении слева направо, как проиллюстрировано на ФИГ.2, подвергается пропусканию/отражению согласно изменению коэффициента преломления. Таким образом, часть падающего светового потока отражается, а часть проходит. Часть отраженного и пропущенного светового потока регулируется согласно принципам отражения/преломления и интерференции. В частности, электрическое поле падающего светового потока при прохождении определенного слоя может быть обозначено, как E⁺_i(λ),электрическое поле отраженного светового потока при прохождении определенного слоя может быть обозначено как Ε^-_i(λ), а электрическое поле прошедшего светового потока при прохождении определенного слоя может быть обозначено как E⁺_(i+1)(λ).

Отражение/преломление определяется законами Френнеля, которые для прохождения определенного слоя определяют коэффициент отражения R_i и коэффициент пропускания T_i как:

(5.1)

(5.2)

Коэффициент отражения R_i и коэффициент пропускания T_i определяются согласно:

(6.1)

(6.2)

Отрицательная величина в уравнении (6.2) означает, что в результате отражения происходит изменение фазы электрического поля на 180 градусов. В то время как для световых потоков под углом относительно поверхности могут быть приняты более сложные модели, уравнения (5.1) и (5.2) предполагают нормальное падение. В некоторых вариантах реализации изобретения в системе анализа флюидов 100 использован вариант уравнений (6.1) и (6.2), включая угол падения около 45 градусов. Уравнения (6.1), (6.2) и их обобщение для различных значений углов падения, приведены в работе J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, John-Wiley & Sons, Inc., Second Edition New York, 1975, глава 7 часть 3 с. 269-282. В общем случае все переменные в уравнениях (5) и (6) могут являться комплексными числами.

Следует обратить внимание, что часть отраженного светового потока при заданном прохождении слоя (i) перемещается влево по отношению к предыдущему интерфейсу (i-1). После прохождения слоям i-1, последующее отражение направляет часть отраженного света обратно на прохождение слоя i. Таким образом, часть отраженного света совершает полный цикл движения через данный слой и добавляется как часть пропущенного света. Это приводит к эффекту интерференции. В целом, пропущенное излучение, поступающее с левой стороны в правую, как показано на ФИГ.2, может включать части, которые были отражены несколько раз, P, вперед и обратно между прохождениями слоев ИВЭ 102. Количество отражений может быть различным. Например, значение P=0 соответствует световому потоку, который прошел через ИВЭ 102 без отражений с левой стороны в правую, как иллюстрирует ФИГ.2. Таким образом, поток пропущенного света 203 будет создавать интерференционный эффект ввиду различных оптических путей, пройденных при различных значениях P.

Аналогичным образом, отраженный световой поток 202, поступающий с правой стороны в левую, как иллюстрирует ФИГ.2, может включать части, которые уже были отражены несколько раз ранее, M, на любом переходе между слоями. Значениями M могут быть любые положительные целые числа. Поток отраженного света 202 будет оказывать эффект интерференции для различных оптических путей, пройденных при различных значениях M.

Отражение и преломление представляют собой явления, которые зависят от длины волны, при коэффициентах преломления, соответствующих слоям 206A-206K. Кроме того, оптический путь для компонента поля E_i^+/-(λ) через заданный слой, i, равен (2n_iλ)·D_i. Таким образом, суммарный оптический путь для каждого слоя ИВЭ 102 и для различных значений P зависит от длины волны, коэффициента преломления и толщины. Аналогично, суммарный оптический путь для каждого слоя ИВЭ 102 и для различных значений M зависит от длины волны, коэффициента преломления и толщины. Следовательно, эффекты интерференции, возникающие в пропущенном световом потоке 202_LT и отраженном световом потоке 202_LR также зависят от длины волны.

Для переходов между слоями ИВЭ 102, для каждой длины волны λ, должен выполняться закон сохранения энергии. Таким образом, спектральная плотность S_LT(λ) пропущенного светового потока 202_LT, и спектральная плотность S_LR(λ) отраженного светового потока 202_LR удовлетворяют:

S_in(λ)=S_LT(λ)+S_LR(λ), (7)

Учитывая, что при определенных длинах волн небольшая часть светового потока может быть поглощена ИВЭ 102, величина такого поглощения незначительна. В некоторых вариантах реализации, система анализа флюидов 100 работает с ИВЭ 102, адаптированным для отражения и пропускания потока света, падающего под углом около 45 градусов. Другие варианты реализации системы анализа флюидов 100 могут работать с ИВЭ 102, адаптированным для других углов падения, например, 0 градусов, как описано в уравнениях (6.1) и (6.2). Независимо от угла падения, для ИВЭ 102, использованного в системе анализа флюидов 100, уравнение (7) может выражать сохранение энергии для любой аналогичной конфигурации. Модель характеристик спектрального пропускания и отражения для всех задействованных слоев ИВЭ 102 может быть с легкостью разработана для оценки рабочих характеристик на основании коэффициента преломления и толщины.

ФИГ.3 иллюстрирует целевой спектр пропускания 312 и спектр пропускания 312-M промежуточной модели для ИВЭ на основании АСО. Также на ФИГ.3 проиллюстрирована левая граница длины волны 320-L (λ_L.) и правая граница длины волны 320-R (λ_R). Границы 320-L и 320-R соответствуют значениям длины волны, которые ограничивают диапазон длины волны, представляющий интерес для применения системы анализа флюидов 100 (сравнить с ФИГ.1). В некоторых вариантах реализации изобретения может потребоваться, чтобы спектр модели 312-M был приблизительно равен целевому спектру 312 для всех длин волн λ, которые удовлетворяют условиям λ_L≤λ≤λ_R.

Как проиллюстрировано на ФИГ.3, спектр модели 312-M может несколько отличаться от целевого спектра 312. Например, некоторые длины волн в рамках рассматриваемого диапазона спектра модели 312-М могут быть выше, чем для целевого спектра 312, в то время как другие длины волн в рамках рассматриваемого диапазона спектра модели 312-М могут быть ниже, чем для целевого спектра 312. В таком случае для изменения параметров коэффициента преломления и толщины, установленных для обнаружения значений спектра модели 312-М ближе к целевому спектру 312 можно применить алгоритм оптимизации. Такие установки определяют пространство параметров, размеры которого равны 2K.

В некоторых вариантах реализации изобретения материалы для слоев 206A-206K обеспечивают выбор 6 различных коэффициентов преломления и 1000 различных толщин. В свою очередь, это обеспечивает для пространства параметров 2K объем, равный (6^*1000)^K возможных вариантов конфигурации. Таким образом, алгоритмы оптимизации, которые упрощают процесс оптимизации, могут быть использованы для сканирования пространства параметров такого типа, что позволит обнаружить оптимальную конфигурацию для ИВЭ 102.

В качестве примера алгоритмов оптимизации, которые могут быть использованы, можно привести нелинейные алгоритмы, как алгоритмы Левенберга-Марквардта. В некоторых вариантах реализации изобретения для сканирования пространства параметров и определения конфигураций ИВЭ 102, которые наилучшим образом соответствуют целевому спектру 312, могут быть использованы генетические алгоритмы. Для некоторых вариантов реализации изобретения может быть выполнен поиск в библиотеке конструкций ИВЭ, для определения конструкции ИВЭ 102, которая будет наиболее полным образом соответствовать целевому спектру 312. Как только будет обнаружена конструкция ИВЭ 102, наиболее соответствующая целевому спектру 412, параметры в пространстве 2K могут быть незначительно изменены для еще более точного определения спектра модели 412-M.

В некоторых вариантах реализации изобретения при оценке оптимальной конструкции ИВЭ 102 может быть включено число слоев K. Таким образом, для некоторых вариантов реализации размеры пространства параметров при оптимизации могут варьироваться. Кроме того, некоторые варианты реализации могут включать ограничения для переменной K. Например, для некоторых приложений системы 100 может дать положительный результат использование меньшего числа слоев в ИВЭ 102, чем установлено. В таких вариантах реализации изобретения, чем меньше число слоев - тем выше способность к прогнозированию, точность, надежность и долговечность ИВЭ 102 и системы 100. В то же время, для других вариантов реализации положительный результат может дать использование большего числа слоев для ИВЭ 102, чем было установлено раннее. Независимо от количества слоев, применение АСО обеспечивает возможность выбора конструкций ИВЭ в зависимости от допусков АСО, а также от других производственных параметров, как было сказано выше.

Система анализа флюидов 100, в случае использования АСО при изготовлении или модификации ИВЭ 102, ПФ 106, линзы 108, линз 110A, 110B, датчиков 112A, 112B и/или источника света 116, может быть использована в среде каротажа во время бурения (КВБ) или в среде каротажа с использованием кабельного прибора для выполнения операций анализа флюида внутри скважины. ФИГ.4 иллюстрирует среду каротажа во время бурения (КВБ). Буровая платформа 2 представляет собой опору для буровой вышки 4, оснащенной подвижным блоком 6 для подъема и опускания бурильной колонны 8. Ведущая буровая труба 10 бурильной колонны является опорой для остальной части бурильной колонны 8 поскольку она опускается через ротор буровой установки 12. Ротор буровой установки 12 вращает бурильную колонну 8, что приводит к вращению бурового долота 14. По мере вращения бурового долота 14 создается буровая скважина 16, которая проходит через толщи различных пород 18. Насос 20 обеспечивает циркуляцию промывочного флюида по подводящему трубопроводу 22 к буровой трубе 10, расположенной в скважине, по внутренней части бурильной колонны 8, через отверстия в буровом долоте 14, обратно на поверхность по межтрубному пространству 9 вокруг бурильной колонны 8, и далее в сточный резервуар 24. Промывочный флюид выполняет транспортировку бурового шлама из буровой скважины 16 в резервуар 24, что способствует сохранению целостности буровой скважины 16.

Буровое долото 14 является одним отдельным элементом установки КВБ с необсаженным стволом скважины, конструкция которого включает одну или более утяжеленных бурильных труб (толстостенных стальных труб) для обеспечения массы и жесткости, что упрощает процесс бурения. Конструкция некоторых утяжеленных бурильных труб такого рода содержит встроенную каротажную аппаратуру для сбора данных измерений по различным параметрам бурения, например, как положение, ориентация, усилие на буровую головку, диаметр скважины и т.п. К примеру, каротажная аппаратура 26 (например, как внутрискважинный инструмент для анализа флюидов) может быть встроена в компоновку низа бурильной колонны рядом с буровым долотом 14. Конструкция бурильной колонны 8 может также содержать множество других участков 32, соединенных между собой или с другими участками бурильной колонны 8 при помощи соединительных элементов 33. Каротажная аппаратура 26 и/или один из участков 32 может содержать по меньшей мере одну систему анализа флюидов 100, как описано в данном документе.

Данные измерений аппаратуры 26 и/или с участков 32 могут храниться в оперативной памяти и/или передаваться на поверхность. К примеру, телеметрическая аппаратура 28 может входить в конструкцию компоновки низа бурильной колонны для поддержания канала связи с поверхностью. Телеметрия по гидроимпульсному каналу связи является единым стандартным способом телеметрии для передачи данных измерений скважинного прибора на датчики 30, установленные на поверхности, а также, для получения команд с поверхности. При этом также могут быть использованы и другие способы телеметрии.

В различные моменты времени в процессе бурения бурильная колонна 8 может быть удалена из буровой скважины 16, как проиллюстрировано на ФИГ.5. После извлечения бурильной колонны, каротажные работы могут быть продолжены при помощи кабельного каротажного прибора 34, т.е. при помощи зонда чувствительного прибора, подвешенного на кабеле 42, оснащенного проводниками для обеспечения электропитания прибора и передачи данных телеметрии от прибора на поверхность. Следует обратить внимание, что для прибора кабельного каротажа 34 могут быть использованы различного типа датчики свойств породы. К примеру, не ограничиваясь указанным, конструкция прибора кабельного каротажа 34 может содержать один и более участков 32, связанных соединительными элементами 33. Узел прибора кабельного каротажа 34 и/или один и более участков 32 могут содержать по меньшей мере одну систему анализа флюидов 100.

Средство каротажа 44 выполняет сбор данных измерений прибора кабельного каротажа 34 и содержит вычислительные средства 45 для управления операциями каротажа и хранения/обработки данных измерений, полученных при помощи прибора кабельного каротажа 34. Для условий выполнения каротажа, проиллюстрированных на ФИГ.4 и 5, измеренные параметры могут быть записаны и воспроизведены в виде диаграммы, т.е. двухмерного графика, на котором измеренный параметр показан как функция положения прибора или глубины. В дополнение к выполнению измерения параметров как функции глубины, определенная каротажная аппаратура также выполняет измерение параметров как функцию угла поворота.

ФИГ.6 иллюстрирует компьютерную систему 43 для управления операциями каротажа. Компьютерная система 43 может одновременно являться вычислительным средством 45 средства каротажа 44 или удаленной вычислительной системой. Конструкция компьютерной системы 43 может содержать проводные и беспроводные интерфейсы связи для управления операциями каротажа в процессе каротажа. Как показано, компьютерная система 43 содержит рабочую станцию пользователя 51, которая, в свою очередь, содержит общую систему обработки данных 46. Общая система обработки данных 46 проиллюстрирована на ФИГ.6. Она, предпочтительно, конфигурируется программным обеспечением, съемными, энергонезависимыми носителями хранения данных 52, что обеспечивает управление операциями каротажа, включая операции анализа флюидов с участием не менее одной системы анализа флюидов 100. Программным обеспечением также может являться загружаемое программное обеспечение, доступное посредством сети (например, через Интернет). Как показано, общая система обработки данных 46 может подключаться к средству отображения информации 48 и пользовательскому устройству ввода 50, что позволяет оператору взаимодействовать с программным обеспечением системы, которое хранится на машиночитаемом носителе 52. Конструкция общей системы обработки данных 46 может включать процессоры, устанавливаемые внутри скважины и/или на ее поверхности. Решение о выполнении различных операций на поверхности или внутри скважины может быть основано на предпочтениях или ограничениях в отношении доступного объема обработки внутри скважины, диапазона частот и пропускной способности для обмена данными между каротажной аппаратурой и компьютером на поверхности, сложностью анализа данных, который предстоит выполнить, прочности компонентов, установленных внутри скважины или других критериев. В некоторых вариантах реализации изобретения программное обеспечение, используемое на рабочей станции пользователя 51, может быть представлено интерфейсом управления каротажа с вариантами анализа флюидов для пользователя. Указанные иным образом различные способы управления каротажем, описанные в данном документе, могут быть реализованы в форме программного обеспечения, которое может обеспечивать связь с компьютером или любой другой системой обработки данных на носителе хранения информации, например, как оптический диск, магнитный диск, флэш-накопитель или другое устройство постоянного хранения данных. Как вариант, такое программное обеспечение может обеспечивать связь с компьютером или системой обработки данных посредством сети или другого средства передачи информации. Программное обеспечение может быть предоставлено в различных формах, включая форму интерпретируемого "кода источника" и транслируемую "скомпилированную" форму. Различные операции, которые выполняются программным обеспечением, как описано в данном документе, могут быть записаны как отдельные функциональные модули (т.е. "объекты", функции или подпрограммы) в рамках исходного кода.

ФИГ.7 иллюстрирует блок-схему 500 способа изготовления ИВЭ. Как проиллюстрировано, в блоке 510 способ 500 представляет выбор спектра лампы и полосового фильтра. В блоке 520 происходит получение вектора спектральных характеристик. Например, вектор спектральных характеристик может быть приблизительно равен вектору регрессий, который решает многомерную линейную задачу. В блоке 530 происходит получение целевого спектра. Целевой спектр образуется из спектра лампы, спектра полосового фильтра и вектора спектральных характеристик. В блоке 540 выполняется выбор слоев конструкции ИВЭ на основании допусков АСО. Выбор слоев может быть основан на порядке оптимизации, при котором меняются коэффициент преломления, толщина и количество слоев в пространстве параметров до тех пор, пока ошибка между спектром модели и целевым спектром не станет менее значения допуска. В некоторых вариантах реализации изобретения порядок оптимизации может быть нелинейным, например, как, алгоритм Левенберга-Марквардта или типовой алгоритм. Использование АСО для образования или модификации слоев ИВЭ позволяет выбирать различные варианты конструкции ИВЭ в пределах допусков АСО, что не распространяется на допуски в случае реактивного магнетронного напыления (РМН). В некоторых вариантах реализации изобретения может быть использовано сочетание АСО и РМН (например, когда одни слои изготовлены путем РМН, а другие - АСО).

ФИГ.8 иллюстрирует блок-схему способа 600 изготовления системы анализа флюидов. В рамках способа 600 различные компоненты оптического пути системы анализа флюидов образованы путем АСО. В блоке 610 выбрана конструкция ИВЭ с множеством оптических слоев. В блоке 620 по меньшей мере один из множества оптических слоев образован или модифицирован путем АСО. В блоке 630 по меньшей мере часть датчика образована или модифицирована путем АСО. В блоке 640 по меньшей мере часть интерфейса образца флюида образована или модифицирована путем АСО. В блоке 650 по меньшей мере часть полосового фильтра образована или модифицирована путем АСО. В блоке 660 по меньшей мере часть линзы образована или модифицирована путем АСО. Возможна компоновка различных элементов на основании АСО, упомянутых в способе 600, например, как описано для системы 100, проиллюстрированной на ФИГ.1. В блоке 670 по меньшей мере часть источника света образована или модифицирована путем АСО. Возможна компоновка различных элементов на основании АСО, упомянутых в способе 600, например, как описано для системы 100, проиллюстрированной на ФИГ.1. Другие системы анализа флюидов могут иметь больше или меньше компонентов на основании АСО. При этом способ 600 будет варьироваться соответствующим образом. Дополнительно, другие компоненты системы анализа флюидов могут иметь слои, образованные либо только способом АСО, либо только РМН, либо и первым, и вторым способами.

Существуют различные распространенные техники АСО, которые могут быть использованы для создания компонентов оптического пути системы анализа флюидов, как в способе 600. В общем случае, АСО является технологией выращивания пленки, в рамках которой используются пары самоограничивающихся химических реакций, которые происходят в условиях, близких к вакууму. Поверхности подложек покрываются одним слоем первого реагента, затем система продувается вакуумом и в систему вводится второй реагент. Второй реагент контактирует с подложкой, покрытой первым слоем, вследствие чего происходит реакция с образованием готового слоя для ИВЭ или другого компонента оптического пути. Доступно много пар коммерческих реагентов. Цикл можно повторять до получения желаемого количества слоев. Например, механизм контроля слоев может выполнять подсчет числа добавлений реагента. Реакция происходит быстро, а скорость роста может достигать 100 ангстрем за 40 минут. АСО используется для выращивания пленок, например, Al₂O₃, с необходимыми оптическими свойствами и жесткостью, соответствующими сложным условиям применения. При производстве ИВЭ могут выращиваться пленки с переменными высокими и низкими показателями оптического преломления. Материалы с высоким коэффициентом преломления, например, как кремний и германий, или с низким коэффициентом преломления, как у SiO₂ и MgO₂, используются для выращивания пленок по технологии АСО.

При использовании АСО значительно проще контролировать процедуры обеспечения/контроля качества и производительность. Например, контроль качества в рамках АСО может содержать простой процесс подсчета добавлений реагента с последующей проверкой рабочих характеристик. Контроль процесса АСО может выполняться в режиме реального времени при помощи оптических приборов для подтверждения глубины слоев пленки и других производственных параметров. Дополнительно, АСО представляет собой процесс химической реакции, который приводит к образованию химической связи с поверхностью подложки. Таким образом, связь, образованная АСО, - прочнее (менее чувствительная), чем связь, образованная в результате другого процесса осаждения, например, как магнетронное или плазменное напыление.

Как описано в настоящем документе, АСО может быть использована при изготовлении более сложных конструкций ИВЭ с меньшей общей толщиной (что обеспечивает уменьшение затрат на производство по времени и более высокие рабочие характеристики, по сравнению с существующими технологиями напыления). Дополнительно, АСО может быть использована для производства функционализированных ИВЭ. Например, завершающий слой может иметь один и более слоев с химической реакцией, связь которых направлена к ИВЭ. Это обеспечит для ИВЭ более высокую избирательность вещества или веществ, определяемых при анализе. В качестве другого примера, завершающий слой может иметь защитное покрытие из материала, отличного от используемого для создания контура спектральной линии в ИВЭ. В качестве еще одного примера, поверхность может иметь структуру, что обеспечит использование в качестве слоя без размера в среде с высокой степенью рассеивания света (например, флюиды в емкости). Получение такой структуры достигается путем применения техник устойчивости к удалению. В хорошо смешанных средах все поверхности могут быть покрыты, а подложки могут быть связаны поверхностью к поверхности. Использование АСО может также обеспечивать улучшение рабочих характеристик или функциональности для других компонентов оптического пути системы анализа флюидов.

Помимо ИВЭ 102, другие оптические компоненты системы 100 могут также быть образованы или модифицированы путем АСО. Например, полупроводниковые датчики могут быть образованы путем АСО или модифицированы путем АСО, что позволяет использовать ИВЭ 102 непосредственно на поверхности. Дополнительно, полупроводниковые датчики могут быть модифицированы таким образом, чтобы содержать слои с противоотражающей структурой или структурой спектральной полосы пропускания. В качестве еще одного примера, могут быть изменены линзы 110A и 110B таким образом, чтобы содержать слой с противоотражающей структурой или структурой спектральной полосы пропускания.

ФИГ.9 иллюстрирует блок-схему способа 700 работы системы анализа флюидов. Как проиллюстрировано, способ 700 включает излучение светового потока (например, посредством источника света 116), спектр которого предварительно установлен в блоке 710. В блоке 720 выпущенный световой поток направляется через образец флюида (например, образец флюида 104). В блоке 730 световой поток, пропущенный через образец флюида, фильтруется при помощи ИВЭ на основании АСО (например, ИВЭ 102). Как описано в настоящем документе, конструкция ИВЭ на основании АСО включает множество оптических слоев, по меньшей мере один из которых образован или модифицирован путем АСО. Применение АСО для одного и более оптических слоев ИВЭ может повысить точность, типы и/или диапазон оценки, выполненной системой анализа флюидов. В блоке 740 улавливается отфильтрованный световой поток (например, при помощи датчиков 112A или 112B). В блоке 750 выполняется оценка спектральных характеристик обнаруженного отфильтрованного светового потока относительно химических или физических свойств образца флюида. Функция блока 750 может быть выполнена, например, процессором, подключенным к датчикам системы анализа флюидов.

В некоторых вариантах реализации изобретения способ 700 может включать дополнительные этапы. Например, способ 700 может также включать направление светового потока через по меньшей мере один компонент оптического пути, образованный или модифицированный путем АСО, перед и/или после каждого этапа фильтрации. Такие компоненты оптического пути могут содержать линзы с входной стороны, с выходной стороны, интерфейсы образцов, источники света или датчики, как описано в данном документе.

Как только описанное выше изобретение будет по достоинству оценено специалистами в данной области техники, для них станут очевидными его многочисленные варианты и модификации. Например, посредством описанных в данном документе способов, приведенных и описанных в последовательном порядке, по меньшей мере некоторые из различных описанных операций могут выполняться одновременно или в другой последовательности, с возможным повторением. Предполагается, что приведенная ниже формула изобретения может быть применена в отношении всех таких вариантов, эквивалентов и модификаций изобретения.

Система анализа флюидов содержит интегрированный вычислительный элемент (ИВЭ), образованный путем атомно-слоевого осаждения (АСО), который обеспечивает фильтрацию светового потока, прошедшего через образец, что обеспечивает возможность прогнозирования химического или физического свойства образца. Также система содержит датчик, который выполняет преобразование оптических сигналов в электронные. Также система выполнена с возможностью направлять световой поток перед или после фильтрации через линзу, на которую нанесён слой образованный или модифицированный путем АСО. Технический результат заключается в создании конструкции интегрированного вычислительного элемента, которая обеспечивает более точное определение химических и физических свойств вещества. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система анализа флюидов, содержащая:

источник светового потока;

интегрированный вычислительный элемент (ИВЭ), содержащий множество оптических слоев и выполненный с возможностью фильтрации светового потока, прошедшего через образец флюида, при помощи упомянутого множества оптических слоев для прогнозирования химического или физического свойства образца флюида; и

датчик, который преобразовывает оптические сигналы в электрические,

причем по меньшей мере один из упомянутого множества оптических слоев образован путем атомно-слоевого осаждения (АСО),

причем система дополнительно выполнена с возможностью направлять световой поток перед или после выполнения упомянутой фильтрации через по меньшей мере один компонент оптического пути, образованный или модифицированный путем АСО.

2. Система анализа флюидов по п. 1, причем ИВЭ содержит множество оптических слоев различных типов на основании АСО и причем упомянутое множество оптических слоев различных типов имеют различные коэффициенты преломления.

3. Система анализа флюидов по п. 1, причем ИВЭ содержит по меньшей мере один оптический слой, образованный с применением технологии реактивного магнетронного напыления (РМН).

4. Система анализа флюидов по п. 1, причем ИВЭ содержит по меньшей мере один неплоский оптический слой, образованный или модифицированный путем АСО.

5. Система анализа флюидов по п. 1, дополнительно содержащая интерфейс образцов флюидов, который фиксирует образец флюида, причем интерфейс образцов флюидов содержит по меньшей мере один слой, образованный или модифицированный путем АСО.

6. Система анализа флюидов по п. 5, причем интерфейс образцов флюидов содержит алмазный слой, образованный путем АСО.

7. Система анализа флюидов по любому из пп. 1-6, причем датчик или источник светового потока содержит по меньшей мере один слой, образованный или модифицированный путем АСО.

8. Система анализа флюидов по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащая элемент полосового фильтра, причем элемент полосового фильтра содержит по меньшей мере один слой, образованный или модифицированный путем АСО.

9. Система анализа флюидов по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащая линзу с входной стороны относительно ИВЭ, причем линза с входной стороны содержит по меньшей мере один слой, образованный или модифицированный путем АСО.

10. Система анализа флюидов по любому из пп. 1-6, дополнительно содержащая линзу с выходной стороны относительно ИВЭ, причем линза с выходной стороны содержит по меньшей мере один слой, образованный или модифицированный путем АСО.

11. Технологическая линия каротажа, содержащая:

участок каротажной аппаратуры; и

инструмент для анализа флюидов, связанный с участком каротажной аппаратуры, причем инструмент для анализа флюидов содержит систему анализа флюидов по любому из пп. 1-10.

12. Способ анализа флюидов, включающий:

направление светового потока с определенным спектром через образец флюида;

фильтрацию светового потока, прошедшего через образец флюида, при помощи множества оптических слоев, причем по меньшей мере один из упомянутого множества оптических слоев образован путем атомно-слоевого осаждения (АСО) с целью фильтрации светового потока в зависимости от химических или физических свойств образца флюида;

определение отфильтрованного светового потока на выходе из упомянутого множества оптических слоев; и

увязку параметров спектра отфильтрованного светового потока с упомянутыми химическими или физическими свойствами образца флюида,

причем перед или после выполнения упомянутой фильтрации световой поток направляют через по меньшей мере один компонент оптического пути, образованный или модифицированный путем АСО.