[go: up one dir, main page]

CN108291443A - 使用可追踪滤波器的光学计算装置的校准 - Google Patents

使用可追踪滤波器的光学计算装置的校准 Download PDF

Info

Publication number
CN108291443A
CN108291443A CN201580081569.8A CN201580081569A CN108291443A CN 108291443 A CN108291443 A CN 108291443A CN 201580081569 A CN201580081569 A CN 201580081569A CN 108291443 A CN108291443 A CN 108291443A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
computing device
sample
optical computing
optically
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN201580081569.8A
Other languages
English (en)
Inventor
戴斌
C·琼斯
D·加斯库克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Halliburton Energy Services Inc
Original Assignee
Halliburton Energy Services Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Halliburton Energy Services Inc filed Critical Halliburton Energy Services Inc
Publication of CN108291443A publication Critical patent/CN108291443A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/10—Locating fluid leaks, intrusions or movements
    • E21B47/113—Locating fluid leaks, intrusions or movements using electrical indications; using light radiations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/08—Obtaining fluid samples or testing fluids, in boreholes or wells
    • E21B49/081—Obtaining fluid samples or testing fluids, in boreholes or wells with down-hole means for trapping a fluid sample
    • E21B49/082—Wire-line fluid samplers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
    • E21B47/07—Temperature
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/13—Standards, constitution

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

使用映射函数来实现光学计算装置的校准，所述映射函数将真实检测器响应映射到模拟检测器响应，使用可追踪光学滤波器的高分辨率光谱和光学计算装置特性来模拟所述模拟检测器响应。

Description

使用可追踪滤波器的光学计算装置的校准
技术领域
本公开大体涉及光学计算装置，并且更具体地涉及使用可追踪光学滤波器的光学计算装置的校准。
背景技术
各种光学计算技术已经被开发用于石油和天然气工业中的应用。光学计算装置的实例是一种装置，其被配置来从物质或物质样本接收电磁辐射的输入并且从处理元件产生电磁辐射的输出。例如，处理元件可以是集成计算元件(“ICE”)结构。一些光学计算装置利用光学元件来执行计算，这与常规电子处理器的硬连线电路相反。当电磁辐射与物质相互作用时，关于物质的独特物理信息和化学信息被编码在从物质反射、通过物质透射或从样本辐射的电磁辐射中。该信息通常被称为物质的光谱“指纹”。因此，光学计算装置(通过使用ICE结构)能够提取物质内多个特征或分析物的光谱指纹信息，并且将该信息转换成关于样本总体特性的可检测输出。
附图简述
图1是根据本公开的说明性实施方案的光学计算装置校准系统的框图；
图2是本公开的说明性校准方法的流程图；
图3示出真实检测器响应(“R2”)和模拟检测器响应(“R1”)的说明性映射函数以及用于示出映射原理的对应曲线图；
图4是根据本公开的某些说明性实施方案的用于询问样本的自校准光学计算装置400的框图；以及
图5A和图5B示出根据本公开的某些说明性应用的分别在随钻测井(“LWD”)应用和缆线应用中使用的如本文所述的自校准光学计算装置。
具体实施方式
以下描述了本公开的说明性实施方案和相关方法，因为在光学计算装置的校准模型中可能采用它们。为了清晰，本说明书中并没有描述实际实现方式或方法的所有特征。当然，应了解，在任何这种实际实施方案的开发中，应做出大量实现方式特定的决策来实现开发人员的特定目标，如符合系统相关约束和业务相关约束，所述目标在不同实现方式间将有所不同。本公开的各种实施方案和相关方法的其它方面和优点将因考虑以下描述和附图而变得显而易见。
在光学计算装置的操作期间，从光源发射的光的强度可能波动。此类波动可能由于各种原因而发生，包括灯泡随着时间的推移而变弱、或者仅由于感兴趣样本的吸收特性。因此，该波动及其对精确计算样本特性所需的输出信号比的影响将误差引入输出信号和所得测量结果。
此外，井下温度波动也可能对光学计算装置的准确度产生有害作用。随着光学计算装置温度改变，诸如检测器的各种部件的操作特性也逐渐更改。随着检测器继续升温，最终输出信号变为零。该现象被称为“热漂移”。由于光学计算装置的准确性部分地基于检测器的稳定性，因此热漂移自然也将误差引入输出信号中。
为了解决这些问题，常规方法使用通过使用真实流体样本开发的校准模型，这是非常昂贵且花费时间的。使用真实流体样本来校准计算装置需要对温度和压力的操纵、以及可能花费几天或几周才完成的耗时清理程序。因此，本领域中需要更经济有效的校准模型。
鉴于上述情况，本公开的说明性实施方案和方法涉及使用可追踪滤波器的光学计算装置的校准模型。为了实现这一点，产生映射函数，所述映射函数将真实检测器响应映射到使用可追踪滤波器的高分辨率光谱和计算装置特性(例如，光源发射分布、滤光轮光谱、检测器响应分布)来模拟的模拟检测器响应。如本文所限定的，“可追踪滤波器”是例如使用实验室光谱仪来了解其光谱输出(或参考光谱)的光学滤波器。在一般化实施方案中，本公开提供了模型，其用于通过使用两个或更多个可追踪光学滤波器来校准光学计算装置的检测器响应输出，以便产生模拟检测器响应与真实检测器响应之间的映射函数。一旦产生映射函数，就可以使用映射函数将计算装置的操作期间获取的真实检测器响应校准到模拟响应。在此之后，使用已校准的检测器输出来确定感兴趣的样本特性。
更具体地，本公开允许校准光学计算装置的光谱输出，以校正真实光学检测器响应输出与模拟光学检测器响应输出之间的差异。这里描述的说明性方法使用一组可追踪光学滤波器标准(例如，中性密度滤波器、玻璃标准等)来衰减真实检测器输出，因此以允许将真实检测器响应映射到模拟检测器响应，而不使用任何流体样本。因为可追踪光学滤波器可以内置于光学传感器中，所以可在未来的任何时间执行校准过程以便在热漂移的情况下重新标准化计算装置。
虽然本文关于光学计算装置进行了描述，本文所述的说明性方法/实施方案适用于定量地对样本进行准确的透射/吸光度测量以预测感兴趣的物理特性或化学特性(例如，粒度、密度、化学组成等)的任何光谱传感器。
鉴于上述情况，图1示出根据本公开的说明性实施方案的光学计算装置校准系统的框图。如本文将描述的，校准系统100提供了一种平台，其用于使用可追踪滤波器的模拟光谱数据来产生用于校准光学计算装置的映射函数。在已经产生映射函数之后，可以然后根据需要实时校准光学计算装置。因此，如本文所述，本公开提供了一种通过其在任何时间校准光学计算装置的有效方法。
参考图1，校准系统100包括至少一个处理器102、非暂时性计算机可读存储装置104、收发器/网络通信模块105、可选的I/O装置106以及可选的显示器108(例如用户界面)，全部通过系统总线109互连。在一个实施方案中，网络通信模块105是网络接口卡(NIC)，且使用以太网协议进行通信。在其他实施方案中，网络通信模块105可以是另一类型的通信接口(例如，光纤接口)，且可以使用若干不同的通信协议来进行通信。可将根据本文描述的说明性实施方案的由用于实现存储在校准模块110内的软件指令的处理器102可执行的软件指令存储在存储装置104或一些其他计算机可读介质中。
虽然未在图1中明确地示出，但是应认识到，校准系统100可通过一个或多个适当的网络连接来连接至一个或多个公共网络(例如，互联网)和/或专用网络。还应认识到，也可将构成校准模块110的软件指令通过有线的或无线的方法从CD-ROM或其它适当的存储介质加载到存储装置104中。
此外，可使用多种计算机系统配置来实践本公开的方法和实施方案，所述计算机系统配置包括手持式装置、多处理器系统、基于微处理器或可编程的消费者电子装置、微型计算机、大型计算机等。任何数量的计算机系统和计算机网络都可被接受与本公开一起使用。可以在分布式计算环境中实践本公开的方法和实施方案，在所述环境中由通过通信网络加以链接的远程处理装置来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括记忆存储装置的本地计算机存储介质和远程计算机存储介质两者中。因此，本公开可在计算机系统或其他处理系统中与各种硬件、软件或其组合相结合地实现。
将传感器校准到样本的感兴趣分析物(例如，原油等中的C1、C2或C3)由两部分过程组成：在第一步骤中，建立将模拟检测器响应与感兴趣分析物相关的校准模型(在下文中描述模拟和校准的细节)。在第二步骤中，开发真实传感器检测器响应到模拟检测器响应的校准映射函数，其允许在真实传感器上应用校准模型(在该过程的第一步骤中建立的)。
在步骤1中，为了开始校准过程，设计并制造光学计算装置。如受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的，设计过程通常涉及使用例如实验室光谱仪系统(例如，傅立叶变换近红外光谱仪(FT-NIR)、色散NIR光谱仪等)测量足够数量的流体样本，以便例如记录PVT实验室中的各种温度和压力下的样本光谱数据。设计过程的结果是ICE结构，其具有最佳的光谱分布以允许使感兴趣分析物与检测器响应最佳地相关。接下来，制造光学计算装置，使用光谱仪来测量ICE结构的光谱分布，并且表征光源发射和检测器光谱响应分布。除了光学传感器的每个部件的光谱数据之外，在PVT系统中也使用FTIR光谱仪来获取流体样本的大量FTIR光谱。在此之后，在使用流体样本的光谱数据和光学计算装置的光谱表征的情况下，可以通过下式估计每个样本的光学响应：
S＝FldSpec·Conv_filter_Trs, 等式(1),
其中，
Conv_filter_Trs＝(Source_emission)(Filter_spec)(Detector_resp) 等式(2)。
S表示在m个流体样本上的n个光学通道的集成检测器响应输出；Fldspec是流体样本的m个FTNIR透射光谱；检测器输出/响应S是光学通道的样本透射光谱和卷积透射光谱的点积；并且Conv_filter_Trs是n个光学通道的卷积透射光谱。卷积透射光谱基于光源发射分布(Source_emission)、ICE结构的透射光谱(Filter_spec)和检测器光谱响应曲线(Detector_resp)。
在此之后，基于训练样本上的模拟检测器响应S和感兴趣的特性(例如，浓度、密度等)来开发多变量校准模型。开发多变量校准模型以建立模拟检测器响应S与感兴趣分析物浓度之间的相关性。可以通过各种统计和机器学习算法产生这些多元校准模型，所述统计和机器学习算法例如像主成分回归(PCR)、偏最小二乘回归(PLSR)、多元线性回归(MLR)、岭回归(RR)、人工神经网络(ANN)，最小绝对收缩和选择算子(LASSO)、或支持向量机(SVM)。
在步骤2中，获取两个或更多个可追踪滤波器的频谱，并且根据等式3计算其模拟传感器检测器响应(“R1”)。另外，然后在传感器中使用这些可追踪滤波器来获取真实检测器响应(R2)，然后产生映射函数以映射模拟检测器响应与真实检测器响应之间的关系。
鉴于上述情况，图2是本公开的说明性校准方法的流程图。在框202处，获得两个或更多个可追踪光学滤波器(例如，中性密度滤波器或玻璃)的参考光谱。例如，可以使用实验室光谱仪器(例如，FT-NIR)来获得参考光谱。因此，参考光谱是已知的(即可追踪的)。可追踪光学滤波器具有不同的光谱透射级别，因为需要获得至少两个不同的检测器响应以允许开发映射函数。尽管这里没有测量流体样本，但是参考光谱各自具有模拟真实流体样本的光谱数据的限定光谱图案。换言之，可追踪过滤器像流体样本一样起作用，所以可追踪参考光谱被视为流体样本光谱，然后如上所述的获得这些可追踪光学滤波器的模拟检测器响应(“R1”)：
R1＝Filter_Spec·Conv_filter_Trs, 等式(3),
其中在这种情况下，Filter_Spec表示可追踪光学滤波器的参考光谱。
接下来，使用例如可追踪光学滤波器所位于的可移动组件来获得可追踪光学滤波器的真实检测器响应。例如，可移动组件可以是形成光学计算装置的一部分的旋转圆盘传送器或线性阵列。可替代地，可移动组件可以是独立装置。尽管如此，任然旋转所述旋转圆盘传送器(如果使用的话)以将每个可追踪过滤器放置在光路中，由此获得真实检测器响应(“R2”)。可以在光学计算装置已经制造并装配到传感器中之后的任何时间获取R2响应。
在已经获取真实检测器响应和模拟检测器响应之后，校准系统然后产生逐个通道映射R1和R2的映射函数。在一个说明性方法中，产生单变量映射函数，其映射每个单独光学通道，如以下映射函数所限定的：
R1,i＝R2,i*βi+αi 等式(4),
其中R1，i是光学通道i上的可追踪滤光器组的模拟检测器响应；R2，i是光学通道i上的可追踪滤光器组的真实检测器响应；αi是通道i的校准线的偏移量并且βi是通道i的校准线的斜率。图3示出映射函数R1,＝R2*β+α以及用于示出映射原理的对应曲线。在所示实例中，使用三个可追踪滤波器来获得模拟R1检测器响应和真实R2检测器响应。在替代方法中，可以产生多变量映射函数，其将多个光学通道映射到一个光学信道，如以下映射函数所限定的：
R1＝R2*F 等式(5),
其中F是非线性或线性的多变量映射函数。
在此之后，返回参考图2，在框204处，使用参考光谱以便使用映射函数来校准光学计算装置。在此，一旦已经确定了映射函数F，则可以通过映射函数将流体样本的真实检测器响应(光谱)校准到模拟检测器响应。然后，将以上在步骤1中初始开发的多变量校准模型应用于已校准的检测器响应，以便获得感兴趣的样本特征/预测感兴趣分析物的浓度。
图4示出根据本公开的某些说明性实施方案的用于询问样本的自校准光学计算装置400的框图。电磁辐射源408可被配置来发射或以其他方式产生电磁辐射410。如本领域中理解的，电磁辐射源408可以是能够发射或产生电磁辐射的任何装置。例如，电磁辐射源408可以是灯泡、发光装置、激光、黑体、光子晶体、或X射线源源等。在一个实施方案中，电磁辐射410可以被配置来与样本406(例如，流过井筒或一部分地层的井筒流体)进行光学相互作用并且产生与样本相互作用的光412。样本406可以是任何流体(液体或气体)、固体物质或材料，例如像井下工具部件、管道、岩层、泥浆、砂、泥、钻屑、混凝土、其他固体表面等。在其他实施方案中，然而，样本406是由各种流体特征(例如像基本腐蚀性副产品、由样本材料损失产生的元素、C1-C4和高级烃类、此类元素的分组和盐水)组成的多相井筒流体(例如，包括油、天然气、水、固体)。
样本406可通过流动管或样本室(例如，包含样本406)提供到光学计算装置400，由此将样本406引入到电磁辐射410。尽管图4将电磁辐射410示出为穿过样本406或入射在样本406上以便产生与样本相互作用的光412，但是本文中还设想从样本406反射电磁辐射410(即反射模式)，如在样本406是半透明、不透明或固体的情况下，并且同样产生与样本相互作用的光412。
在用电磁辐射410照射之后，包含感兴趣分析物(例如，样本特性)的样本406产生电磁辐射输出(例如，与样本相互作用的光412)。如前所述，与样本相互作用的光412还包含反映样本特性(例如，密度或组成)的光谱图案。最终，装置400上机载的或远离其的处理电路分析该光谱信息以确定样本特性。尽管没有具体示出，但是可以在光学计算装置400中采用一个或多个光谱元件，以便限制系统的光学波长和/或带宽，并且由此消除不重要波长区中存在的不想要的电磁辐射。此类光谱元件可以位于沿光具组的任何地方，但通常直接在提供初始电磁辐射的光源之后采用。
在该说明性实施方案中，光学计算装置400包括具有至少两个可追踪光学滤波器ICE结构404的第一可移动组件402。在该实例中，示出三个可追踪的过滤器404A、B和C以及开放孔405。如图所示，可移动组件402至少在一个实施方案中可以被表征为线性阵列或旋转盘(例如像斩波器盘)，其中可追踪滤波器404A-C和开放孔405被径向布置以用于与其一起旋转。图4还示出以下更详细描述的可移动组件402的对应正视图。然而，在其他实施方案中，可移动组件402可以被表征为被配置来将至少一个检测器与两个或更多个可追踪滤波器404或开放孔405顺序对准的任何类型的可移动组件。
在光学计算装置400的正常操作期间，将可移动组件402旋转到定位在与样本相互作用的光412的路径中的开放孔405，使得可以确定样本特性。然而，如以下更详细描述的，当光学计算装置400需要校准时，移除样本406(例如，防止样本室的流体流动等)并且旋转可移动组件402以便将可追踪滤波器404A-C定位在电磁辐射410的路径中。
尽管如此，不管可移动组件402的位置如何，通过可追踪滤波器404A-C(或开放孔405)以及与样本相互作用的光412(如果使用开放孔405)或电磁辐射410(如果使用滤波器404A-C)的相互作用来产生第一光学相互作用的光414A。第二可移动组件416被定位以与第一光学相互作用的光414进行光学相互作用。第二可移动组件416包括一个或多个光学元件(例如像ICE结构、窄带滤波器、ND、阻挡器等)，其定位成根据需要相互作用以便产生对应于样本406的一个或多个特征的第二光学相互作用的光414B。
在某些示例性实施方案中，旋转盘402和416可能以期望的频率旋转，使得盘402上的期望光学元件与盘416上的期望光学元件对准。检测器420然后接收每个第二光学相互作用的光414B，由此产生输出信号422。因此，通信地耦合到检测器420的信号处理器(未示出)处理所有输出信号，以便完成本公开的校准和/或样本特性确定操作。
如上所述，在光学计算装置400的正常操作期间，对旋转盘402进行旋转，使得开放孔405位于与样本相互作用的光412的光路中，从而使得可以检测到期望的感兴趣特征。然而，当需要对光学计算装置400的校准时，对旋转盘402进行旋转，使得可追踪滤波器404A位于电磁辐射410的路径中(移除样本406以便进行校准)，并且处理器使盘416旋转通过所有光学元件418A-G，由此检测器420相应地产生并检测第二光学相互作用的光414B。然后将可追踪滤波器404B定位在光路上，并且再次旋转通过光学元件418A-G，并且依此类推直到获取所有的真实检测器响应。然后，将模拟检测器响应(使用可追踪滤波器的参考光谱获取的)映射到真实检测器响应，由此实现对真实响应的校准。在此之后，将样本406和开放405定位在光路中，并且光学计算装置400在其校准状态下继续正常操作。
得益于本公开的本领域一般技术人员认识到前述光学计算装置本质上是例示性的，并且存在可使用的各种其他光学配置。这些光学配置不仅包括本文所述的反射、吸收或透射方法，还可包括散射(例如，Raleigh&Raman)以及发射(例如，荧光、X射线激发等)。此外，光学计算装置可包括并行处理配置，由此将与样本相互作用的光分离成多个光束。
本文描述的光学计算装置的说明性实施方案和相关方法可以在各种环境中使用。例如，此类环境可以包括钻井应用或完井应用。其他环境可包括：与地表和海底监测相关联的环境一样多变的环境、卫星或无人机监视、管线监测，或甚至经过体腔(如消化道)的传感器。在这些环境中，计算装置和温度传感器用于检测/监测环境内的各种样本特征。
图5A示出在随钻测井(“LWD”)应用中使用的如本文所述的自校准光学计算装置。图5A示出配备有井架504的钻井平台502，井架504用于支撑升降机506，升降机506用于升高或降低钻柱508。升降机506悬吊顶部驱动器510，顶部驱动器510适合于旋转钻柱508并且使钻柱508降低穿过井口512。钻头514连接到钻柱508的下端。当钻头514旋转时，其产生穿过地层518的各种层的井筒516。泵520通过进料管522将钻井液循环505到顶部驱动510，向下通过钻柱508的内部，通过钻头514中的孔，经由围绕钻柱508的环回到地面，并且进入保持坑524中。钻井液将钻屑从钻孔传输到坑524中并且帮助保持井筒516的完整性。各种材料可用于钻井液，510包括但不限于基于盐水的导电泥浆。
储层询问系统526(例如，光学计算装置)集成到钻头514附近的井底钻具组件中。在该说明性实施方案中，储层询问系统526是LWD工具；然而，在其他说明性实施方案中，储层询问系统526可以在缆线或管道传送的测井应用中使用。尽管如此，当钻头514使井筒516延伸通过地层518时，储层询问系统526收集如本文所述的与样本特性相关的数据。在某些实施方案中，储层询问系统526可以采取钻铤的形式，即提供重量和刚性以有助于钻孔过程的厚壁管道。可以包括遥测接头528，以便将图像和测量数据/信号转移到地面接收器530并从地面接收命令。在一些实施方案中，遥测接头528不与地面通信，而是存储数据以用于稍后在恢复测井组件时在地面处取出。
仍然参考图5A，储层询问系统526包括系统控制中心(未示出)以及必要的处理/存储/通信电路，其用于获取样本特征和/或温度测量信号以及执行本文所述的校准技术。在某些实施方案中，一旦获取测量信号，系统控制中心校准测量信号并且通过遥测接头528将数据传回井上和/或传送到其他组件部件。在替代性实施方案中，系统控制中心可以位于远离储层询问系统526的远程位置(诸如地面或在不同的钻孔中)，并且相应地执行处理。
图5B示出本公开的替代性实施方案，由此如本文所述的自校准光学计算装置部署在缆线应用中。在钻井过程期间的不同时间，如图5B所示，可以从钻孔移除钻柱508。一旦钻柱508已经被移除，就可以使用缆线测井探测器534来进行测井操作，所述测井探测器534即由缆线541悬挂的探针，其具有用于将功率输送给所述探测器的导体和从探测器到地面的遥测(形成储层询问系统的一部分)。如本文所述的，缆线探测器534可以包括光学计算装置。缆线测井探测器534可以具有垫和/或居中弹簧，以便在工具被拉到井上时将工具保持在钻孔轴线附近。测井探测器534可以包括各种其他传感器，其包括用于测量地层电阻率的工具。测井设施543从测井探测器534收集样本特性测量结果，并且包括用于处理和存储由传感器收集的测量结果的计算机系统545。
相应地，在图5A和图5B的两个实施方案中，使用形成计算装置本身的一部分的可追踪滤波器在井下执行光学计算装置的校准。然而，在替代性实施方案中，可以使用计算装置外部的可追踪滤波器来校准光学计算装置。
在本公开的替代性实施方案中，除了被用作校准标准之外，可追踪滤波器也可以用作在线光学滤波器以动态调整不同光密流体的光级。例如，现有技术的光学装置当前使用较弱光级以便以1.5W驱动光源，因为任何更多的功率使检测器对于最透明液体饱和。因此，由于光信号太弱，因此不能总测量较暗流体。
因此，参考图4，在本公开的某些实施方案中，可追踪滤波器可用于管理由光源产生的电磁辐射的强度。这里，针对电磁辐射源408(例如，15W)使用更强的光强度，并且将可追踪滤波器(例如，允许10％透射率)放置成与电磁辐射对齐。因此，当正在分析更透明的样本406时，将盘402旋转到10％可追踪滤波器以衰减光，使得检测器不会变得饱和。然而，当分析更光密的样本流体(例如，不透明流体)时，例如可将盘402旋转到允许70％透射率的另一个可追踪滤波器，由此信号是足够强的以获得可用的测量结果。可以使用具有不同透射级别的任何数量的可追踪滤波器。因此，这种应用为光学计算装置提供更宽的动态范围。
因此，本文描述的说明性方法和实施方案提供许多优点。第一，例如，代替使用真实流体样本作为校准集(这在操作上昂贵、存在安全隐患、并且需要指定的设施以进行校准测试)，本公开使用一组内置的可追踪光学滤波器标准，其允许在任何时间及任何地点以最小操作成本安全地进行校准过程。第二，由于可追踪光学滤波器的高稳定性和再现性，因此校准比使用流体样本更准确和更精确。第三，因为可追踪滤光盘可以内置到光学计算装置配置中，在测量真实井下采样流体之前，可以在井下校准该装置。第四，因为可以容易地进行校准过程，所以在测量每个样本之前可以校准相同的计算装置，以由此减小热漂移的风险。
第五，由于可以在工具中直接完成校准而不是在传感器中完成校准，因此可以消除传感器与工具之间的潜在势差。这里，“传感器”是指在装配到工具中之前的独立传感器封装。当传感器装配到工具中并与其他工具模块共享电子和控制系统时，它可以致使与独立传感器相比，传感器响应稍微有所变化。第六，代替基于每个单独检测器的真实样本光谱数据来开发校准模型(这是成本高昂的)，所公开的方法使用检测器校准方法，其允许基于在一个集中实验室中收集其光谱的真实流体的模拟光谱数据来建立校准。
本文所描述的方法和实施方案还涉及以下段落中的任何一个或多个：
1.一种方法，其包括获得两个或更多个光学滤波器的参考光谱，其中所述光学滤波器具有不同的透射级别，并且所述参考光谱各自具有模拟样本的光谱数据的限定光谱图案；以及使用所述参考光谱来校准光学计算装置。
2.如段落1所述的方法，其中获得所述参考光谱包括使用实验室光谱仪器来获得所述参考光谱。
3.如段落1或2所述的方法，其中获得所述参考光谱还包括使用所述参考光谱来产生校准所述光学计算装置的测量结果的映射函数。
4.如段落1-3中任一项所述的方法，其中所述参考光谱用于产生单变量映射函数。
5.如段落1-4中任一项所述的方法，其中所述参考光谱用于产生多变量映射函数。
6.如段落1-5中任一项所述的方法，其中获得所述参考光谱包括使用所述参考光谱来模拟所述光学滤波器的检测器响应；以及使用所述参考光谱来校准所述光学计算装置包括：获得所述光学滤波器的真实检测器响应；产生将所述模拟检测器响应映射到所述真实检测器响应的映射函数；以及使用所述映射函数来校准所述光学计算装置的测量结果。
7.如段落1-6中任一项所述的方法，其中获得所述真实检测器响应包括：使电磁辐射与所述光学滤波器进行光学相互作用，以便产生对应于所述参考光谱的所述限定光谱图案的第一光学相互作用的光；使所述光学相互作用的光与一个或多个集成计算元件(“ICE”)结构进行光学相互作用，以便产生对应于所述样本的一个或多个特性的第二光学相互作用的光；使用检测器来产生对应于所述第二光学相互作用的光的输出信号；以及使用所述输出信号来产生所述真实检测器响应。
8.如段落1-7中任一项所述的方法，其中使用所述光学计算装置外部的光学滤波器来执行所述校准。
9.如段落1-8中任一项所述的方法，其中使用形成所述光学计算装置的一部分的光学滤波器来执行所述校准。
10.如段落1-9中任一项所述的方法，其中所述校准包括使用可移动组件将所述光学滤波器移动到电磁辐射的路径中。
11.如段落1-10中任一项所述的方法，其中所述校准还包括从所述电磁辐射的所述路径中移除样本。
12.如段落1-11中任一项所述的方法，其还包括：在执行所述校准之后，将所述光学滤波器移出所述电磁辐射的所述路径；使所述电磁辐射与样本光学相互作用以便产生与样本相互作用的光；使所述样本相互作用的光与集成计算元件(“ICE”)结构进行光学相互作用，以便产生对应于所述样本的特性的光学相互作用的光；使用检测器来产生对应于所述光学相互作用的光的输出信号；以及使用所述输出信号来确定所述样本的所述特性。
13.如段落1-12中任一项所述的方法，其还包括：在执行所述校准之后，使用所述光学滤波器来管理所述电磁辐射的强度。
14.如段落1-13中任一项所述的方法，其中在井下执行所述校准。
15.一种光学计算装置，其包括：电磁辐射，其与两个或更多个光学滤光器进行光学相互作用，以便产生具有模拟样本光谱数据的限定光谱图案的第一光学相互作用的光；一个或多个集成计算元件(“ICE”)结构，其被定位成与所述第一光学相互作用的光进行光学相互作用，以便产生对应于所述样本的一个或多个特性的第二光学相互作用的光；以及检测器，其被定位成检测所述第二光学相互作用的光并且产生用于校准所述光学计算装置的输出信号。以及检测器，其被定位成检测所述第二光学相互作用的光并且产生用于校准所述光学计算装置的输出信号。
16.如段落15所述的光学计算装置，其中所述光学滤波器被配置来校准所述光学计算装置。
17.如段落15或16所述的光学计算装置，其还包括所述光学滤波器位于其上的可移动组件。
18.如段落15-17中任一项所述的光学计算装置，其中所述可移动组件是旋转圆盘传送器或线性阵列。
19.如段落15-18中任一项所述的光学计算装置，其中所述可移动组件还包括开放孔。
20.如段落15-19中任一项所述的光学计算装置，其中所述光学滤波器是中性密度滤波器或玻璃。
21.如段落15-20中任一项所述的光学计算装置，其中所述光学计算装置形成储层询问系统的一部分。
另外，可通过包括处理电路的系统或包括指令的计算机程序产品实现本文描述的说明性方法，所述指令由至少一个处理器执行时，致使处理器执行本文所描述的任何方法。
尽管已展示和描述各种实施方案和方法，但本公开不限于此类实施方案和方法，且将被理解以包括如本领域的技术人员将显而易见的所有修改和变化。因此，应理解，本公开并不意图限于所公开的特定形式。相反，本发明将涵盖属于如所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等效物和替代方案。

Claims (21)

1.一种方法，其包括：
获得两个或更多个光学滤波器的参考光谱，其中所述光学滤波器具有不同的透射级别，并且所述参考光谱各自具有模拟样本的光谱数据的限定光谱图案；以及
使用所述参考光谱来校准光学计算装置。
2.如权利要求1所述的方法，其中获得所述参考光谱包括使用实验室光谱仪器来获得所述参考光谱。
3.如权利要求1所述的方法，其中获得所述参考光谱还包括使用所述参考光谱来产生校准所述光学计算装置的测量结果的映射函数。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述参考光谱用于产生单变量映射函数。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述参考光谱用于产生多变量映射函数。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
获得所述参考光谱包括使用所述参考光谱来模拟所述光学滤波器的检测器响应；以及
使用所述参考光谱来校准所述光学计算装置包括：
获得所述光学滤波器的真实检测器响应；
产生将所述模拟检测器响应映射到所述真实检测器响应的映射函数；以及
使用所述映射函数来校准所述光学计算装置的测量结果。
7.如权利要求6所述的方法，其中获得所述真实检测器响应包括：
使电磁辐射与所述光学滤波器进行光学相互作用，以便产生对应于所述参考光谱的所述限定光谱图案的第一光学相互作用的光；
使所述光学相互作用的光与一个或多个集成计算元件(“ICE”)结构进行光学相互作用，以便产生对应于所述样本的一个或多个特性的第二光学相互作用的光；
使用检测器来产生对应于所述第二光学相互作用的光的输出信号；以及
使用所述输出信号来产生所述真实检测器响应。
8.如权利要求1所述的方法，其中使用所述光学计算装置外部的光学滤波器来执行所述校准。
9.如权利要求1所述的方法，其中使用形成所述光学计算装置的一部分的光学滤波器来执行所述校准。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述校准包括使用可移动组件将所述光学滤波器移动到电磁辐射的路径中。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述校准还包括从所述电磁辐射的所述路径中移除样本。
12.如权利要求10所述的方法，其还包括：
在执行所述校准之后，将所述光学滤波器移出所述电磁辐射的所述路径；
使所述电磁辐射与样本光学相互作用以便产生与样本相互作用的光；
使所述样本相互作用的光与集成计算元件(“ICE”)结构进行光学相互作用，以便产生对应于所述样本的特性的光学相互作用的光；
使用检测器来产生对应于所述光学相互作用的光的输出信号；以及
使用所述输出信号来确定所述样本的所述特性。
13.如权利要求10所述的方法，其还包括：在执行所述校准之后，使用所述光学滤波器来管理所述电磁辐射的强度。
14.如权利要求1所述的方法，其中在井下执行所述校准。
15.一种光学计算装置，其包括：
电磁辐射，其与两个或更多个光学滤光器进行光学相互作用，以便产生具有模拟样本光谱数据的限定光谱图案的第一光学相互作用的光；
一个或多个集成计算元件(“ICE”)结构，其被定位成与所述第一光学相互作用的光进行光学相互作用，以便产生对应于所述样本的一个或多个特性的第二光学相互作用的光；以及
检测器，其被定位成检测所述第二光学相互作用的光并且产生用于校准所述光学计算装置的输出信号。
16.如权利要求15所述的光学计算装置，其中所述光学滤波器被配置来校准所述光学计算装置。
17.如权利要求15所述的光学计算装置，其还包括所述光学滤波器位于其上的可移动组件。
18.如权利要求17所述的光学计算装置，其中所述可移动组件是旋转圆盘传送器或线性阵列。
19.如权利要求17所述的光学计算装置，其中所述可移动组件还包括开放孔。
20.如权利要求15所述的光学计算装置，其中所述光学滤波器是中性密度滤波器或玻璃。
21.如权利要求15所述的光学计算装置，其中所述光学计算装置形成储层询问系统的一部分。
CN201580081569.8A 2015-08-13 2015-08-13 使用可追踪滤波器的光学计算装置的校准 Withdrawn CN108291443A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2015/045076 WO2017027040A1 (en) 2015-08-13 2015-08-13 Calibration of optical computing devices using traceable filters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108291443A true CN108291443A (zh) 2018-07-17

Family

ID=57983320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580081569.8A Withdrawn CN108291443A (zh) 2015-08-13 2015-08-13 使用可追踪滤波器的光学计算装置的校准

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10551302B2 (zh)
JP (1) JP6533618B2 (zh)
CN (1) CN108291443A (zh)
AU (1) AU2015405066A1 (zh)
CA (1) CA2991778C (zh)
GB (1) GB2558421B (zh)
WO (1) WO2017027040A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210333205A1 (en) * 2020-04-27 2021-10-28 Adva Optical Networking Se Method and apparatus for performing spectrometric measurements

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3008448A1 (en) * 2013-09-03 2016-04-20 Halliburton Energy Services, Inc. Simulated integrated computational elements and their applications
TW201934985A (zh) * 2018-02-01 2019-09-01 億光電子工業股份有限公司 紅外線光譜儀
JP7461102B2 (ja) 2018-08-08 2024-04-03 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 医用画像処理装置およびｘ線ｃｔ装置
KR102413565B1 (ko) * 2020-07-14 2022-06-27 주식회사 다산에스엠 개선된 굴뚝 먼지 측정장치

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6690817B1 (en) * 1993-08-18 2004-02-10 Applied Spectral Imaging Ltd. Spectral bio-imaging data for cell classification using internal reference
US5748308A (en) * 1996-02-02 1998-05-05 Abbott Laboratories Programmable standard for use in an apparatus and process for the noninvasive measurement of optically absorbing compounds
JP2007232733A (ja) * 1998-05-15 2007-09-13 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd 対象物内部品質測定装置
JP3992390B2 (ja) 1999-01-14 2007-10-17 株式会社クボタ 分光分析方法
US20030026762A1 (en) * 1999-05-05 2003-02-06 Malmros Mark K. Bio-spectral imaging system and methods for diagnosing cell disease state
EP1828731A1 (en) * 2004-12-15 2007-09-05 Koninklijke Philips Electronics N.V. Calibration of optical analysis making use of multivariate optical elements
WO2007061436A1 (en) 2005-11-28 2007-05-31 University Of South Carolina Self calibration methods for optical analysis system
WO2008144575A2 (en) * 2007-05-18 2008-11-27 Optiscan Biomedical Corporation Fluid injection and safety system
JP2008309805A (ja) * 2008-09-26 2008-12-25 Fujifilm Corp 光計測装置及び光計測方法
JP2013525815A (ja) * 2010-05-07 2013-06-20 オールテック・アソシエイツ・インコーポレーテッド サンプルを分析し、サンプル画分を収集する方法および装置
JP2012251875A (ja) * 2011-06-03 2012-12-20 Utsunomiya Univ 光強度計測装置
US20130044200A1 (en) * 2011-08-17 2013-02-21 Datacolor, Inc. System and apparatus for the calibration and management of color in microscope slides
US8902423B2 (en) * 2011-11-23 2014-12-02 University Of South Carolina Classification using multivariate optical computing
US8823939B2 (en) * 2012-04-26 2014-09-02 Halliburton Energy Services, Inc. Methods and devices for optically determining a characteristic of a substance
US9952096B2 (en) * 2012-06-05 2018-04-24 President And Fellows Of Harvard College Ultra-thin optical coatings and devices and methods of using ultra-thin optical coatings
SG11201500242QA (en) * 2012-07-23 2015-02-27 Halliburton Energy Services Inc Method and apparatus for analyzing multiphase fluid flow using a multivariate optical element calculation device
BR112015005511A2 (pt) * 2012-09-13 2017-07-04 Halliburton Energy Services Inc ferramenta e método de análise espectral
US10012537B2 (en) * 2013-01-31 2018-07-03 Ventana Medical Systems, Inc. Systems and methods for calibrating, configuring and validating an imaging device or system for multiplex tissue assays
MX364675B (es) * 2013-09-25 2019-05-03 Halliburton Energy Services Inc Sistemas y metodos para calibrar elementos informaticos integrados.
US9599565B1 (en) * 2013-10-02 2017-03-21 Ondax, Inc. Identification and analysis of materials and molecular structures
CA3205430A1 (en) * 2013-10-04 2015-04-09 Sequenom, Inc. Methods and processes for non-invasive assessment of genetic variations
EP3030884A4 (en) * 2013-10-10 2017-03-08 Halliburton Energy Services, Inc. Optical computing device and method for compensating light fluctuations
US10004398B2 (en) * 2014-01-13 2018-06-26 Nanyang Technological University Device for determining a condition of an organ and method of operating the same
WO2015134036A1 (en) * 2014-03-07 2015-09-11 Halliburton Energy Services Inc. Wavelength-dependent light intensity modulation in multivariate optical computing devices using polarizers
US9756263B2 (en) * 2014-05-01 2017-09-05 Rebellion Photonics, Inc. Mobile gas and chemical imaging camera
EP3209983A4 (en) * 2014-10-23 2018-06-27 Verifood Ltd. Accessories for handheld spectrometer
WO2016089406A1 (en) * 2014-12-04 2016-06-09 Halliburton Energy Services, Inc. Simulating optical sensor response data for fluids in a wellbore
US20170023482A1 (en) * 2015-07-20 2017-01-26 United States Of America, As Represented By The Secretary Of Commerce Simultaneous plural color broadband coherent anti-stokes raman scattering microscope and imaging

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210333205A1 (en) * 2020-04-27 2021-10-28 Adva Optical Networking Se Method and apparatus for performing spectrometric measurements
US11624707B2 (en) * 2020-04-27 2023-04-11 Adva Optical Networking Se Method and apparatus for performing spectrometric measurements

Also Published As

Publication number Publication date
GB2558421B (en) 2021-03-03
CA2991778C (en) 2021-02-16
CA2991778A1 (en) 2017-02-16
AU2015405066A1 (en) 2018-02-01
US10551302B2 (en) 2020-02-04
JP2018520354A (ja) 2018-07-26
WO2017027040A1 (en) 2017-02-16
GB2558421A (en) 2018-07-11
JP6533618B2 (ja) 2019-06-19
GB201721583D0 (en) 2018-02-07
US20180195955A1 (en) 2018-07-12
GB2558421A8 (en) 2018-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9229126B2 (en) Spatial heterodyne integrated computational element (SH-ICE) spectrometer
US10551302B2 (en) Calibration of optical computing devices using traceable filters
US10591634B2 (en) Spectrally programmable memristor-based optical computing
CN105874165A (zh) 在多变量光学计算装置中使用偏振器的波长相关的光强调制
US8908166B2 (en) Methods and apparatus for downhole fluid analysis
US20190025122A1 (en) Fabry-Perot Based Optical Computing
US10386245B2 (en) Fabry-Perot based temperature sensing
US10429541B2 (en) Reconstructing optical spectra using integrated computational element structures
AU2013392614B2 (en) Device and method for temperature detection and measurement using integrated computational elements
US20160178511A1 (en) Simulated Integrated Computational Elements and Their Applications
BR112019003466B1 (pt) Método, dispositivo e sistema para análise ótica usando múltiplos elementos computacionais integrados
US10316650B2 (en) Gas phase detection of downhole fluid sample components
US20180112526A1 (en) Moveable Assembly for Simultaneous Detection of Analytic and Compensation Signals in Optical Computing
US11085877B2 (en) Apparatus and methods for measuring the refractive index of a fluid
US20150354341A1 (en) System and Method to Convert Surface Pressure to Bottom Hole Pressure Using an Integrated Computation Element

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20180717