FR3067456A1 - Compensation de derive thermique dans les dispositifs de calcul optique - Google Patents

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Robert Freese
David L. Perkins
William J. Soltmann
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Halliburton Energy Services Inc
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Halliburton Energy Services Inc
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Abstract

Un dispositif de calcul optique conçu pour compenser les effets de la dérive thermique du détecteur. Un circuit de compensation de dérive thermique est fourni pour augmenter le gain du détecteur optique lorsque la température augmente.

Description

Compensation de dérivé thermique dans les dispositifs de calcul optique
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne de manière générale des systèmes optiques et, plus spécifiquement, un dispositif de calcul optique conçu pour compenser les effets de la dérive thermique.
CONTEXTE
Ces dernières années, des techniques de calcul optique ont été développées pour des applications dans l'industrie du pétrole et du gaz sous la forme de capteurs optiques sur des équipements de fond de trou ou de surface pour évaluer une variété de propriétés de fluide. En général, un dispositif de calcul optique est un dispositif configuré pour recevoir une entrée de rayonnement électromagnétique à partir d'un échantillon et pour produire une sortie de rayonnement électromagnétique à partir d'un élément de traitement, également désigné élément optique, dans lequel la sortie reflète l'intensité mesurée du rayonnement électromagnétique. Le dispositif de calcul optique peut être, par exemple, un élément de calcul intégré (« ICE »). Un type d'ICE est un dispositif d'interférence optique à film mince optique, également connu sous le nom d'élément optique à plusieurs variables (« MOE »).
Fondamentalement, les dispositifs de calcul optique utilisent des éléments optiques pour effectuer des calculs, par opposition aux circuits câblés des processeurs électroniques classiques. Lorsque la lumière provenant d'une source de lumière interagit avec une substance, des informations physiques et chimiques uniques concernant la substance sont codées dans le rayonnement électromagnétique qui est réfléchi, transmis ou rayonné à partir de l'échantillon. Ainsi, le dispositif de calcul optique, à travers l'utilisation de l'ICE et d'un ou de plusieurs détecteurs, est capable d'extraire les informations d'une ou de plusieurs caractéristiques/analytes à l'intérieur d'une substance et de convertir ces informations en un signal de sortie détectable reflétant les propriétés globales d'un échantillon. De telles caractéristiques peuvent inclure, par exemple, la présence de certains éléments, compositions, phases fluides, etc. existant à l'intérieur de la substance.
Pendant le fonctionnement, les fluctuations de température de fond de trou peuvent avoir un effet néfaste sur la précision du dispositif de calcul optique. Lorsque la température du dispositif de calcul optique change, les caractéristiques de fonctionnement de divers composants, tels que les détecteurs, sont également progressivement modifiées. Lorsque le détecteur continue de chauffer, par la suite le signal de sortie descend à zéro. Ce phénomène est appelé « dérive thermique ». Puisque la précision du dispositif de calcul optique est en partie basée sur la stabilité des détecteurs, la dérive thermique introduit naturellement également des erreurs dans les signaux de sortie.
Les procédés classiques n'ont pas réussi à apporter de solutions suffisantes au problème de la dérive thermique. La solution classique a été de chauffer ou de refroidir les détecteurs, réduisant ainsi les caractéristiques de dérive thermique. Cependant, cette approche est désavantageuse car la puissance requise pour les circuits nécessaires pour chauffer et refroidir activement les dispositifs de calcul est élevée. En outre, l'espace requis pour loger les composants de chauffage et de refroidissement entraîne un dispositif de calcul plus grand.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Figure 1 est une illustration en bloc d'un dispositif de calcul optique utilisant un circuit de compensation de dérive thermique selon certains modes de réalisation illustratifs de la présente invention ;
La Figure 2 est une illustration en bloc d'un dispositif de calcul optique utilisant un circuit de compensation de dérive thermique selon certains modes de réalisation illustratifs de la présente invention ;
Les Figures 3A-B illustrent des dispositifs de calcul optique utilisés respectivement dans une application de forage de fond de trou et une application câblée, selon des procédés illustratifs de la présente invention.
DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION ILLUSTRATIFS
Des modes de réalisation illustratifs et des procédés associés de la présente invention sont décrits ci-dessous car ils pourraient être utilisés dans un dispositif et un procédé pour compenser la dérive thermique. Dans un souci de clarté, toutes les caractéristiques d'une implémentation réelle ne sont pas décrites dans cette spécification. On comprendra bien que dans le développement d'un tel mode de réalisation réel, de nombreuses décisions spécifiques à l'implémentation doivent être prises pour atteindre les objectifs spécifiques des développeurs, tels que le respect des contraintes liées au système et aux affaires, qui varient d'une implémentation à une autre. De plus, on comprendra qu'un tel effort de développement pourrait être complexe et prendre beaucoup de temps, mais serait néanmoins une réalisation courante pour l'homme du métier ayant l'avantage de la présente invention. D'autres aspects et avantages des divers modes de réalisation et procédés associés de l'invention seront évidents à la lecture de la description et des dessins suivants.
Comme décrit ici, les modes de réalisation de la présente invention concernent des procédés visant à compenser et/ou à minimiser les effets de la dérive thermique sur les signaux de sortie des détecteurs dans les dispositifs de calcul optique. Pour traiter la saturation de signal de détecteur ou la dégradation des performances du système découlant des fluctuations de température dans les détecteurs optiques ou les circuits détecteur/amplifîcateur, certains modes de réalisation illustratifs décrits ici incorporent un élément à coefficient de température négatif dans le gain du détecteur. De tels modes de réalisation permettent de mettre à l’échelle le gain du détecteur avec la température, limitant ainsi le changement de tension dans l'amplificateur et augmentant la plage de fonctionnement thermique du détecteur et de l'amplificateur sans s’approcher de la saturation ou du signal limité. Ces avantages et d'autres de la présente invention seront évidents pour l'homme du métier ayant l'avantage de la présente divulgation.
Comme cela sera décrit plus en détail ci-dessous, chaque dispositif de calcul optique décrit ici interagit optiquement avec un échantillon d'intérêt (un fluide de puits de forage, par exemple) pour déterminer une caractéristique de l'échantillon. Dans certains modes de réalisation illustratifs, les caractéristiques déterminées comprennent la présence et la quantité de gaz inorganiques spécifiques tels que, par exemple, le CO2 et l’FLS, des gaz organiques tels que le méthane (Cl), l'éthane (C2) et le propane (C3), l'eau saline, des ions dissous (Ba, Cl, Na, Fe ou Sr, par exemple), ou diverses autres caractéristiques (le pH, la densité et la gravité spécifique, la viscosité, le total des solides dissous, la teneur en sable, etc.). Dans certains modes de réalisation, un dispositif de calcul optique unique peut détecter une caractéristique unique ou de plusieurs caractéristiques, comme le comprendra l'homme du métier ayant l'avantage de la présente divulgation.
Tel qu'utilisé ici, le terme « substance », « échantillon » ou leurs variantes désigne au moins une partie de la matière ou du matériau d'intérêt à tester ou autrement à évaluer à l'aide des dispositifs de calcul optique décrits ici. La substance peut être tout fluide capable de s'écouler, y compris les solides particulaires, les liquides, les gaz (par exemple l'air, l'azote, le dioxyde de carbone, l'argon, l'hélium, le méthane, l'éthane, le butane et d'autres gaz d'hydrocarbures, le sulfure d'hydrogène et des combinaisons de ceux-ci), les bouillies, les émulsions, les poudres (par exemple, les ciments, les bétons, etc.), les fluides de forage (c’est-àdire les « boues »), les verres, les mélanges, les combinaisons de ceux-ci. La substance peut comprendre, mais sans y être limitée, des fluides aqueux (par exemple de l'eau, des saumures, etc.), des fluides non aqueux (par exemple des composés organiques, des hydrocarbures, de l'huile, un composant raffiné d'huile, des produits pétrochimiques, etc.), des acides, des agents tensioactifs, des biocides, des agents de blanchiment, des inhibiteurs de corrosion, des mousses et des agents moussants, des agents de rupture, des agents de piégeage, des stabilisateurs, des clarificateurs, des détergents, des fluides de traitement, des fluides de fracturation, des fluides de formation ou tout fluide de champ pétrolifère, produit chimique ou substance que l'on trouve généralement dans l'industrie du pétrole et du gaz. La substance peut aussi désigner des matériaux solides tels que, mais sans s’y limiter, des formations rocheuses, du béton, des surfaces solides de puits, des tuyaux ou des conduites d'écoulement et des surfaces solides d'un outil ou d’un projectile de puits de forage (par exemple des balles, des flèches, des bouchons, etc.).
Tel qu'utilisé ici, le terme « caractéristique » ou « caractéristique d'intérêt » désigne une propriété chimique, mécanique ou physique d'une substance ou d'un échantillon de la substance. La caractéristique de la substance peut inclure une valeur quantitative ou qualitative d'un ou de plusieurs constituants ou composés chimiques présents dans celle-ci ou toute propriété physique associée à celle-ci. De tels constituants et composés chimiques peuvent être désignés ici « analytes ». Des caractéristiques illustratives d'une substance qui peut être analysée à l'aide des éléments de traitement optique décrits ici peuvent comprendre, par exemple, la composition chimique (par exemple l'identité et la concentration totale ou des composants individuels), la présence de phase (par exemple le gaz, l'huile, l'eau, etc.), la teneur en impuretés, le pH, l'alcalinité, la viscosité, la densité, la force ionique, les solides dissous totaux, la teneur en sel (par exemple la salinité), la porosité, l'opacité, la teneur en bactéries, la dureté totale, la transmittance, l'état de la matière (solide, liquide, gaz, émulsion, des mélanges de ceux-ci, etc.) et analogues.
Telle qu'utilisée ici, l'expression « rayonnement électromagnétique » désigne des ondes radio, un rayonnement micro-ondes, un, rayonnement térahertz, infrarouge et proche infrarouge, une lumière visible, une lumière fluorescente, une lumière ultraviolette, un rayonnement X et un rayonnement gamma.
Telle qu'utilisée ici, l'expression « interagir optiquement » ou ses variantes désigne la réflexion, la transmission, la diffusion, la diffraction ou l’absorption d'un rayonnement électromagnétique sur, à travers ou depuis un élément de traitement optique (par exemple un ICE) ou une substance analysée avec le dispositif de calcul optique. Par conséquent, une lumière ayant interagi optiquement désigne un rayonnement électromagnétique qui a été réfléchi, transmis, diffusé, diffracté ou absorbé par, émis ou à nouveau rayonné, par exemple, en utilisant un élément de traitement optique, mais peut également s'appliquer à une interaction optique avec une substance.
Tel qu'utilisé ici, le terme « dispositif de calcul optique » désigne un dispositif optique conçu pour recevoir une entrée de rayonnement électromagnétique associée à une substance et pour produire une sortie de rayonnement électromagnétique à partir d'un élément de traitement optique disposé dans ou autrement associé au dispositif de calcul optique. L’élément de traitement optique peut être, par exemple, un ICE. Le rayonnement électromagnétique qui interagit optiquement avec l'élément de traitement optique est modifié de manière à être lisible par un détecteur, de sorte qu'une sortie du détecteur peut être corrélée à une caractéristique particulière de la substance analysée. La sortie du rayonnement électromagnétique provenant de l'élément de traitement optique peut être un rayonnement électromagnétique réfléchi, transmis et/ou dispersé. Le fait que le détecteur analyse les rayonnements électromagnétiques réfléchis, transmis ou dispersés peut être dicté par les paramètres structurels du dispositif de calcul optique ainsi que par d'autres considérations connues de l'homme du métier.
La figure 1 illustre un dispositif de calcul optique 100 qui compense la dérive thermique du détecteur à travers l'utilisation de circuits d'amplification, selon un ou plusieurs modes de réalisation illustratifs de la présente invention. Comme le montre la Figure 1, une source de rayonnement électromagnétique 108 peut être configurée pour émettre ou générer autrement un rayonnement électromagnétique 110. Comme cela est compris dans la technique, la source de rayonnement électromagnétique 108 peut être un quelconque dispositif capable d'émettre ou de générer un rayonnement électromagnétique. Par exemple, la source de rayonnement électromagnétique 108 peut être une ampoule, une lumière UV, une lumière UV sous vide, un dispositif d'émission de lumière, un laser, un corps noir émis à partir de l’échantillon 106, un cristal photonique ou une source de rayons X, etc. Dans un mode de réalisation, le rayonnement électromagnétique 110 peut être conçu pour interagir optiquement avec l'échantillon 106 et générer une lumière ayant interagi avec l’échantillon 112 dirigée vers un séparateur de faisceau 102. L'échantillon 106 peut être un fluide, une substance solide ou un matériau tel que, par exemple, des formations rocheuses, du béton, d'autres surfaces solides, etc. Alors que la Figure 1 montre le rayonnement électromagnétique 110 traversant ou tombant sur l'échantillon 106 pour produire une lumière ayant interagi avec l’échantillon 112 (c’est-à-dire le mode de transmission ou le mode fluorescent), il est également envisagé ici de réfléchir le rayonnement électromagnétique 110 de l'échantillon 106 (c'est-à-dire le mode de réflectance), tel que dans le cas d'un échantillon 106 qui est translucide, opaque ou solide, et de générer également la lumière ayant interagi avec l’échantillon 112.
L'échantillon 106 peut être fourni au dispositif 100 à travers un tuyau d'écoulement ou d'une cellule d'échantillon, par exemple, contenant l'échantillon 106, moyennant quoi il est introduit dans le rayonnement électromagnétique 110. Après avoir été éclairé par un rayonnement électromagnétique 110, l'échantillon 106 contenant un analyte/caractéristique d'intérêt produit une sortie de rayonnement électromagnétique (par exemple une lumière ayant interagi avec l’échantillon 112). Bien que cela ne soit pas spécifiquement représenté, un ou plusieurs éléments spectraux peuvent être utilisés dans le dispositif 100 pour limiter les longueurs d'onde optiques et/ou les largeurs de bande du système et ainsi éliminer les rayonnements électromagnétiques indésirables présents dans les régions de longueur d'onde sans importance. Comme cela sera compris par les hommes du métier bénéficiant de la présente invention, de tels éléments spectraux peuvent être situés à un quelconque endroit le long du train optique, mais sont typiquement utilisés directement après la source de lumière qui fournit le rayonnement électromagnétique initial. Diverses autres configurations et applications d'éléments spectraux peuvent être utilisées avec la présente invention, comme le comprendra l'homme du métier ayant l'avantage de la présente invention.
Toujours en référence au mode de réalisation illustratif de la Figure 1, le séparateur de faisceau 102 est utilisé pour séparer la lumière ayant interagi avec l’échantillon 112 en un rayonnement électromagnétique transmis 114 (canal A ou canal optique de caractéristique) ayant une intensité lumineuse donnée et un rayonnement électromagnétique réfléchi 120 (canal B ou canal optique de normalisation), ayant également une intensité lumineuse donnée. Le rayonnement électromagnétique transmis 114 est ensuite dirigé vers un ou plusieurs éléments optiques 104. L'élément optique 104 peut être une variété d'éléments optiques tels que, par exemple, un ou plusieurs filtres optiques à bande étroite ou ICE (par exemple un MOE) disposés ou autrement utilisés en série pour déterminer les caractéristiques de l'échantillon 106. Dans ces modes de réalisation utilisant des ICE, l'ICE peut être configuré pour être associé à une caractéristique particulière de l'échantillon 106 ou peut être conçu pour approcher ou imiter le vecteur de régression de la caractéristique d'une manière souhaitée, comme le comprendra l'homme du métier ayant l'avantage de la présente invention. De plus, dans une variante de mode de réalisation, l'élément optique 104 peut fonctionner à la fois comme un séparateur de faisceau et comme un processeur de calcul, comme cela sera compris par ces mêmes hommes du métier.
Néanmoins, le rayonnement électromagnétique transmis 114 interagit optiquement avec l'élément optique 104 pour produire une lumière ayant interagi optiquement 122. Dans ce mode de réalisation, la lumière ayant interagi optiquement 122, qui est liée à la caractéristique d'intérêt, est transmise au détecteur 116 en vue d'une analyse et d'une quantification. Le détecteur 116 peut être tout dispositif capable de détecter un rayonnement électromagnétique, et peut être généralement caractérisé en tant que transducteur optique. Par exemple, le détecteur 116 peut être, mais n'est pas limité à, un détecteur thermique tel qu'un détecteur thermopile, pneumatique, thermocouple, thermistor, bolomètre ou pyroélectrique. Le détecteur 116 peut également être un détecteur photoacoustique, un détecteur à semi-conducteur, un détecteur piézoélectrique, un détecteur à dispositif de couplage de charge, (« CDD »), un détecteur à dispositif d'injection de charge (« CID »), un détecteur vidéo ou à matrice, un détecteur divisé, un détecteur de photons (tel qu'un tube photomultiplicateur ou un phototube sous vide), des photodiodes et/ou des combinaisons de ceux-ci, ou analogues, ou d'autres détecteurs connus par les hommes du métier. Dans ces modes de réalisation utilisant des photoconducteurs, les matériaux utilisés peuvent comprendre, par exemple, PbSe, CdS, CDse, GeAu, GeHg, GeCu, GeCd, Ge, Zn, InAs, InGaAs, InSb, He-Cd-Te ou Pb-Sn-Te. Dans ces modes de réalisation utilisant des détecteurs photovoltaïques, les matériaux utilisés peuvent comprendre, par exemple, Si, CdTe et le cuivre indium gallium (di) sélénium (« CIGS »).
Chaque élément dans le détecteur 116 est en outre configuré pour produire un signal de sortie 128 sous la forme d'une tension qui correspond à la caractéristique particulière de l'échantillon 106. Dans au moins un mode de réalisation, le signal de sortie 128 produit par le détecteur 116 et la concentration de la caractéristique de l'échantillon 106 peuvent être directement proportionnels. Dans d'autres modes de réalisation, la relation peut être une fonction polynomiale, une fonction exponentielle et/ou une fonction logarithmique.
Le dispositif de calcul optique 100 comprend également un second détecteur 118 agencé pour recevoir et détecter le rayonnement électromagnétique réfléchi du canal de normalisation optique et émettre un signal de compensation 124. Comme cela est compris dans le domaine, le rayonnement électromagnétique réfléchi 120 peut comprendre une variété d'écarts de rayonnement provenant de la source de rayonnement électromagnétique 108 tels que, par exemple, des fluctuations d'intensité du rayonnement électromagnétique, des fluctuations interférentes (par exemple des poussières ou d'autres interférents passant devant la source de rayonnement électromagnétique), leurs combinaisons ou analogues. Ainsi, le second détecteur 118 détecte également de tels écarts de rayonnement. Dans un autre mode de réalisation, le second détecteur 118 peut être agencé pour recevoir une partie de la lumière ayant interagi avec l’échantillon 112 à la place du rayonnement électromagnétique réfléchi 120, et ainsi compenser les écarts de rayonnement électromagnétique provenant de la source de rayonnement électromagnétique 108. Dans encore d'autres modes de réalisation, le second détecteur 118 peut être agencé pour recevoir une partie du rayonnement électromagnétique 110 à la place du rayonnement électromagnétique réfléchi 120, et ainsi compenser de manière semblable les écarts de rayonnement électromagnétique provenant de la source de rayonnement électromagnétique 108. De plus, un détecteur unique peut être utilisé à la place des détecteurs 116, 118, ou un ensemble de détecteurs peut être utilisé. Les hommes du métier bénéficiant de la présente invention se rendront compte qu'il existe une variété d'altérations de conception qui peuvent être utilisées conjointement avec la présente invention.
Toujours en référence à la Figure 1, pour traiter la saturation de signal de détecteur ou la dégradation découlant des fluctuations de température dans les détecteurs 116, 118 et/ou les circuits détecteur/amplificateur, un circuit de compensation de dérive thermique 130 (c'est-à-dire des circuits d'amplification) est connecté pour recevoir le signal de sortie du détecteur 116. Cependant, d'autres modes de réalisation peuvent également utiliser un circuit de compensation de dérive thermique 130 sur le détecteur 118 ou tout autre détecteur souhaité, comme le comprendra les hommes du métier bénéficiant de la présente invention. Le circuit de compensation de dérive thermique 130 comprend un amplificateur opérationnel 132, ou « amplificateur opérationnel », ayant une entrée in verseuse 136 et une entrée non inverseuse 138. Une résistance d'entrée en série R? a une première extrémité connectée à l'entrée inverseuse 136 et une seconde extrémité connectée au signal d'entrée 140, qui correspond au signal de sortie 128. L'entrée non inverseuse 138 de l'amplificateur opérationnel 132 est connectée à la masse 142.
La résistance d'entrée en série Rt est une résistance à coefficient de température négatif. Comme décrit ici, la résistance à coefficient de température négatif RT est une résistance qui ajuste sa résistance en proportion inverse par rapport à la température du dispositif de calcul optique 300 (par exemple, la température du circuit de compensation de dérive thermique 130). Une résistance à coefficient de température négatif peut être, par exemple, un thermistor, comme le comprendra les hommes du métier bénéficiant de la présente invention. La résistance de rétroaction 134, ou Rf, a une première extrémité connectée à une sortie 144 de l'amplificateur opérationnel 132. La seconde extrémité de la résistance de rétroaction Rf est connectée à l'entrée inverseuse 136 de l'amplificateur opérationnel 132, fournissant ainsi une If à l'entrée inverseuse 136.
En fonctionnement, le détecteur 116 produit un signal de sortie 128 (c'est-àdire un signal d'entrée 140, Tj) ayant une valeur de l’ordre des micro volts qui, à son tour, sera amplifiée par le circuit de compensation de dérive thermique 130. Dans ce mode de réalisation illustratif, le circuit de compensation de dérive thermique 130 a un gain positif lorsque la température du circuit de compensation de dérive thermique 130 augmente. Ainsi, lorsque la température augmente, la valeur ou la résistance de 7?T diminue et plus de courant passe à travers, ce qui maintient un signal de tension de sortie Lout suffisant à la sortie 144. Lorsque la température diminue, la valeur de 7?T augmente, ce qui laisse passer moins de courant R. En conséquence, moins de courant est fourni à l'entrée inverseuse 136, qui à son tour maintient un signal de sortie stable. Ainsi, l'amplificateur opérationnel 132 fonctionne comme prévu pour amplifier le signal à la sortie 144 lorsque cela est nécessaire. Le signal à la sortie 144 peut être désigné « signal de sortie mis à l'échelle ».
En conséquence, le circuit de compensation de dérive thermique 130 permet à son gain (et donc au gain du détecteur 116) d’être mis à l’échelle avec la température, limitant ainsi le changement de tension dans l'amplificateur opérationnel 132 et augmentant la plage de fonctionnement thermique du détecteur 116 et de l'amplificateur opérationnel 132 sans s'approcher d'un état de saturation ou de signal limité. Par conséquent, le dispositif de calcul optique 100 est conçu pour compenser les effets de la dérive thermique du détecteur.
Bien que cela ne soit pas représenté dans la Figure 1, dans certains modes de réalisation illustratifs, le signal de sortie Fout et le second détecteur 118 peuvent être couplés en communication avec un processeur de signal (non représenté) de sorte qu'un signal de sortie 144 et un signal de compensation 124 indiquant des écarts de rayonnement électromagnétique peuvent être fournis ou autrement acheminés jusqu'à celui-ci. Le processeur de signal peut ensuite être configuré pour combiner par le calcul le signal de compensation 124 avec le signal de sortie 144 pour fournir une détermination plus précise de la caractéristique de l'échantillon 106, tout en compensant les effets de la dérive thermique sur le détecteur 116. Cependant, dans d'autres modes de réalisation qui utilisaient uniquement un détecteur, le processeur de signal serait couplé au détecteur. Néanmoins, dans le mode de réalisation de la Figure 1, par exemple, le processeur de signal combine par le calcul le signal de compensation 124 avec le signal de sortie 144 (rapport de signal de sortie A/B, tel que compris dans la technique) par l'intermédiaire de techniques d'analyse statistique à plusieurs variables telles que, par exemple, les moindres carrés partiels standard disponibles dans la plupart des progiciels d'analyse statistique (par exemple, XL Stat pour MICROSOFT® EXCEL® ; the UNSCRAMBLER® de CAMO Software et MATLAB® de MATHWORKS®), comme le comprendra les hommes du métier bénéficiant de la présente invention.
La Figure 2 illustre encore un autre dispositif de calcul optique 200, dans le domaine temporel, qui compense la dérive thermique du détecteur à travers l'utilisation de circuits d'amplification, selon certains modes de réalisation illustratifs de la présente invention. Le dispositif de calcul optique 200 est quelque peu semblable au dispositif de calcul optique 100 décrit en référence à la Figure 1 et, par conséquent, peut être mieux compris en référence à celleci, dans laquelle des numéros identiques indiquent des éléments identiques. Le dispositif 200 peut comprendre un ensemble mobile 202 ayant un ou plusieurs éléments optiques 104a,b,c associés à celui-ci. Comme illustré, l'ensemble mobile 202 peut être caractérisé au moins dans un mode de réalisation en tant que disque rotatif 203, tel que, par exemple, une roue à filtres, dans lequel les éléments optiques 104a,b,c sont disposés radialement pour tourner avec celui-ci. La Figure 2 illustre également des vues frontales correspondantes de l'ensemble mobile 202, qui est décrit plus en détail ci-dessous.
Les hommes du métier bénéficiant de la présente invention reconnaîtra facilement, cependant, que l'ensemble mobile 202 peut être caractérisé comme tout type d'ensemble mobile configuré pour aligner séquentiellement au moins un détecteur avec une lumière ayant interagi optiquement et/ou un ou plusieurs éléments optiques. Chaque élément optique 104a,b,c peut être de construction similaire à ceux décrits ici précédemment, et configuré pour être associé à ou dissocié d'une caractéristique particulière de l'échantillon 106.
Dans certains modes de réalisation illustratifs, le disque rotatif 203 peut être mis en rotation à une fréquence d'environ 0,1 rpm à environ 30 000 rpm. En fonctionnement, le disque rotatif 203 peut tourner de sorte que chaque élément optique individuel 104a,b,c peut être exposé ou autrement interagir optiquement avec la lumière ayant interagi avec l’échantillon 112 pendant une courte période de temps distincte. Lors de l'interaction optique avec la lumière ayant interagi avec l’échantillon 112, l'élément optique 104a est configuré pour générer un canal optique de caractéristique qui comprend une lumière ayant interagi optiquement 206a ayant une intensité lumineuse donnée. De plus, les seconds éléments optiques 104b,c sont configurés pour générer respectivement une deuxième et une troisième lumière ayant interagi optiquement 206b,c. En variante, l'une des deuxième ou troisième lumières ayant interagi optiquement peut être un canal optique de normalisation.
Néanmoins, le détecteur 116 reçoit ensuite chaque lumière ayant interagi optiquement 206a-c et génère ainsi un premier, un deuxième et un troisième signal de sortie (c'est-à-dire un signal de sortie 128) du canal optique de caractéristique et/ou de normalisation. Comme décrit précédemment, le circuit de compensation de dérive thermique 130 est couplé au signal de sortie 128 pour ainsi permettre au gain du détecteur 128 d’être mis à l’échelle avec la température, augmentant ainsi la plage de fonctionnement thermique du détecteur 116 sans s’approcher d’un état de saturation ou de signal limité. En conséquence, le dispositif de calcul optique 200 est conçu pour compenser les effets de la dérive thermique du détecteur. Bien que cela ne soit pas représenté, un processeur de signal est couplé en communication avec le circuit de compensation de dérive thermique 130 pour recevoir le signal de sortie Tout afin de déterminer par le calcul les caractéristiques de l'échantillon.
De plus, dans certains modes de réalisation illustratifs de la Figure 2, le détecteur 116 peut être configuré pour multiplexer dans le temps des lumières ayant interagi optiquement 206a-c entre les faisceaux détectés individuellement. Par exemple, l'élément optique 104a peut être configuré pour diriger la lumière ayant interagi optiquement 206a vers le détecteur 116 à un premier instant Tl, l'élément optique 104b peut être configuré pour diriger la lumière ayant interagi optiquement 206b vers le détecteur 116 à un deuxième instant T2 et l'élément optique 204c peut être configuré pour diriger la lumière ayant interagi optiquement 206c vers le détecteur 116 à un troisième instant T3. En conséquence, le détecteur 116 reçoit au moins trois faisceaux distincts de lumière ayant interagi optiquement qui, à leur tour, sont délivrés en tant que trois signaux de sortie distincts 128 sous la forme d'une tension qui correspond à la caractéristique de l'échantillon, comme décrit précédemment. Des signaux de sortie 128 sont fournis au circuit de compensation de dérive thermique 130, qui met alors à l'échelle le gain en fonction de la température du dispositif de calcul optique 200. Finalement, le signal de sortie Tout est fourni à un processeur de signal (non représenté) qui détermine par le calcul la ou les caractéristiques de l'échantillon 106. Dans certains modes de réalisation alternatifs, des lumières ayant interagi optiquement 206a-c peuvent être moyennées dans un domaine temporel approprié (par exemple, d'environ 1 milliseconde à environ 1 heure) pour déterminer plus précisément la caractéristique de l'échantillon 106.
Les hommes du métier bénéficiant de la présente invention se rendront compte que les dispositifs de calcul optique susmentionnés sont de nature illustrative, et qu'il existe une variété d'autres configurations optiques qui peuvent être utilisées. Ces configurations optiques comprennent non seulement les procédés de réflexion, d'absorption ou de transmission décrits ici, mais peuvent également impliquer une diffusion (Raleigh & Raman, par exemple) ainsi qu'une émission (fluorescence, excitation par rayons X, luminescence, etc., par exemple) ou une réflexion totale atténuée. De plus, le dispositif de calcul optique peut comprendre une configuration de traitement parallèle grâce à laquelle la lumière ayant interagi avec l’échantillon est séparée en plusieurs faisceaux. Les différents faisceaux peuvent ensuite passer simultanément à travers des ICE correspondants, moyennant quoi plusieurs caractéristiques d'intérêt sont détectées simultanément. Dans d'autres modes de réalisation, l'ICE peut utiliser deux sources de lumière sensiblement différentes (UV et IR, par exemple) pour couvrir l'activité optique de toutes les caractéristiques d'intérêt (certains analytes peuvent être uniquement actifs aux UV, tandis que d'autres sont actifs aux IR). L'homme du métier ayant l'avantage de la présente invention se rendra compte que le choix d'une configuration optique spécifique dépend principalement de l'application spécifique et des analytes d'intérêt.
Les Figures 3A-B illustrent des dispositifs de calcul optique utilisés respectivement dans une application de forage de fond de trou et une application câblée, selon des procédés illustratifs de la présente invention. La Figure 3A illustre une plateforme de forage 2 équipée d'un derrick 4 qui supporte un palan 6 pour lever et abaisser un train de tiges de forage 8 à travers diverses formations 19. Le palan 6 suspend un entraînement supérieur 11 approprié pour faire tourner le train de tiges de forage 8 et l'abaisser à travers la tête de puits 13. Un trépan 15 est relié à l'extrémité inférieure du train de tiges de forage 8. Lorsque le trépan 15 tourne, il crée un puits de forage 17 qui traverse diverses formations 19. Une pompe 21 fait circuler le fluide de forage à travers un tuyau d'alimentation 22 vers un entraînement supérieur 11, vers le bas à l'intérieur du train de tiges de forage 8, à travers des orifices du trépan 15, à nouveau vers la surface via l'anneau autour du train de tiges de forage 8 et dans une fosse de rétention 24. Le fluide de forage transporte les déblais du trou de forage dans la fosse 24 et aide à maintenir l'intégrité du puits de forage 17. Divers matériaux peuvent être utilisés pour le fluide de forage, y compris, mais sans s'y limiter, une boue conductrice à base d'eau salée.
Un outil de diagraphie acoustique 10 est intégré dans l'ensemble fond de trou à proximité du trépan 15. Dans ce mode de réalisation illustratif, l'outil de diagraphie 10 est un outil LWD équipé d'un dispositif de calcul optique (non représenté) tel que décrit ici ; cependant, dans d'autres modes de réalisation illustratifs, l'outil de diagraphie 10 peut être utilisé dans une application de diagraphie par câble ou de transport de tubes. De plus, dans certains modes de réalisation illustratifs, l'outil de diagraphie 10 peut être conçu pour effectuer des opérations de diagraphie dans des environnements à trou ouvert et tubé.
Toujours en référence à la Figure 22A, lorsque le trépan de forage 15 prolonge le puits de forage 17 à travers les formations 19, l'outil de diagraphie 10 collecte des signaux de mesure acoustiques relatifs à diverses propriétés de formation, ainsi que l'orientation de l'outil et diverses autres conditions de forage. De plus, en utilisant le dispositif de calcul optique, l'outil de diagraphie 10 peut analyser des échantillons s'écoulant le long du puits de forage 17 comme il est décrit ici. Dans certains modes de réalisation, l'outil de diagraphie 10 peut prendre la forme d'une masse-tige, c'est-à-dire d’une tubulaire à paroi épaisse qui fournit du poids et de la rigidité pour faciliter le processus de forage. Un sous-système de télémétrie 28 peut être inclus pour transférer des images et des données/signaux de mesure à un récepteur de surface 30 et pour recevoir des commandes de la surface. Dans certains modes de réalisation, le sous-système de télémétrie 28 ne communique pas avec la surface, mais stocke plutôt des données de diagraphie pour une récupération ultérieure à la surface lorsque l'ensemble diagraphie est récupéré.
La Figure 3 B illustre une variante de mode de réalisation de la présente invention dans laquelle un dispositif de calcul optique est utilisé dans une application câblée. A divers moments au cours du processus de forage, le train de tiges de forage 8 peut être retiré du trou de forage sur la comme représenté Figure 3B. Une fois le train de tiges de forage 8 retiré, les opérations de diagraphie peuvent être réalisées en utilisant une sonde de diagraphie par câble 34, c’est-à-dire une sonde suspendue par un câble 41 ayant des conducteurs pour transporter l'énergie vers la sonde 34 et la télémétrie de la sonde 34 vers la surface. La sonde de diagraphie par câble 34 comprend un dispositif de calcul optique tel que décrit ici pour analyser des échantillons de fond de trou. Une installation de diagraphie 43 collecte des mesures à partir de la sonde de diagraphie 34 et comprend un système informatique 45 pour traiter et stocker les mesures collectées par le dispositif de calcul optique et les émetteurs/récepteurs.
En sus des applications de fond de puits ou de complétion, des modes de réalisation de la présente invention peuvent également être utilisés dans divers autres environnements. D'autres environnements peuvent inclure ceux aussi divers que ceux qui sont associés à la surveillance de surface et sous-marine, à la surveillance par satellite ou par drone, à la surveillance des pipelines ou même aux capteurs transitant par une cavité corporelle comme un tube digestif. Dans ces environnements, les dispositifs de calcul optique peuvent être utilisés pour évaluer des formations, en plus de détecter divers composés ou caractéristiques afin de surveiller, en temps réel, divers phénomènes se produisant dans l'environnement.
En conséquence, la présente invention concerne des dispositifs et des procédés visant à minimiser et/ou à atténuer les effets de la dérive thermique du détecteur dans des dispositifs de calcul optique, fournissant ainsi un dispositif de calcul à puissance plus fiable, efficace et robuste pour une utilisation dans des applications de surface et/ou de fond de trou. En conséquence, la stabilité, la sensibilité et la précision des dispositifs de calcul optique utilisant les modes de réalisation décrits ici sont grandement améliorées par rapport aux systèmes classiques.
Les modes de réalisation illustratifs décrits ici fournissent un certain nombre d'avantages. Premièrement, par exemple, les modes de réalisation de la présente invention réduisent drastiquement la puissance requise par rapport aux systèmes de la technique antérieure, car il n'est pas nécessaire de chauffer ou de refroidir activement les détecteurs. Deuxièmement, les modes de réalisation de la présente invention étendent la plage de fonctionnement du dispositif de calcul à travers l’utilisation du circuit de compensation de dérive thermique décrit ici. Troisièmement, étant donné que la résistance à coefficient de température négatif 134 peut s’ajuster automatiquement, la compensation thermique est obtenue passivement et ne nécessite aucune intervention humaine. Quatrièmement, deux détecteurs ou plus peuvent être utilisés avec la présente invention étant donné que l'effet de la dérive thermique subie par de tels systèmes peut également être minimisé comme décrit ici. Par conséquent, les avantages précédents rendent les dispositifs de calcul optique, et leurs variantes décrites ici, particulièrement bien adaptés à une utilisation sur le terrain et en fond de trou.
Les modes de réalisation décrits ici concernent en outre l'un quelconque ou plusieurs des paragraphes suivants :
1. Un dispositif de calcul optique, comprenant un rayonnement électromagnétique qui interagit optiquement avec un échantillon pour produire une lumière ayant interagi avec l’échantillon ; un élément optique positionné pour interagir optiquement avec la lumière ayant interagi avec l’échantillon pour générer une lumière ayant interagi optiquement qui correspond à une caractéristique de l'échantillon ; un détecteur positionné pour recevoir la lumière ayant interagi optiquement, générant ainsi un signal de sortie qui est utilisé pour déterminer la caractéristique de l'échantillon ; et des circuits d'amplification positionnés pour recevoir le signal de sortie et ainsi compenser la dérive thermique du détecteur.
2. Un dispositif de calcul optique selon le paragraphe 1, comprenant en outre une source de rayonnement électromagnétique produisant le rayonnement électromagnétique, le rayonnement électromagnétique interagissant optiquement avec l'échantillon par au moins l'une parmi d’une technique de spectroscopie de transmission, de fluorescence, de luminescence, d’émission, Raman ou de réflexion totale atténuée.
3. Un dispositif de calcul optique selon le paragraphe 1 ou 2, dans lequel les circuits d'amplification comprennent un amplificateur opérationnel comprenant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse ; une résistance à coefficient de température négatif comprenant une première extrémité connectée à l'entrée inverseuse et une seconde extrémité connectée à un signal d'entrée correspondant au signal de sortie du détecteur ; et une résistance de rétroaction comprenant une première extrémité connectée à une sortie de l'amplificateur opérationnel et une seconde extrémité connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.
4. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
3, dans lequel les circuits d'amplification comprennent un thermistor ayant une résistance qui s'ajuste en proportion inverse par rapport à une température du dispositif de calcul optique.
5. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
4, dans lequel les circuits d'amplification sont conçus pour permettre à un gain des circuits d'amplification d’être mis à l’échelle avec la température du dispositif de calcul optique.
6. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
5, dans lequel le détecteur est un détecteur thermique pneumatique, thermocouple, thermopile, thermistor, bolomètre ou pyroélectrique.
7. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
6, dans lequel le détecteur est détecteur à phototube sous vide ou un détecteur à tube photomultiplicateur.
8. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
7, dans lequel le détecteur est un photoconducteur PbSe, CdS, CDse, GeAu, GeHg, GeCu, GeCd, Ge, Zn, InAs, InGaAs, InSb, He-Cd-Te ou Pb-Sn-Te.
9. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
8, dans lequel le détecteur est un détecteur photovoltaïque en Si, en CdTe et en cuivre indium gallium (di) sélénium (CIGS).
10. Un dispositif de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 1 à
9, dans lequel le détecteur est un détecteur à semi-conducteurs CCD ou CID.
11. Un procédé de calcul optique pour déterminer une caractéristique d'un échantillon, le procédé comprenant un rayonnement électromagnétique interagissant optiquement avec un échantillon pour produire une lumière ayant interagi avec l’échantillon ; l'interaction optique d'un élément optique avec la lumière ayant interagi avec l’échantillon pour générer une lumière ayant interagi optiquement qui correspond à la caractéristique de l'échantillon ; la génération d’un signal de sortie correspondant à la lumière ayant interagi optiquement à travers l'utilisation d'un détecteur ; la compensation de la dérive thermique du détecteur en utilisant un circuit d'amplification ; et la détermination de la caractéristique de l'échantillon.
12. Un procédé de calcul optique selon le paragraphe 11, comprenant en outre la fourniture au circuit d'amplification d'un amplificateur opérationnel comprenant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse ; la fourniture d'une résistance à coefficient de température négatif dans le circuit d'amplification, la résistance à coefficient de température négatif comprenant une première extrémité connectée à l'entrée inverseuse et une seconde extrémité connectée à un signal d'entrée correspondant au signal de sortie du détecteur ; et la fourniture d'une résistance de rétroaction dans le circuit d'amplification, la résistance de rétroaction comprenant une première extrémité connectée à une sortie de l'amplificateur opérationnel et une seconde extrémité connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.
13. Un procédé de calcul optique selon les paragraphes 11 ou 12, dans lequel la compensation de la dérive thermique du détecteur comprend en outre l'ajustement d'une résistance d'une résistance à coefficient de température négatif en proportion inverse par rapport à une température du circuit d'amplification.
14. Un procédé de calcul optique selon l'un quelconque des paragraphes 11 à 13, dans lequel la compensation de la dérive thermique du détecteur comprend en outre la mise à l'échelle d'un gain du circuit d'amplification sur la base d'une température du circuit d'amplification.
15. Un procédé de calcul optique pour déterminer une caractéristique d'un échantillon, le procédé comprenant un rayonnement électromagnétique interagissant optiquement avec un échantillon pour produire une lumière ayant interagi avec l’échantillon ; l'interaction optique d'un élément optique avec la lumière ayant interagi avec l’échantillon pour générer une lumière ayant interagi optiquement qui correspond à la caractéristique de l'échantillon ; la génération d'un signal de sortie correspondant à la lumière ayant interagi optiquement à travers Futilisation d'un détecteur ; la mise à l'échelle d'un gain du détecteur en fonction de la température afin de générer ainsi un signal de sortie mis à l'échelle ; et la détermination de la caractéristique de l'échantillon en utilisant le signal de sortie mis à l'échelle.
16. Un procédé de calcul optique selon le paragraphe 15, dans lequel la mise à l'échelle du gain est réalisée en utilisant un circuit d'amplification.
17. Un procédé de calcul optique selon les paragraphes 15 ou 16, dans lequel la mise à l'échelle du gain comprend l'ajustement d'une résistance d'une résistance à coefficient de température négatif sur la base de la température.
Bien que divers modes de réalisation et procédés aient été présentés et décrits, l'invention n'est pas limitée à de tels modes de réalisation et procédés, et elle sera comprise comme incluant toutes les modifications et variations comme pourra s'en rendre compte l'homme du métier. Par conséquent, il faut comprendre que les modes de réalisation ne sont pas destinés à être limités aux formes particulières décrites. L'intention est plutôt de couvrir toutes les modifications, tous les équivalents et toutes les variantes faisant partie de l'esprit et de la portée de l'invention telle que définie par les revendications annexées.

Claims (12)

1. Dispositif de calcul optique, comprenant :
un rayonnement électromagnétique qui interagit optiquement avec un échantillon pour produire une lumière ayant interagi avec l'échantillon ;
un élément optique positionné pour interagir optiquement avec la lumière ayant interagi avec l'échantillon pour générer une lumière ayant interagi optiquement qui correspond à une caractéristique de l'échantillon;
un détecteur positionné pour recevoir la lumière ayant interagi optiquement, générant ainsi un signal de sortie qui est utilisé pour déterminer la caractéristique de l'échantillon ; et des circuits d'amplification positionnés pour recevoir le signal de sortie et ainsi compenser la dérive thermique du détecteur.
2. Dispositif de calcul optique selon la revendication 1, comprenant en outre une source de rayonnement électromagnétique qui produit le rayonnement électromagnétique, le rayonnement électromagnétique interagissant optiquement avec l'échantillon par au moins l'une parmi une technique de spectroscopie de transmission, de fluorescence, de luminescence, d’émission, Raman ou de réflexion totale atténuée.
3. Dispositif de calcul optique selon les revendications 1 ou 2, dans lequel les circuits d'amplification comprennent :
un amplificateur opérationnel comprenant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse ;
une résistance à coefficient de température négatif comprenant une première extrémité connectée à l'entrée inverseuse et une seconde extrémité connectée à un signal d'entrée correspondant au signal de sortie du détecteur ; et une résistance de rétroaction comprenant une première extrémité connectée à une sortie de l'amplificateur opérationnel et une seconde extrémité connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.
4. Dispositif de calcul optique selon les revendications 1 ou 2, dans lequel les circuits d'amplification comprennent un thermistor ayant une résistance qui s'ajuste inversement proportionnellement par rapport à une température du dispositif de calcul optique.
5. Dispositif de calcul optique selon les revendications 1 ou 2, dans lequel les circuits d'amplification sont conçus pour permettre à un gain des circuits d'amplification d'être mis à l'échelle avec la température du dispositif de calcul optique.
6. Dispositif de calcul optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le détecteur est l’un parmi :
un détecteur thermique pneumatique, thermocouple, thermopile, thermistor, bolomètre ou pyroélectrique ;
un détecteur à phototube sous vide ou un détecteur à tube photomultiplicateur ;
un photoconducteur PbSe, CdS, CDse, GeAu, GeHg, GeCu, GeCd, Ge, Zn, InAs, InGaAs, InSb, He-Cd-Te ou Pb-Sn-Te ;
un détecteur photovoltaïque en Si, en CdTe et en cuivre indium gallium (di) sélénium (CIGS) ; ou un détecteur à semi-conducteurs CCD ou CID.
7. Procédé de calcul optique pour déterminer une caractéristique d'un échantillon, le procédé comprenant :
un rayonnement électromagnétique interagissant optiquement avec un échantillon pour produire une lumière ayant interagi avec un échantillon ;
l'interaction optique d'un élément optique avec la lumière ayant interagi avec l'échantillon pour générer une lumière ayant interagi optiquement qui correspond à la caractéristique de l'échantillon ;
la génération d'un signal de sortie correspondant à la lumière ayant interagi optiquement à travers rutilisation d'un détecteur ;
la compensation de la dérive thermique du détecteur en utilisant un circuit d'amplification ; et la détermination de la caractéristique de l'échantillon.
8. Procédé de calcul optique selon la revendication 7, comprenant en outre : la fourniture au circuit d'amplification d’un amplificateur opérationnel comprenant une entrée inverseuse et une entrée non inverseuse ;
la fourniture d'une résistance à coefficient de température négatif dans le circuit d'amplification, la résistance à coefficient de température négatif comprenant une première extrémité connectée à l'entrée inverseuse et une seconde extrémité connectée à un signal d'entrée correspondant au signal de sortie du détecteur ; et la fourniture d'une résistance de rétroaction dans le circuit d'amplification, la résistance de rétroaction comprenant une première extrémité connectée à une sortie de l'amplificateur opérationnel et une seconde extrémité connectée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel.
9. Procédé de calcul optique selon les revendications 7 ou 8, dans lequel la compensation de la dérive thermique du détecteur comprend en outre :
l'ajustement d'une résistance d'une résistance à coefficient de température négatif inversement proportionnellement par rapport à une température du circuit d'amplification ; ou la mise à l'échelle d'un gain du circuit d'amplification sur la base d'une température du circuit d'amplification.
10. Procédé de calcul optique pour déterminer une caractéristique d'un échantillon, le procédé comprenant :
un rayonnement électromagnétique interagissant optiquement avec un échantillon pour produire une lumière ayant interagi avec un échantillon ;
l'interaction optique d'un élément optique avec la lumière ayant interagi avec l'échantillon pour générer une lumière ayant interagi optiquement qui correspond à la caractéristique de l'échantillon ;
la génération d'un signal de sortie correspondant à la lumière ayant interagi optiquement à travers futilisation d'un détecteur ;
la mise à l'échelle d'un gain du détecteur en fonction de la température pour générer ainsi un signal de sortie mis à l'échelle ; et la détermination de la caractéristique de l'échantillon en utilisant le signal de sortie mis à l'échelle.
11. Procédé de calcul optique selon la revendication 10, dans lequel la mise à l'échelle du gain est réalisée en utilisant un circuit d'amplification.
12. Procédé de calcul optique selon la revendication 11, dans lequel la mise à l'échelle du gain comprend l'ajustement d'une résistance d'une résistance à coefficient de température négatif sur la base de la température.
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