JP2016507745A - 原子層蒸着を使用して形成される統合計算要素を有する流体解析システム - Google Patents

Abstract

統合計算要素（ＩＣＥ）、または原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して形成される他の光学経路構成要素を有する流体解析システムは、向上した許容度および設計自由度を可能にする。開示される実施形態のいくつかにおいて、流体解析システムは、光源と、ＩＣＥとを含む。流体解析システムはまた、光学信号を電気信号に変換する検出器も含む。ＩＣＥは、複数の光学層を備え、該複数の光学層のうちの少なくとも１つは、ＡＬＤを使用して形成される。関連する方法は、複数の光学層を有するＩＣＥ設計を選択することを含む。本方法はまた、物質の化学的または物理的特性の予測を可能にするために、ＡＬＤを使用して、ＩＣＥの複数の光学層のうちの少なくとも１つを形成することも含む。関連する検層ストリングは、検層ツールセクションセクションと、検層ツールセクションと関連付けられる流体解析ツールとを含む。【選択図】図１

Description

統合計算要素（ＩＣＥ）は、流体の、および複雑な試料の材料組成の光学解析を行うために使用されている。ＩＣＥは、特に光と相互作用し、化学的特性または材料特性の予測を可能にする光学計算動作を提供する目的で、符号化されたパターンを提供するために、所望の波長で建設的にまたは破壊的に干渉するように設計される厚さおよび反射率を有する、一連の層を提供することによって構築することができる。ＩＣＥの構築方法は、光学干渉フィルタの構築方法と類似している。複雑な波形の場合、従来の干渉フィルタ手段によって構築されるＩＣＥは、非常に多数の層を必要とし得る。製作することが複雑であることに加えて、そのように構築されるＩＣＥは、過酷な環境において最適に性能を発揮することができない。例えば、非常に多数の層を有する、または積層膜厚さと比較して厚い個々の層を伴う、または極めて厳しい許容度を伴うＩＣＥは、それらの予測性能が、炭化水素の探査または抽出のための掘削設備のダウンホール環境における温度、衝撃、および振動条件によって悪影響を受ける可能性がある。

層の数または層の厚さを大幅に低減させた複雑なスペクトル特性を提供することができる、簡略化されたＩＣＥを設計し、製造するための取り組みが行われてきた。しかしながら、数多くのＩＣＥの設計（所望の化学的予測を達成するための層および厚さの製法）は、反応性マグネトロンスパッタリング（ＲＭＳ）等の、利用可能な蒸着技法の制限および変動のため破棄される。

故に、本明細書では、原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して形成または改良される１つ以上の光学経路構成要素を有する流体解析システムが開示される。

実例となる流体解析システムを示す図である。 ＡＬＤに基づく統合計算要素（ＩＣＥ）の実例となる層を示す図である。 ＡＬＤに基づくＩＣＥのための、目標透過スペクトルおよび中間モデル透過スペクトルを示す図である。 実例となる掘削同時検層（ＬＷＤ）を示す図である。 実例となるワイヤライン検層環境を示す図である。 検層動作を管理するための実例となるコンピュータシステムを示す図である。 実例となるＩＣＥの製作方法のフローチャートである。 実例となる流体解析システムの製作方法のフローチャートである。 実例となる流体解析方法のフローチャートである。

図面は、詳細に説明される、実例となる実施形態を示す。しかしながら、説明および添付図面は、本発明を実例となる実施形態に限定することを意図するものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲に記載の範囲内にある全ての修正物、等価物、および代替物を開示し、保護することを意図する。

用語体系
特定のシステム構成要素を参照するために、以下の説明および特許請求の範囲の全体を通して、特定の用語が使用される。本文書は、名称は異なるが機能は同じ構成要素を区別することは意図しない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、オープンエンド様式で使用され、したがって、「〜を含むが、〜に限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ．．．）」ことを意味するものと解釈されるべきである。

「連結する（ｃｏｕｐｌｅまたはｃｏｕｐｌｅｓ）」という用語は、間接的または直接的な、電気的、機械的、または熱的な接続のいずれかを意味することが意図される。したがって、第１のデバイスを第２のデバイスに連結する場合、その接続は、直接接続を通したものであり得るか、または他のデバイスおよび接続を介した間接接続を通したものであり得る。反対に、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という用語は、無条件であるときには、直接接続を意味するものと解釈されるべきである。電気接続の場合、これは、２つの要素が、本質的にゼロインピーダンスを有する電気経路を介して取り付けられることを意味する。

原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して形成または改良される１つ以上の光学経路構成要素を有する流体解析システムが、本明細書で開示される。そのような光学経路構成要素は、統合計算要素（ＩＣＥ）（あるときには、多変量光学要素またはＭＯＥと称される）、光源、帯域通過フィルタ、流体試料インターフェース、入力側レンズ、出力側レンズ、および検出器を含み得るが、それらに限定されない。本明細書で説明されるように、ＡＬＤは、必ずしも全ての構成要素ではないが、ある光学経路構成要素の部分または層を製作または改良するために利用され得る。ＡＬＤを使用して形成される各層は、平面の（平坦な）または非平面の（湾曲または傾斜した）ＩＣＥまたは他の光学経路構成要素の層に対応し得る。

ＡＬＤの使用は、他の製作オプションと比較して、流体解析システムの光学経路構成要素に対する製作の一貫性および許容度を向上させる。さらに、ＡＬＤの使用は、層の数、層の光学密度、および層の厚さ等の、光学経路構成要素の設計基準に影響を及ぼし得る。さらに、ＡＬＤの使用は、光学経路構成要素の製造中の品質管理動作を容易にし得る。さらに、ＡＬＤに基づく構成要素の使用は、石油探査および抽出掘削等において遭遇する、厳しい環境での向上した流体解析システムの性能を可能にする。厳しい環境での向上した性能は、ＡＬＤによって可能な製作の一貫性および許容度に起因する。さらに、反応性マグネトロンスパッタリング（ＲＭＳ）等の、他の蒸着技法に対しては回避される光学経路構成要素の設計基準は、ＡＬＤによって利用可能である。いくつかの実施形態において、ＲＭＳは、いくつかの構成要素の層を製作するために用いられ得、一方で、ＡＬＤは、そのような層を改良するために、および／または他の層を製作するために用いられ得る。ＲＭＳを用いるか、ＡＬＤを用いるかという選択は、設計許容度に依存し得る（例えば、ＡＬＤは、ＡＬＤを使用すると設計許容度を達成することができるが、ＲＭＳでは達成できないときに用いられ得る）。例示的な流体解析アプリケーションにおいて、ＡＬＤを使用して形成されるＩＣＥは、物質の化学的または物理的特性の多変量予測を提供し得る。本明細書で開示されるように、流体解析システムにおける、ＡＬＤを使用して形成されるＩＣＥおよび／または他の光学経路構成要素の使用は、流体解析システムによって行われる予測の精度、タイプ、および／または範囲を向上させ得る。

図１は、実例となる流体解析システム１００を示す。流体解析システム１００では、ＩＣＥ１０２と、試料インターフェース１１４と、帯域通過フィルタ１０６と、入力側レンズ１０８と、出力側レンズ１１０Ａおよび１１０Ｂと、検出器１１２Ａおよび１１２Ｂとを含む、種々の光学経路構成要素が示される。より具体的には、ＩＣＥ１０２は、光源１１６と検出器１１２Ａおよび１１２Ｂとの間に位置付けられる。さらなるまたはより少ない検出器が使用され得る。さらに、流体試料１０４が、光源１１６とＩＣＥ１０２との間に位置付けられる。流体試料１０４の位置は、流体試料をその位置に保持する流体試料インターフェース１１４を使用して設定され得る。一方、入力側レンズ１０８ならびに出力側レンズ１１０Ａおよび１１０Ｂは、光の方向を合焦させるように構成される。さらに、ある光の波長をフィルタリングするために、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１０６が、ＩＣＥ１０２の入力側に用いられ得る。図１は、流体解析システム１００の光学経路構成要素の適切な配設を例示しているが、他の光学経路構成要素配設が可能であることを理解されたい。さらに、レンズおよび／または反射器等の追加的な光学経路構成要素が用いられ得る。

本明細書で開示されるように、流体解析システム１００の光学経路構成要素の１つ以上は、ＡＬＤを使用して製作または改良され得る。例えば、ＩＣＥ１０２の少なくとも一部分は、ＡＬＤを使用して製作または改良され得る。さらに、光源１１６、ＢＰＦ１０６、レンズ１０８、レンズ１１０Ａおよび１１０Ｂ、検出器１１２Ａおよび１１２Ｂ、ならびに／または試料インターフェース１０４のうちの少なくともいくつかは、ＡＬＤを使用して製作または改良され得る。

動作中に、流体解析システム１００は、流体試料１０４のある特性を相関させることができる。流体解析システム１００の動作原理は、Ｍｙｒｉｃｋ，Ｓｏｙｅｍｉ，Ｓｃｈｉｚａ，Ｐａｒｒ，Ｈａｉｂａｃｈ，Ｇｒｅｅｒ，Ｌｉ ａｎｄ Ｐｒｉｏｒｅ，「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｏ ｓｉｍｐｌｅ ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｏｉｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ．４５７４（２００２）で部分的に説明されている。

動作中に、光源１１６からの光は、コリメータレンズ（視準レンズ）であり得るレンズ１０８を通過する。レンズ１０８を出る光は、スペクトルによって表される、固有の波長成分分布を有する。帯域通過フィルタ１０６は、波長成分分布の予め選択された部分からの光を透過する。帯域通過フィルタ１０６からの光は、試料１０４を通過し、次いで、ＩＣＥ１０２に進入する。いくつかの実施形態によれば、試料１０４は、溶媒中に溶解した複数の化学成分を有する液体を含み得る。例えば、試料１０４は、油を含む炭化水素および水中に溶解した天然ガスの混合物であり得る。試料１０４はまた、異なるサイズの固体材料の小片を含むコロイド懸濁を形成する粒子も含み得る。

試料１０４は、全般的に、異なる波長成分を様々な程度に吸収し、かつ他の波長成分を通過させることによって、帯域通過フィルタ１０６を通過した光と相互作用する。したがって、試料１０４から出力される光は、試料１０４の化学成分に固有の情報を含むスペクトルＳ（λ）を有する。スペクトルＳ（λ）は、複数の数値入力Ｓ_iを有する行ベクトルとして表され得る。各数値入力Ｓ_iは、特定の波長λでの光のスペクトル密度に比例する。したがって、入力Ｓ_iは、全てゼロ（０）以上である。さらに、スペクトルＳ（λ）の詳細なプロファイルは、試料１４０中の複数の化学物質内の各化学成分の濃度に関する情報を提供する。試料１０４からの光は、レンズ１１０Ａによって合焦させられた後に検出器１１２Ａによって測定される光を生成するために、ＩＣＥ１０２によって部分的に透過される。光の別の部分は、ＩＣＥ１０２から部分的に反射され、そして、レンズ１１０Ｂによって合焦させられた後に検出器１１２Ｂによって測定される。いくつかの実施形態において、ＩＣＥ１０２は、行ベクトルＬ（λ）として表すことができるあるスペクトル特性を有する、干渉フィルタであり得る。ベクトルＬ（λ）は、一連の数値入力Ｌ_iであり、よって、透過光および反射光のスペクトルは、
Ｓ_LT（λ）＝Ｓ（λ）・（１／２＋Ｌ（λ）） （１．１）
Ｓ_LR（λ）＝Ｓ（λ）・（１／２−Ｌ（λ）） （１．２）
である。

ベクトルＬ（λ）の入力Ｌ_iは、ゼロ未満であるか、ゼロであるか、またはゼロを超え得ることに留意されたい。したがって、Ｓ（λ）、Ｓ_LT（λ）、およびＳ_LR（λ）は、スペクトル密度であり、一方で、Ｌ（λ）は、ＩＣＥ１０２のスペクトル特性である。式（１．１）および（１．２）から、次式のようになる。
Ｓ_LT（λ）−Ｓ_LR（λ）＝２・Ｓ（λ）・Ｌ（λ） （２）

ベクトルＬ（λ）は、試料１０４中で濃度κを有する特定の構成要素を対象にした線形多変量問題の解から得られる回帰ベクトルであり得る。そのような場合、次式のようになる。

式中、βは、比例定数であり、γは、較正オフセットである。βおよびγの値は、試料１０４ではなく、流体解析システム１００の設計パラメータに依存する。したがって、パラメータβおよびγは、流体解析システム１００の現場適用とは無関係に測定され得る。少なくともいくつかの実施形態において、ＩＣＥ１０２は、具体的には、上の式（２）および（３）を満たすＬ（λ）を提供するように設計される。透過光と反射光との間の差スペクトルを測定することによって、試料１０４中の選択された成分の濃度の値が取得され得る。検出器１１２Ａおよび１１２Ｂは、スペクトル密度の統合値を提供する、単一領域光検出器でもよい。すなわち、検出器１１２Ａおよび１１２Ｂからの信号がそれぞれｄ₁およびｄ₂である場合、式（３）は、次式のように、新しい較正係数β’に対して再調整され得る。
κ＝β・（ｄ₁−ｄ₂）＋γ （４）

いくつかの実施形態において、システム１００等の流体解析システムは、所望される測定値を取得するように組み合わせられる、部分的なスペクトル測定を行い得る。そのような場合、対象となり得る試料１０４中の複数の成分を試験するために、複数のＩＣＥが使用され得る。システム１００中のＩＣＥの数に関係なく、各ＩＣＥは、それぞれが予め選択された屈折率および厚さを有する一連の平行層１〜Ｋを有する干渉フィルタを含み得る。番号Ｋは、ゼロよりも大きい任意の整数であり得る。したがって、ＩＣＥ１０２は、Ｋ個の層を有し得、該層の少なくとも１つは、ＡＬＤを使用して製作または改良される。

図２は、ＩＣＥ１０２等のＡＬＤに基づくＩＣＥの実例となる層２０６Ａ〜２０６Ｋを示す。層２０６Ａ〜２０６Ｋのうちの少なくとも１つは、ＡＬＤを使用して製作または改良される。入力媒体２０４および出力媒体２０８は、ＩＣＥ１０２の両側の外側層であり、それぞれの屈折率を有する。いくつかの実施形態において、入力層２０４および出力層２０８の屈折率は、ｎ₀に等しい。代替の実施形態において、入力層２０４および出力層２０８の屈折率は、異なる値を有し得る。一方、ＩＣＥ１０２の層２０６Ａ〜２０６Ｋは、それぞれの屈折率および厚さを有し得る。

図２は、入射光２０１、反射光２０２、および透過光２０３を表す。示されるように、入射光２０１は、入力層２０４からＩＣＥ１０２に進入し、左から右に進行する。反射光２０２は、ＩＣＥ１０２の層遷移から反射され、右から左に進行する。透過光２０３は、ＩＣＥ１０２の全体を横断し、左から右に出力媒体２０８の中へ進行する。例示を簡潔にするため、ＩＣＥ１０２は、数ある他の特徴の中でも、それらの屈折率に対して選択される材料に対応する層２０６Ａ〜２０６Ｋを有するように示される。種々の実施形態において、ＩＣＥ１０２は、数十の層、数百の層、または数千の層を含み得る。

ＩＣＥ１０２の各層遷移において、図２で左から右に進行する入射光は、屈折率の変化に従って、反射／透過過程を受ける。したがって、入射光の一部分は、反射され、一部分は、透過する。反射光および透過光の一部分は、反射／屈折および干渉の原理によって支配される。より具体的には、所与の層遷移での入射光の電界は、Ｅ⁺ _i（λ）で示され得、所与の層遷移での反射光の電界は、Ｅ^- _i（λ）で示され得、所与の層遷移での透過光の電界は、Ｅ⁺ _(i+1)（λ）で示され得る。

反射／屈折は、フレネルの法則によって支配され、該法則は、次式のように、所与の層遷移について、反射係数Ｒ_iおよび透過係数Ｔ_iを決定する。

反射係数Ｒ_iおよび透過係数Ｔ_iは、次式によって与えられる。

式（６．２）の負の値は、反射が電界の１８０度位相変化を引き起こすことを意味する。より複雑なモデルを、表面に対してある角度で入射する光に適用することができるが、式（５．１）および（５．２）は、垂直入射を想定している。いくつかの実施形態において、流体解析システム１００は、およそ４５度の入射角を含む、式（６．１）および（６．２）のバージョンを使用する。式（６．１）、（６．２）および異なる入射の値に対する一般化は、Ｊ．Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ，Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｊｏｈｎ−Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９７５，Ｃｈ．７ Ｓｅｃ．３ ｐｐ．２６９−２８２で見られる。全般に、式（５）および（６）の全ての変数は、複素数であり得る。

所与の層遷移（ｉ）での反射光の一部分は、左側のその前のインターフェース（ｉ−１）に向かって進行することに留意されたい。層遷移ｉ−１において、その後の反射は、反射光のその部分を層遷移ｉに向かって逆に進行させる。したがって、反射光の一部分は、所与の層を通して完全なサイクルを行い、透過光の一部分として加えられる。これは、干渉効果をもたらす。より全般的には、図２で左から右に進行する透過光は、ＩＣＥ１０２の層遷移の間で前後にＰ回反射した部分を含み得る。反射回数は、変動し得る。例えば、値Ｐ＝０は、図２で左から右にいかなる反射も伴わずにＩＣＥ１０２を通って透過した光に対応する。したがって、透過光２０３は、異なるＰの値の場合に進行した異なる光学経路による干渉効果を示す。

同様に、図２で右から左に進行する反射光２０２は、任意の層遷移でＭ回反射した部分を含み得る。Ｍの値は、任意の正の整数を含み得る。反射光２０２は、異なるＭの値の場合に進行した異なる光学経路による干渉効果を示す。

反射および屈折は、層２０６Ａ〜２０６Ｋに対応する屈折率による波長依存性の現象である。さらに、所与の層ｉを通しての電界成分Ｅ_i ^+/-（λ）の光学経路は、（２πｎ_iλ）・Ｄ_iである。したがって、異なるＰの値の場合の光学経路全体は、ＩＣＥ１０２の各層の波長、屈折率、および厚さに依存する。同様に、異なるＭの値の場合の光学経路全体は、ＩＣＥ１０２の各層の波長、屈折率、および厚さに依存する。したがって、透過光２０２_LTおよび反射光２０２_LRをもたらす干渉効果も波長依存性である。

ＩＣＥ１０２の層遷移の場合、エネルギー保存は、各波長（λ）について満たす必要がある。したがって、透過光２０２_LTのスペクトル密度Ｓ_LT（λ）、および反射光２０２_LRのスペクトル密度Ｓ_LR（λ）は、次式を満たす。
Ｓ_in（λ）＝Ｓ_LT（λ）＋Ｓ_LR（λ）（７）

ある波長において、光のごく一部分がＩＣＥ１０２によって吸収され得るが、この吸収は、無視でき得る。いくつかの実施形態において、流体解析システム１００は、およそ４５度の入来光の入射角での反射および透過に適するＩＣＥ１０２によって動作する。流体解析システム１００の他の実施形態は、式（６．１）および（６．２）によって説明されるように、０度等の任意の他の入射角に適するＩＣＥ１０２によって動作する。流体解析システム１００で使用されるＩＣＥ１０２の入射角に関係なく、式（７）は、それでも、任意のそのような構成においてエネルギーの保存を表し得る。ＩＣＥ１０２のスペクトル透過および反射特性のモデルは、関与する全ての層について、屈折率および厚さに基づいて性能を推定するために、容易に開発することができる。

図３は、ＡＬＤに基づくＩＣＥの目標透過スペクトル３１２および中間モデル透過スペクトル３１２−Ｍを示す。図３にはまた、左側の波長カットオフ３２０−Ｌ（λ_L）および右側の波長カットオフ３２０−Ｒ（λ_R）も示される。カットオフ３２０−Ｌおよび３２０−Ｒは、流体解析システム１００（図１参照）の用途に対して対象となる波長範囲の境界となる波長値である。いくつかの実施形態において、モデルスペクトル３１２−Ｍは、λ_L≦λ≦λ_Rを満たす全てのλについて、目標スペクトル３１２にほぼ等しいことが所望され得る。

図３で示されるように、モデルスペクトル３１２−Ｍは、目標スペクトル３１２と若干異なり得る。例えば、モデルスペクトル３１２−Ｍに対して対象となる範囲内の一部の波長は、目標スペクトル３１２に対するものよりも高くなり得、一方で、モデルスペクトル３１２−Ｍに対して対象となる範囲内の他の波長は、目標スペクトル３１２に対するものよりも低くなり得る。そのような状況においては、屈折率および厚さの組のパラメータを変動させて、目標スペクトル３１２により近いモデルスペクトル３１２−Ｍを提供する値を見出すために、最適化アルゴリズムが用いられ得る。このような組は、２Ｋ次元を有するパラメータ空間を定義する。

いくつかの実施形態において、層２０６Ａ〜２０６Ｋの材料は、６つの異なる屈折率および１０００の異なる厚さの選択を可能にする。これは、（６^*１０００）^Kの可能な設計構成の量を有する２Ｋパラメータ空間をもたらす。したがって、このタイプのパラメータ空間を走査して、ＩＣＥ１０２の最適な構成を見出すために、最適化プロセスを簡略化する最適化アルゴリズムが使用され得る。

使用され得る最適化アルゴリズムの例は、レーベンバーグ−マルカートアルゴリズム等の、非線形最適化アルゴリズムである。いくつかの実施形態は、パラメータ空間を走査し、目標スペクトル３１２に最良に一致するＩＣＥ１０２の構成を特定するために、遺伝的アルゴリズムを使用し得る。いくつかの実施形態は、目標スペクトル３１２に最も密接に一致するＩＣＥ１０２の設計を見出すために、ＩＣＥ設計のライブラリを検索し得る。ＩＣＥ１０２の設計が目標４１２に密接に一致することが見出されると、２Ｋ空間の中のパラメータを僅かに変動させて、さらに良いモデルスペクトル４１２−Ｍを見出し得る。

いくつかの実施形態では、ＩＣＥ１０２の最適設計を評価するときに、層の数（Ｋ）が含まれ得る。したがって、いくつかの実施形態によれば、パラメータ空間の次元は、最適化変数であり得る。さらに、いくつかの実施形態は、変数Ｋに対する制約を含み得る。例えば、システム１００のいくつかの用途は、ＩＣＥ１０２が所定よりも少ない数の層を有することによって利益を享受し得る。そのような実施形態においては、層の数が少ないほど、ＩＣＥ１０２およびシステム１００の予測性、正確さ、信頼性、および寿命がより向上する。一方、他の用途は、ＩＣＥ１０２が所定よりも多い数の層を有することによって利益を享受し得る。層の数に関係なく、ＡＬＤの使用は、ＡＬＤの許容度ならびに上で言及される他の製作特徴に基づくＩＣＥ設計の選択を可能にする。

ＩＣＥ１０２、ＢＰＦ１０６、レンズ１０８、レンズ１１０Ａ、１１０Ｂ、検出器１１２Ａ、１１２Ｂ、および／または光源１１６を製作または改良するためにＡＬＤが使用される、流体解析システム１００は、ダウンホールの流体解析動作を行うために、掘削同時検層（ＬＷＤ）環境またはワイヤライン検層環境で用いられ得る。図４は、実例となる掘削同時検層（ＬＷＤ）環境を示す。掘削プラットフォーム２は、ドリルストリング８を上昇および下降させるためのトラベリングブロック６を有する油井やぐら４を支持する。ドリルストリングケリー１０は、回転テーブル１２を通してドリルストリング８を下降させるときに、該ドリルストリングの残部を支持する。回転テーブル１２は、ドリルストリング８を回転させ、それによって、ドリルビット１４を回転させる。ビット１４が回転するにつれて、種々の累層１８を通過するボアホール１６を作成する。ポンプ２０は、掘削流体を、送給パイプ２２を通してケリー１０に、ドリルストリング８の内部を通してダウンホールに、ドリルビット１４の中のオリフィスを通し、ドリルストリング８の周りの環状部９を介して地上に戻し、そして、滞留ピット２４の中へ循環させる。掘削流体は、ボアホール１６からピット２４の中へ掘削物を輸送し、また、ボアホール１６の完全性を維持するのを支援する。

ドリルビット１４は、重量および剛性を提供して掘削過程を支援するために１つ以上のドリルコア（厚肉鋼管）を含む、ただ１つの部品の開口ＬＷＤアセンブリである。このようなドリルカラーのいくつかは、位置、配向、ビットに対する荷重、ボアホール直径等の、種々の掘削パラメータの測定値を収集するために、内蔵型の検層機器を含む。一例として、検層ツール２６（ダウンホール流体解析ツール等）は、ビット１４の近くのボトムホールアセンブリに統合され得る。ドリルストリング８はまた、ともに連結されるか、またはアダプタ３３によってドリルストリング８の他のセクションに連結される、複数の他のセクション３２も含み得る。検層ツール２６および／またはセクション３２の１つは、本明細書で説明されるような、少なくとも１つの流体解析システム１００を含み得る。

ツール２６および／またはセクション３２からの測定値は、内部メモリに記憶する、および／または地上に通信することができる。一例として、地上との通信リンクを維持するために、テレメトリサブ２８がボトムホールアセンブリに含まれ得る。泥土パルステレメトリは、ツールの測定値を地上の受信機３０に転送し、そして、地上からコマンドを受け取るための１つのよく見られるテレメトリ技法であるが、他のテレメトリ技術を使用することもできる。

掘削過程中の種々の時点で、ドリルストリング８は、図５で示されるようにボアホール１６から取り除かれ得る。ドリルストリングが取り除かれると、ワイヤライン検層ツール３４、すなわち、ツールに電力を輸送するための導体およびツールから地上へのテレメトリを有するケーブル４２によって懸架される感知機器ゾンデを使用して、検層動作を行うことができる。種々のタイプの累層特性センサをワイヤライン検層ツール３４に含めることができることに留意されたい。例えば、これに限定されないが、ワイヤライン検層ツール３４は、アダプタ３３によって接合される１つ以上のセクション３２を含むことができる。検層ツール３４および／または１つ以上のセクション３２は、少なくとも１つの流体解析システム１００を含み得る。

検層設備４４は、検層ツール３４から測定値を収集し、また、検層動作を管理するための、および検層ツール３４によって収集した測定値を記憶／処理するための計算設備４５を含む。図４および図５の検層環境の場合、測定したパラメータは、ログの形態で、すなわち、測定したパラメータをツールの位置または深さの関数として示す２次元グラフの形態で記録し、表示することができる。パラメータ測定値を深さの関数とすることに加えて、いくつかの検層ツールはまた、回転角度の関数としてのパラメータ測定値も提供する。

図６は、検層動作を管理するための実例となるコンピュータシステム４３を示す。コンピュータシステム４３は、検層設備４４の計算設備４５またはリモートコンピューティングシステムに対応し得る。コンピュータシステム４３は、検層過程中に検層動作を管理するための有線または無線の通信インターフェースを含み得る。示されるように、コンピュータシステム４３は、汎用処理システム４６を含む、ユーザワークステーション５１を備える。汎用処理システム４６は、好ましくは、少なくとも１つの流体解析システム１００が関与する流体解析動作を含む検層動作を管理するために、リムーバブルで非一時的な（すなわち、不揮発性の）情報記憶媒体５２の形態で、図６で示されるソフトウェアによって構成される。ソフトウェアはまた、ネットワークを通して（例えば、インターネットを介して）アクセスされるダウンロード可能なソフトウェアでもあり得る。示されるように、汎用処理システム４６は、人間のオペレータがコンピュータ読み出し可能な媒体５２によって記憶されるシステムソフトウェアと相互作用することを可能にするために、表示デバイス４８およびユーザ入力デバイス５０に連結し得る。汎用処理システム４６は、地上のプロセッサおよび／またはダウンホールのプロセッサを含み得る。地上またはダウンホールで異なる処理動作を行うという決定は、利用できるダウンホール処理の量に関する設定または限度、検層ツールと地上のコンピュータとの間のデータ伝送のための帯域幅およびデータ速度、行われるデータ分析の複雑さ、ダウンホール構成要素の耐久性、または他の基準に基づき得る。いくつかの実施形態において、ユーザワークステーション５１上で実行するソフトウェアは、流体解析オプションを有する検層管理インターフェースをユーザに提示し得る。別の様式で述べられる、本明細書で説明される種々の検層管理方法は、コンピュータまたは別の処理システムに通信することができるソフトウェアの形態で、光ディスク、磁気ディスク、フラッシュメモリ、または他の永続記憶デバイス等の情報記憶媒体上に実現することができる。あるいは、そのようなソフトウェアは、ネットワークまたは他の情報輸送媒体を介して、コンピュータまたは演算処理システムに通信され得る。ソフトウェアは、解釈可能な「ソースコード」形態および実行可能な「コンパイルされた」形態を含む、種々の形態で提供され得る。本明細書で説明されるようなソフトウェアによって実行される種々の動作は、ソースコード内に、個別の機能モジュール（例えば、「オブジェクト」、関数、またはサブルーチン）として書き込まれ得る。

図７は、ＩＣＥの製作方法５００を例示するフローチャートを示す。示されるように、方法５００は、ブロック５１０で、ランプスペクトルおよび帯域通過フィルタを選択することを含む。ブロック５２０で、スペクトル特性ベクトルが取得される。例えば、スペクトル特性ベクトルは、線形多変量問題を解く回帰ベクトルにほぼ等しくなり得る。ブロック５３０で、目標スペクトルが取得される。目標スペクトルは、ランプスペクトル、帯域通過フィルタスペクトル、およびスペクトル特性ベクトルから取得される。ブロック５４０で、ＡＬＤ許容度に基づいて、ＩＣＥ設計層が選択される。選択される層は、モデルスペクトルと目標スペクトルとの間のエラーが許容値未満になるまで、屈折率、厚さ、パラメータ空間の中の層の数を変動させる、最適化ルーチンに基づき得る。いくつかの実施形態において、最適化ルーチンは、レーベンバーグ−マルカートルーチンまたは一般的アルゴリズム等の、非線形ルーチンであり得る。ＩＣＥ層を製作または改良するためにＡＬＤを使用することは、反応性磁気スパッタリング（ＲＭＳ）のレベルではなく、ＡＬＤ許容レベルの範囲内にある、ＩＣＥ設計オプションを選択することを可能にする。いくつかの実施形態では、ＡＬＤとＲＭＳとの組み合わせが用いられ得る（例えば、いくつかの層がＲＭＳを使用して製作され、一方で、他の層がＡＬＤを使用して製作される）。

図８は、流体解析システムの製作方法６００を例示するフローチャートを示す。方法６００では、ＡＬＤを使用して、流体解析システムの種々の光学経路構成要素が形成される。ブロック６１０で、複数の光学層を有するＩＣＥ設計が選択される。ブロック６２０で、ＡＬＤを使用して、複数の光学層の少なくとも１つが形成または改良される。ブロック６３０で、ＡＬＤを使用して、検出器の少なくとも一部が形成または改良される。ブロック６４０で、ＡＬＤを使用して、流体試料インターフェースの少なくとも一部が形成または改良される。ブロック６５０で、ＡＬＤを使用して、帯域通過フィルタの少なくとも一部が形成または改良される。ブロック６６０で、ＡＬＤを使用して、レンズの少なくとも一部が形成または改良される。方法６００で言及される種々のＡＬＤに基づく構成要素は、例えば、図１のシステム１００について説明されるように配設され得る。ブロック６７０で、ＡＬＤを使用して、光源の少なくとも一部が形成されまたは改良される。方法６００で言及される種々のＡＬＤに基づく構成要素は、例えば、図１のシステム１００について説明されるように配設され得る。異なる流体解析システムは、より少ないまたはさらなるＡＬＤに基づく構成要素を有し得、それに応じて、方法６００が変動する。さらに、流体解析システムの異なる構成要素は、ＡＬＤだけ、ＲＭＳだけ、または双方を使用して形成される層を有し得る。

方法６００にあるような流体解析システムの光学経路構成要素を形成するために用いられ得る、種々の既知のＡＬＤ技法がある。全般的に、ＡＬＤは、ほぼ真空の条件で行われる複数対の自己制限的化学反応を使用する、膜成長技法である。基材の表面は、第１の反応物質によって単層で覆われ、真空を使用してシステムをパージし、そして、第２の反応物質がシステムに導入される。第２の反応物質は、単層を有する基材と接触して反応し、ＩＣＥまたは他の光学経路構成要素の完成した層を形成する。数多くの利用可能な市販の反応物質の対がある。サイクルは、所望の層の厚さが達成されるまで繰り返すことができる。例えば、層制御機構は、試薬添加物の数を計数し得る。反応時間は迅速であり、成長速度は、４０分で１００オングストロームもの速さが可能である。ＡＬＤは、所望の光学特性を有し、また、極端な用途に適する硬度特性を有する膜、例えばＡｌ₂Ｏ₃を成長させるために使用されている。ＩＣＥの製作の場合、高い光屈折率および低い光屈折率を交互にした膜を成長させ得る。シリコンおよびゲルマニウム等の高屈折率材料、およびＳｉＯ₂およびＭｇＯ₂等の低屈折率材料が、ＡＬＤ膜を成長させるために使用されている。

ＡＬＤによって、品質保証、品質管理、および収率が、より高くなり、かつより容易に制御され得る。一例として、ＡＬＤの品質管理は、反応添加物を計数し、次いで、性能を確認するといった容易な過程を含み得る。ＡＬＤ過程を監視することは、光学機器によって層化深さを確認すること、および他の製作基準を介して、リアルタイムで行われ得る。さらに、ＡＬＤは、基部表面に対する化学結合をもたらす化学反応過程である。したがって、ＡＬＤによって形成される結合は、マグネトロンスパッタリングまたはプラズマ被覆過程等の他の蒸着過程によって形成される結合よりも強力である（あまり繊細でない）。

本明細書で開示されるように、ＡＬＤは、（既存の蒸着技法よりも速い製作時間および良好な性能をもたらす）より薄い全厚さを有するより複雑なＩＣＥ設計を製作するために用いられ得る。さらに、ＡＬＤは、機能性ＩＣＥを製作するために使用され得る。例えば、終止層は、ＩＣＥに結合され、方向付けられる、１つ以上の化学反応性層を有するように設計され得る。これは、ＩＣＥを、分析物または一群の分析物に対して、以前よりも選択的にすることを可能にする。別の例として、終止層は、ＩＣＥのスペクトルプロファイルを設計するために使用されるものとは異なる材料の保護被覆となるように設計され得る。別の例として、表面は、媒体の光散乱が大きい（例えば、貯留層流体）環境においてサイズ排除層として使用することを可能にするようにパターン化することができる。そのようなパターン化は、剥離可能性レジスト技法によって行うことができる。十分に混合した環境においては、全ての表面が被覆され得、基材は、向かい合わせて結合され得る。ＡＬＤの使用はまた、流体解析システムの他の光学経路構成要素に対する性能または機能の向上を可能にし得る。

ＩＣＥ１０２の他に、システム１００の他の光学構成要素をＡＬＤによって改良または製作することができる。例えば、ＩＣＥ１０２を表面に直接含めるために、半導体検出器が、ＡＬＤによって製作され得るか、またはＡＬＤによって改良され得る。さらに、半導体検出器は、反射防止層構造またはスペクトル帯域通過層構造を含むように改良され得る。別の例として、レンズ１１０Ａおよび１１０Ｂを、反射防止層構造またはスペクトル帯域通過層構造を含むように改良することができる。

図９は、実例となる流体解析方法７００のフローチャートを示す。示されるように、方法７００は、ブロック７１０で、所定のスペクトルを有する（例えば、光源１１６による）光を放出することを含む。ブロック７２０で、放射光が、流体試料（例えば、流体試料１０４）を通して方向付けられる。ブロック７３０で、ＡＬＤに基づくＩＣＥ（例えば、ＩＣＥ１０２）を使用して、流体試料を通過した光がフィルタリングされる。本明細書で説明されるように、ＡＬＤに基づくＩＣＥは、複数の光学層を含み、該層の少なくとも１つは、ＡＬＤを使用して形成または改良される。ＩＣＥの１つ以上の光学層に対するＡＬＤの使用は、流体解析システムによって行われる予測の精度、タイプ、および／または範囲を高めることができる。ブロック７４０で、フィルタリングした光が（例えば、検出器１１２Ａまたは１１２Ｂによって）検出される。ブロック７５０で、検出したフィルタリングした光のスペクトル特徴が、流体試料の化学的または物理的特性と相関される。ブロック７５０のステップは、例えば、流体解析システムの検出器に連結されるプロセッサによって行われ得る。

いくつかの実施形態において、方法７００は、追加的なステップを含み得る。例えば、方法７００はまた、フィルタリングステップの前および／または後に、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの光学経路構成要素を通して光を方向付けることも含み得る。そのような光学経路構成要素は、本明細書で説明されるように、入力側レンズ、出力側レンズ、帯域通過フィルタ、試料インターフェース、光源、または検出器を含み得る。

上の開示が完全に理解されるならば、数多くの変形物および修正物が当業者に明らかになるであろう。例えば、本明細書で開示される方法は、経時的な様式で示され、説明されているが、種々の例示された動作の少なくともいくつかは、可能な反復を伴って、同時にまたは異なる順序で起こり得る。以下の特許請求の範囲が、全てのそのような変形物、均等物、および修正物を包含するものと解釈されることを意図する。

Claims (22)

1. 流体解析システムであって、
   光源と、
   統合計算要素（ＩＣＥ）と、
   光学信号を電気信号に変換する検出器と、を備え、
   前記ＩＣＥは、複数の光学層を備え、前記複数の光学層のうちの少なくとも１つは、物質の化学的または物理的特性の予測を可能にするために、原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して形成される、流体解析システム。
2. 前記ＩＣＥは、ＡＬＤに基づく複数の異なるタイプの光学層を備え、前記複数の異なるタイプの光学層は、異なる屈折率を有する、請求項１に記載の流体解析システム。
3. 前記ＩＣＥは、反応性磁気スパッタリング（ＲＭＳ）を使用して形成される少なくとも１つの光学層を備える、請求項１に記載の流体解析システム。
4. 前記ＩＣＥは、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの非平面光学層を備える、請求項１に記載の流体解析システム。
5. 流体試料インターフェースをさらに備え、前記流体試料インターフェースは、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの層を備える、請求項１のいずれかに記載の流体解析システム。
6. 前記流体試料インターフェースは、ＡＬＤを使用して形成されるダイヤモンド層を備える、請求項５に記載の流体解析システム。
7. 前記検出器または前記光源は、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの層を備える、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の流体解析システム。
8. 帯域通過フィルタ要素をさらに備え、前記帯域通過フィルタ要素は、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの層を備える、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の流体解析システム。
9. 前記ＩＣＥに対する入力側レンズをさらに備え、前記入力側レンズは、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの層を備える、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の流体解析システム。
10. 前記ＩＣＥに対する出力側レンズをさらに備え、前記出力側レンズは、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの層を備える、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の流体解析システム。
11. 流体解析システムを製作するための方法であって、
    複数の光学層を有する統合計算要素（ＩＣＥ）設計を選択することと、
    物質の化学的または物理的特性の予測を可能にするために、原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して前記ＩＣＥの前記複数の光学層のうちの少なくとも１つを形成することと、を含む、方法。
12. ＡＬＤを使用して光源または検出器の少なくとも一部を形成または改良することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. ＡＬＤを使用して流体試料インターフェースの少なくとも一部を形成または改良し、前記流体試料インターフェースを前記ＩＣＥの入力側に配設することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. ＡＬＤを使用して帯域通過フィルタ要素の少なくとも一部を形成または改良し、前記帯域通過フィルタ要素を前記ＩＣＥの入力側に配設することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. ＡＬＤを使用してレンズの少なくとも一部を形成または改良し、前記レンズを前記ＩＣＥの入力側または出力側に配設することをさらに含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. ＡＬＤを使用して、前記ＩＣＥの少なくとも１つの非平面光学層を形成または改良することをさらに含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載の方法。
17. ＡＬＤを使用して、前記ＩＣＥの複数の異なるタイプの光学層を形成することをさらに含む、請求項１１〜１４のいずれかに記載の方法。
18. 検層ストリングであって、
    検層ツールセクションと、
    前記検層ツールセクションと関連付けられる流体解析ツールであって、物質の化学的または物理的特性の予測を可能にするために、原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して形成される少なくとも１つの光学層を有する、統合計算要素（ＩＣＥ）を備える、流体解析ツールと、を備える、検層ストリング。
19. 前記流体解析ユニットは、ＡＬＤを使用して形成または改良される検出器、帯域通過フィルタのうちの少なくとも１つを備える、請求項１８に記載の検層ストリング。
20. 流体解析のための方法であって、
    流体試料を通して所定のスペクトルを有する光を方向付けることと、
    複数の光学層を通して、前記流体試料から出力される光をフィルタリングすることであって、前記複数の光学層のうちの少なくとも１つは、前記流体試料の化学的または物理的特性に依存して前記光をフィルタリングするために、原子層蒸着（ＡＬＤ）を使用して形成される、前記フィルタリングすることと、
    前記複数の光学層から出力されるフィルタリングした光を検出することと、
    前記フィルタリングした光のスペクトル特徴を前記流体試料の前記化学的または物理的特性に相関させることと、を含む、方法。
21. 前記フィルタリングの前に、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの光学経路構成要素を通して光を方向付けることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記フィルタリングの後に、かつ前記検出の前に、ＡＬＤを使用して形成または改良される少なくとも１つの光学経路構成要素を通して光を方向付けることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。

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