Оптическое вычислительное устройство для диагностики и устранения неисправностей - RU2657027C1
Код документа: RU2657027C1
Чертежи
Описание
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Оптические вычислительные устройства, которые также принято называть «оптико-аналитические устройства», могут использоваться для анализа и контроля вещества в режиме реального времени. Такие оптические вычислительные устройства часто используют оптический элемент или элемент обработки оптических сигналов, который оптически взаимодействует с веществом или его пробой для определения количественных и/или качественных значений одной или более физических или химических характеристик вещества. Оптический элемент может быть, например, ядром интегрированного вычислительного элемента (ИВЭ), также известного как многомерный оптический элемент (МОЭ), который, по сути, является устройством, основанным на использовании интерференции оптических волн. Это устройство может быть предназначено для применения в непрерывном спектре электромагнитных волн в диапазоне длин волн от ультрафиолетового (УФ) до среднего инфракрасного (СИК), или в любом поддиапазоне этой спектральной области. Электромагнитное излучение, которые оптически взаимодействует с веществом, изменяется и обрабатывается с использованием ядра ИВЭ для того, чтобы восприниматься детектором таким образом, чтобы выход детектора мог быть соотнесен с физической или химической характеристикой вещества, которое подвергается анализу.
[0002] Ядро ИВЭ обычно содержит ряд оптических слоев, состоящих из различных материалов, при этом индекс рефракции и размер (например, толщина) между двумя следующими друг за другом слоями могут отличаться. Конструкция ядра ИВЭ касается количества и толщины соответствующих слоев ядра ИВЭ. Следуя определенной стратегии, слои могут быть нанесены и доведены до заданного размера так, чтобы выборочно пропускать заданные фракции электромагнитного излучения, относящиеся к разным длинам электромагнитных волн, настроенные в основном на имитацию вектора регрессии, соответствующего представляющей интерес конкретной физической или химической характеристике вещества. В связи с этим конструкция ядра ИВЭ будет демонстрировать функцию пропускания электромагнитного излучения, которая зависит от длины волны. В результате этого интенсивность света выходного сигнала от ядра ИВЭ, передающаяся детектору, может быть соотнесена с анализируемой физической или химической характеристикой вещества.
[0003] После изготовления и перед размещением для использования в скважине каждое оптическое вычислительное устройство должно подвергаться тщательной калибровке по эталонным флюидам с известным составом для диапазонов температуры и давления, с которыми предполагается столкнуться на месторождении. Затем калиброванные оптические вычислительные устройства устанавливаются в качестве составной части скважинного инструмента и повторно испытываются для проверки оптических откликов, поступающих от оптического элемента. В некоторых случаях в результате испытаний оптических вычислительных устройств в условиях эксплуатации могут возникнуть оптические отклики с отклонениями от нормы. Оптический отклик с отклонением от нормы представляет собой оптический отклик, который является или слишком сильным, или слишком слабым по сравнению с калибровочными данными. Отклонения от нормы оптического отклика могут быть вызваны, например, повреждением оптического элемента (например, нарушением фокусировки светового пучка или повреждением коллиматорного элемента) или изменениями в оптических крепежных материалах под внешним воздействием высоких температур и давлений. Отклонения от нормы оптического отклика могут возникать после замены деталей при обслуживании устройства, в результате чего возникает несоответствие между компонентами оптической системы и обработкой сигнала в результате различия между производственной калибровкой и при практическом применении. Другие источники отклонений от нормы оптического отклика могут являться результатом отклонений при установке и/или демонтаже оптического вычислительного устройства в скважинном инструменте.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0004] Нижеследующие чертежи включены для иллюстрации некоторых аспектов предлагаемого изобретения, и их не следует рассматривать как ограничивающие варианты реализации изобретения. В отношении раскрываемого объекта изобретения может быть предложено множество модификаций, изменений, комбинаций и эквивалентов по форме и функционированию без отступления от объема раскрытия настоящего изобретения.
[0005] На Фиг. 1 проиллюстрирована система калибровки, которая может быть использована для калибровки одного или более оптических элементов.
[0006] На Фиг. 2 проиллюстрирована обобщенная структура модели преобразования.
[0007] На Фиг. 3 проиллюстрирована иерархическая структура для моделей обратного преобразования.
[0008] На Фиг. 4A-4D проиллюстрированы графики, сравнивающие нормализованные оптические сигналы отклика с калибровочными данными колеса с датчиками и данными проверки инструмента.
[0009] На Фиг. 5A и 5B проиллюстрированы данные в табличной форме, содержащие эталонные флюиды для дополнительной проверки в дополнение к проиллюстрированным на графиках на Фиг. 4A-4D.
[0010] На Фиг. 6 проиллюстрирована принципиальная блок-схема способа диагностики для оптического датчика с помощью основанного на компьютерной модели проверочного испытания инструмента.
[0011] На Фиг. 7A-7D проиллюстрированы графики, которые показывают сравнительные варианты прогнозов потенциально возможных моделей с различным количеством канальных входов от одного и того же оптического датчика.
[0012] На Фиг. 8 проиллюстрирована система бурения.
[0013] На Фиг. 9 проиллюстрирована система кабеля для работы со скважинным инструментом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Изобретение относится к оптическим вычислительным устройствам, более конкретно к системам и способам для калибровки оптических вычислительных устройств или оптических датчиков, в которых используются оптические элементы.
[0015] Варианты реализации изобретения, приведенные в настоящем описании, предлагают новые способы выявления отклонений от нормальной работы оптических датчиков на основе откликов оптических датчиков и показателей качества их работы, полученных во время проверочных испытаний и испытаний в условиях эксплуатации. Описываемые в настоящий момент способы совершенствуют прогнозы, полученные с помощью программного обеспечения в режиме реального времени с использованием проверенных входов оптических каналов, связанных с оптическим датчиком. Более конкретно для диагностики с помощью оптических датчиков предлагается способ оценки качества работы, основанный на использовании модели переменных вводимых факторов, которые могут быть применимы к характеристике давления, объема и температуры (ДОТ), к производственной калибровке оптического датчика, к проверочному испытанию устройства и последующей обработке данных в условиях эксплуатации. В результате этого может быть в значительной степени исключена необходимость проведения сложного анализа неопределенности, связанного с использованием нелинейной базовой структуры моделирования. Способы согласно настоящему описанию могут оказаться выгодны тем, что позволяют оператору выявить и реагировать на отклонения от нормальной работы оптического датчика и обеспечить возможность принятия решений о повторной калибровке или при необходимости о замене оптического элемента.
[0016] Термины «оптическое вычислительное устройство» и «оптический датчик» используются здесь взаимозаменяемо и относятся, как правило, к датчику, выполненному с возможностью приема входного сигнала электромагнитного излучения, который взаимодействует с веществом и создает выходной сигнал электромагнитного излучения из оптического элемента, расположенного внутри или иным способом формирующего часть оптического вычислительного устройства. Элемент устройства обработки сигналов может быть, например, интегрированным вычислительным элементом (ядром ИВЭ), также известным как многомерный оптический элемент (МОЭ). Перед использованием в условиях эксплуатации оптическое вычислительное устройство и каждый оптический элемент, который используется в нем, должны быть калиброваны таким образом, чтобы каждый элемент был способен эффективно работать с того момента, когда он подвергается воздействию условий в стволе скважины. Если они не будут калиброваны надлежащим образом, обусловленные этим функции пропускания, полученные от каждого оптического элемента, могут предоставить операторам скважин неточные результаты измерений при подготовке к эксплуатации.
[0017] На Фиг. 1 проиллюстрирована приводимая в качестве примера система производственной калибровки 100, которая может быть использована для калибровки одного или более оптических элементов, используемых в оптическом датчике. Как проиллюстрировано, система 100 может содержать систему измерения 102 в оптической связи с одним или более оптических элементов 104 (проиллюстрированы как 104a, 104b, 104c … 104n), которые должны быть откалиброваны. Каждый оптический элемент 104a-n может быть в равной степени фильтром оптической полосы пропускания или многопараметрическим оптическим элементом или интегрированным вычислительным элементом (например, ядро ИВЭ). В измерительной системе 102 может циркулировать одна или несколько эталонных флюидов с различным химическим составом и характеристиками (например, концентрация метана, концентрация предельных углеводородов, соотношение газа и нефти или «газовый фактор» и так далее) через оптическую ячейку 106 в пределах широко изменяющихся условий калибровки температуры, давления и плотности, в результате чего при этих условиях могут быть выполнены измерения оптического пропускания и/или измерения методом отраженных волн для каждой эталонного флюида во взаимосвязи с каждым оптическим элементом 104a-n.
[0018] Измерительная система 102 может содержать оптическое устройство для измерения давления, объема и температуры (ДОТ) и эталонный флюид, циркулирующий в измерительной системе 102, при этом она может содержать характерные флюиды, обычно встречающиеся в условиях забоев скважин. Система 100 может получать выходные сигналы от каждого оптического элемента 104a-n для каждого конкретного эталонного флюида в различных условиях калибровки. В некоторых случаях эталонные флюиды могут охватывать семь характерных флюидов, которые являются простыми в обращении при производственной калибровке, а именно додекан, азот, вода, толуол, 1,5 пентандиол и два вида жидкой сырой нефти или флюиды, не содержащие растворенного газа в каких-либо концентрациях (например, «мертвая» дегазированная выветрившаяся нефть). Сырые пластовые нефти, используемые в качестве эталонных флюидов, могут быть, например, нефтью № 13 из единого каталога нефти (или «GOL13») и нефтью № 33 из единого каталога нефти (или «GOL33»). В других случаях эталонные флюиды могут включать образцы «живой» нефти, которые содержат растворенный газ, смешанные с «мертвой» нефтью и газообразными углеводородами, например с метаном, и образцы газообразных углеводородов и/или CО2. Производственная калибровка оптического датчика может удовлетворять потребности в повторной градуировке выходного сигнала детектора или в поверке прибора.
[0019] Измерительная система 102 допускает замену любого эталонного флюида в пределах нескольких заданных значений параметров, охватывающих различные условия калибровки. Для выполнения этого, как проиллюстрировано, измерительная система 102 может содержать систему для заполнения флюидом 108, систему для заполнения газом 110, систему регулирования температуры 112 и систему регулирования давления 114. Система для заполнения флюидом 108 вводит флюиды в схему циркуляции флюидов для того, чтобы учесть различные отклонения флюидов от нормы таким образом, что калибровка оптических элементов 104a-n будет включать все ожидаемые соединения, которые могут быть обнаружены в конкретной эталонном флюиде. Система для заполнения газом 110 может вводить известные газы (например, N2, CO2, H2S, метан, пропан, этан, бутан, их комбинации и тому подобное) в циркулирующие эталонные флюиды. Система регулирования температуры 112 может изменять температуру эталонного флюида для моделирования нескольких заданных значений температуры, которыми могут подвергнуться оптические элементы 104a-n в забое скважины. И в заключение система регулирования давления 114 может изменять давление эталонного флюида для моделирования нескольких заданных значений давления, с которыми оптические элементы 104a-n могут столкнуться в забое скважины.
[0020] Оптическая ячейка 106 выполнена с возможностью жидкостного соединения с каждой системой 108, 110, 112 и 114 для того, чтобы дать возможность эталонным флюидам протекать через эти системы и циркулировать обратно к каждой из систем 108, 110, 112, и 114 в непрерывном замкнутом потоке циркуляции флюида. В то время как флюид циркулирует через оптическую ячейку 106, источник света 116 испускает электромагнитное излучение 118, которое проходит через оптическую ячейку 106 и эталонный флюид, протекающий через нее. По мере того как электромагнитное излучение 118 проходит через оптическую ячейку 106, оно оптически взаимодействует с эталонным флюидом и создает взаимодействовавший эталонный свет 120, который содержит в себе спектральные данные для конкретного эталонного флюида, циркулирующего через измерительную систему 102 при заданных условиях калибровки или заданных значениях параметров. Взаимодействовавший эталонный свет 120 может быть направлен к оптическим элементам 104a-n, которые, как проиллюстрировано, могут быть смонтированы или иным способом размещены на колесе с датчиками 122, выполненном с возможностью вращения в направлении A. В то время как проиллюстрированы датчики, расположенные в одной обечайке на колесе с датчиками 122, в альтернативном варианте оптические элементы 104a-n могут быть расположены в двух или более обечайках на колесе со светофильтрами 122.
[0021] Во время калибровки колесо с датчиками 122 может приводиться во вращение с заданной частотой таким образом, что каждый оптический элемент 104a-n может оптически взаимодействовать с взаимодействовавшим эталонным светом 120 в течение короткого периода времени и последовательно один за другим создавать оптически взаимодействовавший свет 124, который передается детектору 126. Детектор 126 в целом может быть охарактеризован как оптический первичный измерительный преобразователь и может содержать, но не ограничиваясь приведенным перечнем, детектор теплового излучения (например, термоэлектрический элемент), фотоакустический детектор, полупроводниковый детектор, пьезоэлектрический детектор, детектор на основе фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ПЗС), видео или матричный детектор, детектор с разделением потока, детектор фотонов (например, фотоэлектронный умножитель), фотодиоды и любую комбинация из них. После получения по отдельности обнаруженного излучения оптически взаимодействовавшего света 124 от каждого оптического элемента 104a-n, детектор 126 может генерировать или иным способом передать соответствующие сигналы отклика 128 к системе сбора данных 130. Система сбора данных 130 может осуществлять мультиплексную передачу с временным уплотнением каждого сигнал отклика 128, полученного от детектора 126, соответствующего каждому оптическому элементу 104a-n. В дальнейшем генерируется соответствующий ряд выходных сигналов 132 и передается в систему анализа данных 134 для обработки и предоставления входных параметров для различных прогностических моделей флюида с использованием выходных сигналов из каждого оптического элемента 104a-n в качестве потенциально подходящей переменной.
[0022] После того, как установленные на колесе датчики 122 откалиброваны, один или более колес с датчиками 122 могут быть установлены на оптическое устройство вместе с другими компонентами системы или иным способом помещены в оптическое вычислительное устройство для проверочного испытания в сборе. Для проверки оптического отклика оптического устройства по состоянию на момент монтажа в оптическом вычислительном устройстве, оптическое вычислительное устройство может быть помещено в нагревательную камеру, которая регулирует температуру и давление окружающей среды. Эталонные флюиды, использованные для калибровки колеса с датчиками 122, могут затем выборочно циркулировать через оптическое устройство при аналогичных заданных значениях параметров, использованных для калибровки оптических элементов 104a-n. Точнее, эталонные флюиды могут циркулировать через оптическое устройство при различных заданных значениях параметров условий в скважине (например, повышенных давлений и температур) для получения измеренных оптических откликов.
[0023] В то время как производственная калибровка колеса с датчиками 104a-n с использованием эталонных флюидов выполняется в реальном оптическом датчике или в интервале изменения параметров устройства, спектральный анализ флюида и калибровка прогностической модели флюида с использованием большого объема данных в библиотеке нефтяной компании «Стандарт Ойл» выполняется в пространстве параметров синтетического оптического датчика (также называемом «оптическое пространство данных ДОТ»). Отклик синтетического датчика каждого элемента вычисляется как скалярное произведение полного диапазона длины волн спектрометрии флюида и спектра чувствительного элемента, возбуждаемого источником света, который может нелинейно или линейно изменяться по масштабу по сравнению с фактическим откликом датчика из-за разницы между математической аппроксимацией, используемой при расчете отклика синтетического датчика, и внедрением реальной системы. Чтобы свести на нет указанную выше разницу, данные измерений, полученные от оптического устройства, могут быть преобразованы из пространства параметров устройства в пространство параметров синтетического датчика сначала при помощи структурирования и отображения данных или алгоритма калибровки перед применением прогностических моделей флюидов. Кроме того, прогностические модели флюидов могут быть откалиброваны с различными синтетическими оптическими входными сигналами и сохранены в базе данных оптической модели флюида для обеспечения достаточной обоснованности и применения в решении проблемы с неопределенностью преобразования данных, а также совершенствования композиционного анализа пластового флюида и интерпретации данных, полученных в рабочих условиях.
[0024] В существующей практике база оптических моделей флюидов является зависимой от датчика, включая модели преобразования данных (например, стандартизации) и прогностические модели свойств флюидов. Для обеспечения достаточной гибкости для обработки и интерпретации оптических данных база оптических моделей флюидов включает в себя следующие потенциально подходящие составляющие: модели трансформации, калиброванные на выбранных эталонных флюидах с помощью обратного преобразования, трансформационные модели, калиброванные на выбранных эталонных флюидах с помощью прямой трансформации и прогностические модели, калиброванные и на оптической базе данных ДОТ, и на пространстве данных колеса с датчиками 122.
[0025] Разработка модели трансформации с использованием выбранных эталонных флюидов требует согласованных пар калибровочных данных, смоделированных в пространстве оптических данных ДОТ и измеренных в пространстве данных установленных на колесе датчиков 122. В пространстве оптических данных ДОТ смоделированные отклики датчиков на эталонных флюидах являются доступными при идеальных заданных значениях температуры и давления. Измеренные оптические отклики установленных на колесе датчиков 122 могут допускать небольшие изменения температуры и давления во время производственной калибровки. Пары согласованных данных преобразования получаются с помощью двухмерной интерполяции путем использования истинных температур и давлений в качестве входных сигналов для генерации моделированных откликов датчиков в соответствующих условиях измерений. В зависимости от пространства данных, в котором калибруются прогностические модели свойств флюидов, модели преобразования данных перестраивают измеренный или смоделированный выходной сигнал оптического датчика из одного пространства данных в другое пространство данных. На Фиг. 2 проиллюстрировано одно такое преобразование.
[0026] Более конкретно, на Фиг. 2 проиллюстрирован вариант реализации обобщенной структуры модели преобразования с нейронной сетью с многоканальным входом и многоканальным выходом, которая может быть применена системой анализа данных 134 на Фиг. 1 по отношению к оптическим откликам. Модель, которая преобразует каналы фактического отклика оптического датчика (переключение каналов 01 0n) в моделированные каналы отклика датчика с оптическими данными ДОТ (ДОТ каналов 01 0n), может рассматриваться в качестве модели обратной трансформации. Модель, которая преобразует отклик оптического датчика в моделированный отклик датчика оптических данных ДОТ, может рассматриваться в качестве модели прямой трансформации. Несмотря на то что проиллюстрированная обобщенная структура модели преобразования на Фиг. 2 имеет схему с многоканальным входом и многоканальным выходом нелинейных нейронных сетей, не существует каких-либо ограничений в использовании других нелинейных и линейных алгоритмов преобразования с одним входом и одним выходом и конфигурациями с многоканальным входом и одним выходом.
[0027] На Фиг. 3 проиллюстрирован вариант реализации иерархической структуры для моделей обратного преобразования 302. Различные варианты моделей преобразования 302 могут содержать преобразование оптических каналов 304 для каждого оптического датчика в одной модели, преобразующей разделенные оптические каналы в несколько моделей 306 на основе детекторов или преобразующей только выбранные каналы 308, представляющие интерес каждый раз в разных отдельных моделях. По сравнению с единичной реализацией модели варианты, использующие множество моделей, позволяют повысить надежность конструирования данных области значений параметра в выходном сигнале (например, в преобразованном), если один или более оптических каналов сталкивается с проблемой в качестве входа преобразования. Блоки эталонного флюида 310-320, которые находятся в нижней части иерархической структуры и соединены с различными каналами 304-308, представляют собой модели преобразования, которые могут быть построены на основе различных эталонных флюидов (например, с использованием минимального количества эталонных флюидов 310, 314, 318 и увеличенного количества эталонных флюидов 312, 316, 320). Минимальное количество эталонных флюидов может относиться к семи характерным флюидам, которые были рассмотрены выше. Эти эталонные флюиды безопасны в применении и могут быть легко очищены для целей испытаний, а соответствующие отклики оптического датчика, как правило, обеспечивают хороший охват диапазона данных в качестве представления различных флюидов в существующей оптической базе данных ДОТ. Увеличенное количество эталонных флюидов часто включает один или более флюидов, таких как «живая» нефть с высоким содержанием растворенного газа и/или газ, для того чтобы модель преобразования охватывала более широкий диапазон и была более функциональной.
[0028] Модели обратного преобразования предназначены для преобразования измерений скважинным устройством в оптическое пространство данных ДОТ перед применением прогностических моделей, калиброванных на этом пространстве данных. Модели прямого преобразования могут быть использованы для преобразования целого ряда откликов моделированных оптических датчиков оптической базы данных ДОТ в область изменений значений сигналов оптического датчика или устройства перед разработкой прогнозных моделей на этой области изменений значений. Как проиллюстрировано на Фиг. 2, модель прямого преобразования может быть создана путем переключения входа и выхода модели нейронной сети. Говоря другими словами, используя отклик искусственного оптического канала ДОТ в качестве входа и измеренного отклика канала колеса с датчиками в качестве выхода. Нейронная сеть затем может быть повторно обучена для калибровки алгоритмов прямого преобразования.
[0029] Следует иметь в виду, что иерархическая структура для моделей обратного преобразования 302, как проиллюстрировано на Фиг. 3, также может применяться к моделям прямого преобразования. После разработки модель прямого преобразования может быть использована для преобразования откликов синтетического датчика массовых измерений в оптической базе данных ДОТ в пространство данных оптического устройства. Затем прогнозные модели свойств флюида могут быть калиброваны в пространстве данных оптического устройства, при этом дальнейшее преобразование в обработке полученных в рабочих условиях данных не требуется, потому что измеренные оптические отклики от устройства могут быть напрямую использованы в качестве исходных данных для построения модели, предназначенной для анализа состава флюида. По сравнению с обратным преобразованием, которое применяет преобразование данных устройства в интерактивном режиме каждый раз перед выполнением прогноза флюида, прямое преобразование обычно только однократно применяет преобразование в автономном режиме для преобразования откликов датчика оптических данных ДОТ для разработки прогностической модели флюида.
[0030] Путем применения модели преобразования к оптическим откликам, полученным от оптического датчика, оптический датчик может рассматриваться как калиброванный для использования и готовый для проверочного испытания в любом количестве скважинных устройств или «устройств». Во время проверочных испытаний один или более калиброванных оптических датчиков может быть установлен в устройство, которое должно быть введено в скважину для получения измерения в стволе скважины с использованием калиброванных оптических датчиков. В некоторых вариантах реализации изобретения, как описано ниже, устройство может являться составной частью компоновки низа бурильной колонны, используемой в операции бурения. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство может содержать произвольное количество приборов различных типов, включая приборы ИВБ (измерения во время бурения), приборы КВБ (каротажа во время бурения) и другие. Однако в других вариантах реализации изобретения устройство может быть использовано в операции, осуществляемой при помощи прибора, спускаемого в скважину на канате, и другим способом образовывать часть каротажного прибора на кабеле, такого, как прибор для скважинных исследований или зонд, которые должны быть опущены в ствол скважины для получения измерений с использованием кабеля для работы с внутрискважинным инструментом или кабеля для геофизических работ.
[0031] После того, как калиброванный оптический датчик(и) установлен в устройстве, различные эталонные флюиды могут протекать через устройство при тех же самых заданных значениях параметров (например, повышенных давлений и температур), использованных для калибровки оптического датчика (датчиков). В некоторых случаях проверочное испытание устройства может выполняться на лабораторной установке. В таких случаях могут использоваться те же самые эталонные флюиды, которые были применены для калибровки оптического датчика. Однако в других случаях или в дополнение к лабораторным испытаниям проверочное испытание устройства может быть предпринято по месту эксплуатации, такому, как буровая установка или оборудование устья скважины, где устройство должно быть использовано в операции, осуществляемой при помощи инструмента, спускаемого в скважину. В таких случаях может использоваться ограниченное количество эталонных флюидов, таких как например вода и азот. Оптические отклики, полученные при проверочных испытаниях устройства, могут быть нормализованы путем использования модели преобразования (например, обратного, прямого и так далее), что устраняет искажения на выходе процесса проверки устройства. Затем эти оптические отклики могут сравниваться с оптическими откликами калиброванного оптического датчика.
[0032] В некоторых случаях отклонения от нормы в работе датчика могут быть выявлены путем сравнения откликов, полученных при калибровке оптического датчика, и откликов, полученных во время проверочных испытаний устройства. Типичной практикой для выявления отклонений от нормальной работы датчика (не ограничиваемого оптическим датчиком) является установка порогов на выходные сигналы, основанных на статистическом анализе. Для датчиков с одиночным выходом или датчиков с малым количеством выходных каналов, применяемый критерий не вызывает затруднений, если выходной сигнал датчика представляет собой результат непосредственного измерения искомого анализируемого вещества или параметр, используемый для получения прогноза искомого вещества с помощью линейного преобразования. Воздействие отклонения от нормального сигнала на прогнозирование на основе модели может быть оценено при посредстве анализа распределения погрешностей или анализа преобразования погрешности. Для датчиков с многоканальными выходами, таких как колесо с датчиками 122, которые проиллюстрированы на Фиг. 1, и связанных с ними оптических датчиков, описанных в данном документе, может наблюдаться отклонение в интенсивности сигнала, но допустимое отклонение определить трудно. Это связано с тем, что воздействие отклика конкретного канала на модели калибровки изменяется в зависимости от значимости этого воздействия по отношению к искомому анализируемому веществу. Это особенно верно, когда используются нелинейные прогностические модели, такие как многослойные нейронные сети с многоканальными входами.
[0033] На Фиг. 4A-4D проиллюстрированы графики, которые сравнивают нормализованные оптические сигналы отклика с калибровочными данными оптического датчика и данными проверки устройства после того, как оно был собрано вместе с оптическим датчиком. На Фиг. 4A проиллюстрировано сравнение, исходя из пластового флюида (в данном примере GOL33) в качестве эталонного флюида, на Фиг. 4B проиллюстрировано сравнение исходя из воды в качестве эталонного флюида, на Фиг. 4С проиллюстрировано сравнение исходя из толуола в качестве эталонного флюида, на Фиг. 4C проиллюстрировано сравнение исходя из азота в качестве эталонного флюида. Каждый график представляет собой оптические отклики от тридцати двух каналов, которые соответствуют тридцати двум оптическим элементам установленных на колесе датчиков (например, установленные на колесе датчики 122 на Фиг. 1). Первая кривая 402 на каждом графике представляет собой отклик оптического сигнала от устройства во время проверочного испытания, а вторая кривая 404 на каждом графике представляет собой отклик оптического сигнала от калиброванного оптического датчика. Различия между первой и второй кривыми 402 и 404 указывает на потенциальные отклонения от нормальной работы оптического датчика.
[0034] При наличии ссылки на Фиг. 4A-4D, на Фиг. 5A и 5B проиллюстрированы данные в табличной форме, которые предоставляют расчеты по относительной разнице в интенсивности сигнала на каждом канале с учетом семи эталонных флюидов, в том числе тех, которые проиллюстрированы на графиках на Фиг. 4A-4D. Более конкретно таблицы на Фиг. 5A и 5B иллюстрируют данные испытаний от канала 01 до канала 32 для нефти GOL13, нефти GOL33, воды (H2O), толуола (TOL), пентандиола (PEN), додекана (DOD) и азота (N2). Можно видеть, что относительные различия нормированных выходных сигналов детектора на некоторых каналах могут быть значительными, особенно если динамические диапазоны данных на эти каналах являются небольшими. Однако повторная калибровка оптического элемента или замена оптического элемента в оптическом датчике могут не быть необходимыми или рекомендуемыми, так как оптический датчик часто может иметь схему с дублирующими оптическими элементами, и, как уже говорилось выше, прогнозные модели могут быть калиброваны с переменными откликами оптического датчика для того, чтобы максимально увеличить вероятность предсказуемости свойств флюида при последующей обработке.
[0035] Согласно предлагаемому изобретению в данном документе описываются способы, которые помогают обнаружить отклонения от нормальной работы оптического датчика, которые отличаются от оптических откликов, полученных от калиброванного оптического датчика во время калибровки оптического элемента и оценивают воздействие от результатов измерений эксплуатационных характеристик во время проверочного испытания устройства. Что касается Фиг. 6, то на ней проиллюстрирована принципиальная блок-схема способа 600 диагностики для оптического датчика с помощью основанного на компьютерной модели проверочного испытания устройства согласно одному или более вариантам реализации изобретения. Согласно способу 600, проверочное испытание может быть предпринято на устройстве с использованием ряда эталонных флюидов, как показано в блоке 602. Проверочное испытание для устройства может быть похожим на процесс, описанный выше со ссылкой на проверочное испытание устройства. Более конкретно, после того, как оптический датчик был установлен в устройстве, различные эталонные флюиды могут циркулировать через устройство на одном или более заданных значений калибровки. Оптический датчик может содержать один или более оптических элементов, и заданные значения калибровки могут быть похожи на заданные значения калибровки, которые были использованы ранее для калибровки оптического датчика и одного или более оптических элементов. В связи с этим заданные значения калибровки могут включать конкретные заданные величины температуры и давления для испытания устройства.
[0036] В результате проверочного испытания устройства отклики датчика инструмента от оптических датчиков, установленных в устройстве, могут быть получены и предварительно обработаны, как показано в блоке 604. Получение и предварительная обработка откликов оптического датчика могут включать направление света для взаимодействия с эталонным флюидом для получения взаимодействовавшего света, передачу взаимодействовавшего света в направлении одного или более оптических элементов и генерирование откликов детектора с помощью одного или более оптических элементов в качестве откликов датчика устройства. Затем измеренные отклики датчика устройства могут использоваться в качестве базового уровня, который корректируется и нормализуется, а нормализованные отклики датчика устройства могут быть преобразованы из пространства данных скважинного устройства в пространство данных калибровки.
[0037] Боле конкретно, предварительная обработка данных откликов оптического датчика может быть выполнена путем вычитания сигнала основного канала из сигнала каждого оптического канала. Затем основной откорректированный отклик детектора на каждом оптическом канале может быть разделен по интенсивности света канала нейтральной оптической плотности для получения отклика нормализованного сигнала. Отклик нормализованного сигнала для устройства представлен первой кривой 402 на Фиг. 4A-4D для четырех эталонных флюидов. Как указано выше, данные проверки устройства на каждом графике на Фиг. 4A-4D иллюстрируются в зависимости от измерений оптического датчика в процессе производственной калибровки и перед тем, как устройство будет собрано. Как данные проверки устройства, так и данные калибровки оптического датчика собираются для сравнения при тех же самых заданных значениях температуры и давления.
[0038] Предлагаемый способ может дополнительно включать сравнение одного или более откликов датчика устройства от устройства с откликами калиброванного оптического датчика, полученными от оптического датчика во время калибровки, как проиллюстрировано в блоке 606. Как указано выше, таблицы данных на Фиг. 5A и 5B иллюстрируют расчетную относительную разность в откликах нормализованного сигнала между калибровкой оптического датчика и проверкой устройства для типичного оптического датчика. Расчет относительной разности может быть основан на среднем значении нормализованных измерений, усредненных по нескольким заданным значениям для каждого эталонного флюида, и разделен на весь диапазон интенсивности сигнала всех калибровочных флюидов для каждого оптического канала. В таблице данных, проиллюстрированной на Фиг. 5A, например, можно видеть, что каждый из каналов 03, 04 и 06 демонстрирует более высокий процент различия в калибровочных данных и в данных проверки устройства по сравнению с другими каналами. Однако их воздействие на будущее применение устройства может оказаться трудным для определения до того, как оцениваются предсказанные свойства флюида с соответствующей моделью с использованием входных данных проверки устройства.
[0039] Воздействие различий между откликами оптического датчика устройства и калиброванного оптического датчика может быть потом оценено с использованием анализа эксплуатационных характеристик вместе с потенциально подходящими моделями, как показано в блоке 608. Анализ эксплуатационных характеристик вместе с данными проверки устройства может быть связан с использованием моделей стандартизации инструмента и моделей стандартизации флюидов, как в общем виде было описано выше. Алгоритмы стандартизации инструмента и алгоритмы обратного преобразования могут потребоваться в том случае, когда модели прогнозирования характеристик флюида калибруются с использованием оптической базы данных типа ДОТ, а не в реальном оптическом датчике или в пространстве параметров устройства. При анализе эксплуатационных характеристик нормализованные оптические отклики от устройства могут быть использованы в качестве входов для модели нелинейной или линейной стандартизации, которая является зависимой от датчика, для того, чтобы преобразовать фактические отклики оптического датчика на каждый оптический канал в стандартный отклик синтетического датчика, совместимый с калибровочной базой данных прогностических моделей характеристик флюида. Преобразованные оптические отклики на проверочные эталонные флюиды затем могут быть использованы в качестве потенциально подходящих входов для различных моделей калибровки в базе моделей для прогнозирования свойств многочисленных флюидов.
[0040] База моделей калибровки может быть построена таким образом, что каждая характеристика флюида может быть предсказана из диапазона (малого или большого) нескольких входов (то есть оптических каналов). База моделей может содержать модели, калиброванные на дублирующих оптических элементах и на не тождественных оптических элементах соответственно. Когда отклоняющийся от нормы отклик сигнала выявляется на конкретном оптическом канале, то это может воздействовать на соответствующее прогнозирование на основе модели только от этого оптического канала. Другие потенциально подходящие модели могут подвергаться меньшему воздействию в том случае, если входы калибровки исключают проблематичный оптический канал. Например, колесо с датчиками может иметь два оптических элемента, определяющие соотношения газа и нефти (например, ядра ИВЭ) в различном конструкционном исполнении, установленных на наружном кольце и на внутреннем кольце соответственно для прогнозирования соотношения газа и нефти. Первая потенциально возможная модель может содержать отклик канала первого оптического элемента в качестве входа для выполнения прогноза. Вторая потенциально возможная модель может использовать вход канала второго оптического элемента, а третья потенциально возможная модель может использовать оба входа канала. Чтобы описать каждую характеристику флюида, потенциально возможные прогностические модели калибруются с помощью нейронных сетей, с использованием системного поэтапного алгоритма отбора входных данных, и сохраняются в базовой модели датчика для анализа работоспособности на различных уровнях.
[0041] На Фиг. 7A-7D проиллюстрированы графики, которые показывают различные сравнительные варианты прогнозов потенциально возможных моделей на метане (Фиг. 7A), на ароматических углеводородах (Фиг. 7B), на предельных углеводородах (Фиг. 7C) и на соотношении газа и нефти (Фиг. 7D) с различным количеством канальных входов от одного и того же оптического датчика. Относительное отклонение прогноза является корнем средней квадратичной погрешности (СКП) между прогнозами на основе модели и реальными целями, деленным на динамический диапазон каждого конкретного свойства флюида в каталоге нефти. Как проиллюстрировано, на каждом графике имеется три кривых. Первая кривая 702 представляет собой среднеквадратичную погрешность калибровки (СПК), оцененную по всем пробам флюидов в оптической базе данных ДОТ с использованием откликов синтетического датчика. Прогнозы могут быть обработаны только с использованием потенциально возможных моделей характеристик флюида. Вторая кривая 704 представляет фактические отклики оптического датчика, полученных в ходе производственной калибровки на эталонных флюидах, указанных в таблицах данных на Фиг. 5A и 5B. Оптические входные сигналы в первую очередь обрабатываются с использованием модели стандартизации инструмента, прежде чем использовать их в качестве входов различных прогностических моделей флюидов. Третья кривая 706 рассчитывается исходя из откликов при проверке устройства с использованием одних и тех же эталонных флюидов для производственной калибровки с помощью предварительно калиброванных алгоритмов стандартизации инструмента и алгоритмов характеристик флюидов.
[0042] Следует отметить, что первая и вторая кривые 702 и 704 содержат в себе калибровочные кривые в разрабатываемых моделях характеристик флюида и стандартизации инструмента. СПК для калибровки ДОТ и для калибровки оптического датчика обычно мала, когда она оценивается на основе обучающих данных. Третья кривая 706 может оказаться полезной при выполнении диагностического контроля, так как она изображает воздействие не внушающих доверия входных сигналов оптических каналов на варианты окончательного прогноза на основе серии нелинейных или линейных передаточных функций. Несмотря на то что каналы 03, 04 и 06 могут быть не внушающими доверия, путем сравнения относительной разности выходных сигналов, как проиллюстрировано в блоке 606, существует ряд потенциально возможных моделей на каждом графике, исходя из Фиг. 7A-7D, со значениями СПК, которые определены на устройстве и выражены в процентах и которые составляют величину меньше чем 10%. В данном примере проверенные потенциально возможные модели в существующей базе моделей оптического датчика дают возможность компенсировать все неопределенности, обусловленные использованием системы устройства, и дают возможность создания приемлемого прогноза. Следует иметь в виду, что эти потенциально возможные модели могут быть дополнительно испытаны, когда будут доступны данные с проверенными свойствами флюида, полученные в рабочих условиях.
[0043] Обратимся снова к способу 600, проиллюстрированному на Фиг. 6, который предусматривает, что если отклонение от нормальной работы оптического датчика может быть устранено за счет перехода на альтернативную потенциально возможную модель, то оптический датчик не должен быть подвергнут повторной калибровке. Говоря другими словами, способ 600 может дополнительно включать выбор альтернативной потенциально возможной модели после выявления отклонения от нормальной работы оптического датчика, как это проиллюстрировано в блоке 610. Однако если варианты проверки устройства с существующими алгоритмами стандартизации инструмента и алгоритмы характеристик флюида не могут отвечать ожиданиям, то могут последовать один или более вариантов коррекции. В связи с этим в некоторых случаях способ может включать выполнение одного или нескольких вариантов коррекции, когда альтернативная потенциально возможная модель не в состоянии исправить отклонение от нормальной работы оптического датчика, как это показано в блоке 612.
[0044] Варианты коррекции могут включать в себя различные варианты, которые не требуют замены оптического компонента в оптическом датчике. Один подходящий вариант, который не требуют замены оптического компонента, включает перестройку прогностических моделей флюида с использованием менее подверженных воздействию оптических каналов в качестве входов. Это может быть сделано путем удаления отклоняющихся от нормы оптических каналов, а затем реконструкции базы потенциально возможных моделей, используя для этого оставшиеся доступными оптические каналы путем использования либо обратного пошагового выбора входа, либо прямого пошагового выбора входа, сохраняя при этом модели стандартизации инструмента без изменений. Другой подходящий вариант, который не требует замены оптического компонента, включает перестройку моделей стандартизации инструмента. При таком подходе исходными данными для модели стандартизации инструмента могут быть полные данные откликов от проверочных испытаний устройства или калибровочные данные оптического датчика с удаленными не внушающими доверия оптическими каналами, в то время как прогностические модели флюида остаются без изменений. Еще один подходящий вариант включает разработку новых моделей для того, чтобы компенсировать расхождение в сигналах между производственной калибровкой оптического датчика и проверкой устройства путем создания линейной или нелинейной функции отображения на конкретных оптических каналах, на которых относительная разность между данными проверочного испытания устройства и данными проверки оптического датчика является большой. При таком подходе как модели стандартизации инструмента на основе датчиков, так и прогностические модели флюида могут оставаться без изменений.
[0045] Варианты коррекции 612 могут дополнительно включать в себя различные варианты, которые требуют замены оптического компонента в оптическом датчике. Один подходящий вариант, требующий замены оптического компонента, включает в себя замену оптических элементов с отклонениями от нормы новыми оптическими элементами для конкретных установленных на колесе датчиков. После этого отклики оптического датчика могут быть получены на эталонных флюидах путем проведения проверочных испытаний устройства вслед за его сборкой. В таком варианте коррекции в обновлении нуждается только модель стандартизации инструмента, связанная с конкретным оптическим элементом или с оптическим датчиком. Другой подходящий вариант, требующий замены оптического компонента, включает в себя удаление из устройства установленных на колесе датчиков с ухудшившимися характеристиками и замену их заново калиброванным колесом с датчиками (включая взаимодействующий с ним источник света и его компоненты). После этого может последовать проверочное испытание устройства. В таком варианте исправления положения в обновлении нуждается только модель стандартизации инструмента и прогностические модели флюида, связанные с конкретным оптическим датчиком, также нуждаются в обновлении.
[0046] Что касается Фиг. 8, то на ней проиллюстрирована приведенная в качестве примера система 800 бурения, которая может использовать один или более принципов предлагаемого изобретения. Стволы скважины могут быть образованы путем бурения в землю 802 с использованием системы бурения 800. Система бурения 800 может быть выполнена с возможностью приводить в действие компоновку низа бурильной колонны (КНБК) 804, смонтированную или иным способом расположенную в нижней части бурильной колонны 806, которая распространяется в землю 802 от вышки 808 для бурового станка, расположенной на поверхности 810 земли. Вышка 808 для бурового станка содержит ведущую буровую трубу 812 и подвижный талевый блок 813, используемый для опускания и поднимания ведущей буровой трубы 812 и бурильной колонны 806.
[0047] КНБК 804 может содержать буровое долото 814, функционально соединенное с буровым снарядом 816, который выполнен с возможностью осевого перемещения в пределах пробуренного ствола 818 скважины и прикреплен к бурильной колонне 806. Во время эксплуатации буровое долото 814 проникает в землю 802 и тем самым создает ствол 818 скважины. КНБК 804 обеспечивает управление направлением бурового долота 814 в то время, когда оно продвигается в землю 802. Буровой снаряд 816 может быть временно оснащен различными измерительными приборами (не показаны), такими как, но не ограниченными ими, приборы измерений во время бурения («ИВБ») и каротажа во время бурения («КВБ»), которые могут быть выполнены с возможностью выполнения скважинных измерений условий бурения. В других вариантах реализации изобретения измерительные приборы могут быть выполнены автономными внутри бурового снаряда 816, как показано на Фиг. 1.
[0048] Флюид или «буровой раствор» из емкости для бурового раствора 820 может закачиваться в забой скважины с использованием насоса для бурового раствора 822, который приводится в действие непосредственно примыкающим к нему источником питания, таким как первичный привод или двигатель 824. Буровой раствор может быть закачан из емкости для бурового раствора 820 через буровой стояк 826, который нагнетает буровой раствор в колонну бурильных труб 806 и подает вышеуказанный раствор к буровому долоту 814. Буровой раствор выходит из одной или более форсунок, расположенных в буровом долоте 814 и при этом охлаждает буровое долото 814. После выхода из бурового долота 814 буровой раствор перемещается по замкнутому контуру обратно к поверхности земли 810 через затрубное кольцевое пространство, образованное между стволом 818 скважины и колонной бурильных труб 806, и при этом возвращает обломки вырубленной породы и осыпь на поверхность земли. Обломки вырубленной породы и буровая смесь проходят через трубопровод 828, идущий от скважины к емкости для бурового раствора, и обрабатываются таким образом, что очищенный буровой раствор в очередной раз возвращается в забой скважины через буровой стояк 826.
[0049] КНБК 804 может дополнительно содержать скважинное устройство или «устройство» 830, которое может быть похоже на скважинные устройства, описанные в настоящем документе. Более конкретно устройство 830 может иметь калиброванный оптический датчик, расположенный в нем, и устройство 830 может быть калибровано перед тем, как оно будет введено в ствол 818 скважины с использованием проверочного испытания устройства, в общем виде описанного в настоящем документе. В дополнение к этому перед введением в ствол 818 скважины устройство 830 может быть оптимизировано согласно способу 600, проиллюстрированному на Фиг.6.
[0050] Что касается Фиг. 9, то на ней проиллюстрирована приведенная в качестве примера система 900 кабеля для работы со скважинным инструментом, которая может использовать один или более принципов предлагаемого изобретения. Во время бурения ствола скважины 818 может быть желательным знать виды пластовых флюидов, которые при этом могут быть обнаружены. Система 900 может содержать скважинное устройство или «устройство» 902, которое является составной частью рабочего процесса кабельного каротажного прибора, который может содержать один или более оптических датчиков 904 согласно настоящему описанию в качестве составной части скважинного измерительного устройства. Система 900 может содержать вышку 808 для бурового станка, которая поддерживает подвижный талевый блок 813. Каротажное устройство на кабеле 902, такое как прибор для скважинных исследований или зонд, может быть опущено в ствол скважины на кабеле для работы со скважинным устройством или на каротажном кабеле 874 в буровую скважину 812. Устройство 902 может быть опущено до подошвы пласта исследуемой области и затем тянуться вверх в основном с постоянной скоростью. Устройство 902 может быть выполнено с возможностью измерения свойств флюидов продукции скважины, а любые данные измерений, генерируемые устройством 902 и присоединенными к нему оптическими датчиками 904, могут быть переданы в расположенное на поверхности земли средство регистрации 908 для хранения, обработки и/или анализа данных измерений. Средство регистрации 908 данных измерений устройства может быть снабжено электронным оборудованием 910 для обработки различных типов сигналов.
[0051] Таким образом, раскрытые системы и способы хорошо подходят для достижения целей и получения преимуществ, указанных выше, а также тех, которые присущи им. Конкретные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, являются лишь иллюстрацией, поскольку идеи настоящего раскрытия изобретения могут быть модифицированы и реализованы с применением отличных, но эквивалентных, способов, очевидных для специалистов в данной области техники, с преимуществами идей, изложенных в данном документе. Кроме того, для деталей устройства или конструкции, проиллюстрированных в настоящем документе, не предусмотрены никакие ограничения, за исключением описанных в приведенных ниже пунктах формулы изобретения. Таким образом очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, могут быть изменены, скомбинированы или модифицированы, при этом считается, что все подобные изменения входят в объем настоящего раскрытия изобретения. Системы и способы, раскрытые в настоящем документе для иллюстрации, могут быть соответствующим образом реализованы при отсутствии любого элемента, явным образом не описанного в данном документе, и/или любого дополнительного элемента, описанного в данном документе. Несмотря на то что составы и способы описаны как «содержащие», «имеющие в своем составе» или «включающие» различные компоненты или этапы, эти сочетания и способы также могут «состоять главным образом из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все числа и диапазоны, описанные выше, могут изменяться на некоторую величину. Во всех случаях, когда описан числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, говоря более конкретно, описано любое число и любой включенный диапазон, находящиеся в пределах указанного диапазона. В частности, каждый диапазон значений (в виде «от приблизительно a до приблизительно b» или, эквивалентно, «от приблизительно a до b» или, эквивалентно, «от приблизительно a-b»), описанный в настоящем документе, следует понимать как описывающий каждое число и диапазон, входящие в более широкий диапазон значений. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Кроме того, применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или большего количества выражаемых в ней элементов. При наличии противоречий в применении слова или термина в настоящем описании и одном или большем количестве патентов или других документов, которые могут быть включены в настоящее описание посредством ссылки, следует принимать определения, соответствующие настоящему описанию.
[0052] В контексте настоящего изобретения, выражение «по меньшей мере один из», предшествующее последовательности наименований, со словами «и» или «или» для отделения любого из этих наименований, изменяет перечисление в целом, а не каждый элемент перечисления (т.е. каждое наименование). Выражение «по меньшей мере один из» допускает значение, включающее по меньшей мере одно из любого одного из наименований и/или по меньшей мере одно из любой комбинации наименований и/или по меньшей мере одно из каждого из наименований. Для примера: каждое из выражений «по меньшей мере один из A, B и C» или «по меньшей мере один из A, B или C» относится только к A, только к B или только к C, к любой комбинации A, B и C и/или по меньшей мере к одному из A, B и C.
Реферат
Изобретение относится к области геологии. Заявленное решение включает выполнение проверочного испытания на устройстве с использованием ряда эталонных флюидов, при этом устройство имеет калиброванный оптический датчик, установленный в нем, который содержит один или более оптических элементов. Один или более откликов датчика устройства от калиброванного оптического датчика могут быть получены и предварительно обработаны, а один или более откликов датчика инструмента могут сравнивать с откликами калиброванного оптического датчика, полученными от оптического датчика во время калибровки, и таким образом выявлять одно или более отклонений от нормальной работы оптического датчика. Одно или более отклонений от нормальной работы оптического датчика могут быть оценены с использованием анализа эксплуатационных характеристик с применением одной или более потенциально возможных моделей, и при этом может быть выбрана альтернативная потенциально возможная модель для минимизации одного или более отклонений от нормальной работы оптического датчика. Может быть выполнен один или более вариантов исправления положения в тех случаях, когда альтернативная потенциально возможная модель не в состоянии минимизировать одно или более отклонений от нормальной работы оптического датчика. Технический результат – стабилизация нормальной работы оптического датчика. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 16 ил.
