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MEMS传感器 强力提速定向钻井

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传感器一直是决定定向钻井速率和成功率的关键因素,当前开发商对于作业效率的要求越来越高,传统技术的弊端已逐渐显现。

来自丨JPT
编译丨徐彤 惊蛰

油气行业经历了漫长的低迷期,最近已稍显好转,开发商对于更智能的井下工具、更可靠的技术、更高钻井作业速率的需求愈发强烈,同时还要估计投入的成本。以上种种助力开创了基于微机电系统(MEMS)定向钻井传感器技术的新时代。

在油气钻探历史中,井下传感器技术的基本机制与工作原理只发生过两次改变。井眼传感器的发明要追溯至上世纪20年代,在此之前,业内基本上是盲钻。随后,从业人员业内利用简单的技术发明了测量仪器,例如利用瓶子里酸刻蚀痕迹或简单的机械手段来测量井斜等。

上世纪七十年代,随着磁导向工具的发明,一场重大革命席卷了整个行业,而磁导向工具的原理至今仍是大部分现代定向钻井工具的基础。然而,我们正在见证一个新时代的到来。基于MEMS技术的定向钻井传感器正成为井眼测量的可靠选择。

MEMS脱颖而出

利用MEMS,就可以创造出微小的机械装置,甚至可以展开最生动的想象。设想一下,齿轮、传动装置、离合器、执行器、甚至微型涡轮发动机都可以装在指甲上。但是,如何才能让物件变得如此之小呢?即使是现代精密的计算机数控机器也无法在制造MEMS器件所需的微观尺度上操作。

秘诀在于创造性地利用半导体制造技术。如今功能强大的计算机核心是微型晶体管,利用制造这些晶体管的工具,制造商就可以逐层建立微观机械部件,而不是晶体管。材料的沉积、分层以及用光刻法刻蚀材料,是制造MEMS设备的关键技术。

基于半导体技术的MEMS制造技术,不仅使设备小型化到极致,而且使其成本低廉且坚固耐用。建造半导体工厂的目的是生产数百万或数十亿的芯片或MEMS部件。市场规模、利用生产电子产品的工艺、设备的实用性、低成本的材料,这些因素使MEMS成为一种具有吸引力、可大规模制造的技术。

MEMS设备的小尺寸赋予它们固有的可靠性。这些设备以半导体技术为基础,采用抗疲劳元件,可使MEMS架构能在几十亿甚至数万亿次的周期内无故障工作。MEMS设备的微观尺寸意味着更小的移动质量,这相当于在冲击与振动下具有极高的可靠性。

市场规模

1993年,ADI公司推出了首款大批量生产的MEMS加速传感器,首次用于安全气囊的展开传感。从那以后,MEMS技术发展迅速。现在,几乎每个手机都有MEMS加速度计、磁力计与陀螺仪,许多手机还包括MEMS压力传感器(气压计)与麦克风。这是数十亿计的传感器,每个只卖几美元或几美分。随着市场规模的不断扩大,MEMS技术的新应用也不断被发现。根据Yole Development于 2016年5月发布的“MEMS产业状况”报告(图2),MEMS市场预计今年将达到150亿美元,到2021年将达到200亿美元。

预测 MEMS市场到2021年将增长数十亿美元

预测 MEMS市场到2021年将增长数十亿美元

令人惊讶的是,今天几乎所有的电子随钻测量(MWD)系统都配备了某种类型的MEMS传感器。MEMS传感器非常适用于检测与量化次要参数,如钻井动态与功能异常。用于测量井下冲击、振动与旋转参数的传感器价格较低,容易获得,并且能很好地发挥作用。然而,随钻测量系统依然采用传统的传感器技术,来进行关键的井眼定向测量。

长期以来,油气行业一直在广泛地寻找常规导向传感器的替代方案。常规导向传感器一般由一组三轴惯性加速度计和一组三轴磁通脉冲(磁力计组成,它们被用做为测量井筒位置的主要手段)。这些传统传感器体积庞大、易碎且价格昂贵(有时候是等效MEMS传感器成本的100至1000倍)。然而,它们非常准确,可以在几十个温度周期内重复作业。作业者对井眼导向测量的误差是难以容忍的,并且很难找到具有相同精度与温度可重复性,可以替代传统传感器的新型工具。

现今市场的需求往往是极端的。开发商要求立即提供更多更可靠、更精准的定向钻井传感器,同时还要保持较低的价格。而传统传感器技术成本高,交货周期长,并且在某些方面很脆弱,无法长期应用,这与市场需求恰恰相反。这为传感器制造商开始投资开发与生产现代化的、基于MEMS技术的传感器套件,以取代传统传感器奠定了基础。

创新与市场前景

提高可靠性的一种行之有效的方法是设计一个备用系统,具有两组或多组组件。首先使用一个组件,如果第一组失败,则使用备用。由于传统传感器的成本高且体积大,实际上,研发人员无法使用传统传感器技术来实现该思路。但是,MEMS传感器的体积要小得多,而且价格更低。

目前可以构建带有两个或三个备用传感器的定向系统,其成本低于单个传统传感器组件的成本。MEMS传感器制造商可以部署大量传感器阵列,以提高可靠性、准确性,其空间体积与传统传感器相同。这仅仅是MEMS传感器可以实现的新应用与创新的开始。

问题似乎不是“是否”我们会依赖于MEMS技术进行定向钻井作业,而是“何时”。目前制造的大多数传感器都是基于传统技术。然而,现在有几家制造商正在提供创新型随钻测量定向传感器,这些传感器部分或完全基于MEMS技术,并可用于各种温度范围。随着业内对这些新型传感器的信心不断增强,预计更多制造商将进入市场。

此外笔者在研究中还采访了一些从事传感器的研究、开发、制造的公司,而不仅仅是涉足石油与天然气。每个接受采访的制造商都展示了将研发成本从传统传感器制造技术转向MEMS技术的明确模式。一些制造商直接放弃了对传统技术的投资,专注于开发基于MEMS技术的传感器。

尽管基于MEMS技术的传感器历来都是为其他行业开发,最终还是将该技术引入到了油气行业。最近涌现出一些新公司,它们专注于设计、开发与制造用于井下定向钻井的高温MEMS传感器。

当前的定向钻井服务公司需要用更少的资源做更多的事情,承受着越来越大的压力,必须以低廉的价格运营,同时提供新的创新产品。装备制造商为这些服务公司提供了具有竞争力且可靠的钻井技术产品,使他们能够以同样的价格为客户提供更具创新性与功能性的解决方案。MEMS传感器技术使制造商提供的产品不仅性能良好或更好,而且可产生更大的价值。

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