MEMS技術(shù)在定向鉆進(jìn)應(yīng)用嶄露頭角

隨著石油和天然氣行業(yè)剛剛從長期的低迷期恢復(fù)，運(yùn)營商們對提高井下井智能性、提高技術(shù)可靠性、加快鉆井速度并降低將井下作業(yè)聯(lián)網(wǎng)成本等有強(qiáng)烈的需求。這些因素共同開創(chuàng)了基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的定向鉆進(jìn)傳感器技術(shù)的新時代。在油氣鉆探歷史上，涉及鉆井傳感器技術(shù)的基本原理和方式只發(fā)生過兩次改變。鉆孔傳感器的發(fā)明最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代。在此之前，該行業(yè)基本是盲目鉆探的。所開發(fā)的鉆孔儀器只是使用了簡單的技術(shù)，如在瓶中裝酸將玻璃腐蝕出彎月面，或采用其他簡單的機(jī)械手段測量井的偏差。

在20世紀(jì)70年代，隨著磁導(dǎo)向工具的發(fā)明，一場重大的革命席卷了整個行業(yè)，其原理是當(dāng)今大多數(shù)現(xiàn)代定向鉆具仍然遵守的。然而，我們現(xiàn)在正在見證新時代的曙光——基于MEMS技術(shù)的定向鉆進(jìn)傳感器正在被接受作為鉆探的可靠替代品。為什么是MEMS？有了MEMS技術(shù)，人類按照最生動的想象力創(chuàng)造微型機(jī)械器件。設(shè)想齒輪、變速器、離合器、執(zhí)行器，甚至微型渦輪發(fā)動機(jī)可以跟指甲一般大小。但是，人類如何從微觀上實(shí)現(xiàn)呢？即使是現(xiàn)代精密計算機(jī)控制的機(jī)臺也不能滿足MEMS器件所需的微觀尺度。

秘訣在于半導(dǎo)體制造技術(shù)的革新。與制造當(dāng)今強(qiáng)大計算機(jī)所需的微型晶體管的設(shè)備一樣，半導(dǎo)體制造商可以一層一層地創(chuàng)建微觀機(jī)械部件。材料的沉積、分層、通過光刻工藝和蝕刻工藝將多余的材料去除實(shí)現(xiàn)圖案化，這是制造MEMS器件的關(guān)鍵技術(shù)?；诎雽?dǎo)體技術(shù)的MEMS制造不僅將器件微型化做到極致，而且使其價格低廉且堅固耐用。半導(dǎo)體工廠在制造芯片或MEMS之路上不斷摸索，艱難前行。這些具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)的電子器件使用相同工藝、設(shè)備和低成本材料，使得MEMS成為量產(chǎn)傳感器極具吸引力的技術(shù)。

MEMS器件的微型化賦予了它們固有的可靠性。在半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上，這些器件結(jié)合了抗疲勞元器件，使MEMS結(jié)構(gòu)通過數(shù)十億甚至數(shù)萬億個循環(huán)仍不會失效。MEMS器件的微觀尺寸意味著更小的運(yùn)動質(zhì)量，這意味著在沖擊和振動下的可靠性表現(xiàn)極其優(yōu)秀。MEMS的經(jīng)濟(jì)規(guī)模1993年，亞德諾半導(dǎo)體（ADI）發(fā)布了第一款MEMS加速度計，該傳感器的批量制造首先起源于安全氣囊應(yīng)用對其的需求。從那時起，MEMS以驚人的速度發(fā)展。事實(shí)上，現(xiàn)在每個手機(jī)都有MEMS加速度計、磁力計和陀螺儀，許多手機(jī)還包括MEMS壓力傳感器（氣壓計）和麥克風(fēng)。全球出貨量以兆顆為單位計算的傳感器只賣幾美元甚至不到一美元。隨著市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，MEMS技術(shù)的新應(yīng)用將繼續(xù)被發(fā)現(xiàn)。根據(jù)2017年Yole發(fā)布的《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》，MEMS和傳感器市場規(guī)模將從2016年的380億美元增長至2021年的660億美元，復(fù)合年增長率為12%。從出貨量來看，傳感器和執(zhí)行器（包括聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）濾波器、振蕩器、噴墨頭、微鏡、微流控器件等）將從2016年的650億顆增長至2021年的1380億顆。

2015~2021年MEMS和傳感器市場規(guī)模MEMS技術(shù)在定向鉆進(jìn)的應(yīng)用令人驚訝的是，如今幾乎所有的電子隨鉆測量（MWD）系統(tǒng)都采用了某種MEMS傳感器。MEMS傳感器具備感知和量化如鉆探動態(tài)和功能失效等二次參數(shù)的天然特性。用于測量井下沖擊、振動和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的傳感器在市場上可購買到，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，并且能很好地滿足要求。然而，MWD系統(tǒng)一直堅持使用傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)來執(zhí)行關(guān)鍵的鉆孔定向測量。長期以來，工業(yè)界一直在努力尋找由三軸慣性（機(jī)械式、基于石英）加速度計和三軸磁通門（環(huán)形磁芯）磁力計組成的標(biāo)準(zhǔn)型定位傳感器的替代物，標(biāo)準(zhǔn)型定位傳感器曾是測量井眼位置的主要方法。傳統(tǒng)傳感器體積大、易碎、價格昂貴（有時相當(dāng)于MEMS傳感器成本的100到1000倍），但是非常精確，并且可以重復(fù)執(zhí)行幾十個溫度循環(huán)。運(yùn)營商可以容忍非常小的誤差或井眼的不準(zhǔn)確定位，但認(rèn)證其他能匹配傳統(tǒng)傳感器現(xiàn)有精度和溫度重復(fù)性的替代傳感器技術(shù)卻非常困難。定向鉆進(jìn)市場向MEMS技術(shù)逐漸開放今天的市場需求是極其嚴(yán)苛的。客戶要求立即收到足量的定向鉆進(jìn)傳感器（如：第一天提出需求，第二天就能收到貨物），并證明比曾經(jīng)使用的傳感器價格更低，可靠性和性能卻更高。

傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)以成本高、交貨時間長和穩(wěn)定性差而成為市場需求的反面教材。這為傳感器制造商投資開發(fā)和生產(chǎn)基于MEMS技術(shù)的傳感器來取代傳統(tǒng)傳感器奠定了基礎(chǔ)。創(chuàng)新：層出不窮提高傳統(tǒng)傳感器可靠性的一種行之有效的方法是設(shè)計具有兩個或多個元器件的冗余系統(tǒng)，當(dāng)最先使用的元器件失效時，作為備份的元器件可以立刻“候補(bǔ)”。出于傳感器成本和尺寸的考慮，對傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的創(chuàng)新者來說，這條路線實(shí)際上是走不通的。

但MEMS傳感器尺寸更小，價格低很多，可以坦然進(jìn)入正軌?，F(xiàn)在，用兩個或三個冗余定位傳感器來構(gòu)建系統(tǒng)變得可行，相比傳統(tǒng)單一的傳感器成本更低。MEMS傳感器制造商可以部署大量的傳感器陣列，在與傳統(tǒng)傳感器相同體積的前提下，可靠性、準(zhǔn)確性和性能提升。這僅僅是MEMS傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)新應(yīng)用和創(chuàng)新的可能性的開始。爭霸市場的發(fā)展之路目前的“問題”不是“如果”而是“何時”我們將依賴于MEMS技術(shù)進(jìn)行定向鉆進(jìn)工作。在本文中，大多數(shù)傳感器都是基于傳統(tǒng)技術(shù)制造的。然而，現(xiàn)在一些制造商提供創(chuàng)新的鉆孔測量級的定向傳感器，部分或完全基于MEMS技術(shù)，并適用于各種溫度范圍。隨著業(yè)界對新型傳感器的信心增長，我們期望更多的制造商進(jìn)入市場。此外，我們采訪了許多各個行業(yè)參與研究、開發(fā)、制造和供應(yīng)傳感器的公司，不僅僅局限于石油和天然氣行業(yè)。每家被采訪的制造商都展示了清晰的模式，那就是將研發(fā)資金從傳統(tǒng)的傳感器制造技術(shù)轉(zhuǎn)移到基于MEMS的技術(shù)。

一些制造商放棄了對傳統(tǒng)技術(shù)的投資，只專注于開發(fā)基于MEMS技術(shù)的傳感器。最后，雖然基于MEMS技術(shù)的傳感器早已被開發(fā)用于其他行業(yè)，并應(yīng)用在石油和天然氣行業(yè)，但一些專注于設(shè)計、開發(fā)和制造用于井下油氣定向鉆進(jìn)的高溫MEMS傳感器的新公司也逐漸嶄露頭角。如今，對定向鉆進(jìn)服務(wù)公司的需求量越來越小，在面臨供應(yīng)創(chuàng)新產(chǎn)品的同時應(yīng)對持續(xù)走低的價格，并維持運(yùn)營，因此承受著越來越大的壓力。設(shè)備制造商以有競爭力、可靠的鉆進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品為服務(wù)公司“增添羽翼”，繼續(xù)尋找出路，以期提供客戶同樣價格但更具創(chuàng)新性和性能更優(yōu)秀的解決方案。

MEMS技術(shù)讓新產(chǎn)品與傳統(tǒng)傳感器相比，不僅表現(xiàn)相當(dāng)甚至更好，而且還提供更高的價值。