微技术在勘探开发中的应用

ＩＴ・石油　微技术在勘探开发中的应用　口编译／张晓岗　｜－Ｉ１子技术的发展历程向人们展示了　封装，ＭＥＭＳ设备才能够被机械连接到　．＿ｔＪ—产品小型化的诸多优点。微米级　的制造加工要求实现机器设备的微型　化。多数ＭＥＭＳ器件由硅基微电子装置　和微电机组成，硅基微电子装置的功能　相当于系统大脑，而微电机则相当于系　统的眼睛和四肢。这些器件以多种方式　对周围环境进行探测和控制。传感器能　够探测热量、机械、化学及光学变化，　而执行器能够运动至目标位置，对其周　围环境中的各种元件进行测量和调节。　油田压力测量　受益于ＭＥＭＳ技术　一般情况下，微流体装置能够对　体积极其微小（微升或纳升）的流体　进行控制以精确引导流体流动方向，　并测量流体性质和执行其它众多任　务。它们被置于硅、玻璃、金属、塑　料或合成橡胶内，其许多元件和泵、　阀、混合器、过滤器及分离器等宏流　体装置的元件相同。　鉴于井眼的内部空间狭小，ＭＥＭＳ　圈露　和微流体装置似乎应该毫无疑问地能够　在各种勘探开发技术中得到应用。这些　装置占用空间小，流量小及能耗低，　是井下作业的理想工具。如果制造出　一种能够装载多个分别执行不同功能的　ＭＥＭＳ传感器的设备仪器，那将是非常　具有吸引力的装置。　在大多数情况下，加工完成的　ＭＥＭＳ和微流体装置是以芯片的形式　离开工厂的，非常容易破碎。因此，　ＭＥＭＳ封装对装置的完好性及其性能有　着极其重要的影响。对那些环境条件恶　劣的油田来说这一点尤其重要。　斯伦贝谢的ＭＥＭＳ专业封装技术　用于达到以下几个目的：首先，通过　工作系统中；其次，通过封装，ＭＥＭＳ　设备才能够与系统电子装置进行电气　互联；另外，封装的作用还在于实现　ＭＥＭＳ电气互联的绝缘，同时保护装置　不受腐蚀、侵蚀、冲击及振动等影响。　包装通常能够吸收巨大作业压力所引起　的应力，从而使ＭＥＭＳ和微流体芯片能　够在无应力的环境下工作，令芯片的内　部和外部压力达到平衡。　油田的压力测量工作已经开　始受益于ＭＥＭＳ技术。斯伦贝谢与　Ｃａｌｔｅｃｈ合作开发了一系ＰＩＪＭＥＭＳ压　力传感器。这些传感器的精度与宏观　传感器相当，线性响应高达２５０００ｐｓｉ　（１７２．３７ＭＰａ），在１５０　ｏＣ（３０２下）　温度下的稳定度小于２ｐｓｉ（１３．８ｋＰａ）　，月。压力传感器是基于仅有几微米　厚的低应力氮化硅膜而设计的，它利　用多晶硅压敏电阻和惠斯通电桥原理　来测量应变诱导的电阻变化情况（图　１）。利用反应方程来记录装置的输出　电压，进而换算出绝对压力值。　ＭＥＭＳ压力传感器封装采用凝胶和　环氧树脂来保护中、短期使用寿命型的　装置。长期使用寿命型的ＭＥＭＳ压力传　感器则需要更加坚固的封装。利用填充　了少量非腐蚀性可压缩油的薄膜或真空　膜盒可以对传感器提供隔离保护，使其　免受外界环境的影响。然而，这种封装　会影响装置的灵敏度并可能对装置的测　量精度，重复性以及尺寸造成影响。尽　管如此，实践证明，采用真空膜盒仍是　防止压力传感器受到腐蚀和侵蚀最有效　的方法。　压力测量（包括其它多种参数的测量）要受到温度的影响。在开发装置　响应算法时，温度是必须考虑的一个因　素。但几乎所有ＭＥＭＳ传感器都能够通　图１　Ｃａｌｔｅｃｈ和斯伦贝谢道尔研究中心所开发的以　铝进行互连、带有引线键合焊盘的压力计芯片。　图中的一欧元硬币用来作为尺寸参照。测试表明　此压力传感器的响应呈线性（右下）。　过测量金属或非金属压敏电阻器（如多　晶硅）的电阻来测得温度。材料的电阻　会随温度的变化而变化，而变化幅度取　决于材料的温度系数。该系数为一已知　的常数。　电潜泵（ＥＳＰ）是应用ＭＥＭＳ压力　传感器的一个例子。ＭＥＭＳ压力传感器　是斯伦贝谢Ａｘｉａ　ＥＳＰ举升系统的重要构　成部分。该系统提供实时监测、监控及　诊断分析。　微技术助益传感器　除了压力测量之外，传感器小　型化对于测量流体性质（即流体密度　和粘度）可能有着极其重大的意义。　ＤＶＭＥＭＳ是一款颇具潜力的设计，它　利用由熔结的硅绝缘体（ＳＯＩ）晶片顶　层制成的薄振动片进行工作。　振动片的振动是通过将传感器放　入磁场，同时让振荡电流通过板上线圈　来实现的。振动力的大小与垂直于磁场　的导体长度、磁场强度和电流强度的乘　积成正比（图２）。　和其它振动元件技术一样，　ＤＶＭＥＭＳ传感器利用应变仪——而在　此处，利用惠斯通电桥配置的压敏电阻　器靠近振动片的固定端一来测量谐振频　率和质量因子。环绕振动片的流体会降　２０１ｏ年０８月总第３３期（双月刊）６９　ＩＴ・石油　斯伦贝谢还开发了许多微流体装　而，在考虑了ＤＶ　ＭＥＭＳ粘度测量结果　置来执行各类流体控制功能（如微流　　的最大不确定性以后，该结果与使用振　体通道内部的相分离及流量监测）。动丝粘度仪（一种常见的用于测量粘度　虽然每一种装置只执行某一特定功　结果与文献值相差不到（±）１３％。然　的实验室设备）测得的粘度值是基本吻　能，但若将几种装置结合起来，他们　一苗　合的，即误差不超过（±）６％。　就成了“芯片实验室”一流体工厂的　基本构成单元。　ＤＶ　ＭＥＭＳ传感器研究的近期目标　是开发出一个综合模型，然后利用其对　微技术使用前景广阔　图２用于测量流体密度和粘度的振动片。最上面　的一幅照片显示的是ＤＶ　ＭＥＭＳ装置的顶部：Ａ为　铝线圈。Ｂ为惠斯通电桥，Ｃ为含硼的多晶硅电　阻器。用来充当温度计，而Ｄ为引线键合焊盘。　虚线Ｅ左侧部分的振动片厚度为２０微米（０．０００８　英寸）．在虚线的右侧，传感器还有３５０微米　（０．０１４英寸）厚的单晶硅。　图３用于洁净水分折的集成微流体装置。照片中　的２５美分硬币用来提供尺寸参照。　低真空装置所记录的参考值的谐振频率　和质量因子。振动片与流体的相互作用　使用户得以确定流体的密度和粘度。由　于作用于振动片的流体质量的增加，频　率会随着流体密度的增加而下降。随着　流体粘度的增加和振动片振动幅度的不　断衰减，质量因子将下降。　科研人员首先根据已被业界认可　了的某一温度下的甲苯密度和粘度值对　ＤＶ　ＭＥＭＳ设备进行了调校，然后将其　用于确定温度范围；ｔ￣Ｅ３２３Ｋ～４２３Ｋ（１２２　至３０２。Ｆ）时的辛烷密度和粘度。辛　烷密度的测量结果与通过公认的密度计　算公式计算出来的结果相比，误差不到　（±）０．５％　同时，将使用ＤＶ　ＭＥＭＳ设备确定　的辛烷粘度与文献中记载的粘度值也　进行了比较。当温度在４２３Ｋ以下时，　粘度值与文献值相差（±）５％。当温　度为４２３Ｋ时，ＤＶ　ＭＥＭＳ辛烷粘度测量　７０石油与装备Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　适合油气田作业的流体密度和粘度范围　展开研究。然而该器件在使用中需要不　断地校准，而即使是这样，也常常很难　得出进行测试的流体的综合性质。例　如，在这一尺寸级别上，要想建立起移　动固体与可压缩流体之间相互作用的数　学表达式是非常困难的。　另外一组用来研究流体性质的微　技术采用微流体装置。在微流体装置　制造中使用越来越多的软光刻、塑料成　型制造技术适用于普通的温度和压力环　境，用来测试相对洁净的水体。目前该　技术已被斯伦贝谢水资源服务部门所采　用，并应用于Ｄｉｖｅｒ仪器用来长期监测　地下水和地表水的水质参数。　例如，为了实现在水资源服务市　场上的应用，斯伦贝谢对其模块式地　层动态测试器（ＭＤＴ）的实时流体分　析仪（ＬＦＡ）所采用的ｐＨ值测量方法　进了微型化和自动化处理。由此开发出　来的聚合物芯片尺寸仅有ｌ×３英寸，其　构成组件包括一个入水口、一个染料容　器、若干流体电阻器、一个被动式混合　器、一个光识别区、一个泵及一个出口　过滤装置。所有这些组件均由微流体通　道相互连接。由于不采用真空管进行互　连，连接不易损坏，并且所有元件都安　装或使用激光焊接在芯片上（图３）。　每次测量时，该系统采用光谱检　测法在５Ｏ微升试样（此剂量足够对芯片　内的通道完成五次清洗）和１微升的试　剂中测量ｐＨ值。整个系统集成在Ｄｉｖｅｒ　仪器上。它能够以仅相当于两节半ＡＡ　电池的能量消耗完成６００次测量，连续　六个月完成包括数据处理和数据存　储等各项任务。微流体装置占用空间小　是该装置一个很重要的优势。　回顾技术发展的历史，每一项新　集成技术的应用都会带来成本的大幅下　降以及效率和性能的显著提升。随着油　气工业ＭＥＭＳ的不断发展，传感器、执　行器和计算单元有朝一日可能会被集成　在一块芯片上。目前还没有哪一项技术　能够将所有这些功能都完美地融入到现　场作业系统中。倘若能够为油田开发出　一种能够对环境进行远程监控、解释和　控制的装置，将会对整个勘探开发行业　带来巨大影响。　利用ＭＥＭＳ和ＮＥＭＳ器件可能开发　出识别分子问力的实验室方法。而利用　这些方法原理，人们就能够建立起微观　世界和宏观世界之间的“桥梁”。今　天，人们利用悬臂板（一种类似于斯伦　贝谢ＤＶ　ＭＥＭＳ器件的装置，但尺寸要　小约ｌｏｏｏ￣）来研究聚合物与金属之间　的粘合力。ＭＥＭＳ和ＮＥＭＳ器件在基础　科学领域的应用已经开始起步。　例如，人们开发出了一种带有集　成电子位移换能器的纳米级悬臂传感　器。该传感器在环境压力下接近分子的　平均自由程。这使得该传感器能够进行　质量分辨率在１阿克（１０～１８克）以下　的吸附特陛测量。　针对ＭＥＭＳ和微流体装置在油田应　用中出现的问题，斯伦贝谢及其合作大　学的科学家们正在研究解决方案。目　前，微技术正快速拓展到各个勘探开发　　　领域的应用中。例如，人们正在研究将　微技术投入到油藏监测、随钻测井、随　钻测量和电缆测井、智能完井以及地震　数据采集等实际应用中。在油气行业，ＭＥＭＳ和微流体装置的应用领域正在不　断拓展，这一点是显而易见的。圃