油氣行業(yè)經(jīng)歷了漫長的低迷期，最近已稍顯好轉(zhuǎn)，開發(fā)商對于更智能的井下工具、更可靠的技術(shù)、更高鉆井作業(yè)速率的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，同時(shí)還要估計(jì)投入的成本。以上種種助力開創(chuàng)了基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）定向鉆井傳感器技術(shù)的新時(shí)代。 

在油氣鉆探歷史中，井下傳感器技術(shù)的基本機(jī)制與工作原理只發(fā)生過兩次改變。井眼傳感器的發(fā)明要追溯至上世紀(jì)20年代，在此之前，業(yè)內(nèi)基本上是盲鉆。隨后，從業(yè)人員業(yè)內(nèi)利用簡單的技術(shù)發(fā)明了測量儀器，例如利用瓶子里酸刻蝕痕跡或簡單的機(jī)械手段來測量井斜等。 

上世紀(jì)七十年代，隨著磁導(dǎo)向工具的發(fā)明，一場重大革命席卷了整個(gè)行業(yè)，而磁導(dǎo)向工具的原理至今仍是大部分現(xiàn)代定向鉆井工具的基礎(chǔ)。然而，我們正在見證一個(gè)新時(shí)代的到來�；�于MEMS技術(shù)的定向鉆井傳感器正成為井眼測量的可靠選擇。 

MEMS脫穎而出 

利用MEMS，就可以創(chuàng)造出微小的機(jī)械裝置，甚至可以展開最生動的想象。設(shè)想一下，齒輪、傳動裝置、離合器、執(zhí)行器、甚至微型渦輪發(fā)動機(jī)都可以裝在指甲上。但是，如何才能讓物件變得如此之小呢？即使是現(xiàn)代精密的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)器也無法在制造MEMS器件所需的微觀尺度上操作。 

秘訣在于創(chuàng)造性地利用半導(dǎo)體制造技術(shù)。如今功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)核心是微型晶體管，利用制造這些晶體管的工具，制造商就可以逐層建立微觀機(jī)械部件，而不是晶體管。材料的沉積、分層以及用光刻法刻蝕材料，是制造MEMS設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。

基于半導(dǎo)體技術(shù)的MEMS制造技術(shù)，不僅使設(shè)備小型化到極致，而且使其成本低廉且堅(jiān)固耐用。建造半導(dǎo)體工廠的目的是生產(chǎn)數(shù)百萬或數(shù)十億的芯片或MEMS部件。市場規(guī)模、利用生產(chǎn)電子產(chǎn)品的工藝、設(shè)備的實(shí)用性、低成本的材料，這些因素使MEMS成為一種具有吸引力、可大規(guī)模制造的技術(shù)。 

MEMS設(shè)備的小尺寸賦予它們固有的可靠性。這些設(shè)備以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)，采用抗疲勞元件，可使MEMS架構(gòu)能在幾十億甚至數(shù)萬億次的周期內(nèi)無故障工作。MEMS設(shè)備的微觀尺寸意味著更小的移動質(zhì)量，這相當(dāng)于在沖擊與振動下具有極高的可靠性。 

市場規(guī)模 

1993年，ADI公司推出了首款大批量生產(chǎn)的MEMS加速傳感器，首次用于安全氣囊的展開傳感。從那以后，MEMS技術(shù)發(fā)展迅速�，F(xiàn)在，幾乎每個(gè)手機(jī)都有MEMS加速度計(jì)、磁力計(jì)與陀螺儀，許多手機(jī)還包括MEMS壓力傳感器（氣壓計(jì)）與麥克風(fēng)。這是數(shù)十億計(jì)的傳感器，每個(gè)只賣幾美元或幾美分。隨著市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，MEMS技術(shù)的新應(yīng)用也不斷被發(fā)現(xiàn)。根據(jù)Yole Development于 2016年5月發(fā)布的“MEMS產(chǎn)業(yè)狀況”報(bào)告（圖2），MEMS市場預(yù)計(jì)今年將達(dá)到150億美元，到2021年將達(dá)到200億美元。 

預(yù)測 MEMS市場到2021年將增長數(shù)十億美元 

令人驚訝的是，今天幾乎所有的電子隨鉆測量（MWD）系統(tǒng)都配備了某種類型的MEMS傳感器。MEMS傳感器非常適用于檢測與量化次要參數(shù)，如鉆井動態(tài)與功能異常。用于測量井下沖擊、振動與旋轉(zhuǎn)參數(shù)的傳感器價(jià)格較低，容易獲得，并且能很好地發(fā)揮作用。然而，隨鉆測量系統(tǒng)依然采用傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，來進(jìn)行關(guān)鍵的井眼定向測量。 

長期以來，油氣行業(yè)一直在廣泛地尋找常規(guī)導(dǎo)向傳感器的替代方案。常規(guī)導(dǎo)向傳感器一般由一組三軸慣性加速度計(jì)和一組三軸磁通脈沖（磁力計(jì)組成，它們被用做為測量井筒位置的主要手段）。這些傳統(tǒng)傳感器體積龐大、易碎且價(jià)格昂貴（有時(shí)候是等效MEMS傳感器成本的100至1000倍）。然而，它們非常準(zhǔn)確，可以在幾十個(gè)溫度周期內(nèi)重復(fù)作業(yè)。作業(yè)者對井眼導(dǎo)向測量的誤差是難以容忍的，并且很難找到具有相同精度與溫度可重復(fù)性，可以替代傳統(tǒng)傳感器的新型工具。 

現(xiàn)今市場的需求往往是極端的。開發(fā)商要求立即提供更多更可靠、更精準(zhǔn)的定向鉆井傳感器，同時(shí)還要保持較低的價(jià)格。而傳統(tǒng)傳感器技術(shù)成本高，交貨周期長，并且在某些方面很脆弱，無法長期應(yīng)用，這與市場需求恰恰相反。這為傳感器制造商開始投資開發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)代化的、基于MEMS技術(shù)的傳感器套件，以取代傳統(tǒng)傳感器奠定了基礎(chǔ)。 

創(chuàng)新與市場前景 

提高可靠性的一種行之有效的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)備用系統(tǒng)，具有兩組或多組組件。首先使用一個(gè)組件，如果第一組失敗，則使用備用。由于傳統(tǒng)傳感器的成本高且體積大，實(shí)際上，研發(fā)人員無法使用傳統(tǒng)傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該思路。但是，MEMS傳感器的體積要小得多，而且價(jià)格更低。 

目前可以構(gòu)建帶有兩個(gè)或三個(gè)備用傳感器的定向系統(tǒng)，其成本低于單個(gè)傳統(tǒng)傳感器組件的成本。MEMS傳感器制造商可以部署大量傳感器陣列，以提高可靠性、準(zhǔn)確性，其空間體積與傳統(tǒng)傳感器相同。這僅僅是MEMS傳感器可以實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用與創(chuàng)新的開始。 

問題似乎不是“是否”我們會依賴于MEMS技術(shù)進(jìn)行定向鉆井作業(yè)，而是“何時(shí)”。目前制造的大多數(shù)傳感器都是基于傳統(tǒng)技術(shù)。然而，現(xiàn)在有幾家制造商正在提供創(chuàng)新型隨鉆測量定向傳感器，這些傳感器部分或完全基于MEMS技術(shù)，并可用于各種溫度范圍。隨著業(yè)內(nèi)對這些新型傳感器的信心不斷增強(qiáng)，預(yù)計(jì)更多制造商將進(jìn)入市場。 

此外筆者在研究中還采訪了一些從事傳感器的研究、開發(fā)、制造的公司，而不僅僅是涉足石油與天然氣。每個(gè)接受采訪的制造商都展示了將研發(fā)成本從傳統(tǒng)傳感器制造技術(shù)轉(zhuǎn)向MEMS技術(shù)的明確模式。一些制造商直接放棄了對傳統(tǒng)技術(shù)的投資，專注于開發(fā)基于MEMS技術(shù)的傳感器。 

盡管基于MEMS技術(shù)的傳感器歷來都是為其他行業(yè)開發(fā)，最終還是將該技術(shù)引入到了油氣行業(yè)。最近涌現(xiàn)出一些新公司，它們專注于設(shè)計(jì)、開發(fā)與制造用于井下定向鉆井的高溫MEMS傳感器。 

當(dāng)前的定向鉆井服務(wù)公司需要用更少的資源做更多的事情，承受著越來越大的壓力，必須以低廉的價(jià)格運(yùn)營，同時(shí)提供新的創(chuàng)新產(chǎn)品。裝備制造商為這些服務(wù)公司提供了具有競爭力且可靠的鉆井技術(shù)產(chǎn)品，使他們能夠以同樣的價(jià)格為客戶提供更具創(chuàng)新性與功能性的解決方案。MEMS傳感器技術(shù)使制造商提供的產(chǎn)品不僅性能良好或更好，而且可產(chǎn)生更大的價(jià)值。

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