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MEMS技术在定向钻进的应用露出曙光

导读: 随着石油和天然气行业刚刚从长期的低迷期恢复,运营商们对提高井下井智能性、提高技术可靠性、加快钻井速度并降低将井下作业联网成本等有强烈的需求。这些因素共同开创了基于微机电系统(MEMS)的定向钻进传感器技术的新时代。

据麦姆斯咨询报道,随着石油和天然气行业刚刚从长期的低迷期恢复,运营商们对提高井下井智能性、提高技术可靠性、加快钻井速度并降低将井下作业联网成本等有强烈的需求。这些因素共同开创了基于微机电系统(MEMS)的定向钻进传感器技术的新时代。

在油气钻探历史上,涉及钻井传感器技术的基本原理和方式只发生过两次改变。钻孔传感器的发明最早出现于20世纪20年代。在此之前,该行业基本是盲目钻探的。所开发的钻孔仪器只是使用了简单的技术,如在瓶中装酸将玻璃腐蚀出弯月面,或采用其他简单的机械手段测量井的偏差。

在20世纪70年代,随着磁导向工具的发明,一场重大的革命席卷了整个行业,其原理是当今大多数现代定向钻具仍然遵守的。然而,我们现在正在见证新时代的曙光——基于MEMS技术的定向钻进传感器正在被接受作为钻探的可靠替代品。

为什么是MEMS?

有了MEMS技术,人类按照最生动的想象力创造微型机械器件。设想齿轮、变速器、离合器、执行器,甚至微型涡轮发动机可以跟指甲一般大小。但是,人类如何从微观上实现呢?即使是现代精密计算机控制的机台也不能满足MEMS器件所需的微观尺度。

MEMS技术在定向钻进的应用露出曙光

秘诀在于半导体制造技术的革新。与制造当今强大计算机所需的微型晶体管的设备一样,半导体制造商可以一层一层地创建微观机械部件。材料的沉积、分层、通过光刻工艺和蚀刻工艺将多余的材料去除实现图案化,这是制造MEMS器件的关键技术。

基于半导体技术的MEMS制造不仅将器件微型化做到极致,而且使其价格低廉且坚固耐用。半导体工厂在制造芯片或MEMS之路上不断摸索,艰难前行。这些具有规模经济的电子器件使用相同工艺、设备和低成本材料,使得MEMS成为量产传感器极具吸引力的技术。

MEMS器件的微型化赋予了它们固有的可靠性。在半导体技术的基础上,这些器件结合了抗疲劳元器件,使MEMS结构通过数十亿甚至数万亿个循环仍不会失效。MEMS器件的微观尺寸意味着更小的运动质量,这意味着在冲击和振动下的可靠性表现极其优秀。

MEMS的经济规模

1993年,亚德诺半导体(ADI)发布了第一款MEMS加速度计,该传感器的批量制造首先起源于安全气囊应用对其的需求。从那时起,MEMS以惊人的速度发展。事实上,现在每个手机都有MEMS加速度计、磁力计和陀螺仪,许多手机还包括MEMS压力传感器(气压计)和麦克风。全球出货量以兆颗为单位计算的传感器只卖几美元甚至不到一美元。随着市场规模的不断扩大,MEMS技术的新应用将继续被发现。根据2017年Yole发布的《MEMS产业现状-2017版》,MEMS和传感器市场规模将从2016年的380亿美元增长至2021年的660亿美元,复合年增长率为12%。从出货量来看,传感器和执行器(包括声表面波(SAW)和体声波(BAW)滤波器、振荡器、喷墨头、微镜、微流控器件等)将从2016年的650亿颗增长至2021年的1380亿颗。

MEMS技术在定向钻进的应用露出曙光

2015~2021年MEMS和传感器市场规模

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