MEMS技术在定向钻进应用崭露头角

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。

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。

2015~2021年MEMS和传感器市场规模MEMS技术在定向钻进的应用令人惊讶的是，如今几乎所有的电子随钻测量（MWD）系统都采用了某种MEMS传感器。MEMS传感器具备感知和量化如钻探动态和功能失效等二次参数的天然特性。用于测量井下冲击、振动和旋转参数的传感器在市场上可购买到，经济实惠，并且能很好地满足要求。然而，MWD系统一直坚持使用传统的传感器技术来执行关键的钻孔定向测量。长期以来，工业界一直在努力寻找由三轴惯性（机械式、基于石英）加速度计和三轴磁通门（环形磁芯）磁力计组成的标准型定位传感器的替代物，标准型定位传感器曾是测量井眼位置的主要方法。传统传感器体积大、易碎、价格昂贵（有时相当于MEMS传感器成本的100到1000倍），但是非常精确，并且可以重复执行几十个温度循环。运营商可以容忍非常小的误差或井眼的不准确定位，但认证其他能匹配传统传感器现有精度和温度重复性的替代传感器技术却非常困难。定向钻进市场向MEMS技术逐渐开放今天的市场需求是极其严苛的。客户要求立即收到足量的定向钻进传感器（如：第一天提出需求，第二天就能收到货物），并证明比曾经使用的传感器价格更低，可靠性和性能却更高。

传统的传感器技术以成本高、交货时间长和稳定性差而成为市场需求的反面教材。这为传感器制造商投资开发和生产基于MEMS技术的传感器来取代传统传感器奠定了基础。创新：层出不穷提高传统传感器可靠性的一种行之有效的方法是设计具有两个或多个元器件的冗余系统，当最先使用的元器件失效时，作为备份的元器件可以立刻“候补”。出于传感器成本和尺寸的考虑，对传统传感器技术的创新者来说，这条路线实际上是走不通的。

但MEMS传感器尺寸更小，价格低很多，可以坦然进入正轨。现在，用两个或三个冗余定位传感器来构建系统变得可行，相比传统单一的传感器成本更低。MEMS传感器制造商可以部署大量的传感器阵列，在与传统传感器相同体积的前提下，可靠性、准确性和性能提升。这仅仅是MEMS传感器能够实现新应用和创新的可能性的开始。争霸市场的发展之路目前的“问题”不是“如果”而是“何时”我们将依赖于MEMS技术进行定向钻进工作。在本文中，大多数传感器都是基于传统技术制造的。然而，现在一些制造商提供创新的钻孔测量级的定向传感器，部分或完全基于MEMS技术，并适用于各种温度范围。随着业界对新型传感器的信心增长，我们期望更多的制造商进入市场。此外，我们采访了许多各个行业参与研究、开发、制造和供应传感器的公司，不仅仅局限于石油和天然气行业。每家被采访的制造商都展示了清晰的模式，那就是将研发资金从传统的传感器制造技术转移到基于MEMS的技术。

一些制造商放弃了对传统技术的投资，只专注于开发基于MEMS技术的传感器。最后，虽然基于MEMS技术的传感器早已被开发用于其他行业，并应用在石油和天然气行业，但一些专注于设计、开发和制造用于井下油气定向钻进的高温MEMS传感器的新公司也逐渐崭露头角。如今，对定向钻进服务公司的需求量越来越小，在面临供应创新产品的同时应对持续走低的价格，并维持运营，因此承受着越来越大的压力。设备制造商以有竞争力、可靠的钻进技术产品为服务公司“增添羽翼”，继续寻找出路，以期提供客户同样价格但更具创新性和性能更优秀的解决方案。

MEMS技术让新产品与传统传感器相比，不仅表现相当甚至更好，而且还提供更高的价值。