據(jù)麥姆斯咨詢報道，隨著石油和天然氣行業(yè)剛剛從長期的低迷期恢復，運營商們對提高井下井智能性、提高技術可靠性、加快鉆井速度并降低將井下作業(yè)聯(lián)網(wǎng)成本等有強烈的需求。這些因素共同開創(chuàng)了基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的定向鉆進傳感器技術的新時代。

在油氣鉆探歷史上，涉及鉆井傳感器技術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，如在瓶中裝酸將玻璃腐蝕出彎月面，或采用其他簡單的機械手段測量井的偏差。

在20世紀70年代，隨著磁導向工具的發(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技術的定向鉆進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，人類按照最生動的想象力創(chuàng)造微型機械器件。設想齒輪、變速器、離合器、執(zhí)行器，甚至微型渦輪發(fā)動機可以跟指甲一般大小。但是，人類如何從微觀上實現(xiàn)呢？即使是現(xiàn)代精密計算機控制的機臺也不能滿足MEMS器件所需的微觀尺度。

秘訣在于半導體制造技術的革新。與制造當今強大計算機所需的微型晶體管的設備一樣，半導體制造商可以一層一層地創(chuàng)建微觀機械部件。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現(xiàn)圖案化，這是制造MEMS器件的關鍵技術。

基于半導體技術的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)濟的電子器件使用相同工藝、設備和低成本材料，使得MEMS成為量產(chǎn)傳感器極具吸引力的技術。

MEMS器件的微型化賦予了它們固有的可靠性。在半導體技術的基礎上，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)濟規(guī)模

1993年，亞德諾半導體（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用對其的需求。從那時起，MEMS以驚人的速度發(fā)展。事實上，現(xiàn)在每個手機都有MEMS加速度計、磁力計和陀螺儀，許多手機還包括MEMS壓力傳感器（氣壓計）和麥克風。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)模的不斷擴大，MEMS技術的新應用將繼續(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技術在定向鉆進的應用

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)濟實惠，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)的傳感器技術來執(zhí)行關鍵的鉆孔定向測量。

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）磁力計組成的標準型定位傳感器的替代物，標準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（有時相當于MEMS傳感器成本的100到1000倍），但是非常精確，并且可以重復執(zhí)行幾十個溫度循環(huán)。運營商可以容忍非常小的誤差或井眼的不準確定位，但認證其他能匹配傳統(tǒng)傳感器現(xiàn)有精度和溫度重復性的替代傳感器技術卻非常困難。

定向鉆進市場向MEMS技術逐漸開放

今天的市場需求是極其嚴苛的。客戶要求立即收到足量的定向鉆進傳感器（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技術的傳感器來取代傳統(tǒng)傳感器奠定了基礎。

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計具有兩個或多個元器件的冗余系統(tǒng)，當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”。出于傳感器成本和尺寸的考慮，對傳統(tǒng)傳感器技術的創(chuàng)新者來說，這條路線實際上是走不通的。但MEMS傳感器尺寸更小，價格低很多，可以坦然進入正軌。

現(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、準確性和性能提升。這僅僅是MEMS傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)新應用和創(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技術進行定向鉆進工作。在本文中，大多數(shù)傳感器都是基于傳統(tǒng)技術制造的。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，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)的傳感器制造技術轉(zhuǎn)移到基于MEMS的技術。一些制造商放棄了對傳統(tǒng)技術的投資，只專注于開發(fā)基于MEMS技術的傳感器。

最后，雖然基于MEMS技術的傳感器早已被開發(fā)用于其他行業(yè)，并應用在石油和天然氣行業(yè)，但一些專注于設計、開發(fā)和制造用于井下油氣定向鉆進的高溫MEMS傳感器的新公司也逐漸嶄露頭角。

如今，對定向鉆進服務公司的需求量越來越小，在面臨供應創(chuàng)新產(chǎn)品的同時應對持續(xù)走低的價格，并維持運營，因此承受著越來越大的壓力。設備制造商以有競爭力、可靠的鉆進技術產(chǎn)品為服務公司“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技術讓新產(chǎn)品與傳統(tǒng)傳感器相比，不僅表現(xiàn)相當甚至更好，而且還提供更高的價值。