(57)【要約】流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するためのマイクロ流体デバイスおよび方法。マイクロ流体デバイスは、基板と、基板の表面と接合した少なくとも１つのカバーとを含み、流体チャネルがカバーまたは基板の少なくとも１つに形成される。さらに、マイクロ流体デバイスは、第１圧力サイトおよび第２圧力サイトの両方と流体連通した第１差動圧力センサを有することができる第１差動圧力ゲージを含む。さらに、マイクロ流体デバイスは、流体チャネルの第１セクションによって離れて配置される第１圧力サイトおよび第２圧力サイトを含む。さらに、マイクロ流体デバイスは、第１差動圧力センサで発生したデータを受け取るように、第１差動圧力センサと伝送可能に接続されたデータプロセッサを含む。
2010530545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体のレオロジー特性を測定する方法であって、
マイクロ流体デバイスに形成された流体チャネルの中に前記流体の流れを導入するステップと、
差動圧力センサを利用して、第１圧力サイトから第２圧力サイトへ延びる前記流体チャネルの第１セクションでの前記流体の圧力降下を測定するステップであって、前記差動圧力センサは第１および第２圧力サイトと流体連通するようにしたステップと、
流速データおよび圧力降下データをプロセッサへ伝送するステップと、
前記流速データおよび前記圧力降下データからレオロジー特性を計算するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記流れの流速は、外部で制御された流速で、前記流体を前記流体チャネルの中に導入することによって決定される請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記流れの流速は、未制御の流れであって、流速センサを用いて測定される請求項１記載の方法。
【請求項４】
計算される前記流体の前記レオロジー特性は、前記流体の粘性である請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記マイクロ流体デバイスは、直列接続された前記流体チャネルの複数のセクションと流体連通した、複数の差動圧力センサを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記複数のセクションの各セクションは、異なる断面形状または長さを持つように形成されている請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記マイクロ流体デバイスは、前記マイクロ流体デバイスに形成され、並列接続された流体チャネルの複数のセクションと流体連通した複数の流速センサを含む請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記複数のセクションの各セクションは、異なる断面形状または長さを持つように形成されている請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記レオロジー特性は、１つ又はそれ以上の流速（Ｑ）と圧力降下（Δｐ）のペアデータ値から計算される請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記レオロジー特性は、１つ又はそれ以上の流速（Ｑ）と圧力降下（Δｐ）のペアデータ値から計算される請求項８記載の方法。
【請求項１１】
流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するためのマイクロ流体デバイスであって、
基板と、
前記基板の表面と接合した少なくとも１つのカバーであって、流体チャネルが前記カバーまたは前記基板の少なくとも１つに形成されるようにしたカバーと、
第１圧力サイトおよび第２圧力サイトの両方と流体連通した第１差動圧力センサを有する第１差動圧力ゲージであって、前記第１圧力サイトおよび前記第２圧力サイトは、前記流体チャネルの第１セクションによって離れて配置されている第１差動圧力ゲージと、
前記第１差動圧力センサで発生したデータを受け取るように、第１差動圧力センサと伝送可能に接続されたデータプロセッサとを備えるマイクロ流体デバイス。
【請求項１２】
前記第１差動圧力センサは、基板膜によって第２流体導管から分離された第１流体導管を含み、
前記第１流体導管は前記第１圧力サイトと流体連通し、前記第２流体導管は前記第２圧力サイトと流体連通している請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１３】
前記基板膜の撓みは、圧電抵抗センサ素子、キャパシタシステムおよび光学システムからなるグループから選択されたセンサと関わる請求項１２記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１４】
第２差動圧力ゲージが、第３圧力サイトおよび第４圧力サイトの両方と流体連通した第２差動圧力センサを有し、
前記第３圧力サイトおよび前記第４圧力サイトは、前記流体チャネルの第２セクションによって離れて配置され、
前記第１セクションおよび前記第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、直列に配置される請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１５】
第１流れセンサが、データを送信するデータプロセッサと伝送可能に接続され、基板内に形成され、前記流体チャネルと流体連通している請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１６】
第２差動圧力ゲージが、第３圧力サイトおよび第４圧力サイトの両方と流体連通した第２差動圧力センサを有し、
前記第３圧力サイトおよび前記第４圧力サイトは、前記流体チャネルの第２セクションによって離れて配置され、
前記第１セクションおよび前記第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、直列に配置され、
前記第２差動圧力センサは、前記データプロセッサと伝送可能に接続されている請求項１５記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１７】
前記第１流れセンサは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスである請求項１５記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１８】
前記流体チャネルの前記第１セクションおよび第２セクションは、並列に配置され、前記流体チャネルの前記第１セクションおよび前記第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、
第２流れセンサが、データを送信する前記データプロセッサと伝送可能に接続され、前記流体チャネルの前記第２セクションと直列であり、
前記第１流れセンサは、前記流体チャネルの前記第１セクションと直列である請求項１５記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１９】
前記第１差動圧力センサは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスである請求項１２記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２０】
測定される前記流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性は、前記流体の粘性である請求項１１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２１】
流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するためのマイクロ流体デバイスであって、
基板と、
前記基板の表面と接合した少なくとも１つのカバーであって、流体チャネルが前記カバー、前記基板または、前記カバーと前記基板の組合せのうち少なくとも１つに形成されるようにしたカバーと、
第１圧力サイトおよび外部圧力の両方と流体連通した第１圧力センサを有する第１絶対圧力ゲージと、
第２圧力サイトおよび外部圧力の両方と流体連通した第２圧力センサを有する第２絶対圧力ゲージであって、前記第１圧力サイトおよび前記第２圧力サイトは、前記流体チャネルの第１セクションによって離れて配置されており、
前記基板内に、前記流体チャネルと流体連通するように形成された少なくとも１つの流れセンサとを備え、
前記第１圧力センサ、前記第２圧力センサおよび前記少なくとも１つの流れセンサは、データを送信するデータプロセッサと伝送可能に接続されているマイクロ流体デバイス。
【請求項２２】
前記第１圧力センサおよび前記第２圧力センサは、基板膜によって前記外部圧力から分離された個々の第１および第２分離流体導管を有するＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスであり、
前記第１流体導管は前記第１圧力サイトと流体連通し、前記第２流体導管は前記第２圧力サイトと流体連通している請求項２１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２３】
第３絶対圧力ゲージおよび第４絶対圧力ゲージが、前記流体チャネルの第２セクションと流体連通しており、
前記流体チャネルの前記第１および前記第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、直列配置されている請求項２１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２４】
２つ又はそれ以上の流速センサが、前記マイクロ流体デバイス内に、並列接続された前記流体チャネルの２つ又はそれ以上のセクションと流体連通するように形成される請求項２１記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２５】
測定される前記流体の前記１つ又はそれ以上のレオロジー特性は、前記流体の粘性である請求項２１記載のマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体のレオロジー（流動学:rheology）特性、例えば、絶対粘性などを測定するデバイスおよび方法に関する。詳細には、流体は、マイクロ流体センサ、例えば、マイクロ流体デバイスを通過する。マイクロ流体センサの構成要素であるＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスが、圧力低下、任意にはフローレートを測定する。このデータを利用して、プロセッサがレオロジー特性を計算できる。
【背景技術】
【０００２】
流体解析は、油田産業において重要である。新しい油井についての構築決定は、ダウンホール(down hole)（貯留層流体に直接に）またはアップホール(up hole)（地表において）を行う際、流体特性の測定に大きく基づいている。化学組成、相図、流体の密度および粘性に関する情報は、特定の油井のどのゾーンが生産に経済的であるかを決定し、該ゾーンのための正しい基幹施設を設置することにとって重大である。他の産業も、種々の流体パラメータ、例えば、粘性を監視して、例えば、ある部品の適切な潤滑を確保したり、製造プロセスを管理することに関心がある。
【０００３】
粘性は、流体が示す、剪断または流れの内部抵抗であって、接着性／粘着性または摩擦性の流体特性の測定値である。抵抗は、流体層が互いに摺動しようとする際に作用する分子間摩擦によって生ずる。「見かけ粘性」は、品質管理の目的でしばしば使用される。テスト流体の粘性は、設備の共通ピース内の管理流体の粘性と比較され、例えば、スピンドルを流体中で回転させるのに必要なトルクについて比較してもよい。しかしながら、測定値は、特定のテスト設備について狭い範囲の粘性で意味を持つだけである。
【０００４】
「絶対粘性」は、流体によって単位距離だけ離れて維持される場合、一方の水平面を他方に対して単位速度で移動させるのに必要な単位面積当たりの接線分力(tangential force)である。これは、下記の式（１）によって数学的に表現できる。
【０００５】
【数１】
2010530545.tif 000003
【０００６】
ここで、ηは粘性であり、τＷは水平面の一方に印加される剪断応力であり、γドットは、同じ面での流体の剪断速度(shear rate)である。絶対粘性は、測定がより困難であるが、より意味のある結果を提供するものであり、テスト設備および方法から独立している。運動(kinematic)粘性は、流体の絶対粘性をその密度で除算することによって得られる派生した量である。例えば、センサは、運動粘性を直接測定できる。例えば、捩り重錘粘性計「Viscolite」（Hydramotion社製、ヨーク市、英国）など。
【０００７】
流体の流れは、「ニュートン性」または「非ニュートン性」となる。粘性応力テンソルが剪断速度テンソルに対して線形的に比例し、粘性が比例定数である場合、流体はニュートン性である。それ以外は、流体は非ニュートン性であり、剪断速度、法線応力差、または両方の効果の組合せに対して一定でない粘性に起因している。
【０００８】
非圧縮性のニュートン流体が、半径Ｒを持つ円形断面のチューブを完全に発達した層流領域で流れる場合、チューブの壁での剪断応力τＷ、見かけ剪断速度γＡドットは、下記の式（２）（３）により、長さＬのチューブに沿って発達する圧力降下Δｐおよび体積流速(flow rate)Ｑと単に関連付けられる（文献"Rheological Techniques, 2nd edition, R.W. Whorlow"を参照）。
【０００９】
【数２】
2010530545.tif 000004
【００１０】
壁の剪断応力に関する上記定義は、円形対称性を持つチューブ内を完全に発達した層流領域で流れるニュートン性および非ニュートン性の流体の両方について真実である。上記の剪断速度は、ニュートン流体の場合だけ実際の剪断速度と等しいことから、見かけ剪断速度と称される。これらの式は、上記式（１）と関連して用いた場合、粘性ηをこれらの同じ量と関連した表現を導く。
【００１１】
【数３】
2010530545.tif 000005
【００１２】
非円形断面のチューブの場合、分母の数値は上記の値８と異なって、幾つかの幾何形状について解析的に、あるいは任意の幾何形状についての数値計算によって、あるいは既知の粘性標準物を用いた較正によって実験的に得られる。これは、後段でより詳細に検討する。以下は、円形断面を持つ毛管粘性計を用いて非ニュートン流体の粘性を測定するための適切な解釈の検討である。
【００１３】
非圧縮性の非ニュートン流体が円筒チューブ中を流れる場合、壁での剪断速度は、導出するのがより困難である。上記の式（３）で与えられる剪断速度は正確でなく、ラビノービチ(Rabinowitsch)の式を用いて計算する必要がある。（文献"Rheological Techniques, 2nd edition, R.W. Whorlow"を参照）。
【００１４】
【数４】
2010530545.tif 000006
【００１５】
ただし、ｎは、式（６）で定義される。
【００１６】
【数５】
2010530545.tif 000007
【００１７】
γＷドットは、壁での実際の剪断速度であり、γＡドットは、流体がニュートン性である場合に存在するであろう剪断速度（４Ｑ／・Ｒ３）である。τＷは、壁での剪断応力であり、ＲΔｐ／（２Ｌ）で与えられる。この表現が導関数(derivative)を含むため、実際の壁応力だけは、幾つかの（Δｐ，Ｑ）値ペアが既知であれば決定することができ、幾つかのペアが既知であればより確実である。剪断速度に独立の粘性は、非ニュートン流体について次のように計算できる。
【００１８】
【数６】
2010530545.tif 000008
【００１９】
先に述べたように、非円形形状でのニュートン流体の粘性測定は、その低い対称性に起因して、異なる解析を必要とする。簡単な例は、横方向サイズの一方が他方より１０倍以上でかなり大きく、システムを１次元として簡単に取り扱いできるスリットダイ(slit die)の場合であろう。これは、とても底が浅く、とても幅広であり、両方の横寸法がその長さと比べて小さい毛細管において適用できるであろう。この場合、壁での剪断応力は、下記の式（８）のようになる。
【００２０】
【数７】
2010530545.tif 000009
【００２１】
ここで、Ｈは、チャネルの深さである。さらに、ニュートン流体についての見かけ剪断速度は、下記の式（９）のようになる。
【００２２】
【数８】
2010530545.tif 000010
【００２３】
ここで、Ｗは、チャネルの幅である。粘性は次のように計算される。
【００２４】
【数９】
2010530545.tif 000011
【００２５】
再び非ニュートン流体に関して、もう少し複雑な解析が必要であり、下記のような壁表面での剪断速度をもたらす。
【００２６】
【数１０】
2010530545.tif 000012
【００２７】
スリット形状の粘性計算は、非ニュートン流体については、次のように適切に修正される。
【００２８】
【数１１】
2010530545.tif 000013
【００２９】
ここで再び、ｎは上記の式（６）によって定義される。スリットダイについての結果は、ある場合には、２つの横寸法（ＨとＷ）が同等である矩形ダイに一般化できる。この場合、壁での剪断応力は、下記の式（１３）になる。
【００３０】
【数１２】
2010530545.tif 000014
【００３１】
ニュートン流体については、粘性の解析的解がＨとＷの全ての組合せについて導出できる。
【００３２】
【数１３】
2010530545.tif 000015
【００３３】
ここで、ｆ＊（ｘ）は、次のように定義される。
【００３４】
【数１４】
2010530545.tif 000016
【００３５】
そして、ｆ＊（ｘ）は、下記（表１）で与えられる（出典 "Son, Polymer 48, p. 632, 2007)"）。
【００３６】
【表１】
2010530545.tif 000017
【００３７】
矩形形状での非ニュートン流体については、解析的解が存在しないが、数値的解法が幾つかのＨ／Ｗ比について表集計されている。文献（"Son, Polymer 48, p. 632, 2007)"）をさらに参照すると、Son氏が提供する多くの解の表集計および計算アルゴリズムは、矩形寸法の幾何形状において非ニュートン流体の粘性を測定可能にする。
【００３８】
見かけまたは実際の粘性を測定する多くの方法が、研究所または産業用途に利用可能である。簡単な方法は、ある体積の流体が、例えば、マーシュ漏斗(Marsh funnel)など、よく定義された幾何形状を持つ出口から流出するのに必要な時間を測定することによるものである。
【００３９】
代替として、２つの回転面、例えば、２つの平プレート、２つの同心円筒、またはコーンおよびプレートの間に閉じ込めることによって剪断歪みを流体に印加することができ、発達する剪断応力を測定する。他の代替として、流体中に浸漬された回転物体への応力を監視してもよい。応力と歪みとの比率は、特定のデバイス形状によって正規化され、絶対粘性の直接測定を提供する。これは、多くの市販の研究所デバイスの原理動作である。
【００４０】
さらに、パイプを通る流れは、圧力降下を生成する。これは差動圧力ゲージを用いて監視できる。流れ自体は、例えば、容積ポンプなどによって外部から強制され、あるいは種々のタイプのフロー計測デバイスを用いて監視される。流れが層状で、流体がニュートン性である場合、体積流速、体積流速、パイプ形状、およびパイプに沿った圧力降下の知識は、流れる流体の粘性を決定するのに充分に情報を提供する。この原理は、幾つかの市販の粘性計で用いられており、例えば、コリオリ(Coriolis)式流量計から質量流速が得られる。この場合、得られる量は運動粘性であり、密度が別個に既知である場合だけ、絶対粘性が取得できる。
【００４１】
代替として、流速は与えられて、使用する圧力センサが圧力降下を監視する。幾つかの流速を与えて、対応する圧力降下を測定することによって、幾つかの非ニュートン態様の流体が観測できる。こうした原理は、マイクロ流体デバイス内にも適用されている。例えば、用語「マイクロ流体(micro-fluidic)」は、流体がサブミリメータのチャネル内に流れるセンサを参照できる。典型的には、これらのチャネルは、１〜数百ミクロンの直径を有する。時には、既知の粘性を想定して、流体流速などの他のパラメータを決定するために同じ物理的原理が用いられることに留意する。
【００４２】
このタイプの測定では流れの層状特性が重要であるため、１つ又はそれ以上のバイパスを用いて、乱流となり得る流れを、幾つかの層状小流(substream)に変換するための方法が考案されている。流速を測定するために熱的方法が一般に用いられ、特に著名なものはホットワイヤ測風学(anemometry)法である。
【００４３】
米国特許出願公開第２００５／０１８３４９６Ａ１号(Baek)は、エッチングされた３つの層で形成されたマイクロ流体レオメータ(rheometer)を開示する。上層に形成された空洞は、中間層に接合されてチャネルを形成する。中間層の底面は、キャパシタ形態の圧力トランスジューサの半分を含む。底ピースは、トランスジューサの他方の半分（他方のキャパシタプレート）および電気接続を有し、絶対圧力ゲージが得られる。チャネル底面の撓みは、２つのプレート間の間隔を変化させ、キャパシタの電気パラメータを変化させている。こうした幾つかの絶対圧力ゲージが、スリット形状の流体チャネルに沿って配置される。ポンプがテスト流体を導入するために用いられ、ポンプ及び／又はバルブシステムが、流速を制御するために用いられる。
【００４４】
流体中に浸漬された共振器の共振カーブ形状が、粘性、ある場合には流体の密度を推定するために使用できる。共振器デバイスは、機械的、電磁気的または圧電的な方法によって駆動できるとともに、発振の振幅は、このデバイスをトランスジューサとして用いて検出でき、外部ゲージを用いて歪みを測定し、あるいは光学手段（例えば、干渉計）を用いて直接測定を行う。振動センサの例が、国際公開第２００６／０９４６９４Ａ１号、国際公開第２００７／０７７０３８Ａ１号に開示されており、発明の名称は両方とも「A Density and Viscosity Sensor」であり、出願人は両方とも「Schlumberger Technology B.V.」である。
【００４５】
振動物体を用いた粘性測定計測学の他の例として、米国特許第７１９４９０２号(Goodwin, et al.)は、油井用のダウンホール粘性測定システムを開示する。このシステムは、移動流体を通って伸びるテンションワイヤを含む。共振カーブのＱ値は、絶対粘性の関数である。
【００４６】
米国特許公開第２００７／００６１０９３Ａ１号(Angelescu, et al.)は、流体チャネル内の流体の流速を測定する方法および装置を開示する。流れる流体は、最初に、流体流れの中にトレーサ(tracer)を注入する注入エレメントを通過する。続いて、このトレーサは、第１および第２下流(downstream)センサによって検出される。注入エレメントおよび検出センサからのデータは、プロセッサへ送信されて、時間データを利用して流速を決定する。
【００４７】
米国特許第７１９４９０２号、米国公開第２００５／０１８３４９６Ａ１号、米国公開第２００７／００６１０９３Ａ１号は、参照により全てがここに組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４８】
上記システムは、流体の一定の特徴、例えば、粘性または流速などを決定したり、管理されたパラメータの下で絶対粘性を決定するのに有効であるが、潜在的には高い環境圧力で、潜在的には流速の予備知識無しで、絶対粘性を正確に決定するのに有効なマイクロ流体システムについてのニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００４９】
（発明の要旨）
本発明は、流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するためのマイクロ流体デバイス、例えば、センサに関する。好ましい実施形態において、マイクロ流体デバイスは、第１基板を含み、そこには差動圧力ゲージが、第１圧力サイトと流体連通した一方の側と、第２圧力サイトと連通した他方の側とを有するように形成され、２つの圧力サイトは流体チャネルで接続されている。流体チャネルは、差動圧力ゲージとして同じ基板に作製されていてもよく、あるいは、第１基板と隣接し接合された異なる基板に作製されていてもよい。信号導管(conduit)は、第１差動圧力ゲージで発生したデータをデータプロセッサへ効率的に伝送する。
【００５０】
第２実施形態において、マイクロ流体デバイスは、上記構成に加えて、チャネルを通過する流体の流速を決定できる流れ測定デバイスを含む。流れ測定デバイスは、差動圧力ゲージと同じ基板に構築してもよい。
【００５１】
第３実施形態は、流体チャネル、流れ測定デバイス、および、流体チャネルに沿って１つ又はそれ以上の場所と連通した、１つ又はそれ以上の絶対圧力センサを組み込んでいる。上述した差動圧力センサ、絶対圧力センサおよび流速センサは、ＭＥＭＳデバイスでもよい。
【００５２】
本発明の他の態様によれば、マイクロ流体センサの応用は、流体のレオロジー特性を決定することが必要である石油サービス産業のためでもよい。レオロジー特性、粘性は、流速および圧力降下が既知である場合、ニュートン流れを有する流体について計算してもよい。幾つかの応用では、流体は、外部の流れ調整デバイスによって、例えば、実験室(lab)設定またはアップホール(up hole)設定でセンサに配給される。センサは、前の段落の好ましい実施形態で説明したように利用してもよい。流れが外部で制御できない場合の応用では、例えば、ダウンホール(down hole)環境の場合、前の段落の第２または第３実施形態が好ましいかもしれない。
【００５３】
本発明の他の態様によれば、非ニュートン流れを有する流体のレオロジー特性を決定する場合、複数の流れチャネルに渡って分散した複数の差動圧力ゲージ（同じ基板または隣接する基板に形成してもよい）から得られるデータが、粘性を剪断応力の関数として取得するように測定可能である。
【００５４】
本発明は、流体のレオロジー特性を決定する方法に関する。該方法は、マイクロ流体デバイスに形成された流体チャネルの中に流体の流れを導入するステップを含む。さらに、該方法は、差動圧力センサを利用して、第１圧力サイトから第２圧力サイトへ延びる流体チャネルの第１セクションでの圧力降下を測定するステップを含む。さらに、該方法は、第１および第２圧力サイトと流体連通できる差動圧力センサを含む。また、該方法は、流速データおよび圧力降下データをプロセッサへ伝送するステップを含む。最後に、該方法は、流速データおよび圧力降下データからレオロジー特性を計算するステップを含む。
【００５５】
本発明の特徴によれば、該方法は、外部で制御された流速で、流体を流体チャネルの中に導入することによって決定できる流体の流速を含む。
【００５６】
本発明の特徴によれば、該方法は、未制御の流れであってもよい、流速センサを用いて測定できる流体の流速を含む。
【００５７】
本発明の特徴によれば、該方法は、流体の粘性として計算される、流体のレオロジー特性を含む。
【００５８】
本発明の特徴によれば、該方法は、直列接続が可能な、流体チャネルの複数のセクションと流体連通した、複数の差動圧力センサを有するマイクロ流体デバイスを含む。
【００５９】
本発明の特徴によれば、該方法は、異なる断面形状または長さを持つように形成できる複数のセクションの各セクションを含む。
【００６０】
本発明の特徴によれば、該方法は、マイクロ流体デバイスに形成され、並列接続が可能な流体チャネルの複数のセクションと流体連通した複数の流速センサを有するマイクロ流体デバイスを含む。
【００６１】
本発明の特徴によれば、該方法は、異なる断面形状または長さを持つように形成できる複数のセクションの各セクションを含む。
【００６２】
本発明の特徴によれば、該方法は、１つ又はそれ以上の流速（Ｑ）と圧力降下（Δｐ）のペアデータ値から計算可能なレオロジー特性を含む。
【００６３】
本発明の特徴によれば、該方法は、１つ又はそれ以上の流速（Ｑ）と圧力降下（Δｐ）のペアデータ値から計算可能なレオロジー特性を含む。
【００６４】
本発明の特徴によれば、流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するためのマイクロ流体デバイスが使用できる。マイクロ流体デバイスは、基板と、基板の表面と接合した少なくとも１つのカバーとを含むことができ、カバーまたは基板の少なくとも１つに形成された流体チャネルを備える。さらに、マイクロ流体デバイスは、第１圧力サイトおよび第２圧力サイトの両方と流体連通した第１差動圧力センサを有することができる第１差動圧力ゲージを含む。さらに、マイクロ流体デバイスは、流体チャネルの第１セクションによって離れて配置される第１圧力サイトおよび第２圧力サイトを含む。さらに、マイクロ流体デバイスは、第１差動圧力センサで発生したデータを受け取るように、第１差動圧力センサと伝送可能に接続されたデータプロセッサを含む。
【００６５】
本発明の特徴によれば、第１差動圧力センサは、基板膜(membrane)によって第２流体導管から分離された第１流体導管を含み、第１流体導管は第１圧力サイトと流体連通し、第２流体導管は第２圧力サイトと流体連通している。
【００６６】
本発明の特徴によれば、基板膜の撓みは、圧電抵抗(piezo-resistive)センサ素子、キャパシタシステムおよび光学システムからなるグループから選択されたセンサと関わる。
【００６７】
本発明の特徴によれば、第２差動圧力ゲージが、第３圧力サイトおよび第４圧力サイトの両方と流体連通した第２差動圧力センサを有する。第３圧力サイトおよび第４圧力サイトは、流体チャネルの第２セクションによって離れて配置され、そこでは第１セクションおよび第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、直列に配置される。
【００６８】
本発明の特徴によれば、第１流れセンサが、データを送信するデータプロセッサと伝送可能に接続され、基板内に形成可能であって、流体チャネルと流体連通している。
【００６９】
本発明の特徴によれば、第２差動圧力ゲージが、第３圧力サイトおよび第４圧力サイトの両方と流体連通した第２差動圧力センサを有することができる。第３圧力サイトおよび第４圧力サイトは、流体チャネルの第２セクションによって離れて配置され、そこでは第１セクションおよび第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、直列に配置され、そして、第２差動圧力センサは、データプロセッサと伝送可能に接続される。
【００７０】
本発明の特徴によれば、第１流れセンサは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスとすることができる。
【００７１】
本発明の特徴によれば、流体チャネルの第１セクションおよび第２セクションは、並列に配置でき、そして、流体チャネルの第１セクションおよび第２セクションは、異なる断面形状または長さを有する。
【００７２】
さらに、第２流れセンサは、データを送信するデータプロセッサと伝送可能に接続可能であり、流体チャネルの第２セクションと直列(in line)であってもよく、そして、第１流れセンサは、流体チャネルの第１セクションと直列であってもよい。
【００７３】
本発明の特徴によれば、第１差動圧力センサは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスとすることができる。
【００７４】
本発明の特徴によれば、測定される流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性は、流体の粘性とすることができる。
【００７５】
本発明の特徴によれば、マイクロ流体デバイスは、流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するために使用できる。マイクロ流体デバイスは、基板と、基板の表面と接合した少なくとも１つのカバーとを含むことができ、カバー、基板または、カバーと基板の組合せのうち少なくとも１つに形成された流体チャネルを備える。さらに、第１絶対圧力ゲージは、第１圧力サイトおよび外部圧力の両方と流体連通した第１圧力センサを有することができる。さらに、第２絶対圧力ゲージは、第２圧力サイトおよび外部圧力の両方と流体連通した第２圧力センサを有することができ、第１圧力サイトおよび第２圧力サイトは、流体チャネルの第１セクションによって離れて配置される。また、少なくとも１つの流れセンサが、基板内に、流体チャネルと流体連通するように形成できる。さらに、第１圧力センサ、第２圧力センサおよび少なくとも１つの流れセンサは、データを送信するデータプロセッサと伝送可能に接続可能である。
【００７６】
本発明の特徴によれば、第１圧力センサおよび第２圧力センサは、基板膜によって外部圧力から分離された個々の第１および第２分離流体導管を有するＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスとすることができ、第１流体導管は第１圧力サイトと流体連通し、第２流体導管は第２圧力サイトと流体連通している。
【００７７】
本発明の特徴によれば、第３絶対圧力ゲージおよび第４絶対圧力ゲージが、流体チャネルの第２セクションと流体連通することができ、流体チャネルの第１および第２セクションは、異なる断面形状または長さを有し、直列配置が可能である。
【００７８】
本発明の特徴によれば、２つ又はそれ以上の流速センサが、マイクロ流体デバイス内に、並列接続が可能な流体チャネルの２つ又はそれ以上のセクションと流体連通するように形成できる。
【００７９】
本発明の特徴によれば、流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性が流体の粘性として測定可能である。
【００８０】
本発明の１つ又はそれ以上の実施形態の詳細は、添付図面および下記説明において記述している。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明、図面から、そして請求項から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
本発明は、本発明の例示の実施形態の非限定的な例として記載した複数の図面を参照して、詳細な説明において説明される。図面の幾つかの図を通じて同様な符号は同様な部品を表す。
【００８２】
【図１】本発明の実施形態に従って、流速が外部で制御可能な応用においてニュートンまたは非ニュートン流れを有する流体のレオロジー特性を測定するのに有効なマイクロ流体センサを示す。
【図２】図２Ａと図２Ｂは、図１の本発明の一態様に係るマイクロ流体センサの流体チャネル部を断面図で示す。
【図３】図１の本発明の一態様に係るマイクロ流体センサに集積化された差動圧力センサを断面図で示す。
【図４】本発明の一態様に従って、流速が外部で制御できない応用においてニュートン流れを有する流体のレオロジー特性を測定するのに有効なマイクロ流体センサを示す。
【図５】図４の本発明の一態様に係るマイクロ流体センサに集積化された流速センサを断面図で示す。
【図６】本発明の一態様に従って、絶対圧力ゲージを利用して流体のレオロジー特性を測定するのに有効なマイクロ流体センサを示す。
【図７】図６の本発明の一態様に係る絶対圧力ゲージを断面図で示す。
【図８】本発明の一態様に従って、ニュートンまたは非ニュートン流れを有する流体のレオロジー特性を測定するのに有効なマイクロ流体センサを示す。
【図９】ニュートンまたは非ニュートン流れを有する流体のレオロジー特性を測定するのに有効なマイクロ流体センサを示す本発明の他の実施形態である。
【図１０】本発明の一態様に従って、ここで開示したようなマイクロ流体センサを含むことができるダウンホールツールを示す。
【図１１】本発明の一態様に従って、流体チャネル内で熱トレーサ流量計によって測定されるように、流速と流体粘性との関係をグラフで示す。
【図１２】本発明の一態様に従って、幾つかのニュートン流体について、流速または等価的に壁剪断速度と、差動圧力との関係をグラフで示す。
【図１３】本発明の一態様に従って、ここで説明した原理を用いて測定される圧力降下と流速との比と、使用したテスト流体の粘性との直線関係をグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００８３】
ここで示す詳細事項は、例示であって、本発明の実施形態の説明検討の目的のために過ぎず、本発明の原理および概念的態様について最も有用で容易に理解される説明と考えられるものを提供するために提示されている。
【００８４】
これに関して、本発明の基本的理解に必要なものより詳しくは本発明の構造的詳細を示すことはしていない。説明は、図面とともに、本発明の幾つかの形態がどのように実際に具体化されるかを当業者に明らかにしている。さらに、種々の図面における同様な参照番号および参照符号は同様な要素を意味する。
【００８５】
本発明は、流体の１つ又はそれ以上のレオロジー特性を測定するためのマイクロ流体センサ（マイクロ流体デバイスとも称される）に関する。好ましい実施形態において、マイクロ流体センサは、第１基板を含み、そこには差動圧力ゲージが、第１圧力サイトと流体連通した一方の側と、第２圧力サイトと連通した他方の側とを有するように形成され、２つの圧力サイトは流体チャネルで接続されている。流体チャネルは、差動圧力ゲージとして同じ基板に作製されていてもよく、あるいは、第１基板と隣接し接合された異なる基板に作製されていてもよい。信号導管(conduit)は、第１差動圧力センサで発生したデータをデータプロセッサへ効率的に伝送する。
【００８６】
本発明の特徴によれば、流体のレオロジー特性、例えば、粘性などの測定は、毛細管を既知の速度で流れる流体中で発達する圧力降下の知識によって達成できる。例えば、こうした測定は、幾つかの絶対圧力ゲージまたは、１つ又はそれ以上の差動圧力ゲージによって実施できる。絶対圧力が高く、毛細管に沿って粘性圧力降下が小さい場合、差動圧力ゲージは、幾つかの絶対圧力ゲージを使用する場合と比べて、高い精度および正確さを有することになる。粘性圧力降下および絶対圧力の両方が既知であって、同程度の大きさである場合、いずれの方法も使用可能であり、製造の容易さまたはコストなど、別の基準によって選択を決定してもよい。流速は、外部で制御してもよく、あるいは流量計を用いて測定してもよい。
【００８７】
本発明の特徴によれば、上述のように、式（１）（４）（７）（１０）（１２）（１４）のうちの１つを特に参照して、手近な幾何形状および流体について最も適切な１つを用いて、特定のチャネル形状でニュートンおよび非ニュートン流体について圧力降下Δｐおよび流速Ｑのデータから、粘性の計算を実施できる。
【００８８】
図１は、本発明の一態様に従って、実験室(lab)またはアップホール(up hole)の環境の場合のように、流速が外部で制御可能な環境においてレオロジー測定に有効なマイクロ流体センサ１０を平面図で示す。マイクロ流体センサ１０は、差動圧力ゲージ１４を含み、これは基板１６上に形成されたＭＥＭＳデバイスでもよい。差動圧力ゲージ１４は、流体が２つのポイント間を流れる際の差動圧力を測定する。差動圧力および後述のような他のデータを利用することによって、マイクロ流体センサ１０は、流体のレオロジー特性、例えば、絶対粘性などを計算するために用いられる。
【００８９】
図１を参照して、差動圧力ゲージ１４は、第１圧力サイト３０から第２圧力サイト３２へ延びる流体チャネル２０を含む。上流導管３３が第１圧力サイト３０から分岐し、下流導管３５が第２圧力サイト３２から分岐している。上流導管３３は圧力センサ３４の上流側３７で終端し、下流導管３５は圧力センサ３４の下流側３９で終端している。基板膜(membrane)３８が、上流側３７と下流側３９を分離している。上流側３７での流体は、第１圧力サイト３０での流体と同じ圧力であり、下流側３９での流体は、第２圧力サイト３２での流体と同じ圧力である。流体チャネル２０の長さに渡る差動圧力と等しい、基板膜３８を横切る差動圧力が存在している。この差動圧力の結果として基板膜３８は撓み、撓み量を測定することによって差動圧力が決定される。
【００９０】
本発明の特徴によれば、流速は、マイクロシリンジまたは、制御されたフローポンプによって外部で制御可能であり、例えば、実験室またはアップホールの応用などのように、マイクロ流体センサへ入る流体の流れを制御している。従って、良好に定義されたチャネルに沿った流速および圧力降下の知識は、絶対粘性を正確に測定するのに充分である。ニュートン流体では、チャネル壁面での流速または等価的には剪断応力と関係なく、上記の関係が保たれる。
【００９１】
図１を参照して、本発明の一態様によれば、流体入り口１８は、既知の寸法および既知の断面形状の流体チャネル２０の中に流体を導入する。非ニュートン流れの測定を容易にするためには、円形またはスリット状の断面が好ましい。断面形状がスリット状である場合、例えば、アスペクト比が約１０：１を超える場合、エッジ効果が無視でき、精度向上にとって１０：１を超えるアスペクト比が好ましいであろう。製造の容易のためには、１に近いアスペクト比を持つ矩形断面が好ましいであろう。
【００９２】
図２Ａと図２Ｂは、本発明の一態様に従って、図１の２−２線に沿ったマイクロ流体センサ１０の断面を示す。流体チャネル２０は、圧力センサの対向側にある２つの圧力サイト間で、チャネルの長さに沿って一貫した幾何形状を達成するのに有効な何れの方法によって形成してもよい。本発明の一態様に従って可能なように、図２Ａに示すように、基板１６は、半導体材料、例えば、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、ガラスまたはガリウム砒素などで作製され、流体チャネル２０は、ドライプラズマ、超音波またはウェット化学エッチング法によってそこに部分的にエッチングされる。
【００９３】
上カバー２６および底カバー２８は、幾つかのタイプのガラス（Ｐｙｒｅｘ，Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ）、セラミック材料またはシリコンで作製でき、基板１６に接合される。基板１６がシリコンベースの材料で、カバー２６，２８がガラスまたはシリコンで作製される場合、カバーを基板に接合するために、陽極直接シリコンまたは共晶接合法を利用してもよい。基板１６およびカバー２６，２８の両方がガラスである場合、直接（拡散）接合を実施できる。組み立てた構造は、制御された幾何形状の流体チャネル２０を有する。
【００９４】
図２Ｂは、本発明の一態様に従って、一方のカバー２８に形成可能であって、基板１６と隣接配置された流体チャネル２０を示す。
【００９５】
本発明は、集積回路およびＭＥＭＳ技術に共通した製造技術を用いることによって製造できる小型デバイスを含むことができる。これらは、ポリマーフォトレジスト、シリコン、ガラス、金属膜、シリコン酸化物、窒化物などのパターニングおよび加工の材料のための製造プロセスを含み、極めて小さな機械デバイスの製造を可能にする。
【００９６】
図３は、本発明の一態様に従って、図１のの３−３線に沿った断面図で示した、差動圧力ゲージの圧力センサ要素３４の動作を示す。流体チャネル、上流導管３３および下流導管３５は、基板１６内またはカバー２６，２８のいずれかに製作できる。例えば、サンドブラスト、超音波製造、ドライプラズマエッチング、化学ウェットエッチング、レーザアブレーション等、いずれか適切な製造方法が利用できる。１つの可能な実施例では、上流導管３３は、基板１６の第１面に部分形成され、上カバー２６に部分形成される。裏面溝４１が、基板１６の反対の第２面に形成される。裏面溝のための材料除去は、基板１６の孔開け手前で停止し、その結果、薄い基板膜３８が残る。下流導管３５は、裏面溝４１によって部分形成され、底カバー２８に部分形成される。
【００９７】
図３を参照して、本発明の一態様に従って、基板膜３８は、上流導管３３の流体と下流導管３５の流体との圧力差によって撓むのに充分な薄さである。典型的には、基板膜３８は、１〜数百マイクロメータのオーダーの厚さを有する。基板膜３８の撓み量は、圧力差に比例する。撓みは、例えば、基板膜３８の上に成膜した圧電抵抗(piezo-resistive)センサ素子４０、あるいはキャパシタシステムまたは光学システムなど、いずれか有効な手段によって測定できる。圧電抵抗センサ素子４０は、基板膜３８の表面部分をコーティングする絶縁層４２の上に成膜され、リソグラフィおよびエッチングによって規定される。外部電圧源を用いて起動すると、圧電抵抗センサ素子４０は、撓み量に比例し、よって第１圧力サイトの流体と第２圧力サイトの流体との流体圧力差に比例した電圧を出力する。圧力差は、かなり小さい傾向があり、広い範囲の値で変化し得る環境圧力によって影響されないため、差動圧力ゲージは広い範囲の流体圧について有効である。
【００９８】
金属化した回路配線４４は、圧電抵抗センサ素子４０の電圧出力を基板１６の表面に伝えるために利用できる。回路配線４４は、電圧計、収集ボード、オシロスコープ、専用の電子回路、他の電圧測定装置またはプロセッサと接続され、流速データおよび圧力降下データからレオロジー特性の計算を容易にする。
【００９９】
本発明の一態様に従って、第１圧力サイト３０と第２圧力サイト３２との間の距離を増加させることによって、圧力降下が増加し、従って、測定感度が増加する。流体チャネル２０は、図１に示すような蛇行構成、あるいは、長さを増やす何れか他の形状を有してもよい。第２圧力サイト３２を横切った後、流体は、流体出口４６でマイクロ流体センサ１０を出る。
【０１００】
図４は、本発明の一態様に従って、多くの応用、例えば、ダウンホール(down hole)油田応用など、流れを外部制御するのが実用的でないと考えられる場合を示す。特に、図４は、流量が外部制御されない応用にとって有効なマイクロ流体センサ１０’を示す。このマイクロ流体センサ１０’は、流速センサ１２を含む。流速センサは、基板１６の中に形成されたＭＥＭＳデバイスでもよい。例示のＭＥＭＳ流速センサ１２は、図４の５−５断面線に沿って見た図５に示す。トレーサ放出器４８は、流体チャネル２０を通って流れる流体中にトレーサ(tracer)を放出する（典型的には、熱パルスの形態で）。第１トレーサ検出器５０および、場合によっては第２トレーサ検出器５２が利用され、トレーサ信号を検出し、トレーサ放出器４８からのトレーサの進行時間を計算する。トレーサ放出器４８およびトレーサ検出器５０，５２は、流体チャネル２０の壁に実現してもよく、あるいは、図５に示すように、流体チャネルを横切るブリッジとして延びていてもよい。
【０１０１】
典型的には、トレーサは、正確に時間計測した区間でパルスとして放出される。しかしながら、本発明の一態様に従って、トレーサは、確率論的または擬ランダムのシーケンスの形態で放出してもよい。その場合、放出されたトレーサ信号とトレーサ検出器５０，５２で検出される信号との相互相関をとることによって、飛行時間が決定できる。
【０１０２】
複数のデータポイントは、（１）トレーサ放出器４８から第１トレーサ検出器５０へ横断する時間、（２）トレーサ放出器４８から第２トレーサ検出器５２へ横断する時間、（３）第１トレーサ検出器５０から第２トレーサ検出器５２へ横断する時間を含み、流速を正確に計算するために利用できる。
【０１０３】
本発明の一態様に従って、ＭＥＭＳ流速センサ１２の一例は、トレーサ放出器４８として宙吊りブリッジを有してもよい。その結果、抵抗回路配線４４を介して電圧を印加することによって、トレーサ放出器４８の温度が既知の量だけ増加する。この場合、熱パルスが流体チャネル２０を介して流体によって伝達される。熱パルスが第１宙吊りトレーサ検出器５０および第２宙吊りトレーサ検出器５２に到達する時間は、宙吊りトレーサ検出器５０，５２に配置された抵抗温度検出器４４’，４４”（ＲＴＤ）または熱電対を用いることによって決定できる。抵抗回路配線４４’，４４”は、ＲＴＤとして有効に用いられ、宙吊りトレーサ検出器５０，５２からの信号を外部測定回路、例えば、オシロスコープ、電圧計、収集ボード、専用の電子回路または他の電圧測定装置などへ伝送する。
【０１０４】
図６は、本発明の他の実施形態に従って、流体チャネル２０に沿って間隔をあけて配置された２つ又はそれ以上の絶対圧力ゲージ５４，５６の利用を示す。流体チャネル２０に沿った圧力降下は、絶対圧力ゲージの応答を引き算することによって得られる。流速は、流速センサ１２を用いて測定される。差動圧力ゲージについて、ここで説明したものと類似の実施形態が、絶対圧力ゲージ、並列配置または直列配置されたチャネルなどに適用できる。
【０１０５】
図６を参照して、本発明の一態様に従って、流体チャネル２０および流速センサの製造は、前述したものと同じである。絶対圧力ゲージ５４の製造は、図７に示すように、基板膜３８の裏面が、開放チャネル５８を経由してチップ外部での外部圧力に露出している以外は同様である。外部圧力は、大気圧または他の外部圧力でもよく、絶対圧力ゲージ間で共通である。全ての絶対圧力ゲージがこの同じ外部圧力を見ているため、これらの応答を引き算した場合、流体チャネルに沿った圧力降下の測定が得られる。
【０１０６】
図４に示すマイクロ流体センサ１０’は、絶対粘性を計算するのに必要な全ての変数を決定するのに有効である。絶対粘性は、野外またはその場(in situ)で決定でき、制御フローポンプなどの外部装置を必要としない。
【０１０７】
円筒チューブ内を流れる非ニュートンで非圧縮性の流体について、壁での剪断応力速度(shear stress rate)は、下記のラビノービチ(Rabinowitsch)の式を用いて計算する必要がある。
【０１０８】
【数１５】
2010530545.tif 000018
【０１０９】
他の断面形状についてのこの式の変形が、上述のように存在している。
【０１１０】
γＷＮドットおよびＷを決定するのにユーザが制御可能なパラメータは、流速Ｑおよび圧力降下Δｐである。いったんγＷＮドットおよびＷが、幾つかの測定した値ペア（Δｐ，Ｑ）から推定されれば、γＷドットがラビノービチの式から計算される。そして、絶対粘性ηは、η＝Ｗ／（γＷドット）から計算できる。粘性の剪断速度依存性を、真のレオロジー計(rheometer)と類似した方法で測定することが可能である。
【０１１１】
本発明の一態様に従って、幾つかの環境、例えば、実験室またはアップホールの環境では、シリンジポンプを用いて流速を正確に制御することも可能である。複数の範囲に渡って流速を掃引することによって、本質的に変化するγＷＮドットの剪断応力の範囲が得られる。しかしながら、外部ポンプが、ある応用、特に、ダウンホール応用にとって実用的でないかもしれない。これらの応用では、図４，図６，図８，図９に示すような代替の実施形態が利用できる。
【０１１２】
図８は、本発明の一態様に従って、マイクロ流体センサ６０は、第１差動圧力ゲージ１４と第２差動圧力ゲージ６２を含むことを示している。第１差動圧力ゲージ１４は、流体チャネル２０の第１セクション３１に沿った圧力差を測定する第１圧力センサ３４を含む。第２差動圧力ゲージ６２は、流体チャネル２０の第２セクション６４に沿った圧力差を測定する第２圧力センサ７０を含む。第１セクション３１の断面形状及び／又は長さは、典型的には、第２セクション６４の断面形状及び／又は長さと異なっており、異なる壁剪断速度をもたらす。
【０１１３】
第１圧力センサ３４は、第１圧力サイト３０と第２圧力サイト３２の間の第１圧力降下を決定するために用いられる。第２圧力センサ７０は、第３圧力サイト６６と第４圧力サイト６８の間の圧力降下を決定するために用いられる。圧力差は、各セクション３１，６４で正確に測定され、各圧力センサ３４，７０の出力は、異なる壁剪断速度での粘性を計算するために用いられる。
【０１１４】
マイクロ流体センサ６０は、２つの差動圧力ゲージ１４，６２および、断面形状及び／又は長さが異なる２つの流体チャネルセクション３１，６４だけに限定されるものでなく、マイクロ流体センサ６０の精度及び／又は動作範囲を改善するために必要に応じて、任意の数の差動圧力ゲージおよび流体チャネルセクションを追加してもよい。
【０１１５】
本発明の一態様に従って、例えば、非ニュートン流体において、遠方にある圧力ゲージを用いて測定された圧力は、流れの中に直接配置された圧力ゲージで測定される圧力とは異なることがある。この不一致は、「ホール圧力誤差」と呼ばれ、非ニュートン液の流れ中に存在する、通常の応力差から生じている。同じ幾何形状の２つの領域（例えば、第１および第２圧力サイト３０，３２、または第３および第４圧力サイト６６，６８）の間での差動測定では、ホール圧力誤差は正確にキャンセルし、測定値は影響を受けなくなる。その結果、マイクロ流体センサ６０では、ホール圧力誤差は、剪断応力依存の粘性を測定するのに重要ではない。しかしながら、異なる壁剪断速度を備えた２つの領域間で差動測定を行う場合、流れ中の通常の応力差に関連している、測定可能な不一致が存在することになる。
【０１１６】
図９は、本発明の他の実施形態に従って、並列流れチャネルを制御する第１流体チャネルセクション３１および第２流体チャネルセクション６４を有するマイクロ流体センサ８０を示す。ここで、流体チャネルセクション３１，６４は、異なる断面形状で作製可能であり、これらを通過する流体は異なる壁剪断速度に曝されることになる。単一の差動圧力センサ３４は、両方のチャネルセクションについての圧力降下を測定する。別個の流速センサ１２，８２は、各流体チャネルセクション３１，６４での異なる流速を決定する。前の実施形態と同様に、追加のチャネルセクションを並列に追加してもよい。
【０１１７】
図１０を参照して、本発明の一態様に従って、マイクロ流体デバイスは、ダウンホール油田ツールの中に組み込むことが可能である。例えば、ダウンホールツールは、検層（ＬＷＤ）ドリルツール、生産検層（ＰＬ）ツール、ワイヤライン開孔検層ツール、油井テストツールまたはアセンブリ、あるいは異なる油井サービスを行うツールを含んでもよく、あるいは永久監視ステーションの一部でもよい。
【０１１８】
図１０は、ワイヤラインケーブル１１６によってリグ１１２から井戸孔１１４の中に吊り下げられたワイヤライン開孔ツール１００の一例を示す。図１０に示すダウンホールツール１００は、ワイヤライン検層操作の際にサンプリングを可能にするＭＤＴ(Modular Dynamic Tester)ツール（ＭＤＴは、Schlumberger社、ヒューストン、テキサスの登録商標）を含む。図示のダウンホールツール１００は、ワイヤラインケーブル１１６によってリグ１１２から井戸孔１１４の中に配備され、地層Ｆに近接して位置決めされる。ダウンホールツール１００には、井戸孔１１４の壁１２０と共に封止して、矢印で示すように、地層Ｆからダウンホールツール１００の中に流体を引き寄せるように適合したプローブ１１８が設けられる。補助ピストン１２２，１２４が、ダウンホールツール１００のプローブ１１８を井戸孔１２０に対して押圧するのを支援する。
【０１１９】
マイクロ流体センサが、ダウンホールツール１００内で支持され、井戸孔１１４内の対象となる深さに位置決めされる。再び図４を参照して、貯留槽の小流(substream)が、流体入り口１８を通って地層Ｆからツールへ流れ、ここからマイクロ流体センサ１０’の中に向かう。流れ速度は、流速センサ１２によって測定され、流体入り口での流速を制御する必要がない。流体は流体チャネル２０を通過して、圧力差が圧力センサ３４によって測定される。圧力降下および流速は、例えば、電気信号または光信号などの適切な方法によって、絶対粘性を計算するプロセッサへ伝送できる。
【０１２０】
本発明の一態様に従って、マイクロ流体センサは、アップホール応用において使用できる。例えば、マイクロ流体センサは、井戸孔の開放フラクチャ(fracture)表面を所望の深さで支えるために、流体の調整(preparation)に組み込んでもよい。極めて具体的なレオロジー特性を持つ流体が、プロパント(proppant)を地層割れ目に掃き込むのを手助けするために必要になる。流体は、局所的な水を薬品（ワーム状のミセル）と混合することによって、現場で管理される。局所水の内容（塩、汚染物質）は、世界中で大幅に変化し、懸濁液(suspension)の得られた粘性も変化する傾向にある。現場測定が利用可能になることによって、品質管理が現場技術者にとって利用できる。現場技術者は、水溶性混合物を準備し、入り口１８を介してサンプルをマイクロ流体センサ１０’の中に流し込む。そして、絶対粘性が測定され、絶対粘性が目標の範囲内であれば、混合物は、所望の深さでボーリング孔の中に注入できる。
【０１２１】
本発明のマイクロ流体センサの応用は、下記のように実施例によってより理解されるであろう。
【０１２２】
（実施例）
図１１は、図５の流速センサ１２の一実施形態をグラフで示す。少量のヘキサデカンを、外部ポンプによって決定されるポンプ流速（数マイクロリッタ／分）で流速センサの中に導入した。熱パルスをトレーサ放出器４８によって発生し、熱パルスが第１トレーサ検出器５０に到達する時間（菱形で示す）、および第２トレーサ検出器５２に到達する時間（三角で示す）を熱速度（ミリメートル／秒）として測定した。熱パルスが第１トレーサ検出器５０から第２トレーサ検出器５２まで横断する時間も図９にプロットしており（円で示す）、直線である。
【０１２３】
このことは、流速センサ１２が熱速度を測定した場合、液体の流速は正確に計算できることを示している。従って、テスト流体の流速を先験的に知ることは必要でなく、ここで説明したマイクロ流体センサは、ダウンホール応用にとって有効であることを示す。
【０１２４】
図１２は、一定の粘性において、流速（マイクロリッタ／分で測定）と、差動圧力ゲージの出力ΔＰ（ボルトで測定）との間に直線関係があることを示す。基準として、幾つかのニュートン性の管理粘性流体を使用した。これらの流体は、Cannon Instrument社（ステートカレッジ、ＰＡ）から入手可能であり、下記（表２）の室温（２０℃）値（単位センチポイズ）を有する。
【０１２５】
【表２】
2010530545.tif 000019
【０１２６】
図１２からは、ニュートン流れの粘性は、圧力変化を流速で除算すること（ΔＰ／Ｑ）で得られることが判る。図１３からは、図１２からの直線フィットの傾斜−較正標準物の実際の粘性が直線関係を形成することが判る。直線依存性は、少なくとも１つの粘性標準物を用いた予備較正を条件として、センサが実際に非ニュートン流体粘性を正確に測定できることを示す。
【０１２７】
前述した例は説明目的ためだけに提供したものであり、本発明の限定として解釈すべきでないことに留意する。本発明は、例示の実施形態を参照して説明したが、ここで使用した用語は、説明および例示の用語であり、限定の用語ではないことは理解されよう。現在記載され、そして補正されるような添付の請求項の範囲内で、その態様において本発明の範囲および精神から逸脱することなく変更が可能である。本発明はここでは特定の手段、材料および実施形態を参照して説明したが、本発明はここで開示した特定のものに限定されることは意図していない。むしろ本発明は、機能的に均等な構造、方法および用途の全て、添付の請求項の範囲内にあるものに拡張される。
【図１】
2010530545.tif 000020
【図２Ａ】
2010530545.tif 000021
【図２Ｂ】
2010530545.tif 000022
【図３】
2010530545.tif 000023
【図４】
2010530545.tif 000024
【図５】
2010530545.tif 000025
【図６】
2010530545.tif 000026
【図７】
2010530545.tif 000027
【図８】
2010530545.tif 000028
【図９】
2010530545.tif 000029
【図１０】
2010530545.tif 000030
【図１１】
2010530545.tif 000031
【図１２】
2010530545.tif 000032
【図１３】
2010530545.tif 000033
【国際調査報告】
2010530545.tif 000034
2010530545.tif 000035
2010530545.tif 000036