(57)【要約】ダウンホール条件下の油田貯留層流体の物理的特性を測定すべく適合されたマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を基礎とした流体センサー。本発明のある実施例は、基板物質から機械加工した平坦状部材と、少なくとも部分的に該平坦状部材上に形成した電気的導体と、該平坦状部材上に形成され且つ該平坦状部材に関する物理的効果を測定すべく適合されたゲージとを具備しておりダウンホール条件に対して適合されたＭＥＭＳを基礎とした貯留層流体センサーとして特性付けることが可能であり、該物理的効果は該平坦状部材と接触する流体の特性を表わす。【選択図】図１
2004527747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンホール条件に適合させたマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を基礎とした貯留層流体センサーにおいて、
ａ）基板物質から機械加工した平坦状部材、
ｂ）前記平坦状部材上に少なくとも部分的に形成した電気的導体、
ｃ）前記平坦状部材上に形成されており且つ前記平坦状部材上の物理的効果を測定すべき適合されているゲージ、
を有しており、前記物理的効果が前記平坦状部材と接触している流体の特性を表わすセンサー。
【請求項２】
請求項１において、前記平坦状部材が可動要素を有しているセンサー。
【請求項３】
請求項２において、前記電気的導体が前記可動要素上に導電性コイルを形成しているセンサー。
【請求項４】
請求項３において、更に、前記導電性コイルへ電流を供給すべく適合されている電流供給源、及び磁界を発生すべく適合されている磁界供給源を有しており、前記磁界及び前記電流が相互作用を行って前記可動要素を振動させる力を前記可動要素上に発生させるセンサー。
【請求項５】
請求項４において、前記磁界供給源が前記平坦状部材上に形成した電磁石を有しているセンサー。
【請求項６】
請求項４において、前記可動要素が基板の一側部に沿って取付けたプレートを有しているセンサー。
【請求項７】
請求項６において、前記ゲージが、前記プレートが前記基板へ取付けられている側部近くに位置されているストレインゲージを有しているセンサー。
【請求項８】
請求項４において、前記ゲージが振動する可動要素によって流体内に発生される音波の差動圧力を測定すべく構成された差動圧力ゲージを有しているセンサー。
【請求項９】
請求項８において、更に、絶対圧力ゲージ及び温度ゲージを有しているセンサー。
【請求項１０】
請求項４において、前記可動要素が２個のアームにより前記基板へ取付けられているプレートを有しており、第一アームは前記プレートの一側部から延在しており且つ第二アームは反対側の側部から延在しているセンサー。
【請求項１１】
請求項１０において、前記ゲージが少なくとも部分的に前記第一アーム上に位置されているストレインゲージを有しているセンサー。
【請求項１２】
請求項１１において、前記電気的導体が前記第二アームを横切っているセンサー。
【請求項１３】
請求項３において、前記可動要素がプレートの一側部から延在している第一複数個のアーム及び反対側の側部から延在している第二複数個のアームによって基板に取付けられているプレートを有しているセンサー。
【請求項１４】
請求項１３において、前記ゲージが前記第一複数個のアームのうちの１つの上に少なくとも部分的に位置されているストレインゲージを有しているセンサー。
【請求項１５】
請求項１において、前記電気的導体が前記平坦状部材上に形成されているホイートストーンブリッジと結合しているセンサー。
【請求項１６】
請求項１において、前記電気的導体が前記平坦状部材上に形成されている一連のコンデンサと結合しているセンサー。
【請求項１７】
請求項１において、前記ゲージが温度計を有しており且つ前記電気的導体が前記平坦状部材上に形成したヒーターと結合しているセンサー。
【請求項１８】
請求項１において、基板物質が単結晶シリコン、ポリシリコン、シリコンカーバイドからなるグループから選択したものであるセンサー。
【請求項１９】
ＭＥＭＳを基礎とした流体センサーにおいて、
基板物質から機械加工した平坦状部材、
前記平坦状部材から機械加工し且つ前記平坦状部材に部分的に取付けられたままである可動プレート、
前記プレートの表面上に形成した電気的導電性コイル、
前記可動プレートが前記平坦状部材に取付けられたままである箇所近くに位置されている少なくとも１個のストレインゲージ、
を有しているセンサー。
【請求項２０】
請求項１９において、更に、前記可動プレートの前記表面に対してほぼ平行又は垂直である磁界を発生すべく適合されている磁界供給源を有しているセンサー。
【請求項２１】
請求項１９において、前記可動プレートが４個の側部を具備する曲げプレートを有しており、前記曲げプレートは一側部に沿って前記平坦状部材へ取付けられたままであり且つ３個の側部に沿って前記平坦状部材から機械加工したものであるセンサー。
【請求項２２】
請求項１９において、前記可動プレートが、前記平坦状部材へプレートから反対方向に延在する少なくとも２個のアームにより前記平坦状部材へ取付けられているプレートを有しているセンサー。
【請求項２３】
地層を横切るボアホールを介して移動可能であるように適合された流体サンプリングツールにおいて、
地層からの流体を前記ツール内の容器内へ抽出する手段、
前記容器内に保持されている場合に前記流体と流体接触すべく構成されているマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を基礎としたセンサー、
ダウンホール条件下で前記流体の物理的特性を測定するために前記ＭＥＭＳを基礎としたセンサーを活性化させる手段、
を有しているツール。
【請求項２４】
請求項２３において、前記ＭＥＭＳを基礎としたセンサーが、
基板物質から機械加工した平坦状部材、
少なくとも部分的に前記平坦状部材上に形成した電気的導体、
前記平坦状部材と結合されており且つ前記平坦状部材に関する物理的効果を測定すべく適合されているゲージ、
を有しており、前記物理的効果が前記流体の熱物理的特性を表わすツール。
【請求項２５】
ダウンホール条件下で油田貯留層流体を保持すべく適合されているサンプルボトルにおいて、
前記貯留層流体を保持する容器、
前記容器へ結合されており且つ前記容器内に保持されている場合に前記貯留層流体と流体接触すべく構成されているマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を基礎としたセンサー、
を有しているサンプルボトル。
【請求項２６】
請求項２５において、前記ＭＥＭＳを基礎としたセンサーが、
基板物質から機械加工した平坦状部材、
少なくとも部分的に前記平坦状部材上に形成した電気的導体、
前記平坦状部材と結合されており且つ前記平坦状部材に関する物理的効果を測定すべく適合されているゲージ、
を有しており、前記物理的効果が前記貯留層流体の特性を表わすサンプルボトル。
【請求項２７】
請求項２５において、更に、前記ＭＥＭＳを基礎としたセンサーを受取るべく適合されており且つそれを介して前記ＭＥＭＳを基礎としたセンサーが前記容器内の前記貯留層流体と接触するポートを有しているサンプルボトル。
【請求項２８】
地下貯留層から地表へ貯留層流体を産出すべく適合された坑井において、前記坑井を介して産出される場合に前記貯留層流体の特性を測定すべく適合されているマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を基礎とした流体センサーを有している坑井。
【請求項２９】
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を基礎とした流体センサーにおいて、
ａ）基板物質から機械加工されているモノリシック構成体であって、前記モノリシック構成体を別の構成体へ取付けることを可能とする支持部分と、振動することが可能なプレート部分と、前記プレート内に運動を誘起された応力から前記支持部分における応力を分離させる可撓性ビーム部分とを具備しているモノリシック構成体、
ｂ）磁界発生手段、
ｃ）少なくとも部分的に前記プレート上に形成されている電気的導体であって、前記電気的導体を介して流れる電流が前記磁界と相互作用を行って前記プレートの振動を誘起させることを可能とする電気的導体、
ｄ）前記モノリシック構成体上に形成されており前記プレートの運動を検知すべく適合されているストレインセンサー、
ｅ）前記ストレインセンサーが検知したプレートの運動を使用して前記プレートと接触している流体の熱力学的特性を決定する手段、
を有しているセンサー。
【請求項３０】
請求項２９において、前記電気的ストレインセンサーがホイートストーンブリッジ、逆ＥＭＦセンサー、電気的インピーダンスセンサーからなるグループから選択されるセンサー。
【請求項３１】
請求項２９において、前記磁界発生手段が、前記プレートに隣接しているが前記プレートと接触せずに位置されている永久磁石であるセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体特性センサーに関するものであって、更に詳細には、例えばダウンホール等の困難な条件下で例えば油田流体等の流体の熱物理的（熱力学的及び輸送）特性を測定することが可能なセンサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油探査及び生産業界において、貯留層の圧力及び温度において原油又はブライン等の貯留層流体の密度及び粘度を知ることが重要である。これらの特性は、貯留層の透水性及び流れ特性及びその場所での流体の市場的価値を決定するために使用される。油田開発の探査フェーズ期間中にダウンホールで流体サンプルを得、且つ地表においてその流体の熱物理的特性を決定することが現在のプラクティスである。地表においての流体サンプルの圧力及び温度は貯留層条件におけるものに調節させることが可能であるが、より軽い炭化水素の揮発性、固体付着、及び穿孔流体汚染に起因してダウンホール流体の化学的組成に極めて類似したサンプルを得る上でかなりの困難性が存在している。ダウンホールサンプルを回復するコスト及びダウンホール圧力及び温度条件下で地表においてサンプルを取扱うことの困難性は、両方共、非常に高いものである。ダウンホールにおいて測定を行うことは評価プロセスを加速させ且つ全体的なコストを減少させる。貯留層生産及び最適化活動に関する決定は、しばしば、典型的な貯留層内の埋蔵量の１０-9未満の体積であるダウンホールで得られた極めて少ない流体サンプルの解析に基づいている。貯留層流体の組成は埋蔵物の寿命期間中に変化する場合があり且つ変化するものであり、従って、その流体特性は変化する。探査及び生産プロセスにわたって取られるより頻繁な流体特性の測定は非常に有用なものとなる場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ダウンホール条件は、典型的な流体特性センサーがその下で動作することが可能なものよりも著しく極端なものである。この場合に、炭化水素埋蔵物を生産する大多数における流体は５０℃と１７５℃との間のダウンホール温度にあり１００バールと２０００バールとの間のダウンホール圧力にあり、５００ｋｇ／ｍ3乃至１３００ｋｇ／ｍ3の範囲内の密度を有しており、且つ１ｍＰａ・ｓ乃至１０００ｍＰａ・ｓの程度の粘度を有している。油田装置は、典型的に、困難な配備環境及び例えばＨ2Ｓ及びＣＯ2等の可能性のある腐食性流体成分の存在に起因して、厳しい衝撃及び腐食抵抗基準をパスするものでなければならない。貯留層流体は、しばしば、極めて複雑であり且つアスファルテン及びワックスからメタンに至るまでの範囲の化学的成分を含有している場合がある。この環境において、この複雑で且つ厳しい環境において正確に動作することが可能な流体センサーを有することが必要である。これらの条件を満足するような市販されている装置は現在存在しない。流体特性センサーは、又、例えば水業界、化学処理業界、食品処理業界等の多数のその他の業界においても使用されている。改良された流体特性センサーはこれらのタイプの業界に対しても著しい利点を提供することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はダウンホール等の困難な条件下における流体（例えば油田貯留層流体）の熱物理的特性（例えば密度及び粘度）を解析又は測定するためのマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）即ち微小電気機械的システム技術に基づいたある範囲の装置を包含している。本発明の流体特性センサーは、坑井仕上げにおいて又は地層中に埋設させることが可能であり、一方、これらの装置は例えばシュルンベルジェモジュラーフォーメーションダイナミックステスター（ＭＤＴ）等のダウンホールサンプリングツール内に組込むことが可能であり、又はダウンホール条件下で貯留層流体サンプルを保持する構成とされたサンプルボトル（容器）に組込むことが可能である。
【０００５】
本発明によれば、ＭＥＭＳを基礎とした流体センサーが、基板物質から機械加工した平坦状部材と、少なくとも部分的に該平坦状部材上に形成した電気的導体と、該平坦状部材上に形成したゲージとを包含している。該ゲージは、該平坦状部材と接触している流体の特性を表わす該平坦状部材に関しての物理的効果を測定すべく適合されている。
【０００６】
好適実施例においては、該センサーは、基板物質から機械加工されているモノリシック構成体であって該モノリシック構成体が別の構成体へ取付けることを可能とする支持部分及び該支持部分における応力を該プレートにおける運動誘起された応力から分離させる柔軟性のあるビーム部分を具備しているモノリシック構成体と、磁界発生手段と、少なくとも部分的に該プレート上に形成されている電気的導体であって該プレートの振動を誘起させるために該磁界と相互作用を行うために電流が該電気的導体を介して流れることを可能とする電気的導体と、該モノリシック構成体上に形成されており該プレートの運動を検知すべく適合されているストレインセンサーと、該ストレインセンサーが検知したプレートの運動を使用して該プレートと接触している流体の熱力学的特性を決定する手段とを包含している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明はダウンホール条件下における油田流体の熱物理的特性を分析し且つ測定するべく適合されているある範囲の電気機械的センサーを記述する。本発明の電気機械的センサーは基板物質からマイクロマシン加工され且つ大量に（バッチ製造）及び低コストで電子的集積回路（ＩＣ）装置を製造するために開発された技術を使用して製造される。このタイプの装置は、典型的に、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）装置と呼称され、且つ本発明者等は、本発明がダウンホール油田流体特性検知に対してのＭＥＭＳ技術の最初の適用を記述するものと信ずる。
【０００８】
本発明のＭＥＭＳを基礎としたセンサーは、基板物質から機械加工した平坦状部材と、少なくとも部分的に該平坦状部材上に形成した電気的導体と、該平坦状部材上に形成した何等かの種類のゲージとを包含している。該平坦状部材を油田流体等の流体と接触させ、且つＭＥＭＳを基礎としたセンサーが活性化されると、該ゲージは油田流体特性を表わす該平坦状部材に関しての物理的効果を測定する。
【０００９】
本発明の幾つかの実施例においては、該平坦状部材は該平坦状部材に取付けられている可動要素を包含しており、且つ該電気的導体は該平坦状部材上に導電性コイルを形成し、それを介して、該センサーが活性化される場合に電流（ｉ ）が流れる。尚、本明細書において英文字記号の後にアンダーライン記号を付したものはその英文字記号の上に右向き矢印の記号を付したものと同じ意味である。該平坦状部材の表面にほぼ平行に印加された磁界（Ｂ ）が存在する場合には、その場合に流れる電流はその磁界と相互作用を行って、図１に例示したように、可動要素上にアンペア力（Ｆ ）（ラプラス又はロレンツ力とも呼称される）を発生する。該力は印加電流（ｉ ）によって決定される周波数で該可動要素上に作用し且つそれを振動させる。これらの実施例におけるゲージが例えばピエゾ抵抗からなるホイートストンブリッジ等のストレインセンサー、逆ＥＭＦセンサー、又は電気的インピーダンスセンサーを使用して振動する要素の運動を検知する。異なる振動モードの間の区別を行うために該平坦状部材上の異なる位置にゲージを設けることがしばしば有益的である。各振動モードは特性的共振周波数（ｆvac）を有しており、その周波数において振動振幅（Ｓ）は最大である。これらのセンサー実施例が流体と接触すると、該振動要素はその周りの流体を移動させ、該要素の本質的な質量に対して実効的な質量即ち慣性を付加し、且つ共振周波数を減少させる（ｆ＜ｆvac）。該要素の周りの流体の剪断は粘性エネルギを散逸させ且つ振動体のクオリティファクター（Ｑvac）も減少させる（Ｑ＜Ｑvac）。これらのセンサー実施例のキャリブレーションは、典型的に、異なる振動モード、それらの共振周波数、及び振動体のクオリティファクターを識別することが関与する。
【００１０】
これらのセンサー実施例は共振周波数ｆ0及びクオリティファクターＱの測定値をその流体の密度及び粘度と関連させることである。典型的な油田流体の場合には、５００ｋｇ／ｍ3乃至１３００ｋｇ／ｍ3範囲内の密度（ρ）及び１ｍＰａ・ｓ乃至１０００ｍＰａ・ｓの程度の粘度（η）を有しており、そのクオリティファクター即ち品質係数は、
【００１１】
【数１】
2004527747.tif 000003
【００１２】
と表わすことが可能であり、尚ａは振動要素の実効質量即ち慣性を記述する項であり且つｋは振動要素の幾何学形状に関連した定数である。振動要素の共振角周波数（ω0＝２πｆ0）は以下の如くに表わすことが可能であり、
【００１３】
【数２】
2004527747.tif 000004
【００１４】
尚、ｃは該要素に作用するＦ 等の擾乱に続いてそれをその初期位置へ復帰させるために該要素の質量に作用する弾性回復力又はトルクを記述する項である。式（２）をａに対して解き且つ式（１）内に代入すると次式が得られる。
【００１５】
【数３】
2004527747.tif 000005
【００１６】
定数ｃ及びｋは、典型的に、振動要素の幾何学的形状及び組成にのみ依存し、従って既知の密度及び粘度の流体を使用してセンサーをキャリブリレーション即ち較正することにより決定することが可能である。更に、レイノルズ数が１よりも著しく大きいものと仮定すると、尚そのことは、これらのセンサー実施例及び典型的な油田流体の場合に通常健全な仮定であるが、流体の運動が振動要素に対して実効的に付加する質量は流体密度にのみ比例する。従って、式（２）から次式が導かれる。
【００１７】
【数４】
2004527747.tif 000006
【００１８】
従って、流体密度（ρ）は、ω0vac及びω0を測定することにより式（４）を使用して得ることが可能であり、且つρが既知となると、流体粘度（η）は更にＱを測定することにより式（３）から得ることが可能である。
【００１９】
密度及び粘度は次式を使用しても決定することが可能である。
【００２０】
【数５】
2004527747.tif 000007
【００２１】
及び、
【００２２】
【数６】
2004527747.tif 000008
【００２３】
尚、Ａ1，Ａ2，Ａ3はセンサーを既知の流体でキャリブレーションすることにより決定される調節可能なパラメータであり、ρ（Ｂ，Ｐ，ｐ）は温度Ｔ及び圧力ｐにおいて検知させる流体の密度（Ｂ）であり、Ｙは振動要素の幅であり、Ｗは振動要素の厚さであり、ρ（Ｓｉ，Ｔ，ｐ）は温度Ｔ及び圧力ｐにおけるシリコン（振動要素を構成している物質）の密度であり、ｆ（Ｂ，Ｔ，ｐ）は温度Ｔ及び圧力ｐにおいて検知される流体中に浸漬された場合のセンサーの共振周波数であり、ｆ（ｐ＝０）は真空中におけるセンサーの共振周波数であり、η（Ｂ，Ｔ，ｐ）は温度Ｔ及び圧力ｐにおいて検知される流体の粘度（Ｂ）であり、且つＱは上述した共振クオリティファクター即ち品質係数である。
【００２４】
図２−４はこれらの原理に基づいて動作するセンサー実施例を例示している。図２は、半導体基板から機械加工したモノリシック構成体、平坦状部材２４を有するＭＥＭＳを基礎としたセンサー２０の曲げプレート実施例を概略的に例示している。曲げプレート２２である一部は薄くされており且つより厚い平坦状部材２４から切削（又はエッチ）されており、且つ１つの側部２３に沿って該平坦状部材へ取付けられたままとなっている。電気的導体が該平坦状部材から延在してプレート２２の上に導電性コイル２６を形成している。この特定の実施例においては、２個のストレインゲージ２７ａ，２７ｂが該プレートの振動運動期間中に最大の歪みが発生する個所である平坦状部材２４にプレート２２が取付けられている側部の角部近くに示されている。最大の歪みがどこに発生するかはコンピュータモデリングを使用して決定することが可能である。振動モードを識別することを可能とするために２つのストレインゲージを使用している。電気的コネクタ２８が該構成体の支持部分上の接続パッド２９へ延在して示されており、それはセンサーをプリント回路基板へワイヤボンディングさせるか又はその他の態様でセンサーを種々のセンサー要素を活性化させ且つ質問を行うために使用される種々の電気的装置と接続させるために使用することが可能である。接続パッド２９は平坦状部材２４の支持部分上に形成されており、それはセンサー２０を別の構成体へ装着させるか又は取付けることを可能とする。平坦状部材２４の支持部分とプレート部分との間には可撓性ビーム部分が存在しており、それは支持部分における応力をプレートにおける運動によって誘起されるストレスから分離させる。
【００２５】
このセンサー実施例と接触する流体は曲げプレート２４を取囲み且つ区域２１を充填し、従って、活性化される場合に、該曲げプレートは振動し且つ流体を移動させ且つ上述した如くプレートの共振周波数及びクオリティファクター即ち品質係数に影響を与える。図２及びその後の図に示した構成は支配的に矩形状の特徴を有しており、平坦状部材２６の一部をプレート２２を取り囲むままとさせる場合があり、又プレート２２よりも幅がより狭いプレート２２と接続パッド２９との間の平坦状部材２６のセクションを発生する場合があるが、これらの特徴（及びあるその他の共通の特徴）は本発明センサーの必須の特徴ではなくオプションとしての特徴を表わすものであることを認識すべきである。
【００２６】
図３はＭＥＭＳを基礎としたセンサー３０の捩りプレート実施例を示している。捩りプレート３２は平坦状部材３４からエッチ又は切削され且つ該プレートの両側から延在する２個のアーム３３ａ−ｂによって平坦状部材へ取付けられたままである。電気的導体が平坦状部材３４からアーム３３ｂのうちの１つを横断して延在しプレート３２の上に導電性コイル３６を形成している。ストレインゲージ３７がアーム３３ａのうちの少なくとも１つの上に部分的に形成されており、その箇所において、該プレートの振動運動期間中に最大の歪みが発生する。電気的コネクタ３８は本センサーをプリント回路基板へワイヤボンディングさせるために使用される接続パッド（不図示）ヘ延在するか、又はそうでない場合には、種々のセンサー要素を活性化させ且つ質問するために使用されるセンサーと種々の電気的装置との間の接続部へ通ずることが可能である。このセンサー実施例と接触している流体はプレート３２を取囲み且つ区域３１ａ−ｂを充填し、従って、活性化された場合に、捩りプレートは振動し且つ該流体を移動させ且つ上述した如く該プレートの共振周波数及びクオリティファクター即ち品質係数に影響を与える。
【００２７】
図４はＭＥＭＳを基礎としたセンサー４０の更に別の実施例を示している。この装置は粘度を測定するために使用することが可能である。可動プレート４２は平坦状部材４４から切削又はエッチングされ且つ該プレートの両側から延在する複数個のアーム４３ａ−ｈによって平坦状部材へ取付けられたままである。電気的導体が該平坦状部材からアーム４３ｃ−ｄ及び４３ｇ−ｈの幾つかを横断して部分的にプレート４２の上側に導電性コイル４６を形成している。ホイートストンブリッジ形態における複数個のストレインゲージ抵抗４７ａ−ｄがアーム４３ａ−ｄのうちの幾つかの上に形成されている。電気的導体４８は本センサーをプリント回路基板へワイヤボンディングさせるために使用される接続パッド（不図示）へ延在することが可能であり、又は、そうでない場合には、種々のセンサー要素を活性化させ且つ質問するために使用される種々の電気的装置とセンサーとの間の接続部へ通ずることが可能である。このセンサー実施例と接触する流体はプレート４２を取囲み且つ区域４１ａ−ｂを充填し、従って、活性化される場合に、該可動プレートは振動し且つ流体を移動させ且つ前述した如く該プレートの共振周波数及びクオリティファクター即ち品質係数を変化させる。この実施例においては、磁界がプレート４２に対して垂直に印加されてプレートの剪断モード振動を誘起させる。
【００２８】
図２乃至４に示した実施例は可動要素を活性化させ且つそれにより流体の密度及び／又は粘度を測定するために導電性コイル内を流れる電流と磁界との相互作用により発生するアンペア力を利用している。図５はバブルの形成の開始を音響的に誘起させ且つ検知するために可動要素上に作用するアンペア力を利用するＭＥＭＳを基礎としたセンサーの１実施例を示している。バルブポイント即ち沸点の知識は石油生産において重要である。何故ならば、ボアホール即ち穿孔の圧力が沸点圧力以下に降下すると、貯留層内にガスバブルが発生し、石油相相対的透水性を減少させることとなる場合があるからである。曲げプレート５２として図５に示した可動要素は平坦状部材５４からエッチング又は切削される。電気的導体が要素５２の上に導電性コイル５６を形成している。磁界が存在する場合に、該導電性コイルを介して流れる電流は、該要素を振動させ且つ音響変換器として作用させる力を該要素上に形成する。該振動要素によって発生される音波は、キャビテーションとして知られるプロセスにおいて、その沸点圧力及び温度において又はその近くにおいて流体中においてバブルを進化させることとなる。バブルの存在を検知するために、この実施例のゲージは、図５に示したように、温度計５７ｂ及び絶対圧力ゲージ５７ｃのみならず差動圧力ゲージ５７ａを包含することが可能である。一方、米国特許第６，１２８，９４９号に記載されているように、音響変換器の電気的特性における変化を使用してバルブの形成を検知することが可能である。
【００２９】
本発明は、又、可動要素を包含することがなく動作上アンペア力に依存することもないＭＥＭＳを基礎としたセンサーも包含している。例えば、図６は、貯留層流体の熱伝導率を測定するために使用することが可能なＭＥＭＳを基礎とした熱線風速計の１実施例を示している。長尺要素６２が２つの対向する側部６３ａ−ｂに沿って平坦状部材６４からエッチング又は切削されており、従ってこの長尺要素はその端部６３ｃ−ｄに沿って平坦状部材に取付けられたままである。例えば抵抗加熱器等のヒーター６５が端部６３ｃのうちの１つの近くで要素６２の上に形成されており、且つ例えば抵抗温度形等の熱ゲージ６７が該加熱要素から該長尺要素の反対側端部６３ｄ近くに形成されている。電気的導体６６はヒーター６５及び熱ゲージ６７をそれらを動作させるために使用される種々の電気的装置（不図示）と結合させる。貯留層流体と接触し且つ活性化されると、該ヒーターは長尺要素の一端部周りにおいてそれを取囲む流体を加熱し、且つ該流体が、該長尺要素の反対側端部へ向うものを包含して熱を外側へ伝達させる場合に、該熱ゲージが温度変化をモニタする。該熱ゲージによってモニタされる温度における変化の時間的割合を該流体の熱伝導率及び粘度に対してキャリブレーションさせることが可能である。
【００３０】
本発明によって包含されるＭＥＭＳを基礎としたセンサーの別の例を図７に示してある。図７はＭＥＭＳを基礎としたホットワイヤー流れ熱量計の１実施例を示しており、それは貯留層流体の熱容量／熱伝導率及び相遷移温度を決定するために使用することが可能である。４個の加熱用抵抗７７ａ−ｄが平坦状部材７４の上にホイートストーンブリッジに形成されている。２個の中央抵抗７７ｂ，ｃが配置されている該平坦状部材の中心はエッチング又は切除されており、従って流れがこれら２個の中央の抵抗の周り及びその間を流れることを可能とし、それらの間の良好な熱的接触を確保している。比較的厚い平坦状部材によって与えられる保護のために、外側の２個の抵抗７７ａ，ｄは流体との同じ程度の熱的接触を有するものではない。活性化されると、該中央の抵抗は該外側の抵抗とは異なる温度に到達し、その差は周りの流体の熱容量に依存する。シリコンの良好な温度感度のために、この温度差は該ブリッジにおいて早期の測定可能な電圧不均衡を誘起させる。
【００３１】
該中央の抵抗によって発生される熱は、又、周りの流体における相遷移を誘起させ且つ相遷移温度をモニタするために使用することが可能である。貯留層流体の誘電率は、図７に示した抵抗をコンデンサで置換し、上述したものと同様のＭＥＭＳを基礎としたセンサーを使用して測定することが可能である。
【００３２】
上述したタイプの種々のＭＥＭＳを基礎としたセンサーは、単一のモノリシック基板上に製造することが可能であり、又は物理的に一体的にパッケージングさせることが可能であり、且つ充分なる特性を測定して状態パラメータの方程式を決定するために使用することが可能であり、次いで、それを使用して貯留層流体生産の流れにおいて見出される蓋然性のある事実上いかなる条件下においても貯留層流体の物理的特性を計算することが可能である。各主要なタイプの流体状態に対して異なる最小組のセンサータイプが所望される場合がある。このタイプの集積化したセンサーパッケージング及びジョイント流体特性インバージョンは、特に、ダウンホール炭化水素サンプルに関して役に立つ。何故ならば、隣接するセンサーは事実上同一の流体サンプルに関して測定を行うものであり且つ首尾一貫した組のデータ値を送給するものと予測することが可能だからである。ダウンホール圧力及び温度条件に維持されている炭化水素サンプルを地表において解析する場合には首尾一貫したデータを得ることがしばしば問題となる。何故ならば、一連の異なる分析装置がしばしば使用され且つこれらの装置の各々によって見られる流体サンプルが事実上同一のものであることを確保することは困難であるか又は不可能だからである。
【００３３】
本発明のセンサーは、ウエハ基板からマイクロマシン加工することが可能である。例えばポリシリコン及び特に単結晶シリコン等のシリコンであって良好な弾性特性及び小さな内部振動損失を有するものは、本発明の多くの実施例にとって現在の所好適な物質である。殆どの集積回路（ＩＣ）技術はシリコン処理に対して開発されており、それは本発明にとって付加的な利点である。然しながら、シリコンカーバイド等のその他の物質は、一般的に油田流体特性センサーにとって有益的なものである特性、特に化学的安定性を有しており、且つこれらの物質に対するＩＣ処理技術も公知である。従って、本発明のセンサーは多様な物質から製造することが可能であることを理解すべきである。
【００３４】
図２乃至７を参照して上述したような本発明の実施例は、３５０μｍの厚さのシリコン基板層と２０μｍの厚さの単結晶シリコン層とが０．５μｍの厚さのシリコン酸化物層によって分離されているシリコン・オン・インシュレータ−（ＳＯＩ）ウエハから処理されている。２０μｍの厚さの単結晶シリコン層の露出表面は約０．３ｎｍの深さを酸化され、且つその上に４００ｎｍの厚さのポリシリコン層を付着させた。その組立てた全体をアニールさせた。次いで、該ポリシリコン層をボロンでドープし、ＵＶ感受性ホトレジストでコーティングし、且つマスクの存在下で紫外線照射に露呈させた。露出されているポリシリコンを２０μｍの厚さの単結晶シリコン層の表面上に形成されている０．３ｎｍのシリコン酸化物層に対して反応性イオンエッチングステップにおいて除去させてピエゾ抵抗を形成させた。該ピエゾ抵抗はホイートストーンブリッジストレインゲージの活性要素である。エッチングしたポリシリコンでコーティングした表面の上にＣＶＤステップによって窒化シリコン（ＳｉxＮy）を付着させ、化学的に不活性で且つ絶縁性の層を形成させた。その結果得られる層についてホトリソグラフィ及びエッチングステップを行って下側に存在するポリシリコン層に対して電気的コンタクトを形成することを可能とさせた。アルミニウム層を付着させて電気的コンタクトを形成し且つホトリソグラフィ及びエッチングステップを行ってワイヤボンディングのために該ピエゾ抵抗に対する接続部を残存させ、可動要素の上に導電性コイルを形成し、且つ該コイルと該接続パッドとの間に接続部を設けた。該アルミニウムの上に窒化シリコン（ＳｉxＮy）の２番目の層を付着させ且つプラズマエンハンストＣＶＤステップでポリシリコン層をエッチングして化学的に不活性な層を形成し、それを、次いで、エッチングしてワイヤボンディング用のオープンの区域を与えた。可動要素の幾何学的形状は、ホトリソグラフィ及びプラズマエッチングを使用して２０μｍシリコン層を構成することにより画定させる。シリコンカーバイド、ダイヤモンド状のカーボン、及び／又はトリテトラフルオロエチレン物質等のその他のタイプのパッシベーション層を使用することが可能である。最後に、画定された幾何学的形状の下側及び周りの３５０μｍ単結晶シリコン基板をバックエッチング処理で除去し可動要素を浮き上がらせる。
【００３５】
理解すべきことであるが、本発明者等はこれらの特定のパラメータ（物質、寸法、ドーピングレベル）を選択しており且つこれらの特定のステップを使用しているが、その他のパラメータ及びその他の処理ステップを使用して本発明に基づいてセンサーを製造することが可能である。従って、本発明は、本明細書に記載したパラメータの組及び処理ステップのシリーズに基づいて製造されるセンサーに制限されることを意図したものではない。
【００３６】
図８はダウンホール条件下にある貯留層流体サンプルを輸送し且つ格納するために一般的に使用される種類の貯留層流体サンプルボトル等の圧力容器に対して導入し且つフィットさせるべく適合されたＭＥＭＳを基礎としたセンサーの１実施例を示している。このようなサンプルボトルの１例は本願出願人が所有する公開された英国特許出願第ＧＢ２，３４８，２２２Ａにおいて見出すことが可能である。ＭＥＭＳを基礎としたセンサー装置８１は、筒８３を介して通され且つその中に装着されているプリント回路基板８２へワイヤボンディングされている状態が示されている。筒８３は圧縮又はその他のタイプのフィッティング８４に嵌合されており、該フィッティングは組立体８０が圧力容器内に嵌め合わされた場合に密圧シールを形成することが可能である。圧力容器に嵌め合わされた場合に、該プリント回路基板上に形成されている接続パッド８５はＭＥＭＳを基礎としたセンサーを活性化させ且つモニタするために使用される電気装置と結合されるべく露出されたままである。図８の実施例は、着脱可能なキャップ８６と共に示されており、それはＭＥＭＳを基礎とした装置と流体と接触することを可能としながらある程度の環境からの保護を与えるためにＭＥＭＳを基礎とした装置の上に配置させることが可能である。幾つかの実施例においては、永久磁石（不図示）を該キャップ内に収納させるか又はＭＥＭＳを基礎とした装置上に付着させて該装置の活性化のために必要な磁界を与えることが可能である。一方、同一の目的のために電磁石を該キャップ内に収納させるか又はＭＥＭＳを基礎とした装置上に形成することが可能である。
【００３７】
勿論、本発明に基づくＭＥＭＳを基礎とした装置は、該組立体がサンプルボトル上の既存の電気的フィードスルー及びポートを使用すべく適合させる等のように異なってパッケージングさせることが可能である。サンプルボトル内に格納され及び／又は輸送される油田流体の特性を測定することに加えて、ＭＥＭＳを基礎としたセンサー装置は、例えばシュルンベルジェのＭＤＴツール等のダウンホール流体サンプリングツールにおいて、又は永久的な貯留層モニタ適用例において使用すべく適合させることが可能である。
【００３８】
図９は炭化水素探査及び生産活動に関連して本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーのある使用状態を概略的に示している。図９において、流体サンプリングツール９０が、該ツールのプローブ部分９３が所望の地層９４に隣接するまでケーブル９２によってボアホール９１内を下降されている。次いで、エレクトロニクス及び処理ユニット９５が所望の地層９４から貯留層流体のサンプルを抜き出すために流体サンプリングツール９０へ指示を与える。抜き取られた流体サンプルはＭＥＭＳを基礎としたセンサー９６を通過することが可能であり、その場合に、種々の流体特性が決定され、及び／又は、サンプルが地表に回収された後に流体特性を決定することを可能とする一体化したＭＥＭＳを基礎としたセンサーを具備するインテリジェントサンプルボトル９７内に格納させることが可能である。
【００３９】
図２に示したタイプの曲げプレートＭＥＭＳを基礎としたセンサー実施例を上述した如くに装着させ且つ約１ｋｇ／ｍ3乃至１９００ｋｇ／ｍ3の密度及び約１８μＰａ・ｓ乃至２Ｐａ・ｓの粘度を有する流体においてテストを行った。尚、共振周波数は約５０００Ｈｚ乃至５００Ｈｚの範囲であり且つクオリティファクター即ち品質係数は約２００乃至２の範囲であった。該装置が１４５ｋｇ／ｍ3以下の密度にある窒素、メタン及び窒素によって取囲まれている状態で複合共振周波数を決定した。アルゴンの場合に得られた値を使用して上の式（４）における定数ｋを得た。その結果をｆ0vacに対して正規化した周波数の関数として図１０に示してある。式（４）を使用して共振周波数から得られた密度を、略称ＮＩＳＴ１４の下で知られる状態パッケージの式から得られた値からの部分的なそれとして図１１に示してある。その差の大部分は０．５％未満である。最大で１１００ｋｇ／ｍ3までの密度において同様の結果が得られた。式（３）は共振クオリティファクターの結果を示しており且つ（ηρ）-1/2の項は一定であり、図１２はこの予測を確認しており、その場合に窒素の共振の虚数成分にフィットする実線は全ての３つのガスに対する結果を表わしている。ＮＩＳＴ１４から得られたものから窒素のみに基づいたキャリブレーションで得られた粘度の相対偏差は、図１３に示したように、１０％未満である。ほぼ０から７００ｍｇ／ｍ3の極めて広い範囲の流体密度にわたっての図２に示したタイプのＭＥＭＳ流体センサーの周波数ｆ対密度ρ応答を図１４に示してある。
【００４０】
これらのタイプのセンサーは、センサーが遭遇することが予測される流体のタイプの各範囲に対して且つセンサーが使用される動作条件の各組に対してキャリブレーションされることは必要ではないという顕著な利点を有している。この広い範囲の有効な動作条件は特にダウンホールの場合に重要である。何故ならば、このような広い範囲のダウンホール流体に通常遭遇するからである。非常に薄いプレートを有することにより、センサーは流体特性に対して非常に敏感である。本発明の１個の可動プレートの実施例の場合、そのプレートは約２．８ｍｍの幅であり、約２．３ｍｍの長さであり、且つ約２０μｍの厚さであり、その結果可動プレートの重さは０．３０ｍｇの程度である。それと比較して、該プレートによって移動される水の質量は該プレートの質量と同じ程度であると推定され、これらのほぼ同様の質量は本装置の優れた感度を発生することに貢献する。真空中におけるこの実施例に対する主要な振動モード共振周波数は約５．３ｋＨｚである。高度に分離させた励起及び検知システムは著しくエレクトロニクスを簡単化させ且つ非常に粘性のある流体の場合に遭遇する可能性のある非常に低い値のｑに至るまで非常に正確な測定を確保する。図２に示したタイプのＭＥＭＳを基礎としたセンサー実施例は、典型的に、温度変化に対しても極めて影響を受けにくい。シリコン構成は長期間の安定性にも貢献する。何故ならば、シリコンは多くのその他の物質のようにクリープすることがないからである。
【００４１】
本発明をある例及び実施例について説明した。然しながら、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に対して種々の修正及び変形を行うことが可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のある実施例に基づいて平坦状部材上に力Ｆを発生させるために平坦状部材上に流れる電流ｉと相互作用を行う磁界Ｂを示した概略図。
【図２】本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの１実施例を示した概略図。
【図３】本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの第２実施例を示した概略図。
【図４】本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの第３実施例を示した概略図。
【図５】本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの第４実施例を示した概略図。
【図６】本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの第５実施例を示した概略図。
【図７】本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの第６実施例を示した概略図。
【図８】ＭＥＭＳ流体センサー及びそれと関連する装着ハードウエアの１実施例を示した概略図。
【図９】ある炭化水素探査及び生産活動に関連して本発明に基づくＭＥＭＳ流体センサーの使用状態を示した概略図。
【図１０】図２に示したタイプのＭＥＭＳ流体センサーの曲げプレート実施例の真空中（ｐ＝０）における共振周波数に対して正規化させた共振周波数の関数としてプロットした式（４）から得られた値を示したグラフ図。
【図１１】状態方程式から計算した真の密度と図２に示したタイプのＭＥＭＳ流体センサーの曲げプレート実施例を使用して決定した密度との割合的差を示したグラフ図。
【図１２】図２に示したタイプのＭＥＭＳ流体センサーの曲げプレート実施例の（ηρ）-1/2、尚ηは粘度であり且つρは密度である、関数としてのクオリティファクターをプロットしたグラフ図。
【図１３】粘度ηの関数として粘度における相対的差異（図２に示したタイプのＭＥＭＳ流体センサーの曲げプレート実施例を使用して決定した粘度から状態方程式から計算した真の粘度を減算し次いで真の粘度によってその結果を割り算することにより決定）を示したグラフ図。
【図１４】広い範囲の流体密度にわたっての図２に示したタイプのＭＥＭＳ流体センサーの周波数ｆ対密度ρ応答を示したグラフ図。
【符号の説明】
【００４３】
Ｆ   アンペア力（ラプラス又はロレンツ力）
Ｂ   磁界
ｉ   電流
２０  ＭＥＭＳを基礎としたセンサー
２２  曲げプレート
２４  平坦状部材
２６  導電性コイル
２７  ストレインゲージ
２８  電気的コネクタ
２９  接続パッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004527747.tif 000059
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