МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ СКВАЖИННЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01L9/08 E21B47/06 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к высокоточным микроэлектронным скважинным преобразователям и датчикам, работающим в агрессивных средах при высоких температурах и давлении.

В состав всего разнообразия электронных датчиков давления входит чувствительный элемент (ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и преобразует его в электрический сигнал. ЧЭ могут быть построены на различных принципах преобразования: пьезорезистивном, емкостном, индуктивном, частотно-резонансном [1]. ЧЭ располагают внутри базового корпуса, который с одной стороны соединен с жидкой, газообразной или сыпучей средой с измеряемым давлением, а с другой стороны содержит крепление ЧЭ, минимизирующее влияние на него стенок базового корпуса, а также электрические гермовыводы для соединения контактов ЧЭ через кабель или непосредственно с электронным устройством, формирующим вторичный электрический сигнал для дальнейшей передачи и обработки. Существует деление ЧЭ по виду упругой деформации, возникающей в его механическом приемнике при воздействии давления на мембранные, балочные и объемного сжатия [2]. Эти деформации передаются на ЧЭ, которые, при их подключении к электронному устройству, формируют амплитудно-токовый, частоторезонансный или цифровой электрический сигнал. В датчиках абсолютного давления ЧЭ выполняют преобразование с заявленной точностью от вакуума до верхнего предела давления, задаваемого конструктивными параметрами ЧЭ плюс значение перегрузки давлением, после снятия которой датчик сохраняет свои точностные параметры. Для измерения давления чистых неагрессивных сред могут применяться датчики с открытыми ЧЭ, работающие с ними в непосредственном контакте. Но в датчиках, предназначенных для измерения давления агрессивных сред, применяются конструкции с дополнительным коррозионностойким упругим элементом (УЭ), герметично разделяющим измеряемую агрессивную среду и внутреннюю полость базового корпуса датчика с ЧЭ, заполненную силопередающей жидкостью или гелем. Давление внешней агрессивной среды воздействует на защитный УЭ и далее передается через силопередающую жидкость или гель на ЧЭ, где и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал. Эти конструкции, так называемые «жидкостные разделители», могут быть сразу в составе датчика в рабочем положении, заправленные и откалиброванные, или могут быть присоединены к законченному датчику давления с открытым ЧЭ, при периодически возникающей необходимости работы с агрессивными средами.

Востребованность предлагаемого изобретения по совершенствованию скважинных датчиков давления и температуры обусловлена истощением месторождений с легко добываемыми углеводородами. Поэтому по данным публикации [3] многие геологоразведочные компании, занимаясь поиском новых источников нефти и газа, бурят скважины в экстремальных для оборудования и технологий условиях: это агрессивная среда под давлением выше 100 МПа и температуре выше 150°С. При этом, так как диаметр ствола скважины ограничен, поперечное сечение датчика тоже должно быть минимальным. А для адекватного решения задач геологоразведке необходима долговременная точность измерения давления и температуры до 0,01% от ВПИ.

Известен высокоточный датчик давления серии 33 X, разработанный Швейцарской фирмой «KELLER» (Сборочное производство которой расположено в РФ г. Санкт-Петербург и выполняется ООО «Измерение и Контроль»). Датчик имеет монолитный базовый корпус из нержавеющей стали в форме цилиндра диаметром 22 мм, с одного из его торцов закреплен модуль приемника давления, выполненного в форме круглой полой коробки, основание которой образует ЧЭ «KELLER серии 10» на основе пьезорезистивных структур КНК (кремний на кремнии). А внешнюю часть образует УЭ в виде гофрированной мембраны из нержавеющей стали диаметром 18 мм. Полость коробки между кремниевым ЧЭ и гофрированной мембраной заполнена силопередающей жидкостью. Наличие гофрированной мембраны и подмембранной жидкости, необходимых для работы датчика с агрессивной средой, снижает точность преобразования. УЭ кроме функции зашиты ЧЭ от разрушительного воздействия агрессивной измеряемой среды и передачи на него измеряемого давления, выполняет роль частичного компенсатора дестабилизирующего теплового изменения давления подмембранной жидкости (так называемого «Баллонного эффекта»). Эта компенсация происходит в результате изменения объема подмембранной жидкости за счет упругой деформации УЭ. Но величина допустимой деформации УЭ ограничена его размерами и формой. Так, при всех равных условиях, равном исходном объеме подмембранной жидкости, заправленной при одной и той же температуре, гофрированная мембрана по сравнению с гладкой, при одинаковой толщине и диаметре, изготовленная из идентичного материала, будет иметь большую допустимую деформацию, а значит и возможность компенсации «Баллонного эффекта» в большем диапазоне температур. Несмотря на преимущества от выполнения в выбранном аналоге датчика защитного УЭ в виде гофрированной мембраны из нержавеющей стали диаметром 18 мм и толщиной 0,1 мм, он не обеспечивает компенсацию «Баллонного эффекта» при температуре измеряемой среды выше 80°С. Расширение температурного диапазона с сохранением высокой точности аналога возможно за счет уменьшения толщины гофрированной мембраны или за счет увеличения ее диаметра. Повышение чувствительности и точности датчика за счет уменьшения толщины мембраны требует решения технологических проблем, связанных с изготовлением и приваркой (к корпусу) тонкостенных мембран. Кроме того, чем тоньше мембрана, тем больше она подвержена механическим и химическим разрушающим воздействиям. Негерметичность гофрированной полости между мембраной и ЧЭ приводит к утечке жидкости и, в конечном счете, к отказу датчика [4]. Увеличение диаметра мембраны позволяет поднять чувствительность датчика при приемлемой толщине металла (например, 0,1 мм). Однако при этом возрастает объем подмембранной жидкости и соответствующая температурная погрешность. Растет также фронтальная нагрузка на датчик (в квадратичной зависимости по отношению к диаметру).

Значительно большими возможностями по компенсации температурной погрешности при экстремальных условиях работы обладают датчики давления малого диаметра, у которых защитный УЭ выполнен виде сильфона. Так, взятый за прототип скважинный датчик давления и температуры фирмы Quartzdyne с сильфонным УЭ обеспечивает суммарную точность по давлению 0,03% от ВПИ в диапазоне температур от 25 до 200°С, включая старение 0,01% от ВПИ в год. Сведения о выбранном прототипе приведены в следующих публикациях: Крис Эвант и Сайфон Даунгкэу, Бангкок, Тайланд и др. Приборы для работы в экстремальных скважинных условиях, «Нефтегазовое обозрение», Сборник 1; избранные статьи из журнала - «Oilfield Review», том 24, №3 (осень 2012 г.); том 24, №4 (зима 2012-2013 гг.); том 25, №1 (весна 2013 г.) [3]; - Goutham R. Kirikera, William Patton, Suzanne M. Behr - «Modeling Thickness Shear Mode Quartz Sensors for Increased Downhole Pressure & Temperature)) - Geophysical Research Company, LLC (GRC) Tulsa, Oklahoma Goutham R. Kirikera October 7 - 2010 [4].

На фиг. 1 приведено, взятое из этих публикаций, продольное сечение структурной модели скважинного датчика давления фирмы Quartzdyne в варианте Тип 1 герметичного присоединения к объему с измеряемой средой с конусной герметизацией металл по металлу 18 и одним разъемным соединением.

На фиг. 2 изображен вариант Тип 2 с герметичным присоединением датчика к объему с измеряемой средой с кольцевыми резиновыми уплотнениями 19. Датчик по любому из вариантов герметичного присоединения имеет удлиненный цилиндрический корпус малого диаметра (в зависимости от модификации от 12,7 до 22,2 мм), состоящий как минимум из трех модулей: модуля сильфонного приемника давления 1, базового модуля 2 и модуля микроэлектроники 3. Модуль приемника давления 1 состоит из упругого сильфона 4, вход у которого герметично закрыт жесткой крышкой 5 в форме диска. Выход сильфона через, выполненный в виде цилиндра с осевым сквозным каналом 11, переходник 6 соединен с входом базового модуля 2, выполненного в форме толстостенного цилиндра, внутри которого смонтирована перегородка 7 с электрическими гермовыводами 8. Перегородка 7 с электрическими гермовыводами 8 герметично разделяет внутренний объем корпуса датчика на полость 9 модуля микроэлектроники 3 и рабочую полость, образованную полостью 10 базового модуля 2, соединенную по каналу 11 в переходнике 6 сильфонного приемника давления 1, с полостью 12, расположенную внутри сильфона 4, герметизированного крышкой 5. В полости 10 базового модуля смонтирован частоторезонансный чувствительный элемент (ЧЭ) 13 из монокристаллического кварца, причем все пространство между ЧЭ 13 и внутренними поверхностями рабочей полости 10, 11 и 12 заполнено силопередающей жидкостью, а электрические выводы ЧЭ присоединены к заделанным в перегородке 7 электрическим гермовыводам 8, которые выведены в полость модуля микроэлектроники и подключены через кабель или непосредственно напрямую к электронному устройству 14 с возможностью формирования частотного или цифрового электрического сигнала, удобного для передачи и использования.

В публикации описания варианта прототипа [3] электронное устройство модуля микроэлектроники содержит высокочастотные термочувствительный и опорный резонаторы из монокристаллического кварца (РКТ 15 и РК 16). Использование РКТ или ЧЭ температуры, основанных на других принципах, позволяет проводить двух факторную калибровку датчика давления с построением регрессионной зависимости выходного электрического сигнала от давления и температуры, а также от их взаимодействия. Подключение первичных частоторезонансных сигналов ЧЭ давления и опорного РК 16 мегагерцевого диапазона к смесителю 17 электронного устройства 14 понижает их до килогерцового диапазона. В результате снижается потребление датчиком электроэнергии и обеспечивается высокое разрешение измерений: 0,006 фунт/дюйм по давлению и 0,001°С по температуре.

Для получения точных измерений высоких давлений высокотемпературных скважин датчиком Quartzdyne, все стенки его элементов, образующих рабочую полость за исключением сильфона 4, выполнены недеформируемыми измеряемым давлением. А параметры сильфона выбраны так, чтобы они обеспечивали минимальное сопротивление изменениям измеряемого давления и тепловому расширению силопередающей жидкости в рабочей полости («Баллонного эффекта»).

Несмотря на реализованные в датчике Quartzdyne конструктивные решения по минимизации температурной ошибки, вызванной «Баллонным эффектом», она остается существенной из-за большого количества элементов, совокупно составляющих значительную часть объема рабочей полости, заполняемую силопередающей жидкостью. Это: пространство 12 (см. фиг. 1) внутри сильфона 4 модуля приемника давления 1, пространство в канале 11 переходника 6, а также пространство между ЧЭ 13 и внутренними поверхностями частей полости 10 базового модуля 2.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - это создание конструкции скважинного датчика давления аналогичной конструкции датчика прототипа с изменениями, позволяющими существенно уменьшить температурную ошибку измерений и увеличить верхний предел рабочих температур. Технический результат решения, поставленной задачи - это уменьшение объема части рабочей полости, заполненной силопередающей неагрессивной жидкостью. Для этого в заявляемой конструкции датчика варианты Тип 1 (с герметизацией соединения с измеряемым объемом металл по металлу 18 Фиг. 3) и Тип 2 (с герметизацией через резиновые кольцевые уплотнения 19 Фиг. 4) герметичная перегородка 7 с электрическими гермовыводами 8 размещена в теле переходника 6 между входом в базовый модуль 2 и выходом модуля приемника давления 1, а микроэлектронный ЧЭ 13, подключенный к гермовыводам 8, расположен в заполненной силопередающей жидкостью рабочей полости, состоящей из полости 12 модуля сильфонного приемника давления 1 и полости 11 канала переходника.

В результате нового расположения в заявляемом датчике ЧЭ 13 и перегородки 7 с гермовыводами 8, объем рабочей полости, с силопередающей жидкостью, сократится до разности объема внутри полости сильфона 12 и объема ЧЭ 13 плюс объем части длины канала переходника между местом монтажа перегородки 7 с электрическими гермовыводами 8 и выходом сильфона 4.

Для обеспечения точности и исключения провалов в показаниях датчика, и в тоже время для сохранения минимального объема, заполняемого силопередающей жидкостью, в нем применен ЧЭ давления 13, габариты которого не превышают внутренний диаметр сильфона 4, а длина не превышает сумму длин сильфона 4 и канала 11 переходника модуля приемника 1 с сохранением зазора, исключающего касание и сжатие ЧЭ внутренними стенками сильфона. Наименьший объем рабочей полости можно получить при длине ЧЭ равной длине сильфона 4. В этом случае герметичную перегородку 7 с электрическими гермовыводами 8 можно разместить на выходе сильфона 4, а ЧЭ, подключенный к электрическим гермовыводам 8, целиком смонтировать в полости сильфона Фиг. 4.

На Фиг. 3 изображен вариант микроэлектронного скважинного датчика давления Тип 1, у которого длина ЧЭ больше длины сильфона, поэтому электрические гермовыводы перекрывают канал 11 переходника 6 на расстоянии от выхода сильфона 4 равным разнице длин ЧЭ и сильфона 4 плюс минимально необходимые зазоры. На Фиг. 1 и Фиг. 3 показано возможное разъемное резьбовое соединение модуля приемника давления 1 с базовым модулем 2. Возможно оснащение корпуса датчика герметичным или проницаемым наконечником 22. Проницаемые наконечники 22 используются для защиты сильфона при транспортировке и при работе датчика, погруженного в среду с механическими загрязнениями. На Фиг 1, 3 показаны герметичные наконечники 22, которые выполняют роль адаптера для соединения металл по металлу рабочей полости датчика и емкости с измеряемым давлением.

Кроме основного технического результата, при реализации предлагаемой конструкции возможно получение дополнительных технических результатов.

Это увеличение прочности и надежности корпуса нового датчика за счет появившейся возможности увеличить толщину стенок базового модуля прототипа без увеличения внешнего диаметра, или уменьшить его внешний диаметр с сохранением толщины стенок, при условии применения в их составе ЧЭ с одинаковыми габаритами. Эта возможность появляется потому, что при расположении ЧЭ внутри сильфона, выполняющего роль силопередающего УЭ и компенсатора теплового расширения, толщина его стенок может быть выполнена минимальной в отличие от расположения ЧЭ внутри базового модуля прототипа, стенки которого должны не деформироваться и выдерживать с запасом измеряемое абсолютное давление.

Долговременное сохранение герметичности корпуса датчика, состоящего из нескольких модулей, зависит от площади и толщины их стенок, а также от количества и качества соединений, находящихся под действием одностороннего разрывного давления. Так, при сравнении нового датчика и датчика прототипа, выполненных в варианте исполнения Тип 1 (Фиг. 1 и Фиг. 3) с герметизацией металл по металлу, видим, что в новом датчике из-за отсутствия необходимости формирования в нем герметичной полости 10 базового модуля 2 и переноса по этой причине перегородки 7 базового модуля 2 на его вход, из конструкций исключается пара проблемных кольцевых соединений перегородки 7 с корпусом на его выходе. Так как рабочая полость цилиндрического корпуса датчика прототипа заполнена силопередающей жидкостью под давлением выше атмосферного, то во время измерений на стенки и кольцевые соединения модулей корпуса будут приложены силы давления, действующие на их растяжение. В предлагаемом же датчике все полости и соединения, за исключением сильфона и гермовыводов, находятся в атмосферной среде и, в отличие от прототипа, не подвержены силам давления, действующим на растяжение.

Второй дополнительный технический результат, полученный при решении основной задачи по минимизации «Баллонного эффекта» - это значимое уменьшение величины искажения показаний и длительности переходного процесса при скачкообразном изменении измеряемой температуры и давления.

Этот результат обусловлен применением в новых датчиках ЧЭ давления и ЧЭ температуры ЧЭ с меньшими размерами, а также их более близкое по сравнению с ЧЭ прототипом размещение друг к другу и к измеряемой среде.

В варианте для обеспечения долговременной стабильности и устойчивости датчика к перегрузкам герметичное соединение модулей, составляющих его корпус, выполнено электродуговой или электроннолучевой, или лазерной шовной сваркой.

Как уже упоминалось, в датчиках применяют ЧЭ, построенные на различных физических принципах преобразования давления и температуры в пропорциональный аналоговый или частотный электрический сигнал [1]. Большинство из них могут быть применены в заявляемом датчике. Но по материалам публикаций в настоящее время и в перспективе большей мгновенной и долговременной точности можно достичь при применении частоторезонансного принципа преобразования. Суть этого принципа заключается в возбуждении электронной схемой резонансных механических колебаний резонатора, выполненного из упругого материала и получение частоторезонансного электрического сигнала, с частотой равной частоте механических колебаний этого резонатора. Частота и форма резонансных колебаний зависят от размеров и упругих свойств резонатора, а также от внешних воздействий, изменяющих данные упругие свойства. В технике резонаторы применяют как источники стабильной частоты, поэтому при их конструировании стремятся минимизировать влияние на резонансную частоту всех внешних и внутренних факторов. Но в ЧЭ датчиков физических величин применяются специальные резонаторы, сенсоры у которых при воздействии, выбранной для измерения физической величины селективно в большей степени, чем от воздействия остальных факторов, изменяется резонансная частота. Для обеспечения точности преобразования резонатор - сенсор должен быть высоко добротным. Добротность - это отношение запасенной в резонаторе кинетической энергии к ее потере за один период колебаний. Добротность зависит от размеров и формы резонатора, а также от материала из которого он изготовлен. Давно известны частоторезонансные датчики давления, у которых резонирующая часть резонатора выполнена в виде натянутой металлической струны. Но большими возможностями располагают датчики с резонаторами-сенсорами, изготовленными из монокристаллов в виде микроэлектромеханических систем (МЭМС). Монокристаллы обладают малым внутренним трением, вследствие этого низки и механические потери при резонансе. Наиболее изучены и освоены в производстве резонаторов - это искусственные монокристаллы кремния и кварца.

МЭМС технология прежде всего разрабатывалась для кремния. Кремниевые мембранные ЧЭ могут быть выполнены с малыми размерами, не превышающими 4×4×3 мм, что позволяет разместить их внутри миниатюрного сильфона диаметром 6 мм с обеспечением между ними гарантированного зазора. Кремний не является пьезоэлектриком, поэтому для возбуждения в кремниевом ЧЭ резонансных колебаний приходится применять магнитоэлектрический или электростатический, или тепловой способ. На практике в основном применяется магнитоэлектрический способ. Это когда в кремниевом резонаторе, помещенном в постоянное магнитное поле, под действием силы Лоренца возникают и поддерживаются резонансные колебания и знакопеременный электрический ток с частотой равной частоте механического резонанса.

Упругие свойства кварца совпадают с упругими свойствами кремния, а его пьезоэлектрические свойства позволяют разрабатывать и производить в промышленных масштабах малопотребляющие генераторы стабильной частоты и частотные датчики измерения различных физических величин. К тому же в последнее время наблюдается резкое уменьшение размеров кварцевых резонаторов и микроэлектронных кварцевых приборов и их производство групповыми методами технологии МЭМС. Кварцевый ЧЭ по сравнению с кремниевым ЧЭ имеет большую радиационную стойкость и лучшую долговременную стабильность при высоких температурах. Последнее послужило основанием для применения в высокотемпературных скважинных датчиках кварцевых ЧЭ.

В прототипе применен цилиндрический кварцевый ЧЭ с линзовым тензочувствительным резонатором с резонансной частотой семь МГц по пятой гармонике диаметром восемь мм. Данная конструкция подошла к пределу своего возможного уменьшения, поэтому в варианте нового датчика применен частоторезонансный ЧЭ объемного сжатия, который выполнен из деталей монокристаллического кварца Z-среза и содержит удлиненный кварцевый корпус, внутри которого сформирована герметичная полость с тензочувствительным резонатором, который выполнен в форме сдвоенного по длине камертона, с возможностью, при подключении к пьезоэлектрической схеме возбуждения, совершать изгибные резонансные колебания на основанной гармонике в пределах от трех до трехсот килогерц. В перспективе можно выполнить ЧЭ объемного сжатия, поперечное сечение которого впишется в окружность диаметром два миллиметра, при этом диаметр корпуса может быть уменьшен до 10-9 миллиметров. При необходимости, точных измерений для компенсации температурной погрешности микроэлектронный датчик давления наряду с ЧЭ давления оснащается ЧЭ температуры, а электронное устройство настраивается по результатам двухфакторной градуировки на компенсацию части температурной погрешности в текущих значениях модулированного измеряемым давлением и температуры электрического сигнала. Величина компенсации температурной погрешности зависит от точности поддержания значений факторов давления и температуры во время градуировки, от адекватности (ошибки аппроксимации) регрессионной функции действительной зависимости частоты датчика от температуры и давления, а также от скорости изменения их значений.

В существующих конструкциях используются кварцевые термочувствительные резонаторы. Но из-за относительно больших размеров ЧЭ давления, смонтированного в базовом модуле корпуса, термочувствительный резонатор расположен в модуле электроники, где температура может существенно отличаться от температуры ЧЭ давления из-за тепла, выделяемого электронными компонентами. Для устранения этой разницы ЧЭ температуры плотно в контакте с поверхностями размещен в полости, выполненной в теле перегородки с гермовыводами. Плотный контакт корпуса ЧЭ температуры с переходником обеспечивает быструю теплопередачу между ЧЭ, а их близкое расположение между собой и измерительной средой уменьшает время переходного процесса при быстром изменении температуры и давления.

В варианте заявляемого датчика микроэлектронный ЧЭ температуры выполнен в виде термочувствительного пьезоэлектрического резонатора с вибрирующим элементом из монокристаллического кварца, в форме камертона, смонтированного в цилиндрическом корпусе диаметром, не более двух миллиметров и длиной не более шести миллиметров.

Для доказательства успешного решения поставленной задачи по идентичной технологии и одинаковых комплектующих изготовлены и испытаны две группы скважинных датчиков давления с открытым сильфоном ПДТК-Р-П-Т-МС-32, соответствующих прототипу Фиг. 2 и модернизированный вариант ПДТК-Р-П-Т-МС-32М, соответствующих заявляемой конструкции Фиг. 4. У обоих вариантов габариты корпуса 18×165 мм, размер ненагруженного сильфона 11 мм × 10 гофр, применен ЧЭ давления резонатор малогабаритный кварцевый манометрический объемного сжатия РКМА-Р-ОС-21 (брусок 4×4×15 мм), а также кварцевый термочувствительный и опорный резонаторы в цилиндрических корпусах ∅2×6 мм.

Сравниваемые конструкции различались расположением ЧЭ давления и температуры. Прежде всего оценивался результат, полученный при решении основной задачи по уменьшению «Баллонного эффекта». За критерий степени «Баллонного эффекта» принималось верхнее значение температуры, при которой удлинение сильфона становилось предельно допустимым (величина, приведенная в ГОСТ на сильфон) из-за возникновения его пластической деформации. Последовательное измерение удлинений сильфонов испытуемых датчиков при увеличении температуры показало следующие результаты: для датчиков МС-32, Фиг. 3 в исполнении прототипа предельно допустимое удлинение получено при температуре около 150°С, а для датчиков МС-32 М, Фиг. 4 в исполнении по предлагаемому изобретению даже при температуре 180°С удлинение сильфонов еще не достигло верхнего предела. Оценка изменений динамических характеристик испытуемых датчиков производилась путем снятия изменений во времени показаний давления и температуры после воздействия на них резкого перепада температуры, с 25°С до 140°С (осуществляемым погружением датчика в жидкостной термостат с заранее установленной в нем температурой) при атмосферном давлении и воздействия перепада давления с 350 кгс/см² до атмосферного при температуре 40°С.

Полученные зависимости приведены на Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7, отсюда видно, что наибольшее различие в продолжительности и амплитуде искажения показаний канала давления и канала температуры датчиков происходит при воздействии на них температурного перепада (термоудара). Причем если переходной процесс по отработке дополнительной ошибки от термоудара у датчиков аналогов прототипу длится около трех минут, то у заявляемых датчиков температурное искажение показаний преодолевается всего за две минуты.

Список литературы:

1. Исследование емкостного датчика давления. Методические указания к лабораторной работе. // Самарский государственный аэрокосмический университет. Составители: В.Н. Конюхов, К.Е. Воронов. Самара, 2006, 23 с.

2. В.Б. Поляков, А.В. Поляков, М.А. Одинцов. Перспективы кварцевых пьезорезонансных датчиков. Приборы. - 2011 г., - №3, - с. 39.

3. Крис Эвант и Сайфон Даунгкэу, Бангкок, Тайланд и др. Приборы для работы в экстремальных скважинных условиях, «Нефтегазовое обозрение», Сборник 1; Избранные статьи из журнала «Oilfield Review», том 24, №3 (осень 2012 г.); том 24, №4 (зима 2012-2013 гг.); том 25, №1 (весна 2013 г.). Copyright 2014 ^© Schlumberger.

Данная статья является русским переводом статьи «Testing the Limits in Extreme Well Conditions, Oilfield Review, Autumn 2012:24, no. 3. Copyright 2012 ^© Schlumberger.

4. Goutham R. Kirikera, William Patton, Suzanne M. Behr - «Modeling Thickness Shear Mode Quartz Sensors for Increased Downhole Pressure & Temperature)) - Geophysical Research Company, LLC (GRC) Tulsa, Oklahoma Goutham R. Kirikera October 7-2010.

5. Патент RU на изобретение №2623182, Пьезорезонансный чувствительный элемент абсолютного давления. МКИ: G01L 9/08; опубликован 22.06.2017 г., приоритет 17.05.2016 г., авторы: Поляков В.Б., Поляков А.В., Одинцов М.А.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к высокоточным микроэлектронным скважинным преобразователям и датчикам, работающих в агрессивных средах при высоких температурах выше 125°С и давлении от 10 до 150 МПа. Заявлен датчик давления, удлиненный цилиндрический корпус которого состоит из модуля сильфонного приемника давления, выполненного в виде упругого сильфона, вход которого герметично закрыт жесткой крышкой в форме диска, а его выход через переходник, выполненный в виде цилиндра с осевым сквозным каналом, соединен с входом базового модуля, выполненным в форме толстостенного цилиндра, внутри которого смонтирована, оснащенная проходными электрическими гермовыводами, перегородка, образующая внутри корпуса датчика со стороны сильфонного приемника давления герметичную рабочую полость, состоящую из полости модуля сильфонного приемника давления, полости сквозного канала переходника и полости базового модуля, в которой смонтирован микроэлекронный чувствительный элемент (ЧЭ), электрические выводы которого присоединены к электрическим гермовыводам перегородки, которые выведены в полость модуля микроэлектроники. Перегородка с электрическими гермовыводами герметично смонтирована на входе базового модуля, или в варианте в канале переходника, а ЧЭ, подключенный к гермовыводам, расположен в заполненной силопередающей жидкостью рабочей полости, состоящей только из полости модуля сильфонного приемника давления и в варианте из полости модуля сильфонного приемника давления и полости канала переходника. Технический результат - уменьшение объема части рабочей полости, заполненной силопередающей неагрессивной жидкостью. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления, содержащий удлиненный цилиндрический корпус, состоящий из модуля сильфонного приемника давления, выполненного в виде упругого сильфона, вход которого герметично закрыт жесткой крышкой в форме диска, а его выход через, выполненный в виде цилиндра с осевым сквозным каналом, переходник соединен с входом базового модуля, выполненного в форме толстостенного цилиндра, внутри которого смонтирована перегородка с электрическими гермовыводами, образующая внутри корпуса датчика со стороны сильфонного приемника давления герметичную, заполненную силопередающей жидкостью, рабочую полость, состоящую из полости модуля сильфонного приемника давления, полости сквозного канала переходника и полости базового модуля, в которой смонтирован микроэлекронный чувствительный элемент (ЧЭ), электрические выводы которого присоединены к электрическим гермовыводам перегородки, и выведены в полость модуля микроэлектроники и подключены в варианте, к размещенному в нем электронному устройству с возможностью формирования электрического сигнала, удобного для передачи и использования, или в варианте подсоединены к кабелю для соединения с отдаленным электронным устройством, отличающийся тем, что перегородка с электрическими гермовыводами герметично смонтирована на входе базового модуля, или в варианте размещена в переходнике с герметичным перекрытием гермовыводами канала переходника, а ЧЭ, подключенный к гермовыводам, расположен в заполненной силопередающей жидкостью рабочей полости, состоящей из полости модуля сильфонного приемника давления и полости канала переходника.

2. Микроэлектронный скважиный датчик абсолютного давления по п. 1, отличающийся тем, что герметичное соединение модулей, составляющих его корпус, выполнено электродуговой или электроннолучевой, или лазерной шовной сваркой.

3. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 1, отличающийся тем, что он содержит микроэлектронный ЧЭ давления в форме, приближающейся к цилиндрической, и габариты которого не превышают внутренний диаметр сильфона, а длина не превышает сумму длин сильфона и канала переходника модуля приемника с сохранением зазора, исключающего касание и сжатие ЧЭ внутренними стенками сильфона.

4. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 1, отличающийся тем, что он содержит микроэлектронный ЧЭ, выполненный с возможностью, при его подключении к электронному генератору, преобразовывать давление измеряемой среды в частоторезонансный электрический сигнал.

5. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 4, отличающийся тем, что он содержит микроэлектронный частоторезонансный ЧЭ, который выполнен из монокристаллического материала.

6. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 5, отличающийся тем, что он содержит микроэлектронный частоторезонансный ЧЭ, который выполнен из монокристаллического кремния с возможностью подключения к магнитоэлектрической схеме возбуждения резонансных колебаний.

7. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 5, отличающийся тем, что он содержит микроэлектронный частоторезонансный ЧЭ, который выполнен из монокристаллического кварца с возможностью подключения к пьезоэлектрической схеме возбуждения резонансных колебаний.

8. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 7, отличающийся тем, что он содержит микроэлектронный частоторезонансный ЧЭ объемного сжатия, который выполнен из деталей монокристаллического кварца Z-среза и содержит удлиненный кварцевый корпус, внутри которого сформирована герметичная полость с тензочувствительным резонатором, который выполнен в форме сдвоенного по длине камертона, с возможностью, при подключении к пьезоэлектрической схеме возбуждения, совершать изгибные резонансные колебания.

9. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 1, отличающийся тем, что он наряду с микроэлектронным ЧЭ давления содержит микроэлектронный ЧЭ температуры.

10. Микроэлектронный скважинный датчик абсолютного давления по п. 9, отличающийся тем, что микроэлектронный ЧЭ температуры выполнен в виде термочувствительного пьезоэлектрического резонатора с вибрирующим элементом из монокристаллического кварца в форме камертона, смонтированного в цилиндрическом корпусе диаметром не более двух миллиметров и длиной не более шести миллиметров.