JPH0354431A - 油井内において使用可能な圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は圧力センサに関するものであって、更に詳細に
は、炭化水素井戸内において使用する圧力センサに関す
るものである。

従来技術 石油の埋蔵を探査するために実施される一連の操作は、
ウエル即ち井戸を穿設した後に、石浦埋蔵の評価を行な
うが、可能である場合に石浦の埋蔵を取出すことが可能
である条件を決定するために測定を行なう。この段階は
、「テスト作業］と呼ばれる。この井戸の中の流体の温
度及び圧力に関して種々の測定を行なう。使用すべき温
度及び圧力センサは、例えば３週間乃至４週間の測定明
間の間を通じて信頼性を維持し、厳しい使用条件に耐え
ることが可能なものでなければならない。

従って、これらのセンサに対する環境条件が決定される
。特に、これらのセンサは、格納状態の場合の−５０℃
からダウンホールにおける操作のだめの２００℃を越え
る温度範囲における温度に耐えることが可能でなければ
ならない。更に、これらのセンサは、１バール乃至１４
００バール、即ち１．４Ｘ１０７Ｐａの範囲内の圧力に
耐えることが可能でなければならない。操作に関して、
信頼性の条件は、測定値、長明及び短期の両方における
安定性、及びヒステリシスの精度を画定する。

現在市販されているセンサは、これらの条件を完全に満
足するものではない。現存するセンサのタイプの一つは
、測定セルが内部に溶接されている本体を有している。

この測定セルは、単一の平坦なスチールの基板から構成
されており、その上に第一絶縁層が付着形威され、次に
ストレーンゲージ回路が形成され、そのストレーンゲー
ジ回路は第二絶縁層によって被覆され、二つの金属の接
続タブが露出されている。このセルは、密封状態で本体
の内部に固定され、測定されるべき圧力が前記セルの第
一面に印加され、一方そのセルの第二而は基準圧力、特
に大気圧に露呈されている。

このタイプの構造においては本質的に重大な欠点を有し
ている。第一に、通常溶接によって行なわれる制定要素
（即ち、感受性のあるメンブレン即ち膜）とセンサの本
体との間の接続が不安定性の潜在的な発生源である。測
定要素とセンサ本体との間の機械的な分離が存在しない
ので、センサを再度組立てた前後において観測される測
定値の間には差異が発生する場合があり、且つ特に、ク
ランブ結合部は出力レベルに影響を与えることが可能で
ある。

更に、高温の媒体内に数週間の期間センサを高圧状態に
露呈した場合に、センサドリフトが観察される。このド
リフトは、部分的には、非弾性及びクリープ現象に起因
するものである。

英国特許第１．０８９，４３５号は、ブリッジ形態で配
設された薄膜抵抗要素を担持する変形可能な支持体から
構成されている圧力センサを開示している。この支持体
は、例えば石英ガラス又はサファイヤなどの物質から構
成される楕円又は卵形断面を有する管から形威されてい
る。この管の内部と外部との間の圧力差がそれを変形さ
せ、抵抗要素の差動歪を発生する。しかしながら、この
特許は、周りの流体からこの管の内部を密封する手段に
関しては何ら開示しておらず、それは、前述した如く、
圧力が最大で１４００バールとなる場合がある炭化水素
井戸などの媒体において使用することが意図されている
センサの場合には極めて重要な要素である。

目　　的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を角ｑ消し、測定再現性に関し
て信頼性があり且つ時間に関して安定であり高精度を提
供する高圧媒体において使川すべく適合された圧力セン
サを提供することをＬ１的とする。

構成 本発明によれば、測定されるべき圧力に露呈される外部
表面を有しており且つその内部が所定の低圧力である密
封された内部室を画定するセルを有する圧力センサが提
供される。前記セルは、接合而において一体的に接合さ
れる同一物質からなる二つの部分を有している。これら
の部分の少なくとも一方は、その変形可能な部分におい
て、前記接合而と平行な平坦な外側表面を有している。

更に、本圧力センサは、前記平坦な外側表面上に付着形
成された薄膜電気抵抗により構成される歪測定川回路を
有している。

好適には、前記部分の少なくとも一方が、周囲壁及び前
記回路がその上に付着形成された中央キャップを有して
おり、前記中央キャップのみが圧力に応答して実質的に
変形可能な構成を有している。

前記セルの物質は、好適には、サファイヤであり、更に
好適には、該セルの二つの部分の間の接合面に対して直
交して延在する結晶軸を有する単結晶サファイヤであり
、その場合に接合面において等方的応力が得られる。

実施例 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
について詳細に説明する。

第１図を参照すると、本発明の一実施例に基づいて構戊
される圧力センサが示されており、それは、主に、セン
サ本体の内部に配置された二つの部分１０Ａ及びＩＯＢ
によって構戊される測定セルを有している。該セルは、
薄膜付着物によって形成される電気抵抗の形態の歪測定
用回路乃至は装置を担持している。

薄膜付着物を製造する技術は、例えば、「薄い固体膜（
Ｔｈｉｎ　　Ｓｏｊ　ｉｄ　　Ｆｉｌｍｓ）Ｊ、１９７
２、第１０巻、の技術ジャーナルに記載されており、更
に、Ｒ，　　　Ｇ．　　　Ｄｕｃｋｗｏｒｔｈ著「タン
タル薄膜抵抗（Ｔａｎｔａ，Ｑｕｍ　　Ｔｈｉｎ　　Ｆ
ｉ，ｌＪｍ　　Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）Ｊの文献にも記載さ
れている。

該セルは、測定信号を供給し、それは接続手段１４を介
して、前記測定信号を処理するシステム（不図示）へ伝
達される。

組立ての目的のために、該本体は、二つの別々の部分、
即ち主本体２及びそれに固着される先端本体４の二つの
部分に形成されている。該セルは、主本体２内側に設け
られる内部空洞７内に配置される。

該接続手段は、接続ケーブル１４及び該セルの周りの内
部空洞７内に連連する主本体２を介して通過する密封し
たフィードスルー即ち供給踏２２によって構威されてい
る。

本庄カセンサの先端本体４の主要な機能は、側定セルを
周囲の流体圧力と接触させることである。

このために、先端本体４は、軸方向チャンネル５を有し
ており、その一端は外側へ開口しており、その他端はＡ
Ｉ定セルを収容する内部空洞７へ開口している。その結
果、本センサの先端本体４の外側の媒体は、軸方向チャ
ンネル５内へ進入し且つ測定セルと遭遇する。しかしな
がら、この１１１定セルを保護するために、主本体２と
先端本体４との間においてそれらの接合面内にメンブレ
ン（膜）８が配置されている。従って、外側の媒体は、
測定セルと直接接触することなしに、メンブレン８の他
方の側に止どまる。しかしながら、このメンブレンは、
十分に柔軟性を有しており、前記外部の媒体の圧力を測
定セルを収容する内部空洞７の内側へ伝達させる。メン
ブレン８によって区画されるこの空洞の堆積は、浦で完
全に充填され、従ってその油は測定セルを取り囲む。こ
の油は、本圧力センサを組立てる場合に、該本体の二つ
の部分２及び４を互いに組立てた後に揮人し、その際に
メンブレン８及び測定セルを包囲する。内部空洞７の内
側の圧力は、減少され、主本体２を貫通して形成されて
いるチャンネル２４を介して浦を伸人することを可能と
する。内部空洞７が完全に油で充填されると、圧力ボー
ル１６がチャンネル２４からのアウトレットに位置され
た円錐状の着座部２６に対して押圧される。圧力ねじ１
８がチャンネル２４の延長部内に揮人され、且つボール
１６を着座部２６に対して付勢し、その際に内部空洞７
を密封状態とする。

従って理解される如く、該セルの外側表面は測定される
べき圧力に露呈され、月−っ該セルはセンサの本体２か
ら機械的に分離されている。このことは、従来のセルを
実施する場合に遭遇していた測定要素の機械的接続に関
する問題を回避することを可能としている。

本発明の別の主要な特徴によれば、該セルは、密封した
内部室１２を画定する。外部媒体の圧力を測定すること
が可能であるためには、内部室１２の内側に所定の低圧
力が確立し、その圧力が測定のための基準圧力として作
用する。この圧力は、好適には、約０，ＩＰａである。

好適実施例においては、ＡＩ定セルはサファイヤから形
成され、更に好適には、例えばアルミナなどの単結晶サ
ファイヤから形成する。この物質は、良好な耐腐食特性
を有している。該セルが測定要素を摺或するストレーン
ゲージ回路を担持しているので、この物質の非常に重要
な特性は、サファイヤが完全に弾性的であり且つその破
壊点に達するまて線形であるということである。それは
、全く塑性を有しておらず、且つ転移運動及びクリープ
に対して影響を受けることがなく、これらの現象は従来
のセンサにおいて観察されていたドリフトに対する原因
の一部をなしていた。

セルを形成する物質としてサファイヤを選択することは
、サファイヤが良好な絶縁体であるという利点があり、
従って従来の金属基板と歪測定装置との間に必要とされ
る絶縁層を設ける必要性を除去している。この様な絶縁
層を省略することはセンサの製造を簡単にするのみなら
ず、高温度に露呈された場合に絶縁体としての実効性が
減少するだめに絶縁層に関連する問題を除去することに
よりセンサの特性を改善することとなる。

好適な実施例においては、７１１１定セルは、二つのシ
エル乃至は殻半割りＩＯＡ及びＩＯＢとして形威され、
その各々は第３図に示した如く、内部室の半分を画定す
る。これらのシェル半割りは、内部室１２を形成する態
様で接合而１１において接合される。歪測定用回路乃至
は装置が、接合而１１と平行であるシェル半割りＩＯＡ
の一方の平坦而２０上に配置されている。

これら二つのシェル半割りＩＯＡ及びＩＯＢは、接合面
１１において、サファイヤの膨張係数と非常に近い膨張
係数を有する密封用ガラスによって密封状態で一体的に
接合される。この様な接合を行なうために使用される技
術は、特に、スイス特許出願第８２７２／７９号、公開
番号第６３２８９１Ｇ号に記載されている。

サファイヤは、好適には、単結晶のものであり、且つ二
つのシェル半割りＩＯＡ及び１．　Ｏ　Ｂが同一の結晶
軸を有するようにカットされている。接合而１１及びス
トレーンゲージが付着されている而２０に対して直交す
る軸がこの結晶の桔晶軸Ｃを構戊する。その構成は六角
形であるから、サファイヤは結晶軸Ｃに対して直交する
而内において等方的な変形、膨張及び応力を示す。結晶
軸に関する表記法に関しては、Ｇ，　　　Ｆ，　　　Ｎ
ｙｅ著「結晶の物理的特性（Ｐｈｙｓ　ｉｃａ，７７　
　Ｐｒｏｐｅｒｔｆｅｓ　　ｏｆ　　Ｃｒｙｓｔａｆｌ
）Ｊｓオックスフォード大学出版、ニューヨーク、１９
８５の文献に記載されている。この方向に結晶軸を選択
することにより、接合面における密封の長期的な安定性
を阻害する可能性のある接合面１１における差動的な膨
張に起因する問題を除去しており、従ってセンサの長期
的な安定性に関する問題を回避している。

第１図において、二つのシェル半割り１０Ａ及び１０Ｂ
が、これら二つのシェル半割りの可能な実施形態の幾つ
かを示す目的のために異なった内部表面を有するものと
して示してある。

第３図は、好適実施例を示しており、 その場合、 ８ｌｌ１定セルは、同一のシェル半割りＩＯＡ及び１０
Ｂを有している。各シエル半割りは、接合面１１を端面
として有する周囲壁を有しており、且つ円筒状の外側表
面及び内側表面を有しており、［Ｌつ平担化した楕円の
形状の内側表面及び平坦な外側表面を有する中央キャッ
プ部分を有している。このセルは対称的な形状であるか
ら、この実施例は、接合面における応力を減少する観点
からは最適なものである。

第３図の実施例の別の実施例においては、１０Ａで示し
た如きシェル半割りを有すると共に、シェル半割りＩＯ
Ｂの代わりに、シェル半割り１０Ｂと同一の外側表面を
有しているが内側の平坦な面が接合面と同一面上にある
円筒状のプレー１・乃至はディスクを有している。この
場合、セルの内部室は、第３図に示した如き室１２の上
半分に制限され、且つ歪ａＰ１定用回路は、シェル半割
り１０Ａの外側表面上に付着形成され、それはそのセル
のＩＩＷ一の変形可能な部分である。他の実施例におい
ては、該セルの二つの部分、即ち円筒状のディスク及び
シェル十割りは同一の物質から構威し、々ｆ適にはサフ
ァイヤから構成される。

このセルは、好適には、内部空洞７の内側に可撓的に装
着される。可撓物質からなるスペーサが内部空ｄ・１７
の壁土に押入される。

メンブレン８は、本圧力センサが使用される温度範囲に
亘って安定な機械的特性を持った物質から構成される。

しかしながら、それは、更に、外部媒体の圧力を測定セ
ルを取り巻く油へ伝達するために高度の仰性変形を示す
ものでなければならない。水性媒体において良好な耐腐
食特性がこの適川においては必要とされる。

第２図は、本発明のセンサにおいて使用されるｉｔｉ気
抵抗歪側定装置乃至は回路を示している。この歪測定装
置か設けられている表面２０におけるセルの直径は約１
０ｍｍである。この装置乃至は同路は、主に、４個の抵
抗２２を有しており、それはストレーンゲージとも呼称
される。それらの中央部分は、５０ミクロンの幅を越え
るものではない。これらの抵抗３２は、ホイートストー
ンブリッジ形態に相耳接続されている。このホイートス
トーンブリッジ回路は、セルの表面２０の中心の周りに
配置され、且つ前記表面の中心に対して対称的に配置さ
れ、その直径に沿って伸長されている。接続部３４が抵
抗３２を相互接続し、且つ抵抗３２と同一の物質を使用
して形或することが可能であり且つそれと同時的に付着
形威させることが可能である。これらの接続部は、面積
か大きく、それらの電気的抵抗を最小としている。従っ
て、この形態は、温度安定性及び長期的安定性の両方に
おいて高度の安定性を確保することを可能としている。

金属接触部３８がワイヤ４０を介して接続部３４を密封
したフィードスル−２２内に受納されている接続ケーブ
ル１４へ接続している。

保護層５０が歪測定用装置の上に設けられており、従っ
て金属接触部３８のみがこの保護層を介して露出されて
いる。

第２図に示した表面２０の上には、抵抗３６が設けられ
ており、それは圧力の影響下における変形に露呈される
ことのない位置において前記表而の周辺部に配置されて
いる。この抵抗は、歪測定装置の温度を測定するための
手段を構成している。

この抵抗及びその接続部は、歪ＡＰＩ定装置が形成され
る態様と類似する態様で形成される。

抵抗３２及び接続部３４を絶縁するための保護層５０は
、更に、抵抗３６も披謂している。抵抗３６は、同様に
、２個のコンタクト即ち接触部３８を介して密封された
フィードスルー即ち供給口２２を介して本体２を介して
通過するケーブル１４の一方へ接続されている。このこ
とは、歪測定用装置の温度を測定する手段を該歪測定装
置に可及的に近付け且つ同一の表面２０上に配置するこ
とを可能としている。

この様にして１４られる温度測定は、ストレーンゲージ
に与える温度の影響に対して補償するために使用するこ
とが可能であり、その際に実際上温度変動に影響を受け
ることのない圧力センサを提１共することを可能として
いる。

ホイートストーンブリッジ形態における歪測定用装置は
、接続部３４から物質を除去することによりホイートス
１・−ンブリッジをバランスすることによって調節され
る。このことは、レーザを使用することによって行なう
ことが可能である。

以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
ではなく、本発門の技術的範囲を逸脱することなしに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に基づいて購威された異なっ
たシェル半割りを具備する圧力センサを示した概略断面
斜視図、第２図は本発明の圧力センサにおいて使用され
るセルの面の一方の上におけるストレーンゲージ及びそ
の相亙接続を示した概略図、第３図は本発明の好適実施
例における接合面に対して垂直な面におけるセルの構造
を示したほ略断而図、である。 （符号の説明） ２；主本体 ４：先端本体 ５　； ８　： １　０　： １６　： １８： ２０　： ３２　： 軸方向チャンネル メンブレン シェル（殻）半割り 圧力ボール 圧力ねじ 平坦面 抵抗 特許出頼人 シュルンベルジエ　オーバ ーシーズ　エス，エイ，

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定すべき圧力に露呈される外側表面を有すると共
   にその内部が所定の低圧力である密封した内部室を画定
   するセルを有しており、前記セルが接合面によって接合
   された同一物質からなる二つの部分を有しており、これ
   らの部分の少なくとも一方がその変形可能な部分におい
   て前記接合面に平行な平坦な外側表面を有しており、且
   つ前記平坦な外側表面上に付着された薄膜電気抵抗によ
   って構成される歪測定回路が設けられていることを特徴
   とする圧力センサ。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記セル部分の少
   なくとも一方が、周囲壁及び前記回路をその上に付着し
   た中央キャップ部分とを有しており、前記キャップ部分
   のみが実質的に変形可能であることを特徴とする圧力セ
   ンサ。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記セル部分が前
   記接合面と垂直な軸に関して対称的であることを特徴と
   する圧力センサ。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記キャップ部分
   が平坦化した楕円形状の内部表面を有することを特徴と
   する圧力センサ。 ５、特許請求の範囲第２項又は第３項において、前記セ
   ル部分が同一形状の半分の殻形状であることを特徴とす
   る圧力センサ。 ６、特許請求の範囲第１項乃至第５項のうちの何れか１
   項において、前記セルがサファイヤから構成されている
   ことを特徴とする圧力センサ。 ７、特許請求の範囲第６項において、前記セルが、結晶
   軸を接合面に対して直交する単結晶サファイヤから構成
   されていることを特徴とする圧力センサ。