CN102791959B - 无源微容器及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于原位声发射，和（或）释放、取样和（或）测量流体或其它各种材料的电无源设备及方法。该设备可以提供一个按照预设时间释放、取样和（或）执行测量的强大定时操作装置，以及在不同实施例中，发射一声信号序列其可通过三角测量法来确定设备在诸如油气藏或活体中的位置。

Description

无源微容器及传感器

交叉引用的相关申请

本申请要求优先权的基础来自2010年2月12日提交的名为“无源微容器及传感器”编号为61/337,998的美国临时专利申请，在此特引用其全部内容作为参考。

技术领域

本发明主要涉及一种电无源设备，其能够在特定的时间间隔内通过声波发射来传递自身位置，和（或）能够在特定的时间间隔内检索和（或）传感流体样本，和（或）能定时释放粒子、化学产品、或医药产品。本发明的更多具体实施例涉及一种电无源容器，其用来在地下构造（例如地质构造或海洋构造）或活体研究中获取样本或者释放各种粒子/产品，通过可选功能提供样品测量值，和（或）通过声波发射传递自身位置。

背景技术

在石油和天然气勘探过程中常常需要中从地下储层构造中获取和分析流体样本。这样的操作在特定的油田受到严酷地下环境的阻碍，包括高温高压（HPHT）、腐蚀性流体及严重地形制约。在这种环境下使用通常需要电源、监控和（或）遥测的电子传感器来获得和测量流体样本的困难就变得更加复杂。

一些涉及油田的操作，例如压裂地质构造，将大大受益于制作地下裂缝几何地图和及时获得裂缝演变情况的能力。目前这样的能力在技术上还达不到。类似的需求还存在于地下二氧化碳封存储层中监测和执行断裂分析技术中。

在远离油井的油田环境中测量流体性质和成分是非常难于执行的。将非常小的传感设备通过压裂支撑剂或者类似传感器传输手段远程注入地质构造，并且，在其执行测量或者获取样本之时能够确定设备自身位置及精确时刻将大大有益于工业生产。

测量有时候需要在高压情况下执行，此时利用带有车载电子和数据传输功能的有源传感系统进行测量，要么由于环境的原因不可能实现（例如温度和气压过高），要么太过昂贵而被证明不经济。典型例子包括在含水土层、饮用水井、或潜艇环境下测量。这样的环境可能是湖泊、或海洋或大洋。

通常，需要在预先确定的时间将小粒子或者少量的化学品注入或者释放到远程环境、或者难以接近的环境中。这些小粒子或化学品可被用作追踪者，可参与化学反应，或可被用作药品。可能被注入这些粒子，化学品，或药品的典型环境包括但是不限于水库和油气藏，在这些油气藏或其他地质构造中已经存在或诱导的断裂层，油，水和（或）天然气井，水体如湖泊，河流和海洋，或人的身体。

监控危险废物处理池和临近含水层的污染物映射及浸出同样是非常重要的领域，其中对小型化和经济的传感解决方案的需要尤为突出。

发明内容

依据该发明的一个实施例，所述设备至少包括一个取样装置。每个取样装置包括一个定时膜片，一个定时腔，一个机械结构和一个隔离腔。每个取样装置进一步包括一个已经预先确定几何尺寸的填充有已知性质定时流体的微流体通道。当对定时流体施加压力时，定时流体在微流体通道中以某一速度前进，该速度由预先确定的通道几何尺寸和已知流体的性质决定。在一定时间间隔内定时流体到达定时腔，定时流体对定时膜片施加压力，使得机械结构破裂和（或）瓦解，从而允许外部的流体进入隔离腔，这可能进一步将流体导入取样室。

依据发明的相关实施例，所述设备可包括多个取样装置。其中至少一个取样装置可含有一个与其他取样装置有不同尺寸的微流体通道，这样一来不同取样装置的定时流体在不同的时间到达与它们相关联的腔室。该取样装置可包含一个止逆阀这样可以允许流体流入取样室但是阻止流体从取样室流出。

依据发明的进一步相关实施例，当机械结构破裂和（或）瓦解时，所述设备能发出一声波信号。在机械结构瓦解时隔离腔和机械结构被塑造为可发出预先确定的声波信号。该设备可包含多个取样装置，当相关联的机械结构破裂时每个取样装置有对应的声波信号，其中每个取样装置的声波信号各不相同。该设备可包含多个取样装置，其中至少一个取样装置含有一个与其他取样装置不同尺寸的微流体通道，这样不同取样装置的定时流体在不同时间到达与之相关联的腔室，从而在不同时间产生多重声波。该取样室可包含一传感元件，用来执行流体检测和（或）测量。该传感元件可包括，例如，可与流体相互作用的材料和（或）可执行流体样本电化学测量的电极。该设备可为电无源设备。该隔离腔可含有超细微粒，纳米粒子，化学产品，和（或）医药产品，这些粒子在所述用来使隔离腔和外界环境分隔开的机械结构破裂和（或）破裂时被释放到环境中。该设备可包括一个过滤器和（或）一个筛子用来阻止破碎的机械结构部件进入隔离腔和设备周围的环境二者至少之一中。

依据更加相关的发明实施例，一工具可以合并上述设备。该工具可含有一个内部流程线，其中设置有一个或多个所述设备，样本流体能够在流程线中循环，其中当所述样本流体在内部流程线中循环时与所述设备接触。该工具可包括一平板，该平板能被推到地层墙来接收流体，和一泵用来将地层流体泵入内部流程线。该工具可进一步包括至少一个扩音器用来从一个或多个设备接收声波发射。其他扩音器可被设置于油井周围地面上的不同位置，或地层内钻井中其他地方。该工具可包括一处理器用来执行所接收到的声波发射的时间标记，和（或）测定设备定位。该工具可包括一个检索装置，用来从地下构造中检索所述设备。该检索装置可包括抽水设备和抽吸设备其中之一。

依据进一步相关的实施例，前述设备可用泵将其与载流体或支撑剂一起通过油井从地面注入到地下构造层中。从设备中发出的声波的监测可用设置于该注入井中其他区域，或地面上的扩音器来执行。该设备可被置于地质构造，地层裂缝，管道，液体，井，引擎，油气藏，蓄水层，水体，油田工具，废物处理池，支撑剂配方和（或）活体中的流体内。

依据发明的另一个实施例，用于流体取样的设备包括至少一个取样装置，其可为电无源设备。每个取样装置包括一个隔离腔，一个机械结构和一个微流体定时装置。当微流体定时装置受到压力作用时，机械结构在一定延时后破裂和（或）瓦解，从而允许外部流体进入隔离腔，然后可进一步将流体导入取样室。

依据发明相关实施例，该微流体定时装置可包括装有定时流体的微流体通道，其中当对定时流体施加压力时，定时流体在微流体通道中前进。定时流体可以预先确定速度在微流体通道中前进，该速度至少在一定程度上决定于微流体通道的几何尺寸和定时流体的性质。微流体定时装置可包括定时腔和定时膜片，其中当定时流体前进并到达定时腔时，该定时流体对对定时膜片施加压力使其膨胀，使机械结构破裂从而使外部流体能够进入隔离腔。当机械结构破裂时该设备可发出预先设定的声波信号。样本腔可包括一个传感元件，其用来执行对进入取样室的流体进行侦察和（或）测量。隔离腔可包括超细微粒，纳米粒子，化学产品，和（或）医药产品，这些粒子在使隔离腔和外部环境相分离的机械结构破裂和（或）崩溃时，被释放到外部环境中。该设备可包括一个过滤器和（或）筛子来阻止破碎的机械结构部件进入隔离腔和设备周围的环境至少之一中。

依据进一步相关的发明实施例，一系统包括一个或者多个上述设备。该系统进一步包括至少一个扩音器、地音探听器，加速器和（或）其他类型的传感器，用来接收从一个或多个设备发出的声波。一个处理器可至少在一定程度上对接收到的声波发射做时间标记和（或）确定一个或者多个设备所处的位置。该设备可置于地质构造，地层裂缝，管道，流体，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和（或）活体中的流体内。

依据发明的另外一个实施例，一流体取样系统包括至少一所述设备，该设备可为电无源设备。每个设备包括一机械结构，和一微流体定时装置，微流体定时装置受到压力作用时，在一定延时后该机械结构破裂。机械结构破裂时发出一个声波信号，同时可允许流体进入样本室。该系统进一步包括一扩音器用来接收发出的声波，和一个处理器来实现与扩音器的有效耦合。该处理器可，例如，至少在一定程度上通过接收的声波信号来提取设备所处的位置。

依据发明的另外一个实施例，有一种将所述设备置于流体中的方法。所述设备内的一个声波腔在决定于电无源定时装置的时间对流体打开。当声波腔打开时设备发出声波信号。

依据发明的相关实施例，当腔室打开时可获得一样本。使用一个或多个扩音器，地音探测器，加速器和（或）其他类型的传感器可以至少在一定程度上检测到声波信号。检测到的声波信号可能是带时间标记的。设备的位置可以利用但不限于三角测量，压缩声波信号处理，和（或）声波信号切边处理等方式对检测到的声波信号进行处理后获得。该设备可被置于地质构造或地层裂缝中。例如，该设备可被泵入地质结构。设备的部署方式还包括将设备用于水力压裂操作。该设备可置于地质构造，地层裂缝，管道，流体，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和（或）活体中的流体内

依据进一步相关的发明实施例，该定时装置可包括定时膜片，定时腔，和已知几何尺寸的微流体通道，该通道填充有已知性质的定时流体。对定时流体施加压力时，所述定时流体以由已知的通道几何尺寸和定时流体性质决定的的速度在微流体通道中前进，在经过一定时间间隔后定时流体到达定时腔，定时流体对定时膜片施加压力从而将设备内的声波腔对外部流体打开。

依据进一步相关的发明实施例，超微粒子，纳米粒子，化学产品，和医药产品中至少一种可被储存在该设备中，当声波腔破裂时所述粒子进入外部流体中。当声波腔破裂时外部流体样本可被存储于该设备内。

依据发明的另外一个实施例，该设备包括一最初无法访问外部环境的隔离腔，和一电无源定时装置。一机械结构将隔离腔与外界环境分隔开，这样在一个时间间隔结束以后该定时装置作用于所述机械结构在一定程度上使其破裂和（或）瓦解，从而使隔离腔与外界环境相接触。

依据发明的相关实施例，该设备定时装置可包括一定时薄膜，一定时腔，和一填充有已知性质定时流体的预先确定几何尺寸的微流体通道。当对定时流体施加压力时，定时流体在微流体通道内以由通道几何尺寸和定时流体性质预先确定的速度前进。经过一定时间间隔后到达定时腔，该定时流体对定时膜片施加压力从而使机械结构破裂，进而允许外部流体进入隔离腔。

依据发明进一步相关的实施例，该设备可包括一个外部设备用来对定时流体施加压力。该机械结构可能是一张隔离薄膜和（或）膜片。该隔离腔可包括一个取样室，该取样室包括一止逆阀，该止逆阀可以允许流体流入取样室但却阻止流体从取样室流出。机械结构破裂时该设备可发出一声波信号。当机械结构破裂时该隔离腔和机械结构可以被塑造成可发出预先确定的声波信号。该隔离腔可包括一个传感元件用来执行流体探测和（或）测量。该传感元件可包括一种可与流体相互作用（如用化学方法）的材料。该传感元件可包括一个电极，可以用来，例如，执行对流体样本的电化学测量。该传感元件可能是一个微电子机械系统（MEMS）其可实现微组装。

依据发明的另一个进一步实施例，该隔离腔可包括超细微粒，纳米粒子，化学产品，和（或）医药产品，当用于将隔离腔与外部环境分隔开的机械结构破裂和（或）崩溃时，这些粒子被释放到环境中。该设备可包括一个过滤器和（或）筛子来阻止破碎的机械结构部件进入隔离腔和设备周围的环境至少之一中。

据本发明的相关附加实施例，该设备可包括多个隔离腔，多个无源定时装置，和多个机械结构。至少其中一个无源定时装置有与其他定时装置不同的定时间隔，从而该与至少一无源定时装置相联系的机械结构在不同的时间破裂和（或）崩溃。

依据更加相关的发明实施例，一系统可包括多个上述设备，其中每个设备在与其相关联的机械结构破裂时产生一声波信号，其中每个设备的声波信号各不相同。一系统可包括多个上述设备，其中至少一设备含有与系统中其他设备不同尺寸的微流体通道，这样不同取样装置中的定时流体在不同时间到达与其相关联的腔室，以便在不同的时间产生多重声波事件。一工具可组合一个或多个上述设备，该工具含有一内部流程线，其中设置有一个或多个所述设备，样本流体可以在流程线中循环，其中，所述样本流体在该流程线中循环时与所述设备接触。该工具可进一步包括至少一扩音器用来接收来自一个或多个设备发出的声波，和一个处理器来执行所接收到的声波发射的时间标记，和（或）测定设备定位。一种方法使用至少一上述设备，可包括将所述设备置于地质构造，地层裂缝，管道，流体，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和（或）活体中的流体内。

依据与发明进一步相关的实施例，一系统可包括多个上述设备，其中该系统被纳入一水下测试系统中。该系统可附加或者另外嵌入到电缆中。该电缆可进一步附加到固定的浮标上，或被船或者水下交通工具拖着穿过水体。

依据发明的另外一个实施例，一方法包括将一该设备设置于外部流体中。设备的一个腔室在有一电无源定时装置决定的时间对外部流体开放。当腔室打开，超细微粒，纳米粒子，化学产品，和（或）医药产品从腔室中释放出来进入外部流体，和（或）外部流体样本能被储存在该设备中。

依据发明相关实施例，该无源定时装置可包括一定时膜片，一定时腔，和一填充有已知性质定时流体且已知几何尺寸的微流体通道。当对定时流体施加压力，所述定时流体以一个由已知通道几何尺寸和已知定时流体性质决定的速度在微流体通道中前进，在一定时间间隔后定时流体到达定时腔，定时流体对定时膜片施加压力从而将设备内的腔室向外部流体打开。

依据进一步相关的发明实施例，所述设备的部署方式可包括将设备泵入地质构造和（或）地层裂缝。该设备可被布置在地质构造，地层裂缝，管道，流体，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和（或）活体中的流体内。

依据更加相关的发明实施例，该方法可包括当腔室打开时设备发出一个声波信号。通过使用一个或多个扩音器，该声波信号可至少在一定程度上被检测到。通过对检测到声波信号用三角测量、挤压信号处理、和（或）信号切变处理等方法来处理，该设备的一个位置信息可被提取出来。

依据发明的另外一个实施例，该设备包括一电无源定时装置和一机械结构，在时间间隔结束时，定时装置时机械结构破裂从而发出一个声波信号。

依据发明的相关实施例，该设备可包括一隔离腔，其中机械结构将隔离腔和外界环境分隔开，且其中机械结构的破裂使得隔离腔与外界环境相接触。该机械结构可为一层隔离薄膜。

依据发明的进一步相关实施例，该定时装置可包括一定时膜片和一定时腔。一被填满已知性质定时流体且已知几何尺寸的微流体通道，如此，当对定时流体施加压力时，定时流体在该微流体通道中以由已知通道几何尺寸和已知定时流体性质决定的速度前进。当到达定时腔时，定时流体对定时膜片施加压力，使机械结构破裂和（或）崩溃，从而可允许外部流体进入隔离腔。该隔离腔可包括一取样室，该取样室包括一止逆阀，该止逆阀可允许流体流入取样室，但是阻止流体从取样室流出。该取样室可包括一传感元件用来执行流体侦察和测量中至少一个功能。该传感元件可包括能与流体相互作用的材料。该传感元件可包括允许对流体样本执行电化学测量的电极。

依据发明的进一步实施例，当破裂时，该机械结构因改变形状而发出一个事先确定的声波信号。该设备可被微组合。

依据发明更进一步的实施例，一系统包括多个上述设备，其中每个设备在其相关联的机械结构破裂时会发出一个声波信号，并且各设备的声波信号各不相同。该系统可被整合到一水下测量系统。该设备也可被附加到电缆。该电缆可被船或水下运输工具拖着穿过水体。该设备可应用于水力压裂施工中。

依据发明的各种实施例，在上述实施例中的定时流体要么为已知粘度的牛顿流体，要么为已知流变性能的非牛顿流体。复合非牛顿剪切稀化流体可能有许多的优势，换句话说，事实证明非牛顿定时流体在低剪切应力下将有很高的粘度（也就是在低施加压力下），但是在压力增大时粘度会急剧下降。在发明的不同实施例中，复合非牛顿流体将被用作定时流体，其效果是在一个定时装置中只有当外界压力到达特定的门限值时流体才会变得活跃，以及给定时装置提供其他附属功能。

简单附图说明

对照附图参考下面的详细说明，发明的前述特征将更容易理解。

图1为将发明所述设备用于水力压裂或流体注入操作过程中碳氢化合物取样的部署情况实施例示意图。

图2（a-d）为依照发明的一个实施例，如图1所述设备的详细信息示意图。图2（a）为该设备被激活前的状态示意图。图2（b）为该设备隔离薄膜破裂的状态示意图。图2（c）为该设备取样室填充满样本流体的状态示意图。图2（d）为该设备在表面检索后准备好被询问的状态示意图。

图3（a）为依照发明的一个实施例，当隔离薄膜破裂时声波能量爆发的情况示意图。图3（b）为依据发明的一个实施例，多个扩音器被置于地层构造中不同位置用来记录因隔离薄膜破裂产生的波前的到达时间示意图。

图4为发明的一个实施例中含有可释放到人体中的医药产品的无源定时设备示意图。

图5为发明的一个实施例中包括可存储破碎薄膜部件的过滤器的无源定时设备示意图。

图6为发明的一个实施例中集合了多个取样设备和（或）装置的油田取样工具示意图。

图7为发明的一个实施例中可嵌入水下测量系统的智能取样设备阵列示意图，该系统可同电缆一起被附加到浮标，帆船（钻塔），舰，或船只中的其中之一上。

具体实施例的详细说明

在具体实施例中，提供了一种用于原位声波发射，和（或）释放、取样和（或）测量流体或其它各种材料的电无源设备及方法。该设备可以提供一个按照预定时间释放、取样和（或）执行测量的强大定时装置，在不同实施例中，该设备可对外发射一个声信号序列，该序列通过三角测量可对该设备进行定位，例如，在油气藏或活体中对该设备进行位置定位。详细情况将在下文论述。

图1展示了依照发明的一个实施例将设备105用于水力压裂或流体注入操作过程中碳氢化合物取样的部署情况。应该指出的是，讨论特定设备105显示其用于碳氢化合物取样，仅为举例说明，其他类似的对所述设备的组合和应用都在本发明范围之内。例如，设备105可被配置于但不限于地质构造，地层裂缝，管道，流体，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和（或）活体等中的流体内，用于释放，取样，和（或）测量各种流体或其他材料，和（或）发出一声波信号。

该设备105可应用于，但不限于地下构造断口中的井下流体101中。该设备可被，例如，泵入或用其他方法注入到岩层基质中。该设备105可用于与传统油田测量工具103或自主电池控制传感器结合，其可被置于井内与其被注入的断口进行液压交流。设备105可被用于极高压或高温环境，因此这就提供一途径来解决现有传感器因限于严格的几何尺寸、腐蚀性流体、增压和（或）增温而无法进行进内测量的问题。譬如最近开发的墨西哥湾深海油井油气藏，就是不利于测量的油井之一。

图2（a-d）展示了依据发明的不同实施例中该设备的更多细节，图2（a）展示了该设备200被激活前的状态。该设备200包括至少一取样装置用来获得一外部油井流体样本210。

在具体实施例中，该取样装置包括一微流体定时装置用来获取流体样本。更具体地，该微流体定时装置可包括一部分填充有定时流体201的微流体通道202。因表面张力作用，受毛细管限制的定时流体201可最初被置于微流体通道中。该微流体通道202通向一已知体积的定时腔204。该定时腔204可最初为设置为空腔，但也可以不是空腔。

当对定时流体201施加压力时，定时流体201在微流体通道202中前行，并进入定时腔204，这样，在持续一定时间后，流体压力使得机械结构205破裂（和/或瓦解）。在机械结构破裂前，该机械结构205使得包含一取样室209的隔离腔206与外界环境隔离开。该机械结构205可为但不限于一隔离膜片或隔离薄膜，其提供一与外界环境间的屏障。一设有粘弹性计时器的延迟执行装置的例子已经在4,791,251号美国专利（carter et al.)中描述，在此引用与其相关的全部内容作为参考。

需要说明的是，该定时流体201进入定时腔204可引起定时隔离膜片弯曲。此时定时隔离膜片203上的一凸部或其他形状的结构可使机械结构205破裂。微流体控制系统现有技术中其他各种薄膜破裂装置可被利用，例如在用于提供药品包装和发送的系统中（见，例如，M.Staples et al.:Pharm.Res.,23,847(2006);J.T.Santini et al:Angew.Chem.Int.Ed.39,2396(2000);J.H.Prescott et al.:Nat.Biotech.24,437(2006),US Patent US7455667(B2),在此引用以上各相关文件的全部内容作为参考）。

图2（b）展示了在设备200中当对定时流体201施加压力后（且在持续一段时间后）机械结构205瓦解的情况。机械结构205的瓦解可让外部井下流体通过一隔离腔/通信通道206进入取样室209。一粒子过滤器可被置于隔离腔/通信通道206内用来过滤任何污染物。注意，在机械结构205瓦解前，该隔离腔/通信通道206通常无法访问外部环境。在其他实施例中，该机械结构205在瓦解前可允许局部/被筛选地进入该隔离腔/通信通道206.

图2（c）展示了设备200含有充满样本流体的取样室209的状况。一集成单向阀门207（例如，一止逆阀），可确保样本与外部环境隔离。该微组装单向阀门的例子在以下文件中已经被描述：S.Beeby,G.Ensel,M.Kraft:MEMS Mechanical Sensors,Artech House,Boston MA(2004);and K.W.Oh et al.：J.Micromech.Microeng.,16,R13-R39(2006),在此通过引用以上各相关文件的全部内容作为参考。

在不同实施例中该定时装置，取样装置，和（或）该整个设备，可为电无源，如此其不包括任何电动电子元件（例如，电子电源，发报机，放大器等......)。在不同实施例中，该定时装置，取样装置,和（或）整个设备可没有任何有源或无源电子元件。

该无源微流体定时装置可（至少在一定程度上）基于这样的事实，牛顿流体通过横截面大致呈圆形的毛细管的流速f与毛细管两端的压强差ΔΡ和液压半径R的四次方的乘积成正比，与流体粘度η和毛细管长度l的乘积成反比：f=π.ΔΡ.R⁴/(8.η.l)。在其他实施例中，如果毛细管被选为宽w、高h<w的矩形截面，该流速f可用以下近似公式计算：f=（l-0.63h/w）.ΔΡ.w.h³/(12.η.l)。这些公式可在文献中找到，例如在以下文件中：Stone,H.,Stroock,A.,and Ajdari,A.,“Engineering Flows in Small Devices,”Annual Reviewof Fluid Mechanics,Vol.36,2004,p.381and D.E.Angelescu:“Highly IntegratedMicrofluidics Design”,Artech House,Norwood MA USA(2011),在此引用上述各相关文件的全部内容作为参考。

若一已知体积的空腔（例如定时腔204）被一适当几何尺寸的毛细管从高压流体中隔开，如果知道设备几何尺寸、流体粘度和压强差，充满定时腔所需时间可被精确测定。假设该定时流体201特性已知，且有压力/温度的历史记录，通过设备的定时腔204的容积，微流体通道202毛细管直径和长度等几何参数，该定时腔204的填充时间可被准确测定。依靠直径的四次方参数设置，可控制充满的时间超过数十年，这样可设置一多功能定时装置。一充分表征的时流体201可被使用，其优点在于与水和碳氢化合物都不相融。这样的定时流体的例子包括，但不限于各类硅油和氟溶剂。

作为选择，一具有已知流变性能的非牛顿流体可被用作该定时流体。在一个实施例中，可以使用剪切变稀流体作为定时流体，这将导致在低压下产生一非常低的流速，但一旦环境压力（和在微流体通道中的剪切应力）达到特定阀域值后会显著增长。在另一实施例中，该定时流体可为一粘弹性流体，其在低剪切应力下起到弹性体的作用，因此在低压力下完全阻塞流量。随着压力到达一阀域值（与该定时流体屈服应力相一致），该定时流体将开始流动。此实施例可让上述无源定时设备在低于一特定临界压力时处于不活跃状态，因此可在处于临界压力以下的压力值长期保持。

图2（d）展示了设备200在表面检索后准备好被询问的状态。储存在取样室209中的样本流体通过单向阀门207保持与外部环境相隔离。以便各种物理和化学性质的测量值可以获得。一传感器可被置于样本室209和/或隔离腔206内部或与之相连接，以便提供与样品流体相关的各种指标或测量值。在不同实施例中，借助微电子机械传感器（MEMS）设计，譬如，可以将带有密封包装的感测元件放置在样本室209中。该传感器可包括一与流体产生化学反应的材料，和/或一可对流体样本执行电化学测量的电极。

上述定时装置结合无源执行装置，可被用于部署自动触发样本采集设备/容器。为了部署于岩层基质中，可将具备合适尺寸真空腔的设备与注入流体进行密度匹配，以便通过注入进行无源部署和设备检索。

声波发射及三角测量

上述用于样本采集的设备可被用于产生声波信号。例如，在不同实施例中该定时装置可触发对多个机械结构/隔离膜片进行穿孔，也可依次触发。例如，假设每个隔离膜片后的腔室体积为V（起初为真空状态），在刺穿时，这些腔室将突然破裂和/或瓦解，且在周围静流体压力下充满储层流体。装满空腔301的过程可能非常迅速，且将发出一非常短时突发的声波能量303，如图3（a）所示，依据发明一实施例。泡沫破裂的实验研究已经由他人实施（例如，A.VOGEL,W.LAUTERBORN,R.TIMM:"Optical and acoustic investigations of thedynamics of laser-produced cavitation bubbles near a solid boundary",J.FluidMech.,Vol.206,pp.299-338(1989），在此引用其全部内容作为参考），证明大部分泡沫能量被转化为声学瞬变。腔室突然填充释放出的能量总额可大概估算为E=pV，其中p是储层压力。在一1mm3标准体积和1000巴环境压力（app.14500psi）下，相当于（但不限于此）大约千分之零点几秒到几千分之一秒的时间间隔内发射的声波能量为100兆焦耳。这对应于每次瓦解事件发出的声波能量在10-1000W之间。这样的声波发射通过使用远程扩音器，水中听音器，地音探听器，加速器或其他类型的传感器或记录仪，能在当时被检测和记录到。

上述腔室的连续破裂或瓦解时间取决于相关微流体通道和定时腔的几何尺寸，在其连续破裂或瓦解的时间间隔内，该定时装置可依次触发几个声波事件。每个设备和/或取样装置可被设置为含有不同时间间隔，或有不同几何参数，来提供一独特的声波信号。这类设备也可做成不包含取样腔，唯一的功能就是在微流体定时装置预设时刻发出一声波即可。

各瓦解事件的声波发射将产生一声波波前303，该波前能通过流体和周围岩石基质传播。该波前的速度通常等同于声音在流体中的速度，或在岩石基质中的速度。通过将多个扩音器305设置于地层中不同位置，如图3（b）所示，波前到达每个扩音器305的时间是确定的。基于声波信号到达不同扩音器间的时间差，结合常识或者受过教育者的估算中得知的声波在介质中传播的速度，并使用（但不限于）三角测量法、类似地下GPS系统、或使用压缩/剪切信号处理方法，该智能容器的位置就可以被确定下来。同样，样本获得的时间也可被记录下来。需要指出的是本发明绝对不仅限于图3（b）所示的扩音器和设备配置，在本发明的其他实施例中，其他扩音器可被设置于油井周围的地面上，或在其他地下位置，比如在附近的油井306，空腔，或洞穴内等。

用于定时释放微粒、化学产品、或医药产品的运载工具

上述设备可被用作运载工具用来运输和定时释放超细微粒和纳米粒子，化学和/或医药产品（但不限于此），通过将产品或粒子添加到被机械结构（如，隔离膜片）隔开的隔离腔和/或取样室内。该定时装置在前述时间延迟后可触发刺破隔离膜片，此时设备周围的流体渗透入隔离膜片后的腔室内，且开始与腔内粒子，化学产品和/或医药产品接触。此时该粒子或产品可溶解于或混合到设备周围的流体中，从而将所述粒子或化学、医药产品释放到周围的环境中。

所述粒子或化学、医药产品可包括但不限于用于水或其他流体消毒的化学产品；可被用于流体追踪的荧光化学产品；各种化学试剂和化学清洗剂；医药产品比如药物或毒品；各种类型的营养素；被用作流体追踪剂的微或纳米粒子；和/或能与某些环境参数相互作用化学功能化微或纳米粒子。

依据发明的一个实施例，一如前面描述的无源定时设备可被注入到地质构造中或在水力压裂操作中通过注入井泵入。当定时装置触发刺破隔离膜片时，功能化纳米粒子被释放到如上所述的地质构造中。能与当地环境相互作用的纳米粒子被流体带往注入井，且在井表面被检测到。纳米粒子的尺寸可被选为小于平均孔喉直径，这样将确保该粒子可被地质构造中的流体运输而不阻塞该孔。通过分析表面检索到的粒子，人们将能推断出在纳米粒子释放时地质构造中的环境信息。通过注入大量此类在不同时间被触发的无源定时设备，人们将能够连续不断的监控地质构造中多个远程位置的一个或多个参数，这是用其他方式难以达到的。

图4展示了依照发明的一个实施例一无源定时设备404，其包括但不限于，一医药产品403，其被释放到人体405内。该隔离膜片在无源定时设备设定的时间被刺破，届时放置于（但不限于）隔离腔和/或取样室内的相应医药产品403，被释放到人体内。含有一个或更多膜片的多个设备可被利用。使用这一系统，并通过调整定时参数及每个腔内医药产品的类型和数量，完整的治疗计划不需要任何主动干预就可付诸实施。

该设备404可被附着到人体405的皮肤上，或可被植入到人体内。一外部压力源，或一外部泵，可被用于驱动设备404中定时腔内的定时流体。在一实施例中，这样的外部压力源可为但不限于一加压气筒。

图5展示了依据发明的一个实施例一无源定时设备，其包括一过滤器502用来容纳破碎的膜片部件。在刺破机械结构（如，隔离膜片）时，该过滤器502在有利地阻止破碎的膜片部件进入外部流体的同时还允许譬如一医药产品501自由地通过。如果该无源设备将要被植入到人体内的话，本实施例所展示的功能可能尤为重要。

工具实现

上述设备也可被整合运用到井内取样或测量工具中，比如斯伦贝谢公司生产的模块式地层动态测试器（MDT），贝克休斯公司生产的多次地层测试器（FMT）或哈里伯顿生产的连续地层测速器（SQT），或任何其他类似工具。也可以将一取样设备组，即在一个微焊接底板上集成了多个该设备和/或取样装置的组件，整合到上述工具内。

图6展示了依据发明的一实施例，集成了多个取样设备和/或装置605于内的一油田取样工具，比如一模块式地层动态测试器（MDT），一多次地层测试器（FMT）或一连续地层测速器（SQT）。该工具600推动一平板603进入地质构造墙，且将地层流体泵入内部流程线601，其中该流体得以与智能取样设备阵列605接触。每个设备607各获得一样本，并各自执行测量，和/或发出一被该工具内的扩音器记录的声波信号。该被记录的声波信号可提供，例如每次测量发生的精确时间，且可准确唯一地识别执行测量的设备。

当设备607被泵入工具流程线601时可接触到地层流体。使用一被执行于该工具中的扩音器来收集信息，这样声波发射事件就可被记录，且随后对阵列中的每个智能容器进行表面分析来推断出样本获得的精确时间，从而提供非常重要的时间序列数据。

图7展示了发明的另外一种实施例，其中一智能取样设备阵列被嵌入潜艇测量系统701，该系统可被一电缆702连接到（但不限于）一浮标，一潜艇，一舰艇或一船只700上。该测量系统701可以固定的方式被置于水体703中，该测量系统可放置的深度取决于电缆702的长度，或该系统可被船只700拖着穿过水体。测量系统701中的智能取样设备在有它们各自的定时装置确定的时间执行样本获取和测量，从而提供一时间序列或一在给定深度测量的空间图。

内置备份

由于联机操作监测无源设备比如上述设备是不切实际的，整合和安置各种备份方案来降低因不可预见的情况引起的可能失败是有益的，因此备份多余的定时和传感装置通过极端小型化被集成到设备内成为可能。所有关键的设备组件均可在一单晶片上建立多个备份副本，来提供并行流体和测量路径以防万一失败（例如，由于通道阻塞或传感器失灵）。单晶片可被设计为包括多个用于样本分析的传感室，以及多个声波发射隔离膜片和隔离腔室，这样一旦该设备在表面被回收可提供多重试验且因此改进了测量统计。有不同的时间常量的多个定时装置也可被合并到一个设备中，这样提供了一测量时间序列来监控在设备深井灌注和检索周期内某一参数的演变。这样该合成设备构架就变得非常可靠，将即便是在最不利的环境条件下也能提供可靠的测量结果。

恶劣环境兼容性

完全无源系统为在非常恶劣的环境下进行传感测量提供了有利的途径，特别对于油田来说（例如，高温高压（HPHT），腐蚀性流体，严重的地形制约）。上述实施例允许在不需要电源，监测或遥测的情形下部署智能无源设备，其可执行一些特定的，明确定义的功能，可在（但不限于）油井附近的地下环境下进行实施。这种智能无源设备可与裂缝分析或其他注入流体一起通过泵入被部署于井内，或它们可被集成到现存油田测量工具中，比如模块式地层动态测试器（MDT）工具，多次地层测试器（FMT）工具，或连续地层测速器（SQT）工具。该智能设备可获取一井内流体样本，并可与之相互反应，和与之隔离，且，一旦从储层中被检测到，它们可通过光学，电学或其他手段进行访问，以来提供它们所处的环境信息（例如，所遇到流体的物理或化学特性）以及测量执行的时间。此外，如上所述，该设备可在预定的时间发射突发声波信号，从而使用多个扩音器收集信息，并通过（但不限于）三角测量法进行设备定位。

上述设备的所有功能可在多个场景中实施，且不仅仅限于对油田测量的任何方法。不同应用的例子包括，但目前限于：这种系统的潜艇部署如在水体、河流、湖泊、海、海洋中；在水井和地下蓄水层中的测量；污水储存池和库，及其监测；和用于氯甲酰氯二氧化碳封存的注入井。

上述实施例并不受限于特定的传感技术——有些技术是相容的且可被集成到这类智能无源设备中，比如，但不限于：纯粹化学传感器（例如滴定反应），腐蚀传感器，微电子机械系统传感器，电化学传感器，和功能化纳米粒子。纯无源设备可设定为执行特定任务，从而只需整合与任务相关的绝对至关重要的功能用来执行及随后对有价值的特定测量数据（或化学反应）进行分析；所有附加的功能将于回收后被在外部获得。这类纯无源方法因而能降低因环境因素导致的系统失败风险。

最终规模小型化

除了在恶劣环境中生存的能力，一完全无源系统提供了最终小型化的能力。通常，物理传感器只占微型传感器总包尺寸中非常小的比例（比如那些使用MEMS技术的），其余部分则被电子设备和连接占据。一无源途径消除了需要电子操作的井下作业，从而导致惊人的尺寸减缩。小型，无源设备的使用，可为装配式使用，但不限于MEMS技术，从而允许将其部署于岩石中的孔和/或裂缝内。甚至可以进行这样的部署，例如，在水力压裂操作中作为支撑剂配方的一部分。

总之，上述设备支持多种功能。这些功能包括但不限于以下几种：

1.在外部环境中机械保护密封运输该设备（通过泵入或注入），或将设备部署于各种测量工具中；

2.使用无源微流体定时装置获取样本，释放材料和/或在预先确定的时间进行现场化学反应；

3.在获取前和获取后将样本与外界媒介隔离（控制交叉污染）；

4.集成备份装置，即便是在其中一个取样装置失败的情况下也能确保正确的设备操作；

5.整合标准传感器技术的单片集成电路；

6.使用已编码和/或未编码声波信号发射来进行立体定位；和

7.外部传感器可询问通过表面检测到的粒子。

上述设备提供可靠、高度小型化的智能无源取样室/容器，其能结合几个传感器技术来对但不限于：油田或活体执行关键的原位测量，或用来提供设备在流体注入或水力压裂操作过程中的位置信息。该设备的一个主要特征为其能提供一个可靠的定时装置用于在油气藏内，或其他密封地层或系统中执行任务，例如，在预先定义（或事先推断）的时间表内测量或材料释放，和/或来发射声波信号序列，这将允许通过三角测量定位容器位置，从而指示流体运动和裂缝延伸。通过与诱导压力有关的裂缝传播建模，地层的力学性能测试和应力分析可在原位执行。该设备可被结合到标准传感器技术中，允许对隔离流体样本执行特定的测量或系列测量。该设备也可被用作水力压裂工作中支撑剂的组成部分，其中该无源设备混合了泥浆和沙粒且被注入到地层中。该设备可被用作粒子、化学产品或医药产品定时释放的运载工具。

这些结合的功能导致了一多功能设备，其能在一工具中被实施或被注入到地层或活体内，对获取的样本提供测量和/或用来释放粒子，可应用在但不限于油层或身体中不同的地点，且可多次进行，以及通过声波发射来传递其位置。

上述发明的实施例仅仅是用来做示范；很多变化和修改对于所属领域技术人员说是显而易见的。所有这些变化和修改都在本发明的范围之内。这些和其他显而易见的修改都将包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (34)

1.一设备，包括：

一起初无法访问外部环境的隔离腔；

一电无源定时装置，所述电无源定时装置包括，

一定时隔膜；

一定时腔；以及

一充满已知性质定时流体且预先确定几何尺寸的微流体通道，如此，当对定时流体施加压力时，所述定时流体在微流体通道中以由预先确定的通道几何尺寸和已知的定时流体性质所决定的速度前行；和

一机械结构，其将隔离腔与外部环境分隔开，其中，当所述定时流体在一定时间间隔之后到达并充满所述定时腔，此时该定时流体对定时隔膜施加压力使该机械结构破裂和/或瓦解从而允许外部流体进入隔离腔,从而促使隔离腔与外界环境接触。

2.如权利要求1所述的设备，进一步包括一外部设备，其用来对定时流体施加压力。

3.如权利要求1所述的设备，其中该定时流体为牛顿流体、非牛顿流体、粘弹性流体、屈服应力流体、剪切增稠流体和剪切变稀流体中至少一种。

4.如权利要求1所述设备，其中机械结构为隔离薄膜或者隔板。

5.如权利要求1所述设备，其中该隔离腔包括一取样室，该取样室包括一止逆阀从而允许流体流入取样室但阻止流体从取样室流出。

6.如权利要求1所述设备，其中隔离腔和机械结构至少其一被塑造成在机械结构破裂时能发出预先确定的声波信号。

7.如权利要求1所述设备，其中隔离腔包括一传感元件，用来执行对流体的侦察和测量中至少一种功能。

8.如权利要求7所述设备，其中该传感元件包括能与流体产生化学反应的材料。

9.如权利要求7所述设备，其中该传感元件包括一允许对流体执行电化学测量的电极。

10.如权利要求7所述设备，其中该传感元件包括至少一微电子机械(MEMS)组件。

11.如权利要求1所述设备，其中包括多个隔离腔，多个电无源定时装置，和多个机械结构。

12.如权利要求11所述设备，其中至少一电无源定时装置与其它定时装置有不同的定时间隔，从而与该电无源定时装置相联系的机械结构在不同的时间破裂或瓦解。

13.如权利要求1所述的设备，其中该隔离腔包括超细微粒、纳米粒子、化学产品和医药产品中至少一种，这些粒子在起分隔腔室与外界环境作用的机械结构破裂或瓦解时被释放到外部环境中。

14.如权利要求13所述的设备，其中该设备包括过滤器和筛子中一种，用来阻止破碎的机械结构部件进入隔离腔和该设备周围环境至少其中之一。

15.合并了一个或多个如权利要求1所述设备的工具，该工具含有一内部流程线，该流程线中设置有一个或多个所述设备，样本流体可通过该流程线循环，其中所述样本流体在流程线中循环时与所述设备接触。

16.如权利要求15所述工具，进一步包括至少一扩音器用于接收来自一个或多个所述设备发射的声波信号，该工具进一步包括一处理器用于执行对接收到的声波发射信号进行时间标记和该设备位置测定中至少一种功能。

17.包含多个如权利要求6所述设备的系统，其中每个设备在与其相联系的机械结构瓦解时有一个声波信号，其中各个设备的声波信号各不相同。

18.包含多个如权利要求6所述设备的系统，其中所述设备被附加到电缆上，电缆进一步附加到固定浮标、水面船只、和水下运载工具中至少一种上。

19.一种发射声波信号的方法，包括：

部署权利要求1-14中任一权利要求所述的设备于一外部流体中,其中,所述隔离腔为一声波腔；

在由一电无源定时装置决定的时间，将所述设备内的声波腔对外部流体打开；且

当所述声波腔被打开时，该设备发出一声波信号。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括使用一个或更多个扩音器检测或至少部分检测声波信号。

21.如权利要求20所述方法，进一步包括通过对检测到的声波信号使用三角测量法、压缩信号处理法和剪切信号处理法中至少一种来提取该设备所处位置。

22.如权利要求19所述的方法，其中将所述设备部署于外部流体内的方式包括将该设备部署于地质构造，地层裂缝，管道，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和/或活体至少一种中的流体内。

23.如权利要求19所述的方法，其中部署方式包括将该设备用于水力压裂实施中。

24.如权利要求19所述的方法，进一步包括当声波腔瓦解时：将储存于该设备内的超细微粒、纳米粒子、化学产品和医药产品中至少一种释放到外部流体中，或将外部流体样品储存到该设备内中至少一种功能。

25.一种释放超细微粒、纳米粒子、化学产品和\或医药产品中至少一种的方法,该方法包括：

部署权利要求1-14中任一权利要求所述的设备于一外部流体中；

在由所述电无源定时装置决定的时间，将所述设备内的隔离腔对外部流体打开；当所述隔离腔被打开时，所述设备释放超细微粒、纳米粒子、化学产品和\或医药产品中至少一种到外部流体中。

26.如权利要求25所述的方法，其中部署方式包括将该设备部署于地质构造，地层裂缝，管道，流体，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和/或活体中至少一种中的流体内。

27.一种流体取样方法，包括：

部署一权利要求1-14中任一权利要求所述的设备于一外部流体中；

在由所述电无源定时装置决定的时间，将所述设备内的隔离腔对该流体打开；且

将外部流体样本储存到所述隔离腔内。

28.如权利要求27所述方法，其中部署方式包括将所述设备泵入地质构造和地层裂缝中至少其中之一。

29.如权利要求27所述方法，其中部署方式包括将所述设备使用于水力压裂实施中。

30.如权利要求27所述方法，其中部署方式包括将该设备部署于地质构造，地层裂缝，管道，井，引擎，油气藏，含水层，水体，油田工具，污水处理池，支撑剂配方和/或活体中至少一种中的流体内。

31.如权利要求27所述方法，进一步包括所述隔离腔打开时该设备发出一声波信号。

32.如权利要求31所述方法，进一步包括至少部分使用一个或多个扩音器来检测声波信号。

33.如权利要求32所述方法，进一步包括从检测到的声波信号提取该设备所在位置的方法，为三角测量、信号压缩处理、剪切信号处理中至少一种。

34.如权利要求27所述的方法，进一步包括当该隔离腔打开时，从隔离腔中释放超细微粒、纳米粒子、化学产品和医药产品至少一种到外部流体中。