Скважинный датчик, содержащий нанодатчик давления, нанодатчик температуры, химический нанодатчик

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности, в частности к устройствам контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений и решает задачу расширения функциональных возможностей скважинного нанодатчика при расширении диапазона контролируемых параметров, при обеспечении компактности устройства.

Поставленная задача решается скважинным нанодатчиком, содержащим подложку с нанесенной на нее электропроводящей основой и диэлектрический материал, покрывающий по крайней мере часть проводящей основы, и наноструктуры, нанесенные на диэлектрический материал между электропроводящими электродами отличающимся тем, что в качестве наноструктуры используется диэлектрический полимерный пленочный материал, содержащий в своей структуре, по крайней мере одну квантоворазмерную структуру и позволяющий контролировать физические параметры скважинного флюида (химический состав (вода/нефть/газ), давление, температуру.

Поставленная задача решается также скважинным нанодатчиком по п.1, отличающимся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к химическому составу скважинного флюида (вода/нефть/газ) используется пленка диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами, содержащая, по крайней мере, два слоя, и металлические электроды, встроенные между этими слоями, не контактирующие между собой.

Поставленная задача решается также скважинным нанодатчиком по п.1, отличающимся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к давлению, используется одна пленка из диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами с нанесенными на верхнюю и нижнюю поверхности пленки металлическими электродами, соединенную с измеряемой средой посредством упругой мембраны.

Поставленная задача решается также скважинным нанодатчиком по п.1., отличающимся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к температуре, используется одна пленка из диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами с нанесенными на верхнюю и нижнюю поверхности пленки металлическими электродами, соединенную с измеряемой средой посредством металлического теплопровода.

Полезная модель относится к нефтегазовой промышленности, в частности к устройствам контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений.

Известен скважинный датчик [RU 2384699 С2, МПК E21B 47/10 (2006.01), 07.04.2008 г.], содержащий полый цилиндрический металлический корпус с расположенным в его полости датчиком термоанемометра, отличающийся тем, что часть наружной поверхности корпуса со стороны открытого окончания его выполнена конической и установлена в скважинном приборе через электрический изолятор в виде усеченного конуса из материала с высокой механической прочностью и малой диэлектрической проницаемостью, остальная наружная поверхность корпуса покрыта диэлектрическим слоем, устойчивым к воздействию агрессивной скважинной среды, во внутреннем объеме корпуса дополнительно установлен акустический датчик, в виде полого цилиндрического пьезоэлемента с обеспечением жесткого механического контакта с внутренней поверхностью корпуса и электрической изоляции от него, при этом датчик термоанемометра также электрически изолирован от корпуса, корпус подключен к электрической схеме как один из электродов цилиндрического проточного конденсатора.

Описанная конструкция обеспечивает совмещение в одной конструкции датчик влагосодержания, акустического датчика и датчика термоанемометра.

К недостаткам данного скважинного датчика необходимо отнести ограниченность функций контроля влагосодержания, акустического сигнала температуры. Критику надо изменить - три функции это уже много.

Нет контроля других параметров, необходимых на практике.

Известен электрохимический сенсор [US 2009/0178921, МПК E21B 49/08, G01N 27/26, G01N 27/49, 2009/0178921], содержащий, по-крайней мере, одну редокс систему, чувствительную к образцу для того, чтобы быть детектором, в которой по крайней мере две редокс системы ковалентно связаны с органической молекулой.

1. Сенсор по п.1. в котором по крайней мере две редокс системы связаны с тем же полимером.

2. Сенсор по п.1. в котором чувствительной частью являются протоны или сульфиды.

3. Сенсор по п.1, в котором две редокс системы имеют максимум или пик редокс реакции при разных напряжениях.

4. Сенсор по п.1, в котором полимер или полимеры сформованы на той же проводящей подложке.

5. Сенсор по п.4, в котором подложка из углерод содержащего материала.

6. Сенсор по п.1 нечувствительная редокс система имеет максимум или пик редокс реакции нечувствительный к изменению концентрации чувствительного образца.

7. Сенсор по п.1, содержащий детектор приспособленный к измерению редокс потенциала указанных двух редокс систем при наличии образца и дя конвертирования измерений в индикаторный сигнал соответствующий концентрации указанного образца.

8. Полимер для использования в электрохимическом сенсоре содержащий по крайней мере одну редокс систему чувствительную образцу чтобы детектировать его и по крайней мере одну редокс систему существенно не чувствительную для детектирования образца.

9. Скважинное оборудование для измерений характерных параметров скважинного флюида включающее в себя электрохимический сенсор по п.1.

10. Скважинное формирование образцов оборудования для измерения характеристических параметров скважинного флюида содержащий электрохимический сенсор по п.1.

11. Скважинное оборудование для измерения характеристических параметров скважинного флюида содержащий электрохимический сенсор по п.1. смонтированное на постоянной основе инсталлированной части скважины.

К недостаткам описанного устройства необходимо отнести следующее.

Датчик в качестве детектирующего фактора использует анализ результатов химической и электрохимической реакции. Продукты реакции накапливаются в процессе проведения измерений и требуют своей утилизации. При этом датчик теряет свою чувствительность. Количество циклов измерения становится ограниченным а длительность циклов возрастает, что приводит к сокращению срока службы датчика или существенному усложнению технического решения обеспечивающего его жизнедеятельность. В условиях использования такой системы датчиков для целей диагностики состояния скважинного флюида по п.10-11, это свойство редокс систем существенно усложняет эксплуатацию скважин.

Известно также органическое сенсорное устройство [US 2010/0028209 А1, МПК G01N 33/00 (2006.01), 04.02.2010], включающее в себя один слой и электропроводящий комплекс состоящий из молекулы А и допанта Д, в котором названная молекула А является электронным донором органической молекулы, акцептором органической молекулы, макромолекула способна формировать комплекс, который без допирования не является проводником, и потому указанный допант Д является электронным донором или электронным акцептором способным формировать соль или проводящий комплекс с молекулой А;

ii) основу в близком (непосредственном) контакте с названным органическим слоем, потому эта основа является инертной по отношению к органическому слою, и указанный органический слой является чувствительным к изменению давления, сдвига, деформации, газа или температуры.

2. Органическое сенсорное устройство по п.1, в котором молекула А выбирается из аценовых производных, короненовых производных, тетратиофульваленовых производных или тетрацианохинодиметан производные.

3. Органическое сенсорное устройство по п.2 в котором молекула А выбирается из других производных.

4. Органическое сенсорное устройство по п.4, в котором в качестве летучего соединения выбирается йод, бром, бромид йода, хлор или иодид хлора.

5. Органическое сенсорное устройство по п.1, в котором выбор соли из тех же соединений.

7. Органическое сенсорное устройство по п.1, в котором базовая подложка является неорганической, металлической, полимерной или трехмерным кристаллом.

8. Органическое сенсорное устройство по п.7, в котором подложка из окисла кремния или алюминия.

9. Органическое сенсорное устройство по п.7, в котором подложка из непроводящего полимера.

10. Органическое сенсорное устройство по п.9, в котором подложка из термопластического полимера или эластомера.

11. Органическое сенсорное устройство по п.9, в котором подложка из поликарбоната, полиметилметакрилата, полиэтилена или полипропилена.

12. Органическое сенсорное устройство по п.1, в котором органическим слоем является (BEDT-TTF)₂I₃ и органический сенсор работает как сенсор давления, сдвига или деформации.

13. Органическое сенсорное устройство по п.12, в котором сенсор работает как датчик температуры.

14. Органическое сенсорное устройство по п.12, в котором сенсор работает как датчик газа.

19. Органическое сенсорное устройство по п.1, в котором указанные изменения давления или температуры вызывают линейный отклик сопротивления устройства.

20. Органическое сенсорное устройство по п.14, в котором газовый сенсор работает с давлением в интервале 0-100 мбар.

21. Органическое сенсорное устройство по п.14, в котором температурный сенсор работает в интервале температур от 25 до 65°C.

22. Органическое сенсорное устройство по п.1, в котором сенсор детектирует приложенное усилие, по крайней мере, частью органического слоя, при этом усилие может быть вызвано деформацией, сдвигом, напряжением или давлением.

23. Органическое сенсорное устройство по п.22, в котором давление вызывается изменением температуры или давления.

К недостаткам данного технического решения необходимо отнести ограничения по температуре и давлению, а также нестабильность характеристик сенсора вследствие применения химически агрессивных и летучих соединений йода, брома, бромида йода, хлора или иодида хлора.

Известна наноструктура, чувствительная к химическому составу скважинного флюида [US 2007/0134721 А1, 14.06.2007 г.], содержащая подложку; ограничивающую структуру, нанесенную на подложку, где ограничивающая структура содержит по крайней мере первую лимитирующую структуру, названную первым внутренним пространством, проксимальное устройство к первому внутреннему пространству, и первый синтетический полимер, способный селективно связываться с первым аналитом, внутри ограничивающей структуры.

2. Наноструктура по п.1, в которой ограничивающая структура содержит вторую предельную структуру, определенную как второе внутреннее пространство, второе внутреннее пространство, содержащее первое внутреннее пространство.

Описанная наноструктура имеет ограничивающую структуру, являющуюся по сути фильтрующим пористым материалом и элементом накопления аналита. Размеры пор определяют селективные свойства сенсора и его быстродействие. Недостатком описанной сенсора является сложность конструкции, зависимость селективности от плохо контролируемого технологически параметра размера пор ограничивающего материала и широкий диапазон диаметра пор, вызывающего необходимость сильного усложнения технического решения для обеспечения достижения заявленных целей.

Известен чувствительный элемент для обнаружения органических химических аналитов, [SU 2011/0045601 А1, 24/02/2011] содержащий: первый электрод и второй электрод, микропористый гидрофобный чувствительный к аналиту диэлектрический материал, нанесенный в зазоре между первым и вторым электродами, указанный микропористый гидрофобный чувствительный к аналиту диэлектрический материал является полимером с микропористостью.

Чувствительный элемент по п.1. где полимер с внутренней микропористостью содержит органические макромолекулы, содержащие, в основном, планарные участки, связанные жесткими связями, указанные жесткие связи имеют точку искажения, такую, что два расположенные рядом планарные участка связываются линкерами так, что образуются две некомпланарные ориентации.

Описанный чувствительный элемент имеет пористый полимерный материалом предназначенный для накопления аналита и определяющий селективные свойства сенсора и его быстродействие. Недостатком описанного элемента является сложность конструкции, зависимость селективности от плохо контролируемого технологически параметра размера пор ограничивающего материала и широкий диапазон диаметра пор, вызывающего необходимость сильного усложнения технического решения для обеспечения достижения заявленных целей..

Известен датчик давления [RU 2028585 С2, МПК G01L 9/04, 31.12.1986], содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде защемленной мембраны, на которой с одной стороны расположены диэлектрик и тензорезисторы, а на другой стороне - теплоизолирующая пленка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при воздействии нестационарных температур, в нем теплоизолирующая пленка выполнена разной толщины, определяемой из соотношения h_ni=K(t_i-t ₀),

где h_ni - толщина пленки в i-й точке мембраны;

K - конструктивный коэффициент, постоянный для одного типоразмера;

t_i , t₀ - соответственно температура на поверхности мембраны в i-й точке и в месте заделки в корпус.

К недостаткам описанного датчика необходимо отнести ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложной функциональной зависимостью между толщиной теплоизолирующей пленки и ее выравнивающими свойствами в условиях воздействия нестационарных температур.

Известен наноэлектронный сенсор [US 2007/0132043 A1, МПК 14.06.2007], содержащий: подложку, электропроводящую основу (базу) нанесенную на подложку, диэлектрический материал, покрывающий по крайней мере область проводящей основы (базы), одну или более наноструктуры, нанесенные на диэлектрический материал и емкостно связанные с проводящей базой, верхний свинцовый проводник к одной или более наноструктурам.

2. Наноэлектронный сенсор по п.1, в котором одна или более наноструктур содержат сетку из углеродных нанонитей.

3. Наноэлектронный сенсор по п.2, включающий в себя функциональный материал, нанесенный прямо на углеродные нанотрубки.

4. Наноэлектронный сенсор содержащий подложку, пространственно разделенные пары, включая первый и второй проводник, нанесенные на подложку, диэлектрический материал, покрывающий область, по крайней мере, одного электрода, одну или более наноструктур, нанесенных на диэлектрический материал и связанные через емкость с, по крайней мере, одним проводником.

5. Наноэлектронный сенсор по п.4. в котором одна или более наноструктур содержат электрическую цепь, включающую в себя множество углеродных нанотрубок, закрывающих по крайней мере область каждого проводника, которые отделены от каждого проводника диэлектрическим материалом, и потому проводники контачат только с сеткой углеродных нанотрубок.

6. Наноэлектронный сенсор по п.5, в котором пространственно разделенные пары проводящих электродов имеют характерную щель "g" и где углеродные нанотрубки имеют характерную длину "L" и где L значительно больше, чем g.

7. Наноэлектронный сенсор по п.5, в котором большая часть нанотрубок занимает щель так, чтобы, по крайней мере, часть нанотрубок имела емкостную связь с первым электродом и тоже со вторым электродом.

8. Наноэлектронный сенсор по п.4. содержащий функционализированный материал, нанесенный на углеродные нанотрубки.

9. Наноэлектронный сенсор по п.4, в котором диэлектрический материал содержит дополнительные слои, каждый слой имеет особый состав.

10. Наноэлектронный сенсор, содержащий подложку, имеющую активную область, первый и второй проводники расположенные на подложке и отделенные от активной области, диэлектрический материал нанесенный, по крайней мере, на активную область и первый и второй наноструктурные слои в электрической цепи с первым и вторым проводниками соответственно, наноструктурные слои каждый включает одну или более наноструктур, наноструктурные слои окружены активной областью и сконфигурированы так, что связаны емкостной связью и тщательно отделены друг от друга диэлектрическим материалом.

11. Наноэлектронный сенсор по п.10, в котором один или более наноструктурных слоев содержат сеть углеродных нанотрубок.

12. Наноэлектронный сенсор по п.10, содержащий функционализированный материал, нанесенный на углеродные нанотрубки.

13. Наноэлектронный сенсор по п.10, в котором, по крайней мере, часть подложки и по крайней мере часть диэлектрического материала являются пористыми и скомпонованы так чтобы позволить аналитной среде проникать через активную область подложки.

14. Молекулярный сенсор, содержащий:

а) устройство из нанотрубок содержащее по крайней мере одну углеродную нанотрубку, в котором первый конец указанной нанотрубки электрически подсоединен с первым электропроводящим элементом внутри прямого контакта, и второй конец указанной нанотрубки электрически подсоединен ко второму электропроводящему элементу и

б) состав покрытия нанесен на сторону нанотрубок, где указанный состав выбран таким образом, чтобы нанотрубки были разделены друг от друга, то есть выполнял роль молекулярного спейсера.

15. Молекулярный сенсор по п.14, в котором второй конец нанотрубки электрически подсоединен ко второму проводящему элементу без прямого контакта.

16. Устройство из нанотрубок содержащее, пленку из нанотрубок, содержащую множество нанотрубок и имеющую начало и конец, первый и второй электроды соответственно расположенные на указанных начале и конце пленки из нанотрубок, где пленка из нанотрубок адаптирована к протеканию тока между первым вторы электродами без прямого контакта с по крайней мере первым или вторым электродами.

17. Устройство из нанотрубок по п.16, в котором пленка из нанотрубок приспособлена для протекания тока между первым и вторым электродами без прямого контакта с каждым первым и вторым электродами.

18. Устройство из нанотрубок по п.17 в котором пленка из нанотрубок приспособлена для протекания тока в виде отклика на переменное напряжение при наличии дополнительного смещения от источника постоянного тока приложенного между первым и вторым электродами.

К недостаткам описанного технического решения необходимо отнести плохую воспроизводимость параметров сенсора из-за нестабильности свойств отдельных нанотрубок и технологической сложности реализации контактов к отдельным нанотрубкам. Также при работе с массивом нанотрубок существует не решенная проблема сохранения свойств индивидуальных нанотрубок, так как из-за наличия переходных сопротивлений между нанотрубок становится невозможным использовать преимущества высокой подвижности электронов для обеспечения высокой чувствительности.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является расширение функциональных возможностей скважинного нанодатчика при расширении диапазона контролируемых параметров, обеспечении стабильности характеристик, при компактности устройства.

Поставленная задача решается скважинным нанодатчиком, содержащим подложку с нанесенной на нее электропроводящей основой и диэлектрический материал, покрывающий, по крайней мере часть проводящей основы, и наноструктуры, нанесенные на диэлектрический материал между электропроводящими слоями электродами отличающимся тем, что в качестве наноструктуры используется диэлектрический полимерный пленочный материал, содержащий в своей структуре, по крайней мере одну квантоворазмерную структуру и позволяющий контролировать, по крайней мере, один из физических параметров скважинного флюида (химический состав (вода/нефть/газ), давление, температуру).

Поставленная задача решается также скважинным нанодатчиком по п.1, отличающимся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к химическому составу скважинного флюида (вода/нефть/газ) используется пленка диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами, содержащая, по крайней мере, два слоя, и металлические слои электроды, встроенные между этими диэлектрическими слоями, не контактирующие между собой.

Поставленная задача решается также скважинным нанодатчиком по п.1, отличающимся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к давлению, используется одна пленка из диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами с нанесенными на верхнюю и нижнюю поверхности пленки металлическими слоями электродами, соединенную с измеряемой средой посредством упругой мембраны.

Поставленная задача решается также скважинным нанодатчиком по п.1., отличающимся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к температуре, используется одна пленка из диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами с нанесенными на верхнюю и нижнюю поверхности пленки металлическими слоями электродами, соединенную с измеряемой средой посредством металлического теплопровода.

Достижение поставленной задачи обеспечивается использованием в качестве среды, формирующей наноструктуры широкозонного полимерного материала, обладающего требуемым сочетание физико-химических свойств, в частности, высокими пленкообразующими свойствами, важными для формирования наноструктур, обладающего термостойкостью до 460°С на воздухе, устойчивостью к агрессивным средам, в частности, концентрированным растворам кислот, расплавам щелочей и широким динамическим диапазоном изменения электропроводности при воздействии на полимерный материал малых физических полей. Химическая стойкость материалов обеспечивает работоспособность устройств на их основе в условиях внешних агрессивных сред, тем самым, расширяя функциональные возможности нанодатчиков при расширении диапазона контролируемых параметров и обеспечения стабильности характеристик.

Компактность устройства обеспечивается размером наноструктур, являющихся, по сути, чувствительным элементом наносенсоров. В нанодатчиках давления и температуры наноструктура имеет размер 12 нм × 12 нм × 1000 нм, в химических наносенсорах наноструктура имеет размер 6 нм × 1000 нм × 1000 нм.

В качестве такого полимерного пленочного материала, содержащего в своей структуре, по крайней мере, одну квантоворазмерную структуру, могут быть использованы, например, полимеры класса полигетероариленов.

В качестве материала пленки диэлектрического полимера, чувствительной к химическому составу скважинного флюида, может быть применен полимерный материал из класса функциональных гетероциклических соединений.

В качестве наноструктуры, чувствительной к давлению используется пленка из диэлектрического полимера, например, из класса полигетероариленов

В качестве наноструктуры чувствительной к температуре используется, по крайней мере, одна пленка из диэлектрического полимера, например, из класса полигетероариленов

На фиг.1 представлен нанодатчик, представляющий собой многослойную структуру. Датчик содержит диэлектрическую положку (1). В качестве диэлектрической подложки могут быть использованы пластины из стекла, слюды, кремния, ситалла и др. На поверхности диэлектрической подложки (1) нанесен тонкий металлический слой толщиной до 100 нм (2), который выполняет роль первого (нижнего) электрода. На поверхность первого (нижнего) слоя нанесена пленка из функционального полимерного материала (3), содержащего в себе наноструктуру (4). На поверхности функционального полимерного материала формируется второй (верхний) металлический слой (5). Металлические слои (2) и (5) предназначены для подачи на слой функционального полимерного материала разности потенциалов, а также для обеспечения условий протекания тока через слой функционального полимерного материала 3 в режиме измерения давления. Проводники 6 и 7 предназначены для обеспечения электрического соединения между датчиком давления и контрольно-измерительными приборами.

На фиг.2 представлен датчик давления, представляющий собой многослойную структуру. Датчик давления содержит диэлектрическую положку (1). В качестве диэлектрической подложки могут быть использованы пластины из стекла, слюды, кремния, ситалла и др. На поверхности диэлектрической подложки (1) нанесен тонкий металлический слой, толщиной до 100 нм (2), который выполняет роль первого (нижнего) электрода. На поверхность первого (нижнего) слоя нанесена пленка из функционального полимерного материала (3), содержащего в себе наноструктуру типа квантовая нить (4). На поверхности функционального полимерного материала формируется второй (верхний) металлический слой (5). Металлические слои (2) и (5) предназначены для подачи на слой функционального полимерного материала 3 разности потенциалов, а также для обеспечения условий протекания тока через слой функционального полимерного материала в режиме измерения давления. Металлический слой (5) дополнительно выполняет функцию упругой мембраны, предназначенной для передачи давления от измеряемой среды к чувствительному слою из функционального полимерного материала датчика (3), содержащего наноструктуры (4). Проводники 6 и 7 предназначены для обеспечения электрического соединения между датчиком давления и контрольно-измерительными приборами.

На фиг.3 представлен датчик температуры, представляющий собой многослойную структуру. Датчик содержит диэлектрическую положку (1). В качестве диэлектрической подложки могут быть использованы пластины из стекла, слюды, кремния, ситалла и др. На поверхности диэлектрической подложки (1) нанесен тонкий металлический слой, толщиной до 100 нм (2), который выполняет роль первого (нижнего) электрода. На поверхность первого (нижнего) слоя 2 нанесена пленка из функционального полимерного материала (3), содержащего в себе наноструктуру типа квантовая нить (4). На поверхности функционального полимерного материала формируется второй (верхний) металлический слой (5). Металлические слои (2) и (5) предназначены для подачи на слой функционального полимерного материала разности потенциалов. Проводники (6, 7) служат для обеспечения условий протекания тока через слой функционального полимерного материала в режиме измерения температуры.

Чувствительный элемент датчика температуры расположен на подложке 1 и представляет собой трехслойную структуру, состоящую из двух металлических слоев и расположенной между ними тонкой пленки функционального полимерного материала, толщина пленки должна находиться интервале толщин от 500 нм до 3 мкм. С внешней средой, температуру которой необходимо измерять и контролировать, датчик соединен термозондом (8).

На фиг.4 представлен датчик состава флюида, представляющий собой многослойную структуру. Датчик содержит диэлектрическую положку (1). В качестве диэлектрической подложки могут быть использованы пластины из стекла, слюды, кремния, ситалла и др. Датчик содержит металлический слой (2), сформированный в пленке из функционального полимерного материала (3), нанесенного на поверхность диэлектрической подложки 1, металлический слой (2) содержат в себе наноструктуру типа квантовая яма (4), соединенный с металлически слоем 5. Металлические слои (2 и 5) предназначены для подачи на слой функционального полимерного материала 3 разности потенциалов, а также для обеспечения условий протекания тока через слой 3, содержащий наноструктуру 4. Проводники (6, 7) служат для обеспечения условий протекания тока через слой функционального полимерного материала в режиме измерения температуры.

Датчика давления (фиг.2) работает следующим образом. В исходном состоянии слой функционального полимерного материала (3) находится в состоянии с максимальным сопротивлением. При увеличении внешнего давления происходит уменьшение электрического сопротивления слоя (3). Это изменение сопротивления возникает в результате высокой чувствительности сопротивления наноструктуры, содержащейся в слое функционального полимерного материала к одноосному давлению. Относительное изменение сопротивления датчика служит мерой изменения давления, действующего на датчик, от величины сопротивления зависит величина тока, измеряемого внешним измерительным прибором, подключенным к проводникам 6-7.

Датчик температуры (термозонда) (фиг.3) работает следующим образом. Термозонд 8 электрически соединен с одним из электродов 5 чувствительного элемента. В основе своей работы датчик использует электрофизическое явление, известное под названием эффект дистанционного переключения, индуцированного изменением граничных условий.

Суть явления заключается в том, что при изменении температуры происходит изменение параметров потенциального барьера на границе полимер/металл 5-3. Это изменение проявляется в виде изменения инжекционного тока, протекающего через эту границу. Выбором соотношения работ выхода электрона пары полимер/металл добиваются большого изменения тока в заданном интервале температур, который измеряется внешним измерительным прибором, подключенным к проводникам 6-7.

Особенностью и достоинством выбранного технического решения является то, что нет необходимости контактирования чувствительного элемента с измеряемой средой, так как по правилу Вольты изменение электрохимического потенциала материала зонда от температуры будет индуцировать необходимые изменения инжекционного тока в структуре металл/полимер/металл.

Датчик химического состава флюида (фиг.4) работает следующим образом. Датчик химического состава флюида относится к потенциометрическому типу датчиков. Датчик состоит из чувствительного элемента 3, к которому подключены электроды 2 и 5. На электроды 2 и 5 подается разность потенциалов, при этом через чувствительный элемент 3 протекает электрический ток. Величина электрического тока зависит от сопротивления чувствительного элемента 3 по формуле I=U/R, где I - ток, U - разность потенциалов, R - сопротивление чувствительного элемента 3. Сопротивление чувствительного элемента 3 - R изменяется в зависимости от состояния среды, с которой контактирует датчик. Эта чувствительность обеспечивается за счет того, что в конструкции датчика предусмотрено создание квантовой ямы, заполненной квазидвумерным газом свободных электронов. Хорошо известно, что в таком состоянии носители заряда обладают высокой подвижностью. Потому любое внешнее энергетическое воздействие будет влиять на подвижность и, соответственно, на сопротивление чувствительного элемента.

Физика явления следующая. В таком датчике молекулы детектируемого вещества формируют слой на поверхности пленки функционального полимерного материала 3. Этот слой молекул создает электрическое поле, величина которого зависит от плотности этого слоя (количества молекул в слое на элемент поверхности) или от концентрации молекул вещества в потоке флюида. Поле, действует на квазидвумерный электронный газ, находящийся внутри чувствительного элемента, сопротивление элемента изменяется, вызывая изменение тока (как правило, увеличение тока) это изменение регистрируется электронной схемой, по принципу действия близкой к схеме вольтметра. При наличии калибровки ток - концентрация вещества можно установить концентрацию вещества в потоке флюида.

Авторам из патентных и научно-технических источников заявляемая совокупность признаков не известна.

Заявляемые нанодатчики позволяют контролировать не один, а несколько параметров скважинного флюида, чем достигается расширение функциональных возможностей скважинного нанодатчика.

Расширение диапазона контролируемых параметров достигается высокой чувствительностью пленки диэлектрического функционального полимера, что связано с формированием квантоворазмерных наностуктур типа квантовая нить и квантовая яма. В таких наноструктурах движение носителей заряда - электронов ограничивается в двух или одном направлении.

При условии, что характерный размер наноструктуры является меньше длины волны Дебая электрона возникает квантование энергии электронов в направлении ограничения движения.

Такое квантование способствует возникновению новых электронных состояний неприсущих для массивного трехмерного материала. В частности, возникают условия формирования газа свободных или квазисвободных электронов.

Подобные условия характеризуются высокими значениями подвижностей носителей заряда (электронов). В случае потенциометрических датчиков подвижность носителей заряда может определять чувствительность этих датчиков к любым внешним воздействиям по принципу: чем выше подвижность, тем выше чувствительность. В связи с этим, использование наноструктур приводит к расширению фукциональных возможностей датчиков.

Обеспечение стабильности характеристик обеспечивается физико-химическими свойствами диэлектрического функционального полимера, который имеет температуру начала разложения 460°С на воздухе, химических стоек к расплавам щелочей и концентрированным кислотам, растворим в полярных растворителях потому подвергается глубокой очистке от примесей, что дополнительно обеспечивает стабильность его физико-химических свойств.

Возможность создания компактного устройства обеспечивается размером наноструктур, являющихся, по сути, чувствительным элементом наносенсоров. В нанодатчиках давления и температуры наноструктура имеет размер 12 нм × 12 нм × 1000 нм, в химических наносенсорах наноструктура имеет размер 6 нм × 1000 нм × 1000 нм.

Заявляемое техническое решение промышленно применимо, создает значительные преимущества в сравнении с известными аналогами.

1. Скважинный нанодатчик, содержащий подложку с нанесенной на нее электропроводящей основой и диэлектрический материал, покрывающий, по крайней мере, часть проводящей основы и наноструктуры, нанесенные на диэлектрический материал между электропроводящими слоями, отличающийся тем, что в качестве наноструктуры используется диэлектрический полимерный пленочный материал, содержащий в своей структуре, по крайней мере, одну квантово-размерную структуру и позволяющий контролировать физические параметры скважинного флюида (химический состав (вода/нефть/газ), давление, температуру.

2. Скважинный нанодатчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к химическому составу скважинного флюида (вода/нефть/газ), используется пленка диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами, содержащая, по крайней мере, два слоя и металлические слои, встроенные между этими слоями, не контактирующие между собой.

3. Скважинный нанодатчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к давлению, используется одна пленка из диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами с нанесенными на верхнюю и нижнюю поверхности пленки металлическими слоями, соединенную с измеряемой средой посредством упругой мембраны.

4. Скважинный нанодатчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве наноструктуры, чувствительной к температуре, используется одна пленка из диэлектрического полимера с боковыми функциональными группами с нанесенными на верхнюю и нижнюю поверхности пленки металлическими слоями, соединенную с измеряемой средой посредством металлического теплопровода.