カーボンナノチューブｆｅｔを使用するダウンホール検知システム

专利摘要:
坑井内の局所条件を検出すべくダウンホールで使用するように構成又は設計された地下検知装置を提供する。検知装置は、ボアホール内のダウンホールで動作するように構成又は設計された少なくとも１つのカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を有するトランジスタを備える。なし
公开号:JP2011509359A
申请号:JP2010540182
申请日:2008-12-11
公开日:2011-03-24
发明作者:ジョン ウリョ；栄利 吉内；勉 山手；和彦 松本
申请人:シュルンベルジェ ホールディングス リミテッドＳｃｈｌｎｍｂｅｒｇｅｒ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ；
IPC主号:E21B47-00

专利说明:

[0001] （関連出願との相互参照）
本出願は、２００７年１２月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／０１６，８２０号の優先権を主張するものであり、該特許はその内容全体が引用により本明細書に組み入れられる。]
[0002] 本開示は、一般に地下層からのデータを収集するためのダウンホールシステムに関する。より具体的には、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を使用して構成又は設計された装置を有するダウンホール検知システムに関する。このような検知システムを使用して、高温状態のダウンホールデータを収集して記憶することができる。]
背景技術

[0003] 油脈及びガス鉱床の回収を強化及び観察するために、長年にわたってボアホールの検層及びモニタリングが行われてきた。炭化水素又は水の貯層を探査、開発及び管理し、ＣＯ2などの物質を隔離するために、検層作業によって地層に関するデータが取得される。通常、ワイヤライン検層、掘削時測定（ＭＷＤ）及び掘削時検層（ＬＷＤ）を含むこのような作業は、データを収集、記憶、及び送信するための様々な検知部品を有するダウンホールツールを使用する。]
[0004] ボアホールの検層では、地下で測定を行う１つの方法として、地表システムに接続された配線に１又はそれ以上のツールを取り付けることが挙げられる。その後、配線によってボアホール内にツールが降ろされ、測定を行いながらボアホールを通じて地表に引き戻される（「検層される」）。通常、この配線は、データ送信能力が限定された導電性ケーブルである。]
[0005] 同様に、永続的センサを有する永続的モニタリングシステムが設置され、通常このセンサも電気ケーブルに取り付けられる。坑井の掘削後、掘削孔内に存在する炭化水素及びその他の流体を分析するために、及び掘削孔内の流体流を制御するために様々な検知部品をプロダクションチュービングに固定することができる。この場合、通常、プロダクション検層のために様々な検知部品が使用される。]
[0006] 完成した坑井内にセンサを配備することを必要とするその他の用途に、長期にわたる油層のモニタリング及び永続的モニタリングがある。様々な手段によってセンサアレイを坑井内に配備し、処理及び分析のために遠隔測定システムによってセンサデータを収集し、アップホールへ送信することができる。]
先行技術

[0007] 米国特許第３，７８０，５７５号公報
米国特許第３，８５９，８５１号公報
米国特許第４，８６０，５８１号公報
米国特許第６，６３０，８９０号公報
国際特許公開ＷＯ２００５／０６６６１８号
米国特許出願ＵＳ１２／２３９，８２２号]
発明が解決しようとする課題

[0008] 掘削技術における最近の動向では、油田又はダウンホール環境の掘削中に、ダウンホールツールが様々なデータを高感度又は高選択性により効果的に収集できることが必要である。この場合、様々なデータを高感度又は高選択性によりリアルタイムで取得できる改善された検知システムに対するニーズが存在する。]
課題を解決するための手段

[0009] 本開示は上述の及びその他のニーズに対処する。具体的には、本開示は、地下調査ツールのために特に有用となり得るダウンホール用の高温システムのための装置及び方法を提供する。]
[0010] 上述した背景、並びに油田探査及び開発、貯水層の管理、及びＣＯ2などの物質の隔離の分野で公知のその他の要因を受けて、本明細書では、油田又は地下環境における効果的なデータ取得に適したセンサ装置を備えた検知システムのいくつかの実施形態を開示する。このセンサ装置は、ダウンホールで使用するための高感度かつ小型のセンサを提供するために、１又はそれ以上のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を使用する。]
[0011] 本開示の１つの態様では、地下ツールが、地層を横切る坑井内のダウンホールで動作するように構成される。いくつかの態様では、ツールが、坑井内の局所状態を検知するためにダウンホールで使用するように構成又は設計された検知装置を備え、この検知装置は、ボアホール内のダウンホールで動作するように構成又は設計された少なくとも１つのカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を備える。少なくとも１つのＣＮＴ ＦＥＴを、ボアホール内のダウンホールの物理及び／又は化学特性を検知するように構成又は設計することができる。]
[0012] 本開示の或る態様では、少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴがサイドゲートＦＥＴを含む。本明細書における他の態様では、１又はそれ以上のＣＮＴ ＦＥＴがトップゲートＦＥＴを含む。さらに他の態様では、ＣＮＴ ＦＥＴがバックゲートＣＮＴ ＦＥＴを含む。本開示のさらなる態様では、ＣＮＴ ＦＥＴが同軸ゲートＦＥＴを含む。]
[0013] 少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴを、約１１５℃を超える、例えば約２００℃のダウンホール温度で使用するように構成又は設計することができる。本開示の或る態様では、ＣＮＴ ＦＥＴを化学プローブとして機能するように修飾することができる。本明細書における他の態様では、化学プローブをＣＮＴ ＦＥＴに固定することができる。]
[0014] ＣＮＴＦＥＴを、ダウンホール用途のための様々な光学装置として機能するように構成又は設計することができる。いくつかの考えられる実施形態では、検知装置が少なくとも１つの光学装置を含み、この光学装置は、ボアホール内のダウンホールの感光性検出器として機能するように構成又は設計された少なくとも１つのＣＮＴ ＦＥＴを備える。地下ツールは、少なくとも１つの光学装置を含む１又はそれ以上の光通信モジュールを含むことができる。地下ツールは、少なくとも１つの光学装置を含む１又はそれ以上のダウンホール流体分析モジュールを含むことができる。]
[0015] さらなる実施形態では、検知装置が化学センサを含む。この化学センサはガス検出器を含むことができる。]
[0016] 本開示によるダウンホール化学検知システムは、地表遠隔測定ユニットを含む地表データ取得ユニットと、ダウンホール遠隔測定カートリッジと、地表データ取得ユニットとダウンホール遠隔測定カートリッジとの間の通信インターフェイスと、ダウンホール遠隔測定カートリッジとダウンホールツールの間に動作可能に接続されたダウンホール電気ツールバスとを備え、ダウンホールツールは、坑井内の局所状態を検知するためにダウンホールで使用するように構成又は設計された化学検知装置を含む。化学検知装置は、化学特性を検出するためにボアホール内のダウンホールで動作するように構成又は設計された１又はそれ以上のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を備える。]
[0017] 本開示による流体分析システムは、地層を横切る坑井内の約１１５℃を超える高温のダウンホールで動作するように構成される。或る態様では、システムが、ボアホール内で関心信号を測定してダウンホールの地層流体の特性を求めるための少なくとも１つの光学センサを備え、この少なくとも１つの光学センサが、ボアホール内で感光性検出器として機能するように構成又は設計された１又はそれ以上のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を含む。さらなる態様では、ＣＮＴ ＦＥＴを、ボアホール内の約１１５℃を超える温度のダウンホールで動作するように構成又は設計することができる。]
[0018] 以下の説明ではさらなる利点及び新規の特徴を示すが、或いは当業者であればこれらの内容を読み又は本発明を実施することによりこれらを把握することができるであろう。添付の特許請求の範囲に示す手段を通じて本発明の利点を得ることができる。]
[0019] 添付図面は本発明の好ましい実施形態を示し、本明細書の一部でもある。以下の説明と共に、図面により本発明の原理を実証及び説明する。]
図面の簡単な説明

[0020] 本明細書における本開示によるダウンホールツール検知システムの１つの考えられる作業状況を示す図である。
本開示によるダウンホールツールの１つの構成を示す図である。
本開示によるダウンホールツールのさらに別の考えられる構成を示す図である。
サイドゲートＣＮＴＦＥＴの構造の概略図である。
Ｓｉ ＦＥＴ及びＣＮＴ ＦＥＴのゲート容量及びゲート電圧の比較を示す図である。
トップゲートＣＮＴ ＦＥＴの概略図である。
バックゲートＣＮＴ ＦＥＴの概略図である。
同軸ゲートＣＮＴ ＦＥＴの概略図である。
高温におけるバックゲートトＣＮＴ ＦＥＴの電流‐電圧特性を示す図である。
高温におけるバックゲートトＣＮＴ ＦＥＴの電流‐電圧特性を示す図である。
本開示による化学センサとして構成又は設計されたバックゲートＣＮＴ ＦＥＴの概略図である。
本開示による受光素子又は光検出器の概略図である。
本開示によるＣＮＴ ＦＥＴを製造するための１つの考えられる工程を示す図である。
本開示による１つの考えられる化学センサモジュールを示す図である。
本開示による化学センサモジュール内のマイクロ流体チップ（ＭＦＣ）を示す図である。
本開示によるＭＦＣ上の流体フローチャネルの概略図である。
本開示による溶解化学物質のための１つの考えられるＣＮＴ ＦＥＴ化学検知システムを示す図である。
本開示による溶解化学物質のための１つの考えられるＣＮＴ ＦＥＴ化学検知システムを示す図である。
本開示の実施形態による１つの考えられる方法のフローチャートである。]
実施例

[0021] 図面全体を通じて、同一の参照数字は類似の要素を示すが、これらが必ずしも同一の要素であるとは限らない。本発明は、様々な修正及び代替の形態が可能であるが、図面には特定の実施形態を一例として示し、本明細書ではこれについて詳細に説明する。しかしながら、本発明が、開示する特定の形態に限定されることを意図されるものではないと理解すべきである。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲に含まれる全ての修正物、同等物及び代替形態を対象とする。]
[0022] 以下、本発明の例示的な実施形態及び態様について説明する。説明を明確にするために、本明細書では実際の実施構成の特徴を全て説明するとは限らない。当然ながら、あらゆるこのような実際の実施形態の開発においては、実施構成ごとに異なるシステム関連及びビジネス関連の制約の順守のような開発者の特定の目的を達成するために数多くの実施構成特有の決定を行う必要があることを理解されたい。さらに、このような開発努力は複雑かつ時間のかかるものである可能性があるが、それにもかかわらず、これらは本明細書における開示の恩恵を受ける当業者のために行われる経常的業務であることを理解されたい。]
[0023] 明細書全体を通じて、「１つの実施形態」又は「或る実施形態」又は「いくつかの実施形態」に対する言及は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、又は特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、明細書全体を通じて様々な場所に出現する「１つの実施形態において」又は「或る実施形態において」又は「いくつかの実施形態において」という語句は、必ずしも全てが同じ実施形態を示しているとは限らない。さらに、１又はそれ以上の実施形態において特定の特徴、構造、又は特性を適当な方法で組み合わせることができる。]
[0024] 明細書及び特許請求の範囲全体を通じて使用される「ダウンホール」という用語は、地下環境、特に掘削孔内のことを意味する。「ダウンホールツール」は、以下に限定されるわけではないが、検層ツール、撮像ツール、音響ツール、永続的モニタリングツール、及び組み合わせツールを含む、地下環境で使用されるあらゆるツールを意味するために広く使用される。「高温」とは、約１１５℃を超えるダウンホール温度を意味する。「光学装置」は、電磁放射線を生成し、操作し、又は測定するあらゆる装置、すなわち光を生成又は制御する装置を意味するために使用される。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という単語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語と同じ意味を有するものとする。]
[0025] さらに、発明の態様は、単一の開示した実施形態の全ての特徴よりも少ないものにより成立する。従って、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、本明細書によりこの詳細な説明に明確に組み入れられ、個々の請求項は、それ自体が本発明の独立した実施形態として成立する。]
[0026] 本開示は、ボアホール内で、ダウンホールの環境及びツールパラメータに関するデータを検知する目的で構成又は設計された１又はそれ以上のＣＮＴＦＥＴを利用する様々なダウンホールツール及びシステムを企図するものである。この場合、本明細書に開示するツール及び検知システムは、ダウンホールツールの構成部品に関する特性、並びに高温高圧下の地層パラメータを効果的に検知して記憶することができる。本開示によって企図される検知システムにより、油田探査及び開発における関心化学物質及び化学特性を測定して記憶することもできる。本明細書における検知システムを、例えば、配線検層ツール、掘削時測定及び掘削時検層ツール、永続的モニタリングシステム、ドリルビット、ドリルカラー、ゾンデなどのツールシステムに組み込むことができる。本開示の解釈上、配線、ケーブルライン、スリックライン又はコイルドチュービング或いは搬送という用語のいずれかの１つを使用する場合、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、上述した配備手段のいずれか、又は他のいずれかの適当な同等手段を本開示とともに使用できることを理解されたい。]
[0027] 本開示は、上記で特定した課題又は当業で公知のその他の課題の１又はそれ以上の影響を改善し、或いは少なくとも低減させることを目的としたいくつかの実施形態を提供する。]
[0028] 半導体的挙動及び良好な電子伝達特性を有するいくつかのＣＮＴが、耐熱性かつ高速の電子装置に適している。このようなＣＮＴは、多くの場合ジグザグカイラル型構造を有する。しかしながら、本開示の原理に基づいて、半導体的特性を示すその他の一般的なカイラル型を使用することもできる。特に、これらのＣＮＴを電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタに適用したときに、このトランジスタが、Ｓｉ ＦＥＴに匹敵する又はこれよりも高い感度で物理及び／又は化学特性を効果的に検知することができる。]
[0029] 多くの考えられる実施形態の１つでは、高温ダウンホール油田センサシステムを提供する。他の考えられる実施形態では、高温ダウンホール遠隔測定システムを提供する。高温ダウンホール油田システムは、ダウンホール光学装置、及び任意でダウンホールシステムと地表データ取得システムとの間に延びる通信ファイバ又はケーブルを備え、ダウンホール光学装置は、少なくとも１１５℃の高温操業に耐えるのに適したＣＮＴＦＥＴなどの高温ダウンホール用途のために構成又は設計された１又はそれ以上のトランジスタを備える。]
[0030] 本明細書で説明する原理は、高温用途のダウンホールツール及びセンサを使用して、化学センサ、流体分析センサ、又はその他の手段による検知及び通信を容易にする方法及び装置を企図するものである。ダウンホールツールにおけるＣＮＴＦＥＴの使用は、検知の際にこれまで得られていたものよりも高い感度及び選択性を提供する。本明細書で説明する原理は、高温環境においても、検知、並びにダウンホールツール及びセンサと関連する地表システムとの間の通信を容易にする。]
[0031] 上述したように、より高い分解能の検知ツールに対する需要が急激に増大している。本開示は、高温ダウンホール環境内における検知システムの実現技術を提供する。本明細書で提案する解決法は、ツール及びシステムのコストを削減し、ツールの信頼性を改善し、高感度ツールセンサを提供する。本明細書で説明するツールアーキテクチャは、既存のツールアーキテクチャに対して大幅な拡張能力を提供し、既存のツールがより大きな機能性及び貢献を提供できるようにする。この場合、本開示における発想の結果、現在利用可能なシステムでは実現されなかった新たなツールの設計及び応用が可能となる。]
[0032] いくつかの実施形態では、例えばＳｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ社のモジュラーフォーメーションダイナミックテスター（ＭＤＴ）内で１又はそれ以上の流体分析モジュールを使用して、油田の探査及び開発のダウンホール流体分析などの領域で本開示を適用することができる。本明細書で開示するダウンホールツールは、油田環境などの極端な条件に適応性がある。このようなダウンホールツールを使用して、高温条件下でダウンホールデータを収集して記憶することができる。]
[0033] 図１は、本開示によるダウンホールツールを利用した地層流体のダウンホール分析及びサンプリングのためのシステムの例示的な実施形態である。図１は、本発明の利用に関する１つの考えられる設定及びその他の作業環境を示しており、これも本開示によって企図される。] 図１
[0034] 図１では、ボアホールすなわち掘削孔１２を有する坑井サイトの地層面２１０に作業車１０が位置し、ボアホール１２内にダウンホールツール２０が懸架されている。通常、ダウンホールツール２０は、地層面２１０においてウインチ又はケーブルドラム１６に巻き取られるケーブル２２の下端から懸架される。ボアホール１２は１１５℃以上のような高温状態に曝される可能性があるので、ダウンホールツール２０は高温に耐える必要がある。] 図１
[0035] 通常、ボアホール１２には、水、泥水ろ過液、地層流体などの混ざったものが含まれる。ダウンホールツール２０を使用して、地層を試験し、地層から採取した組成物を分析することができる。ダウンホールツール２０を使用して、例えば、流量、温度、圧力、流体特性、ガンマ放射特性などの様々なパラメータを測定することができる。また、ダウンホールツール２０は、流体注入、地層破壊、地震のマッピングなどをモニタする機能を有することができる。ダウンホールツール２０は、配線ツール、配線検層ツール、ダウンホールツールストリング、又はドリルカラー、ゾンデ、ドリルビット、掘削時測定ツール、掘削時検層ツール、永続的モニタリングシステムなどのその他の公知の配備手段であってもよい。]
[0036] 本明細書で開示する検知装置は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）を含む。本開示は、環境パラメータ及びツールパラメータに関するデータを検知し、記憶し、送信する目的で、高温電子機器を使用するダウンホールツール２０を使用することを企図している。この場合、開示する装置は、ダウンホールツール２０の構成部品に関する特性、並びに高温及び高圧下での地層パラメータを効果的に検出して記憶することができる。]
[0037] 配線ツールの通常の動作期間は５〜５０時間であり、ＬＷＤツールの場合は１日〜３週間であり、永続的モニタリングツールの場合は１年〜１０年又はそれ以上である。従って、ダウンホールツール２０に含まれる検知装置には、修理せずに通常の動作期間を延長させることができ、ダウンホールツール２０の信頼性及び堅牢性を向上させることができ、また従来の設備を上回るより高い検知感度及び選択性を提供できることが求められる。]
[0038] ケーブル２２は、多心検層ケーブル、配線、又は当業者に公知のその他の搬送及び／又は通信手段であってもよい。作業車１０は地表システム２００を含む。地表システム２００は、ダウンホールツール２０のための適当な電子制御及び処理システム、並びに遠隔測定能力を有することができる。通常、ケーブル２２は地表システム２００に電気的に結合される。]
[0039] 図２（ａ）は、本開示による、例えば化学センサモジュール５０を利用した、地層流体のダウンホール分析及びサンプリングのためのダウンホールツール検知システムの例示的な実施形態である。図２（ａ）では、高温用途のためのボアホールシステムが、地層を試験し、地層から採取された組成物を分析するためのボアホールツールストリング２０、又はドリルカラー、ゾンデなどのその他の公知の配備手段を含む。ボアホールツール２０を、ボアホール内で多心検層ケーブル又は配線２２の下端から、或いは当業者に公知のその他の搬送手段により懸架することができる。通常、検層ケーブルは、ボアホールツールのための適当な電子、処理及び遠隔測定システムを有する地表システム２００に電気的に結合される。]
[0040] ボアホールツールは、ボアホールツールに必要かつ所望の機能を提供するための様々な電子部品及びモジュールを含み、これらを図２（ａ）に概略的に示している。ボアホールツールの例は、同一出願人による米国特許第３，７８０，５７５号、第３，８５９，８５１号、及び第４，８６０，５８１号に開示されている。]
[0041] ツール本体内に１又はそれ以上の流体分析モジュール６０を提供することができる。地層及び／又はボアホールから得られた流体は、フローライン６２内を流れ、流体分析モジュール６０及び（単複の）化学センサモジュール５０を経由し、その後この流体を送出モジュール６４のポートを通じて放出することができる。この場合、化学センサモジュールが、化学センサモジュールほどの感度で化学種を検出できない流体分析モジュールに対する相補的な役割を果たすことができる。或いは、ダウンホールツールを小型化するための要望又は必要性に応じて、化学センサモジュールが流体分析モジュールに取って代わることができる。任意に、フローライン６２内の地層流体を、地表へ輸送するために地層から得られた流体を受け入れて保持するための１又はそれ以上の流体収集チャンバ６６／６８へ導くことができる。]
[0042] プローブ７０及び／又はパッカーモジュール７２などの流体受入アセンブリ、１又はそれ以上の流体分析モジュール６０及び／又は化学センサ５０、流路６２及び収集チャンバ６６／６８、及びボアホールツールのその他の動作要素は、電気制御システムにより制御される。このシステムは、ボアホールツールに動作可能に接続された制御プロセッサを含むことができる。本明細書で説明する方法を、プロセッサ内で実行されるコンピュータプログラムの形で具体化することができる。動作時には、プログラムが、例えば、流体分析モジュールからのデータをケーブルを介して受信し、制御信号をボアホールの動作要素へ送信するように結合される。]
[0043] 図２（ｂ）は、地表制御システム２００及びダウンホールツール２０の別の考えられる実施形態を示している。この実施形態では、地表システム２００が、データ通信ユニット２０２と処理及び制御ユニット２０４とを含む。データ通信ユニット２０２は、制御信号を出力し、この制御信号がダウンホールツール２０に届くようにケーブル又はファイバ２２を介してダウンホールツール２０に動作可能に接続された制御プロセッサを含むことができる。この例では、ダウンホールツール２０が、遠隔測定カートリッジ１４０、例えば電気ツールバスを有する電子カートリッジ１１０、及びツールシャトル１６０1、１６０2、・・・、１６０nの配列、及びアレイターミネータ１８０をボアホール１２内に上から下へこの順序で含む。遠隔測定カートリッジ１４０は、地表システム２００と通信する。この構造は、同一出願人による米国特許第６，６３０，８９０号に開示されており、該特許の内容はその全体が引用により本明細書に組み入れられる。]
[0044] 図２（ｂ）のダウンホール２０は、電子カートリッジ１１０内に入れられたダウンホール検知及びデータ取得システム、及びツールシャトル１６０1、１６０2、・・・、１６０nの配列を含むことができる。]
[0045] 本明細書で説明する方法を、プロセッサ２０４内で実行されるコンピュータプログラムの形で具体化することができる。このコンピュータプログラムを、プロセッサに付随するコンピュータ使用可能記憶媒体に記憶することができ、或いは外部のコンピュータ使用可能記憶媒体に記憶し、必要に応じて使用するためにプロセッサに電子的に結合することができる。記憶媒体は、ディスクドライブにはめ込まれた磁気ディスク、又は光学的に読み込み可能なＣＤ−ＲＯＭ、或いは交換通信リンクを介して結合された遠隔記憶装置を含むその他のあらゆる種類の可読装置などの現在公知の記憶媒体のうちのいずれかの１又はそれ以上であってもよく、或いは本明細書で説明する意図及び目的に適する将来的な記憶媒体であってもよい。動作時には、データを受信して制御信号を送信するために、プログラムがダウンホールツール２０の動作要素にケーブル２２を介して結合される。]
[0046] 図３（ａ）は、ＣＮＴＦＥＴ１００の１つの実施形態を示している。ＣＮＴ ＦＥＴ１００は、Ｓｉ半導体基板１０４上にＳｉ０2層１０２を有する。Ｓｉ０2層１０２上には、ソース電極１０６及びドレイン電極１０８が提供される。図３（ａ）の装置は、ソース電極１０６とドレイン電極１０８との間にチャネル１１０を形成するように提供されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。ゲート電極１１２とチャネル１１０との間の静電容量（以下「ゲート容量」又は「ＣG」と呼ぶ）は、１０-17〜１０-18Ｆであると推定される。この推定静電容量は、Ｓｉ ＦＥＴの静電容量（１０-15Ｆ前後）よりもかなり小さい。従って、例えば特定の化学種との接触などの外部刺激に起因してゲート電極の表面電荷が僅かに変化しただけも、ゲート電圧は大きく変化する。]
[0047] 図３（ｂ）は、ＳｉＦＥＴ及びＣＮＴＦＥＴの計算した感度を示す表である。ソース電極とドレイン電極との間のチャネルに電子が入り込んだ場合、ＣＮＴ ＦＥＴは、ゲート容量（ＣG）の差異に起因して、Ｓｉ ＦＥＴよりもかなり高いゲート電圧（ＶG）を有することができる。]
[0048] 図３（ａ）に示すＣＮＴＦＥＴはサイドゲートＦＥＴであり、ゲート電極１１２がチャネル１１０の近くに配置される。このようなサイドゲートＣＮＴ ＦＥＴのチャネルは短く、これは回路の集積に有利である。]
[0049] 図４は、トップゲート型ＣＮＴＦＥＴ１００の概略斜視図である。図３のサイドゲートＣＮＴ ＦＥＴとは異なり、トップゲートＣＮＴ ＦＥＴはＣＮＴチャネル１１０の上部にゲート電極１１２を有する。トップゲートＣＮＴ ＦＥＴは、電気的に分離されたゲート電極を有する。このような電気的分離は、個々のＣＮＴ ＦＥＴを電気的に制御できるという理由で集積回路において有用である。] 図４
[0050] 図５は、ＣＮＴＦＥＴのさらに別の実施形態を示している。図示のＣＮＴ ＦＥＴ１００はバックゲート型ＣＮＴ ＦＥＴである。バックゲートＣＮＴ ＦＥＴでは、ゲート電極１１２がＳｉ半導体基板１０４の裏面に提供される。バックゲートＣＮＴ ＦＥＴは、図３のサイドゲートＣＮＴ ＦＥＴとは異なる構造を有する。バックゲートＣＮＴ ＦＥＴは、化学プローブをバックゲートに取り付けることが容易になるように短いＣＮＴチャネル１１０を有する。ＣＮＴチャネル１１０をＳｉ3Ｎ4の保護層で被覆することができる。図５では、以下でより詳細に説明するように、ＣＮＴの成長のためにＳｉＯ2層１０２上に触媒層１１４が提供される。] 図５
[0051] 図６は、ＣＮＴＦＥＴの別の種類のゲート構造を示している。図６では、ソース電極１０６とドレイン電極１０８との間に同軸ゲート電極１１２が提供される。図６の同軸ゲート電極のＣＮＴ ＦＥＴでは、ＣＮＴが高い幾何学的対称性で被覆され、より良好な電気的性能結果をもたらす。] 図６
[0052] 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、約２００℃及び大気圧でのバックゲートＣＮＴＦＥＴの電流−電圧特性を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ゲート電圧（ＶG）が−５Ｖから＋５Ｖまで変化するにつれて、ソース−ドレイン電圧（ＩSD）対ソース−ドレイン電流（ＶSD）が適宜変化する。このことは、バックゲートＣＮＴ ＦＥＴが、２００℃で約１時間の間半導体的特性を保持できることを示している。従って、既存のパッケージング技術を使用してＣＮＴ ＦＥＴを適当にパッケージングして高圧条件から保護すれば、ＣＮＴ ＦＥＴを高圧のダウンホール環境で使用することができる。]
[0053] 本発明者らは、本明細書で説明する種類のＣＮＴＦＥＴが、化学センサとして特に有用であることを認識した。特定の化学種がＣＮＴ ＦＥＴのゲート電極に接触した場合、ゲート電極がゲート容量を変化させ、この結果ＣＮＴ ＦＥＴのゲート電圧が大きく変化する。図８は、化学センサとして構成又は設計されたバックゲートＣＮＴ ＦＥＴの概略図である。図８のＣＮＴ ＦＥＴ１００では、バックゲート電極１１２が、化学プローブを取り付けられるように物理的又は化学的に修飾される。化学修飾ゲート電極は、より高い化学的選択性を有する。或いは、ＣＮＴ ＦＥＴに化学プローブを物理的又は化学的に取り付けることもできる。この場合、意図する目的に適したあらゆる化学プローブを使用することができる。例えば、同一出願人による国際特許公開ＷＯ２００５／０６６６１８号は、例えばＣＯ2、Ｈ2Ｓ、Ｈｇ、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｈ2などの蒸気又はガス、とりわけＨ＋、Ｎａ＋、Ｃｌ−、炭酸塩、硫酸塩、Ｂａ2＋、Ｃａ2＋、Ｓｒ2＋などのイオン、或いはアスファルテンなどの重質炭化水素成分を測定するために、本明細書で説明する原理に基づいて使用することができる考えられる化学プローブを開示している。] 図８
[0054] ＣＮＴＦＥＴを化学センサとして構成又は設計した場合、センサが化学種の検知に対して非常に高速の応答を行うであろう。これは、バリスティック伝導の効果により、半導体ＣＮＴがＣＮＴ内で電子及び／又は正孔を散乱させずに動かすことができるからである。]
[0055] 本発明者らは、ＣＮＴを様々な光学装置で使用できることをさらに認識した。ＣＮＴＦＥＴを光学材料と組み合わせることにより、光学材料内で発生する光キャリアの検出においてＣＮＴ ＦＥＴが高感度を有する高感度光検出器が実現される。半導体のＣＮＴは、直径に依存するエネルギーバンドギャップを有する。直径を制御することにより、半導体ＣＮＴが、適切な受光素子、すなわち特にダウンホールでの光通信、蛍光分析及びその他のあらゆる種類の分光法用途に有用な光検出器を提供することができる。例えば、同一出願人による同時係属中の米国特許出願ＵＳ１２／２３９，８２２号は、本開示の原理に基づいて実装できる光検出器などの光学装置を有するいくつかの考えられるダウンホールツールを開示している。]
[0056] 図９は、受光素子又は光検出器３００を概略的に示している。図９の受光素子又は光検出器３００は、ゲート電極が存在しないことを除き、バックゲート又はサイドゲートＣＮＴＦＥＴと同様のものである。ＣＮＴチャネル１１０にレーザビームなどの光ビームが入射すると、ドレイン電極１０８とソース電極１０６の間の電圧に基づいてこれらの間に光電流が発生する。ＣＮＴを有するこのような複合構造を内部で光キャリアが発生する全ての光学材料又は多層構造に適用することができ、この結果広い波長において高感度を有する光検出器が実現される。] 図９
[0057] 図１０は、本開示の原理によるＣＮＴＦＥＴを生産するための１つの考えられる工程を示している。ステップ１において、Ｓｉ半導体基板１０４にフォトレジスト（ＰＲ）コーティング材を施す。必要であれば、その後コーティング材を加熱して溶媒を除去し、フォトマスクを介して紫外線、Ｘ線又はガンマ線或いは電子ビームに曝す。次に、コーティング材が展開すると、基板上にＰＲパターン層が形成される（図１０ステップ１）。図１０に示すパターン層は、２つの分離した凹部を有する。ナノサイズＦｅ粒子を含む触媒を基板上に堆積させた後、２つの凹部を触媒で満たす（図１０ステップ２）。触媒はＦｅに限定されず、ナノサイズＮｉ、Ｃｏ及び／又は他のいずれかの遷移金属粒子を含むことができる。] 図１０
[0058] ステップ３において、ＰＲパターン層をリフトオフ加工し、満たされた触媒部分のみを残す。次に、ステップ４において、触媒部分を有する基板を反応チャンバ内に配置し、メタン（ＣＨ4）の前駆体ガスを中に流す一方で、基板を約２時間の間９００℃前後に加熱する。この場合、触媒部分が前駆体ガスに曝され、これが触媒部分と反応し、及び／又はこれを分解してこれらの間にＣＮＴを形成する（図１０ステップ４）。前駆体ガスはＣＨ4ガスに限定されず、例えば前駆体ガスとしてＣ2Ｈ2ガスを使用することもできる。] 図１０
[0059] 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示すように、前述のＣＮＴＦＥＴ技術を化学センサに適用することができる。図１１の化学センサモジュールは、マイクロ流体チップ又はラボオンチップ（ＭＦＣ）のパッケージングを有する。ＭＦＣに入口及び出口を接続して（図１１（ａ）を参照）パッケージから突出させることにより、流体分析のために地層流体サンプルがＭＦＣを貫流できるようになる。ＭＦＣとは、微細加工技術により形成されたマイクロチャネルをガラス基板上に有する装置のことである。ＭＣＦのマイクロチャネルと直列にＣＮＴ ＦＥＴが配置される（図１１（ｃ）を参照）。個々のＣＮＴ ＦＥＴは、異なる化学種を検出するために異なる化学プローブを有することができる。地層流体サンプルがマイクロチャネルを通過すると、ＣＮＴ ＦＥＴがサンプル内の様々な標的化学種を選択的に検出することができる。ＣＮＴ ＦＥＴは、電気リードに電気的に接続され（再び図１１（ａ）を参照）、この電気リードはパッケージから突出して、処理及び分析のために電気信号を他のシステム電子機器へ送信する。] 図１１
[0060] 本明細書で開示する方法及び電子機器を、Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ社の地層テスターツールであるモジュラーフォーメーションダイナミックテスター（ＭＤＴ）の１又はそれ以上の流体分析モジュールの形で具体化することができる。モジュールは、圧力、温度、流体流、及び振動などの局所的な環境条件を検出するためのセンサを含むことができる。地表データ処理用電子機器を検層設備（図示せず）に結合して、ここで遠隔測定された情報を収集し、記録し、処理し、分析することができる。]
[0061] 上述の原理は、ＭＥＭＳ／マイクロ流体装置のみならず、マクロスケールのセンサ装置又はシステムにも適用可能である。図１２（ａ）は、フローライン４０２に付随するガス検出ユニット４００を有するＣＮＴＦＥＴ検知システムの別の実施形態を概略的に示している。フローライン４０２は、例えば溶解したガス分子などの化学物質を有する液体のような流体が内部を貫流するように構成又は設計される。フローライン４０２にはガス検出チャンバ４０４が接続され、或いは組み込まれる。ガス検出チャンバ４０４は、関心標的分子「Ａ」のために選択された選択性透過膜４０６を介してフローライン４０２と流体連通する。膜４０６の逆側にはＣＮＴＦＥＴセンサ４０８が位置する。ＣＮＴ ＦＥＴセンサ４０８は、関心分子「Ａ」を選択的に捕捉するプローブ層とともに構成又は設計される。フローライン４０２内の液体に溶解した化学物質が選択的に分離され、ガス分子「Ａ」が、選択透過膜４０２を介してガス検出チャンバ内４０４に入るようになる。その後、ガス分子「Ａ」はチャンバ４０４内を進んでＣＮＴ ＦＥＴセンサ４０８に接触する。ＣＮＴ ＦＥＴセンサ４０８は、ガス「Ａ」の検出用プローブでガス分子「Ａ」を捕捉する。]
[0062] 単一のフローライン上に複数のガス検出ユニット又はチャンバを配置できることが企図されている。複数のガス検出ユニット又はチャンバを使用して、単一のガス又は複数の標的ガス分子を検出することができる。さらに、複数のガス分子を検出するために、検出ユニット又はチャンバが、異なるプローブ層を有する追加のＣＮＴＦＥＴセンサを含むことができる。ガス検出ユニットが、検出後にガス検出ユニットのプローブからガス分子を分離できるようにヒーターをさらに備えることができることをさらに想定している。この結果、ガス検出ユニットを繰り返し使用することができる。]
[0063] 図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に関して上述した原理に基づく装置の１つの考えられる実施形態を示している。図１２（ｂ）では、１又はそれ以上のＣＮＴＦＥＴ検出ユニット４０８を内部に有するセンサバルクヘッド４２０内にガス分離膜４０６が含まれる。膜４０６によるガス分子の分離後に、センサ４０８がガス分子を検出して対応する信号を生成し、これがセンサバルクヘッド４２０から出力される。]
[0064] 本明細書で開示する検知システムを、ゾンデを使用する坑井内の配線検層作業に利用することができる。或いは、掘削孔内にゾンデを配備するためにコイルドチュービングを採用することができる。本明細書における検知システムをフローのモニタリング及びプロダクションに関するその他の用途に利用することができ、本明細書に開示する検知システムに基づいてプロダクション検層ツールを構成することができる。上述のＣＮＴＦＥＴ化学センサを使用して様々な化学的性質及び化学物質を測定することができる。この場合、本開示はまた、本明細書で説明する検知目的のための配線又はスリックラインツールも企図する。追加のモニタリング用途として、とりわけ当業者に公知のダウンホールツールによる流体注入、地層破壊、及び地震のマッピングが挙げられる。]
[0065] 図１３は、ツールの動作のための１つの考えられる方法５００を示しており、この方法では、例えば約１１５℃又はそれ以上の２００℃前後などの高温環境内にツールを配備して（ステップ５１０）、周囲流体及び／又は地層の環境パラメータ並びに密度、粘度、空隙率及び／又は抵抗率に関するデータを取得する（ステップ５２０）。さらに、このツールを使用して、加速度、圧力、回転、振動及び／又は温度、或いはツールのメンテナンス又は動作履歴に望ましい又は必要なその他のいずれかのダウンホールツール性能パラメータに関するデータを取得することができる。その後、処理及び分析のために、このようなデータを記録し及び／又は遠隔受信器へ送信する（ステップ５３０）。] 図１３
[0066] 前述の説明は、本発明及びそのいくつか実施構成例を例示し説明する目的のためにのみ提示したものである。この説明は、包括的であったり、或いは開示したいずれかの詳細な形に本発明を限定したりすることを意図するものではない。上記の教示に照らして多くの修正及び変形が可能である。]
[0067] 本発明の原理及びその実用的用途を最も良く説明するために、好ましい態様を選択して説明した。前述の説明は、当業者が本発明を様々な実施形態及び態様で、及び企図される特定の用途に適するような様々な修正を加えて最良に利用できるようにすることを目的とするものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義されることが意図される。]

权利要求:

請求項1
地層を横切る坑井内のダウンホールの地下ツールであって、前記坑井内の局所状態を検知すべくダウンホールで使用するように構成又は設計された検知装置を備え、前記検知装置が１又はそれ以上のトランジスタを備え、該１又はそれ以上のトランジスタが、ボアホール内のダウンホールで動作するように構成又は設計された少なくとも１つのカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を備える、ことを特徴とする地下ツール。
請求項2
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴが、ボアホール内のダウンホールの物理及び／又は化学特性を検知するように構成又は設計された、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項3
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴがサイドゲートＦＥＴを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項4
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴがトップゲートＦＥＴを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項5
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴがバックゲートＦＥＴを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項6
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴが同軸ゲートＦＥＴを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項7
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴが、約１１５℃を超えるダウンホール温度で使用するように構成又は設計された、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項8
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴが、約２００℃のダウンホール温度で使用するように構成又は設計された、ことを特徴とする請求項７に記載の地下ツール。
請求項9
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴが、化学プローブとして機能するように修飾された、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項10
前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴに固定された化学プローブをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項11
前記検知装置が少なくとも１つの光学装置を含み、該光学装置が、ボアホール内のダウンホールの感光性検出器として機能するように構成又は設計された１又はそれ以上の前記少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項12
前記地下ツールが、前記少なくとも１つの光学装置を含む１又はそれ以上の光通信モジュールを備える、ことを特徴とする請求項１１に記載の地下ツール。
請求項13
前記地下ツールが、前記少なくとも１つの光学装置を含む１又はそれ以上のダウンホール流体分析モジュールを備える、ことを特徴とする請求項１１に記載の地下ツール。
請求項14
前記検知装置が化学センサを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の地下ツール。
請求項15
前記化学センサがガス検出器を含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の地下ツール。
請求項16
地表遠隔測定ユニットを含む地表データ取得ユニットと、ダウンホール遠隔測定カートリッジと、前記地表データ取得ユニットと前記ダウンホール遠隔測定カートリッジとの間の通信インターフェイスと、ダウンホールツールと、前記ダウンホール遠隔測定カートリッジと前記ダウンホールツールとの間に動作可能に接続されたダウンホール電気ツールバスと、を備え、前記ダウンホールツールが、坑井内の局所状態を検出すべくダウンホールで使用するように構成又は設計された化学検知装置を含み、該化学検知装置が、化学特性を検出すべくボアホール内のダウンホールで動作するように構成又は設計された１又はそれ以上のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を含む、ことを特徴とするダウンホール化学検知システム。
請求項17
少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴが、化学プローブとして機能するように修飾された、ことを特徴とする請求項１６に記載のダウンホール化学検知システム。
請求項18
前記化学検知装置が、少なくとも１つのＣＮＴＦＥＴに固定された化学プローブを含む、ことを特徴とする請求項１６に記載のダウンホール化学検知システム。
請求項19
前記化学検知装置がガス検出器を含む、ことを特徴とする請求項１６に記載のダウンホール化学検知システム。
請求項20
地層を横切る坑井内の約１１５℃を超える高温のダウンホールで動作するように構成された流体分析システムであって、ボアホール内の関心信号を測定し、ダウンホールの地層流体の特性を求めるための少なくとも１つの光学センサを備え、該少なくとも１つの光学センサが、ボアホール内のダウンホールで感光性検出器として動作するように構成又は設計された１又はそれ以上のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）を含み、該ＣＮＴＦＥＴが、ボアホール内の約１１５℃を超える温度のダウンホールで動作するように構成又は設計された、ことを特徴とする流体分析システム。