Máme – li vyhovět náročným provozním podmínkám v drsném prostředí těžby ropy nebo zemního plynu, nevyhneme se při návrhu odpovídajících nástrojů celé řadě požadavků. Vedle poctivého mechanického návrhu s využitím speciálních kovových materiálů bude zásadní i volba dostatečně odolných elektronických systémů, které do těchto nástrojů zapracujeme. Moderní elektronika totiž v takových systémech umožňuje získat podrobnější informace o výskytu uhlovodíků, stejně jako o poloze či směru, kterým se vrtná souprava ubírá. Vzácné zásoby energie pak lze snadněji nacházet a rovněž i těžit.
V extrémních podmínkách zde musí pracovat několik různých typů nástrojů, obsahujících složité elektronické systémy, které budou z důvodu omezených rozměrů zabírat jen velmi málo místa. Dvěma příklady jsou pomůcky pro
- záznam dat (Logging While Drilling, LWD) a
- měření (Measurement While Drilling, MWD)
během vrtných prací. S takovými nástroji, které budou v reálném čase zkoumat okolní horninu včetně chodu samotné vrtné soupravy, pak může obsluha na povrchu řídit další postup prací. Záznam dat s možností řídit vrtací nástroje v hloubce několika kilometrů pak stojí za celkově vyšší účinností těžby zmíněných zásob.
Nejčastěji se v rámci všech elektronických systémů, používaných u současných vrtných prací, setkáváme s požadavkem na sběr dat pro lepší a ještě účinnější postupy. Více informací, které lze získat o utváření hornin, pak znamená kvalifikovanější rozhodnutí ve věci konkrétního umístění včetně zpětného návratu. Typický blokový diagram systému sběru dat zahrnuje několik zesilovačů, zpracovávajících data přímo z čidel pro následné zpracování v A/D převodnících (ADC) – viz obr. 1. Číslicové údaje pak zpracováváme a poskytujeme dalším nástrojům, případně je také příslušnými komunikačními obvody vysíláme až na povrch. Při definování vstupů kteréhokoli systému se neobejdeme bez řízení napájení (Power Management) ani pevných napěťových referencí – jedná se o nepostradatelné prvky každého návrhu, především pak proto, že celá řada z nich bude napájena z baterií.
Obr. 1: Blokový diagram typického systému sběru dat při vysokých teplotách
S celosvětově rostoucí poptávkou po ropě a zemním plynu nabývá požadavek na ještě účinnější vrty, směrem k těmto důležitým zásobám, na svém významu. Naleziště těchto uhlovodíků, která dnes přicházejí v úvahu, se nachází stále hlouběji, takže musíme čelit výrazně vyšším teplotám než v případě dosud běžných ropných vrtů. Neobejdeme se tedy bez nástrojů, které ustojí mimořádně vysoké tlaky a teploty až do 200 ºC. Elektronické systémy, zajišťující podrobné informace o konkrétních geofyzikálních poměrech, komunikaci a také řízení všech těchto nástrojů, si pak žádají odpovídající polovodiče, tedy chceme – li vyhovět takovým teplotním požadavkům bez potřeby nákladného chlazení.
Vysokoteplotní elektronické systémy umožňují řízení vrtacího nástroje s ohledem na maximální výtěžnost ropy, a to i horizontálně. Vestavěná elektronika rovněž zajišťuje nezbytná měření, včetně informací o
-
hloubce a směru, - tlaku,
- teplotě,
- rezistivitě,
- gama záření v daném prostředí,
- zátěži vrtací jednotky,
- vibracích,
- otáčení
a z celé řady dalších vstupů – čidel.
Nástroje geologického průzkumu, používané ve spojení s mnoha vrty, umístěnými na souši, a také trvale umístěné prvky, monitorující teplotu a tlak v nádrži, řadíme mezi další pomůcky, které budou rovněž vyžadovat elektroniku s vysokým teplotním rozsahem. Obojí totiž pomáhá maximalizovat množství vytěžené ropy.
Spolehlivý návrh celých elektronických nástrojů pro hlubinné vrty musí vzít v úvahu více než jen to, jak dobře bude součástka na dané teplotě pracovat. Většina běžných polovodičů, používaných v současných nástrojích, bývá obvykle navržena pro provoz jen do 125 ºC. Jsou však často používány v rozporu s limity, které pro ně definuje datasheet (více o tom, jak takové údaje číst, se dozvíte z článku Jak číst v datasheetu mezi řádky? , zveřejněného na hw.cz). Vznikají tak problémy s teplotním zatížením křemíkové struktury, stejně jako se spolehlivostí obvodového řešení či zapouzdření. Požadavky na kvalitu a spolehlivost polovodičů s vysokým teplotním rozsahem si pak žádají
- náležitý popis,
- specifikaci,
- testování a také
- způsobilost k procesům,
se kterými se v plánované aplikaci můžeme setkat (viz také příspěvek Ať žije teplo! , zveřejněný na hw.cz). Protože typická délka vrtných prací nepřekračuje 1 000 hodin, máme zde několik technologií polovodičových procesů, které budou způsobilé a tudíž i použitelné, včetně standardního bulk silicon (Si) a SOI (silicon on insulator).
Jakmile teplota překročí 150 ºC, může dojít ke změně charakteristik polovodiče, takže potřebujeme porozumět jeho přirozené spolehlivosti, chceme – li bezchybně zvolit obvody pro aplikace s vysokou teplotní zátěží. Poruchové mechanismy na vysokých teplotách zahrnují
- elektromigraci (EM), tzv.
- TDDB (Time-Dependent Dielectric Breakdown),
- NBTI (Negative Bias Temperature Instability) a
- injekci horkých nosičů.
To vše snižuje životnost jak v případě bulk siliconu tak i SOI; jsou běžné u obou typů součástek.
Díky teplotě, vibracím nebo otřesům, které musí naše nástroje snášet, jsou – li umístěny nad vrtacím bitem, nás bude velmi zajímat i to, jakým způsobem budou elektronické systémy pro hlubinné vrty zapouzdřeny. Obyčejné plastové materiály (plastic mold compounds), používané k zapouzdření standardních polovodičů, začnou degradovat, takže během provozního zatížení na 200 ºC již nebudou dostatečně spolehlivé. Nejčastěji používaným způsobem zapouzdření, které bude účinně chránit křemíkový základ, se tak stává keramické, hermeticky uzavřené provedení, příp. keramické moduly s více čipy (MCM). Nasazení odpovídajícího KGD (Known-Good Die) může zajistit úsporu místa, je – li použito v rámci MCM či hybridních pouzder, zvyšujících míru integrace. Výrazně menších řešení lze dosáhnout, bude – li každá aktivní součástka v našem návrhu dostupná ve formě čipu, který pak osadíme na keramický substrát.
Testy pro získání potřebné kvalifikace v případě keramických pouzder obvykle zahrnují
- teplotní cyklus,
- mechanický náraz,
- pevnost spoje,
- vibrace,
- test hermetického uzavření a
- teplotní šok.
Příkladem keramického zapouzdření je tzv. QFP (Quad Flat Pack), využívané u součástek s vysokým počtem vývodů, jako je např. 8násobný A/D převodník ADS1278-HT s 24bitovým rozlišením (obr. 2). Po natrimování a úpravě vývodů se obvod může vejít na desky plošného spoje, široké 20 mm.
Obr. 2: Keramické pouzdro typu QFP (Quad Flat Pack), používané u součástek s vysokým počtem vývodů
Smyslem všech těchto zkoušek a testů je zajištění spolehlivých elektronických systémů, které nebudou způsobovat prostoje. Selže – li totiž v našem vrtu elektronika, bude její vyzvednutí zpět na povrch, a také náhrada, stát nějaký čas – někdy dokonce celé dny. Každá hodina promarněného provozního času je na vrtném zařízení velmi drahá, zejména pak tehdy, pohybujeme – li se mimo pevninu. Pokud však použijeme součástky, navržené přesně pro taková prostředí, můžeme navrhovat mnohem odolnější elektronické systémy, které nebudou tak náchylné k poruchám.
Hlubinné nástroje, provozované při vysokých teplotách, si žádají hned několik různých typů aktivních polovodičových součástek, od analogových prvků typu operačních zesilovačů (OZ) a datových převodníků až po řízení napájení či embedded procesory. Obvyklé procesní technologie a standardní návrhy, které budou vykazovat dostatečně silné předpoklady včetně svých charakteristik, pak lze použít k navýšení výkonnosti a také životnosti všech zmiňovaných nástrojů.
Reference:
- Stáhněte si datasheet včetně další technické dokumentace k ADS1278-HT: www.ti.com/ads1278ht-ca.
- Více informací o dalších polovodičových obvodech s vysokým teplotním rozsahem naleznete na www.ti.com/ht-ca.
Něco o autorovi
- Mont Taylor,
Business Development Engineer ve skupině High-Reliability (HiRel) při TI, má s vysoce spolehlivými obvody více než 15leté zkušenosti. Své BSEE získal na Texas A & M University, College Station, Texas. Zastihnete jej na ti_monttaylor@ list.ti.com (e-mail z pochopitelných důvodů uvádíme s mezerou za zavináčem).
