Техническая система скважинного контура

1. Обзор системы

Скважинная система circuit служит основным блоком управления интеллектуальным буровым и каротажным оборудованием для разведки нефти и газа, предназначенным для стабильной работы в экстремальных условиях: при высокой температуре (до 300 ℃), высоком давлении (210 МПа), сильной вибрации (20 г/сут) и агрессивных средах. Благодаря модульной архитектуре система объединяет четыре функциональных модуля — датчик, обработку, связь и управление — и обеспечивает наработку на отказ (среднее время между отказами), превышающее 10 000 часов, благодаря трехуровневой системе резервирования.

2. Технические характеристики ключевых подсистем

2.1 Высоконадежная система сбора сигналов

● 24-разрядный Σ-Δ АЦП (например, ADI AD7779) в сочетании с программируемым усилителем усиления (PGA)

● Поддерживает 16-канальную синхронную выборку со скоростью 100 Кбит/с.

● Интегрирует адаптивную цифровую фильтрацию (FIR/IIR) и алгоритмы компенсации температурного дрейфа

● Система обеспечения целостности сигнала: дифференциальная передача LVDS с погрешностью согласования импедансов

2.2 Высокотемпературный процессор

● Основное устройство управления: защищенная от излучения ПЛИС (Xilinx XQR5VFX130)

● Сопроцессор: микроконтроллер архитектуры HT-SOI (например, Honeywell HT83C51)

● Система хранения данных: FRAM (Fujitsu MB85RS256A) + флэш-память NAND в керамическом корпусе

● Операционная система реального времени: VxWorks 653 (сертификат DO-178C Level A)

2.3 Специальная система управления питанием

● Диапазон входного напряжения: 18-120 В постоянного тока (совместим с аккумуляторами и турбогенераторами)

● Многоступенчатая архитектура преобразования: SiC-Buck-Boost (начальный этап) + LDO (последующий этап)

● Коэффициент полезного действия: >85% при 200 ℃ (выход 12 В/ 5 А)

● Интеллектуальная защита: Трехуровневая защита от перенапряжения (OVP), обратной полярности (RPP) и перенапряжения (TVS).

2.4 Высокоскоростная система передачи данных

● Проводная передача данных:

● Оптоволоконный канал: 1000BASE-ZX (одномодовая передача на расстоянии 5 км)

● Коаксиальная передача данных: модуляция QAM-256, скорость 200 Мбит/с

● Беспроводная передача:

● Ближний радиус действия электромагнитных волн: DSSS 2,4 ГГц, частота битовых ошибок

● Импульсный импульс: Технология адаптивной кодирующей модуляции (ACM)

3. Усовершенствованные производственные процессы

3.1 Технология подложки

● Высокотемпературные керамические подложки (AlN/DBC)

● Многослойная проводка (8-12 слоев, ширина линии/ расстояние между линиями 50 мкм)

● Глухая/заглубленная конструкция (диаметр 80 мкм)

3.2 Процесс упаковки

● Герметичное соединение (скорость утечки >5×10⁻⁹ атм·куб.см/с)

● Эвтектическое соединение золото-олово (Au80Sn20, температура плавления 280℃)

● 3D-укладка (плотность соединения TSV >10⁴/см2)

4. Типичные случаи применения

4.1 Инструмент определения азимутального удельного сопротивления LWD

● Схема привода массива катушек с шестью передатчиками и восемью приемниками

● Высокочастотный модуль усилителя с фазовой автоподстройкой частотой 1 МГц

● Блок обработки данных с коррекцией анизотропии

Интеллектуальная система заканчивания 4.2

● Бесщеточный привод для электрических клапанов (трехфазный полный мост)

● Модуль ПИД-регулирования скважинного потока

● Датчик давления и температуры

5. Технические проблемы и тенденции развития

5.1 Существующие технические трудности

● Надежность полупроводниковых приборов при температуре выше 300 ℃

● Эффекты взаимодействия нескольких физических полей (тепловое, механическое и электрическое)

● Скважинные системы с ограниченным энергопотреблением (среднее энергопотребление >15 Вт)

5.2 Передовые направления исследований

● Автономные технологии (вибрационная/ термоэлектрическая генерация)

● Фотонные интегральные схемы (ПОИС), заменяющие традиционные печатные платы

● Современные вычисления на основе искусственного интеллекта (принятие решений в скважине в режиме реального времени)

Этот тип систем получил международные сертификаты, такие как API 19G и IEC 61508, и широко применяется в таких сценариях, как разработка месторождений сланцевого газа (например, блок Чаннин в провинции Сычуань) и глубоководных нефтяных месторождений (например, "Глубоководное месторождение №1" в Южно-Китайском море). С развитием полупроводниковых материалов (например, алмазных полупроводников) и технологий гетерогенной интеграции скважинные схемотехнические системы становятся более интеллектуальными, миниатюрными и устойчивыми к сверхвысоким температурам.