В настоящее время в геологоразведке происходит переход от простого вертикального бурения к управляемому горизонтально-вертикальному бурению. Создание таких установок невозможно без различных датчиков, которые необходимы для определения положения бура. При этом используемые сенсоры должны иметь возможность работы при сверхвысоких температурах и значительных уровнях вибрации. Специально для данной конкретной отрасли компания Colibrys разработала семейство высокотемпературных акселерометров серии TS1000T с рабочей температурой до 175 °С.
 |
|
| Рис. 1. | Семейство высокотемпературных акселерометров серии TS1000T от компании Colibrys. |
Разведка и добыча полезных ископаемых, в частности газа и нефти, в последнее время становится все более высокотехнологичной отраслью. Это связано с целым рядом факторов. Во-первых, экологические нормы постоянно ужесточаются, а их нарушение жестко пресекается. Во-вторых, наиболее легкодоступные месторождения, залегающие неглубоко под поверхностью земли, встречаются все реже. В-третьих, организация геологоразведки и бурения глубоких шахт оказывается достаточно дорогостоящим мероприятием.
В итоге поиск новых глубоко расположенных месторождений требует увеличения объемов бурения на фоне роста стоимости работ и при постоянном давлении со стороны экологов. Это привело к тому, что традиционное вертикальное бурение начинает уступать место высокотехнологичному и управляемому горизонтально-вертикальному бурению.
Внешне буровая установка не претерпела изменения (Рис. 2). На поверхности земли располагается вышка с бетонным колодцем для введения бура. Однако под землей вместо обычного вертикального колодца имеет место сложная шахта. Это стало возможным за счет использования управляемого бура, который способен менять направления прохода.
 |
|
| Рис. 2. | Вертикально-горизонтальное бурение. |
Вертикально-горизонтальное бурение дает сразу несколько преимуществ:
Один колодец и одна буровая установка могут использоваться для нескольких месторождений. Для этого создаются шахты различных направлений бурения. В итоге стоимость работ значительно снижается;
При обнаружении скалистого слоя нет необходимости пробивать его или переносить точку бурения – бур без проблем может обойти препятствие;
Можно получить доступ к месторождениям, которые целиком накрыты скальными образованиями.
Чтобы реализовать данную технологию добычи углеводородов, необходимо создать управляемый интеллектуальный бур, который содержит механическую часть, различные датчики, передатчик данных, систему управления (Рис. 3). Создание такого устройства – это вызов не только для создателей фрез, но и для создателей электроники. Это связано с наличием сразу нескольких проблем, основными из которых являются высокие уровни вибрации и необходимость работы при повышенных температурах. Например, постоянная рабочая температура во время работы в скважине достигает 150 °С, при этом возможны скачки и до более высоких температур.
 |
|
| Рис. 3. | Устройство бура. |
Для позиционирования бура необходимо наличие различных датчиков: гироскопов, магнитометров и акселерометров. К сожалению, именно традиционные МЭМС-сенсоры достаточно чувствительны к температуре и вибрациям. Например, для акселерометров температура негативно влияет на точность измерений, а постоянные внешние вибрации приводят к деградации измерительных ячеек. В худшем случае может возникать резонанс, который приводит к ложным показаниям. Еще одним разрушительным фактором при бурении становятся ударные нагрузки.
С учетом всех перечисленных особенностей компания Colibrys разработала семейство акселерометров TS1000T, которые способны работать в самых жестких условиях. Стоит отметить, что Colibrys отлично зарекомендовала себя как компания, которая способна создавать не только серийные, но и узкоспециализированные и высокоэффективные датчики. Семейство TS1000T – яркое тому подтверждение.
 |
|
| Рис. 4. | Внешний вид акселерометров серии TS1000T. |
TS1000T – семейство одноосевых акселерометров с дифференциальным аналоговым выходом, включающее трех представителей с различными диапазонами измерения ±2 g (TS1002T), ±5 g (TS1005T), ±10 g (TS1010T). Все датчики отличаются целым рядом уникальных особенностей:
- Диапазон рабочих температур в активном режиме составляет −40…+150 °C. При этом срок службы датчиков составит не менее 1000 часов;
- Диапазон рабочих температур при работе в импульсном режиме достигает −40…+175 °C. В данном случае имеется в виду режим, когда акселерометр чередует фазы сна и работы, то есть работает в импульсном режиме, периодически пробуждаясь и засыпая, тогда он сохраняет работоспособность даже при повышении температуре окружающей среды до +175 °C;
- Повышенная устойчивость к ударным нагрузкам ±1500 g (до 50 раз);
- Устойчивость к однократной ударной нагрузке ±6000 g.
Еще одним положительным достоинством акселерометров TS1000T при работе в буровых установках является их малое потребление до 4 мА. Это важно, так как электроника на буре работает от аккумуляторов.
Все акселерометры выпускаются в корпусе LCC20 размером 9×9 мм. При этом в нем умещаются все необходимые блоки: инерциальная МЭМС-ячейка, преобразователь ток/напряжение, программируемый усилитель, фильтр нижних частот, датчик температуры, схемы сброса, генератор.
 |
|
| Рис. 5. | Блок-схема акселерометра TS1000T. |
Как видно из блок-схемы, на выходе микросхемы формируется дифференциальный аналоговый сигнал, пропорциональный ускорению. Этот сигнал проходит встроенный ФНЧ. Диапазон рабочих частот для датчика составляет 100 Гц, а частота резонанса равна 1.4 кГц.
Говоря о метрологических особенностях этих акселерометров, стоит отметить высокую температурную стабильность (±150 мкg/°C), низкий уровень шумов (7 мg/√Гц) и высокую чувствительность ±7 мкg (TS1002T), ±17 мкg (TS1005T), ±34 мкg (TS1010T).
Акселерометры TS1000T используют всего один уровень напряжения питания (3.3 В) и не требуют каких-то особых дополнительных компонентов, корме развязывающих конденсаторов. В результате схема включения для них оказывается максимально простой (Рис. 6).
 |
|
| Рис. 6. | Схема включения акселерометров TS1000T. |
В заключение хочется отметить, что при создании высокотемпературных приложений требуется обращать внимание и на правильный выбор основания печатной платы. Инженеры Colibrys предлагают использовать керамическое основание. Демонстрационная плата CIB_1000 выполнена именно из керамики (Рис. 7). При этом CIB_1000 содержит на борту необходимый минимум, состоящий из посадочного места для акселерометра и конденсаторов, согласно типовой схеме включения. По этой причине данную плату можно использовать для своих разработок, чтобы не тратить время на поиск качественного производителя.
 |
|
| Рис. 7. | Демонстрационная плата CIB_1000 до и после монтажа. |
Новые датчики из семейства TS1000T от компании Colibrys представляют собой узкоспециализированный продукт, ориентированный в первую очередь для нужд горизонтально-вертикального бурения и других приложений в нефтегазовой и ресурсодобывающих отраслях. Несмотря на то, что TS1000T всего лишь одноосевой датчик, тем не менее, у него пока что нет конкурентов из-за его впечатляющих эксплуатационных характеристик.
Характеристики акселерометров TS1002T/ TS1005T/ TS1010T:
- Диапазон ускорений: ±2 g (TS1002T), ±5 g (TS1005T), ±10 g (TS1010T);
- Чувствительность (1 Гц): ±7 мкg (TS1002T), ±17 мкg (TS1005T), ±34 мкg (TS1010T);
- Точность измерений: 0.1° (TS1002T), 0.25° (TS1005T), 0.5° (TS1010T);
- Полоса частот: 100 Гц;
- Частота резонанса: 1.4 кГц;
- Температурная стабильность: ±150 мкg/°C;
- Уровень собственных шумов: 7 мg/√Гц (диапазон 1 Гц);
- Устойчивость к перегрузкам (однократно): ±6000 g (TS1002T), ±6000 g (TS1005T), ±6000 g (TS1010T);
- Устойчивость к перегрузкам (50 раз): ±1500 g (TS1002T), ±1500 g (TS1005T), ±1500 g (TS1010T);
- Коммуникационный интерфейс: аналоговый дифференциальный выход;
- Ток потребления: 4 мА;
- Диапазон напряжения питания: 3.3 В;
- Диапазон рабочих температур (постоянная работа): −40…+150 °C;
- Диапазон рабочих температур (прерывистая работа): −40…+175 °C;
- Корпусное исполнение: 9 × 9 мм LCC20.
О компании:
Colibrys – один из лидеров по разработке и производству серийных и специализированных МЭМС-датчиков для приложений, работающих в жестких условиях окружающей среды. Целевыми отраслями для датчиков компании являются: добыча полезных ископаемых, энергетика, военная и космическая отрасли и др.
Номенклатура продуктов компании включает в себя: акселерометры, инклинометры, датчики вибрации, датчики сейсмической активности, гироскопы и др.
Посмотреть подробнее характеристики акселерометров компании Colibrys
