I. Тенденция в отрасли разведки глубоких скважин смещается в сторону более глубоких и горячих скважин.
Согласно данным международных геологических исследовательских институтов, на глубинные запасы нефти и газа приходится более 60% мировых неразработанных нефтегазовых ресурсов. В моей стране глубинные нефтегазовые месторождения в таких регионах, как Таримский бассейн и Сычуаньский бассейн, как правило, залегают на глубине более 7000 метров, при этом температура пласта достигает 180–260°C. Эта геологическая особенность предъявляет жесткие требования к условиям эксплуатации скважинных приборов.

Традиционное оборудование для каротажа обычно имеет верхний предел рабочей температуры от 175 до 185°C, в основном за счет использования дискретных компонентов или технологии толстопленочных элементов при его производстве. С увеличением глубины разведки и требований к температуре этот технологический предел расширяется. Будучи энергетическим центром всей системы каротажа, способность источника питания скважинного прибора работать при высоких температурах напрямую определяет рабочую глубину и пределы надежности прибора.

1.1 Классификация и стратегии адаптации к высокотемпературным средам

В соответствии с отраслевой практикой, высокотемпературные среды в скважинах можно классифицировать по следующим уровням, при этом существуют значительные различия в технических требованиях к силовым модулям в разных температурных диапазонах:

1.2 Комбинация турбогенератора и источника питания переменного/постоянного тока стала основным решением

В глубоководной разведке скважин архитектура электропитания скважинных турбогенераторов в сочетании с трехфазными модулями переменного тока постепенно становится отраслевым стандартом. Турбогенератор использует циркуляцию бурового раствора для выработки электроэнергии, обеспечивая непрерывное электропитание скважинных приборов; модуль питания переменного/постоянного тока преобразует трехфазный переменный ток, вырабатываемый генератором, в стабильное постоянное напряжение, питающее схемы каротажа, датчики, модули передачи данных и другие компоненты.

Преимущества этого решения: высокая надежность системы, низкие затраты на техническое обслуживание и умеренная удельная мощность. По сравнению с наземными методами электропитания, скважинные автономные системы позволяют избежать потерь напряжения и проблем затухания сигнала, связанных с длинными кабелями; по сравнению с решениями на основе батарей, они преодолевают ограничения по удельной энергии, обеспечивая длительную непрерывную работу.

II. Технологическая эволюция и промышленная замена высокотемпературных процессов получения толстых пленок
2.1 Технические преимущества гибридных интегральных схем на основе толстопленочных материалов

Гибридные интегральные схемы на толстопленочной основе являются ключевым технологическим процессом для производства высокотемпературных силовых модулей. По сравнению с традиционными дискретными схемами с выводами или решениями на печатных платах, технология толстопленочных схем демонстрирует значительные технические преимущества в условиях высоких температур:

2.2 Технологические прорывы в производстве высокотемпературных силовых модулей отечественного производства

Долгое время рынок источников питания для высокотемпературных скважинных приборов монополизировали несколько международных производителей. В последние годы отечественные компании, представленные компанией Qingdao Zhiteng Microelectronics, благодаря собственным исследованиям и разработкам добились прорывов в высокотемпературной технологии толстопленочных элементов, технологии выбора компонентов и проектировании надежных устройств, выпустив серию высокотемпературных источников питания переменного/постоянного тока мощностью от 150 Вт до 600 Вт.

Развитие отечественных высокотемпературных модулей питания не только разрушило ценовую монополию импортной продукции, но и продемонстрировало уникальные преимущества в таких аспектах, как скорость отклика, гибкость технического обслуживания и возможности индивидуальной настройки.Продукция серии LMPA достигла международного передового уровня по таким ключевым показателям, как выходная мощность, КПД и пульсации, а некоторые технические параметры даже превзошли их.

III. Тенденции развития модульного проектирования и многовыходных технологий

3.1 Применение модульной конструкции источников питания

Современные системы электропитания для каротажа в процессе бурения, как правило, используют модульную конструкцию, разделяя всю систему электропитания на несколько функционально независимых, стандартизированных интерфейсных модулей. Такая схема проектирования обеспечивает множество преимуществ в применении:

Основные преимущества модульной конструкции:

• Гибкая системная интеграция: Модули могут гибко комбинироваться в соответствии с требованиями к энергопотреблению скважинных приборов.

• Снижение затрат на техническое обслуживание: Неисправные модули могут быть заменены по отдельности, что исключает необходимость полной переделки системы.

• Сокращение цикла проектирования: Стандартные модули могут использоваться напрямую, что снижает избыточность в разработке.

• Упрощение цепочки поставок: Модульная конструкция упрощает управление запасными частями и контроль складских запасов.

3.2 Увеличение спроса на двухканальный/многоканальный вывод звука

По мере усложнения технологий каротажа, к напряжениям питания скважинных приборов предъявляются все более разнообразные требования. Современные каротажные приборы обычно требуют 48 В для основной цепи и 90 В или выше для подсистем, таких как передающая цепь и высоковольтная импульсная цепь. Для решения этой задачи появились двухканальные высокотемпературные модули питания переменного/постоянного тока, и интегрированные решения питания, обеспечивающие работу при различных напряжениях, стали популярными на рынке.

Высокотемпературные источники питания с двумя выходами мощностью 600 Вт, примером которых является LMPA600-200S48S90, объединяют регулируемые выходы 48 В и 90 В в одном модуле, что значительно упрощает сложность проводки системы питания, повышает общую надежность системы и эффективно контролирует размеры и вес.

IV. Технические параметры и соображения по выбору высокотемпературных модулей питания
При выборе высокотемпературного импульсного источника питания для глубоководной разведки инженерам необходимо уделять пристальное внимание следующим техническим параметрам:

V. Перспективы развития отечественных высокотемпературных силовых модулей переменного/постоянного тока

В будущем отечественные высокотемпературные силовые модули переменного/постоянного тока продолжат демонстрировать прорывы в следующих областях:

5.1 Повышенная удельная мощность
Благодаря оптимизации конструкции магнитной цепи, использованию новых силовых устройств и улучшению процессов терморегулирования, удельная мощность дополнительно повышена, а размеры и вес изделия уменьшены, что соответствует требованиям миниатюризации скважинных приборов.

5.2 Непрерывная оптимизация эффективности

Применение новых топологий и силовых приборов с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния и нитрид галлия, позволит повысить эффективность источников питания при высоких температурах до более чем 95%. Более высокая эффективность означает меньшие потери мощности и меньшую тепловую нагрузку.

5.3 Интеллектуальная интеграция

Интеграция интеллектуальных функций, таких как цифровая технология управления питанием, мониторинг состояния и коммуникационные интерфейсы, позволит высокотемпературным силовым модулям обладать возможностями самодиагностики и дистанционного мониторинга, что обеспечит поддержку строительства интеллектуальных нефтепромыслов.

5.4 Прорывы в экстремальных условиях эксплуатации
Для более экстремальных сценариев применения, таких как геотермальные скважины и разработка сланцевого газа, мы разрабатываем экстремальные продукты с рабочими температурами, достигающими 250℃ или даже 300℃, тем самым расширяя границы применения высокотемпературных источников питания.