- Volver a todos los episodios
- Escucha todos los episodios en:
Transcripción del episodio
Ken:
Soy Ken Miller.
David:
Y yo soy David Erdos.
Ken:
Bienvenidos al Erdos Miller New Technology Podcast, donde pasamos nuestro tiempo no productivo hablando sobre toda la tecnología relacionada con la perforación. Este podcast es para cualquiera interesado en aprender sobre la tecnología que nos ayuda a perforar más lejos y alcanzar más recursos cada día.
Dave, voy a hacer una pequeña promoción descarada. Aún no lo habíamos hecho.
David:
Adelante.
Ken:
Creo que es justo decir que en Erdos Miller pasamos un buen tiempo diseñando placas de circuito para alta temperatura para algún tipo de aplicación en perforación o producción de petróleo y gas.
David:
Diría que eso es absolutamente correcto.
Ken:
Así que hoy vamos a hablar un poco sobre cómo hacemos eso. ¿Cómo tomamos una placa de circuito y la hacemos resistente a estas temperaturas extremas, vibraciones y presiones que se experimentan en fondo de pozo, verdad?
David:
Exacto.
Ken:
Hablamos mucho sobre sistemas Measurement While Drilling, y esa es la área de la que venimos, en la que nos formamos y aprendimos bastante, y ahora estamos entrando en otras áreas. Pero hemos tenido placas de circuito en sistemas MWD desde la invención de estos. Realmente necesitas una placa de circuito para tener un buen sistema MWD. Sé que las primeras herramientas eran mecánicas — las drop tools — pero en cuanto tienes un pulsador, sensores direccionales, fuentes de poder y baterías, vas a tener un par de placas de circuito dentro o vas a pasar mucho tiempo con muchos cables tratando de hacerlo funcionar y sin lograrlo del todo.
David:
Sí.
Ken:
¿Dónde más en la industria podemos encontrar herramientas con placas de circuito? ¿Qué otros tipos de herramientas las usan?
David:
Pues, claro, están los sospechosos habituales como los rotary steerables, herramientas LWD, pero también ves cada vez más otras herramientas inteligentes como motores inteligentes o herramientas de completación inteligentes. Algunos subs de fracturamiento incluso ya tienen electrónica, y luego están los medidores de memoria permanente, Near Bit subs y todo tipo de herramientas que van a fondo hoy en día.
Aquí tienes la traducción al español de este segmento:
Ken:
Exacto, y creo que las herramientas que hemos tenido por más tiempo, que siempre han tenido placas de circuito, esas placas se están volviendo más pequeñas, más densas y más capaces, ¿verdad?
David:
Así es.
Ken:
Con cada año que pasa. Ahora tenemos todos estos componentes en el BHA con placas, procesadores y sensores. ¿Crees que es seguro decir que nuestros BHA se están volviendo más conscientes de sí mismos?
David:
Eso ciertamente es posible. Algunos dirían que ya lo son, que hacen lo que quieren.
Ken:
Sí, yo iba a preguntar si existe la posibilidad de que simplemente se rebelen y hagan lo que quieran en vez de lo que les decimos.
David:
Sí, creo que algunos perforadores con los que hablarías ya piensan eso.
Ken:
A veces yo también lo creo. Bueno, ¿por qué nos molestamos en poner placas de circuito dentro del conjunto de perforación? ¿Por qué no tener simplemente un BHA de metal “tonto,” sin electrónica?
David:
Pues, como hacemos muchos pozos direccionales hoy en día en todo el mundo, necesitas electrónica en el MWD para saber dónde estás perforando: la inclinación, el azimut, para poder navegar. Luego la gente quiso añadir más mediciones como choque, vibración, rotación, todo eso para optimizar la perforación, detectar fallas inminentes o disfunciones que puedan corregir desde la superficie.
Ken:
Y van más allá, no solo quieren medir, también quieren controlar. Por eso terminamos con los rotary steerables, ¿verdad?
David:
Exactamente.
Ken:
Sabes, hay muchos componentes mecánicos en un rotary steerable, pero el “cerebro” va a ser una placa de circuito y un procesador, ¿cierto? Y si retrocedemos 100 años, no necesitaban electrónica para perforar los primeros pozos, ¿verdad?
David:
No, correcto.
Ken:
Para nada. Pero si solo vas para abajo sin importar cuánto te desvíes, pues no importa, hazlo. Pero sería muy difícil perforar algo más que un lateral muy corto y confiar en que está donde crees sin circuitos, transmisores y cosas así.
Así que creo que la necesidad de llegar a recursos más profundos, más difíciles, con geometrías de pozo más complejas, exige más funcionalidad en el BHA, lo que requiere más procesadores, sensores, motores y demás para hacer el BHA más inteligente y capaz de “ver” qué pasa abajo.
David:
Sí, absolutamente. Y especialmente con estos pozos multi-pad y pozos más cercanos, necesitas mediciones muy buenas para evitar colisiones.
Ken:
Eso es totalmente cierto. Entonces, si decidimos fabricar un circuito para alta temperatura, ¿qué es lo primero que necesito?
David:
Lo primero es la base, llamada sustrato. La mayoría de la electrónica de consumo, como tu teléfono o televisor, usan un sustrato llamado FR-4, que es barato, fácil de trabajar y sirve para casi todo en electrónica de consumo o industrial estándar.
Ken:
¿Y ese sustrato es plástico?
David:
Es una estructura de resina de fibra de vidrio en capas, donde puedes poner varias capas de cobre y hacer placas de 2 a 50 capas.
Ken:
Claro, y la fibra de vidrio es clave porque es aislante y sirve de base para imprimir los circuitos en cobre, de ahí viene el nombre “Placa de Circuito Impreso.”
David:
Exacto.
Ken:
¿Puedo tomar una placa común de consumo y usarla en un BHA? Fácil, ¿no?
David:
Desafortunadamente no. Ya desde el nivel del sustrato vas a tener problemas. Puedes probar, toma una placa vieja y métela al horno, aunque no lo recomiendo.
Ken:
No, eso olerá horrible, no lo hagas.
David:
Sí, no lo hagas. La placa empezará a burbujear, las capas se separarán. Incluso a 150°C - 175°C se separa, burbujea, se pone negra y fea.
Ken:
¿Eso pasa porque las resinas hierven o se derriten al pasar su temperatura de diseño?
David:
Sí.
Ken:
¿Y cómo lo soluciono?
David:
Hay muchos sustratos diferentes. El más común para fondo de pozo es el poliimida. Muchos conocen la cinta Kapton, que está hecha de ese material.
Ken:
Cinta Kapton, aka cinta adhesiva para fondo, ¿verdad?
David:
Exactamente. Hay mucha cinta Kapton; a veces te preguntas si es lo que realmente mantiene unidas las herramientas.
Ken:
Sí, es verdad.
David:
Si quieres algo más avanzado, puedes usar sustratos cerámicos, pero son muy caros y complicados.
Ken:
¿Por qué usar cerámica? La poliimida es buena.
David:
Si quieres ir a temperaturas extremas, 200°C, 220°C o más, entonces necesitas cerámica para que la placa dure mucho tiempo a esas temperaturas.
Aquí tienes la traducción al español de este segmento:
Ken:
Ok, entonces necesitamos una base sólida, un sustrato de alta temperatura — poliimida, cerámica, algo — sobre el cual podamos imprimir nuestros circuitos. Pero los circuitos por sí solos no hacen mucho, necesitamos algo más. ¿Qué más necesitamos?
David:
Claro, una vez que tenemos la placa de circuito, necesitamos un procesador, transistores, resistencias, capacitores, diodos, todos esos pequeños bloques que usamos para armar algo funcional que realmente haga algo en fondo de pozo.
Ken:
Ok. Todos esos son tipos diferentes de componentes electrónicos. Normalmente verás una placa de circuito llena de componentes electrónicos, lo que significa que todos esos pequeños componentes están soldados sobre ella y conectados entre sí por los circuitos impresos.
David:
Exacto.
Ken:
¿Puedo simplemente elegir cualquier componente que quiera? ¿Puedo tomar un sustrato de poliimida de alta temperatura, poner todas esas partes increíbles de iPhone y decir “esto es genial”?
David:
Ojalá, nos haría la vida mucho más fácil.
Ken:
Lo sé.
David:
A veces envidio a quienes no diseñan para alta temperatura porque tienen muchas más piezas para elegir.
Ken:
Hay un mundo maravilloso de componentes electrónicos gracias a los celulares, computadoras y demás.
David:
Sí, pero los que realmente funcionan a alta temperatura son un subconjunto muy pequeño.
Ken:
¿Y cómo sé si funcionan a alta temperatura?
David:
A veces los fabricantes los califican para altas temperaturas. Por ejemplo, un MOSFET podría estar calificado para 175°C desde un principio, y luego...
Ken:
Cuando dices “calificado”, ¿qué significa eso?
David:
Significa que el fabricante ya lo probó y confirmó que funciona dentro de las especificaciones a esa temperatura.
Ken:
Si no encuentro esa calificación, ¿qué pasa?
David:
Otra opción es tomar componentes con calificación para temperaturas bajas y probarlos para ver cómo se comportan. Hay varios que no están calificados oficialmente para altas temperaturas pero que funcionan bien. La única forma de saberlo es probándolos, lo cual puede ser costoso y tardado. Por eso mucha gente prefiere usar componentes ya conocidos que saben que funcionan.
Ken:
Porque volver a calificar o elegir otros puede ser caro y difícil, ¿cierto? Mucho tiempo y dinero invertido.
David:
Exacto.
Ken:
Entonces, escogí un sustrato de alta temperatura, algunos procesadores y componentes calificados o planeo probar otros de baja calificación. Los diseñé en un circuito, ¿cómo pruebo que funciona a alta temperatura?
David:
Probándolo, como mencionamos. Lo ensamblas, lo pones en un horno y ves qué pasa.
Hay distintos tipos de prueba: caracterización y funcional. Si solo quieres caracterizar cómo cambia el comportamiento con la temperatura, mides en varios pasos de temperatura. La prueba funcional es para ver si sigue operando, sin prestar tanta atención a cambios menores.
También está la prueba de resistencia, donde lo pones en el horno semanas o meses para ver si sigue funcionando correctamente. Eso es un gran desafío para la electrónica, durar 2000 horas a 175°C.
Ken:
Dave, como hablamos de electrónica, hoy la trivia será sobre electrónica, no sobre petróleo. ¿Quién inventó el primer transistor?
David:
Buena pregunta. Sé que fue en Bell Labs.
Ken:
Ok.
David:
Y creo que el inventor fue Shockley, no estoy seguro, pero sé que fue en Bell Labs.
Aquí tienes la traducción al español de este segmento:
Ken:
Ok, ¿sabes en qué año fue?
David:
Hmm.
Ken:
Eso es correcto, por cierto. William Shockley fue parte del equipo en Bell Labs que inventó el primer transistor.
David:
¡Genial! Mucho mejor que la semana pasada, que me equivoqué en todas. Bueno, voy a decir finales de los 40, quizás 1947.
Ken:
Creo que hoy estás haciendo trampa, Dave. Sé que sabes esta.
David:
No, no lo sabía.
Ken:
Lo estás haciendo bien. Ahora te voy a tirar otra: ¿quién inventó el primer circuito integrado?
David:
Oooh.
Ken:
Mejor pregunta: ¿quién fue el primero en usar comercialmente un circuito integrado?
David:
Hmm, no sé. Supongo que Bell Labs, ya que inventaron el transistor.
Ken:
Esto es algo muy debatido en la industria electrónica. Jack Kilby, de Texas Instruments, inventó el circuito integrado a finales de 1958.
David:
Hmm.
Ken:
Ese logro suele quedar eclipsado por la invención de los semiconductores y obleas, etc. Pero él fue el primero en descubrir la fórmula práctica para integrar diferentes componentes en un paquete con pines, y desarrollar un circuito integrado que se pudiera vender.
David:
Hmm, interesante. Así que tomó unos 10 años.
Ken:
A menudo decimos que la tecnología avanza muy lento a veces, ¿verdad?
David:
Sí, lo sé.
Ken:
Hablamos de temperatura, pero ese no es mi único problema al desarrollar una placa que sobreviva en fondo.
David:
Exacto. Otro problema es el choque y la vibración. Hay mucha energía allá abajo mientras perforan, la broca salta arriba y abajo, de lado a lado, y puede ser muy duro para los componentes. Diseñar electrónica para sobrevivir eso es un gran desafío.
Ken:
Entonces, Dave, ¿cómo protejo contra la vibración?
David:
Hay dos enfoques básicos. Uno es montar todo rígidamente y el otro es aislar contra el choque. Con el montaje rígido, si es una cantidad conocida, simplemente lo fijas lo más firme posible para que sea muy resistente.
Con el aislamiento, usas amortiguadores o elastómeros para aislar los componentes sensibles del choque. Pero si no tienes cuidado, puedes empeorar el problema porque se generan resonancias y dinámicas que pueden romper tu sistema aún más rápido.
Ken:
Supongo que la idea del montaje rígido es que esos choques y vibraciones pasan a través de la placa y se atenúan al pasar por diferentes materiales. Pero me preparo para que me impacten y hago que mi placa sea lo más robusta posible para aguantar.
David:
Exacto.
Ken:
Mientras que el potting... Perdón, dijiste aislamiento, pero supongo que te refieres a potting cuando hablas de amortiguación.
David:
Sí, es parte de eso.
Ken:
Tratas de hacer una especie de suspensión suave que amortigüe esos impactos para que no dañen la placa. Pero como dijiste, si lo haces mal, puedes amplificar frecuencias y causar más vibraciones. Entonces tienes que tomar esa decisión en tu sistema.
Pero tengo todos estos capacitores, resistores pequeñitos por toda la placa. Si pongo una placa abajo, ¿no se van a salir volando esas piezas?
Aquí tienes la traducción al español de este segmento:
David:
Por suerte no, porque si no tendríamos algunos desafíos interesantes. Pero en general, los componentes pequeños están bien. Los que realmente debes cuidar son los grandes, los capacitores grandes.
Ken:
¿Pero por qué los pequeños sí están bien?
David:
Se reduce a la masa. La masa del componente en relación con el tamaño de la “almohadilla” donde está soldado. Con un capacitor pequeño, tienes mucho más soldadura en relación con la masa del capacitor. Con un capacitor o inductor grande, la proporción entre el área de la almohadilla y la masa/volumen del componente es mucho menor.
Ken:
Hmm, ¿y qué hago con los grandes?
David:
Probablemente tengas que fijarlos firmemente a la placa, o “asegurarlos”, porque si no, las uniones de soldadura se van a agrietar y tendrás fallas en fondo.
Ken:
O puedes arrancar las almohadillas de la placa, o algo así, ¿cierto?
David:
Exacto.
Ken:
Entonces los pequeños son tan — como decimos, baja masa — que aunque reciban un golpe fuerte, la soldadura y la placa son suficientes para mantenerlos en su lugar. Pero los grandes tienen mucha más masa, mucha más energía moviéndose o afectándolos, y hay que reforzarlos, normalmente con fijaciones.
David:
Así es.
Ken:
¿Y qué significa “fijar”? ¿Como si fuera una estaca? ¿Los pego con cinta a la placa o qué?
David:
Hay varias técnicas. Algunos atan los componentes con pequeñas cintas o ligas a la placa y luego usan un pegamento rígido para fijarlos. Otras veces los componentes tienen bisagras integradas que se insertan en la placa y se sueldan para asegurar el componente. Hay distintas formas.
Ken:
Ok. Dave, ¿cuáles son las tendencias más grandes que nos han ayudado a hacer mejores placas para fondo?
David:
Una gran directiva que apareció en las últimas décadas es la Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS). Ha sido adoptada por EE.UU., la UE y la mayoría del mundo. Básicamente obliga a reducir el plomo y arsénico — o eliminar el plomo de la soldadura y reducir otras sustancias peligrosas.
La soldadura sin plomo que usamos ahora tiene un punto de fusión más alto que la soldadura con plomo. Para que los componentes sean compatibles con esa soldadura, los fabricantes tuvieron que cambiar los plásticos y diseños para que sobrevivan a temperaturas más altas durante la soldadura.
Ken:
¿Me estás diciendo que una regulación ambiental hizo más fácil perforar petróleo?
David:
Suena gracioso así, pero sí.
Ken:
Ok, genial. ¿Qué más?
David:
Otra industria que ha impulsado la electrónica para alta temperatura es la automotriz. Los fabricantes de autos están poniendo más electrónica cerca del motor, lo que requiere componentes para alta temperatura. Por eso muchos fabricantes califican sus componentes para 175°C para ese mercado, y ahora podemos usar esos componentes en fondo.
Ken:
Eso ayuda ahora, pero podría ser un problema si los autos eléctricos dominan, porque entonces habrá menos demanda de esos componentes.
David:
Claro, veremos cómo evoluciona.
Ken:
¿Hay alguna otra tendencia o técnica que nos haya ayudado?
David:
Sí, algo llamado HALT, que significa Prueba de Vida Altamente Acelerada (Highly Accelerated Life Test). Ha ganado mucho uso en la industria del petróleo y gas, y en cualquier industria que necesite alta confiabilidad.
Aquí tienes la traducción al español de este último segmento:
Ken:
¿Es algo que la industria del petróleo y gas haya pionerado?
David:
No, pero ciertamente han sido muy rápidos en adoptarlo.
Ken:
Ok, entonces es una técnica que se usaba en automotriz, aeroespacial y otras industrias, y nosotros la adoptamos en petróleo y gas.
David:
Exacto.
Ken:
Es una palabra curiosa, HALT, ¿qué significa?
David:
A veces lo llamamos “shake ‘n’ bake” (sacudir y hornear), porque literalmente consiste en someter la electrónica a vibración y temperatura. Montamos la electrónica en una mesa que puede impartir vibraciones muy fuertes, como 80 G RMS. Al mismo tiempo, ciclamos la temperatura desde -50°C, -100°C, hasta 200°C mientras aplicamos vibración. Esto simula bastante bien la dureza y el estrés que la electrónica ve en fondo.
Ken:
Ok, tengo un gran diseño, listo. Elegí el sustrato, los componentes, hice pruebas de temperatura y comprobé que funciona, hice pruebas HALT para saber dónde se puede romper y mejorarlo. Tengo este diseño excelente y quiero fabricar cientos. Si fabrico 100, ¿cómo sé que todos son iguales? ¿Cómo sé que todos van a funcionar?
David:
Es un desafío. Dado el alto costo de fallar en fondo, muchos hacen algo llamado “high temperature stress screening” (cribado de estrés a alta temperatura). Tomas todas las placas de la producción y las horneas y pruebas a temperatura antes de liberarlas. Es una prueba bastante sencilla, solo necesitas un horno y equipo de pruebas.
Luego está el HASS (Highly Accelerated Stress Screen), un primo del HALT. No es tan extremo porque no intentamos matar el dispositivo, solo estresarlo un poco para detectar fallas tempranas. Por ejemplo, si algunas placas tienen soldaduras débiles, pero no todas, quieres detectarlas y descartarlas.
Ken:
Entonces esas son dos técnicas para detectar fallas antes de que vayan a fondo, ¿verdad?
David:
Exacto. Y a menudo estas pruebas requieren mucho trabajo en el diseño del proceso, porque hay que planear cómo probar mientras se aplica temperatura y vibración, lo que es todo un reto.
Ken:
Y no es solo prender y apagar. Normalmente hay que construir máquinas complicadas para probar lo que diseñaste, ¿verdad?
David:
Correcto, porque idealmente quieres ejercitar toda la funcionalidad mientras se prueba.
Ken:
Es gracioso, invertimos tanto trabajo en diseñar estas placas para fondo, y luego tengo que diseñar máquinas para probarlas en producción. A veces me pregunto si debería construir una máquina para probar la máquina de pruebas.
David:
Sí, eso es un reto.
Ken:
Ok.
David:
Bueno, ese es todo el tiempo que tenemos hoy.
Ken:
Soy Ken Miller.
David:
Y yo soy David Erdos.
Ken:
Este ha sido otro episodio del Erdos Miller New Technology Podcast. Si tienen preguntas para Dave y Ken, escríbanlas a podcast@ErdosMiller.com y quizá las incluyamos en el programa.
