Power delivery and sensor assembly for an orientation sensing downhole device

Abstract

Aziwell AS, eit selskap som tilbyr tenester innanfor retningsstyrt boring og held til i Trondheim, lagar eige utstyr. Det nyaste patentet deira på eit kjernebor inneheld eit krinskort med ein eller fleire sensorar på som er hengt opp på kulelager inni boret. Dette er gjort for å la det rotere uavhengig av den ytre innkapslinga. Sensorane på krinskortet skal brukast for å måle orienteringa til drillen nedi borehola. Desse målingane er avgjerande for å regulere bana til boret og dermed tenestene dei leverer.

Hovudutfordringane med dette systemet er korleis ein skal måle orienteringa og korleis krinskortet med sensoren/ane skal forsynast med kraft. Eit litteraturstudium vart gjennomført for å kartleggje nyleg forsking på orientering. Utforminga av systemet vart delt i to modular, kraftmodulen og sensormodulen. Kraftmodulen var eit framhald av prosjektoppgåva (TTK4550) gjennomført hausten 2022.

Kraftmodulen lagt fram i denne oppgåva er basert på ein transformator, men sekundærspolen kan rotere fritt. Grunna vanskar med å oppdrive kjernemateriale, vart det brukt ei transformatorkjerne som ikkje tillot testing med rotasjon for å implementere kraftmodulen. Sensormodulen som er lagt fram og implementert er bygd på ei mikrokontrollerplattform forsynt frå Aziwell og eit akselerometer. Sensormodulen vart ikkje kalibrert og nøyaktigheita til modulen vart ikkje målt grunna eit uløyst programvareproblem.

Det vart vist at kraftmodulen kan levere 33 mA ved 3.3V stabilt. Effektiviteten (efficiency) til modulen rekna ut frå målingar av effekten inn og ut av modulen og var under 85\%, noko som ikkje oppfylte spesifikasjonen utvikla under utforminga av modulen.

Ein drivar til eit anna akselerometer vart tilpassa akselerometerert i sensormodulen, slik at det kunne brukast med sanntidsoperativsystemet Zephyr. Sensormodulen verka korrekt og målingane oppførte seg rett i forhold til orienteringa av modulen.

Systemet som heilskap vart testa ved å kople kraftmodulen og sensormodulen saman. Ved å få det til å sende data via Bluetooth til ein mottakar som viste målingane på ein PC-skjerm vart det bekrefta at den verka som den skulle.

Aziwell AS, a directional drilling company based in Trondheim, design their own equipment in-house. In their new patent for a core drill, a printed circuit board containing one or more sensors is suspended on ball bearings inside the drill to allow it to rotate independently of its outer casing. The sensors on the circuit board are used to measure the orientation of the drill in boreholes. These measurements are crucial to controlling the trajectory of their drill and thus their services as a company.

The main challenges of this system are how to measure the orientation and how to power the circuit board containing the sensor(s). To map current research on orientation, a literature review was conducted. The design of the system was split into two modules, the power module and the sensor module. The power module was a continuation of the specialization project (TTK4550) carried out in the autumn of 2022.

The power module proposed in this thesis is based on a transformer, only with a freely rotating secondary winding. Due to difficulties in obtaining core materials, a transformer core was used to implement the power module which had a shape that did not allow for testing of relative rotation. The sensor module proposed and implemented was based on a microcontroller platform provided by Aziwell and an accelerometer. The sensor module was not calibrated and its accuracy was not tested due to an unresolved software issue.

The power module was found to be able to supply 33mA of current at a stable 3.3V. Its efficiency was computed from measurements of its input and output power and was found to be below 85\%, which did not satisfy the requirements set when designing the module.

A driver for another accelerometer was adapted to the accelerometer in the sensor module so that it could be used with the Zephyr Real-Time Operating System. The sensor module was found to function correctly and its measurements behaved according to its orientation.

The complete system was tested by connecting the power module and the sensor module. It was confirmed to function by transmitting data via Bluetooth to a receiver which displayed the data on a computer screen.