BR112016026451B1

BR112016026451B1 - Aparelho e método para proteger um módulo de múltiplos chips em montagens de ferramentas de fundo de poço

Info

Publication number: BR112016026451B1
Application number: BR112016026451-7A
Authority: BR
Inventors: Carsten Haubold; Andreas Peter; Michell Schimanski; Christian Preiser
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2022-06-21
Also published as: WO2015175296A1; CN109594973B; US9546546B2; US10738591B2; EP3143251A4; CN106460498B; US20170101864A1; BR112016026451A8; US20150330208A1; BR112016026451A2; CN109594973A; CN106460498A; EP3143251B1; EP3143251A1

Abstract

MONTAGEM DE ALOJAMENTO DE MÓDULO DE MÚLTIPLOS CHIP S EM MONTAGENS DE FERRAMENTAS DE FUNDO DE POÇO DE MWS, LWS E ARAME. Trata-se de um aparelho para proteger um módulo de aparelhos eletrônicos usado em um poço inacabado que inclui uma seção de coluna de poço inacabado que tem uma superfície circunferencial externa na qual pelo menos um bolsão é formado, uma montagem associada ao pelo menos um bolsão e uma luva que envolve a seção da coluna de poço inacabado. A montagem inclui um alojamento, uma cobertura e um membro de polarização. O alojamento recebe o módulo de aparelhos eletrônicos e é acomodado em uma superfície de acomodação do pelo menos um bolsão. A cobertura envolve o alojamento dentro do pelo menos um bolsão. O membro de polarização é posicionado entre a cobertura e o alojamento. A luva pressiona a cobertura contra o membro de polarização e o membro de polarização pode estimular de modo responsivo o alojamento contra a superfície de acomodação. Os métodos relacionados incluem proteger o módulo de aparelhos eletrônicos com a montagem.

Description

Campo da revelação

[0001] Esta revelação pertence, em geral, a dispositivos e métodos para fornecer proteção contra choque e vibração para dispositivos de poço inacabado.

Antecedentes da revelação

[0002] A exploração e produção de hidrocarbonetos, em geral, exige o uso de diversas ferramentas que são rebaixadas em um poço inacabado, como montagens de perfuração, ferramentas de medição e dispositivos de produção (por exemplo, ferramentas de fratura). Os componentes eletrônicos podem estar dispostos no fundo de poço para diversos propósitos, como controle de ferramentas de fundo de poço, comunicação com a superfície e armazenamento e análise de dados. Tais componentes eletrônicos tipicamente incluem placas de circuito impressas (PCBs) que são embaladas para fornecer proteção de condições de fundo de poço, incluindo temperatura, pressão, vibração e outros estresses termomecânicos.

[0003] Em um aspecto, a presente revelação se destina a necessidade por proteção contra choque e vibração aprimorada para componentes eletrônicos e outros dispositivos sensíveis a choque e vibração usados em um poço inacabado.

Sumário da revelação

[0004] Em aspectos, a presente revelação fornece um aparelho para proteger um módulo de aparelhos eletrônicos usado em um poço inacabado. O aparelho pode incluir uma seção de uma coluna de poço inacabado que tem uma superfície circunferencial externa na qual pelo menos um bolsão é formado, uma montagem associada ao pelo menos um bolsão, e uma luva que circunda a seção da coluna de poço inacabado. A montagem pode incluir um alojamento, uma cobertura e um membro de polarização. O alojamento recebe o módulo de aparelhos eletrônicos e é acomodado em uma superfície de acomodação do pelo menos um bolsão. A cobertura envolve o alojamento dentro do pelo menos um bolsão. O membro de polarização é posicionado entre a cobertura e o alojamento. A luva pode pressionar a cobertura contra o membro de polarização e o membro de polarização pode estimular de modo responsivo o alojamento contra a superfície de acomodação.

[0005] Em aspectos adicionais, a presente revelação também fornece um aparelho para proteger módulos de aparelhos eletrônicos usados em um poço inacabado, em que o aparelho inclui uma seção de coluna de poço inacabado que tem uma superfície circunferencial externa na qual uma pluralidade de bolsões são distribuídos de modo circunferencial, uma montagem associada a cada bolsão e uma luva. Cada montagem pode incluir um coxim de transferência de calor posicionado em uma superfície de acomodação de cada bolsão, um alojamento que recebe e veda de modo hermético um módulo de aparelhos eletrônicos associado, em que o alojamento é acomodado no coxim de transferência de calor, uma cobertura que envolve o alojamento dentro do bolsão associado, e um membro de polarização posicionado entre a cobertura e o alojamento. A luva que circunda a seção de coluna de poço inacabado e prende cada cobertura de cada montagem dentro do bolsão associado. A interferência de luva engata cada cobertura para comprimir o membro de polarização associado e cada membro de polarização que estimula de modo responsivo o alojamento associado contra o coxim de transferência de calor associado. Além disso, cada bolsão pode incluir pelo menos uma passagem que conecta cada bolsão a um compartimento na seção de poço inacabado para receber equipamento elétrico.

[0006] Em aspectos, a presente revelação também fornece um método para proteger um módulo usado em um poço inacabado. O método pode incluir formar pelo menos um bolsão em uma superfície circunferencial externa de uma seção de uma coluna de poço inacabado; e dispor uma montagem pelo menos parcialmente no pelo menos um bolsão. A montagem pode incluir um alojamento que recebe o módulo de aparelhos eletrônicos, em que o alojamento é acomodado em uma superfície de acomodação do pelo menos um bolsão, uma cobertura que envolve o alojamento dentro do pelo menos um bolsão, um membro de polarização posicionado entre a cobertura e o alojamento, e uma luva que circunda a seção da coluna de poço inacabado. O método também inclui prender a cobertura dentro do pelo menos um bolsão usando-se a luva para pressionar a cobertura contra o membro de polarização, que estimula de modo responsivo o alojamento contra a superfície de acomodação.

[0007] Exemplos de alguns recursos da revelação foram resumidos, de forma ampla, a fim de que a descrição detalhada dos mesmos que se segue possa ser mais bem compreendida e a fim de que as contribuições que os mesmos representam à técnica possam ser observadas.

Breve descrição dos desenhos

[0008] Para uma compreensão detalhada da presente revelação, deve-se fazer referência à descrição detalhada das modalidades a seguir, tomadas em conjunto com os desenhos em anexo, nos quais aos elementos semelhantes são fornecidos números semelhantes, em que: A Figura 1 mostra uma vista esquemática de um sistema de poço que pode usar uma ou mais montagens de acordo com a presente revelação; A Figura 2 ilustra uma modalidade de um módulo de aparelhos eletrônicos que pode ser protegido com o uso de uma montagem de acordo com a presente revelação; A Figura 3 ilustra uma vista de extremidade de uma seção de uma BHA que tem uma pluralidade de aparelhos eletrônicos protegidos por montagens de acordo com uma modalidade da presente revelação; A Figura 4 ilustra uma vista em corte de uma seção da BHA que inclui uma montagem de acordo com uma modalidade da presente invenção; e A Figura 5 ilustra uma disposição de trava que pode ser usada com uma montagem de acordo com uma modalidade da presente invenção.

Descrição detalhada

[0009] As condições de perfuração e dinâmicas de produção sustentadas e eventos de choque e vibração intensos. Esses eventos podem induzir falha de aparelhos eletrônicos, fadiga e envelhecimento acelerado nos dispositivos e componentes usados em uma coluna de perfuração. Em aspectos, a presente revelação fornece montagens e métodos relacionados para proteger esses componentes da energia associada a tais eventos de choque.

[00010] Agora, em referência à Figura 1, é mostrada uma modalidade ilustrativa de um sistema de perfuração 10 que utiliza uma coluna de poço inacabado 12 que pode incluir uma montagem de parte inferior de poço (BHA) 14 para perfurar de modo direcionado um poço inacabado 16. Embora uma sonda baseada em solo seja mostrada, esses conceitos e os métodos são igualmente aplicável a sistemas de perfuração marítimos. A coluna de poço inacabado 12 pode ser suspensa de uma sonda 20 e pode incluir tubos unidos ou tubulação helicoidal. Em uma configuração, a BHA 14 pode incluir uma broca de perfuração 15, um sub de sensor 32, um módulo de potência e comunicação bidirecional (BCPM) 34, um sub de avaliação de formação (FE) 36 e dispositivos de potência giratória, como motores de perfuração 38. O sub de sensor 32 pode incluir sensores para medir direção de broca próxima (por exemplo, inclinação e azimute de BHA, coordenadas de BHA, etc.) e sensores e ferramentas para realizar pesquisar direcionais de rotação. O sistema também pode incluir dispositivos de processamento de informações, como um controlador de superfície 50 e/ou um controlador de fundo de poço 42. A comunicação entre a superfície e a BHA 14 pode usar enlaces ascendentes e/ou enlaces descendentes gerados por um alternador acionado por lama, um pulsador de lama e/ou transportados com o uso de ligações por fio (por exemplo, condutores elétricos, fibras ópticas), sinais acústicos, EM ou RF.

[00011] Um ou mais módulos de aparelhos eletrônicos 24 incorporados ao BHA 14 ou outro componente da coluna de poço inacabado 12 pode incluir componentes, conforme necessário, para fornecer armazenamento e processamento de dados, comunicação e/ou controle da BHA 14. Esses componentes podem estar dispostos em compartimentos adequados formados em ou na coluna de poço inacabado 12. Aparelhos eletrônicos exemplificativos no módulo de aparelhos eletrônicos incluem montagens de placa de circuito impressa (PCBA) e múltiplos módulos de chip (MCM’s).

[00012] Em referência à Figura 2, é mostrada uma modalidade não limitante de um módulo 24 que pode ser usado com a coluna de poço inacabado 12 da Figura 1. O módulo 24 pode ser um módulo de instrumento de ferramenta da BHA, que pode ser uma pressão de cristal ou detecção de temperatura, ou fonte de frequência, um sensor acústico, giroscópio, acelerômetro, magnetômetro, etc., montagens mecânicas sensíveis, MEM, módulo de múltiplos chips MCM, montagem de placa de circuito impressa PCBA, montagem de PCB flexível, montagem de PCBA híbrida, MCM com substrato de laminado MCM-L, módulo de múltiplos chips com substrato cerâmico por exemplo LCC ou HCC, montagens empilhadas de Circuito Integrado compacto IC com matrizes de grade de esferas ou tecnologia de interconexão de pilha de cobre, etc. Todos esses tipos de módulos 24, em geral, são produzidos com componentes frágeis e quebradiços que não podem assumir forças de inclinação e torção e, portanto, se beneficiar da proteção do alojamento de pacote e proteção em camadas descritos abaixo.

[00013] As montagens exemplificativas para proteger equipamento sensível a choque e vibração, como o módulo de aparelhos eletrônicos 24, são descritas abaixo. Embora as modalidades descritas no presente documento sejam discutidas no contexto de módulos de aparelhos eletrônicos, as modalidades podem ser usadas em conjunto com qualquer componente que se beneficiaria de uma estrutura que tem amortecimento alto, condução térmica alta e/ou estresse por fadiga baixo. Além disso, embora as modalidades no presente documento sejam descritas no contexto de ferramentas de fundo de poço, componentes e aplicações, as modalidades não são tão limitadas.

[00014] A Figura 3 ilustra esquematicamente uma montagem 100 para proteger um módulo 24 (Figura 2) de choque e vibração. A montagem 100 pode ser formada em uma seção 102 da coluna de poço inacabado 12 da Figura 1. Por exemplo, a seção 102 pode ser um colar de perfuração, um sub, uma porção de um cano unido ou a BHA 14. A montagem 100 pode ser presa dentro de um bolsão 104 formado em uma superfície circunferencial externa 106 da seção 102. Uma luva 110 circunda a seção 102 e prende as montagens 100 dentro dos bolsões 104. A luva 110 pode ser formada a partir de um material não magnético, como aço inoxidável. Embora quatro montagens 100 sejam mostradas distribuídas de modo circunferencial na seção 102, deve ser entendido que números maiores ou menores de montagens 100 podem ser usados. Em modalidades, uma luva contínua comum 110 prende uma pluralidade de montagens distribuídas de modo circunferencial 100.

[00015] A Figura 4 ilustra em corte uma modalidade de uma montagem 100 que pode ser usada para prender de modo resiliente o módulo 24 (Figura 2) dentro do bolsão 104. O bolsão 104 pode ser pré-formado ou usinado (por exemplo, laminado) na seção 102 e inclui passagens 108 para fiação e outro equipamento que se conecte ao módulo 24 (Figura 2). As passagens 108 podem conectar o bolsão 104 a outros compartimentos, câmaras ou cavidades que contenham equipamento elétrico, como sensores (não mostrados). A montagem 100 pode incluir um alojamento 120, uma cobertura 130 e um membro de polarização 140.

[00016] O alojamento 120 fornece um ambiente vedado de modo hermético para o módulo 24 (Figura 2). O alojamento 120 pode incluir um alojamento vedado 122 formado a partir de um metal, como titânio ou kovar. Esses tipos de metais têm uma expansão térmica similar à cerâmica, vidro, compósito ou outro material usado para revestir o módulo 24 (Figura 2). As conexões elétricas ao módulo 24 podem ser produzidas com o uso dos conectores internos 124 e os conectores externos 126. Deve ser entendido que a configuração mostrada para o alojamento 120 é meramente um exemplo não limitante de um alojamento 120 que pode ser usado em conexão com montagens 100, de acordo com a presente revelação.

[00017] A cobertura 130 envolve o alojamento 120 dentro do bolsão 104. A cobertura 130 pode incluir uma reentrância 132 para receber o elemento de polarização 140 e o alojamento 120. A reentrância 132 pode incluir um ombro 134 ou outro recurso similar que entre em contato com o alojamento 120 para minimizar o movimento na direção axial. Conforme usado no presente documento, o termo axial se refere a uma direção longitudinal ao longo da coluna de poço inacabado 12 (Figura 1). Em referência à Figura 5, a cobertura 130 pode incluir opcionalmente travas 136 que prendem a cobertura 130 dentro do bolsão 104. As travas 136 podem ser posicionadas em uma extremidade 138 da cobertura 30 e inclui esferas polarizadas por mola ou outros mecanismos de trava engatam um perfil adequado 137 formado no bolsão 104. A cobertura 130 pode ser formada a partir de um material não magnético adequado, como aço inoxidável. Adicionalmente, a cobertura 130 pode incluir porções inclinadas ou em rampa 139 que permitem que a luva 110 deslize sobre a cobertura 130 durante a instalação final.

[00018] O membro de polarização 140 aplica uma força de mola que pressiona o alojamento 120 contra uma superfície de acomodação 128 do bolsão 104. O membro de polarização 140 pode ser qualquer estrutura que tenha uma faixa de deformação elástica suficiente para gerar uma força de mola persistente. Conforme mostrado, o membro de polarização 140 pode ser um feixe de molas que tem uma ou mais regiões de ápice 142 que contatam de modo compressivo o alojamento 120. Embora as regiões de ápice 142 sejam mostradas em uma seção média do membro de polarização 140, deve ser entendido que as regiões de ápice 142 podem ser distribuídas ao longo de todo o membro de polarização 140. Por exemplo, as regiões de ápice 142 podem estar localizadas em uma extremidade distal 144 do membro de polarização 120. Outras molas, como molas de bobina ou arruelas elásticas, podem ser usadas. Adicionalmente, fluidos pressurizados podem ser usados para gerar uma força de mola. Além disso, embora pontos de contato sejam mostrados, deve ser entendido que o membro de polarização 140 pode ser formado como um corpo, como um coxim que distribui força compressiva de uma área de superfície relativamente grande. O membro de polarização 140 pode ser retido em um sulco ou entalhe adequados na reentrância 132.

[00019] Algumas modalidades podem incluir um coxim de transferência de calor 160 posicionado entre o alojamento 120 e a superfície de acomodação 128. Uma modalidade não limitante de um coxim de transferência de calor 160 pode ser formado pelo menos parcialmente a partir de um material viscoelástico. Conforme usado no presente documento, um material viscoelástico é um material que tem tanto características viscosas quanto elásticas quando submetido à deformação. Mais em geral, o coxim de transferência de calor 160 pode ser formado a partir de qualquer material que transfere calor do alojamento 120 para a seção 102 e/ou fornece absorção de choque.

[00020] Deve ser entendido que as montagens, de acordo com a presente revelação, são suscetíveis a diversas variantes. Por exemplo, molas circunferenciais podem ser usadas para fixar as montagens dentro do bolsão.

[00021] Não em referência às Figuras 1 a 5, em um modo de uso, cada módulo 24 é primeiro inserido em um alojamento 120. As conexões elétricas internas 124 são produzidas e o alojamento 120 é vedado de modo hermético. A seguir, o alojamento 120 é disposto no bolsão 104 e os fios (não mostrados) são conectados às conexões elétricas externas 126. A cobertura 130 e o membro de polarização 140 são, então, ajustados sobre o alojamento 120. A depressão da cobertura 130 permite que os membros de trava 136 encaixem a cobertura 130 no lugar no bolsão 104. Após todos os módulos 24 serem instalados, a luva 110 é deslizada sobre os bolsões 104. A luva 110 engata com interferência a cobertura 130 devido ao fato de que uma superfície interna da luva 110 está mais radialmente para dentro que uma superfície externa da cobertura 130 quando a cobertura 130 repousa sobre um membro de polarização relaxado 140. Esse engate de interferência força a cobertura 130 se mover radialmente para dentro, o que comprime o membro de polarização 140. Em resposta a ser comprimido, o membro de polarização 140 pressiona o alojamento 120 contra o coxim de transferência de calor 160. Desse modo, o módulo 24 é limitado em relação ao movimento lateral; isto é, movimento transversal ao eixo geométrico longitudinal da ferramenta. Adicionalmente, o ombro 134 da cobertura 130 e forças de atrito no coxim de transferência de calor 160 minimizam o movimento do alojamento 130 na direção axial ou movimento de deslizamento em geral.

[00022] Durante a perfuração ou outras atividades no poço inacabado 16, a seção 102 pode deparar-se com choques e vibrações. Vantajosamente, a montagem 100 minimiza o movimento do alojamento 120 e módulo envolto 24 nas direções lateral e axial quando submetida a esses movimentos. Além disso, o coxim de transferência de calor 160 conduz calor do alojamento 120 para um dissipador de calor adequado, como uma lama de perfuração que flui na coluna de poço inacabado 12.

[00023] Embora a revelação supracitada seja direcionada às modalidades de um modo da revelação, diversas modificações se tornarão evidentes aos indivíduos versados na técnica. Espera-se que todas as variações sejam abrangidas pela revelação supracitada.

Claims

1. Aparelho para proteger um módulo de aparelhos eletrônicos (24) usado em um poço inacabado (16), compreendendo: - uma seção (102) de uma coluna de poço inacabado (12) que tem uma superfície circunferencial externa (106) na qual pelo menos um bolsão (104) é formado; - uma montagem (100) associada ao pelo menos um bolsão (104), em que a montagem (100) inclui: - um alojamento (120) que recebe e veda hermeticamente o módulo de aparelhos eletrônicos (24), em que o alojamento (1200 é acomodado em uma superfície de acomodação do pelo menos um bolsão (104), - uma cobertura (130) que envolve o alojamento (120) dentro do pelo menos um bolsão (104), e - um membro de polarização (140) posicionado entre a cobertura (130) e o alojamentom(120); e caracterizado por - uma luva (110) que circunda a seção (102) da coluna de poço inacabado (12) e que prende a cobertura (130) dentro do pelo menos um bolsão (104), em que a luva (110) pressiona a cobertura (130) contra o membro de polarização (140), em que o membro de polarização (140) estimula de modo responsivo o alojamento (120) contra a superfície de acomodação (128).

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um coxim de transferência de calor (160) posicionado entre o alojamento (120) e a superfície de acomodação (128).

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o coxim de transferência de calor (160) é formado a partir de um material viscoelástico.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção (102) tem uma pluralidade de bolsões (104) distribuídos na superfície circunferencial externa (106), e em que cada bolsão (104) tem uma montagem associada (100).

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção (102) da coluna de poço inacabado (12) é uma dentre: (i) um colar de perfuração, (ii) um sub (32; 36) e (iii) uma montagem de parte inferior de poço (14).

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um bolsão (104) inclui pelo menos uma passagem (108) que conecta o pelo menos um bolsão (104) a um compartimento na coluna de poço inacabado (12) para receber equipamento elétrico.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a luva (110) engata com interferência a cobertura (130).

8. Método para proteger um módulo de aparelhos eletrônicos (24) usado em um poço inacabado (16), compreendendo: - formar pelo menos um bolsão (104) em uma superfície circunferencial externa (106) de uma seção (102) de uma coluna de poço inacabado (12); - dispor uma montagem (100) pelo menos parcialmente no pelo menos um bolsão (104), em que a montagem (100) inclui: - um alojamento (120) que recebe o módulo de aparelhos eletrônicos (24), em que o alojamento (120) é acomodado em uma superfície de acomodação (128) do pelo menos um bolsão (104), - uma cobertura (130) que envolve o alojamento (120) dentro do pelo menos um bolsão (104), e - um membro de polarização (140) posicionado entre a cobertura (130) e o alojamento (120); selar hermeticamente o módulo eletrônico (24) dentro do alojamento (120); e caracterizado por - prender a cobertura (130) dentro do pelo menos um bolsão (104) usando-se uma luva (110) que circunda a seção (102) da coluna de poço inacabado (12), em que a luva (110) pressiona a cobertura (130) contra o membro de polarização (140), que estimula de modo responsivo o alojamento (120) contra a superfície de acomodação (128).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente posicionar um coxim de transferência de calor (160) entre o alojamento (120) e a superfície de acomodação (128).

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o coxim de transferência de calor (160) é formado a partir de um material viscoelástico.

11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente formar e distribuir uma pluralidade de bolsões (104) na superfície circunferencial externa (106), em que cada bolsão (104) tem uma montagem associada (100), e em que a luva (110) prende cada uma das montagens (100) no bolsão associado (104).

12. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a seção (102) da coluna de poço inacabado (12) é uma dentre: (i) um colar de perfuração, (ii) um sub (32; 36), (iii) uma montagem de parte inferior de poço (14).

13. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente formar pelo menos uma passagem (108) que conecta o pelo menos um bolsão (104) para um compartimento na seção (102) da coluna de poço inacabado (12) que recebe o equipamento elétrico.