CN109577949A - 利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置及方法，包括设置在具有静水压力的井下流体中的外壳体；所述外壳体内至少设置一个填充有压力传递介质的空腔，井下电子元件固定在空腔内的压力传递介质中，所述外壳体开设有与空腔连通的开口，所述开口密封有弹性屏蔽件，弹性屏蔽件的外壁与井下流体接触用于接收井下流体的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件。与现有技术相比，本发明能保证油气钻采过程中，井下电子设备能够在高温、高压、易腐蚀、强振、冲击环境中长时间稳定工作。

Description

利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置及方法

技术领域

本发明涉及井下工具的电子元件保护装置领域，特别是一种利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置及方法。

背景技术

在石油和天然气的钻井和完井期间，可能需要辅助操作，例如评价由钻井所在地层的生产能力。例如，在钻完井之后，为了确定所在地层的商业开发是否可行以及如何优化生产，经常测试目标区域以确定各种地层特性，如渗透率、流体类型、流体质量、流体密度、地层温度、地层压力、气泡点、地层压力梯度、迁移率、渗透性粘度、球形迁移率、耦合压缩性孔隙度、表面损伤(这是泥浆滤液如何改变井筒附近的渗透率)和各向异性(即垂直渗透率和水平渗透率的比值)。

井下的地层及流体的评价工具可以采取多种形式，并且评价工具可以以多种方式在井下安装。例如，评估工具包括具有可扩展采样装置或探针及压力传感器的地层测试器。评价工具包括具有采样室或瓶的流体识别系统。该工具可以用电缆向井下传送。通常评估工具被耦合到管状物，如钻铤，并连接到钻孔时使用的钻柱。因此钻井作业中随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)工具，可以实现地层和流体的评估和识别。上述的几个部件和系统适合于本领域技术人员所理解的各种组合。

井下作业或评估系统常常要求电子元件或电子设备可以充分发挥作用。井下静水压力可达到10000psi，有时可达20000psi或以上。因此，敏感电子器件必须布置在压力壳体或容器中，以保护电子器件不受井下压力的影响，从而避免损坏。压力容器还保护电子器件免受井下环境腐蚀性化学物质和导电性流体的伤害。这样的压力容器可以使用O形环密封件耦合到压力壳体的，而铁镍铬合金用于在腐蚀性环境中保持容器刚性和良好的密封性。这样的压力容器造成了显著的压差，增加了井下工具的复杂性和成本，并占用井下工具中使用宝贵的空间。

发明内容

本发明的目的是要提供一种利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置及方法，保证油气钻采过程中，井下电子设备能够在高温、高压、易腐蚀、强振、冲击环境中长时间稳定工作。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，包括：设置在具有静水压力的井下流体中的外壳体；所述外壳体内至少设置一个填充有压力传递介质的空腔，井下电子元件固定在空腔内的压力传递介质中，所述外壳体开设有与空腔连通的开口，所述开口密封有弹性屏蔽件，弹性屏蔽件的外壁与井下流体接触用于接收井下流体的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件。

进一步，所述压力传递介质为矿物油、硅油、液压流体、水基流体、醇基流体、油基流体、聚乙二醇、三醇和多元醇中的一种或多种组合。

进一步，所述外壳体为圆柱形结构或环形结构。，井下电子元件设置在空腔内的压力传递介质中，外壳体上端开口，弹性屏蔽件设置于开口内，所述弹性屏蔽件为可在外壳体的空腔中沿轴向移动的活塞和包覆在活塞外与外壳体内壁紧密接触的密封件。

进一步，所述弹性屏蔽件为弹性金属片或弹性壳体。

另外，本发明还提供一种利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的方法，使用上述利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，包括以下步骤：

步骤一、将外壳体安装到井下设备上，并将井下设备送入井下流体中；

步骤二、将弹性屏蔽件暴露于井下流体；

步骤三、通过弹性屏蔽件接收井下流体的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过弹性屏蔽件接收井下流体的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件，从而提供了一个远低于环境压强及温度的装置，降低了对电子设备的耐温及耐压要求，或使现有的电子设备能够适应更高的高温高压环境；因为不需要给整个电子设备布置压力外壳或容器，只需要给对压力特别敏感的电子器件(如振荡器) 布置一个局部的压力外壳，显著的减小了电子设备的体积；

2、加热的芯片、电路板和连接件发出废气，废气往往会与电子产品及其封装发生负面的反应，由静水井压力加压的矿物油将比废气的蒸气压更高，因此压力传递介质可以防止废气发生；

3、外部气体可溶于压力传递介质，从而防止在关键电子部件上冷凝；

4、压力传递介质的存在增加了热量从电子器件散失的热传导，压力传递介质的热梯度也将有助于建立传热的自然对流，保证油气钻采过程中，井下电子设备能够在高温、高压、易腐蚀、强振、冲击环境中长时间稳定工作。

附图说明

图1为布置在地下井中的钻井和MWD装置的实施例的结构示意图。

图2为布置在地下井中的电缆装置的实施例的结构示意图。

图3为本发明一种实施例的结构示意图。

图4为本发明另一种实施例的结构示意图。

图5A是具有局部压力壳体的印刷电路板的实施例的示意性俯视图。

图5B是图5A的局部压力壳体的放大视图。

图5C是图5A和5B的局部压力壳体的横截面图。

图6为本发明的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置的第三种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

首先需要说明的是，本实施例中的所描述的电子元件包括数字电子学、信号调理电子学、通信电子学、处理电子器件、电路板、电容器、电阻器、电感器、晶体管、振荡器、共振器、半导体芯片、处理器、存储器芯片、电源、原电池或蓄电池等中的至少一种。

首先参照图1，给出包括电子部件的钻探设备。一种井下电子工具10，如地层测试器、地层流体识别工具、MWD工具、LWD工具、测井工具、钻井探测仪、管道输送工具、电缆工具、斜线工具、完井工具或其他电子工具，在其最远端被放大示意的是作为底部钻具组合 6的一部分包括接头13和钻头7。底部钻具组合6通过钻柱5从钻探平台2(例如船舶或其他常规陆地平台)下降。钻柱5通过提升管3 和井口4布置。常规钻探设备(未示出)被支撑在井架1内，并且旋转钻柱5和钻头7，使得钻头7通过地层材料9形成钻孔8。钻头7 也可使用其他方式旋转，例如井下马达。钻孔8穿透被认为含有商业上可利用的烃类的地层或储层，如储层11。由此形成环15。电子工具10被用在其他底部钻具组合中，以及其他钻探设备在陆基钻井或陆基钻井以及海上钻探中，如图1所示。在所有情况下，除了电子工具10之外，底部钻具组合6还包括各种常规的设备和系统，如潜孔钻机马达、旋转导向工具、泥浆脉冲遥测系统、MWD或LWD传感器和系统，以及本领域已知的其他设备和系统。在一些实施例中，电子工具10是远离井表面的远程模块。在一些实施例中，电子工具10 在水下，使得电子设备处于静水环境中而不在地下。

在一些实施例中，参照图2，电子工具一60通过电缆52和绞车54传送，被布置在到钻孔8中的工具串50上。该电子工具包括主体 62、取样组件64、备份组件66、包括电子设备的分析模块68,84、流线82、电池模块65和电子模块67。电子工具60耦合到表面单元 70，该表面单元70可以包括具有电子存储介质74和控制处理器76 的电气控制系统72。在其他实施例中，电子工具一60可选附加地包括电气控制系统、存储器和处理器。

参考图3，示出了电子工具10的示意图，即本发明的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置的一种实施例的结构示意图。电子元件被封装而不需要刚性压力容器。封装或外壳102即为外壳体，封装或外壳102为圆柱形结构，内部由下至上包含电子设备或模块104、电池106、空腔108和活塞110。电子设备或模块104包括已知的电子设备。电池106是电子设备的电源。空腔108填充有压力传递介质114。本实施例中，压力传递介质是液体浴，具体地，压力传递介质可以是矿物油、硅油、液压流体、水基流体、醇基流体、油基流体、聚乙二醇、三醇、多元醇或其它非导电性和良性流体。

压力传递介质114设置在电池106和活塞110之间。在所示的实施例中，活塞110布置在压力传递介质之上。活塞110可在封装或外壳102中轴向移动。如箭头116所示，密封件112包覆在活塞外与外壳体内壁紧密接触。本实施中的活塞110和密封件即构成弹性屏蔽件，通过弹性屏蔽件接收井下流体118的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件。活塞110也可以称为浮动活塞。浮动活塞 110将根据井下流体118中的静水压力引起的活塞110上的压差移动。以这种方式，活塞110将外部井下流体118的静水压力传递到压力传递介质114。流体静压也包围封装或外壳102。其结果是，封装或外壳102的壁上的压差非常小。因此，封装或外壳102可以由比压力容器刚性小得多的材料制成。在示例性实施例中，封装或外壳102包括薄金属。在示例性实施例中，封装或外壳102包括聚合材料。

在其它实施例中，浮动活塞110也可以用可移动挡板或可移动的气囊代替，其操作为了将井下流体118的静水压力传递到包装100中，并最小化壳体102的压差。在其它实施例中，其他可移动的压力传递构件或障碍物设置在壳体或封装中以与本文所描述的压力传递介质相互作用。

参照图4，示出了本发明的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置的另一种实施例的结构示意图，包括环形结构的外壳体 202，外壳体202包括具第一空腔204、第二空腔208、第三空腔206。

第一空腔204包含电源或电池212和支持电子器件214的电路板 216。电池212和电路板216通过导管218连接。电池212、电路板 216和电子电路214被第一压力传递介质224包围。在本实施例中，第一压力传递介质224填充第一空腔204。在示例性实施例中，第一压力传递介质224是非导电灌封材料。在示例性实施例中，非导电灌封材料包括环氧树脂、单组分环氧树脂、橡胶材料、弹性材料、蜡材料、热塑性材料、粘弹性材料、熔融盐或涂料，或它们的各种组合。第一压力传递介质224将电子器件214和电池212从周围流动的导电井孔流体中分离出来。第一空腔204的开口面对环形结构的外壳体202的内部，从而使第一空腔204成为内部空腔。在开口处暴露的第一压力传递介质224被薄保护罩220(薄保护罩220即构成本发明所述的弹性屏蔽件)覆盖或封闭。在示例性实施例中，薄保护罩220包括金属。薄保护罩220可以为电子工具10通道或磨料浆体提供磨损保护。薄保护罩220移动或弯曲从而与第一压力传递介质224相互作用，将静压载荷传递给电子器件214和电池212。第一空腔204的内部几何形状可以包括可变的轴向、圆周和径向长度，这取决于电子器件和电池的尺寸，并且它可以包括分压器或阻挡层222。

第二空腔208与第一空腔204相当，除了第二空腔208是一可选的外部腔，其中开口面对环形结构的外壳体202的外侧。第二空腔 208包括电池232、电路236、电子器件234、连接线238、第二压力传递介质244和可移动或柔性外壳构件240(可移动或柔性外壳构件 240即构成本发明所述的弹性屏蔽件)。第二压力传递介质244，例如非导电灌封材料，再次将电子器件和电池与井筒流体隔离。第二空腔 208还可包括形状长度可变的几何体和分隔器或者结构加固构件242。

第三空腔206是将井下流体静压传递到井下电子设备的另一个实施例。空腔206包含支撑电子器件254的电路板256。在一些实施例中，空腔206还包含电池。弹性外壳260(弹性外壳260即构成本发明所述的弹性屏蔽件)包裹电路256和电子器件254。弹性外壳260 填充有围绕电路256和电子器件254的第三压力传递介质264。在一些实施例中，压力传递介质264包括矿物油或等效流体。弹性外壳 260被密封以防止导电井孔流体与电子器件254相互作用。外壳260 是可移动的屏障，其移动或弯曲为了在井筒与第三压力传递介质264 之间以及最终在电子装置254之间传递流体静压。在示例性实施例中，弹性外壳260包括金属化聚合物外壳，类似于聚合物电池周围的外壳。在示例性实施例中，弹性外壳260刚性地安装到空腔206。在可替代的示例性实施例中，弹性外壳漂浮在空腔206内并被屏障266固定。在弹性外壳260中的电子器件254和环形结构的外壳体202之间更弹性的固定可以更好地隔绝电子器件254免受由钻井操作作业引起的振动和冲击。

上述各种电子封装的可移动屏障或弹性外壳降低了电子封装的密度。轻质塑料外壳或薄外壳降低密度。压力传递介质，如低密度矿物油或其他流体，也降低密度。因此，整个电子封装(或工具)可以在很宽的静水压力范围内为中性密度。

虽然许多井下电子器件可以通过可移动外壳或屏障中的压力传递介质暴露于静水压力，一些超灵敏电子设备可能需要局部压力外壳。现在参考图5A，示出了支持多种电子器件和组件302,304,306、308 的印刷电路板(PCB)300的俯视图。如图4所示的电路板和电子组合可与图3的电子器件104和图4的电子器件214/216、234/236和 254/256相媲美。然而，在一些实施例中，局部压力壳体310布置在敏感电子器件上。在图5B中示出了局部压力壳体310的放大视图，而在图5C的示意图和横截面图中示出了需要附加压力保护的电子元件或芯片312。

参考图5C，芯片312可以包括对压力高度敏感的内部空气。暴露于井下环境的高静水压力将压碎芯片312。在一些实施例中，芯片 312可以是振荡器或谐振器。在PCB 300上，芯片的存在并不意味着整个PCB 300必须放置在压力容器中。可以修改图3和4描述的实施例使其包括在芯片312上的局部压力壳体。如图5C所示，芯片312 由PCB 300支撑。屏障或外壳314布置在芯片312上方。外壳314 必须提供刚性的压力屏障，因此在一些实施例中，外壳314是金属屋顶。在其他示例性实施例中，外壳314包括复合材料、陶瓷或它们的组合。在一些实施例中，外壳314包括不同的形状，例如曲线或角度。在一些实施例中，外壳314包括与PCB 300的机械加固。在某些实施例中，外壳314包围芯片312的多个侧面。在其它实施例中，外壳 314完全包围芯片312。

为了密封外壳314包围PCB 300上的芯片312，密封剂316被应用。在本实施例中，密封剂包括环氧树脂。在一些实施例中，焊接盒取代密封顶。完成的组件包括在芯片312的另一侧上与另一个压力构件300相对的第一压力构件314。PCB 300或任何其他构件可包括加强构件。与被压力保护的芯片312相邻设置的是不需要压力保护的电子元件320，电子元件320以参照图3和4以及其他地方所描述的方式暴露于井下静水压力。芯片312可以通过路径318电连接到电子元件320，该路径318是铜片蚀刻的导电路径。路径318可以层叠在非导电衬底上以形成电路板300。

在本实施例中，其他形式的局部压力外壳可以封装压力敏感芯片 312，使得整个电路板不被压力外壳容纳，并且局部压力壳体上的压力传递介质不会显著增加整个电子封装的面积或成本。在示例性实施例中，多个压敏芯片312可以彼此邻近地布置在PCB 300上，使得单个局部压力壳体更容易包围多个芯片。

在空间内充满空气的压力容器中布置的井下电子元件或芯片基本上被空气空间热绝缘。空气空间不允许将芯片产生的热量轻易地转移到周围环境中，而芯片产生的热量是导致电子热故障的一个重要原因。在本文所描述的实施例中，耦合到电子发热部件的压力传递介质也起到传热介质的作用，增加了从电子部件到井下环境的散热。在本实施例中，其它传热流体仍可以用作绝缘压力传递介质。

在本实施例中，通过将耦合到电子器件的介质循环来进一步增加井下电子器件的热传递。为了便于描述，假设耦合到电子元件的介质是矿物油。现在参考图6，示出了本发明的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置的第三种实施例的结构示意图。包括放置电子元件或芯片404的电路板402。芯片404直接耦合到包含矿物油406 (即为本发明所述的压力传递介质)的弹性外壳408(即为本发明所述的弹性屏蔽件)。电路板402设置有连接到泵410的出口流动路径 412和连接到泵410的入口流动路径414。

在运行过程中，芯片404产生热量，这使得芯片比井下温度更热。在许多用于井下能源生产的井中，温度超过100℃。此外，加热的芯片、电路板和连接件发出废气，废气往往会与电子产品及其封装发生负面的反应。由静水井压力加压的矿物油将比废气的蒸气压更高，因此压力传递介质可以防止废气发生。在一些实施例中，废气包括将转化成蒸汽的水。在这种情况下，施加到电子部件上的压力将高于水的蒸汽压力，以防止水变成蒸汽。这可以防止在工具封装中的其他更有害的地方沉积水的热循环。在本实施例中，外部气体可溶于压力传递介质，从而防止在关键电子部件上冷凝。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，其特征在于，包括：设置在具有静水压力的井下流体中的外壳体；所述外壳体内至少设置一个填充有压力传递介质的空腔，井下电子元件固定在空腔内的压力传递介质中，所述外壳体开设有与空腔连通的开口，所述开口密封有弹性屏蔽件，弹性屏蔽件的外壁与井下流体接触用于接收井下流体的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件。

2.根据权利要求1所述的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，其特征在于：所述压力传递介质为矿物油、硅油、液压流体、水基流体、醇基流体、油基流体、聚乙二醇、三醇和多元醇中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，其特征在于：所述外壳体为圆柱形结构。

4.根据权利要求3所述的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，其特征在于：所述井下电子元件设置在空腔内的压力传递介质中，外壳体上端开口，弹性屏蔽件设置于开口内，所述弹性屏蔽件为可在外壳体的空腔中沿轴向移动的活塞和包覆在活塞外与外壳体内壁紧密接触的密封件。

5.根据权利要求1所述的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，其特征在于：所述弹性屏蔽件为弹性金属片或弹性壳体。

6.利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一所述的利用压力传递介质传递压力到井下电子元件的装置，包括以下步骤：

步骤一、将外壳体安装到井下设备上，并将井下设备送入井下流体中；

步骤二、将弹性屏蔽件暴露于井下流体；

步骤三、通过弹性屏蔽件接收井下流体的静水压力通过压力传递介质将静水压力传递给电子元件。