CN110998061A - 具有由层沉积形成的集成部件的井下电子器件封装件 - Google Patents
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Abstract
一种用于在井筒中使用的设备可包括：将第一特性转换成第二特性的换能元件、响应于第二特性而产生信号的感测元件、沉积在换能元件上并限定轨道的层、以及有源电子部件。感测元件固定地连接到换能元件。有源电子部件固定地连接到换能元件并且经由轨道与感测元件通信。一种相关方法形成具有该设备的井下工具，并且在井筒中操作该井下工具。
Description
技术领域
本公开整体涉及用于井下使用的紧凑且稳健的电子器件。
背景技术
烃的勘探和生产通常需要使用被降低到钻孔中的各种工具，诸如钻井组件、测量工具和生产装置(例如，压裂工具)。电子部件可被设置在井下以用于各种目的，诸如对井下工具的控制、与表面的通信以及数据的存储和分析。传统印刷电路板是此类电子部件中的一种。印刷电路板(PCB)是包括支撑不同元件的基板的金属板或板，不同元件构成包含它们之间的电互连件的电路。基板通常由环氧树脂制成。又如，多芯片模块(MCM)为具有多个导体端子或“引脚”的电子组件，其中集成了多个集成电路(IC或“芯片”)、半导体模片和/或其他分立部件，通常被集成到统一基板上，使得在使用时其被当作单个部件来处理。其他术语，诸如“混合”或“混合集成电路”也是指MCM。
制造PCB的尺寸和成本是妨碍在井下工具中有效使用此类电子器件的一个因素。在各方面，本公开解决了对于用于井下应用的增强的、更紧凑的且稳健的电子部件的需要。
发明内容
在多个方面，本公开提供了一种在井筒中使用的设备。该设备可包括换能元件、感测元件、至少一个层和至少一个有源电子部件。换能元件将第一特性转换成第二特性。感测元件响应于第二特性而产生信号并且固定地连接到换能元件。在一个实施方案中，感测元件连接到换能元件而不具有任何柔性连接。至少一个层沉积在换能元件上并限定至少一个轨道。至少一个有源电子部件固定地连接到换能元件并且经由至少一个轨道与感测元件通信。在一个实施方案中，有源电子部件连接到换能元件而不具有任何柔性连接。
在多个方面，本公开提供了一种用于在井筒中使用设备的方法。该方法包括形成包括上述设备的井下工具，将该井下工具传输到井筒中，以及在井筒中操作井下工具。
已对本公开的某些特征的示例进行了相当广泛的概述，以便可更好地理解下面的具体实施方式，并且可理解它们对本领域所代表的贡献。
附图说明
为了详细理解本公开，应当参考结合附图进行的以下对实施方案的详细描述，其中类似的元件已给出类似的数字，其中：
图1示出了根据本公开的可使用一个或多个电子器件封装件的井系统的示意图；
图2示出了根据本公开的电子器件封装件的一个实施方案；
图3示出了根据本公开的一个实施方案的基板；
图4示出了根据本公开的一个实施方案的形成感测元件、轨道和沉积在换能基板上的焊盘的层；
图5示出了根据本公开的电子器件封装件的一个实施方案；
图6示出了根据本公开的包括容纳部件的电子器件封装件的一个实施方案；并且
图7示出了根据本公开的电子器件封装件的一个实施方案，该电子器件封装件包括裸模部件和可丝焊部件以及粘合剂附接部件。
具体实施方式
在各方面，本申请提供了可使井下电子器件(诸如传感器和相关电子器件)所需的空间最小化的装置。根据一些实施方案的电子器件封装件不使用PCB或者陶瓷安装结构或布线。连接传感器元件及其电子或光学电路的轨道可通过在基板上沉积一个或多个层而在几个或甚至仅一个制造步骤中产生。为了更好地理解本公开的教导内容，下文描述了其中可使用根据本公开的装置的钻井系统。
现在参见图1，示出了利用钻孔柱12的钻井系统10的一个示例性实施方案，该钻孔柱可包括用于定向钻探钻孔16的井底组件(BHA)14。虽然示出了陆基钻机，但这些概念和方法同样适用于海上钻井系统。钻孔柱12可从钻机20悬挂下来，并且可包括接头管或连续油管。在一种配置中，BHA14可包括井下工具，诸如钻头15、传感器接头32、动力和/或通信模块诸如双向通信和动力模块(BCPM)34、地层评估(FE)接头36、以及旋转式动力装置诸如钻井马达38。传感器接头32可包括用于测量近钻头方向(例如，BHA方位角和倾角，BHA坐标等)的传感器以及用于进行旋转方向测量的传感器和工具。地层评估(FE)接头36可包括用于测量地层特性的传感器，诸如核工具、电阻率工具、声学工具、NMR工具。钻孔柱12还可包括用于测量钻井过程的动态特性，诸如重量、扭矩、渗透速率、旋转速度、振动、加速度、力、应变、弯曲等的传感器，其可用于监测和/或控制钻井过程。该系统还可包括信息处理装置，诸如表面控制器50和/或井下控制器42。表面和BHA 14之间的通信可使用上行链路和/或下行链路，上行链路和/或下行链路可由泥浆驱动的交流发电机、泥浆脉冲发生器、电磁发射器、声学发射器产生以及/或者经由泥浆、硬丝(例如，电导体、光纤)、地层、钻孔或钻孔柱12所传送。上行链路和/或下行链路可包括压力脉冲、电信号、声学信号或电磁信号或它们的组合。一个或多个电子器件封装件可在BHA 14或钻孔柱12的其他部件内使用，以提供数据存储和处理、通信和/或控制功能。
参见图2，示出了电子器件封装件100的一个非限制性实施方案，该电子器件封装件可与图1的钻井系统10一起使用。在一个非限制性实施方案中，封装件100可包括换能基板或换能元件102，也称为换能器，其被配置成将应变、弯曲、力、扭矩、压力、温度、扩张和/或收缩中的一种或多种转换成一个或多个信号诸如电信号(例如，电压或电流)、光学信号、位移和/或尺寸(例如，长度、面积、体积或形状)。封装件100还可包括一个或多个传感器或传感元件104，其被配置成感测所转换的特性并且响应于感测到的所转换的特性而产生模拟或数字信号；焊盘110或轨道112；和一个或多个电子部件，例如无源部件106或有源部件108，其被配置成经由轨道112中的至少一个而与感测元件104通信。
如本文所用，换能器或者换能基板或换能元件是将第一特性转换在第二特性中或转换为第二特性的装置。例如，换能器或者换能基板或换能元件是将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。更具体地，换能器将一种形式的能量的信号转换为另一种形式的能量的信号。例如，机械换能器将第一机械特性转换为不同的第二机械特性或非机械特性，或反之亦然。例如，电阻应变仪可将应变或加长转换成电信号，隔膜可将压力变化转换成机械运动，实心板可将力信号、扭矩信号或弯曲信号转换成位移、加长、收缩、弯曲等。非机械换能器可将第一非机械特性转换成第二非机械特性。例如，热电偶将温度信号转换成电信号等。
如本文所用，无源部件是为了执行其预期功能而不需要电功率源的部件；例如，电池、电阻器、电容器、电感器、天线、变压器等。通常，无源部件可以电压或电流的形式存储或保持能量，但不能向系统添加能量。
如本文所用，有源部件是需要电功率源以便修改电输入信号和/或产生电输出信号(例如，放大器，诸如前置放大器、模数转换器、处理器、微处理器、真空管)的部件，并且可包括或可不包括半导体。功率源可以是与电子器件封装件100具有柔性电连接的单独部件。在另一个实施方案中，功率源可通过刚性连接而固定地连接到换能元件102。在一个实施方案中，功率源可连接到换能元件102而无需任何柔性连接。有源部件通常能够电控制电路中的电子流以放大、将模拟信号转换成数字信号、校正、平均或以其他方式处理由感测元件104传送的信号。有源器件还可以向电路添加功率。应当指出的是，“固定”连接有效地将两个或更多个部件整合到单个单元中，这防止了两个连接的部件之间的相对运动。这与允许两个连接的主体之间的相对运动的柔性连接形成对比。
以常规方式，焊盘110是可在其上进行电或光学连接的端子，并且轨道112充当两个或多个点之间的电或光学载体。电子部件可为被包括在外壳诸如塑料、弹性体或金属外壳中的裸模部件或封装的部件，该外壳被配置成机械地保护部件、液压密封部件、将热量从部件传递或传递到组件，以及/或者至少部分地电隔离外壳内的部件。
封装件100可通过以下方式形成：将感测元件104、焊盘110和轨道112中的至少一者通过沉积层(例如，绝缘和导电材料的薄膜)的过程而整合到换能基板或转换元件102上。溅射是可用于在换能元件102上产生层的通常已知的技术。如果与掩模或减材制造(诸如蚀刻、研磨或激光照射)组合，则可通过溅射产生轨道、焊盘或感测元件之类的元件。另选地，层也可通过3D打印产生。在这种布置方式中，无源和/或有源电子部件106、108以及功率源可通过粘合剂附接、焊接、钎焊、粘结，或任何类型的机械夹具(诸如螺钉、螺母、夹钳等)中的一者或多者而固定地连接。
在一种布置方式中，图2的实施方案可使用用于换能基板或换能元件102的“硬币”或盘形金属基板。感测元件104(例如，应变仪传感器)可定位在换能基板102的变薄下段之上。使用金属基底102允许换能基底102到图1的钻井系统10的连接足够紧密，使得由应变仪感测到的应变对应于图1的钻井系统10的应变。为了确保换能元件102与图1的钻井系统10的紧密连接，换能元件102需要具有足够牢固的物理连接，使得金属换能基板102能够经受住振动而不会破裂。例如，应变仪传感器104可以是连接到溅射焊盘110的溅射传感器。又如，应变仪传感器104可利用桥配置来感测换能基板102的变形。电子部件108可以是前置放大器连同温度传感器(未示出)，并且可以围绕中央感测结构布置，并且通过直接钎焊到溅射焊盘110上来附接。温度传感器可用于校正换能基板102和/或应变仪传感器104的温度效应。
尽管关于应变感测元件讨论了前述内容，但是应当理解，在本公开的范围内，其他传感器也是可能的。例如，传感器104还可包括惯性感测元件。例如，传感器104可包括加速度计或陀螺仪。其他传感器可包括温度传感器、声学传感器(诸如声波传感器)、尺寸传感器(诸如位移传感器)、长度传感器、扩张、收缩传感器、弯曲传感器、力传感器、扭矩传感器和压力传感器。因此，可选择换能基板102以将第一形式的能量的信号转换为传感器104被配置成感测的对应的第二形式的能量。
参见图3，存在适用于被配置成估计扭矩和/或轴向加载的封装件的基板102的另一个非限制性实施方案。换能元件或基板102可被形成为具有上表面120和下表面122的盘。在一些实施方案中，腔体124可在下表面122上形成，以便使基板102对挠曲更有响应。具体地，限定腔体124的壁可变薄以形成可在其上形成感测元件104的隔膜126。一般来讲，对于估计物理加载的应用，当相邻结构响应于所施加的负载而移动、弯曲、拉伸或扭曲时，基板102应为足够可弹性地变形的以按预定的方式进行反应。因此，沉积(例如溅射)或以其他方式固定地连接到基板102的传感器104可检测并产生代表此类物理变形的信号。基板102可由金属、非金属、陶瓷、复合材料、或任何其他合适的材料或材料的组合来形成。将传感器104固定地连接到基板102使得电子器件封装件能够被提供为需要最小化空间的整体组件。在一个实施方案中，传感器104固定地连接到基板102而不具有任何柔性连接。基板可以是上文参考图1讨论的井下工具中的一者的一部分。
参见图4，示意性地示出了用于形成封装件100的集成电子器件层的一种布置方式。在该实施方案中，封装件100包括在换能元件或换能器基板102之上的多个层130。层130可包括一个或多个电绝缘层132、一个或多个导电层134以及使用已知薄膜沉积工艺诸如溅射形成的一个或多个保护层136。应当指出的是，感测元件104、焊盘110和轨道112可在结构上成一体并且在单独的工艺中或在相同的结构化工艺内有效地形成。
应当理解，本公开的教导内容可以各种配置来实施。下文结合图5至图7描述了一些非限制性实施方案。这些实施方案中的每一个使用换能元件或换能基板102，在其上，焊盘110和轨道112由如上所述沉积在换能基板102上的层限定。这些实施方案可用作例如与动态相关的特性(诸如弯曲、力、扭矩、重量和压力)的传感器，或者用作声学传感器诸如水听器。然而，每个附图示出了不同的可能的电气布置方式。
图5示出了未必结合感测元件的封装件100。此实施方案使用无源部件106，诸如电阻元件160、有源部件108、以及具有电或光学功能的其他结构162。
图6示出了封装件100，其包括可包括有源电子部件(例如，放大电路)的容纳部件164；感测来自换能基板102的信号的传感器104，例如，应变传感器或压电晶体；无源电子部件，诸如电阻电路166或电容器168；以及有源电子部件，诸如放大器164。在该实施方案中，连接(例如，用于容纳部件164的连接170)使用粘合剂和/或焊料。其他实施方案可包括焊接或烧结连接或任何类型的丝焊。应当指出的是，容纳部件164中的放大电路可容易地位于与换能基板102紧密接触的传感器104附近，以最小化当存在弱传感器信号时可能发生的问题。
图7示出了与图6的实施方案类似的封装件100，但是包括裸模部件172。在该实施方案中，存在丝焊连接和粘合剂/焊料连接的组合。例如，可存在丝焊连接174和粘合剂/焊料连接176。
在未示出的另一个实施方案中，传感器(诸如应变传感器、轨道和焊盘)中的一者或多者可被溅射或以其他方式沉积在金属基板上以形成传感器模块。然后可使用柔性布线和粘合剂/钎焊/连接器/夹钳或其他丝焊技术将该传感器模块连接到PCB板或其他电子装置。
虽然已在生产烃的井的上下文中讨论了本教导内容，但应当理解，本教导内容可应用于地热井、地下水井、海底分析等。也可使用除钻柱之外的任何传送装置来传送井下工具。示例性非限制性传送装置包括套管、钢丝绳、钢丝绳(wire line)探头、钢丝绳(slickline)探头、吊球、自推进跟踪器等。
尽管前述公开涉及本公开的一种模式的实施方案，但各种修改形式对于本领域的技术人员将是显而易见的。例如，虽然示出了使用一个部件(例如，一个传感器)的实施方案，但其他实施方案可使用上述任何或所有部件中的多个。因此，应当强调的是，冠词“一个”或“所述”并不意味着仅存在所引用的项目中的一者，但此类冠词也涵盖所引用的两个或更多个项目。本公开旨在涵盖所有变型形式。
Claims (15)
1.一种用于井筒中的设备，其特征在于：
-换能元件(102)，所述换能元件被配置成将第一特性转换成第二特性；
-感测元件(104)，所述感测元件固定地连接到所述换能元件(102)并且响应于所述第二特性而产生信号；
-至少一个层(130)，所述至少一个层沉积在所述换能元件(102)上，所述至少一个层(130)限定至少一个轨道(112)；和
-至少一个有源电子部件(108)，所述至少一个有源电子部件经由所述至少一个轨道(112)固定地连接到所述换能元件(102)并与所述感测元件(104)通信。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述至少一个有源电子部件(108)由电功率源供电并且被配置成以下中的至少一者：(i)修改电输入信号，以及(ii)产生电输出信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述换能元件(102)为机械换能器。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征还在于：所述换能元件(102)包括金属材料。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征还在于：所述第一特性为应变、弯曲、力、扭矩、压力中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述感测元件(104)通过以下中的至少一者固定地连接到所述换能元件(102)：(i)溅射，(ii)粘合剂附接，(iii)焊接，(iv)钎焊，和(v)粘结。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述感测元件(104)为以下中的一者：(i)惯性感测元件，(ii)加速度计，和(iii)陀螺仪。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述第一特性为扩张、收缩和尺寸中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述至少一个有源电子部件(108)选自以下中的一者：(i)放大器，(ii)模数转换器，(iii)处理器，(iv)裸模部件，和(v)封装的电子部件。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于由所述至少一个层(130)限定的多个焊盘(110)。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述至少一个轨道(112)、所述至少一个层(130)和所述感测元件(104)中的一者通过溅射至少部分地形成。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于形成在所述换能元件(102)上的至少一个连接，所述至少一个连接为以下中的至少一者：(i)粘合剂连接，(ii)焊料连接，(iii)焊接连接，(iv)烧结连接，和(v)丝焊。
13.一种用于在井筒中使用设备的方法，其特征在于：
-形成井下工具，所述井下工具包括：
-换能元件(102)，所述换能元件被配置成将第一特性转换成第二特性；
-感测元件(104)，所述感测元件固定地连接到所述换能元件(102)并且响应于所述第二特性而产生信号；
-至少一个层(130)，所述至少一个层沉积在所述换能元件(102)上，所述至少一个层(130)限定至少一个轨道(112)；和至少一个有源电子部件(108)，所述至少一个有源电子部件经由所述至少一个轨道(112)固定地连接到所述换能元件(102)并与所述感测元件(104)通信；
-将所述井下工具输送到所述井筒中；以及
-在所述井筒中操作所述井下工具。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征还在于：
-通过使用电功率源使所述至少一个有源电子部件(108)通电；以及
-将所述通电的至少一个电子部件(108)用于以下中的至少一者：(i)修改电输入信号，以及(ii)产生电输出信号。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征还在于通过以下中的至少一者将所述至少一个有源电子部件(108)固定地连接到所述换能元件(102)：(i)溅射，(ii)粘合剂附接，(iii)焊接，(iv)钎焊，和(v)粘结。
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