DQ-LWD隨鉆測井儀器的可靠性設(shè)計

高玉堂，包　璨

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江　大慶163000)2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司鉆井工程技術(shù)研究院（黑龍江　大慶163000）

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DQ-LWD隨鉆測井儀器的可靠性設(shè)計

高玉堂1，包璨2

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163000)
2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司鉆井工程技術(shù)研究院（黑龍江大慶163000）

摘要隨鉆測井儀器在井下高溫、劇烈震動的環(huán)境下工作，容易發(fā)生失效，較高的故障率會直接影響施工進度，所以有必要進一步提高儀器的可靠性能。通過對DQ-LWD隨鉆測井儀器在水平井作業(yè)中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象和維修過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行統(tǒng)計分析，總結(jié)出該儀器3類典型故障原因：電子器件故障、電氣連接失效、抗振能力不足，進而開展了隨鉆測井儀器井下失效預(yù)防方法的研究。把可靠性設(shè)計引入到傳統(tǒng)的儀器設(shè)計、生產(chǎn)、維修流程中，提出了裝配電路板（PCBA）測試、防靜電擊穿(ESD防護)、電氣連接失效預(yù)防以及PCBA減振防護等一系列提高可靠性的設(shè)計方法。現(xiàn)場施工應(yīng)用表明，故障率與2013年同期相比有明顯下降，有利于儀器在復(fù)雜井況、高溫高壓深井的進一步應(yīng)用。

關(guān)鍵詞隨鉆測井；隨鉆測井儀器；可靠性設(shè)計；井下失效

AbstractLogging while drilling tool works in downhole high temperature and severe vibration environment, so its failure easily occurs. High failure rate will directly affect the progress of the construction, so it is necessary to further improve the reliability of the tool. Through the statistical analysis of the failure phenomena appearing in the horizontal well operations of the logging while drilling tool DQLWD and the problems found in the repair process of it, three types of typical failure of the tool are summed: failure of electronic devices, failure of electrical connection and insufficient anti vibration ability, and then the downhole failure prevention methods for the logging while drilling tool DQ-LWD are studied. The reliability design is introduced into the traditional design, production and maintenance pro?cess of instruments, and a series of design methods for improving the reliability of the tool, including assembly circuit board (PCBA) test?ing, anti electrostatic breakdown (ESD protection), electrical connection failure prevention, the PCBA vibration reducing protection, etc., are put forward. Field application shows that compared with the same period in 2013, the failure rate is significantly decreased, which is conducive to the further application of the instrument in complex well condition, high temperature and high pressure deep well.

Key wordslogging while drilling; logging while drilling tool; reliability design; downhole failure

隨著油田進入開發(fā)的中后期，隨鉆測井儀器越來越多地應(yīng)用于油田水平井開發(fā)中。儀器工作在井下高溫、劇烈振動的工作環(huán)境中，需要良好的可靠性能。在2013年大慶油田水平井作業(yè)中，因儀器故障導(dǎo)致的停鉆達到數(shù)十起，造成了一定的經(jīng)濟損失。確保儀器穩(wěn)定無故障的完成井下作業(yè)，已經(jīng)成為儀器研發(fā)后期工作的重點。以往的同領(lǐng)域研究，主要停留在理論的分析說明層面[1]。缺乏針對具體儀器和實際故障情況進行分析，且大多側(cè)重儀器的某一環(huán)節(jié)，角度不夠全面[2]，未能形成完整的可靠性設(shè)計體系。結(jié)合大慶油田自主研發(fā)的DQLWD隨鉆測井儀器的典型故障現(xiàn)象及維修過程，提出了一套針對鉆井儀器的可靠性設(shè)計方法，并用于實踐解決實際問題。把可靠性設(shè)計融合到傳統(tǒng)的儀器的設(shè)計、生產(chǎn)、維修流程中。

1　典型故障現(xiàn)象及分析

DQ-LWD隨鉆測井儀器中，伽馬、電阻率系統(tǒng)發(fā)射、接收和計算信號的過程中涉及電子、機械和連接點等數(shù)百個環(huán)節(jié)，故障原因比較分散。根據(jù)井上故障統(tǒng)計，將DQ-LWD隨鉆測井儀器主要故障現(xiàn)象分為4類：井下系統(tǒng)測量值間斷性或長時間達到測量極限值、系統(tǒng)無信號響應(yīng)、測量值與真實值不符、井下數(shù)據(jù)無法存儲，這也是諸多同類測井儀器面臨的問題。通過對4類故障進行返修并研究，找到了電子器件故障、電氣連接失效、抗振能力不足3種典型故障原因，并針對這幾點故障原因分別進行可靠性設(shè)計。

2　電子器件的可靠性

電子測量系統(tǒng)是隨鉆測井儀器的關(guān)鍵部分，元器件失效引起的故障占全部故障原因的30%，比例很大。LWD儀器的電子測量系統(tǒng)是由數(shù)千個電子器件組成的，一個損壞就可能導(dǎo)致整體失效，很難預(yù)防。通過主動檢測和被動防護2種思路，主動對PCBA（裝配印制電路板，Printed Circuit Board As?sembly）進行檢測，同時增加PCBA工作狀態(tài)下的被動防護設(shè)計，具體采取以下幾種設(shè)計方法。

2.1 PCBA主動檢測

PCBA主動檢測是對電路板上易發(fā)生早期失效的元器件進行篩選。通常是由器件設(shè)計缺陷、制造流程、原材料缺陷導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量未達到設(shè)計標準的一些器件，通過檢測,將其篩選并剔除，使產(chǎn)品進入偶然失效期后再交付使用[3]。

2.1.1老化測試

在儀器裝配前，使電子測量系統(tǒng)在常溫下工作12~14 h，檢測能否實現(xiàn)儀器工作各項指標要求，對一些沒有輸出或輸出異常的電路部分行調(diào)試。

2.1.2高溫測試

利用高溫測試箱對PCBA進行℃再到25℃的升溫和高溫恒溫測試，℃、100℃、150℃3個級別，每段恒溫60min，進行遞進式加溫，測試儀器在不同溫度梯度的性能表現(xiàn)。為了防止加溫過快對器件造成損傷，加溫速率依據(jù)打井深度、地溫梯度、地面溫度來確定，為了提高實驗效率可以比實際值略高，一般為2~ 5℃/min。

2.1.3振動測試

通過自行研制的振動評價系統(tǒng)，模擬井下振動環(huán)境，進行震動實驗，連接測試軟件使之實時工作2~3h，輸出測試報告，測量儀器在井下高振動環(huán)境下的抗震性能。

2.2防ESD設(shè)計

2.2.1 ESD損傷機理

ESD（Electrostatic Discharge）靜電釋放現(xiàn)象是指電子器件通過裝配生產(chǎn)過程中摩擦或感應(yīng)而帶電后，接觸導(dǎo)體發(fā)生靜電放電[2]，產(chǎn)生2 000V以上的瞬時電壓，最終造成元器件突發(fā)性和潛在性失效，是電子器件失效的重要原因。80%以上的ESD損傷為潛在性緩慢失效，損傷發(fā)生后器件的典型參數(shù)退化不明顯，卻給電路留下了隱患，隨著時間性能逐漸惡化最終完全失效。這種失效無法通過器件檢測在早期發(fā)現(xiàn)，只能通過電路的被動防護角度進行設(shè)計。在DQ-LWD儀器電子系統(tǒng)中，90%以上的器件是靜電敏感器件需要進行防護。

2.2.2防ESD設(shè)計方法

利用傳統(tǒng)可靠性設(shè)計方法將各類靜電防護用品、儀器設(shè)備、生產(chǎn)存儲環(huán)境與大地進行連接，通過靜電耗散等方法進行裝配期間的ESD防護的同時，還可以從PCB設(shè)計的方向入手進行更全面的可靠性設(shè)計。

在PCB整體設(shè)計中，可以通過增加一定數(shù)量的瞬間電壓抑制器（TVS）器件增加保護，包括固狀器件（二極管）、金屬氧化物變阻器（MOV）、ESD抑制器（新聚合物器件）。在TVS的保護作用下，電路的大部分靜電放電被分流到接地層，只有更小比例的威脅能夠達到敏感器件，有效抑制直接電荷流入對器件造成的損傷。

PCB設(shè)計中可進行ESD防護的方法還包括：靜電敏感區(qū)域利用布線進行信號分隔、用地線減小電路環(huán)路和互連器件間的平行通路面積、縮短信號線間傳輸距離、縮短信線距離、關(guān)鍵信號線遠離PCB邊緣等方計在PCB完成裝配投入使用后仍能發(fā)根本上提高了電路防護ESD的能力。

2.3噪聲抑制

環(huán)境溫度、交流電壓、負載電流、元器件的老化等會引起直流電源供電電壓的變化，導(dǎo)致出現(xiàn)脈動和噪聲，影響測量精度，這是造成井下測量值不穩(wěn)的原因之一。

設(shè)計中，通過對易造成信號干擾的器件用地線進行隔離，使電阻率測量的兩條平行線路互不干擾(圖1)，在高頻信號輸出端增加磁環(huán)[4]圖2），其電源和地之間加接高頻濾波電容等方法[1]，減少由于電流負載瞬態(tài)地導(dǎo)通和切斷引起的尖峰電流所產(chǎn)生的干擾，可以使敏感器件的電氣環(huán)境更加穩(wěn)定。井下模擬軟件測試表明,有效提高DQ-LWD電阻率相位測量精度10%以上。

3　電氣連接的可靠性

圖1 信號隔離

隨鉆測井儀器的電氣連接失效主要是指用于連接電子器件與基板間的焊點、用于電路板間連接的插頭發(fā)生斷裂或接觸不良導(dǎo)致的電子測量系統(tǒng)失效。在DQ-LWD電子電路測量系統(tǒng)數(shù)千個焊點中，只要一個焊點連接性能不佳,將會導(dǎo)致整個電路系統(tǒng)的癱瘓。

對傳統(tǒng)焊接短路、虛焊等失效原因，可以通過電子顯微鏡用比較法進行焊點檢測（圖3）,即焊接點與標準焊點進行外觀比較。標準規(guī)范的焊點應(yīng)該是焊料在被焊金屬表面逐漸減薄并延伸流動性好,引線輪廓明顯可見,焊料冷卻后,彎曲面明顯,并且焊料到引線表面之間看不出明顯的分界線。檢測后達不到標準的焊點需要被返工處理。

圖2 高頻信號輸出端增加磁環(huán)

圖3 電子顯微鏡對焊點進行質(zhì)檢

當工作環(huán)境溫度變化時,如果焊點內(nèi)部有起泡存在，元器件與PCB材料存在的熱膨脹系數(shù)差,在焊點內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力,造成焊點的疲勞損傷。直插器件可以通過控制焊接時間和電烙鐵溫度，貼片器件通過設(shè)計合理的回流焊溫度曲線和預(yù)熱時間（圖4），減少焊點連接空洞，降低焊點故障幾率。

圖4 回流焊機溫度設(shè)置

4　電路減振灌封

4.1器件減振

井下高振動的環(huán)境,致使儀器經(jīng)常處于受振狀態(tài)，設(shè)備中的機械結(jié)構(gòu)及電子元器件容易受到損傷。提升元器件的抗振性能，重點是防止電路板上的元器件或整機的固有頻率與外界的機械振動發(fā)生共振。元器件端引線越短越有利于避開易產(chǎn)生共振的頻譜范圍,印制板上直插安裝的元器件控制引線長度小于10mm ,會降低與機械環(huán)境產(chǎn)生共振的幾率[1]。

同時對焊接方法進行創(chuàng)新，提出專門針對鉆井儀器的臥式焊接。傳統(tǒng)直插焊接中，焊錫在通孔垂直流動，因為預(yù)熱不充分、焊錫流動性不好、焊接速度過快等諸多原因，很容易發(fā)生焊錫未能完全填充通孔造成環(huán)空，導(dǎo)致虛焊。“臥式”焊接是通過增強器件與電路板一體性。改進電路板焊接方式，將傳統(tǒng)直插焊接（圖5）的焊接面積增大，引腳末端彎折后臥式焊接（圖6），將元器件引腳“釘”在電路板上，可以使焊盤與元器件引腳的接觸面積擴大3倍，延長振動環(huán)境下電子系統(tǒng)的使用壽命。4.2 PCBA減震

圖5 直插焊接的焊點

圖6 臥式焊接的焊點

針對電路板整體，通過對高沖擊環(huán)境下的電路板進行應(yīng)力分析[5]，設(shè)計分層灌封的方法。第一層為元件導(dǎo)熱固定層，固定器件于基板上并利于散熱。第二層是元器件保護膠層，與元器件等高，連接器件與器件之間使形成一個整體，能避免傳統(tǒng)電路直接灌封后外界溫度變化灌封膠形變擠壓元器件導(dǎo)致其損壞。第三層的三防層采用只有40~ 60μm厚的薄膜，具有“防潮”、“防鹽霧”、“絕緣”性能，最后一層為減振層，選用發(fā)泡型灌封膠將電子電路放置在機械結(jié)構(gòu)中進行整體灌封。

通過跟蹤可靠性設(shè)計后的DQ-LWD隨鉆測井儀器的井下應(yīng)用情況，與2013年相比，儀器總體故障率下降了8.7%，取得了良好的應(yīng)用效果。

5　結(jié)論

1）結(jié)合DQ-LWD隨鉆測井儀器的典型故障現(xiàn)象及維修過程得出:電子器件故障、電氣連接失效和抗振能力不足是隨鉆測井儀器出現(xiàn)失效的3種主要故障原因。

2）通過對電子器件進行PCBA檢測、防ESD設(shè)計、噪聲抑制，可以提高電子器件的穩(wěn)定性和系統(tǒng)測量精度。焊點質(zhì)量控制、器件減震和PCBA減振設(shè)計是解決電氣連接失效和電路板抗振能力不足問題的有效途徑。

3）通過建立可靠性設(shè)計體系改進儀器，DQ-LWD儀器故障率比2013年同期有所降低。

參考文獻：

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[3]任曉榮,王利寧.下井儀元器件篩選及整機溫度試驗方法[J] .石油儀器, 2002, 16(3):12-14.

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[5]鄭超，張亞，郭佩宏.高沖擊條件下聚氨酯灌封電路板應(yīng)力分析[J].工程與實驗，2014,54(2)：24-25.

收稿日期：本文編輯：王梅2015-10-29

作者簡介：高玉堂（1964-），男,高級工程師，主要從事鉆井設(shè)計工作。