DQ-LWD隨鉆測井儀器耐高溫抗振設(shè)計

高明

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院 （黑龍江 大慶 163000）

伴隨著國內(nèi)幾個大型油田進入開發(fā)的中后期，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，易開采油氣層的數(shù)量逐漸減少。為了優(yōu)化布井位置提高產(chǎn)量，深井、水平井、大斜度井?dāng)?shù)量連年增長。傳統(tǒng)測井手段已經(jīng)無法滿足測井要求，隨鉆測井這一領(lǐng)先的測井技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用。

隨鉆測井是指在鉆井過程中，利用對隨鉆實時數(shù)據(jù)進行測量，實現(xiàn)實時解釋儲層位置和井眼位置的測井手段。尤其是面對垂直裂縫油藏、薄差油層或圍巖性質(zhì)等復(fù)雜油藏。由于鉆井與測井同時進行，工作環(huán)境惡劣，井下溫度高，且伴隨巨大的振動，對儀器的可靠性要求很高。確保儀器無故障的完成井下作業(yè)，是儀器研發(fā)后期工作的重點[1]。

以往的同領(lǐng)域研究，對隨鉆儀器PCBA的耐高溫涂覆方法以及儀器電路板的灌封方法的研究極少。以DQ-LWD儀器近年來故障現(xiàn)象為基礎(chǔ)，總結(jié)維修經(jīng)驗，對儀器進行分析，提出高溫對器件的影響，并進行耐溫散熱設(shè)計，提出了多種新的耐熱涂覆及灌封方式以提高耐溫抗振性能。對同類儀器如垂直鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等隨鉆測井系統(tǒng)的完善有著重要的參考意義。

1　DQ-LWD隨鉆儀器典型故障

DQ-LWD儀器是中國石油大慶油田有限責(zé)任公司（以下簡稱大慶油田）鉆探工程公司自主研制的隨鉆測量儀器，具有電阻率、伽馬、井斜、方位角及工具面的測量功能，現(xiàn)進行了批量生產(chǎn)，在大慶、吉林油田進行了多年應(yīng)用，具有較高的經(jīng)濟效益。在以往的維修過程中，電子部分失效占全部故障的60%以上，為主要故障原因。同時井下高溫高振動環(huán)境對電子系統(tǒng)的影響最大，所以主要從電子系統(tǒng)的耐高溫抗振性能為主，進行儀器的穩(wěn)定性提升設(shè)計。

DQ-LWD儀器電子部分常見的失效原因有：

1）元件電氣性能失效：外觀完好但失去其原本的電氣功能。失效產(chǎn)生的原因包括：①元件在高溫環(huán)境中工作，產(chǎn)生的熱耗散使元件溫度高于環(huán)境溫度，也高于儀器的設(shè)計工作溫度。長期工作在高溫狀態(tài)下會影響元件的電氣性能。②儲存不合理導(dǎo)致元件受潮。受潮的元器件在常溫可以正常使用，一旦處于高溫環(huán)境下，會發(fā)生爆米花效應(yīng)（元件內(nèi)部水分氣化導(dǎo)致的損傷），導(dǎo)致元件內(nèi)部連接處斷裂，發(fā)生失效[2]。

2）物理損壞：①儀器測量系統(tǒng)由遠近接收天線從地層接收微小信號的測量到模擬電路比較及放大處理，導(dǎo)致高精度元件使用較多。這類高精度元件的體積較大，以直插元件為主。直插式集成電路元件和FPGA元件同貼片元件相比，裝配過程中會高出PCB（電路基板），引腳更長，處于懸空狀態(tài)。導(dǎo)致電路板在高振動環(huán)境下，容易引起共振，受到電路板灌封物的擠壓，發(fā)生損壞[3]。例如維修中發(fā)現(xiàn)一些元件的引腳與連接處發(fā)生斷裂，整體被“掀開”。②隨鉆測井的原始測量值，是毫伏級別的小信號，其進入天線，經(jīng)過接收天線線圈、機械插針和ITT插頭后進入電路板進行運算。儀器長時間處于振動狀態(tài)下，如果傳輸過程不穩(wěn)定帶來信號干擾和噪聲，能夠直接影響測量結(jié)果，導(dǎo)致儀器測量值不準(zhǔn)。通過分析發(fā)現(xiàn)，井下高溫和高振動的特殊環(huán)境對儀器穩(wěn)定性的影響較大。針對故障原因，進行高溫和高振動導(dǎo)致的失效的預(yù)防手段的研究。

2　PCBA耐高溫抗振設(shè)計

隨鉆測井儀器的主要高溫環(huán)境是井下工作期間，井下對于非專業(yè)高溫儀器的要求是能長時間工作在0～125℃的溫度下。在一般水平井鉆井過程中，工作溫度不超過125℃，深井和超高溫井最高能達到220℃。主要討論0～125℃工作溫度的環(huán)境。

井下振動的主要來源是鉆頭與井底的相互接觸和作用，底部鉆具的振動程度遠大于鉆柱振動，可以達到0.1～200 Gs.劇烈的縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動和橫向振動。隨鉆儀器為了及時反映井底數(shù)據(jù)，往往需要設(shè)計在距離鉆頭很近的位置，導(dǎo)致其處于強烈振動區(qū)域。表現(xiàn)是鉆頭脫離井底一定高度發(fā)生縱向振動。在實際生產(chǎn)過程中，井底鉆具系統(tǒng)處于多種振動混合的狀態(tài)下，鉆頭與井底的關(guān)系不僅取決于最大縱向跳躍速度，還要考慮整個鉆具的振動慣性以及鉆柱扭轉(zhuǎn)等因素的影響。導(dǎo)致實際測量到的井下振動參數(shù)具有不確定性。但顯而易見的是，處于近鉆頭位置的隨鉆儀器隨時都要面對復(fù)雜的振動影響[5]。

半導(dǎo)體作為元件的主要的構(gòu)成部分，本身具有熱敏性。在不同的溫度下，具有不同的參數(shù)。如果長時間工作在設(shè)計溫度以上，會導(dǎo)致輸出阻抗減少、信號噪聲增加、功率損耗加大[4]等問題。元件自身存在功耗，工作時本身發(fā)熱無法避免，會造成局部溫度過高，導(dǎo)致電氣性能下降、壽命縮短，持續(xù)的熱沖擊也會加速焊點的老化斷裂，所以有必要進行散熱設(shè)計。

通過元件在井下功耗與溫度的關(guān)系分析，考慮半導(dǎo)體元件工作時的熱平衡狀態(tài),可以得到

式中,pc為器件功耗,W;Tj為器件溫度,℃;Ta為環(huán)境溫度,℃。K為熱導(dǎo),且

式中：RT為熱阻,℃/W。即每耗散單位功率所需溫差[4]。元件功耗是定值，元件的熱阻越大本身的溫度就會越高。儀器的散熱設(shè)計需要從減少器件的熱阻。

元件熱阻取決于很多因素，包括元器件與PCB間散熱措施及接觸面積、電路板設(shè)計密度、大功耗元件的位置分布等。在改進設(shè)計前，DQ-LWD儀器是將PCBA進行簡單的三防膠涂覆后直接放入儀器機械蓋板內(nèi)進行灌封。元件與元件間、元件與PCB間，PCBA與儀器殼體之間均無接觸。沒有進行額外的散熱設(shè)計。研究主要提出幾種方法：

1）元件與PCB基板之間進行熱傳導(dǎo)設(shè)計。增加原件與電路基板的直接接觸面積。傳統(tǒng)PCB需要在正面絲印層涂覆綠油，但散熱設(shè)計的儀器PCB絲印層直接鋪銅（GND地層），背面焊盤層進行布線。在元件與基板之間加入導(dǎo)熱的底部填充材料，使元件底部直接與GND層的金屬進行接觸散熱。設(shè)計后的PCBA從元件與PCB無散熱接觸面積變?yōu)檎麄€元器件地面接觸散熱。

2）增加接觸面積散熱。用不導(dǎo)電但導(dǎo)熱性能良好的不坍塌元器件膠涂覆在元件側(cè)面，與PCB進行固定連接，使元件側(cè)面熱量能傳遞到金屬層上，使其與PBC基板接觸面積進一步增大。使用RTV導(dǎo)熱膠（導(dǎo)熱系數(shù)2 W/(mK)。穩(wěn)定工作溫度為-65～240℃，將元器件接觸散熱面積增加至1.5倍。

3）增加PCBA與機械殼體間的接觸面積。以往的LWD儀器電路板灌封后，被灌封膠包裹起來，無法與機械殼體進行接觸。設(shè)計增加PCBA與殼體接觸散熱，讓外界鉆井液循環(huán)過程幫助高功耗元件降溫。

設(shè)計采用PCBA反面焊盤層設(shè)計粘貼導(dǎo)熱硅膠墊（用導(dǎo)熱系數(shù)為0.8 W/(mK)的導(dǎo)熱硅膠粘結(jié)劑進行粘接），讓測量儀器殼體與被灌封電路板之間形成熱傳導(dǎo)。

4）灌封蓋板與灌封膠之間散熱。使用導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/(mK)的硅膠。使機械蓋板與灌封膠之間接觸形成熱傳導(dǎo)。在后期裝配時，在硅膠墊外再涂覆一層導(dǎo)熱硅膠后，在硅膠固化之前進行裝配。可以進一步提高PCBA與機械殼體的貼合的緊密性，增加散熱接觸面積。

設(shè)計具體采用分層的灌封方式：分為PCBA涂覆灌封和蓋板整體灌封：

1）PCBA器件間涂覆減振：主要實現(xiàn)器件間的抗振保護。在完成耐熱涂覆的PCBA上進行泡沫灌封膠的涂覆。這種涂覆的特點是灌封膠會在固化過程中，體積膨脹，膠體內(nèi)部充滿細小氣泡，起緩沖作用。主要能避免元件之間填充的灌封膠過硬，使元件相互擠壓損壞。同時能增加元器件的一體性，降低共振頻率，保護器件。

2）電路板整體減振灌封：針對電路板整體抗振進行灌封。其在固化的過程中體積會膨脹，使PCBA偏離固定的位置，且發(fā)泡膠流動性差，單點傾倒會導(dǎo)致注膠不均勻，留下空洞，所以無法采用傳統(tǒng)傾倒的注膠方式。需要單獨設(shè)計電路灌封工裝，進行全封閉固定灌封。在電路蓋板上設(shè)計灌封孔和觀察孔，底部固定在注膠夾具上，低溫環(huán)境下采用膠槍分段注膠，后放入高溫箱中33min進行加熱固化，待膠體充分膨脹后從夾具上取下，進行使用。新型減振設(shè)計利用灌封空間形成隔振體，用具有減震效果的膠體代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌封膠，實現(xiàn)減振效果。

3　性能檢測及應(yīng)用情況

將散熱設(shè)計后的灌封電路放入高溫箱進行循環(huán)溫升實驗。常規(guī)儀器串下井速度為1 200 m/h，所以采用每2℃/min的升溫速度升溫至125℃，并保持5h后自然散熱降溫至常溫。利用PCBA中控溫電路與EWR溫控電路的溫度傳感器進行儀器腔內(nèi)溫度測量，環(huán)境溫度通過高溫箱進行控制并記錄。結(jié)果表明，在環(huán)境溫度上升時，儀器腔內(nèi)溫度具有滯后性，PCBA工作溫度始終低于環(huán)境溫度。在持續(xù)高溫狀態(tài)下，PCBA溫度逐漸與環(huán)境溫度持平，不高于環(huán)境溫度。對比實驗，未進行散熱設(shè)計的PCBA溫度普遍高于環(huán)境溫度。證明該設(shè)計可以有效的進行元件的功耗散熱，儀器可以長時間工作在125℃的井下環(huán)境中。

改進設(shè)計后的PCBA共振頻率從192.7 Hz提高至297.9 Hz，引起共振的可能性降低。灌封物絕緣強度為7.48 kV/mm，彈性模量556 MPa，剪切強度為25 MPa，拉伸強度為35 MPa,在振動測試臺上模擬井下振動，以X軸沖擊速度為30 m/s、50 m/s進行對比實驗，減振灌封的PCBA最大應(yīng)力相比傳統(tǒng)灌封最大應(yīng)力降低27%。減振灌封方式能夠起到吸收動能，緩和井底振動沖擊，降低應(yīng)力幅值的作用。采取耐溫抗振設(shè)計的儀器2017年在大慶、吉林油田的97口水平井中進行應(yīng)用，DQ-LWD隨鉆儀器元器件失效率降低23%，年平均故障率下降5.3%,有效的提高了DQ-LWD儀器的耐溫抗振能力。

4　結(jié)論

1）通過分析大慶油田自主研發(fā)的DQ-LWD隨鉆測量儀器的故障現(xiàn)象，從元件性能失效和物理損壞2個方面，總結(jié)故障原因，確定高溫和振動是儀器損壞的主要因素。

2）對儀器所處的高溫環(huán)境進行分析，將減少元件熱阻作為耐高溫性設(shè)計的主要思路，提出4種PCBA散熱涂覆設(shè)計，實現(xiàn)了元件與基板間接觸散熱、PCBA與殼體間散熱。散熱設(shè)計后的PCBA可以長時間工作在125℃的井下環(huán)境中。

3）提出了一種新型減振灌封方法，利用器件間涂覆減振和PCBA整體減振灌封，減振灌封的PCBA最大應(yīng)力相比傳統(tǒng)灌封降低27%。相比傳統(tǒng)灌封能起到更好的抗沖擊效果。

4）改進設(shè)計后的DQ-LWD儀器，元器件失效率降低23%，年平均故障率下降5.3%。儀器質(zhì)量得到有效提高，更有利于儀器在復(fù)雜井況、高溫高壓深井的進一步應(yīng)用。