在MWD、LWD和線纜井下工具組件中的多芯片模塊殼體安裝的制作方法

本公開總體上涉及用于為井眼裝置提供沖擊和振動保護的裝置和方法。

背景技術：

碳氫化合物的勘探與生產通常需要使用被降低到井眼中的各種工具，諸如鉆探組件、測量工具和生產裝置(例如壓裂工具)。電子部件可被設置在井下用于各種目的，諸如控制井下工具、與地面進行通信以及存儲和分析數據。這類電子部件通常包括被封裝以提供保護免受井下條件(包括溫度、壓力、振動和其他熱機械應力)的影響的印刷電路板(PCB)。

在一方面，本公開解決了增強對井眼中使用的電子部件和其他沖擊和振動敏感裝置的沖擊和振動保護的需求。

技術實現要素：

在各個方面，本公開提供了一種用于保護井眼中使用的電子模塊的設備。該設備可包括：具有至少一個凹穴形成在其上的外圓周表面的井眼管柱區段；與至少一個凹穴相關聯的支架；以及包圍井眼管柱區段的套筒。支架可包括殼體、蓋，以及偏壓構件。殼體接收電子模塊并且位于至少一個凹穴的支撐表面上。蓋將殼體封閉在至少一個凹穴內。偏壓構件定位在蓋與殼體之間。套筒可將蓋壓在偏壓構件上并且偏壓構件可相應地迫使殼體抵靠在支撐表面上。

在其他方面，本公開還提供了一種用于保護井眼中使用的電子模塊的設備，其中所述設備包括：具有多個凹穴沿圓周分布在其上的外圓周表面的井眼管柱區段；與每個凹穴相關聯的支架；以及套筒。每個支架可包括：定位在每個凹穴的支撐表面上的傳熱墊；接收并氣密地密封相關聯的電子模塊的殼體，該殼體位于傳熱墊上；將殼體封閉在相關聯的凹穴內的蓋；以及定位在蓋與殼體之間的偏壓構件。套筒包圍井眼管柱區段并將每個支架的每個蓋固定在相關聯的凹穴內。套筒干涉地接合每個蓋以壓縮相關聯的偏壓構件，并且每個偏壓構件相應地迫使相關聯的殼體抵靠在相關聯的傳熱墊上。另外，每個凹穴可包括將每個凹穴連接到井眼區段中的隔室以便接收電氣設備的至少一個通道。

在各個方面，本公開還提供了一種用于保護井眼中使用的模塊的方法。該方法可包括：在井眼管柱區段的外圓周表面中形成至少一個凹穴；以及將支架至少部分地設置在至少一個凹穴中。支架可包括：接收電子模塊的殼體，該殼體位于至少一個凹穴的支撐表面上；將殼體封閉在至少一個凹穴內的蓋；定位在蓋與殼體之間的偏壓構件；以及包圍井眼管柱區段的套筒。該方法還包括通過使用套筒將蓋壓在偏壓構件上來將蓋固定在至少一個凹穴內，所述偏壓構件相應地迫使殼體抵靠在支撐表面上。

已經對本公開的某些特征的實例進行了相當廣泛地概括，以便可以更好地理解本公開的以下詳細描述且以便可以認識到它們對本領域的貢獻。

附圖說明

為了更詳細地理解本公開，應該結合附圖參考以下各實施例的詳細描述，其中相同的元件用相同的數字來表示，其中：

圖1示出了根據本公開的可以使用一個或多個支架的井系統的示意圖；

圖2示出了根據本公開的可以使用支架加以保護的電子模塊的一個實施例；

圖3示出了根據本公開的一個實施例的具有由支架保護的多個電子器件的BHA的一部分的端視圖；

圖4示出了根據本公開的一個實施例的包括支架的BHA的一部分的截面視圖；以及

圖5示出了根據本公開的一個實施例的可以與支架一起使用的鎖止裝置。

具體實施方式

鉆探條件和動力學產生持續且強烈的沖擊和振動事件。這些事件可導致鉆柱中使用的裝置和部件的電子器件失效、疲勞和加速老化。在各個方面，本公開提供了用于保護這些部件免受與這類沖擊事件相關聯的能量的影響的安裝件和相關方法。

現在參照圖1，示出了利用井眼管柱12的鉆探系統10的一個說明性實施例，該鉆探系統10可包括用于定向鉆探井眼16的井底鉆具組件(BHA)14。盡管示出了陸地鉆井裝置，但是這些概念和方法同樣可應用于海底鉆探系統。井眼管柱12可從鉆井裝置20懸掛下來并且可以包括接續管或連續管。在一種構造中，BHA 14可包括鉆頭15、傳感器接頭32、雙向通信和電力模塊(BCPM)34、地層評估(FE)接頭36，以及旋轉動力裝置(諸如鉆探馬達38)。傳感器接頭32可包括用于測量近鉆頭方向(例如BHA方位和傾斜度、BHA坐標等)的傳感器以及用于進行旋轉方向勘測的傳感器和工具。所述系統還可包括信息處理裝置，諸如地面控制器50和/或井下控制器42。地面與BHA 14之間的通信可以使用泥漿驅動的交流發電機、泥漿脈沖發生器和/或使用硬連接線(例如電導體、光纖)傳送的聲學信號、EM或RF產生的上行鏈路和/或下行鏈路。

結合到BHA 14中的一個或多個電子模塊24或者井眼管柱12的其他部件可包括提供數據存儲和處理、通信和/或BHA 14的控制所需的部件。這些部件可被設置在形成于井眼管柱12中或形成于井眼管柱12上的適當的隔室中。在電子模塊中的示例性電子器件包括印刷電路板組件(PCBA)和多芯片模塊(MCM)。

參照圖2，示出了可以與圖1的井眼管柱12一起使用的模塊24的一個非限制性實施例。模塊24可以為BHA的工具儀器模塊，其可以為晶體壓力或溫度探測裝置，或者頻率源、聲學傳感器、陀螺儀、加速計、磁強計等，敏感機械組件、MEM、多芯片模塊MCM、印刷電路板組件PCBA、柔性PCB組件、混合PCBA支架、具有層壓基板的MCM(MCM-L)、具有陶瓷基板的多芯片模塊(例如LCC或HCC)、利用球柵陣列或銅樁互連技術的緊湊型集成電路IC堆疊組件等。所有這些類型的模塊24通常由易碎且很脆的部件制成，所述易碎且很脆的部件不能承受彎曲或扭轉力并因此得益于下文描述的封裝殼體和分層保護裝置的保護。

下文描述了用于保護沖擊和振動敏感設備(諸如電子模塊24)的示例性支架。盡管在電子模塊的環境下討論了本文所描述的實施例，但是所述實施例可以與將受益于具有高阻尼、高熱傳導和/或低疲勞應力的結構的任何部件結合使用。此外，盡管本文中的實施例是在井下工具、部件和應用的環境下描述的，但實施例并不限于此。

圖3示意性地示出了一種用于保護模塊24(圖2)免受沖擊和振動的影響的支架100。支架100可以形成在圖1的井眼管柱12的區段102中。例如，區段102可以為鉆環、接頭、接續管的一部分，或者BHA 14。支架100可被固定在凹穴104內，凹穴104形成在區段102的外圓周表面106上。套筒110包圍區段102并將支架100固定在凹穴104內。套筒110可以由非磁性材料(諸如不銹鋼)形成。盡管示出四個支架100沿圓周分布在區段102上，但是應該理解的是，可以使用更多或更少數量的支架100。在各個實施例中，一個普通的連續套筒110固定多個沿圓周分布的支架100。

圖4以截面形式示出了支架100的一個實施例，該支架100可用于將模塊24(圖2)彈性地固定在凹穴104內。凹穴104可以預成形或機加工(例如軋制)成區段102并且包括連接到模塊24(圖2)用于接線和其他設備的通道108。通道108可以將凹穴104與包含諸如傳感器的電氣設備(未示出)的其他隔室、腔室或空腔連接。支架100可包括殼體120、蓋130，以及偏壓構件140。

殼體120為模塊24(圖2)提供了氣密密封的環境。殼體120可包括由金屬(諸如鈦或科瓦鐵鎳鈷合金)形成的密封罩122。這些類型的金屬具有與用于包覆模塊24(圖2)的陶瓷、玻璃、復合材料或其他材料類似的熱膨脹。可以使用內部連接件124和外部連接件126進行電連接到模塊24。應該理解的是，針對殼體120所示的構造僅僅是可以與根據本公開所述的支架100結合使用的殼體120的一個非限制性實例。

蓋130將殼體120封閉在凹穴104內。蓋130可包括用于接收偏壓構件140和殼體120的凹部132。凹部132可包括接觸殼體120以使軸向方向上的運動最小化的肩部134或其他類似特征件。如本文所使用的，術語軸向是指沿著井眼管柱12(圖1)的縱向方向。參照圖5，蓋130可以可選地包括將蓋130固定在凹穴104內的鎖止件136。鎖止件136可定位在蓋130的一端138處并且包括接合形成在凹穴104中的適當的構形137的彈簧偏壓球或其他鎖定機構。蓋130可由適當的非磁性材料(諸如不銹鋼)形成。此外，蓋130可包括在最終安裝期間使得套筒110在蓋130上方滑動的傾斜或有坡度的部分139。

偏壓構件140施加彈簧力，該彈簧力將殼體120壓在凹穴104的支撐表面128上。偏壓構件140可以為具有足以產生持久彈簧力的彈性變形范圍的任何結構。如圖所示，偏壓構件140可以為具有壓縮接觸殼體120的一個或多個頂點區142的葉片彈簧。盡管示出了頂點區142在偏壓構件140的中間區段，但是應該理解的是，頂點區142可以分布在整個偏壓構件140上。例如，頂點區142可以位于偏壓構件140的遠端144處。可以其他彈簧，諸如螺旋彈簧或彈簧墊圈。此外，可以使用加壓流體產生彈簧力。另外，盡管示出了點接觸，但是應該理解的是，偏壓構件140可被形成為分布相當大的表面區域的壓縮力的本體，諸如墊。偏壓構件140可以保持在凹部132中的適當的凹槽或狹槽中。

一些實施例可包括定位在殼體120與支撐表面128之間的傳熱墊160。傳熱墊160的一個非限制性實施例可以至少部分地由粘彈性材料形成。如本文所使用的，粘彈性材料為當經受變形時具有粘性特征和彈性特征的材料。更一般地說，傳熱墊160可以由將熱量從殼體120傳遞到區段102和/或提供沖擊吸收的任何材料形成。

應該理解的是，根據本公開所述的支架容許進行各種變型。例如，可以使用周向彈簧將支架固定在凹穴內。

不再參照圖1-圖5，在一種使用模式中，首先將每個模塊24插入殼體120中。將內部電連接件124進行組裝并且將殼體120氣密地密封。接下來，將殼體120設置在凹穴104中，并且將導線(未示出)連接到外部電連接件126。然后將蓋130和偏壓構件140設置在殼體120上方。壓下蓋130使得鎖止構件136將蓋130扣進凹穴104中。在安裝了所有模塊24之后，套筒110在凹穴104上方滑動。套筒110干涉地接合蓋130，因為當蓋130擱置在松弛的偏壓構件140上時，套筒110的內表面比蓋130的外表面更徑向向內。該干涉接合迫使蓋130徑向向內運動，這壓縮了偏壓構件140。響應于被壓縮，偏壓構件140將殼體120壓在傳熱墊160上。因此，模塊24的橫向運動受到限制，即橫向于工具的縱向軸線的運動。另外，蓋130的肩部134和傳熱墊160處的摩擦力使殼體130在軸向方向上的運動或者通常為滑動運動最小化。

在井眼16中的鉆探或其他活動期間，區段102可能遭遇沖擊和振動。有利地，當經受這些運動時，支架100使殼體120和封閉模塊24在橫向和軸向方向上的運動最小化。另外，傳熱墊160將熱量從殼體120傳導到合適的散熱器，諸如在井眼管柱12中流動的鉆探泥漿。

盡管前述公開內容涉及本公開的一種模式的實施例，但是對本領域的技術人員而言各種修改將是顯而易見的。這意味著前述公開內容包含所有變型。