用于振动和冲击能量衰减和耗散的封装结构和材料以及相关的方法与流程

本发明总体上涉及用于为井筒装置提供冲击和振动保护的装置和方法。

背景技术：

碳氢化合物的勘探和生产通常需要使用被下降到井筒中的各种工具，诸如钻探组件、测量工具和生产装置(例如压裂工具)。可以将电子部件设置在井下用于各种目的，诸如控制井下工具、与地面进行通信以及数据的存储和分析。这些电子部件通常包括被封装以提供保护免受井下状况(包括温度、压力、振动和其它热机械应力)的影响的印刷电路板(PCB)。

在一方面，本发明解决了提高对电子部件以及井筒中使用的其它冲击和振动敏感装置的冲击和振动保护的需要。

技术实现要素：

在各方面，本发明提供了一种用于保护在井筒中使用的模块的设备。该设备可以包括与模块相关联的多个冲击保护元件。多个冲击保护元件相配合地具有对所施加冲击事件的宏观非线性弹簧响应。多个冲击保护元件可以至少包括外壳以及将模块与外壳连接的减震器。

在各方面，本发明提供了一种用于保护在井筒中使用的模块的方法。该方法可以包括将模块包围在多个冲击保护元件内，其中多个冲击保护元件至少包括：外壳以及将模块与外壳连接的减震器；将模块设置在井筒中；以及使模块经受冲击事件，其中多个冲击保护元件相配合地具有对冲击事件的宏观非线性弹簧响应。

为了更好地理解本发明的以下详细描述以及为了可以更清楚它们对本领域的贡献，相当广泛地概括了本发明某些特征的示例。

附图说明

为了详细地理解本发明，应当结合附图参考实施例的以下详细描述，其中相同的元件采用相同的附图标记，其中：

图1示出了根据本发明可以使用一个或多个冲击保护器的井系统的示意图；

图2A示意性地示出了根据本发明使用细长的支撑件的冲击保护器的一个实施例；

图2B用等角视图示出了图2A的冲击保护器；

图3A示意性地示出了根据本发明使用多个冲击吸收和衰减层的冲击保护器的一个实施例；

图3B示出了在冲击事件期间图3A的冲击保护器的代表性行为的曲线图；

图4A示意性地示出了根据本发明的包括具有流体的多孔介质的冲击保护器的一个实施例；

图4B示意性地示出了在冲击事件期间图4A的冲击保护器的代表性流体运动；

图5示意性地示出了根据本发明使用晶格结构的冲击保护器的一个实施例；

图6A示意性地示出了根据本发明使用弹性垫圈的冲击保护器的一个实施例；

图6B示意性地示出了根据本发明使用流体的弹性垫圈的一个实施例；

图6C示意性地示出了根据本发明使用多个弹性层的弹性垫圈的一个实施例；

图6D用等角视图示出了使用沿着不同平面定向的多个弹性垫圈的根据本发明的实施例；

图7A示意性地示出了冲击保护器和相关联的电子模块在钻柱环中的定位。

图7B示意性地示出了用于保护被直接安装到钻柱的一部分的电子模块的示例性冲击保护器；

图7C示意性地示出了根据本发明可以请求与冲击保护器连接的电连接件；

图7D-图7E示意性地示出了可以与被定位在舱口中的封装模块一起使用的根据本发明的实施例的示例性冲击保护器；以及

图7F示意性地示出了图7E实施例的截面侧视图。

具体实施方式

钻探状况和动力学产生持续且强烈的冲击和振动事件。这些事件可诱发钻柱中使用的装置和部件中的电子器件故障、疲劳和加速老化。在各方面，本发明提供了用于保护这些部件免受与这些冲击事件相关联的能量的影响的装置和方法。本发明的各实施例可以使用与结构元件和材料结合的分层的、分级的和/或阻尼结构以实现宏观非线性弹簧行为、衰减和耗散。这些结构可以保护传感器、电子器件和组件免受振动和冲击能量的影响。在一些实施例中，层可以呈现出弹性、粘弹性、阻尼或液压气动特性。本发明的结构和方法可以通过限制在冲击事件和随机振动期间耦合到结构的瞬时机械能(P(t))水平使结构损坏、弹性变形限制以及由于变形导致的循环疲劳最小化。

参考图1，测井、生产和/或钻探系统10的示例性实施例包括输送装置，诸如被示出设置在井筒14中的井筒柱12，所述井筒14在钻探、测井和/或碳氢化合物生产操作期间穿透至少一个地球岩层16。输送装置可以包括一个或多个管道部分、形成工具柱的各段的挠性管、井下牵引器或者下降工具。在一个实施例中，系统10还包括井底钻具组件(BHA)20。在一个实施例中，BHA 20或者井筒柱12的其它部分包括被配置成估计地层14、BHA 20和/或井筒柱12的至少一个特性的钻探组件和/或测量组件，诸如井下工具22。

工具22连接到适当的电子器件用于接收传感器测量结果、存储或传输数据、分析数据、控制工具和/或执行其它功能。这些电子器件可以在井下被结合在电子模块24中，和/或被结合在表面处理单元26中，电子模块24被结合作为工具22或柱12的其它部件的一部分。在一个实施例中，电子模块24和/或表面处理单元26包括根据需要提供数据存储和处理、工具22的通信和/或控制的部件。在电子模块中的示例性电子器件包括印刷电路板组件(PCBA)和多芯片模块(MCM)。

模块24可以为BHA的工具仪器模块，其可以是液晶压力或温度检测装置，或者频率源、传感器声学装置、陀螺仪、加速计、磁力计等，敏感机械组件、MEM、多芯片模块MCM、印刷电路板组件PCBA、柔性PCB组件、混合式PCBA安装装置、具有层压基板的MCM MCM-L、具有陶瓷基板的多芯片模块，例如LCC或HCC、采用球栅阵列或者铜堆互连技术的紧凑型集成电路IC堆叠组件等。所有这些类型的模块24通常由不能承受弯曲力和扭转力并因此有利于保护以下描述的封装壳体和分层保护装置的脆且易碎的部件制成。

下文描述了用于保护冲击和振动敏感设备的示例性结构，诸如电子模块24(图1)。为了便于讨论，这些结构将被称为冲击保护器。然而，应当理解，这些结构在保护设备免受振动的影响方面同样有效。虽然在电子模块的环境中讨论了本文描述的实施例，但是各实施例可以与将受益于具有高阻尼、高热传导和/或低疲劳应力的结构的任何部件结合使用。此外，虽然在井下工具、部件和应用的环境中描述了本文的实施例，但是实施例并不限制于此。

图2A-图2B示意性地示出了用于保护一对模块24免受冲击和振动的影响的冲击保护器100的一个实施例。图2A是在图2B中用等角视图示出的冲击保护器的截面视图。模块24可以被固定在形成为“H形梁”的底盘50中。冲击保护器100可以包括分布在底盘50周围的多个弹性支撑件102以及插在每个模块24与底盘50之间的一个或多个垫104。在该非限制性实施例中，使用了两对不同尺寸的支撑件102。如本文所使用的，术语“弹性”是指其中材料具有弹性变形区域和塑料变形区域且其中弹性变形区域具有吸收/耗散与冲击事件相关联的能量的至少一部分的能力的连接。压力筒106封装冲击保护器100和模块24。冲击保护器100和相关联的电子模块24定位在柱12的孔内(图1)，使得钻探泥浆流围绕并浸没压力筒106。

在一种布置中，支撑件102形成模块24与压力筒106之间的弹性连接装置。因此，在某种意义上，模块24可以看作是通过支撑件102悬置在压力筒106中。支撑件102可以形成为沿着纵向工具轴线54(图2B)被拉长的条带。支撑件102的轴向长度可以被选择以在“波腹”处抵抗工具本体运动。在操作期间，正弦波可以沿着钻柱12(图1)和BHA 20(图1)传播。这些波使钻柱12(图1)和BHA 20(图1)相对于轴线54(图2B)横向位移。最大位移(或幅度)的位置被称为波腹。在一种布置中，可以使用诸如模拟或测试的方法沿着BHA 20(图1)定位波腹以及确定共振和传输率。支撑件102可以沿着长度放置以为模块24提供刚性和阻尼。例如，支撑件102可以具有足以防止压力筒106在支撑件102处围绕压缩接触点枢转的轴向长度。

在各实施例中，支撑件102可以围绕底盘50周向排列并被固定到底盘50上。例如，支撑件102可以如图所示以90度间隔来定相。尽管示出了四个支撑件102，但是可以使用更多或更少数量的支撑件。在各实施例中，支撑件102对称地布置，使得相对的支撑件102可以相配合地工作以使冲击和振动能量衰减和耗散。

支撑件102可以包括本体110和设置在外表面114上的多个肋112。肋112的高度大于压力壳体106的外表面114与内表面116之间的间隙空间。因此，在模块24已经被插入压力壳体106中之后，肋112压缩并引起本体110上的预定量的预加载。另外，本体110的形状和体积可以被选择以在冲击事件期间产生主剪切应力。在所示的实施例中，本体110具有穹形部分116，该穹形部分116具有被选择以吸收与预期的冲击事件相关联的剪切应变的质量。另外，肋112和本体110可以被成形为在本体110中产生相对高的剪切应变，而非纯压缩载荷。

在一个实施例中，支撑件102由表现出高阻尼行为的复合材料形成。用于支撑件102的适当材料具有范围在100至大约200MPa的弹性模量，诸如道康宁(Dow Corning)的1-4173。一种非限制性的适当材料在弹性粘合剂中具有玻璃纤维。复合材料是高温材料，其性能不受高温影响。

压力筒106用作电子模块24(在下文中称为“模块”)的保护性外壳并且可以由相对硬的材料(诸如金属)形成。在一个实施例中，垫104可以被配置为设置在模块24与底盘50之间的粘弹性阻尼垫或者阻尼层。粘弹性材料具有刚度，其对应于范围在例如大约0.5MPa至大约5MPa的弹性模量。示例性粘弹性材料是聚合体或弹性体，诸如DOW CORNING3-6651导热弹性体。

应当认识到的是，图2A实施例使用了用于管理冲击事件的分层结构。最初，压力筒106吸收冲击能量中的一些并且将其余部分传送给支撑件102。在肋112处的压缩接触使得该冲击能量在本体110中产生剪切应变。在冲击能量被传送到底盘50和模块24之前，本体110的材料将冲击阻尼。进一步的阻尼由垫104提供，垫104阻尼了模块24的运动。应当认识到的是，上述实施例使由冲击事件产生的力向量和模块24的速度向量的标量积最小化。因此，外部动能被吸收并且耗散离开模块24。如同样应当认识到的是，这些元件中的每一个的几何形状、材料和定位可以根据需要进行配置以使预期的冲击和振动能量衰减和耗散。

现在参考图3A，示出了本发明的另一个实施例，其使用了包括部分或完全围绕模块24的多个层142、144、146的冲击保护器100。部分围绕，是指包围模块24的至少两侧。完全围绕，是指包围模块24的所有侧，而且使所需要的通道允许布线进入并连接到模块24。层142-146中的至少一个可以是弹性的。层142-146可以是对称的、连续阶梯式的或者具有离散步调。每个层142-146可以具有允许层142-146相配合地保护模块24免受冲击和振动的不同的阻尼和粘弹性性质。

层142-146可以被配置成表现出复合非线性弹簧行为。每个层142-146的几何形状和材料可被设计成响应于不同范围的冲击(瞬时)和振动(随机)频率频谱。进一步地，层142-146可被构造成使得它们在冲击事件期间被顺序激励和压缩。具有不同粘弹性和阻尼特性的层142-146的串行连续作用可以产生非线性宏观阻尼弹簧效果。因此，这些冲击保护元件/层相互配合具有对所施加的冲击事件的宏观非线性弹簧响应。

图3B的曲线图148中示出了每个层142-146响应于所施加的冲击能量的代表性行为。曲线图148示出沿着“x轴”的频率(Hz)以及沿着“y轴”的冲击和振动的有效衰减(dB)。曲线图148进一步示出了三个层142、144、146对所施加的冲击事件的响应。每个层142、144、146被配置成具有如图由线150、152、154分别示出的不同的响应。然而，响应150、152、154整体上导致由线156示出的净有效衰减。线156示出了外部封装表面与内部模块的结构隔离的相互作用。

通过改变一个或多个材料性质或几何性质可以获得不同的响应：例如厚度、体积质量密度、刚性、阻尼、蠕变、松弛、共振峰值、Q因数、特定阻尼能力、损失角d(δ)、β角、自由固有频率、振动自由衰变、断裂拉伸强度、断裂伸长率、蠕变比、拉伸弹性应力(％应变)、压缩变定、压缩应力(％应变)、撕裂强度、体积模量、泊松比、静态和动态摩擦系数、密度、比重、玻璃转变、发火温度、回弹性测试回弹高度、介电强度、动态杨氏模量(频率)、tanδ(频率)、阻尼比、细菌和真菌抗性、对流体(液压流体、煤油、柴油、皂溶液等……)的耐化学性、空气中的声音传输损失、冲击吸收寿命周期、阻尼系数温度范围、百分比载荷挠度滞变等。

适当材料的代表性列表包括但不限于，在至少一个气体阻挡层(例如加压囊)材料与至少一个弹性材料之间改变的微层(例如10-100微米厚)；热固性聚醚基聚亚氨酯粘弹性材料，诸如聚氨酯橡胶(SORBOTHANE)。如本文所使用的，粘弹性材料为当经历变形时既具有粘性特性又具有弹性特性的材料。通常来讲，粘弹性材料在载荷下变形且在多个方向上传送力并且当载荷被移除时返回到其原始形状。变形处于分子水平，或者换一种说法，为分子重排。另外，粘弹性材料具有相对高的δ的正切。δ的正切为无量纲项，其表达冲击事件与力到物体的传输之间的异相时间关系。在一些实施例中，适当的粘弹性材料的性质可以为：190PSI至220PSI的断裂拉伸强度、2-3gPascal的体积模量、0.4至0.6的泊松比、在5赫兹至50赫兹之间为100-300的动力学杨氏模量，以及在5赫兹至50赫兹之间为0.4-0.6的tanδ。

现在参考图4A，示出了根据本发明的另一个冲击保护器100，该冲击保护器同样使用部分或完全围绕电子模块24的一个或多个层170。在该实施例中，层170中的至少一个包括网络矩阵式的填充有流体的互连多孔空间。当受到外部冲击或振动时，流体经由多孔互连通道部分地或完全地围绕电子模块24运动。部分地，是指流体不是沿着模块24的所有侧流动。完全地，是指流体在模块24的两个相对侧之间完成流动。因此，流体用作阻尼液压作用的流体。如图所示并相对于冲击事件的方向，流体最初可以在不平行的方向上运动。流动可以切换到与冲击事件的方向对准的流动上并且然后回到不平行的流动上。

图4B示出了在冲击事件期间的流体运动。流体180被示为在蜂窝式结构182中。流体可以是液体、气体、凝胶、油脂或可流动的任何其它物质。冲击184被示为在将称为轴向方向的方向上。流体180通过沿由箭头186、188所示的非轴向方向流动而作出反应。箭头186、188与冲击184的方向不平行。如图所示，该非轴向方向可以是正交的，或流动向量可以具有正交和轴向分量。流体的非轴向运动将冲击事件的能量偏转以由此保护电子模块24。

图4B的冲击保护器100可以使用打开或关闭的蜂窝式结构182。也就是说，蜂窝式结构182可以是可渗透的并且允许流体通过互连孔围绕电子模块24循环。蜂窝式结构182也可以是关闭的。在关闭的蜂窝式结构182中，流体可以被截留在变形(例如，从圆形到椭圆形)的腔体中。

在所示的实施例中，流体可以是两个表面之间的膜。表面中的一个或二者可以涂覆有与油脂化学或物理地相互作用的材料。例如，油脂膜可以插置在两个涂覆板之间。减小板之间的间隙迫使油脂膜横向运动。

现在参考图5，示出了根据本公开用于保护电子模块24不受冲击和振动的另一个示例性冲击保护器100。在该布置中，模块24位于内部管件222与外部管件224之前的环形空间220中。钻井流体流过内部管件222的孔230。冲击保护器100可以使用晶格230来耗散冲击能量并且将冲击能量围绕模块24传送。晶格230还可以被设计为具有ESD保护特性、热导率和/或散热特性。

晶格230可以使用适用于管理多轴冲击载荷的复杂三维架构。该架构可以包括被配置为主要传送弯曲度、主要传送拉伸和/或主要传送压缩载荷的数个构件。“主要地”意味着构件被具体设计用于具体类型的载荷：例如，桁架240或由直立构件构造的其它类似三角形结构，所述直立构件的端部连接在接头处并且被定向为处理拉伸和压缩载荷；用于传输压缩载荷的支柱242；用于支撑支柱242和其它结构构件的基座244；用作外边或外部防护体的穹顶246；用于稳定主要结构(例如，支柱242)的围樑248或水平樑；以及角撑板248或类似相对较厚且刚性板材，其用于将围樑248的樑连接至支柱242或连接桁架构件240。这些特征可以全部具有不同定向、连接件(例如，固定与铰接)和形状(例如，板、杆、带、棒等)。在冲击载荷期间，晶格230将模块周围的载荷连通。

在某些实施例中，一个或多个紧固构件250(诸如闩锁)可以用于模块24的封装的快速组装或卸除。紧固构件250可以用于将穹顶246和其它所述结构元件锁定在一起。某些实施例还可以包括热耦合垫250，其将热量汲取远离模块24并且输送散热物，诸如流动钻井流体252。

现在参考图6A至图6C，示出了根据本公开的用于保护模块24的冲击保护器100的另一个实施例。冲击保护器100可以包括垫282和一个或多个垫圈284。垫282可以由粘弹性材料形成并且插入在模块24与围绕基座286之间。垫圈284可以形成为包围紧固件288的套管类管件，所述紧固件288通过合适的附件(例如，螺纹连接件)将模块24固定至基座286。如下文讨论，垫圈284允许模块24与基座286之间的连接件具有弹性。

图6B示出了包括外壳292和多孔材料294的垫圈284的一种配置。多孔材料294可以分布在连接上隔室298与下隔室300的流动通道296中。外壳296可充分变形以允许隔室298、300中的体积变化。诸如油脂的粘性流体302在体积变化期间在隔室294、296之间流动。该流体流可以用于抑制并且吸收如通常结合在结合图4A和图4B描述的冲击吸收器描述的振动。

图6C示出了包括外壳312和设置在上隔室316和下隔室318中的分层体314的垫圈284的另一种配置。外壳296可充分变形以将载荷传送至分层体314。分层体314可以相同方式构造并且阻尼/吸收如通常结合在结合图3A和图3B描述的冲击保护器描述的振动。

图6D示出了其中多个垫圈284a至284c被设置为提供沿多个轴的冲击和振动管理的另一种配置；所述轴是(例如)x轴291、y轴293和z轴。垫圈284a至284c各自具有分层体314a至314c。分层体314a至314c可以相同方式构造并且阻尼/吸收如通常结合在结合图3A和图3B描述的冲击保护器描述的振动。在该实施例中，分层体中的每一个分层体将沿不同平面的冲击事件的能量改向。因此，分层体314a可以沿与x轴291不平行的平面引导能量，分层体314b可以沿与y轴293不平行的平面引导能量，且分层体314c可以沿与z轴295不平行的平面引导能量。

可以在钻柱12中和沿钻柱12的任意处使用本公开的实施例。如先前结合图2A和图2B所讨论，冲击保护器100和相关联电子模块24可以位于流动钻井流体流内侧。参考图7A，冲击保护器100和相关电子模块24可以位于外部管件332与内部管件334之间的环330中。钻井流体可以流过内部管件324的孔。

图7B示出了冲击保护器100和相关电子模块24可以位于外部管件332与内部管件334之间的环330中。钻井流体可以流过内部管件324的孔。在该实施例中，冲击保护器100和相关电子模块24被固定在形成于外部管件332中的凹袋350上。模块24可以位于封装壳体370中。凹袋350可以是外部管件332的已经切除的部分。凹袋350可以使用舱口盖352固定。电子模块34的入口可以通过路由管路354和被路由至井底钻具组件(BHA)或探头组件中的其它工具功能模块的布线356、354。如先前描述，冲击保护器100具有分层体358，其可以是先前描述的任何分层体。在冲击事件360期间，分层体358如由箭头362所示将冲击能量围绕模块24改向。

现在参考图7C，保护封装壳体370(其可以是金属(例如，科伐合金、不锈钢、钛等……))在由于冲击事件360或外部井筒压力导致的偏转期间支撑舱口盖352。壳体370可包括用于导线的气密密封连接器371以及将模块24设置为与模块24外部的模块(未示出)电通信的连接器。壳体370还包括通过气密密封连接器或压力馈通连接器372，用于允许通过包装壳体370的电通信。以线束、柔性电路、导体带状物等形式的导线连接件373设置了在连接器371与372之间的信号和/或数据通信。连接器372与通过BHA布线路由路径354(诸如管、切口、BHA内侧的钻孔路由路径等)导线安装并且导向的外部接线356连接。

封装壳体370紧密配合在舱口凹袋350内侧并且被设计为随着舱口盖352在撞击或外部井筒压力360期间变形而弯折。壳体封装370和保护层358不允许在耦合至模块24的壳体封装370上施加应力和应变力偏转。因此，除最小化可以传送至模块24的振动和冲击机械能量之外，壳体封装370和保护层358还防止模块24弯曲或机械地拉紧。

现在参考图7D，模块24的保护封装壳体370(安装在舱口凹袋350内侧)用作机械路径载荷。封装壳体370用作舱口凹袋350内侧的结构作业构件并且支撑舱口盖352以防止在外部井筒压力或撞击360下向内凹陷。

参考图7E，模块24可以安装在封装壳体370内侧并且在内部安装于层358的基板上。层358可以被安装在模块24的一侧中。另外，基板层358可以被延伸为如图7F所示提供至模块24的侧面的附接。

虽然前述公开涉及本公开的一种模式的实施例，但是本领域技术人员将明白各种修改是显而易见的。旨在全部变动均包括在前述公开中。