用于提高钻井电子装置性能的方法和设备与流程

本公开涉及用于高温钻井操作的电子器件，尤其涉及用于制备适用于井下环境的印刷电路板组件(pcba)的方法。

背景技术：

现代石油和天然气勘探在复杂的地质环境中进行。钻井作业严重依赖钻井工具状态以及地层特性的实时信息。这种信息可通过使用传感器和随钻测量(mwd)以及随钻测井(lwd)仪器来获得。虽然mwd指的是钻井的持续期间针对钻井组件的运动和位置的测量，而lwd更多地关注地层特性的测量，但是它们在本公开中可互换使用。mwd/lwd仪器通常安装在钻井组件内的钻铤(即底孔组件或bha)中。

传感器用于获得mwd/lwd仪器和电缆测井方法中的测量。其他电子元件包括有源元件，例如印刷电路板组件(pcba)和晶体管，或者无源元件，例如电阻器和电容器。

在整个钻井系统中都会使用到pcba。例如，它们可用于电源、温度传感器、压力传感器、电池等的操作。诸如主存储器板、读出板、发射器或接收器板，以及加速度计板之类的pcba，都是井下环境中常用的电子器件之一。

pcba可以通过已知方法与钻井系统中的各种传感器耦合。在一些实施例中，传感器可以集成在主存储器板上。传感器可以是用于监控钻井过程中的实时状况的测量传感器。例如，一些传感器监测地层的特性，例如电阻率、密度、孔隙度、渗透率、声学特性、核磁共振特性、流体或地层的腐蚀特性，以及盐或盐水含量。其他传感器可监测钻井工具的状况，例如钻头或钻柱中的振动(横向、扭转、轴向等)，方向和加速度。还有其他一些传感器可监测井下环境的温度和压力。在其他实施例中，传感器可以是预测传感器。与典型的钻井操作(例如，更高的温度或压力)相比，预测传感器会经受更苛刻的条件，使得它们以更快的速率失效。它们可用于估计另一个部件的故障时间。

传感器可以安装在钻井组件中的任何其他合适的部件上。例如，它们可以连接到钻头上以监控其运动或温度。传感器例如也可以沿钻孔安装，以监测钻井泥浆沿其路径的压力或流速。传感器(例如rfid)甚至可以放入钻井系统中的流体中，并分散到地层中。

处理器通常安装在pcba上。处理器被配置为接收、存储或执行诸如计算机代码或传感器信号的数据。例如，处理器可以耦合到提供可执行指令的程序模块和存储由处理器执行的各种计算结果的记录介质。传感器信号是处理器的输入。pcba还可以包含遥测单元，因此它可以将传感器信号传输到地面仪器以进行进一步的处理。相反，pcba也可以从地面控制单元接收输入。

井下钻井工具、尤其是钻井组件(也称为bha)暴露于高温、高压以及振动和冲击下。常规的钻井可以在高达125℃的温度下进行。相比之下，深井中的井底温度可能超过200℃。由于泄漏电流、材料退化、除气和腐蚀等原因，这种高温大大降低了井下电子元件的可靠性和使用寿命。根据经验，温度每升高25℃，电子元件就会损失90％的使用寿命。因此，对于高温钻井操作来说，存在很大的针对具有足够的可操作寿命(例如几天到几周)的电子元件的需求。

桩定(staking)指在pcba上安装电子元件的过程。对于高温操作来说，有一些通用原则适用。首先，元件不应以会妨碍应变消除的方式来粘接，例如将引线埋在环氧树脂中，或在表面安装元件或引线的下方施加高cte(热膨胀系数)环氧树脂。其次，粘接应该是平衡的。第三，桩定材料应粘接到电子元件和电路板上。最后，始终要考虑到桩定材料的cte及其对具有不同cte的电子元件的性能影响。

技术实现要素：

本公开提供了一种用于制备印刷电路板组件(pcba)的方法。该pcba具有基板电路板，该基板电路板上安装有多个电子元件。首先，用清洁剂清洁pcba的表面。在清洁之后，在所述多个电子元件的周边围绕多个电子元件来施加桩定材料。之后，对具有桩定材料的pcba进行固化和检查。

在一个实施例中，清洁剂是一种不会使基板电路板或多个电子部件产生性能劣化的材料。示例性的清洁剂是异丙醇。在清洁后，将pcba在120℃至130℃下干燥至少2小时。

在进一步的实施方案中，pcba具有一个或多个加强件以增加pcba的刚性。加强件由与基板电路板相同的材料制成。

附图说明

通过结合附图并考虑以下详细描述，可以容易地理解本发明的教导。

图1a和1b显示了安装在pcba上的侧轨加强件的尺寸。

图2是将用于耐久性测试的本公开的pcba的图片。

图3是显示了pcba在175℃下的耐久性试验结束时的数据的图。

图4示出了在现场测试中定向钻井的曲线的一部分。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体的实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中描述实际实现中的所有特征。应当理解，在任何此类的实际实现的开发中，例如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实现特定性的决策以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关的和与业务相关的约束，这可能因实施而异。此外应该理解的是，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，它们仍然是设计、制造和加工的常规任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是非排他性的，并且意味着可能存在除所列元件之外的其他元件。

现在将详细参考本公开的实施例，其示例在附图中示出。应注意，只要可行，在附图中可以使用类似或相似的附图标记来表示相似或类似的元件。

在本公开的一个实施例中，用于制备pcba的方法包括将电子元件桩定在印刷电路板上。首先，在桩定之前准备pcba的表面。表面准备包括用适当的清洁剂清洁表面。清洁剂可去除油脂、油污、污垢和其他碎屑。合适的清洁剂应能够去除离子和非离子污染物。它不应降低被清洁的材料或部件的性能。应检查所清洁的和重新加工的pcba是否存在可能不需要的清洁副作用。清洁剂可能会侵蚀聚合物或涂料，如环氧树脂和聚氨酯。受侵蚀的部分应重新加工到原始状态(例如，在固定螺钉上重新涂上胶水，在散热器部件上重新涂抹热化合物)。清洁剂的一个例子是异丙醇。在用清洁剂清洁后，pcba应被干燥，例如在120℃至130℃下干燥2小时或更长时间。

在一些实施例中，通过紧固件固定到pcba上的连接件不需要被桩定。紧固件通过高温loctite螺纹锁固剂(例如loctite#246)来固定。在螺钉或螺母的顶部不必施加桩定材料。这避免了返工期间的困难。在螺钉或螺母的顶部施加桩定材料是不必要的，这样并不会提高保持力。不允许螺纹锁固化合物与连接件的塑料部件相接触。

在其他实施例中，没有硬质紧固件的连接件被桩定成与面和引线相对的连接件。桩定材料应远离连接件的表面，以防止与配合件形成干涉。

在其他实施例中，在pcba中使用了加强件。pcba通常配备有焊接到基板电路板上的精密元件。在处理和安装的过程中，pcba的任何弯曲都会导致焊接头失效。为了最大限度地减少弯曲，在pcba上安装了加强件以增加组件的刚性。例如，可以在电路板的边缘上安装侧轨加强件。在加强件和内腔壁之间应当有一毫米的最小间隙。该间隙填充有用于缓冲的封装材料。加强件的材料应与pcb的材料相同，例如为聚酰亚胺。

图1示出了侧轨加强件的尺寸，其可以根据以下等式来计算：

htop_layer＝安装在顶层上的电子元件的高度+1mm

dstiffener＝pcb厚度(dmin，标准为1.60mm、2.10mm和2.36mm)+0.1mm(间隙)

hbottom_layer＝安装在底层上的电子元件的高度+1mm

最小壁厚(dmin，标准为1.0mm)

在其它一些实施方案中，pcba含有硅酮泡沫垫。在模塑过程中，压力在模具内积聚。在热循环期间积聚的压力可能导致元件失效。为了减轻压力负荷，可将闭孔硅酮泡沫材料放置在某些精密电子元件的顶部上。但是，如果元件上方的材料小于4mm，则不使用硅酮泡沫垫。

在其他实施例中，pcba具有包裹式钽电容器。所有包裹式钽电容器沿着元件的两侧的整个长度以及kapton胶带内的两端来桩定。必须将kapton胶带紧紧地包裹在电容器的主体上。对松散缠绕的电容器进行桩定无法将器件固定到pcba上，并且会导致井下故障。此外，桩定材料应严格远离应力消除环。

在pcba的其他实施例中，固体钽电容器或电阻器，诸如径向引线的钽(ck06封装或更大)和电阻器(s102vishay或caddock)以及晶体管，均围绕着器件的周边进行桩定。

pcba的其他实施例可具有安装在其上的石英或其他晶体元件。晶体封装的桩定因设计的多样性而不同，并遵循基于设计要求的适用工程文书。pcba还可以包含开放的或是封装的变压器，并且围绕变压器的周边进行桩定。

在一个最终步骤中，根据制造商推荐的固化时间表来固化桩定材料。在固化时，桩定材料应当无粘性。例如，可以使用loctite#5404在130℃下固化60分钟。

可以通过更换损坏的元件来修复pcba。例如，通常可以通过加热或溶剂或这两者来除去桩定材料，例如loctite#5404。应注意避免电引线、迹线和元件处的任何不必要的损坏。受影响的胶合或包裹的元件应修复至其原始状态。通常可以通过加热或溶剂或这两者来除去loctite#5404。应注意避免电引线、迹线和元件处的任何不必要的损坏。

pcba的最终检查在固化后进行。例如，通过使用10倍功率放大率的视觉检查来验证工艺要求。施加手指压力以测试粘性和粘附性。在最终产品中，桩定材料粘附在预期的表面上，没有污染，没有粘性，并且满足硬度要求。

相反，如果桩定材料在其保质期到期后使用，或者有裂缝，或者它没有粘附到pcba或其元件上，则pcba应该重新加工，直到桩定满足规格要求。

实验室测试

在200℃下测试本公开的pcba的高温存活率。图2是所测试的pcba的图片。它与设置用于5vdc和400ma的负载箱连接。采用labview来控制和记录来自电源的数据。pcba在200℃的烘箱中连续测试797小时，之后无法满足负载箱的要求。图3显示了来自测试的最后一周的数据，表明在200℃的烘箱中累计797小时后电压突然下降。

此外，配备有本公开的pcb和多个传感器(方位角、倾角、总h场、总g场、俯角等)的定向钻井模块成功地通过了一系列旨在测试其在井下条件中的性能的测试。

在振动测试中，在175℃下对定向钻井模块施加20grms的随机振动。表1比较了测试前后的传感器信号的变化。观察到轻微的变化，但结果符合规范。

表1

在冲击试验中，冲击的幅度为500g。每次冲击以6个不同方向(即+x、-x、+y、-y、+z、-z)每次1ms的持续时间以半正弦波施加，在每个方向上进行10次冲击。在冲击测试期间对pcba供电。冲击试验分别在室温、150℃和175℃下进行。表2显示了在175℃的冲击试验之前和之后各种传感器的结果。

表2

还进行了不同温度下的扩展翻转测试。表3显示了在175℃下总计1000小时的方向模块的翻转测试的结果。

表3

在温度循环测试中，对方向模块进行了从室温到175℃的50个温度循环。结果显示于表4中。

表4

现场测试

在定向钻井中对包含本公开的pcba的mwd仪器进行现场测试。图4示出了定向钻井的曲线的一部分。表5示出了对应于图4中的部分的数据。该井的总深度为7947米。垂直部分的深度为7456米，水平部分的总长度为521米。构建部分的深度在约7372米至约7480米之间。水平部分从点a开始，其水平位移约为50米。点b是钻头的位置。产油区的温度约为165-170℃。mwd仪器在井下运行297小时至失效，然后更换。

表5

虽然在前面的说明书中已经关于本发明的某些优选实施例描述了本公开，并且已经出于说明的目的阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本公开内容易于改变并且确定在不脱离本公开的基本原理的情况下，本文描述的其他细节可以显着变化。另外，应当理解，本文的任何一个实施例中示出或描述的结构特征或方法步骤也可以用在其他实施例中。