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(gè)大型油田進(jìn)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(cè)井手段已經(jīng)無法滿足測(cè)井要求，隨鉆測(cè)井這一領(lǐng)先的測(cè)井技術(shù)，得到了廣泛應(yīng)用。

隨鉆測(cè)井是指在鉆井過程中，利用對(duì)隨鉆實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解釋儲(chǔ)層位置和井眼位置的測(cè)井手段。尤其是面對(duì)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(cè)井同時(shí)進(jìn)行，工作環(huán)境惡劣，井下溫度高，且伴隨巨大的振動(dòng)，對(duì)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(diǎn)[1]。

以往的同領(lǐng)域研究，對(duì)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(yàn)，對(duì)儀器進(jìn)行分析，提出高溫對(duì)器件的影響，并進(jìn)行耐溫散熱設(shè)計(jì)，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(duì)同類儀器如垂直鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等隨鉆測(cè)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(cè)量儀器，具有電阻率、伽馬、井斜、方位角及工具面的測(cè)量功能，現(xiàn)進(jìn)行了批量生產(chǎn)，在大慶、吉林油田進(jìn)行了多年應(yīng)用，具有較高的經(jīng)濟(jì)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(shí)井下高溫高振動(dòng)環(huán)境對(duì)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(jìn)行儀器的穩(wěn)定性提升設(shè)計(jì)。

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(jì)工作溫度。長期工作在高溫狀態(tài)下會(huì)影響元件的電氣性能。②儲(chǔ)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(huì)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(cè)量系統(tǒng)由遠(yuǎn)近接收天線從地層接收微小信號(hào)的測(cè)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(huì)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(dòng)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(cè)井的原始測(cè)量值，是毫伏級(jí)別的小信號(hào)，其進(jìn)入天線，經(jīng)過接收天線線圈、機(jī)械插針和ITT插頭后進(jìn)入電路板進(jìn)行運(yùn)算。儀器長時(shí)間處于振動(dòng)狀態(tài)下，如果傳輸過程不穩(wěn)定帶來信號(hào)干擾和噪聲，能夠直接影響測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致儀器測(cè)量值不準(zhǔn)。通過分析發(fā)現(xiàn)，井下高溫和高振動(dòng)的特殊環(huán)境對(duì)儀器穩(wěn)定性的影響較大。針對(duì)故障原因，進(jìn)行高溫和高振動(dòng)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(jì)

隨鉆測(cè)井儀器的主要高溫環(huán)境是井下工作期間，井下對(duì)于非專業(yè)高溫儀器的要求是能長時(shí)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(dá)到220℃。主要討論0～125℃工作溫度的環(huán)境。

井下振動(dòng)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(dòng)程度遠(yuǎn)大于鉆柱振動(dòng)，可以達(dá)到0.1～200 Gs.劇烈的縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)。隨鉆儀器為了及時(shí)反映井底數(shù)據(jù)，往往需要設(shè)計(jì)在距離鉆頭很近的位置，導(dǎo)致其處于強(qiáng)烈振動(dòng)區(qū)域。表現(xiàn)是鉆頭脫離井底一定高度發(fā)生縱向振動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，井底鉆具系統(tǒng)處于多種振動(dòng)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(gè)鉆具的振動(dòng)慣性以及鉆柱扭轉(zhuǎn)等因素的影響。導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量到的井下振動(dòng)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(shí)都要面對(duì)復(fù)雜的振動(dòng)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(shí)間工作在設(shè)計(jì)溫度以上，會(huì)導(dǎo)致輸出阻抗減少、信號(hào)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(shí)本身發(fā)熱無法避免，會(huì)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(huì)加速焊點(diǎn)的老化斷裂，所以有必要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

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(shí)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(huì)越高。儀器的散熱設(shè)計(jì)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(jì)密度、大功耗元件的位置分布等。在改進(jìn)設(shè)計(jì)前，DQ-LWD儀器是將PCBA進(jìn)行簡單的三防膠涂覆后直接放入儀器機(jī)械蓋板內(nèi)進(jìn)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(jìn)行額外的散熱設(shè)計(jì)。研究主要提出幾種方法：

1）元件與PCB基板之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)。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(jì)的儀器PCB絲印層直接鋪銅（GND地層），背面焊盤層進(jìn)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(jìn)行接觸散熱。設(shè)計(jì)后的PCBA從元件與PCB無散熱接觸面積變?yōu)檎麄€(gè)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)械殼體進(jìn)行接觸。設(shè)計(jì)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(jì)采用PCBA反面焊盤層設(shè)計(jì)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(jìn)行粘接），讓測(cè)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(jī)械蓋板與灌封膠之間接觸形成熱傳導(dǎo)。在后期裝配時(shí)，在硅膠墊外再涂覆一層導(dǎo)熱硅膠后，在硅膠固化之前進(jìn)行裝配?？梢赃M(jìn)一步提高PCBA與機(jī)械殼體的貼合的緊密性，增加散熱接觸面積。

設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)器件間的抗振保護(hù)。在完成耐熱涂覆的PCBA上進(jìn)行泡沫灌封膠的涂覆。這種涂覆的特點(diǎn)是灌封膠會(huì)在固化過程中，體積膨脹，膠體內(nèi)部充滿細(xì)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(shí)能增加元器件的一體性，降低共振頻率，保護(hù)器件。

2）電路板整體減振灌封：針對(duì)電路板整體抗振進(jìn)行灌封。其在固化的過程中體積會(huì)膨脹，使PCBA偏離固定的位置，且發(fā)泡膠流動(dòng)性差，單點(diǎn)傾倒會(huì)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(dú)設(shè)計(jì)電路灌封工裝，進(jìn)行全封閉固定灌封。在電路蓋板上設(shè)計(jì)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(jìn)行加熱固化，待膠體充分膨脹后從夾具上取下，進(jìn)行使用。新型減振設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)減振效果。

3　性能檢測(cè)及應(yīng)用情況

將散熱設(shè)計(jì)后的灌封電路放入高溫箱進(jìn)行循環(huán)溫升實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行儀器腔內(nèi)溫度測(cè)量，環(huán)境溫度通過高溫箱進(jìn)行控制并記錄。結(jié)果表明，在環(huán)境溫度上升時(shí)，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(duì)比實(shí)驗(yàn)，未進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)的PCBA溫度普遍高于環(huán)境溫度。證明該設(shè)計(jì)可以有效的進(jìn)行元件的功耗散熱，儀器可以長時(shí)間工作在125℃的井下環(huán)境中。

改進(jìn)設(shè)計(jì)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(qiáng)度為7.48 kV/mm，彈性模量556 MPa，剪切強(qiáng)度為25 MPa，拉伸強(qiáng)度為35 MPa,在振動(dòng)測(cè)試臺(tái)上模擬井下振動(dòng)，以X軸沖擊速度為30 m/s、50 m/s進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(dòng)能，緩和井底振動(dòng)沖擊，降低應(yīng)力幅值的作用。采取耐溫抗振設(shè)計(jì)的儀器2017年在大慶、吉林油田的97口水平井中進(jìn)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(cè)量儀器的故障現(xiàn)象，從元件性能失效和物理損壞2個(gè)方面，總結(jié)故障原因，確定高溫和振動(dòng)是儀器損壞的主要因素。

2）對(duì)儀器所處的高溫環(huán)境進(jìn)行分析，將減少元件熱阻作為耐高溫性設(shè)計(jì)的主要思路，提出4種PCBA散熱涂覆設(shè)計(jì)，實(shí)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(jì)后的PCBA可以長時(shí)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(jìn)設(shè)計(jì)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(jìn)一步應(yīng)用。