本公開總體上涉及用于為井眼裝置提供沖擊和振動(dòng)保護(hù)的裝置和方法。

背景技術(shù)：

碳?xì)浠衔锏目碧脚c生產(chǎn)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(cè)量工具和生產(chǎn)裝置(例如壓裂工具)。電子部件可被設(shè)置在井下用于各種目的，諸如控制井下工具、與地面進(jìn)行通信以及存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)。這類電子部件通常包括被封裝以提供保護(hù)免受井下條件(包括溫度、壓力、振動(dòng)和其他熱機(jī)械應(yīng)力)的影響的印刷電路板(PCB)。

在一方面，本公開解決了增強(qiáng)對(duì)井眼中使用的電子部件和其他沖擊和振動(dòng)敏感裝置的沖擊和振動(dòng)保護(hù)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在各個(gè)方面，本公開提供了一種用于保護(hù)井眼中使用的電子模塊的設(shè)備。該設(shè)備可包括：具有至少一個(gè)凹穴形成在其上的外圓周表面的井眼管柱區(qū)段；與至少一個(gè)凹穴相關(guān)聯(lián)的支架；以及包圍井眼管柱區(qū)段的套筒。支架可包括殼體、蓋，以及偏壓構(gòu)件。殼體接收電子模塊并且位于至少一個(gè)凹穴的支撐表面上。蓋將殼體封閉在至少一個(gè)凹穴內(nèi)。偏壓構(gòu)件定位在蓋與殼體之間。套筒可將蓋壓在偏壓構(gòu)件上并且偏壓構(gòu)件可相應(yīng)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(hù)井眼中使用的電子模塊的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括：具有多個(gè)凹穴沿圓周分布在其上的外圓周表面的井眼管柱區(qū)段；與每個(gè)凹穴相關(guān)聯(lián)的支架；以及套筒。每個(gè)支架可包括：定位在每個(gè)凹穴的支撐表面上的傳熱墊；接收并氣密地密封相關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)的凹穴內(nèi)的蓋；以及定位在蓋與殼體之間的偏壓構(gòu)件。套筒包圍井眼管柱區(qū)段并將每個(gè)支架的每個(gè)蓋固定在相關(guān)聯(lián)的凹穴內(nèi)。套筒干涉地接合每個(gè)蓋以壓縮相關(guān)聯(lián)的偏壓構(gòu)件，并且每個(gè)偏壓構(gòu)件相應(yīng)地迫使相關(guān)聯(lián)的殼體抵靠在相關(guān)聯(lián)的傳熱墊上。另外，每個(gè)凹穴可包括將每個(gè)凹穴連接到井眼區(qū)段中的隔室以便接收電氣設(shè)備的至少一個(gè)通道。

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

已經(jīng)對(duì)本公開的某些特征的實(shí)例進(jìn)行了相當(dāng)廣泛地概括，以便可以更好地理解本公開的以下詳細(xì)描述且以便可以認(rèn)識(shí)到它們對(duì)本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

附圖說明

為了更詳細(xì)地理解本公開，應(yīng)該結(jié)合附圖參考以下各實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中相同的元件用相同的數(shù)字來表示，其中：

圖1示出了根據(jù)本公開的可以使用一個(gè)或多個(gè)支架的井系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本公開的可以使用支架加以保護(hù)的電子模塊的一個(gè)實(shí)施例；

圖3示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的具有由支架保護(hù)的多個(gè)電子器件的BHA的一部分的端視圖；

圖4示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)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(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的可以與支架一起使用的鎖止裝置。

具體實(shí)施方式

鉆探條件和動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生持續(xù)且強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)事件。這些事件可導(dǎo)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(gè)方面，本公開提供了用于保護(hù)這些部件免受與這類沖擊事件相關(guān)聯(lián)的能量的影響的安裝件和相關(guān)方法。

現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出了利用井眼管柱12的鉆探系統(tǒng)10的一個(gè)說明性實(shí)施例，該鉆探系統(tǒng)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(yīng)用于海底鉆探系統(tǒng)。井眼管柱12可從鉆井裝置20懸掛下來并且可以包括接續(xù)管或連續(xù)管。在一種構(gòu)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(píng)估(FE)接頭36，以及旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置(諸如鉆探馬達(dá)38)。傳感器接頭32可包括用于測(cè)量近鉆頭方向(例如BHA方位和傾斜度、BHA坐標(biāo)等)的傳感器以及用于進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向勘測(cè)的傳感器和工具。所述系統(tǒng)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(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)、泥漿脈沖發(fā)生器和/或使用硬連接線(例如電導(dǎo)體、光纖)傳送的聲學(xué)信號(hào)、EM或RF產(chǎn)生的上行鏈路和/或下行鏈路。

結(jié)合到BHA 14中的一個(gè)或多個(gè)電子模塊24或者井眼管柱12的其他部件可包括提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理、通信和/或BHA 14的控制所需的部件。這些部件可被設(shè)置在形成于井眼管柱12中或形成于井眼管柱12上的適當(dāng)?shù)母羰抑?。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?qǐng)D2，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(gè)非限制性實(shí)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(cè)裝置，或者頻率源、聲學(xué)傳感器、陀螺儀、加速計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)等，敏感機(jī)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(shù)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(zhuǎn)力并因此得益于下文描述的封裝殼體和分層保護(hù)裝置的保護(hù)。

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

圖3示意性地示出了一種用于保護(hù)模塊24(圖2)免受沖擊和振動(dòng)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(qū)段102中。例如，區(qū)段102可以為鉆環(huán)、接頭、接續(xù)管的一部分，或者BHA 14。支架100可被固定在凹穴104內(nèi)，凹穴104形成在區(qū)段102的外圓周表面106上。套筒110包圍區(qū)段102并將支架100固定在凹穴104內(nèi)。套筒110可以由非磁性材料(諸如不銹鋼)形成。盡管示出四個(gè)支架100沿圓周分布在區(qū)段102上，但是應(yīng)該理解的是，可以使用更多或更少數(shù)量的支架100。在各個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)普通的連續(xù)套筒110固定多個(gè)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(gè)實(shí)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(nèi)。凹穴104可以預(yù)成形或機(jī)加工(例如軋制)成區(qū)段102并且包括連接到模塊24(圖2)用于接線和其他設(shè)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(shè)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(gòu)件140。

殼體120為模塊24(圖2)提供了氣密密封的環(huán)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(fù)合材料或其他材料類似的熱膨脹?？梢允褂脙?nèi)部連接件124和外部連接件126進(jìn)行電連接到模塊24。應(yīng)該理解的是，針對(duì)殼體120所示的構(gòu)造僅僅是可以與根據(jù)本公開所述的支架100結(jié)合使用的殼體120的一個(gè)非限制性實(shí)例。

蓋130將殼體120封閉在凹穴104內(nèi)。蓋130可包括用于接收偏壓構(gòu)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(yùn)動(dòng)最小化的肩部134或其他類似特征件。如本文所使用的，術(shù)語軸向是指沿著井眼管柱12(圖1)的縱向方向。參照?qǐng)D5，蓋130可以可選地包括將蓋130固定在凹穴104內(nèi)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(dāng)?shù)臉?gòu)形137的彈簧偏壓球或其他鎖定機(jī)構(gòu)。蓋130可由適當(dāng)?shù)姆谴判圆牧?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(dòng)的傾斜或有坡度的部分139。

偏壓構(gòu)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(gòu)件140可以為具有足以產(chǎn)生持久彈簧力的彈性變形范圍的任何結(jié)構(gòu)。如圖所示，偏壓構(gòu)件140可以為具有壓縮接觸殼體120的一個(gè)或多個(gè)頂點(diǎn)區(qū)142的葉片彈簧。盡管示出了頂點(diǎn)區(qū)142在偏壓構(gòu)件140的中間區(qū)段，但是應(yīng)該理解的是，頂點(diǎn)區(qū)142可以分布在整個(gè)偏壓構(gòu)件140上。例如，頂點(diǎn)區(qū)142可以位于偏壓構(gòu)件140的遠(yuǎn)端144處?？梢云渌麖椈?，諸如螺旋彈簧或彈簧墊圈。此外，可以使用加壓流體產(chǎn)生彈簧力。另外，盡管示出了點(diǎn)接觸，但是應(yīng)該理解的是，偏壓構(gòu)件140可被形成為分布相當(dāng)大的表面區(qū)域的壓縮力的本體，諸如墊。偏壓構(gòu)件140可以保持在凹部132中的適當(dāng)?shù)陌疾刍颡M槽中。

一些實(shí)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(gè)非限制性實(shí)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(dāng)經(jīng)受變形時(shí)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(qū)段102和/或提供沖擊吸收的任何材料形成。

應(yīng)該理解的是，根據(jù)本公開所述的支架容許進(jìn)行各種變型。例如，可以使用周向彈簧將支架固定在凹穴內(nèi)。

不再參照?qǐng)D1-圖5，在一種使用模式中，首先將每個(gè)模塊24插入殼體120中。將內(nèi)部電連接件124進(jìn)行組裝并且將殼體120氣密地密封。接下來，將殼體120設(shè)置在凹穴104中，并且將導(dǎo)線(未示出)連接到外部電連接件126。然后將蓋130和偏壓構(gòu)件140設(shè)置在殼體120上方。壓下蓋130使得鎖止構(gòu)件136將蓋130扣進(jìn)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(dòng)。套筒110干涉地接合蓋130，因?yàn)楫?dāng)蓋130擱置在松弛的偏壓構(gòu)件140上時(shí)，套筒110的內(nèi)表面比蓋130的外表面更徑向向內(nèi)。該干涉接合迫使蓋130徑向向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，這壓縮了偏壓構(gòu)件140。響應(yīng)于被壓縮，偏壓構(gòu)件140將殼體120壓在傳熱墊160上。因此，模塊24的橫向運(yùn)動(dòng)受到限制，即橫向于工具的縱向軸線的運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)或者通常為滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)最小化。

在井眼16中的鉆探或其他活動(dòng)期間，區(qū)段102可能遭遇沖擊和振動(dòng)。有利地，當(dāng)經(jīng)受這些運(yùn)動(dòng)時(shí)，支架100使殼體120和封閉模塊24在橫向和軸向方向上的運(yùn)動(dòng)最小化。另外，傳熱墊160將熱量從殼體120傳導(dǎo)到合適的散熱器，諸如在井眼管柱12中流動(dòng)的鉆探泥漿。

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