用于井下鉆具設計的高溫電子器件介紹

關(guān)于設計井下石油和天然氣鉆具，存在各種各樣的規定，其目的是要滿(mǎn)足這種惡劣工作環(huán)境的諸多苛刻要求。除機械設計完整性和特種金屬選擇以外，對于能夠嵌入到這些工具中的一些堅固耐用電子器件的需求也至關(guān)重要。在這些系統中使用一些現代電子器件，可以捕獲更多關(guān)于油氣構造以及鉆柱位置和方向的數據。這讓我們可以更加容易地找到和利用這些寶貴的資源。

　　幾種工具必須在極端環(huán)境下工作，同時(shí)由于空間的限制，其必須將許多復雜的電子器件集成到一個(gè)非常小的空間中。其中的兩個(gè)例子是隨鉆測井 (LWD) 和隨鉆測量 (MWD) 工具。這些系統必須實(shí)時(shí)檢查鉆柱和圍巖，從而讓在地面上的鉆探工能夠控制鉆探的位置。在地表以下幾千米深的地方記錄測井數據和操作鉆頭的能力，讓更高效的資源回收成為現實(shí)。

　　在現代鉆探使用的所有電子器件中，最為常用的是數據采集器件，其目的是實(shí)現更好、更高效的鉆探。能夠采集到的巖層相關(guān)測井信息越多，意味著(zhù)對位置和回收情況的判斷越準確。數據采集系統的典型結構圖包括多個(gè)放大器，它們直接使用來(lái)自傳感器的數據，并將其提供給模數轉換器 (ADC)(請參見(jiàn)圖 1)。之后，對這種數字數據進(jìn)行處理，然后提供給其他工具，或者通過(guò)通信器件傳到地面。需要使用電源管理和固態(tài)電壓參考電路，以向所有系統提供輸入，其為所有設計的關(guān)鍵組件，特別是許多都改為電池供電以后。

　　圖 1 典型高溫數據采集結構圖

　　由于全世界對石油和天然氣的需求不斷增長(cháng)，對這些重要資源的更高效鉆探變得尤為重要。相比目前的一些鉆井，這些碳氫化合物的位場(chǎng)越來(lái)越深，由此而來(lái)的溫度也越來(lái)越高。因此，能夠承受極端高壓和 200℃高溫的一些工具就成為必要。如果想要在沒(méi)有昂貴冷卻解決方案的情況下滿(mǎn)足這些高溫要求，則用于提供地層詳細信息、通信以及對這些工具進(jìn)行控制的電子器件，要求半導體取得這種應用資格。

　　高溫電子器件讓鉆頭操縱和水平鉆法成為現實(shí)，從而最大化產(chǎn)油層。這些工具中的電子器件還擁有眾多的測量功能，包括深度及方向、壓力、溫度、巖層電阻率、背景伽馬輻射、鉆柱張力、振動(dòng)、旋轉度，以及許多其他傳感器輸入。

　　用于許多陸基井和一些監測儲層溫度和壓力的永久安裝工具的測井工具，均為同樣具有高溫電子器件的其他類(lèi)工具。它們都可以幫助最大化石油的回收。

　　相比只考慮給定溫度下器件的工作情況，整套電子井下鉆具的可靠設計需要考慮的因素更多。目前的一些工具中所使用的大多數半導體，一般都只能在 125℃以下溫度工作。然而，人們經(jīng)常在超出其數據表規定的環(huán)境下使用它們。這樣便帶來(lái)許多硅電路溫度性能以及電路可靠性和封裝方面的問(wèn)題。高溫半導體的質(zhì)量和可靠性要求，使得必需對它們進(jìn)行正確的描述、規定、測試和資格認定，以達到能夠滿(mǎn)足具體應用的某種工藝水平。由于一般鉆井時(shí)間都少于1000小時(shí)，因此我們可以對多種半導體工藝技術(shù)進(jìn)行合格認定，并使用它們，具體包括標準塊硅和絕緣體上硅結構 (SOI)。

　　如果溫度超過(guò)150℃，則半導體特性會(huì )改變，因此我們必須了解其本身可靠性，以正確地對器件進(jìn)行高溫應用的資格認定。高溫下的一些失效機理包括電遷移 (EM)、時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿 (TDDB)、負偏置溫度不穩定性 (NBTI)，以及熱載流子注入。所有這些都會(huì )縮短塊硅和SOI器件的壽命，而且對它們來(lái)說(shuō)都很常見(jiàn)。

　　如何對井下系統電子器件進(jìn)行封裝非常重要，因為將工具安裝在某個(gè)鉆頭上面后其必須要能夠承受高溫、振動(dòng)和碰撞。用于封裝標準半導體的一般塑封材料會(huì )降解，并不能在 200℃下提供足夠的運行可靠性。陶瓷密封封裝或者陶瓷多片組件 (MCM)是硅保護最常用的封裝。利用MCM和混合封裝時(shí)，使用合格的優(yōu)質(zhì)芯片 (KGD) 可以節省空間，從而提高集成度。所有有源設計組件都集成到芯片中并貼裝在陶瓷基片上，這時(shí)便可以實(shí)現更小體積的解決方案。

　　常用于陶瓷封裝的一些合格測試包括溫度循環(huán)、機械沖擊、接合強度、振動(dòng)、氣密性以及熱沖擊。陶瓷封裝的一個(gè)例子是四方扁平封裝 (QFP)，其用于如ADS1278- HT八進(jìn)制24位 ADC(請參見(jiàn)圖 2)等高引腳數組件。引線(xiàn)修剪成型以后，該器件便可以裝配到20-mm寬印刷電路板上。

　　圖 2 用于高引腳數器件的陶瓷四方扁平封裝

　　所有合格認定和測試的目標都是為了獲得可靠的電子器件，消滅故障時(shí)間。電子器件井下故障時(shí)，取出和更換需要花費時(shí)間—有時(shí)甚至長(cháng)達數日。鉆井架停工的每一個(gè)小時(shí)代價(jià)都非常高昂，離岸鉆探更是如此。使用適應這種環(huán)境的一些器件，電子組件可以更加健壯，也更不易出現故障。

　　高溫井下工具要求大量不同類(lèi)型的有源半導體器件，從諸如運算放大器 (op amp) 和數據轉換器等模擬組件到電源管理和嵌入式處理器。通過(guò)固定資格和特性描述，標準工藝技術(shù)和標準設計可用于提高這些工具的生產(chǎn)率和耐受性。