用于振動和衝擊能量衰減和耗散的封裝結構和材料以及相關的方法與流程
2023-05-02 23:26:38 1
本發明總體上涉及用於為井筒裝置提供衝擊和振動保護的裝置和方法。
背景技術：
碳氫化合物的勘探和生產通常需要使用被下降到井筒中的各種工具，諸如鑽探組件、測量工具和生產裝置(例如壓裂工具)。可以將電子部件設置在井下用於各種目的，諸如控制井下工具、與地面進行通信以及數據的存儲和分析。這些電子部件通常包括被封裝以提供保護免受井下狀況(包括溫度、壓力、振動和其它熱機械應力)的影響的印刷電路板(PCB)。
在一方面，本發明解決了提高對電子部件以及井筒中使用的其它衝擊和振動敏感裝置的衝擊和振動保護的需要。
技術實現要素：
在各方面，本發明提供了一種用於保護在井筒中使用的模塊的設備。該設備可以包括與模塊相關聯的多個衝擊保護元件。多個衝擊保護元件相配合地具有對所施加衝擊事件的宏觀非線性彈簧響應。多個衝擊保護元件可以至少包括外殼以及將模塊與外殼連接的減震器。
在各方面，本發明提供了一種用於保護在井筒中使用的模塊的方法。該方法可以包括將模塊包圍在多個衝擊保護元件內，其中多個衝擊保護元件至少包括：外殼以及將模塊與外殼連接的減震器；將模塊設置在井筒中；以及使模塊經受衝擊事件，其中多個衝擊保護元件相配合地具有對衝擊事件的宏觀非線性彈簧響應。
為了更好地理解本發明的以下詳細描述以及為了可以更清楚它們對本領域的貢獻，相當廣泛地概括了本發明某些特徵的示例。
附圖說明
為了詳細地理解本發明，應當結合附圖參考實施例的以下詳細描述，其中相同的元件採用相同的附圖標記，其中：
圖1示出了根據本發明可以使用一個或多個衝擊保護器的井系統的示意圖；
圖2A示意性地示出了根據本發明使用細長的支撐件的衝擊保護器的一個實施例；
圖2B用等角視圖示出了圖2A的衝擊保護器；
圖3A示意性地示出了根據本發明使用多個衝擊吸收和衰減層的衝擊保護器的一個實施例；
圖3B示出了在衝擊事件期間圖3A的衝擊保護器的代表性行為的曲線圖；
圖4A示意性地示出了根據本發明的包括具有流體的多孔介質的衝擊保護器的一個實施例；
圖4B示意性地示出了在衝擊事件期間圖4A的衝擊保護器的代表性流體運動；
圖5示意性地示出了根據本發明使用晶格結構的衝擊保護器的一個實施例；
圖6A示意性地示出了根據本發明使用彈性墊圈的衝擊保護器的一個實施例；
圖6B示意性地示出了根據本發明使用流體的彈性墊圈的一個實施例；
圖6C示意性地示出了根據本發明使用多個彈性層的彈性墊圈的一個實施例；
圖6D用等角視圖示出了使用沿著不同平面定向的多個彈性墊圈的根據本發明的實施例；
圖7A示意性地示出了衝擊保護器和相關聯的電子模塊在鑽柱環中的定位。
圖7B示意性地示出了用於保護被直接安裝到鑽柱的一部分的電子模塊的示例性衝擊保護器；
圖7C示意性地示出了根據本發明可以請求與衝擊保護器連接的電連接件；
圖7D-圖7E示意性地示出了可以與被定位在艙口中的封裝模塊一起使用的根據本發明的實施例的示例性衝擊保護器；以及
圖7F示意性地示出了圖7E實施例的截面側視圖。
具體實施方式
鑽探狀況和動力學產生持續且強烈的衝擊和振動事件。這些事件可誘發鑽柱中使用的裝置和部件中的電子器件故障、疲勞和加速老化。在各方面，本發明提供了用於保護這些部件免受與這些衝擊事件相關聯的能量的影響的裝置和方法。本發明的各實施例可以使用與結構元件和材料結合的分層的、分級的和/或阻尼結構以實現宏觀非線性彈簧行為、衰減和耗散。這些結構可以保護傳感器、電子器件和組件免受振動和衝擊能量的影響。在一些實施例中，層可以呈現出彈性、粘彈性、阻尼或液壓氣動特性。本發明的結構和方法可以通過限制在衝擊事件和隨機振動期間耦合到結構的瞬時機械能(P(t))水平使結構損壞、彈性變形限制以及由於變形導致的循環疲勞最小化。
參考圖1，測井、生產和/或鑽探系統10的示例性實施例包括輸送裝置，諸如被示出設置在井筒14中的井筒柱12，所述井筒14在鑽探、測井和/或碳氫化合物生產操作期間穿透至少一個地球巖層16。輸送裝置可以包括一個或多個管道部分、形成工具柱的各段的撓性管、井下牽引器或者下降工具。在一個實施例中，系統10還包括井底鑽具組件(BHA)20。在一個實施例中，BHA 20或者井筒柱12的其它部分包括被配置成估計地層14、BHA 20和/或井筒柱12的至少一個特性的鑽探組件和/或測量組件，諸如井下工具22。
工具22連接到適當的電子器件用於接收傳感器測量結果、存儲或傳輸數據、分析數據、控制工具和/或執行其它功能。這些電子器件可以在井下被結合在電子模塊24中，和/或被結合在表面處理單元26中，電子模塊24被結合作為工具22或柱12的其它部件的一部分。在一個實施例中，電子模塊24和/或表面處理單元26包括根據需要提供數據存儲和處理、工具22的通信和/或控制的部件。在電子模塊中的示例性電子器件包括印刷電路板組件(PCBA)和多晶片模塊(MCM)。
模塊24可以為BHA的工具儀器模塊，其可以是液晶壓力或溫度檢測裝置，或者頻率源、傳感器聲學裝置、陀螺儀、加速計、磁力計等，敏感機械組件、MEM、多晶片模塊MCM、印刷電路板組件PCBA、柔性PCB組件、混合式PCBA安裝裝置、具有層壓基板的MCM MCM-L、具有陶瓷基板的多晶片模塊，例如LCC或HCC、採用球柵陣列或者銅堆互連技術的緊湊型集成電路IC堆疊組件等。所有這些類型的模塊24通常由不能承受彎曲力和扭轉力並因此有利於保護以下描述的封裝殼體和分層保護裝置的脆且易碎的部件製成。
下文描述了用於保護衝擊和振動敏感設備的示例性結構，諸如電子模塊24(圖1)。為了便於討論，這些結構將被稱為衝擊保護器。然而，應當理解，這些結構在保護設備免受振動的影響方面同樣有效。雖然在電子模塊的環境中討論了本文描述的實施例，但是各實施例可以與將受益於具有高阻尼、高熱傳導和/或低疲勞應力的結構的任何部件結合使用。此外，雖然在井下工具、部件和應用的環境中描述了本文的實施例，但是實施例並不限制於此。
圖2A-圖2B示意性地示出了用於保護一對模塊24免受衝擊和振動的影響的衝擊保護器100的一個實施例。圖2A是在圖2B中用等角視圖示出的衝擊保護器的截面視圖。模塊24可以被固定在形成為「H形梁」的底盤50中。衝擊保護器100可以包括分布在底盤50周圍的多個彈性支撐件102以及插在每個模塊24與底盤50之間的一個或多個墊104。在該非限制性實施例中，使用了兩對不同尺寸的支撐件102。如本文所使用的，術語「彈性」是指其中材料具有彈性變形區域和塑料變形區域且其中彈性變形區域具有吸收/耗散與衝擊事件相關聯的能量的至少一部分的能力的連接。壓力筒106封裝衝擊保護器100和模塊24。衝擊保護器100和相關聯的電子模塊24定位在柱12的孔內(圖1)，使得鑽探泥漿流圍繞並浸沒壓力筒106。
在一種布置中，支撐件102形成模塊24與壓力筒106之間的彈性連接裝置。因此，在某種意義上，模塊24可以看作是通過支撐件102懸置在壓力筒106中。支撐件102可以形成為沿著縱向工具軸線54(圖2B)被拉長的條帶。支撐件102的軸向長度可以被選擇以在「波腹」處抵抗工具本體運動。在操作期間，正弦波可以沿著鑽柱12(圖1)和BHA 20(圖1)傳播。這些波使鑽柱12(圖1)和BHA 20(圖1)相對於軸線54(圖2B)橫向位移。最大位移(或幅度)的位置被稱為波腹。在一種布置中，可以使用諸如模擬或測試的方法沿著BHA 20(圖1)定位波腹以及確定共振和傳輸率。支撐件102可以沿著長度放置以為模塊24提供剛性和阻尼。例如，支撐件102可以具有足以防止壓力筒106在支撐件102處圍繞壓縮接觸點樞轉的軸向長度。
在各實施例中，支撐件102可以圍繞底盤50周向排列並被固定到底盤50上。例如，支撐件102可以如圖所示以90度間隔來定相。儘管示出了四個支撐件102，但是可以使用更多或更少數量的支撐件。在各實施例中，支撐件102對稱地布置，使得相對的支撐件102可以相配合地工作以使衝擊和振動能量衰減和耗散。
支撐件102可以包括本體110和設置在外表面114上的多個肋112。肋112的高度大於壓力殼體106的外表面114與內表面116之間的間隙空間。因此，在模塊24已經被插入壓力殼體106中之後，肋112壓縮並引起本體110上的預定量的預加載。另外，本體110的形狀和體積可以被選擇以在衝擊事件期間產生主剪切應力。在所示的實施例中，本體110具有穹形部分116，該穹形部分116具有被選擇以吸收與預期的衝擊事件相關聯的剪切應變的質量。另外，肋112和本體110可以被成形為在本體110中產生相對高的剪切應變，而非純壓縮載荷。
在一個實施例中，支撐件102由表現出高阻尼行為的複合材料形成。用於支撐件102的適當材料具有範圍在100至大約200MPa的彈性模量，諸如道康寧(Dow Corning)的1-4173。一種非限制性的適當材料在彈性粘合劑中具有玻璃纖維。複合材料是高溫材料，其性能不受高溫影響。
壓力筒106用作電子模塊24(在下文中稱為「模塊」)的保護性外殼並且可以由相對硬的材料(諸如金屬)形成。在一個實施例中，墊104可以被配置為設置在模塊24與底盤50之間的粘彈性阻尼墊或者阻尼層。粘彈性材料具有剛度，其對應於範圍在例如大約0.5MPa至大約5MPa的彈性模量。示例性粘彈性材料是聚合體或彈性體，諸如DOW CORNING3-6651導熱彈性體。
應當認識到的是，圖2A實施例使用了用於管理衝擊事件的分層結構。最初，壓力筒106吸收衝擊能量中的一些並且將其餘部分傳送給支撐件102。在肋112處的壓縮接觸使得該衝擊能量在本體110中產生剪切應變。在衝擊能量被傳送到底盤50和模塊24之前，本體110的材料將衝擊阻尼。進一步的阻尼由墊104提供，墊104阻尼了模塊24的運動。應當認識到的是，上述實施例使由衝擊事件產生的力向量和模塊24的速度向量的標量積最小化。因此，外部動能被吸收並且耗散離開模塊24。如同樣應當認識到的是，這些元件中的每一個的幾何形狀、材料和定位可以根據需要進行配置以使預期的衝擊和振動能量衰減和耗散。
現在參考圖3A，示出了本發明的另一個實施例，其使用了包括部分或完全圍繞模塊24的多個層142、144、146的衝擊保護器100。部分圍繞，是指包圍模塊24的至少兩側。完全圍繞，是指包圍模塊24的所有側，而且使所需要的通道允許布線進入並連接到模塊24。層142-146中的至少一個可以是彈性的。層142-146可以是對稱的、連續階梯式的或者具有離散步調。每個層142-146可以具有允許層142-146相配合地保護模塊24免受衝擊和振動的不同的阻尼和粘彈性性質。
層142-146可以被配置成表現出複合非線性彈簧行為。每個層142-146的幾何形狀和材料可被設計成響應於不同範圍的衝擊(瞬時)和振動(隨機)頻率頻譜。進一步地，層142-146可被構造成使得它們在衝擊事件期間被順序激勵和壓縮。具有不同粘彈性和阻尼特性的層142-146的串行連續作用可以產生非線性宏觀阻尼彈簧效果。因此，這些衝擊保護元件/層相互配合具有對所施加的衝擊事件的宏觀非線性彈簧響應。
圖3B的曲線圖148中示出了每個層142-146響應於所施加的衝擊能量的代表性行為。曲線圖148示出沿著「x軸」的頻率(Hz)以及沿著「y軸」的衝擊和振動的有效衰減(dB)。曲線圖148進一步示出了三個層142、144、146對所施加的衝擊事件的響應。每個層142、144、146被配置成具有如圖由線150、152、154分別示出的不同的響應。然而，響應150、152、154整體上導致由線156示出的淨有效衰減。線156示出了外部封裝表面與內部模塊的結構隔離的相互作用。
通過改變一個或多個材料性質或幾何性質可以獲得不同的響應：例如厚度、體積質量密度、剛性、阻尼、蠕變、鬆弛、共振峰值、Q因數、特定阻尼能力、損失角d(δ)、β角、自由固有頻率、振動自由衰變、斷裂拉伸強度、斷裂伸長率、蠕變比、拉伸彈性應力(％應變)、壓縮變定、壓縮應力(％應變)、撕裂強度、體積模量、泊松比、靜態和動態摩擦係數、密度、比重、玻璃轉變、發火溫度、回彈性測試回彈高度、介電強度、動態楊氏模量(頻率)、tanδ(頻率)、阻尼比、細菌和真菌抗性、對流體(液壓流體、煤油、柴油、皂溶液等……)的耐化學性、空氣中的聲音傳輸損失、衝擊吸收壽命周期、阻尼係數溫度範圍、百分比載荷撓度滯變等。
適當材料的代表性列表包括但不限於，在至少一個氣體阻擋層(例如加壓囊)材料與至少一個彈性材料之間改變的微層(例如10-100微米厚)；熱固性聚醚基聚亞氨酯粘彈性材料，諸如聚氨酯橡膠(SORBOTHANE)。如本文所使用的，粘彈性材料為當經歷變形時既具有粘性特性又具有彈性特性的材料。通常來講，粘彈性材料在載荷下變形且在多個方向上傳送力並且當載荷被移除時返回到其原始形狀。變形處於分子水平，或者換一種說法，為分子重排。另外，粘彈性材料具有相對高的δ的正切。δ的正切為無量綱項，其表達衝擊事件與力到物體的傳輸之間的異相時間關係。在一些實施例中，適當的粘彈性材料的性質可以為：190PSI至220PSI的斷裂拉伸強度、2-3gPascal的體積模量、0.4至0.6的泊松比、在5赫茲至50赫茲之間為100-300的動力學楊氏模量，以及在5赫茲至50赫茲之間為0.4-0.6的tanδ。
現在參考圖4A，示出了根據本發明的另一個衝擊保護器100，該衝擊保護器同樣使用部分或完全圍繞電子模塊24的一個或多個層170。在該實施例中，層170中的至少一個包括網絡矩陣式的填充有流體的互連多孔空間。當受到外部衝擊或振動時，流體經由多孔互連通道部分地或完全地圍繞電子模塊24運動。部分地，是指流體不是沿著模塊24的所有側流動。完全地，是指流體在模塊24的兩個相對側之間完成流動。因此，流體用作阻尼液壓作用的流體。如圖所示並相對於衝擊事件的方向，流體最初可以在不平行的方向上運動。流動可以切換到與衝擊事件的方向對準的流動上並且然後回到不平行的流動上。
圖4B示出了在衝擊事件期間的流體運動。流體180被示為在蜂窩式結構182中。流體可以是液體、氣體、凝膠、油脂或可流動的任何其它物質。衝擊184被示為在將稱為軸向方向的方向上。流體180通過沿由箭頭186、188所示的非軸向方向流動而作出反應。箭頭186、188與衝擊184的方向不平行。如圖所示，該非軸向方向可以是正交的，或流動向量可以具有正交和軸向分量。流體的非軸向運動將衝擊事件的能量偏轉以由此保護電子模塊24。
圖4B的衝擊保護器100可以使用打開或關閉的蜂窩式結構182。也就是說，蜂窩式結構182可以是可滲透的並且允許流體通過互連孔圍繞電子模塊24循環。蜂窩式結構182也可以是關閉的。在關閉的蜂窩式結構182中，流體可以被截留在變形(例如，從圓形到橢圓形)的腔體中。
在所示的實施例中，流體可以是兩個表面之間的膜。表面中的一個或二者可以塗覆有與油脂化學或物理地相互作用的材料。例如，油脂膜可以插置在兩個塗覆板之間。減小板之間的間隙迫使油脂膜橫向運動。
現在參考圖5，示出了根據本公開用於保護電子模塊24不受衝擊和振動的另一個示例性衝擊保護器100。在該布置中，模塊24位於內部管件222與外部管件224之前的環形空間220中。鑽井流體流過內部管件222的孔230。衝擊保護器100可以使用晶格230來耗散衝擊能量並且將衝擊能量圍繞模塊24傳送。晶格230還可以被設計為具有ESD保護特性、熱導率和/或散熱特性。
晶格230可以使用適用於管理多軸衝擊載荷的複雜三維架構。該架構可以包括被配置為主要傳送彎曲度、主要傳送拉伸和/或主要傳送壓縮載荷的數個構件。「主要地」意味著構件被具體設計用於具體類型的載荷：例如，桁架240或由直立構件構造的其它類似三角形結構，所述直立構件的端部連接在接頭處並且被定向為處理拉伸和壓縮載荷；用於傳輸壓縮載荷的支柱242；用於支撐支柱242和其它結構構件的基座244；用作外邊或外部防護體的穹頂246；用於穩定主要結構(例如，支柱242)的圍樑248或水平樑；以及角撐板248或類似相對較厚且剛性板材，其用於將圍樑248的樑連接至支柱242或連接桁架構件240。這些特徵可以全部具有不同定向、連接件(例如，固定與鉸接)和形狀(例如，板、杆、帶、棒等)。在衝擊載荷期間，晶格230將模塊周圍的載荷連通。
在某些實施例中，一個或多個緊固構件250(諸如閂鎖)可以用於模塊24的封裝的快速組裝或卸除。緊固構件250可以用於將穹頂246和其它所述結構元件鎖定在一起。某些實施例還可以包括熱耦合墊250，其將熱量汲取遠離模塊24並且輸送散熱物，諸如流動鑽井流體252。
現在參考圖6A至圖6C，示出了根據本公開的用於保護模塊24的衝擊保護器100的另一個實施例。衝擊保護器100可以包括墊282和一個或多個墊圈284。墊282可以由粘彈性材料形成並且插入在模塊24與圍繞基座286之間。墊圈284可以形成為包圍緊固件288的套管類管件，所述緊固件288通過合適的附件(例如，螺紋連接件)將模塊24固定至基座286。如下文討論，墊圈284允許模塊24與基座286之間的連接件具有彈性。
圖6B示出了包括外殼292和多孔材料294的墊圈284的一種配置。多孔材料294可以分布在連接上隔室298與下隔室300的流動通道296中。外殼296可充分變形以允許隔室298、300中的體積變化。諸如油脂的粘性流體302在體積變化期間在隔室294、296之間流動。該流體流可以用於抑制並且吸收如通常結合在結合圖4A和圖4B描述的衝擊吸收器描述的振動。
圖6C示出了包括外殼312和設置在上隔室316和下隔室318中的分層體314的墊圈284的另一種配置。外殼296可充分變形以將載荷傳送至分層體314。分層體314可以相同方式構造並且阻尼/吸收如通常結合在結合圖3A和圖3B描述的衝擊保護器描述的振動。
圖6D示出了其中多個墊圈284a至284c被設置為提供沿多個軸的衝擊和振動管理的另一種配置；所述軸是(例如)x軸291、y軸293和z軸。墊圈284a至284c各自具有分層體314a至314c。分層體314a至314c可以相同方式構造並且阻尼/吸收如通常結合在結合圖3A和圖3B描述的衝擊保護器描述的振動。在該實施例中，分層體中的每一個分層體將沿不同平面的衝擊事件的能量改向。因此，分層體314a可以沿與x軸291不平行的平面引導能量，分層體314b可以沿與y軸293不平行的平面引導能量，且分層體314c可以沿與z軸295不平行的平面引導能量。
可以在鑽柱12中和沿鑽柱12的任意處使用本公開的實施例。如先前結合圖2A和圖2B所討論，衝擊保護器100和相關聯電子模塊24可以位於流動鑽井流體流內側。參考圖7A，衝擊保護器100和相關電子模塊24可以位於外部管件332與內部管件334之間的環330中。鑽井流體可以流過內部管件324的孔。
圖7B示出了衝擊保護器100和相關電子模塊24可以位於外部管件332與內部管件334之間的環330中。鑽井流體可以流過內部管件324的孔。在該實施例中，衝擊保護器100和相關電子模塊24被固定在形成於外部管件332中的凹袋350上。模塊24可以位於封裝殼體370中。凹袋350可以是外部管件332的已經切除的部分。凹袋350可以使用艙口蓋352固定。電子模塊34的入口可以通過路由管路354和被路由至井底鑽具組件(BHA)或探頭組件中的其它工具功能模塊的布線356、354。如先前描述，衝擊保護器100具有分層體358，其可以是先前描述的任何分層體。在衝擊事件360期間，分層體358如由箭頭362所示將衝擊能量圍繞模塊24改向。
現在參考圖7C，保護封裝殼體370(其可以是金屬(例如，科伐合金、不鏽鋼、鈦等……))在由於衝擊事件360或外部井筒壓力導致的偏轉期間支撐艙口蓋352。殼體370可包括用於導線的氣密密封連接器371以及將模塊24設置為與模塊24外部的模塊(未示出)電通信的連接器。殼體370還包括通過氣密密封連接器或壓力饋通連接器372，用於允許通過包裝殼體370的電通信。以線束、柔性電路、導體帶狀物等形式的導線連接件373設置了在連接器371與372之間的信號和/或數據通信。連接器372與通過BHA布線路由路徑354(諸如管、切口、BHA內側的鑽孔路由路徑等)導線安裝並且導向的外部接線356連接。
封裝殼體370緊密配合在艙口凹袋350內側並且被設計為隨著艙口蓋352在撞擊或外部井筒壓力360期間變形而彎折。殼體封裝370和保護層358不允許在耦合至模塊24的殼體封裝370上施加應力和應變力偏轉。因此，除最小化可以傳送至模塊24的振動和衝擊機械能量之外，殼體封裝370和保護層358還防止模塊24彎曲或機械地拉緊。
現在參考圖7D，模塊24的保護封裝殼體370(安裝在艙口凹袋350內側)用作機械路徑載荷。封裝殼體370用作艙口凹袋350內側的結構作業構件並且支撐艙口蓋352以防止在外部井筒壓力或撞擊360下向內凹陷。
參考圖7E，模塊24可以安裝在封裝殼體370內側並且在內部安裝於層358的基板上。層358可以被安裝在模塊24的一側中。另外，基板層358可以被延伸為如圖7F所示提供至模塊24的側面的附接。
雖然前述公開涉及本公開的一種模式的實施例，但是本領域技術人員將明白各種修改是顯而易見的。旨在全部變動均包括在前述公開中。