用于井下钻具设计的高温电子器件介绍

关于设计井下石油和天然气钻具，存在各种各样的规定，其目的是要满足这种恶劣工作环境的诸多苛刻要求。除机械设计完整性和特种金属选择以外，对于能够嵌入到这些工具中的一些坚固耐用电子器件的需求也至关重要。在这些系统中使用一些现代电子器件，可以捕获更多关于油气构造以及钻柱位置和方向的数据。这让我们可以更加容易地找到和利用这些宝贵的资源。

　　几种工具必须在极端环境下工作，同时由于空间的限制，其必须将许多复杂的电子器件集成到一个非常小的空间中。其中的两个例子是随钻测井 (LWD) 和随钻测量 (MWD) 工具。这些系统必须实时检查钻柱和围岩，从而让在地面上的钻探工能够控制钻探的位置。在地表以下几千米深的地方记录测井数据和操作钻头的能力，让更高效的资源回收成为现实。

　　在现代钻探使用的所有电子器件中，最为常用的是数据采集器件，其目的是实现更好、更高效的钻探。能够采集到的岩层相关测井信息越多，意味着对位置和回收情况的判断越准确。数据采集系统的典型结构图包括多个放大器，它们直接使用来自传感器的数据，并将其提供给模数转换器 (ADC)(请参见图 1)。之后，对这种数字数据进行处理，然后提供给其他工具，或者通过通信器件传到地面。需要使用电源管理和固态电压参考电路，以向所有系统提供输入，其为所有设计的关键组件，特别是许多都改为电池供电以后。

　　图 1 典型高温数据采集结构图

　　由于全世界对石油和天然气的需求不断增长，对这些重要资源的更高效钻探变得尤为重要。相比目前的一些钻井，这些碳氢化合物的位场越来越深，由此而来的温度也越来越高。因此，能够承受极端高压和 200℃高温的一些工具就成为必要。如果想要在没有昂贵冷却解决方案的情况下满足这些高温要求，则用于提供地层详细信息、通信以及对这些工具进行控制的电子器件，要求半导体取得这种应用资格。

　　高温电子器件让钻头操纵和水平钻法成为现实，从而最大化产油层。这些工具中的电子器件还拥有众多的测量功能，包括深度及方向、压力、温度、岩层电阻率、背景伽马辐射、钻柱张力、振动、旋转度，以及许多其他传感器输入。

　　用于许多陆基井和一些监测储层温度和压力的永久安装工具的测井工具，均为同样具有高温电子器件的其他类工具。它们都可以帮助最大化石油的回收。

　　相比只考虑给定温度下器件的工作情况，整套电子井下钻具的可靠设计需要考虑的因素更多。目前的一些工具中所使用的大多数半导体，一般都只能在 125℃以下温度工作。然而，人们经常在超出其数据表规定的环境下使用它们。这样便带来许多硅电路温度性能以及电路可靠性和封装方面的问题。高温半导体的质量和可靠性要求，使得必需对它们进行正确的描述、规定、测试和资格认定，以达到能够满足具体应用的某种工艺水平。由于一般钻井时间都少于1000小时，因此我们可以对多种半导体工艺技术进行合格认定，并使用它们，具体包括标准块硅和绝缘体上硅结构 (SOI)。

　　如果温度超过150℃，则半导体特性会改变，因此我们必须了解其本身可靠性，以正确地对器件进行高温应用的资格认定。高温下的一些失效机理包括电迁移 (EM)、时间相关介质击穿 (TDDB)、负偏置温度不稳定性 (NBTI)，以及热载流子注入。所有这些都会缩短块硅和SOI器件的寿命，而且对它们来说都很常见。

　　如何对井下系统电子器件进行封装非常重要，因为将工具安装在某个钻头上面后其必须要能够承受高温、振动和碰撞。用于封装标准半导体的一般塑封材料会降解，并不能在 200℃下提供足够的运行可靠性。陶瓷密封封装或者陶瓷多片组件 (MCM)是硅保护最常用的封装。利用MCM和混合封装时，使用合格的优质芯片 (KGD) 可以节省空间，从而提高集成度。所有有源设计组件都集成到芯片中并贴装在陶瓷基片上，这时便可以实现更小体积的解决方案。

　　常用于陶瓷封装的一些合格测试包括温度循环、机械冲击、接合强度、振动、气密性以及热冲击。陶瓷封装的一个例子是四方扁平封装 (QFP)，其用于如ADS1278- HT八进制24位 ADC(请参见图 2)等高引脚数组件。引线修剪成型以后，该器件便可以装配到20-mm宽印刷电路板上。

　　图 2 用于高引脚数器件的陶瓷四方扁平封装

　　所有合格认定和测试的目标都是为了获得可靠的电子器件，消灭故障时间。电子器件井下故障时，取出和更换需要花费时间—有时甚至长达数日。钻井架停工的每一个小时代价都非常高昂，离岸钻探更是如此。使用适应这种环境的一些器件，电子组件可以更加健壮，也更不易出现故障。

　　高温井下工具要求大量不同类型的有源半导体器件，从诸如运算放大器 (op amp) 和数据转换器等模拟组件到电源管理和嵌入式处理器。通过固定资格和特性描述，标准工艺技术和标准设计可用于提高这些工具的生产率和耐受性。