CN102686829B - 耐震热消散电子器件包装 - Google Patents

Abstract

一种基本上呈单块构造的电子器件包装。所述包装在置于恶劣应用环境中时尤其善于增强热消散以及避免二次冲击。因此，所述包装可特别良好地适于与产生高冲击的井下应用环境例如桥塞坐封联合使用。

Description

耐震热消散电子器件包装

技术领域

所述实施方案涉及电子器件包装。特定而言，涉及将要暴露于大量热和冲击的包装。更具体地说，本文详述用于高温井下环境并遭受数百g’s的冲击的包装。

发明背景

勘探、钻孔以及完成油气井和其它井通常是复杂、耗时并且最终是极为昂贵的努力。结果，大量强调加于整体井构造、监控并遵循干涉性维护。实际上，可能甚至更多的强调已经针对最小化与促进井形成、监控和维护的应用相关的成本。总之，密切关注这些应用的成本效益和可靠执行可帮助最大化产量并延长井寿命。因此，可以更好地确保对完井投资的大量回报。

根据井的性质和构造，干涉性维护可为操作的一个常规部分。例如，适当的井管理可能要求定期清除来自特定井下位置的碎片或污垢。这可能要求在清除期间隔离存在问题的位置并停止生产。实际上，在完成的自然进程中可能需要这类隔离，例如以允许打孔和/或增产应用继续。即，在特定情况下，可能需要井区的高压打孔和增产。在这种情况下，可以通过增加使用能够适应这类高压应用的机构关闭并隔离井区的干涉进行主动打孔或增产干涉。

对于随后的高压应用，关闭井区可以通过设置机械插塞而实现。即，插塞可以定位在井下位置并且设置为密封邻近其的井下区。所述插塞被构造来适应与如所述的打孔或增产相关的高压。因此，通过施加大的可压缩力，插塞在性质上一般可以径向膨胀。如此，可以驱动径向可膨胀插塞的滑动而与井的壳体壁接合以确保其充分锚定。同样，插塞的弹性部分的径向响应可以帮助确保针对将采取的高压应用的充分密封。

不幸的是，所述压缩和整体设置应用一般通过耦接到插塞的***性供电坐封工具实现。即使设置排除与这类***性驱动应用相关的输送危险和有限的可靠性，当受控制、受监控或智能设置应用被***性驱动时，操作员也还是无法管理这类应用。因此，所述设置应用一般以非智能方式进行，无易于获得的数据来确保其有效性。

或者，在打孔或增产应用的情况下，电子器件可以用于触发所述应用。然而，这类电子器件相对高级并限于启动触发器例如以进行打孔。因此，在实行应用中遇到的因热或冲击损坏引起的替换成本可以相对较低。相反地，对于设置应用用电子器件替代***涉及在应用时期期间管理电动机驱动单元(例如与仅启动打孔触发器相反)。如此一来，所涉及的电子器件可以利用数字信号处理和其它高级容量，从而在应用进程中经历热和/或冲击损坏的情况下抬高替换成本。

不幸的是，用于减轻高级电子器件包装的热和冲击损坏的技术通常相悖而行。在插塞设置的特定境况中，坐封工具、包装和插塞可以暴露于约200g’s或以上，更不用说超过150℃的温度。因此，例如，如果通过常规技术(包括结合引导于电子器件的弹簧压缩的散热片)解决热消散，那么超过200g’s的二次冲击很可能被赋予在电子器件上。换句话说，热消散技术可能放大引导在电子器件上的冲击。

或者，在电子器件通过常规O形环或定心安装技术紧密容纳以增强耐震力的情况下，损及电子器件和散热片或其它热消散结构之间的热接触。最终，归因于这些可用于处理热和冲击的违反直觉的选择，通常使用***性驱动设置来代替将允许受控制、受监控和/或智能设置应用的高级但昂贵的电子器件。

发明概述

一种电子器件包装具备外壳，所述外壳具有穿过其的通道。所述通道构造来容纳彼此邻近的第一电子器件底架和第二电子器件底架。每个底架包括用于彼此接合的倾斜表面。启动力机构也安置在通道中并邻近所述底架中的一个。所述机构可被构造用于轴向地引导这个底架使之朝向另一底架使得经由接合所述倾斜表面而发生底架朝向外壳的径向膨胀。

附图简述

图1是组装到桥塞坐封工具中的耐震热消散电子器件包装的一个实施方案的部分截面图。

图2是图1的电子器件包装的邻近底架的分解图。

图3A是图1的电子器件包装的侧视横截面图，图2的邻近底架处于未膨胀的预设位置。

图3B是图3A的包装的侧视横截面图，其中底架处于径向膨胀的设置位置。

图4是油田纵览，其中井容纳采用图1、图2、图3A和图3B的电子器件包装的桥塞和坐封工具。

图5A是定位在井中的目标隔离位置的图4的桥塞和坐封工具的放大侧视图。

图5B是图5A的桥塞坐封在设置所述目标隔离位置时的放大侧视图。

图6A是底架位于未膨胀预设位置的耐震热消散电子器件包装的一个替代实施方案的示意图。

图6B是底架处于径向膨胀的设置位置的从图6A的6-6截取的横截面图。

具体实施方式

本文参考特定耐震热消散电子器件包装类型描述实施方案。例如，这些实施方案集中于结合设置井下桥塞或其它类型的井隔离机构使用的高级电子器件包装。然而，在油田环境中或外部使用的多种应用可以利用如本文详述的电子器件包装的冲击和热消散特征的独特组合。实际上，无论电子器件在什么情况下经受超高温度和冲击环境，这类包装都可以是有益的。无论如何，本文中详述的电子器件包装的实施方案包括多个底架，所述底架的倾斜表面接合使得施加启动力造成底架朝向外壳附近径向膨胀。结果，接近单块的结构形成，其在耐热和耐震方面基本上得到增强。

现在参考图1，显示耐震热消散电子器件包装100的部分截面图。所述包装100组装到井下工具中，例如桥塞坐封工具101，其用于将桥塞400放置于井480中的目标位置(参见图4)。然而，所述包装100的实施方案可结合井孔应用的主体有利使用，包括其它高温和/或高冲击暴露应用。这类应用可以包括设置除桥塞以外的井隔离机构，例如机械式封隔器。此外，如上所示，油田环境外部的应用也可以利用这类电子器件包装实施方案。

在图1的实施方案中，包装100被描绘为具有界定通道130的外科175，所述通道130用于容纳电子底架160、165。在图1中，这些电子底架160、165以大致示意形式描绘，每个底架具有朝所述外壳175内部定向的倾斜表面262、267。实际上，每个底架160、165采用类似于楔形门挡的外观。如本文在下文中的详述，当轴向力施加于底架160、165中的任一个时所导致的楔入允许底架160、165相对于彼此径向膨胀。因此，从外壳175的一侧跨其半径(r)，从底架160到底架165并且到外壳175的另一侧，所述包装100呈现接近单块结构的特性。因此，实质上消除内部移动并且最大化热接触。结果，也如下文进一步描述增强底架160、165的热消散和冲击耐力。

继续参考图1，桥塞坐封工具101也装备有电源外壳185以及传感器190和阀门195外壳。工具101的这些特征对于允许如图4所示的桥塞400的受控部署和设置方面可以是重要的。所述电源外壳185尤其可容纳由高级电动机驱动的轴向活塞泵。在一个实施方案中，利用无刷直流电动机。如此一来，容纳在底架160、165上的电动机驱动电子器件可以包括数字信号处理器和用于驱动受控设置应用的其它相当高级的组件。

桥塞坐封工具101配备有外壳套筒110，所述外壳套筒110可经由延伸部115由上述泵液压驱动。因此，如下文另外参考图4详述，耦接到套筒110的桥塞400可以被压缩并且径向设置在井480中的一个位置以在所述位置隔离。此外，工具101被显示为其头部150耦接到管线140以部署到井480中。在一个实施方案中，这根管线140可以是常规电线电缆以允许为设置应用供电以及经由管线140的电子器件进行实时遥感勘测。因此，设置应用的参数可基于在设置应用期间获得的数据(例如，来自传感器190)实时改变。也就是说，包装100的电子器件可用于在处理过程中更改设置应用。

在一个实施方案中，管线140可为光滑管线或其它非供电管线。在这样一个实施方案中，对应用供电可通过耦接到工具101的大小适当的井下电源(例如锂基电池)实现。但是，井下条件和与应用相关的其它数据可被包装100的电子器件记录并存储。因此，表面上的随后分析可用于帮助确定应用的有效性和其它详情。

现在参考图2，显示图1的电子器件包装100的邻近底架160、165的分解图。在这个视图中，提供底架160、165的较少示意和较多实际描绘。但是，每个底架的倾斜表面262、267显而易见。更具体地说，每个底架160、165包括由用于彼此接合的各自表面262、267界定的平台260、265。事实上，在所示实施方案中，倾斜表面262、267交错并重复，采用倾斜阶梯外观。实际上，虽然每个平台260、265显示为具有两个这样的交错并重复表面262、267，但是可以使用任何实际数量，比方说1到5个或更多。这些倾斜表面的数量可以基于例如但不限于图1的包装100的整体高度和表面262、267所用的角度的因数而选定。

继续参考图2，每个平台260、265用作结构基板，电子器件板275固定到所述结构基板。在所示实施方案中，所述板275可以是常规印刷电路板，其中电子器件280电子地并物理地固定到板275。此外，板275可以通过盖板250的辅助安装在适当位置。因此，高级电子器件以与其它常规电子器件包装极为相似的方式设置在每个底架160、165上。然而，如下文详述，底架160、165的形状、接合方式和整体构造以独特方式增强电子器件包装的冲击耐力和热消散。

现在参考图3A和图3B，显示图1的电子器件包装100的侧视横截面图。更具体地说，图3A展现处于未膨胀预设位置的图2的邻近底架160、165，而图3B展现处于径向膨胀设置位置的底架160、165。也就是说，在图3A中，底架160、165安置在外壳175中，具有移动或操作范围(注意，底架165中的一个和外壳175之间存在可用空间300)。然而，在图3B中，轴向力已施加于底架160、165中的至少一个使得引起底架沿着界面360滑动。因此，可用空间300消除并且外壳175和底架160、165的基本上呈单块的结构形成。

在图3A和图3B的特定实施方案中，通过在底架160、165一端上的螺丝350和另一端上的结构挡块375的组合而将轴向力赋予到底架160、165上。更具体地说，螺丝350可以螺合地安置在外壳175中并且邻近底架165中的一个以施加轴向力于所述底架上(在图3A和图3B的描绘中为向下)。同样，在结构上与外壳175成一体的挡块375可定位成紧邻另一底架160，与螺丝350相对。实际上，这个底架160甚至可以通过固定到所述挡块375或外壳175的其它结构部分而固定。

随着螺丝350转动而螺合地施加轴向向下的力于邻近底架165上，这个底架165沿着界面360滑动。在一个实施方案中，给每个底架160、165提供可能由铍铜制成的滑块用于接合并稳定地辅助这种滑动。再一次，滑动的底架165的一端可以进入邻近挡块375的阻挡空间301。然而，更重要的是，如上所述，这个移动消除邻近底架165的可用空间300。因此，外壳175的整个内部半径(r)被底架结构占据，形成基本上呈单块的包装100。如此一来，在很大程度上消除引起二次冲击的可能性，同时底架160、165与外壳175之间发生接近完全热接触。

在所示实施方案中，经由表面262、267(参见图2)的界面360的角度超过约45°。如此一来，由底架160、165朝向外壳175的内壁施加的轴向力的量以指数形式超过由螺丝350施加的轴向力的量。例如，在这样一个实施方案中，未超过约2,000lbs的轴向力可转化到超过约15,000lbs的轴向力。因此，现在底架160、165通过螺丝350的所示收紧而牢牢固定。

在图3A和图3B的实施方案中，螺丝350的轴向力通过弹簧325和螺丝套筒380转化而到达所述底架165。如此，弹簧325可允许外壳和/或底架160、165的尺寸变化。因此，例如，在暴露于超高温易于引起这些尺寸变化的情况下，通过螺丝350赋予的轴向力可以基本上保持不受影响。实际上，在遇到温度恰超过100℃的一个实施方案下，底架160、165的平台260、265可为铝基，而外壳175由不锈钢组合物制成。因此，存在干涉弹簧325可以帮助确保更加一致的轴向力，而不管底架160、165可能发生稍微尺寸变化。当然在其它实施方案中，可能不使用干涉弹簧325。事实上，也可以采用除螺丝350以外的轴向力引致机构。

现在参考图4，油田401的纵览被描绘为容纳井480。井480继而容纳桥塞400和上文关于图1、图2、图3A的电子器件包装100详述的坐封工具101。

井480横断不同形成层490、495并且可以如上文提及使电子包装100暴露于各种超高压力和温度。井480也由壳体485界定，同样如上文所述(并如下文进一步描述)，所述壳体485被被构造用于在高冲击引致设置应用时密封插塞400并与插塞400锚定接合。在所示实施方案中，插塞400装备有上滑条440和下滑条460以在设置时实现与壳体485的锚定接合。类似地，一般为弹性的密封元件475安置在滑条440、460之间以通过设置应用提供插塞400相对于壳体485的密封。

坐封工具101和插塞400的总成还在其井下端包括平台420。这个平台420在内部耦接到工具101的延伸部115(参见图1)。因此，当外壳套筒110被施力抵着插塞400的插塞套筒410时，插塞400被压缩在这个平台420与这个套筒110之间。如此，一旦插塞400定位于目标位置，设置应用最终径向膨胀插塞组件到适当位置。

在所示实施方案中，放置和设置插塞400的目标位置是具有界定的穿孔498的生产区497的紧邻上孔。因此，例如，插塞400可以用于隔离区域497以供随后在井480的其它区中的高压打孔或增产应用。

继续参考图4，总成的电线输送意指即使采用相对较高供电设置应用，也可用相对较小的可移动表面设备425这样完成。实际上。整个总成横断井头部550并且被栓到电线卡车426的线轴427而无任何其它大量部署设备需求。在所示实施方案中，也显示用于管理部署和设置的控制单元429。控制单元429可最终电耦接到电子器件包装100以监控并智能控制插塞400的设置。也就是说，所述单元429可以根据如上所述的监控压力和其它应用数据启动设置并且也可以实时修改应用。

现在参考图5A和图5B，描绘定位在井480中的所述目标位置以进行隔离的图4的桥塞400和坐封工具101的下部的放大侧视图。更具体地说，图5A描绘随着插塞400被压缩于外壳套筒110与平台420之间启动设置应用。图5A描绘插塞400遵循设置，外壳套筒110移除并且滑条440、460和密封件475处于完全径向膨胀状态。

继续参考图5A和图5B，描述所述压缩和设置的机械学。在所示实施方案中，平台420通过中央心轴575、插塞头部550和工具耦接件525最终物理地耦接到延伸部115。但是，与此同时，平台420用作后退挡块以向下移动非中央插塞组件例如滑条440、460；密封件475；套筒410等等。因此，外壳套筒110的所描绘移动501趋于压缩插塞组件于其间直到插塞400设置为抵着壳体485。

具体参考图5A，当通过外壳套筒110的向下移动501最初设置下滑条环460时，插塞400被压缩。即，随着通过插塞套筒410和其它插塞组件转化向下移动501的力，最靠***台420的径向可膨胀组件开始其膨胀。因此，在图5A中，下滑条460的齿被显示为接合并咬合到界定井480的壳体485中。结果，插塞400的锚定已开始。然而，同时，密封件475和上滑条440还必须被基本上压缩。因此，接合空间501、502保留在这些组件和壳体485之间。

参考图5B，然而，随着外壳套筒110继续在向下方向上移动，所示空间501、502消失。这个消失随着密封件475接合壳体485并且上滑条440径向膨胀并咬合设置到壳体485中而发生。因此，保持插塞400的锚定和井480的密封隔离。值得注意的是，以这种方式压缩插塞400时，其在井480内的大***置不受影响。也就是说，套筒110的向下移动501抵着平台420作用以实现与对井480中插塞400深度具有任何显著影响相反的所述压缩。

最终，随着插塞组件的依序设置完成，完全锚定的插塞400和密封隔离的井480被设置在目标位置中。所述应用是使插塞心轴575内的张力螺柱分离而完成。这可引起超过约200g’s的大冲击并造成图5A的外壳套筒110的释放。实际上，如图5B所描绘，图1的坐封工具101随着接合的外壳110和插塞410套筒以及接合的延伸部115和工具耦接件525的拉出而从井480完全收回。然而，在其它实施方案中，保留或收回的工具101和插塞400的特定接合组件可能发生改变。此外，随后可进行后继基于压力的应用例如孔增产。

不管如何，插塞400的设置现在已经通过由相对高级的电子器件驱动的方式全面完成，而不必过分担忧对电子器件包装100的冲击损坏。事实上，归因于这个包装100的基本上呈单块的性质，实质上消除于二次冲击的暴露(参见图1)。

现在参考图6A和图6B，显示耐震热消散电子器件包装100的替代实施方案的示意图。在这样一个实施方案中，两个以上底架600、660、665用于楔形接合以最终形成耐震耐热的接近单块的电子器件包装结构。更具体地说，图6A显示具有三个相对于彼此处于未膨胀预设位置的底架600、660、665。另一方面，图6B是取自处于径向膨胀设置位置中的三个底架600、660、665的横截面图(截取自图6A的6-6)。

在图6A的未膨胀预设位置中，底架600、660、665显示为具有一定的操作范围。例如，注意底架665中的一个与外壳175之间的未占据的闲置空间602。但是，力引致机构680(例如螺丝等)可在穿过外壳175的通道130的方向625上驱动以楔形接合底架600而接合其它底架660、665。如图6A所示，提供结构挡块675、677来防止这些其它底架660、665响应于力引致机构680而在方向625上移动。实际上，在所示实施方案中，驱动底架600甚至可延伸到进入空间601超出其它底板660、665和挡块675、677的范围(如果需要)。

最终，闲置空间602消除并且以类似于上文关于图3A和图3B详述的方式实现图6B的接近单块的包装结构。图3A和图3B的实施方案集中于使用两个底架160、165并且图6A和图6B中显示三个底架600、660、665。然而，两个或更多个底架的任何实际数量可采用，只要底架之间的楔形接合表面为本设计所适应。实际上，可利用利用四个互锁底架的实施方案。此外，随着所用底架的数量增加，所述底架可经过构造使得从共同基底延伸的一组指状底架被引导用于与来自另一共同基底的另一组指状底架互锁接合。只要提供成角度的接合，力引致机构即可用于朝向彼此轴向地驱动底架直到获得接近单块的包装结构，从而基本上增强耐温耐震力。

上文所述实施方案利用用于减轻高级电子器件包装的热和冲击损坏的技术。因此，即使在井下作业中重复暴露于超过200g’s的冲击和超过100℃的温度时，也可以可靠地使用这类相对较高成本的包装。这类包装以通过安置在负载路径中的压缩弹簧而避免显著二次冲击同时也避免趋于不利地影响热消散的O形环或定心安装技术的方式构造。

先前描述已经参考当前优选实施方案而提出。关于这些实施方案的本领域技术人员应明白在意义上不脱离这些实施方案的原理和范围的情况下可以实行所述结构和操作方法上的变更和变化。此外，前述描述不应被理解为仅关于附图中所示并描述的精确结构，而是应理解为与上述权利要求书一致并支持上述权利要求书，上述权利要求书具有其最全面和最合理的范围。

Claims (24)

1.一种电子器件包装，其包括：

外壳，其界定穿过其的通道；

第一电子器件底架，其安置在所述通道中，并具有处于所述通道的末端处的第一倾斜表面；

第二电子器件底架，其安置在所述通道中并邻近所述第一电子器件底架，并且具有处于所述通道的另一末端处的第二倾斜表面；和

机构，其安置在所述通道中并邻近所述第一电子器件底架，以将力轴向地引导朝向所述第二电子器件底架，从而经由所述第一和第二倾斜表面的接合而使所述第二电子器件底架朝向所述外壳径向膨胀。

2.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述第二电子器件底架通过邻近挡块和到所述外壳的结构粘附之一而相对于所述外壳固定。

3.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述径向膨胀提供基本上呈单块的包装结构。

4.根据权利要求3所述的电子器件包装，其中所述基本上呈单块的包装结构在所述底架和所述外壳之间接近完全热接触以增强两者间的热消散。

5.根据权利要求3所述的电子器件包装，其中所述基本上呈单块的包装结构在暴露于初始冲击时消除对所述电子器件包装的二次冲击。

6.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述倾斜表面成大于45°的角。

7.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述倾斜表面具有交错并重复的构造。

8.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述倾斜表面的每个表面包括滑块来增强所述接合。

9.根据权利要求8所述的电子器件包装，其中所述滑块由铍铜材料制成。

10.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述机构具有螺旋型构造。

11.根据权利要求1所述的电子器件包装，其中所述底架中的至少一个包括：

结构平台；和

安装到所述结构平台上的电子器件板。

12.根据权利要求11所述的电子器件包装，其中所述电子器件板容纳用于管理井下应用工具的电动机的电动机驱动电子器件。

13.根据权利要求12所述的电子器件包装，其中所述电动机驱动电子器件包括数字信号处理器。

14.根据权利要求1所述的电子器件包装，其还包括至少一个以上安置在所述通道中且具有至少一个倾斜表面的底架，以经由与所述倾斜表面的另一表面接合而增强所述径向膨胀。

15.根据权利要求14所述的电子器件包装，其中所述底架布置为：

第一组多指状底架，其具有共同基底；和

第二组多指状底架，其具有另一共同基底，所述第一和第二组多指状底架被构造用于使所述指状底架朝向彼此定向以在通过所述机构引导所述轴向力期间互锁。

16.一种用于安置于井中的井下总成，所述井下总成包括：

井隔离机构；

坐封工具，其耦接到所述井隔离机构以将其锚定并密封于所述井中的一个位置上；和

外壳，其组装到所述坐封工具中并容纳多个电子器件底架以驱动所述工具的电动机，所述底架装备有倾斜表面，所述倾斜表面被定向用于接合彼此并且在暴露于驱动所述接合的轴向力时径向膨胀而使其固定。

17.根据权利要求16所述的井下总成，其中所述井隔离机构是桥塞和机械式封隔器之一。

18.据权利要求17所述的井下总成，其中所述坐封工具是液压驱动。

19.根据权利要求18所述的井下总成，其中所述电动机是无刷直流电动机，所述坐封工具包括轴向活塞泵。

20.一种用于形成电子器件包装的方法，其包括：

提供外壳，所述外壳容纳具有第一倾斜表面的第一电子器件底架；

将具有第二倾斜表面的第二电子器件底架定位于所述外壳中，所述第二倾斜表面被定向用于接合所述表面；和

赋予轴向力于所述第二电子器件底架以径向膨胀所述外壳中的所述第二电子器件底架以形成基本上呈单块的电子器件包装。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述轴向力小于2,000lbs，并且所述径向膨胀朝所述外壳的内壁赋予超过15,000lbs的径向力。

22.根据权利要求20所述的方法，其还包括：

经由作为耦接到井隔离机构的井下工具的部分的管线将所述外壳部署到井中；和

在所述井中的目标位置执行井孔应用。

23.根据权利要求22所述的方法，其中井条件超过100℃，所述电子器件包装的单块性质增强其热消散。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述方法引进超过200g’s的初始冲击，所述电子器件包装的所述单块性质消除对其任何二次冲击。