測(cè)井井下儀器溫度性能指標(biāo)的篩選方案與評(píng)價(jià)

張 志，唐聯(lián)級(jí)，楊?lèi)?ài)華

(中海油田服務(wù)股份有限公司上海分公司 上海 200233 )

0 引 言

目前世界上多數(shù)超深井的井深多在5000 m以上，而中國(guó)海上深井主要集中在南海和東海區(qū)域，地層中隨著井深的增加，井溫會(huì)隨著梯度不斷增加。當(dāng)井溫超過(guò)150 ℃時(shí)，一般達(dá)到了常規(guī)測(cè)井儀器的作業(yè)溫度，原因是石油測(cè)井儀器雖然大部分設(shè)計(jì)溫度是175 ℃[1]，但是使用的半導(dǎo)體器件是基于125 ℃的工業(yè)級(jí)及軍品級(jí)器件篩選而成，這在業(yè)界包括斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克阿特拉斯公司都普遍采用這一方法[2]。在后續(xù)儀器量產(chǎn)時(shí)，考慮到高溫對(duì)半導(dǎo)體器件壽命的影響，儀器制造加溫測(cè)試時(shí)，一般都加溫到170 ℃，恒溫半小時(shí)。但是由于不同儀器的測(cè)量地層的間隔不一致，大滿貫測(cè)井時(shí)間會(huì)比實(shí)驗(yàn)室條件嚴(yán)苛更多，實(shí)際上地球物理測(cè)井儀器經(jīng)常需要在井下5 000～7 000 m的井深下，井下連續(xù)工作的時(shí)間往往達(dá)到十幾個(gè)小時(shí)，甚至幾天時(shí)間，長(zhǎng)期在井下高溫、高壓條件下儀器內(nèi)部芯片和電子元件的性能將會(huì)受到很大影響。近幾年在現(xiàn)場(chǎng)使用中發(fā)現(xiàn)部分儀器在高溫環(huán)境下出現(xiàn)了工作不穩(wěn)定甚至不工作的現(xiàn)象，通過(guò)探索影響儀器溫度性能的主要因素，摸索出一套行之有效的儀器溫度性能測(cè)試方案及評(píng)價(jià)方法，極大地提高了測(cè)井儀器作業(yè)能力。

1 高溫篩選測(cè)試方法研究

儀器高溫篩選測(cè)試需要對(duì)現(xiàn)有儀器的機(jī)械部件和電子元件分開(kāi)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試儀器的部位和要求不同，可按先后順序分為電子元件級(jí)、電路板級(jí)、測(cè)井儀器總成、儀器串組合測(cè)試4個(gè)階段和方法。

1.1 電子元件級(jí)測(cè)試

元器件是組成儀器的最基本的單元[3]，只要有一個(gè)元器件耐溫性能不佳，都可能影響整支儀器的性能，因此對(duì)單個(gè)元器件進(jìn)行加溫測(cè)試很有必要。目前可以將元器件分為RES(電阻)、CAP(電容)、IC(集成電路)、TISTR(三極管)、CHOKE(電感)、變壓器等類(lèi)別。電阻高溫測(cè)試可以用熱風(fēng)槍和溫度探頭配合或使用小烘箱，對(duì)單個(gè)電阻邊加溫邊用萬(wàn)用表測(cè)量電阻阻值，記錄不同溫度下電阻的阻值變化情況，篩選出溫漂較小的電阻[3]。對(duì)單個(gè)元器件邊加溫邊測(cè)量參數(shù)，記錄不同溫度下元器件的參數(shù)變化情況，對(duì)該類(lèi)器件的溫度性能進(jìn)行摸底，獲得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；篩選出溫漂較小的元器件。

對(duì)于芯片、二極管、三極管、電感和變壓器等元器件，其功能需要接入電路才能測(cè)試，通過(guò)芯片延伸插座，將單個(gè)芯片與電路板隔離開(kāi)來(lái)，對(duì)于二極管、三極管、電感和變壓器等元器件也可以用引線接入電路，用加溫箱(或熱風(fēng)槍和溫度探頭配合)對(duì)單個(gè)器件進(jìn)行加溫，觀察芯片隨溫度變化對(duì)電路的影響[4]，篩選出耐溫性能較好的元器件，并做好記錄。一般建議：對(duì)做過(guò)溫度篩選后的元件級(jí)器件，可以把每種器件留出2件，作為樣品，每隔3個(gè)月，再做一次溫度測(cè)試，并做好測(cè)試記錄，以此進(jìn)行1年，持續(xù)跟蹤高溫測(cè)試對(duì)器件的性能影響，以便客觀評(píng)價(jià)高溫測(cè)試的負(fù)面影響程度。

1.2 電路板級(jí)測(cè)試

用加溫箱(或熱風(fēng)槍和溫度探頭配合)，對(duì)儀器每塊電路板進(jìn)行逐一的加溫測(cè)試，觀察記錄儀器參數(shù)隨溫度變化情況，確保儀器上每塊電路板測(cè)試都能達(dá)到高溫篩選的溫度指標(biāo)。如果有電路板達(dá)不到，用熱風(fēng)槍和溫度探頭配合對(duì)電路板上的元器件進(jìn)行局部加溫，初步確定出耐溫性能不好的器件，更換后繼續(xù)對(duì)電路板進(jìn)行加溫測(cè)試，直到儀器上所有電路板都能達(dá)到高溫篩選的溫度指標(biāo)。

1.3 測(cè)井儀器總成測(cè)試

在確保每塊板在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試都達(dá)到高溫篩選的溫度指標(biāo)后，將儀器電子線路放入烘箱進(jìn)行梯度加溫測(cè)試，記錄儀器參數(shù)隨溫度變化情況。對(duì)做完高溫篩選的電子線路進(jìn)行詳細(xì)的工藝檢查，確保加溫后儀器所有器件緊固可靠，將電子線路連接地面系統(tǒng)，對(duì)儀器狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行檢查,若儀器帶有保溫瓶，則要先對(duì)保溫瓶進(jìn)行測(cè)試，保溫瓶測(cè)試合格后再對(duì)儀器做加溫實(shí)驗(yàn)。儀器溫度試驗(yàn)包括常溫測(cè)試、升溫測(cè)試和溫度沖擊試驗(yàn)，在加溫過(guò)稱(chēng)中采用梯度加溫法[4]，并在一定的溫度下恒溫測(cè)試，目前我們分別選取100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃作為恒溫段。

1.4 儀器串系列組合測(cè)試

高溫篩選后的儀器接入儀器串進(jìn)行組合測(cè)試，確保儀器自身狀態(tài)正常，也不影響其它儀器的正常工作，然后下入試驗(yàn)井進(jìn)行測(cè)井，直到取得合格的測(cè)井曲線。儀器溫度試驗(yàn)通過(guò)采用測(cè)井儀器加熱帶纏繞儀器外殼進(jìn)行加溫和溫度控制，包括常溫測(cè)試、升溫測(cè)試和溫度沖擊試驗(yàn)。在加溫過(guò)程中采用梯度加溫法，并在一定的溫度下恒溫測(cè)試，目前分別選取100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃作為恒溫段。

2 不同種類(lèi)儀器篩選關(guān)鍵要點(diǎn)

2.1 電法類(lèi)測(cè)井儀器篩選要點(diǎn)

電法類(lèi)井下儀器主要分為通訊短節(jié)和雙側(cè)向測(cè)井儀器和微球測(cè)井儀器的整合測(cè)試。連接測(cè)井地面測(cè)試系統(tǒng)，加電檢查儀器內(nèi)外部值均正常，并將常溫狀態(tài)下儀器各參數(shù)記錄下來(lái)，儀器加電工作2～4 h，工作正常穩(wěn)定。

篩選測(cè)試方法：拆卸外殼抽出電子線路，對(duì)儀器電路進(jìn)行工藝檢查，并對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并記錄,對(duì)通訊短節(jié)保溫瓶進(jìn)行測(cè)試，合格后才能進(jìn)行加溫。打開(kāi)烘箱后，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃后，恒溫30 min，記錄雙側(cè)向內(nèi)部值，微球內(nèi)外部值及通訊和換擋情況[5]。此后，烘箱溫度設(shè)置到125 ℃、150 ℃、175 ℃，恒溫30 min，記錄雙側(cè)向內(nèi)部值，微球內(nèi)外部值，及通訊和換擋情況。保溫測(cè)試是在不斷電的情況下，讓烘箱內(nèi)溫度降溫，從175 ℃降到150 ℃，恒溫30 min，然后從150 ℃降溫到125 ℃，恒溫30 min，然后從125 ℃降溫到100 ℃，恒溫30 min，最后恢復(fù)至常溫，再做常溫測(cè)試，記錄雙側(cè)向內(nèi)部值，微球內(nèi)外部值及ESAT61XB滿貫適配器的通訊和換擋情況。

按照上述方法在進(jìn)行電法類(lèi)儀器篩選測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)自于測(cè)試內(nèi)部信號(hào)CAL/ZERO的溫度穩(wěn)定性，通過(guò)烘箱溫度的變化，內(nèi)零和內(nèi)刻值受到容值和阻值影響[6]，均會(huì)發(fā)生不同程度的漂移，合理的漂移不會(huì)影響測(cè)量值，通過(guò)計(jì)算可以確定儀器狀態(tài)的好壞，式(1)為微球溫度漂移計(jì)算公式，超過(guò)范圍5%則需要檢查電路。

(1)

表1是雙側(cè)向儀器的刻度原始值的范圍，加溫測(cè)試過(guò)程中需要保證內(nèi)部值均在范圍內(nèi)，如出現(xiàn)超出范圍，需要采用具備加溫測(cè)試進(jìn)行電路板耐溫測(cè)試。

表1 雙側(cè)向內(nèi)零內(nèi)刻檔各值范圍[5] mV

2.2 聲波類(lèi)測(cè)井儀器篩選要點(diǎn)

聲波測(cè)井儀器一般包括電子線路和包含壓電陶瓷的探頭系，在加溫測(cè)試過(guò)程中，關(guān)鍵問(wèn)題有兩個(gè)，一是需要分離測(cè)試電子線路部分和探頭部分，二是根據(jù)聲波測(cè)井的傳播特性將儀器串接放入水槽中才能檢測(cè)信號(hào)的正確性，并需要特定頻率信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號(hào)。

通過(guò)研究找到了合適的測(cè)試方法，在常溫條件下連接地面系統(tǒng)，泡水槽后加電檢查儀器通訊、發(fā)聲和波形均正常，按照經(jīng)驗(yàn)將儀器串加電使儀器穩(wěn)定工作2～4 h確保儀器工作正常穩(wěn)定。其中電子線路部分放入烘箱內(nèi)擱在支撐架上，32芯高溫線一端接到聲波儀器頭部，另一端接到烘箱外，由專(zhuān)用67芯引出線直接連接到儀器尾部，引出到烘箱外面。其中輸入信號(hào)的選取，可將信號(hào)發(fā)生器輸出調(diào)節(jié)為頻率為2～5 kHz 、峰峰值為100 mV的正弦波信號(hào)，正弦波信號(hào)通過(guò)夾子線連接到67芯引出線上。其余烘箱控制方法如電法測(cè)井儀器保持一致即可。

按照上述測(cè)試篩選方法，可對(duì)發(fā)射和接收回路進(jìn)行整體測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)受溫度影響嚴(yán)重的地方，主要在多通道控制板，是板上前部的放大芯片OPA2725和多路開(kāi)關(guān)ADG659的溫度性能不好所致。

2.3 放射性類(lèi)測(cè)井儀器篩選要點(diǎn)

放射性類(lèi)測(cè)井儀主要包括伽馬能譜儀EDST61XA+補(bǔ)償中子測(cè)井儀ECNT73XA+巖性密度測(cè)井儀EZDT71XA。需在在常溫條件下將放射性?xún)x器串連接地面測(cè)井檢測(cè)系統(tǒng)，加電檢查儀器狀態(tài)均正常，并將常溫狀態(tài)下儀器各參數(shù)記錄下來(lái)。其中EZDT71XA需使用專(zhuān)用加溫線把EZDT71MA電源部分和探頭部分連接起來(lái)。篩選測(cè)試方法同電法類(lèi)測(cè)井儀器，不再贅述。

測(cè)試主要關(guān)注伽馬能譜儀EDST61XA的通訊、GR計(jì)數(shù)、譜峰和保溫瓶?jī)?nèi)溫度是否正常，檢查ECNT73XA的通訊、長(zhǎng)短源距的計(jì)數(shù)和保溫瓶?jī)?nèi)溫度是否正常，檢查EZDT71XA的通訊、譜峰、保溫瓶?jī)?nèi)溫度、馬達(dá)收開(kāi)腿及其它參數(shù)是否正常。特別需注意對(duì)放射線儀器的加溫，一定要注意，在儀器加溫和降溫過(guò)程中，速度不能過(guò)快，特別是在降溫過(guò)程中，若儀器降溫過(guò)快，可能導(dǎo)致儀器探頭損壞。

3 實(shí)施評(píng)價(jià)和跟蹤機(jī)制

評(píng)價(jià)儀器高溫篩選結(jié)果包括兩部分。第一部分是實(shí)驗(yàn)室通過(guò)烘箱加溫進(jìn)行測(cè)試，確保在整個(gè)加溫過(guò)程中，儀器工作正常，各個(gè)參數(shù)在儀器設(shè)計(jì)允許的溫漂范圍內(nèi)；第二部分是下高溫井進(jìn)行測(cè)試，儀器的耐溫性能是否能夠達(dá)到高溫井的要求，儀器的測(cè)量范圍和精度，測(cè)井資料的準(zhǔn)確性，儀器的一致性、重復(fù)性是否達(dá)到測(cè)井資料的要求。

對(duì)井下儀器完成高溫篩選后，應(yīng)建立一套完善的跟蹤機(jī)制。對(duì)加溫后儀器的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行跟蹤和改進(jìn)，了解加溫效果和一些元器件的性能是否穩(wěn)定，不斷地完善儀器高溫篩選流程。按季度或年份統(tǒng)計(jì)篩選儀器的測(cè)井作業(yè)情況，包含井溫、井況信息，儀器工作狀態(tài)以及出現(xiàn)的故障等等。儀器進(jìn)行高溫篩選時(shí)，一定要將每支儀器的原始記錄及性能改進(jìn)做一個(gè)詳細(xì)的表單，便于以后參考對(duì)比。對(duì)高溫測(cè)井出現(xiàn)問(wèn)題的儀器進(jìn)行跟蹤測(cè)試，找出不符合要求的元器件，尋找同型號(hào)性能更好的元器件或進(jìn)行元器件篩選，不斷改進(jìn)，直到儀器性能的可靠性和穩(wěn)定性達(dá)到應(yīng)用要求。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

EXDT61XA交叉偶極陣列聲波測(cè)井儀在高溫篩選前后不同井段作業(yè)情況對(duì)比分析見(jiàn)表2。篩選前，在井溫164 ℃和155 ℃分別出現(xiàn)了通道波形問(wèn)題和通訊丟失故障。大部分故障在常溫檢測(cè)時(shí)無(wú)法復(fù)原，只有通過(guò)烘箱加溫才能復(fù)現(xiàn)。其中因通道板的OPA2725芯片故障，拉低電壓后通訊時(shí)好時(shí)壞，導(dǎo)致MONOFULL和MONO DT出現(xiàn)波形丟失。按照上述聲波類(lèi)儀器加溫測(cè)試篩選方法，對(duì)此儀器加入頻率5 kHz、峰峰值為100 mV的正弦波模擬聲波信號(hào)，避免了因地面無(wú)法獲得有效的聲波信號(hào)的困難。在引出線上可以很好地檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)波形，從而判斷出故障芯片。篩選完成后，儀器在NB12-X-X和NB11-X-XS某井段作業(yè)中，在164 ℃下順利完成作業(yè)，作業(yè)時(shí)效保證了100%。

表2 EXDT61XA交叉偶極陣列聲波測(cè)井儀高溫篩選前后作業(yè)對(duì)比分析

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著測(cè)井井下儀器使用年限增加以及多次高溫井作業(yè)后，經(jīng)歷高溫高壓等井下惡劣環(huán)境后有些元器件的性能可能有所下降，會(huì)影響儀器的工作狀態(tài)。通過(guò)研究分析，可以建立不同耐溫測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法，可有效保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)效，對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)防性強(qiáng)制保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)耐溫性能差的電子元件和O型圈，更換耐溫性能不佳的關(guān)鍵元器件，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)分析解決。經(jīng)過(guò)高溫篩選的井下儀器多次順利完成了高溫滿貫作業(yè)，極大地提升了國(guó)產(chǎn)測(cè)井儀器完成高溫作業(yè)的質(zhì)量。