ADI石油測井高溫技術(shù)及方案

測井技術(shù)又被稱為地球物理測井技術(shù)，是地質(zhì)家和油氣藏開發(fā)工程師在油氣藏勘探開發(fā)中的“眼睛”。依靠測井技術(shù)所獲得的資料是測井評價、地質(zhì)研究和油氣藏開發(fā)的科學(xué)依據(jù)。在此環(huán)境中使用電子設(shè)備所面對的最大挑戰(zhàn)是極端溫度。該環(huán)境下的工作溫度與井深成函數(shù)關(guān)系，而全球地?zé)崽荻绕骄s為25°C/km，某些地區(qū)可能更高。

圖1 高溫高壓的界定范圍圖例

在全世界范圍內(nèi)，高溫高壓油田區(qū)塊越來越普遍，遍布五大洲四大洋。著名區(qū)塊有泰國灣、墨西哥灣、歐洲北海等。在國內(nèi)，新疆油田、吉林油田、川渝區(qū)塊、東海平湖油田、南海鶯歌海等都以高溫高壓井況聞名。

圖2 高溫高壓油田區(qū)塊分布

在過去幾年中，全球范圍內(nèi)越來越多的高溫高壓（HPHT）油田區(qū)塊被勘探開發(fā)。這些油田儲層的溫度壓力梯度往往非常高，需要在接近極端溫度的環(huán)境下作業(yè)，因此需要借助專門的高溫電子解決方案來保證性能和可靠性。

對于這一問題，技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Nathan Xiao推薦ADI石油測井高溫技術(shù)及方案。ADI通過自主研發(fā)已具備滿足高溫應(yīng)用需求的能力，能提供專為極端溫度設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品系列經(jīng)認(rèn)證，可在175°C至210°C高溫環(huán)境下工作。

圖3 簡化測井儀器信號鏈

ADI支持高溫產(chǎn)品的技術(shù)

強(qiáng)大的硅工藝

雖然標(biāo)準(zhǔn)硅工藝可以在125℃ 以上的航空級別溫度要求下正常工作，但每上升10℃ ，標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中的電流泄露就會增加一倍，許多精密應(yīng)用無法承受這一情況。對比采用普通結(jié)隔離（JI）雙極性工藝與ADI自主研發(fā)的絕緣硅片（SOI）雙極性工藝的典型NPN晶體管，圖4中的黑色箭頭指出了JI工藝器件內(nèi)電流泄漏的路徑，以及電流泄漏到襯底的寄生路徑。隨著溫度的升高，電流泄漏的影響會呈指數(shù)增長，進(jìn)而大大降低器件的性能。

SOI工藝使用SiO2絕緣電介質(zhì)層來阻隔襯底中的寄生電流。通過消除這種寄生泄漏路徑，即使在非常高的溫度環(huán)境中，也能夠使器件性能保持穩(wěn)定。采用溝道隔離、SOI工藝和標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中的其他變化都會大大降低泄露，使高性能工作溫度遠(yuǎn)高于200℃。

圖4 JI工藝與SOI工藝的結(jié)點(diǎn)泄露機(jī)制對比

創(chuàng)新封裝

耐高溫封裝的一個主要失效機(jī)制是焊線與焊墊界面失效，尤其是金（Au）和鋁（Al）混合時。一方面是邊界接口的金屬間化合物（IMC）生長，這會導(dǎo)致焊接易碎；另一方面是擴(kuò)散（柯肯達(dá)爾效應(yīng)），這會在接口處產(chǎn)生空洞，減小焊接強(qiáng)度并增加其電阻。

ADI的HT塑料封裝多加了一道鎳鈀金金屬化工序（以覆蓋的形式顯示），以得到金焊盤表面，然后與金線一起實(shí)現(xiàn)精致的金屬焊接，從而避免形成金屬間化合物。

圖5 鎳鈀金金屬化

圖6顯示了IMC的生長情況，在195℃高溫條件下，經(jīng)過500小時后會影響焊接的完整性，以及加裝鎳鈀金隔離的金/金線焊在195℃高溫條件下6000小時的情況。

可靠性認(rèn)證

ADI的HT產(chǎn)品工序流程中包含針對高溫應(yīng)用需求定制的綜合可靠性認(rèn)證計(jì)劃。所有HT產(chǎn)品均符合JEDEC JESD22‐A108規(guī)范的高溫運(yùn)行壽命（HTOL）測試。每款產(chǎn)品都至少有三個批次需要在高溫度下進(jìn)行至少1000小時的測試，確保符合數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格。除了上述這類和其他認(rèn)證測試之外，還需進(jìn)行魯棒性測試（如：閂鎖免疫）、MIL-STD-883 D組機(jī)械測試以及ESD測試。

圖8 1000小時以上高溫測試

智能完井系統(tǒng)

使用壽命是電子元器件在高溫下的重要參數(shù)，其中核心問題和障礙是在高溫條件下電子元件的化學(xué)反應(yīng)加速（材料老化）從而導(dǎo)致失效。瑞典科學(xué)家阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）總結(jié)出一個方程式，k=Ae-Ea/RT，是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的定量表述，其中k為速率常數(shù)，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，Ea為表觀活化能，A為指前因子（也稱頻率因子）。在溫度增加10℃時，很多化學(xué)反應(yīng)速率會翻倍。這個方程對于石油上游行業(yè)非常重要，它指出了井下儀器為代表的電子元器件失效機(jī)理。

圖9 預(yù)測壽命與工作溫度的關(guān)系

智能完井系統(tǒng)被稱作井下永久監(jiān)測控制系統(tǒng)，能夠采集、傳輸和分析井下生產(chǎn)狀態(tài)、油藏狀態(tài)和整體完井管柱生產(chǎn)數(shù)據(jù)等資料，根據(jù)油井生產(chǎn)情況，以遠(yuǎn)程控制方式對油層進(jìn)行監(jiān)測控制。系統(tǒng)可提高產(chǎn)量、采收率，為實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、自動化、數(shù)字油田奠定基礎(chǔ)。一般情況下，智能完井系統(tǒng)需要在井下工作3年，長時間在高溫環(huán)境中工作，選擇器件的溫度參數(shù)以及如何估算器件在特定溫度下的使用壽命成為工程師選型考慮的一個難點(diǎn)。

ADI根據(jù)阿倫尼烏斯方程，并考慮假設(shè)可能存在的設(shè)計(jì)和制造故障機(jī)制來預(yù)測壽命，圖10顯示了AD8229數(shù)據(jù)手冊中預(yù)測壽命與工作溫度的關(guān)系。同時，ADI官方也提供晶圓數(shù)據(jù)，通過使用活化能為0.7 eV的阿倫尼烏斯方程，在HTOL加速測試條件下生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最終用戶使用條件下的壽命，使用卡方統(tǒng)計(jì)分布分別計(jì)算了置信區(qū)間60%和90%的失效率數(shù)據(jù)。

圖10 ADI器件壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

ADI高溫產(chǎn)品型號推薦

Nathan介紹了以下幾種ADI高溫特色產(chǎn)品型號?？蓾M足不同客戶的需求。

圖11 ADI高溫特色產(chǎn)品型號

ADI高溫應(yīng)用方案

適合高溫環(huán)境的16位、600 kSPS低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CN0365

CN0365是ADI提供的一個175℃低功耗高溫?cái)?shù)據(jù)采集參考設(shè)計(jì)，旨在提供一個完整的數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建塊，可獲取模擬傳感器輸入、對其進(jìn)行調(diào)理，并將其特征化為SPI串行數(shù)據(jù)流。該設(shè)計(jì)功能非常豐富，可用作單通道應(yīng)用，也可擴(kuò)展為多通道同步采樣應(yīng)用。

圖12 EVAL-CN0365-PMDZ 電路板照片

圖13 耐高溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用1 kHz輸入信號和5V基準(zhǔn)電壓時，AD7981的額定SNR典型值為91dB；使用較低基準(zhǔn)電壓時，SNR 性能會有所下降。根據(jù)AD7981數(shù)據(jù)手冊中的性能曲線，在室溫和2.5V基準(zhǔn)電壓時，預(yù)期SNR約為86dB。當(dāng)溫度升高至175℃時，SNR性能僅降低至約84dB，THD仍然優(yōu)于?100dB。

圖14 SNR隨溫度的變化（1 kHz輸入信號、580 kSPS）

圖15 THD 隨溫度的變化（1 kHz 輸入信號、 580 kSPS）

200°C高溫?cái)?shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)EV-HT-200CDAQ1

該參考設(shè)計(jì)是不斷壯大的ADI高溫應(yīng)用產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)里的最新成員，基于AD7981模數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器，展現(xiàn)了一種全功能的系統(tǒng)，帶2個高速同步采樣通道和8個額外的多路復(fù)用通道，可滿足廣泛的井下工具的數(shù)據(jù)采集需求（共10個通道）。實(shí)際電路板尺寸約長11.4英寸、寬1.1英寸。

圖16 EV-HT-200CDAQ1高溫參考平臺

圖17 高溫參考平臺功能框圖

采集后，數(shù)據(jù)處理可以在本地，也可通過UART或可選的RS-485通信接口傳輸出去。電路板上的其他配套組件（包括內(nèi)存、時鐘、電源和無源器件）均為各自供應(yīng)商指定的、支持高工作溫度的器件。經(jīng)驗(yàn)證，這些組件能在200℃或以上的溫度下可靠地工作。借助該平臺，高溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在原型制作和評估中使用最先進(jìn)的組件，從而縮短開發(fā)時間和上市時間。

ADI高溫產(chǎn)品采用創(chuàng)新硅工藝、封裝和測試技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且經(jīng)認(rèn)證，可在高溫環(huán)境下工作。開發(fā)的產(chǎn)品在極其惡劣的高溫環(huán)境下，也能夠展現(xiàn)出高性能、高可靠性、小尺寸和低功耗等諸多優(yōu)勢。Excelpoint世健可以提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)和支持，幫助客戶提升產(chǎn)品開發(fā)效率。