地下石油和天然气行业对高温压力传感器设计和可靠性带来挑战

许多行业都需要能够在极端高温等恶劣环境下能可靠工作的电子传感设备。依照传统做法，在设计需要在常温范围之外工作的电子设备时，工程师必须采用主动或被动冷却技术，但某些应用可能无法进行冷却，或是电子设备在高温下工作时更为有利，可提升系统可靠性或降低成本。目前最大的高温电子设备(>150°C)应用领域是地下石油和天然气行业。在该应用中，工作温度和地下井深成函数关系。全球地热梯度一般为25°C/km深度，某些地区更大。

油田高温压力传感器

过去，钻探作业最高在150°C至175°C的温度范围内进行，然而，由于地下易钻探自然资源储备的减少和技术进步，行业的钻探深度开始加深，同时也开始在地热梯度较高的地区进行钻探。这些恶劣的地下井温度超过200°C，压力超过25 kPSI。主动冷却技术在这种恶劣环境下不太现实，被动冷却技术在发热不限于电子设备时也不太有效。

地下钻探行业中高温电子设备的应用十分复杂。首先，在钻探作业过程中，电子设备和传感器会引导钻探设备并监控其状态是否正常。随着定向钻探技术的出现，高温地质导向仪器必须将钻孔位置精确引导至地质目标。

钻孔时或钻孔刚结束时，精密的井下仪器会收集周围的地质构造数据。这种做法称为测井可以测量电阻率、放射性、声音传播时间、磁共振和其他属性，以便确定地质构造特性，如岩性、孔隙度、渗透率，以及水/烃饱和度。通过这些数据，地质学家可以从构造上对岩石类型进行判断，还可以判断存在的流体类型及其位置，以及含流体区域能否提取出足够数量的碳氢化合物。

最后，在完成和生产阶段，电子系统会监控压力、温度、振动和多相位流动，并主动控制阀门。要满足这些需求，需要有一个完整的高性能元件信号链。系统可靠性是最重要的因素，因为设备故障会造成极高的停机成本。在地下数英里作业的钻柱如果出现电子组件故障，需要一天以上的时间来检修及更换，操作复杂深水海上钻井平台每天大约需要花费上100万美元！

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