薛志波，商博鋒，張嘉偉，羅小兵，李焱駿，葛 亮

1中海油田服務(wù)股份有限公司 2華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 3電子科技大學(xué) 4西南石油大學(xué)

0 引言

隨著石油需求量的增加，超深井的開采越來越受到石油行業(yè)的重視。而油井加深使鉆井設(shè)備面臨著更高的工作溫度。研究表明，我國深井油氣開采普遍面臨著200 ℃以上的井下極端高溫[1-3]。測井儀是用于勘探井下油氣分布的關(guān)鍵設(shè)備。井下作業(yè)時，在環(huán)境高溫?zé)崃骱碗娮悠骷陨懋a(chǎn)熱的影響下，其內(nèi)部的電子器件會隨著時間而逐漸升溫。一旦超過電子器件的最高允許使用溫度(125 ℃)，就會導(dǎo)致電子器件的信噪比下降甚至損毀[4-5]。為解決這個問題，有研究者采用耐高溫電子器件替換原有的電子器件，但需要利用絕緣硅(SOI)技術(shù)制作半導(dǎo)體，封裝時需要特殊的芯片粘結(jié)、焊接技術(shù)和印刷電路板，將很大程度上提高成本[6-7]。因此，石油行業(yè)常采用熱管理的手段對測井儀內(nèi)部的電子器件進行保護，免受惡劣高溫環(huán)境的影響。

測井儀熱管理技術(shù)分為主動式和被動式。其中主動熱管理技術(shù)包括熱電制冷、蒸汽壓縮式制冷、吸附式制冷、對流循環(huán)制冷、制冷劑循環(huán)制冷及熱聲制冷等[8-10]。盡管主動冷卻具有良好的冷卻效果，但需額外的電源、制冷劑及其他移動部件，導(dǎo)致系統(tǒng)異常復(fù)雜。被動式熱管理技術(shù)在測井儀行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，其常見結(jié)構(gòu)如圖1，包括保溫瓶，隔熱塞及1～2個吸熱體[11-13]。保溫瓶及隔熱塞用于隔絕電子器件與井下高溫環(huán)境，避免受環(huán)境漏熱影響。吸熱體則用來存儲電子器件自發(fā)熱和外部高溫環(huán)境漏入的熱量。吸熱體由中空殼體和相變材料組成，其中相變材料常用具有高潛熱和低熔點的石蠟、水合鹽等材料。發(fā)生相變時，相變材料在固液相之間轉(zhuǎn)變，相變溫度基本保持恒定，以潛熱形式蓄熱。測井儀的電子器件置于金屬骨架上，通過金屬骨架熱傳導(dǎo)能夠?qū)㈦娮悠骷a(chǎn)生的大量熱量轉(zhuǎn)移到吸熱體中。

圖1 測井儀熱管理系統(tǒng)示意圖

目前對測井儀熱管理系統(tǒng)的研究主要基于實驗，但實驗的方法存在加工周期長、加工費用高、不易反復(fù)調(diào)整參數(shù)等缺點，無法對影響電子器件溫度的關(guān)鍵因素進行參數(shù)化研究。本文利用實驗與模擬結(jié)合的方法探究影響測井儀內(nèi)部電子器件溫度的因素。首先進行實驗測試，隨后依照實驗測試的系統(tǒng)原型建立模型進行仿真，模擬測井儀工作時的溫升情況；將仿真與實驗結(jié)果進行對比，驗證所建立模型的準確性；接著基于該仿真模型，利用控制變量法，探究相變材料的質(zhì)量、電子器件發(fā)熱功率以及井下環(huán)境溫度對電子器件溫度的影響。

1 實驗及仿真步驟

1.1 實驗測試方法

圖2為測井儀熱管理系統(tǒng)原型，主要由保溫瓶、內(nèi)含相變材料的吸熱體、隔熱塞和電子器件組成。電子器件置于骨架上，從骨架往外依次是吸熱體和隔熱塞，隔熱塞分為實心隔熱塞和特氟龍—絕熱棉復(fù)合隔熱塞兩種。以上所有部分包裹在保溫瓶之內(nèi)。保溫瓶用于隔絕高溫環(huán)境熱流，由兩根同心薄壁TC11鈦合金管組成，兩端永久冷焊。兩管之間的環(huán)形空間在高溫下抽真空，起到阻隔導(dǎo)熱和對流傳熱的作用。合金管的內(nèi)表面高度拋光，以最大限度減少輻射傳熱。同時，綜合考慮各類相變材料性質(zhì)，結(jié)合實驗條件，選用55 ℃相變的Na2SO4·10H2O作為相變儲熱材料，相變潛熱為245 kJ/kg[5]。

按照圖2所示的順序組裝測井儀骨架。其中利用兩個陶瓷加熱片作為電子器件，并利用外接電源給陶瓷加熱片提供恒定的加熱功率。將陶瓷加熱片通過一層厚度約為150 μm的熱界面材料(TIM)附在骨架上。相變材料選用Na2SO4·10H2O，總長度為200 mm，重量約為700 g。測井儀骨架組裝好后，將骨架置于保溫瓶內(nèi)，再將整體置于加熱箱內(nèi)。

圖2 測井儀熱管理系統(tǒng)原型

測試臺架由加熱箱、無紙記錄儀、直流電源組成。加熱箱型號為KH-1000A，可提供5～250 ℃的恒溫環(huán)境，控溫誤差為±1℃，用于模擬井下高溫環(huán)境。無紙記錄儀型號為R6000F，具有36路模擬量信號輸入通道，用于記錄溫度數(shù)據(jù)。直流電源的型號為安捷倫E3631A，用于給陶瓷加熱片提供恒定電流。電源線和熱電偶均通過加熱箱頂部的開口接入測井儀上，開口尺寸很小，對加熱箱的性能影響忽略不計。

測試過程為：加熱箱溫度設(shè)為200 ℃，并維持兩片陶瓷加熱片的功率均為15 W，共30 W。利用k型熱電偶測試相變材料和電子器件的溫度，并記錄熱電偶的位置；熱電偶的冷端連接無紙記錄儀實現(xiàn)溫度記錄。

1.2 數(shù)值模擬方法

依照測井儀熱管理系統(tǒng)原型建立仿真模型，并采用COMSOL5.3多物理場仿真軟件進行數(shù)值模擬。測井儀模型被視作瞬態(tài)傳熱問題，依據(jù)以下的導(dǎo)熱微分方程來研究[14]：

(1)

式中:ρ—密度,kg/cm3;c—比熱容,J/(kg·K);λ—熱導(dǎo)率,W/(m·K)，q—單位時間、單位體積的生成熱,W/m3。

由于相變過程是非線性的，因此本文采用獨立方程來描述相變過程，見公式(2)～(5)。在相變過程中，相變材料的密度會隨著已融化相變材料的體積率而變化。此外，相變材料的儲熱能力也會因為發(fā)生了相變而急劇變化。因此，本文采用了等效比熱方程來解決這一問題[15-17]。

ρPCM=θ·ρPCM.s+(1-θ)·ρPCM.l

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ρPCM,ρPCM.s,ρPCM.—分別表示相變材料的密度及相變材料在純固體、純液體狀態(tài)下的密度，kg/cm3;cPCM,,cPCM.s,cPCM,l—分別表示相變材料的比熱容及相變材料在純固體、純液體狀態(tài)下的比熱容,J/(kg·K)；Tm—相變材料的熔點,℃；ΔT—相轉(zhuǎn)變間隔,℃；L—相變材料的潛熱,kJ/kg；θ—與熔點相關(guān)的分段函數(shù)，代表相變體系中固體的比例；αm—從固相到液相的相轉(zhuǎn)變質(zhì)量分數(shù)。

保溫瓶外表面和高溫環(huán)境之間發(fā)生對流換熱，可視作繞流圓柱問題，本文采用方程(6)～(9)描述[18-19]。

qout=h(Tfluid-T)

(6)

(7)

Re=ufluidD/νfluid

(8)

Pr=νfluid/afluid

(9)

式中:qout—從環(huán)境流入保溫瓶的熱流量,W/m2；h—對流換熱系數(shù),W/(m2·K)；Tfluid—流體的溫度,K;λfluid—熱導(dǎo)率，W/(m·K)；ufluid—運動速度,m/s；νfluid—運動黏度，m2/s；afluid—熱擴散系數(shù),m2/s;D—保溫瓶的直徑,m;Re—雷諾數(shù)，反映了流體流動狀態(tài)；Pr—普朗特數(shù)，反映流體動量擴散與熱量擴散的相對大小。

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格劃分難度大，且實際結(jié)構(gòu)幾乎對稱，故建立二維軸對稱模型以簡化計算。仿真材料設(shè)置及其熱物性見表1。邊界條件設(shè)置參照實驗測試工況。設(shè)置兩個恒定功率為15 W的熱源模擬陶瓷加熱片產(chǎn)熱。采用固體和流體傳熱物理場進行瞬態(tài)研究，模擬時間總長為360 min，步長為10 min。初始溫度設(shè)定為20 ℃。在此基礎(chǔ)上，利用參數(shù)化掃描進一步研究影響電子器件溫度的因素(相變材料質(zhì)量、電子器件功率、井下環(huán)境溫度)。

表1 仿真材料設(shè)置及其熱物性

2 結(jié)果及討論

2.1 實驗及仿真結(jié)果

從圖3仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比可以看出，相變材料及電子器件的升溫曲線基本一致，最大相對誤差不超過5%，說明模擬結(jié)果比較準確。另外，實驗曲線的各處波動均略小于模擬的曲線，這是因為模擬過程中忽略了部分接觸熱阻及擴散熱阻，傳熱速率更快，熱響應(yīng)更迅速，整體曲線波動更明顯。

圖3 模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的比較

圖4由1.2節(jié)的數(shù)值模擬方法得出,展示了不同時刻測井儀的溫度云圖。從圖4可以看出，隨著時間延長，內(nèi)部器件的溫度會逐漸升高，并呈現(xiàn)端部熱、中間冷的溫度分布。大開口的端部迅速升溫，但由于保溫瓶隔絕了大量周向漏熱，隔熱塞阻擋了大量端部漏熱，再加上電子器件自發(fā)熱和漏入的環(huán)境熱量會傳遞到相變材料并儲存起來，測井儀內(nèi)部溫度6 h后能夠控制在125 ℃左右。

圖4 測井儀溫度隨時間變化云圖

2.2 影響因素分析

2.2.1 相變材料質(zhì)量對電子器件溫度的影響

相變材料質(zhì)量的變化可由其長度變化表示，因此通過改變相變材料的長度模擬相變材料質(zhì)量的變化。除相變材料長度外，其余設(shè)置均與1.2中一致。圖5顯示了電子器件溫度隨著相變材料長度的變化情況。隨著相變材料長度從50 mm增加到350 mm，6 h后的電子器件溫度從178 ℃降低至96 ℃。這是因為隨著相變材料質(zhì)量的增大，吸熱體的儲熱能力增大，能夠儲存更多的電子器件自發(fā)熱和環(huán)境漏熱，有助于降低器件的溫度。在相變材料長度50～300 mm范圍內(nèi)，電子器件的降溫速度幾乎不發(fā)生變化。然而當(dāng)相變材料大于300 mm時，電子器件的降溫速率有所減緩，這是由于隨著相變材料長度增大，吸熱體熱阻增大，導(dǎo)致儲熱速率降低，器件降溫速率隨之降低。因此，為了滿足控溫需求，同時使測井儀尺寸不至于過長，應(yīng)根據(jù)需要對相變材料質(zhì)量進行優(yōu)化。

圖5 電子器件溫度隨相變材料長度的變化情況

2.2.2 電子器件功率對電子器件溫度的影響

圖6顯示了電子器件溫度隨著電子器件功率的變化情況，其余設(shè)置均與1.2中一致。橫坐標為單片陶瓷加熱片的溫度。隨著單片器件的功率從0 W增加到60 W，6 h后的電子器件溫度從43 ℃升高到220 ℃，說明在隔熱性能優(yōu)異的情況下，電子器件功率對其溫度變化起主要作用。因此，當(dāng)電子器件的功率增加時，應(yīng)該布置更多的相變材料，以滿足儲熱需求。

圖6 電子器件溫度隨著其功率大小的變化情況

2.2.3 井下環(huán)境溫度對電子器件溫度的影響

圖7展示了電子器件溫度隨井下溫度的變化情況。為了突出井下環(huán)境溫度的影響，將電子器件的總功率減為20 W，其他條件均與1.2保持一致。隨著井下溫度從140 ℃升高到260 ℃，6 h時電子器件的溫度從93 ℃變化到122 ℃?？梢钥闯觯鄬ο嘧儾牧腺|(zhì)量、電子器件功率來說，井下環(huán)境溫度對器件溫度的影響較小。這是因為保溫瓶和隔熱塞的隔熱性能優(yōu)異，有效減弱了環(huán)境溫度對測井儀內(nèi)電子器件的影響。

圖7 電子器件溫度隨著井下溫度的變化情況

3 結(jié)論

本文建立了測井儀熱管理模型并對其進行仿真，接著利用該模型分析了測井過程中相變材料質(zhì)量、電子器件功率和井下溫度對電子器件溫度的影響。得出以下結(jié)論：

(1)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，最大相對誤差在5%以內(nèi)。

(2)電子器件溫度隨相變材料質(zhì)量的增加顯著降低，但降低的速率逐漸減小。

(3)電子器件溫度基本隨器件功率線性增加。

(4)相變材料的質(zhì)量和電子器件的功率對電子器件的溫度起主要作用，而井下環(huán)境溫度對電子器件溫度的影響相對較小。