一種井下熱組件溫度管理系統(tǒng)

王 綿，王子涵，劉小玉

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

在石油鉆井工程中，井下工具需要在地表附近以及地表以下數(shù)百米處運(yùn)行［1］，鉆具會處于嚴(yán)峻的操作環(huán)境 （井下溫度可能超過200°C，壓力可能超過138MPa）。為了在鉆井時(shí)從井下獲得測量信息，BHA安裝有電子儀器，隨鉆測井工具和隨鉆測量工具都與電子儀器結(jié)合。這些電子儀器可以是各種電子元件如計(jì)算機(jī)芯片、電路板、處理器、電源轉(zhuǎn)換器等。

井下工具中的電子元件也在內(nèi)部產(chǎn)生熱量。例如電纜工具的耗散功率超過100W，井下工具在鉆柱上的耗散功率超過10W。電子元件額定工作溫度通常不超過125°C。當(dāng)井下環(huán)境溫度超過200°C時(shí)，此時(shí)超過電子元件的結(jié)溫，電子元件的熱量不能消散到環(huán)境中，會在電子部件內(nèi)部積累。這會使得部件工作特性退化或者故障，從而降低了它們的使用壽命或者在某些溫度下電子器件可能停止工作。電子元件故障中斷井下活動，鉆入鉆孔需要昂貴的鉆機(jī)時(shí)間，加上電子元件的更換成本，這會導(dǎo)致更多人力物力的成本消耗。因此，在井下工具散熱中必須考慮井下環(huán)境的熱量和工具部件產(chǎn)生的熱量。

現(xiàn)有的用于井下工具中的熱組件溫度管理的通常是蓄熱溫度管理系統(tǒng)，蓄熱溫度管理是將熱組件的熱量移除并存儲到散熱器中。然而在井下環(huán)境中用散熱器儲存熱量具有一定的局限性，不能去除與散熱器相鄰的熱組件熱量。本文提出一種基于熱電制冷的井下工具的溫度管理系統(tǒng)及方法。

1 各種制冷方法的對比

井下制冷的方法原理主要有蒸汽壓縮制冷、吸附式制冷、吸收式制冷和熱電制冷。陳延杰［2］在蒸汽壓縮制冷的基礎(chǔ)上增加了除濕設(shè)置，設(shè)計(jì)了井下局部制冷系統(tǒng)并將此系統(tǒng)應(yīng)用在龍家堡礦411工作面取得了較好的冷卻效果。相飛等［3］采用蒸汽壓縮制冷原理設(shè)計(jì)WAT集中降溫制冷系統(tǒng)，主要是以冷水為媒介對煤礦較大工作面進(jìn)行散熱處理。李靖［4］對比了煤礦中井下集中式制冷和地面集中式制冷的優(yōu)劣。但這些制冷系統(tǒng)都是基于對井下環(huán)境大面積降溫處理的目的設(shè)計(jì)的，并未對于鉆井過程中井下工具的散熱問題進(jìn)行處理［4-5］?，F(xiàn)從原理、適用場合和效益等方面對比蒸汽壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和熱電制冷方式如表1所示。

考慮到鉆井過程中井下空間較小，井下工具的降溫處理屬于微型場合，所以對于井下工具特別是電子元器件等熱組件的散熱處理采用熱電制冷原理。

2 井下工具溫度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為解決井下工具散熱器周圍熱組件的散熱問題，本文提出一種基于熱電制冷的井下熱組件溫度管理系統(tǒng)及方法。溫度管理系統(tǒng)由熱組件、熱交換器和排熱管理裝置組成。排熱溫度管理裝置將熱量從熱組件傳遞到熱交換器中，繼而將熱量傳遞到鉆井液或環(huán)境中。

溫度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱組件固定在圓柱形散熱底盤上，并通過散熱底盤兩端的隔離安裝件安裝在熱交換器內(nèi)，隔離安裝件被絕緣套管包圍。排熱溫度管理裝置主要是一個(gè)或多個(gè)熱電冷卻器。熱交換器具有多個(gè)端口的圓柱體，每個(gè)端口設(shè)有端口蓋，熱組件與熱電冷卻器熱耦合后放置于熱交換器的端口中，端口蓋內(nèi)設(shè)有用于固定安裝熱組件的絕緣支架。圖2是熱電冷卻器的配置圖。熱電冷卻器由熱板、冷板、第一半導(dǎo)體、第二半導(dǎo)體和電源組成。冷板和熱板是由陶瓷材料制造的。冷板與熱組件耦合，熱板與熱交換器耦合，在冷板和熱板之間有第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體，第一半導(dǎo)體是一個(gè)P型硅半導(dǎo)體，第二半導(dǎo)體是一個(gè)N型硅半導(dǎo)體。電源與第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體串聯(lián)或并聯(lián)作為激勵(lì)源。當(dāng)來自電源的正電壓施加到P型第一半導(dǎo)體時(shí)，電路被激勵(lì)，電子從低能P型半導(dǎo)體傳遞到高能N型第二半導(dǎo)體，此時(shí)電子吸收熱量。當(dāng)電子從高能N型第二半導(dǎo)體傳遞到低能P型第一半導(dǎo)體時(shí)，熱量被排出。因此，熱能最初從熱源傳遞到冷板再由半導(dǎo)體傳遞到熱板，然后在50處進(jìn)一步轉(zhuǎn)移。所傳遞的熱量與電流和熱電耦合的數(shù)量成正比。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文將排熱溫度管理裝置與熱組件和熱交換器相耦合，利用排熱溫度管理裝置將熱量從熱組件傳遞到熱交換器中，接著傳遞到鉆井液或環(huán)境中。利用熱電冷卻器與熱交換器的組合將散熱底盤上的熱敏裝置的熱量排放到鉆井液中，解決了傳統(tǒng)蓄熱溫度管理裝置不能去除散熱器附近元件的熱量的限制。

圖1 溫度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖

3 井下工具溫度管理系統(tǒng)的應(yīng)用

溫度管理系統(tǒng)可以應(yīng)用于井下工具處理中如地層中鉆探鉆孔中，也可用于井下電纜工具、永久安裝的井下工具或臨時(shí)試井井下工具中，也可用于周圍環(huán)境溫度大于或小于被冷卻的熱組件的其他情況和應(yīng)用場合。為使本文提出的溫度管理系統(tǒng)能更好地應(yīng)用。現(xiàn)將溫度管理系統(tǒng)應(yīng)用于井下工具的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。

當(dāng)熱組件位于井下工具板上時(shí)，溫度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由絕緣體套筒、散熱底盤、隔離支架、熱電冷卻器、熱組件和兩個(gè)熱交換器構(gòu)成如圖3所示。溫度管理系統(tǒng)管理至少一個(gè)熱組件的溫度，熱組件可以是散熱組件、發(fā)熱組件或熱敏部件，也可以是集成電路如一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片或機(jī)械設(shè)備。

如圖3所示，熱組件安裝在散熱底盤上，散熱底盤使用隔離支架安裝在井下工具的熱交換器內(nèi)。兩個(gè)熱交換器分別安裝在散熱底盤的頂端和末端。散熱底盤的外部和周圍是絕緣體套筒。熱電冷卻器安裝在散熱底盤上，在熱交換器中安裝有與熱電冷卻器配套的底盤和安裝組件，以形成溫度管理系統(tǒng)的排熱溫度管理裝置。實(shí)現(xiàn)從散熱底盤中移除熱量并將熱量傳遞到熱交換器。熱電冷卻器可以是單級熱電冷卻器，也可以是多級和級聯(lián)布置的多個(gè)熱電冷卻器。

熱電冷卻器的冷板與散熱底盤連接，從散熱底盤中移除熱量，并將被移除的熱量傳遞到熱板。熱量從熱板傳遞到熱交換器，接著熱量可以傳遞到鉆柱、井下工具和地層之間的環(huán)空或通過鉆柱和井下工具泵送的鉆井液。熱量可以通過傳導(dǎo)或通過對流或輻射或任何組合直接或間接的從熱板傳遞到環(huán)境。在一些具體應(yīng)用中，可以使用熱界面材料代替熱交換器。

圖3 熱組件位于井下工具板上的溫度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

熱組件和熱電冷卻器的功率由渦輪交流發(fā)電機(jī)提供，渦輪交流發(fā)電機(jī)由鉆井液驅(qū)動。渦輪交流發(fā)電機(jī)可以是軸向、徑向或混合流動類型。交流發(fā)電機(jī)可以由鉆井液驅(qū)動的正位移馬達(dá)驅(qū)動 （Moineau型電動機(jī)），也可以使用其他電源 （電池）驅(qū)動。

溫度管理系統(tǒng)應(yīng)用于井下工具處理中主要是維持熱組件在額定溫度以下 （溫度在125°C，100°C以下甚至低于80°C）以延長其壽命，溫度越低，熱組件的壽命越長。

當(dāng)熱交換器有多個(gè)端口時(shí)，熱組件也可以是安裝在熱交換器端口中的電子元件。圖4為溫度管理系統(tǒng)管理熱交換器端口中的熱組件的溫度。圖4A所示為熱交換器是具有一個(gè)或多個(gè)端口的圓柱體。溫度管理系統(tǒng)中，熱電冷卻器、熱組件位于熱交換器中的端口內(nèi)。對于每個(gè)端口，端口蓋固定安裝有熱組件的絕緣支架。熱電冷卻器位于熱組件和熱交換器的端口的內(nèi)部之間。

圖4 熱組件安裝在熱交換器端口的溫度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

井下工具的冷卻技術(shù)是重要的且有待于研究與發(fā)展的。本文將基于熱電制冷技術(shù)的溫度管理系統(tǒng)應(yīng)用于井下工具制冷，解決了傳統(tǒng)蓄熱溫度管理無法去除與散熱器相鄰熱組件的熱量問題，更好地應(yīng)用于井下作業(yè)的高溫高壓、空間狹小的環(huán)境中，同時(shí)也很大程度上節(jié)約了時(shí)間成本。