地?zé)嵘羁茁暡y(cè)井傳感器的熱設(shè)計(jì)

張建偉, 楊卓靜， 王新杰， 趙玉軍， 郝文杰

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，自然資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工程技術(shù)創(chuàng)新中心， 保定 071051)

京津冀地區(qū)地?zé)豳Y源分布廣泛，以深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層為主要特征，具有地?zé)醿?chǔ)層埋藏深、出水溫度高、流量大的特點(diǎn)。深部巖溶熱儲(chǔ)作為一種高品質(zhì)地?zé)豳Y源，其探測(cè)利用可以實(shí)現(xiàn)清潔能源的有效供應(yīng)[1]。研究表明，超聲波成像測(cè)井技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲取熱儲(chǔ)層裂縫的位置、形態(tài)、傾角、傾向等參數(shù)，有助于摸清地下巖體構(gòu)造及裂縫分布規(guī)律，是科研工作者重點(diǎn)關(guān)注的熱儲(chǔ)層強(qiáng)化增產(chǎn)技術(shù)手段[2]。超聲成像測(cè)井傳感器需要在井下3 500 m以下，在120 ℃以上環(huán)境下連續(xù)工作8 h以上，特殊的工作環(huán)境對(duì)超聲成像傳感器的要求更高，其耐高溫性能成為傳感器設(shè)計(jì)的瓶頸。對(duì)傳感器實(shí)施有效的熱分析和控制是提升其可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。溫度升高是造成電子元器件失效的主要因素，失效率和溫度增量為指數(shù)關(guān)系。芯片溫度的控制至關(guān)重要，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致芯片損壞，研究表明，在70～80 ℃內(nèi)，單個(gè)電子元件的溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性降低50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有超過(guò)55%的電子設(shè)備失效形式都是由溫度過(guò)高引起的。因此，為保證芯片工作的可靠性和穩(wěn)定性，發(fā)展新型高效的熱設(shè)計(jì)成為迫切需求[3]。

在深井高溫環(huán)境下，傳感器中電子元器件的溫升取決于外部高溫環(huán)境的熱交換和內(nèi)部元器件工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱耗散兩個(gè)方面，因此傳感器的耐溫設(shè)計(jì)需要從印制電路板(printed circuit board，PCB)和環(huán)境傳熱學(xué)角度進(jìn)行熱設(shè)計(jì)[3-5]。現(xiàn)以超聲成像傳感器中的信息采集與處理電路為例，在傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上，建立電路板和環(huán)境之間的耦合傳熱模型，根據(jù)深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層的測(cè)溫曲線，采用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)PCB電路的主要電子元器件進(jìn)行熱仿真分析，為傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布局和耐溫性能提供參考依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方法的有效性[6-7]。

1 超聲成像傳感器的硬件電路及工作原理

地?zé)嵘羁诇y(cè)井傳感器硬件電路分為聲像總成單元、方位監(jiān)測(cè)單元、信息采集與處理單元、信號(hào)傳輸單元及電源單元等部分，如圖1所示。其主要功能為：①承擔(dān)超聲波信號(hào)的產(chǎn)生、采集、處理等工作；②將相應(yīng)的信號(hào)經(jīng)載波通信單元發(fā)送給地面控制系統(tǒng)；③根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)合成最終的井壁圖像。

圖1 井下傳感器硬件電路Fig.1 Hardware circuit for the downhole sensor

根據(jù)深部熱儲(chǔ)層裂縫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求，采用高溫雙通道換能器作為超聲波的發(fā)射源，根據(jù)孔徑、鉆井液類型調(diào)整換能器發(fā)射頻率。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)換能器以5 r/s的速度旋轉(zhuǎn)，該設(shè)計(jì)能夠保證測(cè)井過(guò)程中縱向圖像和周向圖像的像素，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能提供高分辨率的井周圖像。

井下電路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、編碼，同時(shí)對(duì)地面發(fā)送的命令進(jìn)行編譯、響應(yīng)。其中，信號(hào)采集單元主要功能包括聲波換能器控制、激勵(lì)、信號(hào)接收及處理；數(shù)據(jù)處理單元的主要功能是獲取外設(shè)傳感器的數(shù)據(jù)，包括井斜、磁北、井溫、井下電源等參數(shù)。通信單元采用電壓發(fā)送、電流信號(hào)回傳的載波通信技術(shù)，采用獨(dú)芯鎧裝電纜作為通信介質(zhì)，采用曼徹斯特(Manchester)編碼方法，在供電電纜上調(diào)制控制信號(hào)[8]。

信息采集與處理單元主要負(fù)責(zé)采集外設(shè)中的多種傳感器數(shù)據(jù)，一直處于高頻率工作狀態(tài)下，PCB的發(fā)熱量最大，其在高溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性直接決定傳感器的可靠性和穩(wěn)定性[9]。信息采集與處理單元的PCB圖如圖2所示。

圖2 信息采集與處理單元PCB圖Fig.2 The PCB diagram of the information acquisition and processing unit

熱設(shè)計(jì)的目的是避免由于熱量聚集導(dǎo)致局部溫度過(guò)高而燒壞電子元件。從環(huán)境對(duì)電路板的熱輻射和電路板自身熱耗散兩個(gè)方面對(duì)傳感器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。其中，熱輻射主要研究傳感器內(nèi)、外的換熱關(guān)系，以保證所有部件能在可控溫度范圍內(nèi)工作[10-12]。在電路板自身熱耗散方面，目前高溫電路的實(shí)現(xiàn)方法包括基于PCB的方法、混合電路法和專用功能集成電路(application specific integrated circuit，ASIC)法。需要針對(duì)PCB電路板的耐溫需求進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、模擬[13]。

2 PCB環(huán)境傳熱耦合模型與熱分析仿真

2.1 傳感器的環(huán)境溫度

超聲成像測(cè)井傳感器外殼為不銹鋼材質(zhì)，PCB電路板固定在不銹鋼外殼中，測(cè)井過(guò)程中，探頭放置于井下液態(tài)環(huán)境中，熱傳導(dǎo)介質(zhì)一般為水、油或泥漿。超聲成像測(cè)井對(duì)成像質(zhì)量要求高，一般每米井段像點(diǎn)數(shù)不小于50 000點(diǎn)，測(cè)井過(guò)程中探頭移動(dòng)速度一般不大于2 m/s，因此可認(rèn)為外殼的溫度和井內(nèi)環(huán)境溫度一致[14]。

測(cè)井溫度曲線能夠直觀反映傳感器的工作環(huán)境溫度，圖3為雄安新區(qū)地?zé)酓35井的測(cè)溫曲線，測(cè)溫背景是井中下入套管，井下無(wú)設(shè)備擾動(dòng)，靜水位103.5 m，井下為清水。從圖3中可以看出，測(cè)溫曲線基本呈現(xiàn)線性，3 500 m處水溫達(dá)到110 ℃，最高溫度達(dá)到116 ℃，地溫梯度為3.89 ℃/m[15]。

圖3 D35井測(cè)溫曲線Fig.3 Temperature curve of well D35

2.2 傳熱模型

在深井高溫環(huán)境下，超聲成像測(cè)井系統(tǒng)的電路板布置在不銹鋼殼體中央，電子元器件的溫升主要取決于外部環(huán)境的傳熱過(guò)程和電路板上元器件因功耗而產(chǎn)生熱耗散兩個(gè)因素。電路PCB的溫升是多種傳熱模式(輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等)耦合作用的結(jié)果[16-17]，測(cè)井系統(tǒng)傳熱模型如圖4所示，測(cè)井系統(tǒng)傳熱原理如圖5所示。

qRA為熱輻射；qCV為電路板與環(huán)境的熱對(duì)流；qCD為芯片和電路基板的熱傳導(dǎo)圖4 測(cè)井系統(tǒng)傳熱模型Fig.4 Heat transfer model of the logging system

井下傳熱過(guò)程包括不銹鋼外殼壁對(duì)電路板的熱輻射qRA、電路板與環(huán)境的熱對(duì)流qCV、芯片和電路基板的熱傳導(dǎo)qCD。系統(tǒng)通過(guò)芯片功耗發(fā)熱和環(huán)境輻射輸入熱能，通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流損失熱能。最后儲(chǔ)存在傳感器內(nèi)的熱能量平衡方程[13]描述為

(1)

式(1)中：qRA為外殼壁對(duì)電路板的輻射熱流密度，W/m2；qCD為芯片和PCB基板之間傳導(dǎo)熱流密度，W/m2；qCV為電路板和環(huán)境之間的對(duì)流換熱熱流密度，W/m2；ρ為材料的密度，kg/m3；V為控制體體積，m3；cp為材料的定壓熱容，J/(kg· ℃)；T為環(huán)境溫度， ℃；t為傳熱時(shí)間，s。

超聲成像測(cè)井傳感器的不銹鋼外殼浸泡在高溫地下水(泥漿)中，系統(tǒng)內(nèi)部電路必然會(huì)受到高溫外殼的熱輻射。兩表面之間的輻射熱流[16]計(jì)算，公式為

(2)

式(2)中：ε為輻射發(fā)射率，灰體發(fā)射率與吸收率相同；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，σ取5.67×10-8W/(m2·℃)；T1、T2分別為發(fā)射表面和接收表面的溫度，℃。

考慮到其熱接觸類型為等效空氣薄熱阻層，芯片和PCB基板之間的換熱為固體間的傳導(dǎo)換熱，其傅里葉傳熱方程[11]為

(3)

式(3)中：k為熱導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)；dT/dn為溫變梯度，℃/m。

在電路板和環(huán)境之間的傳熱過(guò)程中，熱流密度qCV可由牛頓冷卻方程來(lái)確定[11]，表達(dá)式為

qCV=hCV(Tw-T∞)

(4)

式(4)中：hCV為環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tw為地下井的壁面溫度，℃；T∞為流體介質(zhì)的溫度， ℃。

2.3 電路的傳熱仿真分析

COMSOL采用有限元分析的方法，可用于多個(gè)物理場(chǎng)耦合的場(chǎng)合。采用COMSOL Multiphysics對(duì)超聲成像測(cè)井傳感器的溫升進(jìn)行仿真分析，對(duì)熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)3種傳熱物理場(chǎng)進(jìn)行耦合仿真[18]。建立有限元三維數(shù)字化模型，如圖6所示。

在COMSOL中，需要添加輻射傳熱物理場(chǎng)、固體傳熱物理場(chǎng)和流體傳熱物理場(chǎng)，對(duì)3種物理場(chǎng)進(jìn)行耦合，并進(jìn)行瞬態(tài)研究。有限元模型中電路板主要基板和芯片材料的傳熱特性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6 信息采集與處理電路的有限元模型Fig.6 Finite element model of information acquisition and processing circuit

表1 傳熱特性參數(shù)Table 1 Parameters of heat transfer characteristics

對(duì)于固體傳熱模塊，根據(jù)PCB電氣原理圖(圖2)，計(jì)算各個(gè)器件的功率，輸入熱源熱耗率，設(shè)置熱接觸類型為等效薄熱阻層，熱阻層由內(nèi)置材料屬性定義。對(duì)表面輻射模塊中設(shè)置各輻射面為漫灰表面，輻射系數(shù)為0.8，設(shè)置外殼溫度作為邊界條件，由于傳感器需要在井下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，認(rèn)為井溫為外殼溫度，分別以D22井、D35井的井下最高溫度(95 ℃和116 ℃)為邊界條件，在固體和流體傳熱模塊設(shè)置換熱系數(shù)為7 W/(m2·℃)，仿真?zhèn)鞲衅髟谝簯B(tài)環(huán)境下電路板上的溫升情況。

根據(jù)2.2節(jié)的傳熱模型，添加多物理場(chǎng)進(jìn)行耦合仿真分析，信息采集與處理電路的環(huán)境級(jí)熱仿真分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 電路板熱仿真結(jié)果Fig.7 Thermal simulation results for the circuit board

如圖7所示，在95 ℃和116 ℃井下高溫液態(tài)環(huán)境中仿真結(jié)果，電路板上各個(gè)位置最高溫度可達(dá)到113 ℃和121 ℃，電路板上不同位置溫升跨度約10 ℃，均高于環(huán)境溫度，最高溫度出現(xiàn)在控制芯片PIC18F2480處。根據(jù)仿真結(jié)果可知，傳感器內(nèi)部溫升不僅和外界溫度有關(guān)，同時(shí)受芯片功耗發(fā)熱及電路板散熱的影響，因此對(duì)傳感器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)能夠有效提升傳感器的耐溫指標(biāo)。

3 熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

傳感器內(nèi)部電路由印制電路板(PCB板)和電子元器件(IC芯片)組成，各個(gè)組成單元各司其職，熱設(shè)計(jì)主要包括降低系統(tǒng)功耗和增強(qiáng)系統(tǒng)散熱兩個(gè)方面[5，15]。

在蓄水前按設(shè)計(jì)要求完成剩余的監(jiān)測(cè)工程量，取得大壩外部變形監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)值；盡快制定切實(shí)可行的下閘蓄水施工組織設(shè)計(jì)和技術(shù)措施。蓄水前對(duì)閘門、啟閉機(jī)開(kāi)展全面檢查和維保，制定導(dǎo)流洞封堵實(shí)施方案。

3.1 低功耗設(shè)計(jì)

電路的低功耗設(shè)計(jì)主要目的是降低芯片的結(jié)熱阻[19]，降低芯片的瞬態(tài)發(fā)熱，設(shè)計(jì)合理的工作方式，避免傳感器內(nèi)部熱量局部積累，造成IC芯片熱失效。主要方法包括功能架構(gòu)優(yōu)化、IC芯片優(yōu)選、工作方式設(shè)計(jì)。

3.1.1 功能架構(gòu)優(yōu)化

超聲成像測(cè)井系統(tǒng)由聲像轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集處理、編碼通信等多個(gè)單元組成，由于井下部分需要承受高溫高壓的考驗(yàn)，而井上部分工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，所以井下傳感器中只保留不可取代的功能單元，其他部分在地表儀器中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)各個(gè)功能單元獨(dú)立設(shè)計(jì)，避免高功率單元密集布設(shè)。

3.1.2 芯片優(yōu)選

芯片的封裝形式、材質(zhì)決定其散熱特性，近年來(lái)系統(tǒng)級(jí)封裝(system in a package，SIP)技術(shù)發(fā)展迅速，該封裝形式以其高效率、小體積的特點(diǎn)廣受認(rèn)可，但是功耗密度高、散熱難的特點(diǎn)降低了耐高溫指標(biāo)。單一功能的IC芯片散熱效果好，尤其小外形包裝(small outline package，SOP)、小輪廓晶體管(small outline transistor，SOT)、直插等封裝形式高溫指標(biāo)相對(duì)優(yōu)越。由于超聲成像傳感器對(duì)電路板尺寸要求并不高，因此采用傳統(tǒng)的PCB結(jié)構(gòu)搭建電路系統(tǒng)。

IC芯片由基板、封裝外殼、黏接層組成，以氧化鈹(BeO)作基板、金錫合金(AuSn20)為黏接焊料、金屬銅作為封裝外殼的結(jié)構(gòu)最利于散熱[18]。

根據(jù)仿真結(jié)果選擇芯片型號(hào)，溫度最高處的控制芯片選用PIC18F2480-E_SO，其工作溫度范圍為-40～125 ℃。

3.1.3 休眠設(shè)計(jì)

3.2 散熱設(shè)計(jì)

散熱是傳感器內(nèi)部和外部熱交換的過(guò)程，每項(xiàng)電路開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該考慮到散熱，散熱方法主要包括PCB設(shè)計(jì)和空間散熱。

3.2.1 PCB設(shè)計(jì)

針對(duì)傳感器高溫應(yīng)用環(huán)境，選用高玻璃化溫度材料作為PCB基板，常規(guī)的FR4材料玻璃化溫度為130～140 ℃，不能滿足使用要求，綜合考慮性能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)成本，最終選擇玻璃化溫度在170～180 ℃的無(wú)鹵聚酰亞胺玻璃布板材作為基板。設(shè)計(jì)4層電路板，中間兩層全部覆銅，利于散熱。電路板上金屬焊點(diǎn)采用鎳金處理工藝，提高耐氧化性，同時(shí)能夠防止金屬增生現(xiàn)象。設(shè)計(jì)散熱焊盤(pán)，確保大功率IC器件的良好散熱回路，將高溫焊盤(pán)通過(guò)金屬電路板支架與傳感器殼體連接，形成金屬散熱通路。選擇高溫焊錫(SN95)作為焊接材料，防止長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下IC器件脫落或虛焊。

根據(jù)各個(gè)功能單元的信號(hào)流向、功耗、熱輻射等因素，依托仿真結(jié)果對(duì)PCB板進(jìn)行芯片布局、布線，確保最終的PCB板上的溫度分布均勻，避免局部高溫?zé)龤酒?。綜合熱仿真結(jié)果和電路板的耐熱設(shè)計(jì)，信息采集與處理單元的PCB如圖8所示。

圖8 信息采集與處理單元PCB實(shí)物圖Fig.8 The PCB physical diagram of the information collection and processing unit

3.2.2 空間散熱

合理的布線及芯片布局能夠提升電路板平面方向的導(dǎo)熱系數(shù)，而大功率發(fā)熱器件僅依靠平面散熱是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，設(shè)計(jì)合理的厚度方向散熱方式，形成空間散熱結(jié)構(gòu)，能夠有效提升傳感器的耐溫性能。針對(duì)大功率IC芯片設(shè)計(jì)一種局部自然散熱裝置，提升芯片在電路板厚度方向的散熱能力，如圖9所示。

圖9 芯片自然散熱裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the chip’s natural heat dissipation device

在控制芯片PIC18F2480-E_SO位置布設(shè)導(dǎo)熱過(guò)孔，過(guò)孔與覆銅層相連，過(guò)孔直徑0.2 mm，孔間距1 mm，電路板背面對(duì)應(yīng)位置安裝柵型散熱片，散熱片與PCB板之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，柵型散熱片采用鋁合金材質(zhì)，厚度1 mm，高8 mm，散熱片與金屬電路板支撐架機(jī)械連接[20]，既實(shí)現(xiàn)了芯片在電路板厚度方向熱傳導(dǎo)介質(zhì)由空氣變?yōu)榱私饘伲诳臻g上形成了低熱阻散熱通道，同時(shí)為電路板提供了一種可靠的固定方式。該設(shè)計(jì)能夠大幅度降低電路板局部溫升，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，相同外界條件下，加裝散熱裝置的芯片達(dá)到峰值溫度時(shí)間減緩約35 min，最高瞬態(tài)溫度降低約13.5 ℃。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 傳感器高溫試驗(yàn)

對(duì)超聲成像傳感器進(jìn)行110 ℃的高溫試驗(yàn)。采用北京雅士林試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的步入式高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱作為試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備型號(hào)GDJS-018C，溫度調(diào)控范圍-60～150 ℃，溫度波動(dòng)度±0.5 ℃，相對(duì)濕度調(diào)控范圍30%～98%，相對(duì)濕度波動(dòng)度±2%，如圖10所示。測(cè)試依據(jù)為《電工電子環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)B》(GB/T 2423.2—2003)。試驗(yàn)采用階梯加溫的形式，如圖11所示，從50 ℃開(kāi)始加溫，每5 ℃為一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)恒溫保持5 min，升溫到110 ℃時(shí)，恒溫保持8 h，耐溫試驗(yàn)總時(shí)間為13.5 h。傳感器放置在高低溫試驗(yàn)箱中，在此期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器工作正常狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該傳感器能在高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

圖11 階梯加溫試驗(yàn)Fig.11 Step heating test

4.2 傳感器現(xiàn)場(chǎng)高溫試驗(yàn)

在室內(nèi)模擬裝置中進(jìn)行傳感器性能指標(biāo)測(cè)試，模擬測(cè)井裝置為圓柱形，直徑300 mm，高3 m，底部密封，管內(nèi)填充低黏度硅油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，溫度可控，最高可升溫至200 ℃，開(kāi)展傳感器線性度、重復(fù)性、分辨率實(shí)驗(yàn)。

電-聲換能器工作頻率為250 kHz，選擇不同的聲壓激勵(lì)，測(cè)量傳感器輸出電壓與換能器表面聲壓，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器線性參數(shù)Table 2 The linear parameter of the sensor

根據(jù)聲壓與聲壓級(jí)的換算關(guān)系，參照實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，120 dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，傳感器的非線性偏差小于±0.2 dB，傳感器線性度良好。

在室內(nèi)模擬裝置中進(jìn)行相同環(huán)境下的重復(fù)測(cè)井試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖12所示，超聲成像測(cè)井圖像清晰，每米井段像點(diǎn)數(shù)不少于50 000點(diǎn)，管壁劃痕分辨率3 mm，重復(fù)性誤差小于±1 mm，傳感器重復(fù)性、分辨率指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 室內(nèi)重復(fù)性試驗(yàn)Fig.12 Indoor repetitive test

對(duì)模擬裝置中的導(dǎo)熱介質(zhì)升溫，開(kāi)展傳感器耐溫極限實(shí)驗(yàn)，經(jīng)熱設(shè)計(jì)后的傳感器能夠在125 ℃環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常工作，經(jīng)過(guò)8 h的連續(xù)測(cè)試，傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)間斷，誤差維持在設(shè)計(jì)指標(biāo)以內(nèi)。當(dāng)導(dǎo)熱介質(zhì)溫度高于125 ℃時(shí)，傳感器出現(xiàn)故障。

該傳感器多次在深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層測(cè)井工程中使用，能夠在高溫、封閉、自然散熱的環(huán)境下穩(wěn)定工作，測(cè)井圖像的一致性和重復(fù)性較好，真實(shí)反映了地層信息，取得了良好的測(cè)井效果，滿足了設(shè)計(jì)要求。在雄安D22井進(jìn)行了野外超聲測(cè)井作業(yè)，圖13為成像片段。

高溫高壓環(huán)境下測(cè)井效果良好，耐溫指標(biāo)與室內(nèi)模擬結(jié)果一致。經(jīng)過(guò)熱設(shè)計(jì)的電路板總體耐溫性能顯著增強(qiáng)，整個(gè)電路板上溫升平穩(wěn)，熱交換效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

傾角部分?jǐn)?shù)據(jù)(a/b)中，a代表傾角0°～90°，b代表方位角0°～360°圖13 測(cè)井圖像(片段)Fig.13 A logging image fragment

5 結(jié)論

(1)針對(duì)深部碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層測(cè)井所處的高溫、封閉和自然散熱環(huán)境，以超聲成像傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)采集與處理電路為分析對(duì)象，對(duì)傳感器進(jìn)行了熱分析。根據(jù)傳熱學(xué)理論建立了熱分析方程，綜合環(huán)境溫度和PCB的元器件特征建立了耦合傳熱模型。

(2)應(yīng)用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)信息采集與處理單元進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，在井下3 500 m，110 ℃高溫環(huán)境中，電路板以及各個(gè)器件溫度最高可達(dá)到113 ℃，控制芯片所處位置溫度最高，為傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路布局和耐溫性能評(píng)估提供了可靠依據(jù)。

(3)對(duì)傳感器的主要電器元件及PCB板進(jìn)行了熱仿真，確保傳感器能在110 ℃的環(huán)境下正常工作。

(4)提出的熱設(shè)計(jì)方法能夠有效提升傳感器的耐溫性能，傳熱模型能夠高效仿真實(shí)際環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于熱輻射條件下傳感器的耐溫設(shè)計(jì)。