井下發熱電子設備的冷卻系統裝置

王子涵

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

過去鉆井作業最高是在150℃到175℃的溫度下進行的，為了最大限度地提高產量從而提高經濟效益，行業的鉆探深度開始加深，同時也開始在地熱梯度較高的地區進行鉆探。全球地熱梯度一般為25℃／km，某些地區的地熱梯度會更大，所以實際地下井溫度可達200℃或更高，壓力可達2000MPa或更高［1］。與此同時，對鉆孔數據的需求也在增長。地熱研究和地熱能生產兩者都需要廣泛的鉆孔數據來進行研究［2］。在某些情況下，地質學家也需要依賴石油工業收集的超過30年的鉆孔數據來證實他們的研究［3］。

提供傳感、監測、數據傳輸、控制任務等功能的鉆孔探測工具都包含著大量的電子元器件，這種能夠獲得或處理數據的典型電子元器件可容許的溫度水平一般只有55℃。雖然有一些耐高溫的電子產品，但它們的應用范圍和最高工作溫度仍然受到強烈的限制，超過200℃的電子產品極端少見，因為這幾乎突破了物理極限。極少數能耐高溫的電子產品成本非常高，并且這些電子元器件在高溫下使用的時間段有限制。

如果不對電子元器件進行降溫，過高的溫度會使設備中的電子元器件的壽命降低，甚至瞬間失效或直接損壞。這意味著在過去適用于石油勘探和生產以及地熱應用的工具和設備可能不能再使用了。

井下制冷技術由此應用而生，根據是否消耗能量將制冷技術分為主動冷卻和被動冷卻。主動冷卻是以消耗電能或其他能源為代價制冷，被動冷卻是以不消耗能源或者消耗較少的能源來實現冷卻的方式。簡單的被動冷卻對熱負荷變化的反應可能是緩慢的、不精確的，所以現在的井下制冷技術趨勢是通過眾所周知的主動冷卻系統，例如蒸汽壓縮制冷［4-5］、磁冷卻、蒸發冷卻、熱電冷卻、電冷卻或其他冷卻技術結合被動冷卻元件或流體來防止電子設備中的元器件溫度超過臨界溫度。

井下傳送載體裝置中的空間限制為直徑幾英寸，傳統的冷卻系統通常耗費大量的電力并占據載體中的寶貴空間，也較容易失效。因此，本文設計的冷卻系統裝置的目的是提供一種簡單、堅固且相對便宜，但仍允許足夠的操作時間、可部署在井筒中的冷卻井下工具電子設備的裝置。利用該裝置，特別是在井下測量和控制系統領域，如鉆頭和巖石物理的地質導向測量系統和工具中，可以使得電子設備可以承受較高的外部井筒溫度條件。

1 冷卻系統裝置原理簡介

本文設計的井下電子設備的冷卻系統裝置主要是利用焦耳-湯姆遜效應，由流過閥的冷卻流體的質量與外部流體壓力水平和冷卻流體罐初始壓力水平之間的壓力差獲得可確定的冷卻效果。在操作過程中，冷卻流體箱包含氣態或液態的高壓流體，閥門連接到冷卻流體箱以釋放冷卻流體。從冷卻液箱中抽出存儲在冷卻液箱中的壓縮冷卻液時，閥門或閥門膨脹。因此，溫度超過可用作井下工具設備的電子設備的可承受溫度時，已知外部流體和井下工具設備之間的溫差，可以計算所需的冷卻液質量和冷卻液初始壓力以及鉆孔中井下工具的所需測量持續時間。更確切地說，提取冷卻流體并將其用于冷卻井下工具設備的過程是自驅動的。

2 冷卻系統裝置工作環境

圖1為含有井下冷卻系統裝置的鉆井工具在地層中開采石油或天然氣等自然資源的剖面示意圖。在石油和天然氣工業中，在用于生產碳氫化合物的生產井情況下，流體一般為油或氣。在注入井的情況下為增強烴的回收，流體通常為二氧化碳或氮氣。

圖1 冷卻系統裝置井下工作剖視圖

通常，井筒襯有鋼管，通常稱為套管或襯管，在覆蓋層部分中黏接，以減少不希望的流體從覆蓋層或儲層排出到地表環境中的風險。目前為了開采儲層部分，通常有以下幾種選擇：裸眼完井、使用帶有多個地層封隔器的襯管用來密封鋼襯里周圍的環形部分以及使用鋼襯固定在適當的位置，通過在完井或完井的后期階段對套管和水泥進行穿孔來獲得進入儲層的通道，從而使得流體通過預鉆孔進入儲液器。

在地層中的井筒生產或注入流體期間，井筒可能由于化學反應或井眼的不穩定性而擴大。這可能是由于注入或生產壓力的變化或侵蝕發生的。例如在不穩定的地質構造如濁積巖生產的情況下，因其不可預測的砂面破壞產生大量的砂，從而導致鉆井失敗。此外，注入過程時，還可能產生裂縫，導致出現注入井和生產井之間直接連通的情況。另一方面，在碾壓時由壓實引起的儲層中壓力的降低，或通過使用提高注入性或生產率的化學品也會導致井的坍塌。后者可導致環的塌陷，這阻止了儲存器的進入，從而阻止了注入或生產。交叉流動也很重要，這是一種在環空中的現象。環空中的橫流是在非膠結完井中沿著生產井或注入井的套管中存在壓力差的結果，這樣可能會導致生產損失和經濟儲備損失。

我們在實際生產中需要對井孔和套管以及儲存器部分進行檢查，觀察是否存在缺陷或異常。更一般地，還需收集驗證有關諸如壓力或溫度的表征物理性質狀態的所有信息，以防止井的坍塌。

在利用提取設施來檢索從儲層到井筒頂端的鋼管通道的長度總計可達幾百米甚至幾千米，在儲存器和通道之間延伸的鋼管內的環境條件下，傳遞與上述現象有關的數據很困難，還需繼續進行研究和開發。

本文設計的井下冷卻系統裝置可以通過移動裝置使得該冷卻裝置可以移動到套管中的任何所需位置。如圖2所示，提取設備9從井口順著位于井孔內呈細長鋼管形式的套管延伸到井孔的地下儲存器部分。井下制冷系統裝置內部還具有電力存儲器，可以進行自主操作，因此不需要在外部供電或通過電纜連接到地層表面。

圖2 冷卻系統裝置可移動性示意圖

3 冷卻系統裝置內部結構與原理

3.1 冷卻系統裝置結構

圖3所示為冷卻系統裝置的結構示意圖。最外層為整個冷卻裝置的殼體，殼體內壁填充有用于將冷卻流體罐、主熱交換裝置和發熱電子設備隔離開的隔熱材料。裝置左側為可填充冷卻流體的冷卻流體罐，冷卻流體可以使用高壓液化氮。冷卻流體罐設有冷卻流體罐出口，冷卻流體罐出口連接閥門。閥門僅包括打開狀態和關閉狀態，通過打開或關閉閥門可使冷卻流體到主熱交換裝置。主熱交換裝置與冷卻流體罐出口和傳熱殼體的兩個端口連接，用于冷卻流體和發熱電子設備之間進行熱交換。閥門的出口端連接有扼流圈，扼流圈的出口端與右側內部設置有發熱電子設備的密封薄壁金屬殼體一端連通，扼流圈可分為固定扼流圈或可變扼流圈，是用來調節提供給主熱交換裝置的冷卻流體的量。發熱電子設備由電子板和部件組成，部件放置在電子板上，發熱電子設備嵌在導熱材料中以將熱量傳遞到位于電子板周圍的傳熱殼體。在流過傳熱殼體時，二次冷卻流體與發熱電子設備交換熱能。在通過傳熱殼體之后，二次冷卻流體被引導至循環泵，循環泵提供二次冷卻流體的循環，然后將二次冷卻流體再次供給到主熱交換裝置的二次冷卻流體側與冷卻流體側進行熱交換。發熱電子設備與傳熱殼體內壁之間填充有導熱材料，傳熱殼體壁內設有腔體，腔體設有兩個端口。

圖3 冷卻系統裝置結構示意圖

將發熱電子設備設置于傳熱殼體內，由傳熱殼體吸收發熱電子設備所產生的熱量，經由主熱交換裝置中的二次冷卻流體在傳熱殼體中循環將熱量轉移到主熱交換裝置中，冷卻流體罐通過向主熱交換裝置的冷卻流體側釋放冷卻流體，冷卻流體與二次冷卻流體側內的二次冷卻流體進行熱交換，然后再經由循環泵將經過熱交換后的二次冷卻流體循環到傳熱殼體中。這樣就降低了二次冷卻流體的溫度，以便二次冷卻流體在傳熱殼體中循環時能夠更好地吸收發熱電子設備產生的熱量。在交換熱能之后，冷卻流體通過冷卻流體出口將其釋放到外部流體中，可以打開閥門繼續向冷卻流體側釋放冷卻流體。如此反復，即可持續對發熱電子設備進行冷卻。

3.2 主熱交換裝置結構

如圖4所示，主熱交換裝置由外部壓力殼體和內部密封薄壁金屬殼體組成，可滲透鋼設置在外部壓力殼體的內壁且與內部密封薄壁金屬殼體的外壁接觸，可滲透鋼一般為氣體滲透模具鋼，它的作用是加快二次冷卻流體側與冷卻流體側之間的熱交換。兩者之間形成的空腔內填充有二次冷卻流體。內部密封薄壁金屬殼體內設有膨脹閥，膨脹閥的入口端與扼流圈的出口端連接。內部密封薄壁金屬殼體的一端與冷卻流體罐出口連通、另一端與冷卻流體出口連通。外部壓力殼體一端與傳熱殼體的其中一個端口連接、另一端通過循環泵與傳熱殼體的另一個端口連接。

圖4主熱交換裝置結構示意圖

所述內部密封薄壁金屬殼體內還分布有若干導熱板。冷卻流體可以被引導到導熱板從而加強熱能交換。在交換熱能之后，冷卻流體通過冷卻流體出口釋放到外部流體中。

不管環境條件如何，如當外部流體壓力為10MPa或者100MPa，甚至500MPa，外部流體溫度為373K甚至高達473K時，該井下冷卻系統裝置都能使得冷卻流體流出冷卻流體出口。當液體從井筒通過端口循環進入冷卻室并通過端口流回到井筒中，使得冷卻室中的液體不斷被更換。在冷卻室中的液體和待冷卻的部件之間發生熱交換。液體不斷被更換，將熱量散發到井筒中。

4 結語

本文針對井下測量和控制系統的發熱電子設備，結合具體情況提出了一種新型冷卻系統裝置。該冷卻系統簡單堅固、成本較低，且無需要外部供電，可部署在井筒中進行自主操作，具有較好的應用前景。