冷卻井下電子設備方法概述

劉小玉，王 綿，王子涵

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

在石油和天然氣開采時，隨著開采深度的增加，環境溫度也隨之增加，井下工具常處于高溫高壓條件下（T＞200°C，P＞138MPa）。除了環境溫度的增加，井下設備在運行的過程也會產生熱量的積累，這就要求在鉆井和測井中使用的電子元件工作溫度能到達150℃，甚至175℃，而市面上常見的工業級別的芯片的最大工作溫度在85℃，并不能滿足石油鉆探的需求。同時，在高溫情況下，電子元件會產生溫漂造成精度下降以及壽命減少。有研究指出，在工作溫度范圍內，溫度每升高10℃，可靠性下降50℃[1]。為了解決鉆探時高溫對電子設備的影響，針對井下制冷技術的研究也已廣泛開展。目前對此方面介紹較少，本文主要對在井下冷卻電子設備各種方法進行了綜述。

1 主動冷卻系統

為了解決高溫所帶來問題，通常引入冷卻系統冷卻井下的電子設備。根據是否提供能量源進行散熱把井下冷卻系統分為主動制冷系統和被動制冷系統。主動系統使用工具將熱量從井下設備中帶出散發到周圍環境中。這一過程需要井下設備提供動力，該動力通常來自鉆井液（泥漿）連續地進出井帶來的能量，亦或者使用電纜傳導的電能或電池存儲的電力，一旦供電系統失效，主動冷卻系統會喪失冷卻能力，對設備帶來損害。

1.1 蒸汽壓縮循環制冷

蒸汽壓縮循環制冷作為井下主動制冷系統常用的方法，其由蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成，如圖1所示。其中壓縮機是制冷系統的核心，大多數壓縮機屬于往復式（活塞）類型，可以通過諸如電動機，蒸汽或內燃機，或蒸汽或燃氣輪機的裝置為其提供動力，其作用是將制冷劑蒸汽壓縮為高壓氣體送入冷凝器中。冷凝器將氣態制冷劑冷凝為液態，其中的熱量通過循環泥漿散發。膨脹閥的作用是控制流量，使足夠的冷卻劑流入蒸發器以用于冷卻設備，避免過量使液體流過壓縮機，造成壓縮機損壞。蒸發器是冷卻系統中實際產生冷卻的部分，液體冷卻劑和來自膨脹閥的蒸汽被引入蒸發器。當液體蒸發時，它在低溫下吸收熱量并冷卻其周圍設備。

圖1 蒸汽壓縮循環制冷系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of steam compression cycle refrigeration system

1.2 熱電制冷

熱電制冷是以溫差電現象為基礎的制冷方式，是基于帕爾貼效應的制冷技術[2]。熱電制冷具有體積小，重量輕，可在任何方向操作，抗沖擊和振動，無活動部件，不產生電噪聲，無需維護的優點，并且可以通過控制給熱電材料提供的電流來控制冷卻程度，平均故障間隔時間（MTBF）超過200 000h。

在熱電冷卻器具有以上優點的同時，其也存在制冷效率低下的問題。比如：在175℃的環境溫度下使用熱電冷卻器將10W的熱能從電子設備中輸出，其輸出效率約為2%，在此過程中將消耗井下系統500W的功率，而大多數電力輸送系統（如井下電纜）最多只能承載1000W功率，大部分功率在主系統中消耗，而不應該在冷卻等支撐系統中消耗。除了散熱效率低下以外，熱電冷卻需要外部供能，勢必帶來額外的熱量產出。

井下使用熱電冷卻器主要是使熱量從部件傳遞到井中的流體進行散熱。熱電制冷原理圖如圖2所示。井下電子設備產生的熱能傳遞到冷端，然后該熱能通過PN型半導體聯結的熱偶傳遞到熱端。此過程需要對N型半導體施加電壓，并且傳遞的熱量是電流的函數并且與熱電偶的數量成比例。

圖2 熱電制冷原理圖Fig.2Schematic diagram of thermoelectric cooler

1.3 斯特林制冷

斯特林制冷技術基于1816年斯特林提出的斯特林循環的逆循環，循環中包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱4個過程。其利用制冷劑在制冷機內狀態的循環變化，實現把熱量從低溫物體不斷轉移到高溫物體。斯特林發動機按照氣缸耦合方式的不同可以分為Alpha型，Beta型、Gamma型[3]，Alpha型與Gamma型斯特林發動機擁有兩個活塞，而Beta型自由活塞式斯特林發動機僅驅動一個活塞，有效地減少了儀器機械設計和井下電能消耗。

在勘探井和生產井使用過自由活塞式斯特林制冷機，該系統的驅動力來源于壓縮活塞。壓縮活塞和置換器活塞之間的相位關系是系統共振頻率的函數。由于外部溫度和壓力的增加，系統的共振頻率也隨之改變，兩個活塞的相位角會從60°下降到0°，這說明隨著溫度和壓力的升高，自由活塞式斯特林發動機變得低效。與熱電制冷，杜瓦瓶相比，斯特林制冷機其造價較高、使用壽命相對較短、機械噪聲較大等缺點。

1.4 磁制冷

磁制冷技術是一種基于新型制冷技術，磁制冷技術的制冷效率約為傳統氣體制冷技術的5～10倍[4]。此方法基于磁熱效應，把磁性介質在溫度保持一定的情況下放入強磁場中，磁場使所有離子的角動量取能量較小的方向，因而減小了系統的熵，這時有熱量流出磁介質。若再絕熱并且減弱磁場，使整個過程為可逆過程，則系統的總熵保持不變，但過程中各離子角動量取向引起的熵增加到原來的值，所以與冷卻部位相連部分的熵減小，以此達到了對設備冷卻的效果。磁制冷是現代得到低溫的有效方法，可以得到約0.001K的低溫。目前磁性材料可應用溫度范圍窄，價格昂貴，因此利用磁制冷技術冷卻井下設備的研究較少，僅在相關制冷專利中有所提及。

1.5 化學物質吸熱

利用化學物質反應吸熱，對井下設備冷卻，需要設計專門的化學反應空間，對于裝置的密封性要求很高。有專利提出利用粉末狀的金屬氫化物在設計的專屬容器內進行化學反應進行設備的散熱，其內部添加共晶材料，以減少在加熱、冷卻過程中溫度擺動的嚴重程度。反應產生的氫可以在循環中被吸收和解吸，這允許井下工具在井眼中使用延長的時間周期的，此方法缺點是金屬氫化物的化學反應不連續，對儀器的設計要求高。

2 被動冷卻系統

被動系統通常提供延遲（減慢）升溫過程以便在井下設備在超過其溫度極限之前有足夠的時間完成工作，隔熱和杜瓦瓶等是實現這一目標的常用方法。

一些被動系統通過在下井之前預冷（一般使用液氮）來延長在井下工作的時間。另一種方法是在井下輸送冷卻劑或化學品以冷卻設備，但無法在井下再次使這些材料，使用時間仍然有限。通過在井下運輸更多材料可以延長時間，但在需要大量散熱時使用此方法是不切實際的。

2.1 杜瓦瓶

低溫液體貯存杜瓦瓶是傳統的制冷技術之一，它是一種被動系統，其不需要任何動能驅動，并且不受停電等因素等影響。通過在真空絕熱的杜瓦瓶將電子元件與地層隔離，可以將電子設備在井下工作的時間延長4～6h，但一般在井下探測所需停留的時間遠遠大于杜瓦瓶能提供的停留時間。為了到達長時間下井工作，需要將杜瓦瓶其它冷卻方法結合使用。比如，將杜瓦瓶與熱電冷卻結合使用，熱電冷卻器通過傳熱管將熱量從杜瓦瓶內傳遞到井外流體中，但這種主動冷卻結合被動冷卻的方法不適用于鉆柱系統，因為杜瓦瓶不足以承受鉆柱的井下組件所承受的沖擊，振動和高壓，并且這種結構的尺寸難以封裝到井下組件中。

2.2 相變制冷

相變制冷是指利用相變材料在物態變化過程中吸熱，進而對設備進行制冷。按照相變材料的儲能方式來劃分，相變材料一般可分為潛熱式、顯熱式兩大類[5]。顯熱式相變材料是指利用材料本身的比熱容和溫度變化進行吸熱（吸熱），其受限于存儲能密度，無法對井下產生的熱量進行散熱。與之相比，潛熱式的儲能密度更高。

當井下產生高熱時，制冷劑在管道內蒸發，當其與相變材料接觸時，會將熱量傳遞給相變材料，以此完成對井下設備的制冷。過去曾利用相變材料從固態到液態的轉變進行制冷，但與從液態到氣態的相變相比，固-液態的散熱效果不佳。

在使用相變材料對井下設備進行冷卻時，其在工作中只發生物理狀態的轉變，不消耗熱量，無運動件，有良好恒溫相變特性以及巨大的相變潛熱。安全可靠，運行和維護成本低，能夠較好地解決短時、周期性工作的大功率設備或受周期性高熱流影響設備的溫度控制問題。與此同時，在相變冷卻系統中，經過長期使用，流體流經的表面會產生結垢以及其他沉積物，會降低其冷卻效率，并且相變材料物態轉化前后體積存在明顯差異，這會為井下儀器設計帶來額外的難度。

2.3 熱交換器

熱交換器是利用器件兩側溫度差進行散熱的器件，在井下環境中可以利用鉆井液或地層流體、水基泥漿作為制冷流體。為了更好地冷卻效果，熱交換器的接觸面需要較小的熱阻。在熱交換器形狀設計上要利于散熱，同時制冷流體入口與出口需要一定的距離，并且入口在出口的下方以保證散熱效果。此方法具有制冷流體一物多用，節約成本，操作方便的優點，但流體的冷卻效率與冷卻效果不是很好。

2.4 添加傳熱材料

井下工具中的空間是有限的，對于小尺寸井，其直徑只為幾英寸，主動冷卻系統通常會消耗大量的電力并占據井下工具中寶貴的空間。為此可以通過對井下流體添加傳熱顆粒，增強井下流體的傳熱性能，以減少井下主動冷卻系統的散熱壓力。添加的傳熱材料可為納米石墨，石墨烯，納米黏土，等等。

3 總結與展望

相對于主動系統持續可循環的提供制冷能力，被動冷卻系統只能提供較短時間的冷卻，但主動冷卻系統通常會消耗大量的功率并占據井下設備中寶貴的空間，還可能在井下系統中增加額外的故障。因此，在新型設備中要考慮井下制冷系統的設計，結合多種制冷方法，保障下井設備的正常工作。