旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

魏贊慶,彭嘉樂,田志賓,羅小兵

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北三河065201;2.華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,湖北武漢430074)

0 引 言

隨著對油氣資源的需求不斷增加,高溫高壓井下勘探作業(yè)變得愈發(fā)重要[1-2]。旋轉(zhuǎn)井壁取心儀采用空心鉆頭,鉆取地層巖心,并儲存帶回地面,用于驗(yàn)證地層的巖性、孔隙度和含油率等信息,因此,旋轉(zhuǎn)井壁取心作業(yè)在勘探初期顯得尤為重要[3]。一般來說,高溫高壓井下環(huán)境溫度超過205 ℃,井壁取心儀需在如此高溫的環(huán)境下作業(yè)4～12 h[4]。然而,井壁取心儀內(nèi)部電子器件一般耐溫不超過150 ℃,在高溫高壓井下長時間工作,容易出現(xiàn)可靠性降低,甚至失效的問題[5]。因此,需要對井壁取心儀內(nèi)部的電子器件采取有效的熱管理措施。

許多學(xué)者針對高溫環(huán)境下測井儀熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究,2007年,RAFIE[6]在測井儀上首次采用納米氣凝膠隔熱技術(shù),極大地減少了端部漏熱量,可保障測井儀在環(huán)境溫度200 ℃下工作6 h后,內(nèi)部電子器件溫度仍維持在150 ℃以下。2016年,MA等[7]采用保溫瓶結(jié)合相變材料的方法對測井儀進(jìn)行熱管理,在200 ℃的烘箱中測試6 h后,測井儀內(nèi)部電子器件溫度仍可維持在125 ℃以下。2017年,SHANG等[8]提出了一種井下電子器件被動式熱管理系統(tǒng),在骨架及相變材料內(nèi)部采用熱管進(jìn)行導(dǎo)熱強(qiáng)化,能夠使內(nèi)部電子器件在200 ℃環(huán)境溫度下正常工作6 h以上。2020年,PENG等[9]提出了針對大功率器件的導(dǎo)熱儲熱一體集成結(jié)構(gòu),能夠使大功率器件的溫度在9 h內(nèi)不超過125 ℃。以上研究均針對一個較小的井下電路模塊進(jìn)行熱管理,缺乏對測井儀整體電子短節(jié)的熱管理設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。測井儀整體電子短節(jié)的熱管理往往需要考慮對多熱源的控溫,提高電子短節(jié)的均溫性,目前已有的測井儀熱管理方案對此欠缺考慮。

該文以旋轉(zhuǎn)井壁取心儀為研究對象,設(shè)計(jì)了分布式儲熱熱管理系統(tǒng),以提升整個電子短節(jié)的均溫性,同時利用自研的復(fù)合相變材料強(qiáng)化儲熱速率。通過有限元仿真方法驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性,加工了試驗(yàn)樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)際下井作業(yè)。

1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 分布式儲熱設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)井壁取心儀電子短節(jié)包含多個電路板,研究中將其簡化成一個個體熱源,其功率與實(shí)際電路功耗相符,位置也與實(shí)際電路保持一致,不影響熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。表1為旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱源功耗表,其總熱源功耗達(dá)49 W。旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證在環(huán)境溫度205 ℃下工作12 h,其電路最高溫度不能超過150 ℃,同時盡可能提升電子短節(jié)的均溫性能。

表1 旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱源功耗

為滿足以上設(shè)計(jì)要求,根據(jù)熱源功耗位置分布,設(shè)計(jì)針對旋轉(zhuǎn)井壁取心儀的分布式儲熱熱管理系統(tǒng),其熱源分布及儲熱模塊分布見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱源位置分布及熱管理方案設(shè)計(jì)圖

首先,采用保溫瓶及隔熱塞對電路板進(jìn)行熱保護(hù),隔絕徑向和軸向環(huán)境漏熱,其中隔熱塞由PEEK外殼以及納米氣凝膠內(nèi)核構(gòu)成。其次,在電子短節(jié)骨架的各處布置了4個儲熱模塊以及1個內(nèi)埋儲熱模塊,其用量及位置依照鄰近的熱源功率確定。分布式儲熱系統(tǒng)有利于電子器件就近儲存其自發(fā)熱量,提升電子短節(jié)整體的均溫性。最后,采用導(dǎo)熱硅膠墊減小熱源與骨架之間的傳熱熱阻,同時采用導(dǎo)熱硅脂減小骨架與骨架之間的傳熱熱阻。通過以上熱管理措施能夠顯著提升旋轉(zhuǎn)井壁取心儀的均溫性能,避免局部熱點(diǎn)。

1.2 儲熱模塊設(shè)計(jì)

在熱管理系統(tǒng)中,儲熱模塊的儲熱量以及儲熱速率能夠?qū)嵩吹目販匦Чa(chǎn)生顯著影響。儲熱模塊設(shè)計(jì)分為殼體設(shè)計(jì)、儲熱材料研制和儲熱模塊封裝。其中,儲熱模塊殼體應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和良好的密封性,故用金屬焊接制成。儲熱材料為石墨納米片-石蠟復(fù)合相變材料,其制備工藝流程見圖2(a),主要包括微波膨脹、磁力攪拌、超聲剝離、冷卻定型等步驟。圖2(b)為制備好的石墨納米片-石蠟復(fù)合相變材料實(shí)物圖。采用激光閃射法導(dǎo)熱儀測試其導(dǎo)熱系數(shù),連續(xù)測試5次取平均值,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)得到大幅度提高,可達(dá)3 W/(m·K),相比純石蠟導(dǎo)熱系數(shù)提升近10倍,有利于加快相變材料的儲熱速率。隨后繼續(xù)對相變材料進(jìn)行DSC測試,其結(jié)果見圖2(c),其熔點(diǎn)為72.8 ℃,潛熱量為251.4 kJ/kg。最后,將復(fù)合相變材料灌封入儲熱模塊金屬殼體內(nèi),進(jìn)行175 ℃/20 h的高溫測試及溫度為150 ℃、加速度為10g的高溫振動測試。儲熱模塊通過測試未發(fā)現(xiàn)異常,可投入實(shí)際使用,實(shí)物圖片見圖2(d)。

圖2 石墨納米片-石蠟復(fù)合相變材料制備工藝示意圖、實(shí)物圖、DSC曲線及儲熱模塊實(shí)物圖

2 仿真研究

2.1 仿真計(jì)算

在設(shè)計(jì)初期,采用仿真方法評估旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)的控溫效果。為簡化計(jì)算,提出假設(shè):①保溫瓶內(nèi)部空氣幾乎不流動,忽略其對流換熱;②熱源視為均勻發(fā)熱的體熱源;③接觸面之間的接觸熱阻忽略不計(jì);④保溫瓶真空層等效為極低導(dǎo)熱系數(shù)的固體層;⑤忽略相變材料內(nèi)部融化導(dǎo)致的界面流動;⑥保溫瓶內(nèi)溫差不大,忽略其輻射傳熱。

基于假設(shè),旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)的傳熱過程可以簡化為含有相變過程的瞬態(tài)傳熱,控制方程為

(1)

式中,ρ為材料的密度,kg/m3;c為材料的定壓比熱容,J/(kg·K);λ為材料的等效導(dǎo)熱系數(shù);q為單位體積內(nèi)熱源功率,W;T為溫度, ℃。

采用等效熱容法[10]簡化相變材料相變過程,將相變材料的潛熱等效為定壓比熱容。式(2)～式(5)為等效熱容法控制方程

ρPCM=θ×ρPCM,s+(1-θ)×ρPCM,l

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,ρPCM、ρPCM,s、ρPCM,l分別為相變材料的等效密度、相變材料的固態(tài)密度、相變材料的液態(tài)密度,kg/m3;cPCM、cPCM,s、cPCM,l分別為相變材料的等效定壓比熱容、相變材料的固態(tài)定壓比熱容、相變材料的液態(tài)定壓比熱容,J/(kg·K);VPCM,s、VPCM,l分別為相變材料的固態(tài)體積、相變材料的液態(tài)體積,m3;Tm為相變材料的熔點(diǎn), ℃;ΔT為相變材料的轉(zhuǎn)化間隔溫度, ℃;L為相變材料的潛熱,kJ/kg;θ與相變材料的熔點(diǎn)有關(guān),表示相變材料的固態(tài)體積分?jǐn)?shù)占比;αm為相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的質(zhì)量,kg。

采用有限元方法對旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)式(1)～式(5)設(shè)置控制方程,將三維模型導(dǎo)入CFD求解器,生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,按照表2所示定義各部分的參數(shù)。將保溫真空層等效成導(dǎo)熱系數(shù)為0.000 3 W/(m·K)的固體導(dǎo)熱層[11],相變材料采用納米石墨片-石蠟復(fù)合相變材料,熔點(diǎn)為72.8 ℃,潛熱達(dá)251.4 kJ/kg。確定熱源功耗及邊界條件,按照表1定義各熱源功耗,設(shè)定初始溫度為25 ℃,保溫瓶外壁溫度為205 ℃。以時間步長10 min計(jì)算12 h的旋轉(zhuǎn)井壁取心儀傳熱過程。

表2 旋轉(zhuǎn)井壁取心儀各部件材料物性

2.2 仿真結(jié)果

圖3為旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱源溫度隨時間變化曲線。由于熱源1的功率達(dá)到20 W,在作業(yè)期間自發(fā)熱量較多,并且靠近保溫瓶大開口,受環(huán)境漏熱影響較大,導(dǎo)致其溫度在所有熱源中最高,是整個電子短節(jié)的短板。熱源1的溫升曲線分為3個階段:第1個階段為0～180 min,其溫度上升速率為16.25 ℃/h;第2個階段為180～300 min,內(nèi)埋儲熱模塊發(fā)生相變,熱源1溫升得到抑制,其溫升速率減小到6.55 ℃/h;第3個階段為300～720 min,內(nèi)埋儲熱模塊完成相變,儲熱模塊1和儲熱模塊2開始相變,溫度上升速率略微增加到7.63 ℃/h。其他熱源的溫度都經(jīng)歷2個階段,先快速增加,隨后逐漸變緩慢。熱源1至熱源8在作業(yè)12 h后最終溫度分別為140.28、90.97、98.21、98.02、100.43、100.13、100.55、101.16 ℃,均低于儀器內(nèi)電子器件的最高耐溫。這是由于分布在骨架各處的相變材料在相變期間溫度保持恒定,抑制各部分熱源的溫升,從而使所有熱源能夠在正常使用溫度以內(nèi)。

圖3 旋轉(zhuǎn)井壁取心儀仿真溫度分布云圖及熱源溫度隨時間變化曲線

圖4反映旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)儲熱模塊相變云圖隨時間變化的情況,其中,0.0(藍(lán)色)表示未發(fā)生相變,1.0(紅色)表示相變完全。5個儲熱模塊的相變時刻與區(qū)間不一致。內(nèi)埋儲熱模塊由于內(nèi)埋于功耗大的熱源1底部,相變最早,率先完成相變;儲熱模塊4靠近保溫瓶大開口以及熱源1,環(huán)境漏熱量以及熱源1自發(fā)熱量致使其快速完成相變;其他儲熱模塊由于靠近功率較小的熱源,相變速率較緩,最終未完全相變。圖5進(jìn)一步展示了旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)儲熱模塊相變體積分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線,儲熱模塊1、儲熱模塊2、儲熱模塊3的潛熱利用率在最后時刻分別達(dá)到75.40%、70.50%、93.22%;儲熱模塊4、內(nèi)埋儲熱模塊的潛熱在最后時刻被完全利用。所有儲熱模塊的整體潛熱利用率達(dá)到87.70%,剩下12.30%的潛熱量可用作工程余量。總體上看,熱源產(chǎn)生的熱量有較大部分被儲熱模塊吸收,從而使電子器件溫度可保持在工作范圍之內(nèi)。以上仿真結(jié)果論證了旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)的可行性。

圖4 旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)儲熱模塊相變云圖隨時間變化

圖5 旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)儲熱模塊相變體積分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果

加工旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī),隨后進(jìn)行電路板安裝調(diào)試。于2021年5月在南海某井口進(jìn)行實(shí)際下井作業(yè),井深4 437 m,井下環(huán)境溫度174 ℃,作業(yè)時長4 h 11 min,共進(jìn)行22次取心,最終順利完成取心任務(wù),期間記錄下每次取心時刻以及電子短節(jié)最高溫度。將實(shí)際作業(yè)期間的電子短節(jié)最高溫度與仿真溫度進(jìn)行對比(見圖6)。實(shí)測結(jié)果表明,在174 ℃的井下作業(yè)4 h 11 min后,電子短節(jié)最高溫度由55 ℃升高到85 ℃,平均溫升速率7.5 ℃/h,在后半時間段溫升速率不斷變緩。將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果溫度偏低,主要原因:①井溫比設(shè)計(jì)溫度低;②實(shí)際電路的熱功耗較設(shè)計(jì)功耗留有一定的工程余量。綜上所述,井壁取心熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合預(yù)期,能夠滿足實(shí)際下井作業(yè)需求。

圖6 電子短節(jié)最高溫度隨時間變化曲線

4 結(jié) 論

(1)以高溫高壓井下作業(yè)的旋轉(zhuǎn)井壁取心儀為研究對象,設(shè)計(jì)了分布式儲熱熱管理系統(tǒng)用于提升電子短節(jié)的均溫性,采用納米石墨片-石蠟復(fù)合相變材料以強(qiáng)化儲熱。

(2)仿真結(jié)果表明,在環(huán)境溫度205 ℃下工作12 h后,設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)內(nèi)部熱源最高溫度為140.28 ℃。同時,儲熱模塊整體潛熱利用率達(dá)87.7%。熱源產(chǎn)生的大部分熱量被儲熱模塊吸收,從而使電子器件的溫度保持在工作范圍以內(nèi),體現(xiàn)出分布式熱管理系統(tǒng)良好的控溫效果。

(3)實(shí)際下井試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)在井溫174 ℃下進(jìn)行了4 h 11 min的取心作業(yè),電子短節(jié)最高溫度僅從55 ℃上升到85 ℃,符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

(4)提出的旋轉(zhuǎn)井壁取心儀熱管理系統(tǒng)能夠解決電子器件在高溫高壓井下面臨的熱失效問題,對后續(xù)其他型號的高溫測井儀器開發(fā)具有實(shí)際參考價值。