冷却井下电子设备方法概述

刘小玉，王 绵，王子涵

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

在石油和天然气开采时，随着开采深度的增加，环境温度也随之增加，井下工具常处于高温高压条件下（T＞200°C，P＞138MPa）。除了环境温度的增加，井下设备在运行的过程也会产生热量的积累，这就要求在钻井和测井中使用的电子元件工作温度能到达150℃，甚至175℃，而市面上常见的工业级别的芯片的最大工作温度在85℃，并不能满足石油钻探的需求。同时，在高温情况下，电子元件会产生温漂造成精度下降以及寿命减少。有研究指出，在工作温度范围内，温度每升高10℃，可靠性下降50℃[1]。为了解决钻探时高温对电子设备的影响，针对井下制冷技术的研究也已广泛开展。目前对此方面介绍较少，本文主要对在井下冷却电子设备各种方法进行了综述。

1 主动冷却系统

为了解决高温所带来问题，通常引入冷却系统冷却井下的电子设备。根据是否提供能量源进行散热把井下冷却系统分为主动制冷系统和被动制冷系统。主动系统使用工具将热量从井下设备中带出散发到周围环境中。这一过程需要井下设备提供动力，该动力通常来自钻井液（泥浆）连续地进出井带来的能量，亦或者使用电缆传导的电能或电池存储的电力，一旦供电系统失效，主动冷却系统会丧失冷却能力，对设备带来损害。

1.1 蒸汽压缩循环制冷

蒸汽压缩循环制冷作为井下主动制冷系统常用的方法，其由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀组成，如图1所示。其中压缩机是制冷系统的核心，大多数压缩机属于往复式（活塞）类型，可以通过诸如电动机，蒸汽或内燃机，或蒸汽或燃气轮机的装置为其提供动力，其作用是将制冷剂蒸汽压缩为高压气体送入冷凝器中。冷凝器将气态制冷剂冷凝为液态，其中的热量通过循环泥浆散发。膨胀阀的作用是控制流量，使足够的冷却剂流入蒸发器以用于冷却设备，避免过量使液体流过压缩机，造成压缩机损坏。蒸发器是冷却系统中实际产生冷却的部分，液体冷却剂和来自膨胀阀的蒸汽被引入蒸发器。当液体蒸发时，它在低温下吸收热量并冷却其周围设备。

图1 蒸汽压缩循环制冷系统原理图Fig.1 Schematic diagram of steam compression cycle refrigeration system

1.2 热电制冷

热电制冷是以温差电现象为基础的制冷方式，是基于帕尔贴效应的制冷技术[2]。热电制冷具有体积小，重量轻，可在任何方向操作，抗冲击和振动，无活动部件，不产生电噪声，无需维护的优点，并且可以通过控制给热电材料提供的电流来控制冷却程度，平均故障间隔时间（MTBF）超过200 000h。

在热电冷却器具有以上优点的同时，其也存在制冷效率低下的问题。比如：在175℃的环境温度下使用热电冷却器将10W的热能从电子设备中输出，其输出效率约为2%，在此过程中将消耗井下系统500W的功率，而大多数电力输送系统（如井下电缆）最多只能承载1000W功率，大部分功率在主系统中消耗，而不应该在冷却等支撑系统中消耗。除了散热效率低下以外，热电冷却需要外部供能，势必带来额外的热量产出。

井下使用热电冷却器主要是使热量从部件传递到井中的流体进行散热。热电制冷原理图如图2所示。井下电子设备产生的热能传递到冷端，然后该热能通过PN型半导体联结的热偶传递到热端。此过程需要对N型半导体施加电压，并且传递的热量是电流的函数并且与热电偶的数量成比例。

图2 热电制冷原理图Fig.2Schematic diagram of thermoelectric cooler

1.3 斯特林制冷

斯特林制冷技术基于1816年斯特林提出的斯特林循环的逆循环，循环中包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热4个过程。其利用制冷剂在制冷机内状态的循环变化，实现把热量从低温物体不断转移到高温物体。斯特林发动机按照气缸耦合方式的不同可以分为Alpha型，Beta型、Gamma型[3]，Alpha型与Gamma型斯特林发动机拥有两个活塞，而Beta型自由活塞式斯特林发动机仅驱动一个活塞，有效地减少了仪器机械设计和井下电能消耗。

在勘探井和生产井使用过自由活塞式斯特林制冷机，该系统的驱动力来源于压缩活塞。压缩活塞和置换器活塞之间的相位关系是系统共振频率的函数。由于外部温度和压力的增加，系统的共振频率也随之改变，两个活塞的相位角会从60°下降到0°，这说明随着温度和压力的升高，自由活塞式斯特林发动机变得低效。与热电制冷，杜瓦瓶相比，斯特林制冷机其造价较高、使用寿命相对较短、机械噪声较大等缺点。

1.4 磁制冷

磁制冷技术是一种基于新型制冷技术，磁制冷技术的制冷效率约为传统气体制冷技术的5～10倍[4]。此方法基于磁热效应，把磁性介质在温度保持一定的情况下放入强磁场中，磁场使所有离子的角动量取能量较小的方向，因而减小了系统的熵，这时有热量流出磁介质。若再绝热并且减弱磁场，使整个过程为可逆过程，则系统的总熵保持不变，但过程中各离子角动量取向引起的熵增加到原来的值，所以与冷却部位相连部分的熵减小，以此达到了对设备冷却的效果。磁制冷是现代得到低温的有效方法，可以得到约0.001K的低温。目前磁性材料可应用温度范围窄，价格昂贵，因此利用磁制冷技术冷却井下设备的研究较少，仅在相关制冷专利中有所提及。

1.5 化学物质吸热

利用化学物质反应吸热，对井下设备冷却，需要设计专门的化学反应空间，对于装置的密封性要求很高。有专利提出利用粉末状的金属氢化物在设计的专属容器内进行化学反应进行设备的散热，其内部添加共晶材料，以减少在加热、冷却过程中温度摆动的严重程度。反应产生的氢可以在循环中被吸收和解吸，这允许井下工具在井眼中使用延长的时间周期的，此方法缺点是金属氢化物的化学反应不连续，对仪器的设计要求高。

2 被动冷却系统

被动系统通常提供延迟（减慢）升温过程以便在井下设备在超过其温度极限之前有足够的时间完成工作，隔热和杜瓦瓶等是实现这一目标的常用方法。

一些被动系统通过在下井之前预冷（一般使用液氮）来延长在井下工作的时间。另一种方法是在井下输送冷却剂或化学品以冷却设备，但无法在井下再次使这些材料，使用时间仍然有限。通过在井下运输更多材料可以延长时间，但在需要大量散热时使用此方法是不切实际的。

2.1 杜瓦瓶

低温液体贮存杜瓦瓶是传统的制冷技术之一，它是一种被动系统，其不需要任何动能驱动，并且不受停电等因素等影响。通过在真空绝热的杜瓦瓶将电子元件与地层隔离，可以将电子设备在井下工作的时间延长4～6h，但一般在井下探测所需停留的时间远远大于杜瓦瓶能提供的停留时间。为了到达长时间下井工作，需要将杜瓦瓶其它冷却方法结合使用。比如，将杜瓦瓶与热电冷却结合使用，热电冷却器通过传热管将热量从杜瓦瓶内传递到井外流体中，但这种主动冷却结合被动冷却的方法不适用于钻柱系统，因为杜瓦瓶不足以承受钻柱的井下组件所承受的冲击，振动和高压，并且这种结构的尺寸难以封装到井下组件中。

2.2 相变制冷

相变制冷是指利用相变材料在物态变化过程中吸热，进而对设备进行制冷。按照相变材料的储能方式来划分，相变材料一般可分为潜热式、显热式两大类[5]。显热式相变材料是指利用材料本身的比热容和温度变化进行吸热（吸热），其受限于存储能密度，无法对井下产生的热量进行散热。与之相比，潜热式的储能密度更高。

当井下产生高热时，制冷剂在管道内蒸发，当其与相变材料接触时，会将热量传递给相变材料，以此完成对井下设备的制冷。过去曾利用相变材料从固态到液态的转变进行制冷，但与从液态到气态的相变相比，固-液态的散热效果不佳。

在使用相变材料对井下设备进行冷却时，其在工作中只发生物理状态的转变，不消耗热量，无运动件，有良好恒温相变特性以及巨大的相变潜热。安全可靠，运行和维护成本低，能够较好地解决短时、周期性工作的大功率设备或受周期性高热流影响设备的温度控制问题。与此同时，在相变冷却系统中，经过长期使用，流体流经的表面会产生结垢以及其他沉积物，会降低其冷却效率，并且相变材料物态转化前后体积存在明显差异，这会为井下仪器设计带来额外的难度。

2.3 热交换器

热交换器是利用器件两侧温度差进行散热的器件，在井下环境中可以利用钻井液或地层流体、水基泥浆作为制冷流体。为了更好地冷却效果，热交换器的接触面需要较小的热阻。在热交换器形状设计上要利于散热，同时制冷流体入口与出口需要一定的距离，并且入口在出口的下方以保证散热效果。此方法具有制冷流体一物多用，节约成本，操作方便的优点，但流体的冷却效率与冷却效果不是很好。

2.4 添加传热材料

井下工具中的空间是有限的，对于小尺寸井，其直径只为几英寸，主动冷却系统通常会消耗大量的电力并占据井下工具中宝贵的空间。为此可以通过对井下流体添加传热颗粒，增强井下流体的传热性能，以减少井下主动冷却系统的散热压力。添加的传热材料可为纳米石墨，石墨烯，纳米黏土，等等。

3 总结与展望

相对于主动系统持续可循环的提供制冷能力，被动冷却系统只能提供较短时间的冷却，但主动冷却系统通常会消耗大量的功率并占据井下设备中宝贵的空间，还可能在井下系统中增加额外的故障。因此，在新型设备中要考虑井下制冷系统的设计，结合多种制冷方法，保障下井设备的正常工作。