导热凝胶在测井仪热管理中的应用

田志宾,蓝威,魏赞庆,罗小兵

(1.中海油田服务股份有限公司,北京065201;2.华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074)

0 引 言

近年来,高温高压井的勘探及开发愈发受到石油企业的重视[1]。测井仪通过测量井下饱和度、渗透率、孔隙度等数据可分析井下油气层的厚度和位置[2]。高温高压井的井下温度超过200 ℃,测井仪内部的电路无法在如此高温的井下正常作业,会出现信噪比下降,寿命下降甚至烧毁等问题。

在这种背景下,采用热管理手段对井下电子器件进行热保护显得尤为重要。对于电缆测井,通常采用被动式热管理系统,主要包含隔热、储热、导热等3个部分[3]。测井仪骨架及其电路装载于金属保温瓶内,保温瓶开口处采用绝热塞,以削弱井下高温对瓶内电路的影响[4]。测井仪内部电路的自发热量无法散发到环境中去,只能采用热容较大的吸热体进行吸收[5]。因此,采用金属骨架、热管等减小热源与吸热体间的热阻,加快电路自发热量的散发及储存。当前已存在较多测井仪被动式热管理系统研究,但强化井下电子器件与吸热体之间的换热依旧是个技术难题,电路板与金属骨架之间普遍存在较大热阻。导热凝胶是一种新型热界面材料,已广泛应用于航空、电动汽车等领域。与导热硅脂和导热硅胶片相比,导热凝胶具有2方面优势:①导热凝胶呈半流淌性质,能很好地填充电子器件与骨架间的大间隙,而不会轻易流失;②导热凝胶可塑性强,对于不平整的电路板,能保证良好的热接触。基于以上2点,导热凝胶特别适用于测井仪电路板与金属骨架的间隙填充,既可增加热源至吸热体的导热通路,自身热容也能储存部分热量,2个方面协同作用,可增强对井下电子的控温能力。

为探究导热凝胶在测井仪热管理中的应用效果,该研究采用仿真方法从温度、热流2个方面比较了常规测井仪与导热凝胶填充型测井仪的热管理性能,加工了样机并进行实验测试,以检验导热凝胶在测井仪中的实际应用效果。

1 仿真模拟及实验研究

图1(a)和1(b)分别为常规测井仪器与导热凝胶填充型测井仪器,区别在于,后者采用导热凝胶填充金属骨架的缝隙,并采用不锈钢盖板约束导热凝胶的形状。采用COMSOL模拟测井仪温度分布,导入三维模型,自动生成非结构化网格,定义各部件的热物性参数。所采用的吸热剂为低熔点合金材料,熔点为73.55 ℃,潜热为36.68 kJ/kg,热导率为16 W/(mK)。10 W及20 W的热源设定为均匀发热体,初始温度设为20 ℃,保温瓶外壁温度为200 ℃,计算总时长为6 h。

图1 常规测井仪器和导热凝胶填充型测井仪器对比

为检验导热凝胶在测井仪中的实际应用效果,加工了2套样机并进行实验测试。2个热源(分别为10 W,20 W)被高温胶带固定在金属骨架表面,热电偶分别贴在保温瓶、隔热塞、相变材料、热源、烘箱等位置,由无纸化记录仪进行实时温度采集。导热凝胶填充型测井仪的特点是在热源及骨架表面填充了半月形导热凝胶,其热导率为2 W/(mK),上表面被定制的不锈钢盖板固定,以稳定形状。将保温瓶及样机放入烘箱内,设定烘箱温度为200 ℃,试验持续6 h,每秒记录1次温度数据。

2 结果及讨论

2.1 仿真温度对比分析

图2(a)为常规测井仪器与导热凝胶填充型测井仪器在200 ℃下作业6 h后的温度场对比图。可以看出,导热凝胶填充型测井仪的整体温度明显更低,且更为均匀。具体数据上看,常规测井仪的热源最高温度达161.6 ℃,与邻近吸热体的平均温度相差33.0 ℃;而导热凝胶填充型测井仪的热源与吸热体间的温差降低至24.0 ℃,热源温度下降至117.9 ℃,同比下降43.7 ℃。

图2(b)和图2(c)分别为2种测井仪器各部件温度随时间变化曲线。两者温升趋势完全一致,均发生了相变过程,出现了较长时间的恒温平台。受相变材料潜热储热的影响,2个热源也减缓了温升速度,常规测井仪热源的温升速率从30.0 ℃/h降低至3.0 ℃/h,导热凝胶填充型测井仪热源温升速率从21.0 ℃/h降低至2.8 ℃/h。从整个温升区间上看,导热凝胶有效降低了热源与吸热剂之间的平均温差,从常规测井仪的29.7 ℃下降到导热凝胶填充型测井仪的22.1 ℃。

图2 仿真温度对比分析图

2.2 系统热流分析

选取测井仪中心对称面比较2个热管理系统的热流大小及流向[见图3(a)]。其中箭头方向表示热流流向,箭头大小表示热流大小,部件颜色为温度场。可以看出,常规测井仪的热源自发热量绝大部分沿着金属骨架进行热输运,至两端吸热体后开始周向扩散,随后被吸热体吸收殆尽。由于隔热塞的绝热作用,仅有极少部分的环境漏热沿着隔热塞外套流入保温瓶内部,但也未能深入到电路所在位置,在进入相变材料2的1/4处就被完全吸收了。相比之下,导热凝胶填充后的测井仪,热流始于热源呈放射状散开,不少热量经由导热凝胶进入吸热体内部。整体上看,热流分布更加均匀,进一步说明导热凝胶增加了热源至吸热体间的换热路径,强化了测井仪电路板的散热能力。

图3(b)定量分析了热流大小,发现36.5%的热源自发热量流入了导热凝胶,而常规测井仪中98.3%的热量均从金属骨架输运至吸热体,散热路径的单一导致热源与吸热体之间产生较大温差。此外,由于导热凝胶自身具有一定的热容,在使用量较多的场合下这部分蓄热能力不能忽视。整个过程导热凝胶以显热形式共吸收了127.5 kJ的热量,相当于吸收了热源自发总热量的19.7%。综上可得,导热凝胶在测井仪热管理中既增加了热源的散热路径,同时也有一定的蓄热作用,两方面协同改善了测井仪的热管理效果。

图3 系统热流分析图

2.3 实际测试温度对比分析

图4(a)和图4(b)对比了2个系统实测温度变化曲线。烘箱温度与保温瓶外壁温度表现一致,均很短时间内上升至设定的200 ℃。内部升温趋势大体类似,0～5 min热源自发热致使其快速温升。由于觉见热管理系统的热源只有金属骨架这种单一散热路径,容易造成热量积聚。故温度很快就上升至52.4 ℃,而加入导热凝胶进行强化换热的热源温度仅上升至38.9 ℃。在显热储热阶段热源及吸热体的温度均以恒定速率上升,但导热凝胶自身显热储热作用降低了其温升速率。在相变材料熔融吸热阶段,其温度几乎不变,热源温升速率也得到抑制。由于导热凝胶强化了热源与吸热体之间的换热,且自身吸收了一部分热量,故热源至吸热体间的温差从39.7 ℃下降至28.0 ℃。在相变材料完全融化后,热源及吸热体均恢复较高的温升速率,最终常规测井仪热源的最高温度为165.2 ℃,导热凝胶填充型测井仪的热源最高温度为117.8 ℃,同比下降了47.4 ℃。由图4(c)和图4(d)可见,仿真结果与实测结果吻合较好,各个阶段的温度趋势都能够很好地捕捉,只是数值上略有区别。其中,常规测井仪中仿真温度与实测温度的最大误差为5.5 ℃,平均误差为3.2 ℃;而导热凝胶填充型测井仪中最大误差为6.5 ℃,平均误差为2.1 ℃。从侧面反映出建立的仿真模型较为准确,基于仿真结果的分析是可信的。

图4 实测温度对比分析图

3 结 论

(1)探讨了导热凝胶在测井仪热管理中的应用效果,并与常规测井仪进行对比。仿真结果表明导热凝胶增加了热源至吸热体间的换热路径,减小了传热热阻,热源至吸热体间的温差从常规测井仪的33.0 ℃下降至24.0 ℃。同时,导热凝胶自身也以显热形式吸收了热源自发总热量的19.7%,具有一定的蓄热作用。在导热凝胶强化换热及显热蓄热的共同作用下,导热凝胶填充型测井仪的热源最高温度相比常规测井仪下降了43.7 ℃。

(2)实验测试结果证实了导热凝胶优异的热管理效果,热源至相变材料间的温差从39.7 ℃下降至28.0 ℃,热源最高温度从165.2 ℃下降至117.8 ℃。与仿真结果相比,最大误差仅为6.5 ℃,平均误差不超过3.5 ℃,说明仿真模型较为准确,基于仿真的分析较为可信。