劉小玉，王 綿，王子涵

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

在石油和天然氣開采時(shí)，隨著開采深度的增加，環(huán)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(huán)境溫度的增加，井下設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生熱量的積累，這就要求在鉆井和測(cè)井中使用的電子元件工作溫度能到達(dá)150℃，甚至175℃，而市面上常見的工業(yè)級(jí)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(shí)，在高溫情況下，電子元件會(huì)產(chǎn)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(nèi)，溫度每升高10℃，可靠性下降50℃[1]。為了解決鉆探時(shí)高溫對(duì)電子設(shè)備的影響，針對(duì)井下制冷技術(shù)的研究也已廣泛開展。目前對(duì)此方面介紹較少，本文主要對(duì)在井下冷卻電子設(shè)備各種方法進(jìn)行了綜述。

1 主動(dòng)冷卻系統(tǒng)

為了解決高溫所帶來(lái)問(wèn)題，通常引入冷卻系統(tǒng)冷卻井下的電子設(shè)備。根據(jù)是否提供能量源進(jìn)行散熱把井下冷卻系統(tǒng)分為主動(dòng)制冷系統(tǒng)和被動(dòng)制冷系統(tǒng)。主動(dòng)系統(tǒng)使用工具將熱量從井下設(shè)備中帶出散發(fā)到周圍環(huán)境中。這一過(guò)程需要井下設(shè)備提供動(dòng)力，該動(dòng)力通常來(lái)自鉆井液（泥漿）連續(xù)地進(jìn)出井帶來(lái)的能量，亦或者使用電纜傳導(dǎo)的電能或電池存儲(chǔ)的電力，一旦供電系統(tǒng)失效，主動(dòng)冷卻系統(tǒng)會(huì)喪失冷卻能力，對(duì)設(shè)備帶來(lái)?yè)p害。

1.1 蒸汽壓縮循環(huán)制冷

蒸汽壓縮循環(huán)制冷作為井下主動(dòng)制冷系統(tǒng)常用的方法，其由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥組成，如圖1所示。其中壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心，大多數(shù)壓縮機(jī)屬于往復(fù)式（活塞）類型，可以通過(guò)諸如電動(dòng)機(jī)，蒸汽或內(nèi)燃機(jī)，或蒸汽或燃?xì)廨啓C(jī)的裝置為其提供動(dòng)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(tài)制冷劑冷凝為液態(tài)，其中的熱量通過(guò)循環(huán)泥漿散發(fā)。膨脹閥的作用是控制流量，使足夠的冷卻劑流入蒸發(fā)器以用于冷卻設(shè)備，避免過(guò)量使液體流過(guò)壓縮機(jī)，造成壓縮機(jī)損壞。蒸發(fā)器是冷卻系統(tǒng)中實(shí)際產(chǎn)生冷卻的部分，液體冷卻劑和來(lái)自膨脹閥的蒸汽被引入蒸發(fā)器。當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，它在低溫下吸收熱量并冷卻其周圍設(shè)備。

圖1 蒸汽壓縮循環(huán)制冷系統(tǒng)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(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方式，是基于帕爾貼效應(yīng)的制冷技術(shù)[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(dòng)，無(wú)活動(dòng)部件，不產(chǎn)生電噪聲，無(wú)需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)控制給熱電材料提供的電流來(lái)控制冷卻程度，平均故障間隔時(shí)間（MTBF）超過(guò)200 000h。

在熱電冷卻器具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其也存在制冷效率低下的問(wèn)題。比如：在175℃的環(huán)境溫度下使用熱電冷卻器將10W的熱能從電子設(shè)備中輸出，其輸出效率約為2%，在此過(guò)程中將消耗井下系統(tǒng)500W的功率，而大多數(shù)電力輸送系統(tǒng)（如井下電纜）最多只能承載1000W功率，大部分功率在主系統(tǒng)中消耗，而不應(yīng)該在冷卻等支撐系統(tǒng)中消耗。除了散熱效率低下以外，熱電冷卻需要外部供能，勢(shì)必帶來(lái)額外的熱量產(chǎn)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(jìn)行散熱。熱電制冷原理圖如圖2所示。井下電子設(shè)備產(chǎn)生的熱能傳遞到冷端，然后該熱能通過(guò)PN型半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)的熱偶傳遞到熱端。此過(guò)程需要對(duì)N型半導(dǎo)體施加電壓，并且傳遞的熱量是電流的函數(shù)并且與熱電偶的數(shù)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(shù)基于1816年斯特林提出的斯特林循環(huán)的逆循環(huán)，循環(huán)中包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹和等壓吸熱4個(gè)過(guò)程。其利用制冷劑在制冷機(jī)內(nèi)狀態(tài)的循環(huán)變化，實(shí)現(xiàn)把熱量從低溫物體不斷轉(zhuǎn)移到高溫物體。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)擁有兩個(gè)活塞，而Beta型自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)活塞，有效地減少了儀器機(jī)械設(shè)計(jì)和井下電能消耗。

在勘探井和生產(chǎn)井使用過(guò)自由活塞式斯特林制冷機(jī)，該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于壓縮活塞。壓縮活塞和置換器活塞之間的相位關(guān)系是系統(tǒng)共振頻率的函數(shù)。由于外部溫度和壓力的增加，系統(tǒng)的共振頻率也隨之改變，兩個(gè)活塞的相位角會(huì)從60°下降到0°，這說(shuō)明隨著溫度和壓力的升高，自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)變得低效。與熱電制冷，杜瓦瓶相比，斯特林制冷機(jī)其造價(jià)較高、使用壽命相對(duì)較短、機(jī)械噪聲較大等缺點(diǎn)。

1.4 磁制冷

磁制冷技術(shù)是一種基于新型制冷技術(shù)，磁制冷技術(shù)的制冷效率約為傳統(tǒng)氣體制冷技術(shù)的5～10倍[4]。此方法基于磁熱效應(yīng)，把磁性介質(zhì)在溫度保持一定的情況下放入強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)使所有離子的角動(dòng)量取能量較小的方向，因而減小了系統(tǒng)的熵，這時(shí)有熱量流出磁介質(zhì)。若再絕熱并且減弱磁場(chǎng)，使整個(gè)過(guò)程為可逆過(guò)程，則系統(tǒng)的總熵保持不變，但過(guò)程中各離子角動(dòng)量取向引起的熵增加到原來(lái)的值，所以與冷卻部位相連部分的熵減小，以此達(dá)到了對(duì)設(shè)備冷卻的效果。磁制冷是現(xiàn)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(yīng)用溫度范圍窄，價(jià)格昂貴，因此利用磁制冷技術(shù)冷卻井下設(shè)備的研究較少，僅在相關(guān)制冷專利中有所提及。

1.5 化學(xué)物質(zhì)吸熱

利用化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)吸熱，對(duì)井下設(shè)備冷卻，需要設(shè)計(jì)專門的化學(xué)反應(yīng)空間，對(duì)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(shè)計(jì)的專屬容器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行設(shè)備的散熱，其內(nèi)部添加共晶材料，以減少在加熱、冷卻過(guò)程中溫度擺動(dòng)的嚴(yán)重程度。反應(yīng)產(chǎn)生的氫可以在循環(huán)中被吸收和解吸，這允許井下工具在井眼中使用延長(zhǎng)的時(shí)間周期的，此方法缺點(diǎn)是金屬氫化物的化學(xué)反應(yīng)不連續(xù)，對(duì)儀器的設(shè)計(jì)要求高。

2 被動(dòng)冷卻系統(tǒng)

被動(dòng)系統(tǒng)通常提供延遲（減慢）升溫過(guò)程以便在井下設(shè)備在超過(guò)其溫度極限之前有足夠的時(shí)間完成工作，隔熱和杜瓦瓶等是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的常用方法。

一些被動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)在下井之前預(yù)冷（一般使用液氮）來(lái)延長(zhǎng)在井下工作的時(shí)間。另一種方法是在井下輸送冷卻劑或化學(xué)品以冷卻設(shè)備，但無(wú)法在井下再次使這些材料，使用時(shí)間仍然有限。通過(guò)在井下運(yùn)輸更多材料可以延長(zhǎng)時(shí)間，但在需要大量散熱時(shí)使用此方法是不切實(shí)際的。

2.1 杜瓦瓶

低溫液體貯存杜瓦瓶是傳統(tǒng)的制冷技術(shù)之一，它是一種被動(dòng)系統(tǒng)，其不需要任何動(dòng)能驅(qū)動(dòng)，并且不受停電等因素等影響。通過(guò)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(shè)備在井下工作的時(shí)間延長(zhǎng)4～6h，但一般在井下探測(cè)所需停留的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于杜瓦瓶能提供的停留時(shí)間。為了到達(dá)長(zhǎng)時(shí)間下井工作，需要將杜瓦瓶其它冷卻方法結(jié)合使用。比如，將杜瓦瓶與熱電冷卻結(jié)合使用，熱電冷卻器通過(guò)傳熱管將熱量從杜瓦瓶?jī)?nèi)傳遞到井外流體中，但這種主動(dòng)冷卻結(jié)合被動(dòng)冷卻的方法不適用于鉆柱系統(tǒng)，因?yàn)槎磐咂坎蛔阋猿惺茔@柱的井下組件所承受的沖擊，振動(dòng)和高壓，并且這種結(jié)構(gòu)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(tài)變化過(guò)程中吸熱，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行制冷。按照相變材料的儲(chǔ)能方式來(lái)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(jìn)行吸熱（吸熱），其受限于存儲(chǔ)能密度，無(wú)法對(duì)井下產(chǎn)生的熱量進(jìn)行散熱。與之相比，潛熱式的儲(chǔ)能密度更高。

當(dāng)井下產(chǎn)生高熱時(shí)，制冷劑在管道內(nèi)蒸發(fā)，當(dāng)其與相變材料接觸時(shí)，會(huì)將熱量傳遞給相變材料，以此完成對(duì)井下設(shè)備的制冷。過(guò)去曾利用相變材料從固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行制冷，但與從液態(tài)到氣態(tài)的相變相比，固-液態(tài)的散熱效果不佳。

在使用相變材料對(duì)井下設(shè)備進(jìn)行冷卻時(shí)，其在工作中只發(fā)生物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，不消耗熱量，無(wú)運(yùn)動(dòng)件，有良好恒溫相變特性以及巨大的相變潛熱。安全可靠，運(yùn)行和維護(hù)成本低，能夠較好地解決短時(shí)、周期性工作的大功率設(shè)備或受周期性高熱流影響設(shè)備的溫度控制問(wèn)題。與此同時(shí)，在相變冷卻系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，流體流經(jīng)的表面會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢以及其他沉積物，會(huì)降低其冷卻效率，并且相變材料物態(tài)轉(zhuǎn)化前后體積存在明顯差異，這會(huì)為井下儀器設(shè)計(jì)帶來(lái)額外的難度。

2.3 熱交換器

熱交換器是利用器件兩側(cè)溫度差進(jìn)行散熱的器件，在井下環(huán)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(shè)計(jì)上要利于散熱，同時(shí)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(jié)約成本，操作方便的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)于小尺寸井，其直徑只為幾英寸，主動(dòng)冷卻系統(tǒng)通常會(huì)消耗大量的電力并占據(jù)井下工具中寶貴的空間。為此可以通過(guò)對(duì)井下流體添加傳熱顆粒，增強(qiáng)井下流體的傳熱性能，以減少井下主動(dòng)冷卻系統(tǒng)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(jié)與展望

相對(duì)于主動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)可循環(huán)的提供制冷能力，被動(dòng)冷卻系統(tǒng)只能提供較短時(shí)間的冷卻，但主動(dòng)冷卻系統(tǒng)通常會(huì)消耗大量的功率并占據(jù)井下設(shè)備中寶貴的空間，還可能在井下系統(tǒng)中增加額外的故障。因此，在新型設(shè)備中要考慮井下制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合多種制冷方法，保障下井設(shè)備的正常工作。