旋转井壁取心仪热管理系统设计及应用

2022-07-16魏赞庆彭嘉乐田志宾罗小兵

测井技术 2022年3期

魏赞庆,彭嘉乐,田志宾,罗小兵

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,河北三河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

随着对油气资源的需求不断增加,高温高压井下勘探作业变得愈发重要[1-2]。旋转井壁取心仪采用空心钻头,钻取地层岩心,并储存带回地面,用于验证地层的岩性、孔隙度和含油率等信息,因此,旋转井壁取心作业在勘探初期显得尤为重要[3]。一般来说,高温高压井下环境温度超过205 ℃,井壁取心仪需在如此高温的环境下作业4～12 h[4]。然而,井壁取心仪内部电子器件一般耐温不超过150 ℃,在高温高压井下长时间工作,容易出现可靠性降低,甚至失效的问题[5]。因此,需要对井壁取心仪内部的电子器件采取有效的热管理措施。

许多学者针对高温环境下测井仪热管理系统进行研究,2007年,RAFIE[6]在测井仪上首次采用纳米气凝胶隔热技术,极大地减少了端部漏热量,可保障测井仪在环境温度200 ℃下工作6 h后,内部电子器件温度仍维持在150 ℃以下。2016年,MA等[7]采用保温瓶结合相变材料的方法对测井仪进行热管理,在200 ℃的烘箱中测试6 h后,测井仪内部电子器件温度仍可维持在125 ℃以下。2017年,SHANG等[8]提出了一种井下电子器件被动式热管理系统,在骨架及相变材料内部采用热管进行导热强化,能够使内部电子器件在200 ℃环境温度下正常工作6 h以上。2020年,PENG等[9]提出了针对大功率器件的导热储热一体集成结构,能够使大功率器件的温度在9 h内不超过125 ℃。以上研究均针对一个较小的井下电路模块进行热管理,缺乏对测井仪整体电子短节的热管理设计及应用研究。测井仪整体电子短节的热管理往往需要考虑对多热源的控温,提高电子短节的均温性,目前已有的测井仪热管理方案对此欠缺考虑。

该文以旋转井壁取心仪为研究对象,设计了分布式储热热管理系统,以提升整个电子短节的均温性,同时利用自研的复合相变材料强化储热速率。通过有限元仿真方法验证了系统的可行性,加工了试验样机,并进行了实际下井作业。

1 热管理系统设计

1.1 分布式储热设计

旋转井壁取心仪电子短节包含多个电路板,研究中将其简化成一个个体热源,其功率与实际电路功耗相符,位置也与实际电路保持一致,不影响热管理系统的设计。表1为旋转井壁取心仪热源功耗表,其总热源功耗达49 W。旋转井壁取心仪热管理系统的设计目标是保证在环境温度205 ℃下工作12 h,其电路最高温度不能超过150 ℃,同时尽可能提升电子短节的均温性能。

表1 旋转井壁取心仪热源功耗

为满足以上设计要求,根据热源功耗位置分布,设计针对旋转井壁取心仪的分布式储热热管理系统,其热源分布及储热模块分布见图1。

图1 旋转井壁取心仪热源位置分布及热管理方案设计图

首先,采用保温瓶及隔热塞对电路板进行热保护,隔绝径向和轴向环境漏热,其中隔热塞由PEEK外壳以及纳米气凝胶内核构成。其次,在电子短节骨架的各处布置了4个储热模块以及1个内埋储热模块,其用量及位置依照邻近的热源功率确定。分布式储热系统有利于电子器件就近储存其自发热量,提升电子短节整体的均温性。最后,采用导热硅胶垫减小热源与骨架之间的传热热阻,同时采用导热硅脂减小骨架与骨架之间的传热热阻。通过以上热管理措施能够显著提升旋转井壁取心仪的均温性能,避免局部热点。

1.2 储热模块设计

在热管理系统中,储热模块的储热量以及储热速率能够对热源的控温效果产生显著影响。储热模块设计分为壳体设计、储热材料研制和储热模块封装。其中,储热模块壳体应具有一定的强度和良好的密封性,故用金属焊接制成。储热材料为石墨纳米片-石蜡复合相变材料,其制备工艺流程见图2(a),主要包括微波膨胀、磁力搅拌、超声剥离、冷却定型等步骤。图2(b)为制备好的石墨纳米片-石蜡复合相变材料实物图。采用激光闪射法导热仪测试其导热系数,连续测试5次取平均值,结果发现该复合相变材料的导热系数得到大幅度提高,可达3 W/(m·K),相比纯石蜡导热系数提升近10倍,有利于加快相变材料的储热速率。随后继续对相变材料进行DSC测试,其结果见图2(c),其熔点为72.8 ℃,潜热量为251.4 kJ/kg。最后,将复合相变材料灌封入储热模块金属壳体内,进行175 ℃/20 h的高温测试及温度为150 ℃、加速度为10g的高温振动测试。储热模块通过测试未发现异常,可投入实际使用,实物图片见图2(d)。

图2 石墨纳米片-石蜡复合相变材料制备工艺示意图、实物图、DSC曲线及储热模块实物图

2 仿真研究

2.1 仿真计算

在设计初期,采用仿真方法评估旋转井壁取心仪热管理系统的控温效果。为简化计算,提出假设:①保温瓶内部空气几乎不流动,忽略其对流换热;②热源视为均匀发热的体热源;③接触面之间的接触热阻忽略不计;④保温瓶真空层等效为极低导热系数的固体层;⑤忽略相变材料内部融化导致的界面流动;⑥保温瓶内温差不大,忽略其辐射传热。

基于假设,旋转井壁取心仪热管理系统的传热过程可以简化为含有相变过程的瞬态传热,控制方程为

(1)

式中,ρ为材料的密度,kg/m3;c为材料的定压比热容,J/(kg·K);λ为材料的等效导热系数;q为单位体积内热源功率,W;T为温度, ℃。

采用等效热容法[10]简化相变材料相变过程,将相变材料的潜热等效为定压比热容。式(2)～式(5)为等效热容法控制方程

ρPCM=θ×ρPCM,s+(1-θ)×ρPCM,l

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,ρPCM、ρPCM,s、ρPCM,l分别为相变材料的等效密度、相变材料的固态密度、相变材料的液态密度,kg/m3;cPCM、cPCM,s、cPCM,l分别为相变材料的等效定压比热容、相变材料的固态定压比热容、相变材料的液态定压比热容,J/(kg·K);VPCM,s、VPCM,l分别为相变材料的固态体积、相变材料的液态体积,m3;Tm为相变材料的熔点, ℃;ΔT为相变材料的转化间隔温度, ℃;L为相变材料的潜热,kJ/kg;θ与相变材料的熔点有关,表示相变材料的固态体积分数占比;αm为相变材料由固态转变为液态的质量,kg。

采用有限元方法对旋转井壁取心仪热管理系统进行仿真计算。根据式(1)～式(5)设置控制方程,将三维模型导入CFD求解器,生成非结构化网格,按照表2所示定义各部分的参数。将保温真空层等效成导热系数为0.000 3 W/(m·K)的固体导热层[11],相变材料采用纳米石墨片-石蜡复合相变材料,熔点为72.8 ℃,潜热达251.4 kJ/kg。确定热源功耗及边界条件,按照表1定义各热源功耗,设定初始温度为25 ℃,保温瓶外壁温度为205 ℃。以时间步长10 min计算12 h的旋转井壁取心仪传热过程。

表2 旋转井壁取心仪各部件材料物性

2.2 仿真结果

图3为旋转井壁取心仪热源温度随时间变化曲线。由于热源1的功率达到20 W,在作业期间自发热量较多,并且靠近保温瓶大开口,受环境漏热影响较大,导致其温度在所有热源中最高,是整个电子短节的短板。热源1的温升曲线分为3个阶段:第1个阶段为0～180 min,其温度上升速率为16.25 ℃/h;第2个阶段为180～300 min,内埋储热模块发生相变,热源1温升得到抑制,其温升速率减小到6.55 ℃/h;第3个阶段为300～720 min,内埋储热模块完成相变,储热模块1和储热模块2开始相变,温度上升速率略微增加到7.63 ℃/h。其他热源的温度都经历2个阶段,先快速增加,随后逐渐变缓慢。热源1至热源8在作业12 h后最终温度分别为140.28、90.97、98.21、98.02、100.43、100.13、100.55、101.16 ℃,均低于仪器内电子器件的最高耐温。这是由于分布在骨架各处的相变材料在相变期间温度保持恒定,抑制各部分热源的温升,从而使所有热源能够在正常使用温度以内。

图3 旋转井壁取心仪仿真温度分布云图及热源温度随时间变化曲线

图4反映旋转井壁取心仪热管理系统储热模块相变云图随时间变化的情况,其中,0.0(蓝色)表示未发生相变,1.0(红色)表示相变完全。5个储热模块的相变时刻与区间不一致。内埋储热模块由于内埋于功耗大的热源1底部,相变最早,率先完成相变;储热模块4靠近保温瓶大开口以及热源1,环境漏热量以及热源1自发热量致使其快速完成相变;其他储热模块由于靠近功率较小的热源,相变速率较缓,最终未完全相变。图5进一步展示了旋转井壁取心仪热管理系统储热模块相变体积分数随时间变化曲线,储热模块1、储热模块2、储热模块3的潜热利用率在最后时刻分别达到75.40%、70.50%、93.22%;储热模块4、内埋储热模块的潜热在最后时刻被完全利用。所有储热模块的整体潜热利用率达到87.70%,剩下12.30%的潜热量可用作工程余量。总体上看,热源产生的热量有较大部分被储热模块吸收,从而使电子器件温度可保持在工作范围之内。以上仿真结果论证了旋转井壁取心仪热管理系统的可行性。

图4 旋转井壁取心仪热管理系统储热模块相变云图随时间变化

图5 旋转井壁取心仪热管理系统储热模块相变体积分数随时间变化曲线

3 试验结果

加工旋转井壁取心仪热管理系统的试验样机,随后进行电路板安装调试。于2021年5月在南海某井口进行实际下井作业,井深4 437 m,井下环境温度174 ℃,作业时长4 h 11 min,共进行22次取心,最终顺利完成取心任务,期间记录下每次取心时刻以及电子短节最高温度。将实际作业期间的电子短节最高温度与仿真温度进行对比(见图6)。实测结果表明,在174 ℃的井下作业4 h 11 min后,电子短节最高温度由55 ℃升高到85 ℃,平均温升速率7.5 ℃/h,在后半时间段温升速率不断变缓。将试验结果与模拟结果进行对比,可以发现试验结果温度偏低,主要原因:①井温比设计温度低;②实际电路的热功耗较设计功耗留有一定的工程余量。综上所述,井壁取心热管理系统的设计符合预期,能够满足实际下井作业需求。