導(dǎo)熱凝膠在測(cè)井儀熱管理中的應(yīng)用

田志賓,藍(lán)威,魏贊慶,羅小兵

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,北京065201;2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北武漢430074)

0 引 言

近年來,高溫高壓井的勘探及開發(fā)愈發(fā)受到石油企業(yè)的重視[1]。測(cè)井儀通過測(cè)量井下飽和度、滲透率、孔隙度等數(shù)據(jù)可分析井下油氣層的厚度和位置[2]。高溫高壓井的井下溫度超過200 ℃,測(cè)井儀內(nèi)部的電路無法在如此高溫的井下正常作業(yè),會(huì)出現(xiàn)信噪比下降,壽命下降甚至燒毀等問題。

在這種背景下,采用熱管理手段對(duì)井下電子器件進(jìn)行熱保護(hù)顯得尤為重要。對(duì)于電纜測(cè)井,通常采用被動(dòng)式熱管理系統(tǒng),主要包含隔熱、儲(chǔ)熱、導(dǎo)熱等3個(gè)部分[3]。測(cè)井儀骨架及其電路裝載于金屬保溫瓶內(nèi),保溫瓶開口處采用絕熱塞,以削弱井下高溫對(duì)瓶內(nèi)電路的影響[4]。測(cè)井儀內(nèi)部電路的自發(fā)熱量無法散發(fā)到環(huán)境中去,只能采用熱容較大的吸熱體進(jìn)行吸收[5]。因此,采用金屬骨架、熱管等減小熱源與吸熱體間的熱阻,加快電路自發(fā)熱量的散發(fā)及儲(chǔ)存。當(dāng)前已存在較多測(cè)井儀被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)研究,但強(qiáng)化井下電子器件與吸熱體之間的換熱依舊是個(gè)技術(shù)難題,電路板與金屬骨架之間普遍存在較大熱阻。導(dǎo)熱凝膠是一種新型熱界面材料,已廣泛應(yīng)用于航空、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。與導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱硅膠片相比,導(dǎo)熱凝膠具有2方面優(yōu)勢(shì):①導(dǎo)熱凝膠呈半流淌性質(zhì),能很好地填充電子器件與骨架間的大間隙,而不會(huì)輕易流失;②導(dǎo)熱凝膠可塑性強(qiáng),對(duì)于不平整的電路板,能保證良好的熱接觸?；谝陨?點(diǎn),導(dǎo)熱凝膠特別適用于測(cè)井儀電路板與金屬骨架的間隙填充,既可增加熱源至吸熱體的導(dǎo)熱通路,自身熱容也能儲(chǔ)存部分熱量,2個(gè)方面協(xié)同作用,可增強(qiáng)對(duì)井下電子的控溫能力。

為探究導(dǎo)熱凝膠在測(cè)井儀熱管理中的應(yīng)用效果,該研究采用仿真方法從溫度、熱流2個(gè)方面比較了常規(guī)測(cè)井儀與導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的熱管理性能,加工了樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以檢驗(yàn)導(dǎo)熱凝膠在測(cè)井儀中的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 仿真模擬及實(shí)驗(yàn)研究

圖1(a)和1(b)分別為常規(guī)測(cè)井儀器與導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀器,區(qū)別在于,后者采用導(dǎo)熱凝膠填充金屬骨架的縫隙,并采用不銹鋼蓋板約束導(dǎo)熱凝膠的形狀。采用COMSOL模擬測(cè)井儀溫度分布,導(dǎo)入三維模型,自動(dòng)生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,定義各部件的熱物性參數(shù)。所采用的吸熱劑為低熔點(diǎn)合金材料,熔點(diǎn)為73.55 ℃,潛熱為36.68 kJ/kg,熱導(dǎo)率為16 W/(mK)。10 W及20 W的熱源設(shè)定為均勻發(fā)熱體,初始溫度設(shè)為20 ℃,保溫瓶外壁溫度為200 ℃,計(jì)算總時(shí)長為6 h。

圖1 常規(guī)測(cè)井儀器和導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀器對(duì)比

為檢驗(yàn)導(dǎo)熱凝膠在測(cè)井儀中的實(shí)際應(yīng)用效果,加工了2套樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。2個(gè)熱源(分別為10 W,20 W)被高溫膠帶固定在金屬骨架表面,熱電偶分別貼在保溫瓶、隔熱塞、相變材料、熱源、烘箱等位置,由無紙化記錄儀進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集。導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的特點(diǎn)是在熱源及骨架表面填充了半月形導(dǎo)熱凝膠,其熱導(dǎo)率為2 W/(mK),上表面被定制的不銹鋼蓋板固定,以穩(wěn)定形狀。將保溫瓶及樣機(jī)放入烘箱內(nèi),設(shè)定烘箱溫度為200 ℃,試驗(yàn)持續(xù)6 h,每秒記錄1次溫度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果及討論

2.1 仿真溫度對(duì)比分析

圖2(a)為常規(guī)測(cè)井儀器與導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀器在200 ℃下作業(yè)6 h后的溫度場(chǎng)對(duì)比圖?？梢钥闯?導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的整體溫度明顯更低,且更為均勻。具體數(shù)據(jù)上看,常規(guī)測(cè)井儀的熱源最高溫度達(dá)161.6 ℃,與鄰近吸熱體的平均溫度相差33.0 ℃;而導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的熱源與吸熱體間的溫差降低至24.0 ℃,熱源溫度下降至117.9 ℃,同比下降43.7 ℃。

圖2(b)和圖2(c)分別為2種測(cè)井儀器各部件溫度隨時(shí)間變化曲線。兩者溫升趨勢(shì)完全一致,均發(fā)生了相變過程,出現(xiàn)了較長時(shí)間的恒溫平臺(tái)。受相變材料潛熱儲(chǔ)熱的影響,2個(gè)熱源也減緩了溫升速度,常規(guī)測(cè)井儀熱源的溫升速率從30.0 ℃/h降低至3.0 ℃/h,導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀熱源溫升速率從21.0 ℃/h降低至2.8 ℃/h。從整個(gè)溫升區(qū)間上看,導(dǎo)熱凝膠有效降低了熱源與吸熱劑之間的平均溫差,從常規(guī)測(cè)井儀的29.7 ℃下降到導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的22.1 ℃。

圖2 仿真溫度對(duì)比分析圖

2.2 系統(tǒng)熱流分析

選取測(cè)井儀中心對(duì)稱面比較2個(gè)熱管理系統(tǒng)的熱流大小及流向[見圖3(a)]。其中箭頭方向表示熱流流向,箭頭大小表示熱流大小,部件顏色為溫度場(chǎng)?？梢钥闯?常規(guī)測(cè)井儀的熱源自發(fā)熱量絕大部分沿著金屬骨架進(jìn)行熱輸運(yùn),至兩端吸熱體后開始周向擴(kuò)散,隨后被吸熱體吸收殆盡。由于隔熱塞的絕熱作用,僅有極少部分的環(huán)境漏熱沿著隔熱塞外套流入保溫瓶內(nèi)部,但也未能深入到電路所在位置,在進(jìn)入相變材料2的1/4處就被完全吸收了。相比之下,導(dǎo)熱凝膠填充后的測(cè)井儀,熱流始于熱源呈放射狀散開,不少熱量經(jīng)由導(dǎo)熱凝膠進(jìn)入吸熱體內(nèi)部。整體上看,熱流分布更加均勻,進(jìn)一步說明導(dǎo)熱凝膠增加了熱源至吸熱體間的換熱路徑,強(qiáng)化了測(cè)井儀電路板的散熱能力。

圖3(b)定量分析了熱流大小,發(fā)現(xiàn)36.5%的熱源自發(fā)熱量流入了導(dǎo)熱凝膠,而常規(guī)測(cè)井儀中98.3%的熱量均從金屬骨架輸運(yùn)至吸熱體,散熱路徑的單一導(dǎo)致熱源與吸熱體之間產(chǎn)生較大溫差。此外,由于導(dǎo)熱凝膠自身具有一定的熱容,在使用量較多的場(chǎng)合下這部分蓄熱能力不能忽視。整個(gè)過程導(dǎo)熱凝膠以顯熱形式共吸收了127.5 kJ的熱量,相當(dāng)于吸收了熱源自發(fā)總熱量的19.7%。綜上可得,導(dǎo)熱凝膠在測(cè)井儀熱管理中既增加了熱源的散熱路徑,同時(shí)也有一定的蓄熱作用,兩方面協(xié)同改善了測(cè)井儀的熱管理效果。

圖3 系統(tǒng)熱流分析圖

2.3 實(shí)際測(cè)試溫度對(duì)比分析

圖4(a)和圖4(b)對(duì)比了2個(gè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫度變化曲線。烘箱溫度與保溫瓶外壁溫度表現(xiàn)一致,均很短時(shí)間內(nèi)上升至設(shè)定的200 ℃。內(nèi)部升溫趨勢(shì)大體類似,0～5 min熱源自發(fā)熱致使其快速溫升。由于覺見熱管理系統(tǒng)的熱源只有金屬骨架這種單一散熱路徑,容易造成熱量積聚。故溫度很快就上升至52.4 ℃,而加入導(dǎo)熱凝膠進(jìn)行強(qiáng)化換熱的熱源溫度僅上升至38.9 ℃。在顯熱儲(chǔ)熱階段熱源及吸熱體的溫度均以恒定速率上升,但導(dǎo)熱凝膠自身顯熱儲(chǔ)熱作用降低了其溫升速率。在相變材料熔融吸熱階段,其溫度幾乎不變,熱源溫升速率也得到抑制。由于導(dǎo)熱凝膠強(qiáng)化了熱源與吸熱體之間的換熱,且自身吸收了一部分熱量,故熱源至吸熱體間的溫差從39.7 ℃下降至28.0 ℃。在相變材料完全融化后,熱源及吸熱體均恢復(fù)較高的溫升速率,最終常規(guī)測(cè)井儀熱源的最高溫度為165.2 ℃,導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的熱源最高溫度為117.8 ℃,同比下降了47.4 ℃。由圖4(c)和圖4(d)可見,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好,各個(gè)階段的溫度趨勢(shì)都能夠很好地捕捉,只是數(shù)值上略有區(qū)別。其中,常規(guī)測(cè)井儀中仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度的最大誤差為5.5 ℃,平均誤差為3.2 ℃;而導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀中最大誤差為6.5 ℃,平均誤差為2.1 ℃。從側(cè)面反映出建立的仿真模型較為準(zhǔn)確,基于仿真結(jié)果的分析是可信的。

圖4 實(shí)測(cè)溫度對(duì)比分析圖

3 結(jié) 論

(1)探討了導(dǎo)熱凝膠在測(cè)井儀熱管理中的應(yīng)用效果,并與常規(guī)測(cè)井儀進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明導(dǎo)熱凝膠增加了熱源至吸熱體間的換熱路徑,減小了傳熱熱阻,熱源至吸熱體間的溫差從常規(guī)測(cè)井儀的33.0 ℃下降至24.0 ℃。同時(shí),導(dǎo)熱凝膠自身也以顯熱形式吸收了熱源自發(fā)總熱量的19.7%,具有一定的蓄熱作用。在導(dǎo)熱凝膠強(qiáng)化換熱及顯熱蓄熱的共同作用下,導(dǎo)熱凝膠填充型測(cè)井儀的熱源最高溫度相比常規(guī)測(cè)井儀下降了43.7 ℃。

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證實(shí)了導(dǎo)熱凝膠優(yōu)異的熱管理效果,熱源至相變材料間的溫差從39.7 ℃下降至28.0 ℃,熱源最高溫度從165.2 ℃下降至117.8 ℃。與仿真結(jié)果相比,最大誤差僅為6.5 ℃,平均誤差不超過3.5 ℃,說明仿真模型較為準(zhǔn)確,基于仿真的分析較為可信。