一种主动式井下仪表热管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种主动式井下仪表热管理系统及方法，包括承压腔、保温腔、翅片、芯片盒、半导体制冷片、导热铜块和半圆弧铜瓦；保温腔靠近顶部的位置有设有一个缺口；芯片盒安装于所述缺口中；芯片盒内部依次装有半导体制冷片、导热铜块和半圆弧铜瓦；半导体制冷片的冷端紧贴芯片盒；半导体制冷片热端紧贴导热铜块，导热铜块紧贴半圆弧铜瓦；半圆弧铜瓦位于保温腔的外表面；翅片设置于保温腔内；翅片顶部固定在芯片盒外部；保温腔的两端设有密封端盖；保温腔安装于承压腔内部，半圆弧铜瓦与不锈钢承压腔的内表面相接触。本发明专利技术通过内置冷却装置将常温电子器件保护起来，对测井仪表内部的温度场实现持续的冷却和热管理，利用常温芯片实现高温测井。

Active downhole instrument thermal management system and method

The invention discloses a downhole instrument active thermal management system and method, including pressure cavity, cavity insulation, fin, chip box, a semiconductor refrigeration piece, conductive copper block and semi-circular copper tile; the thermal insulation cavity near the top position is provided with a notch; the chip box is installed in the gap in the chip box; inside are provided with a semiconductor refrigeration piece, conductive copper block and semi-circular copper tile; the cold end of the semiconductor refrigeration piece close to the chip box; the hot end of the semiconductor refrigeration piece to conductive copper block, conductive copper block close to the semi-circular copper tile; semi-circular copper tile is located on the outer surface of the insulation cavity is arranged in the holding cavity; fin; fin top the external ends fixed on the chip box; heat insulation chamber is provided with a sealing cover; insulation cavity installed in the bearing cavity, semi-circular copper tile and stainless steel pressure cavity inner surface contact. The invention protects the normal temperature electronic device by the built-in cooling device, realizes the continuous cooling and heat management of the temperature field inside the logging instrument, and realizes the high-temperature logging by using the normal temperature chip.

【技术实现步骤摘要】
一种主动式井下仪表热管理系统及方法
本专利技术涉及石油勘探与开采中井下高温仪表
，特别涉及一种主动式井下仪表热管理系统及方法。
技术介绍
在石油钻井行业中，经常要对地质结构和油藏资源等参数进行测量和分析。通常需要把专门的电子仪器仪表伸入到井眼里进行相关物理量的测量，对井下各个深度的地层参数进行详细记录。这就是所谓的测井。在石油钻探和开采过程中，经常需要进行大量的测井活动。此外，地下水，地热和矿物勘探等活动中也经常用到测井。通常井口越深，井下环境温度就越高，压力也越大。一般地，井下温度随着井深的增加以大约25℃/km的梯度升高，个别地区温度梯度还会更大些。井下的高温高压环境对测井仪表是巨大的考验。特别是高温问题，很容易造成仪表的信号失真以及电子元器件的过热损坏。对于井下高压问题，一般可以采用外加承压钢筒，将测井仪表包裹在足够具有壁厚的承压腔内。然而，针对井下高温问题，目前还没有特别成熟耐用的产品。目前工业界有的采用相变材料包裹电子元器件，利用相变吸热的原理来延缓电子元器件温度的升高。当相变材料的相变过程彻底完成后便丧失了继续对电子元器件进行高温保护的能力，所以这种方案仅能实现数小时的暂态保护，尚不能实现长时间的持续井下高温作业。国际上也有人致力于研发耐高温的电子材料，开发耐高温的电子元器件。问题是高温芯片的价格一般特别昂贵，寿命一般也较短。更重要的是，在国际上高温芯片通常属于保护产品，其出口受到严格的管制，购买难度很大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种主动式井下仪表热管理系统及方法，以解决上述技术问题。本专利技术通过内置冷却装置将市场上容易获得的常温电子器件保护起来，对测井仪表内部的温度场实现持续的冷却和热管理，利用常温芯片去实现高温芯片的高温测井功能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种主动式井下仪表热管理系统，包括承压腔、保温腔、翅片、芯片盒、半导体制冷片、导热铜块和半圆弧铜瓦；保温腔靠近顶部的位置有设有一个缺口；芯片盒安装于所述缺口中；芯片盒内部依次装有半导体制冷片、导热铜块和半圆弧铜瓦；半导体制冷片的冷端紧贴芯片盒；半导体制冷片热端紧贴导热铜块，导热铜块紧贴半圆弧铜瓦；半圆弧铜瓦位于保温腔的外表面；翅片设置于保温腔内；翅片顶部固定在芯片盒外部；保温腔的两端设有密封端盖；保温腔安装于承压腔内部，半圆弧铜瓦与不锈钢承压腔的内表面相接触。进一步的，翅片为铜制波纹多孔翅片；翅片的长度方向与安装于保温腔内的测井仪表PCB主板的方向一致。进一步的，承压腔的底部有一阶梯状结构，将保温腔与保温腔的底端密封端盖在轴向固定。进一步的，保温腔的底端密封端盖为有机耐高温绝热材料制成，其中心开有用于导线引出的通孔；底端密封端盖的内侧开有一圆槽，翅片底部设有一个尖嘴，尖嘴插入圆槽中。进一步的，保温腔的顶端密封端盖包括与保温腔内壁配合的小圆周面和与承压腔的内壁配合的大圆周面；温腔的顶端密封端盖为有机耐高温绝热材料制成；热膨胀时，顶端密封端盖的膨胀量大于金属制成承压腔的热膨胀量，保证承压腔内壁周向密封。进一步的，所述缺口为扇形缺口；芯片盒的头部为扇形结构，与保温腔的扇形缺口相配合，以防止芯片盒滑落到保温腔内部；芯片盒的侧面带有两排倒钩；倒钩插入到保温腔扇形缺口的两排狭缝中，将芯片盒固定在扇形缺口中。进一步的，翅片的顶部为方槽形结构；方槽形结构镶嵌在芯片盒的外部并通过线筒和固定栓为固定；固定栓以及线筒与芯片盒的内壁接触处用耐高温绝热胶密封。进一步的，导热铜块为扇形，头大尾小，其顶部为圆弧形，与半圆弧铜瓦钎焊在一起；导热铜块的底部为平面，与制冷片的热端紧密接触，之间添加了导热硅脂。进一步的，芯片盒上部压有一个扇形密封框；扇形密封框将芯片盒和导热铜块以及半圆弧铜瓦隔开；扇形密封框由耐高温绝热材料制成；其内圈的各个棱角处开有倒角；其四个侧面处设计为缩进结构，各个缩进结构处加涂耐高温的密封胶。进一步的，承压腔为不锈钢圆筒状结构，顶端开有内螺纹，底端开有外螺纹。进一步的，承压腔是一段0.6m长的圆形不锈钢套筒，可以承受井下高温高压。其首尾两端开有螺纹，以便将数段承压腔连接起来组成较长的承压筒。每段承压腔底部有一小段内径略小的环状阶梯结构，可以对内部保温腔起轴向固定作用。一种主动式井下仪表热管理方法，利用半导体制冷片在通电时的帕尔帖效应产生冷热分离，热端通过金属承压腔的整个外表面对腔外流体对流散热，在井下产生持续低温冷腔环境，并将井下仪表的电子元器件置于该冷腔环境中进行温度保护。保温腔由绝热保温材料制成，嵌套于承压腔的内部。保温腔热阻较大，可以有效阻止热量由井下高温环境快速向保温腔内部传递，其外径略小于承压腔的内径，以便插入到承压腔底部。保温腔靠近顶部的一端开有一扇形缺口，用于放置铜制扇形芯片盒。芯片盒的扇形结构与保温腔扇形缺口的尺寸一致，这种头大尾小的结构可以防止芯片盒滑入到保温腔内。同时，芯片盒的侧面带有两排倒钩。倒钩插入到保温腔扇形缺口的两排缝隙中，可以进一步将芯片盒有效固定。制冷片置于铜制芯片盒中。制冷片外形为长方体薄片结构。制冷片一般采用双级设计，比如第一级含有127对半导体粒子，第二级含有63对半导体粒子。根据半导体制冷器的帕尔帖原理，半导体制冷片在外加电压的作用下产生冷热分离，一端吸热而另一端放热，形成冷端和热端。冷端低于所处的环境温度，并通过保温腔的保温作用形成一个内部冷腔环境。热端高于环境温度，可以利用温差向环境有效散热。铜制芯片盒的底部与制冷片的冷端紧密接触，两平面之间还加有导热硅脂以增强导热效果。当制冷片通电时候，冷端吸热，可以将保温腔体内的热量带走，从而使得保温腔内部形成一个冷腔。为了保证保温腔体内低温环境的均匀性，芯片盒的底部外嵌一多孔波纹翅片。芯片盒的两侧开有4个小孔，可以插入圆柱固定栓和圆柱线筒来锁死翅片的顶端。翅片的底部为三角形尖嘴结构，可以插入到保温腔的底盖的小孔中，以便固定翅片的另一端。外加电压后，制冷片热端的温度高于环境温度通过热端传热单元将热量传递给外界环境(比如承压腔外的钻井液)。热端传热单元由铜制扇形导热块与半圆弧铜瓦焊接而成。扇形导热块的一端为圆弧，此端与半圆弧铜瓦钎焊在一起。铜瓦的另一侧与不锈钢承压腔的内壁接触，增加了制冷片热端的散热面积。扇形导热块的另一端为平面，与制冷片的热端紧密接触，两平面间加有导热硅脂以增强导热效果。这种设计的优点在于整个不锈钢承压腔的外表面都成为了制冷片热端的散热表面，极大地增加了散热面积(承压腔的外表面包裹着钻井液，流体在此表面的对流换热可以有效的将热量带走)。前文已经提到，地层越深，温度越高。不锈钢承压腔的轴向导热也可以有效将高温深层的热量传递到较低温的浅层。需要指出的是，此设计的另一个巧妙之处是当装置处于常温时，保温腔外径略小于承压腔内径，这样两者之间有一个微小的间隙，方便安装。注意到保温腔的热膨胀系数比不锈钢承压腔高一个数量级，经过计算，当承压腔进入地下高温环境后，保温腔的径向热膨胀将自动压紧制冷片的热端散热单元(半圆弧铜瓦、扇形导热铜块)，保证了制冷片的热量能有效地传导给扇形导热块，再有效的传导给半圆弧铜瓦，然后传导给不锈钢承压腔，最后再通过承压腔的整个外壁有效地对流散热给钻井液(环境)。为了防止外界热量回传给冷腔，在扇形导热块的周本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主动式井下仪表热管理系统，其特征在于，包括承压腔(1)、保温腔(3)、翅片(4)、芯片盒(6)、半导体制冷片(7)、导热铜块(8)和半圆弧铜瓦(11)；保温腔(3)靠近顶部的位置有设有一个缺口；芯片盒(6)安装于所述缺口中；芯片盒(6)内部依次装有半导体制冷片(7)、导热铜块(8)和半圆弧铜瓦(11)；半导体制冷片(7)的冷端紧贴芯片盒(6)；半导体制冷片(7)热端紧贴导热铜块(8)，导热铜块(8)紧贴半圆弧铜瓦(11)；半圆弧铜瓦(11)位于保温腔(3)的外表面；翅片(4)设置于保温腔(3)内；翅片(4)顶部固定在芯片盒(6)外部；保温腔(3)的两端设有密封端盖；保温腔(3)安装于承压腔(1)内部，半圆弧铜瓦(11)与不锈钢承压腔(1)的内表面相接触。

【技术特征摘要】
1.一种主动式井下仪表热管理系统，其特征在于，包括承压腔(1)、保温腔(3)、翅片(4)、芯片盒(6)、半导体制冷片(7)、导热铜块(8)和半圆弧铜瓦(11)；保温腔(3)靠近顶部的位置有设有一个缺口；芯片盒(6)安装于所述缺口中；芯片盒(6)内部依次装有半导体制冷片(7)、导热铜块(8)和半圆弧铜瓦(11)；半导体制冷片(7)的冷端紧贴芯片盒(6)；半导体制冷片(7)热端紧贴导热铜块(8)，导热铜块(8)紧贴半圆弧铜瓦(11)；半圆弧铜瓦(11)位于保温腔(3)的外表面；翅片(4)设置于保温腔(3)内；翅片(4)顶部固定在芯片盒(6)外部；保温腔(3)的两端设有密封端盖；保温腔(3)安装于承压腔(1)内部，半圆弧铜瓦(11)与不锈钢承压腔(1)的内表面相接触。2.根据权利要求1所述的一种主动式井下仪表热管理系统，其特征在于，翅片(4)为铜制波纹多孔翅片；翅片的长度方向与安装于保温腔(3)内的测井仪表PCB主板的方向一致。3.根据权利要求1所述的一种主动式井下仪表热管理系统，其特征在于，承压腔(1)的底部有一阶梯状结构(13)，将保温腔(3)与保温腔的底端密封端盖在轴向固定。4.根据权利要求1所述的一种主动式井下仪表热管理系统，其特征在于，保温腔的底端密封端盖为有机耐高温绝热材料制成，其中心开有用于导线引出的通孔；底端密封端盖的内侧开有一圆槽(14)，翅片(4)底部设有一个尖嘴，尖嘴插入圆槽(14)中。5.根据权利要求1或4所述的一种主动式井下仪表热管理系统，其特征在于，保温腔的顶端密封端盖包括与保温腔(3)内壁配合的小圆周面和与承压腔(1)的内壁配合的大圆周面；温腔的顶端密封端盖为有机耐高温绝热材料制成；热膨胀时，顶端密封端盖的膨胀量大于金属制成...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭波涛，
申请(专利权)人：彭波涛，
类型：发明
国别省市：陕西,61