地熱深孔聲波測井傳感器的熱設計

張建偉, 楊卓靜， 王新杰， 趙玉軍， 郝文杰

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，自然資源部地質環境監測工程技術創新中心， 保定 071051)

京津冀地區地熱資源分布廣泛，以深部碳酸鹽巖熱儲層為主要特征，具有地熱儲層埋藏深、出水溫度高、流量大的特點。深部巖溶熱儲作為一種高品質地熱資源，其探測利用可以實現清潔能源的有效供應[1]。研究表明，超聲波成像測井技術能夠準確獲取熱儲層裂縫的位置、形態、傾角、傾向等參數，有助于摸清地下巖體構造及裂縫分布規律，是科研工作者重點關注的熱儲層強化增產技術手段[2]。超聲成像測井傳感器需要在井下3 500 m以下，在120 ℃以上環境下連續工作8 h以上，特殊的工作環境對超聲成像傳感器的要求更高，其耐高溫性能成為傳感器設計的瓶頸。對傳感器實施有效的熱分析和控制是提升其可靠性和穩定性的關鍵。溫度升高是造成電子元器件失效的主要因素，失效率和溫度增量為指數關系。芯片溫度的控制至關重要，溫度過高會導致芯片損壞，研究表明，在70～80 ℃內，單個電子元件的溫度每升高10 ℃，系統可靠性降低50%。據統計，有超過55%的電子設備失效形式都是由溫度過高引起的。因此，為保證芯片工作的可靠性和穩定性，發展新型高效的熱設計成為迫切需求[3]。

在深井高溫環境下，傳感器中電子元器件的溫升取決于外部高溫環境的熱交換和內部元器件工作過程中產生的熱耗散兩個方面，因此傳感器的耐溫設計需要從印制電路板(printed circuit board，PCB)和環境傳熱學角度進行熱設計[3-5]。現以超聲成像傳感器中的信息采集與處理電路為例，在傳熱學理論基礎上，建立電路板和環境之間的耦合傳熱模型，根據深部碳酸鹽巖熱儲層的測溫曲線，采用COMSOL Multiphysics軟件對PCB電路的主要電子元器件進行熱仿真分析，為傳感器的結構設計、布局和耐溫性能提供參考依據，并通過試驗驗證熱設計方法的有效性[6-7]。

1 超聲成像傳感器的硬件電路及工作原理

地熱深孔測井傳感器硬件電路分為聲像總成單元、方位監測單元、信息采集與處理單元、信號傳輸單元及電源單元等部分，如圖1所示。其主要功能為：①承擔超聲波信號的產生、采集、處理等工作；②將相應的信號經載波通信單元發送給地面控制系統；③根據測井數據合成最終的井壁圖像。

圖1 井下傳感器硬件電路Fig.1 Hardware circuit for the downhole sensor

根據深部熱儲層裂縫動態監測需求，采用高溫雙通道換能器作為超聲波的發射源，根據孔徑、鉆井液類型調整換能器發射頻率。直流電機驅動換能器以5 r/s的速度旋轉，該設計能夠保證測井過程中縱向圖像和周向圖像的像素，環境適應性強，能提供高分辨率的井周圖像。

井下電路負責數據采集、編碼，同時對地面發送的命令進行編譯、響應。其中，信號采集單元主要功能包括聲波換能器控制、激勵、信號接收及處理；數據處理單元的主要功能是獲取外設傳感器的數據，包括井斜、磁北、井溫、井下電源等參數。通信單元采用電壓發送、電流信號回傳的載波通信技術，采用獨芯鎧裝電纜作為通信介質，采用曼徹斯特(Manchester)編碼方法，在供電電纜上調制控制信號[8]。

信息采集與處理單元主要負責采集外設中的多種傳感器數據，一直處于高頻率工作狀態下，PCB的發熱量最大，其在高溫環境下的熱穩定性直接決定傳感器的可靠性和穩定性[9]。信息采集與處理單元的PCB圖如圖2所示。

圖2 信息采集與處理單元PCB圖Fig.2 The PCB diagram of the information acquisition and processing unit

熱設計的目的是避免由于熱量聚集導致局部溫度過高而燒壞電子元件。從環境對電路板的熱輻射和電路板自身熱耗散兩個方面對傳感器進行熱設計。其中，熱輻射主要研究傳感器內、外的換熱關系，以保證所有部件能在可控溫度范圍內工作[10-12]。在電路板自身熱耗散方面，目前高溫電路的實現方法包括基于PCB的方法、混合電路法和專用功能集成電路(application specific integrated circuit，ASIC)法。需要針對PCB電路板的耐溫需求進行分析、設計、模擬[13]。

2 PCB環境傳熱耦合模型與熱分析仿真

2.1 傳感器的環境溫度

超聲成像測井傳感器外殼為不銹鋼材質，PCB電路板固定在不銹鋼外殼中，測井過程中，探頭放置于井下液態環境中，熱傳導介質一般為水、油或泥漿。超聲成像測井對成像質量要求高，一般每米井段像點數不小于50 000點，測井過程中探頭移動速度一般不大于2 m/s，因此可認為外殼的溫度和井內環境溫度一致[14]。

測井溫度曲線能夠直觀反映傳感器的工作環境溫度，圖3為雄安新區地熱D35井的測溫曲線，測溫背景是井中下入套管，井下無設備擾動，靜水位103.5 m，井下為清水。從圖3中可以看出，測溫曲線基本呈現線性，3 500 m處水溫達到110 ℃，最高溫度達到116 ℃，地溫梯度為3.89 ℃/m[15]。

圖3 D35井測溫曲線Fig.3 Temperature curve of well D35

2.2 傳熱模型

在深井高溫環境下，超聲成像測井系統的電路板布置在不銹鋼殼體中央，電子元器件的溫升主要取決于外部環境的傳熱過程和電路板上元器件因功耗而產生熱耗散兩個因素。電路PCB的溫升是多種傳熱模式(輻射、傳導和對流等)耦合作用的結果[16-17]，測井系統傳熱模型如圖4所示，測井系統傳熱原理如圖5所示。

qRA為熱輻射；qCV為電路板與環境的熱對流；qCD為芯片和電路基板的熱傳導圖4 測井系統傳熱模型Fig.4 Heat transfer model of the logging system

井下傳熱過程包括不銹鋼外殼壁對電路板的熱輻射qRA、電路板與環境的熱對流qCV、芯片和電路基板的熱傳導qCD。系統通過芯片功耗發熱和環境輻射輸入熱能，通過熱傳導和熱對流損失熱能。最后儲存在傳感器內的熱能量平衡方程[13]描述為

(1)

式(1)中：qRA為外殼壁對電路板的輻射熱流密度，W/m2；qCD為芯片和PCB基板之間傳導熱流密度，W/m2；qCV為電路板和環境之間的對流換熱熱流密度，W/m2；ρ為材料的密度，kg/m3；V為控制體體積，m3；cp為材料的定壓熱容，J/(kg· ℃)；T為環境溫度， ℃；t為傳熱時間，s。

超聲成像測井傳感器的不銹鋼外殼浸泡在高溫地下水(泥漿)中，系統內部電路必然會受到高溫外殼的熱輻射。兩表面之間的輻射熱流[16]計算，公式為

(2)

式(2)中：ε為輻射發射率，灰體發射率與吸收率相同；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，σ取5.67×10-8W/(m2·℃)；T1、T2分別為發射表面和接收表面的溫度，℃。

考慮到其熱接觸類型為等效空氣薄熱阻層，芯片和PCB基板之間的換熱為固體間的傳導換熱，其傅里葉傳熱方程[11]為

(3)

式(3)中：k為熱導系數，W/(m·℃)；dT/dn為溫變梯度，℃/m。

在電路板和環境之間的傳熱過程中，熱流密度qCV可由牛頓冷卻方程來確定[11]，表達式為

qCV=hCV(Tw-T∞)

(4)

式(4)中：hCV為環境對流換熱系數，W/(m2·℃)；Tw為地下井的壁面溫度，℃；T∞為流體介質的溫度， ℃。

2.3 電路的傳熱仿真分析

COMSOL采用有限元分析的方法，可用于多個物理場耦合的場合。采用COMSOL Multiphysics對超聲成像測井傳感器的溫升進行仿真分析，對熱輻射、熱對流、熱傳導3種傳熱物理場進行耦合仿真[18]。建立有限元三維數字化模型，如圖6所示。

在COMSOL中，需要添加輻射傳熱物理場、固體傳熱物理場和流體傳熱物理場，對3種物理場進行耦合，并進行瞬態研究。有限元模型中電路板主要基板和芯片材料的傳熱特性參數見表1。

圖6 信息采集與處理電路的有限元模型Fig.6 Finite element model of information acquisition and processing circuit

表1 傳熱特性參數Table 1 Parameters of heat transfer characteristics

對于固體傳熱模塊，根據PCB電氣原理圖(圖2)，計算各個器件的功率，輸入熱源熱耗率，設置熱接觸類型為等效薄熱阻層，熱阻層由內置材料屬性定義。對表面輻射模塊中設置各輻射面為漫灰表面，輻射系數為0.8，設置外殼溫度作為邊界條件，由于傳感器需要在井下長時間作業，認為井溫為外殼溫度，分別以D22井、D35井的井下最高溫度(95 ℃和116 ℃)為邊界條件，在固體和流體傳熱模塊設置換熱系數為7 W/(m2·℃)，仿真傳感器在液態環境下電路板上的溫升情況。

根據2.2節的傳熱模型，添加多物理場進行耦合仿真分析，信息采集與處理電路的環境級熱仿真分析結果如圖7所示。

圖7 電路板熱仿真結果Fig.7 Thermal simulation results for the circuit board

如圖7所示，在95 ℃和116 ℃井下高溫液態環境中仿真結果，電路板上各個位置最高溫度可達到113 ℃和121 ℃，電路板上不同位置溫升跨度約10 ℃，均高于環境溫度，最高溫度出現在控制芯片PIC18F2480處。根據仿真結果可知，傳感器內部溫升不僅和外界溫度有關，同時受芯片功耗發熱及電路板散熱的影響，因此對傳感器進行熱設計能夠有效提升傳感器的耐溫指標。

3 熱設計方案優化

傳感器內部電路由印制電路板(PCB板)和電子元器件(IC芯片)組成，各個組成單元各司其職，熱設計主要包括降低系統功耗和增強系統散熱兩個方面[5，15]。

在蓄水前按設計要求完成剩余的監測工程量，取得大壩外部變形監測和滲流監測的基準值；盡快制定切實可行的下閘蓄水施工組織設計和技術措施。蓄水前對閘門、啟閉機開展全面檢查和維保，制定導流洞封堵實施方案。

3.1 低功耗設計

電路的低功耗設計主要目的是降低芯片的結熱阻[19]，降低芯片的瞬態發熱，設計合理的工作方式，避免傳感器內部熱量局部積累，造成IC芯片熱失效。主要方法包括功能架構優化、IC芯片優選、工作方式設計。

3.1.1 功能架構優化

超聲成像測井系統由聲像轉換、數據采集處理、編碼通信等多個單元組成，由于井下部分需要承受高溫高壓的考驗，而井上部分工作環境相對穩定，所以井下傳感器中只保留不可取代的功能單元，其他部分在地表儀器中實現。同時各個功能單元獨立設計，避免高功率單元密集布設。

3.1.2 芯片優選

芯片的封裝形式、材質決定其散熱特性，近年來系統級封裝(system in a package，SIP)技術發展迅速，該封裝形式以其高效率、小體積的特點廣受認可，但是功耗密度高、散熱難的特點降低了耐高溫指標。單一功能的IC芯片散熱效果好，尤其小外形包裝(small outline package，SOP)、小輪廓晶體管(small outline transistor，SOT)、直插等封裝形式高溫指標相對優越。由于超聲成像傳感器對電路板尺寸要求并不高，因此采用傳統的PCB結構搭建電路系統。

IC芯片由基板、封裝外殼、黏接層組成，以氧化鈹(BeO)作基板、金錫合金(AuSn20)為黏接焊料、金屬銅作為封裝外殼的結構最利于散熱[18]。

根據仿真結果選擇芯片型號，溫度最高處的控制芯片選用PIC18F2480-E_SO，其工作溫度范圍為-40～125 ℃。

3.1.3 休眠設計

3.2 散熱設計

散熱是傳感器內部和外部熱交換的過程，每項電路開始設計時都應該考慮到散熱，散熱方法主要包括PCB設計和空間散熱。

3.2.1 PCB設計

針對傳感器高溫應用環境，選用高玻璃化溫度材料作為PCB基板，常規的FR4材料玻璃化溫度為130～140 ℃，不能滿足使用要求，綜合考慮性能指標及經濟成本，最終選擇玻璃化溫度在170～180 ℃的無鹵聚酰亞胺玻璃布板材作為基板。設計4層電路板，中間兩層全部覆銅，利于散熱。電路板上金屬焊點采用鎳金處理工藝，提高耐氧化性，同時能夠防止金屬增生現象。設計散熱焊盤，確保大功率IC器件的良好散熱回路，將高溫焊盤通過金屬電路板支架與傳感器殼體連接，形成金屬散熱通路。選擇高溫焊錫(SN95)作為焊接材料，防止長時間高溫環境下IC器件脫落或虛焊。

根據各個功能單元的信號流向、功耗、熱輻射等因素，依托仿真結果對PCB板進行芯片布局、布線，確保最終的PCB板上的溫度分布均勻，避免局部高溫燒毀芯片。綜合熱仿真結果和電路板的耐熱設計，信息采集與處理單元的PCB如圖8所示。

圖8 信息采集與處理單元PCB實物圖Fig.8 The PCB physical diagram of the information collection and processing unit

3.2.2 空間散熱

合理的布線及芯片布局能夠提升電路板平面方向的導熱系數，而大功率發熱器件僅依靠平面散熱是遠遠不夠的，設計合理的厚度方向散熱方式，形成空間散熱結構，能夠有效提升傳感器的耐溫性能。針對大功率IC芯片設計一種局部自然散熱裝置，提升芯片在電路板厚度方向的散熱能力，如圖9所示。

圖9 芯片自然散熱裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the chip’s natural heat dissipation device

在控制芯片PIC18F2480-E_SO位置布設導熱過孔，過孔與覆銅層相連，過孔直徑0.2 mm，孔間距1 mm，電路板背面對應位置安裝柵型散熱片，散熱片與PCB板之間涂抹導熱硅脂，柵型散熱片采用鋁合金材質，厚度1 mm，高8 mm，散熱片與金屬電路板支撐架機械連接[20]，既實現了芯片在電路板厚度方向熱傳導介質由空氣變為了金屬，在空間上形成了低熱阻散熱通道，同時為電路板提供了一種可靠的固定方式。該設計能夠大幅度降低電路板局部溫升，經過試驗，相同外界條件下，加裝散熱裝置的芯片達到峰值溫度時間減緩約35 min，最高瞬態溫度降低約13.5 ℃。

4 試驗驗證

4.1 傳感器高溫試驗

對超聲成像傳感器進行110 ℃的高溫試驗。采用北京雅士林試驗設備有限公司生產的步入式高低溫交變濕熱試驗箱作為試驗設備，設備型號GDJS-018C，溫度調控范圍-60～150 ℃，溫度波動度±0.5 ℃，相對濕度調控范圍30%～98%，相對濕度波動度±2%，如圖10所示。測試依據為《電工電子環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B》(GB/T 2423.2—2003)。試驗采用階梯加溫的形式，如圖11所示，從50 ℃開始加溫，每5 ℃為一個測試點，每個測試點恒溫保持5 min，升溫到110 ℃時，恒溫保持8 h，耐溫試驗總時間為13.5 h。傳感器放置在高低溫試驗箱中，在此期間實時監測傳感器工作正常狀態。試驗結果證明，該傳感器能在高溫環境下長時間正常工作。

圖11 階梯加溫試驗Fig.11 Step heating test

4.2 傳感器現場高溫試驗

在室內模擬裝置中進行傳感器性能指標測試，模擬測井裝置為圓柱形，直徑300 mm，高3 m，底部密封，管內填充低黏度硅油作為導熱介質，溫度可控，最高可升溫至200 ℃，開展傳感器線性度、重復性、分辨率實驗。

電-聲換能器工作頻率為250 kHz，選擇不同的聲壓激勵，測量傳感器輸出電壓與換能器表面聲壓，測量結果如表2所示。

表2 傳感器線性參數Table 2 The linear parameter of the sensor

根據聲壓與聲壓級的換算關系，參照實驗結果可知，120 dB的動態范圍內，傳感器的非線性偏差小于±0.2 dB，傳感器線性度良好。

在室內模擬裝置中進行相同環境下的重復測井試驗，測試結果如圖12所示，超聲成像測井圖像清晰，每米井段像點數不少于50 000點，管壁劃痕分辨率3 mm，重復性誤差小于±1 mm，傳感器重復性、分辨率指標符合設計要求。

圖12 室內重復性試驗Fig.12 Indoor repetitive test

對模擬裝置中的導熱介質升溫，開展傳感器耐溫極限實驗，經熱設計后的傳感器能夠在125 ℃環境下長時間正常工作，經過8 h的連續測試，傳感器測試數據無間斷，誤差維持在設計指標以內。當導熱介質溫度高于125 ℃時，傳感器出現故障。

該傳感器多次在深部碳酸鹽巖熱儲層測井工程中使用，能夠在高溫、封閉、自然散熱的環境下穩定工作，測井圖像的一致性和重復性較好，真實反映了地層信息，取得了良好的測井效果，滿足了設計要求。在雄安D22井進行了野外超聲測井作業，圖13為成像片段。

高溫高壓環境下測井效果良好，耐溫指標與室內模擬結果一致。經過熱設計的電路板總體耐溫性能顯著增強，整個電路板上溫升平穩，熱交換效果良好，符合設計要求。

傾角部分數據(a/b)中，a代表傾角0°～90°，b代表方位角0°～360°圖13 測井圖像(片段)Fig.13 A logging image fragment

5 結論

(1)針對深部碳酸鹽巖熱儲層測井所處的高溫、封閉和自然散熱環境，以超聲成像傳感器內部數據采集與處理電路為分析對象，對傳感器進行了熱分析。根據傳熱學理論建立了熱分析方程，綜合環境溫度和PCB的元器件特征建立了耦合傳熱模型。

(2)應用COMSOL Multiphysics軟件對信息采集與處理單元進行仿真分析，仿真結果表明，在井下3 500 m，110 ℃高溫環境中，電路板以及各個器件溫度最高可達到113 ℃，控制芯片所處位置溫度最高，為傳感器的結構設計、電路布局和耐溫性能評估提供了可靠依據。

(3)對傳感器的主要電器元件及PCB板進行了熱仿真，確保傳感器能在110 ℃的環境下正常工作。

(4)提出的熱設計方法能夠有效提升傳感器的耐溫性能，傳熱模型能夠高效仿真實際環境，可廣泛應用于熱輻射條件下傳感器的耐溫設計。