基于石墨烯導熱工具的隨鉆儀器溫度調控研究

Liu Ke，Guan Kang，Zhang Haiyan，et al. Temperature control of MWD instruments based on graphene thermal conductivity tool [J]. China Petroleum Machinery，2025，53（5）：70-76.

關鍵詞：隨鉆儀器；導熱板模型；導熱能力；模擬溫度曲線；試驗驗證中圖分類號：TE927 文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202405060

Temperature Control of MWD Instruments Based on Graphene Thermal Conductivity Tool

Liu Ke ^1，2 Guan Kang12Zhang Haiyan3.4Peng Hao1.2Xi Xiaowan1.2Zhang Hengrui ^3，4 Liao Maolin ^3，4 （1.CNPCEngineering TechnologyRamp;DCompanyLimited；2.National Enginering Research CenterofOilamp;GasDrillngand CompletinTechology3.DounoleIntellgentControleseachIstitute，UniversityofSciencendechnologyBeijing；4hoolf Mechanical Engineering，University of Science amp; Technology Beijing）

Abstract：The high temperature environment in the wellbore hasadverse impacts on the performance and service life of numerous temperature-sensing elements （e.g.sensors and circuit boards）of measurement while driling（MWD） instruments.This paper presents a passive cooling method for temperature-sensing elements of MWD instruments basedonan efficient grapheme thermal conductivity tool.The heat generation of electronic elements in their services was simulated and tested to understandthe performanceof the thermal conductivity tool，andthe test results of simulationand test werecompared.Itis indicated that the overallthermal conductivityof thethermal conductivity tool exceeds 650W/（m?K） ，which is 3.27 times that of 6O61 aluminum alloy material. At different laboratorytesttemperatures，the temperature difference between diffrent areas on the surface of the thermal conductive plate after reaching a thermal equilibrium is extremely small， below 3^°C in all costs. By comparing the laboratory test results with the numerical simulationresults，itis found that the temperature curves of the thermal conductive plate at all temperature measuring points under different environmental temperatures are similar in trends，suggesting a good stability in thermal conductivity.The research results provide theoretical reference for the study of high-temperature resistance technology for MWD instruments.

Keywords：MWD instrument； thermal conductive plate model； thermal conductivity；temperature curvefrom simulation；test verification

0引言

深層油氣資源是世界能源的重要組成部分[1]我國油氣資源對外依存度較高，2023年我國原油進口量為5.6億t，生產量為2.1億t，對外依存度達到了 72.73%^[2] 。為保證我國能源安全，油氣資源的探索必將不斷發展。然而，隨著我國陸上淺層油氣資源發現難度的不斷增加[3]，油氣資源需求的不斷增長，勘探開發逐步向超深超高溫地層發展[4]。通常，超深井的井底溫度和壓力超過200C 和 135MPa ，標準電子設備在工作工程中會因此迅速超過其設計耐溫極限（ 150^°C ）[5]，導致電子元件故障率升高，進而使鉆井風險和開發成本也隨之增加[6]

隨鉆儀器是現場工程人員獲取井下數據的重要工具，可以實現多種井下參數（包括壓力、溫度和黏度等）的測量[7。由于隨鉆儀器中包含了大量的傳感器、電路板等溫度敏感元件，井下高溫環境會對儀器的性能和使用壽命造成極大影響。因此，隨鉆儀器的抗高溫技術成為超深層油氣資源開發的關鍵技術之一[8]。針對這一問題，許多研究人員開始研究耐高溫的半導體材料[5]，用以制造可以承受超過 200^°C 高溫的電子元件[9]。然而半導體材料的開發周期長、研究成本高、風險高，而現有的成果需要使用昂貴的絕緣體上硅技術和芯片附著材料[10]，因此目前它并不是很好的選擇。另一個方向是利用高效的熱疏導系統，它利用現有技術，通過吸熱[11]、隔熱[12]和導熱[13]等方式，使得隨鉆儀器的工作溫度維持在合適的水平。因此，相比于研究耐熱材料，使用井下熱疏導系統的成本更低，選擇性更多。目前的井下熱疏導系統冷卻方法可以分為主動冷卻和被動冷卻。其中，主動冷卻方法一般是利用熱電制冷器進行熱力循環冷卻，包括熱電冷卻[5]、蒸汽壓縮冷卻[14]、半導體制冷片制冷[15]等。而這些主動冷卻方法通常存在占地面積大，需要高溫壓縮機，不同部件之間的熱耦合要求較高等缺點，使熱疏導技術所需設備更加復雜[16]。與此同時，被動冷卻方法也在不斷發展。傳統的被

動冷卻方法一般通過相變材料吸熱和真空瓶隔熱實現溫度敏感元件的溫度控制，相比于主動冷卻技術，它的集成性更好，可靠性更強。SHANGB.F.等[17]提出了一種包括真空瓶、相變材料和熱管的被動熱疏導系統，其中真空瓶用來隔絕外界高溫，相變材料負責吸收外部傳熱和內部產熱，熱管用于加強傳熱，但其結構依舊比較復雜。LANW.等°提出將相變材料放置在熱疏導系統長骨架各個位置的分布式設計，用于增強傳熱，但其制造難度較大。

筆者提出了一種基于高效導熱石墨烯材料的隨鉆儀器溫度敏感元件被動冷卻方法。利用石墨烯的高導熱能力將溫度敏感元件工作時散發出的熱量傳至鉆柱，使元件處于合適的工作溫度。為了驗證該方法的有效性，試驗模擬了電子元件在工作過程的發熱情況，測試了導熱工具的導熱效果，并將熱仿真模擬與試驗結果進行對照，驗證了導熱工具導熱性能的優異性。

1隨鉆儀器溫度敏感元件導熱板模型 及數值模擬

1. 1 導熱板的結構設計

碳基高導熱材料具有導熱系數大、性能穩定、熱膨脹系數小、質量輕（只有金屬材料的 20% ＼～50% ）等特性，成為目前航天領域的重要冷卻材料。具有固有高熱導率的碳基材料，例如炭黑[18]石墨[19]、石墨納米片[20]、金剛石[21]，被廣泛用于電子器件散熱的導熱材料。這里設計的隨鉆導熱工具以高導熱石墨烯和紫銅為主要材料，以AgCuTi4.5活性釬料箔為釬料，制作出“導熱儀器-電路板”模塊，其三維圖如圖1所示。

將“導熱儀器-電路板”模塊放入電路艙中設計的位置并用導熱膠固定，確保其有足夠的導熱能力。在試驗中對整體進行加熱處理，進而模擬隨鉆導熱工具在井下的工作狀態，電路艙模塊示意圖如圖2所示。圖2d中標出了導熱能力模擬時的3個測溫點位置。測溫點排布與實際試驗測溫點裝配位置類似。

“導熱儀器-電路板”模塊的主要作用是使隨鉆儀器電路板溫度敏感元件工作時散發出的熱量通過高導熱石墨烯和紫銅傳遞到電路艙。“導熱儀器-電路板”模塊放進電路艙模擬隨鉆儀器放入井下鉆柱狀態，使后續開展的對導熱板導熱能力的試驗和模擬驗證更貼近真實情況。

1.2導熱板的導熱能力數值模擬

通過ANSYS軟件對隨鉆儀器溫度敏感元件工作過程所散發熱量的疏導效果進行模擬。模擬方案旨在評估在實際工作環境下導熱模塊的導熱性能[22]。通過對電路導熱艙的模擬，選擇對應的材料、導熱系數以及環境溫度，得到模擬條件下模型各部分的溫度，為后續室內試驗提供參考。為了簡化模擬，提出了以下假設： ① 忽略導熱艙內部的熱輻射， ② 導熱艙內、外空氣的對流系數不隨時間改變， ③ 忽略接觸熱阻。

1. 2. 1 材料特性

表1為導熱儀器的導熱能力在數值模擬中材料的相關屬性取值。

1.2.2 模擬設置

試驗時，首先對導熱艙體進行加熱，使其整體溫度與環境溫度一致，進而模擬井下高溫環境。環境溫度依次設為120、160、 200^°C 。隨后讓發熱電阻開始發熱，以模擬隨鉆儀器電路板溫度敏感元件工作時的發熱。

在試驗時，導熱艙外部為強制對流，內部為自然對流，將導熱艙外部的對流系數設為90W/（m²?K） ，內部對流系數設為 20W/（m²?K） ，環境溫度保持不變。為模擬發熱電阻的發熱過程，利用瞬態熱功能設置發熱電阻的內部生成熱為2.3×10⁸W/m³ （即每個發熱芯片的功率為1W）。模擬時間設為 3600s ，以此得到最終結果。

網格無關性驗證：測溫點2的位置居中，接收到的發熱電阻的熱量較多，而且其溫度不易被其他因素影響，適合作為對比點。以外界溫度 120^°C 的測溫點2的溫度為例，改變網格尺寸（共3種），模擬得到表2。隨著網格尺寸的減小，網格數不斷增加。以導熱板最小網格尺寸為 0.005m 時得到的溫度作為比較基準，得出不同網格尺寸情況下測溫點2的溫度及相應的變化量。由表2可知，在網格數量從15.7萬上升到25.3萬時，測溫點2的溫度基本保持不變。在保證計算精度的前提下盡量減少計算量，以模擬2的網格尺寸來劃分區域。

表2網格無關性驗證

1. 2.3 模擬結果

模擬得到的各位置的溫度曲線如圖3所示。從圖3可以看出，不同溫度下3個測溫點的溫度曲線上升趨勢一致，溫度高低與測溫點位置的對應關系相同，且最大溫差低于 2^°C 。對比3種不同環境溫度下的測溫點溫度差距發現，三者大小接近，證明在模擬的溫度范圍內，環境溫度的改變對導熱板導熱能力的影響較小，側面證明了導熱板導熱能力的優異性。

2 試驗驗證

為了驗證導熱儀器在井下高溫工況下能否有效地完成導熱工作，針對其導熱能力進行了一系列試驗，包括導熱系數試驗和導熱能力試驗。

2. 1 導熱板導熱系數試驗

將待測樣件的其中一端使用加熱片對熱端進行加熱，加熱片規格為 24V 、9W，另一端作為冷端。熱端和冷端分別粘貼T型熱電偶進行溫度采集，且整個試驗件通過包裹覆蓋聚氨酯泡沫進行隔熱處理。測溫工作方案如圖4所示。

試驗前，打開冷端的水冷機，保證在加熱過程中熱端傳輸給冷端的熱量能夠及時導出；然后打開直流電源對工件進行加熱，加熱時電壓為 23V 電流為0.37A；對工件表面的溫度進行采集，每秒采集1組數據。測得的溫度數據隨時間變化曲線如圖5所示。

根據圖5進行曲線擬合，熱端溫度在 31.00°C 左右波動，冷端溫度在 24.54^°C 左右波動，得出熱端和冷端之間的溫差約為 6.46^°C 。等效熱導系數λ 計算式如下：

式中： ΔQ 為導熱功率， W ： A 為焊件橫截面面積，m² ; ΔT 為熱端和冷端的溫度差值， K ; L 為熱端和冷端測溫點之間的距離， m 。

根據傅里葉定律，當 ΔQ=8.51W ， ΔT=6.46 K， L=0.132m ， A=2.64×10^-4m² 時，由式（1）計算可得 λ=658.67W/（m?K） 。為了對比導熱儀器導熱系數的優異性， ΔQ 和 A 保持不變，當 L= 0.151m ， ΔT=24.141K 時，由式（1）可計算出6061鋁合金等效導熱系數 λ_Al=201.63W/（m?K） ;當 L=0.153m ， ΔT=11.43K 時，由式（1）可計算出紫銅等效導熱系數 。

6061鋁合金、紫銅及導熱板的導熱系數對比如表3所示。從表3可以看出，設計的基于高導熱石墨烯的導熱儀器的導熱系數約為6061鋁合金導熱系數的3.27倍，是紫銅導熱系數的1.53倍，證明其導熱性能的優異。

2.2 導熱能力測試

在導熱模塊上安裝5個發熱電阻，電阻發熱功率為 1W 。試驗如圖6所示。該試驗每秒測溫6次。分別設定200、160、120和 85^°C 的環境溫度，測試在工作狀態下導熱板對隨鉆儀器電路艙中元器件散發熱量的疏導能力，試驗結果如圖7所示。

ANSYS軟件模擬結果與試驗結果的對比如圖8所示。

由圖7可以看出，導熱儀器表面各位置之間的最大溫差不超過 2.1^°C 。該結果表明導熱儀器在工作時可以及時地將電子元件的熱量導出，并且自身各個位置的導熱性能一致。同時，4種環境溫度下，各點的最終溫度差變化不大，證明在試驗溫度范圍內，導熱板的導熱能力基本不會受到溫度的影響。由圖8可知，數值模擬得出的結果與試驗結果較為相符，且溫度曲線的趨勢一致，印證了試驗結果的可靠性。

3結論

研制了一款用于井下超高溫環境的隨鉆儀器溫度敏感元件導熱工具，對其導熱性能及工作可靠性進行了研究。

（1）提出的隨鉆儀器導熱方法利用石墨烯的高導熱性實現井下儀器的熱疏導。相比于之前的導熱方法，設計的導熱模塊的所有部件均通過金屬冶金技術加工得到，加工工藝簡單，同時密度較低，減輕了整體系統的質量。

（2）由導熱系數試驗測得的導熱儀器的導熱 系數很大，為 658.67W/（m?K） ，相比于相同試 驗測得的6061鋁合金和紫銅的導熱系數，石墨烯 導熱儀器的導熱系數是6061鋁合金導熱系數的 3.27倍，是紫銅導熱系數的1.53倍，證明了石墨 烯導熱儀器導熱性能的優異。

（3）由導熱能力試驗及對應的數值模擬結果可得，導熱儀器表面最大溫差低于 3^°C ，證明在實際工作中，它可以迅速地導出電子元件的熱量，同時自身各個位置的導熱性能一致。并且在不同的試驗溫度下，測溫點的溫度曲線接近，證明其導熱能力受環境溫度影響極小，穩定性好。

（4）在油氣資源不斷向超深、超高溫地層勘探的趨勢下，石墨烯導熱儀器可以應用于深井隨鉆儀器的冷卻，以保證隨鉆儀器在合適的溫度范圍內工作。

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第一作者簡介：劉珂，工程師，生于1982年，2020年畢業于中國石油勘探開發研究院井下控制工程專業，獲博士學位，現從事井下控制工程研究工作。地址：（102206）北京市昌平區。電話：（010）80162184。email：liukedr @ cnpc. com. cn。

通信作者：張恒瑞，在讀博士。email：D202310343@xs.ustb.edu.cn。

收稿日期：2024-05-17 修改稿收到日期：2024-07-15（本文編輯楊曉峰）