2. 中国石油集团工程技术研究院有限公司
2. CNPC Engineering Technology R & D Company Limited
0 引言
随钻仪器工业级功率器件在运行时可对电路系统功率进行调节,是井下电路不可缺少的器件[1-3]。但随钻仪器功率器件是一种发热量较大的电子元件,钻井施工中井筒内的高温环境不利于热量的扩散,因此,应对其采取一定的温控措施[4],以避免超温使其性能下降,甚至完全损坏[5]。研究表明,功率器件温度每上升10 ℃,其可靠性就会下降50%[6-8]。钻井过程中功率器件温升引起的性能下降甚至损坏,会造成随钻仪器电路系统发生故障,失去对钻井地质参数和工程参数的获取作用,无法完成随钻测量任务造成盲钻,引起巨大的经济损失。因此,研究随钻仪器功率器件的温控技术,拓展其工作温度上限很有必要。
目前随钻仪器功率器件的温控主要有以下几种实现方式:①在地面建立降温系统以降低循环进入井筒内钻井液的温度[9],从而降低随钻仪器所处环境的温度,间接地拓展了功率器件的工作温度;②采用耐高温元器件来拓展功率器件的工作温度,如采用高温考核的方法,筛选出耐高温器件用于井下电路[10];③采用集成陶瓷电路技术[11],斯伦贝谢公司PowerDriver ICE系列超高温旋转导向系统与TeleScope ICE系列超高温MWD工具组合,是目前唯一商业化的可适应200 ℃井下环境的旋转导向系统;④在井下采用主动降温[12-13]方式来拓展功率器件的工作温度,该技术在测井工具中应用较多[14-16],而面对随钻仪器严苛的尺寸和工况限制,仅有的研究包括将半导体制冷片安装在钻铤本体上直接对功率器件进行温控[17],或是采用液体蒸发和杜瓦瓶隔热联合实施的温控措施[18]来拓展功率器件的工作温度。
基于上述分析,本文提出将分体式微型制冷机装配在钻铤壁内的主动冷却方式,对随钻仪器工业级功率器件进行温控研究,拓展其工作温度上限。
1 研究方法 1.1 温控试验系统设计设计的随钻仪器功率器件温控试验系统如图 1所示,包括烘箱、偏心钻铤、分体式微型制冷机、功率器件、温度传感器、直流稳压电源及数据采集系统。温控试验系统实物如图 2所示。其中,偏心钻铤中间舱体为电路舱,用于放置制冷机冷端、功率器件和温度传感器;偏心钻铤右侧舱体为热端舱,用于放置制冷机热端。将偏心钻铤整体放入烘箱中,通过耐高温导线与烘箱外的数据采集系统相连。功率器件一端固定在微型制冷机冷端上,另一端固定在温度传感器上。
1.2 试验器材 1.2.1 烘箱
烘箱用于模拟井筒高温,型号Despatch PTC1-27(美国),温度范围51~260 ℃,设定试验温度85 ℃(工业级功率器件工作温度上限)。
1.2.2 微型制冷机微型制冷机用于在高温环境中产生冷源。SC05R型分体式斯特林制冷机的额定电压24 V。制冷机的冷端和热端由150 mm长的分置管连接,从而将冷端和热端有效分离。
1.2.3 功率器件由于随钻仪器使用的工业级功率器件品种较多,结构尺寸差异较大,所以为了充分研究温控试验系统冷却效果,试验中采用不同参数的模拟功率器件和真实功率器件代替工业级功率器件。其中,模拟功率器件由5 W功率电阻与导热铜板粘接而成,其导热路径为12 mm,导热率为2.4 W/(m·K),导热面积为220 mm2,结点温度经过200 ℃高温考核,未见异常。真实功率器件为LM117三端稳压器,导热路径为5 mm,导热率为131.8 W/(m·K),导热面积为150 mm2,结点温度为150 ℃。
1.2.4 温度传感器温度传感器型号为Pt1000铂电阻,测温范围为-200~600 ℃。
1.2.5 数据采集系统数据采集系统由RS485热电阻温度变送仪和PC机组成。
1.3 研究流程研究流程如图 3所示,由3个部分组成。
1.3.1 试验部分
首先,开启烘箱使功率器件表面温度达到85 ℃并稳定一段时间,给功率器件分别通入不同的功率(功率器件在不同工况下所需的输入功率不同),并测量各功率下表面温度稳定值T1,关闭烘箱结束试验;然后,开启烘箱使功率器件表面温度达到85 ℃并稳定一段时间,给微型制冷机通入额定功率,给功率器件通入对应的功率,测量各功率下表面温度稳定值T2,关闭烘箱结束试验。
1.3.2 曲线拟合利用数据拟合技术[19-20],以试验部分获取的数据为基础,建立随钻仪器功率器件“输入功率-温度”数学模型。
1.3.3 数据预测通过拟合出来的数学模型,预测使用随钻仪器功率器件温控试验系统后,可提高工业级功率器件拓展应用的温度上限。
1.4 试验说明随钻仪器一般在井下作业周期较长,而功率器件一旦获得输入功率,能在较短的时间内达到热平衡状态,因此以稳定温度值作为研究对象。具体试验过程中,偏心钻铤上的电路舱和热端舱不加装盖板,这样既加快了试验进程又不影响试验结果,能够说明对工业级功率器件的温控效果,预测其拓展应用的温度上限。
2 试验数据与分析 2.1 模拟功率器件的试验数据与分析 2.1.1 装配关系图制冷机冷端、模拟功率器件和温度传感器的装配关系如图 4所示。
2.1.2 数据采集
开启烘箱使模拟功率器件表面上铂电阻温度达到85 ℃并稳定一段时间,给模拟功率器件依次通入0.64、1.44、2.25和3.24 W的功率,得到时间-温控前温度曲线,如图 5a所示,关闭烘箱结束试验。开启烘箱使模拟功率器件表面上铂电阻温度达到85 ℃并稳定一段时间,开启制冷机,给模拟功率器件依次通入0.64、1.44、2.25和3.24 W的功率,得到时间-温控后温度曲线,如图 5b所示,关闭烘箱结束试验。模拟功率器件温控前、后不同输入功率下的稳态温度如表 1所示。
从图 5b可知,在制冷机开启后的300 s内,模拟功率器件表面温度快速下降,最终稳定状态为低于环境温度30 ℃以上,说明该温控试验系统对模拟功率器件响应速度快。
2.1.3 曲线拟合由于模拟功率器件是电阻丝用水泥封装的功率电阻,输入功率后全部以热量形式扩散出来造成温度升高,且功率电阻经过200 ℃高温考核后未发生损坏,所以所做的试验将温控后功率器件温度为85 ℃的情况涵盖其中。首先,拟合出“输入功率P-温控后温度T2”的数学模型,求出当T2为85 ℃时对应的输入功率P;其次,拟合出“输入功率P-温控前温度T1”,将输入功率P代入其中,计算出此时模拟功率器件表面的温度T1,则可预测出模拟功率器件所代替的工业级功率器件工作温度上限值为T1。
借助表 1的试验数据,采用最小二乘法进行曲线拟合,得到“输入功率P-温控后温度T2”二次多项式数学模型为:
(1) |
“输入功率P-温控前温度T1”二次多项式数学模型为:
(2) |
由式(1)和T2=85 ℃,计算出温控后当模拟功率器件表面温度为85 ℃时对应的输入功率P为1.89 W。将其代入式(2),得到T1=122.7 ℃,即模拟功率器件利用所设计的随钻仪器温控试验系统,可预测出工业级功率器件工作温度上限为122.7 ℃,拓展幅度达到37.7 ℃,拓展率上升了44.4%。
2.2 真实功率器件的试验数据与分析 2.2.1 装配关系图制冷机冷端、LM117三端稳压器和温度传感器装配关系如图 6所示。
2.2.2 数据采集
开启烘箱使真实功率器件表面上铂电阻温度达到85 ℃并稳定一段时间,给真实功率器件依次通入0.11、1.35和2.46 W的功率,得到“时间-温控前温度”曲线,如图 7a所示,关闭烘箱结束试验。开启烘箱使真实功率器件表面上铂电阻温度达到85 ℃并稳定一段时间,开启制冷机,给真实功率器件依次通入0.11、1.35和2.46 W的功率,得到“时间-温控后温度”曲线,如图 7b所示,关闭烘箱结束试验。
真实功率器件温控前、后不同输入功率下的稳态温度如表 2所示。
从图 7b可知,在制冷机开启后的300 s内,真实功率器件表面温度快速下降,最终稳定状态为低于环境温度30 ℃以上,说明该温控试验系统对真实功率器件响应速度快。
2.2.3 曲线拟合由于真实功率器件LM117三端稳压器的结点温度为150 ℃,在进行温控前的试验中发现LM117三端稳压器上的温度超过150 ℃后器件发生损坏,所以无法采集到温控后LM117三端稳压器上温度为85 ℃的数据。从表 2可见,采集到温控后LM117三端稳压器上的最高温度为57 ℃,如果将T2=85 ℃代入“输入功率P-温控后温度T2”的数学模型计算输入功率P,则误差较大。因此,首先拟合出“输入功率P-温控前温度T1”的数学模型,求出当T1为150 ℃时对应的输入功率P;然后拟合出“输入功率P-温控后温度T2”的数学模型,将输入功率P代入其中,如果得到T2<85 ℃,则可预测出真实功率器件所代替的工业级功率器件工作温度上限可拓展至150 ℃以上。
借助表 2的试验数据,采用最小二乘法进行曲线拟合,得到“输入功率P -温控前温度T1”二次多项式数学模型为:
(3) |
“输入功率P -温控后温度T2”二次多项式数学模型为:
(4) |
由式(3)和T1=150 ℃,计算出温控前当真实功率器件表面温度为150 ℃时对应的输入功率P为3.28 W;将其代入式(4),得到T2=58.9 ℃,从而证明T2<85 ℃,即真实功率器件利用所设计的随钻仪器温控试验系统,可预测出工业级功率器件温度上限可拓展至150 ℃以上,拓展幅度超过65 ℃,拓展率超过75.3%。
3 结论(1) 提出了将分体式微型制冷机装配在钻铤壁内的主动冷却方式,对随钻仪器发热量较大的功率器件进行温控研究,并进行了试验测试。
(2) 通过温控试验,进行了数据采集和温控模型建立,预测出用模拟功率器件所代替的工业级功率器件拓展应用的温度上限为122.7 ℃,拓展幅度达到37.7 ℃,拓展率上升了44.4%;预测出用真实功率器件所代替的工业级功率器件拓展应用的温度上限为150 ℃以上,拓展幅度超过65 ℃,拓展率超过75.3%。
(3) 开启制冷机后300 s时间内,模拟功率器件和真实功率器件温度均快速下降,低于环境温度30 ℃以上,并趋于稳定,说明设计的随钻仪器功率器件温控试验系统具有响应速度快的特点。
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