王 绵，王子涵，刘小玉

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710000）

在石油钻井工程中，井下工具需要在地表附近以及地表以下数百米处运行［1］，钻具会处于严峻的操作环境 （井下温度可能超过200°C，压力可能超过138MPa）。为了在钻井时从井下获得测量信息，BHA安装有电子仪器，随钻测井工具和随钻测量工具都与电子仪器结合。这些电子仪器可以是各种电子元件如计算机芯片、电路板、处理器、电源转换器等。

井下工具中的电子元件也在内部产生热量。例如电缆工具的耗散功率超过100W，井下工具在钻柱上的耗散功率超过10W。电子元件额定工作温度通常不超过125°C。当井下环境温度超过200°C时，此时超过电子元件的结温，电子元件的热量不能消散到环境中，会在电子部件内部积累。这会使得部件工作特性退化或者故障，从而降低了它们的使用寿命或者在某些温度下电子器件可能停止工作。电子元件故障中断井下活动，钻入钻孔需要昂贵的钻机时间，加上电子元件的更换成本，这会导致更多人力物力的成本消耗。因此，在井下工具散热中必须考虑井下环境的热量和工具部件产生的热量。

现有的用于井下工具中的热组件温度管理的通常是蓄热温度管理系统，蓄热温度管理是将热组件的热量移除并存储到散热器中。然而在井下环境中用散热器储存热量具有一定的局限性，不能去除与散热器相邻的热组件热量。本文提出一种基于热电制冷的井下工具的温度管理系统及方法。

1 各种制冷方法的对比

井下制冷的方法原理主要有蒸汽压缩制冷、吸附式制冷、吸收式制冷和热电制冷。陈延杰［2］在蒸汽压缩制冷的基础上增加了除湿设置，设计了井下局部制冷系统并将此系统应用在龙家堡矿411工作面取得了较好的冷却效果。相飞等［3］采用蒸汽压缩制冷原理设计WAT集中降温制冷系统，主要是以冷水为媒介对煤矿较大工作面进行散热处理。李靖［4］对比了煤矿中井下集中式制冷和地面集中式制冷的优劣。但这些制冷系统都是基于对井下环境大面积降温处理的目的设计的，并未对于钻井过程中井下工具的散热问题进行处理［4-5］。现从原理、适用场合和效益等方面对比蒸汽压缩制冷、吸收式制冷、吸附式制冷和热电制冷方式如表1所示。

考虑到钻井过程中井下空间较小，井下工具的降温处理属于微型场合，所以对于井下工具特别是电子元器件等热组件的散热处理采用热电制冷原理。

2 井下工具温度管理系统结构

为解决井下工具散热器周围热组件的散热问题，本文提出一种基于热电制冷的井下热组件温度管理系统及方法。温度管理系统由热组件、热交换器和排热管理装置组成。排热温度管理装置将热量从热组件传递到热交换器中，继而将热量传递到钻井液或环境中。

温度管理系统结构如图1所示。热组件固定在圆柱形散热底盘上，并通过散热底盘两端的隔离安装件安装在热交换器内，隔离安装件被绝缘套管包围。排热温度管理装置主要是一个或多个热电冷却器。热交换器具有多个端口的圆柱体，每个端口设有端口盖，热组件与热电冷却器热耦合后放置于热交换器的端口中，端口盖内设有用于固定安装热组件的绝缘支架。图2是热电冷却器的配置图。热电冷却器由热板、冷板、第一半导体、第二半导体和电源组成。冷板和热板是由陶瓷材料制造的。冷板与热组件耦合，热板与热交换器耦合，在冷板和热板之间有第一半导体和第二半导体，第一半导体是一个P型硅半导体，第二半导体是一个N型硅半导体。电源与第一半导体和第二半导体串联或并联作为激励源。当来自电源的正电压施加到P型第一半导体时，电路被激励，电子从低能P型半导体传递到高能N型第二半导体，此时电子吸收热量。当电子从高能N型第二半导体传递到低能P型第一半导体时，热量被排出。因此，热能最初从热源传递到冷板再由半导体传递到热板，然后在50处进一步转移。所传递的热量与电流和热电耦合的数量成正比。

与现有技术相比，本文将排热温度管理装置与热组件和热交换器相耦合，利用排热温度管理装置将热量从热组件传递到热交换器中，接着传递到钻井液或环境中。利用热电冷却器与热交换器的组合将散热底盘上的热敏装置的热量排放到钻井液中，解决了传统蓄热温度管理装置不能去除散热器附近元件的热量的限制。

图1 温度管理系统结构图

图2 热电冷却器的结构示意图

3 井下工具温度管理系统的应用

温度管理系统可以应用于井下工具处理中如地层中钻探钻孔中，也可用于井下电缆工具、永久安装的井下工具或临时试井井下工具中，也可用于周围环境温度大于或小于被冷却的热组件的其他情况和应用场合。为使本文提出的温度管理系统能更好地应用。现将温度管理系统应用于井下工具的具体细节进行描述。

当热组件位于井下工具板上时，温度管理系统结构由绝缘体套筒、散热底盘、隔离支架、热电冷却器、热组件和两个热交换器构成如图3所示。温度管理系统管理至少一个热组件的温度，热组件可以是散热组件、发热组件或热敏部件，也可以是集成电路如一个计算机芯片或机械设备。

如图3所示，热组件安装在散热底盘上，散热底盘使用隔离支架安装在井下工具的热交换器内。两个热交换器分别安装在散热底盘的顶端和末端。散热底盘的外部和周围是绝缘体套筒。热电冷却器安装在散热底盘上，在热交换器中安装有与热电冷却器配套的底盘和安装组件，以形成温度管理系统的排热温度管理装置。实现从散热底盘中移除热量并将热量传递到热交换器。热电冷却器可以是单级热电冷却器，也可以是多级和级联布置的多个热电冷却器。

热电冷却器的冷板与散热底盘连接，从散热底盘中移除热量，并将被移除的热量传递到热板。热量从热板传递到热交换器，接着热量可以传递到钻柱、井下工具和地层之间的环空或通过钻柱和井下工具泵送的钻井液。热量可以通过传导或通过对流或辐射或任何组合直接或间接的从热板传递到环境。在一些具体应用中，可以使用热界面材料代替热交换器。

图3 热组件位于井下工具板上的温度管理系统结构图

热组件和热电冷却器的功率由涡轮交流发电机提供，涡轮交流发电机由钻井液驱动。涡轮交流发电机可以是轴向、径向或混合流动类型。交流发电机可以由钻井液驱动的正位移马达驱动 （Moineau型电动机），也可以使用其他电源 （电池）驱动。

温度管理系统应用于井下工具处理中主要是维持热组件在额定温度以下 （温度在125°C，100°C以下甚至低于80°C）以延长其寿命，温度越低，热组件的寿命越长。

当热交换器有多个端口时，热组件也可以是安装在热交换器端口中的电子元件。图4为温度管理系统管理热交换器端口中的热组件的温度。图4A所示为热交换器是具有一个或多个端口的圆柱体。温度管理系统中，热电冷却器、热组件位于热交换器中的端口内。对于每个端口，端口盖固定安装有热组件的绝缘支架。热电冷却器位于热组件和热交换器的端口的内部之间。

图4 热组件安装在热交换器端口的温度管理系统结构图

4 结语

井下工具的冷却技术是重要的且有待于研究与发展的。本文将基于热电制冷技术的温度管理系统应用于井下工具制冷，解决了传统蓄热温度管理无法去除与散热器相邻热组件的热量问题，更好地应用于井下作业的高温高压、空间狭小的环境中，同时也很大程度上节约了时间成本。