一种用于井下电路的热平衡设计方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及石油钻井井下仪器热平衡设计技术领域，特别是涉及一种用于井下电路的热平衡设计方法和系统，所述方法包括计算电路板的面积S、单个电路板能实现的有效热量传递Q以及电路板中单个器部件的发热功率和Q

【技术实现步骤摘要】
一种用于井下电路的热平衡设计方法和系统


[0001]本专利技术涉及石油钻井井下仪器热平衡设计
，特别是涉及一种用于井下电路的热平衡设计方法和系统。

技术介绍

[0002]我国陆上深层油气资源勘探潜力巨大，根据全国第三次资源评价成果统计，石油资源量为304
×
108t，占石油总资源量的40％，天然气资源量为29.12
×
10
12
m3，占天然气总资源量的60％，开发潜力巨大。伴随浅层油气勘探开发逐步进入尾声，深层油气的勘探将成为资源接替的关键。在常规油气资源方面，塔里木库车山前、四川安岳、渤海湾深层平均井深超过6000m，塔里木克深区块平均井深接近7000m，川东盐下储层、川西北深层勘探领域平均井深都超过7000m。在以页岩气为代表的非常规油气资源方面，川南页岩气勘探开发重点以由长宁
‑
威远垂深3500m以浅页岩气，向泸州、自贡、渝西等垂深3500m以深迈进。随着油气勘探开发对象的不断复杂化，井深不断增加，高温高压更加常见，目的层超深(7000m)、高温(175℃以上)、高压(140MPa以上)对钻井装备及工具提出了更高的挑战，对耐175℃及以上的高温井下仪器的需求日益旺盛。
[0003]考虑仪器本身的发热效应，如果需要井下仪器耐温达到175℃以上，那么电子器部件、芯片等器部件的耐温等级需要达到200℃及以上，已经接近器件耐温能力上限。为此，开展井下电路热平衡设计，控制和降低器部件的温升，是实现井下仪器耐温能力提升的关键技术路径。现在井下仪器的热平衡设计主要以提高密封胶导热效率、发热器件分散布局等方式来抑制温升。
[0004]现有技术中，提出了公开号为CN107864550A，公开日为2018年03月30日的中国专利技术专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种用于基于微元体热平衡的电路板制作方法，将镂空板叠置在所述绝缘基板上，镂空板的镂空图形与预制的线路板导电图形相对应；对复合结构的镂空板上进行磁控溅射金属导电材料，将镂空板去除后，在绝缘基板上方形成线路层；在线路层上覆盖绝缘层；在线路层的底面贴设所述高导热片；再在高导热片的外表面覆盖石墨吸热蓄热板；将多个制成的线路板依次沿其厚度方向对齐叠置；将多个对齐叠置的线路板锣混压槽、埋通孔、烤板；将加工室内的抽真空，向加工室内通入Ar，离子除胶；待线路板热熔后，分别在混压槽和埋通孔放入高频子板和铜块，并在底部叠放铜箔，然后进行压合，使高频子板、铜块、铜箔与线路板牢固粘结在一起。
[0005]现有技术中，提出了公开号为CN114264692A，公开日为2022年04月01日的中国专利技术专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种同时测量微纳米材料热导率和发射率的方法。该测量方法主要包括：(1)利用双热线结构同时测量高分子复合材料纤维的热导率与发射率。(2)将待测试样两端分别粘接于两根平行铂金线(双热线)中心位置，比较搭接待测样品前后热线平均温升的变化，获得加热端热线向待测线传导的热量和接收端热线获得的热量，确定待测线的热导率与发射率。(3)测得单根铂金线热导率(λ＝71.7W
·
m
‑1·
K
‑1)和发射率(ε＝0.14)与参考值吻合；测得高分子复合材料纤维热导率和发射率分别为
1.67W
·
m
‑1·
K
‑1和0.45。
[0006]现有技术中，提出了公开号为CN114221470A，公开日为2022年03月22日的中国专利技术专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种电机冷却结构，包括机壳和转子，机壳设有冷却液入口、机壳流道和冷却液出口，转子中部设有转子空腔，转子侧壁设有甩液孔，冷却液入口、机壳流道、转子空腔、甩液孔和冷却液出口依次连通。冷却液由机壳的冷却液入口进入，流经机壳流道时，对电机的机壳进行冷却。冷却液从机壳流道继续流动，进入转子中部的转子空腔，对转子进行冷却。接着，冷却液流经转子冲片轴向流道，对转子组件进行冷却，然后从压板出液口被甩出对绕组进行冷却，最终从机壳的冷却液出口排出。在冷却液的流动过程中，依次对电机的转子和绕组进行了冷却，有效降低了电机的温度，有利于电机保持高效的工作状态。
[0007]上述技术方案在实际使用过程中，会出现以下问题：上述技术方案都是通过额外的冷却机构和大量的仿真分析实现温升控制，不适用于井下随钻仪器，同时缺少针对钻井仪器的热平衡量化设计方法，发热器件分散布局的指导方法主要以经验为主，缺乏量化评价和计算依据，难以指导器部件布局优化。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种用于井下电路的热平衡设计方法和系统，能有效解决无法通过定量计算来量化指导器部件的优化布局问题，能实现井下仪器的温升控制。
[0009]本专利技术是通过采用下述技术方案实现的：
[0010]一种用于井下电路的热平衡设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0011]计算电路板的面积S、单个电路板能实现的有效热量传递Q以及电路板中单个器部件的发热功率和Q
和
；
[0012]设置发热量和面积双重约束条件，在该约束条件下完成器部件数量和类型的选取，确定器部件的组合：
[0013][0014]其中，i表示第i个器部件，n表示单个电路板器部件的总数量，S
需
为单个器部件需要布局在电路板上的面积，S
和
为电路板中器部件的面积和，Q
热
为单个电路板上自身的热功率；
[0015]根据S
需
≥Q
和
/(T
×
h
×
λ)的原则，完成器部件在电路板上的布局和分布，完成井下仪器的热平衡设计；
[0016]其中，T为温升控制目标；h为电路板封胶高度，λ为密封胶导热系数。
[0017]若组合数量大于等于1，则在满足必备器部件的组合模式下，在面积和S
和
最小的约束条件下，即确定唯一的器部件数量和类型。
[0018]所述电路板的面积S的具体计算方法为：
[0019]S＝L
×
D，
[0020]其中，L为电路板边界的长度尺寸，D为电路板边界的宽度尺寸。
[0021]所述单个电路板能实现的有效热量传递Q的具体计算方法为：
[0022]Q＝S
×
T
×
h
×
λ，
[0023]其中，S为电路板的面积，T为温升控制目标；h为电路板封胶高度，λ为密封胶导热系数。
[0024]所述电路板中单个器部件的发热功率和Q
和
的计算方法为：
[0025]Q
和
＝Q
自
+I2R，所述Q
自
为单个器部件在井下工作状态下的发热功率，R为围绕器部件的外部连线的电阻，I为通过的电流；
[0026]故本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于井下电路的热平衡设计方法，其特征在于：包括以下步骤：计算电路板的面积S、单个电路板能实现的有效热量传递Q以及电路板中单个器部件的发热功率和Q
和
；设置发热量和面积双重约束条件，在该约束条件下完成器部件数量和类型的选取，确定器部件的组合：其中，i表示第i个器部件，n表示单个电路板器部件的总数量，S
需
为单个器部件需要布局在电路板上的面积，S
和
为电路板中器部件的面积和，Q
热
为单个电路板上自身的热功率；根据S
需
≥Q
和
/(T
×
h
×
λ)的原则，完成器部件在电路板上的布局和分布，完成井下仪器的热平衡设计；其中，T为温升控制目标；h为电路板封胶高度，λ为密封胶导热系数。2.根据权利要求1所述的一种用于井下电路的热平衡设计方法，其特征在于：若组合数量大于等于1，则在满足必备器部件的组合模式下，在面积和S
和
最小的约束条件下，即确定唯一的器部件数量和类型。3.根据权利要求2所述的一种用于井下电路的热平衡设计方法，其特征在于：所述电路板的面积S的具体计算方法为：S＝L
×
D，其中，L为电路板边界的长度尺寸，D为电路板边界的宽度尺寸。4.根据权利要求2所述的一种用于井下电路的热平衡设计方法，其特征在于：所述单个电路板能实现的有效热量传递Q的具体计算方法为：Q＝S
×
T
×
h
×
λ，其中，S为电路板的面积，T为温升控制目标；h为电路板封胶高度，λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雷，李伟成，邓虎，李枝林，康桂琼，谭宾，许期聪，张继川，韩雄，范黎明，
申请(专利权)人：中国石油集团川庆钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：