一种基于真空隔热技术的高温测井极板的制作方法

1.本实用新型涉及地球物理测井技术领域，具体为一种基于真空隔热技术的高温测井极板。


背景技术：

2.在地球物理勘探领域，有些极板需要嵌入安装传感器、电路模块，以便获得理想的信噪比。而最近几年随着仪器小型化、集成化的发展趋势，已经有很多产品将更多的电路直接集成在极板内部，直接在极板内部实现信号的接收、调理、采集等更多功能，最后输出数字信号。
3.目前，测井极板没有任何阻断外部热量进入探头内部的技术和措施，行业内比较通用的方法是通过筛选耐温性能好的元器件和传感器，提高测井极板的温度性能。通过该方法，部分能够满足175℃环境中短时间(连续工作30分钟)内工作的需求。由于此时测井极板内部传感器和电子线路模块工作在其自身的极限温度条件下，其寿命大幅度缩短，在175℃环境中实际累计工作寿命在数小时到十几小时之间，因此，在高温井眼环境条件下，仪器的寿命大幅缩短，成本增加，施工成功率极低。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于真空隔热技术的高温测井极板。
5.解决现有的一些测井极板没有任何阻断外部热量进入探头内部的技术和措施，在高温井眼环境条件下，仪器的寿命大幅缩短，成本增加，施工成功率极低的问题。
6.其技术方案如下：
7.一种基于真空隔热技术的高温测井极板，包括底座外壳、底座真空层和底座内胆，所述底座外壳的内部焊接有底座内胆，底座外壳和底座内胆之间形成底座真空层，底座由底座外壳、底座内胆和底座真空层组成。
8.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
9.进一步，所述底座外壳的上方设置有上盖外壳，上盖外壳的表面焊接有上盖内胆，上盖外壳和上盖内胆之间形成上盖真空层，上盖由上盖外壳、上盖内胆和上盖真空层组成，上盖外壳的外围设置有上盖密封圈。
10.采用上述进一步方案的有益效果是，上盖外壳也用来承受井眼中流体压力，同时底座外壳也用来承受井眼流体压力。
11.进一步，所述底座外壳的前端设置有为极板传感器或电路模块提供电信号的传输通道，传感器或电路模块的右侧连接有导线。
12.采用上述进一步方案的有益效果是，可以利用导线建立极板与外部的电气连接。
13.进一步，所述底座外壳的右侧设置有承压插头，承压插头的外围设置有承压插头密封圈。
14.采用上述进一步方案的有益效果是，将底座、上盖和承压插头组装在一起，其结合部位通过上盖密封圈和承压插头密封圈进行密封，形成密封的极板内腔。
15.进一步，所述底座外壳的内部开设有用于导线摆放的导线通道，导线通道的内部填充隔热体，导线穿过导线通道在传感器或电路模块与承压插头上的插针之间相连。
16.采用上述进一步方案的有益效果是，可以建立极板与外部的电气连接，由于隔热体的热传导系数极低，因此隔热体能够阻断承压插头与极板内腔之间的热对流，大幅度减弱热传导。这样极板内腔除导线通道之外的地方全部被上盖真空层和底座真空层包围，而导线通道也填充了隔热体，这样整个极板就是一个保温瓶，极板外部热量没法通过上盖外壳、底座外壳、承压插头以热传导和热对流的形式进入极板内腔。
17.进一步，所述底座内胆的内部设置有吸热体，吸热体由相变恒温材料制成，吸热体的前端连接有电路模块。
18.采用上述进一步方案的有益效果是，可以利用具有较高的比热容的材料，其吸收热量后，温升非常小，使极板内部温度保持相对恒定，吸热体的主要目的是吸收极板内传感器或电路模块工作过程中自身产生的和由极板外部进入传输到极板内腔的热量。吸热体中相变恒温材料的多少，决定了其限制内部温升的能力，本专利具体实施过程中需要经过详细的计算确定。
19.进一步，所述底座内胆和传感器或电路模块之间形成极板内腔。
20.采用上述进一步方案的有益效果是，通过真空层阻断了极板外部热量进入极板内腔的热对流、热传导途径，采用了较低发射率和高发射率的材料、工艺削弱了热辐射力，但是，仍然会有部分热量通过极板底座和上盖结合部位的金属以热传导的方式进入极板内腔，也会有部分热量以热辐射方式透过真空层进入内部，通过导线通道的隔热体热量以热传导和热辐射的方式进入极板内腔，再加上传感器或电路模块也会自身产热，因此，为了将极板内腔内部在一定的时间内温度上升幅度限制在一定的目标内，设计了吸热体。
21.进一步，还包括堵头和极板主体，所述堵头包含堵头真空层，堵头的外围设置有用于对极板主体密封的堵头密封圈。
22.采用上述进一步方案的有益效果是，上述真空层均采用真空技术进行抽气，形成真空，且真空层的内两侧表面分别采用低发射率和高反射率的材料阻止外部热量以热辐射的方式进入极板内腔。
23.进一步，所述极板主体的表面设置有电极阵列，电极阵列的表面设置有电极阵列密封圈，极板主体包含极板主体真空层。
24.采用上述进一步方案的有益效果是，在极板主体的一端设有走线孔，导线通过该孔与承压插头和电极阵列之间建立电气连接。
25.进一步，还包括承压插座，承压插座安装有电气连接插座，承压插座和隔热体相连，隔热体和吸热体连接，吸热体的表面连接有长源距探测器及电路，长源距探测器及电路和承压插头密封圈相连；所述承压插座、隔热体、长源距探测器及电路和承压插头密封圈的外侧设置有真空保温瓶，真空保温瓶的外侧连接有探头外壳。
26.采用上述进一步方案的有益效果是，隔热体，由低热传导系数材料制成；真空保温瓶，与外壳之间独立，其内外壁都比较薄，占用空间少，不需要承受外部井眼流体的压力。
27.本实用新型的有益效果是：
28.1)、该装置在使用时，可以阻断井眼与极板内部之间的热传输，阻止或减缓极板内部温度升高，提高测井极板的耐温性能，提升了装置的使用效果。
29.2)、吸热体内部为相变恒温材料，即具有较高的比热容的材料，其吸收热量后，温升非常小，使极板内部温度保持相对恒定，其内部的温度上升幅度在设计的指标以内，保证了使用时的安全性。
附图说明
30.图1是本实用新型高温测井极板组件示意图；
31.图2是本实用新型极板组装示意图；
32.图3为本实用新型图2中a处结构示意图；
33.图4为本实用新型图2中b处结构示意图
34.图5是本实用新型高温电成像极板图示意图；
35.图6是本实用新型极板主体和电机阵列连接结构示意图；
36.图7是本实用新型高温密度极板剖面图。
37.图中：
38.1、底座外壳，2、上盖外壳，3、承压插头，4、上盖密封圈，5、承压插头密封圈，6、上盖真空层，7、底座真空层，8、传感器或电路模块，9、导线，10、底座内胆，11、上盖内胆，12、第一隔热体，13、导线通道，14、吸热体，15、极板内腔，16、堵头，17、堵头密封圈，18、极板主体，19、电极阵列密封圈，20、电极阵列，21、堵头真空层，22、极板主体真空层，23、电路模块，24、第二隔热体，25、真空保温瓶，26、长源距探测器及电路， 27、探头外壳。
具体实施方式
39.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
40.在地球物理勘探领域，有些极板需要嵌入安装传感器、电路模块，以便获得理想的信噪比。而最近几年随着仪器小型化、集成化的发展趋势，已经有很多产品将更多的电路直接集成在极板内部，直接在极板内部实现信号的接收、调理、采集等更多功能，最后输出数字信号。
41.随着地质勘探开发向更深层进展，井下地层温度越来越高，新疆部分地区石油开发井井下温度超过200℃，近几年干热岩井的井下温度甚至超过250℃，给地质勘探测井仪器的耐温性能提出了更加严峻的挑战。
42.目前，测井极板没有任何阻断外部热量进入探头内部的技术和措施，行业内比较通用的方法是通过筛选耐温性能好的元器件和传感器，提高测井极板的温度性能。通过该方法，部分能够满足175℃环境中短时间(连续工作30分钟)内工作的需求。由于此时测井极板内部传感器和电子线路模块工作在其自身的极限温度条件下，其寿命大幅度缩短，在175℃环境中实际累计工作寿命在数小时到十几小时之间，因此，在高温井眼环境条件下，仪器的寿命大幅缩短，成本增加，施工成功率极低。
43.仪器在井下进行测井工作时，井眼流体温度同步迅速上升。当极板内部温度快速升高时，超过电子元器件导致元器件能承受的温度上升的剧烈程度，将导致器件直接物理
损坏、管脚开路、电路板铜箔断开等；当极板内部温度超过电路元器件的最高额定工作温度时，导致电路元器件将不能正常工作、甚至热击穿损坏；当极板内部温度没有达到电路元器件的最高额定温度，但是电路长时间在高温环境下工作，元器件的寿命随工作温度呈指数衰减，大幅度降低极板的寿命和耐温性能。
44.目前电成像测井极板，内部直接嵌入式安装有前置放大器及其信号处理电路。密度测井极板内部嵌入安装有伽马射线探测器、信号处理电路，尤其是伽马射线探测器受温度影响明显。目前测井极板没有发现有采用相关隔热技术提升其耐温性能的设计、产品和专利。对此实用新型提出了一种基于真空隔热技术的高温测井极板来解决上述问题。
45.本实用新型提供了以下优选的实施例
46.实施例一
47.如图1所示，一种基于真空隔热技术的高温测井极板，包括底座外壳1、底座真空层7 和底座内胆10，底座外壳1的内部焊接有底座内胆10，底座外壳1和底座内胆10之间形成底座真空层7，底座由底座外壳1、底座内胆10和底座真空层7组成。
48.本实施例中，如图1-2所示，为了进一步提升了对底座和上盖的密封效果，底座外壳1 的上方设置有上盖外壳2，上盖外壳2的表面焊接有上盖内胆11，上盖外壳2和上盖内胆11 之间形成上盖真空层6，上盖由上盖外壳2、上盖内胆11和上盖真空层6组成，上盖外壳2 的外围设置有上盖密封圈4，上盖外壳2也用来承受井眼中流体压力，同时底座外壳1也用来承受井眼流体压力；底座外壳1的前端设置有为极板传感器或电路模块8提供电信号的传输通道，传感器或电路模块8的右侧连接有导线9，可以利用导线9建立极板与外部的电气连接，底座外壳1的右侧设置有承压插头3，承压插头3的外围设置有承压插头密封圈5，将底座、上盖和承压插头3组装在一起，其结合部位通过上盖密封圈4和承压插头密封圈5进行密封，形成密封的极板内腔15。
49.实施例三
50.如图1所示，一种基于真空隔热技术的高温测井极板，包括底座外壳1、底座真空层7 和底座内胆10，底座外壳1的内部焊接有底座内胆10，底座外壳1和底座内胆10之间形成底座真空层7，底座由底座外壳1、底座内胆10和底座真空层7组成。
51.本实施例与上述实施例的区别之处在于：
52.本实施例中，如图1-4所示，为了进一步提升了对热传导的减弱效果，底座外壳1的内部开设有用于导线9摆放的导线通道13，导线通道13的内部填充第一隔热体12，导线9穿过导线通道13在传感器或电路模块8与承压插头3上的插针之间相连，可以建立极板与外部的电气连接，由于第一隔热体12的热传导系数极低，因此第一隔热体12能够阻断承压插头 3与极板内腔15之间的热对流，大幅度减弱热传导。这样极板内腔15除导线通道13之外的地方全部被上盖真空层6和底座真空层7包围，而导线通道13也填充了第一隔热体12，这样整个极板就是一个保温瓶，极板外部热量没法通过上盖外壳2、底座外壳1、承压插头3以热传导和热对流的形式进入极板内腔15，在底座外壳1和上盖外壳2的内壁，即底座外壳1 和上盖外壳2分别朝向底座真空层7和上盖真空层6的表面采用低发射率材料和工艺，减少热辐射的发射率；而在底座内胆10和上盖内胆11的外壁，即其朝向真空层的一面采用高反射率、低透射率材料，增加热辐射的反射率，降低热透射率；通过上述手段阻止底座外壳1 和底座内胆10以及上盖外壳2和上盖内胆11之间的热辐射；虽然，通过真空层阻断了极板外部热量
进入极板内腔15的热对流、热传导途径，采用了较低发射率和高发射率的材料、工艺削弱了热辐射力，但是，仍然会有部分热量通过极板底座和上盖结合部位的金属以热传导的方式进入极板内腔15，也会有部分热量以热辐射方式透过真空层进入内部，通过导线通道13的第一隔热体12热量以热传导和热辐射的方式进入极板内腔15，再加上传感器或电路模块8也会自身产热，因此，为了将极板内腔15内部在一定的时间内温度上升幅度限制在一定的目标内，设计了吸热体14。
53.实施例四
54.如图1所示，一种基于真空隔热技术的高温测井极板，包括底座外壳1、底座真空层7 和底座内胆10，底座外壳1的内部焊接有底座内胆10，底座外壳1和底座内胆10之间形成底座真空层7，底座由底座外壳1、底座内胆10和底座真空层7组成。
55.本实施例与上述实施例的区别之处在于：
56.本实施例中，如图1-4所示，为了进一步提升了对温度的稳定效果，底座内胆10的内部设置有吸热体14，吸热体14由相变恒温材料制成，吸热体14的前端连接有电路模块23；底座内胆10和传感器或电路模块8之间形成极板内腔15，可以利用具有较高的比热容的材料，其吸收热量后，温升非常小，使极板内部温度保持相对恒定，吸热体14的主要目的是吸收极板内传感器或电路模块8工作过程中自身产生的和由极板外部进入传输到极板内腔15的热量。吸热体14中相变恒温材料的多少，决定了其限制内部温升的能力，本专利具体实施过程中需要经过详细的计算确定，通过真空层阻断了极板外部热量进入极板内腔15的热对流、热传导途径，采用了较低发射率和高发射率的材料、工艺削弱了热辐射力，但是，仍然会有部分热量通过极板底座和上盖结合部位的金属以热传导的方式进入极板内腔15，也会有部分热量以热辐射方式透过真空层进入内部，通过导线通道13的第一隔热体12热量以热传导和热辐射的方式进入极板内腔15，再加上传感器或电路模块8也会自身产热，因此，为了将极板内腔15内部在一定的时间内温度上升幅度限制在一定的目标内，设计了吸热体14。
57.本实施例中，如图2-7所示，为了进一步提升了使用时的便捷效果，极板主体18的表面设置有电极阵列20，电极阵列20的表面设置有电极阵列密封圈19，极板主体18包含极板主体真空层22，还包括承压插座，承压插座安装有电气连接插座，承压插座和第二隔热体24 相连，第二隔热体24和吸热体14连接，吸热体14的表面连接有长源距探测器及电路26，长源距探测器及电路26和承压插头密封圈5相连；承压插座、第二隔热体24、长源距探测器及电路26和承压插头密封圈5的外侧设置有真空保温瓶25，真空保温瓶25的外侧连接有探头外壳27，第二隔热体24，由低热传导系数材料制成；真空保温瓶25，与外壳之间独立，其内外壁都比较薄，占用空间少，不需要承受外部井眼流体的压力。
58.本实用新型的具体工作过程如下：
59.根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律首先计算高温极板理想黑体向极板内腔的热辐射力，有：
[0060][0061]
式(1)中，eb为黑体在某温度的热辐射力，单位：w/m2；
[0062]
σb为黑体的辐射常数，σb＝5.67
×
10-8
(w/m2·
k4)；
[0063]
t为黑体的热力学温度，单位k；
[0064]
cb称为黑体辐射系数，cb＝5.67(w/m2·
k4)
[0065]
根据极板采用的材料的发射率，可以通过式(2)计算极板的热辐射力：
[0066]
e＝εeb‑‑‑‑‑
(2)
[0067]
式(2)中，e为实际极板的热辐射力，单位：w/m2；
[0068]
ε为底座1和上盖2内壁的发射率；
[0069]
通过式(3)，既可以获得热辐射功率。
[0070]
p1＝e
·s·
ρ
‑‑‑‑
(3)
[0071]
式(3)中，s为实际极板的热辐射面积，单位：m2；
[0072]
p1为热辐射功率，单位：w；
[0073]
ρ为上盖内胆和底座内胆的外表面的反射率。
[0074]
发射率和反射率不仅仅与材质有关，而且与材质的表面状况也有关系，因此，如果极板内腔包括有不同材质、工艺的辐射面，应该分别计算其热辐射功率，最后通过式(4)将各辐射功率分量累加为总的热辐射功率pr。
[0075]
pr＝p1+p2+...+pn‑‑‑‑
(4)
[0076]
2.2热传导功率计算
[0077][0078]
式(5)中，p
t1
为热传导功率，单位：w；
[0079]
λ为材料的热传导系数；
[0080]
a为热传导材料的截面积；
[0081]
t
diff
为热传导路径两端的温差；
[0082]
l为热传导路径的长度。
[0083]
同样，如果存在多个传导路径，应该分别进行计算后累加，总热传导功率为：
[0084]
p
t
＝p
t1
+p
t2
+...+p
tn
‑‑‑‑‑
(6)
[0085]
则，极板外部与内部空间之间的热传输功率加上极板内部电路模块发热功率总和为：
[0086]
p＝pr+p
t
+pep＝pr+p
t
+pe‑‑‑‑‑
(7)
[0087]
式(7)中，pe为电路模块发热功率，单位：w；
[0088]
p为总的热功率。
[0089]
2.3计算吸热剂的重量
[0090]
根据高温极板设计的技术指标计算在其工作过程中从极板外部传输到极板内部的总热量：
[0091]
q＝p
·
t
diff
‑‑‑‑
(8)
[0092]
式(8)中，q为热量，单位j(焦耳)；
[0093]
t
diff
为工作时间，单位：秒；
[0094]
p为总的热传输功率，单位：w；
[0095]
吸热剂在允许的温度范围内能够吸收的总热量必须大于传入的总热量q，则有：
[0096]c·m·
δt≥q
‑‑‑‑‑
(9)
[0097]
式(9)中，q为工作时间内传输到极板内部的总热量，单位j(焦耳)；
[0098]
δt为吸热剂的相变温差，为吸热剂目标温度和工作之前的差值；
[0099]
c为吸热剂材料的比热容，单位：j/kg；
[0100]
m为吸热剂的质量；
[0101]
式(9)整理后，可求得吸热剂的质量：
[0102][0103]
通过上边计算，可以求得m，本专利如果在温度t，工作t
diff
时间，内部温升不大于δt，则吸热剂质量必须大于m。通过真空隔热技术，测井极板能够在井下200℃流体环境中工作 10小时以上，极板内部温度不超过150℃，极板内部嵌入的传感器-电路模块能够正常工作。
[0104]
为了进一步说明本实用新型的工作原理
[0105]
如图5所示，为高温电成像极板结构示意图，其中极板主体18、堵头16装配在一起构成极板内腔15，极板主体18和堵头16之间通过堵头密封圈17进行密封。在极板主体18的一端设有走线孔，导线9通过该孔与承压插头3和电极阵列20之间建立电气连接。走线孔中填充第一隔热体12，阻断与极板内腔15之间的热对流，削弱热传导。极板主体18上的极板主体真空层22和堵头上的堵头真空层21阻断极板外部热量以热传导和热对流的方式进入极板内腔15；同时极板主体真空层22和堵头真空层21的内表面分别采用低发射率和高反射率的材料和工艺，减少自极板外部的热量以热辐射的方式透过真空层进入极板内腔15。极板内腔15中安装吸热体14和电路模块23，其中吸热体14中装有具有较高比热容的相变恒温材料，吸收电路模块23自身工作过程中产生的热，和透过真空层和第一隔热体12进入极板内部的热量，减缓极板内腔15温度上升的速度，确保电成像高温极板能够在200℃以上的环境中工作10小时，其内部的温度上升幅度在设计的指标以内。
[0106]
具体吸热体14中相变恒温材料的质量多少，需要按照本专利所述的算法进行计算获得。
[0107]
如图6-7所示，为密度测量极板，其中承压插座、第二隔热体24、吸热体14、长源距探测器及电路26、短源距探测器及电路5组装在一起，装入真空保温瓶25中，再将其整体装入探头外壳27中，组成高温密度极板。其中探头外壳27为极板提供机械保护，承受井眼流体压力，与承压插座之间通过密封圈密封。真空保温瓶25能够阻断极板外部热量通过热传导和热对流的方式穿透真空层进入保温瓶内部，通过采用特殊的工艺和材料削弱外部热量以热辐射的形式进入保温瓶内部。第二隔热体24用来阻止外部热量以热对流的方式进入真空保温瓶25的内腔，经过承压插座进入的热量只能通过热辐射和热传导的方式进入，而第二隔热体 24的热传导系数极低，因此能够限制热量的传输。吸热体14，内部填充了相变恒温材料，具有较高的比热容，能够吸收进入保温瓶的和短源距探测器及电路5、长源距探测器及电路26 产生的热量，而温度上升极小。以上措施确保密度极板在200摄氏度以上的环境中工作10小时，将内部的温度上升幅度限制在设计指标之内。
[0108]
以上便是整个装置的工作过程，且本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0109]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保
护范围之内。