从我国陆地油气资源分布格局来看,东部作为国内石油资源主力产区,浅层和中浅层的勘探程度较高,深层及超深层探明程度很低;中部地区是天然气富集区,有超过一半的天然气资源量在深部地区;西部地区是国内石油产量的主要战略接替区,但其70%油气资源埋藏在深部地区。因此,为了勘探开发深部油气藏、获取地质资料,我国石油勘探的开发正向新探区和深部不断发展。然而,井下的温度和压强会随着井深的增加不断升高,导致在石油钻井内几千米深处的温度将达到 200 ⁰C 左右,压强将达到135 MPa 左右。 因此,如何克服井下的高温、高压环境是一个巨大的挑战。目前,高压可以采用外加耐压钢筒解决,而高温问题仅有一些被动式冷却方案。要想实现测井仪器长时间的稳定工作,必须为下井仪器开发一种主动且持续稳定的热管理解决方案。在目前已有的常主动式冷却方案中,可由直流电源驱动的热电制冷所具有的结构简单、 无运动部件、占用空间小等优势使其非常适合下井仪器中狭小空间的热管理系统。本文致力于设计一套基于热电制冷技术的井下电子仪器冷却方案,对测井仪器内的芯片实施长时间、稳定温度保护。首先对双级锑化铋基半导体制冷器进行了高温运行测试。 实验结果表明,当制冷器达到最大制冷量状态时,制冷器的工作电流在高温环境中比在常温环境中更低,从而导致制冷面吸热量降低。 值得注意的是,制冷器在高温条件下,仍能保持较大的冷热端面温差,基本满足装置设计要求。然后本文设计了方形冷腔原型以及管状冷腔原型。一种是方形冷腔原型,其特点是制冷器的制冷面与冷腔外壁紧密接触,制冷器的发热面与装置的外壳体内壁面紧密接触。在两只半导体制冷器并联工作的条件下,冷腔与模拟钻井液环境(约 180 ⁰C) 之间的温差可以达到 25 ⁰C。另一种是管状冷腔原型,其特点是结构灵活,使用真空保温瓶和热管分别作为冷腔和传热导管,显著增强了原型装置制冷效率。随后,通过改变半导体制冷器的排布方式,冷腔与模拟钻井液环境( 200 ⁰C) 之间的温差从 30 ℃增长至50 ⁰C,提高了装置的整体制冷效率。进一步的,在最优制冷器排布方式的基础上,本文还设计了一套可与现有测井仪器耦合的较大尺寸的制冷腔原型装置。实验结果表明,该装置冷腔与模拟钻井液环境( 120 ⁰C) 之间的温差可以达到 25 ⁰C。此外,本文还对装置保温瓶段进行了数值模拟计算,为冷腔装置选用半导体制冷器和进一步提高性能的途径提供理论支撑。