案例教学 | 钻井探测设备的CAE电子热管理仿真计算
在钻井探测工程中，经常需要研发一些井下的数据采集仪，来对油井的勘探进行管理、采集（温度压力）等进行搜集。比如：探测井下的地里结构、碳氢化合物含量的伽马射线光谱仪；LWD（Logging While Drilling）随钻测井/MWD（(Measurement While Drilling）随钻测量、方位角测量等等；通过VDL (Variable Density Log)变密度测井, 声波/超声波图像设备来测量油井的完整性；测量油井井底流体的流动、温度、压力及液体相的设备等等。
工程科研人员开发出高效的电子探测设备，可以方便对钻井探测的数据进行记录。通过此类电子设备，可以使得数据在钻井工具至地表之间顺利传递，可以在钻井工具中存储数据，可以控制钻井制动器等等功能。
目前开发的测井电缆，可以记录约15小时之内的数据，记录的数据可以以10—500 kbps的速度传输至地表；而随钻的测量工具可以记录约3周之内的数据，这些数据被存储在钻井工具中，数据可以以57kbps的速度传输至最近的钻井管道。
在实际钻井勘探工程中，电子探测设备处于井下的环境时非常恶劣的，井下流体的压力极其巨大，并具有极高的腐蚀性（科研人员将电子设备安装在一个极其密封的压力容器内，将探头安装在测井的电缆内，可以解决流体高腐蚀性带来的问题）。
除此之外，井下地热的温度梯度约为25-30℃/km，在井下6000米的深处，电子探测设备所处的温度约为150℃-175℃，有的地方甚至达到200℃，所以对电子探测设备进行良好的热设计、热管理显得尤为重要。
当下在大众化的市场上，各类电子器件（电信、计算机、各类消费性电子产品、汽车、航空航天）工作的最高温度Tmax约为85至125℃，但是对于钻井勘探工程而言，需要能够耐高温的电子器件。
本文讲解了使用ANSYS Icepak对某井下电子探测设备进行热管理分析的方法，主要是包括：
1、搜集计算模拟所需的数据，包括模拟目标(电子探测设备)所处工程的要求、熟悉项目的背景、电子探测设备的冷却方法选择、电子设备的几何结构、电路板器件的数据、各个电子器件的热耗大小及材料属性（含双热阻）、模拟计算的分析类型（瞬态或者稳态）。
电子探测设备所处井下的温度、深度、井下流体的各类属性参数、井下流体固定不变还是处于一定速度的流动状态、电子探测设备工作时所处的方向位置等等。
2、对1中相关的数据进行处理，包括保留影响热流计算的数据（比如探测设备的几何、井下流体的流速等）；
3、电子探测设备需要进行两个等级的热流计算，一个为系统级（尺寸为m米），将油井电子探测设备的模型进行简化，但务必保留影响热路的几何结构，确保油井井下环境对电子探测的影响；另一个为工具级（尺寸为cm厘米），此级别需要建立电子设备的详细热模型，包含详细的几何结构、电路板及布线、各个电子器件、各类参数属性等等，然后使用ANSYS Icepak提供的Zoom-in功能，从系统级的热流模拟计算结果中提取工具级所处空间的计算结果，并将此结果用于工具级模型的热流边界；
4. 其他工况（如瞬态热流计算等等）。
整个ETM for O&G（油气钻井电子热管理）特性的工作流如下图所示：
油气钻井电子热管理流程示意图
一、钻井探测设备对应的热流计算数据输入如下：
① 数据1：电缆测试设备尺寸信息长约2.134米，直径约为0.0635米；电子器件所安装的空间高度为0.4064米，PCB板及IC功率为11.1w,IGBT的功率为11w，制动器设备的功率为4w；电缆测试设备被放置于2.45米直径的油井中，整体环境为为自然冷却，考虑电子设备内部的空气自然冷却及辐射换热计算。
电缆测试设备示意图
② 数据2：对CAD几何模型进行修复，建立详细的电子探测设备模型。包括PCB板模块整体热耗11.1w（系统级热模型无需建立详细的电子芯片布局），3个IGBT（每个11w）安装在一个散热器上，制动器热耗4w；整体模型位于电缆的正中心，安装架与电缆内表面相贴（相贴面设置相应的接触热阻）。
电子探测设备的内部几何结构
③ 数据3：对于系统级热模拟而言，可以对PCB板输入整体的热耗；而对于工具级热模拟计算而言，需要详细的电路板器件布局图；所有的芯片模型均使用双热阻模型来建立热模型，如下图所示；电路板上的所有二极管均使用Block来建立热模型，其材料导热率为15w/m.k。
④ 数据4：在进行工具级热仿真时，需要建立电路板详细的热模型。本案例PCB板为6层板，其中，铜层2和铜层5的含铜量较高，而铜层3和铜层4仅仅有过孔；在后续的热仿真中，进行了导入布线过孔的PCB板和使用Icepak建立的等效电路板（正交各向异性导热率，电路板内的导热率是常数 (kp, kn)，其中kp为电路板切向导热率，kn为电路板法向导热率）的比对。
导入Trace&Vias的电路板，可以计算局部各向异性导热率，且PCB板每个网格内的kx, ky, kz（导热率）均不相同，Icepak会自动计算每个 CFD 网格内不同百分比的铜箔及其导致的导热率；而通过简化电路板的属性面板，输入各个层的铜箔厚度及含铜百分比，并设置3、4层过孔的位置及布局（含过孔直径、过孔密度、过孔内铜箔层的厚度等信息，以精确模拟过孔导致的切、法向导热率）得到简化电路板的kp、kn导热率数值。
电路板的数据如下图所示：
导入布线过孔信息的电路板，可以精确捕捉局部区域各向异性导热率分布，其中铜层2、 铜层5几乎布满了铜箔 (k ~ 385 W/m.K)。
二、系统级热模拟计算
本部分仅仅讲解说明系统级热流计算，在后续的文章中将讲解工具级详细模型的热流计算。
对井下电子探测设备进行系统级热模拟需要考虑的重点主要包括：
1、捕捉电子测试设备表面及井下内流体的热流特性；
2、油井内流体的属性、非牛顿流体等等；
3、井下不同地址构造下不同的环境温度条件；
4、电子测试设备的方位（需要考虑重力方向）；
5、电子测试设备内器件对自然对流及辐射换热的敏感性。
在进行系统级热模拟时，将电路板作为一个整体热源（热耗11.1w）来考虑，使用简化的电路板模型来进行计算；制动器使用Block里模拟，其材料为Fe，热耗4w；井内流体处于圆柱形的CFD计算区域，流体材料为液态水；
三、系统级热模型如下所示：
系统级热模型示意图
四、系统级热模拟计算的工况如下：
1、计算区域底部、顶部均为开口，考虑重力方向；
2、计算区域底部封闭，且底部温度为100℃，顶部为开口，考虑重力方向；
3、上图热模型中，计算区域底部封闭，底部温度100℃，顶部开口，但是重力方向旋转90度；
上述工况1、2、3的热模型中，油井模型深度为6.1米；3种计算工况均为层流流态。ANSYS Icepak提供多种网格类型，包括非结构化Unstructured网格，3D多级网格和2D多级网格，本案例采用非结构化Unstructured网格和3D多级网格来进行划分。
五、计算的流场结果如下所示：
工况3呈现成与工况1、2完全不同的热流特性，主要是因为重力方向修改导致。对工况1、2、3的IGBT及PCB板的温度进行定量比较，如下表所示：
从上表可以看出，工况2的温度最高，电子探测设备所处的环境最为恶劣，这主要是因为其顶部为开口，井内的流体没有实现流动的自动上下循环。
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作者：王永康，仿真秀专栏作者
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