一种新型超高温防护装置及测井仪器的制作方法

本发明涉及干热岩地热能源领域，特别涉及一种新型超高温防护装置及测井仪器。

背景技术：

随着干热岩等地热资源的开发利用以及地球深部探测的推进，超高温钻探需求日益迫切。在钻探过程中，必须通过测井对钻遇地层的岩性、地层温度梯度、井眼轨迹以及岩体的物理特征等进行测量，但由于干热岩超高温的特点，井下仪器的耐高温问题一直是阻碍超高温测井仪器发展的“卡脖子”问题，研究超高温井下仪器热传导模型及隔热机理对超高温测井仪器的发展具有重要意义。

作为中国地质调查局“六大科技攻坚战”之一的“共和盆地干热岩试验性勘查开发”项目，2019-2021年大部分钻井深度超过4000米，井底温度预计将达到260℃，在钻采过程中需要对钻遇地层的岩性、地层温度梯度、井眼轨迹、井底裂隙发育情况等进行测量，因此，满足干热岩钻采需求的超高温测井仪器需求迫切，超高温测井仪器的耐高温问题急需得到解决，研究超高温测井仪器热传导模型及隔热机理对促进超高温测井仪器的发展意义重大。

国外现状:国外油气行业采用的耐温指标最高的测井工具是哈里伯顿、贝克休斯和斯伦贝谢等公司研制的超高温系列测井仪器。国外三大测井服务公司部分高温测井设备最高测试指标达到260℃/4h。目前，斯伦贝谢(schlumberger)公司开发出slimxtreme测井系统，通过隔热、吸热和液氮冷却系统，实现了260℃、173mpa环境下的矿井测量作业，并在远东地区取得了较好的应用效果，但其耐高温技术细节处于保密状态。

国内现状:目前国内测井仪器工作温度普遍较低，超高温测井仪器隔热机理的研究相对薄弱，主要有两方面原因：一是受需求影响，井内温度低于175℃的钻井占比较重，只有在干热岩钻探、深部钻探中才会遇到高温地层，国内对高温测井需求不大，高温测井仪器的研究投入较小，相关测井仪器的耐温指标也普遍低于175℃。二是受到技术限制，超高温电子元器件、超高温液压控制件、超高温传感器技术、超高温隔热材料、超高温密封技术、整机热管理技术、高温系统集成技术等方面，国内技术储备都相对落后，这些跟“高温”相关的“卡脖子”问题严重制约着高温测井仪器的发展。

另外，现有技术中，测井仪器中电路部分也往往不耐高温，最高工作温度为210℃，如何能更好的保护电路部分使之正常工作，不易失效；是目前同行从业人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于上述制约超高温测井仪器发展，迫切需要找出能够攻克测井仪器耐高温的防护装置或壳体，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种新型超高温防护装置。

本发明实施例提供一种新型超高温防护装置，用于保护测井仪器的电路板，从外由内依次包括：外壳、热障涂层、真空保温瓶和低熔点合金吸热材料层；

其中：

所述热障涂层涂覆在所述外壳内壁上；

所述外壳、真空保温瓶与低熔点合金吸热材料层均为一侧开口的腔体；

所述外壳、真空保温瓶与低熔点合金吸热材料层的开口侧设有第一紧固件。

可选地，所述热障涂层与所述真空保温瓶间隔1-5mm。

可选地，所述真空保温瓶与所述低熔点合金吸热材料层间隔1-5mm。

可选地，所述外壳壁厚5-12mm；所述外壳为钛合金材质或陶瓷。

可选地，所述热障涂层厚度为1-4mm，为纳米氧化钇稳定氧化锆。

可选地，所述真空保温瓶为双层结构，其壁厚为3-5mm，真空层厚度为3-10mm。

可选地，所述低熔点合金吸热材料层为铅锡合金层，厚度为8-12mm，其熔点为190℃。

第二方面，本发明实施例还提供一种新型超高温测井仪器，包括：测温探头、电路板结构体、隔热体和如上述任一项实施例所述的新型超高温防护装置；

所述隔热体位于所述测温探头与所述电路板结构体之间；

所述测温探头的引线穿过所述隔热体与所述电路板结构体连接；

所述防护装置套设在所述电路板结构体和隔热体的外周。

可选地，所述测温探头与所述电路板结构体连接处设有第二紧固件；

所述防护装置的第一紧固件与所述第二紧固件适配连接。

可选地，所述第一紧固件为内螺纹紧固件，所述第二紧固件为外螺纹紧固件；

或所述第一紧固件为外螺纹紧固件，所述第二紧固件为内螺纹紧固件。

本发明实施例提供的一种新型超高温防护装置，用于保护测井仪器的电路板，其从外由内依次包括：外壳、热障涂层、真空保温瓶和低熔点合金吸热材料层；所述热障涂层涂覆在所述外壳内壁上；所述外壳、真空保温瓶与低熔点合金吸热材料层均为一侧开口的腔体；所述外壳、真空保温瓶与低熔点合金吸热材料层的开口侧设有第一紧固件。上述结构依次设置，当应用于测井仪器时，可有效保护电路板，既能抗压又可以隔热，该装置抗压150mpa，可实现电路板300℃环境下持续4h工作，对自然伽马、井眼轨迹、井眼温度剖面的连续测量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的新型超高温防护装置的结构剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的外界温度与腔内温度升高的曲线图；

图3为本发明实施例提供的新型超高温测井仪器的组件结构示意图；

附图中，1-外壳、2-热障涂层、3-真空保温瓶、4-低熔点合金吸热材料层、5-第二紧固件；21-测温探头、22-电路板结构体、23-隔热体、24-防护装置、25-第二紧固件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1所示，本发明实施例提供的一种新型超高温防护装置，用于保护测井仪器的电路板，起到抗压、隔热作用。从外由内依次包括：外壳1、热障涂层2、真空保温瓶3和低熔点合金吸热材料层4。

其中，热障涂层2涂覆在外壳1的内壁上；外壳1、真空保温瓶3和低熔点合金吸热材料层4均为一侧开口的腔体；外壳1的腔体容置真空保温瓶3，真空保温瓶3的腔体容置低熔点合金吸热材料层4，最后低熔点合金吸热材料层4的腔体容置电路板结构体22。

本实施例中，外壳1在井下环境中，可起到抗压作用，可抵抗150mpa的压力；热障涂层2可减缓热量的传导，真空保温瓶3也进一步减缓热量的传导；而低熔点合金吸热材料层4的熔点固定，比如为190℃；可根据其厚度的设置，比如10mm，井下环境在260～300℃左右，融化时间在4～8小时左右；融化期间，比如可保证电路板在恒温190℃条件下工作时间持续8小时之久。

进一步地，为了便于依次嵌套安装，外壳1、真空保温瓶3与低熔点合金吸热材料层4的开口侧设有第一紧固件5；比如在组装过程中，先安装低熔点合金吸热材料层4，再安装真空保温瓶3，后再安装外壳1。

其中，热障涂层2与真空保温瓶3间隔1-5mm，优选3mm；

真空保温瓶3与低熔点合金吸热材料层4间隔1-5mm，优选3mm；上述间隔可根据整个超高温防护装置尺寸做适当选择。

进一步地，上述外壳1可选用钛合金或陶瓷，壁厚为5-12mm，可优先10mm。比如钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高，钛合金外壳的工作温度可达500℃，可承受150mpa的压力。

当选择陶瓷材质时，其隔热效果要优于钛合金外壳，陶瓷的抗压强度较高，也可承受150mpa的压力，陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500hv以上。

进一步地，上述热障涂层2厚度为1-4mm，优选2mm，该热障涂层2为纳米氧化钇稳定氧化锆，可减少或减缓热量向内部真空保温瓶的传递。

真空保温瓶3为双层结构，其壁厚为3-5mm，优选5mm；真空层厚度为3-10mm，优选8mm；

进一步地，上述低熔点合金吸热材料层5为铅锡合金层，厚度为8-12mm，优选10mm，比如在锡铅比例为58:42时其熔点为190℃。在铅锡合金层融化时，熔点保持不变，这种方法在一定时间内能很好地对温升进行控制，能够将被保护腔体内部的温度控制在190℃以内，保证内部电路板在190℃的温度冲击下可靠工作8h。

比如以目前干热岩井眼口径216mm为例，测井仪器尺寸直径最大152mm，即：超高温防护装置的直径也就是相应的152mm，上述间隔参数以及各个结构层的壁厚参数，可根据实际情况在上述区间范围内适当调整，既能满足实际工程中下井尺寸的要求，又能进一步达到最大化的阻挡外部热量传递的效果即可。

比如，通过一组实验数据，用于说明时间、外界温度、腔内温度的变化关系，数据如下表所示，曲线如图2所示，可知当时间持续到390分钟时，外界温度为300.6℃，腔内温度可保持在最高189.2℃。

本发明实施例提供的新型超高温防护装置，当井下环境在260～300℃左右，融化时间在4～8小时左右；融化期间，比如可保证电路板在恒温190℃条件下工作时间持续8小时之久。

第二方面，本发明还提供一种新型超高温测井仪器，参照图3所示，包括：测温探头21、电路板结构体22、隔热体23和如上述任一实施例提供的超高温防护装置24。

其中，隔热体23位于测温探头21与电路板结构体22之间；该测温探头21位于高温测井仪器一端的罩壳内，罩壳内还设有导热硅和银粉的混合物，该混合物包裹在测温探头21的周围，可提高导热效率，使测温探头21快速获取温度参数。具体地，比如测温探头21一般由热电阻或热电偶构成，其温度变化引起电压变化，电路板获取电压变化信号转换为温度参数。

电路板结构体22，一般由单片机、铁电存储器、时钟电路、外围电路、各种传感器等组成，可以用于自然伽马、井眼轨迹、井眼温度剖面连续测量。

测温探头21的引线穿过隔热体23与电路板结构体22连接；该隔热体23比如可以是石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫玻璃混凝土、硅酸钙等材质，或是上述一种或多种的混合物，具有耐高温、热导率小的优点。可减少或阻挡高温向电路板结构22的方向传递。

防护装置24套设在电路板结构体22和隔热体23的外周，用于保护电路板结构体22。该防护装置24既能抗压又可以隔热，可实现电路板在190℃环境下持续8h工作，对自然伽马、井眼轨迹、井眼温度剖面连续测量。

进一步地，参照图2所示，在测温探头21与电路板结构体22连接处设有第二紧固件25；其中防护装置24的第一紧固件5与第二紧固件25适配连接。上述第一紧固件可以为内螺纹紧固件，第二紧固件为外螺纹紧固件；在安装时，内外紧固件螺纹连接，提高了严密性。

或者采用相反的设置，比如：上述第一紧固件为外螺纹紧固件，第二紧固件为内螺纹紧固件，通过螺纹连接，同样地提高了严密性。

另外，也可以采用其他的连接方式，比如卡接、只要能保证具有严密性的连接方式均可，本发明实施例对此不做限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。