CN101772615A - 具有用于热传输的定向排列纳米管的复合材料的井下应用 - Google Patents
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Abstract
在一个方面，本发明公开一种装置，所述装置包括：与发热元件热连通、用于沿着选定的方向将热量从发热元件传导走的各向异性纳米复合材料元件。在另一方面，本发明提供一种用于将热量从发热元件传送走的方法，所述方法包括：将热量从所述发热元件传递至构造成沿着选定方向传导热的各向异性纳米复合材料元件；以及将所述各向异性纳米复合材料所接收的热传递至吸热元件。
Description
技术领域
本申请涉及在井下应用中从发热元件传热。
背景技术
借助于穿过一个或更多产油层的油井或井筒，从地下地质层提取油气。在钻进井筒期间以及在完成井筒之前使用多种工具，来提供与井筒周围的地质层相关的各种参数信息。这些工具通常包括多种传感器、电学零部件和电子零部件、以及在运行时能够发热的其它设备。井筒温度能够从室温至500华氏度(大约260摄氏度)以上变化，以及压力能够从大气压力至20,000psi(大约137.8兆帕斯卡)以上变化。诸如这些的温度和压力能够对井下使用的仪器产生负面影响。特别是热量对于具有电子零部件的工具来说将是不利的。在一些情况下，过多的热量能够导致电子零部件工作更加迟缓或甚至失效。因此，理想的是将井下工具的一些零部件设置为理想温度或者将热量从此种零部件传递走。
发明内容
本发明提供用于将热量从井下工具中的特定零部件传递走的装置和方法。
在一个方面，本发明公开一种装置，所述装置包括：与发热元件热连通、用于沿着选定的方向将热量从发热元件传导走的各向异性纳米复合材料元件。
在另一方面，本发明公开一种用于将热量从发热元件传送走的方法，所述方法包括：将热量从所述发热元件传递至各向异性纳米复合材料元件，其中所述各向异性纳米复合材料元件构造成沿着选定方向传导热；以及将所述各向异性纳米复合材料所接收的热传递至吸热元件。
在再一方面，本发明公开一种用于井筒中的工具，所述工具包括：工具主体，其中包含发热元件；热传导设备，其包括至少一个各向异性纳米复合材料元件，所述各向异性纳米复合材料元件耦连至所述发热元件，用于沿着选定方向将热量从所述发热元件传导走；以及耦连至所述热传导设备、用于从所述各向异性纳米复合材料元件吸热的吸热元件。
上面已经相当宽泛地总结了用于监测和控制来自井的产物的系统的重要特征的示例，以便下面的详细说明可以更好地被理解，以便可以理解对现有技术的贡献。当然，还有下面将说明且形成权利要求的主题的附加特征。
附图说明
参考附图可以最好地理解本发明，在所述附图中类似的数字指示类似的元件，在所述附图中：
图1是具有悬挂在绳索上的井下工具的油井的图示；
图2是示意性图示，示出本发明的包括发热元件、吸热元件和纳米复合元件的第一实施例；
图3是示意性图示，示出本发明的包括被供电的热传递设备、电源和控制器的第二实施例；
图4是井下工具的一部分的示意性图示，示出本发明的一实施例，其中，来自发热元件的热通过纳米复合材料传递至吸热元件；以及
图5是与图4相似的实施例的示意性图示，但是在图5的实施例中工具壳体或底盘用作吸热元件。
具体实施方式
图1是测井系统的示意性图示，示出由绳索101在井筒102中传送的井下工具104。井筒示出为穿过地质层103。工具104包括一个或更多用于评测井筒和/或地质层103的有关参数的传感器106。工具104包括控制单元108，控制单元108可以包括处理器、数据存储介质、由处理器使用以控制工具104的运行以及处理数据和信号的程序和模型。控制单元108与地面控制单元110数据连通，地面控制单元110可以是基于计算机的系统，其对控制单元108提供指令、从控制单元108接收数据、并处理所接收的数据以评测井筒102和/或地质层103的一个或更多性能。替代地，工具104可以通过钢丝或任何其它适当传送工具而在井筒中传送。工具104可以是钻进装置104，其可以是单个工具或者是工具组件的组合，并且由连接起来的管或缠绕管在井中传送。此外，工具可以以任何所需的方式设置。工具104可以包括用于在井筒102中执行操作的任何工具——包括但不限于电阻率工具、核工具、核磁共振工具、地质层测试工具、以及声学工具。此外，所述工具可以由这些和其它工具的组合组成。这些工具中的每一个可以包括多种电子部件——诸如微处理器和电学元件(诸如电机、泵、线圈、变压器等)，所述电子部件在工具在井筒中操作期间发热，所述操作通常是在升高的温度(在一些情况下，可以超过200摄氏度)下进行。在一些情况下，发热元件的温度可能高于井筒温度数度。结合图2-5说明用于传递来自此种发热元件的热的一些示例传热系统和方法。
图2是示意性图示，示出用于将热量从发热元件202传送至吸热元件204的系统200。所述发热元件202可以是在工具102中发热的任何装置、零部件或其组合。发热元件202示出为设置在支撑构件201上，支撑构件201可以是金属构件或非金属构件。在一个方面，发热元件202可以耦连至用于将热量从发热元件202传导走的热传递元件或构件203。在井下工具(诸如绳索工具和在钻进时进行测量的工具)中，诸如微处理器、传感器、电机等的特定电子零部件能够发热而使得这些零部件比环境温度高出若干摄氏度(通常5至10摄氏度)。热传递元件203可以是各向异性的纳米复合材料或构件，其中诸如纳米碳管的导热纳米颗粒在选定的方向(例如从发热元件202至吸热元件204的方向)上定向排列或高度地定向排列。为了公开的目的，术语“各向异性”意味着性能根据测量的方向而不同。换句话说，纳米复合材料元件沿预定方向导热。例如，当各向异性元件为扁平或圆形“线缆”的形式时，热量从线缆的一端朝线缆的另一端传导，几乎没有或只有很少热量穿过线缆的侧部或壁进行传导。对于一些各向异性纳米复合材料元件，沿着一个方向的导热率能够是沿着垂直方向的导热率的数倍，由此有效地形成热导管。如果所述各向异性纳米复合材料元件的基体材料是柔性的，那么其能够形成柔性的热导管，其中大部分热量在导管内运动，而不是穿过导管壁而逸散。以此方式，热量能够从发热元件处(其可能接近所述发热元件的操作的热量限值)沿预定方向被传走。在图2的构造中，热量将通过各向异性纳米复合材料元件从发热元件202传递至吸热元件204。可以使用适当的绝热材料或装置205来封闭发热元件202，以抑制热量从发热元件202传导至工具104中其它零部件，和/或将热量导向热传导元件203。可以使用保护材料207(其形式诸如是一层或更多层任意的适当材料)来封闭和保护所述各向异性纳米复合材料元件203。
吸热元件205可以是设置在工具中或工具102的一部分之中的吸热陶瓷构件，其在所述工具运行期间保持处在低于发热元件温度的温度。环绕工具的金属壳体、与井筒中的循环钻井液接触的钻进组件钻铤、吸附冷却器或低温设备均可以用作吸热设备204。在置于井筒中之后，绳索工具壳体和承载钻进时测量的工具的钻铤可以针对井筒流体的温度进行平衡化处理。然而，位于绳索工具或钻铤内侧的电子零部件、电机、传感器等的局部内部温度能够升高5至10摄氏度，该温度有时超出此种零部件的工作温度。因此，对于绳索工具来说，工具中的一些金属部分可能处在低于发热元件温度的温度下。类似地，钻进组件的钻铤可以保持在比发热元件温度低的温度，因为在钻进组件周围循环的钻井液的温度通常低于发热元件的温度。吸热设备204可以是与井筒流体、陶瓷构件等接触的被动式吸热设备(例如钻铤)，或者可以是诸如低温设备的主动式吸热设备。
图3是根据本发明的热传递系统300的另一实施例的示意性图示。系统300示出为包括一对设置在支撑构件201上的发热元件202a和202b。发热元件202a和202b与吸热层301热连通并将热传导至吸热层301，吸热层301可以由含有定向排列碳纳米管的纳米复合材料或其它适当导热材料制成。导热层301耦连至热传递元件203，热传递元件203将热量从导热层301移走。热传递元件203可以进一步耦连至主动热传递设备309，以通过导热元件310将热量从导热元件203泵至或移至吸热元件204，导热元件310可以是纳米复合材料或诸如合金的其它适当导热材料。热传递设备309可以是能够将热量从导热元件309移走的任何主动设备，包括但不限于珀尔帖冷却器(PeltierCooler)、闭环热传递设备或单元、热泵——包括可以采用焦耳-汤姆森效应(Joule-Thomoson effect)或斯特林发动机的热泵。
还是参见图3，为了控制热传递设备309的运行，可以使用耦连至发热元件202a或202b或同时耦连至这两者的温度传感器302来测量发热元件202a和202b处或其附近的温度。可以使用耦连至吸热元件204的温度传感器302b来测量吸热元件204的温度。电源306通过电源线307将电能供应至热传递设备309。电源306可以是任何适当的电源，包括但不限于工具104中的电池、工具104中的发电机；或者，电力可以通过绳索101供应至工具104。控制器304通过线路305耦连至电源306并且构造成：通过线路303从传感器302a接收信号和数据，通过线路308从传感器302b接收信号和数据；控制器304可以用于控制热传递设备309的运行。线路303、305、307和308可以是任何适当的数据和电力导体。控制器304可以包括诸如微处理器的处理器、诸如固态存储器的数据存储介质、以及存储在数据存储设备中的程序，所述程序包括与图3的热传递系统的运行相关的、用于控制器304的指令。
在运行时，一方面，控制器304监控发热元件202a和/或202b的温度以及吸热元件204的温度。当发热元件的温度达到预先设定的值时，控制器304给电源发出指令，以使热传递设备工作。控制器304根据编好程的指令将热传递设备309维持在工作状态，直到发热元件的温度下降至低于预先设定的温度值或直到吸热元件204的温度到达过高的温度(预先设定的阈值)，从而进行有效的热传递。在这两种情况下，热传递设备能够被停止工作，从而允许能量保留。在另一方面，控制器304可以连续地或基本上连续地控制或调节供应至热传递设备309的电力，以基于发热元件202a和202b及吸热元件204的温度来控制热从发热元件202a和202b至吸热元件204的流动。发热元件202a和/或202b与吸热元件204之间的温度差可以用作用于控制向热传递设备309供应电力的标准。
图4是井下工具的一部分的示意性图示，示出根据本发明的一方面的热传递系统400的一个实施例，其中，来自发热元件202的热量通过各向异性纳米复合材料元件203传递至吸热元件204，吸热元件204再将热传递至工具104的壳体401。在此构造中，吸热元件204可以以能有效地将热量从吸热元件204发散至工具壳体401的方式耦连至或附着至所述壳体。尽管支撑构件402a和402b示出为设置在工具壳体401上，但是支撑构件可以设置在任何适当位置处。此外，纳米复合材料元件203可以是刚性的或非刚性的(柔性或半柔性的)、非直线的(弯曲或其它非直线形状)的构件。
图5是热传递系统500的与图4实施例相似的实施例的示意性图示，不同的是工具壳体401用作吸热元件。在此构造中，热传导元件203可以直接耦连至壳体401。
在文中所说明的热传递系统和方法中，各向异性纳米复合材料元件可以包括基材和定向排列的或高度定向排列的导热纳米元件(诸如纳米管)。基材可以基于最终使用装置的温度和为流化和固化所述基材所采取的特定技术而进行选择。适当基材的示例包括聚合物、陶瓷、玻璃、金属、合金和其它复合材料。所述基材还可以是非晶体材料或晶体材料。所述基材可以进一步包括一种或更多种添加剂。示例的添加剂包括粘合剂、表面活性剂、和湿润剂，以帮助纳米管在基材中的散布和定向排列。
在一些实施例中，用于制备纳米复合材料元件的基材可以是聚合物。也就是说，它包括聚合物的一种或更多种低聚物、聚合物、共聚物或其混合物。在一个此种实施例中，基材可以包括热塑性聚合物。在另一此种实施例中，基材可以包括诸如酚醛树脂和尿素甲醛树脂的热固性聚合物。适于与本发明的装置和方法一起使用示例聚合物包括但不限于：聚烯烃、聚脂、非缩氨酸多胺、多胺、聚碳酸脂、聚烯烃、聚乙烯酯、聚乙交酯、纤维素脂、聚乙烯卤化物、聚羟基脂肪酸酯、聚酐、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸乙酯、聚酯酮、聚酯酰胺、聚酯醚酮、聚砜、液晶聚合物、及其共聚物和混合物。在另一方面，基材可以包括聚合物前体或可交联材料。如文中所使用的，术语“聚合物前体”是指可聚合的单体和大分子单体。如文中所使用的，术语“可交联材料”是指在加热或添加催化剂或其它适当引发剂时能够与自己或其它材料交联的材料。在另一方面，聚合物前体可以包括环氧树脂或氰基丙烯酸酯。
纳米元件可以包括任何适当的导热纳米材料。在一个方面，纳米元件可以是碳纳米管。碳纳米管可以是单壁的，其可以是一个原子厚的石墨层(例如石墨片)卷成的无缝筒。此种碳纳米管的直径可以为大约1纳米(nm)，管长度可以比直径大很多，例如为几个毫米至1.5厘米或更长，在另一方面，可以采用多壁碳纳米管。多壁碳纳米管包括卷绕形成具有多个层的管的石墨层。此外，用于所公开装置和方法的纳米管可以使用任何已知的用于导热的材料制备。例如，纳米管可以使用氮化硼或氮化镓制备。
由于纳米管的定向排列，用于所公开装置和方法的纳米复合材料是各向异性的。为了本发明的目的，纳米元件或纳米管可以由任何已知制备此种材料的方法散布和定向排列或高度定向排列。例如，纳米管能够由磁元件固定，然后散布在液体或高度塑性的基材中。然后基材可以经受磁场作用以定向排列纳米管，然后固化所述基材以维持纳米管的定向排列。在另一方法中，可以通过非常小的孔隙挤出而使得纳米管定向排列。在再一方法中，纳米管可以通过以下述方法将已知取向的纳米管包覆在聚合物中而定向排列，即：机械地将纳米管施加至聚合物的表面以形成第一材料，然后绕着第一材料挤制相同或不同聚合物的层，以形成完全被包覆的纳米复合材料。对于本发明的装置和方法，纳米复合材料可以是任何已知的可用的形状和构造。例如，纳米复合材料可以为筒状或杆状，且纳米管定向排列以将温度从一端朝另一端传导，并且使得最少的热传导至所述筒或杆的壁或侧部。在另一方面，纳米复合材料元件可以是矩形或弯曲的薄片，其中热量优先沿着薄片的宽度或长度传导。在另一方面，纳米复合材料可以为此种薄片的堆叠的形式。此外，纳米复合材料元件可以是刚性的，或者可以是柔性的，使得其可以成型成任何所需的形式(诸如如图3-5中所示)，或者它可以绕着装置中的某些阻碍物等设置。
从而，在一个实施例中，本发明提供一种装置，该种装置包括：与发热元件热连通、用于沿着选定的方向将热量从发热元件传导走的各向异性纳米复合材料元件。在一个方面，所述各向异性纳米复合材料包含高度定向排列的导热纳米材料(诸如纳米管)，以将基本上所有热在纳米材料定向排列的方向上传导。在一个方面，所述装置可以进一步包括与所述各向异性纳米复合材料元件热连通、用于接收来自所述各向异性纳米复合材料元件的热的吸热元件。在另一方面，所述装置可以进一步包括与所述各向异性纳米复合材料元件热连通、用于将热量从所述各向异性纳米复合材料元件传递至所述吸热元件的热传递设备。在再一方面，所述装置可以进一步包括位于所述发热元件和所述各向异性纳米复合材料元件之间的界面元件，用于将热量从热传导元件传递至所述各向异性纳米复合材料元件。所述纳米复合材料元件可以包括基材以及定向排列的热传导纳米管。所述纳米管可以由碳、氮化硼、或氮化镓制成。进一步地，所述纳米复合材料元件可以使用堆叠薄片制造，每个薄片含有基材和定向排列的热传导纳米管。所述吸热元件可以是任何适当构件或设备——包括：金属构件、陶瓷构件、金属或陶瓷或其组合构件的层叠、金属和非金属复合物、流体、吸附冷却器或相变设备。此外，所述热传递元件可以是任何主动式热传递设备——包括：珀尔帖冷却器、闭环冷却单元、或采用焦耳-汤姆森效应或斯特林发动机的热泵。在一个方面所述装置还可以包括：响应于发热元件或吸热元件的的温度测量而控制所述热传递元件的控制器。所述控制器可以控制供给至所述热传递设备的电力，以控制热从所述发热元件的传走。所述装置可以进一步包括位于所述发热元件附近、用于将热量从所述发热元件导向所述各向异性纳米复合材料元件的绝热元件。在另一方面，本发明提供一种用于将热量从发热元件传导开的方法，所述方法包括下述特征：将热量从所述发热元件传递至构造成沿着选定方向传导热的各向异性纳米复合材料元件；以及将热量从所述各向异性纳米复合材传递至吸热元件。所述方法可以进一步包括使用热传递设备将热量从所述各向异性纳米复合材料元件传递至所述吸热元件。所述方法还可以进一步包括使用设置在所述热传导元件和所述各向异性纳米复合材料元件之间的界面元件将热量从所述热传导元件传递至所述各向异性纳米复合材料元件。所述方法可以进一步包括将热量从所述发热元件导向所述各向异性纳米复合材料元件。附加地，所述方法可以进一步包括至少部分地基于所述发热元件的温度而控制从所述发热元件传递走的热。
前面公开的内容设计一些示例实施例和方法。然而，各种修改对于本领域普通技术人员来说将是明显的。所有的此种修改应该被认为落在所附权利要求书的范围内且有前面公开的内容所包括。此外，提供摘要是为了符合法定要求，而非用于以任何方式限制权利要求的范围。
Claims (22)
1.一种装置，包括：
各向异性纳米复合材料元件，其与发热元件热连通，用于沿着选定的方向将热量从发热元件传导走。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括吸热元件，所述吸热元件与所述各向异性纳米复合材料元件热连通，用于接收来自所述各向异性纳米复合材料元件的热量。
3.根据权利要求2所述的装置，进一步包括热传递设备，热传递设备与所述各向异性纳米复合材料元件热连通，用于将热量从所述各向异性纳米复合材料元件传递至所述吸热元件。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括位于所述发热元件和所述各向异性纳米复合材料元件之间的界面元件，用于将热量从热传导元件传递至所述各向异性纳米复合材料元件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述各向异性纳米复合材料元件包括基材以及定向排列的热传导纳米管。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述纳米管由下述的至少一种材料组成：(i)碳；(ii)氮化硼；以及(iii)氮化镓。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述各向异性纳米复合材料元件使用堆叠的薄片制造，每个薄片含有基材和定向排列的热传导纳米管。
8.根据权利要求2所述的装置，其中所述吸热元件选自下面的组：(i)金属构件；(ii)陶瓷构件；(iii)(i)和(ii)的层叠件；(iv)金属和非金属复合物；(v)流体；(vi)吸附冷却器；以及(vii)相变设备。
9.根据权利要求3所述的装置，其中所述热传递元件选自下面的组：(i)珀尔帖冷却器；(ii)闭环冷却单元；以及(iii)热泵，其采用下面之一：(a)焦耳-汤姆森效应以及(b)斯特林发动机。
10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：(i)用于对发热元件的温度进行测量的传感器；至少部分地基于所述发热元件的温度而控制从所述发热元件传递走的热量多少的控制器。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述控制器控制对所述热传递元件的电力供应，以控制从所述发热元件传递至所述吸热元件的热量多少。
12.根据权利要求2所述的装置，进一步包括位于所述发热元件附近的、用于将热量从所述发热元件导向所述各向异性纳米复合材料元件的绝热元件。
13.一种用于将热量从发热元件传送走的方法，包括：
将热量从所述发热元件传递至各向异性纳米复合材料元件，其中所述各向异性纳米复合材料元件构造成沿着选定方向传导热量；以及
将所述各向异性纳米复合材料元件所接收的热传递至吸热元件。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括使用热传递设备将热量从所述各向异性纳米复合材料元件传递至所述吸热元件。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括使用设置在热传导元件和所述各向异性纳米复合材料元件之间的界面元件将热量从所述热传导元件传递至所述各向异性纳米复合材料元件。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述纳米复合材料元件包括基材以及定向排列的热传导纳米管。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将热量从所述发热元件导向所述各向异性纳米复合材料元件。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括至少部分地基于所述发热元件的温度而控制所述发热元件的热量的传递。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述吸热元件选自下面的组：(i)金属构件；(ii)陶瓷构件；(iii)(i)和(ii)的层叠件；(iv)金属和非金属复合物；(v)流体；(vi)吸附冷却器；以及(vii)相变设备。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述热传递元件选自下面的组：(i)珀尔帖冷却器；(ii)闭环冷却单元；以及(iii)热泵，其采用下面之一：(a)焦耳-汤姆森效应以及(b)斯特林发动机。
21.一种用于井筒中的工具，包括：
工具主体；
发热元件；
热传导设备，其包括至少一个各向异性纳米复合材料元件，所述各向异性纳米复合材料元件耦连至所述发热元件，用于沿着选定方向将热量从所述发热元件传导走；以及
耦连至所述热传导设备、用于从所述各向异性纳米复合材料元件吸热的吸热元件。
22.如权利要求21所示的工具，其中所述各向异性纳米复合材料包括基材和沿着选定方向轴向地设置的高度定向排列的纳米管。
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