CN103518033B - 井下工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下工具，包括工具壳体和具有定位在壳体内的电子模块的电子组件，其中电子组件还包括与电子模块电连接并被设置在与壳体热连接的热构件上的多个晶体管元件，其中电子模块与热构件热绝缘。此外，本发明涉及包括缆绳、工具管柱和根据本发明的井下工具的井下系统。

Description

井下工具

技术领域

本发明涉及一种包括电子组件的井下工具，所述电子组件包括用于井下工具的晶体管元件。

背景技术

被用在用于在采油井中生产碳氢化合物流体的控制系统中的井下电子设备包括在使用中产生大量热的电子电源和部件，诸如晶体管。当前对碳氢化合物井中的井下工具的控制和监测的更精确的要求已经造成对电力需求的显著增加，这产生了必须去除热量以维持合理操作温度的问题。热量的去除依赖于热量至壳体的传递，但由于在井下作业时升高的温度，工具的电子部件通常与壳体热绝缘，以保护电子部件免受升高的温度的影响。因此，热量产生部件（例如晶体管）可能过热或导致其它部件过热。此外，晶体管可能遭受所谓的热失控/热击穿，热失控是指晶体管开始变热（升温），从而因温度升高而散发越来越多的热量，进而使问题升级，这进一步增加了保护晶体管和邻近晶体管元件的其它电子部件使其不升高温度的需求。

发明内容

本发明的目的是完全地或部分地克服本领域现有技术的上述缺点和不足。更具体地，本发明的目的是提供改进的电子组件，该电子组件具有在井下环境中在升高的环境温度下操作而不使用主动式冷却（例如液体冷却）的能力，主动式冷却对井下设备而言代表一系列其它的且通常更严峻的技术问题。

将从下面的描述中变得明显的上述目的以及数个其他目的、优势和特性一起，通过根据本发明的利用井下工具的方案实现，其中井下工具包括：

-工具壳体，和

-电子组件，包括：

-定位在壳体内的电子模块，

其中电子组件还包括与电子模块电连接和被设置在与壳体热连接的热构件上的多个晶体管元件，其中电子模块与热构件热绝缘。

此外，本发明涉及一种井下工具，包括：

-工具壳体，和

-电子组件，包括：

-定位在壳体内的电子模块，

其中电子组件还包括与电子模块电连接和被设置在与壳体直接连接的热构件上的多个晶体管元件。

在一个实施例中，所述热构件可以是壳体的实心突起。

此外，电子模块可以与热构件热绝缘。

另外，电子模块可以连接至壳体，晶体管可以连接至热构件。

在另一实施例中，壳体可以是用于所述多个晶体管元件的吸热部件（heat sink，热沉）。

在又一实施例中，包括电子组件的井下工具的配套工具可以是用于所述多个晶体管元件的吸热部件。

此外，热构件还可以包括容纳热量吸收材料的室，该热量吸收材料具有低于所述多个晶体管元件的临界击穿温度的熔点，用于针对高于热量吸收材料的熔点的温度提供额外的熔化潜热自动防故障保护。

此外，所述多个晶体管元件可以通过多个绝缘构件与所述热构件电绝缘但热连接。

另外，热构件可以包括容纳主动式冷却元件（例如蒸气压缩制冷元件、磁冷却元件、蒸发冷却元件或热电冷却元件）的室。

一种根据本发明的具有电子组件的井下工具，还可以包括一个或多个为测井仪的操作单元，例如热探针、图像生成单元、测量单元（例如流速测量单元）、定位单元（例如套管接箍定位器）、或类似的操作单元。

另外，根据本发明的具有电子组件的井下工具还可以包括泵或清洁单元。

本发明还涉及井下系统，包括：

-缆绳（wireline，钢缆，测井电缆），

-工具管柱，和

-根据本发明的井下工具。

附图说明

下面将参考附图更详细地描述本发明及其多个优势，为示例目的示出一些非限制性的实施例，其中

图1示出了电子组件的剖面图，

图2是热构件和电子模块的透视图，

图3是电子模块的透视图，为说明目的某些零件被明显地示出，

图4是工具管柱的示意图，和

图5是电子组件的剖面图。

全部附图是高度示意性的并且不必按比例，它们仅示出了为说明本发明的所需的那些零件，其他零件被省略或仅予以暗示。

具体实施方式

图1示出了用在井下工具100中的电子组件1。中空的工具壳体2包括电子模块3和多个晶体管元件4。晶体管元件4设置于热构件5上用于将由晶体管元件4产生的热量直接散发至工具壳体2和/或更远地散发至包括电子组件1的井下工具100的配套工具6。在一些实施例中，电子模块3安装在热构件5上，如图1所示，在其它实施例中，所述电子模块安装在是工具壳体2的一部分的热构件5上，如图5所示。电子模块3可以通过具有特定热导率的安装装置（装配装置，支承装置）8安装，所述特定热导率设计成满足包括在电子模块3中的特定电子元件9的特定的热要求。如果为了将热量从电子模块3驱散而对热导率的要求高，则选择高热导率的材料用于安装装置8。另一方面，如果对热导率的要求低，则可以选择热绝缘材料。通常，晶体管元件是电子组件中的主要的热量产生电子部件。然而，其它热量产生电子部件也可以与所述电子模块热隔离和被设置在所述热构件上与所述电子模块电连接。

图2示出了热构件5的近距离放大透视图。如图所示，热构件5可以具有圆形的端部构件5a，以适应安装在柱形的井下工具100中，柱形是用于井下工具的最典型的形状。

图3示出了电子组件1的透视图。通常全部井下工具100被装配进柱形壳体内以便在井筒中井下工作时最优化特定的空间要求。为了使热量从热构件5散发最优化，所述热构件可以包括具有良好热传导性能的端部构件5a，使得在与工具壳体2（如图3所示）直接接触时，热量有效地散发至所述工具壳体和/或配套工具6（图1和4所示）。此外，端部构件5a可以包括用于将电子组件1固定在工具壳体2中的附接装置11（例如螺纹）。

图4示出了由工具管柱12、缆绳13、多个配套工具6和包括电子组件1的井下工具100组成的井下系统200。工具管柱12可以通过井下牵引机的驱动部分14在井筒15中被推进和通过缆绳13被拉回。

由于流过晶体管的电流，在晶体管中产生废热。如果晶体管过热，则晶体管需要被冷却，或在最坏的情况下可能被热量毁坏。热构件5通过将热量传递离开晶体管元件4来帮助散热。

热构件5的使用使得井下工具能够进入具有比晶体管未设置在与壳体直接接触的热构件5上时高25度（诸如优选地高50度）的环境温度的井或井筒15。当在井下环境中作业时，使包括具有晶体管元件4的电子组件的工具管柱12能够在升高的温度下操作是重要的。在地壳中（例如岩浆附近）的局部温度变化，可能导致电子元件（例如晶体管）的毁坏。因此，增强的耐高温的能力在井下操作中是非常有价值的。此外，井下设备具有的普遍问题是，由于空间要求而非常紧凑和非常接近周围物体，这些都会导致在操作过程中难以驱散热量。

可以利用热油脂以在晶体管元件4和热构件5之间获得良好的热导率。除了热油脂或替代热油脂地，晶体管可以再次朝向热构件5的表面被夹固以确保良好的热接触和因此确保良好的热导率。

热构件5可以有利地由高热导率的材料（例如金属，诸如铝）制成。然而，由于金属也是电导体，所以如果晶体管和热构件直接接触，则晶体管可能经热构件5使线路短路，导致晶体管损坏。因此，晶体管元件4和热构件5典型地被绝缘构件7（如图1所示）隔开，该绝缘构件必须是相对良好的热导体但是非常差的电导体，例如氧化铝。

如图1所示，热构件5可以包括容纳热量吸收材料的室10，该热量吸收材料具有低于多个晶体管的临界击穿温度的熔点，用于针对高于所述热量吸收材料的熔点的温度提供额外的熔化潜热自动防故障保护。具有容纳热量吸收材料的室10确保了当热构件5的温度超过该热量吸收材料的熔化温度时，该热量吸收材料将该额外的热量以熔化潜热或所谓的熔化能量的形式吸收，以便将材料熔化而不会进一步升高温度，因此提供了对热构件5的温度限制，直到所述热量吸收材料完全熔化。晶体管元件4与电子模块3通过电线16电连接。

替代地，室10可以容纳主动式冷却元件（active cooling element）。主动式冷却元件可以由已知的冷却系统（例如蒸汽压缩制冷、磁冷却、蒸发冷却、热电冷却或其它冷却技术）提供。位于所述室中的被动式冷却元件（passive cooling element）和主动式冷却元件的组合也可以用于防止电子组件中的电子元件的温度超过临界温度。

通过在热构件中提供被动式冷却或主动式冷却，可以确保所述电子组件的自动防故障操作（fail safe operation）。另外，用在所述电子组件中的电子部件由于升高的温度而导致的损耗被消除。

取决于各种参数（例如可用电力、可用空间、所需冷却能力等），特定的主动式冷却元件可能具有优势，诸如热电冷却——如果空间非常有限且电力可用的话，这在井下设备中是普遍情况。

如图5所示，热构件5是工具壳体2的实心突起41。图5示出了附接至所述壳体的热构件5，但替代地所述热构件可以是所述壳体的不可分割的一部分，这可以改进热传导但着实挑战所述壳体的构造。

图5还示出，电子模块3附接至工具壳体2且晶体管元件4附接至热构件5，从而增强了电子模块3和晶体管元件的热解耦（热去耦）。

图2示出了热构件5的近距离放大透视图。如图所示，热构件5可以具有圆形的端部构件5a以适应安装在柱形（用于井下工具的最典型形状）井下工具中。

热构件5可以由高热导率材料（例如优选地金属，例如优选地铝）制成。

热构件5还用作吸热部件/热沉，以吸收过剩的热量，不仅是将热量传递离开晶体管元件4。壳体作为吸热部件使用，该吸热部件与井筒15中或在套管完井情形下的套管中的周围井流体互相作用。

晶体管元件4需要热稳定性，因为晶体管结（类似二极管）的操作点受温度影响。事实上，如果设计没有为此考虑，这可能导致热失控和设备损坏。

在本申请中，直接连接将被认为是实心构件之间的连接。即使两个实心构件之间的连接可以通过液体热油脂等被加强，但是该连接仍被认为是直接连接。

尽管本发明已经在上面关于本发明的优选实施例中描述，对本领域技术人员将很明显的是可以实现多个修改而不脱离本发明，如所附的权利要求限定的。

Claims (15)

1.一种井下工具(100)，包括：

-工具壳体(2)，和

-电子组件(1)，包括：

-定位在所述工具壳体内的电子模块(3)，

其中，所述电子组件还包括与所述电子模块电连接和被设置在与所述工具壳体热连接的热构件(5)上的多个晶体管元件(4)，其中，所述电子模块与所述热构件热绝缘。

2.根据权利要求1所述的井下工具，其特征在于，所述热构件是所述工具壳体的实心突起(41)。

3.根据权利要求2所述的井下工具，其特征在于，所述电子模块连接至所述工具壳体，所述多个晶体管元件连接至所述热构件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述工具壳体是用于所述多个晶体管元件的吸热部件。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，其特征在于，包括所述电子组件的井下工具的配套工具(6)是用于所述多个晶体管元件的吸热部件。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述热构件还包括容纳热量吸收材料的室(10)，所述热量吸收材料具有低于所述多个晶体管元件的临界击穿温度的熔点，用于针对高于所述热量吸收材料的熔点的温度提供额外的熔化潜热自动防故障保护。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述热构件还包括容纳主动式冷却元件的室(10)。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，其特征在于，所述多个晶体管元件通过多个绝缘构件(7)与所述热构件电绝缘但热连接。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，还包括一个或多个操作单元(40)，所述一个或多个操作单元为测井仪、图像生成单元、测量单元或定位单元。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的井下工具，还包括泵或清洁单元。

11.根据权利要求7所述的井下工具，其特征在于，该主动式冷却元件是蒸气压缩制冷元件、磁冷却元件、蒸发冷却元件或热电冷却元件。

12.根据权利要求9所述的井下工具，其特征在于，所述测井仪为探针。

13.根据权利要求9所述的井下工具，其特征在于，所述测量单元为流速测量单元。

14.根据权利要求9所述的井下工具，其特征在于，所述定位单元为套管接箍定位器。

15.一种井下系统(200)，包括：

-缆绳(13)，

-工具管柱(12)，和

-根据权利要求1至14中任一项所述的井下工具(100)。