CN105492718B - 具有电热效应的井下冷却系统 - Google Patents
具有电热效应的井下冷却系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105492718B CN105492718B CN201480035236.7A CN201480035236A CN105492718B CN 105492718 B CN105492718 B CN 105492718B CN 201480035236 A CN201480035236 A CN 201480035236A CN 105492718 B CN105492718 B CN 105492718B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sensor
- temperature
- electric material
- thermo electric
- degrees celsius
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 239000002305 electric material Substances 0.000 claims abstract description 74
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 27
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 claims description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 19
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 7
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 5
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000036413 temperature sense Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910003781 PbTiO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020698 PbZrO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N Titanium ion Chemical compound [Ti+4] LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000000916 dilatatory effect Effects 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- OOYGSFOGFJDDHP-KMCOLRRFSA-N kanamycin A sulfate Chemical group OS(O)(=O)=O.O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CN)O[C@@H]1O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O[C@@H]2[C@@H]([C@@H](N)[C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)[C@H](N)C[C@@H]1N OOYGSFOGFJDDHP-KMCOLRRFSA-N 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 1
- 230000003319 supportive effect Effects 0.000 description 1
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/01—Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
- E21B47/017—Protecting measuring instruments
- E21B47/0175—Cooling arrangements
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B47/00—Survey of boreholes or wells
- E21B47/01—Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
- E21B47/017—Protecting measuring instruments
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V11/00—Prospecting or detecting by methods combining techniques covered by two or more of main groups G01V1/00 - G01V9/00
- G01V11/002—Details, e.g. power supply systems for logging instruments, transmitting or recording data, specially adapted for well logging, also if the prospecting method is irrelevant
Landscapes
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
提出了用于进行井下测量的方法、系统、装置和产品。该方法可包括使用与传感器相关联的电热材料在横穿地层的钻孔中冷却传感器，其中该传感器响应于井下参数。该方法可进一步包括向电热材料施加电场以产生巨大的电热效应。该方法可以包括选择电热材料的尺寸、组分和居里温度以及电场的特性，其足以降低传感器标称温度至少20摄氏度，这可导致传感器接近在传感器的标称操作温度范围内的目标温度。
Description
技术领域
本发明一般涉及钻孔工具，并且特别涉及用于进行井下测量的方法和设备。
背景技术
用于各种目的钻井是公知的。这种井可被钻探用于地热目的，以生产烃(例如，石油和天然气)，生产水等等。井的深度范围可从几千英尺到25,000英尺或更深。在烃井中，井下工具经常包含各种传感器、仪器和控制装置，以便执行任意数量的井下操作。因此，该工具可包括用于地层评估、流体分析、监测并且控制工具本身等等的传感器和/或电子设备。
发明内容
在一些方面，本发明涉及用于估计与由钻孔横穿的地层相关的至少井下参数的方法和设备。
根据本发明的一个一般实施例可包括一种进行井下测量的方法。该方法可包括使用与传感器相关联的电热材料，在横穿地层的钻孔中冷却传感器，其中所述传感器响应于井下参数。该方法可进一步包括向电热材料施加电场以产生巨大的电热效应。该方法可包括选择电热材料的尺寸和电场的特性，其足以将传感器的标称温度降低至少20摄氏度。该方法可包括执行测量循环，该测量循环包括：i)在第一时间间隔内施加电场；ii)当传感器处于目标温度范围内时，采用传感器进行井下测量；以及iii)在重复测量循环之前，通过移除电场并等待第二时间间隔来允许传感器返回到标称钻孔操作温度。
该方法可包括选择电热材料以具有在传感器的最高标称操作温度的20摄氏度内的相变居里温度；并且当电热材料的温度处于20摄氏度的相变居里温度内时，施加电场。
该传感器可固定到电热材料，或以其它方式与电热材料热连接。电热材料可配置成具有200摄氏度以上的相变居里温度。该方法可包括在冷却期间使用传感器进行测量。该方法可包括通过向多个冷却部件依次施加电场来冷却传感器，每个冷却部件包括电热材料。
根据本发明的另一个一般实施例可包括一种用于进行井下测量的设备。该设备可包括产生代表井下参数的信号的传感器；以及与传感器相关联的电热材料。该传感器可包括至少光电二极管。电热材料可配置成具有在传感器的最高标称操作温度的20摄氏度内的相变居里温度。电热材料可配置成具有在测量期间接近传感器的钻孔环境的最高标称温度的20摄氏度内的相变居里温度。电热材料可配置成具有200摄氏度以上的相变居里温度。电热材料可具有相变温度，并且设备可包括电路系统，该电路系统配置成当电热材料的温度处于20摄氏度的相变温度内时，施加电场。
根据本发明的另一个实施例可包括一种用于进行井下测量的系统。该系统可包括工具，该工具包括：工具主体；响应于井下参数的传感器；与传感器相关联的电热材料；电路系统，其配置成当传感器被电热材料冷却时，在横穿地层的钻孔中进行测量；以及传送装置，其配置成在钻孔中传送该工具。电路系统可配置成当传感器被电热材料冷却到目标温度时进行测量。目标温度可与电热材料的相变居里温度相关。该系统可包括将电热材料与工具主体隔离的减振器。该系统可包括配置成在横穿地层的钻孔中重复测量循环的电路系统。测量循环可包括：i)在第一时间间隔内向电热材料施加电场；ii)当传感器处于目标温度范围内时，采用传感器进行测量；以及iii)通过移除电场并等待第二时间间隔来允许传感器返回到标称钻孔操作温度。
如上所述的电路系统可包括处理器和可访问到处理器的非暂时性计算机可读介质产品，该非暂时性计算机可读介质产品包括用于进行测量和/或估计与被布置于介质上的钻孔横穿的地层相关的至少一个井下参数的指令，当指令被处理器执行时，致使至少一个处理器执行如本文所描述的一种或多种方法或方法构成要素。
为了更好地理解本发明的以下具体描述并且使人们认识到它们对本领域的贡献，在此相当广泛地概括了本发明一些特征的示例。
附图说明
为了本发明的详细理解，应当结合附图参考以下实施例的详细描述，在附图中相同的附图标记已经给出相同的标记，其中：
图1和图2示出根据本发明的实施例用于材料的电热效应；
图3示出根据本发明的实施例部署在钻孔中的井下工具的示图；
图4A和图4B示出包括根据本发明的实施例的传感器的工具；
图5示出用于根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在各方面，本发明涉及进行井下测量。如本文所使用的井下测量可被定义为在横穿地层的钻孔中进行的测量，其指示钻孔或地层的参数(不包括温度)，即井下参数。方法实施例可包括使用与传感器相关联的电热材料在横穿地层的钻孔中冷却传感器，其中传感器响应于井下参数。冷却传感器可将传感器的温度设置在用于传感器的操作温度范围内。
地下井中的环境呈现恶劣的环境。由于温度和振动，维持井下环境中的工具的正确操作可能是具有挑战性的。暴露于井下流体的仪器可能也遭受腐蚀作用。
随着深度增加，钻孔环境的周围温度变得尤其成问题。大多数烃井的温度将达到至少150摄氏度。更具挑战性的井可能达到至少175摄氏度的温度。高的井下温度可能达到200摄氏度(392华氏度)或更多。井下输送器(传送装置)中的空间可能被限制为直径为几英寸。传统的冷却系统通常利用大量功率并且占据输送器中的宝贵空间。这种冷却系统还可能易于出现故障。
高的井下温度对基于半导体的电子设备的性能产生不利影响。可能需要冷却的半导体电子设备的一些示例包括但不限于，传感器、处理器、放大器、数模转换器(“DAC”)、模数转换器(“ADC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)等。
诸如光电二极管、电荷耦合装置(“CCD”)阵列和其它光检测器、金属氧化物半导体(“MOS”)、金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”)以及离子敏感场效应晶体管(“IsFET”)化学传感器的传感器是可能由高温不利影响的井下使用的半导体传感器的一些示例。
可被用在传感器和其它组件中的电磁发光体(例如，激光二极管、发光二极管(LED)、超发光LED等)在井下温度可能失去性能特征。高温可能导致在升高温度下这种装置的漂移、响应的非线性、响应减少以及甚至彻底故障。
光电二极管的分流电阻在室温下可能以一千兆欧姆开始但在175摄氏度时下降至仅100欧姆。当试图在井下执行定量光学测量时，有必要考虑在升高温度下基于半导体的光电检测器的显著减少的响应。同样，在升高的温度下，激光二极管和LED遭受发光强度的显著损失。诸如金属氧化物半导体气体传感器的一些传感器必须在固定但升高的温度下操作，例如175摄氏度和200摄氏度之间。
因此，冷却这种传感器持续短的时段使得传感器能够在降低的温度下进行测量可能是有利的，尤其是当降低的温度处于传感器操作的标称温度范围(或，更好地为最佳温度范围)内。
在本发明的各方面中，传感器使用电热效应来冷却。传感器可通过使用与传感器相关联(诸如例如固定到传感器或与传感器热连接等)的电热材料来冷却。传感器可以是诸如吸收光谱仪、荧光光谱仪、折光仪、基于光电二极管的惯性制导传感器等的传感器。
电热效应可定义为响应于施加的电场由材料(例如电热材料)经历的可逆温度变化。效应下的潜在机制仍未解决，但其特征为相变附近的熵变化、电介质固体的电特性和热特性之间的耦合，其中在施加的电场的存在下在绝热条件下温度发生变化，或由于电场引起偶极状态的变化导致的电介质材料的温度的变化。
在电热材料的相变附近电热冷却可被最大化。在非常高的温度范围(例如，200摄氏度至250摄氏度)内传统的冷却方法效率较低。因此，选择具有用于在该范围内的铁电相变的居里温度的电热材料可能是有利的。在空间和能量要求方面，电热冷却也大体比传统主动冷却方法更为有效。
本发明的各方面允许将传感器冷却至降低的温度持续短时段。降低的温度指的是比当其中传感器将被使用的情况下处于钻孔中位置处时传感器的标称温度更低的温度。术语“短时段”可广泛变化，但大体可能指的是以秒或更小单位为量级的持续时间段。这种短时段的持续时间可基本上与冷却用于测量的传感器所需的时间量相同。
例如，本发明的各方面可允许在经历最高井下温度(例如，200摄氏度以上)的环境中的传感器的间歇测量。传感器可被冷却例如持续几秒钟。在目标温度(例如，大约为待实现的最低温度)下，进行测量。传感器可被允许针对当前环境返回到其标称(例如，未冷却的)温度，直到下一个测量循环开始。冷却之间的等待时间可以分钟或更长单位为量级。
在其它实施例中，在冷却期间的时段内，可进行多次测量或可进行连续测量。一旦冷却可用，传感器可再次被冷却。
电热材料可以是具有足够用于冷却传感器的特性的任何电热材料。这种材料可包括各种钙钛矿结构薄膜(诸如富含PbZrO3(偏锆酸铅)和PbTiO3(偏钛酸铅)混合物(‘PZT’)的锆反铁电薄膜)、PbZr0.48Ti0.52O3、弛豫铁电膜(例如Pb(Mg0.33Nb0.67)O3)、铁电铌酸锂、铁电聚合物(诸如P(VDF-TrFE))等。
电绝缘体(电介质)不具有如将在电导体中可随意移动的电荷那样的电荷。术语“电介质”在电绝缘体具有高极化率时最常使用，该高极化率是分离正电荷和负电荷的中心的能力。有可以单独或组合发生的三种极化类型；它们是：1)电子，2)原子，以及3)离子。
当电场在一个方向中拉动负电荷的电子云时而在相反方向中推动正电荷的原子核时电子极化发生。极化等于电荷乘以分离距离，对于电子极化该分离距离是原子半径的一小部分，因此电子极化是极其微弱的效应。当两个原子共享共价键中的电子时，它们通常不均等共享，相反，电子处于与一个较靠近而距另一个较远的位置，引起电荷正负中心的分离。在外部电场中这种电偶极的重新取向被称为原子极化，并且因为偶极臂较大，该效应显著大于电子极化。离子从另一个原子拿走电子或释放电子到另一个原子，以使得电子不再被共享。重新定位在晶格内的离子导致最大的偶极臂变化和相应的极化变化。
电介质可以是顺电或铁电的，并且在它们之间相变可发生。可存在场感应的顺电铁电相变以及居里温度下的温度感应相变，在该温度感应相变中，晶格结构随温度变化。经过接近其居里温度的逐步相变的铁电材料预计具有比不连续相变材料的电热效应更小的电热效应。此外，电热效应预计在接近其铁电居里点的温度达到最大。电热冷却随电场的增加而增加。
区别两种类型电介质的特征是，当场移除时铁电材料不失去其离子极化，但顺电体会。铁电钛酸钡(BaTiO3)具有钙钛矿晶体结构。钛阳离子位于中心，并且可以在晶格内来回移位如下距离，该距离大于离子在典型的顺电体(诸如氧化钽(Ta2O5))中可以移动的距离。该运动生成比在氧化钽中可以存在的显著更大的偶极臂，导致产生大很多的介电常数，可以是更大的几个数量级。在钛酸钡中，由于晶格障碍，甚至在外部电场移除之后，钛离子也可以保持偏移在一侧，这赋予其铁电残余极化特性。也就是说，电场可以将离子拉入排列中，一旦场被移除，该排列不放松回到以前的状态。
由Mischenko等人(以下称‘Mischenko’)发表的论文“Giant electrocaloriceffect in thin film PbZr0.95Ti0.05O3”(薄膜PbZr0.95Ti0.05O3中的巨大电热效应)，描述了实现接近卡诺极限50％的性能系数，即来自几瓦的输入的大约50％的冷却功率。因为材料的铁电居里温度相变是在大约222摄氏度(相变温度，TC)，其在用于钻孔的非常高的温度区域(例如，200℃-250℃)中是最有效的，其中其它冷却方法可能是无效或有问题的。
图1示出与薄膜PbZr0.95Ti0.05O3的铁电-顺电转变相关联的电热熵变化。图2示出对应于图1的熵变化的温度变化。附图代表了Mischenko的发现。最大的变化是在TEC＝226摄氏度的25V的12摄氏度(即0.48KV-1)。效应在高于和低于TC＝222摄氏度两者时持续存在。
Mischenko进一步指出，块体PbZr0.95Ti0.05O3在室温下是斜方晶反铁电的。在加热到大约120摄氏度时，这种结构转变为菱形晶铁电相。在该反铁电到铁电的转变中有大量的热滞后，在冷却时在约80摄氏度发生。结构转变为摄氏242度以上的立方晶顺电。这是具有居里-外斯温度特性的一阶相变。
薄膜的可能缺点是，它们可由基板热锚固，这减少了热泵能力和冷却功率。具有金属电极的多层膜结构可用于减轻该特征。与膜以及块体材料相比，多层结构可以避免基板并增加电热材料的体积，这可提高热交换效率，同时保持膜的高击穿场。然而，多层结构的特征可以是产生更低的温度变化效应。
由Li等人(下称‘Li’)发表的论文“Compact Cooling Devices Based on GiantElectrocaloricEffect Dielectrics”(基于巨大电热效应电介质的紧凑冷却装置)，描述了使用P(VDF-TrFE)68/32共聚物作为电热材料来实现横跨在1厘米装置两侧的30(摄氏)度的温度梯度。梯度的尺寸是推荐在本发明中使用的材料的一个因素。
本文中的每一个实施例可用于钻井和非钻井环境两者中的多种设定中。在一些实施方中，所公开的实施例可用作钻井系统的一部分。本文示出了结合LWD使用的示例钻井系统。图3示意性示出了具有井下工具310的钻井系统301，该井下工具310配置成在横穿地层380的钻孔350中获取用于井下流体分析的信息。在一个说明性实施例中，工具310可包含传感器单元340，诸如例如流体分析光谱仪。传感器单元包括通过电热材料冷却的传感器330(例如，光电二极管)，以及其它传感器320。传感器320、330可检测地层的一个或多个参数。地层的参数可包括关于地质参数、地球物理参数、岩石物理参数和/或岩性参数的信息。因此，传感器320、330可包括用于估计地层电阻率、介电常数、烃的存在或不存在、声波孔隙度、地层边界、地层密度、地核孔隙度和某些岩石特性、渗透性、毛管压力以及相对渗透性的传感器。传感器320、330可检测井孔的一个或多个参数，包括与井下流体有关的参数。井下流体的非限制性示例包括钻井流体、返回流体、地层流体、包含一种或多种烃的生产流体、结合井下工具使用的油和溶剂、水、盐水、工程流体和它们的组合。
系统301可包括竖立在钻台370上的传统井架360。可以是刚性的或非刚性的传送装置(输送器315)可配置成向接近地层380的井孔350内传送井下工具310。输送器315可以是钻柱、盘管、平直管线、e线缆、钢丝等。井下工具310可与附加工具(例如，图3的信息处理系统的一些或全部)联接或结合。因此，取决于配置，工具310可在钻井期间和/或井孔(钻孔)350已经形成之后使用。虽然示出了地面系统，但是本发明的教导还可在海上或海底应用中使用。输送器315可包括用于在地面和井下设备之间提供信号和/或电力通信的电力和/或数据的嵌入导体。输送器315可包括底孔组件，其可包括用于转动钻头的钻井马达。
为了操作井下工具310和/或提供在地面处的至少一个处理器给通信接口，井下工具310可包括井下处理器(未示出)。在一个实施例中，与传感器相关联的电子设备(未示出)可配置成记录与要被估计的参数相关的信息。在一些实施例中，可使用记录的信息估计关注的参数。
在其它实施例中，这种电子设备可位于任何地方(例如，在地面处)。为了执行在单程期间的参数的估计，工具可使用“高带宽”传输以向地面传输通过传感器获得的信息用于分析。例如，用于传输获得的信息的通信线路可以是光纤、金属导体或任何其它合适的信号传导介质。应当理解“高带宽”通信线路的使用可允许地面人员“实时”监视和控制处理活动。
在一些实施例中，处理器可包括配置成控制工具310的一个或多个组件的电动机械的和/或电气的电路系统。在其它实施例中，处理器可使用算法和编程以接收信息并且控制工具310的操作。因此，处理器可包括与数据存储介质和处理器存储器进行数据通信的信息处理器。数据存储介质可以是任何标准的计算机数据存储装置，诸如USB驱动器、记忆棒、硬盘、可移除RAM、EPROM、EAROM、闪存和光盘或本领域普通技术人员已知的其它通常使用的存储器存储系统(包括基于因特网的存储装置)。数据存储介质可存储一个或多个程序，当该程序被执行时其使信息处理器执行本发明的方法。在本文中，“信息”可包括原始数据、被处理的数据、模拟信号以及数字信号。
图4A和图4B示出包括根据本发明实施例的传感器的工具。参考图4A，工具400配置成在钻孔350中被传送。配置成测量井下参数的传感器410安装在工具400上。传感器410可以是本文公开的任何一个传感器。在一些实施例中，传感器410的一部分(或全部)可从工具主体412突出进入钻孔402内。在其它实施例中，工具400可包括配置成从钻孔提取井下流体并向传感器输送流体用于测试的流体测试组件。流体测试组件可包括可经由各种阀的使用填充和排空或可使用连续的流动管线来操作的样品腔室。传感器410可包括光电二极管或对温度敏感的其它半导体元件。在特定实施例中，传感器可以是井下流体分析光谱仪。光谱仪可照射流体。从样品反射或传输通过样品的光可经由光谱测定法测量以确定流体、钻孔或地层的非温度特性(例如，井下参数)。也就是说，使用光电检测器(例如，光电二极管)检测光响应并且将其转换成电信号，并且由电信号体现的信息被处理以估计井下参数。
致动电热材料408使传感器410冷却。然后传感器410可以在冷却的状态(例如，降低的温度)中操作。该降低的温度可处于传感器410操作的标称温度范围或最佳温度范围内。电热材料408可配置成在致动时将传感器410置于特定降低的温度或温度范围(即“目标温度”)内。例如，可以选择特定的材料和尺寸以将传感器410置于特定降低的温度或温度范围内。对于光电二极管，目标温度可以为约175摄氏度或200摄氏度，或者是以比高温井眼环境中的标称传感器温度更低的大约10摄氏度至30摄氏度。
该电热材料408可经由提供电场的电压源406致动。电压源可配置成与电热材料408的材料和尺寸一起产生选择的电场，用于在致动时将传感器410置于特定降低的温度处或温度范围内。可选择电场的材料、尺寸和特征，以足够将传感器的标称温度降低至少10开尔文、至少20开尔文，或约30开尔文，或更多。
工具400可以包括用于在传感器410被冷却时进行测量的电路系统。电路系统可以包括控制器404，该控制器可操作地连接到电压源406以控制电压源406。控制器404可以被实施为参考图3在上文所描述的至少一个处理器，或者可以是附加的处理器或其它支持性电路系统。控制器404可以位于传感器处，在工具(包括例如在其它替代品中)的其它位置处，或在表面处。
参考图4B，电热材料409的薄膜使用从基板403延伸的多个突起(例如，“桩子”)407安装在基板403上以将膜409与周围环境热隔离，允许更快和更有效的冷却。电热材料409可配置成具有200摄氏度以上的相变居里温度，以便在其它冷却系统的操作可能出问题的情况下使冷却最大化。传感器411通过直接或间接地(例如，经由导体)物理接触热连接(例如联接)到电热材料409。在其它实施方式中，电热材料409和传感器411可以设置成与同一导电流体(未示出)接触。系统可以被热隔离(如，在真空中)。可替代地，电热材料可与传感器或其组件一起形成，例如，包含在压模(未示出)内。紧固到电热材料409上或与电热材料409一体形成的电触点413允许电压的施加。在电压施加时，电热材料409冷却。在目标温度，或接近最低可达到的温度，操作传感器411。传感器411可由控制器404或另一个处理器控制。为了保护电热材料409，减震器415吸收来自工具主体的冲击和振动。
图5示出用于估计根据本发明的一个实施例的至少一个井下参数的流程图500。在可选步骤510中，响应于井下参数的传感器使用输送器在钻孔中传送。在钻孔中进行井下测量。步骤520包括使用与传感器相关联的电热材料来冷却传感器。可以通过向电热材料施加电场，以产生巨大的电热效应来进行冷却。如本文所用的巨大的电热效应可以指导致材料的温度变化5摄氏度或以上的电热效应。如本文所用的冷却、被冷却状态以及降低的温度是指比当其中传感器将被使用的情况下处于钻孔中位置处时传感器的标称温度更低的温度。因此，如果钻孔的周围温度上升(例如，由于深度增加)，但如果传感器的温度没有上升到不能用于致动电热材料所另外获得的水平，则即使温度上升传感器仍然可以视为被冷却。
在步骤530中，可在传感器处于被冷却状态时进行测量。因此，步骤530可包括确定致动传感器进行测量的定时。该步骤可以配置成当传感器接近目标温度或处于温度范围时进行测量。目标温度可以接近电热材料的相变居里温度。该方法可包括选择电热材料以具有传感器的最大标称操作温度的20摄氏度内的相变居里温度，并在电热材料的温度处于20摄氏度的相变温度内时施加电场。该方法可以通过当电热材料的温度处于以下相变温度时施加电场进行：10摄氏度、5摄氏度、3摄氏度、2摄氏度、1摄氏度，或低于1摄氏度。
步骤530可通过感测传感器的温度或电热材料的温度来进行，以确定目标温度何时到达。可替代地或附加地，传感器的温度可以从电热材料的温度，或者工具或钻孔流体的周围温度得出。测量定时也可以使用预先确定的数据表(其可以进行调整以用于校准)来计算，并且因此可以包括从电热材料的致动起计算的或预设定的时间量。经验数据可以用于建模温度行为和测量质量。
在一些实施例中，步骤530可包括重复测量循环，该测量循环包括：i)在第一时间间隔内，施加电场；ii)在传感器处于目标温度范围内时采用传感器进行井下测量；以及iii)通过移除电场且等待第二时间间隔来允许传感器返回到标称钻孔操作温度。在其它实施例中，步骤530可包括通过对多个冷却部件依次施加电场来冷却传感器，每个冷却部件包括电热材料。
在步骤540中，可以使用与来自传感器的井下测量相关的信息来估计井下参数。在本文中，“信息”可包括原始数据、被处理的数据、模拟信号以及数字信号。参数的估计可包括模型的使用。在一些实施例中，模型可包括但不限于如下中的一个或多个：(i)数学方程式，(ii)算法，(iii)反卷积技术等。关注的至少一个参数可包括但不限于如下中的一或多个：(i)粘度，(ii)化学组分，(iii)介电常数，(iV)密度。
在一些方面，本发明涉及估计关于地层体积的关注参数，例如举例而言，钻孔周围的地层。关注参数可以是体积的物理参数，例如举例而言，密度。
如上所使用的术语“传送装置”指任何装置、装置组件、装置的组合、介质和/或部件，其可用于传送、容纳、支撑或以其它方式促进另一个装置、装置组件、装置的组合、介质和/或部件的使用。示例性非限制性传送装置包括盘管型的钻柱、接合管型的钻柱以及其任何组合或部分。其它传送装置示例包括套管、线缆、钢丝探头、滑线探头、熔滴弹丸、井下替代通道、底孔组件(BHA)、钻柱插入件、模块、内部壳体以及其中的基板部分、自推进式拖拉机。如上所使用，术语“替代通道”指配置成部分封闭、完全封闭、容纳，或支撑装置的任何结构。“未冷却”指没有使用电热效应进行主动冷却，这与绝缘或其它被动温度控制措施形成对照。如上所使用，术语“信息”包括信息的任何形式(模拟的、数字的、EM、打印的等)。本文中的术语“信息处理装置”包括但不限于，传输、接收、操纵、转换、计算、调节、调换、携带、存储或以其它方式使用信息的任何装置。信息处理装置可以包括微处理器、常驻存储器以及用于执行编程指令的外围设备。如本文所使用，“薄膜”可指1纳米至500纳米的厚度。传感器的标称温度可以限定为要不是电热材料的主动冷却效应的话传感器应该具有的温度。主动冷却指通过电热效应实现的冷却。目标温度范围是传感器用于进行测量的期望或计划的温度。如本文中所指，热连接指导致元件中的一个元件相对于其它元件的显著变化的连接。如果材料中的温度变化产生电热材料中至少25％的变化的传感器中的温度的相应变化，则传感器可以说是与电热材料热连接。
虽然上述发明内容涉及本发明的一个模式实施例，但是各种变形对本领域的技术人员来说将是显而易见的。旨在由上述发明内容包含全部变形。
Claims (13)
1.一种进行井下测量的方法，所述方法包括：
使用与传感器相关联的电热材料在横穿地层的钻孔中冷却所述传感器，其包括向所述电热材料施加电场以产生巨大的电热效应；
所述方法进一步包括进行测量循环，所述测量循环包括：i)在第一时间间隔内，施加所述电场；ii)在所述传感器处于目标温度范围内时，采用所述传感器进行所述井下测量；以及iii)在重复所述测量循环之前，通过移除所述电场且等待第二时间间隔来允许所述传感器返回到标称钻孔操作温度。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括选择所述电热材料的尺寸以及所述电场的特性，其足以将所述传感器的标称温度降低至少20摄氏度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器固定到所述电热材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器与所述电热材料热连接。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电热材料配置成具有高于200摄氏度的相变居里温度。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
选择具有所述传感器的最大标称操作温度的20摄氏度内的相变居里温度的所述电热材料；以及
当所述电热材料的温度处于所述相变居里温度的20摄氏度内时，施加所述电场。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过向多个冷却部件依次施加所述电场来冷却所述传感器，每个冷却部件包括所述电热材料。
8.一种用于进行井下测量的设备，所述设备包括：
产生代表井下参数的信号的传感器；以及
与所述传感器相关联的电热材料；以及
电路系统，所述电路系统配置成执行横穿地层的钻孔中的测量循环，所述测量循环包括：
i)在第一时间间隔内向所述电热材料施加电场；
ii)当所述传感器处于目标温度范围内时，采用所述传感器进行测量；以及
iii)在重复所述测量循环之前，通过移除所述电场且等待第二时间间隔来允许所述传感器返回到标称钻孔操作温度。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述传感器至少包括光电二极管。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述电热材料配置成具有所述传感器的最大标称操作温度的20摄氏度内的相变居里温度。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述电热材料配置成具有在测量期间接近所述传感器的钻孔环境的最高标称温度的20摄氏度内的相变居里温度。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述电热材料配置成具有200摄氏度以上的相变居里温度。
13.根据权利要求8所述的设备，其中所述电热材料具有相变居里温度，所述电路系统配置成当所述电热材料的温度处于所述相变居里温度的20摄氏度内时，施加所述电场。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US13/927,809 US9506338B2 (en) | 2013-06-26 | 2013-06-26 | Downhole cooling with electrocaloric effect |
| US13/927809 | 2013-06-26 | ||
| PCT/US2014/043866 WO2014209999A1 (en) | 2013-06-26 | 2014-06-24 | Downhole cooling with electrocaloric effect |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105492718A CN105492718A (zh) | 2016-04-13 |
| CN105492718B true CN105492718B (zh) | 2019-03-05 |
Family
ID=52114467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201480035236.7A Active CN105492718B (zh) | 2013-06-26 | 2014-06-24 | 具有电热效应的井下冷却系统 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9506338B2 (zh) |
| EP (1) | EP3014054B1 (zh) |
| CN (1) | CN105492718B (zh) |
| BR (1) | BR112015031321B1 (zh) |
| WO (1) | WO2014209999A1 (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10570733B2 (en) * | 2016-12-05 | 2020-02-25 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Synthetic chromatogram from physical properties |
| CN107178929B (zh) * | 2017-05-18 | 2020-11-27 | 西安交通大学 | 一种井下半导体制冷热泵装置 |
| CN107178930B (zh) * | 2017-05-24 | 2019-10-29 | 彭波涛 | 一种主动式井下仪表热管理系统及方法 |
| EP3638961A1 (en) | 2017-06-16 | 2020-04-22 | Carrier Corporation | Ferroic response through application of a conjugate field |
| US11396794B2 (en) | 2018-05-29 | 2022-07-26 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Device temperature gradient control |
| CN109600967A (zh) * | 2018-12-05 | 2019-04-09 | 西安石油大学 | 一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置 |
| BR102019013939A2 (pt) * | 2019-07-04 | 2021-01-12 | Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras | Sistema de arrefecimento de dispositivo eletrônico de fundo de poço |
| CN115012877B (zh) * | 2022-06-27 | 2023-12-22 | 中国石油大学(北京) | 一种增加高温咸水层二氧化碳溶解度的水平井管柱 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1392381A (zh) * | 2001-06-16 | 2003-01-22 | 李红导 | 场致冷技术 |
| CN101328800A (zh) * | 2007-03-14 | 2008-12-24 | 普拉德研究及开发股份有限公司 | 井下工具用的冷却系统 |
| CN102792106A (zh) * | 2009-12-17 | 2012-11-21 | 英派尔科技开发有限公司 | 电热冷却 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060086506A1 (en) * | 2004-10-26 | 2006-04-27 | Halliburton Energy Services, Inc. | Downhole cooling system |
| US7571770B2 (en) * | 2005-03-23 | 2009-08-11 | Baker Hughes Incorporated | Downhole cooling based on thermo-tunneling of electrons |
| US8567500B2 (en) * | 2009-10-06 | 2013-10-29 | Schlumberger Technology Corporation | Cooling apparatus and methods for use with downhole tools |
| US8542353B2 (en) * | 2010-09-30 | 2013-09-24 | Precision Energy Services, Inc. | Refractive index sensor for fluid analysis |
| JP2012169552A (ja) * | 2011-02-16 | 2012-09-06 | Tokyo Electron Ltd | 冷却機構、処理室、処理室内部品及び冷却方法 |
-
2013
- 2013-06-26 US US13/927,809 patent/US9506338B2/en active Active
-
2014
- 2014-06-24 CN CN201480035236.7A patent/CN105492718B/zh active Active
- 2014-06-24 BR BR112015031321-3A patent/BR112015031321B1/pt active IP Right Grant
- 2014-06-24 WO PCT/US2014/043866 patent/WO2014209999A1/en active Application Filing
- 2014-06-24 EP EP14817959.1A patent/EP3014054B1/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1392381A (zh) * | 2001-06-16 | 2003-01-22 | 李红导 | 场致冷技术 |
| CN101328800A (zh) * | 2007-03-14 | 2008-12-24 | 普拉德研究及开发股份有限公司 | 井下工具用的冷却系统 |
| CN102792106A (zh) * | 2009-12-17 | 2012-11-21 | 英派尔科技开发有限公司 | 电热冷却 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BR112015031321B1 (pt) | 2022-07-26 |
| BR112015031321A2 (pt) | 2017-07-25 |
| EP3014054A1 (en) | 2016-05-04 |
| EP3014054B1 (en) | 2018-05-09 |
| EP3014054A4 (en) | 2017-02-22 |
| US9506338B2 (en) | 2016-11-29 |
| US20150000899A1 (en) | 2015-01-01 |
| CN105492718A (zh) | 2016-04-13 |
| WO2014209999A1 (en) | 2014-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105492718B (zh) | 具有电热效应的井下冷却系统 | |
| US9151153B2 (en) | Crystal sensor made by ion implantation for sensing a property of interest within a borehole in the earth | |
| US6755246B2 (en) | In-situ heavy-oil reservoir evaluation with artificial temperature elevation | |
| US8783099B2 (en) | Downhole sensors impregnated with hydrophobic material, tools including same, and related methods | |
| US8536528B2 (en) | System and method for downhole voltage generation | |
| US9850750B1 (en) | Sonoluminescence spectroscopy for real-time downhole fluid analysis | |
| EP3102788A1 (en) | Optical electric field sensors having passivated electrodes | |
| BR112015010634B1 (pt) | Aparelho e método para estimativa de propriedade de formação terrestre | |
| US8051706B2 (en) | Wide liquid temperature range fluids for pressure balancing in logging tools | |
| US20210164332A1 (en) | Systems and methods for dielectric mapping during pulsed-power drilling | |
| US11579135B2 (en) | System and method for measuring mud properties | |
| BR112020020972B1 (pt) | Sistema e método de perfuração de fundo de poço | |
| NO20201348A1 (en) | Device temperature gradient control | |
| US20180313214A1 (en) | Sensors for in-situ formation fluid analysis | |
| US20180017698A1 (en) | Downhole detector with reduced ringing | |
| AU2016393768B2 (en) | Remote actuation of downhole sensors | |
| US20130145838A1 (en) | Encapsulated downhole sensor and method of applying a metallic layer to a downhole sensor | |
| WO2016091378A1 (en) | System and method for symmetrical compensation in a resistivity detection tool | |
| NO175026B (no) | Pulset induksjonsloggeverktöy med utvidet rekkevidde, samt fremgangsmåte til bruk |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |