CN109577914A - 一种井下高温环境中的主动冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下高温环境中的主动冷却系统及方法，包括第一筒体和第二筒体，第一筒体内设有压缩机、冷凝器和膨胀阀；第二筒体内设有热交换器，热交换器包括用于放置仪器的内管和位于内管外的外管，外管固定在第二筒体内，外管内壁与内管外壁之间形成外腔室，内管内部形成内腔室，内腔室一端和外腔室的一端通过内管一端开设的端口连通，膨胀阀的出口通过导管与内腔室另一端连通，压缩机的入口通过导管与外腔室连通。当冷却液体通过内腔室时，从仪器吸收热量，随后冷却液体进入外腔室，从井筒吸收热量，吸热后的冷却液体可通过压缩机加压，冷凝器冷凝，膨胀阀冷却之后选择性地释放回内腔室，实现连续循环冷却系统，由此仪器实现隔热、冷却。

Description

一种井下高温环境中的主动冷却系统及方法

技术领域

本发明涉及井下工具冷却技术领域，特别是一种井下高温环境中的主动冷却系统及方法。

背景技术

井下石油勘探工具遇到的环境可能非常恶劣。温度高达和超过200摄氏度，压力高达1.38x10s/Pa十分常见。因此，石油勘探工具的生产者必须设计出可在长时间内在这些恶劣条件下运行的工具。而在设计电子设备时，最困难的就是保证其在高温环境中稳定运行。标准电子元件的额定温度通常约125摄氏度，但是能够在井下高温工作的电子元件需要新的制造技术，过程昂贵，耗时且永无止境。为了对抗电子设备的高温要求，井下工具中的底盘或电子设备舱必须保持在125摄氏度或低于125摄氏度。

目前井下大多应用杜瓦瓶冷却法，杜瓦瓶可用于隔离工具电子设备并减缓电子底盘的加热，类似于大型“保温瓶”，是一种被动系统，可将工具的井下停留时间延长大约四到六个小时。然而探测所需的井下停留时间远远大于昂贵的杜瓦瓶系统所提供的停留时间。

主动冷却系统早存在于各种应用，例如冷却食品，机动车辆和建筑物。这些主动冷却系统，也可统称为空调和冰箱，可以长时间有效地运行，几乎不需要维护。冷却系统移动热量。它从一个位置吸收热量并将其移动到另一个位置。从移除热量的位置显然温度降低。对于主动冷却技术，早在1977年，Mechanics Research已经尝试将制冷概念应用于井下工具。试图研究开发一套系统，结合了用于地热井的制冷技术。然而，该项目的具体目标是为这种系统开发压缩机，并没有实现其主要目标。美国专利No.5,701,751中发明的一种用于在高温环境中主动冷却仪器的系统。该专利使用热交换器，冷热交换器和压缩机来泵送冷却液通过井下工具以冷却仪器。然而，它只能一次循环，没有再循环流体的能力。由于电子设备现在在钻井环境和其他新仪表化的井下作业中使用的时间较长，因此冷却系统的性能需求必须增加。因此，实现井下作业时能够连续操作，减少或消除时间限制，冷却电子器件以降低或调节温度，电子器件绝缘，增加了对外部元件的保护，长时间冷却，以及与高温井筒操作兼容的主动冷却技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种高效、结构简单、循环稳定的工作于井下高温环境中的主动冷却系统及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种井下高温环境中的主动冷却系统，包括第一筒体和第二筒体，第一筒体内设有压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述压缩机的出口与冷凝器的流体进口连通，冷凝器的流体出口与膨胀阀的入口连通；所述第二筒体内设有热交换器，所述热交换器包括用于放置仪器的内管和位于内管外的外管，外管固定在第二筒体内，外管内壁与内管外壁之间形成外腔室，内管内部形成内腔室，内腔室一端和外腔室的一端通过内管一端开设的端口连通，膨胀阀的出口通过导管与内腔室另一端连通，压缩机的入口通过导管与外腔室连通。

进一步，所述第一筒体为高导电率的压力筒，第二筒体为由陶瓷复合材料及其组合的材料制成的低导电率的压力筒。

进一步，所述内管由陶瓷复合材料及低导电率材料制成，外管由陶瓷复合材料及低导电率材料制成。

进一步，所述内管外壁套装有用于将外腔室支撑在内腔室周围的扶正器，内管内壁设有用于将内腔室支撑在仪器周围的扶正器。

另外，本发明还提供了一种井下高温环境中的主动冷却方法，利用上述井下高温环境中的主动冷却系统对仪器进行冷却，具体步骤如下：

Step1.将仪器固定在内腔室内的扶正器中，冷却流体从第一筒体经导管流入第二筒体的热交换器，冷却流体流过导管，进入内腔室并经过仪器，冷却流体吸收仪器产生的热量，冷却流体流出端口并进入外腔室；

Step2.冷却流体流过外管，当冷却流体通过内腔室和外腔室时吸收热量，冷却流体被加热，然后冷却流体经由导管从外管流入压缩机，冷却流体从第二筒体通过导管回到第一筒体；

Step3.冷却流体进入压缩机，压缩机就将冷却流体压缩到所需压力，冷却流体从压缩机流入冷凝器，冷凝器将冷却流体从蒸汽冷凝成液体，冷凝器从冷却流体中散发热量并通过第一筒体释放热量，当冷却流体从冷凝器通过并通过膨胀阀时，冷却流体通过其膨胀进一步冷却；

Step4.冷却的冷却流体流过膨胀阀，膨胀阀控制冷却流体经由导管流入内腔室。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的冷却系统，用于井下高温工作环境，当冷却液体通过内腔室时，从仪器吸收热量，随后冷却液体进入外腔室，从井筒吸收热量，吸热后的冷却液体可通过压缩机加压，冷凝器冷凝，膨胀阀冷却之后选择性地释放回内腔室，实现连续循环冷却系统，由此仪器实现隔热、冷却；进一步提高井下冷却效率，节省时间，降低成本；

2)本发明可以控制冷却速率；

3)本发明可以连续操作，实现长时间冷却。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明热交换器的结构示意图。

图3为本发明在钻铤中工作的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

如图1、图2所示，本实施例提供了一种井下高温环境中的主动冷却系统，包括第一筒体110和第二筒体120，第一筒体110内设有压缩机130、冷凝器140和膨胀阀150，所述压缩机130的出口与冷凝器140的流体进口连通，冷凝器140的流体出口与膨胀阀150的入口连通；所述第二筒体120内设有热交换器160，所述热交换器160包括用于放置仪器170的内管200和位于内管200外的外管220，外管220固定在第二筒体120内，外管220内壁与内管200外壁之间形成外腔室230，内管200内部形成内腔室210，内管200外壁套装有用于将外腔室230支撑在内腔室210周围的扶正器195，内管200内壁设有用于将内腔室210支撑在仪器170周围的扶正器195；内腔室210一端和外腔室230的一端通过内管200一端开设的端口240连通，膨胀阀150的出口通过第一导管190与内腔室210另一端连通，压缩机130的入口通过第二导管180与外腔室230连通。冷却液体流过内腔室210，能够吸收和去除来自仪器170的热量。

本实施例中，所述第一筒体110为高导电率的压力筒，第二筒体120为由陶瓷复合材料及其组合的材料制成的低导电率的压力筒。所述内管200由陶瓷复合材料及低导电率材料制成，外管220由陶瓷复合材料及低导电率材料制成，当然，扶正器195也由这种低导电率材料制成。冷却液体流过外腔室230，可以吸收来自周围井筒的热量。

本发明的原理为：当冷却液体通过内腔室时，从仪器吸收热量，随后冷却液体进入外腔室，从井筒吸收热量，吸热后的冷却液体可通过压缩机加压，冷凝器冷凝，膨胀阀冷却之后选择性地释放回内腔室，实现连续循环冷却系统，由此仪器实现隔热、冷却。

如图3所示，冷却系统可位于钻铤300中并由扶正器一310支撑。钻铤300确定了腔320位于钻铤300和冷却系统100之间。钻铤300可连接钻柱(未示出)。当钻井泥浆循环通过井下钻井工具时，泥浆穿过腔320。

利用本实施例的井下高温环境中的主动冷却系统在钻铤中工作时，具体步骤如下：

Step1.将仪器170固定在内腔室210内的扶正器195中，冷却流体从第一筒体110经导管190流入第二筒体120的热交换器160，冷却流体流过第一导管190，进入内腔室210并经过仪器170，，如箭头所示，冷却流体吸收仪器170产生的热量，冷却流体流出端口240并进入外腔室230；

Step2.冷却流体流过外管220，当冷却流体通过内腔室210和外腔室230时吸收热量，冷却流体被加热。通常，流体在通过内外室时沸腾并蒸发。然后冷却流体经由第二导管180从外管220流入压缩机130，冷却流体从第二筒体120通过第二导管180回到第一筒体110；

Step3.冷却流体进入压缩机130，压缩机130就将冷却流体压缩到所需压力，冷却流体从压缩机130流入冷凝器140，冷凝器140将冷却流体从蒸汽冷凝成液体，冷凝器140从冷却流体中散发热量并通过第一筒体110释放热量，如箭头所示；当冷却流体从冷凝器140通过并通过膨胀阀150时，冷却流体通过其膨胀进一步冷却，因为它准备第二次通过第二筒体120；

Step4.冷却的冷却流体流过膨胀阀150，膨胀阀150控制冷却流体进入第二筒120的流动。由此调节流体的流动以允许以所需的速率冷却，冷却流体经由第一导管190流入内腔室210。

重复上述步骤，即可实现循环对冷却，冷却效果更好。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种井下高温环境中的主动冷却系统，其特征在于，包括第一筒体和第二筒体，第一筒体内设有压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述压缩机的出口与冷凝器的流体进口连通，冷凝器的流体出口与膨胀阀的入口连通；所述第二筒体内设有热交换器，所述热交换器包括用于放置仪器的内管和位于内管外的外管，外管固定在第二筒体内，外管内壁与内管外壁之间形成外腔室，内管内部形成内腔室，内腔室一端和外腔室的一端通过内管一端开设的端口连通，膨胀阀的出口通过导管与内腔室另一端连通，压缩机的入口通过导管与外腔室连通。

2.根据权利要求1所述的井下高温环境中的主动冷却系统，其特征在于：所述第一筒体为高导电率的压力筒，第二筒体为由陶瓷复合材料及其组合的材料制成的低导电率的压力筒。

3.根据权利要求1所述的井下高温环境中的主动冷却系统，其特征在于：所述内管由陶瓷复合材料及低导电率材料制成，外管由陶瓷复合材料及低导电率材料制成。

4.根据权利要求1所述的井下高温环境中的主动冷却系统，其特征在于：所述内管外壁套装有用于将外腔室支撑在内腔室周围的扶正器，内管内壁设有用于将内腔室支撑在仪器周围的扶正器。

5.一种井下高温环境中的主动冷却方法，其特征在于：利用如权利要求1-4任一所述的井下高温环境中的主动冷却系统对仪器进行冷却，具体步骤如下：

Step1.将仪器固定在内腔室内的扶正器中，冷却流体从第一筒体经导管流入第二筒体的热交换器，冷却流体流过导管，进入内腔室并经过仪器，冷却流体吸收仪器产生的热量，冷却流体流出端口并进入外腔室；

Step2.冷却流体流过外管，当冷却流体通过内腔室和外腔室时吸收热量，冷却流体被加热，然后冷却流体经由导管从外管流入压缩机，冷却流体从第二筒体通过导管回到第一筒体；

Step3.冷却流体进入压缩机，压缩机就将冷却流体压缩到所需压力，冷却流体从压缩机流入冷凝器，冷凝器将冷却流体从蒸汽冷凝成液体，冷凝器从冷却流体中散发热量并通过第一筒体释放热量，当冷却流体从冷凝器通过并通过膨胀阀时，冷却流体通过其膨胀进一步冷却；

Step4.冷却的冷却流体流过膨胀阀，膨胀阀控制冷却流体经由导管流入内腔室。