CN109600967A - 一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，包括设置于井下工具中的第一电热元件和第二电热元件、与第一电热元件热耦合用于产生功率对第一电热元件加热的加热模块、与第二电热元件热耦合用于降低第二电热元件温度的冷却器模块。与现有技术相比，本发明能够在井下工具中激活加热模块以使井下工具中的处于低温的电热元件的温度升高到工作范围；使用冷却器模块来冷却处于高温的电热元件以使处于高温的电热元件的温度冷却至适宜的工作范围。本发明可以直接设置于井下工具内，根据使用者需要来选择是对处于低温的电热元件加热或是对处于高温的电热元件冷却，结构简单，使用方便，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及井下工具中使用电热元件加热或者冷却领域，特别是 一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置。
背景技术
在钻井作业中，随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD系统以及电 缆系统)提供井筒定向测量、岩石物理测井和钻井信息，从而从地球 表面下定位和提取碳氢化合物。在这些操作中使用的不同工具包括各 种电气部件。这样的工具包括用于测量不同井下参数的传感器、数据 存储装置、流量控制装置、数据通信用的发射器/接收器等。井下温 度可以在低至高温之间变化，这会对电子元件的操作产生不利影响， 因此要对井下作业工具进行加热或者冷却，以保证其正常工作。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种用于对 井下工具的电热元件加热和冷却的装置。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，包括设置于 井下工具中的第一电热元件和第二电热元件、与第一电热元件热耦合 用于产生功率对第一电热元件加热的加热模块、与第二电热元件热耦 合用于降低第二电热元件温度的冷却器模块。
进一步，所述第一电热元件和第二电热元件至少有一部分设置于 固定在井下工具中的热障内。
进一步，所述加热模块为高温电源或换热器。
进一步，所述冷却器模块为换热器。
进一步，所述换热器由两种相变材料组成。
进一步，所述换热器还包括响应于至少一种相变材料的状态的反 馈指示器。
与现有技术相比，本发明能够在井下工具中激活加热模块以使井 下工具中的处于低温的电热元件的温度升高到工作范围；使用冷却器 模块来冷却处于高温的电热元件以使处于高温的电热元件的温度冷 却至适宜的工作范围。本发明可以直接设置于井下工具内，根据使用 者需要来选择是对处于低温的电热元件加热或是对处于高温的电热 元件冷却，结构简单，使用方便，便于推广使用。
附图说明
图1为本发明的第一种实施例的用于对井下工具的电热元件加 热和冷却的装置的结构示意图。
图2为本发明的第二种实施例的用于对井下工具的电热元件加 热和冷却的装置的结构示意图。
图3A为图2中的第一种储能装置的结构示意图。
图3B为图2中的第二种储能装置的结构示意图。
图4A为图2中的第三种储能装置的结构示意图。
图4B为图2中的第四种储能装置的结构示意图。
图5A为图2中的第五种储能装置的结构示意图。
图5B为图2中的第六种储能装置的结构示意图。
图6A为图2中的第七种储能装置的结构示意图。
图6B为图2中的第八种储能装置的结构示意图。
图7A为图2中的第九种储能装置的结构示意图。
图7B为图2中的第十种储能装置的结构示意图。
图8为本发明的第三种实施例的用于对井下工具的电热元件加 热和冷却的装置的结构示意图。
图9为两种相变材料的温度曲线。
图10为本发明的第四种实施例的用于对井下工具的电热元件加 热和冷却的装置的结构示意图。
图11为用于控制加热和冷却之间的功率流的流程图。
图12为本发明的第五种实施例的用于对井下工具的电热元件加 热和冷却的装置的结构示意图。
图13为本发明的第六种实施例的用于对井下工具的电热元件加 热和冷却的装置的结构示意图。
图14A为本发明的第七种实施例的用于对井下工具的电热元件 加热和冷却的装置的结构示意图。
图14B为本发明的第八种实施例的用于对井下工具的电热元件 加热和冷却的装置的结构示意图。
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所示，本实施例的一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装 置，该装置可以代表作为MWD系统的一部分的井下工具、作为电缆系统的一部 分的工具主体、临时试井工具等。下面将更详细地描述这样的系统的例子。该 装置包括高温电源102、冷却器模块104、热障106和高温传感器部分108。
在本实施例中，冷却器模块104包括一个或多个热交换器或其他 用于热能传递的部件。热交换器可以是平行流动换热器，其中两种流 体在同一端进入交换器，并彼此相对平行地行进。热交换器可以是逆 流换热器，其中两种流体在相对端进入交换器。热交换器也可以是横 流式换热器、板式换热器等。换热器可以由多层不同材料组成，例如 带有铝制翅片或板的铜流管。在一些实施例中，冷却器模块包括热声 冷却器，该热声冷却器能够从工具的一个区域去除热，例如由热敏电 热元件占据的区域，并将该热量传递到不具有温度敏感的其他区域。
热障106可以是绝热容器。热障106可以容纳不同的电热元件。 例如，热障106可以容纳可在低温下工作的电热元件。在一些实施例 中，这样的电热元件是COTS电热元件。高温传感器部分108包括一 个到多个不同的传感器，这些传感器包括在高温下可操作的电热元件。 可替代地，一些能够在高温下工作的电热元件可以容纳在热障106中， 并且在低温下可操作。
图2示出了第二种实施例的用于对井下工具的电热元件加热和 冷却的装置的结构示意图，图2示出了装置的更详细的框图。该装置 包括高温电源202、高温功率调节电热元件204、储能装置203、冷 却器模块104、低温电热元件206、热障106、高温遥测212和传感器214A～214N。
高温电源202耦合到高温功率调节电热元件204。高温电源202 可以该装置中的不同电负载提供电力。例如，不同的电负载可以包括 低温电热元件206、冷却器模块104、传感器214A-214N、高温遥测 212、储能器件203等。高温电源202可以是不同类型的。高温电源202可以产生包括交流(AC)或直流(DC)的任何功率波形。例如， 高温电源202可以是从钻孔中的泥浆流、基于振动的发电机等导出其 功率的流驱动发电装置。高温电源202可以是轴向、径向或混合流型。 在一些实施例中，高温电源202可由钻井液驱动的正位移马达驱动。
高温功率调节电子设备204可以接收和调节来自高温电源202的 功率。高温电源202位于传感器214A～214N附近，该传感器靠近钻 头。高温电源202定位在遥测系统的一部分的中继器附近的井口上。
高温电源202和高功率调节电热元件204可以包括在高温下可操 作的电气部件。电气元件可以由绝缘体上硅(SOI)组成，例如蓝宝 石上硅(SOS)。在一些实施例中，高温电源202和高温功率调节电热 元件204中的电气部件可操作的高温范围175-250℃，范围175-250℃ 等。
热障106阻碍了从外界环境到热障106中的电子或电气的热传递。 在一些实施例中，热障106可以包括绝缘的真空烧瓶、填充有绝缘固 体的真空烧瓶、填充材料的腔室、充气室、充液腔室或任何其他合适 的屏障。在一些实施例中，在热障106和井下工具的外壁之间可能存 在空间。该空间可以被抽空，从而阻碍从井下工具外部到热障106内 的电气部件的热传递。在一些实施例中，热障106可以容纳低温电热 元件206、至少一部分冷却器模块104和至少一部分传感器214A～ 214N。这些电气部件可操作的低温包括低于150℃、低于175℃的温 度；低于200℃，低于220℃，低于125℃，低于100℃35℃，低于 80℃，在0～80℃范围内，在-20～100℃范围内。
在一些实施例中，传感器214A～214N由高温电热元件构成，并 且不被容纳在热障106中。因此，传感器214A～214N可以承受在过 高温度下与环境的直接接触。在一些实施例中，传感器214A～214N 的至少有一部分具有不能在环境温度过高的情况下工作的部件。在这 样的配置中，这些传感器214A～214N的热敏元件可以部分地或完全 地封闭在热障106中。可选地或附加地，这些传感器214A～214N的 这些热敏感元件可以耦合到冷却器模块104。因此，这些热敏感元件 可以保持在其工作温度以下。传感器214A～214N可能代表用于传感、 控制、数据存储、遥测等的任何类型的电热元件。
传感器214A～214N可以是用于测量井下不同参数和条件的不同 类型的传感器，包括温度和压力、地下地层的各种特性(例如电阻率、 孔隙率等)、钻孔的特征(例如)。传感器214A～214N还可包括用于 确定钻孔方向的定向传感器。传感器214A～214N可以包括电磁传播 传感器、核传感器、声学传感器、压力传感器、温度传感器等。
传感器214的高温部分内的电气部件可以由绝缘体上硅(SOI)、 蓝宝石上硅(SOS)、碳化硅等组成，在一些实施例中，传感器214 的高温部件的电气部件的在高温是可操作的，包括150℃以上(℃)、 175℃以上、200℃以上、220℃以上、175-250℃范围内、175-250℃、 等。在一些实施例中，传感器214的低温部件的电气部件在低温是可 操作的，包括温度低于150℃、低于175C、低于200℃、低于220C、 低于125℃、低于100℃、低于80℃、在0～80℃范围内、在20～100℃ 范围内等。在一些实施例中，遥感遥测212的高温部件的电气部件的 高温是可操作的，包括温度高于150摄氏度(℃)、高于175℃、高于 200℃、高于220℃、在175-250C范围内、175-250C范围内等。
电源可以从高温电源202提供给冷却器模块104。可选地或附加 地，可以直接从钻孔内流体的流动向冷却器模块104供电。如果冷却 器模块104由流体流驱动，则可以使用磁转矩耦合器来避免通过机械 流体屏障的机械耦合来使用动态密封。这种布置为冷却器提供了直接 的机械动力。此外，流体流动所提供的机械功率可用于驱动液压或气 动泵，该液压泵或气动泵可用于驱动液压或气动马达或其它部件，以 提供冷却器的机械驱动。在一些实施例中，冷却器模块104可以包括 热声冷却器。热声冷却器通常以大致相同的速度工作，而流体流率可 能显著变化。因此，变速离合器可用于向冷却器模块104提供恒定的 旋转速率。变速离合器可以具有机械传动装置，或者可以使用可变流 变流体，例如磁流变液。此外，可以通过改变流体流动中发电机叶片 上的翅片的角度来改变转速。在高流速下，可以使用制动器来限制叶 片的旋转速度。来自高温电源202的功率可以是电的和/或机械的。例如，冷却器模块104可以直接用机械能供电。换言之，流体流动可 能引起机械运动，从而向冷却器模块104提供动力。可选地或附加地， 流体流动可能引起机械运动，产生机械能，从而产生机械运动，从而 向冷却器模块104提供动力。
储能装置203可以是适于向井下工具提供动力的任何能量存储 装置。储能装置的实例包括主电池(即，不可再充电电池)，例如锂 电池、熔盐电池或热储备电池，次级(即可再充电)电池，例如熔盐 电池、固态电池或锂离子电池，燃料电池，如固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池或熔融碳酸盐燃 料电池、电容器、内燃机等热机，以及它们的组合。上述能量存储装 置在本领域中是众所周知的。
储能装置203可以为该装置中的不同电负载提供电力。例如，不 同的电负载可以包括低温电热元件206、冷却系统104、传感器114A～ 114N、高温遥测112等。能量存储装置203可以具有相对较高的最 小工作温度，其通常由能源储存设备的供应商和/或制造商提供并确 定的。举例来说，一些高温储能装置的最低工作温度如下：钠/硫熔 盐电池(通常是二次电池)工作在约290℃至约390℃；钠/金属氯化 物(例如氯化镍)熔盐电池通常为二次电池)工作在约220℃至约450℃； 锂铝/二硫化铁熔盐电池工作在约500℃附近；钙/钙铬酸盐电池工作 在约300℃附近；磷酸燃料电池工作在约150℃至约250℃；熔融碳 酸盐燃料电池工作在约650℃至约800℃；固体氧化物燃料电池工作 在约800℃至约1000℃。
在一些实施例中，能量存储装置203可以基于不同类型的机械弹 簧配置。图3A～3B根据本发明的一些实施例，示出了机械弹簧配置 作为能量存储装置。图3A示出了根据本发明的一些实施例的包括扭 转动力弹簧的能量存储装置。特别地，图3A示出了包括扭转功率弹 簧302以存储功率的能量存储装置。扭转动力弹簧302通过驱动轴 304连接到动力源308。因此，扭转动力弹簧302可以向电源308供 电，用于为该装置中的部件供电。
图3B示出了根据本发明的一些实施例的包括压缩弹簧的能量存 储装置。特别地，图3B示出了储能装置，其包括排气室324内的弹 簧322。弹簧322是用来储存动力的。弹簧322通过液压流体326连 接到动力源328。因此，弹簧322可以向电源328供电，用于为该装置中的部件供电。
在一些实施例中，能量存储装置203可以基于不同类型的静压室 配置。图4A-4B示出了根据本发明的一些实施例的流体静压室配置作 为能量存储装置。图4A示出了根据本发明的一些实施例的包括静压 驱动机械系统的能量存储装置。特别地，图4A示出了包括静水压力 402的能量存储装置。静水压力402与驱动活塞404相邻(可以是非 旋转的)。该储能装置还包括与驱动活塞404相邻的扭转轴406(与 静水压力402相对)。该储能装置包括与扭轴406相邻的增速器408 (与驱动活塞404相对)。储能装置包括与增速器408相邻的驱动轴410(与扭转轴406相对)。该储能装置包括邻近驱动轴410(与增速 器408相对)的电源412。该储能装置还包括与电源412相邻的排气 室414(与驱动轴410相对)。
图4B示出了根据本发明的一些实施例的包括静压驱动液压系统 的储能装置。特别地，图4B示出了包括静水压力422的储能装置。 静水压力422位于活塞424附近(可能是浮动的)。该储能装置还包 括与活塞424相邻的液压流体426(与静水压力422相反)。该储能装置包括与液压流体426相邻的电源428(与活塞424相对)。该储 能装置包括与电源428相邻的排气室430(与液压流体426相对)。
在一些实施例中，能量存储装置203可以基于不同类型的高质量 配置。图5A～5B根据本发明的一些实施例，示出了作为能量存储装 置的高质量配置。图5A示出了包括质量驱动的机械系统的能量存储 装置。特别地，图5A示出了包括质量块502的能量存储装置。质量 块502位于扭转轴504附近。该储能装置还包括与扭力轴504相邻的 增速器506(与质量502相对)。该储能装置还包括与增速器506相 邻的驱动轴508(与扭转轴504相对)。该储能装置还包括与驱动轴 508相邻的电源510(与增速器506相对)。
图5B示出了包括质量驱动液压系统的能量存储装置。特别地， 图5B示出了包括排气室524内的质量522的能量存储装置。排气室 524位于液压流体526附近。该储能装置还包括与液压流体526相邻 的电源528(与排气室524相对)。
在一些实施例中，能量存储装置203可以基于不同类型的差压驱 动配置。图6A－6B示出了根据本发明的一些实施例的差压驱动配置 作为能量存储装置。图6A示出了包括差压驱动的机械系统的能量存 储装置。特别地，图6A示出了包括环形压力端口602的能量存储装 置。环形压力端口602位于驱动活塞604附近(其可以是非旋转的)。 该储能装置还包括与驱动活塞604相邻的扭转轴606(与环压力端口 602相对)。该储能装置还包括与扭轴606相邻的增速器608(与驱动 活塞604相对)。该储能装置还包括与增速器608相邻的驱动轴610 (与扭转轴606相对)。该储能装置还包括与驱动轴610相邻的电源 612(与增速器608相对)。该储能装置包括与电源612相邻的油管压 力端口614(与驱动轴610相对)。
图6B示出了包括差压驱动液压系统的储能装置。特别地，图6B 示出了包括环形压力端口622的能量存储装置。环空压力端口622定 位在与活塞624相邻的位置(其可以是浮动的)。该储能装置还包括 与活塞624相邻的液压流体626(与环瓣压力端口622相对)。该储能装置还包括邻近于液压流体626(与活塞624相对)的电源628。 该储能装置还包括与电源628相邻的油管压力端口630(与液压流体 626相对)。
在一些实施例中，能量存储装置203可以基于不同类型的压缩气 体驱动配置。图7A-7B示出了根据本发明的一些实施例的压缩气体驱 动配置作为能量存储装置。图7A示出了包括压缩气体驱动的机械系 统的能量存储装置。特别地，图7A示出了包括惰性气体电荷702的 能量存储装置。惰性气体电荷702位于驱动活塞704附近(可能是非 旋转的)。该储能装置还包括与驱动活塞704相邻的扭转轴706(与 惰性气体电荷702相对)。该储能装置还包括与扭轴706相邻的增速 器708(与驱动活塞704相对)。该储能装置还包括与增速器708相邻的驱动轴710(与扭转轴706相对)。该储能装置还包括与驱动轴 710相邻的电源712(与增速器708相对)。该储能装置包括与电源 712相邻的排气室714(与驱动轴710相对)。
图7B示出了包括压缩气体驱动液压系统的能量存储装置。特别 地，图7B示出了包括惰性气体电荷722的能量存储装置。惰性气体 电荷722位于活塞724附近(可能是浮动的)。该储能装置还包括与 活塞724相邻的液压流体726(与惰性气体电荷722相对)。该储能装置还包括与液压流体726相邻的电源728(与活塞724相对)。该 储能装置包括与电源728相邻的排气室730(与液压流体726相对)。
因此，如所描述的，一些实施例提供低温电气部件(例如，容纳 在热障106中的)与高温电子部件(如高温电源202的一部分、高温 功率COND)的组合。用于井下作业的电子设备204、高温遥测技术 212、传感器214等。
在一些实施例中，控制器可用于控制该装置中的功率流。图8示 出了根据本发明的一些实施例的用于井下操作的工具的更详细的图， 该工具包括用于控制加热和冷却之间的功率流的配置。特别地，图8 示出了该装置的部件的更详细的框图。图8包括耦合到控制器824的 电源802。控制器824耦合到传感器812。控制器824还耦合到加热 器806和冷却器模块822。
加热器806被热耦合到能量存储装置804。冷却器模块822热耦 合到电子设备820。热耦合可以通过传导、对流、辐射等。可选的热 障816也可以至少部分地包围加热器806、传感器812和储能装置804。 可选的热障818也可以至少部分地包围冷却器模块822、电热元件820 和传感器812。加热器806可以是欧姆电阻加热器。电源802和冷却 器模块822可以分别与图2所示的电源和冷却器模块相似。
可选的散热器835可以热耦合到加热器806。加热器806的散热 器835允许热能在能量不被其他部件消耗的时候被给予储能装置804。 例如，可以将热量传递到表面附近的热源附近的散热器835内的相变 材料。散热器835可以在穿过钻孔的冷部分的过程中向储能装置804 提供热量。另外，连接到加热器806的散热器835可以增加加热器 806保持关闭的持续时间，从而为使用电子设备820提供额外的时间。
可选的散热片836可以热耦合到电热元件820。在一些实施例中， 散热器835和/或散热器836包括相变材料。在一些实施例中，散热 器835和/或散热器836包括不止一种相变材料。这样的散热器可用 于基于相变材料的状态触发事件。在一些实施例中，散热器835/836 可以由两种相变材料组成。根据本发明的一些实施例，图9示出了作 为时间函数的散热器内的两种相变材料的温度曲线。如图所示，图9 包括相变材料A和相变材料B的时间温度函数。相变材料A902的熔 化温度低于相变材料B904的熔化温度。温度上升直至达到相变材料 A的熔化温度906。相变材料A熔化后，温度升高908。温度上升直 至达到相变材料B的熔化温度910。该第二平台提供了一个警告，即 散热器中的两种相变材料即将被耗尽。
例如，即将发生的相变材料的耗尽可以触发一个或多个事件。一 个事件的例子可能是大功率设备的关闭或停止运行以减少产生的热 量。在另一个例子中，相变材料中的给定变化可以触发信号给操作者 以退出孔。例如，相变材料的变化可以代表井下过热。事件的另一个 例子可以是加热器/冷却器系统的反馈指示器，其需要施加或多或少 的功率来增加或减少加热/冷却能力。事件的另一个例子可以是辅助 或备用加热/冷却供应(例如放热/内热化学反应)的激活。在一些实 施例中，相变材料的状态可以作为系统性能的预测器、诊断评价等。 可以监测相变材料的温度，以优化加热和/或冷却系统的性能。
当用两种相变材料描述时，可以使用较少或增大数量的材料。如 果使用更多的部件，则可以获得对散热器的使用的更精确的估计。在 一些实施例中，相变材料的部分不能混溶。通过制备相变材料的乳液， 可以通过使材料具有疏水性/亲水性来控制混溶性。在一些实施例中， 如果相变材料混合在一起，则材料可以物理分离。例如，其中一种材 料可以被封装在金属、塑料、玻璃、陶瓷等中。相变材料都可以放置 在泡沫的声音空间中。
参考图9，两种相变材料可以在材料A和材料B的熔化之间时间 宽度T。在这种情况下，热耦合到散热器(例如，图8所示的能量存 储装置804)的电气部件可以被配置为操作在材料A的熔化温度和材 料B的熔化温度之间的温度范围内，因此，有一个散热材料A，以保持电气部件足够冷却以用于操作。还有一种散热材料B，在环境温度 过高时防止电气部件过热，加热器上的恒温器失效，高功率使用的内 部加热产生过多的热量等。散热器835/836的组成不受限于相变材料。 例如，散热器835/836也可以由各种金属组成，例如铜、铝等。
返回到图8，存储在能量存储装置804中的能量可以用于向电负 载810、加热器806、冷却器模块822、电热元件820等供电。电负 载810可以代表井下不同的电负载。参考图2，例如，电负载810可 以包括传感器214、高温遥测212等。电源802也可以向电负载810、 电子820等供电。
此外，电源802可以被可切换地操作以向加热器806和冷却器模 块822提供电力。在一些实施例中，在低温下，来自电源802的功率 的较大百分比或全部被提供给加热器806。相反，在高温下，来自电 源802的功率的较大百分比或全部被提供给冷却器模块822。
在加热和冷却之间的功率调度可以允许较小的发电机。特别地， 对于简单所有负载的总功率可以大于由电源802提供的功率。这是可 能的，因为在一些实施例中，并非所有的负载同时使用。在一些实施 例中，电源802从泥浆流井下导出电力。功率调度可以允许在较低的 流量下进行完全操作。
控制器824可以是直接线连接、电感耦合、反馈控制器、前馈控 制器、预编程定时控制器、神经网络控制器、自适应控制器等，其允 许功率在电源802和加热器806之间、电源802和冷却器模块822 之间变换。例如，在一些实施例中，控制器824可以是脉冲宽度调制控制器，其改变脉冲宽度以调节所施加的电压的占空比。
图中所示控制器824基于来自传感器812的输入来控制功率的分 配。传感器812被示为监测储能装置804和电子设备820的温度。实 施例不受限制。例如，控制器824可以基于来自传感器812的输入(并 且不一定是两者)来控制。可选地或附加地，控制器824可以基于被 定位为测量井下环境温度的另一传感器(未示出)来控制。替代地或 另外，控制器824可以基于散热器835和/或散热器836内的相变材 料的温度来控制。在一些实施例中，加热器806和冷却器模块822可 以调节从控制器824接受的功率量。例如，如果冷却器模块822不需要用于冷却的功率，则冷却器模块822可以包括其自身的控制器来调 节接受多少功率。可选的恒温器可以耦合到加热器806和冷却器模块 822。控制可以基于来自储能装置804/电热元件820或散热器835/836 的温控器的温度基准。
在一些实施例中，储能装置804可以是热障818内。因此，储能 装置804可以是可在低温(如主锂电池)工作的器件。在一些实施例 中，该工具可以包括多个储能装置，其中一个或多个可以定位在热障 818外，一个或多个可以容纳在热障818中。在一些实施例中，散热 器836可以位于冷却器模块822和电子设备820之间。在一种这样的 配置中，散热器835可能不存在。
图10示出了根据本发明的一些实施例的用于井下操作的工具中 的功率和热流，包括用于控制加热和冷却之间的功率流的配置。功率 流和热流分别由实线和虚线示出。电源802被表示为从井下泥浆流 1004接收电力的涡轮1006。
控制器824耦接以接收来自涡轮1006的动力。控制器824耦合 为了可切换地向冷却器模块822和加热器806供电。控制器824还耦 合为了可切换地向电热元件820和能量存储装置804供电。在一些实 施例中，可以同时向电子设备820和能量存储设备804供电，或者将 其提供给电子设备。
控制器824可以被配置为从多个源接收功率。例如，控制器824 可以从发电机和能量存储装置接收功率。来自发电机的功率可以通过 控制器824以可变的比例分配给储能装置804、冷却器模块822、电 热元件820、加热器806、电热元件820(包括传感器)和控制器824中的任何一个或全部。在一些实施例中，来自能量存储装置804的功 率可以通过控制器824以可变的比例分配给电热元件820(包括传感 器)。能量存储装置804的功率可能在短时间内被分配给冷却器模块 822或加热器806。
关于热流，热可以在散热器836和冷却器模块822之间进行交换。 热也可以在散热器835和加热器8806之间进行交换。热量也可以从 电子设备820流向冷却器模块822和储能装置804。热量也可以从冷 却器模块822流向环境1018和加热器806。热量也可以从加热器806 流向储能装置804。
热流和功率流不限于图10所示的那些。例如，关于热流，方向 取决于相对温度。在一些实施例中，热在电热元件820和散热器836 之间、散热器836和冷却器模块822之间以及冷却器模块822和环境 418之间流动。热量也可以在加热器806和储能装置804之间流动。
现在描述图8中所示的配置的操作。特别地，图11示出了根据 本发明的一些实施例的用于控制加热和冷却之间的功率流的流程图。 流程图在块1102开始。
在块1102，确定井下温度(或可选地改变井下温度的变化率)。 参照图8，控制器824可以做出这种确定。控制器824可以基于来自 井下多个传感器中的一个的数据来进行这种确定。
例如，控制器824可以确定工具外部或内部的环境温度。控制器 824可以确定储能装置804和/或电子设备820的温度。控制器824 还可以确定一个或多个相变材料在多个散热器中的一个(例如，散热 器835或散热器836)内的温度。流程在块1104继续。
在块1104，来自电源的功率被分配在加热器和冷却器之间，该 加热器是基于井下温度的井下操作工具的一部分。参照图8，控制器 824可以进行这种分配。控制器824可以基于井下温度分配不同百分 比、全部和无等。
例如，如果井下温度低于最小值，控制器824可以将所有功率分 配给加热器806。如果井下温度高于最小值但低于阈值，控制器824 可以将更高百分比的功率分配给加热器806。如果井下温度高于阈值， 控制器824可以将所有的功率分配到冷却器模块822。在一些实施例 中，如果井下温度被定义为低，控制器824可以将加热器的优势分配 给加热器806。如果井下温度被定义为高，控制器824可以将优势的 功率分配给冷却器模块822。例如，低温可定义为小于100℃的温 度；高温可定义为100℃或更高的温度。因此，控制器824可以使用 多种不同的技术在加热器和冷却器之间分配功率。虽然描述了分配在 加热器和冷却器模块之间，但实施例并不局限于此。例如，控制器 824可以将功率分配给工具的其他部件。特别地，控制器824可以在 加热器806、冷却器模块822、电热元件820、散热器836、散热器835等之间分配功率。
在一些实施例中，可再充电储能装置被用来为井下的电气部件供 电。
例如，参照图2和8，储能装置203/804可以是可再充电的。可 更换的储能装置可以由井下电源充电。例如，涡轮发电机可用于对可 充电储能装置充电。在一些实施例中，可再充电的能量存储装置可以 在地面充电。换言之，可充电储能装置在被放置在井之前被充电。在 一些实施例中，可再充电储能装置可以是不同类型的电池(例如熔盐 电池)。可充电储能装置可以在高温下工作。可再充电储能装置可工 作的高温包括高于60℃、高于120℃、高于175℃、高于220℃、 高于600℃、在175-250℃范围内、在220～600℃范围内等。低 于这些温度时，储能装置可以提供电能，但由于内阻增加，电容减少， 循环寿命减少，或其他一些与温度相关的行为而被定义为“不可操作”。
在一些实施例中，可再充电储能装置可以在低温下工作。可再充 电储能装置可运行的低温包括低于100℃、低于150℃、低于175 ℃、低于200℃、低于220℃、低于125℃、低于100℃、低于80 ℃、在0～80℃范围内、在-20～100℃范围内等。更高的温度下， 这些可再充电储能装置可以提供电能，但由于自放电的增加、循环寿 命的减少、电流输出的减少、安全性的降低或其他一些与温度相关的 行为而被定义为“不可操作”。
能量存储装置和可再充电储能装置可以将能量存储在电化学反 应中，例如电池、电容器和燃料电池。能量存储装置和可充电能量存 储装置可以将能量存储在机械势能中，例如弹簧和液压组件，或机械 动能，例如飞轮和振荡组件。
井下的电气部件可以由电源(例如由井下泥浆流供电的涡轮发电 机)、由工具串的振动供电的基于振动的发电机、由流体引起的振动 供电的基于振动的发电机、原子衰变供电的核动力源、基于液压蓄能 器的电源、基于蓄能器的动力源、基于飞轮的电源、基于静压转储室 的电源的一个或多个可充电能量存储装置组合来供电。在图2中示出 了这样的配置的一个示例。例如，有足够的流体流动时电气部件可以 由发电机直接供电。电组件不消耗的电力可用于对一个或多个可再充 电储能装置充电。在无流量条件下，所有或部分电气部件可由一个或 多个可再充电能量存储装置供电。例如，当正在改变钻台(无流体流动)时，可以关闭冷却系统和/或加热器，并且可以由可再充电储能 装置提供用于选择传感器和/或电热元件的功率。
一些实施例使用控制器(类似于图8所示的控制器)来控制来自 发电机、可再充电能量存储装置和能量存储装置之间的功率分配。因 此，控制器用作电源集线器，以将来自发电机、可再充电储能装置和 储能装置的功率引导到井下不同的电负载。图12和13分别示出了根 据本发明的一些实施例，包括可再充电能量存储装置的工具的部分的 功率流和热流。特别地，图12示出了根据本发明的一些实施例的包 括可再充电能量存储装置的用于下空穴操作的工具中的功率流。
如图所示，发电机1206和冷却器1204从流1208接收功率。控 制器被耦合以接收来自发电机1206、可再充电能量存储装置1210和 能量存储装置1214的功率。控制器1202将功率分配到冷却器1204 和电子设备1212。因此，冷却器1204可以直接从流1208或从控制 器1202接收功率。能量存储装置1214还可耦合以向发电机1206供 电。控制器1202还可以从发电机1206和储能装置1214功率分配到 可再充电储能装置1210。
图13示出了根据本发明的一些实施例的用于井下操作的工具中 的热流，该井下操作包括可再充电储能装置。热可以从发电机1306 流向冷却器1304和泥浆流1308。在冷却器1304和可充电存储装置 1310之间进行热交换。热也可以在冷却器1304和储能装置1314之 间进行交换。因此，来自冷却器1304的热量可以提高可充电存储装 置1310和储能装置1314的效率(特别是如果这些器件在高温下可操 作)。或者，冷却器1304可以在环境温度超过这些装置的最大操作温 度时向可更换存储装置1310和能量存储装置1314提供额外的冷却。 热可以在冷却器1304和电子设备1312之间进行交换。因此，冷却器 1304通过接受来自那里的热量而向电子设备1312提供冷却。如果需 要恒定温度基准，冷却器1304也可以向电热元件1312提供热量。可 以在可充电储能装置1310和储能装置1314之间进行热交换。热从电 子设备1312流向可再充电能量存储设备1310和能量存储设备1314。
与交流电源相比，直流电源(例如可再充电储能装置)可以为电 气部件提供更清洁的电源。因此，在一些实施例中，涡轮发电机(或 其他交流电源井下)可用于对可充电能量存储装置进行充电，然后再 对电气部件供电。换言之，在这样的配置中，发电机不用于直接向电 气部件供电。
图14A和14B示出了这样的配置的不同类型。图14A示出了根 据本发明的一些实施例的井下操作工具的更详细的图，该工具包括可 供井下供电的可再充电储能装置。交流电源1402可以从流体流或钻 柱运动接收机械功率，并且可以将机械功率转换成电功率。交流电源 1402可以是任何类型的发电机(如涡轮发电机，如上所述)。来自交 流电源1402的电力可以由变压器1404接收，变压器1404升压或降 压交流电源1402的交流电。来自变压器1404的变换电流可以被耦合 以输入整流器1406。整流器1406将电流转换成直流电流，然后可以 将直流电流用于对可充电储能装置1408和可再充电储能装置1410 进行充电。可再充电储能装置1408和可充电储能装置1410可以向电 子设备1412提供DC电源。控制器1407可以耦合到整流器1406、可 再充电能量存储装置1408和可再充电储能装置1410。控制器1407控制可再充电的储能装置中的哪一个被充电，并且可充电的能量存储 装置中的哪一个为电热元件1412供电。因此，直流电流电源可用于 基于交流电流源向电子设备1412供电。在一些实施例中，当一个可 再充电储能装置被充电时，另一个可以用于向井下电子设备供电。控 制器1407可以基于每个设备中的能量存储量来控制切换。例如，如 果可再充电的能量存储装置1408正在供电并且几乎耗尽了存储的能 量，控制器1407可以切换，使得可充电能量存储装置1410在充电的 能量存储装置被充电时提供电力。
图14B示出了根据本发明的其他实施例的井下操作工具的更详 细的图，该工具包括可供井下供电的可再充电储能装置。图14B具有 与图14A相似的结构。然而，整流器1406首先接收来自电源1402 的交流电。转换器1405被耦合以接收来自整流器1406的直流电。转换器1405可以执行直流到直流升压转换以提高直流电压。而图14A 至14B是参照交流电源来描述的，实施例不受限制。图14A～14B中 所示的工具可以包括任何其他类型的电源。
此处所示的实施例可以以各种组合。例如，图8的结构(具有用 于在加热和冷却之间切换的控制器824)可以与图的配置相结合。 14A～14B(具有与多个可再充电能量存储装置结合的AC电源)。
综述，本发明能够在井下工具中激活加热模块以使井下工具中的 处于低温的电热元件的温度升高到工作范围；使用冷却器模块来冷却 处于高温的电热元件以使处于高温的电热元件的温度冷却至适宜的 工作范围。
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 (6)
1.一种用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，其特征在于，包括设置于井下工具中的第一电热元件和第二电热元件、与第一电热元件热耦合用于产生功率对第一电热元件加热的加热模块、与第二电热元件热耦合用于降低第二电热元件温度的冷却器模块。
2.根据权利要求1所述的用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，其特征在于：所述第一电热元件和第二电热元件至少有一部分设置于固定在井下工具中的热障内。
3.根据权利要求1所述的用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，其特征在于：所述加热模块为高温电源或换热器。
4.根据权利要求1所述的用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，其特征在于：所述冷却器模块为换热器。
5.根据权利要求3或4所述的用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，其特征在于：所述换热器由两种相变材料组成。
6.根据权利要求5所述的用于对井下工具的电热元件加热和冷却的装置，其特征在于：所述换热器还包括响应于至少一种相变材料的状态的反馈指示器。
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|---|---|---|---|---|
| CN110374580A (zh) * | 2019-08-14 | 2019-10-25 | 宏华油气工程技术服务（四川）有限公司 | 一种仪器降温装置 |
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