CN109618530B - 一种井下工具的发热电子设备的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下工具的发热电子设备的冷却系统，包括位于外部流体内的井下工具，井下工具包括壳体，发热电子设备设置在壳体内，还包括设置在壳体内的可填充冷却流体的冷却流体罐、设置于壳体内用于将发热电子设备置于其中的传热壳体，发热电子设备与传热壳体内壁之间填充有导热材料，传热壳体壁内设有腔体，腔体设有两个端口，冷却流体罐设有冷却流体罐出口，还包括与冷却流体罐出口和传热壳体的两个端口连接的用于冷却流体和发热电子设备之间的热交换的主热交换装置，壳体设有与主热交换装置连接的用于排出换热后的冷却流体的冷却流体出口。与现有技术相比，本发明结构简单，对井下工具的发热电子设备的冷却效果好，便于推广使用。

Description

一种井下工具的发热电子设备的冷却系统

技术领域

本发明涉及井下测量和控制系统的冷却降温领域，特别是一种井下工具的发热电子设备的冷却系统。

背景技术

用于石油和天然气的井孔工业生产碳氢化合物(生产井)或注入流体，例如水，二氧化碳或氮(注入井)。通常，注入这种流体以增强烃的回收。最近，为了抵御全球变暖，降低大气中的二氧化碳浓度，为此减少了二氧化碳的注入。

通常，井筒衬有钢管或钢管，通常称为套管或衬管，在覆盖层部分中粘接，以减少不希望的流体从覆盖层或储层排出到地表环境中的风险。为了完成目前的储层部分，通常有几种选择，裸眼完井，或使用带有多个地层封隔器的衬管用来密封钢衬里周围的环形部分，或使用钢衬固定在适当的位置，并且通过在完井或完井的后期阶段对衬管和水泥进行穿孔来获得进入储层的通道井在开孔中使用衬管，在衬管中有预钻孔以进入储液器。应该注意的是，孔也可以在井寿命的后期制造。

在从地层中的井筒生产或注入流体期间，井筒可能由于化学反应或井眼的不稳定性而扩大。这可能是由于注入或生产压力变化或侵蚀可能发生的，例如在不稳定的地质构造如浊积岩生产的情况下，因为其不可预测的砂面破坏而产生大量的砂从而导致失败。此外，注入过程时，可能产生裂缝，导致出现不期望出现的注入井和生产井之间直接连通。另一方面，井会坍塌，例如在碾压时由压实引起的，储层中的压力降低，或通过使用用于提高注入性或生产率的化学品。后者可导致环的塌陷，并因此可能阻止储存器的进入，并因此阻止注入或生产。交叉流动也很重要，这是一种在环空中的现象。环空中的横流是在非胶结完井中沿着生产井或注入井的衬管的压力差的结果。后者可能导致生产损失或经济储备损失。

例如，井孔和/或套管或衬管和/或储存器部分可以进行检查，以便验证诸如压力或温度的物理性质，更一般地收集有关状态的信息，或为了观察缺陷或异常，特别是为了防止所有井的坍塌。

在利用所述通道处的提取设施来检索从储层到井筒顶端的通道的总长度可以总计达几百甚至几千米这样的数据是困难的且需要继续开发。这是由于传递与上述现象有关的数据的环境条件很艰苦，一般在储存器和通道之间延伸的钢管或钢管内。

石油和石油工业的发展使问题变得更加复杂。如今，采矿业面临着许多碳氢化合物生产的温度和压力水平高于二十年前的水平的问题。这意味着在过去使用适用于石油勘探和生产以及地热应用的工具和设备的可能不能再使用了。温度可达200℃或更高，压力可达2000MPa或更高。能够获得或处理这种数据的典型电子元件具有例如可容许的温度水平范围高达55℃，如果不对电子元件进行降温，会造成这些电子元件的寿命降低或直接损坏。

因此，亟待开发一种井下工具的发热电子设备的冷却系统。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种井下工具的发热电子设备的冷却系统。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种井下工具的发热电子设备的冷却系统，包括位于外部流体内的井下工具，井下工具包括壳体，发热电子设备设置在壳体内，还包括设置在壳体内的可填充冷却流体的冷却流体罐、设置于壳体内用于将发热电子设备置于其中的传热壳体，发热电子设备与传热壳体内壁之间填充有导热材料，传热壳体壁内设有腔体，腔体设有两个端口，冷却流体罐设有冷却流体罐出口，还包括与冷却流体罐出口和传热壳体的两个端口连接的用于冷却流体和发热电子设备之间的热交换的主热交换装置，所述壳体设有与主热交换装置连接的用于排出换热后的冷却流体的冷却流体出口。

进一步，所述主热交换装置由外部压力壳体和设置于外部压力壳体内部的内部密封薄壁金属壳体，内部密封薄壁金属壳体外壁与外部压力壳体内壁之间形成空腔，内部密封薄壁金属壳体一端与冷却流体罐出口连通、另一端与冷却流体出口连通，内部密封薄壁金属壳体外壁与外部压力壳体内壁之间形成的空腔内填充有二次冷却流体，外部压力壳体一端与传热壳体的其中一个端口连接、另一端通过循环泵与传热壳体的另一个端口连接。

进一步，所述内部密封薄壁金属壳体内分布有若干导热板。

进一步，所述冷却流体罐出口出连接有阀门，阀门的出口端连接有扼流圈，扼流圈的出口端与内部密封薄壁金属壳体一端连通。

进一步，所述内部密封薄壁金属壳体内设有膨胀阀，膨胀阀的入口端与扼流圈的出口端连接。

进一步，所述主热交换装置还包括可渗透钢，可渗透钢设置在内部密封薄壁金属壳体的外壁，或设置在外部压力壳体的内壁且与内部密封薄壁金属壳体的外壁接触。

进一步，所述井下工具的壳体内壁填充有隔热材料。

与现有技术相比，本发明通过将发热电子设备设置于传热壳体内并由传热壳体吸收发热电子设备产生的热量，经由主热交换装置中的二次冷却流体在传热壳体中循环将热量转移到主热交换装置中，冷却流体罐通过向主热交换装置中释放冷却流体，冷却流体与二次冷却流体进行热交换，进而降低二次冷却流体的温度以便二次冷却流体在传热壳体中循环时能够更好地吸收发热电子设备产生的热量。本发明结构简单，对井下工具的发热电子设备的冷却效果好，便于推广使用。

附图说明

图1是在井眼中具有井下工具的地层的示意性剖视图。

图2是在井眼中具有井下工具的地层的另一示意性剖视图，该井筒具有部分地由衬里覆盖的水平部分。

图3是本发明的结构示意图。

图4是本发明的主热交换装置的结构示意图。

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。

在图1中，井筒2钻在地层4中开采石油或天然气等自然资源。在图2中，井筒在表面6处或附近，从提取设备9连续地延伸到远离井口的井筒2的储存器8。

呈细长钢管或钢管形式的套管/衬套12位于井孔2内并从井口延伸到井孔2的地下部分。储存器8和/或套管/衬管12通常分别用流体16、17、18填充。流体16、17、18一般在生产井或水的情况下为油或气，在注入井的情况下为二氧化碳或氮气。

井下工具20位于管/衬管12内，内部具有电力存储器92(参见例如图2)可以自主操作，因此不需要在外部供电或接线。总之，井下工具20可以自由操作井筒2并且不需要电缆连接到表面。

井下工具20可另外是可移动，其通过移动已知的移动装置21，本领域技术人员可以在套管或衬套12内到达套管或衬套12中的任何所需位置，或者甚至移动到储存器8中。

井下工具20配备有根据本发明的冷却系统15，以便在恶劣的环境条件下在井筒2中进行测量。

参照图3，本实施例提供一种井下工具的发热电子设备的冷却系统，包括位于外部流体内的井下工具20，井下工具20包括壳体28，发热电子设备60设置在壳体28内，还包括设置在壳体28内的可填充冷却流体35的冷却流体罐30、设置于壳体28内用于将发热电子设备60置于其中的传热壳体50，冷却流体35可以使用高压液化氮35a，发热电子设备60与传热壳体50内壁之间填充有导热材料52，传热壳体50壁内设有腔体，腔体设有两个端口，冷却流体罐30设有冷却流体罐出口32，还包括与冷却流体罐出口32和传热壳体50的两个端口连接的用于冷却流体和发热电子设备60之间的热交换的主热交换装置40，所述壳体28设有与主热交换装置40连接的用于排出换热后的冷却流体35的冷却流体出口26。

如图4所示，本实施例中，所述主热交换装置40由外部压力壳体48和设置于外部压力壳体48内部的内部密封薄壁金属壳体43，内部密封薄壁金属壳体43内部腔体称作冷却流体侧40a，内部密封薄壁金属壳体43外壁与外部压力壳体48内壁之间形成空腔(此处称为二次冷却流体侧40b)，内部密封薄壁金属壳体43一端与冷却流体罐出口32连通、另一端与冷却流体出口26连通，内部密封薄壁金属壳体43外壁与外部压力壳体48内壁之间形成的空腔内填充有二次冷却流体45，外部压力壳体48一端与传热壳体50的其中一个端口连接、另一端通过循环泵54与传热壳体50的另一个端口连接。如图3所示，发热电子设备60是电子板60a，其中部件60b放置在电子板60a上，发热电子设备60嵌入导热材料52中以将热量传递到位于电子板60a周围的传热壳体50。在流过传热壳体50时，二次冷却流体45与发热电子设备60交换热能。在通过传热壳体50之后，二次冷却流体45被引导至循环泵54，循环泵54提供二次冷却流体45的循环，然后将二次冷却流体45再次供给到主热交换装置40的二次冷却流体侧40b与冷却流体侧40a进行热交换。

本实施例中，所述内部密封薄壁金属壳体43内分布有若干导热板。冷却流体35可以被引导到导热板加强热能交换。在交换热能之后，冷却流体35通过冷却流体出口26将其释放到外部流体18中。

如图3所示，本实施例中，所述冷却流体罐出口32连接有阀门34，阀门34的出口端连接有扼流圈46，扼流圈46的出口端与内部密封薄壁金属壳体43一端连通。阀门34仅包括打开状态和关闭状态，通过打开或关闭阀门34可选择冷却流体35到主热交换装置40。扼流圈46是用来调节提供给主热交换装置40的冷却流体35的量，46是固定扼流圈或可变扼流圈。

如图4所示，本实施例中，所述内部密封薄壁金属壳体43内设有膨胀阀36，膨胀阀36的入口端与扼流圈46的出口端连接。

如图4所示，本实施例中，所述主热交换装置40还包括可渗透钢47，可渗透钢47设置在内部密封薄壁金属壳体43的外壁，或设置在外部压力壳体48的内壁且与内部密封薄壁金属壳体43的外壁接触。可渗透钢47可以为气体渗透模具钢，以便二次冷却流体侧40b与冷却流体侧40a的热交换。

另外，本实施例中，所述井下工具20的壳体28内壁填充有隔热材料70。隔热材料70用于将冷却流体罐30、主热交换装置40、发热电子设备60隔离开。

本实施例的冷却原理为：将发热电子设备60设置于传热壳体50内并由传热壳体50吸收发热电子设备60产生的热量，经由主热交换装置40中的二次冷却流体45在传热壳体50中循环将热量转移到主热交换装置40中，冷却流体罐30通过向主热交换装置40的冷却流体侧40a释放冷却流体35，冷却流体35与二次冷却流体侧40b内的二次冷却流体45进行热交换，然后再经由循环泵54将热交换后的二次冷却流体45循环到传热壳体50中，这样就降低二次冷却流体45的温度以便二次冷却流体45在传热壳体50中循环时能够更好地吸收发热电子设备60产生的热量；在交换热能之后，冷却流体35通过冷却流体出口26将其释放到外部流体18中，可以打开阀门34继续向冷却流体侧40a释放冷却流体35；如此反复，即可持续对发热电子设备60进行冷却。

需要说明的是，本发明的冷却系统要设计成使得不管环境条件如何，冷却流体35也可以流出冷却流体出口26，举例来说，例如至少100巴(10MPa)，至少1000巴(100MPa)，至少5000巴(500MPa)的外部流体压力或高达20000巴(2000兆帕)。冷却系统还有利地设计成维持至少373K，至少423K或高达473K的外部流体温度。

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)

1.一种井下工具的发热电子设备的冷却系统，包括位于外部流体内的井下工具，井下工具包括壳体，发热电子设备设置在壳体内，其特征在于，还包括设置在壳体内的可填充冷却流体的冷却流体罐、设置于壳体内用于将发热电子设备置于其中的传热壳体，发热电子设备与传热壳体内壁之间填充有导热材料，传热壳体壁内设有腔体，腔体设有两个端口，冷却流体罐设有冷却流体罐出口，还包括与冷却流体罐出口和传热壳体的两个端口连接的用于冷却流体和发热电子设备之间的热交换的主热交换装置，所述壳体设有与主热交换装置连接的用于排出换热后的冷却流体的 冷却流体出口；所述主热交换装置由外部压力壳体和设置于外部压力壳体内部的内部密封薄壁金属壳体，内部密封薄壁金属壳体外壁与外部压力壳体内壁之间形成空腔，内部密封薄壁金属壳体一端与冷却流体罐出口连通、另一端与冷却流体出口连通，内部密封薄壁金属壳体外壁与外部压力壳体内壁之间形成的空腔内填充有二次冷却流体，外部压力壳体一端与传热壳体的其中一个端口连接、另一端通过循环泵与传热壳体的另一个端口连接。

2.根据权利要求1所述的井下工具的发热电子设备的冷却系统，其特征在于：所述内部密封薄壁金属壳体内分布有若干导热板。

3.根据权利要求1所述的井下工具的发热电子设备的冷却系统，其特征在于：所述冷却流体罐出口处连接有阀门，阀门的出口端连接有扼流圈，扼流圈的出口端与内部密封薄壁金属壳体一端连通。

4.根据权利要求3所述的井下工具的发热电子设备的冷却系统，其特征在于：所述内部密封薄壁金属壳体内设有膨胀阀，膨胀阀的入口端与扼流圈的出口端连接。

5.根据权利要求1所述的井下工具的发热电子设备的冷却系统，其特征在于：所述主热交换装置还包括可渗透钢，可渗透钢设置在内部密封薄壁金属壳体的外壁，或设置在外部压力壳体的内壁且与内部密封薄壁金属壳体的外壁接触。

6.根据权利要求1所述的井下工具的发热电子设备的冷却系统，其特征在于：所述井下工具的壳体内壁填充有隔热材料。

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