CN109630044A - 一种冷却井下工具部件的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却井下工具部件的装置，所述冷却井下工具部件的装置包括具有储存饱和蒸气压的液体制冷剂的储存室，储存室设有允许液体制冷剂从储存室排出并蒸发的蒸汽出口，蒸汽出口与井下工具部件连通；还包括用于对储存室中的液体制冷剂施加压力以将储存室中的液体制冷剂维持在制冷剂的饱和蒸汽压力或高于液体制冷剂的饱和蒸汽压力的压力施加装置。与现有技术相比，本发明结构简单，使用方便，对井下工具的待冷却部件的冷却效果好，便于推广使用。

Description

一种冷却井下工具部件的装置

技术领域

本发明涉及井下工具冷却降温技术领域，特别是一种冷却井下工具部件的装置。

背景技术

使用钻井和评估装置和工具钻探用于生产碳氢化合物(石油和天然气)的井筒。钻井后使用电缆测井仪来记录这些井。目前的钻井和测井工具包括各种复杂的传感器，电子电路和液压元件，以执行复杂的钻井作业，并在井下获得各种测量，以确定地层的各种参数，并评估和监测钻井和电缆操作。深井中存在严重的井下环境条件，例如高达300℃的温度和高于10,000psi的压力。一些井钻到10000米。这种井下条件对用于钻井的材料和电子设备提出了很高的要求，进行了随钻测量(MWD)和电缆测量。基于珀耳帖效应的热电冷却器和其他类型的装置(例如烧瓶)已被用于将某些组件的温度保持在低于200℃的环境温度约50℃。然而，在井下作业期间，流体蒸发通常不具有外部冷却。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术总存在的不足，提供一种冷却井下工具部件的装置。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种冷却井下工具部件的装置，所述冷却井下工具部件的装置包括具有储存饱和蒸气压的液体制冷剂的储存室，储存室设有允许液体制冷剂从储存室排出并蒸发的蒸汽出口，蒸汽出口与井下工具部件连通；还包括用于对储存室中的液体制冷剂施加压力以将储存室中的液体制冷剂维持在制冷剂的饱和蒸汽压力或高于液体制冷剂的饱和蒸汽压力的压力施加装置。

进一步，所述冷却井下工具部件的装置还包括设置在储存室的蒸汽出口设有第一流量控制阀以及与第一流量控制阀连接的控制器。

进一步，所述压力施加装置包括设置于储存室内的第二腔室、将储存室和第二腔室分隔开的活塞，以及设置在第二腔室内的弹簧，活塞与储存室内壁滑动配合，弹簧一端与第二腔室一端的内壁固定连接、另一端与活塞固定连接。

进一步，所述压力施加装置包括设置于储存室内的填充有次级流体的第二腔室，以及将储存室和第二腔室分隔开的活塞，活塞与储存室内壁滑动配合以使储存室内的液体制冷剂和第二腔室中的次级流体之间处于压力连通状态。

进一步，所述压力施加装置包括包覆在储存室外且填充有次级流体的第二腔室，储存室由可收缩容器制成。

进一步，所述压力施加装置包括与储存室一端连通的填充有制冷剂的第二腔室、设置于储存室中的第一活塞和设置于第二腔室中的第二活塞，第二活塞的直径大于第一活塞的直径。

进一步，所述冷却井下工具部件的装置还包括用于容纳井下工具部件的存储装置，存储装置的入口与储存室的蒸汽出口连通，存储装置的出口连接制冷剂蒸汽吸附装置，制冷剂蒸汽吸附装置设有排出液体制冷剂的制冷剂出口，制冷剂出口通过管道与储存室中的制冷剂连通，管道与储存室连接处设有与控制器连接的第二流量控制阀。

进一步，所述液体制冷剂为水，次级流体为丙醇。

与现有技术相比，本发明通过将具有饱和蒸汽压力的液体制冷剂从储存室蒸发排出到井下工具的待冷却部件，以对井下工具的待冷却部件产生冷却效果，而且通过压力施加装置将储存室中的液体制冷剂始终维持在制冷剂的饱和蒸汽压力或高于液体制冷剂的饱和蒸汽压力；另外还可以通过制冷剂蒸汽吸附装置将蒸发或的制冷剂收集然后回流到储存室中从而能够持续对井下工具的待冷却部件进行冷却降温。本发明结构简单，使用方便，对井下工具的待冷却部件的冷却效果好，便于推广使用。

附图说明

图1为实施例1的包括井下工具的钻井系统。

图2为实施例1的冷却井下工具部件的装置的结构示意图。

图3为实施例1的液体制冷剂和次级流体的饱和蒸汽压力与温度的示例性关系。

图4为实施例2的压力施加装置的结构示意图。

图5为实施例3的压力施加装置的结构示意图。

图6为实施例4的压力施加装置的结构示意图。。

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。

图1示出了包括井下工具的示例性钻井系统，该井下工具包括根据本发明的一个实施案例制造的冷却系统，该冷却系统被配置成在井下操作期间冷却这些工具的组件。图1示出了钻井系统的示意图，该钻井系统用于在地层160中钻井筒126，并且用于在钻井126期间估算井筒126周围的地层的有关性质或特征。钻探系统包括钻柱120，钻柱120包括附接到钻探管(钻杆)122的底端的钻探组件或底部钻具组合(BHA)190。钻探系统进一步示出为包括竖立在地板112上的传统井架111，地板112支撑由原动机旋转的旋转台114，例如电动机(图中未示出)，以使钻管122以所需的转速旋转。钻管122通常由接合的金属管部分构成，并从旋转台114向下延伸到井筒126中。其附接到BHA190的端部的钻头150在其旋转以钻出井筒126时分解地质构造。钻柱120经由凯利接头121，旋转接头128和线129通过滑轮连接到绞车130。在钻井井筒126期间，汲取工程130控制钻头上的重量(WOB)，其影响穿透速率。

在钻井操作期间，来自泥坑132的合适的钻井液或泥浆131在压力下通过泥浆泵134循环通过钻柱120。钻井液131经由泥浆泵134，从泥浆泵134进入钻井管122。钻井液131通过钻头150中的开口在井筒底部151处排出。钻井液131通过钻柱120和井筒126之间的环形空间127向上循环。并通过返回管线135返回泥浆坑132。线138中的传感器S：提供关于流体流速的信息。表面扭矩传感器S2和与钻柱120相关联的传感器S3分别提供关于钻柱的扭矩和旋转速度的信息。另外，与管线129相关联的一个或多个传感器(统称为S4)通常用于提供关于钻柱120的钩负载的信息以及与钻井126的钻井相关的其他所需的钻井参数。

在一些应用中，钻头150通过仅旋转钻探管122而旋转。然而，在其他应用中，设置在钻探组件190中的钻探电机(也称为“泥浆电机”)155用于旋转钻头。150和/或叠加或补充钻管122的旋转速度。

该钻井系统还可包括表面控制单元140，其配置成提供与钻井操作有关的信息并用于控制某些期望的钻井操作。在一个方面，表面控制单元140可以是基于计算机的系统，其包括一个或多个处理器(诸如微处理器)140a，一个或多个数据存储设备。(例如固态存储器，硬盘驱动器，磁带驱动器等)140Z，显示单元和其他接口电路140c。由控制单元140中的处理器140a使用的计算机程序和模型140<i存储在合适的数据存储设备140Z中，包括但不限于：固态存储器，硬盘和磁带。表面控制单元140可以将数据传送到显示器144以供操作者或用户查看。地面控制单元140还可以经由任何合适的数据通信链路141(例如以太网和因特网)与一个或多个远程控制单元142交互。在一个方面，来自井下传感器162和井下装置164(稍后描述)的信号由地面控制单元140经由通信链路接收，例如流体，电导体，光纤链路，无线链路等。地面控制单元140根据提供给地面控制单元的程序和模型140<i处理接收的数据和信号，并提供关于钻井参数的信息，例如钻压(WOB)，每分钟转数(RPM)，流体流速，吊钩载荷等以及地层参数，如电阻率，声学特性，孔隙度，渗透率等。地面控制单元140记录这样的信息。该信息单独或与来自其他来源的信息一起可由控制单元140和/或地面上的钻井操作员使用以控制钻井系统的一个或多个方面，包括沿期望的剖面钻井眼(也被称为“地质测量”)。

仍然参考图1，在一个方面，BHA190可以包括施力装置157，其可以包含多个独立控制的施力构件158，每个施力构件158可以构造成在井筒上施加期望量的力。改变钻孔方向和/或保持井筒126沿所需方向的钻孔。与每个相应的施力构件158相关联的传感器159提供与由其相关构件施加的力相关的信号。钻探组件190还可包括位于钻探组件190中的选定位置处的各种传感器，在此统称为数字162，其提供关于各种钻探组件操作参数的信息，包括但不限于：弯矩，应力，振动，粘滑，倾斜，倾斜和方位角。由标号174表示的加速度计，磁力计和陀螺仪装置可用于使用提供给井下控制单元170的程序和模型来确定钻井组件操作参数的倾斜度，方位角和工具面位置。在另一方面，传感器信号可以由井下控制单元170处的井下处理器在井下部分地处理，然后被发送到地面控制器140以进行进一步处理。

仍然参考图1，钻探组件190可以进一步包括任何期望的MWD(或LWD)工具，统称为数字164，用于估计地层160的各种性质。这些工具可包括电阻率工具，声学工具，核磁共振(NMR)工具，伽马射线工具，核测井工具，地层测试工具和其他所需工具。每个这样的工具可以根据程序指令处理信号和数据，并提供关于地层的某些属性的信息。井下控制单元170处的井下处理器可用于使用本文所述的方法从各种LWD工具164获得的测量值计算有关参数。

仍然参考图1，钻探组件190还包括遥测单元172，其建立钻探组件190中的装置与地面装置(例如控制单元140)之间的双向数据通信。任何合适的遥测系统可用于本案例，包括但不限于：泥浆脉冲遥测，声学遥测，电磁遥测和有线管遥测。在一个方面，有线管遥测可以包括由管状管制成的钻管，其中电导体或光纤电缆沿着各个钻管部分延伸，并且其中沿着管部分的连通可以通过任何合适的方法建立，包括但不限于：机械耦合，光纤耦合，电磁信号，声学信号，射频信号或其他无线通信方法。在另一方面，线管遥测可包括盘管，其中电纤维或光纤沿着盘管的长度延伸。本文描述的钻井系统，设备和方法同样适用于海上钻井系统。BHA的许多工具和部件包括液压管线，例如向转向装置供应流体的管线，使用泵来获得流体样品的装置。此外，BHA中的设备包括大量传感器和电子组件，其在较低温度下更有效地操作，因此在井下冷却这些组件可以改善其性能并延长其使用寿命。本发明描述的冷却装置可用于冷却井下部件。尽管图1示出了钻井系统，但是本文公开的冷却装置可以用于其他井下工具，包括但不限于包括电阻率工具，声学工具，磁共振工具，核工具和地层测试工具的电缆工具。

以下通过具体实施例来说明本发明的冷却井下工具部件的装置。

实施例1

本实施例的冷却井下工具部件的装置可以结合在其部件需要被冷却的工具中，例如图1中所示的钻探组件190。本实施例的冷却井下工具部件的装置包括储存容器，储存容器内分为储存室210和第二腔室220，储存室210中包含饱和蒸气压的液体制冷剂222，第二腔室220内包含次级流体226，,在所示的特定实施案例中，储存室210和第二腔室220由活塞224分开，活塞224可以在存储容器中自由移动并且可以保持储存室210和第二腔室220彼此之间的压力连通，储存室210设有允许液体制冷剂222从储存室210排出并蒸发的蒸汽出口230，蒸汽出口230与井下工具部件232连通，液体制冷剂222经由蒸汽出口230从腔室210排出时蒸发并且由于蒸发而引起冷却效果；次级流体用于在液体制冷剂222从储存室210排出时在制冷剂上施加选定的压力或力，次级流体226在活塞224上施加压力，活塞224又对液体制冷剂222施加压力。选择次级流体226以具有某些特性，使得当它膨胀时，它将施加足以将制冷剂222上的压力保持在其饱和蒸气压之上的压力。本实施例中，液体制冷剂222在储存室210中保持液态。当液体制冷剂222从储存室210排出时，一部分次级流体226蒸发或达到气态并使活塞224移动以在液体制冷剂222上施加压力以将液体制冷剂222保持在或高于其饱和蒸汽压力。因此，液体制冷剂222在储存室210中时保持液态。在一个方面，活塞224和填充有次级流体222的第二腔室220被称为压力施加装置。

任然参考图2，本实施例的冷却井下工具部件的装置还包括由控制器240控制的第一流量控制阀234。控制器240可以包括处理器，例如微处理器，存储器设备和与第一流量控制阀234的操作有关的编程指令。控制器240打开和关闭第一流量控制阀234限定了从储存室210释放的液体制冷剂222的量。在本实施例中，液体制冷剂222可以排放到待冷却的井下工具部件232上或附近。

在另一方面，本实施例汽化的制冷剂可以从出口237排放到制冷剂蒸汽吸附装置250中。在实施案例中，制冷剂蒸汽吸附装置250可以配置成存储蒸发的制冷剂。在本实施案例中，冷却井下工具部件的装置还包括用于容纳井下工具部件的存储装置，本实施例中存储装置可以选用将井下工具部件232可以封闭在其中且具有入口235和出口237的外壳236，外壳236的入口235与外壳236的出口237连通，外壳236的出口237连接制冷剂蒸汽吸附装置250；液体制冷剂222排放到井下工具部件232中或外壳236中，从而蒸发和冷却井下工具部件232。在一个方面，蒸发的制冷剂可以从外壳236排放到井筒中或排放到环境中(图中未示)；制冷剂蒸汽吸附装置250可以是吸附冷却器，其将制冷剂存储在吸附材料中，或者它可以是或者可以是将制冷剂蒸气转换成液体的蒸汽压缩装置。在一种配置中，来自制冷剂蒸汽吸附装置250的液体可以经由管道252和第二流量控制阀254反馈到储存室210中。第二流量控制阀254也可以通过管线256由控制器240控制。

仍然参考图2，在一些方面，可以选择任何合适的流体作为液体制冷剂222，包括水。可以基于液体制冷剂222的饱和蒸汽压力来选择次级流体226。次级流体226的饱和蒸汽压力至少略大于液体制冷剂222的蒸汽饱和压力超过液体制冷剂222的期望操作范围。如果选择水作为液体制冷剂222，则其操作温度范围是150摄氏度至250摄氏度。在该温度范围内，具有蒸气饱和度的丙醇可以用作比水的蒸汽饱和压力高约两个柱的丙醇作为次级流体226。液体制冷剂222和次级流体226的任何其他合适的组合可以用在根据本内容的一个或多个实施案例制造的冷却系统中。

图3示出了水(液体制冷剂222)和丙醇(次级流体226)的蒸汽饱和压力的示例性关系。沿垂直轴示出蒸汽饱和压力310，沿水平方向示出温度320。曲线330表示水的蒸汽饱和压力，曲线332表示丙醇的蒸汽饱和压力。丙醇332的蒸气饱和压力比水330高约2(2)巴。

实施例2

参考图4，本实施例的压力施加装置包括：液体制冷剂222储存在可收缩的容器410中，可收缩的容器410具有制冷剂出口430。在本实施例中，可收缩的容器410可以放置在填充有合适的次级流体226(例如丙醇)的另一个腔室420中。液体制冷剂222可以以任何合适的方式经由制冷剂出口430从可收缩的容器410排出从而冷却井下工具部件232，包括图2中所示的方式。可收缩的容器410可由任何合适的材料制成，包括但不限于薄金属材料，合金和弹性体片材或其任何组合。由于次级流体226在可收缩的容器上施加的压力，可收缩容器410可以是不可渗透的和可压缩的。

实施例3

参考图5，与实施例的1的区别是：本实施例的压力施加装置包括设置于储存室二510内的第二腔室二520、将储存室二510和第二腔室二520分隔开的活塞二524，以及设置在第二腔室二522内的弹簧522，活塞二524与储存室二520内壁滑动配合，弹簧522一端与第二腔室二520一端的内壁固定连接、另一端与活塞二524固定连接。该活塞对液体制冷剂222施加压力并将将液体制冷剂222保持在或高于其饱和蒸汽压力。制冷剂可以以参考图2描述的方式经由出口530从储存室二510排出从而冷却井下工具部件232。

实施例4

参照图6，本实施例的压力施加装置包括：包括储存室三610，用于存储第一液体制冷剂222a，例如图2中描述的液体制冷剂222，用于冷却井下工具部件232，以及第二腔室三620，用于存储第二液体制冷剂222b，以及双活塞640，双活塞640包括设置于储存室三610中的第一活塞642和设置于第二腔室三620中的第二活塞644，第二活塞644的直径大于第一活塞642的直径。液体制冷剂222用作强制流体，双活塞640与第一液体制冷剂222a和第二液体制冷剂222b压力连通。当第一液体制冷剂222a经由出口630从储存室三610排出时，第二腔室三620中的第二液体制冷剂222b由于第二液体制冷剂222b的蒸发而膨胀，使得第一液体制冷剂222a上施加的压力高于第二液体制冷剂222b上的压力，从而将第一液体制冷剂222a保持在液相中。

本发明的装置的使用方法为：通过将具有饱和蒸汽压力的液体制冷剂从储存室蒸发排出到井下工具的待冷却部件，以对井下工具的待冷却部件产生冷却效果，而且通过压力施加装置将储存室中的液体制冷剂始终维持在制冷剂的饱和蒸汽压力或高于液体制冷剂的饱和蒸汽压力；另外还可以通过制冷剂蒸汽吸附装置将蒸发或的制冷剂收集然后回流到储存室中从而能够持续对井下工具的待冷却部件进行冷却降温。

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 (8)

1.一种冷却井下工具部件的装置，其特征在于，所述冷却井下工具部件的装置包括具有储存饱和蒸气压的液体制冷剂的储存室，储存室设有允许液体制冷剂从储存室排出并蒸发的蒸汽出口，蒸汽出口与井下工具部件连通；还包括用于对储存室中的液体制冷剂施加压力以将储存室中的液体制冷剂维持在制冷剂的饱和蒸汽压力或高于液体制冷剂的饱和蒸汽压力的压力施加装置。

2.根据权利要求1所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述冷却井下工具部件的装置还包括设置在储存室的蒸汽出口设有第一流量控制阀以及与第一流量控制阀连接的控制器。

3.根据权利要求1所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述压力施加装置包括设置于储存室内的第二腔室、将储存室和第二腔室分隔开的活塞，以及设置在第二腔室内的弹簧，活塞与储存室内壁滑动配合，弹簧一端与第二腔室一端的内壁固定连接、另一端与活塞固定连接。

4.根据权利要求1所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述压力施加装置包括设置于储存室内的填充有次级流体的第二腔室，以及将储存室和第二腔室分隔开的活塞，活塞与储存室内壁滑动配合以使储存室内的液体制冷剂和第二腔室中的次级流体之间处于压力连通状态。

5.根据权利要求1所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述压力施加装置包括包覆在储存室外且填充有次级流体的第二腔室，储存室由可收缩容器制成。

6.根据权利要求1所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述压力施加装置包括与储存室一端连通的填充有制冷剂的第二腔室、设置于储存室中的第一活塞和设置于第二腔室中的第二活塞，第二活塞的直径大于第一活塞的直径。

7.根据权利要求2所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述冷却井下工具部件的装置还包括用于容纳井下工具部件的存储装置，存储装置的入口与储存室的蒸汽出口连通，存储装置的出口连接制冷剂蒸汽吸附装置，制冷剂蒸汽吸附装置设有排出液体制冷剂的制冷剂出口，制冷剂出口通过管道与储存室中的制冷剂连通，管道与储存室连接处设有与控制器连接的第二流量控制阀。

8.根据权利要求4或5中所述的冷却井下工具部件的装置，其特征在于：所述液体制冷剂为水，次级流体为丙醇。