CN109630097A - 一种井下热组件温度管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下热组件温度管理系统及方法，包括热组件，还包括与热组件热耦合的热交换器；以及与热组件和热交换器热耦合的排热温度管理装置，所述热交换器与钻井液热耦合以将热量传递到环境或钻井液中。与现有技术相比，本发明通过将排热温度管理装置与热组件和热交换器相耦合，利用排热温度管理装置将热量从热组件传递到热交换器中，然后热交换器将热量传递到环境中或钻井液中，解决了传统蓄热温度管理装置不能去除散热器附近元件的热量的限制，利用热电冷却器与热交换器的组合将散热底盘上的热敏装置的热量排放到钻井液中。

Description

一种井下热组件温度管理系统及方法

技术领域

本发明涉及井下工具的温度管理的技术领域，特别是一种井下热组件温度管理系统及方法。

背景技术

为了钻一口井，钻头钻入地壳几百甚至几千米。钻头通常从钻台向下延伸到一根管子上，通常称为“钻柱”。钻柱是连接管或连续管，通过该管道泵送钻井液以冷却和润滑钻头并将钻屑提升到地面。在钻柱下部或远端，底部是一个底部钻具组合(BHA)，它包括钻头。

为了在钻井时从井下环境获得测量和信息，BHA包括电子仪器。钻具上的各种工具，如随钻测井(LWD)工具和随钻测量工具(MWD)与电子仪器结合。钻柱上的这种工具包含作为BHA的一部分的各种电子元件。这些电子元件通常由计算机芯片、电路板、处理器、数据存储、电源转换器等组成。

井下工具必须能够在地表附近以及地表以下数百米处运行。在钻井过程中，环境温度随深度的增加而增加。随着深度的增加，刀具受到严峻的操作环境。例如，井下温度通常很高，甚至可能超过200°C，此外，压力可能超过138兆帕。在井下环境中，尤其是在钻井作业期间，也存在振动和冲击应力。

井下工具中的电子元件也在内部产生热量。例如，一个典型的电缆工具可以耗散超过100瓦的功率，并且典型的井下工具在钻柱上可以耗散超过10瓦的功率。在进行钻井作业时，钻柱上的工具通常在井下环境中停留数周。在其他井下应用中，钻柱上的电子元件可以在井下停留长达几小时至长达一年的时间。例如，为了获得井下测量，工具被降低到电缆或电缆上的井中。这些工具通常被称为“电缆工具”。然而，不像钻探应用，电缆工具一般保持在井下环境中不到二十四小时。

井下工具的一个问题是当井下温度超过电子元件的结温时，热量不能消散到环境中。热量可能在电子部件内部积累，这可能导致部件工作特性的退化，或者可能导致故障。因此，在井下工具中必须考虑两个通用热源，即来自周围井下环境的热量和由工具部件产生的热量，例如，工具的电子部件。

当井下环境温度可能超过200℃时，电子元件通常被额定工作在不超过125℃。因此，工具暴露于井下环境的升高温度和由部件消散的热量可能导致这些部件的热故障。通常，热失效至少具有两种模式。首先，部件上的热应力降低了它们的使用寿命。第二，在某些温度下，电子器件可能失效，热组件可能停止工作。热故障可能导致成本，不仅是由于失效的电子元件的更换成本，而且还因为电子元件故障中断井下活动，钻入钻孔还需要昂贵的钻机时间。

现有的用于管理井下工具中的热组件温度的方法通常包括蓄热温度管理系统，蓄热温度管理包括从热组件中去除热量并将热量存储在蓄热温度管理系统的另一元件中，例如散热器。然而，在井下环境中用散热器储存热量具有一定的局限性，不能去除与散热器相邻的热组件热量。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种井下热组件温度管理系统及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种井下热组件温度管理系统，包括热组件，还包括与热组件热耦合的热交换器；以及与热组件和热交换器热耦合的排热温度管理装置，所述热交换器与钻井液热耦合以将热量传递到环境或钻井液中。

进一步，所述排热温度管理装置包括热耦合在热组件和热交换器之间的热电冷却器，所述热电冷却器包括与热组件热耦合的冷板和热耦合到热交换器的热板、热耦合在冷板和热板之间的第一半导体和第二半导体，以及用于激励第一半导体和第二半导体的电源，第一半导体和第二半导体串联或并联。

进一步，所述热电冷却器设置一个或一个以上。

进一步，所述热组件固定在散热底盘后安装在热交换器内。

进一步，所述散热底盘为圆柱形，散热底盘的两端分别通过隔离安装件安装有热交换器。

进一步，所述散热底盘套设有绝缘套管，所述隔离安装件位于绝缘套管内。

进一步，所述热交换器是具有一个或一个以上端口的圆柱体，每个端口设有端口盖，热组件与热电冷却器热耦合后设置于热交换器的端口中，端口盖内设有用于固定安装热组件的绝缘支架。

另外，本发明还提供了一种井下热组件温度管理方法，包括以下步骤：将排热温度管理装置与热组件和热交换器热耦合，利用排热温度管理装置将热量从热组件传递到热交换器中，然后热交换器将热量传递到环境或钻井液中。

与现有技术相比，本发明通过将排热温度管理装置与热组件和热交换器相耦合，利用排热温度管理装置将热量从热组件传递到热交换器中，然后热交换器将热量传递到环境中或钻井液中，解决了传统蓄热温度管理装置不能去除散热器附近元件的热量的限制，利用热电冷却器与热交换器的组合将散热底盘上的热敏装置的热量排放到钻井液中。

附图说明

图1A为第一实施例的热组件安装在散热底盘上的结构示意图。

图1B为第一实施例的井下热组件温度管理系统结构示意图。

图1C为图1A的底部视图。

图2A为第一实施例的热电冷却器的结构示意图。

图2B为第一实施例的热电冷却器的配置图。

图3A为第二实施例的热组件安装在散热底盘上的结构示意图。

图3B为第二实施例的井下热组件温度管理系统结构示意图。

图3C为图3B的剖视图。

图4A为第三实施例的井下热组件温度管理系统的结构示意图。

图4B为图4A的侧视图。

图4C为第三实施例的第三热交换器的局部视图。

图4D为图4B的B-B向剖视图。

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，并不用于限定本发明。

图1A～1C和2A～2B示出了温度管理系统的第一实施例，用于在井下工具中处理，例如在钻柱上用于在地层中钻探钻孔。如前所述，其它工具输送装置可以被考虑于其中，例如连线管、连续管等。温度管理系统也可用于井下电缆工具、永久安装的井下工具或临时试井下工具中。井下环境温度有时可能超过200℃。然而，温度管理系统也可用于周围环境温度大于或小于被冷却的热组件的其他情况和应用场合。

温度管理系统管理至少一个热组件12的温度，该热组件可以安装在井下工具中的一个板上。热组件12包括但不限于散热组件、发热组件和/或热敏部件。热组件的一个例子是一个集成电路，例如，一个计算机芯片，或其他热敏的或电性能或机械设备，其性能因高温操作而恶化，或者产生热量。

参照图1A，热组件12安装在散热底盘13上。在一些实施例中，散热底盘13是热扩散底盘。如图所示1B和1C，散热底盘13使用隔离支架16安装在井下工具的热交换器14内。如图1C所示，热交换器14包括具有中央通道的主体和用于接收底盘13和支架16的安装的外圆柱形表面。

温度管理系统还包括排热温度管理装置，其从散热底盘13中移除热量并将热量传递到热交换器14。在本实施例中，排热温度管理装置包括散热底盘13和隔离支架16组件，如图1A所示。如图1B所示，在安装散热底盘13和安装热组件12之前，至少有一个热电冷却器18安装在散热底盘13上。然后，在热交换器14中安装与热电冷却器18配套的底盘和安装组件，以形成温度管理系统的排热温度管理装置。

图2A～2B显示为热电冷却器18包括热板46和冷板44。排热温度管理装置可以包括多级热电温度管理系统。在热电冷却器18中包括两种不同类型的第一半导体40’和第二半导体40”，他们用不同的材料组成，在图2B显示了冷板44与热板46之间的热耦合。在一些实施例中，第一半导体40’是一个的P型硅半导体，第二半导体40”是一个n型硅半导体。在一些实施例中，冷板44和热板46是由陶瓷材料制造的。第一半导体40’和第二半导体40”是以串联和并联的方式进行电连接。电源36为热电冷却器18提供能量。当来自电源36的正电压施加到P型第一半导体40’时，电路被激励，电子从低能P型半导体40’传递到高能n型第二半导体40”。这样，电子吸收的能量48(即热量)。当电子从高能n型第二半导体40”传递到低能P型第一半导体40’时，热量被排出。因此，热能48最初从热源传递到冷板44。然后，该热量由半导体传递到热接点或热板46，然后在50处进一步转移。所传递的热量与电流和热电耦合的数量成正比。这里使用的术语“热电冷却器”既包括单级热电冷却器，也可以是多级和级联布置的多个热电冷器。

排热温度管理装置的冷板44与底盘13热耦合。本实施例的排热温度管理装置从冷板44上的底盘13中移除热量48，并将被移除的热量传递到热板46。热量从热板46传递到热交换器14。在一些实施例中，使用热界面材料，例如热界面材料32。然后，热可以传递到钻柱、井下工具和地层之间的环空或通过钻柱和井下工具泵送的钻井液。热可以通过传导或通过对流或辐射或任何组合直接或间接的从热板46传递到环境。本实施例的排热温度管理装置允许除去的热量传递到钻井液，即使钻井液可能比热组件12更高的温度。本实施例的排热温度管理装置还可以包括与底座13热耦合的一个以上的热电冷却器18。

热组件12和热电冷却器18的功率由涡轮交流发电机提供，涡轮交流发电机由通过钻柱泵送的钻井液驱动。涡轮交流发电机可以是轴向、径向或混合流动类型。或者，交流发电机可以由钻井液驱动的正位移马达驱动，例如Moineau型电动机。可以理解，也可以使用其他电源，例如电池或来自表面的电源。

本实施例的温度管理系统除去足够的热量以维持热组件12在其额定温度以下，例如温度低于125℃。例如，本实施例的温度管理系统保持部件12在100℃以下或甚至低于80℃；典型地，温度越低，热组件12的寿命越长。

本实施例的温度管理系统使用能够被电驱动的排热温度管理装置来管理热组件12的温度。因此，从热组件12吸收热量在给定的环境温度下延长了热组件12的使用寿命。

在本实施例中，热组件12安装在热交换器14内。热组件12可以安装在热交换器14的圆柱形主体内的散热底盘上。该系统还可包括耦合到热交换器的每个端部的隔离安装件，以将热组件安装在热交换器内。

图3A～3C示出温度管理系统的第二实施例。温度管理系统管理安装在井下工具板上的热组件12的温度。本实施例的温度管理系统还包括与热组件12热耦合的第二热交换器314。在本实施例中，如图3A和3B所示，第二热交换器314为两个，热组件12安装在第二散热底盘313上，两个第二热交换器314耦合到第二散热底盘313的顶端和末端。本实施例的温度管理系统还包括排热温度管理装置。然而，在本实施例的温度管理系统中，排热温度管理装置包括至少一个电热隔离装置或第二热电冷却器318，其在第二隔离支架316外侧的薄饼冷却配置中与热界面材料一起使用。第二散热底盘313的外部和周围是绝缘体套筒320。由绝缘体套筒320、第二散热底盘313、第二隔离支架316、第二热电冷却器318和热组件12形成的内组件由两个第二热交换器314捕获，如图3B所示。

第二热电冷却器318从第二散热底盘313移除热量，并将被移除的热量传递到第二热交换器314。然后，热可以传递到钻柱、井下工具和地层之间的环空或通过钻柱和井下工具泵送的钻井液。热可以通过传导或对流或辐射或任何组合直接或间接的传递到环境。第二热电冷却器318允许除去的热量传递到钻井液，即使钻井液可能比热组件12更高的温度。本实施例中第二热电冷却器318可以设置为多个，其与第二底盘313热耦合并由第二隔离支架316支撑。

热组件12和第二热电冷却器318的功率可能由涡轮交流发电机提供，涡轮交流发电机由钻柱泵送的钻井液驱动。涡轮交流发电机可以是轴向、径向或混合流动类型。或者，交流发电机可以由钻井液驱动的正位移马达驱动，例如Moineau型电动机。可以理解，也可以使用其他电源，例如电池或来自表面的电源。

本实施例的温度管理系统移除足够的热量以维持热组件12在其额定温度以下，例如温度低于125℃。例如，本实施例的温度管理系统维持组件12在100℃以下或甚至80℃以下。典型地，温度越低，热组件12的寿命越长。

因此，本实施例的使用可被电驱动的排热系统来管理热组件12的温度。因此，从热组件12吸收热量在给定的环境温度下延长了热组件12的使用寿命。在一些实施例中，热组件安装在热交换器的两个组件之间。热组件可以安装在圆柱形散热底盘上，其连接在热交换器的两个部件之间。该系统可以包括围绕圆柱形底盘的绝缘体套管。该系统还可包括耦合在圆柱形底盘的两端和两个热交换器部件之间的隔离安装件。

图4A～4D示出温度管理系统的第三实施例。本实施例的温度管理系统管理安装在井下工具中的热组件12的温度。本实施例的温度管理系统还包括与热组件12热耦合的第三热交换器414。在本实施例中，第三热交换器414是具有一个或多个端口424的圆柱体。本实施例的温度管理系统还包括排热温度管理装置。在本实施例的温度管理系统中，排热温度管理装置包括至少一个第三热电冷却器418，其在端口424冷却配置中使用热界面材料，其中第三热电冷却器418、热组件12位于第三热交换器414中的端口424内。对于每个端口424，端口盖422固定安装有热组件12的绝缘支架416。因此，第三热电冷却器418位于热组件12和第三热交换器414的端口424的内部之间。

第三热电冷却器418从热组件12中移除热量，并将被移除的热量传递到第三热交换器414。然后，热可以传递到钻柱、井下工具和地层之间的环空或通过钻柱和井下工具泵送的钻井液。热可以通过传导或对流或辐射或任何组合直接或间接的传递到环境。第三热电冷却器418允许除去的热量传递到钻井液，即使钻井液可能在比热组件12更高的温度。本实施例中，第三热电冷却器418可以设置为多个且与热组件12热耦合。

热组件12和第三热电冷却器418的功率可由涡轮交流发电机提供，该涡轮交流发电机由钻柱泵送的钻井液驱动。涡轮交流发电机可以是轴向、径向或混合流动类型。或者，交流发电机可以由钻井液驱动的正位移马达驱动，例如Moineau型电动机。可以理解，也可以使用其他电源，例如电池或来自表面的电源。

第三热电冷却器418移除足够的热量以维持热组件12在其额定温度以下，例如温度低于125℃。例如，温度管理系统维持热组件12在100℃以下或甚至低于80℃。典型地，温度越低，热组件12的寿命越长。

本实施例的温度管理系统使用可被电驱动的排热系统440来管理热组件12的温度。因此，从热组件12吸收热量在给定的环境温度下延长了热组件12的使用寿命。在一些实施例中，热组件安装在热交换器中的端口中。热组件12可以通过端口盖固定在端口中。该系统还可以包括设置在端口盖固定的热组件和热交换器之间的热电冷却器。该系统还可以包括耦合在端口盖和热交换器之间以支撑热电冷却器的绝缘安装件。

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)

1.一种井下热组件温度管理系统，包括热组件，其特征在于，还包括与热组件热耦合的热交换器；以及与热组件和热交换器热耦合的排热温度管理装置，所述热交换器与钻井液热耦合以将热量传递到环境或钻井液中。

2.根据权利要求1所述的井下热组件温度管理系统，其特征在于：所述排热温度管理装置包括热耦合在热组件和热交换器之间的热电冷却器，所述热电冷却器包括与热组件热耦合的冷板和热耦合到热交换器的热板、热耦合在冷板和热板之间的第一半导体和第二半导体，以及用于激励第一半导体和第二半导体的电源，第一半导体和第二半导体串联或并联。

3.根据权利要求2所述的井下热组件温度管理系统，其特征在于：所述热电冷却器设置一个或一个以上。

4.根据权利要求2所述的井下热组件温度管理系统，其特征在于：所述热组件固定在散热底盘后安装在热交换器内。

5.根据权利要求4所述的井下热组件温度管理系统，其特征在于：所述散热底盘为圆柱形，散热底盘的两端分别通过隔离安装件安装有热交换器。

6.根据权利要求5所述的井下热组件温度管理系统，其特征在于：所述散热底盘套设有绝缘套管，所述隔离安装件位于绝缘套管内。

7.根据权利要求2所述的井下热组件温度管理系统，其特征在于：所述热交换器是具有一个或一个以上端口的圆柱体，每个端口设有端口盖，热组件与热电冷却器热耦合后设置于热交换器的端口中，端口盖内设有用于固定安装热组件的绝缘支架。

8.一种如权利要求1所述的井下热组件温度管理方法，其特征在于，包括以下步骤：将排热温度管理装置与热组件和热交换器热耦合，利用排热温度管理装置将热量从热组件传递到热交换器中，然后热交换器将热量传递到环境或钻井液中。