CN111219181B - 一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随钻仪器电路系统气体驱动降温系统及方法。包括：涡轮旋转装置，设置于钻铤本体的偏心水眼内并与旋转轴相连，所述旋转轴上设置有第一压缩气缸磁极；气体驱动装置，设置于钻铤本体上，其内设置有第二压缩气缸磁极；所述第二压缩气缸磁极受第一压缩气缸磁极作用而带动气体驱动装置的活塞组往复压缩和膨胀气体以进行热传递。因此，本发明具有以下优点：由涡轮旋转装置、磁极驱动装置和气体驱动装置联合作用，使得压缩气缸和膨胀气缸进行往复直线运动，从而将电路系统的热量从膨胀腔转移到压缩腔中，再释放到环境当中，可保证对井下电路持续的降温，提高了井下电路的寿命及稳定性。

Description

一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电路降温系统及方法，属于钻探技术领域，尤其是涉及一种随钻仪器电路系统气体驱动降温系统及方法。

背景技术

油气井井眼的形成，是通过钻柱旋转带动钻头或是井下动力钻具带动钻头切削地下岩层而产生的，钻头及井下工具在井眼里需要延伸几千米长。

在钻井过程中，为了减轻与钻井作业相关的风险因素，就需要尽可能多的获取井下环境的各种信息，如：地质参数、工程参数和工艺参数等。因此钻柱底部近钻头附件安装有各种测量工具，如：随钻测量工具(MWD)和随钻测井工具(LWD)。这些工具上的电路系统包括各种电子元件或传感元件，以实现数据的采集、处理、存储和传输等功能。这些井下电路在工作过程中自身会产生热量；同时，钻井过程中的井下高温也会对其产生影响。

一般来说，高温诱发电路系统失效有两种模式。第一，电路系统上的热应力降低了其使用寿命；第二，当温度达到一个临界值，电路系统会发生失效并停止工作。由过热引发的失效不仅导致更换失效电路系统而增加成本，而且中断了钻井活动，需要起下钻更换电路系统，这也耗费了钻井时间增加了钻井成本。

当前，石油行业解决井下电路耐高温的措施有三种：其一，经过高温考核，筛选出能在高温下使用的元器件；其二，订制耐高温元器件；其三，投入巨额经费，自主研发耐高温的井下电路。这些措施都是从元器件自身被动“抗温”的角度来处理问题，耐高温效果有限；同时，元器件高温封装技术仍是一个瓶颈问题。

因此，给井下电路提供一个高效、稳定的主动降温系统是重要的、也是迫切需求的。

发明内容

为了解决井下电路处于高温环境下会引起寿命缩短甚至失效的问题，本发明提供了一种随钻仪器电路系统气体驱动降温系统及方法，使井下电路始终维持在可承受的温度范围，保持其正常工作。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，包括：

涡轮旋转装置，设置于钻铤本体的偏心水眼内并与旋转轴相连，所述旋转轴上设置有第一压缩气缸磁极；

气体驱动装置，设置于钻铤本体上，其内设置有第二压缩气缸磁极；所述第二压缩气缸磁极受第一压缩气缸磁极的作用而带动气体驱动装置的活塞组往复压缩和膨胀气体以进行热传递。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，所述气体驱动装置进一步包括：

压缩气缸，其压缩活塞上设置所述第二压缩气缸磁极，

膨胀气缸，其由膨胀活塞分隔成环境温度腔和膨胀腔；所述环境温度腔分别与膨胀腔和压缩腔连通；

并且，所述膨胀腔容积变化超前所述压缩腔容积变化一定相位角。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，所述膨胀活塞内设置有回热器。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，所述膨胀活塞位于环境温度腔和膨胀腔内的端面面积不同。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，所述压缩气缸和膨胀气缸分立设置，并且所述环境温度腔与压缩腔通过设置于钻铤本体上的分置管相连。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，所述涡轮旋转装置包括：

定涡轮，通过固定装置设置于水眼中，其叶片与钻铤轴向呈不为零的倾角；

动涡轮，通过滚动支撑装置设置于水眼中，其叶片与定涡轮的叶片之间存在倾角；所述动涡轮与所述旋转轴相连。

一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温方法，包括：

由设置于钻铤本体的偏心水眼内的涡轮旋转装置旋转带动设置有第一压缩气缸磁极的旋转轴转动；

由所述第一压缩气缸磁极作用于气体驱动装置内设置的第二压缩气缸磁极带动气体驱动装置的活塞组往复压缩和膨胀气体以进行热传递。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温方法，所述气体驱动装置包括：

压缩气缸，其压缩活塞上设置所述第二压缩气缸磁极，

膨胀气缸，其由膨胀活塞分隔成环境温度腔和膨胀腔；所述环境温度腔分别与膨胀腔和压缩腔连通；

并且，所述膨胀腔容积变化超前所述压缩腔容积变化一定相位角。

优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温方法，包括以下步骤中的一个或多个：

等温压缩步骤，膨胀活塞保持不动，压缩活塞的行程从零逐渐增大以等温压缩工质气体；

等容放热步骤，膨胀活塞行程从零逐渐增大，压缩活塞行程同步从非零逐渐达到最大，工质气体从压缩气缸的压缩腔进入膨胀气缸内的环境温度腔，再通过膨胀活塞进入到膨胀腔；在经过膨胀活塞时，循环工质将热量释放给膨胀活塞内置的回热器中；

等温膨胀步骤，压缩活塞处于行程最大处保持不动，膨胀活塞行程从非零逐渐达到最大使得工质气体在膨胀腔内膨胀；

等容吸热步骤，压缩活塞和膨胀活塞一起从最大行程处复位到零位，工质气体从膨胀腔通过膨胀活塞进入到环境腔，最后进入到压缩腔。在经过膨胀活塞时，循环工质从膨胀活塞内置的回热器中吸收热量。

因此，本发明的优点如下所示：1、采用膨胀腔膨胀过程中循环工质温度降低(低于环境温度)，需要从环境中吸收热量的方法，主动降低井下电路的温度；2、由涡轮旋转装置、磁极驱动装置和气体驱动装置联合作用使得压缩气缸和膨胀气缸进行往复直线运动，从而将电路系统的热量从膨胀腔转移到压缩腔中，再释放到环境当中，可保证对井下电路持续的降温，提高了井下电路的寿命及稳定性。

附图说明

附图1是气体驱动降温系统图；

附图2是气体驱动降温原理图；

附图3是压缩气缸示意图；

附图4是膨胀气缸示意图

附图5是气体驱动降温系统活塞状态图；

附图6是气体驱动降温系统活塞行程图；

附图7是逆斯特林循环压-容图；

附图8是逆斯特林循环温-熵图；

图中：1：偏心水眼；2：随钻仪器降温装置；3：电路舱盖；4：钻铤本体；5：定涡轮；6：固定装置；7：动涡轮；8：滚动支撑装置；9：旋转轴；10：第一压缩气缸磁极；11：压缩腔排放热量方向；12：压缩气缸；13：磁力线；14：膨胀腔吸收热量方向；15：电路系统；16：膨胀气缸；17：分置管；18：压缩腔；19：压缩气缸气孔；20：第二压缩气缸磁极；21：压缩活塞复位弹簧；22：压缩活塞；23：压缩活塞动密封；24：膨胀活塞(内置回热器)；25：环境温度腔；26：膨胀气缸柱塞；27：膨胀气缸气孔；28：膨胀活塞复位弹簧；29：膨胀腔；30：膨胀活塞动密封。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例：

如图1所示，为本实施例的一种随钻仪器电路系统气体驱动降温方法，包括：钻铤本体4，涡轮旋转装置、磁极驱动装置、气体驱动装置、压缩气缸、膨胀气缸、分置管、循环工质、电路系统；

所述钻铤本体为水眼偏心结构设计，钻铤本体侧壁上设置压缩气缸舱体、膨胀气缸舱体；所述压缩气缸舱体用于放置压缩气缸；所述膨胀气缸舱体用于放置膨胀气缸；所述压缩气缸舱体与膨胀气缸舱体之间有一连接孔，用于分置管的穿过；所述钻铤本体采用无磁材料,以避免与磁极驱动装置发生干扰；

所述涡轮旋转装置包括一个定涡轮和一个动涡轮；所述定涡轮通过固定装置固定在水眼当中；所述定涡轮上叶片，设计时与钻柱轴向有一定倾角，用于改变钻井液流向；所述动涡轮通过滚动支撑装置固定在水眼当中；所述动涡轮上叶片与定涡轮上叶片有一定倾角关系，以控制钻井液冲刷动涡轮叶片的液力能，从而控制动涡轮的旋转速度；所述动涡轮下端固定一个旋转轴，随动涡轮一起旋转；

所述磁极驱动装置包括第一压缩气缸磁极和第二压缩气缸磁极；所述第一压缩气缸磁极固定在旋转轴上，所述第二压缩气缸磁极固定在压缩活塞上；所述第一压缩气缸磁极在随旋转轴转动过程中，周期性的对第二压缩气缸磁极施加磁力，以使压缩活塞在压缩气缸内做周期性的往复直线运动；

所述气体驱动装置，由膨胀活塞(内置回热器)在膨胀腔内的端面A1所受到的气体作用力F1、膨胀活塞(内置回热器)在环境温度腔内的端面(除去膨胀气缸柱塞的横截面面积)A2所受到的气体作用力F2、膨胀活塞(内置回热器)运动时的摩擦阻力Ff和膨胀活塞复位弹簧力Fk相互作用而构成；所述膨胀腔、膨胀活塞(内置回热器)、环境温度腔相互连通，瞬时压力Pt相等，因此F1和F2的大小主要由各自的受力面积A1和A2决定；当F1＞F2+Ff+Fk，即A1*Pt＞A2*Pt+Ff+Fk时，膨胀活塞(内置回热器)行程逐渐增大；当F1+Ff＜F2+Fk，即A1*Pt+Ff＜A2*Pt+Fk时，膨胀活塞(内置回热器)行程逐渐减小；

所述压缩气缸包括压缩腔、压缩气缸气孔、第二压缩气缸磁极、压缩活塞复位弹簧、压缩活塞、压缩活塞动密封；所述压缩腔通过压缩活塞、压缩活塞动密封与压缩活塞复位弹簧腔相隔开，以使循环工质不能进入压缩活塞复位弹簧腔而得到压缩；所述第二压缩气缸磁极与第一压缩气缸磁极相互作用，实现了压缩活塞伸出的功能；所述压缩活塞复位弹簧实现了压缩活塞复位的功能；

所述膨胀气缸包括膨胀活塞(内置回热器)、环境温度腔、膨胀气缸柱塞、膨胀气缸气孔、膨胀活塞复位弹簧、膨胀腔、膨胀活塞动密封；所述膨胀活塞(内置回热器)内部充填与工质进行热交换的填料，实现在工质进入膨胀腔时吸收热量，降低工质温度，在工质离开膨胀腔时，释放热量，增加工质温度；所述膨胀气缸柱塞固定在膨胀气缸内壁；所述膨胀活塞(内置回热器)沿着膨胀气缸柱塞在膨胀气缸内做往复直线运动；所述气体驱动装置，实现了膨胀活塞(内置回热器)伸出和复位的功能；

所述分置管用于将膨胀气缸和压缩气缸相分离，从而使得膨胀气缸的制冷部位远离压缩气缸的发热部位，降低发热部位对制冷部位的影响；所述分置管提供了循环工质在膨胀腔与压缩腔之间流动的通道；

所述循环工质采用氦气，其分子量小，作为实际气体，其性能接近于理想气体的性质；所述循环工质流动路径：压缩腔-压缩气缸气孔-分置管-膨胀气缸气孔-环境温度腔-膨胀活塞(内置回热器)-膨胀腔-膨胀活塞(内置回热器)-环境温度腔-膨胀气缸气孔-分置管-压缩气缸气孔-压缩腔；

所述电路系统包括各种电子元件或传感元件，以实现钻井数据的采集、处理、存储和传输等功能；所述电路系统通过热设计固定在膨胀腔端部，在降温系统工作时，以吸收电路系统上的热量；

下面具体介绍本实施例的工作原理。

在钻井过程中，钻井液通过上一钻杆的水眼进入带有降温系统的偏心水眼1中，高速流动的钻井液流过定涡轮5时，由于定涡轮上叶片与钻井液流向有一定夹角，从而改变了钻井液流向；改变流向的钻井液冲刷与其流向有一定夹角的动涡轮7上的叶片，使动涡轮7得到了液力能开始旋转，固定在动涡轮7上的旋转轴9也一起旋转；旋转轴9上固定有第一压缩气缸磁极10,其与第二压缩气缸磁极20相互作用，使得压缩活塞22伸出，再在压缩活塞复位弹簧21的作用下复位；相应的膨胀活塞(内置回热器)24在气体驱动装置作用下，完成伸出与复位；旋转轴9每旋转一周，膨胀活塞(内置回热器)24和压缩活塞22完成一次伸出与复位，两个活塞伸出和复位的间隔由所设计的膨胀腔超前压缩腔的相位角所决定；由于钻井液的持续循环，旋转轴9一直处于旋转状态，则膨胀活塞(内置回热器)24和压缩活塞22周期性的进行着伸出和复位的往复直线运动；同时，膨胀活塞(内置回热器)24和压缩活塞22按照逆斯特林循环进行设计，运动规律由图7逆斯特林循环压-容图和图8逆斯特林循环温-熵图所示，依次完成等温压缩(S1-S2)、等容放热(S2-S3)、等温膨胀(S3-S4)、等容吸热(S4-S1)的热力学制冷循环过程。

在等温压缩(S1-S2)过程中，压缩活塞22的行程从0逐渐增大，而膨胀活塞(内置回热器)24保持不动，使得工质气体被等温压缩；所设计的等温过程，是压缩产生的热量通过压缩气缸12的缸壁与其相连的钻铤本体4所吸收，再由高速流动的钻井液与钻铤本体4发生热交换将热量带走而实现的；在这个过程中，1点的温度等于2点的温度，1点的压力小于2点的压力，1点的容积大于2点的容积；

在等容放热(S2-S3)过程中，压缩活塞22和膨胀活塞(内置回热器)24一起运动，压缩活塞22行程逐渐达到最大，膨胀活塞(内置回热器)24行程从0逐渐增大，工质气体从压缩腔18依次通过分置管17、环境温度腔25、膨胀活塞(内置回热器)24，进入膨胀腔29，在这个过程中，工质气体总体积保持不变，但是经过膨胀活塞(内置回热器)24时，由回热器填料吸收工质气体的热量，因而进入膨胀腔29的工质气体压力下降，温度降低；该过程属于内部热交换过程，与整个循环的耗能无关；在这个过程中，2点的温度大于3点的温度，2点压力大于3点的压力，2点的体积等于3点的体积；

在等温膨胀(S3-S4)过程中，压缩活塞22处于行程最大处保持不动，膨胀活塞(内置回热器)24行程逐渐达到最大，工质气体在膨胀腔29内膨胀，使得工质气体体积增大，压力下降，造成工质气体温度低于环境温度，进而，从与其接触的电路系统中吸收热量，以维持等温膨胀；在这个过程中，3点的温度等于4点的温度，3点的压力高于4点的压力，3点的体积小于4点的体积；

在等容吸热(S4-S1)过程中，压缩活塞22和膨胀活塞(内置回热器)24一起运动，都从最大行程处复位到0位，工质气体从膨胀腔29依次通过膨胀活塞(内置回热器)24、环境温度腔25、分置管17，进入压缩腔18，在这个过程中，工质气体总体积保持不变，但是经过膨胀活塞(内置回热器)24时，由低温的工质气体吸收回热器填料的热量，因而进入压缩腔18的工质气体压力升高，温度上升；该过程同样属于内部热交换过程，与整个循环的耗能无关；在这个过程中，4点的温度低于1点的温度，4点的压力低于1点的压力，4点的容积等于1点的容积；

电路系统15通过热设计固定在膨胀腔29端部，经过上述四个制冷循环过程，从而实现了膨胀腔29持续不断地吸收电路系统15的热量，使电路系统15避免发生寿命缩短或失效的现象。

通过以上描述可知，本实施例使用膨胀气缸对气缸内的循环工质进行膨胀作用，造成循环工质容积增大，压力下降，从而温度降低，使其具有吸热的能力，进而降低与其相连的井下电路的温度。膨胀气缸和压缩气缸按照逆斯特林循环原理设计，由涡轮旋转装置、磁极驱动装置和气体驱动装置联合作用，实现了循环工质经过等温压缩、等容放热、等温膨胀、等容吸热四个制冷循环过程，具备了在膨胀腔吸收电路系统上的热量，再将热量转移到压缩腔中，进一步将热量释放到环境当中，从而降低了电路系统的温度，使其避免缩短寿命或发生失效的现象。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，其特征在于，包括：

涡轮旋转装置，设置于钻铤本体(4)的偏心水眼(1)内并与旋转轴(9)相连，所述旋转轴(9)上设置有第一压缩气缸磁极(10)；

气体驱动装置，设置于钻铤本体(4)上，其内设置有第二压缩气缸磁极(20)；所述第二压缩气缸磁极(20)受第一压缩气缸磁极(10)的作用而带动气体驱动装置的活塞组往复压缩和膨胀气体以进行热传递；

所述气体驱动装置进一步包括：压缩气缸，其压缩活塞(22)上设置所述第二压缩气缸磁极(20)，膨胀气缸，其由膨胀活塞分隔成环境温度腔(25)和膨胀腔(29)；所述环境温度腔(25)分别与膨胀腔(29)和压缩腔(18)连通；

并且，所述膨胀腔(29)容积变化超前所述压缩腔(18)容积变化一定相位角；

所述膨胀活塞(24)内设置有回热器；

所述膨胀活塞(24)位于环境温度腔(25)和膨胀腔(29)内的端面面积不同。

2.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，其特征在于，所述压缩气缸和膨胀气缸分立设置，并且所述环境温度腔(25)与压缩腔(18)通过设置于钻铤本体(4)上的分置管(17)相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温系统，其特征在于，所述涡轮旋转装置包括：

定涡轮(5)，通过固定装置设置于水眼中，其叶片与钻铤轴向呈不为零的倾角；

动涡轮(7)，通过滚动支撑装置设置于水眼中，其叶片与定涡轮(5)的叶片之间存在倾角；所述动涡轮(7)与所述旋转轴(9)相连。

4.一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温方法，其特征在于，包括：

由设置于钻铤本体(4)的偏心水眼(1)内的涡轮旋转装置旋转带动设置有第一压缩气缸磁极(10)的旋转轴(9)转动；

由所述第一压缩气缸磁极(10)作用于气体驱动装置内设置的第二压缩气缸磁极(20)带动气体驱动装置的活塞组往复压缩和膨胀气体以进行热传递；

所述气体驱动装置进一步包括：压缩气缸，其压缩活塞(22)上设置所述第二压缩气缸磁极(20)，膨胀气缸，其由膨胀活塞分隔成环境温度腔(25)和膨胀腔(29)；所述环境温度腔(25)分别与膨胀腔(29)和压缩腔(18)连通；

并且，所述膨胀腔(29)容积变化超前所述压缩腔(18)容积变化一定相位角；

所述膨胀活塞(24)内设置有回热器。

5.根据权利要求4所述的一种用于随钻仪器电路系统的气体驱动降温方法，其特征在于，包括以下步骤：

等温压缩步骤，膨胀活塞(24)保持不动，压缩活塞(22)的行程从零逐渐增大以等温压缩工质气体；

等容放热步骤，膨胀活塞行程从零逐渐增大，压缩活塞行程同步从非零逐渐达到最大，工质气体从压缩气缸的压缩腔进入膨胀气缸内的环境温度腔，再通过膨胀活塞进入到膨胀腔；在经过膨胀活塞时，循环工质将热量释放给膨胀活塞内置的回热器中；

等温膨胀步骤，压缩活塞处于行程最大处保持不动，膨胀活塞行程从非零逐渐达到最大使得工质气体在膨胀腔内膨胀；

等容吸热步骤，压缩活塞和膨胀活塞一起从最大行程处复位到零位，工质气体从膨胀腔通过膨胀活塞进入到环境腔，最后进入到压缩腔，在经过膨胀活塞时，循环工质从膨胀活塞内置的回热器中吸收热量。

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