CN112523747A - 超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备、仪器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备、仪器及系统，解决了现有技术中超高温井随钻仪器耐温范围较低的问题，具有有效对随钻仪器进行冷却降温的有益效果，具体方案如下：超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，包括保温瓶，设于钻杆内部，保温瓶内可设置随钻仪器的控制电路；无源式冷却装置，设于钻杆内部，无源式冷却装置包括可转动件和设于保温瓶内的制冷单元，可转动件与制冷单元连接且由钻井液带动可转动件转动，控制电路、制冷单元由设于保温瓶的供电部件进行供电。

Description

超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备、仪器及系统

技术领域

本发明涉及超高温井随钻仪器的冷却系统，尤其是超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备、仪器及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着油气的进一步勘探，我们必须寻找埋在深层中的新资源，油气勘探开发已向深层超深层快速延伸，对钻井技术提出了更高要求。当前大多数深井和超深井都归类于高压/高温(HPHT)井中，高温问题和对现有井下设备的挑战变得越来越突出，其中钻探深度受到严格限制。

我国原油对外依存度超过70％，油气安全面临严峻挑战，油气勘探开发已向深层超深层快速延伸，对钻井技术提出更高要求，油气钻井面临巨大挑战。超深井井深在6000m～9000m，地球的温度梯度平均约为2.55℃/100米，7000m的井深温度即可达到200℃的高温。目前随钻仪器的工作温度通常在150℃至175℃之间，难以满足超深井定向钻井的需求，其中主要是电路中的传感器、处理器芯片难以满足高温需求。

在这样的温度环境下，可作为随钻仪器或电缆工具的井下钻井和评价系统的所有组件都暴露在恶劣的环境条件下，如强烈的振动和高达200℃的温度。这些高温会影响底部钻具组合的电子元件或传感器，使得这些随钻仪器有着非常高的故障率。因此，对于深部和高温地热井井眼，制冷技术提供了一种延长组件寿命和提高整个系统可靠性的选择。将冷却系统内的温度降低到低于井筒内存在的井下温度的技术被认为是主动冷却方法。

MWD仪器采用三轴加速度计和三轴磁通门等惯性元器件，用于井斜与方位，其国内高温惯性元件可达到175℃，但成本很高，可靠性相对较低。目前，全球最先进的超高温MWDTeleScope ICE工作温度为200℃，不仅其电路采用超高温电路传感器、处理器芯片，而且采用先进的电路热设计技术，其成本非常昂贵。如果能够采用制冷技术，实现对井随钻仪器冷却降温，有望能解决超高温井定向钻井随钻的问题。

针对超高温井(是以电子元件作业极限来界定的，指井底温度为205℃-260℃的井)随钻仪器的热管理系统，国内外已经许多种主动冷却技术，包括热电制冷、吸附制冷、对流冷却循环、制冷剂循环冷却和热声制冷。这些制冷技术将随钻仪器产生的多余热量释放到周围的井下流体中。然后，它们通常需要额外的动力、冷却液和其他的移动部件，这使得系统更加复杂。综上所述，发明人发现，目前已有的超高温井随钻仪器的制冷技术仍存在制冷动力难以提供以及井下工况十分严峻的问题，导致超高温井随钻仪器的主动冷却技术并不成熟。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，基于蒸汽压缩式制冷方法，采用无源式冷却装置，在不需要增加外部电力的条件下，即可在井下高温、高压环境中为随钻仪器的控制电路提供长期稳定的低温环境，从而保证在油气钻采超高温井过程中随钻仪器能够在高温、高压环境中长时间稳定工作。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，包括：

保温瓶，设于钻杆内部，保温瓶内可设置随钻仪器的控制电路；

无源式冷却装置，设于钻杆内部，无源式冷却装置包括可转动件和设于保温瓶内的制冷单元，可转动件与制冷单元连接且由钻井液带动可转动件转动，控制电路、制冷单元由设于保温瓶的供电部件进行供电。

上述的冷却设备，保温瓶与无源式冷却装置均安装于钻杆内部，钻井液流动带动可转动件的转动，进而带动制冷单元工作，无源式冷却装置可对安装于保温瓶内部的随钻仪器的控制电路进行冷却降温；保温瓶降低速率热增益和热效率，起到延缓热量侵入控制电路的作用，无源式冷却装置则对随钻仪器控制电路进行冷却降温；二者协同运作可降低随钻仪器控制电路周围的温度，达到现有随钻仪器控制电路的耐温范围。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述制冷单元包括制冷压缩机、蒸发器和冷凝器，制冷压缩机、蒸发器、所述随钻仪器的控制电路和膨胀阀依次顺序安装于所述保温瓶内，在蒸发器中，冷却剂在足够低的温度下蒸发，以吸收来自正在被冷却的控制电路的热量；沸腾温度由蒸发器中保持的压力控制，因为压力越高，沸点越高；制冷压缩机在蒸汽形成时以足够快的速度排出蒸汽，以保持所需压力；然后压缩该蒸汽并将其输送至冷凝器，冷凝器将热量散失到循环的钻井液中，冷凝液冷却剂在蒸发器中使用，然后通过膨胀阀旁通，压力急剧降低。在膨胀阀处冷却剂的压力和温度下降，直到它们达到蒸发器的压力和温度，从而允许冷却循环重复。

冷凝器包括设于保温瓶外部的冷凝器管道。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述可转动件为设于所述保温瓶外侧的涡轮，涡轮通过传动机构与所述的制冷压缩机连接，涡轮将钻井液的流动转化为制冷压缩机的动力，进而驱动制冷压缩机进行吸气-压缩-排气-膨胀整个工作循环。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述保温瓶包括至少两层管体，相邻两层管体之间可形成真空空间，以保证保温瓶内部的保温效果，相邻两管体的一端各自设置相应的管头，该端部相邻管头通过铰接连接，管体的另一端密封设置。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述保温瓶包括从内到外依次设置的第一管、第二管和第三管，第一管和第二管的一端设置可相通的排真空孔，通过排真空孔，对真空空间排空气，以保证真空环境。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述保温瓶内设置蓄热体，对保温瓶内部的热量进行储存；

所述保温瓶内设置温度传感器，温度传感器与控制电路连接，所述的可转动件与控制电路连接，这样先由蓄热体保证保温瓶内工作环境，温度传感器监测温度，当监测到温度较高时，控制电路控制可转动件启动，进而带动制冷单元开始动作；

所述供电部件还与温度传感器连接。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次通过冷却剂管道进行连接流通。

如上所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，所述蒸发器为连续的管圈，管圈周侧设置散热片；

所述冷凝器包括环绕于所述保温瓶外部的冷凝器管道，以有效增加冷凝器的面积。

第二方面，本发明还公开了一种超高温井随钻仪器，包括所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备。

第三方面，本发明还公开了一种超高温井随钻系统，包括：

钻柱，钻柱与钻机连接，钻柱相对于钻机的远端设置井下组件，井下组件包括钻头和所述的一种超高温井随钻仪器。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明无源式冷却设备结构紧凑、尺寸小，能够在没有外部电源的输入的情况下，仅依靠钻井液的流动带动无源式冷却装置对随钻仪器的控制电路进行冷却。其制冷量大，性能系数高、自动化程度高，能显著的降低控制电路的温度，使保持在安全的工作温度，在随钻测量系统中具有重要的作用。

2)本发明设备整体由安装于保温瓶的供电部件进行供电，无需外部能量输入，可依靠流动的钻井液作为能量输入和冷却液介质，通过无源式冷却装置对随钻仪器控制电路进行冷却降温。

3)本发明冷却设备安装于钻杆内侧，不会影响到钻井液的流动，可有效对随钻仪器控制电路产生的热量进行冷却，保证控制电路的抗温性，实现了在钻进超高温井时，高温井眼的作用下随钻仪器的信号传输功能。

4)本发明通过保温瓶的设置，不仅可有效隔绝保温瓶外的热量，内部还可实现蓄热，延长保温时间，通过将蒸发器和随钻仪器的控制电路设于保温瓶内，通过蒸发器用于对控制电路产生的热量进行冷却。

5)本发明通过涡轮设于保温瓶的外端部，并朝向钻井液设置，可将钻井液的流动转化为制冷压缩机的动力，进而驱动制冷压缩机进行吸气-压缩-排气-膨胀整个工作循环。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明中一种超高温井随钻系统的示意图。

图2是本发明中无源式冷却装置的结构示意图。

图3是本发明中无源式冷却装置工作原理示意图。

图4是本发明中超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备示意图。

图5是本发明中保温瓶纵向剖视图。

图6是本发明中一种超高温井随钻系统示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.钻机，2.钻柱，3.井下组件，4.钻头，5.周围地层，6.孔，7.数据采集和分析单元，8.蒸发器，9.制冷压缩机，10.冷凝器，11.膨胀阀，12.控制电路，13.钻杆，14.保温瓶，15.涡轮，16.传动轴，17.磁耦合器，18.冷却剂管道，19.钻井液，20.前堵头，21.O型圈，22.玻璃块，23.橡胶垫，24.第一管，25.第二管，26.第三管，27.蓄热体，28.第一管头，29.胶垫，30.球铰，31.第二管头，32.后堵头，33.脉冲发生器，34.传动机构，35.排真空孔，36.电线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在超高温井随钻仪器的制冷难度大的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备、仪器及系统。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，包括保温瓶和无源式冷却装置；保温瓶、无源式冷却装置安装在钻杆内部，无源式冷却装置对安装在保温瓶保温空间内的随钻仪器进行冷却降温；保温瓶降低速率热增益和热效率，起到延缓热量侵入控制电路的作用，无源式冷却装置则对随钻仪器的控制电路进行冷却降温；二者协同运作可降低控制电路周围的温度，达到现有随钻仪器控制电路的耐温范围。

无源式冷却装置包括可转动件和制冷单元，制冷单元包括制冷压缩机9、蒸发器(冷热交换器)8、冷凝器(热交换器)10；传动机构、制冷压缩机9、蒸发器8、随钻仪器的控制电路12和膨胀阀11依次按顺序安装在保温瓶14内，参考图4所示，可转动件为涡轮，涡轮15和冷凝器的管道安装在保温瓶外部，涡轮和制冷压缩机通过传动机构连接，制冷压缩机9，冷凝器10、膨胀阀11和蒸发器8依次通过冷却剂管道18进行连接流通。

制冷压缩机可以是斜盘压缩机，随着斜盘沿主轴方向的周期性摆动，使得制冷压缩机的活塞产生沿主轴平行方向的往复运动，完成整个工作循环；但不仅限于斜盘式压缩机，还可以是涡旋式压缩机或螺杆式压缩机等。

涡轮安装于保温瓶端部，涡轮转子与制冷压缩机主轴耦合连接，涡轮转子在钻井液冲击下转动涡轮，带动制冷压缩机主轴旋转；涡轮包括但不仅限于直叶片叶片涡轮、扭曲式叶片涡轮和螺杆马达等。

进一步地，传动机构34可以是磁耦合器连接方式，包括传动轴16和安装在传动轴上的磁耦合器17，涡轮通过磁耦合作用与制冷压缩机主轴连接；但传动机构不仅限于磁耦合器连接方式，还可以是旋转动密封的硬连接方式、外磁钢转子及内绕组定子形式等。

本实施例中，冷凝器10安装于保温瓶外部，为了增加面积，采用上下环绕结构；经制冷压缩机作用后，排出制冷压缩机的气体温度远大于流动钻井液19的温度，故冷凝器使用流动的钻井液19作为冷却液对冷凝器中的高温蒸汽进行冷凝降温。

蒸发器8安装于保温瓶内部，其机械结构为连续的管圈，散热片安装在管道外部，以便与被冷却的空气有更大的表面接触；蒸发器是冷却系统中实际产生冷却的部分，来自膨胀阀的冷却剂被引入蒸发器，当液体蒸发时，它在低温下吸收热量，冷却周围环境或与之接触的介质。

参考图2和图3所示，在蒸发器8中，冷却剂在足够低的温度下蒸发，以吸收来自正在被冷却的随钻仪器控制电路的热量。沸腾温度由蒸发器中保持的压力控制，因为压力越高，沸点越高。制冷压缩机9在蒸汽形成时以足够快的速度排出蒸汽，以保持所需压力。然后压缩该蒸汽并将其输送至冷凝器10。冷凝器将热量散失到循环的钻井液中。冷凝液冷却剂在蒸发器8中使用，然后通过膨胀阀11旁通，压力急剧降低。在这里，冷却剂的压力和温度下降，直到它们达到蒸发器的压力和温度，从而允许冷却循环重复。

一般情况下，在一些具体实施例中，当流动的钻井液19流过涡轮15时，涡轮15产生转矩，在磁耦合器17的转矩补偿作用下，通过传动轴16将转矩传递给制冷压缩机9主轴，制冷压缩机9主轴通过制冷压缩机内部装置(例如转盘)转化为活塞的压缩作业。对来自蒸发器8的冷却剂蒸汽进行吸气-压缩-排气-膨胀的过程，将压缩后的高温高压冷却剂蒸汽传递给耐高压保温14瓶外部的冷凝器10。此时流动的钻井液19温度远低于冷凝器10外部的冷却剂温度，故流动的钻井液19作为冷凝器10的冷却液对高温冷却剂蒸汽进行冷却。经过冷却液作用的冷却剂经膨胀阀11旁通，压力急剧降低，冷却剂的压力和温度下降，直到它们达到蒸发器8的压力和温度，吸收周围随钻仪器的控制电路12产生的热量。经蒸发器作用后的低温低压蒸汽再次被制冷压缩机吸入气腔内，完成一个制冷循环。

参考图5所示，保温瓶14包括至少两层管体，一些示例中，共设置三层管体，包括从内到外依次设置的第一管24、第二管25、第三管26，第一管内设置蓄热体27对保温瓶内部的热量进行储存，随钻仪器的控制电路12安装在第一管24内，第一管的长度小于第二管长度，第二管长度小于第三管长度，第一管一端设置第一管头28，第二管的一端设置第二管头，第一管与第二管的另一端设置玻璃块22，第三管的两端分别设置前堵头20和后堵头32，在前、后堵头与第三管内壁之间分别设置O型圈21，玻璃块22与第二管、第一管之间分别设置橡胶垫23，进一步地，第一管头和第二管头、第二管头与后堵头之间分别通过球铰30连接，且球铰与第一管头、第二管头、后堵头之间均设置胶垫29。

此外，第一管头和第二管头各自设置抽真空孔35。第一管24、第二管25、第三管25同轴心安装，且第一管与第二管、第二管与第三管之间分别间隔设定距离设置，使得保温瓶形成放入两个环形空间，这两个环形空间均为真空条件，由第一管24和第二管25端部的抽真空孔35对其进行抽真空操作。第一管24和第二管25左侧通过O圈和橡胶垫与玻璃块密封连接，右侧通过螺纹与第一管头28和第二管头31连接。

保温瓶为耐高压保温瓶，可在有限的时间内阻止高温钻井液对内部随钻仪器控制电路的热传导，使内部控制电路在有限时间内处于安全工作温度，并且设计蓄热体，对保温瓶内部的热量进行储存，以延长保温时间。

具体地，蓄热体为蓄热材料制成的蓄热块，蓄热材料具有单位体积热容尽量大的特性，此外蓄热材料的体积不随温度变化而明显变化。

在其他一些示例中，随钻仪器的控制电路与保温瓶内设置的温度传感器，设于保温瓶外的涡轮分别单独连接，当保温瓶内温度超过随钻仪器的安全工作温度时，控制电路控制涡轮工作，这样冷却单元开始运行，冷却全过程无需任何外部能量供应。

实施例2

一种超高温井随钻仪器，包括实施例1所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，该冷却系统可对随钻仪器进行冷却，能有效保证对随钻仪器的冷却效果。

参考图6所示，随钻仪器包括安装在涡轮15上部的上传脉冲发生器的机械部件如脉冲发生器33和安装在保温瓶14内部的控制电路12，两部件之间通过电线36连接，且控制电路与随钻仪器的其他设备结构(设于保温瓶的外侧)同样通过穿过保温瓶的电线连接。脉冲发生器33可向位于地面的数据采集和分析单元7提供信息，而控制电路12则由保温瓶14和无源式冷却装置进行冷却降温，使其一直工作在耐温范围内，保证控制电路的抗温性，实现了在钻进超高温井时，高温井眼的作用下随钻仪器的信号传输功能。

容易理解的是，随钻仪器的脉冲发生器可以是正脉冲发生器、连续波发生器和负脉冲发生器等。

随钻仪器可以向位于地面的数据采集和分析单元提供信息。随钻仪器为现有的随钻仪器，随钻仪器的控制电路放置于保温瓶内，这样只要随钻仪器的控制电路可正常工作，那么随钻仪器也可以在高温井眼进行正常工作。

进一步的，随钻仪器和无源式冷却装置中的膨胀阀等电子仪器所需电力由安装在保温瓶内的供电部件例如电池模块供给。

实施例3

一种超高温井随钻系统，参考图1所示，包括钻柱2，钻柱通常由多个互连部分组成，钻机对钻柱进行驱动，钻柱相对于钻机1的远端设置井下组件3，井下组件3包括钻头4和随钻仪器，钻头钻进以在周围地层5中形成孔6。井下组件3还包括实施例2所述的超高温井随钻仪器，也即包括实施例1所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，随钻仪器向位于地面的数据采集和分析单元7提供信息。

数据采集和分析单元7可以是计算机，通过计算机可快速进行数据的采集和分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，包括：

保温瓶，设于钻杆内部，保温瓶内可设置随钻仪器的控制电路；

无源式冷却装置，设于钻杆内部，无源式冷却装置包括可转动件和设于保温瓶内的制冷单元，可转动件与制冷单元连接且由钻井液带动可转动件转动，控制电路、制冷单元由设于保温瓶的供电部件进行供电。

2.根据权利要求1所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述制冷单元包括制冷压缩机、蒸发器和冷凝器，制冷压缩机、蒸发器、所述随钻仪器的控制电路和膨胀阀依次顺序安装于所述保温瓶内；

冷凝器包括设于保温瓶外部的冷凝器管道。

3.根据权利要求2所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述可转动件为设于所述保温瓶外侧的涡轮，涡轮通过传动机构与所述的制冷压缩机连接，涡轮将钻井液的流动转化为制冷压缩机的动力，进而驱动制冷压缩机进行吸气-压缩-排气-膨胀整个工作循环。

4.根据权利要求1所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述保温瓶包括至少两层管体，相邻两层管体之间可形成真空空间，相邻两管体的一端各自设置相应的管头，该端部相邻管头通过铰接连接，管体的另一端密封设置。

5.根据权利要求1所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述保温瓶包括从内到外依次设置的第一管、第二管和第三管，第一管和第二管的一端设置可相通的排真空孔。

6.根据权利要求2所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述保温瓶内设置蓄热体；

所述保温瓶内设置温度传感器，温度传感器与所述的控制电路连接，所述的可转动件与控制电路连接；

所述供电部件还与温度传感器连接。

7.根据权利要求2所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次通过冷却剂管道进行连接流通。

8.根据权利要求2所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备，其特征在于，所述蒸发器为连续的管圈，管圈周侧设置散热片；

所述冷凝器包括环绕于所述保温瓶外部的冷凝器管道。

9.一种超高温井随钻仪器，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的超高温井随钻仪器电路的无源式冷却设备。

10.一种超高温井随钻系统，其特征在于，包括：

钻柱，钻柱与钻机连接，钻柱相对于钻机的远端设置井下组件，井下组件包括钻头和权利要求9所述的一种超高温井随钻仪器。

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