DE102004053251A1 - A downhole tool cooling apparatus and method of cooling a component disposed in a downhole tool - Google Patents
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Abstract
Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug (20) mit einer im Bohrlochwerkzeug (20) angeordneten isolierenden Kammer (24), die zum Aufnehmen eines zu kühlenden Objekts (47) ausgestaltet ist, und einen im Bohrlochwerkzeug (20) angeordneten Stirling-Kühler (22), der ein zum Entfernen von Wärme aus der isolierenden Kammer (24) ausgestaltetes kaltes Ende und ein zum Ableiten von Wärme ausgestaltetes heißes Ende aufweist.A downhole tool cooling apparatus (20) having an insulating chamber (24) disposed in the downhole tool (20) adapted to receive an object (47) to be cooled and a Stirling cooler (22) disposed in the downhole tool (20) a cold end configured to remove heat from the insulating chamber (24) and a hot end adapted to dissipate heat.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug sowie ein Verfahren zum Kühlen einer in einem Bohrlochwerkzeug angeordneten Komponente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8.The The invention relates to a cooling device for a Downhole tool and method for cooling a downhole tool arranged component according to the preamble of claim 1 or 8th.
Auf dem Gebiet der Kohlenwasserstoff- und Wasseraufsuchung und -förderung sind verschiedene Techniken zur Bohrlochdatenerfassung und -überwachung bekannt. Dabei werden Bohrlochwerkzeuge oder -instrumente verwendet, die mit Quellen versehen sind, welche zum Aussenden von Energie durch ein Bohrloch ausgestaltet sind, das eine unterirdische Formation durchquert. Die ausgestrahlte Energie passiert das Bohrlochfluid („Schlamm") und gelangt in die umgebenden Formationen, wodurch Signale erzeugt werden, die durch einen oder mehrere Sensoren erfaßt und gemessen werden, die typischerweise ebenfalls an den Bohrlochwerkzeugen angeordnet sind. Durch Verarbeiten der erfaßten Signal daten wird ein Profil der Formationseigenschaften erhalten.On the field of hydrocarbon and water exploration and production are various well logging and monitoring techniques known. Drilling hole tools or instruments are used which are provided with sources for sending energy through a borehole is formed, which is an underground formation crosses. The radiated energy passes through the borehole fluid ("Mud") and get in the surrounding formations, which generates signals that be detected and measured by one or more sensors, the typically also disposed on the downhole tools. By processing the detected Signal data is obtained a profile of the formation properties.
Ein Bohrlochwerkzeug mit mehreren energieaussendenden Quellen und Sensoren zum Messen verschiedener Parameter kann am Ende eines Kabels, einer Drahtleitung, eines Bohrstrangs od.dgl. in ein Bohrloch herabgelassen werden. Das Kabel bzw. die Drahtleitung ist mit einem mobilen Verarbeitungszentrum an der Erdoberfläche verbunden und stellt das Mittel bereit, durch das Daten an die Oberfläche heraufgesendet werden. Mit dieser Art von Datenerfassung über eine Drahtleitung wird es möglich, Bohrloch- und Formationsparameter als Funktion der Tiefe zu messen, d.h. während das Bohrlochwerkzeug im Bohrloch nach oben gezogen wird.One Borehole tool with multiple energy emitting sources and sensors To measure various parameters can be at the end of a cable, a Wireline, a drill string or the like. lowered into a borehole become. The cable or the wireline is with a mobile processing center at the earth's surface and provides the means by which data is sent up to the surface become. With this kind of data acquisition over a wireline is it possible to drill and to measure formation parameters as a function of depth, i. while that Drill hole tool is pulled uphole in the borehole.
Als
Alternative zu drahtleitungsbasierten Bohrlochdatenerfassungstechniken
ist das Sammeln von Daten über
Bedingungen im Bohrloch während des
Bohrvorgangs bekannt. Durch Sammeln und Verarbeiten solcher Informationen
während
des Bohrvorgangs kann der Bohrführer
Schritte des Bohrvorgangs ändern
oder korrigieren, um die Leistung zu optimieren. Techniken zum Sammeln
von Daten über
Bedingungen im Bohrloch und zum Bewegen der Bohranordnung während des
Bohrvorgangs sind als Messen-während-des-Bohrens-(MWD, Measurement
While Drilling)-Techniken bekannt. Ähnliche Techniken, bei denen
der Schwerpunkt mehr auf der Messung von Formationsparametern als
auf der Bewegung der Bohranordnung liegt, sind als Datenertassen-während-des-Bohrens-(LWD, Logging
While Drilling)-Techniken bekannt. Das Datenerfassenwährend-des-Verfahrens-(LWT,
Logging While Tripping) ist eine Alternative zu den LWD- und MWD-Techniken.
Bei der LWT-Technik wird ein Einführwerkzeug mit kleinem Durchmesser
am Ende eines Bohrdurchgangs, kurz bevor das Bohrrohr herausgezogen
wird, durch das Bohrrohr nach unten ins Bohrloch herabgelassen.
Das Einführwerkzeug
wird dazu verwendet, physikalische Werte im Bohrloch zu messen,
während
der Bohrstrang aus dem Bohrloch herausgezogen oder herausgefahren
wird. Gemessene Daten werden in einen Speicher im Einführwerkzeug
als Funktion der Zeit während
des Herausfahrens gespeichert. An der Oberfläche speichert ein zweiter Gerätesatz die
Tiefe als Funktion der Zeit für das
Herausfahren, wodurch die Messungen der Tiefe zugeordnet werden
können.
Bohrlochwerkzeuge sind extremen Temperaturen (bis zu 260°C) und Drücken (bis zu 30.000 psi, entsprechend etwa 200 MPa, und in einigen Fällen bis zu 40.000 psi, entsprechend etwa 275 MPa) ausgesetzt. Diese Werkzeuge sind üblicherweise mit empfindlichen Komponenten, beispielsweise elektronischen Einrichtungen, ausgestattet, die häufig nicht für derart niedrige Umgebungen entworfen sind. Bei den Herstellern elektronischer Komponenten herrscht der Trend vor, den hochvolumigen kommerziellen Markt zu bedienen, wodurch es schwierig ist, Komponenten für Bohrlochwerkzeuge zu finden, die bei diesen erhöhten Temperaturen zuverlässig arbeiten. Zur gleichen Zeit tendiert die Ölindustrie zum Aufsuchen tieferer und heißerer Reservoirs. Daher gibt es einen Bedarf an Verfahren oder Vorrichtungen, die es ermöglichen, die empfindlichen elektronischen Komponenten bei hohen Temperaturen zu betreiben. Der Neuentwurf von Silizium-Chips, damit diese bei hohen Temperaturen (beispielsweise oberhalb von 150°C) arbeiten, ist kostenintensiv und wirkt sich erheblich auf die Entwicklungszeit und damit die Zeit aus, die erforderlich ist, bis das Produkt auf den Markt kommt. Die Alternative hierzu sind Vorrichtungen, die die elektronischen Komponenten gegenüber den hohen Temperaturen schützen. Konventionelle Techniken umfassen diejenigen, die die empfindlichen Komponenten gegenüber der heißen Umgebung isolieren, beispielsweise indem sie in Dewar-Gefäßen angeordnet werden. Diese Technik schützt das Werkzeug jedoch nur für eine bestimmte Zeitspanne, und die Art der Gefäße führt zu einer erheblichen Bruchgefahr. Ein besserer Ansatz besteht in der Verwendung einer aktiven Kühlvorrichtung.Downhole tools are extreme temperatures (up to 260 ° C) and pressures (up to 30,000 psi, respectively about 200 MPa, and in some cases up to 40,000 psi, corresponding to about 275 MPa). These tools are common with sensitive components, such as electronic devices, equipped, often not for such low environments are designed. At the manufacturers of electronic Components dominate the trend, the high-volume commercial Market to use, which makes it difficult to drill hole components to find that increased among these Temperatures reliable work. At the same time, the oil industry is tending to seek deeper and hotter Reservoirs. Therefore, there is a need for methods or devices which make it possible the sensitive electronic components at high temperatures to operate. The redesign of silicon chips to help with this high temperatures (for example, above 150 ° C) work, is costly and has a significant impact on development time and hence the time it takes to get the product up the market is coming. The alternative to this are devices that the electronic components against the high temperatures protect. Conventional techniques include those that are sensitive Components opposite the hot ones Isolate environment, for example, by placing them in Dewar vessels become. This technique protects the tool only for a certain period of time, and the type of vessels leads to a significant risk of breakage. A better approach is to use an active cooling device.
Eine Kühlvorrichtung, die in der Lage ist, eine Kühlung mit mehreren Watt für wärmegeschützte elektronische Komponenten in Bohrlochwerkzeugen bereit zustellen, würde die Verwendung elektronischer und Sensortechnologien ermöglichen, die andernfalls für Hochtemperaturanwendungen nicht geeignet sind. Hierdurch würden zudem die stetig steigenden Kosten für die Entwicklung und Implementation hochtemperaturgeeigneter Elektronik verringert. Schließlich würde eine derartige Kühlvorrichtung es ermöglichen, neue Techniken der unterirdischen Aufsuchung und Förderung einzuführen.A cooling device capable of providing several watts of cooling for heat-protected electronic components in downhole tools would enable the use of electronic and sensor technologies that would otherwise be unsuitable for high temperature applications. This would also reduce the ever-increasing costs of developing and implementing high-temperature electronics. Finally, such a cooling device would make it possible to introduce new techniques of underground exploration and production.
Eine Kühlvorrichtung zur Verwendung in einem Bohrloch muß in den beschränkten Raum im Bohrlochwerkzeug passen. Verschiedene Miniaturkühlvorrichtungen, die für die Verwendung in Bohrlochwerkzeugen geeignet sind, sind bekannt. Beispielsweise schlägt Aaron Flores, „Active Cooling for Elektronis in a Wireline Oil-Exploration Tool", Dissertation, MIT, 1996, eine Technik vor, die auf einem einmaligen Dampfkompressionszyklus basiert. Dieser Ansatz erfordert jedoch sehr sorgfältiges Abdichten und Schmieren infolge der hohen Drücke im Kondensator.A cooler for use in a borehole must be in the limited space in the downhole tool. Various miniature cooling devices, the for the use in well tools are known. For example, beats Aaron Flores, "Active Cooling for Elektronis in a Wireline Oil Exploration Tool ", Dissertation, MIT, 1996, a technique based on a unique vapor compression cycle based. However, this approach requires very careful sealing and Lubrication due to high pressures in the condenser.
Aus Gloria Bennett „Active Cooling for Downhole Instrumentation: Miniature Thermoacoustic Refrigerator", Dissertation, University of New Mexico, 1991, UMI 1991.9215048, ist eine aktive Kühlvorrichtung für Bohrlochwerkzeuge bekannt, die auf einem thermoakustischen Miniaturkühlschrank beruht. Obwohl dieser Ansatz vielversprechend ist, sind die verwendeten Komponenten verhältnismäßig voluminös und die Leistungsfähigkeit eines thermoakustischen Miniaturkühlschranks ist ungewiß.Out Gloria Bennett "Active Cooling for Downhole Instrumentation: Miniature Thermoacoustic Refrigerator ", Dissertation, University of New Mexico, 1991, UMI 1991.9215048, is an active cooling device for borehole tools known on a thermoacoustic miniature refrigerator based. Although this approach is promising, the ones used are Components relatively bulky and the capacity of a thermoacoustic miniature refrigerator is uncertain.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für ein Bohrlochwerkzeug und ein Verfahren zum Kühlen einer in einem Bohrlochwerkzeug angeordneten Komponente nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8 zu schaffen, mit denen eine verbesserte Kühlung möglich ist.Of the Invention is therefore the object of a cooling device for a A downhole tool and a method of cooling a tool in a downhole tool arranged component according to the preamble of claim 1 or 8 create, with which an improved cooling is possible.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.These Task is according to the features of claims 1 and 8 solved.
Hierdurch wird eine verbesserte Kühlung für Bohrlochwerkzeuge geschaffen. Die Kühlvorrichtung ist in der Lage, Komponenten im Bohrloch auf erheblich niedrigeren Temperaturen zu halten, so daß diese Komponenten eine erhöhte Leistungsfähigkeit und eine verlängerte Lebensdauer aufweisen. Die Kühlvorrichtung umfaßt ein geschlossenes System mit einer minimalen Anzahl beweglicher Teile, wodurch ein gleichförmiger, stoßfreier und leiser Betrieb ermöglicht wird, was sich vorteilhaft auf die Auswahlerfordernisse in Bezug auf Stoß- und Vibrationsfestigkeit der am Bohrlochwerkzeug anzubringenden Instrumente auswirkt.hereby will be an improved cooling for borehole tools created. The cooling device is able to drill downhole components at significantly lower temperatures to hold so that this Components an increased Efficiency and an extended one Have life. The cooling device comprises a closed system with a minimum number of moving ones Parts, creating a more uniform, bumplessly and quiet operation allows which is advantageous in terms of the selection requirements On impact- and vibration resistance of the drill hole tool to be attached Instruments.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further Embodiments of the invention are the following description and the dependent claims refer to.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The The invention is described below with reference to the attached figures illustrated embodiments explained in more detail.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen Kühlvorrichtungen zur Verwendung in Bohrlochwerkzeugen. Diese Kühlvorrichtungen basieren auf Stirling-Zyklen, die in einem geschlossenen System effizient arbeiten können, keine Schmierung benötigen und bei verhältnismäßig niedrigeren Drücken im Vergleich zu Dampfkompressionsvorrichtungen arbeiten. Ein Stirling-Motor oder -Kühler basiert auf dem bekannten thermodynamischen Stirling-Zyklus. Ein Stirling-Motor verwendet Hitze (Temperaturunterschied) als die Energiequelle, um eine mechanische Arbeit bereitzustellen. Ein Stirling-Kühler arbeitet entgegengesetzt: Er verwendet mechanische Energie, um einen Temperaturunterschied zu schaffen, beispielsweise als Kühler oder Gefriermaschine.embodiments The invention relates to cooling devices for use in downhole tools. These cooling devices are based on Stirling cycles, who can work efficiently in a closed system, no Need lubrication and at relatively lower To press work in comparison to vapor compression devices. A Stirling engine or cooler based on the well-known thermodynamic Stirling cycle. A Stirling engine uses heat (temperature difference) as the energy source to to provide a mechanical work. A Stirling cooler works opposite: he uses mechanical energy to get a temperature difference to create, for example, as a cooler or freezer.
Verschiedene Konfigurationen von Stirling-Motoren/-Kühlern sind bekannt. Diese können in kinematische und Freikolben-Typen eingeteilt werden. Kinematische Stirling-Motoren verwenden Kolben, die an Antriebsmechanismen gekoppelt sind, um lineare Kolbenbewegungen in Drehbewegungen umzusetzen. Kinematische Stirling-Motoren können ferner als Alpha-Typ (zwei Kolben), Beta-Typ (Kolben und Verdränger in einem Zylinder) und Gamma-Typ (Kolben und Verdränger in getrennten Zylindern) klassifiziert werden. Freikolben-Stirling-Motoren verwenden Mechaniken mit harmonischer Bewegung, die ebene Federn oder magnetische Feldschwingungen verwenden können, um die harmonische Bewegung bereitzustellen.Various configurations of Stirling engines / coolers are known. These can be classified into kinematic and free-piston types the. Kinematic Stirling engines use pistons coupled to drive mechanisms to translate linear piston motions into rotational motions. Kinematic Stirling engines may also be classified as alpha type (two pistons), beta type (piston and displacer in one cylinder), and gamma type (pistons and displacer in separate cylinders). Free-piston Stirling engines use harmonic motion mechanics that can use even springs or magnetic field vibrations to provide harmonic motion.
Wegen
erheblicher technischer Anforderungen werden Stirling-Motoren in
der Praxis kaum verwendet, und die Verwendung von Stirling-Kühlern ist auf
das Spezialgebiet der Cryotechnik und auf militärische Anwendungen beschränkt. Die
Entwicklung von Stirling-Motoren/-Kühlern umfaßt praktische Erwägungen wie
Effizienz, Vibration, Lebensdauer und Kosten. Die Verwendung von
Stirling-Motoren/-Kühlern an
Bohrlochwerkzeugen bereitet infolge des beschränkten, in einem Bohrlochwerkzeug
verfügbaren Platzes
(typischerweise etwa 7,5 bis etwa 15 cm Durchmesser) und der widrigen
Umgebung im Bohrloch (beispielsweise Temperaturen bis zu 260°C, Drücke bis
zu 30.000 psi, entsprechend etwa 200 MPa, oder mehr, und Erschütterungen
bis zu 250 g oder mehr) zusätzliche
Schwierigkeiten. Stirling-Motoren sind zur Verwendung als elektrische
Generatoren für
Bohrlochwerkzeuge vorgeschlagen worden, vgl.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beliebige Stirling-Kühler verwenden. Einige Ausführungsformen verwenden Freikolben-Stirling-Kühler. Eine Ausführungsform eines Freikolben-Stirling-Kühlers verwendet einen Linearmotor mit einem beweglichen Magneten.embodiments of the present invention use any Stirling cooler. Some embodiments use free piston Stirling cooler. A embodiment a free-piston Stirling cooler uses a linear motor with a moving magnet.
Der
Elektromagnet
Die
Bewegung des Kolbens
Obwohl
Die
Bewegung des Gases auf die rechte und die linke Seite des Kolbens
In
einem Prozeß a
von einem Zustand
In
einem zweiten Prozeß b
vom Zustand
In
einem Prozeß c
vom Zustand
In
einem Prozeß d
vom Zustand
Die
in
Anstelle des beschriebenen Freikolben-Stirling-Kühlers können weitere Typen von Stirling-Kühlern verwendet werden, einschließlich derjenigen, die auf kinematischen Mechanismen beruhen, beispielsweise Doppelkolben-Stirling-Kühler und Kolben-und-Verdränger-Stirling-Kühler.Instead of of the described free-piston Stirling cooler, other types of Stirling coolers can be used be inclusive those based on kinematic mechanisms, for example Dual Piston Stirling Radiator and Piston and displacer Stirling cooler.
Erfindungsgemäß werden Stirling-Kühler verwendet, um Elektronikeinrichtungen, Quellen, Sensoren oder andere hitzeempfindliche Teile zu kühlen, die in der widrigen Umgebung im Bohrloch arbeiten müssen. In diesen Ausführungsformen sind die zu kühlenden Komponenten in einer isolierenden Kammer, beispielsweise einem Dewar-Gefäß, angeordnet, und das kalte Ende des Stirling-Kühlers ist entweder direkt oder indirekt über einen Wärmeübertragungsmechanismus an eine Seite der Kammer gekoppelt. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann einen erheblichen Wärmebetrag, beispielsweise 150 W, abführen. Damit ist es möglich, für die untergebrachten Komponenten eine Umgebung unterhalb von 125°C bereitzustellen, selbst wenn die Temperatur im Bohrloch 175°C beträgt. Modellstudien zeigen, daß die erfindungsgemäßen Ausführungsformen einer Kühlvorrichtung mit einem Stirling-Kühler in der Lage sind, Hitze mit einer Rate bis zu 400 W abzuführen.According to the invention Stirling cooler used, to electronic devices, sources, sensors or other heat-sensitive ones Cool parts, who have to work downhole in the adverse environment. In these embodiments are the ones to be cooled Components in an insulating chamber, such as a dewar, arranged, and the cold end of the Stirling cooler is either directly or indirectly via a heat transfer mechanism coupled to one side of the chamber. The cooling device according to the invention can a significant amount of heat, for example, 150 W, dissipate. This makes it possible for the components to provide an environment below 125 ° C, even if the temperature in the borehole is 175 ° C. Model studies show that the embodiments according to the invention a cooling device with a stirling cooler in able to dissipate heat at a rate up to 400W.
Einige
Aspekte der Erfindung betreffen Verfahren zum Herstellen eines Bohrlochwerkzeugs
mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
Eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Bohrlochwerkzeugs
einschließlich
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Kühlvorrichtung
mit einem Stirling-Kühler ist
in
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