UA120150C2

UA120150C2 - METHOD OF COOLING A BELL MEASURING DEVICE

Info

Publication number: UA120150C2
Application number: UAA201809275A
Authority: UA
Inventors: Дмитро Валерійович Хачатуров; Василь Олександрович Кривоносов
Original assignee: Дмитро Валерійович Хачатуров
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Винахід належить до області нафтовидобувної промисловості, до експлуатації свердловин для видобутку флюїду, для регулювання видобутку з продуктивного горизонту, а також для дослідження свердловин, призначений для охолодження блоків електроніки, що забезпечують функціонування телеметричної апаратури, яка збирає вимірювальні дані про параметри середовища і параметри заглибного електродвигуна. Згідно з винаходом до елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє, попередньо встановлених на блоці електроніки, передають електричне живлення через нульову точку трансформатора і зірку електродвигуна, включаючи джерело змінної напруги і трансформатор заглибного блока, через первинну обмотку якого здійснюють фільтрацію сигналів, а вторинною обмоткою створюють незалежну фазу, по якій через випрямляч забезпечують електричне живлення елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє, від джерела змінного струму. Винахід забезпечує підвищення ефективності роботи охолоджувальних елементів.The invention relates to the field of oil industry, to the operation of wells for fluid production, to regulate production from the productive horizon, as well as for the study of wells for cooling electronics units that provide telemetry equipment that collects measurement data on environmental parameters and . According to the invention, the elements, the operation of which is based on the Peltier effect, pre-installed on the electronics unit, transmit power via the zero point of the transformer and the star of the motor, including the AC voltage source and the submersible transformer, through the primary winding create an independent phase, through which through the rectifier provide electrical power to the elements, the operation of which is based on the Peltier effect, from an AC source. EFFECT: invention makes it possible to increase the efficiency of cooling elements.

Description

Винахід належить до області нафтовидобувної промисловості, до експлуатації свердловин для видобутку флюїду, для регулювання видобутку з продуктивного горизонту, а також для дослідження свердловин, призначений для охолодження блоків електроніки, що забезпечують функціонування телеметричної апаратури, яка збирає вимірювальні дані про параметри середовища і параметри заглибного електродвигуна.The invention belongs to the field of the oil production industry, to the operation of wells for fluid production, to regulate production from the productive horizon, as well as to research wells, it is intended for cooling electronic units that ensure the functioning of telemetry equipment that collects measurement data about the parameters of the environment and the parameters of the submersible electric motor .

Для забезпечення безвідмовної роботи електронних компонентів телеметричного обладнання в умовах з температурою вище 150 "С широко застосовуються різні способи охолодження. Значними ефективністю і поширеністю характеризується елементи Пельтьє, що встановлюються в блоках електроніки свердловинних вимірювальних пристроїв.To ensure trouble-free operation of electronic components of telemetry equipment in conditions with a temperature above 150 "C, various methods of cooling are widely used. Peltier elements installed in the electronics units of borehole measuring devices are characterized by significant efficiency and prevalence.

Відомою є термоелектрична система охолодження, поєднана з корпусом і виконана з можливістю зниження температури інтегральної схеми, причому термоелектрична система охолодження містить модуль термоелектричного охолодження, що має безліч напівпровідників р-типу і п-типу, що чергуються |Раї. ЕР2740889, ІРС Е21847/01. Юом/ппоїе о! сосїїпуд зубієт апа теїпоа /ЗаЇмадогі Меїш Зорпіє еї аї.; арріїсапіб5 Зегмісе5 Реїгоїїег5 Зспіштбегдег; Зспіштбегдег ТесПппоіоду ВМ; Зспіитбегадег Ноідіпов5; Ргад Рез 5 Оєм Ца. - Аррі. Мо. ЕР2О120306530; арріїєд 06.12.2012; риб. дае 11.06.2014). Корпус містить інертний газ, що забезпечує можливість зменшення електроерозії інтегральної схеми або термоелектричної системи охолодження, або і того, і іншого. Система містить датчик, сконфігурований для визначення температури навколишнього середовища. Система також містить контролер, сконфігурований для вибіркового включення або відключення термоелектричної системи охолодження на основі виявленої температури навколишнього середовища. Контролер налаштований на підтримку різниці температур не менше 40"С між температурою навколишнього середовища і температурою інтегральної схеми.A thermoelectric cooling system is known, connected to the case and made with the possibility of reducing the temperature of the integrated circuit, and the thermoelectric cooling system contains a thermoelectric cooling module, which has many p-type and p-type semiconductors alternating |Rai. EP2740889, IRS E21847/01. Yuom/ppoie o! sosiipud zubiet apa teipoa /ZaYimadogi Meish Zorpiye ei ai.; arriisapib5 Zegmise5 Reigoiieg5 Zspishtbegdeg; Zspishtbegdeg TesPppoiodo VM; Zspiitbegadeg Noidipov5; Rgad Res 5 Oem Tsa. - Arry. Mo. EP2O120306530; arriied 06.12.2012; fish dae 11.06.2014). The housing contains an inert gas, which provides the possibility of reducing the electrical erosion of the integrated circuit or the thermoelectric cooling system, or both. The system includes a sensor configured to sense the ambient temperature. The system also includes a controller configured to selectively turn the thermoelectric cooling system on or off based on the sensed ambient temperature. The controller is configured to maintain a temperature difference of at least 40"C between the ambient temperature and the temperature of the integrated circuit.

Однак, використання інертного газу не забезпечує достатньою мірою рівномірного охолодження електронних компонентів. Крім того, робота термоелектричної системи передбачає споживання великої кількості енергії що в умовах необхідності дотримання технічних вимог може слугувати причиною зниження ефективності роботи системи у випадках недостатнього значення напруги, що передається від наземного обладнання для роботи вимірювальної апаратури і системи її охолодження.However, the use of inert gas does not provide sufficiently uniform cooling of electronic components. In addition, the operation of the thermoelectric system involves the consumption of a large amount of energy, which, in the conditions of the need to comply with technical requirements, can serve as a reason for reducing the efficiency of the system in cases of insufficient value of the voltage transmitted from the ground equipment for the operation of the measuring equipment and its cooling system.

Відомий також метод охолодження, що забезпечується пристроєм, що містить один або кілька термоелектричних охолоджувачів, що складаються в провідному зачепленні з щонайменше одним з пристроїв, які активно споживають енергію, а також енергетичним дивертором, що відводить частину енергії, яка споживається активними енергоспоживаючими пристроями, свердловинного енергогенеруючого пристрою, в термоелектричні охолоджувачі для забезпечення роботи охолоджувача |Раї. 57527101, ІРС НОТІ 35/00. Сооїїпуд аррагай5 апа теїнод /)атев5 С. Мауєз; арріїісапі 5спіштрегаєг Тесппоїоду Согр. - Аррі. Мо. О0510905954; арріїєї 27.01.2005; риб. дае 05.05.2009). Свердловинний енергогенеруючий пристрій містить турбінний генератор для перетворення гідравлічної енергії бурового розчину, що прокачується через бурильну колону, в електричну енергію. Свердловинний енергогенеруючий пристрій містить генератор змінного струму. Дивертор енергії містить компаратор напруги.Also known is the method of cooling, which is provided by a device containing one or more thermoelectric coolers, consisting in conductive engagement with at least one of the devices that actively consume energy, as well as an energy diverter that diverts part of the energy consumed by active energy-consuming devices, wellbore energy-generating device, in thermoelectric coolers to ensure the operation of the cooler |Rai. 57527101, IRS NOTI 35/00. Sooiipud arragai5 apa teinod /)atev5 S. Mauyez; arriiisapi 5spishtregaeg Tesppoiodu Sogr. - Arry. Mo. O0510905954; April 27, 2005; fish gives 05.05.2009). A downhole power generating device contains a turbine generator to convert the hydraulic energy of the drilling fluid pumped through the drill string into electrical energy. A downhole power generating device contains an alternating current generator. The energy diverter contains a voltage comparator.

Компаратор порівнює надлишкову напруга, що подається на шині, з опорною напругою.The comparator compares the excess voltage applied to the bus with the reference voltage.

Коли надмірне напруження перевищує опорну напругу, перемикач замикають для направлення надлишку енергії шляхом до елементів Пельтьє.When the excess voltage exceeds the reference voltage, the switch closes to direct the excess energy through the Peltier elements.

До недоліків наведеного способу необхідно віднести наступне: - спосіб передбачає наявність додаткового свердловинного джерела енергії, турбінного генератора для перетворення гідравлічної енергії бурового розчину, що обумовлює підвищення собівартості реалізації способу, підвищення ймовірності появи відмов і обмеженість областей застосування; - використання енергетичного дивертора з компаратором має вузьку сферу застосування і не характеризується достатньою функціональністю.The disadvantages of the given method include the following: - the method provides for the presence of an additional well energy source, a turbine generator for converting the hydraulic energy of the drilling fluid, which leads to an increase in the cost of implementing the method, an increase in the probability of failures, and limited areas of application; - the use of an energy diverter with a comparator has a narrow scope of application and is not characterized by sufficient functionality.

Найбільш близькою до винаходу, що заявляється, є система заглибної телеметрії (Пат.The closest to the claimed invention is the deep telemetry system (Pat.

ВИ133197, МПК Е21847/12. Система погружной телеметрии /Я.В. Антимиров и др.; заявительVI133197, IPC E21847/12. Submersible telemetry system /Y.V. Antimyrov and others; the applicant

ОО "Системь! телемеханики". - 3. Мо 2013113051/03; заявл. 22.03.2013; опубл. 10.10.2013).LLC "Sistem! telemechanics". - 3. Mo 2013113051/03; statement 22.03.2013; published 10.10.2013).

Система заглибної телеметрії містить наземний блок, який має перетворювач сигналу і з'єднаний лінією живлення, а також лінією передачі сигналу з заглибним блоком таким, що також має перетворювач сигналу. У заглибному блоці даної системи додатково розміщений щонайменше один охолоджуючий елемент, оснований на ефекті Пельтьє, конструктивно розташований на корпусі заглибного блока і знаходиться в тепловому контакті з платою з електронними компонентами, розташованої усередині корпусу заглибного блока. Заглибний блок додатково містить блок живлення охолоджуючого елемента, основаного на ефектіThe submersible telemetry system includes a ground unit that has a signal converter and is connected by a power line and a signal transmission line to a submersible unit that also has a signal converter. In the submersible unit of this system, at least one cooling element based on the Peltier effect is additionally placed, structurally located on the housing of the submersible unit and is in thermal contact with the board with electronic components located inside the housing of the submersible unit. The submersible unit additionally contains an effect-based cooling element power supply unit

Пельтьє.Peltier.

Напруга живлення заглибного блока проходить через блок діодного захисту, необхідного для захисту електронних компонентів, що входять в заглибний блок, від від'ємної напівхвилі напруги перешкод, і надходить на блок живлення охолоджуючого елемента, основаного на ефекті Пельтьє, де знижується до необхідних електричних параметрів охолоджуючого елемента основаного на ефекті Пельтьє, необхідних для його роботи, і на блок живлення цифрової частини через блок КС-захисту, використовуваного для зниження значень перешкод до безпечних для електронних компонентів, що входять в заглибний блок, при появі перенапруг.The power supply voltage of the immersion unit passes through the diode protection unit necessary to protect the electronic components included in the immersion unit from the negative half-wave of the interference voltage, and enters the power supply unit of the cooling element based on the Peltier effect, where it is reduced to the required electrical parameters of the cooling element based on the Peltier effect, necessary for its operation, and to the power supply unit of the digital part through the KS-protection unit, used to reduce the interference values to the safe electronic components included in the submersible unit, in the event of overvoltages.

Недоліком найближчого аналога є недостатньо ефективне використання енергії, що надходить по загальній для цифрової частини і елементів Пельтьє лінії. Робота термоелектричних компонентів передбачає споживання відносно великої кількості енергії, що в умовах необхідності дотримання технічних вимог може слугувати причиною зниження ефективності роботи елементів охолодження у випадках недостатнього значення напруги, що передається від наземного обладнання для роботи вимірювальної апаратури і пристроїв її охолодження.The disadvantage of the closest analogue is the insufficiently efficient use of the energy supplied by the common line for the digital part and Peltier elements. The operation of thermoelectric components involves the consumption of a relatively large amount of energy, which, in the conditions of the need to comply with technical requirements, can serve as a reason for reducing the efficiency of the cooling elements in cases of insufficient value of the voltage transmitted from the ground equipment for the operation of measuring equipment and its cooling devices.

Винахід, що заявляється, спрямовано на вирішення задачі підвищення ефективності роботи охолоджуючих елементів, встановлених в блоці електроніки свердловинного вимірювального пристрою, основаних на ефекті Пельтьє, при забезпеченні єдиних технічних вимог до напруги живлення обладнання.The claimed invention is aimed at solving the problem of improving the efficiency of the cooling elements installed in the electronics unit of the well measuring device, based on the Peltier effect, while ensuring uniform technical requirements for the supply voltage of the equipment.

Рішення задачі обумовлюється сукупністю наступних істотних ознак.The solution to the problem is determined by the set of the following essential features.

Спосіб охолодження свердловинного вимірювального пристрою, який містить наземний і заглибний блоки, включає операцію охолодження щонайменше одного блока електроніки заглибного блока елементами, робота яких основана на ефекті Пельтьє, і передбачає передачу тепла на корпус блока електроніки, після чого тепло передають на трубу, в яку занурено вимірювальний пристрій, яку охолоджують пластовою рідиною. До елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє, попередньо встановлених на щонайменше одному блоці електроніки, передають електричне живлення через нульову точку трансформатора і зірку електродвигуна, включаючи джерело змінної напруги і трансформатор заглибного блока, черезThe method of cooling a well measuring device, which contains surface and submersible units, includes the operation of cooling at least one electronic unit of the submersible unit with elements whose operation is based on the Peltier effect, and involves the transfer of heat to the body of the electronics unit, after which the heat is transferred to the pipe in which it is immersed a measuring device that is cooled by formation fluid. To the elements, the work of which is based on the Peltier effect, pre-installed on at least one unit of electronics, electric power is transmitted through the zero point of the transformer and the star of the electric motor, including the source of alternating voltage and the transformer of the submersible unit, through

Зо первинну обмотку якого здійснюють фільтрацію сигналів, а через вторинну створюють незалежну фазу, по якій через випрямляч забезпечують електричне живлення елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє, від щонайменше одного джерела змінного струму.Signals are filtered from the primary winding of which, and an independent phase is created through the secondary, on which, through a rectifier, the elements, whose work is based on the Peltier effect, are supplied with electrical power from at least one source of alternating current.

Блок електронікию, на який встановлюють елементи, робота яких основана на ефектіAn electronics unit on which elements whose work is based on the effect are installed

Пельтьє, попередньо заливають в'язкотекучим теплопровідним складом.Peltier, pre-filled with a viscous heat-conducting composition.

Суть технічного рішення, що заявляється, пояснюється, але не обмежується, графічним матеріалом, представленим на кресленні - схема свердловинного вимірювального пристрою, до якого здійснюється спосіб.The essence of the claimed technical solution is explained, but not limited, by the graphic material presented in the drawing - the scheme of the well measuring device, to which the method is carried out.

Свердловинний вимірювальний пристрій складається з наземного 1, і заглибного 2, блоків.The downhole measuring device consists of surface 1 and underground 2 blocks.

Наземний блок, включає джерело живлення 3, з пристроєм прийому і обробки інформації 4, і пов'язаний з вторинною обмоткою трифазного трансформатора 5.The ground unit includes a power source 3, with a device for receiving and processing information 4, and is connected to the secondary winding of a three-phase transformer 5.

Наземний блок, також містить фільтр низьких частот, 6, встановлений на лінії зв'язку з вторинною обмоткою трифазного трансформатора і виконаний з можливістю захисту системи від високої напруги, а також комутуючий пристрій 7, виконаний із можливістю зміни полярності напруги, що подається в лінію для вимірювання опору ізоляції, пов'язаний з резистором зняття напруги 8, пропорційного струму лінії зв'язку.The ground unit also contains a low-frequency filter, 6, installed on the communication line with the secondary winding of a three-phase transformer and made with the possibility of protecting the system from high voltage, as well as the switching device 7, made with the possibility of changing the polarity of the voltage supplied to the line for measurement of the insulation resistance associated with the voltage relief resistor 8, proportional to the current of the communication line.

Заглибний блок 2 включає набір вимірювальних датчиків 9, стабілізатор напруги 10, підключений до обмоток заглибного електродвигуна 11 через резистор 12 і пов'язаний з блоком електроніки 13, який пов'язаний з електронним керованим ключем 14, підключеним до обмоток електродвигуна через резистор 15. Електронний ключ управляється за допомогою вказаного блока електроніки 13, при цьому його живлення, а також живлення вимірювальних датчиків здійснюється від стабілізатора напруги 10.The submersible unit 2 includes a set of measuring sensors 9, a voltage stabilizer 10, connected to the windings of the submersible electric motor 11 through a resistor 12 and connected to the electronics unit 13, which is connected to an electronically controlled key 14 connected to the windings of the electric motor through a resistor 15. Electronic the key is controlled using the indicated electronics unit 13, while its power supply, as well as the power supply of the measuring sensors, is provided by the voltage stabilizer 10.

Заглибний блок 2 містить трансформатор 16.Submersible unit 2 contains transformer 16.

За подачі напруги живлення пристрій приводиться у дію. У заглибному блоці 2 блок електроніки 13 опитує набір вимірювальних датчиків У, який переважно містить датчики температури, тиску і вібрації. Поточні дані з датчиків перетворюються в послідовний цифровий код і надходять на електронний керований ключ 14. Синхронно з послідовним цифровим кодом електронний ключ генерує сигнали, які, проходячи через трансформатор 16 і обмотки заглибного електродвигуна 11, надходять у пристрій прийому і обробки інформації 4, проходячи при цьому через фільтр низьких частот 6, встановлений на лінії зв'язку з вторинною обмоткою бо трифазного трансформатора 5, забезпечуючи, таким чином, захист від високої напруги.When the supply voltage is applied, the device is activated. In the submersible unit 2, the electronics unit 13 interrogates a set of measuring sensors U, which mainly includes temperature, pressure and vibration sensors. The current data from the sensors are converted into a serial digital code and are sent to the electronic controlled key 14. Synchronously with the serial digital code, the electronic key generates signals that, passing through the transformer 16 and the windings of the submersible electric motor 11, enter the information reception and processing device 4, passing at this through the low-pass filter 6 installed on the communication line with the secondary winding of the three-phase transformer 5, thus providing protection against high voltage.

Також здійснюється апаратно-програмний режим перевірки ізоляції наземним блоком.The hardware and software mode of checking the isolation of the ground block is also carried out.

Відповідно до зазначеного режиму, на лінію живлення заглибного блока подається напруга від'ємної полярності, яку створюють за допомогою комутуючого пристрою 7 для зміни полярності напруги. Далі вимірюють падіння напруги на резистор, 8, а також напругу в лінії живлення, після чого обчислюють струм, що проходить через резистор 8. Виходячи з отриманих значень струму резистора і напруги живильної лінії обчислюють опір ізоляції.According to the specified mode, a voltage of negative polarity is applied to the power line of the submersible unit, which is created using the switching device 7 to change the polarity of the voltage. Next, the voltage drop across the resistor, 8, as well as the voltage in the supply line is measured, after which the current passing through the resistor 8 is calculated. Based on the obtained values of the resistor current and the voltage of the supply line, the insulation resistance is calculated.

Блок електроніки 13 охолоджують елементами, робота яких основана на ефекті Пельтьє 17.The electronics unit 13 is cooled by elements whose operation is based on the Peltier effect 17.

До елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє 17, попередньо встановлених на щонайменше одному блоці електроніки 13, передають електричне живлення через нульову точку трансформатора і зірку електродвигуна, включаючи джерело змінної напруги 18 і трансформатор заглибного блока 16, через первинну обмотку якого здійснюють фільтрацію сигналів, а через вторинну створюють незалежну фазу, по якій через випрямляч 19 забезпечують електричне живлення елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє від щонайменше одного джерела змінного струму 18.To the elements whose work is based on the Peltier effect 17, pre-installed on at least one electronics unit 13, electric power is transmitted through the zero point of the transformer and the star of the electric motor, including the source of alternating voltage 18 and the transformer of the submersible unit 16, through the primary winding of which filtering of signals is carried out, and through the secondary, an independent phase is created, on which, through the rectifier 19, electrical power is provided to the elements whose work is based on the Peltier effect from at least one alternating current source 18.

Таким чином, на базі пристрою, що характеризується високою захищеністю від перешкод, реалізований спосіб, що забезпечує передачу електрики через додатковий канал до елементів, робота яких основана на ефекті Пельтьє, що дозволяє збільшити ресурс при робочих температурних режимах і підвищити ефективність даних елементів за рахунок забезпечення роботи свердловинного вимірювального пристрою при більш високих температурах, завдяки чому підвищується надійність всієї системи, забезпечується виконання єдиних технічних вимог до напруги живлення.Thus, on the basis of the device, which is characterized by high protection against interference, a method has been implemented that ensures the transmission of electricity through an additional channel to the elements whose operation is based on the Peltier effect, which allows to increase the resource at operating temperature conditions and increase the efficiency of these elements by ensuring the operation of the well measuring device at higher temperatures, thanks to which the reliability of the entire system increases, and the fulfillment of uniform technical requirements for the supply voltage is ensured.

Відсутність необхідності застосування додаткових пристроїв (наприклад різних генераторів енергії) при реалізації способу дозволяє використовувати обладнання більш економічно ефективним шляхом.The absence of the need to use additional devices (for example, various energy generators) when implementing the method allows you to use the equipment in a more cost-effective way.

Крім того, установка блока електроніки у в'язкотекучому складі (наприклад на основі низькомолекулярного силіконового каучуку) дозволяє забезпечити рівномірність процесів теплопередачі в пристрої, на якому реалізується спосіб, що заявляється.In addition, the installation of the electronics unit in a viscous composition (for example, based on low-molecular silicone rubber) allows to ensure the uniformity of heat transfer processes in the device, which implements the claimed method.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION Koo)

1. A method of cooling a well measuring device, which contains surface and submersible units, which includes the operation of cooling at least one electronic unit of the submersible unit with elements whose operation is based on the Peltier effect, and involves the transfer of heat to the housing of the electronics unit, after which the heat is transferred to the pipe, in which a measuring device is immersed, which is cooled by a reservoir fluid, which is characterized by the fact that to the elements whose operation is based on the Peltier effect, pre-installed on at least one electronics unit, electric power is transmitted through the zero point of the transformer and the star of the electric motor, including a source of alternating voltage and a submersible block transformer, through the primary winding of which signals are filtered, and an independent phase is created with the secondary winding, on which, through a rectifier, the elements, whose work is based on the Peltier effect, are supplied with electricity from at least one source of alternating current.

2. The method of cooling the borehole measuring device according to claim 1, which is characterized by the fact that the electronics unit, on which the elements whose work is based on the Peltier effect are installed, is pre-filled with a viscous heat-conducting composition.