一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置的制作方法

本发明涉及井下工具冷却技术领域，特别是一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置。

背景技术：

在石油和天然气地热工业中遇到越来越热的钻孔(井)。在德克萨斯州，北海，泰国和世界其他地区遇到过400f的油气井。地热孔为500至600f。大多数商业可用的电子设备通常限制在最大约250f。一些电子产品可使用温度已被推到高温，但多数是低温。在其他的许多组件中只需一个组件被评为250f，会使整个电子产品的评级达到250f。许多电子设备在高温和高精度下会漂移。评级达到400f的电子元件由于高温的降级效应也会缩短寿命。解决这些温度困境的一种方法是冷却容纳电子设备的工具，从而冷却电子设备。电子设备(通常被称为有效负载)通常是许多电子元件的装配，通常安装在底盘上。有时，电子设备由电传感器或直接安装在底盘和/或外壳上的传感器组成。

用于在高温环境中冷却井内的方法可大致分为被动或主动系统。被动系统具有有限的操作时间。被动系统通常以冷却工具开始，并提供延迟(减慢)工具加热的方式和方法，以便在工具超过其温度极限之前有足够的时间使冷却完成其工作。隔热和杜瓦瓶等设备是实现这一目标的常用方法。共晶(相变)材料和散热器是另一种方法。但是，持续时间通常只有几个小时。对于一些在几小时内进出井的电缆工具来说这是可行，但这对于需要停留在井中数天等较长时间的电缆工具或钻孔工具来说并不好。

一些被动系统可以通过在起下钻井之前预冷散热器(通常在液氮中)来延长时间。另一种方法是在井下输送冷却剂或化学品以冷却设备，但无法在井下再次使这些材料，使用时间仍然有限。通过在井下运输更多材料可以延长时间，但在大量需求时是不切实际的。

主动系统使用工具将热量从工具中泵出并进入周围环境。这需要井下动力。该动力通常来自钻井液(泥浆)连续地进出井，通过电缆传导的电能和/或诸如电池的存储电力。

在连续几天的下井(即在钻井过程中)中需要主动系统。有许多主动系统，如蒸汽压缩制冷，布雷顿，吸收，厚度，热声，热电，磁热，电热等。gloriabennett(洛斯阿拉莫斯国家实验室)于1988年在她的论文中发表井下仪器的主动冷却系统的优缺点：初步分析和系统选择。蒸汽压缩制冷循环具有许多优点。它是一个普遍应用的系统。它自1800年早期开始使用，可用于冰箱，家庭，建筑物，工业厂房，汽车等。它是非常好理解，简单，耐用的系统。可以选择冷却剂以适应几乎任何温度范围。

因此，本领域一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置，包括设置在井下工具内的蒸发器、冷凝器、往复式压缩机、运动转换器、旋转电动机，待冷却部件设置在蒸发器中，所述蒸发器包括具有隔热性能的蒸发器壳体和位于蒸发器壳体内且缠绕在待冷却部件外的蒸发器管，所述冷凝器包括与蒸发器壳体相邻的冷凝器壳体以及填充在冷凝器壳体中的高压高温冷却液；所述往复式压缩机设置在冷凝器壳体内，蒸发器管的出口穿过蒸发器壳体和冷凝器壳体之间的壁与往复式压缩机的入口连接，往复式压缩机的出口与冷凝器壳体内部连通；蒸发器壳体和冷凝器壳体之间的壁内设有膨胀阀，膨胀阀的出口与蒸发器管的入口连接，膨胀阀的入口与冷凝器壳体内部连通；所述冷凝器壳体外部设有旋转电动机，运动转换器也设置在冷气器壳体外，旋转电动机的输出轴通过运动转换器与往复式压缩机的活塞连接，运动转换器用于将旋转电动机输出轴的旋转运动转化为往复式压缩机的活塞的线性运动。

进一步，所述往复式压缩机包括具有气缸盖和气缸壁的气缸，可在气缸内滑动的活塞，以及由活塞在气缸中限定的压缩室，气缸盖设有往复式压缩机的入口和往复式压缩机的出口。

进一步，所述往复式压缩机的入口设有入口止回阀；往复式压缩机的出口设有出口止回阀。

进一步，所述运动转换器包括凸轮壳体、输入轴、凸轮驱动器、凸轮从动件、凸轮输出轴，所述凸轮壳体固定在压缩机壳体或冷凝器壳体外，凸轮驱动器由输入轴旋转，凸轮从动件啮合凸轮轨道，凸轮轨道凹进凸轮驱动器的外表面下方，凸轮输出轴与凸轮壳体连接，凸轮输出轴与往复式压缩机的活塞连接，输入轴与旋转电动机的输出轴固定连接。

进一步，所述运动转换器包括输入轴和与输入轴一端连接的外部联接器，输入轴一端贯穿冷凝器壳体与往复式压缩机的活塞连接，外部联接器一端与旋转电动机的输出轴固定连接、另一端套在输入轴外部，外部联接器内嵌入有外耦合磁铁，位于外部联接器内部的输入轴外壁嵌入有输入轴磁铁，输入轴磁铁与外耦合磁铁磁耦合。

进一步，所述运动转换器的输入轴与旋转电动机的输出轴之间设有离合器。

进一步，所述冷凝器壳体内设有冷凝器管，冷凝器管的一端与往复式压缩机的出口连接、另一端连接到膨胀阀的入口。

进一步，所述冷凝器壳体内还设有拾取管，拾取管的一端与膨胀阀的入口连接、另一端通向冷凝器壳体内。

进一步，所述冷凝器壳体的内壁设有纵向翅片。

优选地，所述蒸发器壳体为杜瓦瓶。

与现有技术相比，本发明使要降低温度的部件与蒸发器热接触，冷却过程基于冷却液在往复式压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器中的循环，冷却液进入蒸发器后吸收要降低温度的部件的温度后蒸发进入冷凝器和往复式压缩机，往复式压缩机将蒸汽压缩后放热并送入冷凝器中的冷却液中，冷却液的温度通过冷凝器壳体外的泥浆进行热传递，循环上述过程，能够持续降低要降低温度的部件的温度。

附图说明

图1是描绘钻柱内部的冷却工具的截面的示意图。

图2是蒸汽压缩制冷循环装置的示意图。

图3是穿过图2所示的蒸汽压缩再生循环装置的冷凝器部分的横截面视图。

图4是压缩冲程期间冷凝器部分内的压缩机组件的视图。

图5是压缩机组件进行膨胀冲程的视图。

图6示出了用于收集冷凝物并将冷凝物输送到膨胀阀的装置。

图7是冷凝器的另一种实施方式的示意图。

图8（a）示出了用于将旋转运动转换成往复运动的装置。

图8（b）是说明作为图8（a）所示装置的输入轴旋转的函数的凸轮路径的图。

图9示出了涡轮轴和压缩机轴之间通过壳体的磁耦合，没有动态(旋转)密封。

图10示出了涡轮轴和压缩机轴之间通过壳体的替代磁耦合，没有动态(旋转)密封。

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，以下结合附图和实施例，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，并不用于限定发明。

本发明公开的一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置，可用于电缆或钻井(mwd测量，同时钻井和/或lwd随钻测井)应用，以及其他在高温井的应用。为简洁起见，下面仅描述钻井应用。本领域技术人员将认识到，用电缆压力壳体替换钻铤并且用由电缆供电的电动机替换动力单元(涡轮机)也将同样起作用。

如图1所示，本实施例提供一种基于蒸汽压缩循环的冷却井下工具的部件的装置，井下工具10内从左到右，它描绘了蒸发器50，冷凝器100，压缩机150，将旋转运动转换成往复运动的运动转换器200，旋转电动机250。工具10通常容纳在钻柱20的下端，钻柱20有时被称为钻铤。典型的钻铤尺寸范围为3至11英寸外径，1.5至3英寸内径和30英尺长。容纳诸如井下工具10的井下工具的钻铤通常是定制的，以适合工具的尺寸要求；因此钻铤套管的孔和长度可以变化很大。其他工具可位于井下工具10上方，例如测井和/或定向工具或者诸如旋转导向系统和/或泥浆电机等。钻柱20的井下端通常为钻头。井下工具10可用于可以达到地球表面40,000英尺深度的井中，但是大多数井通常为5000至20,000英尺深。

图2更详细地示出了蒸发器50和冷凝器100组件。字母p和t分别表示压力和温度，并具有以下关系：p4>p3>p2>p1和t4>t3>t2>t1。换句话说，p4和t4是最高的压力和温度，p1和t1是最低的。压缩机150压缩通过入口164将从压力p2和p3进入压缩机的冷却液112，其将冷却液112温度从t2增加到t4，将冷却液112转换成填充冷凝器100的腔室的气体。在冷凝器的od和钻柱的id之间被泵送到井下的流体(通常是钻井泥浆)处于温度t3。由于t4>t3，热量将从冷凝器内部迁移到冷凝器外部的钻井泥浆中。热量的损失开始冷凝冷凝器内的气体。当冷凝物通过膨胀阀104进入蒸发器管52时，压力从p3下降到p2，温度从t4下降到t1。这被称为焦耳-汤姆逊效应。

蒸发器管52与待冷却的部件30和蒸发器内的气体热接触。例如，部件30包括电子设备。由于部件30处于温度t2并且蒸发器管处于t1，因此热量将从部件30迁移到蒸发器管中。t2低于组件最高额定温度。蒸发器50内的气体与部件30处于相同的温度t2。因此来自钻井泥浆的热量处于温度t3并且流过蒸发器的od，通过蒸发器壳体的壁迁移到腔内中并最终流到蒸发器管52内的流体。蒸发器壳体是隔热的和/或具有隔热性能，例如杜瓦瓶，它大大延迟了通过它的热迁移。进入蒸发器管52中的流体的热量将导致任何液体蒸发(沸腾)。

蒸发器管52穿过蒸发器和冷凝器壳体之间的壁，通过冷凝器100，并进入压缩机150的入口164。由于冷凝器中的流体处于t4，一些热量将迁移到蒸发器管中的流体中，该流体处于t1并且在进入压缩机之前为蒸发器管内的任何剩余液体。处于压力p2的蒸发器管内的流体被压缩，并从压缩机出口162排出并进入处于压力p3和温度t4的冷凝器室。然后这个过程会重演。

图3示出了通过冷凝器100的剖视图，剖面的位置如图2所示。该剖视图描绘了冷凝器壳体的内壁110和外壁108，其内衬有纵向翅片，这增加了壁的表面积，并因此增加了冷凝器内部的冷却液112迁移到冷凝器容器外部的环形泥浆流274的热量的传热速率。该视图还描绘了蒸发器管52，其包含处于压力p2和温度t1的蒸发器管流体60，在压力p3和温度t4下被冷却液112包围。

图4示出了冷凝器壳体102内部的压缩机150，冷凝器壳体102内设有冷凝器管(冷凝器管114的示例在图7中示出)并且被冷却液112包围。这种独特的结构有明显的优势。首先，它允许冷却液112与冷凝器壳体102接触，例如，与内壁110上的纵向翅片直接接触。与如图7所示的在冷凝器管114中捕获冷凝器流体112的另一种实施方式相比，这是将热量传递出冷凝器的更有效方式。其次，在汽缸壁154和活塞152之间的任何泄漏，在冷却液112中被稀释，变得无关紧要，从而最大程度地减少了动力密封设计的需要。因此，活塞152可以不成为密封汽缸壁154的弹性体密封件。第三，冷却液112将从压缩机150吸走热量，防止压缩机过热。

当活塞152向左移动(压缩冲程)时，如图4所示，它将压缩室166中的流体压缩到压力p4。由于p4>p3，出口阀158打开并且压缩冷却液112被泵送到冷凝器壳体102中。出口止回阀158位于气缸盖156中并且被描绘为片簧，但是可以使用许多其他类型的阀，例如止回阀，弹簧加载提升阀，凸轮致动阀等。因为压力p4仅略微高于压力p3，所以任何p4仅略微高于压力p3，任何低于泄漏口157的压力可保持最小，特别是与在压缩冲程期间在活塞上产生高压差的其他类型的压缩机相比。

图5更详细地示出了压缩机150。当活塞152向右移动(膨胀冲程)时，它在压缩室166中产生低压p1。由于入口164中的流体处于大于p1的p2，因此入口止回阀160打开并且来自蒸发器管52的流体进入压缩室。入口止回阀160被描绘为片簧，但是可以使用许多其他类型的阀，例如止回阀，弹簧加载的提升阀，凸轮致动阀等。在使用中，任何下面的泄漏161都可能降低冷却系统的效率。然而，由于入口止回阀160仅在压缩室166中的压力低于压力p2时打开，任何泄漏的161都不能进入蒸发器管52。因此，往复式压缩机150的配置可提供比易于回流到蒸发器管52中的其他类型的压缩机更好的效率。

现如今钻的大多数井都有垂直，倾斜和水平的部分。在垂直和倾斜的井中，重力将迫使冷凝物聚集在冷凝器100的底部。如果膨胀阀104位于冷凝器的底部，则冷凝物容易通过阀漏斗。如果阀门位于冷凝器的顶部，则可能需要如图2所示的拾取管115(或其他装置)将冷凝物输送到阀门。由于p3>p2，压力将迫使冷凝物向上吸收管115并通过膨胀阀104。如图所示，拾取管115具有通向冷凝器室的第一端和连接至膨胀阀104的第二端。

在水平井中，可能需要装置将冷凝物输送到包含膨胀阀104的冷凝器的端部。图6描绘了处于水平位置的冷凝器100，其中盘绕叶片116从冷凝器壳体102的壁向内延伸到冷凝器内的部分路径。由于重力作用，冷凝水118将汇入叶片之间的凹穴中，如图6所示。如图6箭头122所示，冷凝器壳体102旋转，因连接到钻柱20的工具10旋转。这导致盘绕的叶片116旋转，这导致汇集的冷凝物在方向120上横穿并且在冷凝器的端部处收集膨胀阀104所在的位置。这个概念被称为阿基米德的螺丝。

基本上有两种类型的膨胀阀，固定式和可变式。固定型通常由固定孔和/或毛细管组成。变量类型通常是自动的，但也可以是手动的。自动膨胀阀通常内部均衡，但也可以外部均衡。如在本发明中所述，膨胀阀104可以是固定的或自动的。自动膨胀阀是控制蒸发器温度的一种方式。在某种程度上，蒸发器温度可以通过改变压缩机的速度来控制，压缩机的速度可以通过改变通过涡轮机的流速来控制。

作为一种选择，输入轴306可以通过离合器316运行(见图10)。反馈系统(图中未示)可以远程操作离合器，基于蒸发器的温度使输入轴306接合或脱离压缩机。这是另一种可以控制蒸发器温度的方法。

如上所述使用离合器装置和/或使膨胀阀自动化具有将蒸发器管52中的质量(蒸汽与液体的比率)调节到最佳值的优点，从而保持工具以最大值效率运行。自动化还将使蒸发器管52保持不冻结，从而为工具提供超控保护。

图7示出了与图2相比的冷凝器100部件的另一种实施方式。由压缩机150压缩并通过压缩机出口162排出的流体112包含在冷凝器管114内。冷凝器管的另一端与冷凝器壁连通，允许来自冷凝器管内的流体的热量通过冷凝器壳体壁迁移到冷凝器外部的环形泥浆流274。

旋转电动机250可以是流体驱动电动机，旋转电动机可以是电动机。大多数在井下发电的系统使用涡轮来旋转发电机或交流发电机。来自发电机的电流为电动机提供动力，该电动机可为井下压缩机，泵，驱动机构等提供动力。引入电气元件(发电机和电动机)对于主动冷却系统来说是失败的。这些部件将限制主动冷却系统的额定温度，或者需要将它们放入蒸发器50中以保持冷却。将发电机和电动机放置在蒸发器环境中会增加设计复杂性，从而降低可靠性，并给系统带来不必要的热负荷。

下面描述的系统纯粹是机械的，可能没有电气元件带来的温度困境。活塞152可以从运动转换器200(旋转到往复)获得其动力和往复运动，其从井下涡轮机250(旋转式)获得动力，从被泵送到钻柱20中的环形泥浆流274(钻井泥浆)获得其动力。

图8(a)示出了运动转换器200的优选配置。活塞152连接到凸轮输出轴208。附件可以是实心的(无自由度)，球形(3度旋转自由度)，或钉扎(1度旋转自由度)，和/或钉扎线性(1度旋转和1度线性自由度)。输入轴306使凸轮驱动器202和凸轮路径212旋转。凸轮从动件206与凸轮路径啮合，并沿图8(a)所示的方向前后往复运动。凸轮从动件刚性地连接到凸轮壳体204上，凸轮壳体204连接到凸轮输出轴208。通过将凸轮壳体的槽键入，夹紧和/或钉扎到压缩机和/或冷凝器壳体，可以防止凸轮壳体绕中心线(直列)旋转。在某些情况下，最好让凸轮外壳在往复运动时旋转，以增强润滑剂流动，使磨损更均匀，并散布出任何热点。

凸轮的路径212可以根据压缩机的要求量身定做。例如，图8(b)所示的凸轮路径212示出了活塞从底部死点以180度旋转(一直到右边)从底部死点行进(一直到左边)，然后再以360度旋转再次返回到底部死点(一直到右边)。如果速度和活塞力在0和90之间为v和f，那么90和360之间的速度和活塞力将为1/3v和3f。可以定制无数的凸轮路径。当在图3、4和5所示的实施例中使用时，凸轮路径优选地适于在压缩冲程期间提供大的速度和低力量(例如图8（b）中0和90之间所示)，并且在膨胀冲程期间具有低速度和大力量(例如图8（b）中的90和360之间所示)。

输入轴306的动力来自钻柱20向井下泵送的环形泥浆流274(钻井泥浆)。当流体通过涡轮定子254和涡轮转子252叶片的一个或多个级时，流体动力的一部分被转换成旋转动力。涡轮定子紧密连接到钻柱，并且涡轮转子紧密连接到涡轮轴258，涡轮轴258紧密连接到外联接器312。涡轮轴和涡轮转子由涡轮径向轴承260和涡轮止推轴承262支撑。一些环形泥浆流274被转移通过外部联接单元302和联接屏障314之间的环形空间，并通过外部联接流动端口310流出，以便冲掉环形空间中的任何碎屑。

涡轮轴258不直接进入冷凝器100提供压缩机动力。如果是这样，则需要动态密封，例如o形圈或机械面密封。这种动态密封的典型压差可能是20,000psi或更高，轴转速约为2000rpm。这是一个复杂的设计问题，往往容易出现泄漏和故障。于此相反，涡轮轴连接到外部联接器312，外部联接器312嵌入有外耦合磁铁302，如图9所示。这些磁铁磁耦合到输入轴磁铁304，输入轴磁铁304嵌入输入轴306中。涡轮轴258的一次旋转将产生输入轴的一次旋转。在外部耦合屏障314之间，耦合屏障是电容器外壳102的整体部分，并构成外壳的右端，如图9所示。这消除了任何动态(滑动)密封泄漏，因为没有动态密封。输入轴306通过径向轴承308支撑，径向轴承308安装在冷凝器壳体102内。在热应用中用于磁耦合的磁体通常是钐-钴，因为它们的磁强度保持在1300f。

图10示出了另一示例，所述运动转换器200包括输入轴306和与输入轴306一端连接的外部联接器321，输入轴306一端贯穿冷凝器壳体102与往复式压缩机150的活塞152连接，外部联接器321一端与旋转电动机的输出轴固定连接、另一端套在输入轴306外部，外部联接器321内嵌入有外耦合磁铁302，位于外部联接器321内部的输入轴306外壁嵌入有输入轴磁铁304，输入轴磁铁304与外耦合磁铁304磁耦合。其中将其输入轴306的旋转运动转换成往复运动的运动转换器200可位于环形泥浆流274中的冷凝器壳体102的外部。外联接器312的一端连接到运动转换器200的输入轴306。输入轴306的一端连接到压缩机150。因此，外耦合磁铁302和输入轴磁铁304之间的磁耦合组件不必是旋转耦合，它也可以是线性耦合，其中外耦合磁铁302的转动时驱动输入轴磁铁304的往复运动，从而驱动输入轴306做线性直线运动。

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。