一种降温保温装置、方法及应用、井下电路降温保温系统与流程

1.本发明涉及钻探技术领域，特别涉及一种降温保温装置、方法及应用、井下电路降温保温系统。


背景技术：

2.油气井井眼的形成，是通过钻柱旋转或是井下动力钻具带动钻头切削地下岩层而产生的。为保障安全、高效钻井施工，需要在钻进的同时，连续不断地检测近钻头处的钻压、扭矩、环空水眼压力、温度等工程参数。而为实现这些随钻工程参数的获取，需要在钻柱底部、近钻头附近安装各种工程参数测量电路或传感器。
3.随着对能源需求的增大，深层油气资源的勘探开发已成为增储上产的重要领域。但是，在向深层钻进过程中，地层高温超过了随钻工程参数测量电路或传感器的温度上限，使其发生故障、甚至失效。一般来说，高温诱发工程参数测量电路或传感器失效有两种模式：1)当电路或传感器工作时，自身温升产生的热应力降低了其使用寿命；2)当深层环境温度达到一个临界值时，工程参数测量电路或传感器就会发生破坏。由过热引发的失效，不仅导致更换失效电路或传感器增加成本，而且缺乏耐高温的电子元器件，无法应对更深层油气资源的勘探开发需求。
4.油气井井下工具抗高温技术是突破深层、超深层油气资源高效勘探和效益开发的关键核心技术。因此，提高随钻工程参数测量系统的抗高温性能是重要的、也是迫切需求的。


技术实现要素：

5.由于电路或传感器件等电子元器件本身不具备耐高温的性能，目前也没有适用于井下电路的降温措施，鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种降温保温装置、方法及应用、井下电路降温保温系统。
6.本发明实施例提供一种降温保温装置，包括：
7.温控装置，包括保温壳体和填充于保温壳体内的低熔点合金，用于放置受保护物体；
8.降温装置，设有冷端和热端，用于制冷；
9.冷端传热装置，位于所述温控装置内，与所述降温装置的冷端相连，用于将降温装置制冷产生的冷量传递到受保护物体上，以及将从受保护物体上吸收的热量传递至所述热端；
10.热端传热装置，位于所述降温装置的热端，用于将所述降温装置制冷产生的热量和从受保护物体上吸收的热量向外界环境耗散。
11.在一些可选的实施例中，所述降温装置，包括：降温单元和供能单元；
12.所述降温单元包括通过导管连接的所述热端和冷端；
13.所述供能单元，用于提供用于制冷的能量以使所述冷端产生冷量，制冷过程中产
生的热量传递至所述热端。
14.在一些可选的实施例中，所述供能单元，包括：电机和传动组件；
15.所述电机用于带动所述传动组件运动，向所述降温单元输入机械能使其制冷。
16.在一些可选的实施例中，所述降温单元为高压密闭系统，所述传动组件与所述降温单元之间采用非接触磁传递技术传递能量。
17.在一些可选的实施例中，所述降温单元内部充装高压气体制冷工质，采用气体回热式制冷原理制冷。
18.在一些可选的实施例中，所述高压气体制冷工质为氦气。
19.在一些可选的实施例中，所述供能单元，还包括：
20.支撑轴承，用于支撑所述传动组件，使所述传动组件能在所述电机带动下旋转。
21.在一些可选的实施例中，所述热端传热装置为铜箔，贴附在所述降温装置的热端。
22.在一些可选的实施例中，所述冷端传热装置为与所述受保护物体贴合的异形铜板。
23.在一些可选的实施例中，所述冷端传热装置为u型结构或l型结构。
24.在一些可选的实施例中，所述低熔点合金的相变温度低于所述受保护物体所能承受的极限温度。
25.在一些可选的实施例中，上述装置还包括：位于所述保温壳体外的保温材料。
26.本发明实施例还提供一种井下电路降温保温系统，其特征在于，包括：钻铤、作为受保护物体的电路组件和上述的降温保温装置；
27.所述钻铤的侧壁上设有舱体；
28.所述降温保温装置安装在所述舱体中；
29.所述电路组件位于温控装置的保温壳体内。
30.在一些可选的实施例中，所述舱体包括通过通孔连接的热端舱和冷端舱；
31.所述降温装置和热端传热装置为与所述热端舱内；
32.所述温控装置、所述冷端传热装置和所述电路组件位于所述冷端舱内；
33.连接所述冷端和热端的导管位于所述通孔中。
34.在一些可选的实施例中，所述温控装置和所述钻铤之间的孔隙中填充有保温材料。
35.本发明实施例提供一种降温保温方法，基于上述的降温保温装置实现，包括：
36.通过所述降温装置冷端产生的冷量维持所述温控装置中的低熔点合金处于固体状态，使受保护物体的温度不高于其所能承受的极限温度。
37.在一些可选的实施例中，通过所述降温装置冷端产生的冷量维持所述温控装置中的低熔点合金处于固体状态，使受保护物体的温度不高于其所能承受的极限温度，包括：
38.所述低熔点合金中部分低熔点合金转变为液态后，所述降温装置工作，所述冷端产生冷量，使液态的低熔点合金重新固化。
39.在一些可选的实施例中，上述方法还包括：
40.所述低熔点合金中全部低熔点合金转变为液态后，温控时间结束；所述温控时间根据所述低熔点合金的体积确定。
41.本发明实施例提供一种上述降温保温装置在井下电路降温保温中的应用。
42.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
43.由降温装置制冷，通过冷端将产生的冷量传递至受保护物体，从受保护物体吸收的热量和制冷产生的热量和热端通过热端向外界环境耗散，从而有效保证温控装置内的温度不会过高，温控装置内置低熔点合金，外面为保温壳体，可以有效地减少外界高温环境对内部环境的热干扰，低熔点合金在高于相变温度后会发生相变，降温系统的冷端可以及时传递冷量，尽量避免相变的发生，保证温控装置内的温度不高于低熔点合金的相变温度，从而实现对受保护物体的降温保温，维持受保护物体的温度不高于所能承受的极限温度，提高受保护物体的抗高温能力；其结构紧凑，用于井下电路时，可以随钻安装于钻铤本体中，保护井下电路，保证施工的正常进行。
44.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
45.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
46.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
47.图1为本发明实施例中降温保温装置的立体结构示意图；
48.图2a为本发明实施例中降温保温装置的结构示意图；
49.图2b为本发明实施例中图2a的a-a剖面图；
50.图3为本发明实施例中保温装置的剖面结构示意图；
51.图4为本发明实施例中降温装置的剖面结构示意图；
52.图5为本发明实施例中l型结构的冷端传热装置示意图；
53.图6为本发明实施例中u型结构的冷端传热装置示意图；
54.图7为本发明实施例中井下电路降温保温系统的立体结构示意图；
55.图8为本发明实施例中井下电路降温保温系统的剖面结构示意图。
56.附图标记说明：
57.1-温控装置，2-降温装置，3-冷端传热装置，4-热端传热装置，5-受保护物体(电路组件)，6：钻铤；
58.11-保温壳体，12-低熔点合金，13-保温材料；
59.21-降温单元，22-供能单元；
60.211-冷端，212-热端，213-导管；
61.221-电机，222-传动组件，223-支撑轴承；
62.61-热端舱，62-冷端舱，63-通孔，64-舱盖。
具体实施方式
63.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围
完整的传达给本领域的技术人员。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
66.为了解决现有技术中存在的井下电路高温下工作容易损坏，需要降温保温的问题，本发明实施例提供一种降温保温装置和方法及其在井下电路降温保温中的应用，能够有效的实现对井下电路的降温保温，保证井下电路的安全运行。下面通过具体的实施例进行详细描述。
67.本发明实施例提供一种降温保温装置，其结构如图1和图2a和图2b所示，其中图1为立体结构示意图，图2a为该装置的主视图，图2b为图2a的a-a剖面图，该降温保温装置包括：
68.温控装置1，包括保温壳体11和填充于保温壳体内的低熔点合金12，用于放置受保护物体5。
69.降温装置2，设有冷端211和热端212，用于制冷。
70.冷端传热装置3，位于温控装置1内，与所述降温装置2的冷端相连，用于将降温装置2制冷产生的冷量传递到受保护物体上，以及将从受保护物体上吸收的热量传递至所述热端。
71.热端传热装置4，位于所述降温装置2的热端，用于将降温装置2制冷产生的热量和从受保护物体上吸收的热量向外界环境耗散。
72.可选的，上述温控装置1的结构可以如图3所示，温控装置1包括保温壳体11和填充于保温壳体11内的低熔点合金12，还可以包括位于保温壳体11外的保温材料13。保温装置是一个密闭的装置，例如可以是一个杜瓦瓶或其他类似装置，受保护物体置于其中，可以免受外界高温环境的干扰。冷端传热装置3位于保温装置的保温壳体11内，降温装置的冷端212部分伸入温控装置1中，冷端传热装置3和降温装置的冷端212实现将冷端产生的冷量传递至受保护物体。
73.保温壳体11和低熔点合金12共同作用，可以减少外界高温环境的热干扰和控制受保护物体的温度。温控装置1中使用的低熔点合金12的相变温度低于受保护物体5所能承受的极限温度。温控装置中的低熔点合金可以是贴附保温壳体11的一层低熔点合金层，例如图3所示的，也可以是填充在保温壳体11内，填满壳体内的空间，例如图2所示的。低熔点合金在温度变高到高于其相变温度时发生相变，由固态向液态转变，这时降温装置可以开始工作，传递冷量，使其恢复固态。低熔点合金是指熔点在设定温度以下的金属及其合金，比如可以是熔点在300℃以下的金属及其合金，包括bi、sn、pb、in等低熔点金属元素。
74.可选的，上述降温装置2用于产生降低受保护物体温度所需的制冷量。降温装置2的结构可以如图4所示，包括降温单元21和供能单元22；降温单元21包括通过导管213连接的热端211和冷端212；供能单元22，用于提供用于制冷的能量以使冷端212产生冷量，制冷过程中产生的热量传递至热端211。降温单元21中的冷端212通过冷端传热装置3吸收受保护物体的热量，使其温度得到降低；降温单元21中的热端211将吸收的热量和降温保温装置制冷产生的热量，通过热端传热装置4耗散到外界环境。其中，图4中热端211和冷端212为示意性表示，未示出其具体内部结构。
75.其中，供能单元22，包括电机221和传动组件222；电机221用于带动传动组件222运动，向降温单元21输入机械能使其制冷。降温单元21内部充装高压气体制冷工质，采用气体回热式制冷原理制冷，因此，降温单元21为高压密闭系统，电机221通过传动组件222传递动力，传动组件222与降温单元21之间采用非接触磁传递技术传递能量。其中，高压气体制冷工质为氦气。
76.供能单元22，还包括支撑轴承223，用于支撑传动组件222，使传动组件222能在电机221带动下旋转。
77.上述降温保温装置中的冷端传热装置3为与受保护物体5贴合的异形铜板，与受保护物体经绝缘处理后，完全贴合，实现“整体”降温策略。冷端传热装置3为l型结构或u型结构，以高效传递冷量。l型结构的冷端传热装置3如图5所示，u型结构的冷端传热装置3如图6所示，l型结构或u型结构的冷端传热装置3，其一端设有下沉圆孔面或下沉台阶孔，降温装置2的冷端212可以装入下沉圆孔面或下沉台阶孔中，实现两者的连接。
78.上述降温保温装置中的热端传热装置4为铜箔，贴附在降温装置2的热端211。
79.受保护物体5可以是井下电路或者其他电路组件，也可以是随钻参数测量系统等等，还可以是其他需要保温降温的物体，置于所述温控装置1中，具体可以安放在位于温控装置1中的冷端传热装置3的包围区域中。
80.基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种井下电路降温保温系统，其结构如图7和8所示，其中图7为立体结构示意图，图8为剖面结构示意图，该系统包括：降温保温装置、钻铤6和作为受保护物体的电路组件5。其中：
81.钻铤6的侧壁上设有舱体；
82.降温保温装置安装在舱体中；
83.电路组件5位于温控装置1的保温壳体11内。
84.可选的，钻铤6侧壁上设置舱体如图7和8所示的，可以是在侧壁上开出的容纳槽，容纳槽上还可以设置舱盖64，当降温保温装置置入舱体后，可以盖上舱盖64，起到保护降温保温装置的作用，防止降温保温装置受到外界泥浆、灰尘，或其他物质的侵蚀。
85.降温保温装置包括的温控装置1、降温装置2、冷端传热装置3和热端传热装置4，以及被保护的电路组件5都可以放置在舱体中。舱体包括通过通孔63连接的热端舱61和冷端舱62；降温装置2和热端传热装置4为与热端舱61内；温控装置1、冷端传热装置3和电路组件5位于冷端舱62内；连接冷端212和热端211的导管213位于通孔63中。电路组件5可以是井下电路，用于控制或测量各种随钻工程参数，例如可对井下近钻头处钻压、扭矩、环空水眼压力、温度等钻井工程参数进行随钻测量和控制，还可以存储所涉及到的电路或传感器的数据。
86.当降温保温装置安装在钻铤6中后，钻铤也可以作为热端传热装置4的一部分，即此时可以理解为热端传热装置4包括铜箔和钻铤6，降温装置热端211与钻铤6在装配过程中，必然会存在间隙，为使热量快速耗散到外界环境当中，在间隙处充填铜箔，依靠铜箔薄而柔软特性，消除传热路径上的气隙，增强传热效果；同时，钻铤6为金属材质，自身导热率较高，视为一个大的散热器，在钻井液高速冲刷过程中，及时将降温装置2的热端211的热量耗散到外界环境当中。具体的，将降温装置2热端产生的热量通过热端传热装置传递给钻铤本体，钻井液高速通过时，与钻铤本体发生热交换，将降温装置2产生的热量和从井下电路中吸收的热量转移到外界环境当中。
87.此外，为了使温控装置的保温效果更好，避免冷量由钻铤6耗散到外界环境中，可以在温控装置1和钻铤6之间的孔隙中填充有保温材料13。温控装置1中的保温单元11，采用杜瓦瓶，将井下电路置于其中，以减少外界高温环境的热干扰；同时，杜瓦瓶与钻铤6装配过程中，必然会产生间隙，在间隙处充填保温材料，一方面减少外界高温环境热干扰，起到隔热的作用；另一方面保温材料具有弹性，起到一定程度减震作用。
88.温控装置1中低熔点合金放入杜瓦瓶内，低熔点合金可以吸收冷量，以控制杜瓦瓶内温度，杜瓦瓶内部抽真空以减少外界高温环境的热干扰。低熔点合金的相变温度低于井下电路能够承受的的温度上限(也称为极限温度)。当降温装置工作时，产生的冷量使得低熔点合金维持为固体状态，此时杜瓦瓶内温度低于低熔点合金的相变温度，即井下电路低于其极限温度；当降温装置不工作时，外界热量进入杜瓦瓶内，低熔点合金吸收热量逐渐由固体转变为液体，此过程中杜瓦瓶内温度等于低熔点合金的相变温度，即井下电路温度低于其极限温度；当降温装置重新工作时，冷量使得液态低熔点合金重新凝固，此过程中杜瓦瓶内温度等于低熔点合金的相变温度，即井下电路温度低于其极限温度；当低熔点合金由固体全部变为液体时，此时温控时间结束，当降温装置不工作时，或者虽然工作但由于外界温度过高等各种原因的存在，使得降温装置产生的冷量不足以使低熔点合金维持固体状态，则低熔点合金有可能全部转化为液态；温控时间可由低熔点合金的体积计算得到。
89.上述降温保温系统的工作原理包括：钻井过程中，井下电机带动传动组件做旋转运动，给降温装置输入机械能，通过功能转换，由降温装置热端产生热量、降温装置冷端产生冷量。一方面，降温装置热端通过热端传热装置，将热量转移到钻铤上，再通过钻井液的循环转移到外界环境当中；另一方面，降温装置冷端通过冷端传热装置，将冷量传递给井下电路。降温装置冷端、冷端传热装置和井下电路置于温控装置的杜瓦瓶内，用于减少外界高温环境的热干扰；温控装置中的低熔点合金(其相变温度低于井下电路极限温度)用于吸收冷量，当降温装置处于工作状态时，低熔点合金为固态，使得井下电路温度低于其极限温度；当降温装置不工作时，低熔点合金由于外界热量进入发生相变，开始融化，井下电路温度仍低于其极限温度；当低熔点合金相变完成后，井下电路温度将超过其极限温度，温控结束。整个温控时间由低熔点合金的体积决定。通过控制钻井过程中降温装置的运行状态，和设计低熔点合金的容量大小，来实现井下电路抗高温的能力。
90.基于同一发明构思，本发明实施例还提供降温保温方法，基于上述的降温保温装置实现，包括通过降温装置冷端产生的冷量维持温控装置中的低熔点合金处于固体状态，使受保护物体的温度不高于其所能承受的极限温度。
91.该方法在对井下电路进行降温保温时，将降温保温装置包括的温控装置1、降温装
置2、冷端传热装置3和热端传热装置4，以及被保护的电路组件5都可以放置在钻铤6侧壁的舱体中；通过降温装置2的冷端212产生冷量、冷端传热装置3高效传递冷量和温控装置1联合作用，对井下电路温度控制，从而实现井下电路降温保温。
92.在该方法中，可以检测低熔点合金的状态来确定是否启动降温装置1。也就是说可以根据低熔点合金的状态来确定降温装置是否需要工作运行。具体的，低熔点合金处于固体状态下，降温装置不工作；低熔点合金中部分低熔点合金转变为液态后，降温装置工作，所述冷端产生冷量，使液态的低熔点合金重新固化，其中低熔点合金部分熔化的程度，可以根据需要进行设置，比如只要检测到有液态的低熔点合金存在，降温装置就开始工作；或者检测到一定量的液态的低熔点合金存在，降温装置才开始工作等等。
93.此外，在降温装置不工作时，或者虽然工作但由于外界温度过高等各种原因的存在，使得降温装置产生的冷量不足以使低熔点合金维持固体状态时，温控装置能够进行有效温控的时间是可以根据低熔点合金的体积确定的，即温控时间与低熔点合金的体积相关。此外，温控时间也和外界的环境温度相关，在外界温度稳定的情况下可以根据低熔点合金的体积确定温控时间，外界环境温度不稳定时，温控时间的确定也需要考虑外界温度的影响。总之，温控时间是在降温装置不工作时，能够维持到低熔点合金全部相变，全部转变为液态的时间。全部低熔点合金转变为液态后，温控时间结束。
94.基于同一发明构思，本发明实施例还提供上述降温保温装置在井下电路降温保温中的应用。
95.关于上述实施例中的降温保温装置、方法和相关系统，其相关内容已在其中一部分描述过的，在另一部分中将不做详细阐述说明。
96.本发明实施例的上述方法、系统和装置解决了现有井下电路不耐高温的问题，在高温、超高温地层钻进过程中，依靠随钻降温装置产生制冷量，通过冷端传热装置将冷量高效传递到井下电路上，通过温控装置减少外界高温环境的热干扰，再依靠低熔点合金在设定温度发生相变，吸收热量的特性，控制温控装置内的温度，井下电路温度维持在自身能承受的极限温度以下，提高井下电路抗高温的能力，提升深井安全高效钻井技术水平，保障正常施工，实现提质增效。
97.除非另外具体陈述，术语比如处理、计算、运算、确定、显示等等可以指一个或更多个处理或者计算系统、或类似设备的动作和/或过程，所述动作和/或过程将表示为处理系统的寄存器或存储器内的物理(如电子)量的数据操作和转换成为类似地表示为处理系统的存储器、寄存器或者其他此类信息存储、发射或者显示设备内的物理量的其他数据。信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任何一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。
98.应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
99.在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清
楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
100.上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。