一种随钻仪器主动降温装置热力学分析系统及方法与流程

本发明涉及钻探，特别涉及一种随钻仪器主动降温装置热力学分析系统及方法。

背景技术：

1、钻井是构建地下油气资源与地面联系通道的必要环节。高温随钻测量是一个世界性难题，主要体现在作业时间长、仪器径向尺寸受限和外界能量不易输入，钻井过程中功率器件温升引起的性能下降甚至损坏，会造成随钻仪器电路系统发生故障，失去对钻井地质参数和工程参数的获取作用，无法完成随钻测量任务造成盲钻，引起巨大的经济损失。

2、随钻仪器主动降温装置采用气体回热式制冷原理，使得该装置具有结构紧凑、效率高、抗冲击和抗震动等优点。

3、其中，随钻仪器主动降温装置制冷循环原理为：包括发热端(由气缸、压缩活塞和冷却器组成)、制冷端(由气缸、膨胀活塞、回热器和换热器组成)；气缸和压缩活塞组成的工作腔叫压缩腔；气缸和膨胀活塞组成的工作腔叫膨胀腔。压缩腔和膨胀腔通过回热器相连通，压缩活塞和膨胀活塞以一定的相位差运动。在稳定运行过程中，从压缩腔进入回热器的高温气体会和设置在回热器内填料进行热交换，以使高温气体经过降温后进行膨胀腔，并利用膨胀腔内的低温气体对随钻仪器进行降温。

技术实现思路

1、本发明人发现，现有技术中虽然存在将传统的主动降温装置集成在随钻仪器上，以对随钻仪器进行降温处理的方式，而对随钻仪器主动降温装置的热力学分析还停留在空白阶段，严重制约了对气体回热式制冷技术在随钻测井领域具体运用的深入研究。

2、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随钻仪器主动降温装置热力学分析系统及方法。

3、第一方面，本发明实施例提供一种随钻仪器主动降温装置热力学分析系统，包括：模型区分模块，计算模块，输出模块；

4、所述模型区分模块，用于根据用户的选择确定被分析的随钻仪器主动降温装置的热力学模型的类型，所述热力学模型包括等温模型和绝热模型；

5、所述计算模块，用于基于所述模型区分模块确定的热力学模型类型，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到随钻仪器主动降温装置的结构参数数据和热力学分析数据；所述条件参数包括被分析随钻仪器主动降温装置的环境参数、几何参数、运行参数；

6、所述输出模块：用于输出所述计算模块得到的热力学分析数据及结构参数数据。

7、在一个可选的实施例中，所述系统还包括：参数模块；

8、所述参数模块，用于获取被分析的随钻仪器主动降温装置的条件参数；

9、其中，所述环境参数包括：地面温度、地层深度、地温梯度、控制温度；所述几何参数包括：膨胀气缸缸径、膨胀气缸行程、压缩气缸缸径、压缩气缸行程、总死容积比、相位角；所述运行参数包括：充气压力、转速、定压比热容。

10、在一个可选的实施例中，所述计算模块用于基于所述模型区分模块确定的热力学模型类型，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到随钻仪器主动降温装置的结构参数数据，包括：

11、所述计算模块用于在等温模型或绝热模型下，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的结构参数，并根据任一曲轴转角对应的结构参数，得到一个循环周期内的结构参数变化曲线；其中，曲轴完成一次旋转的过程为一个循环周期。

12、在一个可选的实施例中，若所述模型区分模块确定的热力学模型类型为等温模型，所述结构参数变化曲线包括：压力变化曲线；

13、所述计算模块用于对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的结构参数值，并根据任一曲轴转角对应的结构参数值，得到一个循环周期内的结构参数变化曲线；包括：

14、所述计算模块用于对预先获取的所述条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的瞬态压力，并根据任一曲轴转角对应的瞬态压力，得到一个循环周期内的压力变化曲线：其中，瞬态压力采用如下步骤计算得到：

15、基于所述系统充气压力和所述地面温度进行运算得到平均压力：

16、根据总死容积比、所述相位角中包括的膨胀腔容积超前压缩腔容积的相位角，并结合下式，得到压力参数：

17、

18、式中，φ为膨胀腔容积超前压缩腔容积的相位角，ω为压缩腔最大容积与膨胀腔最大容积之比，τ为即压缩腔温度与膨胀腔温度之比，s为总死容积比；其中，压缩腔最大容积及膨胀腔最大容积是根据结构参数中膨胀气缸缸径、膨胀气缸行程、压缩气缸缸径、压缩气缸行程得到的；

19、根据所述平均压力、所述压力参数及所述相位角中包括的出现压力极值时的相位角，并结合下式计算得到瞬态压力；

20、

21、式中，p为瞬态压力，pav为平均压力，α为曲轴转角，θ为出现压力极值时的相位角；δ为压力参数。

22、在一个可选的实施例中，若所述模型区分模块确定的热力学模型类型为等温模型，所述结构参数变化曲线还包括：质量变化曲线；

23、所述计算模块用于对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的结构参数值，并根据任一曲轴转角对应的结构参数值，得到一个循环周期内的结构参数变化曲线；包括：

24、所述计算模块用于对预先获取的所述条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的瞬态质量，并根据任一曲轴转角对应的瞬态质量，得到一个循环周期内的质量变化曲线：其中，瞬态质量采用如下步骤计算得到：

25、根据所述平均压力、压力参数、总死容积比及所述相位角包括的出现压力极值时的相位角和膨胀腔容积超前压缩腔容积的相位角，并结合如下计算公式运算得到瞬态气体质量；所述瞬态质量包括：压缩腔的瞬态气体质量，膨胀腔的瞬态气体质量及死容积内的瞬态气体质量：

26、其中，所述压缩腔的瞬态气体质量的计算公式如下：

27、

28、膨胀腔的瞬态气体质量的计算公式如下：

29、

30、容积内的瞬态气体质量的计算公式如下：

31、

32、式中，ma为压缩腔的气体质量，mc为膨胀腔的气体质量，md为死容积内的气体质量，v0为膨胀腔的最大容积，r为摩尔气体常数；ta为压缩腔温度；tc为膨胀腔温度。

33、在一个可选的实施例中，若所述模型区分模块确定的热力学模型类型为等温模型，所述热力学分析数据包括：制冷量、制冷系数及输入功；

34、基于所述模型区分模块确定的热力学模型类型，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数值进行运算，得到随钻仪器主动降温装置的热力学分析数据包括：

35、根据所述平均压力、压力参数、所述转速及相位角包括的出现压力极值时的相位角，并结合如下制冷量的表达式，计算得到制冷量：

36、制冷量的表达式如下：

37、

38、式中，qc,n为制冷量，n为转速，pmax为最大瞬态压力，pmin为最小瞬态压力；

39、根据下式制冷系数的表达式计算得到制冷系数：

40、制冷系数的表达式为：

41、

42、式中，cop为制冷系数，tc为膨胀腔温度；

43、根据所述制冷系数及制冷量，并结合下式输入功的表达式，计算得到输入功：

44、所述输入功的表达式如下：

45、

46、式中，w为输入功，qa,n为发热量；

47、其中，根据平均压力、压力参数、转速、超前压缩腔容积的相位角及出现压力极值时的相位角并通过如下发热量的计算公式计算得到发热量：

48、

49、在一个可选的实施例中，若所述模型区分模块确定的热力学模型类型为绝热模型，所述结构参数变化曲线包括：压力变化曲线和质量变化数据；

50、所述计算模块用于对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的结构参数值，并根据任一曲轴转角对应的结构参数值，得到一个循环周期内的结构参数变化曲线；包括：

51、所述计算模块用于，对预先获取的所述条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的瞬态压力，并根据任一曲轴转角对应的瞬态压力，得到一个循环周期内的压力变化曲线；以及对预先获取的所述条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的瞬态质量，并根据任一曲轴转角对应的瞬态质量，得到一个循环周期内的质量变化曲线；

52、其中，瞬态压力采用如下步骤计算得到：

53、根据所述充气压力、地面温度、地温梯度及地层深度，并结合下式瞬态压力的计算公式，计算得到瞬态压力；

54、

55、式中，p为瞬态压力；p0为充气压力，t0是地面温度，为地温梯度，h为地层深度，rp为压力振幅和平均压力之比；α为曲轴转角；

56、瞬态质量采取如下步骤计算得到：

57、根据所述相位角包括的压缩腔容积相位角、膨胀腔容积相位角，并结合下式瞬态质量的计算公式，计算得到瞬态质量；所述瞬态质量包括：瞬态压缩腔总质量和瞬态膨胀腔总质量；

58、

59、式中，mat为压缩腔总质量，ma为压缩腔腔体质量，md,a为压缩腔死容积质量，ma,a为压缩腔质量振幅，φm,a为压缩腔质量相位角，vd,a为压缩腔死容积，tw,a为进入压缩腔气体温度，mct为膨胀腔总质量，mc为膨胀腔腔体质量，md,c为膨胀腔死容积质量，ma,c为膨胀腔质量振幅，φm,c为膨胀腔质量相位角，vd,c为膨胀腔死容积，tw,c为进入膨胀腔气体温度。

60、在一个可选的实施例中，若所述模型区分模块确定的热力学模型类型为绝热模型，所述热力学分析数据包括：制冷量、发热量、输入功和制冷系数；

61、基于所述模型区分模块确定的热力学模型类型，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数值进行运算，得到随钻仪器主动降温装置的热力学分析数据包括：

62、根据所述充气压力和所述地面温度进行计算得到平均压力，根据所述膨胀气缸缸径、膨胀气缸行程、压缩气缸缸径、压缩气缸行程得到体积参数，结合所述体积参数、平均压力和如下制冷量的表达式计算得到制冷量；

63、

64、式中，qc为制冷量，rwt为tw,c和tw,a的温度比，rma为压缩腔质量振幅ma,c和膨胀腔质量振幅ma,a的质量振幅比，pav为平均压力，vc*为膨胀腔无因次容积，λ为体积参数；

65、其中，无因次容积的计算公式如下：

66、

67、式中，v*为无因次容积；φm为质量波与压力波之间的相位差，k为比热容比，f(α,v*)为关于α和v*的函数；其中，比热容比是基于所述定压比热容确定的；所述无因次容积包括：压缩腔无因次容积和膨胀腔无因次容积；

68、根据所述平均压力及体积参数，并结合下式发热量的表达式计算得到所述发热量；

69、所述发热量的表达式如下：

70、

71、式中，qa为稳态发热量，va*为无因次容积振幅；

72、根据所述平均压力、转速、体积参数并结合下式输入功的表达式计算得到输入功；

73、输入功的表达式如下：

74、

75、式中，n为转速，wc*为膨胀腔的无因次功，wa*为压缩腔的无因次功；

76、其中，无因次功的表达式如下：

77、

78、式中，w*为无因次功，r为摩尔气体常数，tw为进入气缸的气体的温度，ma为质量振幅，pav为平均压力，v*为无因次容积；所述无因次功包括：压缩腔的无因次功和膨胀腔的无因次功；

79、根据所述无因次功并结合下式制冷量的的计算公式得到制冷系数；

80、所述制冷系数的表达式如下：

81、

82、式中，cop为制冷系数，qc*为无因次制冷量，w*为无因次功。

83、在一个可选的实施例中，若所述模型区分模块确定的热力学模型类型为绝热模型，所述结构参数变化曲线还包括：温度变化曲线；

84、所述计算模块用于对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的结构参数值，并根据任一曲轴转角对应的结构参数值，得到一个循环周期内的结构参数变化曲线；还包括：

85、所述计算模块用于，对预先获取的所述条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的瞬态温度，并根据任一曲轴转角对应的瞬态温度，得到一个循环周期内的温度变化曲线；所述温度变化包括：压缩腔温度变化和膨胀腔温度变化

86、其中，瞬态温度通过如下计算公式得到：

87、

88、

89、式中，va为压缩腔容积，vc为膨胀腔容积，ta为压缩腔瞬态温度，ma为压缩腔腔体质量，tc为膨胀腔瞬态温度，mc为膨胀腔腔体质量；

90、且在瞬态温度的计算公式中，

91、

92、

93、

94、式中，p为瞬态压力，va为压缩腔容积，k为比热容比，tck为压缩腔平均温度，vc为膨胀腔容积，r为摩尔气体常数，the为膨胀腔平均温度；vk为冷却器总容积，vr为换热器总容积，vh为回热器总容积，tk为冷却器温度，tr为回热器温度，th为换热器温度，ta为压缩腔瞬态温度，ma为压缩腔气体质量，tc为膨胀腔瞬态温度，mc为膨胀腔气体质量，其中，所述压缩腔平均温度及膨胀腔平均温度根据所述控制温度计算得到。

95、在一个可选的实施例中，所述输出模块包括：

96、数值展示单元，用于展示所述计算模块得到的所需计算结果的具体数值；

97、图形展示单元，用于展示所述计算模块得到的所需计算结果在一个循环周期内的曲线；

98、本地存储单元，用于将数值展示单元和/或图形展示单元所展示的内容存储至本地。

99、在一个可选的实施例中，还包括：验证模块；

100、所述验证模块用于根据计算模块得到的结构参数变化曲线中的一种或几种，通过结构参数变化曲线与其对应的预设结构参数变化曲线的关系，判断所述计算模块得到的热力学分析结果的准确性。

101、在一个可选的实施例中，所述验证模块，包括内循环单元、外循环单元及曲线对比单元；

102、所述内循环单元，用于根据所述计算模块得到的结构参数变化曲线，得到一个循环周期开始时的结构参数值与一个循环周期结束时的结构参数值的第一差值，根据第一差值与第一预设阈值之间的关系，判断所述计算模块得到的结构参数变化曲线是否满足第一准确性的要求；

103、所述外循环单元，用于在所述结构参数变化曲线满足第一准确性要求的状态下，根据所述计算模块得到的一个循环周期内的结构参数的平均值与对应的预设结构参数值之间的第二差值，根据所述第二差值与第二预设阈值之间的关系，判断所述计算模块得到的结构参数变化曲线的第二准确性要求；

104、所述曲线对比单元，用于在结构参数变化曲线满足第二准确性的条件下，根据所述结构参数变化曲线与其对应的结构参数变化曲线样本的关系，判断所述计算模块得到的结构参数数据和热力学分析数据的准确性。

105、在一个可选的实施例中，还包括：修正模块；

106、所述修正模块，用于根据预先输入的热损失参数获得热损失量，所述热损失量用于修正所述热力学分析数据。

107、第二方面，本发明实施例提供一种随钻仪器主动降温装置热力学分析方法，包括：

108、根据用户的选择确定被分析的随钻仪器主动降温装置的热力学模型的类型，所述热力学模型包括等温模型和绝热模型；

109、基于预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数数据，并根据确定的热力学模型类型进行运算得到随钻仪器主动降温装置的结构参数数据和热力学分析数据；所述条件参数包括被分析随钻仪器主动降温装置的环境参数、结构参数、运行参数；

110、输出所述计算模块得到的热力学分析数据及结构参数数据。

111、在一个可选的实施例中，所述热力学分析方法还包括：

112、获取被分析的随钻仪器主动降温装置的条件参数。

113、在一个可选的实施例中，基于所述模型区分模块确定的热力学模型类型，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到随钻仪器主动降温装置的结构参数数据，包括：

114、在等温模型或绝热模型下，对预先获取的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，得到一个循环周期内任一曲轴转角对应的结构参数，并根据任一曲轴转角对应的结构参数，得到一个循环周期内的结构参数变化曲线；其中，曲轴完成一次旋转的过程为一个循环周期。

115、第三方面，本发明实施例提供一种计算设备，包括：上述的随钻仪器主动降温装置热力学分析系统。

116、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

117、本发明实施例提供了一种随钻仪器主动降温装置热力学分析系统，该系统用于随钻测井工况下的随钻仪器主动降温装置热力学分析；其中，模型区分模块可根据用户的选择确定需要进行热力学分析的模型类型，计算模块可基于模型区分模块确定的模型，对预先输入系统的被分析随钻仪器主动降温装置的条件参数进行运算，即可得到在对应模型下的随钻仪器主动降温装置的热力学分析结果，从而实现对气体回热式制冷技术在随钻测井领域的运用进行热力学分析的目的，填补了现有随钻仪器主动降温装置热力学分析系统的空白，解决了现有技术中无法对气体回热式制冷技术在随钻测井领域的具体运用进行深入的热力学分析的问题，通过本系统可在短时间内对大量随钻仪器主动降温装置模型进行热力学分析和研究，还可不断更换参数数据进行热力学分析，因而能够在随钻测井领域内对气体回热式制冷技术的深入研究提供充分依据，有利于气体回热式制冷技术在随钻测井领域的不断发展和进步。

118、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。

119、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。