CN112004991A - 用于井下烧瓶装电子器件的热屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，该装置包括与井下工具相关联并被构造成用于热隔离热敏部件的组件。该组件的部件包括：热壳体；在热壳体内部的底座；安装在底座上的至少一个热敏部件；和将底座连接到工具的隔热支撑件。该隔热支撑件包括：具有第一端部和与第一端部相对的第二端部的细长隔热件，该隔热件在第一端部处连接到工具并在第二端部处连接到底座；和在第二端部处热耦合到细长隔热件的散热器。细长隔热件的第二端部可在散热器与除散热器之外的部件之间包括仅热耦合点。

Description

用于井下烧瓶装电子器件的热屏障

技术领域

在一个方面，本公开整体涉及热隔离在地层的钻孔的井下应用中使用的热敏部件。

背景技术

用于各种目的的钻井是人们所熟知的。可出于地热目的而钻探此类井，以生产烃类(例如油和气)、生产水等。井深度可在数千英尺至25,000英尺或更深的范围内。在钻井期间和之后使用的井下工具通常结合有各种传感器、仪器和控制设备，以便执行任何数量的井下操作。因此，工具可包括用于地层评估、流体分析、监测和控制工具本身等的传感器和/或电子器件。

钻孔温度可从环境温度变化至最高约500°F(260℃)，并且压力从大气压变化至最高约30,000psi(206.8兆帕斯卡)。诸如这些的温度和压力条件可对在井下使用的仪器具有不利影响。对于具有电子部件的工具而言，热量可能是尤其不期望的。钻孔中升高的温度(“井下热”)可导致热敏电子部件不准确地工作或甚至失效。

用于应对井下热的一种历史方法是避免它。例如，在本领域中已知的是，包括分布在井筒的油井中的多个温度传感器的系统(其中传感器中的至少一些位于热影响区域)可使用井下处理器来监测，井下处理器被定位成靠近热影响区域并且基本上在热影响区域的外部，以接收温度测量值并且将温度测量值数字化。如本文所提及的升高的温度(或“热”)条件可被定义为会折损或损害给定工具、设备或仪器的结构完整性、工作效率、工作寿命或可靠性的环境温度。

应对井下热的其他方法也是已知的。可用的技术可包括消除进入系统的热量以及使用主动或被动冷却方法来冷却热敏部件。鉴于工作的性质，由于地球温度随着真实深度增加而变得更热，因此第一选项是不可行的。被构造用于主动或被动冷却的工具可在热井下环境中操作，包括测井和钻井操作。

发明内容

本公开的各方面包括在与地层相交的钻孔中使用的装置。该装置可包括与井下工具相关联并被构造成用于热隔离热敏部件的组件。该组件可包括部件，该部件包括：热壳体；在热壳体内部的底座；安装在底座上的至少一个热敏部件；和将底座连接到工具的隔热支撑件。底座可基本上仅由隔热支撑件支撑。隔热支撑件可包括：具有第一端部和与第一端部相对的第二端部的细长隔热件，该隔热件在第一端部处连接到工具并在第二端部处连接到底座；和在第二端部处热耦合到细长隔热件的散热器。

细长隔热件的第二端部可在散热器与除散热器之外的部件之间包括仅热耦合点。散热器的质心被取向成比第二端部更远离热敏部件。散热器可在细长隔热件的内部。

散热器可仅在第二端部处热耦合到细长隔热件。散热器可以是细长的，并且包括耦合到细长隔热件的第二端部的耦合端部以及与耦合端部相对的解耦端部，其中解耦端部与细长隔热件热解耦。解耦端部可被取向成比耦合端部更远离热敏部件。解耦端部可被定位成靠近细长隔热件的第一端部。

细长隔热件可包括套筒。散热器的长度可与细长隔热件的长度基本上相同。散热器可为基本上实心的圆柱体。至少一个热敏部件可包括至少一个井下电子部件。细长隔热件可包括所连接构件的网状管。

在其他一般实施方案中，装置包括与井下工具相关联并被构造成用于热隔离热敏部件的组件。该组件包括部件，该部件包括：热壳体；在热壳体内部的底座；安装在底座上的至少一个热敏部件；和将底座连接到工具的隔热支撑件。隔热支撑件包括：具有第一端部和与第一端部相对的第二端部的细长隔热件，该隔热件在第一端部处连接到工具并在第二端部处连接到底座。细长隔热件可包括所连接构件的网状管。隔热支撑件可包括在第二端部处热耦合到细长隔热件的散热器。网状管的所连接构件中的大多数可与井下工具的纵向轴线基本上不平行。

本公开的一些特征的示例可能在本文中相当宽泛地概括，以便可更好地理解随后对其的详细描述，并且以便可领会它们代表的对本领域的贡献。

附图说明

为了详细地理解本公开，应结合附图参考以下对实施方案的详细描述，在附图中，相似的元件被赋予相似的数字，其中：

图1示出了例示根据本公开的实施方案的井下工具系统的示意图；

图2示出了用于将电子器件封装与热隔离的示例性组件；

图3示出了根据本公开的实施方案的示例性隔热支撑件的透视图；

图4示出了例示根据本公开的实施方案的另外组件的工具示意图。

具体实施方式

本公开的各方面涉及将井下工具的热敏部件与高温环境热隔离。本公开涉及将热敏部件与井筒环境和/或由井下部件产生的热量隔离的设备和方法。具体地讲，本公开的各方面涉及烧瓶型隔热系统。各方面包括用于研究钻孔或在与地层相交的钻孔中的其他使用的装置。

本公开的各方面提供将井下钻孔或测井工具内部的电子器件热隔离的新型方式。本文所公开的实施方案可包括与井下工具相关联并被构造成用于热隔离热敏部件的组件。该组件可包括：热壳体；在热壳体内部的底座；安装在底座上的至少一个热敏部件；和将底座连接到工具的隔热支撑件。在各方面，本公开包括与在地层中钻探钻孔、在与地层相交的钻孔中执行测井等相关的装置。

隔热支撑件可包括：具有第一端部和与第一端部相对的第二端部的细长隔热件，该隔热件在第一端部处连接到工具并在第二端部处连接到底座；和在第二端部处热耦合到细长隔热件的散热器。可集成隔热件和散热器。散热器可在靠近第一端部处从细长隔热件热解耦。因此，散热器可在靠近第一端部处与细长隔热件热隔离。细长隔热件的第二端部可在散热器与组件的除散热器之外的部件之间为仅热耦合点。散热器的质心被取向成比第二端部更远离热敏部件。

因此，随着工具暴露于升高的温度，细长隔热件经历沿其长度的温度渐变升高，其中第一端部经历比第二端部更大的温度变化(并且更快)。在第二端部处耦合的散热器通过在隔离件的第二端部处有效地吸收热能，从而极大地减少由底座吸收的热能，由此用作由细长隔热件吸收的环境热量的溢出贮存器。

术语“热敏部件”(或“热敏感部件”)在下文中将用于指在暴露于高于200摄氏度的温度时性能或完整性劣化的任何工具、电子部件、传感器、电子仪器、结构或材料。出于讨论的目的，如果环境温度折损或损害给定工具、设备或仪器的结构完整性、工作效率、工作寿命或可靠性，则可将井筒视为“热的”。

本文所述的技术特别适合用于通过使用可利用本文所述部件的仪器来测量钻井时井下地层或井下流体的特性值，或以其他方式用于执行井下操作。这些值可用于对地层、钻孔和/或流体进行评价和建模，以及用于在地层或钻孔中执行进一步的操作。

常规地，使用杜瓦真空型烧瓶(例如，AWS烧瓶或NKW烧瓶式壳体)在短时间段(例如约8小时至10小时)内保护热敏部件免受高井下温度的影响。虽然这些烧瓶提供热屏障，但一些不期望的外部热量可能渗漏到烧瓶中。传统的隔热件基于填充有毡的开槽管进行设计。这种狭槽管设计为热量到达敏感部件提供曲折的路径。除改进的散热器构型之外，根据本公开的实施方案的隔热件可以网状管或圆柱体的形式实现。散热器可插入管内(例如，散热器可被圆柱体环绕)，因此新的隔热件比现有的隔热件更短且更有效。

参见图1，示出钢丝线测井工具10被降低到穿透地层13的井筒2中。工具10可被降低到井筒2中并通过载体14(例如，铠装电缆)从井筒中取出。在一个实施方案中，与工具相关联的电路可被构造成随着工具沿钻孔的纵向轴线(“轴向”)移动而使用与工具相关联的器械进行测量。线缆14可由绞盘7或本领域中已知的类似设备卷绕。线缆14可电连接到本领域中已知类型的地表记录系统8，该地表记录系统可包括信号解码和解译单元16以及记录单元12。测井工具10沿线缆14传输的信号可由地表系统8中的相应单元解码、解译、记录和处理。

根据本公开的系统可另选地包括常规井架和输送设备，该输送设备可为刚性或非刚性的，并且可被构造成在井筒中输送井下工具10。钻井流体(“泥浆”)可能存在于钻孔中。载体可为钻柱、盘管、钢丝绳、电线、钢丝线等。井下工具10可与另外的工具耦合或组合，另外的工具包括例如由硬件环境20实现的信息处理系统中的一些或全部。因此，取决于构型，可在钻探期间和/或形成井筒之后使用工具10。虽然示出陆地系统，但本公开的教导内容也可用于近海或海底应用。载体可包括底部孔组件，该底部孔组件可包括用于旋转钻头的钻孔马达。

本公开的各方面在各种不同实施方案中得以应用。在一些一般实施方案中，载体被实施为钻井系统的工具柱，并且声学井筒测井可被表征为“随钻测井”(LWD)或“随钻测量”(MWD)操作。

工具柱以及测井工具可包括热敏部件。此类部件包括结合晶体管、集成电路、电阻器、电容器和电感器的那些部件，以及电子部件，诸如传感元件，包括加速度计、磁力计、光电倍增管和应变仪。本公开提供的隔热系统诸如附图中所示的那些可用于保护这些部件免受热井筒环境的影响。工具柱还可包括通信设备、发射器、中继器、处理器、发电设备或可结合热敏部件的其他设备。在许多应用中，钻孔系统可在井下工作远超过八小时。

用于热隔离的常规系统是已知的。一种类型的常规系统采用被设计成保护热敏部件免受高温环境影响的容器，诸如杜瓦状真空烧瓶。敏感部件可定位在容器内并被输送到井筒中。容器可直接插入井筒工具柱中，或可定位在壳体(例如，潜管、模块或其他合适的结构)中。容器提供将热敏部件与环境井筒温度隔离的热屏障。容器可采用具有典型杜瓦烧瓶空隙真空的常规双壁构型，但可具有防止或减少从井下环境到电子器件封装的热传递的任何合适构型。

最近，在授予Rafie的美国专利7440283号中描述的改进的隔热设备包括一个或多个散热器和一个隔热件，该专利与本申请共同拥有并且全文以引用方式并入本文。隔热件将包括内部部件的组件机械连接到容器。散热器定位在隔离件与电子部件之间的链中。传统上，散热器通过将热流转移离开热敏部件来提供热存储。第一散热器可被构造成主要从电子器件封装吸收热量，并且第二散热器可被构造成主要吸收由井筒环境施加的热量。散热器可被构造成具有相同的热响应或不同的热响应或者吸收相同量或不同量的热量(例如，阶跃热响应或渐变热响应)。应当指出的是，Rafie的散热器以线性方式连接，使得可操作地最靠近容器的散热器首先加热，并且散热器的最远位置(其经历最新的温度升高)靠近容纳电子部件的底座。

针对真空烧瓶型隔离系统的改进的热隔离

本公开的一般实施方案可包括用于在与地层相交的钻孔中执行测井的工具。本公开的各方面可用于增加井下工具的温度存留时间，从而增加热敏设备可部署在井筒中的时间。应当理解，本发明易受不同形式的实施方案的影响。本发明的具体实施方案在附图中示出并且将在本文中详细描述，应当理解，本公开应被视为是对本发明原理的举例说明并且不旨在将本发明限制于本文举例说明和描述的内容。此外，虽然实施方案可被描述为具有一个或多个特征或者两个或更多个特征的组合，但此类特征或特征的组合不应被理解为是必需的，除非明确指明是必需的。

图2示出了例示根据本公开的实施方案的组件的工具示意图。图2例示了用于将电子器件封装202与所施加的热量和/或所生成的热量隔离的示例性组件200。电子器件封装202可包括一个或多个热敏部件202a，并且可安装在底座203上并受其支撑。在一种布置结构中，热敏部件202a经由线缆204与外部设备通信。部件202a可定位在热壳体208内并被输送到井筒中。热壳体208提供将热敏部件与环境井筒温度隔离的热屏障。

热壳体208可包括定位在外部构件209(诸如潜管、模块或其他合适结构(例如管状))内的容器206，或者可由容器或外部构件单独组成。热壳体208可包括多个容器。在一些实施方案中，容器206可为采用具有典型杜瓦烧瓶空隙真空的常规双壁构造的杜瓦瓶状真空烧瓶，并且外部构件209可为适于在钻孔中传输并保护电子器件免受损坏的钢管。然而，热壳体208可具有防止或减少从井下环境到电子器件封装202的热传递的任何合适构型。

如将在下文更详细地讨论，组件200通过将电子器件封装202与所施加的热量和/或由其他工具部件产生的热量隔离来为电子器件封装202提供被动冷却。用于提供热隔离的机构包括提供热流屏障和吸收热量。热壳体208和井下工具的其他元件也可配合以为电子器件封装202提供主动冷却。

隔热支撑件220将底座203连接到工具201。隔热支撑件220将内部部件诸如底座203和电子器件封装202(以及任选的散热器210)机械连接到容器206。底座可基本上仅由隔热支撑件支撑。底座203可包括金属板以支撑印刷电路板(PCB)、电子器件和传感器。隔热支撑件220可包括具有第一端部224和与第一端部相对的第二端部226的细长隔热件222。隔热件222在第一端部224处连接到工具201并且在第二端部处连接到底座203。隔热件222可由具有相对低热导率的材料(诸如钛)或复合材料制成。

隔热支撑件220可包括在第二端部226处热耦合到细长隔热件222的散热器230。散热器230可以是细长的，并且可为由具有高热容量的材料诸如铜或不锈钢制成的基本上实心的圆柱体。细长隔热件可使用套筒来实现，其中散热器在套筒的内部。散热器230的长度可与细长隔热件222的长度基本上相同。

如上所述，细长隔热件222的第二端部226在散热器230与除散热器之外的部件(例如，细长隔热件222、底座203、部件202a、容器206)之间具有仅热耦合点。在特定具体实施中，散热器的质心被取向成比第二端部226更远离热敏部件202a。因此，散热器可包括耦合到细长隔热件222的第二端部226的耦合端部236，以及与耦合端部236相对的解耦端部234。解耦端部234与细长隔热件热解耦，并且可被取向成比耦合端部236更远离热敏部件202a。隔离件222被构造成使从其他工具部件到底座203的轴向热传递最小化。

图3示出了根据本公开的实施方案的示例性隔热支撑件的透视图。隔热支撑件320包括细长隔热件322，该细长隔热件包括所连接构件(例如，网状套筒)340的附接到基部350以与工具连接的网状管340。可使用增材制造来生成细长隔热件322的全部或一部分。螺旋网状结构可以一定角度制造，以增加通过部件的热路径距离。散热器330的第二端部336耦合到细长隔热件322的第二端部326。

在操作中，在隔热支撑件320的端部之间可形成相当大的温差。虽然单独使用套筒可导致套筒的温度沿套筒的长度基本上均匀(例如，长度上的差值小于5°F或10°F)，但图3的隔热支撑件320的建模结果显示出50°F或更大的差值。即，支撑件的更靠近热敏部件的端部比靠近工具耦合件的端部具有更慢的温度增加。在测井仪器中希望较低的温度以延长测井时间。

图4示出了例示根据本公开的实施方案的另外组件的工具示意图。工具401包括与工具201类似的特征。然而，在实施方案中，组件400包括一个或多个另外的散热器410。底座403还可提供将热量从电子器件封装404传导到散热器410的介质，并且因此可由相对高热导率材料诸如铝形成。散热器410可以是被构造成从内部发热部件和/或从外部环境吸收和存储热能的物体或块。因此，散热器410通过将热流转移离开热敏部件来提供热隔离。

本文所述的散热器(例如，散热器230、430、410)可为实心元件或包括腔诸如孔洞。在一个实施方案中，散热器由低共熔相变材料制成，低共熔相变材料诸如具有高潜热和低熔融温度的铋合金或铅。低共熔材料在低共熔温度(相变温度)下在其固相和液相之间改变相。低共熔温度保持基本上恒定，直到材料完全改变相。在其他实施方案中，可使用诸如不锈钢的金属。散热器可被构造成具有相同的热响应或不同的热响应或者吸收相同量或不同量的热量。例如，第一散热器可被构造成具有阶跃热响应，并且第二散热器可被构造成具有渐变(梯度)热响应。另外，第一散热器可被构造成主要从电子器件封装吸收热量，并且第二散热器可被构造成主要吸收由井筒环境施加的热量。例如，被定位成靠近隔热件422的散热器430可被构造成吸收由井筒环境施加的热量，而被定位成远离隔热支撑件420的散热器410可被构造成从电子器件封装402吸收热量。

在一个实施方案中，散热器可由两个或更多个块412形成，这些块由间隔件414隔开。在一些实施方案中，间隔件414包括空气或其他气体。在其他实施方案中，间隔件414具有真空。在另外的其他实施方案中，间隔件414包括具有低热导率的材料，例如毡。其他此类材料包括纳米多孔材料。纳米多孔绝热材料可得自阿斯彭气凝胶公司(ASPEN AEROGELS)，并且可以商标“PYROGEL”商购获得。纳米多孔材料具有开孔结构，与常规实心材料相比，开孔结构提供相对高比例的自由空隙体积(通常大于90％)。它们的高孔体积、低固体含量和曲折路径无定形结构产生较低的热导率值。表现出低热导率的其他合适材料包括陶瓷。在一种意义上，散热器110的结构可被描述为由具有高热能吸收特性的材料形成的多个元件的分段式主体，多个元件中的每个元件由具有低热导率的元件隔开。

在实施方案中，工具401包括在容器406内策略性地定位的纳米多孔材料，以减少到电子器件封装402的热传递。一个示例性位置是在相邻的块412之间。另一个是430和422之间的空间。另一个示例性位置是散热器410周围或其中纳米多孔材料减少从容器406的壁到电子器件封装402的热传递的其他位置。另一个示例性位置包括可以其他方式填充有空气(从而可替代地填充有纳米多孔材料层)的开放空间。

与测井工具相关联的热敏部件使用先前结合电子器件封装202所述的隔热设备中的任一种来保护免受井下环境的影响。测井工具可在井筒中保持八小时或更长时间。在此期间，工具可能经受超过200摄氏度的温度。用作隔热罩或屏障的容器206、406最初保护部件202a免受高井筒温度的影响。从容器206的端部处的隔热支撑件220到容器内部的热流以至少两种方式被阻止。首先，在隔热支撑件220由钛或具有低热导率的其他材料形成或以其他方式被设计成防止热传递的实施方案中，隔热支撑件220本身阻止热传递。其次，热耦合到隔热支撑件220的散热器230、330、430减少沿隔热支撑件220传递的热量。

出于举例说明和解释的目的，前述描述涉及本发明的特定实施方案。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述实施方案的许多修改和改变是可能的。以下权利要求书旨在被解释为涵盖所有此类修改和改变。

如上文所用，术语“输送设备”或“载体”是指可用于输送、容纳、支撑或以其他方式有利于使用另一个设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件的任何设备、设备部件、设备的组合、介质和/或构件。示例性非限制性的输送设备包括盘管型、接合钻杆型的钻柱及其任何组合或部分。其他输送设备示例包括套管、钢丝线、钢丝线探空仪、钢丝绳探空仪、垂绳(drop shot)、井下潜管、BHA、钻井柱插件、模块、内部壳体及其基底部分、自推式牵引机。如上所述，术语“潜管”是指被构造成部分包封、完全包封、容纳或支撑设备的任何结构。如上所用的术语“信息”包括任何形式的信息(模拟、数字、EM、打印等)。本文的术语“处理器”或“信息处理设备”包括但不限于传输、接收、操纵、转换、计算、调制、转置、携带、存储或以其他方式利用信息的任何设备。信息处理设备可包括微处理器、驻留存储器和用于执行编程指令的外围设备。处理器可执行存储在处理器可访问的计算机存储器中的指令，或者可采用被实现为现场可编程门阵列(“FPGA”)、专用集成电路(“ASIC”)、其他组合或顺序逻辑硬件等的逻辑。因此，处理器的配置可包括与驻留存储器和用于执行编程指令的外围设备的操作连接。

考虑到测井工具可能长时间暴露于井下环境，严格被动的隔热系统可能不足以完全保护热敏部件免受由井下环境施加的热量和/或由设备诸如电子部件产生的热量的影响。因此，在实施方案中，结合前述隔热系统，可利用主动冷却系统来冷却热敏部件。在一种布置结构中，热敏电子部件与一个或多个制冷设备诸如吸附剂冷却器并置。主动冷却系统可为选自以下的动力设备：(i)珀尔帖冷却器；(ii)闭环冷却单元；和(iii)热泵，该热泵采用(a)焦耳-汤普森效应和(b)搅拌引擎中的一者。当然，主动冷却也可与由非刚性输送设备输送的热敏部件一起使用。

虽然前述公开内容针对本公开的一个模式实施方案，但是各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。意图是所有变化都被前述公开内容所涵盖。

Claims (15)

1.一种在与地层相交的钻孔中使用的装置，所述装置包括：

与井下工具相关联并被构造成用于热隔离热敏部件的组件，所述组件包括部件，所述部件包括：

热壳体；

底座，所述底座在所述热壳体内部；

至少一个热敏部件，所述至少一个热敏部件安装在所述底座上；

隔热支撑件，所述隔热支撑件将所述底座连接到所述工具，其中所述隔热支撑件包括：

细长隔热件，所述细长隔热件具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，所述隔热件在所述第一端部处连接到所述工具并在所述第二端部处连接到所述底座，和

散热器，所述散热器在所述第二端部处热耦合到所述细长隔热件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述细长隔热件的所述第二端部在所述散热器与除所述散热器之外的所述部件之间包括仅热耦合点。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述散热器的质心被取向成比所述第二端部更远离所述热敏部件。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述散热器是细长的并且包括：

耦合端部，所述耦合端部耦合到所述细长隔热件的所述第二端部，知

解耦端部，所述解耦端部与所述耦合端部相对并与所述细长隔热件热解耦。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述解耦端部被取向成比所述耦合端部更远离所述热敏部件。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述解耦端部被定位成靠近所述细长隔热件的所述第一端部。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述细长隔热件包括套筒。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述散热器在所述细长隔热件的内部。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述散热器的长度与所述细长隔热件的长度基本上相同。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述散热器为基本上实心的圆柱体。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个热敏部件包括至少一个井下电子部件。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述底座基本上仅由所述隔热支撑件支撑。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述散热器仅在所述第二端部处热耦合到所述细长隔热件。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述细长隔热件包括所连接构件的网状管。

15.一种在与地层相交的钻孔中使用的装置，所述装置包括：

与井下工具相关联并被构造成用于热隔离热敏部件的组件，所述组件包括部件，所述部件包括：

热壳体；

底座，所述底座在所述热壳体内部；

至少一个热敏部件，所述至少一个热敏部件安装在所述底座上：

隔热支撑件，所述隔热支撑件将所述底座连接到所述工具，其中所述隔热支撑件包括：

细长隔热件，所述细长隔热件具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，所述隔热件在所述第一端部处连接到所述工具并在所述第二端部处连接到所述底座，并且

其中所述细长隔热件包括所连接构件的网状管。

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