一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统及方法，包括容纳在井下工具壳体中的温度敏感元件，还包括热耦合到温度敏感元件的由导热材料制成的冷板，以及选择性地热耦合到冷板和热耦合到井下工具壳体的金属氢化物去除热量装置；由热耦合到温度敏感元件的由导热材料制成的冷板吸收温度敏感元件产生的热量，冷板通过金属氢化物去除热量装置将热量传递到井下工具壳体，通过井下工具壳体将热量耗散到流动的流体中或流入井筒的环隙中的流体中。本发明专利技术利用金属氢化物的可逆反应去除热量，所以金属氢化物容器中的氢可循环利用，故节省原料，节约成本，且制冷时间长。

【技术实现步骤摘要】
一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统及方法
本专利技术涉及井下工具的制冷
，特别是一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统及方法。
技术介绍
为了钻一口井，钻头钻进地壳数千米。钻头通常从钻台向下延伸到一根管子上，通常称为“钻柱”。钻柱是连接管或连续管，通过该管道泵送钻井液以冷却和润滑钻头并将钻屑提升到地面。钻柱的下部或远端是一个底部钻具组合(BHA)，它包括钻头。为了在钻井时从井下环境获得测量和信息，BHA包括电子仪器。钻具上的各种工具，如随钻测井(LWD)工具和随钻测量(MWD)工具，与仪器结合。钻柱上的这种工具包含各种电子部件，这些部件通常由计算机芯片、电路板、处理器、数据存储、功率转换器等组成。井下工具必须能够在地表附近以及地表以下数百米处运行。在钻井过程中，环境温度随深度的增加而增加。随着深度的增加，刀具受到严峻的操作环境。例如，井下温度通常很高，甚至可能超过200℃，此外，压力可能超过138兆帕。在井下环境中，尤其是在钻井作业期间，也存在振动和冲击应力。井下工具中的电子元件也在内部产生热量。例如，一个典型的电缆工具可以耗散超过135瓦的功率，并且典型的井下工具在钻柱上可以耗散超过10瓦的功率。在进行钻井作业时，钻柱上的工具通常在井下环境中停留数周。在其他井下应用中，钻柱电子元件可以在井下停留几小时至长达一年的时间。例如，为了获得井下测量，工具被降低到电缆或电缆上的井中。这些工具通常被称为“电缆工具”。然而，不像钻探应用，电缆工具一般保持在井下环境中不到二十四小时。井下工具的一个问题是，当井下温度超过电子元件的温度时，热量不能消散到环境中。热量可能在电子部件内部积累，这可能导致部件工作特性的退化或者故障。因此，在井下工具中必须考虑两个通用热源，即来自周围井下环境的热量和由工具部件产生的热量，例如，工具的电子部件。当井下环境温度可能超过200℃时，电子元件通常被额定工作在不超过125℃。因此，工具暴露于井下环境的升高温度和由部件消散的热量可能导致降解。通常，热失效具有至少两种模式。首先，部件上的热应力降低了它们的使用寿命。第二，在某些温度下，电子器件可能失效，组件可能停止工作。热故障可能导致成本，不仅是由于失效的电子元件的更换成本，而且还因为电子元件故障中断井下活动。因此，提供一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统及方法很有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统及方法。为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统，包括容纳在井下工具壳体中的温度敏感元件，还包括热耦合到温度敏感元件的由导热材料制成的冷板，以及选择性地热耦合到冷板和热耦合到井下工具壳体的金属氢化物去除热量装置。进一步，所述金属氢化物去除热量装置包括金属氢化物、含有氢的金属氢化物容器、第一活塞、弹簧、热交换器，所述金属氢化物放置于含有氢的金属氢化物容器中，弹簧设置在含有氢的金属氢化物容器上端用于挤压含有氢的金属氢化物容器与冷板接触，热交换器设置于含有氢的金属氢化物容器一侧且与含有氢的金属氢化物容器始终接触，热交换器热耦合到井下工具壳体的一侧，第一活塞设置于含有氢的金属氢化物容器的另一侧的井下工具壳体上用于推动含有氢的金属氢化物容器使含有氢的金属氢化物容器与冷板分离。进一步，所述金属氢化物容器内设置有低于温度敏感元件期望维持温度的熔点的共晶材料。进一步，所述金属氢化物去除热量装置包括密封容器、设置于密封容器中的第二活塞、设置于第二活塞与密封容器之间的金属氢化物，金属氢化物通过循环系统选择性地热耦合到所述冷板。进一步，所述循环系统包括含有冷却流体的换热管、循环泵，所述换热管一端与循环泵进水口连接、另一端与循环泵出水口连接，换热管分别与密封容器中的金属氢化物和冷板热耦合，位于密封容器外部与冷板外部之间的换热管上设有第一阀、第二阀。进一步，所述换热管贯穿密封容器与密封容器中的金属氢化物直接接触，且位于密封容器内的换热管设置为螺旋线圈状。进一步，所述换热管直接与冷板表面接触或穿过在冷板中形成的通道或孔与冷板接触。另外，本专利技术还提供了一种井下工具的温度敏感元件的温度管理方法，包括以下步骤：由热耦合到温度敏感元件的由导热材料制成的冷板吸收温度敏感元件产生的热量，冷板通过金属氢化物去除热量装置将热量传递到井下工具壳体，通过井下工具壳体将热量耗散到流动的流体中或流入井筒的环隙中的流体中。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)氢作为一种新能源，其资源丰富，发热值高，清洁以及热效率高。故此方法比其他化学物质更为清洁，对环境造成的污染小；2)该方法利用金属氢化物的可逆反应去除热量，所以金属氢化物容器中的氢可循环利用，故节省原料，节约成本，且制冷时间长。3)氢可以通过金属氢化物在几乎无限数量的循环中被吸收和解吸，这延长了井下工具在井眼中使用时间周期。附图说明图1是包括具有温度管理系统的井下工具的钻井系统的示意性表示。图2为第一实施例的温度管理系统的结构示意图。图3为第一实施例的温度管理系统的使用状态图。图4为第二实施例的温度管理系统的结构示意图。图5为第二实施例的温度管理系统的使用状态图。图6为第二实施例的冷板的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定专利技术。现在参照图1，描绘了包括一个或多个井下工具135的钻井系统140，135具有根据本文公开的原理制作的温度管理系统。钻井系统140还包括从钻机110悬挂到井筒115中的钻柱105。钻柱105包括钻杆125，钻杆125可以由多个部分组成，并将BHA120连接到该钻杆。BHA120包括钻头130，并且可以包括其他部件，例如但不限于钻子、马达、转向组件和钻铤。在钻井期间，钻井液或“钻井泥浆”通过钻柱105向下循环，以润滑和冷却钻头130，并作为从井筒115移除钻屑的运载工具。在退出钻头130之后，钻井液通过钻柱105和井筒115之间的环195返回到地面。在这个实施例中，钻机110是陆基的。在其它实施例中，井下工具135可以从钻机悬挂的钻柱内定位在悬浮平台上。此外，井下工具135不需要布置在钻柱中，但也可以通过电缆、连续管或其他类似装置悬挂。在图2和3中，根据一个实施例说明用于井下工具的温度管理系统。温度敏感元件205热耦合到冷板201。在井下工具中使用的是常用温度敏感元件205，如LWD工具，包括传感器、计算机处理器和其他电气部件。冷板201可以由诸如铝的任何导热材料形成。温度敏感元件205可以通过直接接触或通过导热中间部件(例如热带)与冷板201热耦合。为了从冷板201去除热量，金属氢化物去除热量装置选择性地热耦合到冷板201。本实施例中金属氢化物去除热量装置包括金属氢化物、含有氢的金属氢化物容器210、第一活塞230、弹簧225、热交换器220，所述金属氢化物放置于含有氢的金属氢化物容器210中，弹簧225设置在含有氢的金属氢化物容器210上端用于挤压含有氢的金属氢化物容器210与冷板201接触，热交换器220设置于含有氢的金属氢化物容器210一侧且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统，包括容纳在井下工具壳体中的温度敏感元件，其特征在于，还包括热耦合到温度敏感元件的由导热材料制成的冷板，以及选择性地热耦合到冷板和热耦合到井下工具壳体的金属氢化物去除热量装置。

【技术特征摘要】
1.一种井下工具的温度敏感元件的温度管理系统，包括容纳在井下工具壳体中的温度敏感元件，其特征在于，还包括热耦合到温度敏感元件的由导热材料制成的冷板，以及选择性地热耦合到冷板和热耦合到井下工具壳体的金属氢化物去除热量装置。2.根据权利要求1所述的井下工具的温度敏感元件的温度管理系统，其特征在于：所述金属氢化物去除热量装置包括金属氢化物、含有氢的金属氢化物容器、第一活塞、弹簧、热交换器，所述金属氢化物放置于含有氢的金属氢化物容器中，弹簧设置在含有氢的金属氢化物容器上端用于挤压含有氢的金属氢化物容器与冷板接触，热交换器设置于含有氢的金属氢化物容器一侧且与含有氢的金属氢化物容器始终接触，热交换器热耦合到井下工具壳体的一侧，第一活塞设置于含有氢的金属氢化物容器的另一侧的井下工具壳体上用于推动含有氢的金属氢化物容器使含有氢的金属氢化物容器与冷板分离。3.根据权利要求2所述的井下工具的温度敏感元件的温度管理系统，其特征在于：所述金属氢化物容器内设置有低于温度敏感元件期望维持温度的熔点的共晶材料。4.根据权利要求1所述的井下工具的温度敏感元件的温度管理系统，其特征在于：所述金属氢化物去除热量装置包括密封容器...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕并南，王绵，谢海明，周静，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61