一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种随钻仪器电路系统磁极驱动降温系统及方法。本发明专利技术使用活塞对气缸内的循环工质施加膨胀作用，造成循环工质容积增大，压力下降，从而温度降低，使其具有吸热的能力，进而降低与其相连的井下电路的温度。膨胀气缸和压缩气缸按照逆斯特林循环原理设计，通过涡轮旋转装置和磁极驱动装置联合作用，实现了循环工质经过等温压缩、等容放热、等温膨胀、等容吸热四个制冷循环过程，具备了在膨胀腔吸收电路系统上的热量，再将热量转移到压缩腔中，进一步将热量释放到环境当中，从而降低了电路系统的温度，使其避免缩短寿命或发生失效的现象。

A magnetic pole driven cooling system and method for the circuit system of LWD instrument

【技术实现步骤摘要】
一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统及方法
本专利技术涉及一种电路降温系统及方法，属于钻探
，尤其是涉及一种随钻仪器电路系统磁极驱动降温系统及方法。
技术介绍
油气井井眼的形成，是通过钻柱旋转带动钻头或是井下动力钻具带动钻头切削地下岩层而产生的，钻头及井下工具在井眼里需要延伸几千米长。在钻井过程中，为了减轻与钻井作业相关的风险因素，就需要尽可能多的获取井下环境的各种信息，如：地质参数、工程参数和工艺参数等。因此钻柱底部近钻头附件安装有各种测量工具，如：随钻测量工具(MWD)和随钻测井工具(LWD)。这些工具上的电路系统包括各种电子元件或传感元件，以实现数据的采集、处理、存储和传输等功能。这些井下电路在工作过程中自身会产生热量；同时，钻井过程中的井下高温也会对其产生影响。一般来说，高温诱发电路系统失效有两种模式。第一，电路系统上的热应力降低了其使用寿命；第二，当温度达到一个临界值，电路系统会发生失效并停止工作。由过热引发的失效不仅导致更换失效电路系统而增加成本，而且中断了钻井活动，需要起下钻更换电路系统，这也耗费了钻井时间增加了钻井成本。当前，石油行业解决井下电路耐高温的措施有三种：其一，经过高温考核，筛选出能在高温下使用的元器件；其二，订制耐高温元器件；其三，投入巨额经费，自主研发耐高温的井下电路。这些措施都是从元器件自身被动“抗温”的角度来处理问题，耐高温效果有限；同时，元器件高温封装技术仍是一个瓶颈问题。因此，给井下电路提供一个高效、稳定的主动降温系统是重要的、也是迫切需求的。
技术实现思路
为了解决井下电路处于高温环境下会引起寿命缩短甚至失效的问题，本专利技术提供了一种随钻仪器电路系统磁极驱动降温系统及方法，使井下电路始终维持在可承受的温度范围，保持其正常工作。本专利技术是通过下述技术方案得以实现的：一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，包括：涡轮旋转装置，设置于钻铤本体的偏心水眼内并与旋转轴相连，所述旋转轴沿轴向错位设置第一膨胀气缸磁极和第一压缩气缸磁极，所述第一膨胀气缸磁极和第一压缩气缸磁极在水平面上的投影呈不为零的夹角；膨胀气缸，其被一个带有第二膨胀气缸磁极的膨胀活塞分隔成膨胀腔和环境温度腔，所述膨胀活塞通过第二膨胀气缸磁极而受第一膨胀气缸磁极的驱动往复运动；压缩气缸，其内设置带有第二压缩气缸磁极的压缩活塞以及与所述环境温度腔相连通的压缩腔；所述压缩活塞通过第二压缩气缸磁极而受第一压缩气缸磁极的驱动往复运动。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，所述涡轮旋转装置包括：定涡轮，通过固定装置设置于水眼中，其叶片与钻铤轴向呈不为零的夹角；动涡轮，通过滚动支撑装置设置于水眼中，其叶片与定涡轮的叶片之间存在倾角；所述动涡轮与所述旋转轴相连。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，在所述旋转轴旋转的方向上，所述第一膨胀气缸磁极的相位角超前于第一压缩气缸磁极的相位角。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，所述膨胀活塞内设置有回热器。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，所述第二膨胀气缸磁极为圆环结构，所述膨胀腔和环境温度腔内的工质通过圆环结构的中心进出膨胀活塞内置的回热器。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，所述钻铤本体内设置有分置管，所述分置管用于将膨胀气缸和压缩气缸相分离。一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温方法，包括：由设置于钻铤本体的偏心水眼内的涡轮旋转装置旋转带动设置有第一膨胀气缸磁极和第一压缩气缸磁极的旋转轴转动；由第一膨胀气缸磁极作用于膨胀气缸内的第二膨胀气缸磁极以带动膨胀气缸内设置的膨胀活塞往复运动；由第一压缩气缸磁极作用于压缩气缸内的第二压缩气缸磁极以带动压缩气缸内设置的压缩活塞往复运动；其中，所述膨胀气缸和所述压缩气缸连通。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温方法，包括以下步骤中的一个或多个：等温压缩步骤，膨胀活塞保持不动，压缩活塞的行程从零逐渐增大以等温压缩工质气体；等容放热步骤，膨胀活塞行程从零逐渐增大，压缩活塞行程同步从非零逐渐达到最大，工质气体从压缩气缸的压缩腔进入膨胀气缸内的环境温度腔，再通过膨胀活塞进入到膨胀腔；在经过膨胀活塞时，循环工质将热量释放给膨胀活塞内置的回热器中；等温膨胀步骤，压缩活塞处于行程最大处保持不动，膨胀活塞行程从非零逐渐达到最大使得工质气体在膨胀腔内膨胀；等容吸热步骤，压缩活塞和膨胀活塞一起从最大行程处复位到零位，工质气体从膨胀腔通过膨胀活塞进入到环境腔，最后进入到压缩腔。在经过膨胀活塞时，循环工质从膨胀活塞内置的回热器中吸收热量。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温方法，所述膨胀活塞内设置回热器。优选的，上述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温方法，所述钻铤本体内设置有分置管，所述分置管用于将膨胀气缸和压缩气缸相分离。因此，本专利技术的优点如下所示：1、采用膨胀腔膨胀过程中循环工质温度降低(低于环境温度)，需要从环境中吸收热量的方法，主动降低井下电路的温度；2、由涡轮旋转装置和磁极驱动装置联合作用，使得压缩气缸和膨胀气缸进行往复直线运动，从而将电路系统的热量从膨胀腔转移到压缩腔中，再释放到环境当中，可保证对井下电路持续的降温，提高了井下电路的寿命及稳定性。附图说明附图1是磁极驱动降温系统图；附图2是磁极驱动降温原理图；附图3是压缩气缸示意图；附图4是膨胀气缸示意图附图5是膨胀腔超前压缩腔相位角示意图；附图6是磁极驱动降温系统活塞状态图；附图7是磁极驱动降温系统活塞行程图；附图8是逆斯特林循环压-容图；附图9是逆斯特林循环温-熵图；图中：1：偏心水眼；2：随钻仪器降温装置；3：电路舱盖；4：钻铤本体；5：定涡轮；6：固定装置；7：动涡轮；8：滚动支撑装置；9：第一膨胀气缸磁极；10：旋转轴；11：第一压缩气缸磁极；12：压缩腔排放热量方向；13：压缩气缸；14：分置管；15：膨胀腔吸收热量方向；16：电路系统；17：膨胀气缸；18：磁力线；19：压缩腔；20：压缩气缸气孔；21：第二压缩气缸磁极；22：压缩活塞复位弹簧；23：压缩活塞；24：压缩活塞动密封；25：膨胀活塞(内置回热器)；26：环境温度腔；27：膨胀气缸气孔；28：第二膨胀气缸磁极；29：膨胀活塞复位弹簧；30：膨胀腔；31：膨胀活塞动密封。具体实施方式下面通过具体实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的具体说明。实施例：如图1所示，为本实施例的一种随钻仪器电路系统磁极驱动降温系统，包括：钻铤本体4，涡轮旋转装置、磁极驱动装置、压缩气缸13、膨胀气缸17、分置管14、循环工质、电路系统；如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特征在于，包括：/n涡轮旋转装置，设置于钻铤本体(4)的偏心水眼(1)内并与旋转轴(10)相连，所述旋转轴(10)沿轴向错位设置第一膨胀气缸磁极(9)和第一压缩气缸磁极(11)，所述第一膨胀气缸磁极(9)和第一压缩气缸磁极(11)在水平面上的投影呈不为零的夹角；/n膨胀气缸(17)，其被一个带有第二膨胀气缸磁极(28)的膨胀活塞(25)分隔成膨胀腔(30)和环境温度腔(26)，所述膨胀活塞(25)通过第二膨胀气缸磁极(28)而受第一膨胀气缸磁极(9)的驱动往复运动；/n压缩气缸(13)，其内设置带有第二压缩气缸磁极(21)的压缩活塞(23)以及与所述环境温度腔(26)相连通的压缩腔(19)；所述压缩活塞(23)通过第二压缩气缸磁极(21)而受第一压缩气缸磁极(11)的驱动往复运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特征在于，包括：
涡轮旋转装置，设置于钻铤本体(4)的偏心水眼(1)内并与旋转轴(10)相连，所述旋转轴(10)沿轴向错位设置第一膨胀气缸磁极(9)和第一压缩气缸磁极(11)，所述第一膨胀气缸磁极(9)和第一压缩气缸磁极(11)在水平面上的投影呈不为零的夹角；
膨胀气缸(17)，其被一个带有第二膨胀气缸磁极(28)的膨胀活塞(25)分隔成膨胀腔(30)和环境温度腔(26)，所述膨胀活塞(25)通过第二膨胀气缸磁极(28)而受第一膨胀气缸磁极(9)的驱动往复运动；
压缩气缸(13)，其内设置带有第二压缩气缸磁极(21)的压缩活塞(23)以及与所述环境温度腔(26)相连通的压缩腔(19)；所述压缩活塞(23)通过第二压缩气缸磁极(21)而受第一压缩气缸磁极(11)的驱动往复运动。


2.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特征在于，所述涡轮旋转装置包括：
定涡轮(5)，通过固定装置设置于水眼中，其叶片与钻铤轴向呈不为零的夹角；
动涡轮(7)，通过滚动支撑装置设置于水眼中，其叶片与定涡轮(5)的叶片之间存在倾角；所述动涡轮(7)与所述旋转轴(10)相连。


3.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特征在于，在所述旋转轴(10)旋转的方向上，所述第一膨胀气缸磁极(9)的相位角超前于第一压缩气缸磁极(11)的相位角。


4.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特征在于，所述膨胀活塞(25)内设置有回热器。


5.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特征在于，所述第二膨胀气缸磁极(28)为圆环结构，所述膨胀腔(30)和环境温度腔(26)内的工质通过圆环结构的中心进出膨胀活塞内置的回热器。


6.根据权利要求1所述的一种用于随钻仪器电路系统的磁极驱动降温系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏义脑，刘珂，高文凯，盛利民，窦修荣，艾维平，王磊，王家进，洪迪峰，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油集团工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11