[发明专利]一种井下工具冷却装置及方法

说明书

本发明公开了一种井下工具冷却装置及方法，将井下工具热耦合到冷却源，冷却源包括在绝缘冷却介质容器中的固体冷源体，并且其中井下工具借助于冷却回路热耦合到固体冷源体，该冷却回路包括布置在井下工具处的第一热交换器并且以流体冷却介质连通的方式与布置在固体冷源体中的第二热交换器相互连接，其中制冷系统在冷却装置的井下操作期间热耦合到冷却源，在井下工具的井下操作期间通过制冷系统为冷却源制冷，然后使冷却介质在第一热交换器和第二热交换器的冷却回路中循环，从而将井下工具产生的热量传递到冷却介质，冷却介质将热能传递到固体冷源体进行散热，实现了对井下工具的冷却。

技术领域

本发明涉及井下降温冷却工具技术领域，特别是一种井下工具冷却装置及方法。

背景技术

众所周知，油井测井工具需在恶劣的环境中工作。这意味着它们可以在一定的温度和压力下运行，这明显高于日常使用电子设备时遇到的温度和压力。过去已经公开了使用珀耳帖元件描述冷却电子元件的方法。热电系统通常使用珀耳帖元件，其能够通过施加电压将热能从其外壳的一侧移动到相对侧，从而在一侧到另一侧产生相当高的温差。例如，这种系统最常见于计算机中，以帮助冷却中央处理单元。珀耳帖元件的问题在于它们的有效效率，即在热表面和冷表面之间移动的能量与所消耗的能量相比可以降至非常低的值。电子设备的最高工作温度通常为70-80℃(对于处理器)，甚至汽车电子设备只能在150℃以下工作。在这种情况下，系统必须能够实现所需的温度差以确保设备保持低于70℃。在如此高的温度下，如果使用珀耳帖元件将10W的热能从设备中转移出去，将这些热能沉积到175℃的高温环境中。例如，在2％的效率下，珀耳帖元件会消耗500W的能量。实际上，这些元件通常被设定为远低于此的功率消耗水平，因此有效的效率损失导致系统不能保持冷端较低的温度。

在勘探钻井的例子中，仪器，机械或电子产品等设备需要在远低于周围环境的温度下工作，这样的功耗是不切实际的，因为大多数电力输送系统(例如电缆电缆)最多只能承载1000W，其中大部分功率在主系统中耗散，而不是在支持系统中如冷却。

目前的制冷方法通常由单个或一系列连接的压缩和蒸发器循环组成，如标准家用冰箱所描述的。虽然，当热端散热器已经很热时，这种系统不能很好地工作，因为这种系统依靠对流来从散热元件上去除多余的热量。另外，如上所述，在热环境中维持电子器件的工作温度所需的温度差需要多级冷冻器，每个冷冻器具有不同的工作流体。在这方面，标准的氟利昂型系统不具备这种应用所需的操作温度，另一个问题是制冷系统需要压缩机和多个移动部件，从而降低了可靠性和坚固性。

近年来，已经尝试在热环境中使用自由活塞式斯特林发动机，例如勘探井和生产井，但成效有限。该系统仅依赖于压缩活塞的主动驱动。位移活塞仅与弹簧连接以进行位移和共振。需要调整这样的系统，使得整个组件共振地往复运动，由此位移活塞以与压缩活塞的谐波运动异相的谐波运动振荡。压缩活塞可以通过使用线性致动器或铜线圈和磁体组合，或如原始斯特林发动机中所示，通过机械臂连接到旋转盘来振荡。在这方面，这种β循环自由活塞式斯特林发动机因为仅驱动一个活塞，可以有效地减少机械或电负载。

然而，压缩活塞和置换器活塞之间的相位关系是系统共振频率的函数，它与活塞质量，压缩比，工作流体的压力和温度有关。随着工作流体的温度增加，工作流体的压力也改变，结果系统的共振频率的改变影响了活塞之间的相位关系。在实践中，随着两个活塞的相位角从典型的60°下降到0°，卡诺循环的梯形形式减小。在这方面，随着工作流体改变温度和压力，自由活塞式斯特林发动机变得越来越低效，此外循环崩溃并且相位角下降到0°的时候，这意味着系统的冷热侧之间没有偏差。自由活塞式斯特林发动机要求热侧以某种方式主动冷却。

在斯特林冷却器技术应用于石油勘探或生产的情况下，环境温度可能非常高(高达175℃)。冷却必须通过对井下液体的对流进行，最好是在井下工具移动时进行。