СПОСОБ ОТВОДА ПАРОВ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ КРИОГЕННОЙ СИСТЕМЫ ПОГРУЖНОГО КАРОТАЖНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01V3/18 G01V5/04 G01V13/00 

Изобретение относится к области изготовления, градуировки и обслуживания приборов и устройств для геофизических измерений. Может быть использовано в оборудовании для каротажа, содержащем систему охлаждения с использованием криогенных жидкостей.

Известны погружные каротажные устройства, имеющие в своем составе криогенную систему для охлаждения сверхпроводящих магнитов и датчиков различного назначения. Наиболее близким по существу к заявляемому изобретению является известный способ [1] по патенту US 6,411,087 B1. - 25 January 2002. "NMR Logging Tool with HI-TC Trap Field Magnet". В известном изобретении по патенту US 6,411,087 В1, для создания в призабойной зоне скважины сильного постоянного магнитного поля вокруг каротажного прибора ЯМР используют сверхпроводящий магнит. Для достижения криогенных температур сверхпроводящий магнит помещают в криостат с жидким гелием или азотом, либо для охлаждения применяют криокулер. Недостатком выявленного прототипа [1] является отсутствие достоверной информации о способах отвода паров криогенной жидкости из криостата каротажного прибора. В промышленном и научном оборудовании с системами охлаждения, представляющими собой криостат с криогенной жидкостью, в процессе работы криогенная жидкость постепенно переходит в парообразное состояние, что приводит к необходимости отвода образовавшихся паров за пределы криостата. Общепринятым решением этой проблемы является выпуск образовавшихся паров в атмосферу, или накопление их в специальных емкостях. Однако в условиях применения криостатов в погружных скважинных приборах, диаметр которых составляет порядка 150 мм, возможность выпуска паров за пределы криостата отсутствует в принципе, по причине наличия как высоких значений давления в стволе скважины (типичные значения ~50-100 атм), так и высоких температур, достигаемых 150°С. Таким образом, практическое применение накопительных емкостей затруднено по вышеуказанным причинам и их чрезмерных габаритов(размеров).

Существует другая возможность достижения криогенных температур в скважинных приборах - это применение систем охлаждения на основе криокулеров. Однако криокулеры, которые, как общеизвестно, не требуют в процессе своей работы отвода газообразных веществ, на настоящий момент не находят применения в системах охлаждения каротажных погружных приборов из-за их чрезмерных габаритных размеров (от 500 мм в диаметре).

Таким образом, возможно констатировать следующее неразрешенные проблемы на дату подачи заявочных материалов, которые не позволяют на практике реализовать проблему исследования скважин с применением криогенных систем охлаждения:

- невозможность в каротажном погружном приборе отвода паров криогенных жидкостей за пределы криостата системы охлаждения непосредственно в ствол скважины, что может привести к разрушению устьевого оборудования в следствие того, что при испарении 1 л жидкого гелия образуется до 800 л газа при нормальных условиях;

- чрезмерные требуемые размеры накопительных емкостей для паров испаряющихся криогенных жидкостей, что не позволяет разместить их в стволе скважины;

- чрезмерные габариты криокулеров.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно:

- обеспечение возможности отвода паров криогенных жидкостей за пределы криостата системы охлаждения в каротажном погружном приборе в устье скважины,

- исключение накопительных емкостей для паров испаряющихся криогенных жидкостей, что обеспечивает возможность размещения оборудования в стволе скважины,

- значительное снижение габаритов системы охлаждения за счет конструктивных особенностей заявленного технического решения,

- улучшение эксплуатационных характеристик каротажного оборудования, содержащего в своем составе криогенную систему охлаждения за счет решения проблемы отвода паров испаряющихся криогенных жидкостей по капиллярам, которые одновременно являются и проводниками электропитания, эффективный отвод паров позволяет, например, применять в погружных приборах сверхпроводящие магниты, характеризующиеся в несколько раз более сильными магнитными полями, что позволяет увеличить глубинность измерений методом ЯМР,

- обеспечение возможности более эффективного использования другого оборудования и датчиков, чьи эксплуатационные характеристики улучшаются при работе в области низких температур, например, общеизвестно, что в радиочастотных приемо-передающих антеннах тепловые шумы уменьшаются по мере их охлаждения,

Кроме этого целью предполагаемого изобретения является:

- расширение области применения каротажного оборудования, т.к. эффективный отвод паров криогенных жидкостей позволяет применять в каротажных приборах системы охлаждения с высокой хладопроизводительностью на основе криостатов, что позволяет применять новые датчики и устройства, эффективно работающие при низких температурах, но требующие интенсивного охлаждения.

- предполагаемое изобретение позволяет повысить достоверность результатов измерений некоторыми методами, например, за счет увеличения при низких температурах отношения сигнал-шум в радиочастотных системах, увеличения резонансной частоты ЯМР-анализаторов, имеющих в своем составе сверхпроводящие магниты, и т.д.

Цели достигают тем, что отвод паров криогенных жидкостей на поверхность из системы охлаждения каротажного прибора, работающего в стволе скважины, предлагается осуществить при помощи длинного металлического капилляра или системы капилляров, вплетенных в трос, на котором в скважине подвешивается каротажный прибор. Одновременно капилляры являются жилами силового электрического кабеля, по которому осуществляется снабжение электрической энергией устройств, работающих в составе каротажного прибора.

Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами:

На чертеже схематично изображена скважина с охлаждаемым каротажным оборудованием, которая по мнению заявителя является наиболее эффективным вариантом исполнения заявленного технического решения.

В таблице приведены значения динамической вязкости трех газов: гелия, азота и углекислого газа которые могут быть использованы для реализации поставленных целей.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображена скважина с охлаждаемым каротажным оборудованием, например, содержащем сверхпроводящие магниты, измерительные приборы, приемо-передающие устройства, антенны. На чертеже приведено описание заявленного устройства:

Заявленное устройство состоит из измерительного каротажного прибора 1 с криостатом 2, внутри которого размещено охлаждаемое каротажное оборудование, заполненного сжиженным газом, например, гелием; компрессора 3; узла крепления троса 4 к каротажному прибору 1; троса 5, содержащего трубчатые электрические кабели 6, являющиеся одновременно капиллярами для отвода паров криогенных жидкостей, жил с высокой прочностью на разрыв 7.

Так как невозможно полностью изолировать внутренний объем прибора от притока тепла из внешней среды (скважины), то криогенные компоненты системы охлаждения переходят в парообразное состояние на протяжении всего времени работы прибора в скважине. В качестве криогенных компонентов системы охлаждения используют различные вещества. В силу физических и эксплуатационных свойств наиболее удобными для применения являются гелий, азот и углекислый газ. Испаряющиеся из криостата криогенные компоненты по капилляру (или системе капилляров) поднимаются на поверхность. Для протекания газа по капилляру необходимо наличие на его двух концах перепада давления, за счет которого происходит движение газа. Необходимое давление на входе в капилляр создают при помощи компрессора (3), соединенным входом с выходом криостата 2.

Отвод паров криогенных жидкостей при движении по капилляру или системе капилляров сопровождается преодолением сил вязкого трения.

В таблице приведены значения динамической вязкости трех газов: гелия, азота и углекислого газа.

Требуемый внутренний радиус капилляра вычисляется по экспериментальной формуле:

$$r_0=\sqrt[4]{\frac{8\eta LQ}{\pi \Delta P}}\left(1\right)$$

где r₀ - радиус капилляра, ΔР - перепад давления на входе и выходе капилляра, L - длина капилляра, η - динамическая вязкость газа, Q - расход газа на выходе капилляра в единицу времени (м³/с).

Таблица Динамическая вязкость гелия, азота и углекислого газа. Параметр, обозначение Значение Единицы измерения Динамическая вязкость 1,89·10^-5 Па·с газообразного гелия при н.у., η     Динамическая вязкость 1,67·10^-5 Па·с газообразного азота при н.у., η     Динамическая вязкость газообразного углекислого газа при н.у., η 1,4·10^-5 Па·с

Жилы электрического кабеля выполняются в виде капилляров, внутренний диаметр которых рассчитывают по формуле (1). Жилы электрического кабеля являются капиллярами, по которым осуществляется отвод паров криогенных жидкостей из системы охлаждения каротажного прибора.

В случае, если в электрический кабель содержит более, чем один жилу-капилляр, то внутренний радиус каждого капилляра рассчитывается по формуле:

$$r_0=\sqrt[4]{\frac{8\eta LQ}{\pi \Delta Pn}},\left(2\right)$$

где n - число жил-капилляров в электрическом кабеле.

Приведенный пример применения предполагаемого изобретения показывает его полезность для отвода газообразных продуктов испарения криогенных жидкостей из системы охлаждения погружных каротажных приборов. Применение заявляемого способа способствует повышению характеристик каротажного оборудования, расширяет область применения за счет повышения эффективности работы системы охлаждения. В частности, заявляемый способ позволяет применять в каротажных приборах сверхпроводящие магнитны, генерирующие постоянные магнитные поля большой напряженности, что способствует большей глубинности исследований и большей детализации получаемой информации, то есть расширяет область применения криогенного каротажного оборудования, повышает достоверность получаемой информации.

Заявленное техническое решение удовлетворяет критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции, достигаемому техническому результату(ам), форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного уровня техники на дату подачи заявочных материалов заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного технического решения, обеспечивающие достижение совокупности заявленных целей посредством использованных заявленных признаков.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. его возможно реализовать в условиях промышленного производства каротажного оборудования, при этом принципиальная возможность реализации заявленного решения апробирована в лаб. условиях КФУ на пилотной установке.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1 Nongqiang Fan, Wei-Kan Chu, NMR Logging Tool with HI-ТС Trap Field Magnet // PN US 6,411,087 B1. - 25 January 2002.

Изобретение относится к области изготовления, градуировки и обслуживания приборов и устройств для геофизических измерений и может быть использовано в оборудовании для каротажа, содержащем систему охлаждения с использованием криогенных жидкостей. Заявлен способ отвода на поверхность паров криогенных жидкостей из системы охлаждения погружного каротажного прибора, использующей криогенные жидкости для поддержания низких температур в некоторых устройствах каротажного прибора (сверхпроводящие магниты, приемопередающие антенны, криогенные датчики различного назначения). Выход криостата каротажного прибора соединяют с атмосферой или емкостью-накопителем на поверхности земли посредством одного или нескольких капилляров, которые одновременно являются жилами электрического кабеля, входящего в состав троса, на котором подвешивается погружной каротажный прибор. Для расчета необходимого радиуса капилляра применяется формула $$r_0=\sqrt[4]{\frac{8\eta LQ}{\pi \Delta P}}$$ и $$r_0=\sqrt[4]{\frac{8\eta LQ}{\pi \Delta Pn}}$$ в зависимости от числа жил-капилляров в электрическом кабеле. Технический результат: повышение интенсивности охлаждения каротажного прибора. 1 ил., 1 табл.

Способ отвода на поверхность паров криогенных жидкостей из системы охлаждения погружного каротажного прибора, использующей криогенные жидкости для поддержания низких температур в некоторых устройствах каротажного прибора (таких как сверхпроводящие магниты, приемопередающие антенны, криогенные датчики различного назначения), отличающийся тем, что выход криостата каротажного прибора соединяют с атмосферой или емкостью-накопителем на поверхности земли посредством одного или нескольких капилляров, которые одновременно являются жилами электрического кабеля, входящего в состав троса, на котором подвешивается погружной каротажный прибор, при этом для расчета необходимого радиуса капилляра применяется формула $$r_0=\sqrt[4]{\frac{8\eta LQ}{\pi \Delta P}}$$ или $$r_0=\sqrt[4]{\frac{8\eta LQ}{\pi \Delta Pn}}$$ в зависимости от числа жил-капилляров в электрическом кабеле,
где r₀ - радиус капилляра;
ΔР - перепад давления на входе и выходе капилляра;
L - длина капилляра;
η -динамическая вязкость газа;
Q - расход газа на выходе капилляра в единицу времени, м³/с.