Способ охлаждения скважинного измерительного устройства Российский патент 2019 года по МПК E21B36/00 H01L35/28 E21B47/12 

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, к эксплуатации скважин для добычи флюида, для регулирования добычи из продуктивного горизонта, а также для исследования скважин, предназначено для охлаждения блоков электроники, обеспечивающих функционирование телеметрической аппаратуры, собирающей измерительные данные о параметрах среды и параметрах погружного электродвигателя.

Для обеспечения безотказной работы электронных компонентов телеметрического оборудования в условиях с температурой выше 150 ^оС широко применяются различные способы охлаждения. Значительными эффективностью и распространенностью характеризуется элементы Пельтье, устанавливаемые в блоках электроники скважинных измерительных устройств.

Известной является термоэлектрическая система охлаждения, соединенная с корпусом и выполненная с возможностью снижения температуры интегральной схемы, причем термоэлектрическая система охлаждения содержит модуль термоэлектрического охлаждения, имеющий множество чередующихся полупроводников p-типа и n-типа [Pat. EP2740889, IPC E21B47/01. Downhole tool cooling system and method / Salvadori Velu Sophie et al. ; applicants Services Pétroliers Schlumberger; Schlumberger Technology BV; Schlumberger Holdings; Prad Res & Dev Ltd. – Appl. No. EP20120306530 ; applied 06.12.2012 ; pub. date 11.06.2014]. Корпус содержит инертный газ, обеспечивающий возможность уменьшения электроэрозии интегральной схемы или термоэлектрической системы охлаждения, или и того, и другого. Система содержит датчик, сконфигурированный для определения температуры окружающей среды. Система также содержит контроллер, сконфигурированный для выборочного включения или отключения термоэлектрической системы охлаждения на основе обнаруженной температуры окружающей среды. Контроллер сконфигурирован для поддержания разности температур не менее 40 ^оС между температурой окружающей среды и температурой интегральной схемы.

Однако, использование инертного газа не обеспечивает в достаточной степени равномерного охлаждения электронных компонентов. Кроме того, работа термоэлектрической системы предполагает потребление относительно большого количества энергии, что в условиях необходимости соблюдения технических требований может служить причиной снижения эффективности работы системы в случаях недостаточного значения напряжения, передаваемого от наземного оборудования для работы измерительной аппаратуры и системы ее охлаждения.

Известен также метод охлаждения, обеспечивающийся устройством, содержащим один или несколько термоэлектрических охладителей, состоящих в проводящем зацеплении, по меньшей мере, с одним из устройств, которые активно потребляют энергию, а также энергетическим дивертором, отводящим часть энергии, которая не потребляется активными энергопотребляющими устройствами, скважинного энергогенерирующего устройства, в термоэлектрические охладители для обеспечения работы охладителя [Pat. US7527101, IPC H01L35/00. Cooling apparatus and method / James C. Mayes; applicant Schlumberger Technology Corp. – Appl. No. US10905954; applied 27.01.2005; pub. date 05.05.2009]. Скважинное энергогенерирующее устройство содержит турбинный генератор для преобразования гидравлической энергии бурового раствора, прокачиваемого через бурильную колонну, в электрическую энергию. Скважинное энергогенерирующее устройство содержит генератор переменного тока. Дивертор энергии содержит компаратор напряжения.

Компаратор сравнивает избыточное напряжение, подаваемое на шине, с опорным напряжением. Когда избыточное напряжение превышает опорное напряжение, переключатель замыкают для направления избытка энергии по пути к элементам Пельтье.

К недостаткам приведенного способа необходимо отнести следующее:

- способ предполагает наличие дополнительного скважинного источника энергии, турбинного генератора для преобразования гидравлической энергии бурового раствора, что обуславливает повышение себестоимости реализации способа, повышение вероятности появления отказов и ограниченность областей применения;

- использование энергетического дивертора с компаратором имеет узкую область применения и не характеризуется достаточной функциональностью.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является система погружной телеметрии [Пат. RU133197, МПК E21B47/12. Система погружной телеметрии / Я. В. Антимиров и др. ; заявитель ООО "Системы телемеханики". – З. № 2013113051/03 ; заявл. 22.03.2013 ; опубл. 10.10.2013]. Система погружной телеметрии содержит наземный блок, имеющий преобразователь сигнала и соединенный линией питания и линией передачи сигнала с погружным блоком, также имеющим преобразователь сигнала. В погружном блоке данной системы дополнительно размещен, по крайней мере, один охлаждающий элемент, основанный на эффекте Пельтье, конструктивно расположенный на корпусе погружного блока и находящийся в тепловом контакте с платой с электронными компонентами, расположенной внутри корпуса погружного блока. Погружной блок дополнительно содержит блок питания охлаждающего элемента, основанного на эффекте Пельтье.

Напряжение питания погружного блока проходит через блок диодной защиты, необходимый для защиты электронных компонентов, входящих в погружной блок, от отрицательной полуволны напряжений помех, и поступает на блок питания охлаждающего элемента, основанный на эффекте Пельтье, где понижается до требуемых электрических параметров охлаждающего элемента основанного на эффекте Пельтье, необходимых для его работы, и на блок питания цифровой части через блок RC-защиты, используемой для понижения значений помех до безопасных для электронных компонентов, входящих в погружной блок, при появлении перенапряжений.

Недостатком ближайшего аналога являет недостаточно эффективное использование энергии, поступающей по общей для цифровой части и элементов Пельтье линии. Работа термоэлектрических компонентов предполагает потребление относительно большого количества энергии, что в условиях необходимости соблюдения технических требований может служить причиной снижения эффективности работы элементов охлаждения в случаях недостаточного значения напряжения, передаваемого от наземного оборудования для работы измерительной аппаратуры и устройств ее охлаждения.

Заявляемая изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности работы охлаждающих элементов, установленных в блоке электроники скважинного измерительного устройства, основанных на эффекте Пельтье, при обеспечении единых технических требований к питающему напряжению оборудования.

Решение задачи обуславливается совокупностью следующих существенных признаков.

Способ охлаждения скважинного измерительного устройства, которое содержит наземный и погружной блоки, включает операцию охлаждение, по меньшей мере, одного блока электроники погружного блока элементами, работа которых основана на эффекте Пельтье, и предполагает передачу тепла на корпус блока электроники, после чего тепло передают на трубу, в которую погружено измерительное устройство, которую охлаждают пластовой жидкостью. К элементам, работа которых основана на эффекте Пельтье, предварительно установленных на, по меньшей мере, одном блоке электроники, передают электрическое питание через нулевую точку трансформатора и звезду электродвигателя, включая источник переменного напряжения и трансформатор погружного блока, через первичную обмотку которого осуществляют фильтрация сигналов, а через вторичную создают независимую фазу, по которой через выпрямитель обеспечивают электрическое питание элементов, работа которых основана на эффекте Пельтье, от, по меньшей мере, одного источника переменного тока.

Блок электроники, на который устанавливают элементы, работа которых основана на эффекте Пельтье, предварительно заливают вязкотекучим теплопроводным составом.

Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается, графическим материалом, представленным на фиг. – схема скважинного измерительного устройства, относительно которого реализуется способ.

Скважинное измерительное устройство состоит из наземного, 1, и погружного, 2, блоков. Наземный блок, включает источник питания, 3, с устройством приема и обработки информации, 4, и связан с вторичной обмоткой трехфазного трансформатора, 5.

Наземный блок, также содержит фильтр низких частот, 6, установленный на линии связи с вторичной обмоткой трехфазного трансформатора и выполненный с возможностью защиты системы от высокого напряжения, а также коммутирующее устройство, 7, выполненное с возможностью смены полярности напряжения, подаваемого в линию для измерения сопротивления изоляции, связанное с резистором снятия напряжения, 8, пропорционального току линии связи.

Погружной блок, 2, включает набор измерительных датчиков, 9, стабилизатор напряжений, 10, подключенный к обмоткам погружного электродвигателя 11, через резистор, 12, и связан с блоком электроники, 13, который связан с электронным управляемым ключом, 14, подключенным к обмоткам электродвигателя через резистор, 15. Электронный ключ управляется посредством указанного блока электроники, 13, при этом его питание, а также питание измерительных датчиков осуществляется от стабилизатора напряжения, 10.

Погружной блок, 2, содержит трансформатор, 16.

При подаче питающего напряжения устройство приводится в действие. В погружном блоке, 2, блок электроники, 13, опрашивает набор измерительных датчиков, 9, который преимущественно содержит датчики температуры, давления и вибрации. Текущие данные с датчиков, преобразуются в последовательный цифровой код и поступают на электронный управляемый ключ, 14. Синхронно с последовательным цифровым кодом, электронный ключ генерирует сигналы, которые проходя через трансформатор, 16, и обмотки погружного электродвигателя, 11, поступают в устройство приема и обработки информации, 4, проходя при этом, через фильтр низких частот, 6, установленный на линии связи с вторичной обмоткой трехфазного трансформатора, 5, обеспечивая, таким образом, защиту от высокого напряжения.

Также осуществляется аппаратно-программный режим проверки изоляции наземным блоком. Согласно указанному режиму, на линию питания погружного блока подается напряжение отрицательной полярности, которое создают посредством коммутирующего устройства, 7, для смены полярности напряжения. Далее измеряют падение напряжения на резисторе, 8, а также напряжение в питающей линии, после чего вычисляют ток, проходящий через резистор, 8. Исходя из полученных значений тока резистора и напряжения питающей линии вычисляют сопротивление изоляции.

Блок электроники, 13, охлаждают элементами, работа которых основана на эффекте Пельтье, 17.

К элементам, работа которых основана на эффекте Пельтье, 17, предварительно установленных на, по меньшей мере, одном блоке электроники, 13, передают электрическое питание через нулевую точку трансформатора и звезду электродвигателя, включая источник переменного напряжения, 18, и трансформатор погружного блока, 16, через первичную обмотку которого осуществляют фильтрацию сигналов, а через вторичную создают независимую фазу, по которой через выпрямитель, 19, обеспечивают электрическое питание элементов, работа которых основана на эффекте Пельтье, от, по меньшей мере, одного источника переменного тока, 18.

Таким образом, на базе устройства, характеризующегося высокой помехозащищенностью, реализован способ, обеспечивающий передачу электричества через дополнительный канал к элементам, работа которых основана на эффекте Пельтье, что позволяет увеличить ресурс при рабочих температурных режимах и повысить эффективность данных элементов за счет обеспечения работы скважинного измерительного устройства при более высоких температурах, благодаря чему повышается надежность всей системы, обеспечивается выполнение единых технических требований к питающему напряжению.

Отсутствие необходимости применения дополнительных устройств (например, различных генераторов энергии) при реализации способа позволяет использовать оборудования более экономически эффективным путем.

Кроме того, установка блока электроники в вязкотекучим составе (например, на основе низкомолекулярного силиконового каучука) позволяет обеспечить равномерность процессов теплопередачи в устройстве, на котором реализуется заявляемый способ.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, к эксплуатации скважин для добычи флюида, для регулирования добычи из продуктивного горизонта, а также для исследования скважин, предназначено для охлаждения блоков электроники, обеспечивающих функционирование телеметрической аппаратуры, собирающей измерительные данные о параметрах среды и параметрах погружного электродвигателя. К элементам, работа которых основана на эффекте Пельтье, предварительно установленных на по меньшей мере одном блоке электроники, передают электрическое питание через нулевую точку трансформатора и звезду электродвигателя, включая источник переменного напряжения и трансформатор погружного блока, через первичную обмотку которого осуществляют фильтрация сигналов, а через вторичную создают независимую фазу, по которой через выпрямитель обеспечивают электрическое питание элементов, работа которых основана на эффекте Пельтье, от по меньшей мере одного источника переменного тока. Блок электроники, на который устанавливают элементы, работа которых основана на эффекте Пельтье, предварительно заливают вязкотекучим теплопроводным составом. Технический результат - повышение эффективности работы охлаждающих элементов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

  1. Способ охлаждения скважинного измерительного устройства, которое содержит наземный и погружной блоки, включающий операцию охлаждения по меньшей мере одного блока электроники погружного блока элементами, работа которых основана на эффекте Пельтье, и предполагающий передачу тепла на корпус блока электроники, после чего тепло передают на трубу, в которую погружено измерительное устройство, которую охлаждают пластовой жидкостью, отличающийся тем, что к элементам, работа которых основана на эффекте Пельтье, предварительно установленных на по меньшей мере одном блоке электроники, передают электрическое питание через нулевую точку трансформатора и звезду электродвигателя, включая источник переменного напряжения и трансформатор погружного блока, через первичную обмотку которого осуществляют фильтрацию сигналов, а вторичной обмоткой создают независимую фазу, по которой через выпрямитель обеспечивают электрическое питание элементов, работа которых основана на эффекте Пельтье, от по меньшей мере одного источника переменного тока.

2. Способ охлаждения скважинного измерительного устройства по п. 1, отличающийся тем, что блок электроники, на который устанавливают элементы, работа которых основана на эффекте Пельтье, предварительно заливают вязкотекучим теплопроводным составом.