对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置

1.本发明属于石油开采技术领域，具体是在石油开采作业中的对钻具的电子元器件冷却，涉及了一种对石油开采钻具电子元器件进行冷却的逆布雷顿循环制冷装置。


背景技术：

2.在石油开采作业中，需要利用石油钻井设备从地面开始沿设计轨道钻穿多套地层到达地下数千米深的预定油气层。地球的平均地温梯度为3℃/100m，即从地表开始每深入100米，温度会提高约3摄氏度。以7000～8000m的深井为例，井底温度可达200～250℃。在钻井设备运行过程中，钻具中通过的钻井液受地层温度影响，温度往往高达200℃左右。在钻具结构中，外部为内径较大的钻铤，内部为抗压筒，抗压筒外部有隔热涂层，内部为探管，探管支架上放置随钻仪器。钻井液由钻铤和抗压筒之间的间隙自上而下通过，再从钻铤外部向上回流。随钻电子设备一般安装在钻头附近的抗压筒内，钻头正常工作需要大量钻井液润滑钻头，钻井液由钻铤与抗压筒之间流过。由于探管上的随钻仪器工作温度一般不能超过175℃，而钻井液的温度则高达200℃左右。在这种情况下，若不采取一些措施，单凭抗压筒外部的隔热涂层，是不能长时间隔热，会导致钻具中探管等仪器因长期处于过高工作温度下而损坏、无法正常运行。目前，行业中解决此问题的方法主要有两种：一种是定期更换钻具中的探管等随钻电子元器件，但是这种方法成本过高；另一种是利用高压冷却液(一般是高压水)对钻具中的随钻仪器进行冷却，高压冷却液从地面通过管道运输到地下数千米的的钻头附近，施工和运行难度均较大，存在技术上的困难并且运行成本较高，无法实现长时间高效运行。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是提供一种对石油开采钻具电子元器件进行冷却的逆布雷顿循环制冷装置，利用高速流动的钻井液驱动制冷循环装置，实现井下不通电情况下完成制冷。
4.本发明包括钻铤、抗压筒和制冷机构，抗压筒设置在钻铤内。
5.所述的抗压筒为圆柱形筒体，侧壁和底面的外表面均覆有隔热层，抗压筒内设置有隔板，将抗压筒分隔成上部的工作腔和下部的冷却腔，冷却腔设置有冷却筒，随钻电子设备置于冷却筒内。
6.制冷机构包括涡轮、压缩机、热端换热器、膨胀机、冷端换热器和回热器；压缩机、膨胀机和回热器设置在工作腔内，冷端换热器设置在冷却腔内，与冷却筒的金属顶面接触，与冷却筒进行热交换，对冷却筒进行冷却；涡轮设置在抗压筒上方，涡轮的转动平面基本垂直于钻井液的流动方向，涡轮与压缩机同轴设置，高速流动的钻井液驱动涡轮转动，涡轮驱动压缩机工作。
7.所述的热端换热器设置在抗压筒外，入口与压缩机的制冷剂出口通过管路连接。
8.所述的回热器采用金属外壳，内部填充有金属蓬松材料，穿过金属外壳设置两条管路，一条管路的两端为高压制冷剂入口和出口，另一条管路的两端为低压制冷剂入口和
出口；回热器的高压制冷剂入口与热端换热器出口通过管路连接，高压制冷剂出口与膨胀机的入口通过管路连接，低压制冷剂入口与冷端换热器的出口通过管路连接，低压制冷剂出口与压缩机的制冷剂入口通过管路连接。
9.所述的膨胀机采用透平膨胀机，与压缩机同轴设置，膨胀机的出口与冷端换热器的入口通过管路连接。
10.制冷循环采用正辛烷作为制冷剂。
11.本发明通过制冷循环对是由开采的钻具的电子元器件进行冷却，填补了对石油开采方面的一个技术空缺，满足了如石油钻井随钻仪器等场景的制冷需要。
12.本发明在深度为5000米的井下采用钻井液驱动涡轮旋转带动压缩机工作，不需要额外的电力驱动，结构简单高效，省去了在5000米深井无供电设备的缺点。本发明使用膨胀机替代寻常制冷循环中的节流阀，以近乎等熵的膨胀过程取代等焓膨胀，并回收膨胀功以辅助压缩过程使得制冷效率得到较大的提高，可获得很低的制冷温度和很宽的制冷范围，工作寿命长，具有高可靠性。本发明运动部件较少，保证系统的结构简单；膨胀机的使用使得系统的整体重量较小；系统各部件相互独立，只依靠工质循环连接，每个部件可以相对独立地优化，在组装各个部件及与其他系统相连接时都比较灵活。本发明在制冷回路中增加了一个回热器，利用吸收的制冷剂热量提高压缩机吸气温度，改善压缩机工作条件。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.如图1所示，石油开采钻具包括钻铤1和抗压筒2，抗压筒2设置在钻铤1内，抗压筒2内设置有随钻电子设备3，抗压筒外部覆盖有隔热层4。钻井液由地面向下灌入，到达抗压筒2位置，由钻铤1与抗压筒2之间的间隙流过。钻井液通过泥浆泵维持循环，从泥浆泵排出的高压钻井液经过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、钻杆、钻铤到钻头，从钻头喷嘴喷出，以清洗井底并携带岩屑，然后再沿钻柱与井壁或套管形成的环形空间向上流动，在到达地面后流入泥浆池，最后进行泥浆泵循环使用。如图1中空心箭头即为钻井液的流向。钻井液在钻铤1内的流速与钻井液的稠度、密度，以及钻井速度有关，工作中钻井液流速极快。
16.对随钻电子设备3进行冷却的制冷循环装置包括涡轮5、压缩机6、热端换热器7、膨胀机8、冷端换热器9、回热器10和冷却筒11。涡轮5设置在抗压筒2上方，涡轮5的转动平面基本垂直于钻井液的流动方向，涡轮5与压缩机6同轴设置，高速流动的钻井液驱动涡轮5转动，涡轮5驱动压缩机6工作。
17.抗压筒2内设置有隔板12，将抗压筒2分隔成上部的工作腔和下部的冷却腔。压缩机6、膨胀机8和回热器10设置在工作腔内。冷却筒11设置在冷却腔内，随钻电子设备3设置在冷却筒11内，冷端换热器9设置在冷却筒11顶部，与冷却筒11的金属顶面接触。
18.热端换热器7包括两个截面为半圆环形的板式换热器，两个板式换热器环抱抗压筒2设置，底部通过管路连接。一个板式换热器的顶部设置有热端换热器入口，与压缩机6的制冷剂出口通过管路连接；另一个板式换热器的顶部设置有热端换热器出口。
19.回热器10采用金属外壳，内部填充有金属蓬松材料，穿过金属外壳设置两条管路，一条管路的两端为高压制冷剂入口和出口，另一条管路的两端为低压制冷剂入口和出口。回热器的高压制冷剂入口与热端换热器出口通过管路连接，高压制冷剂出口与膨胀机的入口通过管路连接，低压制冷剂入口与冷端换热器的出口通过管路连接，低压制冷剂出口与压缩机的制冷剂入口通过管路连接。
20.膨胀机8采用透平膨胀机，与压缩机6同轴设置，膨胀机8运转时回收膨胀功，辅助压缩机工作。膨胀机的出口与冷端换热器的入口通过管路连接。
21.冷端换热器9采用狭缝式换热器，与冷却筒11进行热交换，对冷却筒11进行冷却。
22.图1中制冷剂回路的箭头表示制冷剂正辛烷的走向。压缩机对吸入的制冷剂进行压缩，使制冷剂成为高温高压的气体的状态并排出。热端换热器作为制冷剂与钻井液进行热交换的热交换器。热端换热器将压缩机排出的高温气体制冷剂的热量释放到钻井液中，制冷剂在热端换热器的出口达到高压状态。制冷剂通过回热器时，回热器吸收了一部分热量，提高了制冷效率。高压制冷剂在膨胀机里绝热膨胀，将制冷剂内能转化为机械能，推动膨胀机叶片转动，降低制冷剂热量。传热筒将冷却对象(内部的随钻电子设备3)的热量传递到顶端的热端换热器中，进行热交换。制冷剂吸收由传热筒传导的热量而温度升高。制冷剂再次通过回热器吸收预热，提高系统的热效率。
23.作为制冷剂的正辛烷(n-octane，分子式c8h
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)，为无色透明液体，在常压下沸点为125.6℃，在150℃～250℃下处于过热蒸汽状态，并且正辛烷为有机高分子，具有无极性，无导电性和腐蚀性，用作制冷循环工质能够使系统长时间高效运行。另外，正辛烷绝热膨胀后的焓差值较高，达到100000j/kg，适合做此高温循环的制冷剂。

技术特征：
1.对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置，包括钻铤、抗压筒和制冷机构，抗压筒设置在钻铤内，其特征在于：所述的抗压筒为圆柱形筒体，侧壁和底面的外表面均覆有隔热层，抗压筒内设置有隔板，将抗压筒分隔成上部的工作腔和下部的冷却腔，冷却腔设置有冷却筒，随钻电子设备置于冷却筒内；制冷机构包括涡轮、压缩机、热端换热器、膨胀机、冷端换热器和回热器；压缩机、膨胀机和回热器设置在工作腔内，冷端换热器设置在冷却腔内，与冷却筒的金属顶面接触，与冷却筒进行热交换，对冷却筒进行冷却；涡轮设置在抗压筒上方，涡轮的转动平面基本垂直于钻井液的流动方向，涡轮与压缩机同轴设置，高速流动的钻井液驱动涡轮转动，涡轮驱动压缩机工作；所述的热端换热器设置在抗压筒外，入口与压缩机的制冷剂出口通过管路连接；所述的回热器采用金属外壳，内部填充有金属蓬松材料，穿过金属外壳设置两条管路，一条管路的两端为高压制冷剂入口和出口，另一条管路的两端为低压制冷剂入口和出口；回热器的高压制冷剂入口与热端换热器出口通过管路连接，高压制冷剂出口与膨胀机的入口通过管路连接，低压制冷剂入口与冷端换热器的出口通过管路连接，低压制冷剂出口与压缩机的制冷剂入口通过管路连接；所述的膨胀机采用透平膨胀机，与压缩机同轴设置，膨胀机的出口与冷端换热器的入口通过管路连接。2.如权利要求1所述的对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置，其特征在于：所述的热端换热器包括两个截面为半圆环形的板式换热器，两个板式换热器环抱抗压筒设置，底部通过管路连接；一个板式换热器的顶部设置有热端换热器入口，另一个板式换热器的顶部设置有热端换热器出口。3.如权利要求1所述的对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置，其特征在于：所述的膨胀机运转时回收膨胀功，辅助压缩机工作。4.如权利要求1所述的对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置，其特征在于：所述的冷端换热器采用狭缝式换热器。5.如权利要求1所述的对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置，其特征在于：制冷循环采用正辛烷作为制冷剂。

技术总结
本发明公开了对石油开采钻具电子元器件冷却的逆布雷顿循环制冷装置。石油开采作业采用高压冷却液进行冷却，施工和运行难度较大。本发明中抗压筒外表面覆有隔热层，抗压筒内设置有冷却筒，随钻电子设备置于冷却筒内。制冷机构包括涡轮、压缩机、热端换热器、膨胀机、冷端换热器和回热器。压缩机、膨胀机和回热器设置在抗压筒的工作腔内，冷端换热器设置在冷却腔内，与冷却筒的金属顶面接触，热端换热器设置在抗压筒外。钻井液驱动涡轮转动，涡轮驱动压缩机工作。本发明不需要外接电源，能量利用率高，对电子设备降温效果好。本发明结构简单，改造成本低，适应性好，适用各类型钻具。适用各类型钻具。适用各类型钻具。


技术研发人员：周文杰 贝佳浩 吴漫洋 高渤栋 邱一男
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/31