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一种用于井下工具的冷却系统包括设置在工具内的隔离腔，其中该腔适合于容纳被冷却的对象；和设置在工具内的斯特林冷却器，该冷却器具有冷端以便从隔离腔排出热量并且设置有热端以便散热。一种用于冷却设置在井下工具内的部件的方法，包括在井下工具内在该部件附近设置一斯特林冷却器；并且向斯特林冷却器提供能量以便从该部件排出热量。

1.  一种用于井下工具的冷却系统，其包括：
设置在井下工具内的绝缘腔，其中所述绝缘腔适于容纳被冷却的对象；以及
设置在井下工具内的斯特林冷却器，其中所述斯特林冷却器具有构造成从该绝缘腔排出热量的冷端和构造成排散热量的热端。

2.  如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述斯特林冷却器是自由活塞式斯特林冷却器。

3.  如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述自由活塞式斯特林冷却器包括永久磁体。

4.  如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，其还包括向冷却器提供能量的能量源，所述能量源是从由地面电源、井下电池、液压动力源、和井下电力发电机所构成的组中所选择的一种。

5.  如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，其还包括设置在斯特林冷却器的冷端和绝缘腔之间的热传递机构，其中所述热传递机构适于从该绝缘腔向该斯特林冷却器的冷端传递热量。

6.  如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述绝缘腔适于在被冷却的对象附近提供气流。

7.  如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述绝缘腔适于在被冷却的对象附近提供液体流体流。

8.  一种冷却设置在井下工具内的部件的方法，其包括：
在该井下工具内在该部件附近设置斯特林冷却器；以及
向该斯特林冷却器提供能量，以便从该部件排出热量。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述斯特林冷却器是自由活塞式斯特林冷却器。

10.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述自由活塞式斯特林冷却器包括永久磁体。

11.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的提供能量是通过从由地面电源、井下电池、液压动力源、和井下电力发电机所构成的组中所选择的一种源提供电能而实现的。

12.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述部件设置在该井下工具内的绝缘腔内，该腔适于在该部件附近提供气流或液体流体流。

13.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述部件包括传感器。

14.  如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述部件包括电子装置。

具有斯特林冷却器系统的井下工具
技术领域
本发明总体涉及在高温环境中使井下工具及其部件保持在所需温度范围内的技术，本发明尤其涉及一种与井下工具一起使用的斯特林循环冷却系统。
背景技术
在烃和水的勘探和开采领域，不同的测井和监测技术是已知的。这些技术使用装备有适于通过井筒发射穿过地层的能量的源的井下工具或仪器。被发射的能量通过井内流体(“泥浆”)并进入到周围地层中以产生一个可以被一个或多个传感器检测和测量到的信号，其一般设置于井下工具上。通过处理检测到的信号数据，可以得到地层特性图。
一个包含大量发射源和用于测量不同参数的传感器的井下工具可以在电缆、钢丝绳或钻柱的末端被下放到井筒中。连接到地面的某种移动处理中心的电缆/钢丝绳具有将数据上传到地面的装置。也就是说利用这种电缆测井，当工具沿井身被向上拖动时，测量作为深度函数的井眼和地层参数成为可能。
一种可供选择的电缆测井技术是在钻井过程中在井底条件下采集数据。在钻井过程中，通过采集和处理这样的地层数据，司钻可以修改或校正操作的关键步骤以优化性能。用于采集井底数据的方案和钻井操作过程中钻井钻具组合的运动被称为随钻测量(MWD)技术。集中于地层参数地测量多于钻井钻具组合运动的相似技术被称为随钻测井(LWD)。对于LWD和MWD技术，随起下钻测井(LWT)是一种可替换的技术。在LWT期间，在钻程终点，正好在钻杆被驱动前，通过钻杆，一个小直径的“试转”(run-in)工具被送入井下。当钻柱被拔出或从井眼起出时，试转工具被用来测量井下物理量。在起出钻具过程中，测量到的数据作为时间的函数被记录到工具的存储器中。在地面，另一套设备在起出钻具时记录作为时间函数的钻头深度，并且这使得所要进行的测试能够在合适的深度上进行。图1说明了布置在穿过地层10的一个井眼11中的常规测井工具12。该测井工具12可以通过一个电缆控制机构14被部署在电缆13上。另外，该测井工具12可以被连接到地面设备15上，其可以包括一台计算机(未示出)。
井下工具曝露于极限温度(达到260℃)和压力(达到30,000psi和在某些情况下可能达到40,000psi)下。这些工具一般地装备有常常不用于如此恶劣环境中的敏感部件(例如电子器件包)。在制造电子器件包中，瞄准高容量的商业市场的趋势正使找到用于在这些升高的温度时功能有效的井下工具的部件变得困难。同时，油田工业正向开发更深和温度更高的油层迈进。因此，存在着对允许敏感电子装置在高温下工作的方法和装置的迫切需要。重新设计在高温下(例如，150℃以上)工作的硅片费用高并且对开发时间和推向市场的时间有重要的影响。可选择的办法是具有在高温环境下保护电子装置的系统。常规的技术包括那些将敏感部件从高温环境隔离的技术，例如将其放入杜瓦瓶中。这种技术仅仅能保护工具一定的时间，并且瓶子的性质使它们本质易碎。一个较好的途径是使用一个主动(active)冷却系统。
一种能够提供用于热保护井下工具中电子装置的多瓦特制冷的冷却系统将使不适于高温使用的电子和传感器技术的使用成为可能。这将降低不断增加的与高温电子装置的发展和实施相关的费用，并且使将新技术引入地层勘探和开发成为可能。
一种在井下工具中使用的冷却系统需要适合工具内的有限空间。几种适于在井下工具中使用的小型冷却系统已经被提出。例如Aaron Flores，“ActiveCooling for Electronics in a Wireline Oil-Exploration Tool”，Ph.D.dissertation，MIT，1996。这种技术基于一种单程蒸气压缩循环。然而，由于冷凝器部分的高压，这种方法需要非常仔细的密封和润滑。
Gloria Bennett提出了一种基于小型热声(thermoacoustic)冷却的用于井下工具的主动冷却系统，“Active Cooling for Downhole Instrumentation：MiniatureThermoacoustic refrigerator”，1991，University of New Mexico，Ph.D.dissertation，UMI 1991.9215048.这种方法是有前途的，但是所使用的部件相对笨重，并且小型温声制冷器的性能是不确定的。
尽管已经提出在井下工具中使用的冷却系统，但是提高用于井下工具冷却/制冷的需要是存在的。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于井下工具的冷却系统。依据本发明的一个实施例的一种冷却系统包括：设置在井下工具内的绝缘腔，其中所述绝缘腔适于容纳被冷却的对象；以及设置在井下工具内的斯特林冷却器，其中所述斯特林冷却器具有构造成从该绝缘腔排出热量的冷端和构造成排散热量的热端。
本发明的一个方面涉及一种用于冷却设置在井下工具内的部件的方法。该方法包括：在该井下工具内在该部件附近设置斯特林冷却器；以及向该斯特林冷却器提供能量，以便从该部件排出热量。
本发明的其它方面和优点从下面的描述和所附的权利要求中将会变得很明显。
附图说明
图1示出了布置于井眼内的常规的井下工具。
图2示出依据本发明的一个实施例的包含斯特林冷却器的井下工具。
图3示出了说明使用与依据本发明的一个实施例的斯特林冷却器的传热的简图。
图4示出了依据本发明的一个实施例的自由活塞斯特林冷却器。
图5示出了说明斯特林循环的曲线图。
图6示出了斯特林循环时在斯特林冷却器内活塞的不同状态的简图。
图7示出了依据本发明的一个实施例的主动气体流冷却系统的简图。
图8示出了依据本发明的一个实施例的液体流体冷却系统的简图。
图9示出了依据本发明的一个实施例的用于制造井下工具的方法。
图10示出了依据本发明的用于冷却井下工具内的传感器和电子装置的方法。
具体实施方式
本发明的实施例涉及在井下工具内使用的冷却系统。这些冷却系统基于斯特林循环，其在一个封闭的系统内高效地实现其功能，并且不需要润滑，并且在与蒸气压缩系统相比其可在相对低的压力下实现其功能。斯特林发动机或冷却器基于斯特林循环(也成为“Sterling”)，它是一种众所周知的热力学循环。斯特林发动机利用热量(温度差)作为能量源来提供机械功。斯特林冷却器操作相反，它利用机械能提供温度差，例如用作冷却器或制冷器。
斯特林发动机/冷却器的不同结构已经设计出。它们可以分为运动式和自由活塞式。运动式斯特林发动机使用连接于驱动机构上的活塞以便将线性活塞运动转变成旋转运动。运动式斯特林发动机可被进一步分为α型(两个活塞)，β型(活塞和置换器在一个汽缸内)，和γ型(活塞和置换器在单独的气缸内)。自由活塞式斯特林发动机利用谐波运动结构(harmonic motion mechanics)，其可以平面弹簧或磁场振荡来提供谐波运动。
由于在工程上具有较大的困难，斯特林循环发动机很少实际应用，并且斯特林循环冷却器被限制在低温和军事应用的特殊领域。斯特林发动机/冷却器的发展涉及例如效率、振动、寿命和费用这样的实际因素。由于在井下工具内(典型地直径3-6英寸[7.5-15cm])的有限空间和恶劣的井下环境(例如温度达到260℃，压力达到30,000psi或更多，振动达到250g或更多)，因此在井下工具上使用斯特林发动机/冷却器存在另外的困难。已经提出将斯特林发动机用作井下工具的发电机。(见授权给Buchanan的美国专利US4,805,407)。
本发明的实施例可以使用任何斯特林冷却器结构。一些实施例使用自由活塞式斯特林冷却器。本发明的一个自由活塞式斯特林冷却器实施例利用动磁式线性马达。
图2示出了依据本发明的一个实施例的井下工具(例如图1中的12)。如图所示，井下工具20包括保护该仪器中的不同部件23的细长外壳21。这些部件23可以包括需要保护以便免受高温影响的电子装置。该部件设置在隔离壳或腔24中并且与斯特林冷却器22相连。井下工具20的其它部件25可以包含在斯特林冷却器22的另一端。该部件25可以包含其它用来控制斯特林冷却器22的电子装置或从斯特林冷却器的热端排出热量的机构。
图3示出了依据本发明的一个实施例的使用斯特林冷却器以便排出热量的系统的简图。如图所示，斯特林冷却器22用作热泵，以便从储冷器筒(coldreservoir catridge)33中将热量排出到泥浆流(储热器)31。以这种方式，例如，从被冷却的对象(储冷器筒33)排出的热量被有效地“泵送”到斯特林冷却器的另一端(热端)并且排散到泥浆流31中。应该指出的是，斯特林冷却器22可以与被冷却的对象直接接触。可以选择地是，斯特林冷却器22可以放置在距被冷却的对象的一定距离内，热量传递机构35设置在它们之间以便传递热量。本领域的技术人员可以理解，热量传递机构35可以是任何适合的热量传递装置(例如热管)，包括实现流体循环的装置。本发明的实施例也可以实现在冷端和热端(未示出)上的热量传递机构。
图4示出了可以与本发明的实施例一起使用的自由活塞式斯特林冷却器的简图。如图所示，该斯特林冷却器40连接于被冷却的对象47上。如上所述，在一些实施例中，热量传递装置可以用来在对象47和斯特林冷却器40之间传递热量。该斯特林冷却器40包括设置在气缸46内的两个活塞42和44。该气缸46充满了工作气体，通常为是数倍个(例如20个)大气压的空气、氦气或氢气。活塞42连接到永久磁体45上，该永久磁体靠近固定在外壳上的电磁体48。当电磁体48被激励时，它的磁场与永久磁铁45的磁场相互作用以使活塞42线性运动(在图中为左右方向)。因此，永久磁体45和电磁体48形成了动磁式线性马达。图4中示出的磁体的特殊尺寸和形状仅仅用于说明而不用于限制本发明的范围。本领域的技术人员也会认识到电磁体和永久磁体的位置可以颠倒，例如，电磁体可以固定到活塞上并且永久磁体可固定在外壳上(未示出)。
电磁体48和永久磁体45可以由任何适合的材料制成。电磁体的线圈和铁芯片最好选择耐高温(例如达到260℃)的材料。在一些实施例中，线性马达的永久磁体由钐-钴合金(Sm-Co)制成以提供高温下的良好性能。电磁体工作所需要的电流可以从地面，从井下工具中的常规电池，从井下发电机提供，或者通过本领域熟知的任何其它方式来提供。
活塞42的运动使气缸46的气体体积变化。在运动式斯特林发电机中，活塞44可以象一个置换器一样在气缸46内运动。活塞44的运动是由活塞44两侧的压差产生的。该压差是由活塞42的运动引起的。活塞44在气缸46内的运动将工作气体从活塞44的左端移动至活塞44的右端，反之亦然。气体的运动伴随压缩和减压的过程，从而导致从对象47到热量排散装置43之间的热量传递。因此，对象47的温度降低。在某些实施例中，斯特林冷却器40可以包括一个弹簧块41以帮助减少由磁体马达和活塞运动导致的冷却器的振动。
尽管图4示出了具有利用电流为斯特林冷却器提供能量的磁体马达的斯特林冷却器，但是本领域的技术人员将会认识到，也可以使用其它的能量源(或激励机构)。例如，斯特林冷却器的工作(例如图4中活塞42的前后运动)可以通过机械装置来实现，例如与阀系统和/或弹簧(未示出)连接的利用泥浆流中的能量的液压动力系统。泥浆流的液压可以用来在一个方向上推动活塞，而弹簧用来在另一个方向上移动活塞。常规的阀系统用来以一种间歇的方式控制流向斯特林活塞的泥浆。因此，液压系统、弹簧、和阀系统的协调运动导致了活塞42向前和向后的运动。
气体移动到活塞44的左边和右边，伴随着借助活塞42实现在气缸46中气体的压缩和减压，从而形成一个斯特林循环中的四个阶段。图5在压力-体积曲线图中描述了这四个阶段和这些阶段间的过渡。图6解释了这四个阶段和在斯特林循环中活塞42和44的运动方向。
在过程a中(从状态1至状态2)，在图6中活塞44从左边移动到右边，而活塞42保持静止。因此，气缸46的容积(见图4)没有改变。气缸内的工作气体被从活塞44的一侧扫至另一侧。
在第二个过程b中(从状态2至状态3)，活塞42移动到右侧，气缸的容积增加(见图4中46)。磁体马达驱动活塞42运动。由于气缸增加了体积，气体膨胀并吸收热量。
在过程c中(从状态3至状态4)，活塞44移动到左边，迫使工作气体移动到它的右边。气体的体积保持不变。
在过程d中(从状态4返回到状态1)，通过磁体马达驱动，活塞42移动到左边。这个过程压缩工作气体。该压缩导致从工作气体的热量释放。该释放的热量从热量排散装置43排散进入散热器(heat sink)或环境中(例如，钻井泥浆)。这就完成了斯特林循环。最终结果是能量从装置的一端转移到另一端。因此，如果斯特林装置与被冷却的对象(图4中的47)热接触(直接接触或通过传递机构接触)时，热量可以从对象排出。因此，对象的温度降低或对象产生的热量可以被排出。
图7示出了依据本发明的另一个实施例的利用斯特林冷却器用于热量转移的一个系统的简图。如图所示，斯特林冷却器22连接于绝缘壳或腔24。该腔24构造成具有形成于此的内腔26，该内腔适于在容纳在其中的部件23之上提供气体流动路径。内腔26可以使用本领域熟知的常规材料形成。风扇27设置在腔24内以使环绕在被冷却的部件23周围的空气进行循环，因此将部件23排散的热量主动传递至斯特林冷却器22的冷端。风扇27可以通过供应给斯特林冷却器的电源或通过本领域熟知的独立电力网(例如独立的电池)来供电。该特殊实施例进一步提供一个设置在腔24的一个末端的热交换器28，以增加穿过冷却器/腔界面的冷却效率，并且冷却循环空气。热交换器28可以是常规的热交换器或本领域熟知的其它适合的装置。其它实施例可以实现多个风扇27以增加冷却气流。
图8示出了依据本发明的一个实施例的使用斯特林冷却器用于热量排出的另一个系统的简图。如图所示，斯特林冷却器22连接于绝缘壳或腔24。该腔24构造成具有一个设置于其中的内部冷却液系统29。该冷却液系统29适于具有一个流动回路，该流动回路允许流体在一个闭环内从被容纳的部件23流动到连接于斯特林冷却器22冷端的热交换器28。该冷却液系统29可以由本领域熟知的常规材料构造成(例如通过复式管)。热交换器28可以是常规的散热器或本领域熟知的其它合适的装置。可以是水或任何适合的替代物的冷却液流体在流动回路内借助泵30进行循环，该泵连接于流线上并且通过斯特林冷却器22的电力网或使用独立动力装置来提供能量。
图8中的斯特林冷却器系统具有居中设置在腔24内的的冷却液系统29，以便被冷却部件23围绕在冷却液系统周围。本领域的技术人员将会认识到，本发明的其它实施例可以实现具有取决于空间约束的不同结构和长度的冷却液系统29。例如，本发明的实施例可以实现具有配置在其中或形成绝缘腔的壁(未示出)的冷却液系统。在这样的实施例中，冷却液系统将不会居中设置在腔24内。当流体在腔中收集该部件23排散的热量并且通过热交换器28将热量转移到斯特林冷却器22的冷端时，包含冷却液系统29的实施例使得冷却效率增大。此外，冷却液和隔热的冷却管路(如果在某些实施例需要的话)的使用使得在斯特林冷却器和被冷却的部件之间具有更大的空间间隔。
虽然上面的描述使用一个自由活塞式斯特林冷却器来说明本发明的实施例，但是本领域的技术人员将会认识到也可以使用其它类型的斯特林冷却器，包括基于运动学机理的如双活塞式斯特林冷却器和活塞-置换器斯特林冷却器。
依据本发明的实施例，斯特林冷却器用于冷却电子装置、电源、传感器或其它需要在恶劣的井下环境中工作的热敏部件。在这些实施例中，被冷却的部件设置在绝缘腔(例如杜瓦瓶)中并且斯特林冷却器的冷端与所述腔的一端相连(直接连接或通过热传递机构连接)。已经发现，相当大的一部分热量(例如150W)可以通过本发明实施例的冷却器来排出。因此，对于被容纳的部件来说，即使当井眼内的温度可以达到175℃时，保持低于125℃的环境温度也是可能的。模型研究同样显示本发明实施例中的斯特林冷却器能够以达到400W的热量排出率。
本发明的一些方面涉及制造具有依据本发明的实施例的冷却系统的井下工具的方法。图2说明了包含本发明的斯特林冷却器实施例的井下工具的一部分的简图。本领域的技术人员将会认识到本发明的实施例并不限制于井下工具的任何特殊形式。因此，本发明可以实现具有适合于地下布置的任何的工具和仪器，包括测井电缆的工具，LWD/MWD/LWT工具，挠性油管工具，套管钻井工具，和具有用于油藏监测的长期/永久地设置的管子。
图9示出了制造依据本发明的一个实施例的井下工具的过程。如图所示，过程70包括在井下工具中设置一个绝缘腔(步骤72)。该绝缘腔可以是杜瓦瓶或由适合于井下使用的材料制成的腔。在某些实施例中，该绝缘腔可以通过在绝缘工具体上剪切形成(未示出)。然后，需要在相对低温下工作的电子装置放入绝缘腔中(步骤74)。可选择地是，在绝缘腔放入井下工具内之前，电子装置、电源、或传感器也可以放入绝缘腔中。接着，斯特林冷却器设置在井下工具内(步骤76)。应该注意的是，斯特林冷却器和绝缘腔放入的相对次序并不重要，也就是说，斯特林冷却器可以在绝缘腔之前放置于工具内。优选的是，斯特林冷却器靠近绝缘腔设置。然而，如果空间限制不允许斯特林冷却器靠近绝缘腔设置时，斯特林冷却器可以距绝缘腔一定距离设置并且在它们之间插入一个热传递机构以便使得热量从该腔传递到斯特林冷却器。
图10示出了依据本发明的实施例的用于冷却设置在井下工具内的传感器或电子装置的过程。过程100包括在井下工具内靠近传感器或电子装置设置斯特林冷却器(步骤105)；并且向冷却器提供能量以便将热量从传感器或电子装置排出。
本发明的优点包括用于井下工具的改进的冷却/制冷技术。依据本发明的实施例的冷却系统可以使井下部件保持在明显低的温度下，使这些部件能够提供更好的性能和更长的服务寿命。依据本发明的实施例的冷却系统具有闭环系统，具有极小的运动机件，确保平滑和安静操作，同时在限制仪器震动和振动方面也具有较大的优点。