В изобретении описаны устройство и способ защиты термочувствительных компонентов от экстремальных температур в углеводородсодержащей скважине. Устройство включает внутренний корпус, окруженный внешним корпусом с образованием между ними полости, в которой создают вакуум. Термочувствительный компонент размещен во внутреннем корпусе. На внешнюю поверхность внутреннего корпуса нанесена аэрогельная композиция, обеспечивающая дополнительную изоляцию для защиты термочувствительного компонента. Аэрогельная композиция может быть нанесена и на внутреннюю поверхность внешнего корпуса. Кроме того, поверх аэрогельной композиции внутреннего корпуса может быть размещена отражающая фольга.

[0001] Изолирующий сосуд, содержащий

[0002] Изолирующий сосуд по п.1, в котором изолирующий слой имеет коэффициент теплопередачи от 0,0005 до 0,0500 Вт/м °К.

[0003] Изолирующий сосуд по п.1, в котором внутренняя и внешняя полости заполнены воздухом.

[0004] Изолирующий сосуд по п.1, в котором изолирующий слой размещен на внешнем корпусе.

[0005] Изолирующий сосуд по п.1, в котором изолирующий слой размещен на внутреннем корпусе.

[0006] Изолирующий сосуд по п.1, в котором внутренний корпус выполнен с возможностью размещения в нем скважинного инструмента.

[0007] Способ изолирования используемого внутри скважины компонента от воздействия температуры в скважине, при осуществлении которого

[0008] Способ по п.7, в котором изолирующая композиция имеет коэффициент теплопередачи около 0,0016 Вт/м °К.

[0009] Способ по п.7, в котором изолирующая композиция размещена на внешней поверхности внутреннего корпуса.

[0010] Способ по п.7, в котором размещают дополнительный слой отражающего материала на изолирующей композиции.

[0011] Изолирующий сосуд, содержащий

[0012] Изолирующий сосуд по п.11, содержащий дополнительный опорный элемент, прикрепленный одной стороной к отражающему слою, а другой стороной - к внешнему корпусу, и дополнительный опорный элемент, прикрепленный одной стороной к отражающему слою, а другой стороной - к внутреннему корпусу.

[0013] Изолирующий сосуд по п.11, в котором опора имеет кольцевую конструкцию, коаксиально охватывающую часть внутреннего корпуса.

Область техники

Настоящее изобретение относится к области исследований и добычи углеводородов из подземных месторождений. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству и способу защиты термочувствительных компонентов при их использовании в углеводородсодержащей скважине.

Уровень техники

Для добычи углеводородов, таких как нефть и газ, бурят скважины сквозь расположенный на глубине пласт. Такие скважины бурят посредством бурового долота, размещенного на конце ряда секций буровых труб, формирующих так называемую бурильную колонну. Бурильная колонна проходит от поверхности до дна скважины. При вращении буровое долото входит в землю, образуя буровую скважину. Для смазки бурового долота и отвода от него бурового шлама во внутренний канал бурильной колонны и через буровое долото наружу подается под давлением так называемый буровой раствор. Буровой раствор далее выводится на поверхность через кольцевой канал, сформированный между внешней поверхностью бурильной колонны и поверхностью ствола скважины.

Дальний или нижний конец бурильной колонны, включающий буровое долото, обычно называют забойной (скважинной) компоновкой. В дополнение к буровому долоту забойная компоновка часто включает специальные модули или инструменты внутри бурильной колонны, которые входят в электрическую систему бурильной колонны. Такие модули часто включают модули датчиков, модуль управления и излучательный модуль. Во многих случаях модули датчиков обеспечивают оператора бурильной колонны информацией, относящейся к формации (пласту), через которую проходит бурение, используя технику измерений в процессе бурения (MWD - от английского "measurement while drilling") или каротажа в процессе бурения (LWD - от английского "logging while drilling").

Конструкция одного из таких устройств описана в US 5816311 (Turner). Посредством сравнения переданных и полученных сигналов может быть определена информация относительно природы пласта, через который проходит сигнал, и содержит ли он воду или углеводороды. Один из методов определения и оценки характеристик пласта, прилегающего к скважине, раскрыт в US 5144245 (Wisler). Другие датчики используются для получения изображений с помощью магнитного резонанса, как это раскрыто в US 5280243 (Miler). Еще одни датчики включают гамма-сцинтилляторы, используемые для определения естественной радиоактивности пласта, и ядерные детекторы, используемые для определения пористости и плотности породы.

В других применениях модули датчиков используются для получения данных относительно направления бурения и могут быть использованы, например, для обеспечения направленного бурения. Датчики направления могут включать магнетометры для определения азимута и акселерометры для определения отклонения. Сигналы от модулей датчиков обычно получают и обрабатывают в модуле управления забойного инструмента.

Термочувствительные компоненты, используемые для внутрискважинных применений, не ограничиваются бурением, а могут также использоваться в тросовых инструментах. Как хорошо известно, тросовый инструмент включает перфораторы, каротажный инструмент, соединительный инструмент, испытатели пластов, сейсмические излучатели и др.

Конечно, такие электрические системы включают множество сложных электронных компонентов, таких как непосредственно датчики, которые часто содержат печатные микросхемы. Дополнительные компоненты для хранения и обработки данных в модуле управления также могут содержать печатные микросхемы. К сожалению, многие из этих электронных компонентов выделяют тепло, что может привести к повреждениям. В дополнение к этому тепловая энергия выделяется из подземных формаций, окружающих скважину. Например, компоненты обычной MWD-системы или тросовой системы, в частности магнетометры, акселерометры, соленоиды, микропроцессоры, источники питания и гамма-сцинтилляторы, могут генерировать свыше 20 Вт тепловой энергии. Кроме того, даже если сами электронные компоненты не выделяют тепла, температура формации обычно превышает допустимую для компонентов температуру.

Перегрев приводит к отказу или уменьшению срока службы электронного компонента, подверженного термальному воздействию. Например, трубки фотоумножителя, кототорые используются в гамма-сцинтилляторе или ядерных детекторах для преобразования световой энергии из сцинтиллирующего кристалла в электроток, не могут работать при температуре свыше 175 °С. Соответственно, важное значение имеет охлаждение электронных компонентов. К сожалению, обеспечить охлаждение бывает затруднительно ввиду температуры окружающей глубокую скважину формации, особенно, для геотермальных скважин, где температура относительно высока и может достигать более 200 °С.

Был предложен ряд методов для защиты таких электронных компонентов во время исследований и добычи углеводородов из скважины. Один из таких методов изоляции электронных компонентов от подземной формации посредством заключения их в сосуд Дьюара с вакуумной изоляцией представлен в US 4375157 (Boesen). Это устройство включает термоэлектрические охладители, получающие энергию с поверхности. Термоэлектрические охладители передают тепло от области электроники внутри сосуда Дьюара к скважинному флюиду посредством теплопередающей трубы с паровой фазой.

Такое решение не подходит для внутрискважинного использования из-за размеров такой системы, делающих затруднительным ее размещение в забойной компоновке.

Другое решение, представленное в патенте US на имя Owens, включает размещение термоэлектрических охладителей с примыканием к электронным компонентам и датчикам, расположенным в углублении во внешней поверхности инструмента скважинного каротажа. Такое решение, однако, не гарантирует ни необходимого контакта с компонентом для обеспечения эффективной теплопередачи, ни защиты электронных компонентов от тряски и вибраций, имеющих место при бурении.

Таким образом, одна из главных проблем конструкций инструментов скважинного каротажа - это преодоление экстремальных температур скважинной среды. Соответственно, существует необходимость защиты компонентов и электроники скважинного инструмента во время их использования с поддержанием температуры компонентов в пределах безопасного функционирования электроники. Предпринимались различные попытки для решения этой проблемы и поддержания температуры ниже указанного предела температуры, но ни один из известных методов не может быть признан удовлетворительным.

Забойный инструмент подвергается огромному термическому напряжению. Корпус скважинного инструмента находится в прямом тепловом контакте с скважинными флюидами и тепло от них проводится внутрь него. Передача тепла внутрь корпуса повышает температуру внутри камеры электроники. Таким образом, имеет место огромная тепловая нагрузка на электронную систему скважинного инструмента, что может привести к ее выходу из строя. В этом случае скважинные операции должны быть прерваны и инструмент извлечен из скважины для ремонта. Принимались попытки реализации различных методов уменьшения тепловой нагрузки на все компоненты, включая электронику и датчики внутри забойного инструмента. Для уменьшение тепловой нагрузки конструкторы старались окружить электронику теплоизоляцией или разместить ее в вакуумном резервуаре. Такие попытки уменьшения тепловой нагрузки хотя и имели частичный успех, но не полностью решали проблему, поскольку тепло могло проводиться снаружи камеры электроники внутрь резервуара по проводам, присоединяющим электронные компоненты. Кроме того, тепло, выделяемое самой электроникой, удерживалось внутри и также повышало общую температуру.

Обычно изолированные резервуары электроники использовали материалы, имеющие низкую теплопроводность, для изолирования электроники и задерживания передачи тепла из скважины внутрь забойного инструмента и камеру электроники. Конструкторы размещали изоляцию вокруг электроники для препятствования увеличению температуры из-за передачи тепла в резервуар. Их задачей было держать температуру внутри камеры электроники ниже критической, при которой она выходит из строя. При этом необходимо также поддерживать такую температуру в течение всего спуска-подъёма каротажного прибора, что может занимать при тросовых операциях 12 ч.

Сосуды для размещения электроники, к сожалению, требуют столько же времени для охлаждения, сколько они подвергались нагреванию. Соответственно, как только температура внутри сосуда достигает критического значения для электроники, требуется много часов охлаждения до того, как сосуд может быть безопасно использован снова. Таким образом, требуется обеспечить электронику и(или) компоненты охлаждающей системой, которая будет постоянно отводить тепло от сосуда или электроники/датчиков без необходимости в очень длительном цикле охлаждения, который задерживает все операции в целом. Как указывалось выше, предлагалось охлаждение электроники посредством термоэлектрической или компрессорной охлаждающей системы, однако не было обеспечено приемлемого решения.

Термоэлектрические охладители требуют также большое количество внешней энергии для обеспечения небольшой охлаждающей способности. Причем если и способны работать внутри скважинных условиях, то только немногие термоэлектрические охладители. Кроме того, как только система с термоэлектрическими охладителями выключается, она становится проводником тепла, который способен быстро передавать тепло обратно в камеру электроники из более горячих зон размещенного в скважине инструмента. Компрессорные охлаждающие системы также требуют значительных затрат энергии при ограниченной охлаждающей способности, которую они могут обеспечить. Также большинство компрессорных уплотнений не могут работать при высоких скважинных температурах, поскольку они склонны разрушаться под действие высоких напряжений.

Таким образом имеется потребность в защите скважинных (размещаемых в скважине) компонентов от чрезмерного нагрева в скважинных условиях.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагается скважинный сосуд (контейнер), содержащий внешний корпус, внутренний корпус, размещенный внутри внешнего корпуса с образованием полости между этими корпусами, и изолирующий слой, размещенный на внешней поверхности внутреннего корпуса и содержащий аэрогельную композицию.

Аэрогельная композиция может иметь коэффициент теплопередачи от 0,0005 до 0,0500 Вт/м °К и может быть размещена в по существу воздушной атмосфере и иметь коэффициент теплопередачи около 0,016 Вт/м °К. Она может быть также размещена по существу в вакууме и иметь коэффициент теплопередачи около 0,004 Вт/м °К.

Скважинный сосуд может также содержать изолирующий слой, размещенный на внутренней поверхности внешнего корпуса и содержащий материал, имеющий низкую теплопроводность. При желании изолирующий также слой может содержать аэрогельную композицию и иметь коэффициент теплопередачи от 0,0005 до 0,0500 Вт/м °К.

Скважинный сосуд может также содержать отражающий слой, размещенный на изолирующем слое и вакуум внутри указанной полости. Внутренний корпус сосуда приспособлен для размещения скважинного инструмента.

В изобретении также предлагается способ изолирования скважинного (используемого внутри скважины) компонента измерительного прибора от воздействия агрессивных условий скважины, при осуществлении которого используют удлиненный корпус, имеющий открытый и закрытый концы, и вводят указанный компонент в открытый конец, закрепляют компонент внутри этого корпуса, покрывают внешнюю поверхность корпуса изоляцией, содержащей аэрогельную композицию, окружают указанный корпус внешним корпусом с образованием герметизированной полости между внешней поверхностью удлиненного (внутреннего) корпуса и внутренней поверхностью внешнего корпуса и создают вакуум в этой полости.

При желании может быть нанесена изоляция и на внутреннюю поверхность внешнего корпуса, также содержащая аэрогельную композицию, а на аэрогельную композицию может быть добавлен слой отражающего материала.

В другом исполнении скважинный сосуд содержит внешний корпус, внутренний корпус, размещенный внутри внешнего корпуса, отражающую фольгу между внутренним и внешним корпусами и опору, прикрепленную к отражающей фольге. Опора может включать изолирующий материал, который может представлять собой аэрогельную композицию.

Опора может быть прикреплена одной стороной к отражающей фольге, а другой стороной - к внешнему корпусу, и может быть прикреплена одной стороной к отражающей фольге, а другой стороной - к внутреннему корпусу. Может быть предусмотрен дополнительный опорный элемент, прикрепленный одной стороной к отражающей фольге, а другой стороной - к внешнему корпусу, и дополнительный опорный элемент, прикрепленный одной стороной к отражающей фольге, а другой стороной - к внутреннему корпусу. Опора может иметь кольцевую конструкцию, коаксиально охватывающую часть внутреннего корпуса.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано со ссылкой на приложенные фигуры, на которых показано

на фиг. 1 - частичный разрез варианта выполнения скважинного сосуда;

на фиг. 2 - частичный разрез, иллюстрирующий частный вариант выполнения скважинного сосуда;

на фиг. 3 - частичный разрез, иллюстрирующий другой частный вариант выполнения скважинного сосуда;

на фиг. 4 - поперечный разрез части скважинного сосуда согласно варианту выполнения;

на фиг. 5 - поперечный разрез части скважинного сосуда согласно другому варианту выполнения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение касается устройства и способа для защиты компонентов, используемых внутри скважины при осуществлении исследований и добычи углеводородов из скважины и прилагающих к ней формаций. Более конкретно, представлены усовершенствованные устройство и способ для защиты этих скважинных компонентов от воздействия высоких температур внутри таких скважин.

На фиг. 1 представлен один из частных вариантов конструкции сосуда 10. Данный сосуд 10 имеет внешний корпус 12, окружающий внутренний корпус 14 с формированием полости 18 между этими корпусами. В предпочтительном варианте полость разряжена с созданием внутри нее вакуума. Как показано, компонент 20 закреплен внутри внутреннего корпуса. Компонент 20 может представлять собой прибор, содержащий электрические или аналоговые элементы. Компонент 20 может использоваться в какой-либо из скважинных операций по исследованию и добычи.

Внешний корпус 12 имеет в основном форму цилиндра, внешний размер и конфигурация которого позволяют его вводить и перемещать в интересующей скважине. Внешний корпус 12 выполнен по существу полым и имеет внешнюю стенку 11, проходящую вдоль его длины и ограниченную на одном конце закрытым концом 13, а на другом конце - отогнутой кромкой 15. Закрытый конец 13 имеет дискообразную форму с внешней периферийной поверхностью, соответствующей контуру конца внешней стенки 11. Закрытый конец 13 может быть сформирован за одно целое с внешней стенкой 11, например, холодной прокаткой, или может быть прикреплен крепежными средствами, такими как сварка и т.п. Кромка 15 проходит в направлении внутрь внешнего корпуса 12 вдоль только части его радиуса, так что на виде вдоль оси получается кольцеобразный профиль. Кромка 15 также может быть сформирована за одно целое с внешним корпусом 12 или прикреплена к нему крепежными средствами.

Как описано более подробно ниже, между внешним корпусом 12 и внутренним корпусом 14 создан вакуум, при этом единая конструкция внешней стенки 11 противостоит перепаду давления несколько тысяч фунтов на квадратный дюйм, который может иметь место внутри скважины. Перспективным материалом для внешнего корпуса 12 является углеродистая сталь, нержавеющая сталь, высокопрочные сплавы и другие материалы, используемые для условий высоких давлений. Как вариант, весь сосуд 10 может быть помещен внутри герметичного корпуса. Создание подходящей конструкции внешней стенки 11 находится в пределах компетенции специалистов в данной области техники.

Внутренний корпус 14 предпочтительно имеет также цилиндрическую форму и коаксиально расположен внутри полого пространства внешнего корпуса 12. Как показано на фиг. 1, закрытый конец 21 внутреннего корпуса 14 имеет в сечении полукруглую форму, но может иметь и любую другую форму. Внутренний корпус 14 присоединен своим открытым концом 17 к дискообразной кромке 15, которая отходит перпендикулярно от внешней стенки 11 внешнего корпуса 12. Место стыка внутреннего корпуса 14 и внешнего корпуса 12 обеспечивает герметичное уплотнение с этой стороны соответствующих корпусов, а закрытый конец 13 обеспечивает герметичное уплотнение на другом конце.

Основная функция полости 18 заключается в обеспечении термически непроводимого экрана вокруг внутреннего корпуса 14 для минимизирования передачи тепла компоненту 20, заключенному во внутреннем корпусе 14. Как известно, тепловая энергия не проводится через вакуум. Таким образом, окружение компонента 20 вакуумным пространством может практически исключить передачу тепла к компоненту 20. Как только сосуд 10 собран, из полости 18 откачивают все оставшиеся газы, такие как воздух или другие флюиды. Откачка полости 18 может осуществляться через герметичный клапан (не показан), который проходит через внешний корпус 12 в полость 18. Комбинация кромки 15 на одном конце внешнего корпуса 12 и закрытого конца 13 на другом конце обеспечивает герметизацию полости 18 от прохождения потока флюида протечки в или из полости 18.

Сосуд 10 далее снабжен крышкой 16, которая закрывает открытый конец 17 внутреннего корпуса 14 и защищает внутренность от агрессивных скважинных условий. От основной части крышки 16 отходит внутрь открытого конца 17 цилиндрическая втулка 19, внешняя поверхность которой плотно подогнана к внутренней поверхности внутреннего корпуса 14. Втулка 19 способствует стыковке крышки 16 с концом сосуда 10 и также обеспечивает дополнительную уплотняющую поверхность для предотвращения попадания скважинных флюидов во внутренний корпус 14.

Как показано, внешняя поверхность внутреннего корпуса 14 покрыта слоем изоляции 22. Эта изоляция 22 дополнительно к вакууму в полости 18 обеспечивает минимизацию воздействия тепловой энергии из скважины на компонент 20. При желании, изоляция может содержать аэрогельную композицию, такую как поставляемую компанией NanoPore Incorporated, 2501 Alamo Ave.Se, Albuquerque, NM 87106. Такая композиция представляет собой пористый твёрдый материал, имеющий низкую плотность и очень маленькие поры. Она может включать смесь диоксида кремния, диоксида титана и(или) углерод в трехмерной разветвленной ячеистой структуре частиц, которые объединяются в большие частицы. Благодаря такой уникальной пористой структуре аэрогельной композиции в предлагаемом устройстве обеспечивается термоизоляция с коэффициентом теплопередачи от 0,0005 до 0,0500 Вт/м °К. Более точно, аэрогельная композиция имеет коэффициент теплопередачи около 0,016 Вт/м °К в воздухе и около 0,004 Вт/м °К в вакууме. Использование аэрогельной композиции эффективно ограничивает радиационную передачу тепла через ее поверхность. Предпочтительное значение коэффициента теплопередачи составляет около 0,0016 Вт/м °К. Для применения в настоящем изобретении толщина аэрогеля может составлять от около 0,1 до 0,25 дюймов.

На фиг. 2 представлен альтернативный вариант конструкции, где конфигурация сосуда 10 по существу аналогична фиг. 1, но имеется дополнительный слой изоляции 22 на внутренней поверхности внешнего корпуса 12, которая также предпочтительно содержит аэрогель, описанный выше в отношении внутреннего корпуса 14.

На фиг. 3 представлен другой вариант конструкции сосуда 10, где имеется дополнительный слой отражающей фольги 24 поверх изоляции 22 внутреннего корпуса 14. Отражающая фольга 24 может включать один или несколько слоев золотой фольги, медной фольги, алюминиевой фольги, алюминированного полиэфира или другие материалы, обладающий "зеркальной" внешней отражающей поверхностью. Отражающая фольга 24 обеспечивает экран, способный отражать энергию излучения, показанную линиями 26, которая может проходить через внешний корпус 12 от его наружной поверхности. Такая отражающая фольга 24 желательно должна иметь высокие отражающие характеристики для уменьшения радиационного теплообмена между внешним и внутренним корпусами 12, 14.

На фиг. 4 представлен еще один вариант конструкции сосуда 10, где показана в сечении его часть. Сосуд 10 включает внутренний корпус 14, размещенный внутри внешнего корпуса 12 с отражающей фольгой 24 между ними. Поскольку отражающая фольга 24 обычно тонкая, требуется ее конструкционная поддержка для избегания ее деформации (прогибания). В представленном на фиг. 4 варианте имеются опоры 28, прикрепленные к внутренней поверхности 27 фольги и внешней поверхности 23 внутреннего корпуса, крепящие таким образом отражающую фольгу 24 к внутреннему корпусу 14. Опоры 28 распределены вдоль длины фольги 24 в зависимости от ее прочности. Специалисту будет понятно, как определить дистанцию между опорами 28 для обеспечения структурной целостности фольги 24. Внутренняя полость 34 сформирована между отражающей фольгой 24 и внутренним корпусом 14, а между фольгой 24 и внешним корпусом 12 сформирована внешняя полость 32.

В варианте, показанном на фиг. 5, также имеются опоры 28, но они размещены между внешней поверхностью отражающей фольги 24 и внутренней поверхностью внешнего корпуса 12. В дополнительном варианте имеются опоры 28 и между внутренним корпусом 14 и фольгой 24, и между внешним корпусом 12 и фольгой 24.

Опоры 28 могут иметь форму отдельных прямоугольных блоков, размещенных в полостях (внешней полости 32 или внутренней полости 34), или кольцеобразных элементов, коаксиально охватывающих по внешнему диаметру внутренний корпус 14 или приклеенных к внутренней поверхности внешнего корпуса 12.

При желании, в представленных на фиг. 4 и 5 вариантах поверхности фольги 24, внутреннего корпуса 14 и внешнего корпуса 12 могут быть подвергнуты финишной обработке для минимизации теплопередачи через эти поверхности. Например, внутренняя поверхность 30 внешнего корпуса 12 и внутренняя поверхность 27 фольги могут быть "черным телом", не отражающим, а по существу поглощающим все излучение или тепловую энергию, воздействующую на них. Как внешняя поверхность 23 корпуса, так и внешняя поверхность 25 фольги могут быть "белым телом", отражающим по существу всю тепловую энергию и(или) излучение, не абсорбируя энергию. Эти поверхности могут быть подвергнуты конечной обработке полировкой или до зеркального вида.

Таким образом, в настоящем изобретении решаются поставленные задачи и достигаются описанные выше результаты. Описанные варианты выполнения приведены только в качестве примеров, но в них могут быть внесены различные изменения и дополнения. Например, изоляция 22 может содержать другие материалы, такие как композиции нанопористых покрытий, нанопористые кремневые пленки, полистирол или сорбционный охладитель. Опоры 28 могут дополнительно включать любые из упомянутых изоляционных материалов или их комбинации. Они могут также включать другие материалы, способные обеспечивать опорные функции, и эти материалы могут быть объединены с упомянутыми изоляционными материалами (или их комбинациями). Подобные или другие модификации могут быть предложены специалистами и охватываются объемом притязаний настоящего изобретения, определяемым прилагаемой формулой изобретения.