ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТОВ С ВЫРОВНЕННЫМИ С НАНОТРУБКАМИ ДЛЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В СКВАЖИНАХ
USE OF COMPOSITES WITH ADJUSTED NANOTUBES FOR HEAT TRANSMISSION IN WELLS

Предпосылки создания изобретения
Область техники
В целом, изобретение относится к области передачи тепла от тепловыделяющих элементов в скважине.
Уровень техники
Добыча нефти и газа производится из подземных геологических формаций посредством нефтяных скважин или стволов скважин, пробуриваемых сквозь один или более нефтеносных пластов. В процессе бурения скважины и перед вскрытием пласта для получения информации о различных параметрах пород, окружающих скважину, используются различные инструменты. Обычно эти инструменты включают различные датчики, электрические и электронные компоненты, и иные устройства, которые в процессе работы могут выделять тепло. Температуры в скважине могут изменяться от температуры окружающей среды до температуры, превышающей 500°F (примерно 260°C), а давления могут составлять от атмосферного давления до более 20000 фунт/кв. дюйм (примерно 137,8 МПа). Такие температуры и давления могут негативно влиять на используемые в скважине приборы. Сильный нагрев может быть особенно нежелателен для инструмента, включающего электронные компоненты. В некоторых случаях, чрезмерный нагрев может приводить к замедлению работы электронных компонентов или даже к их отказу. Поэтому, желательно поддерживать некоторые компоненты скважинного оборудования при требуемых температурах или отводить тепло от таких компонентов.
Ниже раскрываются способ отвода тепла от некоторых компонентов скважинного инструмента и соответствующее устройство.
Раскрытие изобретения
Согласно одной особенности настоящего изобретения предлагается устройство, содержащее анизотропный нанокомпозиционный элемент, имеющий тепловую связь с тепловыделяющим элементом для отведения тепла от тепловыделяющего элемента вдоль заданного направления.
Согласно другой особенности настоящего изобретения предлагается способ передачи тепла от тепловыделяющего элемента, включающий передачу тепла от тепловыделяющего элемента к анизотропному нанокомпозиционному элементу, конфигурация которого обеспечивает передачу тепла вдоль заданного направления, и передачу тепла, полученного анизотропным нанокомпозиционным элементом, к теплопоглощающему элементу.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предлагается инструмент для использования в скважине, включающий корпус инструмента, содержащий внутри тепловыделяющий элемент, теплопроводное устройство, включающее по меньшей мере один анизотропный нанокомпозиционный элемент, соединенный с тепловыделяющим элементом для отведения тепла от тепловыделяющего элемента вдоль заданного направления, и
теплопоглощающий элемент, соединенный с теплопроводным устройством для поглощения тепла, поступающего от анизотропного нанокомпозиционного элемента.
Дополнительные признаки вариантов осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания раскрытия настоящего изобретения приводятся ссылки на приложенные чертежи, на которых одинаковые обозначения относятся к одинаковым элементам, и на которых:
на фиг.1 показана нефтяная скважина с подвешенным на канате скважинным инструментом;
на фиг.2 схематически представлен первый вариант осуществления, включающий тепловыделяющий элемент, теплопоглощающий элемент и нанокомпозиционный элемент;
на фиг.3 схематически представлен второй вариант осуществления, дополнительно включающий активное теплопередающее устройство, источник питания и контроллер;
на фиг.4 приведено схематическое представление части скважинного инструмента, иллюстрирующее вариант осуществления, в котором тепло от тепловыделяющего элемента передается к теплопоглощающему элементу посредством нанокомпозита; и
на фиг.5 приведено схематическое представление варианта осуществления, аналогичного показанному на фиг.4, за исключением того, что корпус инструмента или шасси выполняют роль теплопоглощающего элемента.
Осуществление изобретения
На фиг.1 приведена схематическая иллюстрация каротажного оборудования, показывающая скважинный инструмент 104, опущенный в скважину 102 на канате 101. Показано, что скважина проходит сквозь геологическую формацию 103. Инструмент 104 включает один или более датчиков 106 для оценки интересующих параметров скважины и(или) породы 103. Инструмент 104 включает узел 108 управления, который может включать процессор, запоминающую среду, программы и модели, которые используются процессором для управления работой инструмента 104 и для обработки данных и сигналов. Узел 108 управления обменивается данными с наземным узлом 110 управления, который может представлять собой компьютеризированную систему, направляющую команды в узел 108 управления, получающую данные от узла 108 управления и обрабатывающую полученные данные для оценки одного или более свойств скважины 102 и(или) породы 103. В альтернативном варианте, инструмент 104 может опускаться в скважину на тросе для работы в скважине или ином подходящем транспортирующем элементе. Инструмент 104 может представлять собой буровой инструмент, может быть одиночным инструментом или комбинацией устройств, опускаемых в скважину на соединенных друг с другом трубах или гибких насосно-компрессорных трубах. Кроме того, инструмент устанавливается любым необходимым образом. Инструмент 104 может включать любой инструмент для выполнения операций в скважине 102, включая прибор каротажа сопротивлений, инструмент для ядерного каротажа, инструмент для ядерно-магнитного каротажа, инструмент испытания пластов, акустический инструмент. Кроме того, инструмент может представлять собой комбинацию этих и других инструментов. Каждый из этих инструментов может включать самые разнообразные электронные компоненты, например, микропроцессоры и электрические компоненты, например двигатели, насосы, соленоиды, трансформаторы и др., которые вырабатывают тепло в процессе работы инструмента в скважине, температура в которой обычно повышена, и может в некоторых случаях превышать 200°C. Температура тепловыделяющих элементов в некоторых случаях может превышать на несколько градусов температуру в скважине. В качестве примера, со ссылкой на фиг.2-5, описаны некоторые системы отвода тепла и способы теплопередачи от таких тепловыделяющих элементов.
На фиг.2 схематически представлен вариант осуществления системы 200 для передачи тепла от тепловыделяющего элемента (ТВЭ) 202 к теплопоглощающему элементу 204. Тепловыделяющий элемент 202 может представлять собой любое устройство, компонент или их комбинацию, которые выделяют тепло в инструменте 104. Тепловыделяющий элемент 202 показан установленным на опорный элемент 201, который может быть как металлическим, так и не металлическим элементом. Тепловыделяющий элемент 202, согласно одной особенности, может быть присоединен к теплопередающему элементу или компоненту 203 для отвода тепла от тепловыделяющего элемента 202. В скважинном инструменте, например, инструменте, спускаемом на канате, и приборах измерения параметров в процессе бурения, некоторые электронные компоненты, например, микропроцессоры, датчики, двигатели и пр., могут выделять тепло, что приводит к повышению температуры этих компонентов на несколько градусов Цельсия (зачастую, от 5° до 10°) относительно температуры окружающей среды. Теплопередающий элемент 203 может представлять собой анизотропный нанокомпозиционный материал или элемент, в котором теплопроводящие наночастицы, например, углеродные нанотрубки, ориентированы в заданном направлении, или строго в заданном направлении (например, от тепловыделяющего элемента 202 к теплопоглощающему элементу 204). В данном раскрытии, термин ″анизотропный″ означает наличие свойств, различных для разных направлений измерения. Говоря другими словами, нанокомпозиционный элемент обладает направленной теплопроводностью. Например, когда анизотропный элемент имеет форму плоского или круглого ″кабеля″, тепло передается от одного конца кабеля в сторону другого конца кабеля, при этом относительно малое или минимальное количество тепла передается через боковые стороны или стенки кабеля. Для определенных анизотропных нанокомпозиционных элементов, теплопроводность вдоль одного направления может быть в несколько раз больше, чем теплопроводность в перпендикулярном направлении, благодаря чему образуется эффективный теплопровод. Если связующий материал анизотропного нанокомпозиционного элемента обладает гибкостью, может быть образован гибкий теплопровод, в котором значительная часть тепла движется внутри теплопровода, а не уходит сквозь его стенки. При этом тепло может направленно отводиться от места расположения тепловыделяющих элементов, температура которые может находиться вблизи предельных рабочих температур.
В конфигурации, показанной на фиг.2, тепло будет проходить от тепловыделяющего элемента 202 к теплопоглощающему элементу 204 по анизотропному нанокомпозиционному элементу. Могут быть использованы подходящие изолирующий материал или устройство 205, закрывающие тепловыделяющий элемент 202, для затруднения отвода тепла от тепловыделяющего элемента 202 к другим компонентам в инструменте 104, и (или) для того, чтобы направить тепло к теплопроводящему элементу 203. Для того чтобы закрыть и защитить анизотропный нанокомпозиционный материал 203, может быть использован защитный материал 207, например, в форме одного или более слоев любого подходящего материала.
Теплопоглощающий элемент 205 может представлять собой элемент из теплопоглощающей керамики, расположенный в инструменте или части инструмента 104, который находится при температуре более низкой, чем температура тепловыделяющего элемента при работе инструмента. В качестве теплоотвода 204 может быть использован окружающий инструмент металлический кожух, утяжеленная бурильная труба бурового снаряда, соприкасающегося с циркулирующим в скважине буровым раствором, сорбционный охладитель или криогенное устройство. У кожухов канатного инструмента и утяжеленных бурильных труб, на которых закрепляются приборы измерения параметров в процессе бурения, температура выравнивается с температурой скважинного флюида после пребывания в скважине. Однако, локальная температура электронных компонентов, двигателей, датчиков и др. внутри канатного инструмента или утяжеленных бурильных труб может быть выше на 5°C-10°C, и может иногда превышать рабочие температуры таких компонентов. Таким образом, в случае канатного инструмента, некоторые металлические части инструмента могут находиться при температуре более низкой, чем температура тепловыделяющего элемента. Аналогично, утяжеленные бурильные трубы бурового снаряда могут оставаться более холодными, чем тепловыделяющий элемент, поскольку температура бурового раствора, циркулирующего вокруг бурового снаряда, обычно ниже температуры тепловыделяющего элемента. Теплоотвод 204 может быть пассивным теплоотводом, например, утяжеленной бурильной трубой, соприкасающейся со скважинным флюидом, керамическим или аналогичным элементом, либо активным теплоотводом, например, криогенным устройством.
На фиг.3 приведена схематическая иллюстрация другого варианта осуществления системы 300 теплопередачи, в соответствии с настоящим раскрытием. Показанная система 300 включает пару тепловыделяющих элементов 202a и 202b, установленных на опорном элементе 201. Тепловыделяющие элементы 202a и 202b имеют тепловую связь с передачей тепла с теплопроводящим слоем 301, который может быть выполнен из нанокомпозиционного материала, содержащего ориентированные в одном направлении углеродные нанотрубки или иной подходящий теплопроводящий материал. Теплопроводящий слой 301 соединен с теплопередающим элементом 203, который уносит тепло от теплопроводящего слоя 301. Теплопередающий элемент 203 может быть также соединен с активным теплообменником (устройством теплопередачи) 309 для откачки или отвода тепла от теплопроводящего элемента 203 к теплопоглощающему элементу 204 посредством теплопроводящего элемента 310, который может представлять собой нанокомпозиционный материал или иной подходящий теплопроводящий материал, например, сплав. Теплообменник 309 может быть активным устройством, которое может отводить тепло от теплопроводящего элемента 203, включая термоэлектрический охладитель, устройство или узел теплопередачи с замкнутым контуром циркуляции, тепловой насос, включая тепловой насос, в котором может использоваться эффект Джоуля-Томсона или двигатель Стирлинга, а также и другие устройства. Как показано на фиг.3, для управления работой теплообменника 309 может использоваться датчик 302a температуры, соединенный с тепловыделяющим элементом 202a или 202b, либо тем и другим, для измерения температуры на тепловыделяющих элементах 202a или 202b, или вблизи них. Датчик 302b, соединенный с теплопоглощающим элементом 204, может быть использован для измерения температуры теплопоглощающего элемента 204. Источник 306 питания подает электроэнергию к теплообменнику 309 по линии 307 электропитания. В качестве источника 306 питания может использоваться любой подходящий источник, включая аккумулятор в инструменте 104, электрогенератор в инструменте 104, либо питание может подводиться по канату 101, идущему к инструменту 104. Контроллер 304, подключенный к источнику 306 питания линией 305 и приспособленный для приема сигналов или данных от датчика 302a по линии 303 и датчика 302b по линии 308, может использоваться для управления работой теплообменника 309. Линии 303, 305, 307 и 308 могут быть любыми линиями передачи данных или питания. Контроллер 304 может включать процессор, например, микропроцессор, запоминающую среду, например, твердотельную память, и программы, хранящиеся в запоминающем устройстве, содержащие команды для контроллера 304, относящиеся к работе системы теплопередачи, показанной на фиг.3.
Согласно одной особенности, контроллер 304 в процессе работы следит за температурами как тепловыделяющих элементов 202a и(или) 202bb, так и теплопоглощающего элемента 204. Когда температура тепловыделяющего элемента достигает заданной величины, контроллер 304 направляет команду к источнику питания на включение теплообменника. Контроллер 304, в соответствии с запрограммированными командами, поддерживает теплообменник 309 во включенном состоянии до тех пор, пока температура тепловыделяющего элемента не упадет ниже заданного значения температуры, либо пока температура теплопоглощающего элемента 204 не станет слишком высокой (заданное пороговое значение) для эффективной теплопередачи. При достижении любого из этих состояний, теплообменник может быть отключен для экономии энергии. Согласно другой особенности, контроллер 304 может непрерывно, или по существу непрерывно управлять питанием, подаваемым на теплообменник 309, для управления потоком тепла от тепловыделяющих элементов 202a и 202b к теплопоглощающему элементу 204, основываясь на температурах тепловыделяющих элементов 202a и 202b и теплопоглощающего элемента 204. Разница температур между тепловыделяющими элементами 202a и(или) 202b и теплопоглощающим элементом 204 может быть использована в качестве критерия для управления питанием, подаваемым на теплообменник 309.
Фиг.4, где схематически показана часть скважинного инструмента, иллюстрирует вариант осуществления системы 400 теплопередачи в соответствии с одной особенностью, в которой тепло от тепловыделяющего элемента 202 передается к теплопоглощающему элементу 204 посредством анизотропного нанокомпозиционного элемента 203, который, в свою очередь, передает тепло на кожух 401 инструмента 104. В данной конфигурации, теплопоглощающий элемент 204 может быть соединен или прикреплен к кожуху так, чтобы эффективно рассеивать тепло от теплопоглощающего элемента 204 на кожух 401 инструмента. Несмотря на то, что опорные элементы 402a и 402b показаны установленными на кожух 401 инструмента, опорные элементы могут быть помещены в любое другое подходящее место. Кроме того, нанокомпозиционный элемент 203 может быть жестким или нежестким (гибким или полужестким), непрямым (криволинейным или иной нелинейной формы) элементом.
На фиг.5 схематически представлен вариант осуществления системы 500 теплопередачи, аналогичный варианту осуществления, показанному на фиг.4, за исключением того, что кожух 401 инструмента выполняет функцию теплопоглощающего элемента. В такой конфигурации, теплопроводящий элемент 203 может быть непосредственно соединен с кожухом 401.
В описанных здесь системах и способах теплопередачи, анизотропный нанокомпозиционный элемент может включать материал-основу и ориентированные в одном направлении или строго в одном направлении теплопроводящие наноэлементы, например, нанотрубки. Выбор материала основы может определяться температурой оконечного устройства и конкретной технологией расплавления и отверждения материала основы. Примерами подходящих материалов основы могут служить полимеры, керамики, стекла металлы, сплавы и другие композиционные материалы. Материал основы может быть аморфным или кристаллическим. Материал основы может также включать одну или более добавок. Примерами могут служить связывающие вещества, поверхностно-активные вещества, смачивающие добавки для облегчения распределения и ориентирования нанотрубок в материале основы.
В некоторых вариантах осуществления, материал основы, используемый для изготовления нанокомпозиционного элемента, может быть полимером, то есть, он включает один или более олигомеров, полимеров, сополимеров или их смеси. В одном таком варианте осуществления, материал-основа может включать термопластичный полимер. В другом таком варианте осуществления, материал основы может включать термореактивный полимер, например, фенолформальдегидные смолы и мочевиноформальдегидные смолы. Примерами полимеров, пригодных для использования в раскрытых устройстве и способе, могут служить: полиолефин, полиэфиры, непептидные полиамины, полиамиды, поликарбонаты, полиалкены, поливинилэфиры, полигликолиды, эфиры целлюлозы, поливинилгалогениды, полиоксиалканаты, полиангидриды, полистиролы, полиакрилаты, полиметакрилаты, полиуретаны, полиэфиркетоны, полиэфирамиды, полиэфирэфиркетоны, полисульфоны, полимеры и сополимеры жидких кристаллов и их смеси. Согласно другой особенности, материал-основа может включать исходные вещества полимера или материалы, образующие поперечные связи. В настоящем раскрытии, термин ″исходное вещество полимера″ относится к мономерам и макромерам, которые могут быть подвергнуты полимеризации, а термин ″материал, образующий поперечные связи″ относится к материалам, которые могут образовывать поперечные связи внутри себя или с другим материалом при нагревании или добавлении катализатора или другого подходящего инициирующего агента. Согласно одной особенности, исходное вещество полимера может включать эпоксидную смолу или цианакрилат.
Наноэлементы могут включать любые подходящие теплопроводящие наноматериалы. Согласно одной особенности, наноэлементы могут представлять собой углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки могут быть с однослойными, со стенками, представляющими одноатомный слой графита например, графема), свернутый в бесшовный цилиндр. Подобные углеродные нанотрубки могут иметь диаметр примерно 1 нанометр (нм), причем длина трубки может существенно превышать диаметр, составляя, например от нескольких миллиметров до 1,5 см или более. Согласно другой особенности, могут быть использованы нанотрубки с многослойной стенкой. Нанотрубка с многослойной стенкой включает графитовый слой, свернутый в трубку, имеющую несколько слоев. Кроме того, нанотрубки, пригодные для использования в раскрытых устройстве и способе, могут быть созданы с использованием любых материалов, применяемых для передачи тепла. Например, нанотрубки могут быть созданы на основе нитрида бора или нитрида галлия.
Нанокомпозиционные материалы, которые могут быть использованы в устройствах и способах согласно раскрытию, обладают анизотропией в силу одинаковой ориентации нанотрубок. Для задач настоящего раскрытия, наноэлементы или трубки могут быть распределены и ориентированы (выровнены) или строго ориентированы любым известным способом создания таких материалов. Например, нанотрубки могут быть ориентированы магнитным элементом, после чего распределены в жидкости или материале-основе, обладающем высокой пластичностью. Затем материал-основа может быть подвергнут воздействию магнитного поля для ориентирования нанотрубок, с последующим его отверждением для сохранения ориентации нанотрубок. В другом способе, одинаковая ориентация нанотрубок достигается экструзией сквозь очень малое отверстие. В другом способе, одинаковая ориентация нанотрубок может быть осуществлена путем инкапсуляции нанотрубок известной ориентации в полимере механическим нанесением нанотрубок на поверхность полимера для формирования первого материала с последующим экструдированием слоя того же или другого полимера вокруг первого материала с получением полностью инкапсулированного нанокомпозита.
Для устройств и способов в соответствии с настоящим раскрытием, нанокомпозиционный материал может иметь любую известную подходящую форму или конфигурацию. Например, нанокомпозиционный материал может быть в форме цилиндра или стержня, в котором нанотрубки ориентированы для передачи тепла от одного конца к другому концу, при условии минимальной теплопередачи к боковым сторонам или стенкам цилиндра или стержня. Согласно другой особенности, нанокомпозиционный элемент может в быть форме прямоугольного или криволинейного листа, в котором тепло в основном передается по ширине или длине листа. Согласно другой особенности, нанокомпозиционный элемент может иметь вид пакета таких листов. Кроме того, нанокомпозиционный элемент может быть жестким, либо он может быть гибким с тем, чтобы ему могла быть придана любая необходимая форма, например, как показано на фиг.3-5, либо он мог быть проложен в обход какого-либо препятствия в устройстве, и др.
Таким образом, в одном варианте осуществления, раскрыто устройство, включающее анизотропный нанокомпозиционный элемент, имеющий тепловую связь с тепловыделяющим элементом для отвода тепла от тепловыделяющего элемента вдоль заданного направления. Согласно одной особенности, анизотропный нанокомпозиционный элемент включает теплопроводящий наноматериал, ориентированный строго в одном направлении, например, углеродные нанотрубки, для передачи по существу всего тепла в направлении ориентации наноматериала. Согласно одной особенности, устройство может также включать теплопоглощающий элемент, находящийся в тепловой связи с анизотропным нанокомпозиционным элементом для получения тепла от анизотропного нанокомпозиционного элемента. Согласно другой особенности, устройство может также включать теплообменник, имеющий тепловую связь с анизотропным нанокомпозиционным элементом для передачи тепла от анизотропного нанокомпозиционного элемента к теплопоглощающему элементу. Согласно другой особенности, устройство может также включать переходной элемент между тепловыделяющим элементом и анизотропным нанокомпозиционным элементом для передачи тепла от теплопроводящего элемента к анизотропному нанокомпозиционному элементу. Нанокомпозиционный элемент может включать материал-основу и ориентированные в одном направлении теплопроводящие нанотрубки. Нанотрубки могут быть выполнены из углерода, нитрида бора или нитрида галлия. Кроме того, нанокомпозиционный элемент может быть выполнен с использованием пакета листов, каждый из которых включает материал-основу и одинаково ориентированные теплопроводящие нанотрубки. Теплопоглощающий элемент может представлять собой любой элемент или устройство, включая элемент из металла, элемент из керамики, слоистую структуру из металла или керамики, либо их комбинацию, металлический и неметаллический композит, текучую среду, сорбционный охладитель или устройство, использующее фазовые переходы. Кроме того, теплопередающий элемент может представлять собой любое активное устройство теплопередачи (теплообменник), включая термоэлектрический охладитель, устройство охлаждения с замкнутым контуром циркуляции или тепловой насос, в котором используется эффект Джоуля-Томсона или двигатель Стерлинга. Устройство, согласно одной особенности, может также включать контроллер, управляющий теплообменником по данным измерения температуры тепловыделяющего элемента или теплопоглощающего элемента. Контроллер может управлять мощностью питания, подводимой к теплообменнику для управления переносом тепла от тепловыделяющего элемента. Устройство также может включать изолирующий элемент, расположенный вблизи тепловыделяющего элемента с тем, чтобы направить тепло от тепловыделяющего элемента к анизотропному нанокомпозиционному элементу. Согласно другой особенности настоящего изобретения, предложен способ отвода тепла от элемента, включающий признаки передачи тепла от тепловыделяющего элемента к анизотропному нанокомпозиционному элементу, конфигурация которого обеспечивает теплопроводность вдоль заданного направления, и передачи тепла от анизотропного нанокомпозиционного элемента к теплопоглощающему элементу. Способ может также включать передачу тепла от анизотропного нанокомпозиционного элемента к теплопоглощающему элементу с использованием теплообменника. Способ также может включать передачу тепла от теплопроводящего элемента к анизотропному нанокомпозиционному элементу с использованием переходного элемента, помещаемого между теплопроводящим элементом и анизотропным нанокомпозиционным элементом. Способ также может включать направленную передачу тепла от тепловыделяющего элемента к анизотропному нанокомпозиционному элементу. Кроме того, способ может включать управление передачей тепла от тепловыделяющего элемента, основанное, отчасти, на температуре тепловыделяющего элемента.
Приведенное выше раскрытие относится к некоторым вариантам осуществления и способам, использованным в целях иллюстрации. Специалистам, однако, будут очевидны различные модификации. Предполагается, что все подобные модификации будут попадать в область притязаний приложенной формулы изобретения и охватываются приведенным выше раскрытием.