Устройство для отвода паров криогенных жидкостей из криогенной системы погружного каротажного оборудования

Полезная модель относится к устройствам для геофизических измерений. Может быть использовано в оборудовании для каротажа, содержащем систему охлаждения с использованием криогенных жидкостей. Устройство для отвода паров криогенных жидкостей из криогенной системы погружного каротажного оборудования для поддержания низких температур в некоторых устройствах каротажного прибора, состоящее из системы охлаждения с использованием криогенных жидкостей, выполненное в виде сосуда Дьюара с гелием, размещенном в свою очередь в сосуде Дьюара с азотом, отличающийся тем, что устройство дополнительно оснащено компрессором или двумя компрессорами, размещенными в корпуса каротажного погружного прибора для обеспечения возможности отвода паров криогенных жидкостей из криостата; узла крепления троса к каротажному прибору, троса выполненного из жил с высокой прочностью на разрыв, содержащего трубчатые электрические кабели, являющиеся одновременно капиллярами для отвода паров криогенных жидкостей, охлаждаемого и неохлаждаемого каротажного оборудования, при этом выход устройства(криостата) каротажного прибора соединен с атмосферой или емкостью-накопителем на поверхности земли посредством одного или нескольких капилляров, которые одновременно являются жилами электрического кабеля, входящего в состав троса, на котором подвешивается погружной каротажный прибор, при этом для расчета необходимого радиуса капилляра применяется формула или зависимости от числа жил-капилляров в электрическом кабеле.

Полезная модель относится к области изготовления, градуировки и обслуживания приборов и устройств для геофизических измерений. Может быть использовано в оборудовании для каротажа, содержащем систему Охлаждения с использованием криогенных жидкостей.

Известны погружные каротажные устройства, имеющие в своем составе криогенную систему для охлаждения сверхпроводящих магнитов и датчиков различного назначения. Наиболее близким по существу к заявляемому изобретению является известный способ [1] по патенту US 6,411,087 B1. - 25 January 2002 "NMR Logging Tool with HI-ТС Trap Field Magnet". В известном изобретении по патенту US 6,411,087 B1, для создания в призабойной зоне скважины сильного постоянного магнитного поля вокруг каротажного прибора ЯМР используют сверхпроводящий магнит. Для достижения криогенных температур сверхпроводящий магнит помещают в криостат с жидким гелием или азотом, либо для охлаждения применяют криокулер.

Для криостата любого типа необходима защита его рабочего объема от притока теплоты из окружающей среды. Чем ниже температура кипения и чем меньше теплота испарения используемого хладоагента, тем выше требования к теплоизоляции рабочих узлов криостата. В криостатах, заполняемых жидким азотом, часто используется высоковакуумная теплоизоляция. Для гелиевых криостатов обычная высоковакуумная изоляция уже недостаточна. Поэтому с целью уменьшения притока лучистой энергии от наружных стенок криостата необходимо понизить их температуру, что достигается охлаждением стенок вспомогательным хладоагентом (жидким азотом) или установкой в теплоизоляционном пространстве защитных экранов, отражающих излучение. Обычно гелиевый криостат состоит из 2 сосудов Дьюара, вставленных один в другой. Внутренний сосуд заполняют жидким гелием, наружный - жидким азотом.

Недостатком прототипа [1] является отсутствие информации о способах отвода паров криогенной жидкости из криостата каротажного прибора. В промышленном и научном оборудовании с системами охлаждения, представляющими собой криостат с криогенной жидкостью, в процессе работы криогенная жидкость постепенно переходит в парообразное состояние, что приводит к необходимости отвода образовавшихся паров за пределы криостата. Общепринятым решением этой проблемы является выпуск образовавшихся паров в атмосферу, или накопление их в специальных емкостях. Однако в условиях применения криостатов в погружных скважинных приборах возможность выпуска паров за пределы криостата отсутствует по причине высоких значений давления в стволе скважины (типичные значения ~50-200 атм), а применение накопительных емкостей затруднено по причине чрезмерных их требуемых размеров. Другая возможность достижения криогенных температур в скважинных приборах - это применение систем охлаждения на основе криокулеров. Однако криокулеры, которые, как общеизвестно, не требуют в процессе своей работы отвода газообразных веществ, на настоящий момент не находят применения в системах охлаждения каротажных погружных приборов из-за их чрезмерных габаритных размеров.

Таким образом, возможно, констатировать следующее проблемы, которые не позволяют на дату подачи заявочных материалов реализовать проблему исследования скважин с применением криогенных систем охлаждения:

- невозможность в каротажном погружном приборе отвода паров криогенных жидкостей за пределы криостата системы охлаждения непосредственно в ствол скважины;

- чрезмерные требуемые размеры накопительных емкостей для паров испаряющихся криогенных жидкостей;

- чрезмерные габариты криокулеров.

Целью заявленного технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик каротажного оборудования, содержащего в своем составе криогенную систему охлаждения за счет решения проблемы отвода паров испаряющихся криогенных жидкостей. Эффективный отвод паров позволяет, например, применять в погружных приборах сверхпроводящие магниты, характеризующиеся в несколько раз более сильными магнитными полями, что позволяет увеличить глубинность измерений методом ЯМР. Также появляется возможность более эффективного использования другого оборудования и датчиков, чьи эксплуатационные характеристики улучшаются при работе в области низких температур.

Также целью заявленного технического решения является расширение области применения каротажного оборудования, т.к. эффективный отвод паров криогенных жидкостей позволяет применять в каротажных приборах системы охлаждения с высокой хладо-производительностью на основе криостатов, что позволяет применять новые датчики и устройства, эффективно работающие при низких температурах, но требующие интенсивного охлаждения.

Сущность заявленного устройства заключается в том, что Устройство для отвода паров криогенных жидкостей из криогенной системы погружного каротажного оборудования для поддержания низких температур в некоторых устройствах каротажного прибора, состоящее из системы охлаждения (криостата) с использованием криогенных жидкостей, выполненное, например, в виде сосуда Дьюара с гелием и размещенное в свою очередь в сосуде Дьюара с азотом, отличающийся тем, что устройство дополнительно оснащено одним или двумя компрессорами, размещеннымы в корпусе каротажного погружного прибора для обеспечения возможности отвода паров криогенных жидкостей из криостата; узла крепления троса к каротажному прибору, троса выполненного из жил с высокой прочностью на разрыв, содержащего также трубчатые электрические кабели, являющиеся одновременно капиллярами для отвода паров криогенных жидкостей из системы охлаждения каротажного прибора, охлаждаемого и неохлаждаемого оборудования, при этом выход устройства(криостата) каротажного прибора соединен с атмосферой или емкостью-накопителем на поверхности земли посредством одного или нескольких капилляров, которые одновременно являются жилами электрического кабеля, входящего в состав троса, на котором подвешивается погружной каротажный прибор, при этом для расчета необходимого радиуса капилляра применяется формула или в зависимости от числа жил-капилляров в электрическом кабеле.

Заявленное техническое решение позволяет повысить достоверность результатов измерений некоторыми методами, например, за счет увеличения при низких температурах отношения сигнал-шум в радиочастотных системах, увеличения резонансной частоты ЯМР-анализаторов, имеющих в своем составе сверхпроводящие магниты, и т.д.

Цели достигают тем, что отвод паров криогенных жидкостей на поверхность из системы охлаждения каротажного прибора, работающего в стволе скважины, предлагается осуществить при помощи длинного металлического капилляра или системы капилляров, вплетенных в трос, на котором в скважине подвешивается каротажный прибор. Одновременно капилляры являются жилами силового электрического кабеля, по которому осуществляется снабжение электрической энергией устройств, работающих в составе каротажного прибора.

Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами:

На Фиг.1 схематично изображена скважина с охлаждаемым каротажным оборудованием, которая, по мнению заявителя, является наиболее эффективным но не исчерпывающим вариантом исполнения заявленного технического решения.

В таблице приведены значения динамической вязкости трех газов: гелия, азота и углекислого газа которые могут быть использованы для реализации поставленных целей.

Сущность изобретения поясняется Фиг.1, на которой схематично изображена скважина с охлаждаемым каротажным оборудованием, например, содержащем сверхпроводящие магниты, измерительные приборы, приемо-передающие устройства, антенны. На Фиг.1 приведено описание одного из варианта наиболее эффективного исполнения заявленного устройства:

Заявленное устройство состоит из измерительного каротажного прибора 1 с криостатом 2, внутри которого размещено охлаждаемое каротажное оборудование, заполненного сжиженным газом, например, гелием; компрессора (или двух компрессоров) 3; узла крепления троса 4 к каротажному прибору 1; троса 5, содержащего трубчатые электрические кабели 6, являющиеся одновременно капиллярами для отвода паров криогенных жидкостей, жил с высокой прочностью на разрыв 7.

Так как невозможно полностью изолировать внутренний объем прибора от притока тепла из внешней среды (скважины), то криогенные компоненты системы охлаждения переходят в парообразное состояние на протяжении всего времени работы прибора в скважине. В качестве криогенных компонентов системы охлаждения используют различные вещества. В силу физических и эксплуатационных свойств наиболее удобными для применения являются гелий, азот и углекислый газ.

Испаряющиеся из криостата криогенные компоненты по капилляру (или системе капилляров) поднимаются на поверхность. Для протекания газа по капилляру необходимо наличие на его двух концах перепада давления, за счет которого происходит движение газа. Необходимое давление на входе в капилляр создают при помощи компрессора (3), соединенным входом с выходом криостата 2. Если криостат содержит в себе две разные криогенные жидкости (например, азот и гелий), то применяется два компрессора по числу испаряющихся криогенных компонентов системы охлаждения.

На Фиг.2 представлена более детальная схема, которая иллюстрирует отвод паров двух криогенных жидкостей гелия и азота из криостата при помощи двух компрессоров, используемых для раздельного нагнетания в капилляры газообразного гелия и азота.

На Фиг.2 обозначено: охлаждаемый узел 1; сосуд Дьюара с гелием 2; сосуд Дьюара с азотом 3, трубопроводы для гелия и азота, выходящие из криостата 4, компрессор для гелия 5, компрессор для азота 6, накопительные емкости 7, капилляры 8, трос, в который вплетаются капилляры 9.

Пары гелия и азота из криостата попадают в трубопроводы 4, компрессор 5 откачивает из трубопровода гелий, а компрессор 6, соответственно, азот, и нагнетает эти газы в накопительную емкость 7, создавая в ней давление газов до 5-7 атмосфер. Из накопительных емкостей газообразный гелий и азот попадают в капилляры 8, которые вплетаются в трос 9, на котором подвешен каротажный прибор. На входах в трубопроводы 4 могут быть установлены клапаны, которые переходят в открытое состояние при заданной величине перепада давления на их входах и выходах. Такая мера позволит задавать температуру жидкого гелия и азота в системе охлаждения, т.к. температура жидкости, как известно, определяется давлением насыщенных паров над ее поверхностью.

Отвод паров криогенных жидкостей при движении по капилляру или системе капилляров сопровождается преодолением сил вязкого трения.

В таблице 1 приведены значения динамической вязкости трех газов: гелия, азота и углекислого газа.

Требуемый внутренний радиус капилляра вычисляется по экспериментальной формуле:

где r₀ - радиус капилляра, Р - перепад давления на входе и выходе капилляра, L - длина капилляра, - динамическая вязкость газа, Q - расход газа на выходе капилляра в единицу времени (м³/c).

Таблица
- Динамическая вязкость гелия, азота и углекислого газа.
Параметр, обозначение	Значение	Единицы измерения
Динамическая вязкость газообразного гелия при н.у.,	1,89·10-5	Па·с
Динамическая вязкость газообразного азота при н.у.,	1,67·10-5	Па·с
Динамическая вязкость газообразного углекислого газа при н.у.,	1,4·10-5	Па·с

Жилы электрического кабеля выполняются в виде капилляров, внутренний диаметр которых рассчитывают по формуле (1). Жилы электрического кабеля являются капиллярами, по которым осуществляется отвод паров криогенных жидкостей из системы охлаждения каротажного прибора.

В случае, если в электрический кабель содержит более, чем один жилу-капилляр, то внутренний радиус каждого капилляра рассчитывается по формуле:

где n - число жил-капилляров в электрическом кабеле.

Приведенный пример применения заявленного технического решения показывает его полезность для отвода газообразных продуктов испарения криогенных жидкостей из системы охлаждения погружных каротажных приборов. Применение заявляемого заявленного технического решения способствует повышению эксплуатационных характеристик каротажного оборудования, расширяет область применения за счет повышения эффективности работы системы охлаждения. В частности, заявленное техническое решение позволяет применять в каротажных приборах сверхпроводящие магнитны, генерирующие постоянные магнитные поля большой напряженности, что способствует большей глубинности исследований и большей детализации получаемой информации, то есть расширяет область применения криогенного каротажного оборудования, повышает достоверность получаемой информации.

Заявленное техническое решение удовлетворяет критерию «новизна», так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле заявленного технического решения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение можно реализовать в промышленном производстве каротажного оборудования, содержащего охлаждаемые датчики, а также содержащие анализаторы и релаксометры ЯМР. Это доказывает соответствие заявленного технического решения критерию «промышленная применимость».

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1 Nongqiang Fan, Wei-Kan Chu, NMR Logging Tool with HI-TC Trap Field Magnet // PN US 6,411,087 B1. - 25 January 2002.

Устройство для отвода паров криогенных жидкостей из криогенной системы погружного каротажного оборудования для поддержания низких температур в некоторых устройствах каротажного прибора, состоящее из системы охлаждения с использованием криогенных жидкостей, выполненное, например, в виде сосуда Дьюара с гелием, размещенным в свою очередь в сосуде Дьюара с азотом, характеризующееся тем, что устройство дополнительно оснащено компрессором или двумя компрессорами, размещенными в корпуса каротажного погружного прибора для обеспечения возможности отвода паров криогенных жидкостей из криостата; узла крепления троса к каротажному прибору, троса, выполненного из жил с высокой прочностью на разрыв, содержащего трубчатые электрические кабели, являющиеся одновременно капиллярами для отвода паров криогенных жидкостей, охлаждаемого и неохлаждаемого каротажного оборудования, при этом выход устройства каротажного прибора соединен с атмосферой или емкостью-накопителем на поверхности земли посредством одного или нескольких капилляров, которые одновременно являются жилами электрического кабеля, входящего в состав троса, на котором подвешивается погружной каротажный прибор, при этом для расчета необходимого внутреннего радиуса капилляра применяется формула или в случае, если используется несколько капилляров, формула ,

где r₀ - радиус капилляра;

- динамическая вязкость газа;

L - длина капилляра;

Q - расход газа на выходе капилляра в единицу времени (м ³/с);

P - перепад давления на входе и выходе капилляра;

n - число жил-капилляров в электрическом кабеле.