Интенсификация применения вакуумных колб Дьюара в геофизических зондах для каротажа скважин высокого давления и высокой температуры

Ромашин Р.В.

Технологический институт – филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Лесной

Ключевые слова: скважины высокого давления и высокой температуры, Дьюар, колба Дьюара, вакуумная колба, материалы с фазовым переходом, синтактическая пена, кремнеземный аэрогель, каротаж во время бурения, компоновка низа бурильной колонны, скважинная геофизика.

Аннотация. Защита электронных компонентов каротажных приборов в геофизических исследованиях высокотемпературных скважин является важной составляющей. В этой работе обзорно описывается известное решение этой проблемы с помощью вакуумных колб Дьюара, имеющих дополнительный теплоотвод внутри, в виде материалов с фазовым переходом. И указывается на процесс теплопередачи от защитного кожуха к наружным стенкам колбы. При высоких температурах – от 150°C, низкая теплопроводность азота или аргона, окружающего вакуумную колбу, уже не имеет особого влияния не процесс. Газ работает как утеплитель, а не теплоизолятор. Начинает играть огромную роль излучение тепла с поверхностей. Если стенки темные или шероховатые, то у них высокая степень черноты. Тогда излучение может передавать даже больше тепла, чем сам газ. Поэтому в качестве новшества предлагается замена газа в пространстве вокруг колбы Дьюара на дополнительную теплоизоляцию с помощью кремнеземного аэрогеля или синтактических пен на различной основе. Проводится моделирование переходных тепловых процессов методом конечных элементов для трех уровней температур – в соответствии с распространенной классификацией условий работы скважин высокого давления и высокой температуры. При моделировании учитываются два случая – турбулентный режим подачи бурового раствора и режим без циркуляции. Дается сравнительный анализ применения теплоизоляционных материалов и рассматриваются перспективы эксплуатации высокотемпературных скважин в Российской Федерации.

Enhanced application of vacuum dewar flasks in high-pressure high-temperature borehole logging tools

Romashin R.V.

Technological Institute of the National Research Nuclear University MEPhI, Lesnoy

Keywords: high-pressure high-temperature wells, Dewar, Dewar flask, vacuum flask, phase-change materials, syntactic foam, silica aerogel, logging while drilling, bottomhole assembly, borehole geophysics.

Abstract. Thermal protection of electronic components in logging tools is a critical factor in high-temperature borehole geophysical surveys. This paper reviews a well-known solution to this problem utilizing vacuum Dewar flasks equipped with internal heat sinks based on phase-change materials. The study highlights the heat transfer process from the pressure barrel to the outer walls of the flask. At high temperatures exceeding 150 °C, the low thermal conductivity of nitrogen or argon surrounding the vacuum flask no longer significantly influences the process. The gas acts as a thermal conductor rather than an insulator. Consequently, surface thermal radiation begins to play a dominant role. If the walls are dark or rough, they exhibit high emissivity, allowing radiation to transfer even more heat than the gas itself. As an innovation, this work proposes replacing the gas in the annular space around the Dewar flask with additional thermal insulation, such as silica aerogel or various types of syntactic foams. Transient thermal modeling is performed using the Finite Element Method for three temperature levels, in accordance with the standard classification of High-Pressure High-Temperature well conditions. The simulation accounts for two scenarios: turbulent drilling fluid circulation and non-circulating mode. A comparative analysis of thermal insulation materials is provided, along with an overview of the prospects for high-temperature well operations in the Russian Federation.