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TWI551803B - 低溫熱力閥裝置、含有該低溫熱力閥裝置之系統及使用該低溫熱力閥裝置之方法 - Google Patents

低溫熱力閥裝置、含有該低溫熱力閥裝置之系統及使用該低溫熱力閥裝置之方法 Download PDF

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TWI551803B
TWI551803B TW104116416A TW104116416A TWI551803B TW I551803 B TWI551803 B TW I551803B TW 104116416 A TW104116416 A TW 104116416A TW 104116416 A TW104116416 A TW 104116416A TW I551803 B TWI551803 B TW I551803B
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TW
Taiwan
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conduit
heat exchange
exchange unit
liquid
cryogen
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Application number
TW104116416A
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TW201533366A (zh
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丹尼爾Ｘ 雷
羅伯特Ｊ 雷
亨利 卡特柏斯
Original Assignee
拜歐菲樂Ｉｐ有限責任公司
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Filing date
Publication date
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Description

低溫熱力閥裝置、含有該低溫熱力閥裝置之系統及使用該低溫熱力閥裝置之方法 相關申請案
主張以下美國臨時申請案之優先權利益：Daniel X.Wray、Robert J.Wray及Henry Cutbirth於2011年4月12日申請之美國臨時申請案第61/517,070號，題為「Methods,Devices And Systems For Extraction Of Thermal Energy From A Heat Conducting Metal Conduit」；及Daniel X.Wray及Robert J.Wray於2010年7月16日申請之美國臨時申請案第61/399,746號，題為「METHODS,DEVICES AND SYSTEMS FOR EXTRACTION OF THERMAL ENERGY FROM A HEAT CONDUCTING METAL CONDUIT」；及Daniel X.Wray於2010年6月15日申請之美國臨時申請案第61/397,759號，題為「METHODS,DEVICES AND SYSTEMS FOR EXTRACTION OF THERMAL ENERGY FROM A HEAT CONDUCTING METAL CONDUIT」。
在准許時，上文所參考之申請案中之每一者的發明主體以引用方式全文併入本文。
本發明大體上係關於材料之冷卻。提供允許自含有液態流體之導熱金屬導管提取熱能的方法、裝置及系統，使得該導管降低至一溫度， 低於該溫度時，該導管中之液態流體的至少一部分會變成固體，藉此可逆地堵塞該導管而不在該導管內誘發熱致應力破碎或破裂。
金屬導管(諸如，氣體、水及油管線)可歸因於老化、疲勞、腐蝕、濫用、疏忽及在環境中使用時可使管道破碎或斷裂之自然力而發生故障。過去已有提供一種有效之方法來塞住或堵上破裂導管(諸如，載運氣體、水或油之管道)以便准許對破裂管道進行修補的諸多嘗試。舉例而言，美國專利第5,778,919號描述一種充氣式塞子，其可置放於管線中且加以充氣以便在修補管線的同時阻止氣體流經管線。美國專利第6,568,429號描述一種充氣式插塞，其可用以隔離導管之經界定部分。美國專利第4,013,097號描述一種用於攔住管線中之流體流的器件，其中該器件含有充氣式氣囊。該裝置置放於管道內且對該氣囊充氣，藉此密封管線。
在一些導管中，導管中內含物之壓力較高，且充氣式氣囊將不足以堵上破損管道。舉例而言，深海油井在井口處展現出高壓力。美國專利第7,121,344號描述一種用於將插塞安裝於海底井口中的系統。美國專利第RE36,244號描述一種用於堵上燃燒中或噴油之油井的器件。該器件包括經定尺寸以插入至井套管中的中空管狀插塞本體。該插塞本體插入至井套管中且藉由致動保持器模組而鎖定於適當位置中。接著在插塞本體之周邊表面與井套管之間形成密封。藉由操作閥總成而封閉該管狀插塞本體之中空內部過道，藉此堵上管道。插塞本體之置放需要台架總成，在該台架總成上，該插塞本體懸吊於井套管上方。美國專利第7,036,598號描述一種用於井口安置於海床上的加壓海底油井中的油井干預操作的干預模組。此 等及其他已知干預系統之缺點包括與已知油井干預技術有關且尤其與海底油井之干預有關的時間及成本，及由插塞本體之未對準置放引致的管道之可能破碎或損壞。
因此，需要允許在使導管之結構完整性的損失最小化的情況下使流體通過導管之流動受到堵塞或停止的方法及裝置。本文中目標之一是提供用於使流體通過導管之流動受到堵塞或停止的此類方法及裝置及系統。
提供一種用於受控地自導熱金屬導管及其中所含之流體移除熱能的冷卻或冷凍系統。該系統允許就地形成可使流體停止流經導管的可逆插塞。該系統包括熱轉移裝置，該熱轉移裝置可經調適以與含有液態流體之導熱金屬導管熱連通。該熱轉移裝置可充當散熱片，用於受控地自含有液態流體之導熱金屬導管提取熱能使得該導管降低至一溫度，低於該溫度時其中之液態流體的至少一部分會變成固體藉此堵上該導管而未在該導管中誘發熱致應力破碎或破裂。該裝置允許受控地再加熱該導管而不在該導管中誘發熱致應力破碎或破裂，從而恢復通過該導管之流體流。在一些具體實例中，該熱轉移裝置可含有液態致冷劑流體，諸如酒精/固態CO2漿料，或其他液態致冷劑，諸如含有液態氮、液態氦、液態氬、液態氖、液態氙或液態二氧化碳與溶劑之組合的液態致冷劑。亦提供藉由將金屬導管之溫度降低至一溫度來中止液態流體通過該導管之流動的方法，在該溫度或低於該溫度時，該液態流體凍結以形成固體且藉此阻塞液體通過該導管之流動。
亦提供一種用於自含有流體之導管提取熱能的驟冷器或冷凍系統。該系統包括：熱轉移裝置，其具有與該導管熱連通之熱轉移表面；及控制系統，其經調適以回應於該導管內之目標溫度而調整該熱轉移裝置自該導管進行之熱提取。該系統之熱轉移裝置可包括帕耳帖裝置、磁致冷器、含流體之熱交換單元或其組合。在該熱轉移裝置包括含流體之熱交換單元(液態致冷劑流經該熱交換單元)的一些具體實例中，該系統可將液態致冷劑之單向流遞送至該熱交換單元之與該導管熱接觸的熱轉移表面以冷卻該導管。液體之流可為層狀的或湍流的或該兩者之組合。本文中所提供之系統亦可包括吸入迴路，該吸入迴路耦接至液態致冷劑供應模組且經調適以用於將致冷劑液體之流提供至該熱交換單元。該等系統亦可包括排出迴路，該排出迴路包括經調適以將該液態致冷劑自該系統放出的排放管。
本文中所提供之系統可包括控制系統，該控制系統經調適以回應於該導管之所要冷卻速率及該導管內之量測溫度來調整該吸入迴路中液態致冷劑之流速以調整該熱交換單元之溫度。該吸入迴路可包括直列式混合器，該直列式混合器經調適以將兩種或兩種以上液態致冷劑混合以產生溫度經調變之液態致冷劑。在一些具體實例中，該控制系統操作地調整該經調變液態致冷劑之流速以調整該熱交換單元之溫度。
在該熱轉移單元為含液體之熱交換單元的本文中所提供之系統中，該熱交換單元可使用液態致冷劑。可使用此項技術中所知之任何液態致冷劑。該液態致冷劑可包括低溫劑及液態溶劑。在一些具體實例中，該低溫劑為液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或固態二氧化碳，或其組合。在一 些具體實例中，該液態溶劑係選自以下各者中：四氯化碳、間二氯苯、硝基甲烷、溴化苯、乙腈、氯苯、間二甲苯、正丁胺、正辛烷、氯仿、第三丁胺、三氯乙烯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、庚烷、環戊烷、己烷、甲醇、環己烷、異辛烷、乙醛、甲基環己烷、m-戊烷、1,5-己二烯、異戊烷、3-庚酮、環己酮、二乙基卡必醇、卡必醇乙酸酯、乙醇、丙酮、異丙醇、甲乙酮、二乙醚及其組合。詳言之，該液態致冷劑包括液態氮或乾冰或其組合以及一或多種溶劑(諸如，甲醇、乙醇、丙醇、丙酮或其摻合物)。該液態致冷劑之溫度可低於-20℃或低於-40℃或低於-50℃或低於-60℃或低於-80℃或低於-100℃。詳言之，該液態致冷劑之溫度介於-20℃與-250℃之間或介於-40℃與-60℃之間。在一些具體實例中，該液態致冷劑為液態氬，其具有約-186℃之沸點。
在一些具體實例中，該熱轉移裝置包括熱轉移表面且該表面係由選自以下各者中之一導熱材料製造：銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、碳鋼、不鏽鋼及其任何組合或合金。該導熱材料可由單一金屬導體或多個金屬導體形成。在一些具體實例中，該導熱材料包含實質上純銅、銅合金、實質上純鋁、鋁合金、實質上純銀、銀合金、實質上純金，及金合金，以及其混合物或組合物。
該熱交換單元亦可包括非傳導部分。該非傳導部分可由不導熱材料製造或包括不導熱材料。可使用任何不導熱材料。在一些具體實例中，該不導熱材料係選自以下各者中：丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷、四氟甲烷、CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙 醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體、丙二醇、丙烯酸玻璃、瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯及其組合。
本文中所提供之熱轉移裝置含有導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠會減少或消除李登弗斯特效應。該熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠增加表面積且可引導流體流或誘發湍流，此可增加熱轉移之效率。
本文中所提供之驟冷器系統或低溫熱力閥系統亦可包括熱隔離構件，用於使該熱交換單元、該下伏導管及該導管的在該熱交換單元之附接點之一側或兩側上的至少一部分與環境熱隔離。該熱隔離構件包圍或封入該熱交換單元、該下伏導管及該導管的在該熱交換單元之附接點之一側或兩側上的至少一部分。該系統亦可包括熱隔離構件，用於使該系統之排放流出管及/或管道(諸如，該吸入迴路及/或該排出迴路之管道)與環境熱隔離。在一些具體實例中，該熱隔離構件包括絕緣夾套。該夾套可附接至該導管或該排放管以形成不透氣密封，從而在該夾套與該導管之間或在該夾套與該排放管之間形成一空間。該空間中之任何空氣或水可由具有比水低之熱導率的材料置換。具有比水低之熱導率的材料之實例包括：氙、 二氯二氟甲烷、丁烷、氪、三氯甲烷、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷、四氟甲烷、CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體、丙二醇或其組合。
該夾套在該夾套的鄰近於外部環境之表面上亦可包括熱絕緣材料之一層或塗層。該熱絕緣層或塗層可包括實質上不導熱之任何材料，諸如瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。
本文中所提供之驟冷器系統或低溫熱力閥系統亦可包括一或多個加熱元件。舉例而言，加熱元件可安置於該導管或排放流出管之遠端處以便最小化或防止冰形成。一或多個加熱器可沿該排出迴路及該流出排放管之路徑安置以在自該系統放出之前使該經放出液態致冷劑之溫度升高至至少周圍溫度。該驟冷器系統或低溫熱力閥系統亦可包括用於泵汲液 態致冷劑使之通過該系統的泵。在該熱轉移裝置包括液態致冷劑之具體實例中，該系統包括致冷劑供應模組，該致冷劑供應模組可含有液態致冷劑且可含有低溫劑源及一或多種溶劑之源；及混合裝置，該混合裝置用以將該低溫劑與一或多種溶劑混合以形成具有特定溫度之液態致冷劑。該致冷劑供應模組所進行之液態致冷劑的製備可為電腦控制的。電腦模組可與該致冷劑供應模組通信以藉由使與該低溫劑混合之溶劑的比例及類型變化來製備具有不同溫度之致冷劑液體。該系統亦可包括一或多個流控制定量閥以控制或調變致冷劑液體通過該系統之流。具有電腦處理器之該電腦模組可與該等閥中之一或多者通信以控制或調變該系統之一或多個流控制定量閥的操作。
該驟冷器系統或低溫熱力閥系統亦可包括熱監視器。該等熱監視器可附接至該導管之一或多個點以監視熱梯度，或該等熱監視器可附接於該熱轉移裝置與該導管之間的界面處以監視界面處之溫度。該系統之電腦模組可控制該等熱監視器或可與該等熱監視器通信。
該驟冷器系統或低溫熱力閥系統亦可包括帕耳帖模組以作為熱交換裝置或其組件。在此等系統中，該系統亦包括：用於將電能供應至該帕耳帖模組之系統；冷卻頭，其熱耦接至該帕耳帖模組之冷側，其中該冷卻頭具有凹面彎曲表面；熱耗散元件，其熱耦接至該帕耳帖模組之熱側；及用於導熱液體之儲集器，其熱耦接至該熱耗散元件。
亦提供一種以受控速率冷凍或驟冷含有流體之導熱導管之方法，該方法包括以下步驟：將熱轉移裝置附接至該導管；及啟動該熱轉移單元以按受控速率自該導管及其中所含之流體提取熱能且藉此最小化對 該導管之熱應力。該熱轉移裝置可包括熱電模組、帕耳帖裝置、磁性熱轉移裝置、磁致冷器、含液體之熱交換單元或其組合。
在該熱轉移裝置包括含有液態致冷劑的含液體之熱交換單元的方法中，該熱交換單元與該導管熱接觸。該方法進一步包括將低溫劑與溶劑混合以產生處於選定溫度的溫度經調整之液態致冷劑。可使用任何低溫劑。舉例而言，該低溫劑可選自以下各者中：液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或固態二氧化碳，或其組合。在所提供之方法中，藉由將該溫度經調整之液態致冷劑的單向流遞送至該熱交換單元且將該液態致冷劑自該熱交換單元迅速排出而以所要冷卻速率自該導管提取熱。致冷劑之流可為層狀的或湍流的或該兩者之組合。該方法亦可包括在將該單向流遞送通過該熱交換單元之前調變該液態致冷劑之壓力及流速的步驟。
亦提供一種以受控速率冷凍含有流體之導管之方法，該方法包括以下步驟：(i)使熱交換單元與其中含有流體之導管熱接觸；(ii)啟動該熱交換單元，使得自該導管及其中所含流體抽取熱能且將熱能轉移至該熱交換單元；及(iii)迅速地耗散由該熱交換單元吸收之熱以便防止來自該熱交換單元之熱再循環回至該導管。
亦提供一種以受控速率冷凍含有流體之導管之方法，該方法包括以下步驟：(i)使液態致冷劑熱交換單元與其中含有流體之導管熱接觸；(ii)藉由將液態低溫劑與溶劑混合以產生選定溫度概況下之冷液態致冷劑來製備液態致冷劑，該溫度概況對應於該導管及該導管內之流體的所要冷卻速率；(iii)將該溫度經調整之液態致冷劑的單向流遞送通過該熱交 換單元以冷卻該導管及其內含物；及(iv)迅速地自熱交換器排出該液態致冷劑以便防止該液態致冷劑在該熱交換單元內再循環。致冷劑之流可為層狀的或湍流的或其組合。
亦提供一種用於冷卻或冷凍含有流體之導管的完整、強制循環之液體冷卻系統。該系統包括：一或多個熱交換單元，其熱耦接至該導管以用於收納經冷卻之液態致冷劑且藉由將熱自該導管轉移至該液態致冷劑而產生加熱之液態致冷劑；液態致冷劑供應模組；液態致冷劑通路，用於將該液態致冷劑自該液態致冷劑供應模組遞送至該熱交換單元；放出通路，用於將該液態致冷劑自該熱交換單元遞送至輸出放出口；及強制循環構件，其安置於該熱交換單元與該液態致冷劑供應模組之間迫使經冷卻之液態致冷劑以加速速率自該液態致冷劑供應模組輸送至該等熱轉移單元及迫使變熱液態冷卻劑以加速速率自該等熱交換單元輸送至該放出通路；其中調變該液態致冷劑之壓力及流速以提供通過該熱交換單元的單向流。該流可為層狀的或湍流的或該兩者之組合。在一些具體實例中，一或多個熱轉移單元具有用於自該致冷劑供應模組接收液態致冷劑的入口及用於自該熱交換單元排出加熱之液態致冷劑以輸送至該放出通路的出口，其中該入口安置於該出口下方以增強該液態冷卻劑之對流循環。
亦提供一種用於藉由冷凍導管中所含流體之至少一部分來在該導管中形成凍結插塞的CryoPlug低溫熱力閥系統。該低溫熱力閥系統包括：熱轉移裝置，其含有具有與該導管熱連通之熱轉移表面的含液體之熱交換單元；低溫劑注射裝置，用於經由注射器將低溫劑注射至該導管中之流體中；及控制系統，用以調整致冷劑至該熱轉移裝置之流及/或低溫劑 通過該注射器之流。該系統可將液態致冷劑之單向流遞送至該熱交換單元的與該導管熱接觸的該熱轉移表面以冷卻該導管。致冷劑之流可為層狀的或湍流的或該兩者之組合。該系統亦可包括吸入迴路，該吸入迴路耦接至液態致冷劑供應模組且經調適以用於將致冷劑液體之流提供至該熱交換單元。該系統可包括排出迴路，該排出迴路包括經調適以在該液態致冷劑已自該導管吸收熱能之後將該液態致冷劑自該系統放出的排放管。該系統亦可包括再循環迴路，該再循環迴路在該液態致冷劑已自該導管吸收熱能之後將該液態致冷劑自該系統引導至致冷系統，該致冷系統移除該所吸收之熱能且使該致冷劑再循環回至致冷劑供應模組。
該系統之吸入迴路可包括直列式混合器，該直列式混合器經調適以將兩種或兩種以上液態致冷劑混合以產生溫度經調變之液態致冷劑。該CryoPlug低溫熱力閥系統之致冷劑可包括低溫劑及液態溶劑。該低溫劑可為液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或其組合。該溶劑可選自以下各者中：四氯化碳、間二氯苯、硝基甲烷、溴化苯、乙腈、氯苯、間二甲苯、正丁胺、正辛烷、氯仿、第三丁胺、三氯乙烯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、庚烷、環戊烷、己烷、甲醇、環己烷、異辛烷、乙醛、甲基環己烷、m-戊烷、1,5-己二烯、異戊烷、3-庚酮、環己酮、二乙基卡必醇、卡必醇乙酸酯、乙醇、丙酮、異丙醇、甲乙酮、二乙醚及其組合。
在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統可包括熱轉移裝置，該熱轉移裝置包括熱轉移表面。該表面可由導熱材料製造，諸如銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、 碳鋼、不鏽鋼及其任何組合或合金。
在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統可包括導管，該導管含有用於將低溫劑遞送至該低溫劑注射器裝置的通道。該用於遞送低溫劑之通道可在井套管之內環管內或在該井套管之通道中。在該低溫熱力閥系統之包括致冷系統以再生廢致冷劑的具體實例中，該致冷系統可包括一或多個熱交換器。該致冷系統可為閉路致冷系統。該系統亦可包括超低溫致冷系統。該致冷系統可包括壓縮機、冷凝器、過濾乾燥器及/或熱交換單元。在一些具體實例中，該致冷系統包含往復式壓縮機、旋轉式壓縮機、螺旋式壓縮機、渦捲式壓縮機，或此等壓縮機中之任兩者的組合。
該低溫熱力閥系統可包括用於自致冷劑供應模組泵汲液態致冷劑使之通過該熱交換單元的泵。該致冷劑供應模組可包括低溫劑源及一或多種溶劑之源以及用以將該低溫劑與一或多種溶劑混合的混合裝置。
該低溫熱力閥系統亦可包括電腦模組。該電腦模組可與該致冷劑供應模組通信且可指導該致冷劑供應模組以藉由使與該低溫劑混合之溶劑的比例及類型變化來製備具有不同溫度之致冷劑液體。該CryoPlug低溫熱力閥系統可包括一或多個流控制定量閥以控制或調變致冷劑液體通過該熱交換單元之流或低溫劑至該低溫劑注射器單元之流。該系統之電腦模組(其包括電腦處理器)可與該等閥中之一或多者通信以控制或調變該系統之一或多個流控制定量閥的操作。該系統亦可含有熱監視器，且該電腦模組可控制該等熱監視器或與該等熱監視器通信。
亦提供用於暫時防止油在管線中流動之方法。該等方法包括：將熱轉移裝置附接至該管線以使得其與該管線之至少一部分熱接觸； 及安裝低溫劑注射器模組，其在啟動時將低溫劑注射至該管線中之流體中，其中該熱轉移裝置及低溫劑之注入移除足夠之熱能以使該管線中之油凍結且形成防止油流經該管線的凍結的油插塞。在該等方法中，該低溫劑注射器裝置可經定位而相對於該熱轉移裝置較接近於流經該管線之流體的源，使得在該流體到達該管線的該熱轉移裝置附接至之區域之前，低溫劑注射至該流體中冷卻該流體。在一些具體實例中，該熱轉移裝置可啟動達足夠時間以形成防止該流體流經該導管的凍結流體插塞。一旦該凍結插塞形成，該熱轉移裝置可維持啟動達足夠時間以使凍結流體插塞維持穩固地附接至該管線之內壁，藉此防止流體流過該管線中之插塞。
在一些方法中，該CryoPlug低溫熱力閥系統附接至無損導管且在該低溫熱力閥系統之附接點上方的導管發生故障或破裂之情況下被啟動以作為該導管之緊急封堵機構。在此等方法中，該低溫熱力閥系統可附接至破裂或破損導管。在此等方法中，作為一步驟，該等方法進一步包括：識別導管中之破裂位點；在該破裂下方將熱轉移裝置附接至該導管之無損區域；在該熱轉移裝置下方附接低溫劑注射器裝置；及啟動該熱轉移裝置及該低溫劑注射器或注射器裝置，藉此將該低溫熱力閥系統置於作用中模式，達一段足夠的時間以形成防止該流體流經該導管的凍結流體插塞。該CryoPlug低溫熱力閥系統可維持於作用中模式下，直至對該導管進行修補為止。
在該等方法中，該堵塞為可逆的，使得油可重新開始流經該導管。為了完成此情形，作為一步驟，該方法進一步包括：增加該熱轉移裝置或其一部分之溫度使得其將熱能貢獻給該導管內之插塞，藉此增加該 凍結插塞之至少一部分的溫度且融化該凍結插塞且使流體通過該管道之流動恢復。在一些具體實例中，該熱交換單元包括橫過熱交換單元之長度的一部分或全長度的一或多個加熱通道。該(等)加熱通道包括加熱該通道以單側地或定向地將熱提供至形成於該導管內之凍結流動插塞的構件。對該插塞進行此定向熱能施加允許定向地融化該插塞，諸如以貫穿該插塞形成通道，液態流體可流經該通道。此防止將該凍結插塞發射通過該導管，且准許受控地使通過該導管之流動恢復。
亦提供用於暫時隔離油井之方法。該等方法包括：將熱轉移裝置附接至該油井中之井套管的一部分，使得其與該井套管之至少一部分熱接觸；及將低溫劑注射器模組安裝至該井套管之一部分，以使得在被啟動時該注射器模組將低溫劑注射至該井套管中的油中，其中在油與該井套管的該熱轉移裝置附接至之區域接觸之前，低溫劑注射至油中降低油之溫度，且該熱轉移裝置自油提取足夠熱能，使其凍結且形成可逆地附接至該井套管之側壁的凍結油插塞。在一些具體實例中，該熱轉移裝置併入至該井套管或其他管中。在一些方法中，該低溫劑可為液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳、固態二氧化碳，或其組合。該熱轉移裝置可包括含有致冷劑之液體熱交換單元。
在該等方法中，該致冷劑可包括低溫劑及溶劑。在一些方法中，該致冷劑包括(a)液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或固態二氧化碳，或其組合及(b)選自以下各者中之溶劑：四氯化碳、間二氯苯、硝基甲烷、溴 化苯、乙腈、氯苯、間二甲苯、正丁胺、正辛烷、氯仿、第三丁胺、三氯乙烯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、庚烷、環戊烷、己烷、甲醇、環己烷、異辛烷、乙醛、甲基環己烷、m-戊烷、1,5-己二烯、異戊烷、3-庚酮、環己酮、二乙基卡必醇、卡必醇乙酸酯、乙醇、丙酮、異丙醇、甲乙酮、二乙醚及其組合。
在一些具體實例中，該方法包括將致冷劑或低溫劑提供至熱交換單元及將廢致冷劑或低溫劑放出至環境中。在一些方法中，將致冷劑或低溫劑提供至該熱交換單元，且使該廢致冷劑或低溫劑再循環至熱交換單元，且藉由使該廢致冷劑或低溫劑通過閉路致冷系統來再生該廢致冷劑或低溫劑。在一些方法中，該致冷系統為超低溫致冷系統。在一些方法中，該致冷系統包括壓縮機、冷凝器、過濾乾燥器及/或熱交換單元。在一些方法中，該壓縮機可為往復式壓縮機、旋轉式壓縮機、螺旋式壓縮機、渦捲式壓縮機，或此等壓縮機中之任兩者的組合。
在一些方法中，該低溫劑注射器或注射器單元可包括裝配有中空鑽頭之鑽機。在此等方法中，該低溫劑注射器單元之啟動包括給該鑽機供以動力以使得其貫穿該井套管來鑽孔，以使得該中空鑽頭之末端與該井套管中之油流體連通。一旦該中空鑽頭與該井套管中之油流體連通，低溫劑供應源便可直接地或間接地附接至該中空鑽頭以將低溫劑注射至該油中。
亦提供用於產生含於導熱金屬導管中之流體的受控速率之冷凍的方法。該方法包括：(a)安裝低溫劑注射器單元，其在啟動時將低溫劑注射至該流體中；(b)在該低溫劑注射器或注射器單元下游之一點處 安裝熱交換單元使之與其中含有流體之導管熱接觸；(c)啟動該低溫劑注射器或注射器單元以將低溫劑注射至該流體中且藉此降低該流體之溫度；(d)啟動該熱交換單元以藉由該致冷劑吸收熱能以形成廢致冷劑，藉此自該導管及其中之流體提取熱能且將熱能轉移至該熱交換單元；及(e)耗散該熱交換單元所吸收之熱。在此等方法中，可藉由將廢致冷劑放出至環境中而耗散由熱交換單元吸收之熱。
在一些方法中，可藉由使該廢致冷劑通過致冷系統以移除該廢致冷劑自與該導管熱連通之熱交換單元吸收的熱能來再生該廢致冷劑。
亦提供用於在含於導熱金屬導管中之流體中產生可逆插塞的方法。該等方法包括：(a)安裝一或多個注射器單元，其在啟動時將材料注射至該導管內之流體中，其中該注射器單元包括在啟動時注射低溫劑的低溫劑注射器；且該注射器單元可包括輔助注射器，該輔助注射器注射含有橋接流體或表面活性劑或其組合的組成物；(b)在該低溫劑注射器單元下游之一點處安裝熱交換單元使之與其中含有流體之導管熱接觸；(c)啟動該熱交換單元以使該低溫劑自該導管及其中之流體吸收熱能以形成廢致冷劑藉此自該導管及其中之流體抽取熱能，其中該熱能係自該流體轉移至該熱交換單元；及(d)啟動該一或多個注射器單元以將低溫劑及橋接流體或表面活性劑或其組合注射至該流體中以在其中形成插塞。該導管中之流體可為任何流體，包括液體(諸如，烴或水)或氣體(諸如，天然氣)。在該等方法中，輔助注射器可注射表面活性劑，此可導致形成更均質之凍結插塞且促使該凍結插塞更好地黏附至該導管。該表面活性劑可為具有表面活性之任何劑，諸如陰離子、陽離子、兩性離子、非離子或聚矽氧界面 活性劑或其組合。亦提供以下方法，其中該等輔助注射器注射橋接流體。可使用此項技術中所知之任何橋接流體。例示性橋接流體包括水、甲醇、乙醇、異丙醇及其混合物。在該等方法中，該熱轉移裝置含有導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、線、小球或珠。
在本文中所提供之裝置、系統及方法中，該熱交換單元之長度可變化且可由熟習此項技術者設計為任何長度。該熱交換單元可由連續管道形成，或多個熱交換單元可互連以形成所要長度之熱交換單元。舉例而言，熱交換單元可具有介於2呎與5000呎之間的長度。在本文中所提供之裝置、系統及方法中，該熱交換單元可水平地定向，或可經定向以相對於水平線介於1º與89º之間，或可垂直地定向。
亦提供本文中所提供之兩個或兩個以上熱交換單元連接在一起的系統。在一些組態中，兩個或兩個以上熱交換單元串聯連接，且致冷劑或低溫劑在放出或離開該系統之前自一個熱交換單元流動至下一個熱交換單元。在一些組態中，兩個或兩個以上熱交換單元串聯連接，且每一熱交換單元連接至分離之致冷劑或低溫劑供應模組。
形成於本文中所提供之熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之大小可為任何尺寸，其可由熟習此項技術者確定。在一些具體實例中，該通道可具有介於約0.05吋至約500吋之間的寬度。本文中所提供之熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之大小亦可基於該外表面之尺寸對該內表面之尺寸的比率。舉例而言，形成於該熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度可介於該熱交換單元之內徑的約10%至約500%之間。
在本文中所提供之熱交換單元中，可包括橫過熱交換單元之長度的一部分或全長度的一或多個加熱通道。該等加熱通道經定位以使得經由該加熱通道引入至該熱交換單元中的熱能被轉移或引導至該導管內的凍結流體插塞，該熱交換單元連接於該導管附近。該等加熱通道可經組態以含有流體，諸如經加熱之液體或氣體。該等加熱通道亦可經組態以含有一或多個加熱單元。例示性加熱單元包括居里溫度加熱器、限溫加熱器、導管中導體熱源、加熱器條帶、電阻性加熱條帶、正熱係數陶瓷加熱器、厚膜陶瓷加熱器、電阻絲或電阻帶加熱裝置。
本文中亦提供以下熱交換裝置，該等熱交換裝置含有：內導管2，其具有直徑D2；外導管2c，其具有直徑Dc2；端板3；端板4；入口12，用於將低溫劑或致冷劑引入至該熱交換裝置中；及出口13，用於將低溫劑或致冷劑自該熱交換裝置放出，其中該內導管2包括：管道2f，其具有外徑2fD；在鰭片管2f之左遠端處的管道2a left 及在該管道2f之右遠端處的管道2a right ；該端板3具有開口，導管2a left 之一部分通過該開口；該端板4具有開口，導管2a right 之一部分通過該開口；該端板3附接於該外導管2c之左邊及導管2a left 周圍；該端板4附接於該外導管2c之右邊處及導管2a right 周圍；該內導管2及該外導管2c形成具有寬度Dc2減去D2之空穴；且該內導管2與該外導管2c之間的空穴填充有導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、小球或珠；且該管道2f與該導熱金屬之該等粒子、銼屑、車屑、刨屑、小球或珠中之一或多者熱連通。在一些具體實例中，管道2f包括導熱鰭片。該等鰭片可以任何幾何形狀或位置來組態。鰭片管2f之鰭片可在徑向或縱向上組態。該等鰭片可經組態以具有同一長度或具有兩個或兩個以上不同 長度。在一些具體實例中，該等鰭片可有凹口或穿孔或兩者以最小化氣泡形成或聚集及最小化死區形成。在一些具體實例中，鰭片管2f之鰭片中的兩個或兩個以上可延伸該熱交換單元內該空穴之寬度或長度以產生一或多個通道。在形成多個通道之情況下，該等通道可彼此鄰近或可在內導管2之半徑周圍或在內導管2之長度附近交錯。個別低溫劑注射器可附接至該熱交換單元以將低溫劑注射至由鰭片管2f之鰭片形成的通道中之每一者中。本文中所提供之熱交換單元亦可包括調變低溫劑或致冷劑在該熱交換單元內之流動的一或多個擋板。
本文中所提供之熱交換單元亦可包括一或多個加熱通道，該一或多個加熱通道橫過該熱交換單元之長度的一部分或全長度且與該內導管2熱連通，其中該等加熱通道經組態以含有流體或含有一或多個加熱單元，諸如居里溫度加熱器、限溫加熱器、導管中導體熱源、加熱器條帶、電阻性加熱條帶、正熱係數陶瓷加熱器、厚膜陶瓷加熱器、電阻絲或電阻帶加熱裝置。
本文中所提供之熱交換單元可包括附接至該熱交換單元中之兩個或兩個以上開口之輸入歧管以將該低溫劑或致冷劑分配至該熱交換單元中的兩個或兩個以上注射位點。該輸入歧管可經組態以將該低溫劑或致冷劑分配至在徑向上位於該熱交換單元中的兩個或兩個以上注射位點或分配至在縱向上位於該熱交換單元中的兩個或兩個以上注射位點或此等位點之任一組合。本文中所提供之熱交換單元亦可包括放出歧管，該放出歧管在該熱交換單元中之兩個或兩個以上放出位點處將該低溫劑或致冷劑自該熱交換單元放出。
亦提供一種低溫熱力閥裝置，其包括本文中所提供之熱交換裝置及位於該熱交換裝置上游之一或多個低溫劑注射器裝置。當存在兩個或兩個以上低溫劑注射器裝置時，其可在徑向上在該導管附近定位以通往該熱交換單元之進口，或其可在縱向上(在管道之長度附近)定位，及其任何組合。本文中所提供之低溫熱力閥裝置亦可包括位於該低溫劑注射器裝置上游之輔助注射器裝置。在本文中所提供之低溫熱力閥裝置中，該熱交換單元含有導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、線、小球或珠，且包括橫過該熱交換單元之長度的一部分或全長度的一或多個加熱通道。該等加熱通道可經組態以含有流體或含有一或多個加熱單元。該等低溫熱力閥裝置亦可包括可監視該熱交換單元及/或該導管中之條件的其他裝置，諸如熱監視器、流監視器及壓力監視器。該等低溫熱力閥裝置亦可包括電腦。該電腦可用以使該低溫熱力閥裝置自動化，諸如與監視該熱交換單元及/或該導管中之條件的裝置(諸如，熱監視器、流監視器及壓力監視器)通信或與可由該電腦操縱之可定址閥通信。
熟習此項技術者自以下【實施方式】將會顯見本文中所描述之系統及方法的其他目標、特徵及優點。然而，應理解，【實施方式】(在指示本文中所描述之裝置、系統及方法的某些具體實例時)係以說明之方式給出且並非限制的。在不脫離本發明之精神的情況下，在本發明之範疇內可進行許多改變及修改。
1‧‧‧熱能轉移系統
2‧‧‧導管
D2‧‧‧導管2之直徑
2c‧‧‧外導管或外套管
D2c‧‧‧外導管2c之直徑
2f‧‧‧管道
2fD‧‧‧管道2f之外徑
2aleft‧‧‧在管道2f之左遠端處的管道
2aright‧‧‧在管道2f之右遠端處的管道
2atop‧‧‧位於導管2之一端的管道區段
2abottom‧‧‧位於導管2之另一端的管道區段
3‧‧‧第一端板
3a‧‧‧第一頂板
3b‧‧‧第二頂板
4‧‧‧第二端板
4a‧‧‧第一頂板
4b‧‧‧第二頂板
5‧‧‧加熱元件
7‧‧‧擋板
8‧‧‧篩
9‧‧‧熱轉移裝置
10‧‧‧熱交換單元
11‧‧‧導熱表面
12‧‧‧入口
12a‧‧‧輸出口接受器
13‧‧‧出口
14‧‧‧連接器
15‧‧‧熱監視器
16‧‧‧加熱元件
17‧‧‧加熱通道進口
18‧‧‧加熱通道出口
19‧‧‧閥
20‧‧‧不導熱部分
21‧‧‧泄壓閥
22‧‧‧手動旁路閥
23‧‧‧導熱的珠、小球、車屑
24‧‧‧壓力感測器
25‧‧‧超音波流速感測器
26‧‧‧導熱鰭片
27‧‧‧吸取管路
28‧‧‧旁路迴路
29‧‧‧歧管
30‧‧‧熱絕緣夾套
31‧‧‧低溫劑止回閥
32‧‧‧低溫劑泄壓閥
33‧‧‧低溫劑分流閥
34‧‧‧低溫劑充滿放出口
35‧‧‧排放口
38‧‧‧溫度感測器
39‧‧‧壓力感測器
40‧‧‧泵模組
45‧‧‧加熱通道
50‧‧‧致冷劑供應模組
55‧‧‧電腦模組
60‧‧‧低溫劑注射器模組
61‧‧‧排放管
62‧‧‧閥
63‧‧‧輸入口
64‧‧‧分配中樞套節
65‧‧‧熱監視器
67‧‧‧注射裝置
68‧‧‧排放管
68a‧‧‧排放管
69‧‧‧加熱單元
70‧‧‧導管2內的流體
72‧‧‧調變閥
73‧‧‧閥
74‧‧‧井口
75‧‧‧低溫劑供應模組
76‧‧‧低溫劑供應模組75的出口
77‧‧‧來自致冷劑供應模組50的供應管路
78‧‧‧井套管
79‧‧‧閥
80‧‧‧低溫熱力閥系統
81‧‧‧殼層
82‧‧‧壓力計
84‧‧‧主流體返回管路
85‧‧‧觀測窗
88‧‧‧輔助注射器
91‧‧‧返回軟管
92‧‧‧供應軟管
93‧‧‧篩
95‧‧‧儲集器
100‧‧‧消音器
A‧‧‧與導管2熱連通之最內管道
B‧‧‧可在管道A周圍裝配之管道
C‧‧‧致冷劑可流經之通道
D‧‧‧可在管道B周圍裝配之比管道B直徑更大的管道
F‧‧‧凸緣
G‧‧‧間隙
L1、L2、L3及L4‧‧‧低溫劑供應管路
Lv1、Lv2、Lv3及Lv4‧‧‧在低溫劑供應管路上的電磁閥
N‧‧‧噴嘴
N1、N2、N3及N4‧‧‧低溫劑噴嘴
圖1為熱能轉移系統之具體實例的示意說明。
圖2為包括含液體之熱交換單元的熱能轉移系統之具體實例的示意說明。
圖3為圖2之熱交換單元的俯視圖。
圖4A及圖4B展示圖2之熱交換單元之切口部分的詳細俯視圖，描繪使用連接器對熱交換單元之兩個區段進行的互連。圖4B展示含有導熱珠之熱交換單元。
圖5A及圖5B展示圖2之熱交換單元之切口部分的詳細俯視圖，描繪熱交換單元之兩個區段的直接互連。圖5B展示含有導熱珠之熱交換單元。
圖6為由同心管道製造的含液體之熱交換單元之具體實例的示意說明。
圖7為圖2之熱交換單元之切口部分的詳細側視圖，描繪熱交換單元之兩個區段的直接互連。
圖8為圖2之熱交換單元之俯視圖，描繪使用連接器對熱交換單元之兩個區段進行的互連。
圖9為製冷劑注射器模組之垂直具體實例的實施例的側視圖。
圖10為具有預防型低溫熱力閥系統之井位的垂直具體實例之實施例的側視圖，該預防型低溫熱力閥系統將致冷劑放出至環境。
圖11為具有預防型低溫熱力閥系統之井位的垂直具體實例之實施例的側視圖，該預防型低溫熱力閥系統使致冷劑再循環。
圖12A至圖12F描繪例示性熱力閥組態。
圖13為低溫熱力閥系統之垂直具體實例的實施例的側視圖。
圖14A及圖14B為低溫熱力閥系統之水平具體實例的實施例的側視圖。
概述
A. 定義
B. 熱能轉移系統(驟冷系統)
1. 熱轉移裝置
a. 含液體之熱交換單元
b 熱電模組或帕耳帖裝置
c. 磁熱轉移裝置
2. 熱隔離構件
3. 電腦模組
4. 低溫劑注射器模組
C. 預防型低溫熱力閥系統
D. 方法
E. 實施例
A. 定義
除非另有定義，否則本文所使用之所有科技術語具有與熟習本發明所屬技術者通常所理解之意義相同的意義。除非另有敍述，否則本文中貫穿整個揭示內容所提及的所有專利、專利申請案、公開申請案及公開案、網站及其他公開材料皆以引用方式全文併入。在本文中之術語存在複數個定義之情況下，以本節中之彼等定義為準。在參考URL或其他此類識別符或位址之情況下，應理解，此等識別符可改變且網際網路上之特定資訊可變來變去，但可藉由搜尋網際網路找到等效資訊。對此類資訊之參 考證明了此資訊之可用性及公開傳播。
如本文中所使用，術語「粒子」指代可由任何材料(諸如，銅、鐵、金、氧化鋁、玻璃、矽石、乳膠、塑膠、瓊脂糖、聚丙烯醯胺、甲基丙烯酸脂或任何聚合材料)組成且為任何大小及形狀的小塊。典型地，粒子具有在5至10mm範圍中或更小(諸如小於50μm或小於10μm)的至少一尺寸。此類粒子在本文中被統稱作「珠」，且通常(但未必)為球形的。然而，稱作「珠」並不約束粒子之幾何形狀，其可為任何形狀，包括隨機形狀、針、纖維及細長橢球體。「球」亦涵蓋微球體，諸如直徑小於5μm之球體。
如本文中所使用，除非上下文另有清楚地指示，否則單數形式「一」及「該」亦包括複數個所指物。
如本文中所使用，範圍及量可表達為「約」一特定值或範圍。「約」亦包括精確量。因此，「約5%」意謂「約5%」且亦意謂「5%」。「約」意謂對於既定應用或目的在典型實驗誤差內。
如本文中所使用，「可選」或「視情況地」意謂隨後描述之事件或情形發生或不發生，且該描述包括該事件或情形發生的情況及該事件或情形不發生的情況。舉例而言，系統中之可選組件意謂著該組件可存在於該系統中或該組件可不存在於該系統中。
如本文中所使用，術語「實質上純」指代具有至少約95%(以乾重計)的活性化合物或至少95%純的化合物。
如本文中所使用，「熱導率」λ1被定義為在所施加溫度梯度之影響下每單位時間將橫過單位厚度及橫截面積之介質的熱量。λ1之值通 常在250-400×10-6cal/cm s K之範圍中，但具有高度關聯之一些液體(諸如，可隨氫鍵結合發生)具有較高傳導率。用於量測熱導率之裝置在此項技術中為眾所周知的(例如，參見美國專利第4,283,935號)。熱導率為在單位時間中在穩定條件下在與單位面積之表面正交的方向上歸因於單位溫度梯度所傳輸之熱量。
如本文中所使用，「傳導熱流」指代熱能自一溫度下之第一物件轉移至在低於該第一物件之溫度的溫度下的第二物件。若在固體(或固定流體)介質中存在溫度梯度，則將發生傳導。當鄰近分子碰撞時，能量自能量較多之分子轉移至能量較少之分子。由於較高溫度與較高分子能量相關聯，因此傳導熱流發生在減小溫度之方向上。
如本文中所使用，「導管」為用於傳送流體之通道、管、管子或管道。
如本文中所使用，「流體」指代氣體、液體、超臨界流體及流動之材料，視情況地含有溶解物質、溶劑化物質及/或顆粒狀物。流體亦指代一同存在的不同類型之多種流體。在此上下文中，流體指代任何形式之液體或可泵汲材料，諸如石油、鑽井液、水泥、混凝土或樹脂塗佈砂。
如本文中所使用，術語「熱能」指代產生熱之能。
如本文中所使用，術語「機械性質」指代屬於特定材料(諸如，金屬或其合金)之機械品質或特質。
如本文中所使用，術語「帕耳帖裝置」指代具有視電流通過裝置之方向而吸收或輻射來自相對之導熱部分之熱的能力的已知、自含式半導體裝置。該等導熱部分通常由金屬建構(歸因於金屬之極佳熱導率)， 但可用其他材料替代。帕耳帖裝置可經操作以在電流在一個方向上通過半導體接面時吸收來自第一導熱部分之熱量並由第二導熱部分釋放熱量。
如本文中所使用，術語「單向流」指代沿一個方向前進之流。
如本文中所使用，「層狀流」指代通過管之流的速度概況關於管軸線對稱的均一層狀流。層狀流由流體在層中之移動來表徵。詳言之，層狀流與湍流之區別在於在層狀流中不存在鄰近流體層之巨觀混合。
如本文中所使用，「湍流」指代以下一種流體流，在其中通過管之流的速度概況關於管軸線不對稱且可包括隨機地且不規律地波動之局部速度及壓力，使得流體中之任一固定點處的速度不規則地變化。
如本文中所使用，術語「熱監視單元」指代溫度感測器。溫度感測器可包括電組件，該電組件具有可用以判定材料之溫度的某可量測、可重複之性質。溫度感測器可為熱電偶、二極體或電阻裝置(諸如，熱敏電阻或RTD)。
如本文中所使用，「熱連通」指代接觸或藉由傳輸熱能之介質整體地連接之本體之間的熱轉移。此連通大體上涉及輻射、傳導、對流或其組合。熱連通可涉及流體連通(例如，對流或傳導)或可能不涉及流體連通(例如，輻射)。
如本文中所使用，術語「熱接觸」指代以下一種配置，其提供自一表面至另一表面之良好熱連通且未必表示該兩個表面之間沒有中間層。術語「熱接觸」包括一組件與另一組件之間的任何耦接，該耦接允許實現該等組件之間的相對有效率之熱轉移。該等組件可彼此直接熱接觸，或其可間接接觸(諸如，經由導熱層、區塊或導管)。
如本文中所使用，術語「熱轉移」指代由一物件將熱能傳送至另一物件。
如本文中所使用，「熱轉移裝置」為將熱能傳送至與之熱連通之物件的裝置。
如本文中所使用，「流體連通」指代涉及流體轉移之連通。在一些具體實例中，流體連通可涉及熱連通(例如，流體自一點轉移至另一點，其中該兩點並不處在同一溫度)或可能不涉及熱連通(例如，流體自一點轉移至另一點，其中該兩點處在同一溫度)。
如本文中所使用，術語「冷卻速率」指代自物件移除熱能之速度。可藉由將冷卻開始時之溫度與最終冷卻溫度之間的差除以自冷卻開始直至達到最終冷卻溫度所花的時間來獲得冷卻速率之值。大體上，冷卻速率指代隨時間過去物件之溫度降低。可藉由控制自物件移除熱能之速率來調整冷卻速率。熱交換之細節為熟習此項技術者所熟知。
如本文中所使用，術語「低溫劑」指代具有0℃或低於0℃之溫度的任何物質。例示性低溫劑包括液態氮、液態氧化亞氮、液態甲烷、液態天然氣或液態或固態二氧化碳、二氟氯甲烷或氟氯烷(DuPont之商標)或任何數目種具有高熱能轉移能力及低沸點的其他致冷劑或流體，如熟習此項技術者通常所知的。低溫劑在施加至物件時可容易地誘發溫差。
如本文中所使用，術語「低溫劑液體」指代液相之低溫流體。在一些情況下，低溫液體為具有低於-238℉(-150℃)之正常沸點的液化氣體。舉例而言，液態氬具有-302.6℉(-185.9℃)之沸點，且液態氮具有-321℉(-196℃)之沸點。
如本文中所使用，術語「低溫」指代在0℃或低於0℃之溫度下使用的冷卻介質。
如本文中所使用，術語「導熱」指代材料將熱能或熱量轉移或傳遞至另一材料或貫穿其自身轉移或傳遞熱量或熱能的性質。因此，導熱材料藉由傳導、對流或輻射容易地將熱能轉移至另一材料或貫穿其自身來容易地轉移熱能。在一些情況下，導熱材料具有至少1瓦特/m℃及通常更大之熱導率。
如本文中所使用，術語「不導熱」指代材料不能將熱能或熱量轉移或傳遞至另一材料或不能經由其自身轉移或傳遞熱能或熱量。因此，不導熱材料不能容易地將熱能轉移至另一材料或經由其自身來轉移熱能。不導熱材料為熱絕緣材料。在一些情況下，不導熱材料具有小於1瓦特/m℃之熱導率。
如本文中所使用，術語「陶瓷」包括所有技術中承認之陶瓷資料、陶瓷材料之複合物，及陶瓷及金屬及/或金屬合金之複合物。
如本文中所使用，術語「磁致冷器」指代使用基於磁熱效應之冷卻技術的裝置。
如本文中所使用，術語「磁熱效應」指代以下一種現象，即，鐵磁材料之溫度在於外部將強磁場施加至鐵磁材料時增加，而鐵磁材料之溫度在磁場消除時減小。此磁熱效應由熵守恆定律導致。
如本文中所使用，術語「孔隙」指代開口，例如孔、間隙或狹縫。
如本文中所使用，術語「噴嘴」指代在出口或終止點處或附 近的流體線之縮窄，流體自該出口或終止點噴射至開放空間中，該開放空間通常處於比供應線中之壓力低的壓力下。
如本文中所使用，術語「致冷」指代自溫度低於室溫之物件或流體(氣體或液體)移除熱量。
如本文中所使用，術語「超低溫」指代在-50℃與-150℃之間的溫度範圍。
如本文中所使用，術語「致冷劑」指代適合於冷卻應用之任何熱轉移介質，尤其流體介質。致冷劑可為液相之低溫流體，諸如液態氬或液態氮。
如本文中所使用，術語「廢致冷劑」指代已吸收熱能之致冷劑。
如本文中所使用，術語「原油」指代自地表下開採且仍未處理或未精煉的油。原油通常含有可能被硫化合物污染的主要為戊烷及重烴之混合物，在油井處自地下儲集層開採或可開採，且在對其容量進行量測或估計時所處之條件下通常為液體。若原油密度為900kg/m3或900kg/m3以上，則原油被稱作「重」，且若原油具有小於900kg/m3之密度，則其被稱作「輕」或「習知的」。
如本文中所使用，術語「撇渣油」指代在棄置水之前自水回收之采出油。撇渣油包括帶有采出水之油且累積於水儲存槽中，其中藉由撇出水而回收該油、視情況地加以處理且接著出售。
如本文中所使用，術語「橋接流體」指代在與低溫劑接觸時或當曝露於低溫溫度(諸如，低於其凝固點之溫度)下時可轉化成固體的 流體材料，諸如液體。例示性橋接流體包括水、水蒸氣、甲醇、乙醇、異丙醇或其混合物。
如本文中所使用，術語「表面活性劑」指代當添加至液體時在表面處改變彼液體之性質的化學品，尤其有機化學品。該液體可為任何流體。
如本文中所使用，術語「界面活性劑」指代在空氣/水、油/水及/或油/水界面處吸收從而實質上減少其表面能的表面活性分子。術語「清潔劑」通常與術語「界面活性劑」互換使用。界面活性劑通常視表面活性部分之電荷而分類，且可分為陽離子、陰離子、非離子及兩性界面活性劑。
界面活性劑可為兩親媒性的，因為其具有親水性(喜水、疏油、憎油)及疏水性(憎水、親脂、親油)部分。分子之疏水性部分為非極性的，且可含有脂族或芳族烴殘基或其組合。界面活性劑之親水性部分可包括極性基，其可與水、羥基、羧基及離子基強烈地相互作用。由於其雙重性質，表面活性劑能夠在溶液中形成獨特之界面活性劑結構(例如，微胞、混合微胞及微脂粒)，此傾向於最小化或消除其疏水性部分與水環境之間的接觸。在一些情況下，表面活性劑可提供油脂、油、烴可溶解或溶入的基本上疏水性核心。
表面活性劑吸附(例如，對烴)之定向、構形及密度視界面活性劑之性質(例如，陰離子、陽離子、非離子、兩性離子)、特定表面化學、電荷及表面吸附劑之疏水性/親水性(接觸角)而定。帶電荷之界面活性劑(陰離子、陽離子)單體傾向於吸附至來自水溶液的帶相反電荷之親 水性表面位點上，此歸因於帶電荷的頭端與表面位點之間的靜電吸引。
如本文中所使用，術語「聚矽氧乳化劑」或「聚矽氧界面活性劑」指代包括至少一個Si原子的表面活性劑。術語「聚矽氧乳化劑」包括含有聚合主鏈之有機矽氧烷聚合物，該聚合主鏈包括重複之矽烷氧基單元，該等矽烷氧基單元可具有環狀、直鏈或分支之重複單元，例如二烷基矽烷氧基單元，諸如二甲基矽烷氧基單元。有機矽氧烷之親水性部分通常可藉由自由基取代至聚合主鏈上來達成，該自由基將親水性質賦予該分子之部分。該親水性自由基可取代於聚合有機矽氧烷之末端上或取代於聚合物之任何一或多個重複單元上。大體上，經改質聚二甲基矽氧烷之重複二烷基矽烷氧基(諸如，二烷基矽烷氧基)單元歸因於甲基而實質上為親脂的，且將親脂性賦予該分子。另外，較長鏈之烷基、羥基-聚丙烯氧基或其他類型之親脂基可取代至矽烷氧基主鏈上以賦予進一步之親脂性及有機相容性。若分子之親脂部分係完全或部分地歸因於特定自由基，則此親脂基可取代於聚合物之末端上或取代於聚合物之任何一或多個重複單元上。
如本文中所使用，術語「上游」指代物件相對於流體流在朝向參考點之方向上的位置。舉例而言，定位於熱交換單元上游之流迴路中的物件處在熱交換單元的流體進入至熱交換單元中的側上。
如本文中所使用，術語「下游」指代物件相對於流體流在遠離參考點之方向上的位置。舉例而言，定位於熱交換單元下游之流迴路中的物件處在熱交換單元的流體離開熱交換單元的側上。
B. 熱能轉移系統(驟冷系統)
目前所揭示之方法及系統提供使用熱轉移裝置(諸如，含液 態致冷劑之熱交換單元、熱電模組、帕耳帖裝置或磁性熱轉移裝置)快速地移除熱能且藉此冷卻及/或冰凍導熱金屬導管及其所含流體的能力，以提供在寬範圍之冷卻速率內的對導管之快速冷卻且亦在指定時使導管之溫度保持在任何規定溫度下。熱能轉移系統1(驟冷系統)之例示性具體實例展示於圖1中。該驟冷系統包括與導管2熱連通之熱轉移裝置9，且熱轉移裝置9及導管2藉由熱絕緣裝置夾套30而與外部環境熱隔離。該系統包括安置於導管2上之一或多個加熱元件5及在熱轉移裝置9上或內及在導管2上的一或多個熱監視器15。熱能轉移系統1與電腦模組55通信。導管可相對於地面處於任何定向。舉例而言，導管可垂直於地面，例如，產油井之一般定向。導管亦可平行於地面，例如，地上轉移管線之一般定向。導管亦可相對於一表面成任何角度來定向，其中將平坦地面視為零度傾斜水平。舉例而言，導管可經定向以相對於水平線介於1º與89º之間，諸如相對於水平之10º、15º、20º、25º、30º、35º、40º、45º、50º、55º、60º、65º、70º、75º、80º或85º。
本文中提供一種用於自導管提取熱能以便冷凍其中流體內含物之至少一部分的驟冷器或冷凍系統，其中該系統包括：與導管親密熱接觸之熱交換單元；液態致冷劑源；吸入迴路，其耦接至該液態致冷劑源且經調適以將均一之液態致冷劑流提供至該熱交換單元；排出迴路，其用於自該熱交換單元移除該液態致冷劑；及(視情況地)控制系統。該冷凍或驟冷系統之排出迴路經調適以在遠離導管某距離處放出液態致冷劑，且該控制系統經調適以回應於該熱交換單元之所要冷卻速率及該冷卻腔室內之所量測溫度而調整低溫劑源在該吸入迴路中的流速及任何低溫氣體在排 出迴路中的流速，從而調整遞送至冷卻腔室中的冷低溫劑(液體或氣體)之溫度。以此方式，將溫度經調整之低溫流體(冷液體或氣體)的均一、單向且層狀之流遞送至該熱交換單元以自導管及/或其內含物均一地提取熱能。
在一組態中，本文中所提供的用於受控地自導熱金屬導管移除熱能的系統包括：熱轉移裝置，其經調適以裝配至導管之表面而具有足夠熱親密性，使得可在該導管與該熱交換單元之間轉移熱能；及熱隔離構件，其用於使該熱轉移裝置及該導管之應用區與環境隔離。該系統包括多個熱監視器，該等熱監視器可附接至該導管之一或多個點以監視熱梯度且可包括於該熱轉移裝置與該導管之間的界面處以監視界面處之溫度。該系統可包括電腦，該電腦控制該熱轉移裝置及該等熱監視器或與該熱轉移裝置及該等熱監視器通信。該驟冷系統經設計以用於導管與熱轉移裝置之間的受控溫度交換，以使得控制熱梯度及/或熱交換之速率以便最小化或消除該導管上之熱應力。熱應力為由溫度改變導致之總體熱收縮與製造導管所用之材料的彈性模數的乘積。由於液態致冷劑之零下溫度所引起的溫度梯度隨著導管之粗度增加而增加，因此較粗導管展現為比由較細但較堅固之材料建構的導管更易發生熱應力失效。如下文所描述，該驟冷系統可包括(且在例示性具體實例中確實包括)其他組件。
1. 熱轉移裝置
在本文中所提供之裝置及系統的一些具體實例中，一種熱轉移裝置包括熱交換單元，該熱交換單元經調適以裝配至導管之表面而具有足夠熱親密性，使得可在該導管與該熱交換單元之間轉移熱能。在一些具 體實例中，該熱轉移裝置包括導熱致冷劑及致冷劑供應模組，其中該致冷劑供應單元與該熱交換單元流體連通。在一些具體實例中，該熱轉移裝置為電的。在一些具體實例中，該熱轉移裝置為磁的。
a. 含液體之熱交換單元
在一些具體實例中，防熱驟冷系統包括在開路系統中之致冷劑液體，而在其他具體實例中，其包括在閉路系統中之致冷劑液體。包括含液體之熱交換單元之例示性驟冷系統展示於圖2中。本文中所描述之系統及裝置包括各自具有不導熱表面及導熱部分的一或多個熱交換模組，其中該(等)導熱表面經調適以與導管親密熱連通。例示性熱交換單元10之俯視圖展示於圖3中。該等裝置亦包括致冷劑液體。在一些具體實例中，該致冷劑液體為漿料，包括溶劑及液化氣體或固態氣體(諸如，乾冰(固態CO2))。在一些具體實例中，該致冷劑液體包括液化氣體，諸如氮、氦、氬、氖、氙、二氧化碳或其組合物。在一些具體實例中，該裝置亦包括壓縮機及/或蒸發器。在一些具體實例中，該裝置包括用於使致冷劑液體循環及/或輸送致冷劑液體的一或多個泵。該等裝置包括用於熱交換模組與致冷劑供應模組之流體連接的管系及/或允許致冷劑液體之流動的壓縮機及/或泵，且可包括控制致冷劑液體之流動的一或多個流控制定量閥。在一些具體實例中，具有電腦處理器之電腦控制該系統之一或多個流控制定量閥及/泵的操作。
在一些具體實例中，該熱轉移裝置包括熱交換單元。熱交換單元在此項技術中為眾所周知的(例如，參見美國專利第7,441,412號；第7,407,600號；第7,378,065號；第7,272,951號；第7,263,852號；第7,069,981 號；第7,0287,68號；第7,013,668號；第6,185,953號；第5,787,722號及第5,582,239號)。在一些具體實例中，該熱轉移裝置包括含有導熱致冷劑之熱交換單元及致冷劑供應模組，其中該致冷劑供應單元與該熱交換單元流體連通。
i. 泵
該熱轉移裝置可包括用於將致冷劑自該致冷劑供應單元移動至該熱交換單元的泵模組。在一些具體實例中，該熱轉移裝置經組態以包括在該致冷劑供應模組與該熱交換單元之吸入口之間的泵。該熱轉移裝置亦可經組態以包括在該熱交換單元之輸出口與該系統之出口或排放管之間的泵模組。該系統亦可經組態以包括對致冷劑供應模組中之致冷劑加壓且藉此泵汲致冷劑穿過該系統的泵模組。該系統亦可經組態以包括泵模組之組合，諸如在熱交換單元與致冷劑供應單元之間且在熱交換單元與排放管之間。
ii. 熱交換單元
包括液態致冷劑之裝置及系統可包括熱交換單元10。熱交換單元10可包括：導熱表面11，其與導管之外表面親密熱接觸；及不導熱部分20，其覆蓋導熱表面11之不與導管熱接觸的所有曝露表面。不導熱部分20可由熱絕緣材料建構或含有熱絕緣材料，該熱絕緣材料使傳導部分11與環境熱絕緣。圖4A、圖4B、圖5A及圖5B展示例示性熱交換單元10之分解俯視圖。
該熱交換單元可為圍起或封入導管的單一連續器件(諸如，圖3中所展示的)或可包含2、3、4或4個以上互連區段(諸如，弧)，該 等區段在組裝並互連時實質上或完全地圍起或封入導管之外徑(諸如，圖4A、圖4B、圖5A及圖5B中所展示的)。當導管為具有圓形形狀之管道時，熱交換單元可為單一完整圓形器件、兩個互連半圓形區段或包括在連接或互連時圍起該管道之幾個弧區段。
熱交換單元之一實施例展示於圖3中。如該圖中所展示，熱交換單元10包括熱導體表面11，該熱導體表面11附接至導管2或與導管2熱連通以使得其表面11與導管熱連通(能夠與該導管交換熱能)。該單元包括用於將液態致冷劑接受至熱交換單元中的輸入口12及用於自熱交換單元排出液態致冷劑的輸出口13。熱導體表面11可由熟習此項技術者所知之任何導熱材料製成。此等材料之實例包括銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、碳鋼、不鏽鋼及其任何組合或合金。在一些具體實例中，導熱材料可由單一金屬導體或多個金屬導體形成。在一些具體實例中，固體熱導體可包括實質上純銅、銅合金、實質上純鋁、鋁合金、實質上純銀、銀合金、實質上純金，及金合金，以及其混合物。
熱導體表面11可包括通道C，致冷劑流體流經該通道C。例示性具體實例展示於圖6中。通道C將輸入口12連接至輸出口13。吸入口12接受來自致冷劑供應模組或來自輸出口13或熱交換單元之另一區段的致冷劑液體。輸出口13排出來自熱交換單元或其區段的已在通道C中行進通過該交換單元的致冷劑液體。可包括兩個或兩個以上輸入口12及兩個或兩個以上輸出口13。
在一些具體實例中，熱交換單元之一單元的輸出口13可經 組態以直接連接至熱交換單元之另一區段的輸入口12，例如如圖5A、圖5B及圖7中所展示。在一些具體實例中，熱交換單元之一區段的輸出口13可經組態以經由管系或配管連接至熱交換單元之另一區段的輸入口12，如圖8中所展示，經由連接器14，其可包括管系或配管。在一些具體實例中，快速連接連接件可包括於輸入口12及輸出口13中之每一者上以允許快速地設置或替換熱交換單元之區段或一或多個熱交換單元。快速連接機構在此項技術中為眾所周知的(例如，參見美國專利第4,597,699號)。在一些具體實例中，輸入口12及輸出口13可包括防止環境之元素進入熱交換單元之區段的閥。舉例而言，輸入口12及輸出口13之閥可經設計以在該等單元安裝於導管周圍時防止空氣或水進入熱交換單元之區段。
在一些具體實例中，熱交換單元10內之導管可裝配有一或多個導熱鰭片(圖13中之26)。導熱鰭片26可位於導管2附近之任何位置處或與導管2熱接觸以增加熱交換單元之導熱區域，藉此允許導管及其內含物之熱能更快地轉移至致冷劑。導熱鰭片26可軸向或縱向地定位。在一些具體實例中，導熱鰭片26與導管2熱連通且促進自導管2至熱交換單元10內之致冷劑的能量轉移。在一些具體實例中，導熱鰭片26有凹口或穿孔或兩者以防止截留氣泡或形成死區。
在一些具體實例中，導熱鰭片26可繞著導管2縱向組態。導熱鰭片26之長度可變化，且可包括延伸熱交換單元10內之空間的長度的鰭片，藉此產生一或多個通道。該等如此形成之通道中之一或多者可充當使致冷劑或低溫劑通過熱交換單元10的單獨迴路。在一些具體實例中，如此形成多個此類通道，且該等通道可為鄰近的或在內管或導管之半徑周圍 交錯。由如此組態之導熱鰭片26形成的多個通道可用作使致冷劑或低溫劑通過熱交換單元10之單獨迴路且因此允許更好地控制熱交換單元10內之冷凍及/或加溫及/或再冷凍過程。
在一些具體實例中，導熱鰭片26可繞著導管2徑向組態。導熱鰭片26之長度可變化，且可包括延伸熱交換單元10內之空間的長度的鰭片，藉此產生一或多個通道。該等如此形成之通道中之一或多者可充當使致冷劑或低溫劑通過熱交換單元10的單獨迴路。在一些具體實例中，如此形成多個此類通道，且該等通道可為鄰近的或沿內管或導管之長度交錯。由如此組態之導熱鰭片26形成的多個通道可用作使致冷劑或低溫劑通過熱交換單元10之單獨迴路且因此允許更好地控制熱交換單元10內之冷凍及/或加溫及/或再冷凍過程。
在一些具體實例中，熱交換單元包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。舉例而言，熱交換單元之內壁與導管之間的空間可包括或填充有導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。該等導熱銼屑、車屑、刨屑、小球或珠可減少李登弗斯特效應，尤其在低溫液體中，諸如液態氬、氮、氦、氧或壓縮氣體。李登弗斯特效應為在與顯著比液體之沸點熱的塊體接觸或極近地接觸之液體中觀測到的現象。當液體很接近於顯著比液體之沸點熱的塊體時，液體沸騰且產生阻止彼液體快速沸騰的絕緣蒸氣層。包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠減少或消除李登弗斯特效應。
在熱交換單元之包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的具體實例中，可使用此項技術中所知之保持裝置將導熱金屬之銼屑、 車屑、刨屑、小球或珠保持於熱交換單元內。舉例而言，可藉由包括具有小於導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠之篩孔大小的篩子使得防止該等銼屑、車屑、刨屑、小球或珠穿過該篩子，而將該等銼屑、車屑、刨屑、小球或珠保持於該單元中。該篩子可由具有足夠強之結構完整性以耐受在熱交換單元之操作溫度及壓力下的變形的任何材料製成。舉例而言，不鏽鋼篩目之一或多個層可用以將該等銼屑、車屑、刨屑、小球或珠保持於熱交換單元內且防止其被低溫劑或致冷劑帶出該單元外。
該熱交換單元可具有任何直徑或長度。熱交換單元之直徑及長度的選擇可基於導管(該單元將附接至該導管且熱交換單元將自該導管提取熱能)之尺寸或流體流過該導管之流速或其組合。舉例而言，許多油井應用中所遇到之管系及配管之外徑可自1吋變化至500吋或500吋以上。在一些應用中，單一升管或流管之長度可自約5呎變化至約100呎或100呎以上，且許多升管或流管可互連，導致可橫跨幾千呎或英里的管線。典型熱交換單元可具有為升管或流管之任一部分的長度，包括10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%或99%。在一些具體實例中，熱交換單元具有以下長度：2呎、3呎、4呎、5呎、6呎、7呎、8呎、9呎、10呎、11呎、12呎、13呎、14呎、15呎、16呎、17呎、18呎、19呎、20呎、21呎、22呎、23呎、24呎、25呎、26呎、27呎、28呎、29呎、30呎、31呎、32呎、33呎、34呎、35呎、36呎、37呎、38呎、39呎、40呎、41呎、42呎、43呎、44呎、45呎、46呎、47呎、48呎、49呎、50呎、55呎、60呎、65呎、70呎、75呎、80呎、85呎、90呎、95呎、100呎、200呎、300呎、 400呎、500呎、600呎、700呎、800呎、900呎、1000呎、2000呎、3000呎、4000呎、5000呎或介於2呎與5000呎之間的長度。
熱交換單元之內尺寸大體上與其附接至且熱連通的導管之尺寸大致相同。在一些具體實例中，熱交換單元之內尺寸與該導管相同，因為該導管形成熱交換單元之內尺寸。在一些具體實例中，熱交換單元包括：內導管，其為在連接至其他導管或管時載運、輸送或傳送流體之導管；及外導管，其直徑或尺寸大於該內導管，使得在該內導管與該外導管之間形成間隙或通道。熱交換單元之外導管的尺寸經選擇以提供通道，該通道可填充有以纖維、線、銼屑、車屑、殘料、刨屑、小球、丸粒、微珠、珠或碎片之形式提供的導熱材料，當致冷劑或低溫劑循環通過熱交換單元時，致冷劑或低溫劑通過該等導熱材料。
導熱材料之纖維、線、銼屑、車屑、殘料、刨屑、小球、丸粒、微珠、珠或碎片的粒度及分佈可經選擇以調變致冷劑或低溫劑可通過之通道中的填充容積或空隙區域之數目、大小及分佈。粒子充填為材料的基於大小、形狀及粒度分佈之特點。均一粒度分佈可導致空隙區域之均一或大部分均一之分佈，同時維持粒子之間的親密接觸。可選擇具有一粒度分佈之材料，該等材料含有許多個粒子，該等粒子經定大小以填充由摻合物之最大粒度組份產生之彼等空隙中的一些以減少熱交換裝置中由該等粒子形成之空隙的數目、大小或分佈，藉此允許選擇通過該裝置之不同流特性。用於使用材料之多峰混合來製作材料摻合物的數學模型為可用的。可使用此項技術中所知之任何方法來將該等粒子包裝至熱交換單元中，包括(例如)將粒子傾注至該單元中或均一地分散該等粒子，諸如藉由使用粒 子裝載機，如美國專利第5,324,159號中所描述。
熱交換單元之內尺寸可介於1吋至500吋或500吋以上之間。在一些具體實例中，熱交換單元包括導熱表面11，該導熱表面11與熱交換單元所附接至之導管熱接觸。導熱表面11之內尺寸使得其與將被提取熱能的導管熱連通。因此，熟習此項技術者可基於熱交換單元將連接至之導管的外尺寸來選擇導熱表面11之適當內尺寸。作為實施例，在該導管為具有約3吋之外徑的管道的具體實例中，導熱表面之直徑經選擇，以使得其緊緊裝配至該導管之外表面且與該導管熱連通，諸如具有約3吋之內徑。
該熱交換單元之外徑可為在熱交換單元之內表面與外表面之間產生任何尺寸的通道。舉例而言，該熱交換單元之外徑可經選擇，以使得形成於該熱交換單元之內表面與外表面之間的所得通道具有介於約0.05吋至約500吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.1吋至約100吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.2吋至約50吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.4吋至約40吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.5吋至約30吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.6吋至約25吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.1吋至約10吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.8吋至約8吋之間的寬度。在一些具體實例 中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.5吋至約5吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約1吋至約4吋之間的寬度。在一些具體實例中，熱交換單元內之通道的寬度為約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.6、17、17.5、18、18.5、19、19.5、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490或500吋。
在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之 內徑的約10%至約500%之間。舉例而言，在該導管為管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為5吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約5.5吋與約25吋之間，從而產生具有介於約0.5吋與20吋之間的寬度的通道。
在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約10%至約300%之間。舉例而言，在該導管為一管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為5吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約5.5吋與約15吋之間，從而產生具有介於約0.5吋與10吋之間的寬度的通道。
在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約10%至約150%之間。舉例而言，在該導管為一管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為5吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約5.5吋與約12.5吋之間，從而產生具有介於約0.5吋與7.5吋之間的寬度的通道。作為另一實施例，在該導管為一管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為10吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約11吋與約25吋之間，從而產生具有介於約1吋與15吋之間的寬度的通道。在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約25%至約100%之間。
該熱交換單元可包括可附接至沿該導管之點(參見圖2)以 便監視導管中誘發之熱梯度的一或多個熱監視器15。該熱交換單元亦可包括在吸入口及輸出口處或在通道C中致冷劑流經熱交換裝置之路徑各處的熱監視器15，用於判定致冷劑流體在流經熱交換單元時之溫度。除了冷卻導管以便形成熱塞(諸如，冰或油之固體塊)之外，該熱交換單元亦可用以在修補導管之後可控地加溫該導管至周圍溫度以便融化該插塞並使流恢復，同時最小化對導管之熱應力。加溫可藉由使溫度比致冷劑高之導熱液體流經熱交換單元來達成。在一些具體實例中，該熱交換單元可包括加熱元件16，該等加熱元件在嚙合及啟動時可增加導管在該插塞之位點處之溫度，藉此融化該插塞或釋放該熱塞使之不黏附至該導管，藉此使通過導管之流恢復。
在一些具體實例中，該熱交換單元包括橫過熱交換單元之長度的一部分或全長度的一或多個加熱通道。該加熱通道可用以引入流體(諸如，液態氣體)以將熱能提供至在加熱通道附近之導管，以將熱單側地或定向地提供至形成於導管內的凍結流體之插塞。在導管中之凍結插塞附近對導管進行此定向熱能施加允許定向地融化該插塞，以便貫穿該插塞形成通道，液態流體可流經該通道。可經由該加熱通道引入之流體可為液體或氣體。調變流體通過該加熱通道之流動，以使得熱能可自加熱通道中之流體轉移至該導管及/或凍結流體插塞，而未使該流體變成凍結的。在一些具體實例中，對經由該加熱通道引入之流體加熱。
在一些具體實例中，該(等)加熱通道可包括用於加熱該通道以單側地或定向地將熱提供至形成於導管內之凍結流體插塞的構件。在導管中之凍結插塞附近對導管進行此定向熱能施加允許定向地融化該插 塞，以便貫穿該插塞形成通道，液態流體可流經該通道。此防止將該凍結插塞發射穿過該導管，且准許受控地使通過該導管之流恢復。對該加熱通道加熱之構件可包括此項技術中所知之任何加熱單元。舉例而言，一或多個離散、間隔開之加熱單元(諸如，美國專利第4,849,611號中所描述)可定位於該通道各處，藉此允許將定向熱能施加至該導管的鄰近於凍結插塞處。其他加熱裝置亦可定位於該通道內，諸如：描述於美國專利第7,461,691號中之居里溫度加熱器，或如描述於美國專利公開案第2005-0092483號中之限溫加熱器，或如描述於美國專利公開案第2004-0020642號中之導管中導體熱源，或如描述於美國專利第3,793,716號中之加熱器條帶，或如描述於美國專利第4,238,640號中之電阻性加熱條帶。可用以對加熱通道加熱的其他加熱元件包括美國專利第7,066,730號；第4,238,640號；第3,971,416號；及第3,814,574號中所描述的加熱元件。可包括於加熱通道內之其他例示性加熱裝置包括正熱係數陶瓷加熱器、厚膜陶瓷加熱器、電阻絲或電阻帶加熱裝置，諸如含有鎳合金(諸如，Nichrome 80/20或Cupronickel(CuNi))或FeCrAl合金(諸如，Kanthal)之加熱裝置。電阻絲或電阻帶加熱裝置可封進陶瓷絕緣黏合劑(諸如，TiO2、MgO、矽藻土或氧化鋁粉或其組合)中。此等加熱裝置之商業具體實例為可購得的(CalrodTM加熱器)，其可經組態以遵照加熱通道之大小及形狀。
該加熱通道可經組態，以使得其與導管熱連通但與熱交換單元熱隔離。舉例而言，該加熱通道之朝向熱交換單元的部分可藉由使用不導熱材料來與熱交換單元分離。可使用熟習此項技術者所知之任何不導熱材料。不導熱材料之實例包括丙烯酸玻璃、瀝青、水泥、黏土、混凝土、 陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯及其組合，及固體熱絕緣體，諸如氮化矽(Si3N4)、矽酸鈣、低密度高純度矽石陶瓷、多孔氧化鋁、硼矽玻璃、矽石氣凝膠(發泡體玻璃)、陶瓷/玻璃複合物、纖維性耐火複合絕緣物、聚脲基氣凝膠、石墨、多鋁紅柱石、玻璃填充聚矽氧聚合物或其組合。
該熱交換單元可包括不導熱部分20，如圖3中所展示。不導熱部分20可由不導熱材料製造或包括不導熱材料。在一些具體實例中，不導熱部分20包括含有不導熱材料之套管。可使用熟習此項技術者所知之任何不導熱材料。不導熱材料之實例包括具有比空氣低之熱導率的氣體，諸如丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷；或具有低熱導率之液體，諸如CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇。其他不導熱材料包括丙烯酸玻璃、瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯及其組合。
對於一些應用(諸如，水下應用，包括深海鑽井應用)而言，非熱導體將由固體材料或抵抗在壓力下之變形及/或結構失效的材料製成。在一些具體實例中，不導熱部分20包括固體熱絕緣體或為固體熱絕緣體。固體熱絕緣體(非熱導體)之實例包括(例如)氮化矽(Si3N4)、矽酸鈣、低密度高純度矽石陶瓷、多孔氧化鋁、硼矽玻璃、矽石氣凝膠(發泡體玻璃)、陶瓷/玻璃複合物、纖維性耐火複合絕緣物、聚脲基氣凝膠、石墨、多鋁紅柱石、玻璃填充聚矽氧聚合物或其組合。任何已知固體熱絕緣體可用作不導熱部分20或用在不導熱部分20中。
在一些具體實例中，該熱交換單元可包括一連串同軸或同心管道，如圖6中所展示。最內之管道A與導管熱連通。在一些具體實例中，管道A設置於就地連接在一起以圍起該導管之兩個或兩個以上區段中。用於接合兩個導管或管道的此項技術中已知之任何方法可用以接合該管道之該等區段以形成連續導管。舉例而言，該等區段可經由焊接、螺釘、螺桿、密封件、環氧樹脂或其任何組合來接合。管道A可由導熱材料製成。在一些具體實例中，管道A由導熱金屬建構。可使用此項技術中所知之任何導熱金屬。導熱金屬之實例包括銅、黃銅、鎘、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、碳鋼、不鏽鋼及其任何組合或合金。在一些具體實例中，管道A可直接附接至導管並抵著導管，使得管道A與導管親密熱接觸。在一些具體實例中，管道A之直徑比導管大，導致在管道A置於適當位置中時或當管道A之區段連接在一起以圍起導管時在導管與管道A之間的空穴。可藉由此項技術中所知之任何方法來連接管道A之區段。舉例而言，管道A之區段可經由螺桿、螺釘、環氧樹脂或焊接或其他連接 構件來連接。在管道A圍繞導管且在導管與管道A之間形成一空間的具體實例中，導管與管道A之間的空間可填充有導熱材料。可使用可將熱能自一表面傳導至另一表面的任何導熱材料。該導熱材料可為固體或液體。舉例而言，在一些具體實例中，該導熱材料為固體。為固體熱導體之金屬的實例包括銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、碳鋼、不鏽鋼及其任何組合或合金。在一些具體實例中，導熱材料可由單一金屬導體或多個金屬導體形成。在一些具體實例中，固體熱導體可包括實質上純銅、銅合金、實質上純鋁、鋁合金、實質上純銀、銀合金、實質上純金，及金合金，以及其混合物。可藉由將固體導熱材料分散於液體中來製成導熱液體。上文所描述之導熱材料中之任一者可以按足以提供導熱液體之密度來分散於液體中的纖維、線、銼屑、車屑、殘料、刨屑、小球、丸粒、微珠、珠或碎片之形式來提供。導熱液體在此項技術中為已知的。導熱液體之實例包括(例如)聚矽氧油、聚矽氧烷、碳氟化合物、矽酸鹽凝膠、聚苯醚、全氟烷基聚醚及其組合。在一些具體實例中，導熱液體包括含有導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的聚矽氧油或聚矽氧烷。在一些具體實例中，導熱液體可包括含有銅之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的聚矽氧油或聚矽氧烷。包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠可減少李登弗斯特效應，尤其在低溫液體中，諸如液態氬、氮、氦、氧或壓縮氣體。李登弗斯特效應為在與顯著比液體之沸點熱的塊體接觸或極近地接觸之液體中觀測到的現象。當液體很接近於顯著比液體之沸點熱的塊體時，液體沸騰且產生阻止彼液體快速沸騰的絕緣蒸氣層。包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠減少或消除李登弗斯特效應。
在一些具體實例中，該熱交換單元可含有或填充有導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠，且致冷劑或低溫劑藉由滲過導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠而流經熱交換單元。熱可自該等銼屑、車屑、刨屑、小球或珠移除且轉移至低溫劑或致冷劑，且所吸收之熱可轉移至熱交換單元外。
在一些具體實例中，該熱交換單元包括附接至導管或流體管之導熱鰭片。在一些具體實例中，該等導熱鰭片可有凹口或穿孔或兩者以最小化或防止氣泡積留或氣體/氣泡累積及死區形成，在該死區中液體不與該等鰭片流體連通。該等導熱鰭片可位於導管附近之任何位置處或與導管熱接觸以增加熱交換單元之導熱區域，藉此允許導管及其內含物之熱能更快地轉移至熱交換單元，包括熱交換單元內的低溫劑或致冷劑及/或導熱金屬的經冷卻之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。在一些具體實例中，該等導熱鰭片與導管熱連通且促進自導管至熱交換單元內之低溫劑或致冷劑及導熱金屬的經冷卻之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的能量轉移。該熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠增加表面積且可引導流體流或誘發湍流，此可增加熱轉移之效率。
該等導熱鰭片可在熱交換單元內繞著導管或流管在縱向上或軸向上或在縱向及軸向兩者上組態。導熱鰭片之長度可為任何長度，且可為均一的或變化的，且可包括延伸熱交換單元內之空間的長度的鰭片，藉此產生一或多個通道。該等如此形成之通道中之一或多者可充當使致冷劑或低溫劑通過熱交換單元的單獨迴路。在一些具體實例中，如此形成多個此類通道，且該等通道可為鄰近的或在內管或導管之半徑周圍交錯。由 如此組態之導熱鰭片形成的多個通道可用作使致冷劑或低溫劑通過熱交換單元之單獨迴路且因此允許更好地控制熱交換單元內之冷凍及/或加溫及/或再冷凍過程。
熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠單獨或與定位於導管附近之任何位置處或與導管熱接觸的導熱鰭片、與通過熱交換單元或經由熱交換單元再生及再循環之低溫劑或致冷劑組合在熱交換單元內形成散熱片。由於熱交換單元內的導熱金屬之經冷卻銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的熱容量，及允許散熱片內來自導管及其中之流體的熱能的快速交換(熱轉移)的較大接觸表面積，熱能被快速地吸收且以足以使流管或導管內之流動流體凍結的速率而自流管(導管)及其中所含液體移除。因此，在管中形成可逆之凍結流體插塞不要求流體之零流動。該熱交換單元為有效率且有效的，且可快速地自導管內之流動流體快速地移除熱能以使得形成插塞，從而阻止流體之流動。
在一些具體實例中，該熱交換單元可就地製造。舉例而言，對於為管道之導管而言，可選擇直徑大於該導管之兩個管道以形成熱交換單元。再次參看圖6，在管道A周圍裝配管道B。管道B可為置放於管道A之上之固體管道或可呈(諸如)藉由螺釘、螺桿、焊接或其他連接構件來接合及連接的區段。管道B之直徑大於管道A，且因此在管道A與管道B之間形成通道C。致冷劑液體或低溫劑流經通道C。在致冷劑液體流經通道C時，其與管道A交換熱能，管道A直接地或經由熱導體與導管熱接觸，如上文所描述。在一些具體實例中，擋板7附接於管道A與管道B之間且自管道A之一端至另一端為連續的。在含有擋板7之具體實例中，來自輸 入口12之致冷劑液體在經由輸出口13離開通道C之前被迫在通道C中完全在管道周圍流動。熱交換單元中可包括多個擋板7。該等擋板可在熱交換單元中軸向或徑向或縱向上組態以調變及/引導致冷劑或低溫劑通過熱交換單元之流動。
在管道B周圍裝配管道D。管道B可為置放於管道A之上之固體管道或可呈(諸如)藉由螺釘、螺桿、焊接或其他連接構件來連接的區段。管道D之直徑大於管道B且因此在管道B與管道D之間形成間隙G。頂板3a及3b與底板4a及4b附接至管道A、B及D中之每一者以密封該等管道之間的空間。間隙G填充有不導熱材料。可使用不傳導熱能或為熱能之不良導體的任何材料來填充間隙G。間隙G中之不導熱材料可最小化或防止管道B與管道D之間的熱轉移。視情況地，管道D外部(其與環境成界面，諸如與周圍空氣或水成界面)亦可塗佈有不導熱材料。不導熱材料在此項技術中為已知的。不導熱材料之實例包括具有比空氣低之熱導率的氣體，諸如丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷；或具有低熱導率之液體，諸如CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇。其他不導熱材料包括丙烯酸玻璃、瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石 氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯及其組合。
兩根管道插入通過管道D及管道B且位於管道B與管道D之間，該兩根管道中之每一者橫過間隙G且貫穿管道B以使得每一管道之末端在間隙C之任一末端處。該等管道中之一者充當用於將致冷劑液體遞送至熱轉移裝置的輸入口11，且另一管道充當用於放出已橫過熱轉移裝置之致冷劑液體或低溫劑的輸出口12。流量計可包括於該等輸入及/或輸出口管道中，及/或可包括於間隙G中以量測通過間隙G且因此通過熱轉移裝置之致冷劑的流。可包括沿導管、管道A及/或管道B之用於偵測及量測熱梯度的一或多個熱監視器15。
在一些具體實例中，管道D可包括在遠端處之可移動凸緣F。在一些具體實例中，凸緣F可經調適以在與管道D嚙合時穩固地裝配至管道D。在一些具體實例中，凸緣F經製造以緊固至管道D以密封管道D。在一些具體實例中，該凸緣係處於連接至管道D之遠端的鉸鏈上。在熱交換單元已裝配於導管周圍且已啟動且在導管內形成插塞之後，在管道D之遠端處的凸緣可經定位以封堵管道D且藉此密封導管。如圖6中所描述之熱交換單元或其變體可用以堵上破損導管以允許修補導管，且在已修補好導管之後留在適當位置中。可留下熱交換單元以充當破損導管之加強件。
在一些具體實例中，熱交換單元可包括作為熱交換單元之內壁的第一導管或流管。第二較大導管(亦即，具有比該導管大之尺寸的導管，以使得在形成熱交換單元之內壁的導管與該第二較大導管之間形成空間)封入該導管。該第二較大第二導管之遠端密封至該第一導管或流管以形成密封外殼。舉例而言，可製造適當材料(諸如，用以製造第一導管及 第二導管之相同材料)之圓盤，其中該等圓盤包括大小足以容納第一導管或流管的圓形開口。第一圓螺合在第一導管之上，且該圓盤之內部的圓形開口(諸如)藉由焊接或任何適當附接方法而附接至該第一導管或流管。第一圓盤之外邊緣接著(諸如)藉由焊接或藉由任何適當方法而附接至第二管。在第二導管之另一遠端處重複該過程以產生密封空穴，該密封空穴之一端由第一圓盤定界且另一端由第二圓盤定界，且在該第一導管或流管與該第二導管之間形成空穴。
在一些具體實例中，該熱交換單元含有或填充有導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠，且致冷劑或低溫劑藉由滲過導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠而流經熱交換單元。熱係自該等銼屑、車屑、刨屑、小球或珠移除且轉移至低溫劑或致冷劑，且所吸收之熱可轉移至熱交換單元外。
在一些具體實例中，該熱交換單元包括附接至導管或流體管之導熱鰭片。該等導熱鰭片可位於導管附近之任何位置處或與導管熱接觸以增加熱交換單元之導熱區域，藉此允許導管及其內含物之熱能更快地轉移至熱交換單元，包括熱交換單元內的低溫劑或致冷劑及/或導熱金屬的經冷卻之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。在一些具體實例中，該等導熱鰭片與導管熱連通且促進自導管至熱交換單元內之低溫劑或致冷劑及導熱金屬的經冷卻之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的能量轉移。該熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠增加表面積且可引導流體流或誘發湍流，此可增加熱轉移之效率。
熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠單 獨或與定位於導管附近之任何位置處或與導管熱接觸的導熱鰭片、與通過熱交換單元或經由熱交換單元再生及再循環之低溫劑或致冷劑組合在熱交換單元內形成散熱片。由於熱交換單元內的導熱金屬之經冷卻銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的熱容量，及允許散熱片內來自導管及其中之流體的熱能的快速交換(熱轉移)的較大接觸表面積，熱能被快速地吸收且以足以使流管或導管內之流動流體凍結的速率而自流管(導管)及其中所含液體移除。
iii. 致冷劑供應模組
在包括含液體之熱交換單元(如圖2中所展示)之具體實例中，該系統可包括用以將致冷劑提供至熱交換單元10的致冷劑供應模組50。致冷劑供應模組50可包括與環境接觸以使致冷劑供應模組50與環境熱隔離的不導熱表面。此熱隔離構件防止致冷劑自環境吸收熱能。在致冷劑供應模組50部署在水下的應用中，該熱隔離構件防止在致冷劑供應模組50上之冰晶形成。致冷劑供應模組50可由對其將部署於之環境為適當的材料建構。舉例而言，在該系統將用於水下(尤其在深海鑽井應用中)的具體實例中，致冷劑供應模組50可由足以耐受深度處之壓力(包括在水下高達7,000呎之深度處由水所施加的壓力)的材料建構。熟習海底建構技術者熟悉建構能夠含有致冷劑且耐受深度處之周圍水壓的模組所必需的所需機械學。舉例而言，模組50可由加強鋼或複合材料建構且經加強以耐受周圍水壓。
致冷劑供應模組50直接地經由管道或管將液態致冷劑或低溫劑提供至熱交換單元10，抑或模組50可連接至泵40，泵40連接至熱交 換單元10。致冷劑供應模組50可包括用於監視致冷劑液體或低溫劑之溫度的熱監視器15。致冷劑供應模組50亦可包括用於判定來自該模組之致冷劑的流的流速計。該致冷劑亦可包括用於監視該模組中之致冷劑或低溫劑的量的致冷劑液面計。
在一些具體實例中，致冷劑供應模組50含有含不同低溫劑及溶劑的許多個個別分離之隔室，且包括混合裝置(諸如，直列式混合器)，該混合裝置經調適以將一或多種低溫劑與一或多種溶劑混合以產生具有所要溫度的溫度經調變之液態致冷劑。舉例而言，在一些具體實例中，致冷劑供應模組50包括用於液態氮之圍阻容器、用於液態或固態二氧化碳之圍阻容器；及用於一或多種溶劑(諸如，甲醇、乙醇或丙酮，或本文中所描述之溶劑中之任一者)的一或多個圍阻容器。該等容器可藉由管系而附接以提供用於在該等容器之間及該等容器中之流體連通的通路，該通路終止於用於圍阻藉由混合選定低溫劑與溶劑組份而製備之液態致冷劑的容器或儲集器中。在一些具體實例中，致冷劑供應模組50亦可含有：一或多個儲集器，其用於含有具有不同之所要溫度的不同之所製備液態致冷劑；及管路，其在該等儲集器之間提供流體連通；及混合裝置(諸如，直列式混合器)，其經調適以混合該兩種或兩種以上液態致冷劑以產生溫度經調變之液態致冷劑。混合裝置(包括直列式混合器)在此項技術中為眾所周知的(例如，參見美國專利第5,738,772號；第5,076,930號；第4,729,664號及第4,533,123號)。
iv. 致冷劑
致冷劑供應模組50含有致冷劑且將該致冷劑遞送至系統1 之熱交換單元10。用在熱交換單元中之致冷劑在此項技術中為已知的。該致冷劑可包括在使用條件下可轉移熱能的任何液體。例示性液態致冷劑液體可含有液態或固態二氧化碳、液態氨、液化氟氯烴、液化氣體(諸如，液態氮、液態氧、液態氖、液態氬、液態氧化亞氮)、氫氟乙烷、五氟丙烷、三氯一氟甲烷、二氯二氟甲烷，或其混合物。在高壓應用中，諸如在深海鑽井應用中之深度處，致冷劑可處於足以在熱交換單元中進行熱轉移的溫度下。在一些具體實例中，致冷劑液體之溫度低於-20℃。在一些具體實例中，液態致冷劑之溫度低於-40℃。在一些具體實例中，液態致冷劑之溫度低於-80℃。在一些具體實例中，液態致冷劑之溫度低於-100℃。大體上，由於熱應力，溫度低於-150℃之低溫流體或低溫劑不單獨用作液態致冷劑，溫度低於-150℃之低溫流體或低溫劑對導管快速冷卻可引起該熱應力。在本文中所提供之熱交換器中，熱交換單元可由抵抗任何熱應力之材料建構，溫度低於-150℃之低溫流體或低溫劑對導管快速冷卻可引起該熱應力。在一些具體實例中，低溫流體為液態氬或液態氮或其摻合物。溶劑與低溫劑(諸如，液態氮或液態氦或液態氬或液態氖)或與其他液化或固化氣體(諸如，二氧化碳)之摻合物可提供具有介於-20℃與-160℃之間的溫度的液態致冷劑。此等液體致冷劑之實例包括液態氮與溶劑之摻合物，該溶劑諸如以下各者：四氯化碳(約-20℃)、間二氯苯(約-25℃)、硝基甲烷(約-30℃)、溴化苯(約-30℃)、乙腈(約-40℃)、氯苯(約-45℃)、間二甲苯(約-50℃)、正丁胺(約-50℃)、正辛烷(約-55℃)、氯仿(約-63℃)、第三丁胺(約-70℃)、三氯乙烯(約-75℃)、乙酸丁酯(約-77℃)、乙酸乙酯(約-84℃)、庚烷(約-90℃)、環戊烷(-93℃)、己烷(約-95℃)、甲醇(約-100℃)、環己烷(約 -105℃)、異辛烷(約-105℃)、乙醛(約-125℃)、甲基環己烷(約-125℃)、m-戊烷(約-130℃)、1,5-己二烯(約-140℃)及異戊烷(約-160℃)。
液體致冷劑之其他實例包括乾冰與溶劑之摻合物，諸如乾冰與以下各者之摻合物：四氯化碳(約-25℃)、3-庚酮(約-40℃)、丙酮腈(約-40℃)、環己酮(約-45℃)、二乙基卡必醇(約-50℃)、氯仿(約-60℃)、卡必醇乙酸酯(約-65℃)、乙醇(約-70℃)、丙酮(-78℃)、異丙醇(-78℃)、甲乙酮(約-85℃)及二乙醚(-100℃)。在一些具體實例中，致冷劑為溶劑與液態氮或與乾冰之摻合物。詳言之，涵蓋乾冰與溶劑(諸如，甲醇、乙醇、丙醇、丙酮或其摻合物)之摻合物。在一些具體實例中，可使用液化氣體，諸如液態氮、液態氦、液態氬或其摻合物。
v. 管系或配管
致冷劑供應模組50及熱交換單元10及排放口35以及泵40及閥19在存在時為流體連通的且可經由管系或配管來連接。該管系或配管可由適用於該系統將部署於之環境的材料及構造來建構。舉例而言，對於深海鑽井應用而言，該管系或配管可經工程設計以抵抗在深海鑽井深度(包括水下約7,000呎之深度)處存在之高水壓。熟習此項技術者可選擇該配管或管系的對於此等應用而言為適當的材料及厚度或設計。該配管或管系可包括徑向或側向加強件以耐受在深海鑽井深度處存在之水壓的壓力下所造成的坍塌。該配管或管系可經製造以具有厚度，使得該配管或管系抵抗由深海鑽井之海洋深度處之水壓所造成的重整或壓碎。該管系可經建構以抵抗周圍壓力且為絕緣的以最小化來自周圍環境之熱污染。可使用熟習此項技術者所知之任何技術來使該管系與環境熱絕緣。在一些具體實例中，該 管系或配管可以不導熱材料來圍起或封入。在一些具體實例中，該管系或配管以熱隔離構件來封閉。該熱隔離構件可包括由不導熱材料製成或含有不導熱材料的夾套。具有低熱導率之材料的實例包括瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。
在一些具體實例中，該配管或管系可為同軸管系，在其中內管道或內管處於外管道或外管內，且內管道或內管與外管道或外管之間的空間包括不導熱材料。可使用此項技術中所知之任何不導熱材料。具有低熱導率之材料的實例包括瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲 烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。
vi. 流速監視器
在一些具體實例中，流速監視器可包括於熱交換單元10中，或將致冷劑遞送至熱交換單元10之配管或管系中，或放出口35中，或其任何組合。流速監視器可與電腦模組55通信。來自流速監視器之資料可用以判定致冷劑或低溫劑通過該系統之流，尤其通過熱交換單元10之流，且可用以調變致冷劑或低溫劑通過該系統之流速，手動或自動地(諸如，藉由電腦控制)。流速監視器可包括在自致冷劑供應模組50至排放管放出口35之出口點的流體連通路徑各處以判定致冷劑通過該系統之流速。
vii. 閥
該熱轉移裝置亦可包括閥19，閥19可用以調變致冷劑自致冷劑供應模組50至與導管2熱接觸之熱交換單元10的流動。在一些具體實例中，一或多個閥19可位於致冷劑供應模組50與泵模組40之間。在一些具體實例中，一或多個閥19可位於泵模組40與熱交換單元10之間。在一些具體實例中，一或多個閥19可位於熱交換單元10與排放管放出口35之間。可手動地控制該等閥。在一些具體實例中，該等閥可為電磁閥。在一些具體實例中，該等閥19可與電腦模組55通信及/或由電腦55控制。在閥19與電腦模組55通信之具體實例中，電腦模組55可藉由打開或關閉閥19 或調整閥19中之一或多者打開之程度且允許致冷劑流經該系統來調變通過該系統之流。在一些具體實例中，電腦模組55可藉由調整通過閥19之流來自動地調整通過該系統之流。在一些具體實例中，電腦模組55可與該系統之流量計通信。
viii. 排放管或放出口
在熱轉移裝置包括含液體之熱交換單元之具體實例中，導熱致冷劑可經由熱交換單元10自輸入口12流經該單元10且經由單元10之輸出口13離開單元10。在一些具體實例中，諸如當單元10包括互連之熱交換單元時，離開第一個熱交換單元10之致冷劑的流可進入下一個互連之熱交換單元10的輸入口12。一旦致冷劑已流經所有互連之熱交換單元10，致冷劑便經由輸出口13離開末端之或最後一個熱交換單元10進入排放管或放出管道35中。末端之排放管或放出管道35可與環境熱隔離。熱隔離構件可包括沿排放管之長度的熱絕緣材料之一層或塗層。該熱隔離構件可包括夾套30。夾套30可由不導熱材料或具有低熱導率之材料製造，或夾套30可包括含有不導熱材料或具有低熱導率之材料的套管。具有低熱導率之材料的實例包括瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異 丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。
排放流出管35可包括一或多個加熱元件5。當被啟動時，加熱元件5可用以使致冷劑之溫度至少增加至周圍環境之溫度。舉例而言，所啟動之加熱元件5可使正離開之致冷劑的溫度升高至至少等於致冷劑/低溫劑將排放至之水或空氣的溫度。舉例而言，當該裝置用在水下鑽井應用(包括深海鑽井應用)中時，加熱元件5將待排放之致冷劑加熱至其將排放至之水的溫度。藉由將待排放之致冷劑加熱至至少周圍水溫度，可避免冰晶形成。
排放流出管35可位於距導管2任一距離處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2一距離處。舉例而言，在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2 1呎至100呎或100呎以上處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2至少10呎處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2至少20呎處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2至少50呎處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2至少100呎處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2至少200呎處。在一些具體實例中，排放流出管35可位於距導管2至少500呎處。
在一些具體實例中，排放流出管35可附接至熱交換模組以移除自導管吸收之熱，且所再生之經冷卻致冷劑可被返回至致冷劑供應模 組。在一些具體實例中，排放流出管35在通過第二熱交換單元之前或之後可附接至蒸發器及/或壓縮機以在返回至致冷劑供應模組之前再生經驟冷之致冷劑液體。
ix. 加熱元件
此項技術中所知之任何加熱單元可用作加熱元件5以加熱導管或排放管或其間之任何管系或配管。舉例而言，美國專利第4,849,611號描述複數個離散、間隔開之加熱單元。美國專利第7,461,691號描述居里溫度加熱器。美國專利公開案第2005-0092483號描述限溫加熱器。美國專利公開案第2004-0020642號描述導管中導體熱源。用於加熱管道之加熱器條帶為眾所周知的。舉例而言，美國專利第3,793,716號描述一種加熱器條帶，其包括嵌入於正溫度係數聚合材料中的兩個導線。美國專利第4,238,640號描述一種管線加熱器件，其包含沿待加熱之表面以間隔開之平行關係延伸的三個平坦之電阻性元件或導體。此加熱器可與管線之圓周的形狀及長度實質上一致地捆紮至該管線。平坦之鋁條帶用以在管線之表面上傳導並擴散三個平坦導體所產生之熱。可用以對導管或排放管或管系或配管加熱的其他加熱元件包括美國專利第7,066,730號；第4,238,640號；第3,971,416號；及第3,814,574號中所描述之加熱元件。
加熱元件5可永久地或可移除地固定至該系統之導管2或管道。在加熱元件5已附貼至該系統之導管2或管道之後，可使加熱元件5絕緣。在一些具體實例中，該系統的具有流體流道貫穿其的導管2或管道具有安裝於導管2或管道外部上的加熱器殼套。該加熱器殼套沿管道外部形成空穴以用於收納用以加熱管道流道中之流體的加熱元件5。可包括預成 型絕緣層以在管道及加熱器殼套單元周圍延伸以使其絕緣。夾套30亦可設置於該絕緣層外部處以保護該絕緣層。
x. 流量計
一或多個流量計(諸如，明輪流量計)可位於通道C中以量測通過通道C之總流體流。流量計可包括渦輪流量計、磁流量計、光學感測器、電磁速度感測器、科氏力流量計、熱流量計、超音波流量計或此項技術中所知之任何其他類型的流量計。此項技術中所知之流量計的實例包括美國專利第7,730,777號；第7,707,898號；第4,934,196號；第4,422,338號及第RE 31,450號，及美國專利申請公開案2009-0281671、2005-0288873及2004-0244498。
應瞭解，致冷劑液體通過熱交換單元10之流速可(諸如)藉由調整一或多個閥19來手動控制或用電腦控制。舉例而言，電腦模組55可程式設計有用於控制閥19及/或泵模組40之各種程式中的一者。舉例而言，控制器可經程式化以利用比例積分(PI)控制、比例微積分(PID)控制等，諸如美國專利第6,962,164號中關於熱質量流量計/控制器所詳細描述的，該美國專利以引用方式全文併入本文中。在另一實例中，電腦可經調適以使用「無模型」自適應控制演算法來驅動一或多個閥19。此方法包括回饋「基於神經元」之控制演算法，該控制演算法獨立於在該系統中流動之特定液體且不要求事前知道該系統之動力學。此方法之至少一具體實例詳細描述於美國專利第6,684,112號中，該美國專利以引用方式全文併入本文中。用於藉由偵測流動之液體中的氣泡來判定流速的方法描述於(例如)美國專利申請公開案2009-0281671及2007-0191990中。
b 熱電模組或帕耳帖裝置
在一些具體實例中，熱轉移裝置9包括帕耳帖裝置。帕耳帖裝置為載運電荷使得其充當電熱轉移裝置(歸因於帕耳帖效應)的散熱片，且此等裝置在此項技術中為已知的(例如，參見美國專利第7,218,523號)。典型裝置為由中間具有小碲化鉍(Bi2Te3)立方體陣列之兩個陶瓷板形成的夾層。當施加DC電流時，熱自裝置之一側移動至另一側，在其中熱係以散熱片來移除。該裝置之冷側可施加至導管。若電流為反向的，則可藉由在相反方向上移動熱來將該裝置用作加熱器。在將帕耳帖裝置用作熱轉移裝置之具體實例中，一個或一個以上之帕耳帖裝置熱耦接至導管之暴露表面。在一些具體實例中，熱電模組可熱耦接至導管，而不受導管實體約束。在此等具體實例中，熱電模組可經由導熱介質而熱耦接至導管。在一些具體實例中，導熱介質包括散熱片油脂。在另一具體實例中，導熱介質包括金屬箔。在另一具體實例中，導熱介質包括導熱墊。在此等具體實例中之任一者中，導熱介質為彈性的，以使得熱電模組熱耦接至導管而不受導管實體約束。藉由在熱電模組與導管之間提供導熱介質，使熱電模組不經受歸因於熱膨脹及收縮效應所致之機械應力。結果，可減少裝置之損壞及/或故障。
c. 磁熱轉移裝置
在一些具體實例中，熱轉移裝置9包括磁致冷裝置。磁致冷為基於磁熱效應之冷卻技術。使用磁致冷之裝置在此項技術中為眾所周知的(例如，參見美國專利第7,603,865號；第7,596,955號；第7,481,064號及第7,114,340號，及美國專利公開案第US20100071383號、第US20090217675 號、第US20090158749號、第US20090019860號及第US20070144181號)。
基於工程及經濟上之考慮因素，磁致冷為用於冷卻及加熱之氣體壓縮機技術的替代技術，此指示磁再生器致冷器原理上比氣體循環致冷器更有效率且因此可獲得操作成本節省及節能。磁致冷利用磁場影響固體材料之熵的磁部分以使其減少且因此在等溫過程中增加熵之晶格(振動)部分或在絕熱過程中增加固體材料之溫度的能力。當移除磁場時，磁性固體材料之磁熵的改變或返回降低該材料之溫度。因此，磁致冷藉由經由外部磁場之施加/中止在磁性固體材料之絕熱磁化及絕緣去磁的過程中的循環熱耗散及熱吸收來實現。一種致冷器件在磁致冷技術中被稱作主動磁再生器磁致冷器，該致冷器件在磁性固體材料磁化時在該器件之一側上排出或放出所釋放之熱且在磁性固體材料去磁時在另一側上冷卻有用負載。美國專利第7,114,340號；第7,076,959號；第7,069,729號；第7,063,754號；第6,826,915號；第6,739,137號；第6,676,772號；第6,589,366號；第6,467,274號；第6,446,441號；第5,743,095號；第5,357,756號；第4,956,976號；第4,829,770號及第4,642,994號描述主動磁致冷材料及磁致冷系統。亦參見，K.A.Gschneidner Jr等人發表在材料科學論壇(Materials Science Forum)第315至317卷(1999)第69至76頁之「Recent Developments in Magnetic Refrigeration」；及Gedik等人，第5屆國際先進科技研討會(International Advanced Technologies Symposium)(IATS’09)，2009年5月13至15日，Karabuk，Turkey。在一些具體實例中，可使用釓化合物及Nd-Fe-B磁鐵組態。
在一些具體實例中，磁致冷器件包括：第一及第二穩態磁鐵，其各自具有實質上相等強度及相反極性之場，由磁熱材料製成之第一 及第二本體分別安置於該第一穩態磁鐵及該第二穩態磁鐵之場的影響範圍中；及脈衝式磁鐵，其與該第一穩態磁鐵及該第二穩態磁鐵同心，且具有在第一及第二穩態磁鐵之場之間循環的場，藉此循環地磁化及去磁且因此加熱及冷卻該第一本體及該第二本體。可使用具有合適設計之熱交換單元將工作流體曝露於磁熱材料之第一本體及第二本體。可提供控制器以使工作流體之流動與該第一本體及該第二本體之磁化的改變狀態同步。
2. 熱隔離構件
在一些具體實例中，驟冷器系統或低溫熱力閥系統可包括用於使導管及/或熱交換單元與環境熱隔離的構件。舉例而言，該熱隔離構件可為熱絕緣之夾套30，該夾套30在熱交換單元10之一側或兩側上與導管2接觸且封入熱交換單元10同時封入導管2之至少一部分。在一些具體實例中，該熱隔離構件可附接至導管2以形成不透氣密封。在該熱隔離構件以不透氣密封而連接至導管2的一些具體實例中，空氣可由具有低於空氣之熱導率的氣體來替換。大體上，稠密氣體(諸如，氙及二氯二氟甲烷)具有低熱導率。具有比空氣低之熱導率的氣體包括丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷。在一些具體實例中，空氣可由具有低熱導率之液體替換。具有低熱導率之液體的實例為CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇。
在一些具體實例中，尤其在水下應用(包括深海鑽井)中，該熱隔離構件可附接至導管2以形成不透氣密封，且移除在導管與熱隔離 構件之間的圍繞導管之水。在一些具體實例中，水可由空氣置換。在一些具體實例中，水可由具有比空氣低之熱導率的氣體置換。在一些具體實例中，水可由具有比液態水低之熱導率的液體替換。在此類具體實例中，該熱隔離構件可經組態以允許在啟動該系統之前移除與管道接觸之任何水以便減少水作為散熱片之熱效應。夾套可包括用於監視沿管道之熱梯度的熱監視器。該夾套亦可包括用於控制由驟冷系統誘發之熱梯度的加熱元件。在一些具體實例中，該夾套可包括可用以調變熱梯度及/或最小化管道之遠端處的冰形成的遠端加熱元件。可控制該等加熱元件以最小化或消除導管之熱致應力破碎，以使得導管不(諸如)歸因於導管中裂縫或破裂之形成而發生故障。
該熱隔離構件可包括熱絕緣材料之一層或塗層。該熱隔離構件可包括夾套30。夾套30可由不導熱材料或具有低熱導率之材料製造，或夾套30可包括含有不導熱材料或具有低熱導率之材料的套管。具有低熱導率之材料的實例包括瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二 醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。
3. 電腦模組
在一些具體實例中，該系統包括用於該系統之自動化的電腦模組55。電腦模組55可與熱轉移裝置通信及/或控制熱轉移裝置。在一些具體實例中，電腦模組55可用以調變熱電模組或帕耳帖裝置。在一些具體實例中，電腦模組55可用以調變磁致冷裝置。在一些具體實例中，電腦模組55可用以調變含有熱交換單元之含液體之熱轉移裝置。在該系統之包括含液體之熱交換單元10之具體實例中，電腦模組55可與該系統之加熱元件5、閥19、熱監視器及泵模組40通信及/或控制該等者。在一些具體實例中，電腦模組55之電腦處理器可控制泵模組40及流控制計量閥19以在現有周圍實體條件下提供致冷劑液體之流。
在一些具體實例中，通信媒體可位於導管內，例如導管之內環管內或導管中之深孔鑽通道或在導管之製造期間形成的通道中。該通信媒體可准許電腦模組55(其可位於在致冷系統遠端之位點處)與CryoPlug低溫熱力閥系統之致冷系統的一或多個組件之間的通信。致冷系統與電腦模組之間的通信可使用任何合適技術來執行，包括電磁(EM)信號傳遞、泥漿脈衝遙測術、交換封包網路連接或基於連接之電子信號傳遞。該通信媒體可為電線、電纜、波導、光纖、諸如泥漿之流體，或任何其他媒體。該通信媒體可包括一或多個通信路徑。舉例而言，一通信路徑可將電腦模組耦接至熱交換單元，而另一通信路徑可將電腦模組耦接至低溫劑注入模組。
該通信媒體可用以控制致冷系統之一或多個元件，諸如控制閥。舉例而言，該電腦模組可(例如)藉由執行預先程式化之函式以調變致冷劑或低溫劑在致冷系統中之流動來指導該系統之行動。該通信媒體亦可用以傳送資料，諸如溫度或壓力感測器量測值。舉例而言，可將來自附接至導管之溫度感測器的量測值發送至電腦模組以供進一步處理或分析或儲存。
電腦模組55可耦接至終端機，該終端機可具有從啞終端機之能力至伺服器類別電腦之能力的範圍內的能力。該終端機可允許使用者與電腦模組55互動。該終端機可位於電腦模組55本端或其可位於遠端且經由電話、蜂巢式網路、衛星、網際網路、另一網路或此等各者之任何組合來與電腦模組55通信。該通信媒體可准許以一速度來進行通信，該速度足以允許電腦模組55執行來自位於井下或別處之感測器的與致冷系統相關聯之資料的即時收集及分析。
本發明之方法可體現於電腦可讀儲存媒體中，該電腦可讀儲存媒體中體現有用於指導諸如上文所描述之所描述系統的操作的電腦可讀程式。該電腦可讀程式包括用於操作根據上文所描述之具體實例的熱交換系統的指令。
舉例而言，電腦模組55之電腦處理器可藉由在通過該系統之致冷劑的流體流中操縱一或多個閥來控制及/或調變致冷劑通過該系統之流。在閥19為遠端可啟動或可控制之閥(諸如，電磁閥)的具體實例中，該電腦可停用最接近於致冷劑供應模組50之電磁閥以封堵所有通過熱交換單元10之致冷劑流。此電磁閥可經組態以使得切斷電力立即使致冷劑停止 流經熱交換單元及該系統。在該系統各處之流控制閥19可接收來自電腦模組55之信號以回應於熱能轉移系統1內之所量測溫度以及視情況地某些使用者定義參數(包括所要冷卻概況)而控制流經該系統之液態致冷劑的量及流。
可用熱監視器15或其他溫度感測器(諸如，熱電偶)來監視熱交換單元10內部之溫度及沿導管2之溫度。熱監視器15可耦接至電腦模組55且將輸入提供至電腦模組55。
在一些具體實例中，該裝置可用在經歷壓力極值及低溫的深海鑽井操作中。對於此等應用而言，該裝置可經組態以耐受由水對裝置施加之極端壓力。舉例而言，對於此等應用，熱交換模組可經工程設計以耐受在海平面以下約1,000呎至約10,000呎之深度處由水施加的壓力。在此項技術中已知，正常壓力在水下每呎深度增加約0.465psi(每公尺深度10.5kpa)。因此，水下10,000呎處之正常壓力為約4,650psi。5,000呎處之水壓稍大於每平方吋1噸(約2,438psi)。
對於一些具體實例，包括用在深海鑽井應用中之具體實例，熱導體可由厚度或橫截面或組態足以抵抗壓力下所造成的坍塌、變形及/或結構失效的導熱金屬製成。可使用展現導熱性質之任何金屬。供用作熱導體之例示性金屬包括(例如)銅、矽、由汽相製程(CVD)沈積之鑽石、銀、金、石墨烯、鋁及鋁合金、鎳、鈦、鈦合金、鎢、金、銀及其合金。
4. 低溫劑注射器模組
在一些具體實例中，用於自導管提取熱能之驟冷器或冷凍系統可包括低溫劑注射器模組，該驟冷器或冷凍系統可用以(例如)冷凍導 管中之流體內含物的至少一部分。該導管可相對於地面處於任何定向。舉例而言，導管可垂直於地面，例如，產油井之一般定向。導管亦可平行於地面，例如，地上轉移管線之一般定向。該低溫劑注射器模組可含有與低溫劑之源流體連通的一個或複數個注射器或注射器裝置。在一些具體實例中，低溫劑可為液態低溫劑。在一些具體實例中，低溫劑可選自以下各者中：液態氮、液態氦、液態氬、液態氖、液態氙、液態二氧化碳及其組合。該等注射器或注射器裝置可經組態以將低溫劑直接注入至導管中之流體中，藉此降低流體之溫度。該等注射器或注射器裝置可經組態以使得注射器不與導管中之流體接觸。舉例而言，在一些具體實例中，該注射器可為導管之側中的開口，諸如流管之側中的開口。在一些具體實例中，該注射器包含一口，低溫劑或致冷劑經由該口引入至導管中以使得低溫劑或致冷劑與導管內之流體接觸。該注射器或注射器單元可包括用於控制低溫劑或致冷劑至導管中之流體中的引入的隔離機構。可使用此項技術中所知之任何隔離機構。在一些具體實例中，注射器口中可包括止回閥。該止回閥可用作隔離機構及/或可用以防止導管中之流體(諸如，流管中之油)回流至低溫劑或致冷劑供應模組(諸如，將低溫劑(諸如，液態氬或液態氮)提供至注射器的模組)中。
可使用任何低溫止回閥。可使用在低溫溫度下可操作之任何閥。並非所有具體實例均要求在低溫劑注射器上具有止回閥。舉例而言，在致冷劑或低溫劑供應模組在大於導管或管之預期內部壓力的壓力下遞送致冷劑或低溫劑的具體實例中，一旦致冷劑或低溫劑自供應模組至注射器之流停止，便不需要止回閥。在一些具體實例中，可包括止回閥，作為用 以啟動該閥之器件的部分。在一些具體實例中，可藉由手動或遠端操作之適於圍阻該導管或流管中的該類型及壓力之流體的閥來相對於導管或管密封該注射口。
導管內之流體可包括經由導管或管道輸送的任何流體。該流體可為液體、氣體或其組合。例示性液態流體為來自油井之采出油。采出油典型地可含有某些量之水。因此，該流體可包括原油(單獨地或與水組合)。在一些情況下，在地下油儲集層中，周圍條件(包括儲集層之溫度及壓力)可導致C1至C8烷(包括甲烷、乙烷、丙烷及丁烷)溶解於原油中，其部分呈由地面下條件規定的氣體或液體之形式。因此，在一些情況下，該液態流體可包括溶解氣體，且可包括在導管中之溫度及/或壓力改變時自液體散逸之氣體。為氣體之例示性流體為天然氣，其可包括輕質烴(包括烷烴、烯烴及炔烴，單獨地或以任何組合)之任何組合。天然氣主要含有甲烷，但亦可包括乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、較高分子量之烴及水蒸氣。
在一些具體實例中，低溫熱力閥裝置包括一或多個低溫劑注射器及一或多個輔助注射器或注射口。當存在時，輔助注射器或注射口可用於將不同於致冷劑或低溫劑之第二材料引入至流體串流中。
舉例而言，在一些具體實例中，可使用一或多個輔助注射器來將表面活性劑注射至導管內之流體中。該等輔助注射器可位於低溫劑注射器上游或下游。在一些具體實例中，輔助注射器位於低溫劑注射器上游。輔助注射器可在不啟動低溫劑注射器的情況下啟動。輔助注射器可與低溫劑注射器組合地啟動，與低溫劑同時、在低溫劑注射至流體中之前或在低溫劑注射至流體中之後，將表面活性劑注射至流體中。在一些具體實例中， 輔助注射器位於低溫劑注射器上游，且在經由低溫劑注射器將低溫劑引入至導管或流管內之流體中之前或與此同時將表面活性劑注射至該串流中。
在一些具體實例中，可使用一或多個輔助注射器來將橋接流體注射至導管內之流體中。在特定具體實例中，諸如在其中導管內之流體為氣體的具體實例中，熱力閥裝置可包括用於將橋接流體引入至氣體中的一或多個輔助注射器。在此等具體實例中，該等輔助注射器可位於低溫劑注射器上游或下游。在此等具體實例中，輔助注射器位於低溫劑注射器上游。可在不啟動低溫劑注射器的情況下啟動輔助注射器。輔助注射器可與低溫劑注射器組合地啟動，與低溫劑同時、在低溫劑注射至導管中之流體中之前或之後，將橋接流體注射至導管或流管內之流體中。在一些具體實例中，輔助注射器位於低溫劑注射器上游，且在經由低溫劑注射器將低溫劑引入至導管或流管內之流體中之前或與此同時可將橋接流體注射至該串流中。
可藉由可打開及閉合之機械閥來控制第二種材料(諸如，表面活性劑或橋接流體或其組合)的引入。該閥可手動或遠端地控制，諸如藉由包括電腦操作或電可啟動之閥。當被啟動時，閥打開以將第二種材料(諸如，表面活性劑或橋接流體)引入至導管或流管內之流體中。
當將經由輔助注射器引入至導管之流體中的第二種材料為表面活性劑時，可使用任何合適之表面活性劑。舉例而言，可使用一或多個輔助注射器將任何陰離子、陽離子、兩性離子、非離子界面活性劑引入至導管或流管內之流體中。例示性非離子界面活性劑包括Tergitol NP-9®(Dow Chemical Co.,Midland,MI)，非離子、壬基酚乙氧化物界面活性劑， Tergitol NP-33[9016-45-9]同物異名：α(壬基苯基)-ω-羥基聚(氧-1,2-乙二基)；antarox；壬基苯氧基聚(伸乙氧基)乙醇；壬基苯基聚乙二醇醚，非離子；壬基苯基聚乙二醇醚；PEG-9壬基苯基醚；POE(10)壬基酚；POE(14)壬基酚；POE(15)壬基酚；POE(15)壬基苯基醚；POE(18)壬基苯基醚；POE(20)壬基酚；POE(20)壬基苯基醚；POE(30)壬基酚；POE(4)壬基酚；POE(5)壬基酚；POE(6)壬基酚；POE(8)壬基酚；聚乙二醇450壬基苯基醚；聚乙二醇450壬基苯基醚，非離子界面活性劑；聚乙二醇單(壬基苯基)醚；聚乙烯單(壬基苯基)醚二醇；聚氧伸乙基(10)壬基酚；聚氧伸乙基(14)壬基酚；聚氧伸乙基(1.5)壬基酚；聚氧伸乙基(20)壬基酚；聚氧伸乙基(30)壬基酚；聚氧伸乙基(4)壬基酚；聚氧伸乙基(5)壬基酚；聚氧伸乙基(6)壬基酚；聚氧伸乙基(8)壬基酚；聚氧伸乙基(9)壬基苯基醚；聚氧伸乙基(n)-壬基苯基醚；聚氧伸乙基壬基酚；POE壬基酚；Protachem 630；Sterox；Surfionic N；T-DET-N；Tergitol NP；Tergitol NP-14；Tergitol NP-27；Tergitol NP-33；Tergitol NP-35；Tergitol NP-40；Tergitol NPX；Tergitol TP-9；Tergitol TP-9(非離子)；Triton N；Triton X；Dowfax 9N；乙氧基化壬基酚；二醇、聚乙烯、單(壬基苯基)醚；Igepal CO；Igepal CO-630；聚乙二醇壬基苯基醚；Makon；Neutronyx 600；Nonipol NO；壬苯昔醇；壬苯醇醚；壬苯醇醚-15；壬苯醇醚-18；壬苯醇醚-20；壬基酚乙氧化物；壬基酚聚乙二醇醚；壬基酚、聚氧伸乙基醚；壬基苯氧基聚乙氧基乙醇；具有聚烷醚聚合物作為界面活性劑分子之部分的非離子界面活性劑，諸如氯、苯甲基、甲基、乙基、丙基、丁基及脂肪醇之其他類似烷基封端聚乙二醇醚；諸如烷基多醣苷的無聚烷醚之非離子表面活性劑；山梨糖醇酯及蔗糖酯以及其乙氧化物；烷氧基化乙二胺；醇烷氧 化物，諸如醇乙氧基丙氧化物、醇丙氧化物、醇丙氧基乙氧基丙氧化物、醇乙氧基丁氧化物；壬基酚乙氧化物、聚氧伸乙二醇醚；羧酸酯，諸如甘油酯、聚氧伸乙酯、脂肪酸之乙氧基化及二醇酯；羧酸醯胺，諸如二乙醇胺縮合物、單烷醇胺縮合物、聚氧伸乙基脂肪酸醯胺；及聚烷醚嵌段共聚物，包括環氧乙烷/環氧丙烷嵌段共聚物，諸如在商標PLURONIC®(BASF-Wyandotte)下市售之彼等嵌段共聚物。
亦可使用聚矽氧界面活性劑。舉例而言，在一些具體實例中，聚矽氧界面活性劑包括表面活性聚二有機矽氧烷，諸如美國專利第4,421,656號中所描述。在一些具體實例中，聚矽氧界面活性劑可選自二甲聚矽氧烷共聚醇及烷基二甲聚矽氧烷共聚醇以及其摻合物中。此等聚矽氧界面活性劑之實例包括：二甲聚矽氧烷共聚醇與環甲聚矽氧烷之摻合物，諸如在名稱DC3225C或DC2-5225C下由Dow Corning(Midland,MI)售賣；具有含有5至22個碳原子之烷基的聚烷聚醚聚矽氧烷，諸如十六基二甲聚矽氧烷共聚醇，諸如在名稱Abil® EM-90下由EVONIK Goldschmidt GmbH(Essen,Germany)售賣；二甲聚矽氧烷共聚醇與環五矽氧烷(85/15)之混合物，諸如在名稱Abil® EM-97下由Goldschmidt售賣；直鏈型聚醚改質聚矽氧乳化劑，包括甲基醚二甲聚矽氧烷，諸如PEG-3甲基醚二甲聚矽氧烷、PEG-9甲基醚二甲聚矽氧烷、PEG-10甲基醚二甲聚矽氧烷、PEG-11甲基醚二甲聚矽氧烷及丁基醚二甲聚矽氧烷(可購自Shin-Etsu(Akron,Ohio))；支鏈型聚醚改質聚矽氧乳化劑，諸如PEG-9聚二甲基矽氧基乙基二甲聚矽氧烷(Shin-Etsu)；烷基共改質支鏈型聚醚聚矽氧，諸如十二基PEG-9聚二甲基矽氧基乙基二甲聚矽氧烷(Shin-Etsu)；含有聚烷醚基之聚矽氧，諸如市 售之乳化劑Silwet® 7001(由Momentive Performance Materials(Albany,NY)製造)、Dow Corning FG-10、Silwet® L-77(含有甲基端基及1個側基且具有645之平均分子量的聚烷醚改質七甲基三矽氧烷)及Silwet® L-7608(含有氫端基及一個側基且具有630之平均分子量的聚烷醚改質七甲基三矽氧烷)，可購自Momentive Performance Materials；LambentTM MFF-199-SW(含有氫端基及一個聚氧化乙烯側基且具有介於600至1000之間的平均分子量)，可購自Lambent Technologies Inc.(Gurnee,Illinois)；聚矽氧共聚醇基羧酸脂，諸如SW-CP-K(含有二甲酸端基及一個聚氧化乙烯側基且具有介於800與1100之間的平均分子量)及Lube CPI(含有鄰苯二甲酸端基及3至5個側基且具有介於2900與5300之間的平均分子量)，可購自Lambent Technologies Inc.；烷基二甲聚矽氧烷共聚醇型界面活性劑，諸如美國專利第7,083,800號中所描述，包括在名稱「Abil® WE 09」、「Abil® WS 08」及「Abil® EM 90」(EVONIK Goldschmidt GmbH,Essen,Germany)下市售之此等聚矽氧乳化劑，及陽離子聚矽氧乳化劑，諸如美國專利第5,124,466號中所描述。
例示性陽離子表面活性劑包括(但不限於)衍生自自由基可聚合丙烯酸或甲基丙烯酸酯或醯胺單體的均聚物及共聚物。該等共聚物可含有衍生自以下各者之一或多個單元：丙烯醯胺、甲基丙烯醯胺、雙丙酮丙烯醯胺、丙烯酸或甲基丙烯酸或其酯、乙烯內醯胺(諸如，乙烯吡咯啶酮或乙烯己內醯胺)及乙烯酯。例示性聚合物包括：丙烯醯胺與以二甲基硫酸鹽或以鹵烷四級銨化之二甲基胺基甲基丙烯酸乙酯的共聚物；丙烯醯胺與甲基丙烯醯基乙氧基三甲基氯化銨的共聚物；丙烯醯胺與甲基丙烯醯基乙氧基三甲基銨甲基硫酸鹽的共聚物；乙烯吡咯啶酮/二烷胺基烷基丙烯 酸脂或甲基丙烯酸脂(視情況地四級銨化)的共聚物，諸如在名稱GAFQUATTM下由International Specialty Products售賣的產品；二甲基胺基甲基丙烯酸乙酯/乙烯己內醯胺/乙烯吡咯啶酮三元共聚物，諸如在名稱GAFFIXTM VC 713下由International Specialty Products售賣的產品；乙烯吡咯啶酮/甲基丙烯醯胺基丙基二甲胺共聚物，在名稱STYLEZETM CC 10下由International Specialty Products在市場出售；及乙烯吡咯啶酮與四級銨化之二甲胺基丙基甲基丙烯醯胺共聚物，諸如在名稱GAFQUATTM HS 100下由International Specialty Products售賣之產品；乙烯吡咯啶酮與乙烯基咪唑的四元聚合物，諸如在商標名稱Luviquat®下(產品標識FC 905、FC 550及FC 370)由BASF售賣之產品；乙醯胺丙基三甲基氯化銨；山崳醯胺丙基二甲胺；山崳醯胺丙基乙基二甲基銨乙基硫酸鹽；山崳基三甲基氯化銨；鯨蠟基乙基嗎啉氮鎓乙基硫酸鹽；十六烷基三甲基氯化銨；椰油醯胺基丙基乙基二甲基銨乙基硫酸鹽；二鯨蠟基二甲基氯化銨；二甲聚矽氧烷羥丙基三甲基氯化銨；羥乙基山崳醯胺丙基氯二銨；四級銨鹽-26；四級銨鹽-27；四級銨鹽-53；四級銨鹽-63；四級銨鹽-70；四級銨鹽-72；四級銨鹽-76水解膠原蛋白；PPG-9氯化二乙基銨；PPG-25氯化二乙基銨；PPG-40二乙基甲基氯化銨；硬脂基二甲基苄基氯化銨；硬脂醯胺丙基乙基二甲基銨乙基硫酸鹽；硬脂基二甲基銨羥丙基水解小麥蛋白質；硬脂基二甲基銨羥丙基水解膠原蛋白；麥胚芽油脂醯胺丙基苄基二甲基氯化銨；麥胚芽油醯胺丙基乙基二甲基銨乙基硫酸鹽；二甲基二烯丙基氯化銨之聚合物及共聚物，諸如聚四級銨鹽-4、聚四級銨鹽-6、聚四級銨鹽-7、聚四級銨鹽-10、聚四級銨鹽-11、聚四級銨鹽-16、聚四級銨鹽-22、聚四級銨鹽-24、聚四級銨鹽-28、聚四級銨 鹽-29、聚四級銨鹽-32、聚四級銨鹽-33、聚四級銨鹽-35、聚四級銨鹽-37、聚四級銨鹽-39、聚四級銨鹽-44、聚四級銨鹽-46、聚四級銨鹽-47、聚四級銨鹽-52、聚四級銨鹽-53、聚四級銨鹽-55、聚四級銨鹽-59、聚四級銨鹽-61、聚四級銨鹽-64、聚四級銨鹽-65、聚四級銨鹽-67、聚四級銨鹽-69、聚四級銨鹽-70、聚四級銨鹽-71、聚四級銨鹽-72、聚四級銨鹽-73、聚四級銨鹽-74、聚四級銨鹽-76、聚四級銨鹽-77、聚四級銨鹽-78、聚四級銨鹽-79、聚四級銨鹽-80、聚四級銨鹽-81、聚四級銨鹽-82、聚四級銨鹽-84、聚四級銨鹽-85、聚四級銨鹽-87、PEG-2-椰油基甲基氯化銨及其混合物；聚伸烷亞胺，諸如聚伸乙亞胺、含有乙烯吡啶或乙烯吡錠單元之聚合物、多元胺與表氯醇之縮合物；四級銨化聚胺基甲酸酯；一級、二級或三級脂肪胺之鹽，視情況地聚氧化烯化；咪唑啉之四級銨鹽衍生物或氧化胺；具有相對離子之單、二或三烷基四級銨化合物，諸如氯化物、甲基硫酸鹽、甲苯磺酸鹽，包括(但不限於)十六烷基三甲基氯化銨、三十二烷基二甲基銨氯化物及山崳基三甲基銨甲基硫酸鹽。
非離子界面活性劑包括(但不限於)以下各者中之一或多者：羧酸鹽，諸如但不限於烷基羧酸鹽(例如，羧酸及/或其鹽)、聚烷氧基羧酸鹽(例如，聚羧酸及/或其鹽)、醇乙氧基羧酸鹽、壬基酚乙氧基羧酸鹽或其組合；磺酸鹽，諸如(但不限於)烷基磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽(例如，十二烷基苯磺酸及/或其鹽)、烷基芳基磺酸鹽、磺化脂肪酸酯或其組合；硫酸鹽，諸如(但不限於)硫酸化醇、硫酸化醇乙氧化物、硫酸化烷基酚、烷基硫酸鹽、磺基丁二酸酯、烷基醚硫酸鹽或其組合；磷酸酯，諸如(但不限於)烷基磷酸酯；或其組合。例示性陰離子界面活性劑包括烷基芳基 磺酸鈉、α烯烴磺酸鹽、脂肪醇硫酸鹽及其組合。
例示性兩性界面活性劑(或兩性離子界面活性劑)包括(但不限於)咪唑啉衍生物、甜菜鹼、咪唑啉、二甲基磺基甜菜鹼、丙酸鹽、氧化胺或其組合，包括咪唑啉甜菜鹼、二甲基烷基十二基甜菜鹼、烷基甘胺酸及烷基二(胺乙基)甘胺酸。
注射至導管內之流體中的組成物中所提供之界面活性劑的量可介於約1wt%與約95wt%之間。在一些具體實例中，組成物中之界面活性劑的量可介於約2wt%與80wt%之間。在一些具體實例中，組成物中之界面活性劑的量可介於約5wt%與50wt%之間。在一些具體實例中，組成物中之界面活性劑的量可介於50wt%與100wt%之間。注射至導管內之流體中的界面活性劑的量可視導管之大小及流體通過導管之流速而變化，且因此界面活性劑之精確量稍視環境而定。在一些具體實例中，界面活性劑之量可在0.1至100磅/bbl之範圍中(bbl=42US加侖或約159L)。在一些具體實例中，界面活性劑之量可在1至75磅/bbl之範圍中。在一些具體實例中，界面活性劑之量可在5至70磅/bbl之範圍中。在一些具體實例中，界面活性劑之量可在10至60磅/bbl之範圍中。在一些具體實例中，界面活性劑之量可在25至50磅/bbl之範圍中。
當將經由輔助注射器引入至導管之流體中的第二種材料為橋接流體時，可使用在低溫溫度下自液態轉化成固態之任何合適橋接流體。例示性橋接流體包括水、甲醇、乙醇、異丙醇或其組合。當橋接流體被引入至導管中之氣體中且進入熱力閥時，熱力閥中導管之較低溫度致使液態橋接流體轉化成固態。在橋接流體變成固體時，其累積以在熱力閥裝 置內形成插塞，藉此形成插塞且防止氣體流經熱力閥裝置。
在本文中所描述之熱力閥裝置的具體實例(其包括用於引入橋接流體之輔助注射器)中，該注射器可位於低溫劑注射器之上游或下游。在一些具體實例中，橋接流體輔助注射器可位於低溫劑注射器上游。在一些具體實例中，橋接流體輔助注射器可包括加熱裝置。該加熱裝置可經組態以可在控制橋接流體輔助注射器之閥啟動時即刻啟動。在一些具體實例中，當橋接流體輔助注射器啟動時，可啟動加熱裝置以使將橋接流體注射至導管中之流體中的注射位點維持高於橋接流體之凍結溫度，以使得在將橋接流體遞送至導管中之流體中時橋接流體注射器不被橋接流體阻塞。
可使用任何加熱裝置。舉例而言，美國專利第4,849,611號描述可繞著橋接流體口組態的複數個離散、間隔開之加熱裝置。居里溫度加熱器、限溫加熱器、導管中導體熱源及加熱器條帶可用作加熱裝置(參見(例如)美國專利第3,793,716號；第3,814,574號；第3,971,416號；第4,238,640號；第7,461,691號；及第7,066,730號；及美國專利公開案第2005-0092483號)。其他例示性加熱裝置包括正熱係數陶瓷加熱器、厚膜陶瓷加熱器、電阻絲或電阻帶加熱裝置，諸如含有鎳合金(諸如，Nichrome 80/20或Cupronickel(CuNi))或FeCrAl合金(諸如，Kanthal)之加熱裝置。電阻絲或電阻帶加熱裝置可封進陶瓷絕緣黏合劑(諸如，TiO2、MgO、矽藻土或氧化鋁粉或其組合)中。此等加熱裝置之市售具體實例為可購得的(CalrodTM加熱器)，其可經組態以加熱橋接流體口。
在一些具體實例中，注射器或注射器裝置在井套管上注射低溫劑，從而將低溫劑遞送至流體中，降低流體之溫度。在一些具體實例中， 在井套管中提供孔道以定位注射裝置以在注射器系統啟動時引導低溫劑直接噴射至井套管中之流體中。舉例而言，井套管之第一管柱(或管柱中之兩個或兩個以上，其具有較大直徑之孔口)的最後一片套管可包括用於將低溫劑注射至液體中的管系。在一些具體實例中，可用以將低溫劑遞送至低溫劑注射器模組中之管或導管可製造至套管之每一層中，且該等套管接著可對準以在放入至井孔中之前產生用以將低溫劑遞送至低溫劑注射器模組的過道。在一些具體實例中，用以傳送低溫劑之管可併入至形成於兩個同心管道之間的環形空間中。在一些具體實例中，套管之管道可經製造以在管道之壁中包括一或多個通道以充當用於遞送低溫劑之通道。管道之壁中的此等通道可藉由熟習此項技術者所知之任何方法來製造。舉例而言，該等管道可經由射出成形來製造以包括用於將低溫劑遞送至注射器的所要通道。用於遞送低溫劑之通道可在井套管之內環管內或在井套管之深孔鑽通道中。
在一些具體實例中，套管之後幾個管柱中之最後一個或幾個可包括在低溫條件下展現高拉伸強度的材料。舉例而言，在一些具體實例中，該等套管可包括通道或導管，該等通道或導管包括與低溫流體相容的高拉伸強度材料之包層。舉例而言，套管中之通道可包括具有比鋼高之延性破碎模式及比鋼低之脆性破碎模式的合金之包層。在一些具體實例中，套管可由在低溫條件下展現高拉伸強度的材料製成。舉例而言，鋼合金(尤其含有Cr、Ni或Si之鋼)可展現高延性破碎模式及低脆性破碎模式。具有比鋼高之延性破碎模式及比鋼低之脆性破碎模式的合金在此項技術中為已知的。此等合金之實例包括美國專利第5,352,304號；第6,183,573號；第 6,212,891號；第7,235,212號；第7,648,597號及第7,727,463號中所描述之彼等合金。
在套管中之通道用以將低溫劑遞送至注射器的具體實例中，該等通道可包括用以使該等通道與通道外部之周圍環境隔離的熱隔離構件。該熱隔離構件可包括熱絕緣材料之層或塗層。該熱隔離構件可由不導熱材料或具有低熱導率之材料製造，或該熱隔離構件可包括含有不導熱材料或具有低熱導率之材料的套管。具有低熱導率之材料的實例包括瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。該等通道亦可包括溫度及/或壓力感測器。
在一些具體實例中，管系可將低溫劑供應模組連接至一或多個注射器，直接地或經由將低溫劑供應模組連接至注射器的分配中樞套節。可使用此項技術中所知的用於控制低溫液體通過管系至注射器或注射器裝置的流速的任何方法。舉例而言，在一些具體實例中，注射器裝置可 包括可調控低溫液體之流以達成低溫液體經由注射器裝置之噴嘴的所要流速及排出的閥。在一些具體實例中，藉由使用「節流」氣體來調變低溫液體之流速，該「節流」氣體具有大於或等於低溫液體之壓力的壓力、大於低溫液體之溫度的溫度；及小於或等於低溫液體之溫度的沸點，諸如美國專利申請公開案第2008-0048047號中所描述。
低溫劑注射器模組可包括單向閥以在該單元處於候用狀態且不操作時防止來自導管之流體進入注射器模組。當操作時，該等單向閥可打開且將低溫劑直接釋放至導管中之流體中，諸如油井套管中之油中。因為離開注射器之低溫劑的壓力足夠高，所以無來自導管之流體可進入至注射器中。
在一些具體實例中，注射器裝置可包括為高壓流噴嘴之噴嘴。在一些具體實例中，注射器裝置可產生呈連貫射流的形式的低溫液體串流。可使用此項技術中所知的與低溫劑相容之任何流噴嘴或注射器裝置。流噴嘴及注射器裝置之實施例描述於(例如)美國專利第4,095,747號；第4,350,027號；第4,789,104號；第5,385,025號；第5,527,330號；第5,944,686號；第6,070,416號；第6,164,078號；第6,363,729號及第7,740,287號以及美國專利申請公開案第2002-0139125號及第2008-0048047號中。
在一些具體實例中，注射器裝置之注射器可為中空鑽頭。當該裝置將啟動時，該中空鑽頭可用以鑽通套管且鑽進含有流體(例如，原油)之導管中。該中空鑽頭可附接至低溫劑注射器模組，且該中空鑽頭可充當用以將低溫劑注射至流體(例如，原油)中的注射器。在此等具體實例中，低溫劑注射器單元可包括用以經由套管之側給中空鑽頭供以動力的 鑽機。在一些具體實例中，低溫劑通過注射器裝置之注射器的流速可藉由調整低溫劑進入建置至升管或套管中之通道中的流速來加以調變。在中空鑽頭充當注射器的具體實例中，低溫劑注射器模組可包括用於經由套管置放中空鑽頭且使之與導管中之流體流體接觸的鑽機。該鑽機可為低溫劑注射器模組之整體部分或可位於遠端位置處但仍與低溫劑注射器模組通信。舉例而言，鑽機可為低溫劑注射器模組之部分且安裝於套管之最外層上。在一些具體實例中，鑽機可始終附接至套管且可自動地開始使鑽頭鑽通套管且與導管內之流體流體連通而不必重定位該鑽機。在一些具體實例中，鑽頭垂直於套管之表面而置放，注射器將置放於該套管中。該垂直置放可最小化鑽頭必須穿過套管之量。在一些具體實例中，由於自鑽頭與鑽機之組合產生的突起，鑽機可處於候用位置中且在未置放之情況下不經定位以驅動鑽機通過套管。在一些具體實例中，由於自鑽頭與鑽機之組合產生的突起，該鑽頭可定位成斜角，此可減少鑽頭及鑽機自套管之最外層突出的量。
在其他具體實例中，尤其在注射器可附接至充當低溫劑液體供應管路以將低溫劑自低溫劑供應模組遞送至注射器的配管的情況下，低溫劑液體供應管路可包括一或多個可啟動閥，該一或多個閥可調變低溫劑流體自低溫液體供應源至注射器裝置之流。
參看圖9，其說明低溫劑注射器模組60之具體實例的實例，低溫劑液體供應模組75之出口76可連接至調控來自該供應模組之低溫劑液體的流的調變閥72。調變閥72可連接至入口63，入口63可直接地或經由分配中樞套節64連接至供應管路L1至L4及各別電磁閥Lv1至Lv4以提供 注射器裝置67之低溫劑噴嘴N1至N4。注射器裝置67之噴嘴N1至N4將低溫劑注射至導管內之流體70中。由於供應管路L1至L4之管系可歸因於與來自低溫劑液體供應模組75之低溫劑液體接觸而在冷卻時收縮，因此可使用此項技術中所知的防止對管系造成過量拉伸應力的任何方法，諸如彈簧負載的、收縮的、膜盒式的、不鏽鋼軟管。在一些具體實例中，低溫劑液體供應模組75可經由絕緣管道而連接至低溫劑注射器模組60，諸如藉由使用加夾套之高密度聚乙烯、聚胺基甲酸酯及/或玻璃纖維加強型聚酯樹脂絕緣管道、真空加夾套管道或雙重同心預應力管道(例如，參見美國專利第3,530,680號；第3,693,665號；第3,865,145號及第4,219,224號)。
碳鋼在低溫溫度下通常將會變得易碎且丟失其結構強度。因此，碳鋼並非低溫劑注射器模組內之管系的材料選擇。管系可由不鏽鋼、鋁、銅或低溫相容聚合物(諸如，纖維加強型環氧樹脂複合物及超高分子量聚乙烯)製成。管系或管道亦可為具有比鋼高之延性破碎模式及比鋼低之脆性破碎模式的合金。例示性合金包括美國專利第5,352,304號；第6,183,573號；第6,212,891號；第7,235,212號；第7,648,597號及第7,727,463號中所描述之彼等合金。
來自低溫劑液體供應模組75之低溫液體在低溫下通常維持於或接近於其沸點，且與較高溫度下之其他材料的任何接觸將導致熱自彼材料轉移至該液體，從而導致液體之沸騰及該材料之溫度的降低。該液體因此通常儲存於充分絕緣之貯槽及管道中且經由充分絕緣之貯槽及管道來轉移。在一些具體實例中，低溫劑注射器模組60可包括一或多個熱監視器65。
調變閥72及/或電磁閥Lv1至Lv4可用以調控低溫劑液體自低溫劑液體供應模組75至注射器裝置67之噴嘴N1至N4及通過注射器67之噴嘴N1至N4的流。若判定(例如)在給定冷凍及堵塞操作中不需要所有四個噴嘴N1至N4，則可調變閥Lv1至Lv4中之任何一或多者以限制低溫劑液體流經注射器裝置之噴嘴或使低溫劑液體停止流經注射器裝置之噴嘴。電、可程式化控制器(例如，具有適當硬體及軟體的電腦模組55(圖9中未示))可用以控制閥打開及閉合及其順序。電腦模組55可連接至該等閥、控制面板及視情況地連接至遠端溫度及/或壓力感測器。自注射器裝置之噴嘴至將被堵上之導管內的待冷凍之流體中的液態低溫劑之流的形狀及流速可藉由噴嘴孔隙大小、液體流速及液體壓力的不同組合來調變。舉例而言，具有較大孔隙直徑之不鏽鋼噴嘴或注射器與具有較小孔隙直徑之噴嘴相比允許更多材料以給定速率流經噴嘴。
注射器裝置67之噴嘴N1至N4可沿導管2置放於縱向及/或徑向間隔開之位置處以在不同位置處將低溫劑注射至導管2中之流體70中。低溫劑之流速可(例如)藉由使用調變閥72及/或閥Lv1至Lv4來調變低溫劑通過供應管路L1至L4及噴嘴N1至N4且進入流體中的流來加以調控。在一些具體實例中，噴嘴N1至N4可具有可變之出孔面積。在一些具體實例中，注射裝置67中之每一者包括噴嘴N，該噴嘴N可為彈簧負載的以處於閉合位置中，且可包括可移動之插塞，該可移動之插塞產生相對於流體壓力或相對於流體反壓力而改變之出孔面積。舉例而言，可使用類似於美國專利第3,815,377號中所描述之裝置的注射器裝置。在一些具體實例中，噴嘴N可為將低溫劑遞送至流體的管或管道。在一些具體實例中，管 可在末端處包括噴嘴以將低溫劑遞送至導管中之流體中。在一些具體實例中，注射器或注射裝置67不與流體70流體接觸但將低溫劑注射至流體70中。舉例而言，注射器或注射裝置67可在附接至導管2之管或管道或導管中且藉由防止流體70自導管2流至注射器中的閥19來與導管2分離。當注射器啟動時，可手動或在遠端(諸如，以電方式或經由電腦控制)打開閥19，使得來自注射器之低溫劑可引入至流動流體70之串流中而未使注射器突出至流動流體中。
在一些具體實例中，每一注射器裝置67具有噴嘴N，該噴嘴N具有被偏置至正常閉合之位置的出孔，且可設定彈簧壓力以便在預定壓力下時閉合該出孔。舉例而言，當使用液態氮作為低溫劑時，可設定彈簧壓力以便在約30psia下使該出孔閉合。因此，當調變閥72打開以准許液態低溫劑自供應模組75進入供應管路L1至L4中，且壓力超過此壓力設定點時，個別噴嘴將打開且開始將液態低溫劑噴射至導管內之流體中。在一些具體實例中，注射裝置67可經建構以隨著供應至該等裝置之壓力增加而逐漸放大出孔面積，諸如藉由打開或閉合調變閥72或閥Lv1至Lv4中之任一者。注射裝置67、調變閥72及閥Lv1至Lv4可由電腦模組55來調控。
在一些具體實例中，低溫劑注射裝置67中之全部經設計以始終同時操作。在一些具體實例中，可個別地調變每一注射器裝置67之每一噴嘴N，諸如藉由電腦模組55來調控或經由閥手動地調控。調變閥72與電腦模組55之組合提供將該模組內的導管之溫度維持於相對準確之範圍內的極其有效率之方式。
在操作中，可將低溫液體遞送至與導管內之流體流體連通的 至少一注射器裝置。低溫劑液體經與流體(例如，原油或天然氣)接觸便自流體吸收熱能且可轉變成氣體，其隨著流體流動而從施加位點帶走。可(諸如)藉由電腦模組55調變遞送至注射器裝置及因此遞送至導管內之流體的液態低溫劑的量以便達成流體之所要冷卻速率。
在一些具體實例中，流速計可包括於注射器裝置中或包括於將低溫劑遞送至注射器裝置的管道或管系中，或其任何組合中。流速計可與電腦模組通信。來自流速計之資料可用以判定低溫劑通過該系統之流，尤其通過注射器裝置之流，且可用以調變低溫劑通過該系統之流速，手動地或藉由電腦控制而自動地。流速計可包括在自低溫劑供應模組至低溫劑自注射器至流體中之出口點的流體連通路徑各處以判定低溫劑通過該系統之流速。在該系統中可使用此項技術中所知之任何流量計。流量計可包括明輪流量計、渦輪流量計、磁流量計、光學感測器、電磁速度感測器、科氏力流量計、熱流量計、超音波流量計或此項技術中所知之任何其他類型的流量計。此項技術中所知之流量計的實例包括美國專利第7,730,777號；第7,707,898號；第4,934,196號；第4,422,338號及第RE 31,450號，以及美國專利申請公開案2009-0281671、2005-0288873及2004-0244498。
在一些具體實例中，可包括加熱單元，其與注射器熱連通以在操作期間調變注射器之溫度。
C. 預防型低溫熱力閥系統
本文中亦提供一種供安裝在井管路(諸如，油井或氣體管路)中用於可逆地堵上該管路的整合式預防型CryoPlug低溫熱力閥系統。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統直接或間接地附接至井之套管或井口。 在自井之正常流體開採過程中，該系統不處於作用中且既不冷卻導管亦不將低溫劑注射至導管內之流體中(其可被視為處於候用模式下)，且該低溫熱力閥系統充當用於使井套管內之流體流動的導管。當希望使材料停止流經導管時，可啟動該低溫熱力閥系統以凍結在導管內部流動之材料的至少一部分，從而形成可使材料停止流經導管的材料之可逆凍結插塞。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括熱轉移裝置，如上文所描述。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括低溫劑注射器模組，如上文所描述。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括熱轉移裝置及低溫劑注射器模組，如上文所描述。
該整合式預防型低溫熱力閥系統為可包括如下低溫熱力閥之系統，該低溫熱力閥以許多重要方式解決了此項技術中所知的低溫冷凍壓力隔離技術的限制，包括具有改良之經濟效果(成本顯著低於習知閥)、證明了極低之維護要求、為預防型的、與井套管或另一導管成一直線地安裝、在啟動之前均不對流有作用、一旦完全啟動便快速地控制流、能夠可變地控制流、能夠安裝於地上或地下或海上或海下應用(包括深水應用)，及能夠經歷多個冷凍解凍循環且因此避免需要在啟動之後替換。
美國專利第3,631,870號教示了，若管線含有用於終止液體流之經安裝構件(諸如，閥)，則管線中液體流停止之問題得到解決。該專利教示了，可藉由引入膠凝劑而在管線中形成插塞。美國專利第4,370,862號教示了藉由冷凍管線中維持於靜態條件下之水來在管線中形成冰插塞。美國專利第5,125,427號教示了，藉由冷凍(諸如，藉由將水注射至管線中且接著在適當位置冷凍水)在管線中形成插塞遭受到某些問題，包括需要 過量冷卻以形成插塞，規定了在大直徑管路中形成水插塞需要多個小時或甚至多天。此等先前技術缺少有效之散熱片，該散熱片用於自流動流體至散熱片之有效率熱轉移。本文中所描述之裝置、系統及方法包括有效率散熱片，用於自導管中之流動流體的有效熱轉移，導致凍結流體插塞之快速形成。
本文中所提供之熱力閥不需要精確機械加工或其他高成本製造技術。在大規模生產中，此裝置之安裝成本將稍高於管之周圍部分，但相對於額外大直徑球閥或防噴器之成本為可忽略的。本文中所提供之裝置及系統可包括允許在水下、地下或密封混凝土應用中遠端啟動的特徵。該等裝置及系統可以相對較低之增加成本而併入至井套管中且黏結在適當位置中。
本文中所提供之裝置、系統及方法通常經設計以免包括突出至流道中的任何物品，且因此熱交換單元及/或低溫熱力閥裝置的安裝將不會干擾在管線及導管內部橫越以分離產物且執行管線之內表面的監視及維護的各種粗塊。因為突出至套管或流管中之任何東西大體上為不可接受的，因此本文中所提供之熱交換單元及/或低溫熱力閥裝置避免在先前技術裝置中觀測到之缺點。
本文中所描述的用於提供預防型低溫熱力閥系統的裝置、系統及方法可操作以在導管內之任何地方形成插塞。舉例而言，注射器可經定位，以使得在啟動時便注射低溫劑以在採油油管柱內形成凍結插塞。在一些具體實例中，注射器可經定位，以使得在啟動時便注射低溫劑以在採油區上方在採油套管柱與採油油管柱之間的環管中形成凍結插塞，諸如在 填塞物噴出之情況下。填塞物噴出可發生在安裝於採油井中之填塞物未能密封採油區上方在採油套管柱與採油油管柱之間的環管之時。當填塞物噴出發生時，流出物經由採油油管柱外之採油套管柱不受控地流出井外。藉由在環管中形成凍結插塞，可防止流出液流經由採油套管柱離開井。在一些具體實例中，注射器可經定位以將低溫劑注射至採油油管柱中且注射至採油套管柱與採油油管柱之間的環管中。
本文中所描述之裝置、系統及方法克服此項技術中所知的與用於控制噴出井或管線之技術有關的許多缺點。在本文中所提供之裝置、系統及方法中，不需要隔離、轉向或停止流體在導管或流管內之流。本文中所提供之裝置、系統及方法可在流經導管或流管之流體中產生插塞。因此，在使用本文中所提供之裝置、系統及方法之前，不需要額外機構來換向或遏止流體在導管中之流。如實施例中更詳細地論述，具有1"垂直定向之低溫熱力閥器件的現場演示冷凍以10呎/秒流動之原油，且具有3.25"水平器件的現場演示冷凍以2.5ft/秒流動之原油。
本文中所提供之裝置、系統及方法亦克服此項技術中所知之其他缺點。舉例而言，美國專利第3,738,424號描述一種控制噴出油之方法。美國專利第3,738,424號特定地針對控制海上採油井之噴出。在將中間套管安裝於井內之後，由在水下執行焊接操作之潛水員來將閥焊接至最外套管之外表面。每一閥收納在採油操作已開始之後在噴出之情況下用於貫穿套管之各個層來鑽孔的鑽頭。在最接近於每一閥處已貫穿套管之層鑽出孔之後，自該等閥移除鑽頭，且用於使液態氮循環之管連接至該等閥。液態氮鄰近於採油油管柱循環，以便冷凍其中之固體插塞。在本文中所提供之裝 置、系統及方法中，低溫熱力閥裝置可包括遠端操作或手動操作之閥，該等閥將致冷劑或低溫劑引入至熱交換單元或注射器總成或其兩者中。如本文中所描述之低溫熱力閥可用以藉由使導管中之流體的至少一部分凝固或藉由使流體高度黏稠來調控液態或氣態流體在導管中之流。如本文中所描述的低溫熱力閥可為系統中導管上之永久附接或如本文中所描述的可附接裝置。
美國專利第3,857,255號描述一種用於以低溫劑圍繞管道的裝置。該專利不描述極有效率之熱轉移裝置。僅在溫暖之管道上噴射低溫劑將不會導致自管道有效率地提取熱能。本文中設計之裝置及系統解決了有效率熱交換機構之此缺乏。在本文中所提供之裝置、系統及方法中，低溫動力閥裝置可包括在熱交換單元之內壁之間的空間中的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。該等導熱銼屑、車屑、刨屑、小球或珠用以減少李登弗斯特效應，尤其在低溫液體中，諸如液態氬、氮、氦、氧或壓縮氣體。李登弗斯特效應為在與顯著比液體之沸點熱的塊體接觸或極近地接觸之液體中觀測到的現象。當液體很接近於顯著比液體之沸點熱的塊體時，液體沸騰且產生使彼液體不快速沸騰的絕緣蒸氣層。包括導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠減少李登弗斯特效應。添加之益處為增加熱交換單元內熱轉移之表面積及減少填充熱交換單元所需的低溫劑的量。熱交換單元中的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠單獨地或與附接至導管且延伸通過熱交換單元之空穴的導熱鰭片(其與熱交換單元中的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠熱連通)組合可充當用於將熱能轉移出導管內之流體外的極有效率之散熱片，從而允許形成凍結流體插塞而無 需換向或遏止流體通過導管之流。一或多個熱交換單元可串聯組合以增加熱交換單元之有效長度且因此增加散熱片之長度。
在一些具體實例中，可在遠端啟動低溫熱力閥。此可藉由提供合適之低溫劑來源來容易地完成。在可能需要極快速啟動(諸如，在鑽井操作期間)的表面應用中，可利用加壓杜而瓶或槽罐將低溫液體就地保留。低溫致冷系統可排除對液化氣體庫存的需要，對於海底應用或當可能需要長時段之操作時，預想到電啟動低溫致冷技術。或者，可在中心位置處保留幾杜而瓶之液態低溫劑以供備用且在需要啟動時經由卡車或直升機輸送至低溫閥。
可調變低溫劑至熱交換單元及/或低溫劑注射器中的流(例如)以允許液態低溫劑回應於自導管及其中之流體的熱轉移而蒸發，其中蒸氣係經由出口自熱交換單元排出且隨流動流體自導管內之流體排出。低溫劑之流可增加或減小且經調整以補充所蒸發之低溫劑。低溫劑引入至熱交換單元及/或低溫劑注射器中的速率及頻率可由熟習此項技術者(諸如)藉由感測熱交換單元或導管內之流動流體的溫度來加以判定。此功能可用溫度感測器手動地或自動地執行，該溫度感測器可與電腦模組通信。在一些具體實例中，可將額外低溫劑注射至熱交換單元中以補充當熱交換單元之溫度增加至預定溫度(如由與熱交換單元內部熱連通的溫度感測器所指示)時蒸發的液態低溫劑。
低溫熱力閥系統之所有組件可由適合用於低溫劑之材料製造。舉例而言，該系統可由相對不受冷溫度及預期壓力影響的任何材料組成。充分耐受低溫液體之預期溫度及壓力的例示性材料包括(但不限於) 鋼、玻璃纖維、石墨、塑膠、碳纖維及其組合。舉例而言，鋼合金(尤其含有Cr、Ni或Si之鋼)可展現高延性破碎模式及低脆性破碎模式。具有比鋼高之延性破碎模式及比鋼低之脆性破碎模式的合金在此項技術中為已知的。例示性合金包括美國專利第5,352,304號；第6,183,573號；第6,212,891號；第7,235,212號；第7,648,597號及第7,727,463號中所描述之彼等合金。
熱交換單元在系統啟動時與將被堵上之金屬導管熱接觸，且低溫劑注射器模組可經定位以使得其在啟動時與導管內之流體流體接觸。在一些具體實例中，注射器模組整合至熱交換單元中。在一些具體實例中，熱交換單元與低溫劑注射器模組彼此可極接近或彼此可間隔某段距離。在低溫熱力閥系統之熱交換單元及低溫劑注射器模組彼此極接近的具體實例中，其可使用此項技術中所知之任何適當連接構件來彼此連接。在一些具體實例中，個別單元包括可用以將熱交換單元連接至低溫劑注射器模組的凸緣。該凸緣可包括以下各者中之任一者：突出輪緣、邊緣、肋狀物，或卡圈，或其組合，及用於將熱交換單元上之凸緣附接至低溫劑注射器模組上之凸緣的附接構件。在一些具體實例中，該等單元可藉由將一單元之凸緣焊接至另一單元之凸緣以將該兩個單元接合到一起而接合。在一些具體實例中，使用連接構件將一單元之凸緣接合至另一單元之凸緣，諸如螺桿連接、螺釘及螺帽連接、鉚釘螺釘、卡口接頭、互鎖舌片或其任何組合。在一些具體實例中，一單元(諸如，熱交換單元)可包括旋進至另一單元(諸如，低溫劑注射器模組)之對應內螺紋部分中的外螺紋部分，使得可藉由將該等單元旋到一起而接合該兩個單元。在一些具體實例中，在熱交換單元與低溫劑注射器模組之間包括密封件(諸如，O型環)以提供不透 水及/或不透氣之密封。該等密封件可由此項技術中所知的與低溫熱力閥系統之操作的預期溫度及壓力相容的任何材料製成。
在一些具體實例中，CryoPlug低溫熱力閥系統包括熱交換單元。該熱交換單元可具有任何直徑或長度。熱交換單元之直徑及長度的選擇可基於導管(該單元將附接至該導管且熱交換單元將自該導管提取熱能)之尺寸及流體通過該導管之流速。
該熱交換單元可具有任何直徑或長度。熱交換單元之直徑及長度的選擇可基於導管(該單元將附接至該導管且熱交換單元將自該導管提取熱能)之尺寸或流體通過該導管之流速或其組合。舉例而言，許多油井應用中所遇到之管系及配管之外徑可自1吋變化至500吋或500吋以上。在一些應用中，單一升管或流管之長度可自約5呎變化至約100呎或100呎以上，且許多升管或流管可互連，導致可橫跨幾千呎或英里的管線。典型熱交換單元可具有為升管或流管之任一部分的長度，包括10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%或99%。在一些具體實例中，熱交換單元具有以下長度：2呎、3呎、4呎、5呎、6呎、7呎、8呎、9呎、10呎、11呎、12呎、13呎、14呎、15呎、16呎、17呎、18呎、19呎、20呎、21呎、22呎、23呎、24呎、25呎、26呎、27呎、28呎、29呎、30呎、31呎、32呎、33呎、34呎、35呎、36呎、37呎、38呎、39呎、40呎、41呎、42呎、43呎、44呎、45呎、46呎、47呎、48呎、49呎、50呎、55呎、60呎、65呎、70呎、75呎、80呎、85呎、90呎、95呎、100呎、200呎、300呎、400呎、500呎、600呎、700呎、800呎、900呎、1000呎、2000呎、3000 呎、4000呎、5000呎或介於2呎與5000呎之間的長度。
可使用兩個或兩個以上串聯之熱交換單元以增加熱交換單元之有效長度。當複數個熱交換單元附接至導管時，該等熱交換單元可互連，使得致冷劑在放出該系統或離開該系統之前自一個熱交換單元流動至下一個熱交換單元。在一些具體實例中，每一熱交換單元可連接至其自己之獨立致冷劑或低溫劑供應模組。
熱交換單元之內尺寸大體上與其附接至且熱連通的導管之尺寸大致相同。在一些具體實例中，熱交換單元之內尺寸與該導管相同，因為該導管形成熱交換單元之內尺寸。在一些具體實例中，熱交換單元包括：內導管，其為在連接至其他導管或管時載運、輸送或傳送流體之導管；及外導管，其直徑或尺寸大於該內導管，使得在該內導管與該外導管之間形成間隙或通道。熱交換單元之外導管的尺寸經選擇以提供通道，該通道可填充有以纖維、線、銼屑、車屑、殘料、刨屑、小球、丸粒、微珠、珠或碎片之形式提供的導熱材料，當致冷劑或低溫劑循環通過熱交換單元時，致冷劑或低溫劑通過該等導熱材料。
導熱材料之纖維、線、銼屑、車屑、殘料、刨屑、小球、丸粒、微珠、珠或碎片的粒度及分佈可經選擇以調變填充容積或致冷劑或低溫劑可通過之通道中空隙區域之數目、大小及分佈。粒子充填為材料的基於大小、形狀及粒度分佈之特點。均一粒度分佈可導致空隙區域之均一或幾乎均一之分佈，同時維持粒子之間的親密接觸。可選擇具有粒度分佈之材料，該等材料含有許多個粒子，該等粒子經定尺寸以填充由摻合物之最大粒度組份形成之彼等空隙中的一些以減少熱交換裝置中由該等粒子形成 之空隙的數目、大小或分佈，藉此允許選擇通過該裝置之不同流特性。用於使用材料之多峰混合來進行材料摻合的數學模型為可購得的。可使用此項技術中所知之任何方法來將該等粒子包裝至熱交換單元中，包括(例如)將粒子傾注至該單元中或均一地分散該等粒子，諸如藉由使用粒子裝載機，如美國專利第5,324,159號中所描述。
熱交換單元之內尺寸可介於1吋至500吋或500吋以上之間。在一些具體實例中，熱交換單元包括導熱表面11，該導熱表面11與熱交換單元所附接至之導管熱接觸。導熱表面11之內尺寸使得其與某導管熱連通，將自該導管提取熱能。因此，熟習此項技術者可基於熱交換單元將連接至之導管的外尺寸來選擇導熱表面11之適當內尺寸。作為實例，在該導管為具有約3吋之外徑的管道的具體實例中，導熱表面之直徑經選擇，以使得其緊緊裝配至該導管之外表面且與該導管熱連通，諸如具有約3吋之內徑。
該熱交換單元之外徑可為在熱交換單元之內表面與外表面之間產生通道的任何尺寸。舉例而言，該熱交換單元之外徑可經選擇，以使得形成於該熱交換單元之內表面與外表面之間的所得通道具有介於約0.05吋至約500吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.1吋至約100吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.2吋至約50吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.4吋至約40吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.5 吋至約30吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.6吋至約25吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.1吋至約10吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.8吋至約8吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約0.5吋至約5吋之間的寬度。在一些具體實例中，形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道具有介於約1吋至約4吋之間的寬度。在一些具體實例中，熱交換單元內之通道的寬度為約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.6、17、17.5、18、18.5、19、19.5、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、 220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490或500吋。
在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約10%至約500%之間。舉例而言，在該導管為管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為5吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約5.5吋與約25吋之間，產生具有介於約0.5吋與20吋之間的寬度的通道。
在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約10%至約300%之間。舉例而言，在該導管為管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為5吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約5.5吋與約15吋之間，從而產生具有介於約0.5吋與10吋之間的寬度的通道。
在一些具體實例中，該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約10%至約150%之間。舉例而言，在該導管為管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為5吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約5.5吋與約12.5吋之間，產生具有介於約0.5吋與7.5吋之間的寬度的通道。作為另一實例，在該導管為管道且附接至該管道之熱交換單元的內徑為10吋的具體實例中，該熱交換單元之外尺寸可介於約11吋與約25吋之間，產生具有介於約1吋與15吋之間的寬度的通道。在一些具體實例中， 該熱交換單元之外尺寸經選擇，以使得形成於熱交換單元之內表面與外表面之間的通道之寬度介於熱交換單元之內徑的約25%至約100%之間。
在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括低溫劑注射器模組。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括熱交換單元及低溫劑注射器模組。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括低溫劑注射器模組但不包括熱交換單元。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括整合至熱交換單元中之低溫劑注射器。
在包括熱交換單元及低溫劑注射器模組的低溫熱力閥系統之具體實例中，該系統可以任何組態來組裝。在一些具體實例中，當安裝在含有或將含有流動流體之導管上時，一或多個低溫劑注射器模組可經定位以最接近於流經該導管之流體的源，且該熱交換單元可相對於該流體之源定位在低溫劑注射器模組之後。在一些具體實例中，該低溫劑注射器模組可包括橫跨升管之套管的長度或一或多個長度的注射器。舉例而言，套管之一或多個管柱可經組態以包括低溫劑注射器模組之注射器裝置。
在低溫熱力閥系統之一些具體實例中，該系統包括熱交換單元，該熱交換單元包括致冷劑。該熱交換單元可包括導熱表面，該導熱表面可經組態以使得其與待冷卻的導管之外表面親密熱接觸。在一些具體實例中，待冷卻之導管形成熱交換單元之內表面且為導熱表面。該熱交換單元熱導體表面包括導熱材料。可使用熟習此項技術者所知之任何導熱材料。此等材料之實例包括銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、碳鋼、不鏽鋼及其任何組合或合金。在一些具體實例中，該熱交換單元或其導熱表面含有單一金屬導體。在一 些具體實例中，該熱交換單元或其導熱表面含有多個金屬導體。在一些具體實例中，熱導體可包括實質上純銅、銅合金、實質上純鋁、鋁合金、實質上純銀、銀合金、實質上純金，及金合金，以及其混合物。
在一些具體實例中，該熱交換單元可包括可經組態以引導低溫劑或致冷劑在熱交換單元內之流的擋板。該等擋板可為適合於調變致冷劑或低溫劑通過熱交換單元之流的任何組態或設計。該等擋板可垂直於導管或相對於導管成任何角度來定位。該等擋板可具有相等長度，或可具有不同長度以產生致冷劑或低溫劑通過熱交換單元的流的迂迴路線。在一些具體實例中，該等擋板可在熱交換單元內繞著導管或流管螺旋形地配置。
在該導管為水平的且平行於地面的具體實例中，熱交換單元可包括調變致冷劑或低溫劑沿熱交換單元之下側遠離導管的流(歸因於重力對低溫劑或致冷劑之作用)的擋板。熱交換單元內之擋板可沿熱交換單元之與該導管的表面相反的內壁來定位，從而形成腔室。當低溫劑或致冷劑引入至如此組態之熱交換單元中時，低溫劑或致冷劑可流進該單元中且填充第一腔室，在低溫劑或致冷劑流動至下一個腔室之前，使低溫劑或致冷劑與導管熱連通，不管對流體造成之任何重力效應，此歸因於導管及所附接之熱交換單元的水平位置。下一個腔室接著可填充有致冷劑或低溫劑流體，朝導管向上引導流體，直至彼腔室充滿為止，且該過程繼續，直至熱交換單元充滿致冷劑或低溫劑流體且致冷劑或低溫劑流出出口管為止。
在導管垂直於地面之組態中，擋板可用以引導致冷劑或低溫劑以最小化熱交換單元內之任何死區(沒有與導管接觸之致冷劑或低溫劑的區域)。該等擋板可以任何組態來定位。在一些具體實例中，該等擋板可 沿熱交換單元之內壁定位以形成自輸入口至輸出口之螺旋以將流體引導至導管之表面。在一些具體實例中，該等擋板可平分熱交換單元之內部。在一些具體實例中，可使用擋板來產生平行於導管之分離腔室，且可使用多個輸入口來將致冷劑或低溫劑引入至每一腔室之底部(亦即，最接近於地面)，且流體自腔室之底部流動至腔室之頂部從而離開一或多個輸出口。
在一些具體實例中，該熱交換單元含有或填充有導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠，且致冷劑或低溫劑藉由滲過導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠而流經熱交換單元。熱係自該等銼屑、車屑、刨屑、小球或珠移除且轉移至低溫劑或致冷劑，且所吸收之熱可轉移至熱交換單元外。
在一些具體實例中，該熱交換單元可包括附接至導管或流體管之導熱鰭片。該等導熱鰭片可位於導管附近之任何位置處或與導管熱接觸以增加熱交換單元之導熱區域，藉此允許導管及其內含物之熱能更快地轉移至熱交換單元，包括熱交換單元內的低溫劑或致冷劑及/或導熱金屬的經冷卻之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠。在一些具體實例中，該等導熱鰭片與導管熱連通且促進自導管至熱交換單元內之低溫劑或致冷劑及導熱金屬的經冷卻之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的能量轉移。該熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠增加表面積且可引導流體流或誘發湍流，此可增加熱轉移之效率。
熱交換單元內的導熱金屬之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠單獨或與定位於導管附近之任何位置處或與導管熱接觸的導熱鰭片、與通過熱交換單元或經由熱交換單元再生及再循環之低溫劑或致冷劑組合在熱交 換單元內形成散熱片。由於熱交換單元內的導熱金屬之經冷卻銼屑、車屑、刨屑、小球或珠的熱容量，及允許散熱片內來自導管及其中之流體的快速熱能交換(熱轉移)的較大接觸表面積，熱能被快速地吸收且以足以使流管或導管內之流動流體凍結的速率自流管(導管)及其中所含液體移除。
在一些具體實例中，該熱交換單元可包括橫過熱交換單元之長度的一部分或全長度的一或多個加熱通道。可使用該(等)加熱通道來引入溫度高於凍結插塞之流體(諸如，氣體或液體)以將熱能給予該凍結插塞且藉此融化該插塞之至少一部分。流體通過加熱通道之流維持於一速率以防止加熱流體之凍結。在一些具體實例中，經由加熱通道來泵汲經加熱氣體。
在一些具體實例中，該(等)加熱通道可包括加熱該通道以單側地或定向地將熱提供至形成於導管內之凍結流插塞的構件。在導管中之凍結插塞附近對導管進行此定向熱能施加允許定向地融化該插塞，諸如以貫穿該插塞形成通道，液態流體可流經該通道。此防止發射該凍結插塞通過該導管，且准許受控地使通過該導管之流恢復。在一些具體實例中，該加熱通道為與該導管或流管熱連通之導管、管或管道。在一些具體實例中，該加熱通道可含於流管或導管之壁內，諸如藉由使用對加熱通道之精確機械加工。
對該加熱通道加熱之構件可包括此項技術中所知之任何加熱單元。舉例而言，一或多個離散、間隔開之加熱單元(諸如，美國專利第4,849,611號中所描述)可定位於該通道各處，藉此允許將熱能定向地施加至該導管的鄰近於凍結插塞處。其他加熱裝置亦可定位於該通道內，諸 如：描述於美國專利第7,461,691號中之居里溫度加熱器，或如描述於美國專利公開案第2005-0092483號中之限溫加熱器，或如描述於美國專利公開案第2004-0020642號中之導管中導體熱源，或如描述於美國專利第3,793,716號中之加熱器條帶，或如描述於美國專利第4,238,640號中之電阻性加熱條帶。可用以對加熱通道加熱的其他加熱元件包括美國專利第7,066,730號；第4,238,640號；第3,971,416號；及第3,814,574號中所描述的加熱元件。可包括於加熱通道內之其他例示性加熱裝置包括正熱係數陶瓷加熱器、厚膜陶瓷加熱器、電阻絲或電阻帶加熱裝置，諸如含有鎳合金(諸如，Nichrome 80/20或Cupronickel(CuNi))或FeCrAl合金(諸如，Kanthal)之加熱裝置。電阻絲或電阻帶加熱裝置可封進陶瓷絕緣黏合劑(諸如，TiO2、MgO、矽藻土或氧化鋁粉或其組合)中。此等加熱裝置之商業具體實例為可購得的(CalrodTM加熱器)，其可經組態以遵照加熱通道之大小及形狀。
該加熱通道可經組態，以使得其與導管熱連通但與熱交換單元熱隔離。舉例而言，該加熱通道之朝向熱交換單元的部分可藉由使用不導熱材料來與熱交換單元分離。可使用熟習此項技術者所知之任何不導熱材料。不導熱材料之實例包括丙烯酸玻璃、瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯及其組合，及固體熱絕緣體，諸如氮化矽(Si3N4)、矽酸鈣、低密度高純度矽石陶瓷、多孔氧化鋁、硼矽玻璃、矽石氣凝膠(發 泡體玻璃)、陶瓷/玻璃複合物、纖維性耐火複合絕緣物、聚脲基氣凝膠、石墨、多鋁紅柱石、玻璃填充聚矽氧聚合物或其組合。
在一些具體實例中，CryoPlug低溫熱力閥系統可包括熱交換單元及低溫劑注射器模組，該低溫劑注射器模組完全整合及連接至導管之一部分，該導管部分經組態以可接合至井管路之導管，諸如井套管。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統之導管在導管之一末端處包括外螺紋且在導管之另一末端處包括內螺紋，其中該等螺紋匹配且配合至井管路之導管的螺紋。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統包括可用以將該低溫熱力閥系統連接至井管路之導管的凸緣。可使用此項技術中所知之任何連接構件來將該低溫熱力閥系統整合至該井管路中。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統可經組態以附接至井口。在一些具體實例中，該低溫熱力閥系統可附接至井套管。
在該低溫熱力閥系統包括導管且整合至該導管上的具體實例中，該導管在外側上可包括包層以促進在熱轉移單元之施加區域中的熱轉移。可使用熟習此項技術者所知之任何導熱材料作為該包層。此等材料之實例包括銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、不鏽鋼及其任何組合或合金。在一些具體實例中，該包層可為銅或銅合金或鋁或鋁合金。在一些具體實例中，該包層包含實質上純銅、銅合金、實質上純鋁、鋁合金、實質上純銀、銀合金、實質上純金，及金合金，以及其混合物或組合。
圖10為低溫熱力閥可逆堵塞系統之實施例具體實例的側視圖。展示井位。低溫熱力閥系統80包括熱轉移裝置9，該熱轉移裝置9具 有極接近且連接至注射器單元60的熱交換單元10。低溫熱力閥系統80可附接至井套管78。在一些具體實例中，低溫熱力閥系統80可附接至井口74。
低溫劑注射器模組60如上文所描述般，且可包括將液態低溫劑噴射至導管2內之流體70中的注射器裝置67。注射器模組60經由輸入口63與低溫劑供應模組75流體連通，輸入口63可附接至調變閥72。液態低溫劑由低溫劑供應模組75提供、藉由與流體70接觸而加溫，從而導致低溫劑氣體產生，且經加溫低溫劑及氣體隨流動流體70自該模組帶走，且自流動流體移除熱能導致凍結流體插塞之形成。一旦凍結流體插塞形成，則低溫劑便停止自低溫劑供應模組75流出，諸如藉由終止向低溫劑供應模組75供應低溫劑或藉由調整調變閥72。
熱轉移裝置9可包括熱交換單元10，該熱交換單元10可為含流體之熱交換單元(液體、氣體或壓縮氣體)、熱電模組或帕耳帖裝置或磁性熱轉移裝置。在圖10中，熱交換單元10展示為含流體之熱交換單元。熱交換單元10與致冷劑供應模組50流體連通，經由輸入口12連接至泵模組40及控制閥19。用在熱交換單元中之致冷劑在此項技術中為已知的。該致冷劑可包括可在使用條件下轉移熱能的任何流體。例示性流體致冷劑可含有液態二氧化碳、液態氨、液化氟氯烴、液化氣體(諸如，液態氮、液態氧、液態氖、液態氬、液態氧化亞氮)、氫氟乙烷、五氟丙烷、三氯一氟甲烷、二氯二氟甲烷，或其混合物。
由致冷劑供應模組50提供之致冷劑藉由與導管70接觸而加溫。在一些具體實例中，經加溫致冷劑自該系統放出至環境中。此具體實例之實例展示於圖10中。如圖10中所說明，經加溫致冷劑可經由輸出口 13自該單元放出，輸出口13經由閥19連接至排放管68。排放管68可包括加熱單元69以將所放出材料加溫至周圍溫度以最小化或防止排放管68上或周圍之冰形成。
在一些具體實例中，經加溫致冷劑可再循環至致冷劑供應模組50。此具體實例之實施例展示於圖11中。如圖11中所說明，熱交換單元10中之經加溫致冷劑經由輸出口13自該單元放出，輸出口13連接至返回管路以到達致冷劑供應模組50。該返回管路可包括閥19以調變經加溫致冷劑至致冷劑供應模組50之流。在此組態中，可使用此項技術中所知的任何閉路致冷系統。實例描述於美國專利第6,041,621號；第6,105,388號；第6,301,923號及第7,111,467中。致冷劑供應模組50可包括致冷系統。該致冷系統可為超低溫致冷系統，該超低溫致冷系統之基本操作(熱之移除及再定位)在此項技術中為眾所周知的。該致冷系統可包括壓縮機、冷凝器、過濾乾燥器及/或致冷程序，該致冷程序可包括自高壓至低壓之內部致冷劑流徑。該壓縮機可為氣體壓縮機，較佳為適合用於露點低於-100℃之任何乾燥氣體(諸如，氦或氮或氬)的氣體壓縮機。該壓縮機可為任何市售壓縮機，諸如往復式壓縮機、旋轉式壓縮機、螺旋式壓縮機，或渦捲式壓縮機或壓縮機組合。該致冷系統之致冷程序可包括其間插入有相分離器之一連串熱交換器。該致冷程序可包括此項技術中所知之任何致冷系統或程序，諸如單致冷劑系統、混合致冷劑系統、正常致冷程序、串級致冷程序或自動致冷串級循環之個別階段，或此等各者中之任一者的修改。舉例而言，該系統可為自動致冷串級程序、單相分離器系統、如美國專利第3,768,273號；第3,872,682號；第4,535,597號；第4,597,267號；第4,951,474號；第 5,099,650號；第6,722,145號；第6,843,065號；第7,111,467號；第7,234,310號中之任一者中所描述的系統，或此等程序之變化，或具有零、一個或一個以上相分離階段的任何極低溫致冷程序。對低溫及極低溫致冷之參考可見於由American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers(ASHRAE)出版之1998手冊之第39章中。除了所使用之相分離器的數目之外，在對特定應用而言為適當時，所使用之熱交換器之數目及內部節流裝置之數目在各種配置中亦可增加或減少。
在一些具體實例中，熱交換單元10內之導管可裝配有一或多個導熱鰭片(圖13中之鰭片26)。導熱鰭片26可位於導管2附近之任何位置處或與導管2熱接觸以增加熱交換單元之導熱區域，藉此允許導管及其內含物之熱能更快地轉移至致冷劑。在一些具體實例中，導熱鰭片26與導管2熱連通且促進自導管2至熱交換單元10內之致冷劑的能量轉移。
圖10及圖11說明一實施例，其中可藉由將固定螺帽旋緊於貫穿熱交換單元10及井口74之凸緣的螺釘上來將熱交換單元10固定地連接至井口74。該等圖亦展示一實施例，其中可藉由將固定螺帽旋緊於貫穿熱交換單元10及低溫劑注射器單元60之凸緣的螺釘上來將熱交換單元10固定地連接至低溫劑注射器單元60。涵蓋其他組態。
在導管待修整之具體實例中，可藉由此項技術中所知之任何構件將該系統附接至現有導管。舉例而言，該系統可經製造，以使得其以可定位及繫固在現有導管上之適當位置中的兩個或兩個以上互鎖件的形式來提供。該等互鎖件可使用此項技術中所知之任何機構來繫固，諸如藉由焊接、螺釘、螺桿、密封、環氧樹脂或其任何組合。在地上導管及地下或 海底導管中，低溫熱力閥系統可經製造以適合現有導管。在一些具體實例中，為了容納低溫熱力閥系統，現有導管周圍之區域的挖掘可能為必需的。
CryoPlug低溫熱力閥系統80可包括殼層81，該殼層81包圍附接至導管或與導管連通之組件。殼層81可由相對不受冷溫度及預期壓力影響的任何材料組成。充分耐受低溫液體及/或深海井應用之預期溫度及壓力的例示性材料包括(但不限於)鋼、玻璃纖維、石墨、塑膠、碳纖維及其組合。舉例而言，鋼合金(尤其含有Cr、Ni或Si之鋼)可展現高延性破碎模式及低脆性破碎模式。具有比鋼高之延性破碎模式及比鋼低之脆性破碎模式的合金在此項技術中為已知的。例示性合金包括美國專利第5,352,304號；第6,183,573號；第6,212,891號；第7,235,212號；第7,648,597號及第7,727,463號中所描述之彼等合金。亦可使用碳纖維/黏合劑包覆之容器，該等容器使用以下黏合劑，諸如(但不限於)諸如聚丙烯腈(PAN)之環氧樹脂、諸如聚酯之樹脂，及其組合。與鋼相比為堅固且輕質之碳纖維包括(但不限於)石墨、碳複合物、改質固體纖維、疊片碳纖維、PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維及其組合。在一些具體實例中，低溫熱力閥系統80之殼層可包括含外塗層之碳纖維。該塗層可經組態以使得碳纖維關於模組之覆蓋物對角地對準。可使用任何碳纖維，諸如石墨、碳複合物、改質固體纖維、疊片碳纖維、PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維及其組合。為安全起見，低溫熱力閥系統80之殼層可包括泄壓閥。
殼層81可包括用於使低溫劑注射器單元60及熱交換單元10與殼層81外部之環境熱隔離的構件。舉例而言，該熱隔離構件可為在殼層之一側或兩側上與殼層接觸的熱絕緣材料之一層或塗層。該熱隔離構件 可包括任何不導熱材料或具有低熱導率之材料，或可包括含有不導熱材料或具有低熱導率之材料的套管。具有低熱導率之材料的實例包括瀝青、水泥、黏土、混凝土、陶瓷填充可麗耐、軟木、棉絮絕緣物、矽藻土、環氧樹脂、玻璃纖維、發泡體玻璃、玻璃珠子或珠、玻璃絨、石膏、菱鎂礦、氧化鎂絕緣物、礦物絕緣物、耐綸、珠岩、發泡體塑膠絕緣物、膨脹聚苯乙烯、聚胺基甲酸酯、瓷、PTFE、PVC、派熱司玻璃、砂、矽石氣凝膠、苯乙烯發泡體、胺基甲酸酯發泡體、蛭石、乙烯酯、具有比空氣低之熱導率的不導熱氣體(諸如，丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷)，及具有低熱導率之液體(諸如，CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇)，及其組合。
在一些具體實例中，該殼層可形成不透氣密封。在此等具體實例中之一些中，該殼層內之隔室中的空氣可由具有比空氣低之熱導率的氣體來替換。大體上，稠密氣體(諸如，氙及二氯二氟甲烷)具有低熱導率。具有比空氣低之熱導率的氣體包括丁烷、氪、三氯甲烷、氙、1,1,2-三氯-三氟乙烷、1,2-二氯四氟乙烷、四氟乙烷、氬、二氧化碳、二乙醚、異丁烷、戊烷、全氟環丁烷、丙烷及四氟甲烷。在一些具體實例中，空氣可由具有低熱導率之液體替換。具有低熱導率之液體的實例為CFC-11、HCFC-141b、甲醇、乙醇、甘油、醚、丙酮、乙二醇、含有玻璃(諸如，玻璃纖維或玻璃珠)之不導熱聚矽氧流體，及丙二醇。
該殼層可包括用於監視沿導管之熱梯度的熱監視器。該殼層 亦可包括用於控制由導管中之低溫熱力閥系統誘發的熱梯度的加熱元件。在一些具體實例中，該殼層可包括可用以調變熱梯度及/或最小化導管之遠端處的冰形成的遠端加熱元件。可控制該等加熱元件以最小化或消除導管中之熱致應力破碎，以使得導管不(諸如)歸因於導管中裂縫或破裂之形成而發生故障。
例示性熱力閥組態說明於圖12A至圖12E中。圖12A描繪熱交換單元10，該熱交換單元10包含導管2及外套管2c。該熱交換單元附接低溫劑注射器67，該低溫劑注射器67經組態以將低溫劑注射至在導管2中流動之流體中。圖12A之熱力閥描繪可選之輔助注射器88。具有開口(導管2之一部分可通過該開口)的端板3在外套管2c之左邊及在導管2周圍附接以密封熱交換單元10之左側。具有開口(導管2之一部分可通過該開口)的端板4在外套管2c之右邊及在導管2周圍附接以密封熱交換單元10之右側。該等端板可藉由此項技術中所知之任何構件來附接至導管2及外套管2c，諸如經由焊接、螺釘、螺桿、密封、環氧樹脂或其任何組合。在板3及4附接之情況下，導管2與套管2c之間有空穴之密封管得以形成，同時允許導管2自熱交換單元之兩端突出。
熱交換單元10的在導管2與外套管2c之間的內空穴填充有導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、線、小球或珠，填充導管2與套管2c之間的空間。篩子93使導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、線、小球或珠保持在熱交換單元10內且防止其在熱交換單元10裝料時被低溫劑逐出。該等篩子可由任何材料製成，包括鋁、鋼、鐵、塑膠、加強樹脂、碳纖維、玻璃纖維或其任何組合。流體通過該裝置之流由箭頭指示。
套管2c裝配有管子接頭以形成進入熱交換單元10中之輸入口12以用於將低溫劑自供應單元遞送至熱交換單元10中。圖12A描繪一個輸入口12，但可包括任何數目個注射器口。圖12B至圖12D描繪包括兩個輸入口12之具體實例。套管2c亦裝配有管子接頭以形成離開熱交換單元10之輸出口13以用於將低溫劑自熱交換單元10放出。熱交換單元10內的輸出口13之內部開口裝配有篩子93。
圖12A之熱力閥亦包括低溫劑注射器67。該圖中所展示之可選輔助注射器88可用以將組成物(諸如，橋接流體或界面活性劑組成物)注射至導管2內之流體中。圖12A中亦展示加熱通道45，該加熱通道45與熱交換單元10內之導管2熱連通。加熱通道進口17及加熱通道出口18提供對加熱通道45之接近。如所描繪之熱交換單元10亦包括附接至熱交換單元10及/或封入熱交換單元10的熱絕緣材料之絕緣毯30。
圖12B描繪熱交換單元10，該熱交換單元10包含導管2及外套管2c，與圖12A中所描繪之單元類似。如上文所論述，圖12B中所描繪之單元包括兩個輸入口12。圖12B中所描繪之熱力閥亦包括鰭片管2f。在此具體實例中，熱交換單元10包括導管2，該導管2包括鰭片管2f以及非鰭片管之區段2a left 及在鰭片管2f之右端處的非鰭片管之區段2a right 。鰭片管2f及每一管道2a left 及2a right 之一部分包在套管2c中，且端板3及4如上文所論述般附接。端板3包括開口，導管2a left 之一部分可通過該開口，且端板4具有開口，導管2a right 之一部分可通過該開口。當板3及4在適當位置中之情況下，導管2與套管2c之間有空穴的密封管得以形成，同時允許導管2a left 及2a right 突出。
熱交換單元10的在導管2與外套管2c之間的內空穴填充有導熱金屬之數以千計的粒子、銼屑、車屑、刨屑、線、小球或珠，填充導管2之鰭片26之間及鰭片導管2與套管2c之間的空間。篩子93使導熱金屬之粒子、銼屑、車屑、刨屑、線、小球或珠保持在熱交換單元10內且防止其在熱交換單元10裝料時被低溫劑逐出。
圖12C描繪熱交換單元10，該熱交換單元10包含導管2及外套管2c，與圖12B中所描繪之單元類似。圖12C中所描繪之具體實例包括兩個低溫劑注射器67。在所描繪之具體實例中，該等注射器在套管2c之同一側上但間隔開某段距離。圖12D描繪熱交換單元10，該熱交換單元10包含導管2及外套管2c，與圖12C中所描繪之單元類似，具有兩個低溫劑注射器67，但在所描繪之具體實例中，該等低溫劑注射器67在套管2c之相反側上。儘管描繪為彼此相反，但兩個或兩個以上注射器可繞著套管2c在徑向上其間成任何角度之間隔來定位，諸如10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°或90°。儘管圖12A至圖12D描繪水平地定位之熱力閥，但該閥可水平地、垂直地或成任何角度來定位。在熱力閥將垂直地定位(諸如，圖12E及圖12F中所描繪)之具體實例中，該閥可包括繞著套管2c在徑向上定位(圖12E)或繞著套管2c在縱向上定位(圖12F)的多個輸入口12。
D. 方法
當本文中所描述之裝置及系統經部署(例如，熱轉移裝置整合或附接至充滿流體之導管且該裝置啟動)時，該熱轉移裝置可自該導管提取熱，且可以受控速率來提取熱以免在導管中造成熱應力。隨著時間過去，當導管之溫度減小(諸如，至介於-10℃至-80℃之間的溫度)時，所減 小之溫度將使導管內之材料(諸如，水或油)變稠並凝固以形成導管之插塞。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至介於-20℃至-100℃，或-30℃至-100℃，或-50℃至-100℃，或-20℃至-90℃、-30℃至-120℃，或-50℃至-150℃，或-10℃至-150℃之間的溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-20℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-30℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-40℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-50℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-80℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-100℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-150℃或更低之溫度。在本文中所提供之方法的一些具體實例中，導管之溫度可減小至-200℃或更低之溫度。
由熱轉移裝置進行之熱提取將緩慢逐層地凍結經冷凍導管內之流體(諸如，水或油)，從而減少導管之內徑且最終形成以凍結插塞密封導管的插塞。該插塞可保留，直至修補好導管為止。熱轉移裝置冷凍導管及導管內之凍結流體(諸如，水或油)積聚並形成插塞以防止液體流經導管將花費時間。在一些應用中，諸如在北極地區或深海鑽井應用中，周圍條件可極冷。在此等應用中，吾人將無需為了在導管內部積聚層狀凍結(結晶)流體油或水沈積物而大量地驟冷管道及其中之流體。
在一些具體實例中，該方法之熱轉移單元為熱電模組。在一些具體實例中，該方法之熱轉移單元為帕耳帖裝置。在一些具體實例中， 該方法之熱轉移單元為含液體之熱交換單元，如本文中所描述。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-20℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-25℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-30℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-35℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-40℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-45℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-50℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-55℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-60℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-65℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-70℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至至少-75℃的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及其中之流體的溫度降低至介於-40℃與-60℃之間的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及/或其中之流體的溫度降低至介於-20℃與-250℃之間的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及/或其中之流體的溫度降低至介於-30℃與-240℃之間的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及/或其中之流體的溫度降低至介於 -40℃與-220℃之間的溫度。在一些方法中，附接至導管之熱轉移裝置將導管及/或其中之流體的溫度降低至介於-50℃與-200℃之間的溫度。
在一些具體實例中，該方法包括：將熱轉移裝置附接至含流體之導管；使該熱轉移裝置及該導管之至少一部分與環境熱隔離；及啟動該熱轉移裝置達足夠之時間以形成防止流體流經該導管的凍結流體插塞。在一些具體實例中，該熱轉移裝置附接至無損導管且在該熱轉移裝置之附接點上方的導管發生故障或破裂之情況下被啟動以作為導管之緊急封堵機構。在此等具體實例中，本文中所提供之系統為預防型的。在一些具體實例中，本文中所描述的系統可用以提供防止流體流經破裂或破損導管的構件。在此等具體實例中，該方法包括：識別導管中之破裂位點；將熱轉移裝置(諸如，本文中所描述的)部署至該導管之無損區域中的在該破碎、破裂或破損下方的一點；及啟動該熱轉移裝置達足夠時間以形成防止流體流經該導管的凍結流體插塞。在該方法之一些具體實例中，該熱轉移裝置維持於作用中熱交換，直至可對導管進行修補為止。在一些具體實例中，作為一步驟，該方法包括增加該熱轉移裝置之溫度使得其將熱能貢獻給該導管，藉此融化該凍結插塞且使流體通過管道之流恢復。
在本文中所提供之方法的一些具體實例中，該熱轉移裝置為含致冷劑液體之熱交換單元，且該熱交換單元之間的熱交換的速率藉由控制致冷劑液體通過該系統之流來加以調變。在該等方法之一些具體實例中，來自該熱轉移裝置之經加溫致冷劑液體經由該系統而再生及再使用，從而形成閉路系統。在該等方法之一些具體實例中，來自該熱轉移裝置之經加溫致冷劑液體被放出至環境，從而形成開路系統。
在本文中所提供的方法之冷卻階段的一些具體實例中，導熱液態致冷劑被循環通過該系統，諸如藉由一或多個泵或藉由在該系統之致冷劑供應側上的正壓力。在液態致冷劑通過熱交換單元的與導管熱接觸的傳導表面時，熱自相對較暖之導管及其內含物轉移至較冷之液態致冷劑。該熱交換單元的與導管熱接觸的傳導表面可經設計以藉由最大化與流經導管之致冷劑流體接觸的表面積來最大化此熱轉移。載運自導管及其內含物吸收之熱能的致冷劑移動通過排放管或放出管，且在致冷劑放出至環境之前，其溫度可升高至至少周圍溫度。新鮮致冷劑恆定地流經熱交換單元確保導管及其內含物之熱能可恆定地轉移至致冷劑液體，從而冷卻該導管及其內含物直至該導管之流體內含物的至少一部分凍結且形成插塞為止。
在本文中所提供之方法的加溫階段的一些具體實例中，例如，在修補已完成且渴望移除凍結插塞且使流體通過導管之流恢復之後，致冷劑液體之溫度緩慢地升高。致冷劑之溫度可以不使導管經受熱應力且不影響導管之拉伸強度或爆裂強度的速率來升高。隨著致冷劑流體之溫度增加，導管壁之溫度增加。在某溫度下，凍結插塞將開始融化且自導管之內表面脫離。一旦插塞自導管之內表面脫離，導管內之流體壓力便使凍結插塞移位，從而使流體通過導管之流恢復。
在本文中所提供之方法的加溫階段的一些具體實例中，例如，在修補已完成且渴望移除凍結插塞且使流體通過導管之流恢復之後，熱轉移裝置內之加熱器不對稱地啟動，從而僅將熱能提供至導管之一側。加熱器之溫度可以不使導管經受熱應力且不影響導管之拉伸強度或爆裂強度的速率來升高。隨著在凍結插塞之一側上導管之溫度增加，在熱能施加 點處導管之壁的溫度增加。在某一溫度下，凍結插塞將開始在熱能施加點處融化且在熱能施加點處自導管之內表面脫離。一旦插塞在熱能施加點處自導管之內表面脫離，流體便開始流經導管與仍附接至導管之相反側的凍結插塞之間的間隙。此導致增加之流體流過插塞，直至插塞融化或完全脫離為止。一旦插塞融化或自導管完全脫離，流體通過導管之流便恢復。
在導管由水圍繞的深海鑽井應用中之起動操作期間，必需防止在導管之遠端中或沿導管之遠端的冰形成，同時使導管冷卻以藉由冷凍導管內之油而形成插塞。此情形可藉由在導管之遠端處包括加熱元件以保持局部溫度高於冷凍來完成。類似地，可沿放出管或排放管來包括加熱元件以在排出致冷劑液體之前使致冷劑之溫度增加至至少周圍溫度以便最小化或消除排出位點處之冰形成。
亦提供用於以受控速率冷凍填滿流體之導熱金屬導管的方法及系統。當前所揭示之系統及方法提供使用液態致冷劑之層狀流經由致冷劑液體快速地冷卻導管及其中所含之流體的能力。導管之快速冷卻可藉由依據時間精確地控制及調變引入至該系統之致冷劑的溫度來達成。在一些具體實例中，以受控速率冷凍導管之方法包括以下步驟：(i)使熱交換單元與其中含有流體之導管熱接觸；(ii)啟動該熱交換單元，使得自該導管及其中所含流體抽取熱能且將熱能轉移至該熱交換單元；及(iii)迅速地耗散由該熱交換單元吸收之熱以便防止來自該熱交換單元之熱再循環回至該導管。
在一些具體實例中，該等方法使用充滿液體之熱交換單元作為該熱交換單元。在此等具體實例中，該方法包括(i)使液態致冷劑熱交 換單元與其中含有流體之導管熱接觸；(ii)藉由將液態低溫劑與溶劑混合以產生選定溫度概況下之冷液態致冷劑來製備液態致冷劑，該溫度概況對應於該導管及該導管內之流體的所要冷卻速率；(iii)將溫度經調整之液態致冷劑的單向、層狀流遞送通過該熱交換單元以均一地冷卻該導管及其內含物；及(iv)迅速地自熱交換器排出該液態致冷劑以便防止該液態致冷劑在該熱交換單元內再循環。
當前所揭露之系統及方法提供用熱交換單元主要經由強制對流冷卻使用與導熱導管熱連通之液態致冷劑的層狀流來快速地冷卻導熱導管及該導管中所含之流體的能力。另外，當前系統及方法能夠提供在寬範圍之冷卻速率下對導管之快速冷卻，且亦在指定時使導管之溫度保持在任何規定溫度下以便形成流體之凍結插塞且使該流體凍結插塞保留在導管內而未在導管中誘發熱應力。
更具體言之，導管之快速冷卻係藉由依據時間精確地控制及調整引入至該系統之液態致冷劑的溫度來達成。在一具體實例中，該系統可經調適以提供溫度之逐步或快速下降以在導管內產生較高程度之過冷卻，藉此最小化導管中之流體的任何相變(例如，水至冰轉變)的發熱效應。在一些具體實例中，本文中所提供的受控速率冷凍或低溫驟冷系統及方法經調適以提供液體致冷劑之流以實現約-5℃/分鐘或約-10℃/分鐘的溫度勻速下降以提供導管之快速冷卻又最小化導管中之任何熱致應力。在一些具體實例中，液態致冷劑或低溫劑之流可增加以實現約-15℃/分鐘之溫度勻速下降。在一些具體實例中，液態致冷劑或低溫劑之流可增加以實現約-20℃/分鐘之溫度勻速下降。在一些具體實例中，液態致冷劑或低溫劑之流 可增加以實現約-25℃/分鐘之溫度勻速下降。在一些具體實例中，液態致冷劑或低溫劑之流可增加以實現約-30℃/分鐘之溫度勻速下降。在一些具體實例中，液態致冷劑或低溫劑之流可增加以實現約-40℃/分鐘之溫度勻速下降。在一些具體實例中，液態致冷劑或低溫劑之流可增加以實現約-50℃/分鐘之溫度勻速下降。
引入至熱交換單元之液態致冷劑的溫度可藉由將不同溶劑與液態低溫劑(諸如，液態氮或液態或固態二氧化碳)混合或將不同溶劑添加至液態低溫劑來加以調整或調變。在一些具體實例中，致冷劑供應模組可包括含有與低溫劑混合之不同溶劑的兩種或兩種以上液態致冷劑，且該液態致冷劑之溫度可藉由調變一種液態致冷劑與另一種液態致冷劑之比率來加以調變。接著引入經混合之致冷劑液體且使其流經熱交換單元。經由適當地混合具有不同溫度之液態致冷劑，當前系統可在作為熱交換單元的目標之整個冷卻區域上形成液態致冷劑之層狀流。由於液態致冷劑流之均一流動，已發現，跨越導管之液態致冷劑溫度及溫度梯度的精確控制與熱交換單元內所觀測到的導管之冷卻速率直接相關。
在溶液之凍結點處，結晶之熱使溶液溫度免於下降，且有時導管內之溫度亦可升高。在必要時，在導管中或導管上使用一或多個熱感測器或溫度感測器15，可調整液態致冷劑之溫度或流速以最小化溫度偏差。換言之，該系統之控制可為預先程式設計的或可為基於即時回饋的操作。
精確地控制導管之冷卻速率的能力可提供許多益處。舉例而言，導管在冷凍及隨後之解凍過程期間可經歷各種應力，該等應力可削弱 導管之功能或完整性。冷凍過程之適當設計可減輕此等應力，且當前系統及方法允許精確地控制冷凍過程以在冷凍過程中達成均一性同時最小化導管中之熱致應力。
可以熱監視器15或其他溫度感測器(諸如，安置於致冷劑供應模組下游之熱電耦)來量測液態致冷劑之溫度。藉由精確地調整致冷劑自致冷劑供應模組50至熱交換單元10之流，有可能快速地變換熱交換單元10之溫度，此允許以寬範圍之冷卻概況來冷卻導管2以最佳化操作條件且最大化冷凍速率同時最小化導管中之熱致應力。另外，藉由調變致冷劑液體之溫度，諸如藉由將最初具有不同溫度之兩種致冷劑液體摻合，將溫度經改變之致冷劑自致冷劑供應模組50提供至熱交換單元10使得有可能快速地變換熱交換單元10之溫度，此允許以寬範圍之冷卻概況來冷卻導管2以最佳化操作條件且最大化冷凍速率同時最小化導管中之熱致應力。
亦提供用以在導管(諸如，井)中形成暫時凍結之流體(諸如，油或氣體)插塞以便使流體停止流經該導管的方法。在一些方法中，該插塞用以暫時中止油井中之採油。在一些具體實例中，該油井可為地上管線。在一些具體實例中，該油井可為海上的，且可為深海油井。有很多時候需要使流體停止流經導管(諸如，油通過井)。舉例而言，在風暴條件期間在海上油井中之油流，或當對井口執行維護時，或在導管受損或斷裂之災難性事件的情況下作為緊急封堵需要使用某類插塞來使該流停止。在一些情況下，閥可併入至採油井套管中，該採油井套管可被封堵以使流停止。在其他情況下，可使用含有可取回維護填塞器及防颶風閥的風暴插塞總成。此等風暴插塞通常置放於有套管之孔中在可能處於泥線下方約200 呎(亦即，洋底下方200呎)之位置處。在傳統「大陸棚」應用中，由於升降式鑽油台在約200至300呎之最大深度處操作，因此風暴插塞可設置在高達約500呎之深度處。在漂浮鑽探船或半潛式鑽油台可在6,000呎或6,000呎以上之水深中操作的深水應用中，風暴插塞之設置深度可為大概6,500呎或6,500呎以上。置放風暴插塞常可歸因於井偏而導致井之閥或甚至導管受損。
因此，提供如本文中所提供之系統將為有益的，該系統可產生凍結插塞，該凍結插塞可用以暫時隔離一井(包括深水中之井)，而不需要將插塞以機械方式置放於管線中。在本文中所提供之系統及方法中，該插塞可就地形成且可藉由允許該插塞融化(被動地或藉由受控地調變熱交換單元之溫度)而容易地移除。
一具體實例為一種用於暫時防止油在管線(包括海上油井)中流動之方法，該方法包括：將熱轉移裝置附接至該管線以使得其與該管線之至少一部分熱接觸；及安裝低溫劑注射器模組，其在啟動時將低溫劑注射至該管線中之流體中，諸如將低溫劑直接注射至井中之油中。該低溫劑注射器裝置將低溫劑注射至該流體中以冷卻該流體。在一些具體實例中，該低溫劑為液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或固態二氧化碳，或其組合。在一些具體實例中，該低溫劑注射器裝置位於最接近於流經該管線之流體的源處，以使得在該流體到達管線的該熱轉移裝置所附接至之區域之前，低溫劑注射至該流體中冷卻該流體。在該等方法中，該熱轉移裝置可啟動達足夠時間以形成防止流體流經導管的凍結流體插塞且使該凍結插塞維持 穩固地附接至管線之內壁，藉此防止在管線中流體流過該插塞。在一些具體實例中，該熱轉移裝置可附接至無損導管且可在該熱轉移裝置之附接點上方的導管發生故障或破裂之情況下被啟動以作為導管之緊急封堵機構。在此等具體實例中，該方法充當用於防止或最小化油溢出至環境中的預防型處理。在一些具體實例中，該方法防止流體流經破裂或破損導管。在此等具體實例中，該方法包括：識別導管中之破裂位點；將熱轉移裝置(諸如，本文中所描述的)附接至該導管之無損區域中在該破碎、破裂或破損下方的一點；在該熱轉移裝置下方將低溫劑注射器裝置附接至該導管之無損區域中在該破碎、破裂或破損下方的一點；及啟動該熱轉移裝置達足夠時間以形成防止流體流經該導管的凍結流體插塞。在該方法之一些具體實例中，該熱轉移裝置可維持於有效熱交換中，直至可對導管進行修補為止。在一些具體實例中，作為一步驟，該方法包括增加該熱轉移裝置之溫度使得其將熱能貢獻給該導管，藉此融化該凍結插塞且使流體通過管道之流恢復。
亦提供用於暫時隔離油井之方法，該等方法包括以下步驟：將熱轉移裝置附接至該油井中之井套管的一部分，使得其與該井套管之至少一部分熱接觸；及安裝低溫劑注射器模組，其在啟動時將低溫劑注射至流體(諸如，井套管中之油)中，其中在油與井套管的該熱轉移裝置可附接至之區域接觸之前，低溫劑注射至油中降低油之溫度，且該熱轉移裝置自油提取足夠熱能，使其凍結且形成可逆地附接至井套管之側壁的凍結油插塞。在一些具體實例中，該低溫劑可為液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或固 態二氧化碳，或其組合。在一些具體實例中，該熱轉移裝置可為含有致冷劑之液體熱交換單元。在一些具體實例中，該致冷劑包括低溫劑及溶劑。在一些具體實例中，該致冷劑包括(a)液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳或固態二氧化碳，或其組合及(b)選自以下各者中之溶劑：四氯化碳、間二氯苯、硝基甲烷、溴化苯、乙腈、氯苯、間二甲苯、正丁胺、正辛烷、氯仿、第三丁胺、三氯乙烯、乙酸丁酯、乙酸乙酯、庚烷、環戊烷、己烷、甲醇、環己烷、異辛烷、乙醛、甲基環己烷、m-戊烷、1,5-己二烯、異戊烷、3-庚酮、環己酮、二乙基卡必醇、卡必醇乙酸酯、乙醇、丙酮、異丙醇、甲乙酮、二乙醚及其組合。
在一些具體實例中，該方法包括將致冷劑提供至該熱交換單元且將廢致冷劑(在其已歸因於與井套管接觸而加溫之後)放出至環境中。在一些具體實例中，該方法包括將致冷劑提供至該熱交換單元且藉由使廢致冷劑通過閉路致冷系統而再循環廢致冷劑。在一些具體實例中，該方法包括使廢致冷劑通過超低溫致冷系統。在一些方法中，該方法包括藉由使廢致冷劑通過致冷系統來再生廢致冷劑，該致冷系統包括壓縮機、冷凝器、過濾乾燥器及/或熱交換單元。在該方法之一些具體實例中，該廢致冷劑可通過往復式壓縮機、旋轉式壓縮機、螺旋式壓縮機、渦捲式壓縮機，或此等壓縮機中之任一者的組合。在一些具體實例中，該方法包括使廢致冷劑通過一個熱交換器或一連串熱交換器。
在一些具體實例中，該低溫劑注射器單元可包括裝配有中空鑽頭之鑽機，且低溫劑注射器單元之啟動包括對鑽機供以動力以使得其貫 穿導管來鑽孔，使得該中空鑽頭之末端與井套管中之油流體連通。在該等方法之一些具體實例中，一旦該中空鑽頭與井套管中之油流體連通，低溫劑供應源便可直接地或間接地附接至該中空鑽頭，使得該中空鑽頭充當將低溫劑注射至油中的注射器。
亦提供一種用於產生含於導熱金屬導管中之流體的受控速率之冷凍的方法。在一些具體實例中，該方法包括以下步驟：(a)安裝如本文中所描述之低溫劑注射器單元以使得在啟動時該單元將低溫劑注射至該流體中；(b)在該低溫劑注射器單元下游之一點處安裝熱交換單元使之與其中含有流體之導管熱接觸；(c)啟動該低溫劑注射器單元以使得其將低溫劑注射至該流體中且藉此降低該流體之溫度；(d)啟動該熱交換單元以使得熱能被致冷劑吸收以形成廢致冷劑，藉此自導管及其中之流體抽取熱能且將熱能轉移至該熱交換單元；及(e)迅速地耗散由該熱交換單元吸收之熱以便防止來自該熱交換單元之熱再循環回至該導管。在一些具體實例中，藉由將廢致冷劑放出至環境中而耗散由熱交換單元吸收之熱。在一些具體實例中，藉由使廢致冷劑通過致冷系統以移除廢致冷劑自與導管熱連通之熱交換單元吸收的熱能來再生廢致冷劑。
亦提供一種用於在含於導熱金屬導管中之流動流體中產生可逆插塞的方法。在一些具體實例中，該方法包括以下步驟：(a)安裝一或多個熱交換單元使之與其中含有流體之導管熱接觸；及(b)啟動該(等)熱交換單元以使得熱能被該熱交換單元內之致冷劑或低溫劑吸收以形成廢致冷劑或低溫劑，藉此自該導管及其中之流體抽取熱能；及(c)迅速地耗散由該(等)熱交換單元吸收之熱以便防止來自該(等)熱交換單元之熱 再循環回至該導管及其中之流體。在一些具體實例中，藉由將廢致冷劑放出至環境中而耗散由熱交換單元吸收之熱。在一些具體實例中，藉由使廢致冷劑通過致冷系統以移除廢致冷劑自與導管熱連通之熱交換單元吸收的熱能來再生廢致冷劑。
亦提供一種用於藉由使用熱交換單元及將低溫劑注射至含於導熱金屬導管中之流動流體中而在該流體中產生可逆插塞的方法。在一些具體實例中，該方法包括以下步驟：(a)安裝一或多個熱交換單元使之與其中含有流體之導管熱接觸；(b)安裝一或多個低溫劑注射器，使得在啟動時該一或多個注射器可將低溫劑引入至導管內之流體中；及(c)啟動該熱交換單元以使得熱能被該熱交換單元內之致冷劑或低溫劑吸收以形成廢致冷劑或低溫劑，藉此自該導管及其中之流體抽取熱能；(d)啟動該一或多個低溫劑注射器以將低溫劑引入至該流體中；及(e)迅速地耗散由該(等)熱交換單元吸收之熱以便防止來自該熱交換單元之熱再循環回至該導管及其中之流體。在一些具體實例中，可藉由將廢致冷劑放出至環境中而耗散由熱交換單元吸收之熱。在一些具體實例中，可藉由使廢致冷劑通過致冷系統以移除廢致冷劑自與導管熱連通之熱交換單元吸收的熱能來再生廢致冷劑。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元上游，以使得經低溫劑冷卻流體進入並流經熱交換單元。在一些具體實例中，低溫劑注射器可位於熱交換單元上游及下游以允許在調變流向的情況下進行交替啟動。可將低溫劑注射至流體中，直至流體變黏稠為止或直至流體凍結或阻止流動或變成固體為止。熱交換單元中之致冷劑或低溫劑可維持於作用中狀態，以使得熱交換單元之溫度維持低於導管及其中之流體以使得凍 結插塞不融化。
在一些具體實例中，通過導管之流藉由啟動熱交換單元中加熱通道內之一或多個加熱單元而完成。加熱單元之啟動可將定向之熱能提供至導管及其中之凍結插塞，藉此允許在插塞中形成融化區及形成貫穿該插塞之通道。熱交換單元中之致冷劑或低溫劑有助於維持插塞之剩餘部分黏附至導管，藉此防止該插塞作為「冰子彈」發射穿過導管。藉由操縱該加熱通道中之加熱單元，該方法允許貫穿該凍結插塞形成通道，藉此使流體通過導管之部分流恢復且藉此可控地融化該凍結插塞同時該凍結插塞仍附接至導管壁。
在一些具體實例中，在該系統中可包括旁路迴路以在解凍之前消除熱交換單元中的壓差，且藉此最小化或消除將部分凍結插塞作為「冰子彈」發射穿過該系統的可能性。該旁路迴路將允許在解凍之前受控流體對導管之低壓側加壓，藉此使流管或導管中之壓力等化。
在一些具體實例中，藉由自烴流體提取熱能而在該流體中形成之插塞歸因於較高分子量分子與較低分子量材料相比不同的沈澱/凍結速率而為非晶形的。在此等具體實例中，已判定，在熱提取及烴流體之冷凍之前將表面活性劑引入至流體中導致流體之更均質冷凍且促使凍結插塞更好地黏附至導管之內表面。當包括表面活性劑時，在流體中無高分子量材料凝集，且形成更均質之插塞。
因此，亦提供在流體中產生凍結插塞之方法，其中該方法包括在冷凍流體之前將表面活性劑引入至流體中。完成此方法之有利方式為使用本文中所描述之裝置，該裝置包括用於在將低溫劑注射至導管內之流 體之前、之後或與此同時將表面活性劑引入至流體中的輔助注射器。
在一些具體實例中，該方法包括以下步驟：(1)安裝低溫熱力閥，其包括(a)與其中含有流體之導管熱接觸的一或多個熱交換單元；(b)一或多個低溫劑注射器，使得在啟動時該一或多個注射器將低溫劑引入至導管內之流體中；及(c)一或多個輔助注射器，當被啟動時，該一或多個輔助注射器將表面活性劑引入至導管內之流體中；(2)啟動該低溫熱力閥，使得：(a)藉由該熱交換單元內之致冷劑或低溫劑吸收熱能以形成廢致冷劑或低溫劑，藉此自該導管及其中之流體抽取熱能；(b)低溫劑注射器將低溫劑引入至流體中；及(c)輔助注射器將表面活性劑引入至流體中；及(3)允許足夠時間以使導管內之流體變成黏稠的及/或冷凍固體，藉此使流體停止流經導管。在所提供之方法中，迅速地耗散由該(等)熱交換單元吸收之熱以防止來自該熱交換單元之熱再循環回至該導管及其中之流體。在一些具體實例中，藉由將廢致冷劑放出至環境中而耗散由熱交換單元吸收之熱。在一些具體實例中，藉由使廢致冷劑通過致冷系統以移除廢致冷劑自與導管熱連通之熱交換單元吸收的熱能來再生廢致冷劑。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元上游，以使得經低溫劑冷卻流體流經熱交換單元。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元下游。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元上游及下游。可將低溫劑注射至流體中，直至流體變黏稠為止或直至流體凍結或阻止流動或變成固體為止。熱交換單元中之致冷劑或低溫劑可維持於作用中狀態，以使得熱交換單元之溫度維持低於導管及其中之流體以使得凍結插塞不融化。在一些具體實例中，輔助注射器位於熱交換單元及低溫劑注射器上游。 在一些具體實例中，輔助注射器位於熱交換單元上游但位於低溫劑注射器下游。
在輔助注射器將一或多種表面活性劑注射至導管內之流體中的方法中，可使用任何表面活性劑。舉例而言，該表面活性劑可包括任何陰離子、陽離子、兩性離子、非離子或聚矽氧界面活性劑或其組合，包括本文中所描述之例示性表面活性劑，且可使用一或多個輔助注射器將此等表面活性劑組成物引入至導管或流管內之流體中。
在一些具體實例中，尤其在流體為氣體(諸如，天然氣)之具體實例中，可將橋接流體引入至該流體中以促進在該流體中形成凍結插塞。
因此，亦提供在流體(尤其氣體流體但不限於此)中產生凍結插塞的方法，其中該方法包括在冷凍該流體之前將橋接流體引入至該流體中。完成此方法之有利方式為使用本文中所描述之裝置，該裝置包括用於在將低溫劑注射至導管內之流體中之前、之後或與此同時將橋接流體引入至流體中的輔助注射器。在一些具體實例中，該方法包括以下步驟：(1)安裝低溫熱力閥，其包括(a)與其中含有流體之導管熱接觸的一或多個熱交換單元；(b)一或多個低溫劑注射器，使得在啟動時該一或多個低溫劑注射器將低溫劑引入至導管內之流體中；及(c)一或多個輔助注射器，使得在啟動時該一或多個輔助注射器將橋接流體引入至導管內之流體中；(2)啟動該低溫熱力閥，使得：(a)藉由該熱交換單元內之致冷劑或低溫劑吸收熱能以形成廢致冷劑或低溫劑，藉此自該導管及其中之流體抽取熱能；(b)低溫劑注射器將低溫劑引入至流體中；及(c)輔助注射器將橋接流體 引入至導管中之流體中；及(3)允許足夠時間以使導管內之流體變成黏稠的及/或凍結固體，藉此使流體停止流經導管。在所提供之方法中，迅速地耗散由該(等)熱交換單元吸收之熱以防止來自該熱交換單元之熱再循環回至該導管及其中之流體。在一些具體實例中，藉由將廢致冷劑放出至環境中而耗散由熱交換單元吸收之熱。在一些具體實例中，藉由使廢致冷劑通過致冷系統以移除廢致冷劑自與導管熱連通之熱交換單元吸收的熱能來再生廢致冷劑。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元上游，以使得經低溫劑冷卻流體流經熱交換單元。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元下游。在一些具體實例中，低溫劑注射器位於熱交換單元上游及下游。可將低溫劑注射至流體中，直至流體變黏稠為止或直至流體凍結或阻止流動或變成固體為止。熱交換單元中之致冷劑或低溫劑可維持於作用中狀態，以使得熱交換單元之溫度維持低於導管及其中之流體以使得凍結插塞不融化。在一些具體實例中，輔助注射器位於熱交換單元及低溫劑注射器上游。在一些具體實例中，輔助注射器位於熱交換單元上游但位於低溫劑注射器下游。
E. 實施例
包括以下實施例僅為達成說明目的且不意欲限制本文中所提供之具體實例的範疇。
實施例1 垂直導管
在垂直導管上製造並測試CryoPlug低溫熱力閥系統。例示性具體實例示意性地說明於圖13中。實施例1之垂直導管組態(如下文更 詳細地描述)具有通過該系統的約550桶/天或10呎/秒(fps)的撇渣油流速。
在此垂直導管系統中，該系統包括熱交換單元10及低溫劑注射器67。在此實施例中，熱交換單元10包括導管2，導管2包括具有13/16吋之內徑的3呎碳鋼鰭片管(碳鋼鰭片管，5/8吋鰭片高度、1/4吋鰭片間距)以及在鰭片管之頂端處的非鰭片碳鋼管系的6吋區段2a top 及在該鰭片管之底端處的非鰭片碳鋼管系的6吋區段2a bottom 以獲得總長度為4呎之導管。導管2及每一管道2a top 及2a bottom 的一部分包在作為外套管的3吋直徑之鋼管道2c中，且具有開口(導管2a bottom 之一部分通過該開口)之1/8吋鋼板4焊接於外套管2c之底部處及導管2a bottom 周圍以密封熱交換單元10之底部，藉此形成導管2與套管2c之間有空穴的密封管又允許導管2a bottom 突出。端板4裝配有3/8吋鋼管子接頭以形成進入熱交換單元10中之輸入口12以用於將致冷劑自供應單元50遞送至熱交換單元10中。輸入口12之內部開口裝配有鋁篩93。180公升杜而瓶之液態氬(Air Products and Chemicals,Inc.,Chicago,IL,USA)充當致冷劑供應模組50，提供液態氬作為致冷劑。輸入口12經由絕緣3/8吋銅管系而附接至致冷劑供應單元50。使用杜而瓶50之液態氬供應閥來調控液態氬自致冷劑供應單元50(液態氬杜而瓶)至熱交換單元10之輸入口12的流。
熱交換單元10的介於導管2與外套管2c之間的內空穴填充有成千個鋼球(BB，0.177吋直徑)，填充導管2之鰭片之間及鰭片導管2與最外之3吋管道套管2c之間的空間。使用軟管夾將鋁篩8(導管2通過其)附接至2c之頂部且附接至導管2之側以使鋼球保持於熱交換單元10 內且防止其在熱交換單元10裝料時被低溫劑逐出。正方形鋼支腳(圖13中未展示)焊接至3吋外套管2c以使原型能夠為自立的。熱交換單元10包括作為絕緣體的胺基甲酸酯發泡體之絕緣毯30。使用布膠帶(Duct tape)來附接胺基甲酸酯發泡體絕緣毯30。
此實施例之垂直定向之低溫熱力閥系統亦包括低溫劑注射器67。3/8吋銅管子接頭焊接至非鰭片鋼管2a bottom 上作為注射器67。注射器67經由絕緣之3/8吋銅管系及調變閥72而附接至供應模組75，該調變閥72調控低溫劑液體自供應模組75之出口76的流出。180公升液態氬杜而瓶(Air Products and Chemicals,Inc.,Chicago,IL,USA)充當低溫劑供應模組75。調變閥72連接至進口63以將低溫劑提供至注射器67。
使用1吋鋼接頭來附接絕緣之可撓性1吋軟管92以將原油70自塑膠儲集器95供應至泵模組40及壓力計82以到達導管2之底部。原油70為在鹽水處置設備處與采出水分離的撇渣油。使用十加侖之撇渣油且將其添加至儲集器95。使用1hp離心電動泵(W.W.Grainger,Inc.,Lake Forest,IL,USA，貨號4UA65)作為泵模組40。壓力計82為2 1/2"、填充有流體之不鏽鋼壓力計(W.W.Grainger,Inc.,Lake Forest,IL,USA，貨號4CFH7)。
使用1吋鋼接頭將絕緣之可撓性1吋軟管91附接至導管2之頂部以使原油70自熱交換單元10返回至儲集器95。儲集器中及/或自熱交換單元返回之原油的溫度藉由一或多個熱監視器15(Extech IR thermometers、Extech Instruments、Waltham,MA,USA，型號L-1004264，具有-50℃至380℃之溫度範圍)來監視。具有三角架的兩個Flip video minoHD視訊相機(Cisco Systems,Inc.,San Jose,CA,USA)及具有三角架的Olympus X-560WP視訊相機(Olympus America,Inc.,Center Valley,PA,USA)位於該系統周圍以產生測試之視訊記錄。
測試程序：
藉由啟動泵40來起始油70自儲集器95之流出，且允許油70流經該系統以穩定至少5分鐘。儲集器95中油70之溫度為35℃。壓力計82之壓力為約0psi(開放系統)。被泵汲油之所量測流速為18秒5加侖或0.28加侖/秒，為16.67加侖/分鐘，等於約0.4桶/分鐘或約570桶/天。
藉由調整閥19以允許氬流入進口12中啟動氬自氬杜而瓶(致冷劑供應單元50)之流出而將氬致冷劑引入至熱交換單元10中。初始流相對較緩慢以避免BB自熱交換單元10逐出。液態氬自杜而瓶流出之流速增加，直至熱交換單元10充滿液態致冷劑為止，如由氬經由篩子8自熱交換單元10之頂部之可視溢出及自熱交換單元10之底部滴落所指示。一旦熱交換單元10充滿液態氬，便再檢查儲集器95中之油70的溫度，且發現其為38℃。
藉由逐漸地打開調變閥72以起始氬低溫劑通過入口管路63之流動來將氬低溫劑注射至該系統中。氬低溫劑之流動伴有快速的可聽脈衝聲。在3/8"銅入口管路63及注射器67冷卻時，冰晶形成於銅管路之外側上，且該管路及注射器變白。在幾秒內，可聽脈衝之頻率變慢且接著戲劇性地停止，嘯聲雜訊開始且油流動停息。調變閥72被關閉以使氬停止自杜而瓶(致冷劑供應單元50)流出。在油停止流動之後的很多秒時，該系統中之氬氣繼續自該系統經由可撓性軟管91返回管系放出至儲集器95。未觀測到進一步之油流動。壓力計82處之壓力為20psi，且該泵發出很大的噪 聲，因為其費勁地克服凍結油的作用而進行泵汲。撤銷啟動泵40，關閉杜而瓶50上之閥19且允許該系統解凍隔夜。采出油典型地與水混合。與油相比，水在較高溫度下冷凍。因此，預期采出油比此實施例中所使用之撇渣油更易於凍結。
實施例2 水平導管
在水平導管上製造並測試低溫熱力閥系統。例示性具體實例示意性地說明於圖14A及圖14B中。
在此水平定向之導管系統中，該系統包括熱交換單元10及低溫劑注射器60，該兩者之放大圖展示於圖14A中。在此實施例中，熱交換單元10包括導管2，導管2包括具有3吋之外徑(0.120"壁厚)的6呎304不鏽鋼鰭片管2f(不鏽鋼鰭片管，3/4吋鰭片高度、1/4吋鰭片間距)以及在鰭片管2f之左端處的非鰭片不鏽鋼管系的12吋區段2a left 及在該鰭片管2f之右端處的非鰭片不鏽鋼管系的12吋區段2a right 以獲得總長度為8呎之導管。鰭片管2f及每一管道2a left 及2a right 之一部分包在作為外套管之5吋直徑碳鋼管道2c中。具有開口(導管2a left 之一部分通過該開口)的1/8吋鋼板3焊接在外套管2c之左邊及在導管2a left 周圍以密封熱交換單元10之左側。具有開口(導管2a right 之一部分通過該開口)的1/8吋鋼板4焊接在外套管2c之右邊及在導管2a right 周圍以密封熱交換單元10之右側。當板3及4焊接在適當位置中之情況下，導管2與套管2c之間有空穴的密封管得以形成，同時允許導管2a left 及2a right 突出。
熱交換單元10的介於導管2與外套管2c之間的內空穴填充 有成千個鋼球23(0.177吋直徑)，填充導管2之鰭片26之間及鰭片導管2與最外之3吋管道2c之間的空間。鋁篩93使鋼球保持在熱交換單元10內且防止其在熱交換單元10裝料時被低溫劑逐出。
套管2c裝配有1/2吋銅管子接頭以形成進入熱交換單元10中之輸入口12以用於將低溫劑自供應單元遞送至熱交換單元10中。在該實驗中，每一輸入口12連接至液態氮之兩個杜而瓶。熱交換單元10內的輸入口12之內部開口裝配有鋁篩93。套管2c亦裝配有1/2吋銅管子接頭，其形成離開熱交換單元10之輸出口13以用於將低溫劑自熱交換單元10放出。熱交換單元10內的輸出口13之內部開口裝配有鋁篩93。消音器100附接至出口13之末端以當該單元啟動時最小化低溫劑小滴的噴射。
此實施例之水平定向之低溫熱力閥系統亦包括低溫劑注射器67。1/2吋銅管子接頭焊接至非鰭片鋼管2a right 上作為注射器67。該圖中所展示之可選輔助注射器88不包括於此實施例之低溫熱力閥系統中。圖14A中亦展示加熱通道45，該加熱通道45與熱交換單元10內之鰭片管2f熱連通。加熱通道進口17及加熱通道出口18提供對加熱通道45之接近。熱交換單元10包括作為絕緣體的胺基甲酸酯發泡體之絕緣毯30。使用布膠帶來附接胺基甲酸酯發泡體絕緣毯30。
呈水平組態之低溫熱力閥系統展示於圖14B中。如該圖中所展示，熱交換單元10如圖14A中所描述，除了低溫劑注射器67由低溫劑注射器模組60替換之外，該低溫劑注射器模組60包括低溫劑注射器67、在該低溫劑注射器連接至非鰭片鋼管2a right 之前與該低溫劑注射器成一直線的低溫劑分流閥33、低溫劑泄壓閥32及低溫止回閥31。注射器模組60在 熱交換單元10上游。注射器模組60連接至液態氮之兩個杜而瓶(Air Products and Chemicals,Inc.,Chicago,IL,USA)，該兩個杜而瓶充當低溫劑供應模組。此實驗之低溫劑出口13亦包括低溫劑充滿放出口34，當熱交換單元10充滿液態低溫劑時，液態低溫劑可自該低溫劑充滿放出口34逸出。
非鰭片鋼管2a right 連接至40hp泵40，該40hp泵40位於注射器67上游。泵40經由管系或配管(在圖14B中展示為吸取管路27)而連接至儲集器95。當被啟動時，泵40經由吸取管路27自儲集器95抽吸流體70且將流體70遞送通過注射器67且至熱交換單元10中。可選監視器成一直線地配置在注射器67與泵40之間。在此實驗中，壓力感測器24及熱監視器15包括在注射器67上游，位於注射器67與泵40之間。亦包括配置在泵40與注射器67之間的管路中的泄壓閥21以及手動旁路閥22及旁路迴路28，用於在必要時使流體70返回至儲集器95。此實施例之系統亦包括下游溫度感測器38、下游超音波流速感測器25及下游壓力感測器39。主流體返回管路84經由至非鰭片鋼管2a left 之連接而連接至熱交換單元10之出口。主流體返回管路84連接至儲集器95上之入口，儲集器95包括觀測窗85。
流體70為在鹽水處置設備處與采出水分離的撇渣油。儲集器95中及/或自熱交換單元10返回之原油70的溫度由一或多個熱監視器38監視。數位視訊相機位於該系統周圍以對測試錄影。
測試程序：
藉由啟動泵40來起始油70自儲集器95之流出，且允許油70流經該系統以穩定至少5分鐘以到達2桶/分鐘之目標流速。藉由調整閥21及22以及閥19來調變該流速。儲集器95中之油70的溫度被量測並判 定為24℃。量測流體70之流速，且調整該泵以達成2.5呎/秒之流速。
藉由調整杜而瓶上之閥以允許液態氮流進入口12中且經由歧管29進入至熱交換單元10中啟動液態氮自連接至低溫劑注射器模組60之氮杜而瓶的流出而將液態氮低溫劑引入至熱交換單元10中。液態氮自杜而瓶流出之流速增加，直至熱交換單元10充滿液態致冷劑為止，如由氮液體經由充滿放出口34離開所指示。在此實驗期間，未達到熱交換單元10完全充滿液態氮之狀態。
接著藉由逐漸地打開液態氮杜而瓶上之調變閥以起始液態氮通過低溫劑注射器模組60之流動來將低溫劑注射至該低溫熱力閥系統中。在約45秒內，通過熱交換單元10之流為零，且流動不重新開始，直至在停止經由低溫劑注射器模組60來注射液態氮之後為止。移除插塞下游及上游之液體，且使用無線管道鏡(DeWalt 12伏Max檢測相機套組)來目視觀測該插塞且藉由觸覺(藉由將管道鏡壓在插塞上)來觀測該插塞。該插塞穩固地附接至導管壁。
在熱交換單元中使用液態氮與液態氬之摻合物來重複此實驗，此亦導致在流動流體中形成凍結插塞。
雖然已描述了本文中所提供之發明主體的各種具體實例，但應理解，其僅以舉例方式來呈現且並非限制的。
由於修改將為熟習此項技術者所顯見，因此本發明意欲僅由所附申請專利範圍之範圍限制。
1‧‧‧熱能轉移系統
2‧‧‧導管
5‧‧‧加熱元件
9‧‧‧熱轉移裝置
15‧‧‧熱監視器
30‧‧‧熱絕緣夾套
55‧‧‧電腦模組

Claims (19)

  1. 一種低溫熱力閥裝置，其包含：熱交換單元，其包含：用於將致冷劑引入之輸入口，用於將致冷劑排放之輸出口，可與輸送烴流體的管線連接之第一導管，其中當第一導管與該管線連接時，第一導管傳送該管線的烴流體，第二導管，其具有比第一導管的直徑還大的直徑，其中：該第二導管圍起(encircles)且附接至該第一導管而形成在該第一導管和該第二導管之間的空穴，該空穴含有或填充有導熱材料之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠，且當該致冷劑通過該熱交換單元時，至少一部份的該導熱材料之銼屑、車屑、刨屑、小球或珠與該第一導管和該致冷劑熱連通；及低溫劑注射器模組，其包含：注射低溫劑之注射口，及用於控制通過注射口之低溫劑流之閥，其中該低溫劑注射器模組在該熱交換裝置上游附接至該第一導管，且當被啟動時，該低溫劑注射器模組將低溫劑注射至該第一導管內所傳送之烴流體中。
  2. 如申請專利範圍第1項之低溫熱力閥裝置，其進一步包含將低溫劑以 外的材料引入該烴流體中之輔助注射器裝置，其中該輔助注射器裝置係位於該低溫劑注射器模組上游。
  3. 如申請專利範圍第1項之低溫熱力閥裝置，其中該熱交換單元進一步包含橫過該熱交換單元之長度的一部分或全長度的一或多個加熱通道，其中：該等加熱通道經組態以含有流體；或該等加熱通道包含一個或一個以上加熱單元。
  4. 如申請專利範圍第3項之低溫熱力閥裝置，其中該加熱單元係選自以下各者中：居里溫度加熱器、限溫加熱器、導管中導體熱源、加熱器條帶、電阻性加熱條帶、正熱係數陶瓷加熱器、厚膜陶瓷加熱器、電阻絲及電阻帶加熱裝置。
  5. 如申請專利範圍第1項之低溫熱力閥裝置，其中該導熱材料包含銅、黃銅、鈹、鎘、鈷、鉻鎳鋼、金、銀、銥、鐵、鉛、鎂、鉬、鎳、鉑、錫、鋅、碳鋼、不鏽鋼或其任何組合或合金。
  6. 如申請專利範圍第1項之低溫熱力閥裝置，其進一步包含導熱鰭片，其係附接於該第一導管的外表面且延伸至在該第一導管和該第二導管之間的該空穴內。
  7. 如申請專利範圍第6項之低溫熱力閥裝置，其中：該等鰭片經組態以具有同一長度；或該等鰭片經組態以具有兩個或兩個以上不同長度。
  8. 如申請專利範圍第6項之低溫熱力閥裝置，其中：(a)該等鰭片係沿該管道在徑向上安置；或 (b)該等鰭片係沿該管道在縱向上安置。
  9. 如申請專利範圍第6項之低溫熱力閥裝置，其中該等鰭片有凹口或穿孔或兩者。
  10. 一種用於在含有烴流體的導熱導管中形成插塞之低溫熱力閥系統，該系統包含：如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之低溫熱力閥裝置，其與該導管熱連通；致冷劑供應模組，其與低溫熱力閥裝置的熱交換單元連接；低溫劑供應模組，其與低溫熱力閥裝置的低溫劑注射器模組連接；及控制系統，以調變來自致冷劑供應模組至熱交換單元之致冷劑流或調變來自低溫劑供應模組至注射器之低溫劑流或二者。
  11. 如申請專利範圍第10項之系統，其進一步包含選自以下各組件中之一或多者：流控制定量閥，以調變致冷劑通過該熱交換單元之流或調變低溫劑至該低溫劑注射器單元之流或二者；熱監視器裝置；用於將低溫劑以外的材料注射至該導管內的烴流體中之輔助注射器裝置；具有電腦處理器之電腦模組，該電腦模組係與該系統之一或多個組件通信；及排出迴路，該排出迴路包括：排放管，該排放管係經調適以使該低溫劑在從該導管吸收熱能之 後，將該低溫劑自系統排放；或再循環迴路，該再循環迴路在該低溫劑已自該導管吸收熱能之後將該低溫劑自該系統引導至致冷系統，該致冷系統自該低溫劑移除該所吸收之熱能且使該低溫劑再循環回至低溫劑供應模組。
  12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該致冷劑供應模組所遞送之致冷劑包含液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態甲烷、液態天然氣、液態氬、液態氧化亞氮、或液態二氧化碳，或其組合。
  13. 一種用於暫時防止烴流體在管線中流動之方法，該方法包含：啟動附接至該管線之如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之低溫熱力閥裝置，其中低溫劑之注入烴流體中且該低溫熱力閥裝置之熱交換單元移除足夠之熱能以使該管線內之該烴流體形成防止烴流體流經該管線的插塞。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中：在管線發生故障或破裂之情況下，啟動附接至無損管線之低溫熱力閥裝置作為該管線之緊急封堵機構；或啟動附接至破裂或破損管線之低溫熱力閥裝置作為緊急封堵機構。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該啟動步驟包含：將低溫劑經由低溫劑注射器模組之注射口注射至該管線內的烴流體中；且將致冷劑引入低溫熱力閥裝置之熱交換單元中，其中藉由使致冷劑流經熱交換單元且將經加溫的致冷劑自熱交換單元移除，以自該管線及其中的烴流體提取熱能。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中 該低溫劑係選自以下各者中：液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳，及其組合；且該致冷劑係選自以下各者中：液態氮、液態氧、液態氦、液態氖、液態氬、液態氧化亞氮、液態二氧化碳，及其組合。
  17. 如申請專利範圍第13項之方法，其進一步包含在該烴流體進入該低溫熱力閥裝置之熱交換單元之前，將組成物注射至管線內的烴流體中，該組成物包含橋接流體或界面活性劑或其組合。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，其進一步包含使熱交換單元加溫，從而使該插塞的至少一部份融化，以恢復該管線中烴流體的流動。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該加溫包含對在該凍結插塞附近的導管施加熱能以形成貫穿該插塞的通道，液態烴流體可以流經該通道而不致將該凍結插塞發射通過該管線。
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