CN104919126B - 井下无叶发电机 - Google Patents

Abstract

公开的实施方案包括一种无叶发电器，其由钻柱承载且被安置来采用通过所述钻柱的泥浆流或沿着所述钻柱的外部的返回流以利用跨越多个圆盘的流体流的边界层效应驱动所述无叶发电机来发电。所述无叶发电机可以与主要流路径间隔开，以便不会使通过其中的流明显中断。所述主要流路径的部分利用流道或孔隙转向以跨越所述圆盘的边缘的部分切向地导向所述流的所述转向部分。可以利用所述无叶发电机给井下电设备(诸如监测设备或定向钻井导向设备)供电。

Description

井下无叶发电机

技术领域

本公开内容涉及用于在钻井期间在井筒中进行井下发电的设备和技术。更特定来说，本公开内容提供一种井下发电机，其采用相对于通过钻柱的钻井流体流垂直布置的多个可旋转圆盘，所述圆盘用于驱动发电机来发电。

背景技术

钻井中利用的许多井下工具需要用于操作包括传感器工具、随钻测量(MWD)工具、旋转导向工具等等的电力。在过去，用于将电力供应至这样的工具的最常见来源是沿着钻柱本地定位或与工具整合的电池或替代地，从地面向下延伸的电线。具有这样的井下操作所必需的电容的电池通常较大，且因此由于井下空间局限而并非所期望的。而且，许多电池不能在由许多操作要求的井下温度和压力下操作很长一段时间。如果从表面延伸的电线定位于油管柱内，那么其可能干扰钻井流体流或接入，且如果这样的电线定位于油管柱内部或外部，那么其可能损坏。

作为电池或电线的替代，已设计用于将电力供应至一个或多个井下工具的多种类型的井下发电机。许多这些井下发电机使用流体动力(即，钻井泥浆)，其从表面传输至底部钻孔组件以使安置于钻柱环体内的转子旋转。在结合转子工作时，系统驱动发电机的轴以发电。接着流体流继续通过环体。

这样的发电机的一个缺点是需要维持某个泥浆压力以驱动转子。这样的系统的另一缺点是其干扰钻井流体流通过钻柱的主环体。此外，这样的系统在液体中夹带气体时经历气穴现象。而且，混合可变流态(即，气体和液体)可能降低性能或需要修改转子传动装置。最后，这样的系统对磨蚀性流体或具有高固含量的流体非常不具容忍性。

因此，期望提供一种无论流态如何以对性能具最小影响操作的井下发电机。而且，期望提供一种同样地将对通过钻柱的钻井流体的主要流具有最小影响的井下发电机。

附图说明

图1图示具有承载无叶发电机的钻柱的钻井平台。

图2图示沿着钻柱的内部流体流路径安置的四个无叶发电机的剖开侧视图。

图3图示沿着钻柱的内部流体流路径安置的多个无叶发电机的剖开轴向视图。

图4图示沿着钻柱的内部流体流路径安置的单个无叶发电机的剖开轴向视图。

图5图示无叶发电机的一个实施方案中利用的多个圆盘。

图6图示无叶发电机的实施方案中利用的圆盘的一个实施方案的侧视图。

图7图示沿着钻柱外部的流路径安置的单个无叶发电机的剖开轴向视图。

图8图示利用本发明的无叶发电机井下发电的方法的一个实施方案的流程图。

具体实施方式

前述公开内容可以重复各种实例中的参考数字和/或字母。此重复是为了简单性和清晰性的目的，且实质上并不决定所讨论的多种实施方案和/或构造之间的关系。进一步来说，在本文中为了便于描述使用空间相对术语(诸如“下方”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”、“井上”、“井下”等等)以描述图中所示的一个元件或特征与另一(若干)元件或特征的关系。空间相对术语旨在包括除了图中所描绘的定向之外的在使用中或操作中的装置的不同定向。例如，如果图中的装置翻转，那么描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”的元件接着被定向为在其它元件或特征“上面”。因此，例示性术语“下面”可以包括上面和下面的定向两者。可以别的方式来定向装置(旋转90度或在其它定向上)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述符。

参考图1，示出了大致定位于地层14的表面12处的钻机10。井筒16从表面12延伸至地层14中。钻柱20从钻机10向下延伸且至井筒16中。钻柱20一般包括由多个管道或钻铤区段26承载的底部钻孔组件(“BHA”)22和钻头24。钻柱20可以包括在钻井期间利用的其它工具或仪器28，诸如传感器工具、随钻测量(MWD)工具、旋转导向工具等等。返回井筒流体18安置于在地层14与钻柱20之间形成的环体29内。

参考图2，图示本公开内容的井下发电机系统30的一个实施方案的截面图。系统30一般包括沿着细长轴34界定的管套环或短节外壳32，其中主孔36形成于管套环32内。提供流线33以图示在系统30沿着钻柱20安置时，钻井泥浆穿过系统30时其大致流动方向。管套环32内安置的是一个或多个特斯拉涡轮机或无叶发电机38。各个无叶发电机38包括一个，且优选地多个可旋转发电机圆盘40和至少一个发电机线圈以及磁体系统42。圆盘40安装于沿着优选地垂直于细长轴34的轴44安置的驱动轴43上(参照图3和图4)，使得安装于驱动轴43上的各个圆盘垂直定向以增强系统的性能。虽然这样的定向为优选，但是应理解只要流33的一部分如下文所描述跨越圆盘40导向，圆盘40可以相对于轴34具有任何定向。

更明确来说，所属领域一般技术人员将了解本文描述的无叶发电机38是向心流涡轮机，其利用跨越多个圆盘40的周界边缘的流体流的边界层效应。在流体跨越圆盘40的表面拖曳时，圆盘40使发电机42的驱动轴43旋转。如先前技术的井下发电机中所教导，旋转能量由相对于流体撞击于叶片或叶脉上的表面层效应提供。朝着圆盘40的中心螺旋的流体流可以排出回至钻井流体流利用和排出系统(诸如下文讨论和图6中所示的孔隙52)中。圆盘40优选地跨其等表面为光滑以使表面和剪切损耗最小化。而且，圆盘优选地为薄的以使圆盘边缘的阻力和湍流最小化。可以基于其中利用无叶发电机38的系统的界限选择圆盘40的直径。在某些实施方案中，圆盘40的直径不大于行业中常见的钻管的标准外径尺寸，即2 3/8”OD–6 5/8”OD。当然，可以在具有较大直径管道或管套的流体流系统中利用较大直径圆盘。因此，本公开内容的无叶发电机沿着井筒的流体流系统定位以发电来供连同井筒利用的电设备一起使用。

在任何情况下，无叶发电机38安装于支撑结构46上，使得孔36内的流33的一部分横穿圆盘40的周界边缘。因此，圆盘40可以简单地安装于支撑结构46上，以便部分延伸一段足够距离至孔36中，该距离使通过孔36的流的一部分横穿圆盘40的外边缘。关于这个方面，圆盘可以被特征化为具有表面区域且在某些实施方案中，不超过一半的圆盘表面区域延伸至孔中，且优选地，只有较少部分的圆盘表面区域根据需要延伸至孔中以使跨越边界层效应的圆盘特性的表面的流体的螺旋流优化。在图2中所示的实施方案中，支撑结构46可以是被安置来安装于管套环32的孔36内的插入件46a。支撑结构46可以包括一个或多个流转向机构或结构(诸如流道48)，其大致被安置来跨越圆盘40的一部分导向钻井流体流33的一部分。关于这个方面，只要流道被相应地安置来如本文所描述使流33的一部分从主孔36转向且跨越圆盘40导向流33的转向部分，无叶发电机38可以相对于轴34具有任何定向。

在最佳地图3中所见的另一实施方案中，支撑结构46可以是安装于管套环32内的板46b。板可以包括：第一孔隙49，其大致被安置来允许沿着孔36的流穿过其中；和第二孔隙50，其用作流转向机构或结构且安置于板46b中以跨越安装于板46b上的圆盘40的一部分导向钻井流体流33的至少一部分。在某些实施方案中，孔隙50可以被选择性操作来调整通过其中的流。当需要某个程度的发电时，孔隙50可以完全打开，当不需要发电时，孔隙50关闭或部分打开以调整发电。

继续参考图3，虽然支撑结构46可以只支持单个无叶发电机38，但在某些优选实施方案中，支撑结构46可以支持多个无叶发电机38。虽然并不限于图3中所示的特定布置，但是多个无叶发电机优选地呈对称布置围绕轴34径向间隔开。在图3中，图示八个无叶发电机，但是除了别的之外，可以取决于发电需求和空间局限使用更多或更少无叶发电机。

如上文讨论，虽然无叶发电机38主要描述为被定向，使得圆盘40如图3中所示大致围绕轴34径向定向，但是本公开内容的某些实施方案并不限于发电机38的特定定向。例如，无叶发电机38可以被定向，使得圆盘40围绕轴34切向地布置于半径上。在这种情况下，可以利用孔隙50、流道48或类似结构以使流33的一部分从孔36转向来使圆盘40旋转。

此外，在某些实施方案中，诸如图2中所示，至少两个无叶发电机38可沿着钻铤32轴向间隔开。

当无叶发电机38轴向间隔开时，可以同样地利用轴向间隔开的两个或更多个支撑结构46。关于这个方面，各个轴向间隔开的支撑结构46还可以支撑多个无叶发电机38。

在另一实施方案中，如最佳地在图4中所见，无叶发电机38可以简单地安装于支撑结构46上，使得圆盘40的至少一部分延伸至主流孔36中。

图5图示安置于轴44上的一组圆盘40，而图6图示圆盘40的侧视图。在某些优选实施方案中，圆盘40可以包括一个或多个口52，其安置成通过其中以允许流体在圆盘之间流动。这样的口52还可以用于使圆盘40上的流排出回至主孔36。各个圆盘可以包括毂或间隔件54，以便调整相邻圆盘之间的间距。

虽然以上系统30的多种实施方案已描述为内部定位于钻铤内以利用沿着孔36的钻井流体流来驱动圆盘40，但在本公开内容的其它实施方案中，无叶发电机38可以由钻铤32承载以便利用井筒环体28中的返回流来驱动圆盘40。在这种情况下，流体流系统是有套管或无套管井筒且利用向着井筒之上的流体流来驱动无叶发电机。

因此，在本公开内容的一个实施方案中，如图7中所示，圆盘40由管套环32承载，以便与横穿管套环32的外部表面56的钻井流体的返回流相交。在这样的情况下，圆盘40可以向外延伸至流中或替代地，可以包括跨越圆盘40导向返回流的一部分的通道58。孔36可以与管套环32同轴或可以如所示般偏移以便允许管套环32内的额外空间定位无叶发电机38。

虽然已参考钻柱描述管套环32，但是管套环32可以是外壳或短节，其被安置来支撑一个或多个无叶发电机38以用于在与流体的传输关联的生产井筒或其它管道中使用。这样的系统可以包括诸如图7中所示的布置，但是不具有封闭的内部环体。例如，通道58可以被布置来通过穿过外壳且返回至生产流的流通路向着有套管或无套管生产井筒之上导向流的一部分。外壳可以在延伸至井筒中的任何长形支撑结构(诸如钢缆、钢丝绳、管线、脐带式管缆、连续油管、管柱或缆线)上被支撑或降低至生产井筒中。外壳可以包括其它设备，诸如能量存储系统。同样地，为了在远程位置中发电，无叶发电机可以大致定位于在钻井或烃的回收或传输期间利用的流体的轴向流路径内。例如，无叶发电机可以在表面处沿着钻井流体供应系统62的钻井流体供应线定位。在另一实施方案中，系统30可以定位于井口处以驱动生产井筒中利用的监测电子器件。在另一实施方案中，系统30可以定位于远程传输线中且用于在这样的远程位置中驱动监测电子器件。在这样的情况下，烃分布系统可以包括管线，其中电操作监测设备被安置来监测管线且无叶发电机被安置来发电以操作监测设备。在另一实施方案中，系统30可以并入为防喷器(“BOP”)64的一部分且用作多种BOP功能的电源。

在任何情况下，当发电机42发电时，电可以在能量存储系统60(作为非限制性实例，参照图1)(诸如电池、电容器等等)中本地存储至系统30。

虑及上述系统且参考图8，用于实践本公开内容的系统的方法200包括步骤202，其在井筒内部署无叶发电机或以别的方式沿着与井筒关联的流体流路径部署无叶发电机。在步骤204中，流体流的一部分跨越无叶发电机的一个或多个圆盘导向。这可以通过定位无叶发电机，使得圆盘的至少一部分延伸至主流体流中或以别的方式，通过跨越圆盘使主流体流的一部分转向来完成。在步骤206中，跨越圆盘的流体流的边界层效应引起圆盘的旋转。该旋转能量驱动一个驱动轴而允许发电机的线圈和磁体将旋转能量转换为电能。此后，在步骤208中，可以利用产生的电以给工具或仪器或与井筒关联的其它电设备(诸如安置于井筒中的监测电子器件)供电。在步骤210中，接着主流体流的转向部分排出回至主流体流中。流体流可以是用于对井筒钻井的钻井泥浆，向上穿过环体的返回钻井泥浆，生产井筒中的生产烃或其它流，诸如连同井筒利用的钻井流体注入流或烃分布流。电可以存储于表面或本地存储于井筒内且根据需要利用。

通过利用表面层效应，前述发电机38比先前技术的井下发电机对磨蚀性、粘性或含固体的流体更具容忍性。而且，无论原动流体的液体或气体组合物如何，本公开内容的系统能够在无任何修改下发电。因而，系统特别适合于在过平衡和欠平衡钻井环境两者中操作，而无论流体是泥浆、泡沫或气体。

还可以安装发电机38的盘形物，以便对钻井过程期间通过主孔的流具有很少影响或不具有影响。这通过提供穿过工具长度的大体上不受阻的钻井流体流来导致“通孔”设计。所属领域一般技术人员将了解如果在钻井过程期间需要捕捞操作，那么这特别为所期望。

最后，如果无叶发电机安置于远程位置(诸如海床)中，那么先前技术装置的叶片/轮叶的消除将增加优于先前技术的可靠性。更具体地说，先前技术的叶片/轮叶在受到磨蚀性流体时趋向于磨损，从而减少发电机效率。无叶发电机中的盘形物的使用更不易趋向于磨损，从而减少维护频率和成本。

受益于本公开内容的优点的所属领域技术人员将了解本文描述的方法和装置被认为提供利用无级变速传动以用于在钻井和其它应用中使用的系统和方法。鉴于此描述，本公开内容的多种方面的进一步修改和替代实施方案将为所属领域技术人员所了解。相应地，该描述将只视作说明性且为了教导所属领域技术人员执行本公开内容的系统和方法的一般方式的目的。应理解，本文所示出和描述的本公开内容的形式将视作目前优选的实施方案。本文所图示和描述的元件和材料可予以替换，部件和工艺可加以反转，并且可独立地利用本公开内容的某些特征，所有这些在所属领域技术人员受益于本公开内容的该描述之后将得以了解。可在不脱离如所附权利要求书中描述的本公开内容的精神和范围的情况下对本文所描述的元件作出改变。

Claims (20)

1.一种用于在钻井期间在井筒中进行井下发电的井下发电机系统，其包括：

长形管状外壳，其具有细长轴，所述外壳具有外部表面且进一步界定流体流路径；和

无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于驱动轴上的至少一个圆盘，所述至少一个圆盘具有周界，其中所述至少一个圆盘在所述至少一个圆盘的所述周界与所述流体流路径切向相交。

2.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其中所述管状外壳包括沿着所述轴内部定位于所述管状外壳内的孔，其中所述孔界定所述流体流路径的部分且所述无叶发电机由所述外壳承载，使得所述驱动轴与所述细长轴间隔开。

3.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其中所述流体流路径沿着所述管状外壳的所述外部表面且所述无叶发电机由所述外壳承载，使得所述圆盘的部分延伸至所述外壳的所述外部表面之外。

4.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其进一步包括安装于所述驱动轴上的多个圆盘。

5.根据权利要求2所述的井下发电机系统，其进一步包括界定所述流体流路径的部分的流道，所述流道与所述孔流体连通，以便使穿过所述孔的流的部分转向，所述流道被安置来与所述圆盘的所述周界切向相交。

6.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其中所述长形管状外壳是由钻柱承载的短节。

7.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其中所述长形管状外壳是由钢缆承载的短节。

8.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其进一步包括由所述外壳承载的至少两个无叶发电机，其中各个无叶发电机的所述至少一个圆盘在所述至少一个圆盘的所述周界与所述流体流路径切向相交。

9.根据权利要求8所述的井下发电机系统，其中所述无叶发电机围绕所述流体流路径彼此径向间隔开。

10.根据权利要求8所述的井下发电机系统，其中所述无叶发电机沿着所述流体流路径彼此轴向间隔开。

11.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其进一步包括其上安装所述无叶发电机的支撑结构，其中所述支撑结构安装至所述外壳。

12.根据权利要求11所述的井下发电机系统，其中所述支撑结构包括流转向机构，其使所述流的部分转向且跨越所述无叶发电机的所述圆盘导向所述转向流。

13.根据权利要求1所述的井下发电机系统，其进一步包括由所述长形管状外壳承载的能量存储系统。

14.一种用于与延伸至地层中的井筒一起使用的井筒系统，所述系统包括：

流体流系统；

电设备，其用于连同所述井筒一起使用；

无叶发电机，其由外壳承载，所述无叶发电机包括安装于驱动轴上的至少一个圆盘；

其中所述至少一个圆盘在所述至少一个圆盘的周界与所述流体流系统界定的流体流路径切向相交；并且其中所述无叶发电机沿着所述流体流系统被定位且被安置来发电以给所述电设备供电。

15.根据权利要求14所述的井筒系统，其中所述流体流系统是钻柱。

16.根据权利要求14所述的井筒系统，其中所述流体流系统是井筒套管。

17.根据权利要求14所述的井筒系统，其中所述流体流系统是钻井泥浆传送系统。

18.一种用于通过井筒系统发电的方法，所述方法包括以下步骤：

沿着井筒的流体流系统定位无叶发电机，其中所述无叶发电机包括安装于驱动轴上的至少一个圆盘，所述至少一个圆盘具有周界，其中所述至少一个圆盘在所述至少一个圆盘的所述周界与所述流体流系统界定的流体流路径切向相交；

引起所述流体流系统中流动的流体的至少一部分横穿所述无叶发电机的至少一个圆盘；

利用跨越所述至少一个圆盘的流体流的边界层效应来发电。

19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括利用所述无叶发电机操作电井筒设备的步骤。

20.根据权利要求18所述的方法，其中通过使流体的部分从主流路径转向，跨越所述圆盘导向所述转向部分且此后，将所述转向部分排放回至所述主流路径中来完成引起步骤。