CN105144568B - 井下发电系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在井下产生电力的设备包括位于钻柱中的壳体。主流道形成为穿过所述壳体。至少两个副流道位于所述壳体中且与所述主流道横向偏移。流体驱动发电机定位在所述至少两个副流道中的每个中。可控分流器与所述副流道中的每个相关联以将所述主流道中的流体流的至少一部分可控地分流到所述至少两个副流道中的至少一个以驱动其中的所述发电机。

Description

井下发电系统

背景技术

本公开一般涉及钻井的领域并且更特别地涉及井下发电。

在井下钻井环境中使用的电力可由井下设备中的电池，或由井下流体驱动发电机提供。井下电池可能会在高温下遭遇可靠性问题。可能需要流体驱动发电机在宽范围的流速下操作。在流速增加时，发电机组件上的机械载荷也会增加，这可能会引起机械故障。在转速增加时，发电机通常会继续产生更多电力。在高流速下，这种高电力输出可能会产生比预期应用所需的电力更多的电力。过量发电可能导致在发电机和电力转换和调节电子装置两者中产生过多热量。

附图说明

图1示出钻井系统的示意图；

图2示出具有轴向间隔开的发电机的井下发电机系统的一个实施方案；

图3示出具有周向间隔开的发电机的井下发电机系统的另一个实施方案；

图4示出具有集中式分流器的井下发电机系统的另一个实施方案；和

图5示出井下发电机系统的一个实施方案的框图。

具体实施方式

图1示出根据本公开的一个实施方案的具有井下组合件的钻井系统110的示意图。如图所示，系统110包括架在钻架台112上的常规钻架111，其支撑由原动机(未示出)以所需转速旋转的转台114。包括钻管部分122的钻柱120从转台114向下延伸到定向钻孔126中。钻孔126可以三维路径行进。钻头150附连到钻柱120的井下端且在钻头150旋转时使地质层123碎裂。钻柱120通过滑轮系统(未示出)经由钻杆接头121、回转接头128和线129耦接到绞车130。在钻井操作过程中，绞车130被操作以控制钻头150上的重量和将钻柱120推进到钻孔126中的速度。绞车130的操作在本领域是众所周知的并因此不在这里详细描述。

在钻井操作过程中，来自泥浆池132的合适钻井液(在本领域中也称为“泥浆”)131由泥浆泵134在压力下流通通过钻柱120。钻井液131经由流体管线138和钻杆接头121从泥浆泵134穿过进入钻柱120中。钻井液131通过钻头150中的开口在钻孔底部151排出。钻井液131沿井身向上流通通过钻柱120和钻孔126之间的环形空间127并经由返回管线135排到泥浆池132中。优选地，根据本领域中已知方法，各种传感器(未示出)适当地部署在表面上以提供关于各种钻井相关的参数的信息，诸如液体流速、钻头上的重量、大钩载荷等。

在本公开的一个示例性实施方案中，底部钻具组合件(BHA)159可包括随钻测量(MWD)系统158，其包括提供有关地层123和井下钻井参数的信息的各种传感器。BHA 159可耦接在钻头150和钻管122之间。

BHA 159中的MWD传感器可包括但不限于用于测量靠近钻头的地层电阻率的传感器、用于测量地层γ射线强度的γ射线仪器、用于确定钻柱的倾斜和方位的姿态传感器，和用于测量井下的钻井液压力的压力传感器。上述传感器可将数据发射到井下遥测发射器133，所述遥测发射器又会将数据沿井身向上发射到地面控制单元140。在一个实施方案中，泥浆脉冲遥测技术可用于在钻井操作过程中传达来自井下传感器和装置的数据。放置在泥浆供应管线138中的换能器143响应于由井下发射器133发射的数据检测泥浆脉冲。换能器143响应于泥浆压力变化产生电信号并将这些信号发射到地面控制单元140。地面控制单元140可经由放置在流体管线138中的传感器143接收来自井下传感器和装置的信号，并根据存储在存储器，或与地面控制单元140进行数据通信的其它数据存储单元中的编程指令处理这些信号。地面控制单元140可在可由操作者使用来控制钻井操作的显示器/监控器142上显示所需的钻井参数和其它信息。地面控制单元140可包含计算机、用于存储数据的存储器、数据记录器和其它外围装置。地面控制单元140也可具有存储在其中的钻井、测井解释和定向模型，并且可根据编程指令处理数据，并响应通过合适的输入装置(诸如键盘(未示出))键入的用户命令。

在其它实施方案中，其它遥测技术(诸如电磁和/或声学技术，或本领域中已知的任何其它合适的技术)可用于本发明的目的。在一个实施方案中，硬连线钻管可用于在地面和井下装置之间通信。在一个实施例中，可使用所描述技术的组合。在一个实施方案中，地面发射接收器180使用所描述的传输技术中的任一者(例如泥浆脉冲遥测技术)与井下工具通信。这可实现地面控制单元140和下面描述的井下工具之间的双向通信。

在一个实施方案中，井下发电机系统190可位于BHA 159中以用于产生电力以供各种井下工具和/或传感器使用。井下发电由于一些原因可能存在问题。例如，井下发电可受到井下温度和钻井冲击和振动环境的影响。井下流体驱动发电机可受到由钻井计划决定的流体流速的变化和/或钻井计划的改变的不利影响。例如，流体驱动发电机系统的尺寸可被设计为针对给定的钻井部分以相对低的流速产生给定电力输出。流体驱动发电机通常会更快地转动并随流量增加而输出更多电力。较高流量可赋予较高转速，从而对旋转构件产生更高负荷和磨损。此外，可在发电机内部产生额外的摩擦热，这具有不利影响。此外，额外的电力可能会使相关联的井下电力控制电路过载，从而引起代价高的井下故障。

图2示出根据本公开的井下发电机系统190的一个实施方案。所公开的实施方案包括至少两个流体驱动发电机，其可控地暴露于钻井液流来产生电力。壳体205可位于钻柱120中的BHA 159中，如图1所示。任何特定钻柱中的实际位置可依赖于正在被钻井的特定井和所述井的BHA的设计。在图2所示的实施例中，壳体205具有主流道204和两个副流道201A、B，其中副流道201A、B与主流道横向偏移。如图2所示，副流道201A、B沿壳体205轴向间隔开。其意图是可使用任何数量的副流道。每个副流道201A、B都具有叶轮215A、B，其分别可操作地耦接到定位在其中的流体驱动发电机220A、B。如本文所用，术语发电机旨在包括适于井下应用的任何设计的旋转的AC交流发电机和旋转的DC发电机。每个流体驱动发电机220A、B都具有可操作附连的涡轮机215A、B。通过每个副流道201A、B的流体流都会使涡轮机215A、B旋转，从而使流体驱动发电机220A、B产生电力。在通过每个副流道201A、B的流量增加时，所产生的电量增加。每个流体驱动发电机220A、B分别可包括RPM传感器207A、B，其用于检测各自发电机的RPM。

在所示的实施例中，每个副流道201A、B都具有与其相关联的可控分流器组合件208A、B。每个可控分流器组合件208A、B可被单独致动以分别可控地分流通过副流道201A、B的流体流131的至少一部分131A、B以使相关量的电力由每个流体驱动发电机220A、B产生。如图所示，每个可控分流器组合件208A、B都可包括闸211A、B，其可由可控致动器210A、B可控地定位在主流道204和每个副流道201A、B之间的开口200A、B中。每个可控致动器210A、B都可操作地耦接到井下控制器260，如下所述。可控致动器208A、B可包括电致动器，例如电磁阀或线性电机。或者，可使用液压活塞。在一个实施例中，每个可控致动器210A、B可独立地致动以允许各自副流道201A、B中的流体流131A、B。在一个实施例中，可允许流体流通过副流道201A、B中的一个，而另一个副流道则对通过流体关闭。“A”发电机可被认为是主要发电机而“B”发电机可被认为是备用发电机。如果“A”发电机表现出降低的输出，或其它故障，那么“B”发电机可用于在不从井筒中移除钻柱的情况下延长钻井时间。在另一个实施例中，流体流131A、B可被同时分流通过各自的副流道以提供增加的井下流体流速。通过流道的流量可根据控制器260中的编程指令控制，如下所述。

在另一个实施方案中，参见图3，井下发电机系统390包括副流道301A、B，其横向偏移且周向定位在壳体305中在主流道304周围。每个流道都具有设置在其中的发电机220A、B。图3中所示的其它组件类似于关于图2描述的那些组件。虽然示出为具有两个副流道，但是基于系统的特定尺寸限制，任何数量的副流道可定位在主流道331周围。本领域的技术人员应理解，发电机的尺寸和数量的实际设计限制可由实际钻孔和钻柱尺寸驱动，这可与位置相关。这样的设计也被视为在本领域技术人员的能力内。本申请旨在涵盖如下面所要求保护的所有这样的设计。

在又另一个实施方案中，参见图4A、图4B，井下发电机系统490包括副流道401A、401B，其横向偏移且周向定位在壳体405中在主流道404周围。在本实施方案中，每个副流道都具有定位于其中的流体驱动发电机220A、B。此外，主流道404具有位于其中的流体驱动发电机420。与流体驱动发电机220A、B的流量相比，流体驱动发电机420可具有较大流量。

流道404具有至少两个可枢转段414A、B，其定位在主流道404的内周周围。可枢转段414A、B可由致动器组合件408A、B可控地致动以向内枢转来收缩主流道404中的流体流。收缩分流流动通过副流道401A、B。收缩量是可控的。当主流道收缩时，流体流动部分431A、B使发电机220A、B产生电力。由发电机220A、B所产生的电量可通过控制主流道404的收缩量来控制。收缩量由致动器组合件408A、B(其包括致动器410A，B和连接构件413A、B)调节。每个致动器410A、B都分别具有线性伸缩轴411A、B。可控致动器410A、B可包括电致动器，例如电磁阀或线性电机。或者，可使用液压活塞。连接构件413A、B分别耦接在致动器轴411A、B和可枢转段414A、B之间。致动器轴411A、B的线性运动使可枢转段414A、B枢转到主流道404中以收缩主流道431。在一个实施例中，致动器410A、B通过深入壳体405中的布线通道的电和/或光耦接器(未示出)可操作耦接到控制器260。这样的布线技术在本领域是已知的，且不在此详细描述。在操作中，流量可被分流到副流道401A、B以按低速发电。在更高流速下，分流器可被打开，从而允许流体流过主流道。

通过各个示例性实施方案的流道的流量可由井下控制器260控制。在一个实施例中，控制器260根据编程指令作用来检测每个发电机的至少一个受关注的参数并基于所述至少一个受关注的参数致动每个分流器。图5示出与图2和图3所示的实施方案相关的控制器260的框图。来自流体驱动发电机220A、B的电力被输入到输入电力转换电路505以被调节为适合的电压范围和电力分配以供各个井下组件使用。这种电路可监控来自发电机220A、B的电压。发电机220A、B也可包括RPM传感器207。此外，输入电力转换电路505可包含一个或多个温度传感器510来监控各个电压转换组件的温度。输入电力转换电路505可操作地耦接到处理器525。此外，来自温度传感器510的温度数据和RPM数据515被发射到处理器525。处理器525可以是适于井下使用的任何处理器。处理器525与存储器540数据通信。可使用适于井下使用的任何存储器。处理器525可根据存储在存储器540中的合适程序指令545作用来监控来自发电机208A、B的电力输出以监控至少一个受关注的参数，并可控地致动分流器组合件以基于所述至少一个受关注的参数控制通过适当流道的流量。合适的受关注的参数包括(但不限于)：发电机输出电压、电子组件温度，和发电机rpm。此外，处理器525可通过输出电力电路520将电力分配到井下工具和传感器530。

Claims (14)

1.一种用于在井下产生电力的设备，其包括：

壳体，其位于钻柱中；

主流道，其穿过所述壳体；

至少一个副流道，其在所述壳体中，所述至少一个副流道与所述主流道横向偏移；

第一流体驱动发电机，其定位在所述主流道中；

至少一个第二流体驱动发电机，其定位在所述至少一个副流道中；和

至少一个可控分流器，其将流体流可控地分配到所述主流道和所述至少一个副流道以驱动其中的所述发电机。

2.如权利要求1所述的设备，其还包括控制器，所述控制器可操作地耦接到所述流体驱动发电机中的每个和所述至少一个可控分流器，其中所述控制器根据编程指令作用以检测所述发电机中的每个的至少一个受关注的参数并基于所述至少一个受关注的参数致动所述至少一个可控分流器。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述至少一个受关注的参数选自由以下各项组成的组：发电机输出电压和发电机转速。

4.如前述权利要求中任意一项所述的设备，包括至少两个副流道。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述至少两个副流道沿所述壳体轴向间隔开而定位。

6.如权利要求4所述的设备，其中所述至少两个副流道在所述主流道周围沿圆周间隔开。

7.如权利要求1至3中任意一项所述的设备，其中所述钻柱包括有线钻管。

8.一种在井下产生电能的方法，其包括；

将壳体定位在钻柱中；

形成穿过所述壳体的主流道；

在所述壳体中形成至少一个副流道，所述至少一个副流道与所述主流道横向偏移；

将第一流体驱动发电机定位在所述主流道中；

将至少一个第二流体驱动发电机定位在所述至少一个副流道中；和

使用至少一个可控分流器将流体流可控地分配到所述主流道和所述至少一个副流道以驱动其中的所述发电机。

9.如权利要求8所述的方法，其还包括将控制器可操作地耦接到所述流体驱动发电机中的每个和所述至少一个可控分流器；检测所述发电机中的每个的至少一个受关注的参数；和基于所述至少一个受关注的参数可控地致动所述至少一个可控分流器。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述至少一个受关注的参数选自由以下各项组成的组：发电机输出电压和发电机转速。

11.如权利要求8至10中任意一项所述的方法，其中，在所述壳体中形成至少两个副流道。

12.如权利要求11所述的方法，其还包括使所述至少两个副流道沿所述壳体轴向间隔开来定位。

13.如权利要求11所述的方法，其还包括使所述至少两个副流道在所述主流道周围沿圆周间隔开来定位。

14.如权利要求8至10中任意一项所述的方法，其中所述钻柱包括有线钻管。