CN105443301B - 用于随钻测量的井下涡轮发电机 - Google Patents

用于随钻测量的井下涡轮发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于随钻测量的井下涡轮发电机，包括涡轮驱动单元(1)、与涡轮驱动单元(1)连接的发电机单元(2)、安装于电机转子轴上的刹车抱紧装置(3)、电控单元(4)。其中，所述涡轮驱动单元(1)置于发电机单元(2)的转轴外部，当有钻井介质通过涡轮驱动单元(1)的叶片时，涡轮驱动单元(1)的叶片会在流体的作用下旋转，从而驱动发电机单元(2)的转子转动。所述叶片的倾角可变用于随钻测量的在不同钻井液介质和使用不同排量的钻井液介质时调整井下涡轮发电机的输出电压稳定。所述刹车抱紧装置可以通过抱紧发电机转子轴而使转子转速降低；所述电控部分通过采集发电机的输出电压，而发出指令以进一步调整发电机转速。

Description

用于随钻测量的井下涡轮发电机
技术领域
本发明属于石油钻井、开采或者地矿勘探等领域，涉及一种随钻测量的在不同钻井液介质和使用不同排量的钻井液介质时输出电压保持稳定的井下涡轮发电机。
背景技术
在石油钻井工程或者地矿勘探中、在定向钻井或水平钻井、欠平衡井中越来越需要大功率的电能供给。目前国内、国外比较成熟的井下大功率发电机在现场都有广泛应用。在各种钻井液钻井、气体钻井或地矿勘探仪器中，都是通过钻井液(或气体)驱动涡轮转动，从而拖动井下发电机旋转发电。井下发电机系统的输出电压是随着发电机转速变化成正比变化的。而发电机的转速又是由涡轮拖动的，所以改变涡轮的拖动转速和扭矩，也就改变了井下发电机的输出电压和输出功率。在随钻仪器的使用中，钻井液(或气)的排量变化范围很大(一般是3-4倍的变化范围)，从10升/秒到40升/秒。相应的，井下发电机的最高输出电压也大约为最低输出电压的3-4倍。输出电压变化如此巨大，是没有办法直接给用电设备供电的，所以一般要在发电机后端连接一个整流稳压装置。但是这么大的电压跨距也为稳压装置的设计，提出了严峻的考验。由于井下空间狭小、震动剧烈、散热条件不便等因素的制约，导致某些大功率供电的情况下，设计稳压装置变得几乎不可能完成。对于井下涡轮发电机发明专利号为CN203640919U的发明专利，发明名称：一种井下涡轮发电机，还有美国专利号为20080047753，发明名称为：Downhole Electric Power Generator；还有美国专利号为20050012340，发明名称为：Downhole electrical submersible power generator等，以上文献中均没有提到任何控制转速和扭矩的措施，只是提出了以涡轮驱动的方式作为井下发电机的动力来源。还有申请号为CN200993072Y的中国发明专利文件，发明名称：井下涡轮发电机。该专利文件只是在结构上提出了如何应用随钻井下工具，同样忽略了井下发电机的输出电压稳定性。
现在普遍使用的带有井下发电机的随钻测量工具，大都只是依靠小功率的AC-DC转换来实现井下仪器自发电。当井下用电系统需要大功率供电时，由于稳压电路的设计困难，往往只能放弃。例如在发明专利号为CN201210119084，发明名称为：一种井下涡轮发电机整流稳压供电装置，就是专门为井下涡轮发电机提供后续稳压电路的设计。但在实际设计和工程应用中，其稳定性和实用性收到很大制约，往往不能满足井下随钻测量工具的大功率电能需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种用于随钻测量的在不同钻井液介质和使用不同排量的钻井液介质时输出电压保持稳定的井下涡轮发电机，不仅可以实现电能的高效利用，同时可以降低后续稳压电路的设计难度。如果在随钻测量仪器中使用本发明中的在不同钻井液介质和使用不同排量的钻井液介质时输出电压保持稳定的井下涡轮发电机，就可以非常好的避免这种影响，使发电机输出电压限制在最高电压而不再继续升高。
根据本发明的实施例，提供了一种用于随钻测量的井下涡轮发电机，包括涡轮驱动单元(1)、与涡轮驱动单元(1)连接的发电机单元(2)，其中，所述涡轮驱动单元(1)被置于发电机单元(2)的转轴外部，当有钻井介质通过涡轮驱动单元(1)的叶片时，涡轮驱动单元(1)的叶片会在流体的作用下旋转，从而驱动发电机单元(2)的转子转动，其中，所述叶片的倾角可变。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：
用于随钻测量的在不同钻井液介质和使用不同排量的钻井液介质时输出电压保持稳定的井下涡轮发电机，不仅可以限制钻井介质高流量时，造成的井下涡轮发电机转速过高，同时可以保证井下涡轮发电机输出电压的平稳。降低后续稳压电路的设计难度，提高井下涡轮发电机的利用效率；
排除了因钻井介质排量过高时需要更换小功率涡轮的困扰；
排除了因井下涡轮发电机输出电压跨度过大，而给后续稳压电路设计带来的高难度；
排除了因无法使用大功率稳压电路而造成的井下涡轮发电机工作在较低效率的缺点。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的井下涡轮发电机的结构总体示意图；
图2是根据本发明的实施例的井下涡轮发电机的工作示意图；
图3是根据本发明的实施例的井下涡轮发电机的结构细节示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。
另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1至3所示，一种用于随钻测量的在不同钻井液介质和使用不同排量的钻井液介质时输出电压保持稳定的井下涡轮发电机，包括:倾角可变的涡轮驱动单元1、发电机单元2、刹车抱紧装置3、电控单元4。
所述的倾角可变的涡轮驱动单元1置于发电机单元2的转轴外部，当单元1的外部有钻井液等流体通过叶片的时候，单元1会在流体的作用下旋转，从而驱动发电机单元2的转子转动；
1、当流过涡轮的流体排量增加时，流体冲击涡轮叶片使得叶片向设定方向转过一定角度，通过减小叶片倾角，达到降低涡轮的输出扭矩；
所述的单元1倾角可变的涡轮驱动单元，在改变叶片倾角时，扭矩不再继续提高，从而使得涡轮的转速保持在一个下限之下稳定运行；
2、当钻井液冲击涡轮叶片的时候，会传递扭矩到预置在叶片转轴内的弹簧上，随着弹簧的变化自动调整涡轮叶片的角度，涡轮叶片的角度变小后，涡轮产生的扭矩响应变小。当两者相等时，叶片角度不再变化，涡轮保持这个固定的扭矩运行。
功率＝扭矩*转速/9550…………公式1
根据公式1，当发电机负载恒定时，其输出功率也为定值。当钻井液排量发生变化时，钻井液冲击叶片的冲击力也会随之变化，从而引起弹簧的弹力也随着冲击力的大小变化而变化，实现叶片角度的自动调整，使得涡轮产生的扭矩为一个定值，所以驱动的发电机转速也为定值。从而调整发电机输出功率(电压)。
3、由于涡轮最大扭矩是由叶片内置弹簧预置的，所以不同钻井液介质和不同排量的钻井液介质时，发电机的转速都能保持在一个最大扭矩下工作；
4、由于涡轮最大扭矩是由叶片内置弹簧预置的，所以涡轮的最大输出扭矩是可以通过调整内置弹簧的预紧力而调整的；
5、由于涡轮的最大扭矩决定了发电机的最大输出功率，所以发电机的最大输出功率也是可以通过调整内置弹簧的预紧力而调整的；
6、由于发电机的输出功率等于输出电压与输出电流的乘积，所以发电机的最大输出功率也是可以通过调整内置弹簧的预紧力而调整的；
7、刹车抱紧装置(3)安装于发电机转子轴上，当发电机转子不转动的时候，所述的抱紧装置处于松弛状态；当发电机转子转速超过预设值后，抱紧装置开始动作，使得转子转速降低，当发电机转子转速低于设定值后，抱紧装置自动松开。
8、电控单元(4)包括发电机电压测量比较单元和刹车电控机构两个部分，其中刹车电控机构为刹车抱紧装置提供电能，使刹车片抱紧电机转子或者松开。
9、所述的电控单元(4)中的发电机电压测量比较单元，通过测量发电机的输出电压，并与设定的发电机最高电压比较，如果测量值高于设定值，即发出指令信号，命令刹车电控机构开始工作，从而抱紧发电机转子，以降低发电机输出电压。当测量值低于设定值的最低值时，即发出指令信号，命令刹车电控机构停止工作，从而松开发电机转子。
通过以上调整方式，不仅可以最大程度保证不同钻井液流量下井下涡轮发电机转速过高的影响，同时发挥井下涡轮发电机的最大工作效率，以保证随钻仪器的电能需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于随钻测量的井下涡轮发电机，包括涡轮驱动单元(1)、与涡轮驱动单元(1)连接的发电机单元(2)、被安装于发电机单元(2)的转轴上的刹车抱紧装置(3)、以及与发电机单元(2)连接的电控单元(4)，
其中，所述涡轮驱动单元(1)被置于发电机单元(2)的转轴外部，当有钻井介质通过涡轮驱动单元(1)的叶片时，涡轮驱动单元(1)的叶片会在流体的作用下旋转，从而驱动发电机单元(2)的转子转动，其中，当所述流体的流速增大时，叶片倾角增大，当所述流体的流速增小时，叶片倾角减小，
其中，所述电控单元(4)测量发电机的输出电压，并且，如果所述输出电压高于第一设定值，则控制所述刹车抱紧装置(3)抱紧所述发电机单元(2)的转轴，使所述发电机单元(2)的转轴的转速降低，
如果所述输出电压低于第二设定值，则控制所述刹车抱紧装置(3)松开。
2.根据权利要求1所述的井下涡轮发电机，其中，涡轮驱动单元(1)的叶片的转轴里预置有一定预紧力的弹簧。
3.根据权利要求2所述的井下涡轮发电机，其中，当叶片倾角变化时，所述井下涡轮发电机的输出电压随之改变。
4.根据权利要求1所述的井下涡轮发电机，其中，所述钻井介质是液体或气体。
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