CN111130391A - 一种温差式井下发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温差式井下发电装置，包括外筒、内筒、发电机构、充电电路、蓄能机构，所述外筒同心式套装在内筒外部，所述内筒和外筒之间形成发电环空，所述发电机构、充电电路、蓄能机构自上而下依次电连接，并全部设置在发电环空内部。本发明利用地层与注入水之间的温度差进行发电，为注水井井下智能配水器及测试仪器供电，实现井下仪器的长期可靠运行。

Description

一种温差式井下发电装置

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，具体地说是一种温差式井下发电装置。

背景技术

无线智能分注技术是数字油田开发的关键技术之一，通过从地面发送包含特定指令的压力脉冲载波，控制井下智能配水器的开度，实现精确分层配注。该技术免除了测试、调配、验封电缆投捞的工作量，同时与“四化”建设配套，方便远程化控制，尤其适用于海上大斜度井。然而目前的井下智能配水器主要依靠内置电池供电，电池的使用寿命仅能维持2-3年，无法满足长效注水的需要。针对该问题，研制一种基于热电效应的井下温差式猎能发电装置，利用地面注入水与地层之间的温度差发电，为智能分注技术提供充足的清洁能源，延长智能配水器使用时间，满足节能环保的理念要求，为实现水驱油田高效开发提供技术支撑。

通过对文献数据库及专利调研，目前在井下温差发电方面使用最多的是涡轮发电方式，主要利用井下注入流体对涡轮叶片冲击作用，由涡轮叶片的转动带动转子转动而产生电流，将流体动能转化为电能。该技术在随钻测井中应用广泛，但在注水井测试中应用存在一些问题，主要包括：(1)油管空间狭小，安装涡轮会牺牲油管内的测试功能；(2)注入水流速低(通常<200m3/d)，发电效率低；(3)涡轮中易结垢，影响使用寿命；(4)冲击和摩擦显著缩短涡轮寿命，平均使用寿命小于1个月。此外，钻井行业中也有一种振动发电方式，主要利用钻头与钻杆工作时产生的振动通过压电陶瓷将该振动能转换为电能。中国专利CN105006991A《叠层压电式井下能量采集装置》报道了振动发电在注水过程中的应用，利用注水井管道内的流体通过卡门涡街结构时，形成涡激共振，通过压电效应将机械能转换为电能。这种方式的问题在于容易改变井筒中流体流态和流体力学性质，干扰井口发出的压力脉冲载波指令。

温差发电是一种新兴的清洁发电技术，其原理是利用赛贝克效应，在两种不同的导体所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生电势。井下温差发电技术的优势是可以在不改变井筒流体流场的情况下，充分利用地层天然能量，持续可靠的为井下仪器提供清洁电力。目前关于井下温差发电的报道主要集中在钻井行业，其原理是以管柱内泥浆作为冷端，以钻头摩擦岩石产生的表面热量作为热端，利用二者温度差进行发电。但是钻井中使用的温差发电装置很难在注水行业应用，原因有3点：一是因为钻井泥浆流量大，地层对泥浆的升温作用不明显，故泥浆在井下依然保持较低的温度，而注入水流速低，经过长井段的加热后，与地层间的温度差约为10℃左右，因此注水井对发电效率要求更高；二是钻井整个过程持续时间短，对发电装置有效期要求低，注水过程为了节约作业费用，需要发电装置更加可靠，有效期在5年以上；三是钻井井眼较大，设计温差发电装置尺寸较大，注水管柱需要受套管和油管尺寸限制，发电装置需要更加小型化、集成化。有报道设想利用油井井筒产出液与地层温差进行发电为电潜泵或螺杆泵供电，但由于温差发电总体的发电效率较低，而举升工艺往往需要功率较大，因此很难真正实现。而水井井下配水器或测试装置功率较低，使用温差发电装置供电具有很强的适用性。

温差半导体发电是一种新型的发电方式，即利用塞贝克效应将热能直接转换为电能：P型和N型结合的半导体元件组成的器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，这样器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流。即热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，输出直流电压和电流。通过连接多个这样的器件便可获得较大的电压。该器件即为目前应用日益广泛的温差发电片。

由半导体温差发电片制造的半导体发电机有着无噪音、寿命长、性能稳定等特点，同时体积小，重量轻，便于携带，成为了一种应用广泛的便携电源。目前主要用于油田、野外、军事等领域，同时越来越多地应用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业等行业。

随着现代社会保护环境、节约能源的呼声越来越高、人们更多地在考虑如何有效地将太阳热、海洋热、地热、工业废热、燃烧垃圾的发热等地球上各种热源产生的热能转化为电能。因此半导体温差发电技术必将得到更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温差式井下发电装置，随注水管柱下入井中，利用地层与注入水之间的温度差进行发电，为注水井井下智能配水器及测试仪器供电，实现井下仪器的长期可靠运行。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种温差式井下发电装置，包括外筒、内筒、发电机构、充电电路、蓄能机构，所述外筒同心式套装在内筒外部，所述内筒和外筒之间形成发电环空，所述发电机构、充电电路、蓄能机构自上而下依次电连接，并全部设置在发电环空内部。

所述发电机构为温差发电片组，所述温差发电片组与内筒之间设置内导热体，所述温差发电片组与外筒之间设置外导热体。

所述温差发电片组包括至少两组，所述温差发电片组包括至少三片相同的温差发电片，所述温差发电片沿管柱径向上按照正多边形排列。

所述充电电路上端和下端均设置绝热充填体；所述的温差发电片两两对接之间充填有绝热充填体；所述内、外导热体之间的空隙也充填有绝热充填体。

所述发电环空上端口安装上密封堵环，上密封堵环内壁与内筒外壁之间设置密封圈，上密封堵环外壁与外筒内壁之间设置密封圈，上密封堵环位于温差发电片组上方；所述发电环空下端口安装下密封堵环，下密封堵环内壁与内筒外壁之间设置密封圈，下密封堵环外壁与外筒内壁之间设置密封圈，下密封堵环位于蓄能机构下方。

所述外筒上端丝扣式连接上接头，内筒上端顶在上接头下端面，内筒上端面和上接头下端面之间设置密封圈，所述外筒下端丝扣式连接下接头，内筒下端顶在下接头上端面，内筒下端面和下接头上端面之间设置密封圈。

所述下密封堵环、外筒、下接头同时开设轴向贯通的密封槽，密封槽内穿设电缆，电缆上端连接蓄能机构。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

现场使用时，将温差式井下发电装置作为智能分层注水管柱的一部分下入。注入水顺内筒内壁向下流动，故内壁温度相对较低。外筒外壁为环空保护液，温度接近地层温度。热量由外筒外壁通过导热片传递到温差发电片组热端，冷端接收到的热量又通过导热片传递给内筒，由注入水携带走。这样使温差发电片两端产生一定温度差，通过与稳压器后输出稳定电压与恒定电流的直流电，并通过电缆向井下无线智能配水器供电。

该装置能够有效利用注入水与地层之间的温度差，将地热转化为电能，为井下智能配水器等装置长期提供清洁电力，从而避免电池寿命对管柱整体有效期的影响；

该装置在配水器待机时由发电装置为蓄电池充电，当配水器工作时由蓄电池为配水器供电。

附图说明

图1为本发明的温差式井下发电装置的结构剖面图。

图2为本发明的温差式井下发电装置的发电机构剖面图。

图3为本发明的温差式井下发电装置的管柱装配图。

图中：201-上接头、202-外筒、203-上密封圈、204-上密封堵环、205-内筒、206-外导热体、207-温差发电片组、208-内导热体、209-绝热充填体、2010-充电电路、2011-蓄能机构、2012-下密封堵环、2013-下密封圈、2014-密封槽、2015-下接头；

301、307、313、319、325、331均为外筒，302、308、314、320、326、332均为内筒，303、309、315、321、327、333均为温差发电片，304、310、316、322、328、334均为绝热充填体，305、311、317、323、329、335均为内导热体，306、312、318、324、330、336均为外导热体。

1-油管、2-温差式井下发电装置、3-电缆、4-封隔器、5-油管短节、6-无线智能配水器、7-洗井阀、8-丝堵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：一种温差式井下发电装置，包括外筒202、内筒205、发电机构、充电电路2010、蓄能机构2011，所述外筒同心式套装在内筒外部，所述内筒和外筒之间形成发电环空，所述发电机构、充电电路、蓄能机构自上而下依次电连接，并全部设置在发电环空内部。

所述发电机构为温差发电片组207，所述温差发电片组与内筒之间设置内导热体208，所述温差发电片组与外筒之间设置外导热体206。

所述温差发电片组包括至少两组，所述温差发电片组包括至少三片相同的温差发电片，所述温差发电片沿管柱径向上按照正多边形排列。此种结构形式有很多，比如图2中的6种结构形式。

所述的温差发电片两两对接之间充填有绝热充填体；所述内、外导热体之间的空隙也充填有绝热充填体。所述充电电路上端和下端均设置绝热充填体209。

所述发电环空上端口安装上密封堵环204，上密封堵环内壁与内筒外壁之间设置密封圈，上密封堵环外壁与外筒内壁之间设置密封圈，上密封堵环位于温差发电片组上方；所述发电环空下端口安装下密封堵环2012，下密封堵环内壁与内筒外壁之间设置密封圈，下密封堵环外壁与外筒内壁之间设置密封圈，下密封堵环位于蓄能机构下方。

所述外筒上端丝扣式连接上接头201，内筒上端顶在上接头下端面，内筒上端面和上接头下端面之间设置上密封圈203，所述外筒下端丝扣式连接下接头2015，内筒下端顶在下接头上端面，内筒下端面和下接头上端面之间设置下密封圈2013。

所述下密封堵环、外筒、下接头同时开设轴向贯通的密封槽2014，密封槽内穿设电缆3，电缆上端连接蓄能机构。

所述的上接头和下接头分别与上下油管螺纹连接，所述的外筒与内筒围成一个密封腔，封装发电机构、充电电路、蓄能机构；所述的外筒外壁与油套环空中的入井液接触，向内传导地层热量，并保护装置内部结构；所述的内筒环绕注水通道，将热量向注入水传递，并能够起承压作用。所述的内筒与上接头之间存在上密封圈203，密封腔上部安装有上密封堵环204，内筒与下接头之间存在下密封圈2013。所述的管体材质选用镀渗钨工艺，防止井下偏磨和腐蚀。

所述的发电机构包括温差发电片组207、外导热体206、内导热体208、绝热填充体209。所述的温差发电片由P型和N型半导体构成，发电片的冷面朝向内筒，热面朝向外筒多个发电片串联构成一个发电片组，沿管体轴向排列。多个发电片组围绕内筒分布，相互并联以提高输出电流。所述的导热片位于温差发电片组与内外筒之间，使用延展性好、导热性强的材料。所述的导热片与温差发电片之间通过挤压等过配合方式连接，中间均匀涂抹导热硅脂。

这个绝热充填体主要有两种方式，一种是209表示的作为隔绝板，将上部的温差发电机构及下部的充电电路两个空间分隔，这样的好处是防止内外管壁通过隔绝板进行热传导，进一步放大内外管温差；另一种用法是填充两个温差发点片之间的空隙，同样也是减少热传导。

如图2所示，所述的发电机构沿径向从内到外分别为内筒(302、308、314、320、326、332)、内导热体(305、311、317、323、329、335)、温差发电片(303、309、315、321、327、333)、外导热体(306、312、318、324、330、336)、外筒(301、307、313、319、325、331)。所述的温差发电片组按照正多边形的方式排布，包括正三角形、正方形、正五边形、正六边形、正七边形、正八边形等。温差发电片形成的多边形边数越多，排布越紧密，外筒尺寸相同的条件下内管通径越大，同时发电效率越高。此外，所述的温差发电片组之间以及内外导热体之间的空隙也充填有绝热充填体(304、310、316、322、328、334)，起到隔热的作用。

所述的充电电路2010位于管体之中，用于连接发电机构与蓄能机构，将温差发电片组产生的电能导入蓄能机构中存储。所述的充电电路由稳压器、适配器、导线组成。所述的稳压器可以将温差发电片组产生的电压进行放大，并维持电压稳定。所述的适配器位于稳压器与蓄电池之间，可以实时检测电压电流，如有异常就会立即关闭，起到过载保护作用。所述的充电电路通过导线与蓄能机构相连。所述的充电电路2010属于现有技术。

所述的蓄能机构2011包括蓄电池组和导线。所述的其蓄电池组、导线为阻燃、防爆材质。

所述下密封堵环、外筒、下接头同时开设轴向贯通的密封槽2014，密封槽内穿设电缆3，电缆至少与下密封堵环开设的密封槽为密封状态，确保井下环境中绝缘。

如图3所示，本发明所述的温差式井下发电装置2为管状结构，中部为流体通道，整体采用大通径设计，放大发电装置内外温差。本发明所述的温差式井下发电装置通过油管1连接在注水层段上部，发电装置上端通过自身的上接头连接油管，发电装置下部依次连接封隔器4、油管短节5、无线智能配水器6，管柱最低端为洗井阀7和丝堵8。所述电缆下端穿过封隔器的轴向线孔再电连接无线智能配水器。发电装置产生的电能通过电缆3过封隔器后传输到无线智能配水器上，为其提供电力。

现场使用时，将温差式井下发电装置作为智能分层注水管柱的一部分下入。注入水顺内筒内壁向下流动，故内壁温度相对较低。外筒外壁为环空保护液，温度接近地层温度。热量由外筒外壁通过导热片传递到温差发电片组热端，冷端接收到的热量又通过导热片传递给内筒，由注入水携带走。这样使温差发电片两端产生一定温度差，通过与稳压器后输出稳定电压与恒定电流的直流电，并通过电缆向井下无线智能配水器供电。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种温差式井下发电装置，其特征在于，包括外筒、内筒、发电机构、充电电路、蓄能机构，所述外筒同心式套装在内筒外部，所述内筒和外筒之间形成发电环空，所述发电机构、充电电路、蓄能机构自上而下依次电连接，并全部设置在发电环空内部。

2.根据权利要求1所述的一种温差式井下发电装置，其特征在于，所述发电机构为温差发电片组，所述温差发电片组与内筒之间设置内导热体，所述温差发电片组与外筒之间设置外导热体。

3.根据权利要求2所述的一种温差式井下发电装置，其特征在于，所述温差发电片组包括至少两组，所述温差发电片组包括至少三片相同的温差发电片，所述温差发电片沿管柱径向上按照正多边形排列。

4.根据权利要求3所述的一种温差式井下发电装置，其特征在于，所述充电电路上端和下端均设置绝热充填体；所述的温差发电片两两对接之间充填有绝热充填体；所述内、外导热体之间的空隙也充填有绝热充填体。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种温差式井下发电装置，其特征在于，所述发电环空上端口安装上密封堵环，上密封堵环内壁与内筒外壁之间设置密封圈，上密封堵环外壁与外筒内壁之间设置密封圈，上密封堵环位于温差发电片组上方；所述发电环空下端口安装下密封堵环，下密封堵环内壁与内筒外壁之间设置密封圈，下密封堵环外壁与外筒内壁之间设置密封圈，下密封堵环位于蓄能机构下方。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的一种温差式井下发电装置，其特征在于，所述外筒上端丝扣式连接上接头，内筒上端顶在上接头下端面，内筒上端面和上接头下端面之间设置密封圈，所述外筒下端丝扣式连接下接头，内筒下端顶在下接头上端面，内筒下端面和下接头上端面之间设置密封圈。

7.根据权利要求6所述的一种温差式井下发电装置，其特征在于，所述下密封堵环、外筒、下接头同时开设轴向贯通的密封槽，密封槽内穿设电缆，电缆上端连接蓄能机构。

Images