DE112013007623T5 - Flüssigbatteriefähiges Untertagestromversorgungssystem - Google Patents

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Philbert P. Perez
Wihaga S. Khresna
Rex Navarro
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Halliburton Energy Services Inc
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Abstract

Ein Batteriezellengehäuse und Steuerungssystem ermöglicht die Verwendung von Flüssigbatteriestromversorgungssystemen in verschiedenen Anwendungen einschließlich Untertageumgebungen. Das Zellgehäuse beinhaltet eine Vielzahl von leitfähigen Anschlüssen, die dortherum beabstandet sind, um Leitfähigkeit zwischen der elektrochemischen Lösung und der Last bereitzustellen. Sensoren stellen Ausrichtungsdaten an das Steuerungssystem bereit, um dadurch zu bestimmen, welche Anschlüsse aktiviert werden sollten, um eine Last mit Strom zu versorgen.

Description

  • GEBIET DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Stromversorgungssysteme und insbesondere flüssigbatteriefähige Stromversorgungssysteme, die besonders in dynamischen Umgebungen wie etwa Untertageanwendungen nützlich sind.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Untertagebatterien, die für den Bohrlochbetrieb verwendet werden, werden allgemein aus Zellen nicht flüssiger Bauart hergestellt, etwa aus solchen, die Lithium-Thionylchloridchemie verwenden. Die Nützlichkeit solcher Batterien in Untertageumgebungen ist jedoch eingeschränkt, da die Batteriezellen Begrenzungen hinsichtlich ihrer Betriebstemperatur aufweisen, die untertage von der Untertageumgebung überschritten werden können.
  • Daher besteht Bedarf an einer robusteren Batteriezelle, die auch in schwierigen Umgebungen wie etwa Untertageanwendungen nützlich ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine blockdiagrammartige Darstellung eines Flüssigbatteriestromversorgungssystems gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
  • 2A und 2B stellen eine dreidimensionale bzw. eine Querschnittansicht (entlang der Linie A-A aus 2A) einer Flüssigbatteriezelle dar, die in einem Stromversorgungssystem gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird;
  • 3A und 3B stellen eine zweidimensionale bzw. eine Schnittansicht (entlang der Linie A-A aus 3A) einer Flüssigbatteriezellenbaugruppe gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar;
  • 4A und 4B stellen eine Flüssigbatteriezelle mit einer Ikosaeder- bzw. einer Pentakisdodekaederkonfiguration gemäß veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar;
  • 5 stellt eine Konfiguration einer Flüssigbatteriezelle mit einer geneigten Ausrichtung gemäß einer veranschaulichenden Verfahrensweise der vorliegenden Offenbarung dar;
  • 6 stellt eine Konfiguration einer gedrehten Flüssigbatteriezelle gemäß einer veranschaulichenden Verfahrensweise der vorliegenden Offenbarung dar;
  • 7 stellt eine Schaltsteuerschaltung, die von einem Steuerungssystem zum Aktivieren eines Anschlusspaares benutzt wird, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar;
  • 8A ist eine Querschnittansicht einer Stromversorgungssystem-Werkzeugbaugruppe gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
  • 8B ist eine vereinfachte Darstellung der Baugruppe aus 8A; und
  • 9 stellt ein Untertagestromversorgungssystem, das in einer Untertageanwendung verwendet wird, gemäß einer veranschaulichenden Anwendung der vorliegenden Offenbarung dar.
  • BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Veranschaulichende Ausführungsformen und zugehörigen Verfahrensweisen der vorliegenden Offenbarung werden unten so beschrieben, wie sie in einem flüssigbatteriefähigen Stromversorgungssystem verwendet werden könnten, das in verschiedenen Anwendungen einschließlich Untertagestromversorgungssystemen nützlich ist. Im Interesse der Klarheit werden nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung oder Methodik in dieser Beschreibung beschrieben. Natürlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung derartiger tatsächlicher Ausführungsformen zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erfüllen, etwa die Einhaltung systembezogener und geschäftsbezogener Einschränkungen, die je nach Implementierung unterschiedlich sind. Darüber hinaus versteht es sich, dass derartige Entwicklungsbestrebungen zwar komplex und zeitaufwändig sein können, jedoch trotzdem für einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen darstellen. Weitere Aspekte und Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen und verwandten Verfahrensweisen der Offenbarung werden durch eine Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnungen deutlich werden.
  • Wie hier beschrieben, stellen veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Batteriegehäuse und ein Steuerungssystem zum Ermöglichen der Verwendung von Flüssigbatteriestromversorgungssystemen in verschiedenen Anwendungen einschließlich Untertageumgebungen bereit. In einer verallgemeinerten Ausführungsform beinhaltet eine Flüssigbatteriezelle ein isoliertes Zellgehäuse, in dem eine elektrochemische Lösung angeordnet ist. Das Gehäuse kann eine Polyeder- oder eine Kugelform umfassen und eine Vielzahl von Anschlüssen beinhalten, die dortherum angeordnet sind, um den erzeugten Strom an eine Last zu übertragen Als Ergebnis der Anordnung der Anschlüsse um das Gehäuse stehen die Anode und Kathode der elektrochemischen Lösung stets in Kontakt mit zwei oder mehr der Anschlüsse, wodurch die Batterie ungeachtet der Ausrichtung der Batterie verwendet werden kann. Das Stromversorgungssystem beinhaltet auch ein Steuerungssystem zum Bestimmen der optimalen Anschlüsse für die Aktivierung auf Grundlage der Ausrichtung der Batterie. Entsprechend können hier beschriebene Flüssigbatteriestromversorgungssysteme in verschiedenen Anwendungen benutzt werden, darunter Untertageumgebungen, in denen die Batterie während des Gebrauchs einer rauen Umgebung und variierenden Ausrichtungen ausgesetzt ist.
  • 1 ist eine blockdiagrammartige Darstellung eines Flüssigbatteriestromversorgungssystems 100 gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Stromversorgungssystem 100 beinhaltet eine Flüssigzellenbaugruppe 102 mit einer oder mehreren darin angeordneten Flüssigbatteriezellen 104. Jede Flüssigbatteriezelle 104 ist eine Flüssigbatterie mit einer elektrochemischen Lösung wie beispielsweise Flüssigmetall-Natrium-Schwefel(Na||S)-Lösung, die einen festen Elektrolyten zwischen zwei Flüssigmetallelektroden aufweist. Zu anderen Beispielen von elektrochemischen Lösungen, die von den Flüssigbatteriezellen 104 benutzt werden, gehören Magnesium-Antimon (Mg||Sb), das den Elektrolyten in flüssiger Form aufweist. Andere chemische Zusammensetzungen können ebenfalls benutzt werden, die höhere Spannung, vergleichsweise niedrigere Temperatur und niedrigere Kosten bieten. Trotzdem werden einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung erkennen, dass verschiedene andere Flüssigbatterien existieren, die in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung benutzt werden können.
  • Die Flüssigbatteriezellen 104 weisen jeweils ein Heizelement 110 auf, das die nötige Wärme bereitstellt, um die Elektroden (d. h. Anode/Kathode der elektrochemischen Lösung) zu verflüssigen oder in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Die Flüssigbatteriezellen 104 weisen auch eine Vielzahl von leitfähigen Anschlüssen (nicht dargestellt) auf, die mit ihnen verbunden sind, um erzeugten Strom über Anschlussmatrizen 106 an das Steuerungssystem 108 zu übertragen. Das Steuerungssystem 108 erfüllt verschiedene Funktionen für das Stromversorgungssystem 100, darunter beispielsweise die Steuerung des Heizelements 110 und die selektive Aktivierung der leitfähigen Anschlüsse der Zellen 104. Sensoren 112 sind in Wirkbeziehung an ein Steuerungssystem 108 gekoppelt, um dadurch Daten in Bezug auf die Ausrichtung der Flüssigbatteriezellen 104 bereitzustellen. Die Sensoren 112 können Positionssensoren sein, die Daten zur Winkelneigung der Batteriezellen 104 an verschiedenen Ebenen bereitstellen. Außerdem können die Sensoren 112 Zentrifugalsensoren sein, die Daten in Bezug auf die Zentrifugalkräfte bereitstellen, die auf die Batteriezellen 104 einwirken, während diese beispielsweise an einer Bohrbaugruppe gedreht werden. Zu veranschaulichenden Sensoren können beispielsweise Hall-Sensoren, Drehgeber, Beschleunigungsmesser oder auf mikroelektromechanischen Systemen basierende Gyroskope gehören. Unter Verwendung dieser von den Sensoren 112 empfangenen Ausrichtungsdaten bestimmt das Steuerungssystem 108, welche leitfähigen Anschlüsse aktiviert werden sollen, um dadurch die Last kontinuierlich mit Strom von den Batteriezellen 104 zu versorgen.
  • Das Steuerungssystem 108 ist auch in Wirkbeziehung an ein Sicherungsstromversorgungssystem 114 (d. h. Sekundärbatteriezelle) gekoppelt. Bei dem Stromversorgungssystem 114 kann es sich um verschiedene Stromversorgungssysteme handeln, wie beispielsweise Lithiumbatterien, einen Generator (z. B. einen schlammbasierten Motor/Generator) usw. Das Stromversorgungssystem 114 kann einen Teil des Stromversorgungssystem 100 bilden oder entfernt von dem Stromversorgungssystem 100 angeordnet sein. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, kann das Stromversorgungssystem 114 anfangs benutzt werden, um beispielsweise das Metall in der elektrochemischen Lösung der Batteriezellen 104 in einen geschmolzenen Zustand zu bringen, wodurch anschließend von den Batteriezellen 104 erzeugter Strom den Elektrolyten und/oder das Metall im geschmolzenen Zustand hält. Alternativ kann auch das Stromversorgungssystem 114 verwendet werden, um das Metall im geschmolzenen Zustand zu halten. In wieder anderen Ausführungsform können die Batteriezellen 104 voll aufgeladen werden, bevor sie in einer jeweiligen Umgebung eingesetzt werden. Das Geschmolzenhalten der elektrochemischen Lösung kann somit durch die Zellen 104 selbst oder durch das Sicherungsstromversorgungssystem 114 erfolgen.
  • In einer veranschaulichenden Anwendung, die im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, kann das Stromversorgungssystem 100 an einer Bohrlochsohlenbaugruppe („BSB”) in einer Untertageumgebung eingesetzt werden. Wenn eine Lithiumbatterie als Stromversorgungssystem 114 benutzt wird, kann sie in der Regel nicht bei über 200°C betrieben werden. Daher können die Lithiumbatterien dazu beitragen, den geschmolzenen Zustand der Flüssigbatteriezellen 104 beizubehalten, während diese ins Bohrloch wandern, werden jedoch von dem Steuerungssystem 108 in einen Nicht-Betriebsmodus (Speicherung) versetzt, wenn die Untertagetemperatur 200°C überschreitet.
  • Es ist auch zu beachten, dass das Steuerungssystem 108 wenigstens einen Prozessor und einen nicht-transitorischen und computerlesbaren Speicher beinhaltet, die alle über einen Systembus miteinander verbunden sind. Softwareanweisungen, die von dem Prozessor zum Implementieren der hier beschriebenen veranschaulichenden Ausrichtungsbestimmungs- und Anschlussauswahlverfahrensweisen ausführbar sind, können auf einem lokalen Speicher oder einem anderen computerlesbaren Medium gespeichert sein. Es versteht sich auch, dass dieselben Softwareanweisungen auch von einer CD-ROM oder einem anderen geeigneten Speichermedium über kabelgebundene oder kabellose Verfahren in den Speicher geladen werden können.
  • Darüber hinaus werden einschlägige Durchschnittsfachleute erkennen, dass verschiedene Aspekte der Offenbarung mit verschiedenen Computersystemkonfigurationen ausgeübt werden können, darunter handgetragene Geräte, Multiprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte oder programmierbare Unterhaltungselektronik, Minicomputer, Mainframe-Computer und dergleichen. Es ist eine beliebige Anzahl von Computersystemen und Computernetzwerken zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung akzeptabel. Die Offenbarung kann in verteilten Rechenumgebungen ausgeübt werden, in der Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen durchgeführt werden, die über ein Datenübertragungsnetz miteinander verbunden sind. In einer verteilten Rechenumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien angeordnet sein, einschließlich Speicherungsvorrichtungen. Die vorliegende Offenbarung kann daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
  • 2A und 2B stellen eine dreidimensionale bzw. eine Querschnittansicht (entlang der Linie A-A aus 2A) einer Flüssigbatteriezelle 200 dar, die in einem Stromversorgungssystem gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. Wie im Folgenden beschrieben wird, beinhaltet die Flüssigbatteriezelle 200 ein isoliertes Gehäuse 202, das für Erwärmung und Abschirmung elektromagnetischer Wellen gegenüber Wärmeverlust sorgt, sowie eine Matrix von leitfähigen Anschlüssen 204, die um das Gehäuse 202 herum angeordnet sind. Das Gehäuse 202 kann verschiedene Formen annehmen, darunter beispielsweise eine Polyeder- oder Kugelform. Außerdem kann das Gehäuse 202 als ein Vibrationsdämpfer dienen, wenn die Batteriezelle 200 in einer solchen Umgebung benutzt wird. In bestimmten Ausführungsformen sind die leitfähigen Anschlüsse 204 gleichmäßig von den jeweils benachbarten Anschlüssen 204 an Polyederscheitelpunkten beabstandet angeordnet.
  • Ein elektrisch isolierter Hohlraum 206 ist unter dem Gehäuse 202 zum Aufnehmen einer elektrochemischen Lösung 208 angeordnet. In diesem Beispiel ist der Raum 206 ein wärmebeständiges und nicht leitfähiges Material wie etwa eine Keramikkugel, die Isolation zur Minimierung von Wärmeverlust bereitstellt. Alternativ kann der Raum 206 aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das nicht mit der elektrochemischen Lösung 208 reagiert. Obwohl nicht dargestellt, kann eine weitere Auskleidung benutzt werden, um chemische Isolation und Reibungsreduzierung an der Innenfläche des Raums 206 bereitzustellen. Bei der elektrochemischen Lösung 208 kann es sich um verschiedene Elektrodenlösungen des flüssigen Typs handeln, darunter beispielsweise flüssige und feste Elektrolytmetalllösungen, wie ein einschlägiger Durchschnittsfachmann mit dem Vorteil der Offenbarung erkennen wird. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben, steht ungeachtet der Ausrichtung der Batteriezelle 200 die Anode/Kathode der elektrochemische Lösung 208 stets in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse 204, um dadurch eine Last mit Strom zu versorgen.
  • Die leitfähigen Anschlüsse 204 sind elektronisch auswählbare Elektrodenanschlüsse. In bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen stellt eine Matrix aus gleichmäßig beabstandeten Elektrodenanschlüssen 204 dynamikfähige Elektroden für den tatsächlichen Batteriegebrauch bereit. Wie in 2B gezeigt, weisen die Anschlüsse 204 ein erstes Ende, das sich in den Raum 206 erstreckt, um in Kontakt mit der elektrochemische Lösung 208 zu treten, und ein zweites Ende auf, das sich aus dem Gehäuse 204 heraus erstreckt und mit dem Steuerungssystem 108 verbunden ist (1), um eine Last mit Strom zu versorgen. Wie unten beschrieben, kann eine Polyederkonfiguration zum Bestimmen der Abstände der Anschlüsse 204 verwendet werden. Beispielsweise ergeben Scheitelpunkte auf Ikosaederbasis zwölf Anschlüsse, während Scheitelpunkte auf Pentakisdodekaederbasis zweiunddreißig Anschlüsse ergeben. Während des Betriebs analysiert das Steuerungssystem 108 (1) die Ausrichtung der Batteriezelle 204, um zu bestimmen, welche Anschlüsse 204 aktiviert werden sollten, um die Last mit Strom zu versorgen. In einigen Ausführungsformen wird nur ein Anschluss 204 für die Anode/Kathode (zwei Anschlüsse gesamt) ausgewählt, während in anderen Ausführungsformen zwei oder mehr Anschlüsse 204 für die Anode/Kathode (vier oder mehr Anschlüsse gesamt) ausgewählt werden können. Eine Aufsetzkappe 210 ist um die Anschlüsse 204 herum angeordnet, um für Abdichtung und Isolation zwischen Anschlüssen 204 und Raum 206 zu sorgen. Die Kappe 210 kann aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise einem Hochtemperatur-/hochfesten Polymer, Gummi, Elastomer oder einer ähnlichen Verbindung hergestellt sein.
  • Wenn Flüssigmetall in der elektrochemischen Lösung 208 verwendet wird, müssen die Metallelektroden auf einen geschmolzenen Zustand erwärmt werden. In bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine solche Erwärmung mittels Induktion erreicht werden. Um dies zu erreichen, sind zwei Doppelzweckanschlüsse 212 an der Ober- und Unterseite der Batteriezelle 204 angeordnet. Die Anschlüsse 212 erfüllen einen doppelten Zweck, da sie zum Erwärmen des Raums 206 und zum Bereitstellen von Strom von der elektrochemischen Lösung 208 dienen. Die Anschlüsse 212 beinhalten einen leitfähigen Anschluss 212a, der den gleichen Zweck wie die leitfähigen Anschlüsse 204 erfüllt. Im Inneren des Anschlusses 212a ist ein Anschluss 212b angeordnet, der dazu dient, den Raum 206 zu erwärmen. Der Heizanschluss 212b ist mit einer gesteuerten Stromquelle wie etwa dem Sicherungsstromversorgungssystem 114 (1) verbunden. Wie oben erwähnt, kann das Stromversorgungssystem 114 in einer Ausführungsform anfangs dazu verwendet werden, ausreichend Leistung bereitzustellen, um den Elektrolyt und das Metall in der elektrochemischen Lösung 208 in den flüssigen Zustand zu bringen. Wärme wird mittels Wärmeleitung aus dem Raum 206 an die elektrochemische Lösung 208 (Anode, Kathode und Elektrolyt) übertragen. Anschließend kann die Stromversorgung auf die Anschlüsse 204 der Batteriezelle 200 umgeschaltet werden, um nun den eigenen Strom der Flüssigbatterie zum Aufrechterhalten des geschmolzenen Zustands zu verwenden.
  • Zum Bereitstellen der Wärme erstreckt sich ein Heizelementdraht 214 von einer Stromquelle herab durch den Heizanschluss 212b und ist mit einer Induktionsheizspule 216 (d. h. dem Heizelement) verbunden. Um den Draht 214 herum ist Isolierung 218 angeordnet, um eine Isolation zwischen den Anschlüssen 212a und 212b bereitzustellen. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist die Heizspule 216 eine Spule, die Wärme zum Verflüssigen oder Aufrechterhalten des geschmolzenen Zustands der Elektroden (und in einigen Fällen des Elektrolyten) (d. h. der elektrochemischen Lösung 208) bereitstellt. Sie kann diese Erwärmung mittels Induktion (joulsche Wärme) an eine Heizkugel 220 bereitstellen, die um sie herum angeordnet ist. Die Heizkugel 220 kann beispielsweise aus Eisenmaterial hergestellt sein, das durch Induktion erwärmt wird. Eine Isolationsmaterialauskleidung (nicht dargestellt) liegt zwischen der Kugel 220 und der Heizspule 216 vor, ebenso wie Isolation von den Flüssigmetallen und dem Elektrolyten der elektrochemischen Lösung 208. Es ist zu beachten, dass die Kugel 220 auch andere Formen aufweisen kann.
  • Um die Doppelzweckanschlüsse 212 herum ist eine isolierte Kappe 222 angeordnet, die zum Befestigen der Anschlüsse 212 am Raum 206 dient. Die Isolationskappe 222 kann beispielsweise aus Keramik oder Hochtemperaturepoxidharz hergestellt sein. Eine Dichtungskappe 224 ist in der Isolationskappe 22 angeordnet, um eine Abdichtung und Halterung für die Anschlüsse 212 bereitzustellen. Die Kappe 224 kann aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise Hochtemperatur-/hochfesten Polymeren, Gummis, Elastomeren oder ähnlichen Verbindungen hergestellt sein.
  • In bestimmten anderen veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann eine Vielzahl von Flüssigbatteriezellen zu einer Flüssigzellenbaugruppe kombiniert sein. 3A und 3B stellen eine zweidimensionale bzw. eine Schnittansicht (entlang der Linie A-A aus 3A) einer Flüssigzellenbaugruppe 300 gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die Flüssigbatteriezellen 200 sind die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Flüssigzellenbaugruppe 300 beinhaltet einen Anschlussblock 302 mit zwei Seiten 302a und 302b. Der Anschlussblock 302 ist aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material hergestellt, das als weitere Wärmeisolierung dient, wie beispielsweise Polymere oder Keramikmaterialien. Nach dem Einführen der Zellen 220 können die Seiten 302a und 302 mit einem Befestigungsmittel verbunden werden, etwa Klebematerialien wie beispielsweise einem Epoxidharz oder mit Schrauben oder Mutter und Schrauben. Jede Seite 302a, b beinhaltet eine Vielzahl von Kanälen 304, die sich zu den Anschlüssen 204 und 212 hinab erstrecken. Obwohl nicht dargestellt, ist eine geeignete Verdrahtung am Kanal 304 entlang angeordnet, um Strom zu dem Steuerungssystem 108 und der Last zu leiten.
  • Erneut Bezug nehmend auf 1 analysiert das Steuerungssystem 108 die Ausrichtung der Batteriezellen 104, um so zu bestimmen, welche leitfähigen Anschlüsse 204, 212 aktiviert werden sollten, wie bereits erwähnt. Es wird nun eine veranschaulichende Vorgehensweise beschrieben, die das Steuerungssystem 108 anwendet, um dies zu erreichen. 4A und 4B stellen eine Ikosaeder- bzw. eine Pentakisdodekaederkonfiguration dar, die zum Auslegen einer Flüssigbatteriezelle 200 gemäß veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet wird. Wie gezeigt, beinhaltet die Konfiguration 400A zwölf Scheitelpunkte, wobei jeder Scheitelpunkt einen daran angeordneten Anschluss 204, 212 aufweist. Die Konfiguration 400B dagegen beinhaltet zweiunddreißig Scheitelpunkte, wobei jeder Scheitelpunkt ebenfalls einen Anschluss 204, 212 aufweist. In einer veranschaulichenden Ausführungsform ermöglicht die Polyederanschlusskonfiguration 400A gleichmäßig über ihre Kugelfläche beabstandete Anschlüsse 204, 212. Daher können die Scheitelpunkte mathematisch mittels kartesischer Koordinaten oder Kugelkoordinaten (wie beispielsweise Länge und Breite) bestimmt werden. Bei der Ikosaederkonfiguration 400B beispielsweise werden die Koordinaten Anschluss-an-Anschluss an zwei Einheiten bestimmt, die um den Ursprung zentriert sind: (0, ±1, ±φ), (±1, ±φ, 0) und (±φ, 0, ±1), wobei φ = (1 + √5)/2 das gewünschte Verhältnis ist. Mit diesem Ansatz kann die Anzahl und Position der Scheitelpunkte/Anschlüsse 204, 212 mithilfe verschiedener Modellierungsplattformen ausgelegt werden, darunter beispielsweise Polyedermodelle, CAD-Software (zum Beispiel HEDRON, Solidworks, OpenSCAD).
  • 5 stellt eine Konfiguration 400A einer Flüssigbatteriezelle mit einer geneigten Ausrichtung gemäß einer veranschaulichenden Verfahrensweise der vorliegenden Offenbarung dar. Wenn beispielsweise die hier beschriebenen Flüssigbatteriezellen in einem Bohrloch eingesetzt werden, unterliegen die Zellen verschiedenen Veränderungen der Winkelneigung, und es wirken außerdem Zentrifugalkräfte auf sie ein, wenn sich der Strang dreht. Daher muss das Steuerungssystem 108 die ausgeübten Neigungs-/Zentrifugalkräfte mithilfe von Sensoren 112 bestimmen und dann diese Daten analysieren, um auszuwählen, welche Anschlüsse 204, 212 aktiviert werden sollen. Wenn die Neigungswinkel wie in 5 gezeigt sowohl von der xy- als auch der yz-Ebene bekannt sind (d. h. vom Positionssensor 112), wird die Auswahl des optimalen Anodenanschlusses und der optimalen Kathodenanschlüsse der elektrochemischen Lösung 208 mathematisch vom Steuerungssystem 108 bestimmt.
  • In bestimmten veranschaulichenden Vorgehensweisen erreicht das Steuerungssystem 108 dies anhand des folgenden Verfahrens. Zunächst kann die Winkelposition der Zelle als ein Neigungswinkel θ und Azimutwinkel φ definiert werden. Diese könnten der Neigung und dem Azimutwinkel der BSB untertage entsprechen. In einer Zelle können die Scheitelpunkte (oder Anschlusspositionen) in Kugelkoordinaten umgewandelt werden. Die normale Position einer Zelle (θ = 0°, φ = 0°) kann als Grundposition betrachtet werden, so dass der obere Anschluss den Nordanschluss mit Breiten- und Längenkoordinaten bei (90°, 0°) angibt, während der untere Anschluss den Südanschluss bei (–90°, 0°) angibt. Bei einer Ikosaederanschlusskonfiguration zum Beispiel sind die übrigen 10 Anschlüsse auf der Breite ±arctan(1/2) = 26,57° mit einem Längenabstand von 36° angeordnet. Ein virtueller Äquator in der Mitte definiert die Breitenposition 0°. Ein virtueller Nullmeridian kann für eine Zelle als repräsentativ für die Längenposition 0° definiert werden.
  • Aus dem Vorstehenden kann eine Reihe von Koordinaten erzeugt werden, derart, dass die Breitenreihe LTA[] und die Längenreihe LNA[]:
    90°, wenn Index = 1.
    LTA[Index] = –arctan(1/2), wenn 1 < Index < 12 und Index ungerade ist
    arctan(1/2), if 1 < Index < 12 und Index gerade ist
    –90°, wenn Index = 12
    0° wenn Index = 1 oder Index = 12
    LNA[Index] = (Index – 2)·36°, wenn 1 < Index < 12.
  • Mit Positionsinformationen können eine positionsbezogene Nord- und Südanschlusskoordinate (relativ zur Normalposition der Zelle) wie folgt definiert werden:
    Positionsbezogener Norden, PN = (90° – θ, 180° – φ); und
    Positionsbezogener Süden, PS = (θ – 90, –φ).
    PS und PN sind die idealen Anschlusspositionen, weshalb die nächsten Anschlüsse die optimale Anschlussauswahl wären. Der Zentralwinkel Δσ zwischen PS oder PN von jedem Anschluss ergibt sich durch den Kugelkosinussatz: Δσ = arcos(sinϕ1sinϕ2 + cosϕ1cosϕ2cosΔλ), Gl. (1), wobei (φ1, λ1) entweder die PS- oder die PN-Position ist, (ϕ2, λ2) die Anschlussposition (aus der Koordinatenreihe) ist und Δλ die absolute Differenz zwischen λ1 und λ2 ist. Gleichung 1 kann als eine Funktion Zentralwinkel(Position1, Position2) verkürzt werden. Der Abstand d, die Bogenlänge, ergibt sich aus: d = rΔσ, Gl. (2), wobei r der Radius der Zelle ist.
  • In einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung reicht der kleinste Δσ aus, um zu bestimmen, welcher Anschluss der zum PN nächste und welcher der zum PS nächste ist. Eine Liste von Zentralwinkeln kann dann aus PN und PS für die Anschlüsse erzeugt werden, wie definiert durch:
    ZentralwinkelVonPN[Index] = Zentralwinkel(PN, (LTA[Index], LNA[Index])); und
    ZentralwinkelVonPS[Index] = Zentralwinkel(PS, (LTA[Index], LNA[Index])).
  • Der optimale Anschlussindex lässt sich nun ermitteln, indem nach dem kleinsten Abstand gesucht wird:
    [minAbstVonPN, OptimalNordIndex] = min(ZentralwinkelVonPN); und
    [minAbstVonPS, OptimalSüdIndex] = min(ZentralwinkelVonPS).
  • Die oben beschriebene veranschaulichende Syntax basiert auf Matlab. OptimalNordIndex und OptimalSüdIndex müssen den Index der optimalen Anschlussauswahl enthalten.
  • Mithilfe des vorstehenden Verfahren können somit ein oder mehrere Anschlüsse 204, 212 für jede Elektrode ausgewählt werden. Somit können in einer veranschaulichenden Ausführungsform ein oder mehrere Anschlüsse 204, 212 für das Anodenflüssigmetall aus 5 ausgewählt werden, während ein oder mehrere Anschlüsse 204, 212 für das Kathodenflüssigmetall aus 5 ausgewählt werden. Eine solche Ausführungsform ist besonders in Bohrlochanwendungen nützlich, wenn ein Bohrstrang sich nicht dreht und das Flüssigmetall und der Elektrolyt der Lösung 208 hauptsächlich Schwerkraft zur Schichtbildung ausgesetzt sind (d. h. der Schichtung der Anoden- und Kathodenflüssigmetalle sowie des Elektrolyts aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichten).
  • 6 stellt eine Konfiguration 400A einer gedrehten Flüssigbatteriezelle gemäß einer veranschaulichenden Verfahrensweise der vorliegenden Offenbarung dar. Wie gezeigt, weist die Konfiguration 400A eine nicht konzentrische Schichtbildung aufgrund der zentrifugalen Beschleunigung auf, die von ihrer nicht konzentrischen Drehung um die Achse 600 erzeugt wird. Wenn die Flüssigbatteriezelle 400A sich in diesem Beispiel mit hoher Geschwindigkeit dreht, beeinflusst die Zentrifugalbeschleunigung die Schichtbildung noch stärker. In bestimmten Ausführungsformen stellt daher ein Zentrifugalkraftsensor 112 die Ausrichtungsdaten an das Steuerungssystem 108 bereit, damit es die optimalen Anschlüsse 204, 212 für die Aktivierung bestimmen kann. In alternativen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem 108 auch die Zentrifugalbeschleunigung auf Grundlage von Umdrehungen pro Minute („U/min”) des Untertagewerkzeugstrangs oder anderen Bauteils, das die Drehung bewirkt (bei Verwendung in Nicht-Bohrlochanwendungen) und den Abstand der Zelle 200 vom Drehmittelpunkt berechnen. Trotzdem kann bei geringeren Drehzahlen eine Kombination von Zentrifugal- und Winkeldaten, die von den Sensoren 112 erzeugt werden, von dem Steuerungssystem 108 zum Bestimmen der optimalen Auswahl der Anschlüsse 204, 212 beispielsweise anhand des oben beschriebenen Algorithmus verwendet werden.
  • In wieder anderen veranschaulichenden Ausführungsformen, in denen die Flüssigbatteriezellen weiteren Bewegungen unterliegen, können die verschiedenen beteiligten Kräfte modelliert werden, um das Steuerungssystem 108 bei der optimalen Auswahl von Anschlüssen 204, 212 weiter zu unterstützen. Ein Beispiel etwa wäre ein schnelles Ein- und Ausfahren bei einem gewinkelten oder horizontalen Bohrloch. Die Ein- und Ausfahrrate und der Winkel werden bei der Modellierung der Beschleunigung der Zelle 200 berücksichtigt, die die Schichtbildung von Flüssigmetall und Elektrolyten beeinflusst. Einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil der Offenbarung werden erkennen, dass diese und andere Vorgehensweisen benutzt werden können, um verschiedene Kräfte zu modellieren, die auf die Zellen einwirken.
  • 7 stellt eine Schaltsteuerschaltung, die von einem Steuerungssystem 108 zum Aktivieren eines Anschlusspaares benutzt wird, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Unter Bezugnahme auf 1 und 7 ist die Schaltsteuerschaltung 700 über eine Eingangs-/Ausgangs-(„E/A”)-Erweiterungseinrichtung 702 in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem 108 gekoppelt. Die E/A-Erweiterungseinrichtung 702 ist ein digitaler Schalter, den das Steuerungssystem 108 nutzt, um die Relais der Schaltung 700 wie unten beschrieben umzuschalten. Die Auslegung und der Betrieb von E/A-Erweiterungseinrichtungen sind in der Technik bekannt. Während des Betriebs, wenn die Ausrichtungsdaten (z. B. positionsbezogen, zentrifugal, Neigung usw.) von den Sensoren 112 empfangen werden, bestimmt das Steuerungssystem 108 die zu aktivierenden Anschlüsse 204, 212 anhand der Anschlussmatrix 106 jeder Flüssigbatteriezelle 704 und sendet geeignete Aktivierungssignale an eine E/A-Erweiterungseinrichtung 702, die zum Einschalten der Anschlüsse 204, 212 mithilfe der Schaltung 700 notwendig ist. Die Anschlussmatrix 106 besteht aus den Anschlüssen 204, 212 und deren jeweiliger Verdrahtung.
  • Die Steuerschaltung 700 benutzt eine Reihe von Relaisschaltern, die mit der Anode oder Kathode der elektrochemischen Lösung 208 verbunden sind. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform beinhaltet die Steuerschaltung 700 Relais RYP1, RYN1, RYP2, RYN2, RYPN und RYNN. Die Relais RYP1, RYN1, RYP2, RYN2, RYPN und RYNN beinhalten jeweils einen Transistor Q1...QN2 mit einer Basis, die mit dem Ausgang der E/A-Erweiterungseinrichtung 702 verbunden ist, um die Relais dadurch ein-/auszuschalten. Die Kollektoren jedes Transistorpaars sind parallel mit einem Widerstand R1...RN + 1 verbunden, durch den eine Spannung von Spannungsquellen +Vcc bereitgestellt wird. Die dargestellte Ausführungsform eignet sich für Starkstromanwendungen, weshalb eine parallele Konfiguration verwendet wird. In anderen Ausführungsformen wie etwa Hochspannungsanwendungen kann jedoch eine Reihenkonfiguration verwendet werden, wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen werden. Trotzdem ist Vcc in bestimmten Ausführungsformen eine übliche Stromquelle (beispielsweise eine Kondensatorbank oder Quelle 114), während +Vcc in anderen die Strom sein kann, die von den Batteriezellen 704 selbst bereitgestellt wird. Somit können die Relais RYP1...RYNN von den Batteriezellen 704 oder von einer Sekundärstromquelle versorgt werden, wie zuvor beschrieben. Obwohl nicht gezeigt, würde +Vcc die Schaltungen beinhalten, die notwendig sind, um zwischen den zwei Stromquellen umzuschalten, sowie einen Leistungsregler zum Stabilisieren der Leistung, wie selbige Durchschnittsfachleute verstehen werden.
  • Weiterhin Bezug nehmend auf 7 sind die Emitter der Transistoren Q1...QN2 mit einer Relaisspule verbunden, um dadurch die entsprechenden Schalter 710 zu aktivieren, um eine Last über einen Strombus 706 mit Strom zu versorgen. Die Schalter 710 sind in die offene Stellung vorgespannt. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist den Anschlüssen 204, 212 eine Nummer zugewiesen, wie beispielsweise Anschluss 1 („T1”), Anschluss 2 („T2”) usw. Somit sind die Relais RYP1 und RYN1 beide mit T1 jeder Batteriezelle 704 verbunden, die Relais RYP2 und RYN2 sind mit T2 jeder Batteriezelle 704 verbunden und die Relais RYPN und RYNN sind beide mit TN jeder Batteriezelle 704 verbunden. Die Anschlüsse 204, 212 in der Matrix 106 an einem jeweiligen Scheitelpunkt sind miteinander verknüpft, da erwartet wird, dass alle Zellen den gleichen Positions- und Drehveränderungen unterliegen. In diesem Beispiel sind die Relais RYP1, RYP2 und RYPN Anodenschalter, während die Relais RYN1, RYN2 und RYNN Kathodenschalter sind.
  • Wenn also während des Betriebs das Steuerungssystem 108 T1 als die Anode und T2 als die Kathode auswählt (auf Grundlage von Ausrichtungsdaten, die von den Sensoren 112 empfangen werden), überträgt das Steuerungssystem 108 ein Signal an die Gates der Transistoren von RYP1 und RYP2, um dadurch einen Stromfluss durch ihre Emitter zu verhindern oder zuzulassen. Auf diese Weise wird der Schalter 710 von Relais RYP1 geschlossen, um dadurch Anodenstrom mittels T1 bereitzustellen, während der Schalter 710 von Relais RYN2 geschlossen wird, um Kathodenstrom mittels T2 bereitzustellen. Entsprechend wendet die Steuerschaltung 700 eine Schaltsteuerung auf Mikroprozessorbasis an, um ein Anschlusspaar aus jeder Anschlussmatrix der Flüssigbatteriezellen 710 zu aktivieren.
  • Wie zuvor erwähnt, können die hier beschriebenen veranschaulichenden Batteriezellen in verschiedenen Anwendungen benutzt werden. Eine solche Anwendung ist eine Untertageumgebung, wobei ein Stromversorgungssystem, das eine oder mehrere Batteriezellen verwendet, an einem Untertagestrang angeordnet ist. 8A ist eine Querschnittansicht einer Stromversorgungssystem-Werkzeugbaugruppe 800 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Werkzeugbaugruppe 800 beinhaltet einen Körper 802 aus einem geeigneten Material, das der Untertageumgebung standhält (beispielsweise Eisen). Der Körper 802 beinhaltet jeweils Gewindekasten-/-zapfenverbindungen 804a und 804b. In anderen Ausfürungsformen können verschiedene andere Verbindungen benutzt werden. Ein Raum 806 mit Druckausgleich ist seitlich an dem Körper 802 montiert angeordnet. Obwohl nicht gezeigt, beinhaltet der Körper 802 auch die notwendigen Anschlüsse für Drähte, in denen Strom von den Batteriezellen dem Bedarf entsprechend an Untertagebauteile übertragen wird.
  • Eine oder mehr Batteriezellen 808 sind in einer Flüssigzellenbaugruppe 810 angeordnet, wie zuvor in anderen Ausführungsformen beschrieben. Der Raum 806 mit Druckausgleich ist in dem Körper 802 in nicht konzentrischer Weise angeordnet, wie in 8B gezeigt, die eine vereinfachte Werkzeugbaugruppe 800 mit einer Achse A darstellt. Wie gezeigt, ist der Raum 806 nicht mit der Achse A konzentrisch. Wenn sich der Untertagestrang (und somit das Werkzeug 800) dreht, stellt die Nichtkonzentrizität unausgewogene Zentrifugalkraft bereit, die auf das geschmolzene Metall in der elektrochemischen Lösung 208 einwirkt, wodurch die Enstehung einer zylindrischen Schichtbildung der Flüssigbatteriekomponenten vermieden wird. Obwohl nicht dargestellt, kann in bestimmten Ausführungsformen ein Vibrationdämpfer zwischen der Baugruppe 810 und dem Raum 806 mit Druckausgleich angeordnet sein. Eine Bohrung 812 ist am Körper 802 angeordnet, um Fluid um Raum 806 herum zu leiten. In dieser Ausführungsform wird das Fluid aus dem Körper 802 heraus und wieder in den Körper 802 hinein geleitet. In anderen Ausführungsformen kann das Fluid jedoch um den Raum 806 herum geleitet werden, aber trotzdem im Körper 802 verbleiben.
  • 9 stellt ein Untertagestromversorgungssystem, das in einer Untertageanwendung verwendet wird, gemäß einer veranschaulichenden Anwendung der vorliegenden Offenbarung dar. Bei dem Stromversorgungssystem 900 kann es sich um ein beliebiges der hier beschriebenen Systeme handeln. In diesem Beispiel wird das Stromversorgungssystem 900 mit einer Baugruppe zum Vermessen während des Bohrens (logging-while-drilling, „LWD”) benutzt; alternativ kann das Stromversorgungssystem 900 in einer Baugruppe zum Messen während des Bohrens (measurement-while drilling, „MWD”), einer kabelgebundenen, Slickline-, Wickelrohr- oder anderen gewünschten Untertagebaugruppe oder Beförderungseinrichtung verkörpert sein. Trotzdem ist eine Bohrplattform 2 mit einem Bohrturm 4 ausgerüstet, der eine Winde 6 zum Heben und Senken eines Bohrstrangs 8 trägt. An der Winde 6 hängt ein Kraftdrehkopf 11, der zum Drehen des Bohrstrangs 8 und Absenken desselben durch den Bohrkopf 13 geeignet ist. Mit dem unteren Ende des Bohrstrangs 8 ist ein Bohrmeißel 15 verbunden. Während sich der Bohrmeißel 15 dreht, erzeugt er ein Bohrloch 17, das durch verschiedene Formationen 19 verläuft. Eine Pumpe 21 zirkuliert Bohrfluid durch ein Speiserohr 22 an den Kraftdrehkopf 11, durch das Innere des Rohrstrangs 8 hinab in das Bohrloch, durch Öffnungen im Bohrmeißel 15, durch den Ringraum um den Bohrstrang 8 zurück zur Oberfläche und in eine Auffanggrube 24. Das Bohrfluid transportiert Bohrklein aus dem Bohrloch in die Grube 24 und hilft dabei, das Bohrloch 16 intakt zu halten. Für das Bohrfluid können verschiedene Materialien verwendet werden, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, ein leitfähiger Schlamm auf Salzwasserbasis.
  • Ein Vermessungswerkzeug 10 ist in die BSB in der Nähe des Meißels 15 integriert. in dieser veranschaulichenden Ausführungsform ist das Vermessungswerkzeug 10 ein LWD-Werkzeug; in anderen veranschaulichenden Ausfürungsformen kann das Vermessungswerkzeug 10 auch in einer Wickelrohr-Vermessungsanwendung benutzt werden. Bei dem Vermessungswerkzeug 10 kann es sich beispielsweise um ein Widerstandsultratiefenlesewerkzeug handeln. Alternativ kann auch ein Nicht-Widerstandsultratiefenlesevermessungswerkzeug im selben Bohrstrang wie das Tiefenlesevermessungswerkzeug benutzt werden. Darüber hinaus kann das Vermessungswerkzeug 10 in bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen dazu angepasst sein, Vermessungsvorgänge sowohl in offenen als auch verrohrten Lochumgebungen durchzuführen.
  • Weiterhin Bezug nehmend auf 1 sammelt das Vermessungswerkzeug 10 Messsignale zu verschiedenen Formationseigenschaften sowie Werkzeugausrichtung und verschiedene andere Bohrbedingungen, während der Bohrmeißel 15 das Bohrloch 17 durch Formationen 19 treibt. In bestimmten Ausführungsformen kann das Vermessungswerkzeug 10 die Form einer Schwerstange annehmen, d. h. eines dickwandigen Rohrkörpers, der für Gewicht und Steifigkeit sorgt, um den Bohrprozess zu unterstützen. Wie hier beschrieben, beinhaltet das Vermessungswerkzeug 10 jedoch ein Induktions- oder Ausbreitungswiderstandswerkzeug zum Messen von Geologie und Widerstand von Formationen. Ein Telemetriemodul 28 wird verwendet, um Bilder und Messdaten/-signale an einen Oberflächenempfänger zu übermitteln und Befehle von der Oberfläche zu empfangen. In einigen Ausführungsformen übermittelt das Telemetriemodul die Daten nicht an die Oberfläche, sondern speichert die Daten zum späteren Abruf an der Oberfläche, wenn die Vermessungsbaugruppe eingeholt wird.
  • Die Stromversorgungssystem 900 ist wie dargestellt am Bohrstrang 8 angeordnet, um verschiedene Lasten am Strang 8 mit Strom zu versorgen. In alternativen Ausführungsformen kann das Stromversorgungssystem jedoch auch in der Nähe des Vermessungswerkzeugs, daran gekoppelt oder benachbart dazu sein. Trotzdem können die Batteriezellen des Stromversorgungssystems 900 beim ersten Einsatz bereits aufgeladen sein oder können von einer Sicherungsstromquelle versorgt werden. Während der Bohrmeißel 15 weiter bohrt, dreht sich der Strang 8 und bewirkt so auch die Drehung der Batteriezellen. Wenn Lasten mit dem Stromversorgungssystem 900 mit Strom versorgt werden sollen, wird die Steuerungssystemschaltung des Systems 900 aktiviert, wodurch die Ausrichtung des Stromversorgungssystems 900 unter Verwendung der benötigten Sensoren bestimmt wird, die an dem Strang 8 angeordnet sind. Die resultierenden Ausrichtungsdaten werden dann an das Steuerungssystem übertragen, wodurch zwei oder mehr Anschlüsse an den Batteriezellen selektiv aktiviert werden. Die ausgewählten Anschlüsse beinhalten wenigstens einen Anschluss, der in Kontakt mit der Anode steht, und wenigstens einen anderen Anschluss, der in Kontakt mit der Kathode steht, wodurch die Schaltung vervollständigt wird. Auf diese Weise werden die Lasten wie gewünscht mit Strom versorgt.
  • Das Benutzen der Flüssigbatteriezellen der vorliegenden Offenbarung stellt eine Anzahl von Vorteilen bereit. Erstens kann das Stromversorgungssystem beispielsweise in mobilen Anwendungen verwendet werden, in denen die Batterien nicht in einem statischen Zustand bleiben. Zweitens können die Batterien bei Verwendung in einer Untertageumgebung länger untertage bleiben, da sie wieder aufgeladen werden können. Drittens ermöglicht es die Flüssigmetalllösung, dass die Zellen in Umgebungen mit hoher Temperatur verwendet werden können. Durch Verwendung reichhaltig vorkommender Elemente sind die Flüssigmetallzellen zudem wirtschaftlich. Diese und weitere Vorteile werden für die hier beschriebenen einschlägigen Durchschnittsfachleute auf der Hand liegen.
  • Die hier beschriebenen Ausführungformen betreffen außerdem einen oder mehrere der folgenden Absätze:
    • 1. Ein Untertagestromversorgungssystem, umfassend: ein Zellgehäuse mit einer Vielzahl von leitfähigen Anschlüssen, die dortherum angeordnet ist; und eine elektrochemische Lösung, die im Inneren des Zellgehäuses angeordnet ist, wobei die elektrochemische Lösung in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse steht; und ein Steuerungssystem zum selektiven Aktivieren von zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse auf Grundlage einer Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle.
    • 2. Ein Untertagestromversorgungssystem nach Absatz 1, wobei die elektrochemische Lösung eine Flüssigmetalllösung ist.
    • 3. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–2, wobei das Zellgehäuse eine Polyederform mit einer Vielzahl von Scheitelpunkten aufweist; und die leitfähigen Anschlüsse an den Scheitelpunkten angeordnet sind.
    • 4. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–3, wobei das Zellgehäuse eine Polyeder- oder Kugelform aufweist.
    • 5. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–4, wobei das Zellgehäuse ferner Folgendes umfasst: einen Hohlraum, in dem die elektrochemische Lösung angeordnet ist, wobei die leitfähigen Anschlüsse ein erstes Ende, das sich in den Hohlraum erstreckt, und ein zweites Ende aufweisen, das sich aus dem Zellgehäuse heraus erstreckt; und ein Heizelement, das im Inneren des Hohlraums angeordnet ist, um die elektrochemische Lösung zu erwärmen.
    • 6. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–5, ferner umfassend einen Sensor, der in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem gekoppelt ist, um dadudrch die Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle zu bestimmen.
    • 7. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–6, wobei der Sensor ein Zentrifugalkraftsensor oder ein Positionssensor ist.
    • 8. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–7, wobei die leitfähigen Anschlüsse gleich oder im Wesentlichen gleich über das Zellgehäuse beabstandet sind.
    • 9. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–8, ferner umfassend eine Sekundärbatteriezelle, die in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem gekoppelt ist.
    • 10. Ein Untertagestromversorgungssystem nach einem der Absätze 1–9, wobei das Untertagestromversorgungssystem in einer Werkzeugbaugruppe aufgenommen ist, die an einem Untertagestrang angeordnet ist, wobei die Werkzeugbaugruppe einen Raum mit Druckausgleich zum Aufnehmen der Batteriezelle, derart, dass die Batteriezelle nicht mit einer Achse der Werkzeugbaugruppe konzentrisch ist; und eine Bohrung zum Leiten von Fluid um das Gehäuse mit Druckausgleich umfasst.
    • 11. Ein Verfahren zum Verwenden eines Untertagestromversorgungssystems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einsetzen einer Flüssigbatteriezelle in einem Bohrloch, wobei die Flüssigbatteriezelle ein Zellgehäuse mit einer Vielzahl von dortherum angeordneten leitfähigen Anschlüssen; und eine elektrochemische Lösung umfasst, die in dem Zellgehäuse angeordnet ist, wobei die elektrochemische Lösung in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse steht; Bestimmen einer Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle; selektives Aktivieren von zwei oder mehr leitfähigen Anschlüssen auf Grundlage der Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle; und Versorgen einer Last mit Strom mithilfe der ausgewählten leitfähigen Anschlüsse.
    • 12. Verfahren nach Artikel 11, wobei das selektive Aktivieren von zwei oder mehr leitfähigen Anschlüssen ferner Folgendes umfasst: Auswählen von wenigstens einem leitfähigen Anschluss, der in Kontakt mit einer Anode der elektrochemischen Lösung steht; und Auswählen von wenigstens einem leitfähigen Anschluss, der in Kontakt mit einer Kathode der elektrochemischen Lösung steht.
    • 13. Ein Verfahren nach einem der Absätze 11–12, wobei das Einsetzen der Flüssigbatteriezelle ferner Drehen der Flüssigbatteriezelle an einem Untertagestrang umfasst.
    • 14. Ein Verfahren nach einem der Absätze 11–13, wobei die elektrochemische Lösung eine Flüssigmetalllösung ist.
    • 15. Ein Verfahren nach einem der Absätze 11–14, wobei das Bestimmen der Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle Bestimmen einer Zentrifugalbeschleunigung, die auf die Flüssigbatteriezelle einwirkt; oder Bestimmen einer Position der Flüssigbatteriezelle umfasst.
    • 16. Ein Stromversorgungssystem, umfassend eine Flüssigbatteriezellemit einer Vielzahl von leitfähigen Anschlüssen, die dortherum angeordnet sind; und eine elektrochemische Lösung, die im Inneren des Zellgehäuses angeordnet ist, wobei die elektrochemische Lösung in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse steht; und ein Steuerungssystem zum selektiven Aktivieren von zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse auf Grundlage einer Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle.
    • 17. Ein Stromversorgungssystem nach Absatz 16, wobei die elektrochemische Lösung eine Flüssigmetalllösung ist.
    • 18. Ein Stromversorgungssystem nach einem der Absätze 16–17, wobei das Zellgehäuse eine Polyeder- oder Kugelform aufweist.
    • 19. Ein Stromversorgungssystem nach einem der Absätze 16–18, ferner umfassend einen Sensor, der in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem gekoppelt ist, um dadurch die Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle zu bestimmen, wobei der Sensor wenigstens einer von einem Zentrifugalkraftsensor oder einem Positionssensor ist.
    • 20. Ein Stromversorgungssystem nach einem der Absätze 16–19, wobei das Stromversorgungssystem an einem Untertagestrang verbunden ist, der an einem Bohrloch entlang angeordnet ist.
  • Darüber hinaus können beliebige der hier beschriebenen Verfahrensweisen in einem System, das eine Verarbeitungsschaltung zum Implementieren beliebiger der Verfahren umfasst, oder in einem Computerprogrammprodukt verkörpert sein, das Anweisungen umfasst, die bei Ausführung durch wenigstens einen Prozessor den Prozessor veranlassen, beliebige der hier beschriebenen Verfahren auszuführen.
  • Die vorstehende Offenbarung kann Bezugszeichen in verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und gibt als solche kein Verhältnis zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor. Räumlich relative Begriffe wie „unter”, „unterhalb”, „unteres”, „über”, „oberes” und dergleichen können darüber hinaus zur leichteren Beschreibung verwendet werden, um das Verhältnis eines Elements oder Merkmals mit (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der verwendeten oder betriebenen Vorrichtung einschließen. Wenn die Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht ist, wären als „unter” oder „unterhalb von” anderen Elementen oder Merkmalen befindlich beschriebene Elemente „über” den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet. Der beispielhafte Begriff „unter” kann somit eine Ausrichtung sowohl ober- als auch unterhalb einschließen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad und in anderen Ausrichtungen gedreht), und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können ebenfalls entsprechend ausgelegt werden.
  • Obwohl verschiedene Ausführungsformen und Verfahrensweisen gezeigt und beschrieben wurden, ist die Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen und Verfahrensweisen beschränkt, und es versteht sich, dass sie alle Modifikationen und Variationen beinhaltet, die für einen einschlägigen Fachmann auf der Hand liegen. Daher versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmten offenbarten Formen beschränkt zu verstehen ist. Stattdessen sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abgedeckt werden, die in den Geist und Umfang der Offenbarung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims (20)

  1. Untertagestromversorgungssystem, umfassend: eine Flüssigbatteriezelle, umfassend: ein Zellgehäuse mit einer Vielzahl von leitfähigen Anschlüssen, die dortherum angeordnet ist; und eine elektrochemische Lösung, die im Inneren des Zellgehäuses angeordnet ist, wobei die elektrochemische Lösung in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse steht; und ein Steuerungssystem zum selektiven Aktivieren von zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse auf Grundlage einer Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle.
  2. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Lösung eine Flüssigmetalllösung ist.
  3. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei: das Zellgehäuse eine Polyederform mit einer Vielzahl von Scheitelpunkten aufweist; und die leitfähigen Anschlüsse an den Scheitelpunkten angeordnet sind.
  4. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei das Zellgehäuse eine Polyeder- oder Kugelform aufweist.
  5. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei das Zellgehäuse ferner umfasst: einen Hohlraum, in dem die elektrochemische Lösung angeordnet ist, wobei die leitfähigen Anschlüsse ein erstes Ende, das sich in den Hohlraum erstreckt, und ein zweites Ende aufweisen, das sich aus dem Zellgehäuse heraus erstreckt; und ein Heizelement, das im Inneren des Hohlraums angeordnet ist, um die elektrochemische Lösung zu erwärmen.
  6. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Sensor, der in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem gekoppelt ist, um dadurch die Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle zu bestimmen.
  7. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Zentrifugalkraftsensor oder ein Positionssensor ist.
  8. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Anschlüsse gleich oder im Wesentlichen gleich über das Zellgehäuse beabstandet sind.
  9. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Sekundärbatteriezelle, die in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem gekoppelt ist.
  10. Untertagestromversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei das Untertagestromversorgungssystem in einer Werkzeugbaugruppe aufgenommen ist, die an einem Untertagestrang angeordnet ist, wobei die Werkzeugbaugruppe umfasst: einen Raum mit Druckausgleich zum Aufnehmen der Batteriezelle, derart, dass die Batteriezelle nicht mit einer Achse der Werkzeugbaugruppe konzentrisch ist; und eine Bohrung zum Leiten von Fluid um das Gehäuse mit Druckausgleich.
  11. Verfahren zum Verwenden eines Untertagestromversorgungssystems, wobei das Verfahren umfasst: Einsetzen einer Flüssigbatteriezelle in einem Bohrloch, wobei die Flüssigbatteriezelle umfasst: ein Zellgehäuse mit einer Vielzahl von dortherum angeordneten leitfähigen Anschlüssen; und eine elektrochemische Lösung, die in dem Zellgehäuse angeordnet ist, wobei die elektrochemische Lösung in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse steht; Bestimmen einer Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle; selektives Aktivieren von zwei oder mehr leitfähigen Anschlüssen auf Grundlage der Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle; und Versorgen einer Last mit Strom mithilfe der ausgewählten leitfähigen Anschlüsse.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das selektive Aktivieren von zwei oder mehr leitfähigen Anschlüsse ferner Folgendes umfasst: Auswählen von wenigstens einem leitfähigen Anschluss, der in Kontakt mit einer Anode der elektrochemischen Lösung steht; und Auswählen von wenigstens einem leitfähigen Anschluss, der in Kontakt mit einer Kathode der elektrochemischen Lösung steht.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einsetzen der Flüssigbatteriezelle ferner Drehen der Flüssigbatteriezelle an einem Untertagestrang umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die elektrochemische Lösung eine Flüssigmetalllösung ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle Folgendes umfasst: Bestimmen einer Zentrifugalbeschleunigung, die auf die Flüssigbatteriezelle einwirkt; oder Bestimmen einer Position der Flüssigbatteriezelle.
  16. Stromversorgungssystem, umfassend: eine Flüssigbatteriezelle, umfassend: ein Zellgehäuse mit einer Vielzahl von leitfähigen Anschlüssen, die dortherum angeordnet ist; und eine elektrochemische Lösung, die im Inneren des Zellgehäuses angeordnet ist, wobei die elektrochemische Lösung in Kontakt mit zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse steht; und ein Steuerungssystem zum selektiven Aktivieren von zwei oder mehr der leitfähigen Anschlüsse auf Grundlage einer Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle.
  17. Stromversorgungssystem nach Anspruch 16, wobei die elektrochemische Lösung eine Flüssigmetalllösung ist.
  18. Stromversorgungssystem nach Anspruch 16, wobei das Zellgehäuse eine Polyeder- oder Kugelform aufweist.
  19. Stromversorgungssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Sensor, der in Wirkbeziehung an das Steuerungssystem gekoppelt ist, um dadurch die Ausrichtung der Flüssigbatteriezelle zu bestimmen, wobei der Sensor wenigstens einer von einem Zentrifugalkraftsensor oder einem Positionssensor ist.
  20. Stromversorgungssystem nach Anspruch 16, wobei das Stromversorgungssystem an einem Untertagestrang verbunden ist, der an einem Bohrloch entlang angeordnet ist.
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