井下無葉發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及用于在鉆井期間在井筒中進(jìn)行井下發(fā)電的設(shè)備和技術(shù)。更特定來說，本公開內(nèi)容提供一種井下發(fā)電機(jī)，其采用相對(duì)于通過鉆柱的鉆井流體流垂直布置的多個(gè)可旋轉(zhuǎn)圓盤，所述圓盤用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井中利用的許多井下工具需要用于操作包括傳感器工具、隨鉆測(cè)量(MWD)工具、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等等的電力。在過去，用于將電力供應(yīng)至這樣的工具的最常見來源是沿著鉆柱本地定位或與工具整合的電池或替代地，從地面向下延伸的電線。具有這樣的井下操作所必需的電容的電池通常較大，且因此由于井下空間局限而并非所期望的。而且，許多電池不能在由許多操作要求的井下溫度和壓力下操作很長(zhǎng)一段時(shí)間。如果從表面延伸的電線定位于油管柱內(nèi)，那么其可能干擾鉆井流體流或接入，且如果這樣的電線定位于油管柱內(nèi)部或外部，那么其可能損壞。
[0003]作為電池或電線的替代，已設(shè)計(jì)用于將電力供應(yīng)至一個(gè)或多個(gè)井下工具的多種類型的井下發(fā)電機(jī)。許多這些井下發(fā)電機(jī)使用流體動(dòng)力(即，鉆井泥漿)，其從表面?zhèn)鬏斨恋撞裤@孔組件以使安置于鉆柱環(huán)體內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在結(jié)合轉(zhuǎn)子工作時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的軸以發(fā)電。接著流體流繼續(xù)通過環(huán)體。
[0004]這樣的發(fā)電機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是需要維持某個(gè)泥漿壓力以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。這樣的系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)是其干擾鉆井流體流通過鉆柱的主環(huán)體。此外，這樣的系統(tǒng)在液體中夾帶氣體時(shí)經(jīng)歷氣穴現(xiàn)象。而且，混合可變流態(tài)(即，氣體和液體)可能降低性能或需要修改轉(zhuǎn)子傳動(dòng)裝置。最后，這樣的系統(tǒng)對(duì)磨蝕性流體或具有高固含量的流體非常不具容忍性。
[0005]因此，期望提供一種無論流態(tài)如何以對(duì)性能具最小影響操作的井下發(fā)電機(jī)。而且，期望提供一種同樣地將對(duì)通過鉆柱的鉆井流體的主要流具有最小影響的井下發(fā)電機(jī)。
【附圖說明】
[0006]圖1圖示具有承載無葉發(fā)電機(jī)的鉆柱的鉆井平臺(tái)。
[0007]圖2圖示沿著鉆柱的內(nèi)部流體流路徑安置的兩個(gè)無葉發(fā)電機(jī)的剖開側(cè)視圖。
[0008]圖3圖示沿著鉆柱的內(nèi)部流體流路徑安置的多個(gè)無葉發(fā)電機(jī)的剖開軸向視圖。
[0009]圖4圖示沿著鉆柱的內(nèi)部流體流路徑安置的單個(gè)無葉發(fā)電機(jī)的剖開軸向視圖。
[0010]圖5圖示無葉發(fā)電機(jī)的一個(gè)實(shí)施方案中利用的多個(gè)圓盤。
[0011]圖6圖示無葉發(fā)電機(jī)的實(shí)施方案中利用的圓盤的一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖。
[0012]圖7圖示沿著鉆柱外部的流路徑安置的單個(gè)無葉發(fā)電機(jī)的剖開軸向視圖。
[0013]圖8圖示利用本發(fā)明的無葉發(fā)電機(jī)井下發(fā)電的方法的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]前述公開內(nèi)容可以重復(fù)各種實(shí)例中的參考數(shù)字和/或字母。此重復(fù)是為了簡(jiǎn)單性和清晰性的目的，且實(shí)質(zhì)上并不決定所討論的多種實(shí)施方案和/或構(gòu)造之間的關(guān)系。進(jìn)一步來說，在本文中為了便于描述使用空間相對(duì)術(shù)語(諸如“下方”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”、“井上”、“井下”等等)以描述圖中所示的一個(gè)元件或特征與另一(若干)元件或特征的關(guān)系?？臻g相對(duì)術(shù)語旨在包括除了圖中所描繪的定向之外的在使用中或操作中的裝置的不同定向。例如，如果圖中的裝置翻轉(zhuǎn)，那么描述為在其它元件或特征“下面”或“下方”的元件接著被定向?yàn)樵谄渌蛱卣鳌吧厦妗薄Ｒ虼耍拘孕g(shù)語“下面”可以包括上面和下面的定向兩者。可以別的方式來定向裝置(旋轉(zhuǎn)90度或在其它定向上)，且可以同樣地相應(yīng)解釋本文所使用的空間相對(duì)描述符。
[0015]參考圖1，示出了大致定位于地層14的表面12處的鉆機(jī)10。井筒16從表面12延伸至地層14中。鉆柱20從鉆機(jī)10向下延伸且至井筒16中。鉆柱20 —般包括由多個(gè)管道或鉆鋌區(qū)段26承載的底部鉆孔組件(“BHA”)22和鉆頭24。鉆柱20可以包括在鉆井期間利用的其它工具或儀器28，諸如傳感器工具、隨鉆測(cè)量(MWD)工具、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具等等。返回井筒流體18安置于在地層14與鉆柱20之間形成的環(huán)體29內(nèi)。
[0016]參考圖2，圖示本公開內(nèi)容的井下發(fā)電機(jī)系統(tǒng)30的一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。系統(tǒng)30 一般包括沿著細(xì)長(zhǎng)軸34界定的管套環(huán)或短節(jié)外殼32，其中主孔36形成于管套環(huán)32內(nèi)。提供流線33以圖示在系統(tǒng)30沿著鉆柱20安置時(shí)，鉆井泥漿穿過系統(tǒng)30時(shí)其大致流動(dòng)方向。管套環(huán)32內(nèi)安置的是一個(gè)或多個(gè)特斯拉渦輪機(jī)或無葉發(fā)電機(jī)38。各個(gè)無葉發(fā)電機(jī)38包括一個(gè)，且優(yōu)選地多個(gè)可旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)圓盤40和至少一個(gè)發(fā)電機(jī)線圈以及磁體系統(tǒng)42。圓盤40安裝于沿著優(yōu)選地垂直于細(xì)長(zhǎng)軸34的軸44安置的驅(qū)動(dòng)軸43上(參照?qǐng)D3和圖4)，使得安裝于驅(qū)動(dòng)軸43上的各個(gè)圓盤垂直定向以增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。雖然這樣的定向?yàn)閮?yōu)選，但是應(yīng)理解只要流33的一部分如下文所描述跨越圓盤40導(dǎo)向，圓盤40可以相對(duì)于軸34具有任何定向。
[0017]更明確來說，所屬領(lǐng)域一般技術(shù)人員將了解本文描述的無葉發(fā)電機(jī)38是向心流渦輪機(jī)，其利用跨越多個(gè)圓盤40的周界邊緣的流體流的邊界層效應(yīng)。在流體跨越圓盤40的表面拖曳時(shí)，圓盤40使發(fā)電機(jī)42的驅(qū)動(dòng)軸43旋轉(zhuǎn)。如先前技術(shù)的井下發(fā)電機(jī)中所教導(dǎo)，旋轉(zhuǎn)能量由相對(duì)于流體撞擊于葉片或葉脈上的表面層效應(yīng)提供。朝著圓盤40的中心螺旋的流體流可以排出回至鉆井流體流利用和排出系統(tǒng)(諸如下文討論和圖6中所示的孔隙52)中。圓盤40優(yōu)選地跨其等表面為光滑以使表面和剪切損耗最小化。而且，圓盤優(yōu)選地為薄的以使圓盤邊緣的阻力和湍流最小化?？梢曰谄渲欣脽o葉發(fā)電機(jī)38的系統(tǒng)的界限選擇圓盤40的直徑。在某些實(shí)施方案中，圓盤40的直徑不大于行業(yè)中常見的鉆管的標(biāo)準(zhǔn)外徑尺寸，即23/8”O(jiān)D - 65/8”O(jiān)D。當(dāng)然，可以在具有較大直徑管道或管套的流體流系統(tǒng)中利用較大直徑圓盤。因此，本公開內(nèi)容的無葉發(fā)電機(jī)沿著井筒的流體流系統(tǒng)定位以發(fā)電來供連同井筒利用的電設(shè)備一起使用。
[0018]在任何情況下，無葉發(fā)電機(jī)38安裝于支撐結(jié)構(gòu)46上，使得孔36內(nèi)的流33的一部分橫穿圓盤40的周界邊緣。因此，圓盤40可以簡(jiǎn)單地安裝于支撐結(jié)構(gòu)46上，以便部分延伸一段足夠距離至孔36中，該距離使通過孔36的流的一部分橫穿圓盤40的外邊緣。關(guān)于這個(gè)方面，圓盤可以被特征化為具有表面區(qū)域且在某些實(shí)施方案中，不超過一半的圓盤表面區(qū)域延伸至孔中，且優(yōu)選地，只有較少部分的圓盤表面區(qū)域根據(jù)需要延伸至孔中以使跨越邊界層效應(yīng)的圓盤特性的表面的流體的螺旋流優(yōu)化。在圖2中所示的實(shí)施方案中，支撐結(jié)構(gòu)46可以是被安置來安裝于管套環(huán)32的孔36內(nèi)的插入件46a。支撐結(jié)構(gòu)46可以包括一個(gè)或多個(gè)流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)(諸如流道48)，其大致被安置來跨越圓盤40的一部分導(dǎo)向鉆井流體流33的一部分。關(guān)于這個(gè)方面，只要流道被相應(yīng)地安置來如本文所描述使流33的一部分從主孔36轉(zhuǎn)向且跨越圓盤40導(dǎo)向流33的轉(zhuǎn)向部分，無葉發(fā)電機(jī)38可以相對(duì)于軸34具有任何定向。
[0019]在最佳地圖3中所見的另一實(shí)施方案中，支撐結(jié)構(gòu)46可以是安裝于管套環(huán)32內(nèi)的板46b。板可以包括:第一孔隙49，其大致被安置來允許沿著孔36的流穿過其中；和第二孔隙50，其用作流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)且安置于板46b中以跨越安裝于板46b上的圓盤40的一部分導(dǎo)向鉆井流體流33的至少一部分。在某些實(shí)施方案中，孔隙50可以被選擇性操作來調(diào)整通過其中的流。當(dāng)需要某個(gè)程度的發(fā)電時(shí)，孔隙50可以完全打開，當(dāng)不需要發(fā)電時(shí)，孔隙50關(guān)閉或部分打開以調(diào)整發(fā)電。
[0020]繼續(xù)參考圖3，雖然支撐結(jié)構(gòu)46可以只支持單個(gè)無葉發(fā)電機(jī)38，但在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，支撐結(jié)構(gòu)46可以支持多個(gè)無葉發(fā)電機(jī)38。雖然并不限于圖3中所示的特定布置，但是多個(gè)無葉發(fā)電機(jī)優(yōu)選地呈對(duì)稱布置圍繞軸34徑向間隔開。在圖3中，圖示八個(gè)無葉發(fā)電機(jī)，但是除了別的之外，可以取決于發(fā)電需求和空間局限使用更多或更少無葉發(fā)電機(jī)。
[0021]如上文討論，雖然無葉發(fā)電機(jī)38主要描述為被定向，使得圓盤40如圖3中所示大致圍繞軸34徑向定向，但是本公開內(nèi)容的某些實(shí)施方案并不限于發(fā)電機(jī)38的特定定向。例如，無葉發(fā)電機(jī)38可以被定向，使得圓盤40圍繞軸34切向地布置于半徑上。在這種情況下，可以利用孔隙50、流道48或類似結(jié)構(gòu)以使流33的一部分從孔36轉(zhuǎn)向來使圓盤40旋轉(zhuǎn)。
[0022]此外，在某些實(shí)施方案中，諸如圖2中所示，至少兩個(gè)無葉發(fā)電機(jī)38可沿著鉆鋌32軸向間隔開。
[0023]當(dāng)無葉發(fā)電機(jī)38軸向間隔開時(shí)，可以同樣地利用軸向間隔開的兩個(gè)或更多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)46。關(guān)于這個(gè)方面，各個(gè)軸向間隔開的支撐結(jié)構(gòu)46還可以支撐多個(gè)無葉發(fā)電機(jī)38。
[0024]在另一實(shí)施方案中，如最佳地在圖4中所見，無葉發(fā)電機(jī)38可以簡(jiǎn)單地安裝于支撐結(jié)構(gòu)46上，使得圓盤40的至少一部分延伸至主流孔36中。
[0025]圖5圖示安置于軸44上的一組圓盤40，而圖6圖示圓盤40的側(cè)視圖。在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，圓盤40可以包括一個(gè)或多個(gè)口 52，其安置成通過其中以允許流體在圓盤之間流動(dòng)。這樣的口 52還可以用于使圓盤40上的流排出回至主孔36。各個(gè)圓盤可以包括轂或間隔件54，以便調(diào)整相鄰圓盤之間的間距。
[0026]雖然以上系統(tǒng)30的多