基于涡流管的井下温差发电系统及其发电方法、设计实现方法

本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种基于涡流管的井下温差发电系统及其发电方法、设计实现方法。

背景技术：

目前，用于油气藏动态监测与生产控制的大多数小型设备大多采用一次性或可充电电池供电。这些传统的化学电池具有体积大、寿命短、电力供应有限并且需要定期更换等不足之处，无法满足长期井下生产监测与控制的需求。因此寻求一种长期稳定的井下发电技术俞显重要。

涡流管是一种简单的能量分离装置，在有一定进出口压力差的情况下可将入口工作流体分离成一股高于入口温度的流体和一股低于入口温度的流体。经过几十年的研究与发展，涡流管以其独特的简单、无运动部件、低成本、性能安全可靠等优点，在科学研究及工业应用领域中发挥着重要作用，现已广泛应用于加工制造、生物医学、精密仪器、航空航天、化学处理等各个方面。

近年来，随着半导体材料制造技术和工艺的进步，温差发电技术逐渐兴起。当一对pn半导体的两端分别处于不同温度环境时，由于塞贝克效应，在pn半导体的高温端和低温端之间就会形成温差电动势，将热能直接转换为电能。一些研究表明，即使pn半导体两端仅有10℃的温度差，也能产生较高的电能。

在井下生产过程中，地层流体携带有热能、动能、势能等能量，并且从井底到井口流动过程中流体温度和压力在逐渐降低，因此，寻找一种利用地层流体自身能量来满足井下设备和传感器长时间持续用电需求的方法显得尤为重要。温差发电是一种有效的解决手段。

现有的井下温差发电方法通过借助人为注入冷流体来实现发电，工艺比较复杂。如文章analysisandmodelingofthermoelectricpowergenerationinoilwells：apotentialpowersupplyfordownholeinstrumentsusingin-situgeothermalenergy中所述，通过将温差发电模块串联成长度为200米、地层产出流体温度为125℃和人为注入流体温度为20℃情况下的井下发电量能够达到800瓦。通常地，地层产出流体沿着井筒向上流动过程中要与周围地层发生热交换，地层产出流体在沿着井筒流动方向100米范围内的温度差变化不会超过5℃。如果仅靠流体沿着井筒流动方向的温度差来进行温差发电，则所需的温差发电装置的结构将非常细长，尺度非常大，并且要将地层产出流体在井筒下部的高温热量和井筒上部的低温热量传递到温差发电装置的热端和冷端上进行温差发电，将导致井筒温差发电装置的结构设计非常复杂。同时，由于沿井筒方向的温差变化较小而导致发电量较低。靳海明等在低温工程期刊中发表的单相(气相)与气液两相涡流管性能的比较与分析一文中指出，在涡流管进出口压力比为1.665、冷气流分量为0.60、热端管的管长为300毫米即长径比为8.571情况下，单相(气相)流体和气液两相流体在涡流管热端管出口的温度变化分别可以达到40℃左右和10℃左右。中国专利cn105579661b公开了一种用于从井筒的等温段获取井下能量的系统，该系统中的涡流管入口直接通过套管开口与地层产出液体相连接，地层产出液全部进入涡流管，安装位置在生产层。从该系统的涡流管出来的冷热流体先与两个热电偶相接触，两个热电偶再分别与温差发电装置的冷热端接触，热量在传递转接过程中会有损失，热量传递效果差。

有鉴于此，将井下流体流过涡流管时产生的冷、热两股流体分别流过pn半导体的两端，即可在井下实现发电，从而为井下传感器、控制装置等用电设备提供电力电能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于涡流管的井下温差发电系统及其发电方法、设计实现方法，该井下温差发电系统能够解决现有技术中存在的不足，不仅能够在不需要任何外部供电的情况下，利用井下流体流过涡流管产生的温度差，即可实现自主发电，为井下设备提供稳定电能；还能够在涡流管长度为数米的小尺度范围内，获得数十度的温度变化，足能提供温差发电装置所需的温度差，大大提高了发电效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于涡流管的井下温差发电系统，包括井筒。所述井筒包括由内向外依次设置的油管和套管，油管与套管之间的区域为油套环空腔体。所述油套环空腔体内设有发电部分保护套和与发电部分保护套相连的蓄电部分保护套。

所述发电部分保护套内设有涡流管和温差发电装置；所述发电部分保护套与温差发电装置及涡流管之间的区域为发电部分环空腔体。

所述涡流管的入口处连接有流体入口装置，涡流管轴向两端的端口处分别设有低温流体出口和高温流体出口。

所述温差发电装置包括带有内腔的支撑部件和安装在支撑部件外壁上且沿支撑部件外壁轴向并联连接的若干温差发电组；所述支撑部件的内腔为冷流体通道；所述温差发电组包括若干沿支撑部件外壁周向串联连接的热电发电单元；所述热电发电单元包括由内向外依次设置的冷端绝缘放热构件、冷端金属导体组、温差发电半导体组、热端金属导体组和热端绝缘受热构件。

所述流体入口装置穿过发电部分保护套与油套环空腔体相连通；所述低温流体出口与冷流体通道的入口相连；所述高温流体出口与发电部分环空腔体相连通。

所述蓄电部分保护套内设有与温差发电装置电连接的升压稳压器和与升压稳压器电连接的蓄电模块；所述冷流体通道的出口处设有乏低温流体出口，所述乏低温流体出口与蓄电部分保护套的内腔相连通。

进一步的，所述发电部分保护套和蓄电部分保护套的外径相同，二者沿井筒轴向从下到上连为一体，并通过固定器连接在油管的外壁上。

进一步的，所述发电部分保护套上设有第一排出单流阀；所述蓄电部分保护套上设有第二排出单流阀。

进一步的，所述高温流体出口处设有热端调节阀。

进一步的，所述温差发电装置通过第一导线组与升压稳压器相连，升压稳压器通过第二导线组与蓄电模块相连，蓄电模块通过第三导线组与井下用电设备相连。

进一步的，所述涡流管为逆流型涡流管或顺流型涡流管。

进一步的，所述支撑部件为空心圆柱，其中间空腔为冷流体通道。

本发明还涉及一种上述基于涡流管的井下温差发电系统的发电方法，该方法包括以下步骤：

s11、高压流体沿油管向下流动，当流经流体入口装置时，一部分高压流体由流体入口装置进入到涡流管中。

s12、进入涡流管的流体在涡流管内做强旋湍流运动，经动量与热量交换后分为两股流动方向相反的流体，一股为高温流体，另一股为低温流体；高温流体从高温流体出口流入至发电部分环空腔体中，低温流体从低温流体出口流入至冷流体通道中。

s13、进入到发电部分环空腔体中的高温流体，先流过温差发电装置的热端绝缘受热构件外壁，形成温差发电装置的高温端，再通过第一排出单流阀排出至油套环空腔体中。

s14、低温流体进入冷流体通道后，先流过支撑部件的内壁，形成温差发电装置的低温端，再通过乏低温流体出口进入蓄电部分保护套内，为升压稳压器和蓄电模块提供低温保护环境，最后通过第二排出单流阀流出至油套环空腔体中。

s15、温差发电装置在其高温端与低温端的温度差的作用下产生电能。

s16、温差发电装置产生的电能先通过第一导线组流入升压稳压器进行升压稳压调整，再通过第二导线组储存在蓄电模块中，蓄电模块通过第三导线组为井下用电设备提供电能，从而实现了井下发电与蓄电。所述井下用电设备为低功耗温度传感器、压力传感器、流量计、流量控制阀或井下通讯设备。所述井下用电设备的数量根据井下测量和控制要求确定。井下用电设备根据用电需要，通过第三导线组从蓄电模块中获得电力供给。第三导线组的数量根据井下用电设备的数量确定。

进一步的，所述流体为气体。

本发明还涉及一种上述基于涡流管的井下温差发电系统的设计实现方法，该方法包括以下步骤：

s21、利用数值模拟方法确定井下温差发电系统的结构参数。首先，采用流体流动数值模拟软件，建立涡流管和温差发电装置的物理模型和数值模型。然后，在涡流管的结构和尺寸以及所采用的热电材料性能参数一定的情况下，以进入涡流管中的流体流量范围、流体温度范围和流体压力范围为输入变量，以温差发电装置发电效率最高为目标，采用粒子群优化算法，优化适合于上述流体流量范围、流体温度范围和流体压力范围的最佳的支撑部件外径、支撑部件内径(即冷流体通道半径)、支撑部件长度、发电部分保护套内径。最后，根据油套环空尺寸和发电部分保护套所用材料的抗压强度，确定发电部分保护套外径。

s22、根据井下用电设备总耗电需求以及油管内流动流体沿着井筒深度的压力场分布、温度场分布和流体流量，采用步骤s21所确定的结构参数，在涡流管的结构和尺寸以及所采用的热电材料性能参数一定的情况下，以满足井下用电设备总耗电为目标，采用粒子群优化算法，确定所需的进入涡流管中的流体流量、流体温度和流体压力，进而根据油管内流动流体沿着井筒深度的压力场分布和温度场分布数据，确定流体入口装置的开口尺寸以及在井中的深度位置，进而确定发电部分保护套和蓄电部分保护套从下到上依次连接为一体后，通过固定器布置在油管和套管之间的油套环空腔体中的深度位置。

s23、根据井下生产的参数测量要求和生产控制要求，确定井下用电设备数量以及布置深度。比如有3个生产层，每个生产层都要测温度，就需要3个温度传感器；每个层都要进行生产控制，就需要3个控制阀；这样就需要6个井下用电设备；布置深度与生产层深度对应。

s24、根据步骤s21至步骤s23的结果，设计入井管柱结构。

s25、首先，连接好流体入口装置、涡流管、低温流体出口、温差发电装置、乏低温流体出口、第一导线组、热端调节阀和高温流体出口，设置好热端调节阀的调节位置，然后封装在发电部分保护套中。其次，依次将第一导线组、升压稳压器、第二导线组、蓄电模块、第三导线组连接好，然后封装在蓄电部分保护套中。最后，将发电部分保护套和蓄电部分保护套相连接组成一个完整的井下热电发电系统。

s26、根据步骤s25组装完成的井下热电发电系统的长度，选择一个合适的油管短节，将流体入口装置与油管短节连接，并将整个井下热电发电系统通过固定器固定在油管短节外壁。

s27、按照步骤s24设计的管柱结构，连接好油管、井下用电设备、第三导线组和步骤s26中组装好的油管短节，完成管柱入井。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明充分利用了井下生产过程中来自地层流体所携带的能量，供给充足，可持续性强，避免了传统的从地面下入电缆进行供电所带来的电缆结构损坏、电缆压降损耗等问题，同时也避免了传统的采用井下电池供电所带来的电池更换作业问题。

(2)本发明将井下生产过程与发电过程和用电过程相耦合，充分利用井筒中流体流动的压力和温度能量，通过与涡流管结合来获得温差发电所需的两种不同温度的冷热源和井下温差发电系统的最佳井下工作深度，该过程无需任何机械动力，结构简单，安全可靠，整个井下温差发电系统可以根据不同井下生产情况和井下用电需求最佳设计和调整，适用性强。本发明能够在涡流管长度为数米的小尺度范围内，获得数十度的温度变化，足能提供温差发电装置所需的温度差，大大提高了发电效率。

(3)本发明利用布置在井下的温差发电装置可以实现自主发电，此装置无需更换，成本低，体积小，可以实现对井下小型设备的连续供电。

(4)本发明可以用于气井，也可以用于高气油比油井。

附图说明

图1是本发明中井下温差发电系统的结构示意图；

图2是本发明中温差发电装置的结构示意图；

图3是本发明中温差发电组的结构示意图。

其中：

11、套管，12、油管，13、油套环空腔体，100、涡流管，300、温差发电装置，301、冷流体通道，311、支撑部件，312、热端绝缘受热构件，313、热端金属导体组，314、温差发电半导体组，315、冷端金属导体组，316、冷端绝缘放热构件，21、乏低温流体出口，23、发电部分保护套，24、流体入口装置，25、高温流体出口，26、低温流体出口，27、蓄电部分保护套，28、热端调节阀，29、发电部分环空腔体，31、固定器，32、第一排出单流阀，33、第二排出单流阀，41、升压稳压器，42、蓄电模块，43、井下用电设备，51、第一导线组，52、第二导线组，53、第三导线组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例一

如图1所示的一种基于涡流管的井下温差发电系统，包括井筒。所述井筒包括由内向外依次设置的油管12和套管11，油管12与套管11之间的区域为油套环空腔体13。所述油套环空腔体13内设有发电部分保护套23和与发电部分保护套23相连的蓄电部分保护套27。

所述发电部分保护套23内设有涡流管100和温差发电装置300；所述发电部分保护套23与温差发电装置300及涡流管100之间的区域为发电部分环空腔体29。

所述涡流管的入口处连接有流体入口装置，涡流管轴向两端的端口处分别设有低温流体出口和高温流体出口。

如图2和图3所示，所述温差发电装置300包括带有内腔的支撑部件311和安装在支撑部件311外壁上且沿支撑部件311外壁轴向并联连接的若干温差发电组314；所述支撑部件311的内腔为冷流体通道301；所述温差发电组包括若干沿支撑部件311外壁周向串联连接的热电发电单元；所述热电发电单元包括由内向外依次设置的冷端绝缘放热构件316、冷端金属导体组315、温差发电半导体组314、热端金属导体组313和热端绝缘受热构件312。

一个热电发电组包含的热电发电单元数量可以是1个，10个，100个，或者任意多个，具体数量根据优化的支撑部件311外径和发电部分保护套23内径之间的空间尺寸以及热电发电单元的长度来确定。所述热电发电组沿着支撑部件311轴向方向并联连接，紧密附着在支撑部件311外壁，共同构成温差发电装置300；温差发电装置300中包含的热电发电组可以是1组，10组，100组，或者任意多组，具体数量根据优化的支撑部件311长度以及热电发电单元的宽度确定。所述优化的支撑部件311外径和发电部分保护套23内径以及优化的支撑部件311长度是以热电转化效率最高为目标，根据进入涡流管100中的流体流量、流体温度、流体压力、涡流管100的结构和尺寸以及所采用的热电材料性能参数进行优化确定。所述支撑部件311内径，也即冷流体通道301半径，是以热电转化效率最高为目标，根据进入涡流管100中的流体流量、流体温度、流体压力、涡流管100的结构和尺寸以及所采用的热电材料性能参数进行优化确定。所述发电部分保护套23外径是根据油套环空13尺寸以及发电部分保护套23所用材料抗压强度确定。

所述流体入口装置24穿过发电部分保护套23与油套环空腔体13相连通；所述低温流体出口26与冷流体通道301的入口相连；所述高温流体出口25与发电部分环空腔体29相连通。

所述蓄电部分保护套27内设有与温差发电装置电连接的升压稳压器和与升压稳压器电连接的蓄电模块；所述冷流体通道的出口处设有乏低温流体出口，所述乏低温流体出口与蓄电部分保护套的内腔相连通。

进一步的，所述发电部分保护套23和蓄电部分保护套27的外径相同，二者沿井筒轴向从下到上连为一体，并通过固定器31连接在油管12的外壁上。

进一步的，所述发电部分保护套23上设有第一排出单流阀32；所述蓄电部分保护套27上设有第二排出单流阀33。

进一步的，所述高温流体出口25处设有热端调节阀28。

进一步的，所述温差发电装置300通过第一导线组51与升压稳压器41相连，升压稳压器41通过第二导线组52与蓄电模块42相连，蓄电模块42通过第三导线组53与井下用电设备43相连。

进一步的，所述涡流管100为逆流型涡流管。

进一步的，所述支撑部件311为空心圆柱，其中间空腔为冷流体通道301。

上述基于涡流管的井下温差发电系统的工作过程为：

步骤1：选用逆流型涡流管，以热电转化效率最高为目标，根据进入涡流管100中的流体流量、流体温度、流体压力、涡流管100的结构和尺寸以及所采用的热电材料性能参数进行优化，确定支撑部件311外径、支撑部件311内径也即冷流体通道301半径、支撑部件311长度、发电部分保护套23内径；根据油套环空腔体13尺寸以及发电部分保护套23所用材料抗压强度确定发电部分保护套23外径。

步骤2：根据井下设备总耗电需求以及油管12内流动流体的压力场分布和温度场分布，利用进入涡流管100中的流体流量、流体温度、流体压力，涡流管100的结构和尺寸以及所采用的热电材料性能参数，通过优化计算，确定流体入口装置24的开口尺寸以及在井中的深度位置，进而确定发电部分保护套23和蓄电部分保护套27从下到上依次连接为一体后通过固定器31布置在油管12和套管11之间的油套环空13中的深度位置。

步骤3：根据井下生产的参数测量要求和生产控制要求，确定井下用电设备数量以及布置深度。

步骤4：根据步骤1至步骤3的结果，设计如图1所示的入井管柱结构。

步骤5：对入井管柱结构进行装配，按图1所示顺序连接好流体入口装置24、涡流管100、低温流体出口26、温差发电装置300、乏低温流体出口21、第一导线组51、热端调节阀28和高温流体出口25，设置好热端调节阀28的调节位置，然后封装在发电部分保护套23中；依次将第一导线组51、升压稳压器41、第二导线组52、蓄电模块42、第三导线组53连接好，然后封装在蓄电部分保护套27中；最后将发电部分保护套23和蓄电部分保护套27相连接组成一个完整的井下热电发电系统。

步骤6：根据步骤5组装完成的井下热电发电系统的长度，选择一个合适的油管短节，将流体入口装置24与油管短节连接，并将整个井下热电发电系统通过固定器31固定在油管短节外壁。

步骤7：按照步骤4设计的管柱结构，连接好油管、井下用电设备、第三导线组53和步骤6组装好的油管短节，完成管柱入井。

步骤8：开井生产，油管12内的高压气体通过流体入口装置24进入涡流管100，在涡流管100内做强旋湍流运动，经动量与热量的交换，分为两股流动方向相反的流体；高温流体从高温流体出口25流出进入发电部分环空腔体29并流经温差发电装置300外壁，形成温差发电装置300的高温端，最后经第一排出单流阀32进入油套环空腔体13中；低温流体从低温流体出口26进入温差发电装置300的冷流体通道301，形成温差发电装置300的低温端，然后通过乏低温流体出口21进入蓄电部分保护套27内部为升压稳压器41和蓄电模块42提供低温保护环境，最后通过第二排出单流阀33进入油套环空腔体13中；温差发电装置300在内外壁温度差作用下发电，并通过第一导线组51将电能输送给升压稳压器41进行升压稳压，最后通过第二导线组52将升压稳压后的电能存储在蓄电模块42中。

步骤9：井下用电设备43根据用电需要通过第三导线组53从蓄电模块42中获取电力供给，进行相应的测量、控制工作。

实施例二

所述涡流管100为顺流型涡流管，其它同实施例一。

实施例三

采用与实施例一相同的发电方法步骤，区别在于高气油比油井抽油泵入口处分离并进入油套环空13中的气体为涡流管100提供井下高压气源，流体入口装置24与油套环空13相通且整个井下热电发电系统位于油井动液面以上深度。

实施例四

采用与实施例二相同的发电方法步骤，区别在于高气油比油井抽油泵入口处分离并进入油套环空13中的气体为涡流管100提供井下高压气源，流体入口装置24与油套环空13相通且整个井下热电发电系统位于油井动液面以上深度。

本发明中的涡流管的连接方式、安装位置以及发电过程与现有技术中的井下能量获取系统完全不同。本发明中的涡流管入口连接在油管上，根据井下用电需要，油管中只有部分流体进入涡流管，并且涡流管的位置不是安装在生产层，而是通过付出创造性劳动进行优化得到的位置。而且本发明中的涡流管出来的冷热流体直接接触到温差发电装置的冷热端上，热量传递效果会更好。另外，本发明中进入油管的高压流体为来自地层的压力高达几个兆帕甚至数十个兆帕的高压流体，该流体通过涡流管后形成两股高、低温的流体，能够在涡流管长度为数米的小尺度范围内获得数十度的温度变化，足以能够提供温差发电装置所需的温度差，大大提高了发电效率。和现有技术中地层产出流体在沿着井筒流动方向100米范围内的温度差变化不会超过5℃相比，本发明具有突出的实质性的特点和显著的进步。

以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。