井下无叶发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及用于在钻井期间在井筒中进行井下发电的设备和技术。更特定来说，本公开内容提供一种井下发电机，其采用相对于通过钻柱的钻井流体流垂直布置的多个可旋转圆盘，所述圆盘用于驱动发电机来发电。
【背景技术】
[0002]钻井中利用的许多井下工具需要用于操作包括传感器工具、随钻测量(MWD)工具、旋转导向工具等等的电力。在过去，用于将电力供应至这样的工具的最常见来源是沿着钻柱本地定位或与工具整合的电池或替代地，从地面向下延伸的电线。具有这样的井下操作所必需的电容的电池通常较大，且因此由于井下空间局限而并非所期望的。而且，许多电池不能在由许多操作要求的井下温度和压力下操作很长一段时间。如果从表面延伸的电线定位于油管柱内，那么其可能干扰钻井流体流或接入，且如果这样的电线定位于油管柱内部或外部，那么其可能损坏。
[0003]作为电池或电线的替代，已设计用于将电力供应至一个或多个井下工具的多种类型的井下发电机。许多这些井下发电机使用流体动力(即，钻井泥浆)，其从表面传输至底部钻孔组件以使安置于钻柱环体内的转子旋转。在结合转子工作时，系统驱动发电机的轴以发电。接着流体流继续通过环体。
[0004]这样的发电机的一个缺点是需要维持某个泥浆压力以驱动转子。这样的系统的另一缺点是其干扰钻井流体流通过钻柱的主环体。此外，这样的系统在液体中夹带气体时经历气穴现象。而且，混合可变流态(即，气体和液体)可能降低性能或需要修改转子传动装置。最后，这样的系统对磨蚀性流体或具有高固含量的流体非常不具容忍性。
[0005]因此，期望提供一种无论流态如何以对性能具最小影响操作的井下发电机。而且，期望提供一种同样地将对通过钻柱的钻井流体的主要流具有最小影响的井下发电机。
【附图说明】
[0006]图1图示具有承载无叶发电机的钻柱的钻井平台。
[0007]图2图示沿着钻柱的内部流体流路径安置的两个无叶发电机的剖开侧视图。
[0008]图3图示沿着钻柱的内部流体流路径安置的多个无叶发电机的剖开轴向视图。
[0009]图4图示沿着钻柱的内部流体流路径安置的单个无叶发电机的剖开轴向视图。
[0010]图5图示无叶发电机的一个实施方案中利用的多个圆盘。
[0011]图6图示无叶发电机的实施方案中利用的圆盘的一个实施方案的侧视图。
[0012]图7图示沿着钻柱外部的流路径安置的单个无叶发电机的剖开轴向视图。
[0013]图8图示利用本发明的无叶发电机井下发电的方法的一个实施方案的流程图。
【具体实施方式】
[0014]前述公开内容可以重复各种实例中的参考数字和/或字母。此重复是为了简单性和清晰性的目的，且实质上并不决定所讨论的多种实施方案和/或构造之间的关系。进一步来说，在本文中为了便于描述使用空间相对术语(诸如“下方”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”、“井上”、“井下”等等)以描述图中所示的一个元件或特征与另一(若干)元件或特征的关系。空间相对术语旨在包括除了图中所描绘的定向之外的在使用中或操作中的装置的不同定向。例如，如果图中的装置翻转，那么描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”的元件接着被定向为在其它元件或特征“上面”。因此，例示性术语“下面”可以包括上面和下面的定向两者。可以别的方式来定向装置(旋转90度或在其它定向上)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述符。
[0015]参考图1，示出了大致定位于地层14的表面12处的钻机10。井筒16从表面12延伸至地层14中。钻柱20从钻机10向下延伸且至井筒16中。钻柱20 —般包括由多个管道或钻铤区段26承载的底部钻孔组件(“BHA”)22和钻头24。钻柱20可以包括在钻井期间利用的其它工具或仪器28，诸如传感器工具、随钻测量(MWD)工具、旋转导向工具等等。返回井筒流体18安置于在地层14与钻柱20之间形成的环体29内。
[0016]参考图2，图示本公开内容的井下发电机系统30的一个实施方案的截面图。系统30 一般包括沿着细长轴34界定的管套环或短节外壳32，其中主孔36形成于管套环32内。提供流线33以图示在系统30沿着钻柱20安置时，钻井泥浆穿过系统30时其大致流动方向。管套环32内安置的是一个或多个特斯拉涡轮机或无叶发电机38。各个无叶发电机38包括一个，且优选地多个可旋转发电机圆盘40和至少一个发电机线圈以及磁体系统42。圆盘40安装于沿着优选地垂直于细长轴34的轴44安置的驱动轴43上(参照图3和图4)，使得安装于驱动轴43上的各个圆盘垂直定向以增强系统的性能。虽然这样的定向为优选，但是应理解只要流33的一部分如下文所描述跨越圆盘40导向，圆盘40可以相对于轴34具有任何定向。
[0017]更明确来说，所属领域一般技术人员将了解本文描述的无叶发电机38是向心流涡轮机，其利用跨越多个圆盘40的周界边缘的流体流的边界层效应。在流体跨越圆盘40的表面拖曳时，圆盘40使发电机42的驱动轴43旋转。如先前技术的井下发电机中所教导，旋转能量由相对于流体撞击于叶片或叶脉上的表面层效应提供。朝着圆盘40的中心螺旋的流体流可以排出回至钻井流体流利用和排出系统(诸如下文讨论和图6中所示的孔隙52)中。圆盘40优选地跨其等表面为光滑以使表面和剪切损耗最小化。而且，圆盘优选地为薄的以使圆盘边缘的阻力和湍流最小化。可以基于其中利用无叶发电机38的系统的界限选择圆盘40的直径。在某些实施方案中，圆盘40的直径不大于行业中常见的钻管的标准外径尺寸，即23/8”OD - 65/8”OD。当然，可以在具有较大直径管道或管套的流体流系统中利用较大直径圆盘。因此，本公开内容的无叶发电机沿着井筒的流体流系统定位以发电来供连同井筒利用的电设备一起使用。
[0018]在任何情况下，无叶发电机38安装于支撑结构46上，使得孔36内的流33的一部分横穿圆盘40的周界边缘。因此，圆盘40可以简单地安装于支撑结构46上，以便部分延伸一段足够距离至孔36中，该距离使通过孔36的流的一部分横穿圆盘40的外边缘。关于这个方面，圆盘可以被特征化为具有表面区域且在某些实施方案中，不超过一半的圆盘表面区域延伸至孔中，且优选地，只有较少部分的圆盘表面区域根据需要延伸至孔中以使跨越边界层效应的圆盘特性的表面的流体的螺旋流优化。在图2中所示的实施方案中，支撑结构46可以是被安置来安装于管套环32的孔36内的插入件46a。支撑结构46可以包括一个或多个流转向机构或结构(诸如流道48)，其大致被安置来跨越圆盘40的一部分导向钻井流体流33的一部分。关于这个方面，只要流道被相应地安置来如本文所描述使流33的一部分从主孔36转向且跨越圆盘40导向流33的转向部分，无叶发电机38可以相对于轴34具有任何定向。
[0019]在最佳地图3中所见的另一实施方案中，支撑结构46可以是安装于管套环32内的板46b。板可以包括:第一孔隙49，其大致被安置来允许沿着孔36的流穿过其中；和第二孔隙50，其用作流转向机构或结构且安置于板46b中以跨越安装于板46b上的圆盘40的一部分导向钻井流体流33的至少一部分。在某些实施方案中，孔隙50可以被选择性操作来调整通过其中的流。当需要某个程度的发电时，孔隙50可以完全打开，当不需要发电时，孔隙50关闭或部分打开以调整发电。
[0020]继续参考图3，虽然支撑结构46可以只支持单个无叶发电机38，但在某些优选实施方案中，支撑结构46可以支持多个无叶发电机38。虽然并不限于图3中所示的特定布置，但是多个无叶发电机优选地呈对称布置围绕轴34径向间隔开。在图3中，图示八个无叶发电机，但是除了别的之外，可以取决于发电需求和空间局限使用更多或更少无叶发电机。
[0021]如上文讨论，虽然无叶发电机38主要描述为被定向，使得圆盘40如图3中所示大致围绕轴34径向定向，但是本公开内容的某些实施方案并不限于发电机38的特定定向。例如，无叶发电机38可以被定向，使得圆盘40围绕轴34切向地布置于半径上。在这种情况下，可以利用孔隙50、流道48或类似结构以使流33的一部分从孔36转向来使圆盘40旋转。
[0022]此外，在某些实施方案中，诸如图2中所示，至少两个无叶发电机38可沿着钻铤32轴向间隔开。
[0023]当无叶发电机38轴向间隔开时，可以同样地利用轴向间隔开的两个或更多个支撑结构46。关于这个方面，各个轴向间隔开的支撑结构46还可以支撑多个无叶发电机38。
[0024]在另一实施方案中，如最佳地在图4中所见，无叶发电机38可以简单地安装于支撑结构46上，使得圆盘40的至少一部分延伸至主流孔36中。
[0025]图5图示安置于轴44上的一组圆盘40，而图6图示圆盘40的侧视图。在某些优选实施方案中，圆盘40可以包括一个或多个口 52，其安置成通过其中以允许流体在圆盘之间流动。这样的口 52还可以用于使圆盘40上的流排出回至主孔36。各个圆盘可以包括毂或间隔件54，以便调整相邻圆盘之间的间距。
[0026]虽然以上系统30的多