[发明专利]一种温差式井下发电装置

说明书

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。

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。