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1、英文摘要 III SubjectSubjectSubjectSubject：ResearchResearchResearchResearch onononon downholedownholedownholedownhole powerpowerpowerpower supplysupplysupplysupply technologytechnologytechnologytechnology andandandand applicationapplicationapplicationapplication withoutwithoutwithoutwithout cablecablecab
2、lecable SpecialitySpecialitySpecialitySpeciality：PrecisionPrecisionPrecisionPrecision instrumentsinstrumentsinstrumentsinstruments andandandand machinerymachinerymachinerymachinery NameNameNameName：PanPanPanPan HanyangHanyangHanyangHanyang(signature)(signature)(signature)(signature) InstructorInstru
3、ctorInstructorInstructor：DangDangDangDang RuirongRuirongRuirongRuirong ( ( ( (signature)signature)signature)signature) ABSTRACT With the improvement of the well downhole modern technology, the functions and variety of the logging equipment and downhole control tool are more. But the use of sensors a
4、nd control actuators are more, it means that the greater the demand for electricity, downhole power supply system reliability, security, continuity increasingly high demand. At present, the battery supply for downhole equipment has limited capacity and has been greatly affected by temperature, the g
5、enerally continuous working time of the battry is about 200 hours. So only using downhole battery power supply has been difficult to meet the requirement. Analysis from drilling measurements and downhole control working conditions, as well as logging function and structure of the instruments and too
6、ls, the slurry generator underground main power is a better choice. Acorresponding proposal is presented from the basic theory of the column electricity transmission technology and downhole fluid power generation technologies, aiming at the power supply system. On the basis of analysis and compariso
7、n of the two power supply proposal, and the proposal based on the oriented drilling and downhole fluid power technology is used. Through performance test and result analysis on the fluid generator, the rectifier regulator controller is designed, also the hardware circuit and simulation on the fluid
8、generator-rectifier regulator controller is done, and circuit packaging and test, which form a good foundation for the system experiment. The experimental result on the fluid generator rectifier regulator controller shows the supply methods based on downhole fluid steerable drilling downhole achieve
9、 the desired results, and provides an important reference-oriented drilling downhole power supply. The load of rectifier regulator controller is a micro-motor, which outputs 48V DC, and has the functions of undervoltage protection, overvoltage protection, overcurrent protection, automatic monitoring
10、 generator output voltage, can monitor the output voltage of generator. When the output voltage can not meet the load of rectifier regulator controller requirements, which can not output power. The input impedance of Rectifier regulator control circuit must be corresponded with the generator winding
11、 characteristics, then can output the maximum power output of 300W. Rectifier regulator controller work environment should take into account the characteristics of the drilling environment requires the ability to high temperature, 英文摘要 IV anti-vibration, and can be installed in the drill collar to a
12、llow space in the downhole. Keywords:Keywords:Keywords:Keywords: d d d downholeownholeownholeownhole powerpowerpowerpower supply,supply,supply,supply, thethethethe columncolumncolumncolumn electricityelectricityelectricityelectricity transmissiontransmissiontransmissiontransmission, , , ,downholedow
13、nholedownholedownhole fluidfluidfluidfluid， rectifierrectifierrectifierrectifier regulatorregulatorregulatorregulator Thesis:Thesis:Thesis:Thesis:ApplicationApplicationApplicationApplication basicbasicbasicbasic studystudystudystudy (ThepaperissupportedbytheChinaNationalOffshoreOilCorpSupervision Co
14、mpany(No.JD10ZCYJ082X) 目录 V 目录 第一章绪论. 1 1.1 选题目的及意义1 1.2 国内外现状以及发展趋势2 1.3 本文的主要研究内容及安排5 1.4 题目来源.6 第二章井下流体供电技术研究.7 2.1 井下供电技术需求分析.7 2.2 井下供电实现方案分析与比较8 2.2.1 注水井管柱电能传输技术.8 2.2.2 钻井过程中的井下供电技术研究9 2.3 井下供电的关键技术及主要解决的问题10 2.3.1 井下大功率发电技术研究.10 2.3.2 整流稳压技术研究11 2.4 本章小结.13 第三章井下流体供电系统总体设计14 3.1 井下流体供电系统.14
15、 3.1.1 井下流体供电系统技术要求.14 3.1.2 井下流体供电系统技术指标.14 3.2 井下流体供电系统总体设计15 3.3 流体发电机整流稳压控制器设计依据.15 3.3.1 流体发电机参数分析与测试.16 3.4 本章小结.23 第四章 井下流体发电机整流稳压控制器的研制.24 4.1 整流稳压控制器设计依据24 4.1.1 整流稳压控制器设计的考虑因素24 4.1.2 整流稳压电路的阻抗和流体发电机的阻抗匹配研究.24 4.1.3 整流稳压控制器输入上限电压和下限电压的确定25 4.1.4 整流方法及特点26 4.1.5 整流稳压控制器的外形尺寸.27 4.2 整流稳压控制器设
16、计的关键技术及解决途径27 4.2.1 整流稳压控制器的耐高温性能研究27 4.2.2 整流稳压控制器的小型化研究27 4.3 整流稳压控制器的设计计算28 4.3.1 整流稳压控制器基本设计方案28 目录 VI 4.3.2 整流稳压控制器基本设计方案比较29 4.4 整流稳压控制器的研制.31 4.4.1 DCDC 电路的设计与计算31 4.4.2 DCDC 电路的封装.36 4.4.3ACDC 电路的计算与设计37 4.5 本章小结.37 第五章 试验与系统联调38 5.1 系统调试.38 5.1.1 整流稳压控制器测试38 5.1.2 整流稳压控制器欠压性能试验38 5.1.3 整流稳压
17、控制器过压性能试验40 5.1.4 整流稳压控制器功率试验.40 5.1.5 整流稳压控制器带负载试验.40 5.1.6 整流稳压控制器温度性能试验41 5.1.7 整流稳压控制器纹波系数试验42 5.1.8 流体发电机的模拟试验.43 5.1.9 流体发电机与整流稳压控制器的联机试验.43 5.1.10 流体发电机整流稳压控制器与电动机的联机试验. 46 5.1.11 整流稳压控制器绝缘性能试验47 5.2 结论.47 5.3 本章小结.47 第六章总结与展望 48 6.1 完成的工作与结论.48 6.1.1 完成的研究工作48 6.1.2 提交的实物.48 6.2 解决的关键技术与创新点4
18、8 6.3 达到的主要性能指标.49 6.4 下一步建议49 致谢 50 参 考 文 献51 攻读硕士学位期间所发表的论文.54 附录 55 第一章绪论 1 第一章第一章绪论绪论 1.11.11.11.1 选题目的及意义选题目的及意义 随着油田井下现代化程度的不断提高,井下长时间工作的测井仪器和控制工具越来 越多,功能也越来越强,传感器和控制执行机构使用地越多,就意味着对电能的需求越大,这 对井下供电系统的可靠性、安全性和连续性提出越来越高的要求。 电池组电源多为高性能的锂电池，其优点是结构紧凑，安装方便，数据传输可靠， 但传输参数少，受温度影响较大，多数仅能维持系统连续工作 200h 左右。
19、而且随着井深 的不断增加，井底温度在不断升高，目前井底温度已达 250左右，普通电池组能承受 的温度仅为 160左右，逐渐不能满足要求。更换电池引起的停钻会增加钻井费用，而 且容易引起密封泄露，此外，废旧电池污染环境，不具有环保意义1。 由于仅靠井下电池供电已难于满足需要,所以研究并开发可在井下长时间工作且输 出大功率电能的井下供电系统显得十分重要，泥浆发电机作为井下主电源是一种较佳的 选择。 在钻井工况下,高速流动的泥浆为发电机提供了强劲且持久的动力,只要泥浆循环流 动,发电机就能为测井仪器和工具提供充足的电能2,3。 众所周知，在传统的井下供电电能传输中，应用非常广泛的方法是电缆传输电能，
20、 即以电缆作为电能传输的媒介进行井下供电，由于电缆在传输电能的过程中，容易受到 地层的干扰，而且费用较高4，因此本文提出了井下流体供电方案，并对方案进行了原 理的介绍和合理性的论证，并最终确定了井下流体发电的供电方式作为井下供电方案。 目前，我国油田分层注水普遍采用偏心注水管柱，该管柱主要由偏心配水器和封隔 器组成。注水井管柱电能传输是以井下管柱为载体将电能由井上传输到井下，以满足井 下仪器设备的电力供应，其缺点是电能损失大，易被地层吸收5。将用井下流体发电技 术代替管柱电能传输技术，利用大功率发电机为井下仪器设备供电。 在油田开发进入中后期后，对钻井工艺要求越来越高，常常需要打一些定向井，所
21、 以油田对随钻测量系统的需求越来越大。随钻测量系统大多使用电池组来供电，这样一 来电池能量的大小就决定了随钻测量系统在井下连续工作的时间。利用井下流体发电技 术取代电池，是提高随钻测量系统在井下连续工作时间的有效措施6。 在导向钻井系统中，保证井下测控系统连续工作的电能通常是由电缆提供。采用这 种方法存在的主要问题是易受地层的影响，且费用比较大。为了提高电能传输系统的可 靠性，解决采用传统方法存在的问题，提出了一种由钻杆内的高压泥浆带动涡轮发电机 发电提供电能的方法，这种电能传输方法的主要特点是高效率、低成本和高稳定性。 油藏动态监测系统主要是借助仪器、仪表及相关设备，对地层和井筒的相关信息进
22、 行录取、处理和分析。油藏动态监测系统所用电能通常是由电缆提供，为了提高电能传 西安石油大学硕士学位论文 2 输系统的稳定性和可靠性，利用井下流体发电技术取代电缆，在油气开发全过程中，可 以实时对系统进行动态监测。 本文针对流体发电机作为井下供电系统必备的动力源进行了研究，该发电机共有两 个绕组，分别为仪器绕组和动力绕组。发电机具有过电压、过电流保护功能，当流体流 量使发电机转速大于额定转速（流体发电机的额定转速以 2500rpm 为参考）时，能自动 切换绕组负载，以保护发电机不被损坏。要实现对后续电路模块供给直流电就必须对发 电机产生的交流电进行整流和稳压，整流模块和稳压模块已经成为井下供电
23、系统必不可 少的两个关键部分7，其目的是为了将流体发电机输出的较宽范围的交流电变换成为后 续电路所用的直流电，然后稳定并平滑输出直流电压，以便满足后续电路所需电能。 可见，随着无电缆井下供电技术的日趋完善，可以将其应用到钻井液测漏仪、油气 水三相流量测量系统和高分辨感应测井仪等技术领域。无电缆井下供电技术具有广阔的 应用前景，并取得了良好的应用效果，为我国实现智能井做出了贡献。 1.21.21.21.2 国内外现状以及发展趋势国内外现状以及发展趋势 二战后，人们对石油产生了较为浓厚的兴趣，并产生了强大的开采欲望。随着计算 机技术的发展，勘探钻井技术的进步，测井技术也随之快速发展。对于井下涡轮发
24、电机 展开了深入的研究。 最初，人们根据风力、水力、航空航天中涡轮发电机的工作原理，在保证机械强度 和可靠性的前提下，进行了基本的叶片翼型改善，使其能够工作在空间较小的钻挺中。 目前人们正在致力于适用深井、大功率、高精度涡轮发电机的研究工作8 10。 美国著名的斯伦贝谢(Schlumberger)、贝克休斯(Baker Hughes)、哈里伯顿 （Halliburton)三大测井公司占据着大约 90%的国际测井服务市场。这三家测井公司研究 早，测井技术先进成熟，拥有先进的测井仪器11。 井下流体供电已逐步成为多种测井系统井下供电主电源。如哈里伯顿测井公司生产 的 FEWD 和 MR-LWD 测
25、井仪器中，电池组仅作为备用电源。贝克休斯(Baker Hughes) 公司生产的LWD 无线随钻测井仪器中井下涡轮发电机可在井下稳定工作200小时以上， 个别可高达 350 小时左右。 2006 年 45 月，俄罗斯仪器公司对涡轮发电机加以改进后来到中国试验，在辽河油 田的三口井进行了 5 个井次的试验。 根据在中国的试验结果， 对泥浆发电机进行了改进。 关于需要泵量的改进。俄罗斯原 ZTS 系统的井底发电机叶轮转动排量为 3570 L/s， 现在已对泥浆发电机的涡轮和叶片做了进一步优化，现在涡轮发电机的转动排量为 ZTS-1722560 L/s，ZTS-108720 L/s。 关于发电机转盘
26、转速的改进。俄罗斯发电机一般采用转盘及钻杆柱不转的方式，但 为了和中国的“螺杆+转盘” 组合式钻进的方式相适应，对发电机的材料和机械结构作 了进一步改进，使发电机的重量由以前的 32kg 变为现在的 9.515.5kg，同时把过去的发 第一章绪论 3 电机外壳由静止变为了转动，并增加了扶正器，以便发电机能适应转盘快速的转动。它 的应用条件是：在造斜钻进时，可以利用弯接头+螺杆钻具，使地表转盘不转。进入稳斜 井段时，ZTS 系统最高处离弯曲井区段最低处 1020m 后，转盘就可以以 300r/min 的转 速与井底电动机一起进行钻井了12。ZTS 井下仪器的组成及工作原理示意图如图 1-1 所
27、示。 俄罗斯地平线有限公司研制的 ZTS 系列电磁波随钻测量系统是现在唯一达到了利用 泥浆发电机为井下仪器供电的系统，其最大功率有 550W 和 1550W 两种。 图 1-1 俄罗斯 ZTS 井下仪器的组成及工作原理示意图 俄罗斯地平线公司生产的用于电磁波遥测系统的井底泥浆发电机主要参数见表1-1。 它的结构特点是发电机的定子轴向静止而外壳中的磁铁转动。这样涡轮带动外壳旋转， 依据法拉第电磁感应定律，形成了交变的旋转磁场12,13。俄罗斯地平线公司提供的井底 涡轮发电机试验曲线见图 1-2。 表 1-1 井底涡轮发电机主要参数 发电机SG072SG073SG074 功率，W112155555
28、72030550 遥测系统直径，mm172/195108 叶片直径，mm14214289 长度，mm600560520 质量，kg15.513.29.5 钻井液泵量，L/s25602560720 发电机转速，r/min05002500 西安石油大学硕士学位论文 4 图 1-2 地平线公司生产的用于电磁波遥测系统的井底涡轮发电机 在国内，对发电机的研究起步虽然较晚，但人们正在积极的追赶，尤其近几年对于 井下涡轮发电机进行了大量的、深入的研究。 中国石油天然气集团油气钻井工程技术部指出， 在 2006 年将井下涡轮发电机作为重 要研究对象，且具有重要的实际意义。 在涡轮发电机结构方面，北京中天启明
29、科技发展有限公司申请了井下涡轮发电机的 设计专利。其设计的整个装置适用性强、功率性高，结构简单、工作可靠14。王智明等 人在对连续波泥浆脉冲器结构设计讨论中，详细介绍了涡轮发电机短节的具体结构和工 作原理的基础上，设计了一种混合励磁发电机，并详细阐述了各部分的结构及功能，通 过磁场仿真分析和高温分析验证了发电机结构设计的合理性15。 在涡轮发电机特性方面，中石化勘探研究院的苏义脑等人通过研究随钻测量系统的 井下永磁同步涡轮发电机的磁场特性和负载特性，并进行了的运行实验，最后指出，电 磁转矩和回路阻抗决定着永磁发电机的运转特性，电机内阻和负载功率因数对发电机外 特性以及输出电压具有一定的改善作用
30、16。随后李林等人针对井下涡轮发电机的工作要 求，对永磁同步发电机的电磁特性进行了理论研究和实验验证。流量与负载特性对于调 整涡轮发电机输出功率具有积极的影响，发电机涡轮叶片的设计方法和简化处理不当是 实际涡轮叶片参数偏离理论值的主要原因17。杨霞等人通过深入研究永磁同步涡轮发电 机的磁场特性以及流量对涡轮发电机效率的显著影响，并提出采用相似理论求解不同流 量对应的涡轮工作特性曲线的想法18。韩培等人通过完成井下涡轮发电机水力性能实验 指出，涡轮发电机输出功率随流量的增大而提高，随转速的增大而下降19。 第一章绪论 5 在理论方面，依据现有的二维涡轮设计理论，研究并分析了井下泥浆涡轮发电机的
31、涡轮在设计和生产过程中应遵循的理论原则及实际的约束条件20。首先，根据发电机设 计原理，建立发电机研究的数学模型，通过数值分析方法分析了发电机的基本特性和电 压调整率与电机电枢反应电抗之间的匹配关系。研究结果表明，发电机内阻具有的电流 和功率因数角两种负反馈特性，在一定的范围内优化了电压调整率，并确保出了电压调 整率和电枢反应电抗的最佳匹配关系。根据发电机实验测量数据，并结合发电机的理论 分析和涡轮设计原理，计算并分析了涡轮在实际工作过程中的工作特性参数21。 为了降低成本，延长仪器在井内的连续作业时间，应采用井底泥浆发电机的供电方 式。因此，可根据中国组合钻进的国情提出工况要求，引进俄罗斯生
32、产的大功率井底涡 轮发电机，并把其应用到实际工作中22。 在井下应用中，电动机电源通常由井下流体发电机提供，但流体发电机直接产生的 交流电具有电压幅值波动较大、频率不稳定等缺点，因此，需要对其进行整流稳压以提 高对井下仪器设备供电的稳定性23,24。 研究总结方面，王智明等人通过对目前随钻测井系统的井下涡轮在建模理论、流场 分析方面的研究状况及研究方法进行了分析和总结，指出了随钻测量相关技术自主化对 于打破国际石油服务行业技术垄断、积极开发国内复杂油气藏资源具有重要意义25。 1.31.31.31.3 本文的主要研究内容及安排本文的主要研究内容及安排 本论文通过对无电缆井下供电技术及油田不同应
33、用现场环境的研究，提出了一套适 用于油田的井下供电方案，研制出一种整流稳压控制装置，并对其开展了相关试验。 本论文的具体研究内容和结构安排如下： 第一章，绪论。介绍本文研究内容的来源和意义，论述井下供电技术的国内外研究 现状及发展趋势，并阐述本文的主要研究内容及组织结构。 第二章，井下流体供电技术研究。针对现有井下供电系统的具体情况，从井下供电 技术需求出发，提出了井下供电实现方案，在对井下供电方案分析、对比和发展思路研 究的基础上，提出了井下供电的关键技术及主要解决的问题，为下一步方案的实施奠定 了基础。 第三章，井下流体供电系统总体设计。由于从俄罗斯引进的流体发电机资料不够详 尽，因此在研
34、制整流稳压控制器前，对流体发电机进行全面的诊断和测试，以了解其相 关的性能参数，在此基础上，以流体发电机的参数测试和诊断结果作为整流稳压控制器 的设计依据，设计并研制符合要求的整流稳压控制器，开展相关的试验验证。 第四章， 井下流体发电机整流稳压控制器的研制。 在完成流体发电机测试的基础上， 经过对发电机测试结果的分析，基本确定了整流稳压控制器的设计方案，并开展了流体 发电机整流稳压控制器的相关硬件电路的设计和仿真等内容， 对电路进行了封装和测试， 为系统的联调打下了良好的基础。 西安石油大学硕士学位论文 6 第五章，试验与系统联调。在实验室已有试验条件下，对研制的整流稳压控制器进 行室内试验
35、，获取并分析相关数据。 第六章，总结与展望。对全文的研究内容进行总结，提出有待进一步研究的工作。 1.41.41.41.4 题目来源题目来源 无电缆井下供电是国内各油田遇到的普遍问题，生产过程中，经常会遇到井下供电 电池电量消耗完的情况，但目前还没有较好的解决井下长时间供电的方法。针对这种情 况，各油田提出了迫切的需求，本课题是在与中海石油能源发展监督监理中心合作项目 的资助下开展的关于无电缆井下供电技术的研究。 第二章井下流体供电技术研究 7 第二章第二章井下流体供电技术研究井下流体供电技术研究 本章针对现有井下供电系统的具体情况，从井下供电技术需求出发，提出了井下供 电实现方案，在对井下供
36、电方案分析、对比和发展思路研究的基础上，提出了井下供电 的关键技术及主要解决的问题，为下一步方案的实施奠定了基础。 2.12.12.12.1 井下供电技术需求分析井下供电技术需求分析 在传统的井下供电电能传输中，应用非常广泛的方法是电缆传输电能，即以电缆作 为电能传输的媒介进行井下供电， 由于电缆在传输电能的过程中， 容易受到地层的干扰， 而且费用较高，因此本文提出了井下流体供电方案，以便满足注水井、随钻测量系统、 导向钻井系统和油藏动态监测系统等供电需求，根据所应用的实际情况不同，发电机的 外形和安装方式等供电技术方案要做相应的改变。 在注水井中，需要对分层注水流量进行测量，并对各层的注水量
37、进行调节。其基本 原因是各生产层的生产能力、压力、含油饱和度和孔隙度等有所不同，因而注水量也需 要根据各生产层的参数和特性进行分层注水。各层的注入量是根据调节阀进行调节的， 但由于在长期的工作过程中， 管道突然振动等多方面的原因， 阀的开度是会有所变化的， 为了实时地掌握各分层的注水情况，因而需要对各注水层的注水量进行监测，这对井下 供电技术提出了明确的需要。 在随钻测量系统中，需要将定向数据、地层特性和钻井参数等信息实时的传送到地 面上，并对地层做出正确的鉴别和评价。但是，由于必须起出钻柱后才能使用电缆下井 测井，等到实际测井时，由于钻井液侵入的影响，妨碍了地层真实特性的测量。当钻头 钻穿不
38、同地层时，由于没有确定的方法辨别出岩层的变化，一些重要的地层可能没有检 测到，使得测井的效率有所降低，因而需要在钻井时瞬时而连续的监测地层，这对井下 供电技术提出了确切的要求。 在导向钻井系统中，需要对井下钻头钻进轨迹进行自动控制。由于在钻井过程中， 地面上的工作人员很难掌握地下钻头钻进的方向，这使得钻头极易偏离预定的轨迹，导 致钻井过程失败。因而需要在钻井时对钻头的轨迹进行实时的监测，井下供电系统就显 得十分的重要。 油藏动态监测技术是一项系统工程，贯穿于油田开发的整个过程。它主要是借助仪 器、仪表及相关设备，对地层和井筒的相关信息进行录取、处理和分析，认识油藏渗流 规律，分析井筒技术状况，
39、指导油田开发，提高开发水平。因而需要在油气开发全过程 中，对油田进行实时动态监测，这对电能的传输和供应提出了较高的要求。 西安石油大学硕士学位论文 8 2. 2. 2. 2.2 2 2 2 井下供电实现方案分析与比较井下供电实现方案分析与比较 2.2.12.2.12.2.12.2.1 注水井管柱电能传输技术注水井管柱电能传输技术 电源的功率决定着电能的传输距离。 由于传输电能的套管和注水管柱距离比较接近， 若在套管和注水管柱间加上幅值较大的电压，则必然会电离或者极化套管和注水管柱之 间的混合物，这样就会使套管和注水管柱出现漏电流，最后导致电能的衰减，甚至全部 被地层吸收。这种衰减的原因是受井下
40、环境的影响的，人为很难改变，所以只能增加井 上电源的功率，即增加井上电源的电流26。 为了解决注水井井下供电系统的问题，本文中提出了一种注水井井下供电系统设计 思想，如图 2-1 所示为井下供电系统总体设计原理框图，其原理是采用在注水管柱和套 管外接有低压、大功率的电源，电源电压一般选为 3V 或 5V，电流为 16A 或 20A。选择 低压、大功率电源的原因主要是考虑漏电流较小，这样电能才能送到井下。仪器筒内的 整流电路、稳压电路、整流充电器、蓄电池、仪器依次连接。井下有一个接收电能的装 置，其作用主要是接收来自井上的低电压、大功率的电能，采用低压的原因仍然是考虑 漏电流小。该电能通过整流电
41、路和稳压电路送给整流充电器，蓄电池通过整流充电器为 其充电，给仪器提供稳定的电力，保证仪器能够长时间工作。 注水管柱电能 传 输 装 置 整 流 电 路稳 压 电 路整 流 充 电 器蓄 电 池 井 下 接 收 装 置 井 上 低 压、大 功 率 电 源 图 2-1 井下供电系统总体设计原理框图 其中低压电能传到井下后，其提取该电能的方法是在套管与油管上各设计一个连接 点，引入一个串接在二者之间的变压器，升压后对井下电路供电。井上电源电压要低， 但电流要大。注水井管柱电能传输装置示意图如图 2-2 所示。 地 面 低 压、 大 功 率 电 源 井 下 接 收 装 置 地 层 地 层 油 层 绝
42、 缘 扶 正 器 注 水 管 柱 套 管 i i i i 绝 缘 扶 正 器 图 2-2 注水井管柱电能传输装置示意图 第二章井下流体供电技术研究 9 2.2.22.2.22.2.22.2.2 钻井过程中的钻井过程中的井下供电技术研究井下供电技术研究 发电机是基于电磁感应定律和电磁力定律，其构造的一般原则是：用适当的电磁和 导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路， 以产生电磁功率， 达到能量转换的目的。 通常线圈中的磁通量发生变化就会产生感应电动势。磁通量的变化有两种原因：线 圈面积的变化和线圈内磁感应强度随时间的变化，它们产生的感应电动势分别称动生电 动势和感生电动势。所以计算感应电动势也
43、有两种方法13,26： 第一种是线圈中的磁感应强度不变，线圈面积发生变化，由法拉第电磁感应定律来 求： t S NB t SB N t NE = = = (2-1) 其中 t S 是线圈的面积随时间的变化率。 另一种是线圈的面积不变，线圈内的磁感应强度随时间变化，此时在线圈上产生的 感应电动势为： t B NS t BS N t NE = = = (2-2) 2 rS=(2-3) 式(2-1)、(2-2)中，N为线圈匝数、E感应电动势、B为磁感应强度、S为线圈的横 截面积、r为线包的半径、 t B 是线圈内的磁感应强度随时间的变化率。如图 2-3 所示为 磁钢的磁力线示意图。 图 2-3 磁钢
44、磁力线示意图 在钻井过程中，高速流动的钻井液为流体发电机提供了强劲的动力，发电机发出的 交流电要经过整流稳压控制装置输出直流才能为井下测量仪器和控制工具提供充足的电 力，为了充分地利用井下流体的能量，使其更有利地转化为电能，钻井液可以实现循环 利用。钻井井下供电装置示意图如图 2-4 所示。 西安石油大学硕士学位论文 10 脉 冲 阀 单 向 阀 节 流 阀 储 能 装 置 计算机控制阀门 开 合 系 统 流 体 发 电 机 导 向 钻 井 执 行 机 构 泥 浆 池 泥 浆 泵 钻 杆 整流稳压控制模块 图 2-4 钻井井下供电装置示意图 2.32.32.32.3 井下供电的关键技术及主要解
45、决的问题井下供电的关键技术及主要解决的问题 2.3.12.3.12.3.12.3.1 井下大功率发电技术研究井下大功率发电技术研究 众所周知，油田要想实现现代化，随钻测量和井下导向控制技术是必不可少的，随 着其功能越来越强，应用的范围越来越广，因此对于电能的需求也越来越大，仅靠井下 电池供电已难于满足需要，所以研究井下大功率发电技术是十分重要的27。 a.混合励磁井下涡轮发电机的研究 针对已有的井下发电机自身性能较差的问题，研究并设计了一种混合励磁井下泥浆 发电机。在研究发电机的设计方案和计算步骤的过程中，全面探讨了涡轮发电机对高温 环境与其导轮及涡轮型式的要求。通过对发电机在高温、高压、钻井
46、泵排量与其性能的 关系的测试和分析，其结果表明，高压对发电机的输出功率几乎没有影响，而温度越高 发电机的功率明显下降，在室内试验条件下，发电机功率可以满足系统供电要求28 32。 b.井下大功率发电机的研究 随着井下旋转导向控制技术的发展，其工具的功能越来越强，作为存储电能有限的 电池已很难满足仪器和工具对电能的需求。研究分析发现，井下大功率发电技术是解决 电能供给的较好方法。研究了一种适合 EM-MWD 或其它测量和控制设备的井下大功率 涡轮发电机。发电机由三部分组成，即发电机本体、涡轮驱动器和无接触传动机构。当 泥浆排量大于 22L/s、发电机输出电流为 5A 时，其输出功率大于 600W
47、。全排量的试验 中，排量在 28 L/s 时，发电机输出功率达到了 1100W。试验结果表明，发电机达到了预 期设计的要求23。 c.井下泥浆涡轮永磁发电技术的研究 井下泥浆涡轮永磁发电技术将泥浆的小部分压能利用泥浆马达转变为机械能，以便 第二章井下流体供电技术研究 11 使永磁发电机转动发电，可以满足连续地为井下测量仪器和工具提供电能的需要，这种 井下供电方式已成为油田供电的发展趋势。泥浆涡轮永磁发电机的基本工作原理是利用 泥浆产生的动能推动涡轮及其转轴高速旋转，依照法拉第电磁感应定律，使定子线圈中 产生感应电动势，产生的电动势经过整流、稳压和滤波电路后为井下随钻测量设备提供 电能33。 2
48、.3.22.3.22.3.22.3.2 整流稳压技术研究整流稳压技术研究 随着工艺水平的提高和国外的贝克休斯、 哈利伯顿和斯伦贝谢公司的 MWD 及 LWD 在国内各油田的广泛使用，国内随钻测量井下仪器的研制工作得到了很大的推动。随钻 井下测量仪器大多数是利用泥浆作为中间介质，脉冲发生器来产生脉冲实现无线数据上 传，而井下流体发电机是其必不可少的提供电能的动力源，要实现对电子电路模块供给 直流电压就必须整流发电机产生的交流电压。整流模块已经成为井下流体发电技术必不 可少的关键部分34。 对发电机来说，由于电流、电压和功率随流体的排量的变化而发生变化，所以电压、 电流和功率不稳定，而井下使用电能
49、的测试系统需要稳定的电压，这就需要对整流和稳 压技术开展深入的研究；对于生产井通过管柱供电的情况，由于经过管道传输后，电能 有所损耗，所以也需要对整流稳压技术进行较深入的研究。 整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主 电路和滤波器等组成。按交流输入相数分为单相可控整流电路和三相可控整流电路。单 相可控整流电路的交流侧接单相电源，而当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较 小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。 直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，不包 括直流变为交流然后再变为直流的情况，其功能是将直流电压变为另外一种固定电压或 可调电压的直流电压，也称为直接直流变为直流变换器（DC/DC Converter） 。直流斩波 电路的类型有很多种，包括 6 种基本的斩波电路，其中降压斩波电路和升压斩波电路是 其最基本的电路。在升压斩波电路中，根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩 波电路的控制方式有三种：1）保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间