水溶性冲砂暂堵球配套自发电的技术研究

贾惠芹，付倩玉，陈东东，刘 娟，李佳隆，田 豆，岳列红

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

注水井往往是对多个储层同时注水。由于各个储层结构不同，使得各储层的注水量各不相同。国内部分油田已经处于特高含水开发后期，综合含水率在90%以上。为保持地层压力平衡、提高开采速度和采收率、充分发挥注水井的效能、提高注水效率，因此需要实时监测各储层的注水量。但是井下有线电缆由于在高温环境下长期工作后其传输数据的波形会失真。沈跃等很多学者都对此类发电机展开了很多研究。取掉电缆，通过注水井里的钻井液来发电，是解决上述电缆式注水测调系统问题的有效手段。而采用井下涡轮发电机发电，利用钻井液冲击涡轮叶片带动发电机外壳转动，切割磁感线产生感应电动势整流稳压后为注水测调系统提供电源，可有效解决有缆式注水测调系统的上述问题，并简化电缆井下作业工艺；通过钻井液的流动使发电机不仅适用于井下高温高压环境而且要满足注水井要求的长期性和持续性。与使用电池相比，使用涡轮发电机可长时间在井下工作并提供稳定的电源。

1 发电机国内外研究现状

1.1 国内研究现状

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。对于井涡轮发电机的涡轮部件展开了深入的研究。

中国石油天然气集团油气钻井工程技术部在2006年将泥浆脉冲测井技术列为重点研究对象，指出将井下涡轮发电机作为重要研究对象具有重要意义。

北京中天启明科技发展有限公司申请了井下涡轮发电机的设计专利。整个装置结构简单、适用性强、性功率高，工作可靠。结构布局方面，国内针对涡轮工作在高温高压腐蚀介质环境下被泥浆冲击而旋转工作的密封泄露问题设计了磁力偶合式涡轮发电机，大大简化了发电机短节的结构，有利于提高涡轮的工作寿命。

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。

1.2 国外研究现状

美国著名的贝克休斯、斯伦贝谢、哈里伯顿三大测井公司占据着近的国际测井服务市场。这三家测井服务公司研究早，测井技术先进成熟，拥有先进的测井仪器。

斯伦贝谢进行了深入的结构设计和大量的实验研究。通过实验对比研究了不同叶片数目的直叶片、扭曲形式叶片涡轮模型各自的特点，并通过实验研究指出了涡轮叶片的侵蚀部位和具体情况，在叶片轮廓的构造方面，采用样条插值实现涡轮叶片曲线轮廓的理论和方法，提出采用放样生成涡轮叶片轮廓的过程，并根据涡轮流场CFD数值分析结果调整叶片几何参数，最后得到较为理想的涡轮模型。

2 发电机的涡轮设计原理

本文经过使用由环保型高分子材料经过多种工艺加工而成的高强度水溶性暂堵球，对注水井注水主通道进行暂时堵塞后，使钻井液通过偏心的发电机通道，依靠钻井液带动涡轮转动来带动电机转子转动切割磁感线，产生感应电动势，最后经过整流作用输出直流电压，对井下设备进行供电，从而进行长期稳定供电，具体结构如图1所示。

图1 井下注水通道示意图

设计的涡轮发电机采用外转子内定子结构的模式。涡轮发电机整体结构示意图如图2所示，涡轮发电机由导轮、涡轮，外壁与磁铁连接的外转子、内定子线圈结构和整流稳压电路、充放电电路组成。发电机整体在注水井下偏心安装，不占用中心通道，切换流道使整个井下系统切换到发电流道或仪器工作流道，同时外转子和涡轮转子直接连接，简化了发电机体积。

图2 涡轮发电机基本结构

3 发电机的参数设计及计算

3.1 涡轮结构的参数设计及计算

以井眼直径为46mm、每天注入的钻井液总流量为50m3进行涡轮结构参数计算。考虑到加工工艺问题，本文设计的是一种平面叶栅涡轮叶片，由速度三角形可知涡轮圆周速度与平均流速之间的夹角为，近似与叶片安装角相等。故可得出式 （1） ～式 （5）

其中，Cz为涡轮轴向分速度，m/s；u为涡轮的圆周速度，m/s。

其中，S为涡轮轴向高度，mm。

其中，R为涡轮流道的平均半径，mm。

在发电机外径条件的约束下，经过理论计算和比较，确定了涡轮的主要参数如1所示。

表1 涡轮主要参数

3.2 发电机的参数设计及计算

流体推动涡轮旋转，带动发电机外壳转子转动，在定子线圈中产生感应电动势，形成交流电经整流稳压后为井下设备提供电能，也可以给电池充电。使得发电机在不注水期间也可以持续为井下设备供电。

图3是发电机结构截面图。发电机的转子磁片固定在发电机转子外壳上，涡轮带动转子外壳、转子磁片一起转动，定子线圈在内部，由隔离套保护线圈避免磨损。

图3 发电机结构图

当捕获的能量全部转化为发电机的输出功率时，发电机输出功率P可表示为式（6）。

式中：E为额定输出电压，V；R为带载电阻，Ω。

发电机电子线圈匝数表示为式（7）。

式中：φ为气隙合成磁通，Wb；KN为定子绕组系数。

根据电机的设计原理有式（8）。

式中，D为定子内径，mm；P′为计算功率，W；由式（9） 得来。

式中，效率η一般取大于80%；α为极弧系数，对于小功率发电机取值范围为0.5～0.7；Kφ为磁场波形系数；Kφ为电枢基波绕组系数；Bδ为电机的气隙磁密，B，一般取0.6～0.8B；A为电负荷，A/m，对于小功率发电机，一般取A≤30A/m；n为转速，r/min；λ为长径比，一般取0.4～0.6。

发电机的电枢直径D′等于定子线圈直径加转子厚度hr和气隙宽度δ：

极对数与发电机转速和频率关系如式（11）所示：

式中：P为发电机极对数；n为发电机转子转速，rad/min。

涡轮发电机的额定功率为10W，已知钻井液的流速为50m3/d，钻井液密度取1000kg/m3，在发电机外径尺寸约束下。根据式（6） ～（11），得出其它参数的数值如表2所示。

4 结语

针对环境复杂、注水流量小、输出电能密度高、体积有限等，开展研究的技术难度和工作量很大。在研究阶段，既要达到良好的性能，受经费和数量的限制，又不能对所需要的各种部件开模具进行加工，研究前期的资料调研显得尤为重要。本文首次研究了油田注水井井下的涡轮发电机，在使用水溶球改变水流通道后根据注水井实际井下工况和空间，通过理论确定了发电机主要参数的约束关系。本文的分析过程和设计结果可以对后续注水井井下涡轮发电机研究提供参考。

表2 发电机主要参数