水溶性沖砂暫堵球配套自發電的技術研究

賈惠芹，付倩玉，陳東東，劉 娟，李佳隆，田 豆，岳列紅

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

注水井往往是對多個儲層同時注水。由于各個儲層結構不同，使得各儲層的注水量各不相同。國內部分油田已經處于特高含水開發后期，綜合含水率在90%以上。為保持地層壓力平衡、提高開采速度和采收率、充分發揮注水井的效能、提高注水效率，因此需要實時監測各儲層的注水量。但是井下有線電纜由于在高溫環境下長期工作后其傳輸數據的波形會失真。沈躍等很多學者都對此類發電機展開了很多研究。取掉電纜，通過注水井里的鉆井液來發電，是解決上述電纜式注水測調系統問題的有效手段。而采用井下渦輪發電機發電，利用鉆井液沖擊渦輪葉片帶動發電機外殼轉動，切割磁感線產生感應電動勢整流穩壓后為注水測調系統提供電源，可有效解決有纜式注水測調系統的上述問題，并簡化電纜井下作業工藝；通過鉆井液的流動使發電機不僅適用于井下高溫高壓環境而且要滿足注水井要求的長期性和持續性。與使用電池相比，使用渦輪發電機可長時間在井下工作并提供穩定的電源。

1 發電機國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

隨著計算機技術的發展，勘探鉆井技術的進步，測井技術也隨之快速發展。對于井渦輪發電機的渦輪部件展開了深入的研究。

中國石油天然氣集團油氣鉆井工程技術部在2006年將泥漿脈沖測井技術列為重點研究對象，指出將井下渦輪發電機作為重要研究對象具有重要意義。

北京中天啟明科技發展有限公司申請了井下渦輪發電機的設計專利。整個裝置結構簡單、適用性強、性功率高，工作可靠。結構布局方面，國內針對渦輪工作在高溫高壓腐蝕介質環境下被泥漿沖擊而旋轉工作的密封泄露問題設計了磁力偶合式渦輪發電機，大大簡化了發電機短節的結構，有利于提高渦輪的工作壽命。

目前隨鉆測井系統的井下渦輪在建模理論、流場分析方面的研究狀況及研究方法進行了分析和總結，指出了隨鉆測量相關技術自主化對于打破國際石油服務行業技術壟斷、積極開發國內復雜油氣藏資源具有重要意義。

1.2 國外研究現狀

美國著名的貝克休斯、斯倫貝謝、哈里伯頓三大測井公司占據著近的國際測井服務市場。這三家測井服務公司研究早，測井技術先進成熟，擁有先進的測井儀器。

斯倫貝謝進行了深入的結構設計和大量的實驗研究。通過實驗對比研究了不同葉片數目的直葉片、扭曲形式葉片渦輪模型各自的特點，并通過實驗研究指出了渦輪葉片的侵蝕部位和具體情況，在葉片輪廓的構造方面，采用樣條插值實現渦輪葉片曲線輪廓的理論和方法，提出采用放樣生成渦輪葉片輪廓的過程，并根據渦輪流場CFD數值分析結果調整葉片幾何參數，最后得到較為理想的渦輪模型。

2 發電機的渦輪設計原理

本文經過使用由環保型高分子材料經過多種工藝加工而成的高強度水溶性暫堵球，對注水井注水主通道進行暫時堵塞后，使鉆井液通過偏心的發電機通道，依靠鉆井液帶動渦輪轉動來帶動電機轉子轉動切割磁感線，產生感應電動勢，最后經過整流作用輸出直流電壓，對井下設備進行供電，從而進行長期穩定供電，具體結構如圖1所示。

圖1 井下注水通道示意圖

設計的渦輪發電機采用外轉子內定子結構的模式。渦輪發電機整體結構示意圖如圖2所示，渦輪發電機由導輪、渦輪，外壁與磁鐵連接的外轉子、內定子線圈結構和整流穩壓電路、充放電電路組成。發電機整體在注水井下偏心安裝，不占用中心通道，切換流道使整個井下系統切換到發電流道或儀器工作流道，同時外轉子和渦輪轉子直接連接，簡化了發電機體積。

圖2 渦輪發電機基本結構

3 發電機的參數設計及計算

3.1 渦輪結構的參數設計及計算

以井眼直徑為46mm、每天注入的鉆井液總流量為50m3進行渦輪結構參數計算。考慮到加工工藝問題，本文設計的是一種平面葉柵渦輪葉片，由速度三角形可知渦輪圓周速度與平均流速之間的夾角為，近似與葉片安裝角相等。故可得出式 （1） ～式 （5）

其中，Cz為渦輪軸向分速度，m/s；u為渦輪的圓周速度，m/s。

其中，S為渦輪軸向高度，mm。

其中，R為渦輪流道的平均半徑，mm。

在發電機外徑條件的約束下，經過理論計算和比較，確定了渦輪的主要參數如1所示。

表1 渦輪主要參數

3.2 發電機的參數設計及計算

流體推動渦輪旋轉，帶動發電機外殼轉子轉動，在定子線圈中產生感應電動勢，形成交流電經整流穩壓后為井下設備提供電能，也可以給電池充電。使得發電機在不注水期間也可以持續為井下設備供電。

圖3是發電機結構截面圖。發電機的轉子磁片固定在發電機轉子外殼上，渦輪帶動轉子外殼、轉子磁片一起轉動，定子線圈在內部，由隔離套保護線圈避免磨損。

圖3 發電機結構圖

當捕獲的能量全部轉化為發電機的輸出功率時，發電機輸出功率P可表示為式（6）。

式中：E為額定輸出電壓，V；R為帶載電阻，Ω。

發電機電子線圈匝數表示為式（7）。

式中：φ為氣隙合成磁通，Wb；KN為定子繞組系數。

根據電機的設計原理有式（8）。

式中，D為定子內徑，mm；P′為計算功率，W；由式（9） 得來。

式中，效率η一般取大于80%；α為極弧系數，對于小功率發電機取值范圍為0.5～0.7；Kφ為磁場波形系數；Kφ為電樞基波繞組系數；Bδ為電機的氣隙磁密，B，一般取0.6～0.8B；A為電負荷，A/m，對于小功率發電機，一般取A≤30A/m；n為轉速，r/min；λ為長徑比，一般取0.4～0.6。

發電機的電樞直徑D′等于定子線圈直徑加轉子厚度hr和氣隙寬度δ：

極對數與發電機轉速和頻率關系如式（11）所示：

式中：P為發電機極對數；n為發電機轉子轉速，rad/min。

渦輪發電機的額定功率為10W，已知鉆井液的流速為50m3/d，鉆井液密度取1000kg/m3，在發電機外徑尺寸約束下。根據式（6） ～（11），得出其它參數的數值如表2所示。

4 結語

針對環境復雜、注水流量小、輸出電能密度高、體積有限等，開展研究的技術難度和工作量很大。在研究階段，既要達到良好的性能，受經費和數量的限制，又不能對所需要的各種部件開模具進行加工，研究前期的資料調研顯得尤為重要。本文首次研究了油田注水井井下的渦輪發電機，在使用水溶球改變水流通道后根據注水井實際井下工況和空間，通過理論確定了發電機主要參數的約束關系。本文的分析過程和設計結果可以對后續注水井井下渦輪發電機研究提供參考。

表2 發電機主要參數