井下随钻主动制冷温差发电装置及井下发电系统的制作方法

本申请涉及能源领域，尤其涉及一种井下随钻主动制冷温差发电装置及井下发电系统。

背景技术：

1、在钻井作业过程中，需要通过井下发电技术手段为随钻仪器提供电能。目前常用井下发电手段有涡轮发电机、锂电池组短节、井下电缆等，其运行原理较为完善，普遍在现场作业中得到应用。然而，以平均地层梯度3℃/100m为标准，当井下环境温度达到175℃即钻进深度6000m左右时，上述以及未提及的常用井下随钻主动制冷温差发电装置均会因井下高温环境影响出现供电不稳定、无规律失灵甚至故障损坏等情况，进而导致随钻仪器断电并停止工作，使得钻井作业中无法获取所需的关键井下参数，进而限制钻井深度，增加事故发生率、极大影响施工进度与成本。

2、因此，亟需一种可克服井下高温环境影响的新型井下发电技术，为随钻仪器提供稳定的供电。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种井下随钻主动制冷温差发电装置及井下发电系统，用以达到使用温差发电方式在井下环境中稳定发电，为随钻仪器提供稳定电能的效果。

2、第一方面，本申请实施例提供一种井下随钻主动制冷温差发电装置，包括：动力传动模块、制冷模块、热管理模块、随钻仪器电控模块和发电模块；

3、动力传动模块与制冷模块磁力耦合，用于以井下流体为动能源驱动制冷模块产生冷量；

4、热管理模块向发电模块传递冷量；

5、发电模块包括至少一个温差发电片，与随钻仪器电控模块串联，用于利用温差进行发电，以及为随钻仪器电控模块和随钻仪器电控模块搭载的随钻仪器供电。

6、在一种可能的实施方式中，动力传动模块包括：涡轮定子和涡轮转子；

7、涡轮转子内置磁力耦合装置；涡轮定子用于对流入的液体进行导流使液体冲击涡轮转子，带动涡轮转子及磁力耦合装置转动，使磁力耦合装置产生交变磁场。

8、在一种可能的实施方式中，动力传动模块包括：涡轮定子、涡轮转子、涡轮传动轴、第一齿轮、第二齿轮和磁力耦合器；

9、第一齿轮安装在涡轮传动轴上；第一齿轮与第二齿轮相互啮合；第二齿轮与磁力耦合器刚性连接；

10、涡轮模块中的涡轮定子和涡轮转子用于将流入的液体动能转化为机械能，带动涡轮传动轴和第一齿轮转动，第二齿轮以及磁力耦合器在第一齿轮带动下转动，使磁力耦合器产生交变磁场。在一种可能的实施方式中，制冷模块包括：井下随钻制冷机和冷头；

11、井下随钻制冷机与动力传动模块磁力耦合，在动力传动模块的驱动下产生冷量，所产生的冷量由冷头传递。

12、在一种可能的实施方式中，井下随钻制冷机采用密闭式气动制冷单元进行回热式制冷，由磁驱动式压缩机与膨胀机构成，在冷头处的腔室中膨胀效应大于压缩效应，吸收热量形成低温区进行制冷。

13、在一种可能的实施方式中，热管理模块包括：导热索和导柱；

14、温差发电片的冷面贴近导热索获取冷量，温差发电片的热面通过导柱与热源接触获取热量。

15、在一种可能的实施方式中，导热索由铜和多层石墨烯制成。

16、在一种可能的实施方式中，导柱由紫铜材料制成；

17、和/或，导柱的顶端为圆弧面，紧贴热源表面。

18、在一种可能的实施方式中，发电模块还包括变压器芯片，用于将温差发电片产生的电量转化为随钻仪器可用电压。

19、在一种可能的实施方式中，热管理模块向随钻仪器电控模块传递冷量；热管理模块包括：导热索和导柱；

20、导热索与随钻仪器电控模块贴近，为随钻仪器电控模块传递冷量；

21、温差发电片的冷面贴近随钻仪器电控模块获取冷量，温差发电片的热面通过导柱与热源接触获取热量。

22、在一种可能的实施方式中，制冷模块、热管理模块、随钻仪器电控模块和发电模块均置于密封的承压外壳内。第二方面，本申请实施例提供一种井下发电系统，包括：钻铤和如第一方面和/或第一方面各种可能的实施方式中的井下随钻主动制冷温差发电装置。

23、本申请实施例提供的井下随钻主动制冷温差发电装置及井下发电系统，通过设置动力传动模块以井下流体为动能源，驱动制冷模块制冷产生冷量，设置热管理模块将制冷模块产生的冷量传递给随钻仪器电控模块，为随钻仪器电控模块降温，降温后的随钻仪器电控模块作为发电模块的冷源，发电模块利用温差发电片为随钻电控模块供电，达到使用温差发电方式在井下环境中稳定发电，为随钻仪器提供稳定电能的效果。

技术特征：

1.一种井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，包括：动力传动模块、制冷模块、热管理模块、随钻仪器电控模块和发电模块；

2.根据权利要求1所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述动力传动模块包括：涡轮定子和涡轮转子；

3.根据权利要求1所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述动力传动模块包括：涡轮定子、涡轮转子、涡轮传动轴、第一齿轮、第二齿轮和磁力耦合器；

4.根据权利要求1至3任意一项所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述制冷模块包括：井下随钻制冷机和冷头；

5.根据权利要求4所述井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述井下随钻制冷机采用密闭式气动制冷单元进行回热式制冷，由磁驱动式压缩机与膨胀机构成，在所述冷头处的腔室中膨胀效应大于压缩效应，吸收热量形成低温区进行制冷。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述热管理模块包括：导热索和导柱；

7.根据权利要求6所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述导热索由铜和多层石墨烯制成。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述导柱由紫铜材料制成；

9.根据权利要求1至3任意一项所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述发电模块还包括变压器芯片，用于将所述温差发电片产生的电量转化为所述随钻仪器可用电压。

10.根据权利要求1至3任意一项所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述热管理模块向所述随钻仪器电控模块传递冷量；所述热管理模块包括：导热索和导柱；

11.根据权利要求1至3任意一项所述的井下随钻主动制冷温差发电装置，其特征在于，所述制冷模块、所述热管理模块、所述随钻仪器电控模块和所述发电模块均置于密封的承压外壳内。

12.一种井下发电系统，其特征在于，包括：钻铤和如权利要求1至11任意一项所述的井下随钻主动制冷温差发电装置。

技术总结
本申请提供一种井下随钻主动制冷温差发电装置及井下发电系统，涉及能源领域。井下随钻主动制冷温差发电装置包括：动力传动模块、制冷模块、热管理模块、随钻仪器电控模块和发电模块；动力传动模块与制冷模块磁力耦合，用于以井下流体为动能源驱动制冷模块产生冷量；热管理模块向发电模块传递冷量；发电模块包括至少一个温差发电片，与随钻仪器电控模块串联，用于利用温差进行发电，以及为随钻仪器电控模块和随钻仪器电控模块搭载的随钻仪器供电。通过本申请可以实现使用温差发电方式在井下环境中稳定发电，为随钻仪器提供稳定电能的效果。

技术研发人员：龚湛超,苏义脑,刘珂,高文凯,窦修荣
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6