基本信息
- 项目名称：
- 井下泥浆涡轮发电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 基于耐高温的泥浆涡轮结构，以磁力联轴器作为传动装置，带动交流发电机发电的集成创新井下发电系统，克服了传统使用的锂电池不耐高温、工作时间短、性能不稳定的缺点，解决了井下仪器稳定供电问题。
- 详细介绍：
- 随着地球上石油储量的减少，石油钻井的深度日益增加，通常可达到9000m～15000m，而井下的温度将随着深度的增加而升高，达到225～250℃。目前，石油钻机广泛采用高性能锂电池为井下测量仪器供电，而锂电池的工作温度为150～175℃。深井中的高温环境，将使得锂电池性能和寿命都大幅度降低，甚至无法工作。另外，频繁地更换锂电池，将会使装置的密封性能无法得到保证，进而带来安全性能问题，因为井下测量仪器为了保证高压下（100MPa）的密封，不允许经常拆卸。再者，使用锂电池供电还将带来环境污染。本作品利用钻井过程中产生的泥浆驱动涡轮，涡轮带动发电机发电，为井下测量仪器提供电力。在经过系统设计和水力计算后，获得了详细的设计结果。由于采用钻井过程中产生的泥浆驱动涡轮发电，实现了从流体机械能到电能的转化，同时减少了对高性能锂电池（不可再生能源）的使用，本作品实现了节能。另外，采用井下电源系统为井下测量仪器供电，替代传统的高性能锂电池，实现了污染零排放，有利于环保。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 目前，石油钻机广泛采用高性能锂电池为井下测量仪器供电，而锂电池的工作温度通常为150～175 oC。随着地球上石油储量的减少，石油钻井的深度不断增加，达到5000m～8000m，最深达到12000米，井下温度亦不断提高，通常达到200～250 oC。深井中的高温环境，将使得锂电池性能和寿命都大幅度降低，甚至无法工作。另外，频繁更换锂电池，频繁停机也将导致石油开采的成本升高。再者，使用锂电池供电还将带来环境污染。基本思路：石油钻井过程中通常要将抽到地面上的泥浆进行水洗和筛选，然后将通过筛选后的只含细小泥沙的泥浆泵压回灌，注入到钻孔中，本作品正是利用这回灌的泥浆来驱动涡轮，涡轮进而带动发电机发电，为井下测量仪器提供稳定电源。创新点： 1. 利用原有的泥浆循环系统来稳定供电； 2. 系统结构材料可耐高温，打破环境的限制； 3. 巧妙采用磁力联轴器柔性连接，提高系统的可靠性； 4. 系统合理集成增加了使用寿命，节能环保；技术关键： 1. 涡轮与发电机之间磁力联轴器的选定； 2. 运动部件与静止部件之间密封方式的确定； 3. 整流控制电路的设计； 4. 系统过载保护控制电路的设计；主要技术指标： 1. 泥浆流量：20～30升/秒； 2. 电机转速：2200～3300转/分； 3. 输出功率：≧120W； 4. 连续工作时间：≧500小时；
科学性、先进性
- 科学性： 1.井下泥浆涡轮发电系统利用钻井过程中产生的泥浆来驱动涡轮，涡轮进而带动发电机发电，实现了从流体机械能到电能的转化，替代了高性能锂电池（不可再生能源），实现了节能。 2. 采用井下泥浆涡轮发电系统为井下测量仪器供电，替代传统的高性能锂电池，实现了污染零排放，有利于环保。先进性： 1. 与传统的高性能锂电池相比，井下泥浆涡轮发电系统可以不受温度条件的限制，能在高温环境下运行，且性能更加稳定。 2. 与传统的高性能锂电池相比，井下泥浆涡轮发电系统的使用寿命更长，不需要频繁更换，更加节约资源，而且不会对环境造成污染。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年第三届全国大学生节能减排大赛一等奖； 2010“求是杯”全校大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 2011年湖北省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 模型 图纸 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术性分析说明：利用钻井过程中产生的泥浆来驱动涡轮，使涡轮旋转，进而带动发电机发电，为井下测量仪器提供电力。与传统的高性能锂电池相比，本作品的技术特点在可靠性、经济性和环保性三个方面得以体现。 1. 可靠性与传统的高性能锂电池相比，基于涡轮驱动的井下泥浆涡轮发电系统可以不受温度条件的限制，能够在高温环境下运行，且性能更加稳定，因而具有更高的可靠性。 2. 经济性与传统的高性能锂电池相比，基于涡轮驱动的井下泥浆涡轮发电系统的使用寿命更长，不需要频繁更换，更加节约资源，降低开采成本。 3. 环保性由于高性能锂电池对环境有污染，而基于涡轮驱动的井下泥浆涡轮发电系统则相对而言，具有更好的环保性。 推广应用的可行性：井下泥浆涡轮发电系统很好地解决了由于高温导致锂电池性能、寿命大幅降低，甚至失效等问题，为井下仪器的稳定供电提供了有效保障。该系统减少了锂电池这种污染环境且不可再生能源的消耗，实现了节能减排，且能带来很大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 国外研究水平概述: 美国哈里伯顿公司研究的“随钻核磁共振测井仪MR-LWD”利用泥浆涡轮带动泥浆发电机, 对可充电电池充电从而为井下电路提供稳定可靠的电源.取得了较好的应用效果. 俄罗斯地平线有限责任公司生产的ZTS系列电磁波随钻测量系统（EM-MWD），采用井下涡轮发电机供电，把探管传感器测出的井斜、方位、工具面角及地层参数实时的用电磁波发送到地面。地面系统采集数据，处理后显示给定向井工程师。美国能源部国家能源实验室研制出了能在温度为250℃下运行的井下泥浆涡轮发电系统，以替代目前广泛应用的高性能锂电池，降低供电成本. 国内的研究水平概述：目前国内相关公司也投入了相关精力投入到井下仪器供电的研究中，如北京天形精钻科技开发有限公司便开发出了一种井下泥浆发电机，涡轮通过一个缓冲夹壁套与磁力耦合器的外磁转子连接。然而由于采用传统的结构方式,无法给电机提供有效的保护措施，涡轮的构型也存在相应的缺陷,无法完全适应井下的工作条件。
