一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置以及方法

技术领域

本发明涉及随钻气驱涡轮发电机技术领域，尤其涉及一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置以及方法。

背景技术

在石油或天然气钻井领域，气体钻井技术可大幅度提高钻井速度、有效保护气藏、提高采收率和气产量。近年来，电磁波和微波随钻测量传输技术不断成熟，使得在气体钻井中开展随钻导向作业成为可能，但两种随钻传输技术的物理特性决定了其传输深度受限，若要增加数据的传输深度，最直接的方法是提高电磁波和微波信号源的发射功率，这取决于系统电源的输出功率，相对于传统电池供电而言，气驱涡轮发电机输出功率更高，可满足电磁波和微波发射的大功率需求。但随着井深的增加，井底气体的静压和气体温度会不断升高，由理想气体状态方程可知，气体在压力和温度发生变化后，其体积和密度也随之变化，体积的变化会改变流经涡轮的气体流速，密度的变化会改变涡轮的输出扭矩，另外考虑到气体钻井的注入气量会根据现场需求进行调整，气量的变化同样会改变流经涡轮的气体流速，因此，随着井深的增加或气量的改变都会使气驱涡轮发电机的输出电压发生变化，而输出电压的变化范围不能过宽，否则会影响随钻测量系统的正常工作，现有技术中的装置不能了解气驱涡轮发电机的输出电压是否在允许的电压范围内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置以及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置，包括：用于获取气体的气体压缩机、用于对气体加压的气体增压机、用于调节气体温度的电加热带、测试风筒、气驱涡轮发电机、用于为气驱涡轮发电机施加变载的负载电阻、用于调节测试风筒中气体压力的控制球阀，所述气体压缩机与所述气体增压机连接，所述气体增压机与所述测试风筒的一端连接，所述电加热带套设在所述测试风筒的一端外侧壁上，所述气驱涡轮发电机安装在所述测试风筒的中部，所述负载电阻的一端与所述气驱涡轮发电机的输出端连接，所述控制球阀安装在所述测试风筒的另一端。

采用本发明技术方案的有益效果是：利用地面测试装置通过调节流入气体的压力、温度及气量，模拟在不同井深和不同气量时气体钻井的实际工况，当气体的压力和温度均调节至气体钻井井底工况一致后，即开始测试气驱涡轮发电机的输出性能，通过在气驱涡轮发电机输出端分别外接多种规格的负载电阻，测得气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压，输出电压是判断气体钻井井下随钻测量系统能否正常工作的电源参数，另外，输出电压结合负载电阻可以确定气驱涡轮发电机的输出功率，也是气驱涡轮发电机输出性能的基本参数；输出功率可以推算出气驱涡轮发电机的涡轮的转速，涡轮转速的高低与气驱涡轮发电机的输出电压是相关的，通过带载输出的电压值判断气驱涡轮发电机的气驱涡轮的设计转速是否合理。便于测试气驱涡轮发电机的输出电压是否在允许的电压范围内，以检测气驱涡轮发电机在不同压力、温度和气量下的带载输出情况，使气驱涡轮发电机输出电压既满足气体钻井井下随钻测量系统电磁波和微波信号源的大功率发射需求，又满足系统各种用电模块的可靠运行。

进一步地，所述负载电阻位于所述测试风筒的外部，所述负载电阻的另一端设有用于测量气驱涡轮发电机带载输出电压的输出测试点。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：负载电阻位于测试风筒的外部，便于负载电阻的更换，便于实现不同负载条件。输出测试点的设置，便于测得气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压和频率。

进一步地，所述气体压缩机的数量为多个，多个所述气体压缩机均与所述气体增压机连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：选用多台气体压缩机联合使用，以满足气体钻井所需标准气量，气体增压机将多台气体压缩机所产气体整合增压并输送至测试风筒中。

进一步地，所述测试风筒连接有用于测量气体流量的流量计、用于测量进气压力的进气压力表、用于测量气体温度的温度计以及出气压力表，所述气驱涡轮发电机位于所述进气压力表和所述出气压力表之间。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在测试风筒安装气驱涡轮发电机的前后端分别安装进气压力表和出气压力表以验证气驱涡轮发电机的压耗数据，这个压耗数据用来判断气驱涡轮发电机占用了多少提供给钻头的压耗，因为只有提供给钻头的压耗足够才能保证气体钻井的正常施工。在气驱涡轮发电机的前端设置流速测量目的是精确掌握流经涡轮的气体流速，再结合临近的前端压力监测值，为涡轮外形的设计提供基础数据支撑。用于气驱涡轮设计所需的气体流速通过涡轮前端的流量计可以测得，结合临近涡轮的进气压力表的压力值即可为涡轮的设计提供计算所需数据，测试时，如果带载输出的电压值不满足要求，可以重新对涡轮进行设计。

进一步地，所述流量计、所述进气压力表、所述温度计以及所述出气压力表均位于所述测试风筒的外侧。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于直观观测对应位置处的气体流速、压力以及温度。

进一步地，所述测试风筒的制作材料为金属。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在测试风筒的进气端的外表面包裹一段电加热带，测试风筒使用导热性能良好的金属圆筒加工而成，可快速将电加热带所产生的热量传递至测试风筒内的气体使其升温，调整电加热带的温度，使温度计显示的温度与气体钻井井底温度一致。

进一步地，所述气体压缩机通过管路与所述气体增压机连接，所述气体增压机通过管路与所述测试风筒的一端连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于气体压缩机、气体增压机以及测试风筒的连接。

进一步地，所述测试风筒的内径与钻柱内径适配。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于模拟气驱涡轮发电机的实际工作环境，提高精准度。

此外，本发明还提供了一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法，基于上述任意一项所述的一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置，测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法包括：

S1、通过气体压缩机、气体增压机以及电加热带一一对应调节气体的注入气量、压力以及温度，以模拟气体钻井在不同井深和不同气量时井底的实际工况；

S2、在气驱涡轮发电机的输出端依次连接不同负载电阻的一端，并在负载电阻的另一端测量气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压数值；

S3、根据所述电压数值，分析不同工况下气驱涡轮发电机的带载输出性能。

采用本发明技术方案的有益效果是：利用地面测试装置通过调节流入气体的压力、温度及气量，模拟在不同井深和不同气量时气体钻井的实际工况，当气体的压力和温度均调节至气体钻井井底工况一致后，即开始测试气驱涡轮发电机的输出性能，通过在气驱涡轮发电机输出端分别外接多种规格的负载电阻，测得气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压，输出电压是判断气体钻井井下随钻测量系统能否正常工作的电源参数，另外，输出电压结合负载电阻可以确定气驱涡轮发电机的输出功率，也是气驱涡轮发电机输出性能的基本参数；输出功率可以推算出气驱涡轮发电机的涡轮的转速，涡轮转速的高低与气驱涡轮发电机的输出电压是相关的，通过带载输出的电压值判断气驱涡轮发电机的气驱涡轮的设计转速是否合理。便于测试气驱涡轮发电机的输出电压是否在允许的电压范围内，以检测气驱涡轮发电机在不同压力、温度和气量下的带载输出情况，使气驱涡轮发电机输出电压既满足气体钻井井下随钻测量系统电磁波和微波信号源的大功率发射需求，又满足系统各种用电模块的可靠运行。

进一步地，步骤S3之后包括：

S4、通过流量计、进气压力表以及出气压力表一一对应测量气体的流速、进气压力以及出气压力；

S5、根据所述进气压力以及所述出气压力，计算压力差值，为涡轮外形的设计提供数据支撑。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在测试风筒安装气驱涡轮发电机的前后端分别安装进气压力表和出气压力表以验证气驱涡轮发电机的压耗数据，这个压耗数据用来判断气驱涡轮发电机占用了多少提供给钻头的压耗，因为只有提供给钻头的压耗足够才能保证气体钻井的正常施工。在气驱涡轮发电机的前端设置流速测量目的是精确掌握流经涡轮的气体流速，再结合临近的前端压力监测值，为涡轮外形的设计提供基础数据支撑。用于气驱涡轮设计所需的气体流速通过涡轮前端的流量计可以测得，结合临近涡轮的进气压力表的压力值即可为涡轮的设计提供计算所需数据，测试时，如果带载输出的电压值不满足要求，可以重新对涡轮进行设计。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法的示意性流程图之一。

图3为本发明实施例提供的测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法的示意性流程图之二。

附图标号说明：1、气体压缩机；2、高压管线；3、气体增压机；4、电加热带；5、流量计；6、进气压力表；7、温度计；8、测试风筒；9、气驱涡轮发电机；10、负载电阻；11、输出测试点；12、出气压力表；13、控制球阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置，包括：用于获取气体的气体压缩机1、用于对气体加压的气体增压机3、用于调节气体温度的电加热带4、测试风筒8、气驱涡轮发电机9、用于为气驱涡轮发电机9施加变载的负载电阻10、用于调节测试风筒8中气体压力的控制球阀13，所述气体压缩机1与所述气体增压机3连接，所述气体增压机3与所述测试风筒8的一端连接，所述电加热带4套设在所述测试风筒8的一端外侧壁上，所述气驱涡轮发电机9安装在所述测试风筒8的中部，所述负载电阻10的一端与所述气驱涡轮发电机9的输出端连接，所述控制球阀13安装在所述测试风筒8的另一端。

采用本发明技术方案的有益效果是：利用地面测试装置通过调节流入气体的压力、温度及气量，模拟在不同井深和不同气量时气体钻井的实际工况，当气体的压力和温度均调节至气体钻井井底工况一致后，即开始测试气驱涡轮发电机的输出性能，通过在气驱涡轮发电机输出端分别外接多种规格的负载电阻，测得气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压，输出电压是判断气体钻井井下随钻测量系统能否正常工作的电源参数，另外，输出电压结合负载电阻可以确定气驱涡轮发电机的输出功率，也是气驱涡轮发电机输出性能的基本参数；输出功率可以推算出气驱涡轮发电机的涡轮的转速，涡轮转速的高低与气驱涡轮发电机的输出电压是相关的，通过带载输出的电压值判断气驱涡轮发电机的气驱涡轮的设计转速是否合理。便于测试气驱涡轮发电机的输出电压是否在允许的电压范围内，以检测气驱涡轮发电机在不同压力、温度和气量下的带载输出情况，使气驱涡轮发电机输出电压既满足气体钻井井下随钻测量系统电磁波和微波信号源的大功率发射需求，又满足系统各种用电模块的可靠运行。

在测试风筒尾端通过控制球阀13去调节测试风筒8中气体的压力与气体钻井井底压力相当。

图1中的箭头代表气体的流动方向以及流动轨迹。

如图1所示，进一步地，所述负载电阻10位于所述测试风筒8的外部，所述负载电阻10的另一端设有用于测量气驱涡轮发电机9带载输出电压的输出测试点11。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：负载电阻位于测试风筒的外部，便于负载电阻的更换，便于实现不同负载条件。输出测试点的设置，便于测得气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压和频率。

如图1所示，进一步地，所述气体压缩机1的数量为多个，多个所述气体压缩机1均与所述气体增压机3连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：选用多台气体压缩机联合使用，以满足气体钻井所需标准气量，气体增压机将多台气体压缩机所产气体整合增压并输送至测试风筒中。

如图1所示，进一步地，所述测试风筒8连接有用于测量气体流量的流量计5、用于测量进气压力的进气压力表6、用于测量气体温度的温度计7以及出气压力表12，所述气驱涡轮发电机9位于所述进气压力表6和所述出气压力表12之间。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在测试风筒安装气驱涡轮发电机的前后端分别安装进气压力表和出气压力表以验证气驱涡轮发电机的压耗数据，这个压耗数据用来判断气驱涡轮发电机占用了多少提供给钻头的压耗，因为只有提供给钻头的压耗足够才能保证气体钻井的正常施工。在气驱涡轮发电机的前端设置流速测量目的是精确掌握流经涡轮的气体流速，再结合临近的前端压力监测值，为涡轮外形的设计提供基础数据支撑。用于气驱涡轮设计所需的气体流速通过涡轮前端的流量计可以测得，结合临近涡轮的进气压力表的压力值即可为涡轮的设计提供计算所需数据，测试时，如果带载输出的电压值不满足要求，可以重新对涡轮进行设计。

进一步地，所述测试风筒8的制作材料为金属。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在测试风筒的进气端的外表面包裹一段电加热带，测试风筒使用导热性能良好的金属圆筒加工而成，可快速将电加热带所产生的热量传递至测试风筒内的气体使其升温，调整电加热带的温度，使温度计显示的温度与气体钻井井底温度一致。

如图1所示，进一步地，所述气体压缩机3通过管路与所述气体增压机1连接，所述气体增压机1通过管路与所述测试风筒8的一端连接。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于气体压缩机、气体增压机以及测试风筒的连接。

如图1所示，进一步地，所述流量计5、所述进气压力表6、所述温度计7以及所述出气压力表12均位于所述测试风筒8的外侧。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于直观观测对应位置处的气体流速、压力以及温度。

进一步地，所述测试风筒8的内径与钻柱内径适配。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：便于模拟气驱涡轮发电机的实际工作环境，提高精准度。

在测试风筒8中固定安装气驱涡轮发电机9，测试风筒8的内径与气驱涡轮发电机9实际工作时所处钻柱内径一致，测试风筒8的进气端包裹有电加热带4，用于模拟井底温度。

一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置，通过模拟在不同井深和不同气量时随钻气驱涡轮发电机所处位置的实际工况，测试气驱涡轮发电机的带载输出能力，是研制随钻气驱涡轮发电机的必要测试装置。

图3示出了一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法原理。1、常温常压气体增压处理；2、温度调节；3、流速测量；4、前端压力监测；5、涡轮发电机；6、后端压力监测；7、系统压力控制；气体流出。在涡轮发电机处进行输出测试；根据前端压力监测和后端压力监测得到压力差ΔP。

具体为，为模拟气体钻井井下的实际压力和温度情况，需要首先将常压气体作增压处理，增压后的气体经温度调节后压力和温度与井下实际情况相当，此时的气体作为气源冲击涡轮发电机的涡轮，涡轮受力旋转后发电机(气驱涡轮发电机)启动并工作，在涡轮发电机(气驱涡轮发电机)的输出测试端依次接入不同的负载电阻，测量当前气体状态下的涡轮发电机(气驱涡轮发电机)带载输出情况，接入不同负载进行测试的目的是模拟当井下随钻测量系统挂接多种测量或传输模块时，因用电负载发生变化，必须考虑在该变化范围内，气驱涡轮发电机的输出既要满足气体钻井井下随钻测量系统电磁波和微波信号源的大功率发射需求，又需保证各种用电模块的可靠运行。

在涡轮发电机(气驱涡轮发电机)的前端(气驱涡轮发电机邻近测试风筒的一端)和后端(气驱涡轮发电机邻近测试风筒的另一端)均做压力监测的目的是通过监测并计算这两个测试点的压力差值ΔP(进气压力和出气压力的差值)，即气流对涡轮发电机(气驱涡轮发电机)的涡轮做功和流经涡轮发电机本体时的压力损耗值，这两部分的压力损耗值又以对涡轮发电机(气驱涡轮发电机)的涡轮做功的损耗值为主，气流在涡轮发电机(气驱涡轮发电机)处的压力损耗值越小越有利于井底钻头获得更大的能量去破岩，但涡轮发电机处(气驱涡轮发电机)的压力损耗值小会带来对涡轮的输出动力不足以及做功不足的问题，难以满足涡轮发电机的有效输出，因此涡轮发电机的涡轮外形设计时需要考虑在满足随钻测量系统用电所需的前提下，尽量降低涡轮处的压力损耗，因此在测试装置(测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置)中安装前、后出气压力表(进气压力表和出气压力表)的目的就是为了实测气驱涡轮发电机的压力损耗，既可以检验当前气体工况下气驱涡轮压力损耗的理论计算是否正确，又可了解该压力损耗值是否影响到钻头的正常破岩。

在涡轮发电机的前端设置流速测量(流量计)目的是精确掌握流经涡轮的气体流速，再结合临近的前端压力监测值(进气压力表测量的进气压力)，为涡轮外形的设计提供基础数据支撑，而在末端接入系统压力控制机构(控制球阀)，目的是通过调节气体出口通道的口径使整个测试环境的压力可控，确保压力可以始终与气体钻井井底实际压力一致。

图1示出了一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置布局示意图。测试装置主要包括有用于获取气体的气体压缩机1；用于对气体加压的气体增压机3；用于对气体调节温度的电加热带4；分别用于测量入口端气体流量、压力、温度的流量计5、进气压力表6、温度计7；用于放置气驱涡轮发电机9的测试风筒8；用于为气驱涡轮发电机施加变载的负载电阻10；用于测量气驱涡轮发电机带载输出电压的输出测试点11；用于测量气体通过发电机(驱涡轮发电机)后的压力的出气压力表12；用于调节测试风筒中气体压力的控制球阀13。

考虑到气体钻井作业时所需气量较大，选择多组气体压缩机并联使用实现气源的获取，气体压缩机的输出气量可以调节，因此测试装置(测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置)的进气量可通过对气体压缩机数量的增减和对气体压缩机输出气量的调节做到精确控制，气体压缩机获取常压气体后对其进行1级压缩增压，考虑到压缩后的气体压力一般无法达到气体钻井井底实际压力值，需要气体增压机对压缩气体做进一步增压处理，从多组气体压缩机中输出的压缩气体通过高压管线2被汇集到气体增压机中，经气体增压机增压后的气体压力满足了气体钻井井底所需压力值，此时，测试装置的高压气源得以实现，从气体增压机中产生的高压气体通过高压管线2被输送至测试风筒的进气端。

测试风筒中的气体压力的维持需要由尾端的控制球阀通过调节气体流出口径的大小来控制，在测试风筒中尽管入口气体是高压气体，但如果气体出口被开放，测试风筒内的气体压力无法维持，就难以模拟气体钻井的井底压力工况，因此通过调节控制球阀的阀门，使测试风筒中的气体压力保持稳定，同时为精确涡轮发电机的气驱涡轮(涡轮)的设计，调节控制球阀使测试风筒中靠近涡轮的进气压力表的压力值与气体钻井井底压力一致。

如图2所示，此外，本发明还提供了一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法，基于上述任意一项所述的一种测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的装置，测试随钻气驱涡轮发电机输出性能的方法包括：

S1、通过气体压缩机、气体增压机以及电加热带一一对应调节气体的注入气量、压力以及温度，以模拟气体钻井在不同井深和不同气量时井底的实际工况；

S2、在气驱涡轮发电机的输出端依次连接不同负载电阻的一端，并在负载电阻的另一端测量气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压数值；

S3、根据所述电压数值，分析不同工况下气驱涡轮发电机的带载输出性能。

采用本发明技术方案的有益效果是：利用地面测试装置通过调节流入气体的压力、温度及气量，模拟在不同井深和不同气量时气体钻井的实际工况，当气体的压力和温度均调节至气体钻井井底工况一致后，即开始测试气驱涡轮发电机的输出性能，通过在气驱涡轮发电机输出端分别外接多种规格的负载电阻，测得气驱涡轮发电机在不同负载情况下输出的三相交流电的电压，输出电压是判断气体钻井井下随钻测量系统能否正常工作的电源参数，另外，输出电压结合负载电阻可以确定气驱涡轮发电机的输出功率，也是气驱涡轮发电机输出性能的基本参数；输出功率可以推算出气驱涡轮发电机的涡轮的转速，涡轮转速的高低与气驱涡轮发电机的输出电压是相关的，通过带载输出的电压值判断气驱涡轮发电机的气驱涡轮的设计转速是否合理。便于测试气驱涡轮发电机的输出电压是否在允许的电压范围内，以检测气驱涡轮发电机在不同压力、温度和气量下的带载输出情况，使气驱涡轮发电机输出电压既满足气体钻井井下随钻测量系统电磁波和微波信号源的大功率发射需求，又满足系统各种用电模块的可靠运行。

通过调节气体的压力、温度和气量在地面即可模拟气体钻井在不同井深和不同气量时井底实际工况，以测试气驱涡轮发电机在不同工况下的带载输出性能。

进一步地，步骤S3之后包括：

S4、通过流量计、进气压力表以及出气压力表一一对应测量气体的流速、进气压力以及出气压力；

S5、根据所述进气压力以及所述出气压力，计算压力差值，为涡轮外形的设计提供数据支撑。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：在测试风筒安装气驱涡轮发电机的前后端分别安装进气压力表和出气压力表以验证气驱涡轮发电机的压耗数据，这个压耗数据用来判断气驱涡轮发电机占用了多少提供给钻头的压耗，因为只有提供给钻头的压耗足够才能保证气体钻井的正常施工。在气驱涡轮发电机的前端设置流速测量目的是精确掌握流经涡轮的气体流速，再结合临近的前端压力监测值，为涡轮外形的设计提供基础数据支撑。用于气驱涡轮设计所需的气体流速通过涡轮前端的流量计可以测得，结合临近涡轮的进气压力表的压力值即可为涡轮的设计提供计算所需数据，测试时，如果带载输出的电压值不满足要求，可以重新对涡轮进行设计。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。