用于高温应用的混合电池制造技术

一种用于在表面处和井筒中供电的装置可包括被传送到井筒中的井下工具以及由井下工具传送的电池组。该电池组可包括多个电池单元，其中，该多个电池单元中的至少两个单元对该井下工具处的环境温度的变化有显著不同的电力响应。

Hybrid battery for high temperature applications

A device for supplying power at the surface and in the wellbore may include a downhole tool conveyed to the wellbore and a battery pack conveyed by the downhole tool. The battery pack may include a plurality of battery cells in which at least two units of the plurality of battery units have substantially different electrical responses to changes in the ambient temperature of the downhole tool.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于井下工具的电池电源。
技术介绍
用于回收地热能源、烃和水的井可以延伸到地下数千英尺。用于钻这些井的井工具通常包括要求电能的元件。这种电能的一些可以通过车载电池被供应。适于在典型井筒温度(其可超过80摄氏度)下操作的电池在表面处存在的更低温度下不运行。因此，车载电池电源不能用于在表面处执行电动井工具的测试。本专利技术满足了表面处的电池电源操作使用电力的井工具的需求。
技术实现思路
在多个方面，本专利技术提供了一种用于在表面处和在井筒中供电的装置。该装置可包括井下工具和电池组，该井下工具被配置为通过使用输送设备被传送，该电池组由井下工具传送。该电池组可包括多个电池单元，其中，该多个电池单元中的至少两个单元对该井下工具处的环境温度的变化有显著不同的电力响应。在多个方面，本专利技术提供了一种用于在表面处和在井筒中供电的方法。该方法可包括以下步骤：将电池组耦接到井下工具上，该电池组包括多个电池单元，其中，该多个电池单元中的至少两个单元对该井下工具处的环境温度的变化有显著不同的电力响应；将该井下工具和电池组传送到该井筒中；以及，当在井筒中时，通过使用电池组向井下工具供电。已经相当宽泛地概括了本专利技术的某些特征的实例，以可更好地理解下面对这些实例的详细描述并可理解它们对本领域做出的贡献。当然，下面将描述本专利技术的其他特征，它们将形成本文所附的权利要求的主题。附图说明为了详细了解本专利技术，应该结合附图参照下面对实施例的详细描述，附图中的类似元件被给出了类似的数字标记，其中：图1是典型钻井系统的示意图，该钻井系统用于通过使用根据本文所公开的典型方法被操作的装置来钻井筒；和图2示出了根据本专利技术的一个实施例的典型混合电池组。具体实施方式现在参照图1，示意性地示出了用于在地层13中形成井筒12的钻井系统10。尽管示出陆基钻机，但是这些概念和方法同样适用于海上钻井系统。此外，井筒12除了包括分支井筒以外，还可以包括垂直部分、倾斜部分和水平部分。该钻井系统10可使用井底钻具组合(BHA)14，该BHA14通过刚性的井筒输送设备(例如从钻机18悬挂下来的钻柱16)被输送。该钻柱16可包括位于末端的钻头20。该钻柱16可包括适用于在井筒中使用的任何公知的钻管，例如连接钻杆、连续油管、套管、尾管等。该BHA14还可以包括各种车载工具、仪器、传感器和消耗电能的设备。这些设备被统称为消耗设备50。说明性的、但非唯一的消耗设备50包括方向传感器和地层评估传感器或设备(也称为随钻测量“MWD”或者随钻测井“LWD”传感器)，地层评估传感器或装置测定电阻率、密度、孔隙度、渗透性、声学特性、核磁共振特性、井下流体或地层的腐蚀特性、盐或含盐量，以及包围BHA14的地层13的其他选定属性。其他的电能消耗设备50包括传感器和通信设备24，传感器和通信设备24用于控制和/或确定BHA的一个或多个功能和性质(如，速度、振动、弯矩、加速度、振荡、旋转、粘滑运动等)和钻井操作参数(如，钻压、流体流速、压力、温度、钻进速度、方位角、工具面、钻头旋度等)。在本专利技术的实施例中，混合电池组60可以用来激励消耗设备50。现在参照图2，在一个配置中，该混合电池组60包括第一电池组70，该第一电池组70包括当BHA14在井筒12中并且承受高的环境井筒温度时可使用的电池。该第一电池组70可包括一个电池或多个电池。该第一电池组70采用一种化学过程，该化学过程传送电力以满足升高的温度下的预定要求。如本文中所使用，术语“高的”或者“升高的”温度指的是高于80摄氏度的温度，且“高温电池”指的是旨在这样的温度下操作的电池。说明性的、但非唯一的高温电池的类型包括锂电池、钠硫(NaS)电池和钠-镍-氯电池。其他高温电池包括具有液态电极和陶瓷固态电解质的电池。在这种配置中，要求升高的温度来保持电极处于熔融状态并在电解质中达到足够的离子电导率。混合电池组60还包括第二电池组80，当BHA14在表面处并承受钻机18处的环境表面温度时可以使用第二电池组80。第二电池组70可以包括一个电池或多个电池。第二电池组80采用一种化学过程，该化学过程传送电力以满足表面处的环境温度下的预定要求。为了本专利技术的目的，表面处的环境温度包括零度以下至40摄氏度范围内的温度，环境表面电池是在这样的温度下操作的电池。说明性的、但非唯一的环境表面温度电池类型包括诸如Mn/Zn电池、NiMH电池、Ni/Zn电池等的碱性电池。在一些实施例中，选择用于第二电池组80的化学过程以在升高的温度下丧失电力传送的能力，但在这样的条件下不产生火灾或者爆炸的危险。在实施例中，还可选择化学过程以在温度回到环境表面温度之后允许恢复电力传送。因此，混合电池组60可以认为是具有至少两个电池组单元的电池电源，所述至少两个电池组单元对于井下工具处的环境温度的改变具有显著不同的电力响应。电力响应是输送电力的能力方面的变化。例如，第一电池组70具有随着温度升高而使供应的电力增加的电力响应，且第二电池组80具有随着温度升高而使供应的电力减少的电能响应。此外，可使用预定温度来分离电池组70、80的操作状态。对于电池组70、80而言，操作状态涉及供电的能力。即，低于预定温度时，所述多个电池单元中的仅一部分电池单元供电。同样地，高于预定温度时，所述多个电池单元的仅一部分电池单元供电。操作和非操作状态之间的过渡可以是渐进的或相对较快的。混合电池组60可以包括使第一电池组70与第二电池组80解耦的电路90。如前面所述，根据主导温度，该两个电池组70、80中的仅一个电池组可以是功能性的。因此，为了防止短路，电路90可以包括隔离器92以在一个电池组变得不可操作时将电池组70、80中的任一个解耦。隔离器92可以是静态或动态部件。例如，静态隔离器92可以包括隔离元件94(其可以是二极管)以使第一电池组70与第二电池组80电隔离。动态隔离器(未示出)可以包括开关，开关可以被手动致动以使第二电池组80与电路90隔离。另一动态隔离器(未示出)可以包括响应于诸如温度的环境条件的开关。这样的开关可以根据环境温度有选择地使电池组70、80中的任一个隔离。在另一实施例中，第一电池组70包括燃料电池组(未示出)和第二电池组80，当BHA14在井筒中时可以使用该燃料电池组，当BHA14在表面处并且承受环境表面时可以使用第二电池组80。在燃料电池中，电能通过氢的催化氧化产生。该化学反应可被视为水的电解分解的逆反应。现在参照图1和图2，在一个使用方法中，一个或多个电能消耗设备50在表面处电连接到混合电池组60上。在表面处时，第一电池组70不能起到供应电力的作用，且由于隔离器92而与电路90解耦。因此，仅第二电池组80向消耗设备50供电。当第一电池组70不操作时，该电力可用于操作消耗设备50。如前面所述，第一电池70可由于相对低的环境温度而处于非操作状态，且不能供电，这种情况可出现在表面或井筒12中(如，井筒12的浅区段处)。例如，第二电池组80可以用于在钻机18的钻台处对MWD设备、地层评估工具、传感器等执行诊断、测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在表面处和井筒中供电的装置，其包括：井下工具，其被配置为通过使用输送设备被传送到所述井筒中；以及电池组，其由所述井下工具传送，所述电池组包括多个电池单元，其中，所述多个电池单元中的至少两个单元对所述井下工具的环境温度的变化有显著不同的电力响应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.19 US 13/9217811.一种用于在表面处和井筒中供电的装置，其包括：
井下工具，其被配置为通过使用输送设备被传送到所述井筒中；以及
电池组，其由所述井下工具传送，所述电池组包括多个电池单元，其
中，所述多个电池单元中的至少两个单元对所述井下工具的环境温度的变
化有显著不同的电力响应。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电池单元中的至少
一个是燃料电池。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电力响应是下述响应之
一：(i)供应的电力随温度升高而增加，以及(ii)供应的电力随温度升高
而减少。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电池单元中的第一
电池单元随温度升高而使供应的电力增加，且所述多个电池单元中的第二
电池单元随温度升高而使供应的电力减少。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电池单元中的仅一
部分电池单元在低于预定温度时供电。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电池单元中的仅一
部分电池单元在高于预定温度时供电。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个电池单元中的至少
两个电池单元电解耦。...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·克鲁斯帕，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US