[发明专利]用于井下应用的有源整流器

说明书

一种用于在井下生成选定电压的直流(DC)电能的设备包括：钻管；涡轮机，所述涡轮机用于将钻井流体流动能量转换为旋转能量；交流发电机，所述交流发电机耦合到所述涡轮机以提供AC电能；以及有源整流器，所述有源整流器被配置成将所述AC电能整流为可控电压的DC电能。所述有源整流器包括：(a)电桥电路，所述电桥电路针对所述AC电能的每一相位具有电路分支，所述电路分支具有第一整流器组和第二整流器组，所述第一整流器组和所述第二整流器组包括与二极管并联的半导体开关；以及(b)反馈控制回路，所述反馈控制回路具有微处理器且被配置成接收输出电压测量值以及至少一个电路分支中的电压测量值和/或电流测量值作为输入，且将控制信号提供到每一半导体开关以便提供所述选定电压的所述DC电能。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月13日提交的美国申请No.14/711319的权益，所述美国申请以引用的方式整体并入本文中。

发明背景

出于许多应用而将钻孔钻进地面，例如碳氢化合物生产、地热生产和二氧化碳封存。为了有效利用钻出钻孔的昂贵资源，分析者获取与正在钻探的地质构造有关的详细信息是重要的。

可以通过钻孔传送被称为井下工具的各种类型的工具来执行各种类型的测量以向分析者提供所需要的信息。为了有效地利用钻井时间，一些井下工具可以安置在钻出钻孔的钻柱上，以使得可以在钻出钻孔的同时执行测量。这些类型的测量可以被称为随钻测井或随钻测量。

一旦获得测量值，就可以通过遥测器将其传输到地球表面的接收器，以使得分析者无需从钻孔中移除钻柱即可快速获得测量值。用于随钻应用的一种类型的遥测器是泥浆脉冲遥测器。在泥浆脉冲遥测器中，井下数据被编码成数字格式，且通过填充钻孔或钻柱内部的钻井泥浆中的压力脉冲来传输。泥浆脉冲遥测器和井下工具的功率通常是在井下生成的电力。因此，钻井行业将需要对井下发电系统和方法的任何改进。

发明概要

公开了一种用于在井下生成选定电压的直流(DC)电能的设备。所述设备包括：钻管，所述钻管被配置成钻出穿透地面的钻孔；涡轮机，所述涡轮机耦合到所述钻管且被配置成将流过所述钻管的钻井流体的能量转换为所述涡轮机的旋转能量；交流发电机，所述交流发电机被配置成将所述涡轮机的所述旋转能量转换为交流(AC)电能；以及有源整流器，所述有源整流器耦合到所述交流发电机且被配置成将所述AC电能整流为可控电压的DC电能。所述有源整流器包括：(a)电桥电路，所述电桥电路针对所述AC电能的每一相位包括电路分支，每一电路分支具有第一整流器组和第二整流器组，在所述第一整流器组与所述第二整流器组之间具有与所述交流发电机的连接，所述第一整流器组具有半导体开关，所述半导体开关具有与二极管并联的电力传导端子且被配置成控制所述第一整流器组上的电压，所述第二整流器组具有半导体开关，所述半导体开关具有与二极管并联的电力传导端子且被配置成控制所述第二整流器组上的电压；以及(b)具有微处理器的反馈控制回路，所述反馈控制回路被配置成接收输出电压测量值以及至少一个电路分支中的电压测量值和/或电流测量值作为输入，且将控制信号提供到每一半导体开关以便提供所述选定电压的所述DC电能。