CN110023582A - 在井下环境中产生电力的***和方法 - Google Patents

在井下环境中产生电力的***和方法 Download PDF

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T·J·弗罗塞尔
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Abstract

所公开的实施方案包括在井下环境中产生电力的***和方法。在一个实施方案中，所述***包括热电发电机，所述热电发电机可操作以将整个所述热电发电机的区段上的温度梯度转换成电能并且部署在井筒中。所述***还包括压力控制装置，所述压力控制装置靠近所述热电发电机定位并且具有流体流动路径，所述流体流动路径供流体流过所述压力控制装置并且流经所述热电发电机，使得当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机时所述流体的绝对压力降低。由于所述流体的所述绝对压力的变化而导致当所述流体流出所述热电发电机并且流经所述热电发电机时所述流体的温度发生变化。由于所述流体的温度变化而导致整个所述热电发电机的所述温度梯度。

Description

在井下环境中产生电力的***和方法
背景技术
本公开总体上涉及在井下环境中产生电力的***和方法。
诸如传感器和工具的电子仪器通常部署于在地表下方延伸数千英尺的井筒中，并且在生产烃的钻井阶段、完井阶段和生产阶段期间使用。此外，电导管有时从井下表面部署以向井下电子仪器提供电力。有时通过一个或多个导管提供电力，所述一个或多个导管从表面位置下入到靠近一个或多个电子仪器的井下位置。然而，使导管下入穿过可能有数千英尺深并且可能水平或定向地延伸数英里的井筒并非是向电子仪器提供电力的成本有效的方式。诸如电池的电源有时部署在靠近电子仪器的位置，以向电子仪器提供电力。然而，电源存储有限的电量，需要定期再充电。
附图说明
以下附图被包括在内以说明本公开的某些方面，并且不应将其视为排他性实施方案。所公开的主题能够在形式和功能上进行大量的修改、变更、组合与等效变换，而不脱离本公开的范围。
图1A示出了陆上井的示意图，该陆上井具有部署在井中的井下发电***；
图1B示出了海上平台的示意图，该海上平台具有部署在井中的井下发电***；
图2示出了图1A和图1B的井下发电***的详细视图；
图3示出了由图2的井下发电***的热电发电机部件产生的电力的曲线图，所述电力是作为整个热电发电机上的温度变化以及用于构造热电发电机的材料的函数；以及
图4示出了向井下电子部件提供电力的过程的流程图。
所示出的附图仅是示例性的，且并非旨在声明或暗示关于可以实现不同实施方案的环境、架构、设计或过程的任何限制。
具体实施方式
在以下说明性实施方案的详细描述中，参考构成其一部分的附图。对这些实施方案进行足够详细的描述以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解，可以利用其他实施方案并且可以进行逻辑结构、机械，电气和化学上的改变，而不脱离本发明的精神或范围。为了避免对于使本领域的技术人员能够实践本文所述的实施方案来说不必要的细节，描述可能省略了本领域的技术人员已知的某些信息。因此，以下的详细描述不应以限制的意义理解，并且说明性实施方案的范围仅由所附的权利要求限定。
本公开涉及在井下环境中产生电力的***和方法。在一个实施方案中，井下发电***部署在井筒中，靠近烃资源流体从地层流入井筒的区域。井下发电***可以沿降低到井筒中的工作管柱部署。如本文所定义的，工作管柱可包括多个油管区段，每个油管区段通过螺纹或其他连接类型而接合到相邻的油管。工作管柱可以指作为单个部件的管道或管子的集合，或者可选地指构成管柱的单个管道或管子。术语工作管柱(或油管柱或生产管柱)实质上并不意味着限制，并且可以指可操作以降低或升高井筒中的井下发电***的任何一个或多个部件。
井下发电***包括热电发电机，该热电发电机可操作以将整个热电发电机的区段上的温度梯度转换成电能。在一些实施方案中，热电发电机是利用n型(带负电)和p型(带正电)半导体的固态装置。热电发电机可以由具有高导电率和低导热率的材料构成，所述材料为例如但不限于硅锗(SiGe)、碲化铋(Bi2Te3)、多晶硅、一种或多种类型的铋与锑、碲和硒的合金诸如CsBi4Te6。例如，热电发电机可以由下列合金构成：碲合金诸如碲化铅(PbTe)或Sb2Te3，锑合金诸如锌锑(β-Zn4Sb3)、AgPbSbTe2、CoSb3、CeFe4Sb12、Yb0.19Co4Sb12，锰合金诸如钙锰氧化物(Ca2Mn3O8)，或镱合金诸如镱铝(YbAl3)或Yb14MnSb11。在一个实施方案中，热电发电机包含稀土元素。普通技术人员将理解，可利用前述材料的各种组合、合金和掺杂物来形成本文所述的热电发电机。
井下发电***包括压力控制装置，该压力控制装置具有流体流动路径，用于流体流过压力控制装置，并且流经热电发电机。如本文所定义，流体包括在施加的剪切应力下流动的任何液态或气态物质。流体的实例包括但不限于烃资源以及地层中的其他类型的流体。此外，在某些井环境中，例如在注入井中，流体可以是用于使地层增产的流体，包括但不限于水基流体、二氧化碳、氮气、烃、稠化液、酸和水力压裂流体。在一些实施方案中，压力控制装置是流入控制装置(ICD)、自动流入控制装置(AICD)、流入控制阀(ICV)、另一种装置的类似部件，其可操作以在流体流过压力控制装置时产生流体压力的压降。在此类实施方案的一个中，压力控制装置是流入控制装置，其可操作以在流体流过流入控制装置并且流经热电发电机时产生流体的绝对压力的压降，使得流体流经热电发电机时的流体的绝对压力小于流体沉积在地层中时的流体的绝对压力。在另外的实施方案中，压力控制装置是流入控制装置的喷嘴。在此类实施方案的一个中，喷嘴引导流体沿喷嘴的环空流动，并且流经热电发电机。在此类实施方案的另一个中，压力控制装置是本文公开的装置之一的另一个部件。在一些实施方案中，利用压力控制装置来平衡油管和地层之间的流体流动。在另外的实施方案中，还利用压力控制装置来应对沿油管流动的流体的压降、地层中的非均匀性以及地层中的流体组成的差异。
当流体流过井下发电***时，流体的压力和温度由表示为的焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson)膨胀关系控制，其中μJT是流体的焦耳-汤姆逊系数，δT是整个热电发电机的区段上的流体的温度变化，δP是流体流出压力控制装置时的流体的绝对压力的变化，且下标H反映的是该过程处于恒定的焓，H。更具体地，具有负焦耳-汤姆逊系数的流体的压力的降低导致流体的温度升高。例如，在21000psi下的油的焦耳-汤姆逊系数为约-0.0055°F/psi。当流体流经热电发电机时，流体的温度升高引起整个热电发电机上的温度梯度，该温度梯度被转换成电能。同理，具有正焦耳-汤姆逊系数的流体的压力的降低将导致流体的温度降低。例如，在5000psi和400°F下的甲烷的焦耳-汤姆逊系数约为约+0.0042°F/psi。当流体流经热电发电机时，甲烷的温度降低引起整个热电发电机上的温度梯度，该温度梯度被转换成电能。因此，流体通过压力控制装置时的温度变化可以用作流体是油还是气体的指示。例如，如果流体在21000psi下是油，则温度将升高。此外，如果流体在5000psi和400°F下是气体，则温度将降低。
在一些实施方案中，井下发电***还包括电子部件，所述电子部件联接到热电发电机并且可操作以从热电发电机接收能量。在一些实例中，电子部件是靠近热电发电机部署的传感器。在此类实施方案的一个中，传感器中的一个是可操作以测量流体的绝对压力、流体的流率、流体的温度、流体的材料含量、流体的传导性和/或其他可测量的流体特征(统称为“流体特性”)的传感器。在此类实施方案的另一个中，传感器中的另一个可操作以测量下列中的一个或多个：地层的传导性、地层的温度、地层的放射性、地层的材料特性、地层的pH、地层的温度、和/或地层的其他可量化特征(统称为“地层特性”)。
在一些实施方案中，井下发电***还包括能量存储部件，诸如电联接到热电发电机的电池或电容器。能量存储部件可操作以存储由热电发电机产生的电能，并提供存储的电能以为井下发电***的一个或多个部件供电，或者为电联接到井下发电***的其他电子部件供电。在下面的段落中提供并且在至少图1至图4中示出上述井下发电***、在井下环境中产生电力的方法、以及向井下电子部件提供电力的方法的其他细节。
现在转向附图，图1A示出了陆上井112的示意图，该陆上井具有部署在井112中的井下发电***121。井112包括井筒116，该井筒从井112的表面108延伸到地下基体或地层120。图1A中示出陆上的井112和钻机104。可选地，图1B示出了根据说明性实施方案的具有井下发电***121的海上平台132的示意图。图1B中的井下发电***121可以部署在由海上平台132通向的海底井136中。海上平台132可以是浮动平台或者可以替代地锚固到海床140。
在图1A中示出的实施方案中，井筒116已经通过钻井工序形成，在所述钻井工序中去除了泥土、岩石和其他地下材料以形成井筒116。在钻井工序期间或之后，井筒的一部分可套设套管(未示出)。在其他实施方案中，井筒可以维持为没有套管的裸眼构型。本文描述的实施方案适用于井筒116的套管井构型或裸眼构型，或特定井筒中的套管井构型和裸眼构型的组合。
在井筒钻井完成并且相关联的钻头和钻柱从井筒116“起出”之后，最终可用作生产管柱的工作管柱150下降到井筒116中。在一些实施方案中，工作管柱150包括纵向设置在工作管柱150中的环空194，其提供井112的表面108与井下位置之间的流体连通。
工作管柱150的下降可以通过与定位在钻机104或海上平台132上或其附近的井架158相关联的升降组件154来实现。升降组件154可包括钩162、缆索166、游车(未示出)和升降机(未示出)，它们协同工作以提升或降低联接到工作管柱150的上端的旋转接头170。可以根据需要升高或降低工作管柱150，以将额外的油管区段添加到工作管柱150，从而将井下发电***121定位在井筒116中的井下位置。
可以在井下发电***121附近形成一个或多个穿孔(未示出)，以促进沉积在地层120中的烃资源和/或其他流体(“流体”)从地层120流入井筒116中。如本文所述，井下发电***121包括本文所述的压力控制装置，并且所述压力控制装置具有流体流动路径，该流体流动路径引导流体从地层120流过压力控制装置，并且流经井下发电***121的热电发电机部件的区段。如本文所述，压力控制装置可以是任何装置或其部件，其可操作以在流体流过压力控制装置并且流经热电发电机时产生流体的绝对压力的压降，使得流体流经热电发电机时的流体的绝对压力小于流体沉积在地层120中时的流体的绝对压力。此外，流体的压力变化与流体的温度变化之间的关系可以通过本文所述的焦耳-汤姆逊膨胀关系来表示。沉积在井下储层中的烃资源的焦耳-汤姆逊系数可以是负的或正的，这取决于流体的温度、压力和性质。此外，如果流体具有负焦耳-汤姆逊系数，则压力的降低引起流体的温度升高，或者如果流体具有正焦耳-汤姆逊系数，则引起流体的温度降低。结果，由焦耳-汤姆逊效应产生的温度变化可以用作流经热电发电机的流体类型的指示。在图1A和图1B的实施方案中，当流体流出地层120，流过压力控制装置并且流经热电发电机时，流体的绝对压力降低。结果，烃资源的温度随着烃资源流经热电发电机而变化，从而在整个热电发电机上产生温度梯度。热电发电机将温度梯度转换成电力，然后由热电发电机将所述电力提供给一个或多个电子部件，这些电子部件电联接到井下发电***121或电联接到诸如电池或电容器的能量存储部件。
在图1A和图1B的实施方案中，烃资源流经热电发电机，流过工作管柱150的开口，并且流入工作管柱150的环空194，其中烃资源流过出口导管198而进入容器178中。在一些实施方案中，泵(未示出)将烃资源泵送到表面108。
尽管图1A和图1B示出了完井环境，但井下发电***121也可以部署在各种生产环境或钻井环境中，其中流体可以被引导通过井下发电***121，并且其中流体的压力降低可以在流体流经井下发电***121的热电发电机部件时引起流体温度的变化。此外，尽管图1A和图1B示出了单个发电***121，但可以在井112中部署多个发电***。在一些实施方案中，多个封隔器或其他装置部署在井112中，以隔离井112的一个或多个区段和/或将井112分成多个区域。在此类实施方案的一个中，本文所述的一个或多个发电***121可以部署在每个区段和/或区域中，以从流过相应发电***的流体收集电能。在此类实施方案的另一个中，井筒116是多侧向井筒。在此类实施方案中，本文描述的一个或多个发电***121可以部署在多侧向井筒的每个侧向井筒中，以从流过相应发电***的流体收集电能。此外，尽管图1A和图1B示出了裸眼构型，但是本文所述的井下发电***121也可以部署为套管井构型。此外，在一些实施方案中，井下发电***121联接到或包括一个或多个滤网和/或过滤器，以防止污染物、固体颗粒或其他不期望的颗粒流过井下发电***。在下面的段落中提供并且在至少图2至图4中示出井下发电***121的其他细节。
图2示出了图1A和图1B的井下发电***121的详细视图。在图2的实施方案中，沉积在地层120中的流体通过穿孔118流出地层120。此类流体的实例包括液态烃资源、气态烃资源、水、二氧化碳、盐水、以及在井112操作期间产生的其他类型的流体(统称为“产出流体”)。具有流体流动路径的压力控制装置122靠近热电发电机124部署。产出流体沿箭头128和129所示的方向流入压力控制装置122的第一端，流过压力控制装置122，流出压力控制装置122的第二端，流经热电发电机124，并且通过开口131流入环空194中。滤网119靠近压力控制装置122部署，以防止污染物、固体颗粒以及其他不期望的颗粒流过压力控制装置122。
如本文所述，在一些实施方案中，压力控制装置122是流入控制装置或另一类型的压力控制装置或其部件，其可操作以产生产出流体的绝对压力的压降，使得产出流体沉积在地层120中时的产出流体的绝对压力大于产出流体流经热电发电机124时的产出流体的绝对压力。当产出流体流经热电发电机124时，产出流体的绝对压力的变化引起产出流体中的温度变化。热电发电机124可操作以将由产出流体的温度变化所引起的整个热电发电机124上的温度梯度转换成电力。在一些实施方案中，当产出流体流过压力控制装置122并且流经热电发电机124时，由压力控制装置122和热电发电机124施加的摩擦力也使产出流体的温度升高。当产出流体流经热电发电机124时，由摩擦力引起的温度升高还在整个热电发电机124上形成温度梯度。在一些实施方案中，热电发电机124包括一个或多个延伸的表面或表面特征(统称为“翅片”)，其从热电发电机124向外延伸以促进产出流体与热电发电机124之间的热传递。在另外的实施方案中，通过压力控制装置122和热电发电机124的流体流动路径也被配置成帮助产出流体与热电发电机124之间的热传递。
如本文所述，热电发电机124将整个热电发电机124上的温度梯度转换成电力。在图2的实施方案中，热电发电机124电联接到传感器126，该传感器可操作以测量本文所讨论的产出流体的一种或多种流体特性。在其他实施方案中，热电发电机124可操作以向电联接到热电发电机124的其他电子部件提供电力。在一些实施方案中，热电发电机124还联接到能量存储部件(未示出)，该能量存储部件可操作以存储由热电发电机124产生的一定量的电能。能量存储部件还电联接到传感器126和/或一个或多个其他电子部件。在一些实施方案中，能量存储部件用作备用电源，以在产出流体不流经热电发电机124时或当产出流体流未对热电发电机124产生足够的电力来为传感器126和/或其他电子部件供电时向传感器126和/或其他电子部件供应电力。在一些实施方案中，能量存储部件用于为热电发电机124、流入控制装置或井下发电***121的另一电子部件供电。
在环空194中流动的产出流体继续朝向表面108流动并最终收集在容器178中。在一些实施方案中，井下发电***121联接到滤网、护罩或壳体的内表面，所述内表面在井下发电***121和井筒116之间形成屏障。在此类实施方案的一个中，滤网、护罩和/或壳体还为产出流体提供从穿孔118流动到压力控制装置的流体流动路径。尽管图2的井下发电***121示出了一个压力控制装置122、一个热电发电机124和一个传感器126，但井下发电***121可以包括另外的压力控制装置122、热电发电机124、传感器126和/或电子部件。在一些实施方案中，在井112被分成多个区域的情况下，每个区域通过封隔器或其他井筒隔离工具与其他区域分离。在此类实施方案的一个中，一个或多个发电***121可以部署在多个区域的每个区域中。在另外的实施方案中，井筒116是具有多个侧向井筒的多侧向井筒。在此类实施方案的一个中，多个压力控制装置122和热电发电机124部署在侧向井筒与主井筒的交叉处。在一些实施方案中，井下发电***121包括多个压力控制装置。例如，第二压力控制装置可以靠近热电发电机124部署并且与压力控制装置122大致相对。该第二压力控制装置可以具有与压力控制装置122相同的配置，或者它可以是不同的配置。例如，压力控制装置122可以是喷嘴ICD，而第二压力控制装置是由热电发电机124所产生的电能供电的ICV。在另一个实例中，第二压力控制装置是另一喷嘴ICD，使得在注入期间以及在生产期间产生温度梯度。
尽管图2的井下发电***121靠近穿孔118部署并且为产出流体提供从地层120流过热电发电机124，并且流入环空194中的流体流动路径，但井下发电***121也可操作以为流过井下发电***121的热电发电机124部件的其他类型的流体提供流体流动路径。在一些实施方案中，井下发电***121部署在注入井中，并且井下发电***121可操作以为流过井下发电***121的热电发电机124部件的本文所述的一种或多种类型的增产流体提供流体流动路径。井下发电***121可执行本文所述的操作，以基于增产流体的压力变化产生电力，向其他电气部件提供电力，和/或确定增产流体的一种或多种特性。
图3示出了由图2的井下发电***121的热电发电机124产生的电力的曲线图300，所述电力是作为整个热电发电机124上的温度变化以及用于构造热电发电机124的材料的函数。轴302表示整个热电发电机124上的温度梯度，并且轴304表示由热电发电机124产生的电力。线312、314和316分别表示在热电发电机124利用由多晶硅、碲化铋(Bi2Te3)和硅锗(SiGe)构成的热电材料时作为整个热电发电机124上的温度梯度的函数的热电发电机124所产生的电力的曲线图。由热电发电机124产生的电力的最大值可以通过以下等式确定：
其中F是表示p型和n型半导体的封装密度的制造系数，N是用于构建热电发电机的半导体模块的数量，A是半导体模块的支路(leg)面积，L是热电发电机的高度，ΔT是整个热电发电机124上的温度变化，α是形成热电发电机124的材料的塞贝克系数(Seebeckcoefficient)，σ是用作热电发电机124的热电材料的材料的导电率。一些井下传感器(诸如传感器126和致动器***)利用0.1-150 mW来操作。应用等式EQ1，如果热电发电机124具有大约100-200平方英寸的表面积，则热电发电机124可以产生足够的电能来为传感器126供电。
图4示出了向井下电子部件提供电力的过程400的流程图。尽管过程400中的操作以特定顺序示出，但某些操作可以不同的顺序或在可行的情况下同时执行。此外，尽管过程400中的操作利用井下发电***121的部件，但操作还可以利用本文描述的其他井下发电***。
在步骤402，井下发电***121的热电发电机部件124被部署到井筒116中。如本文所述，热电发电机124可操作以将流经热电发电机124的流体的温度变化转换成电能。更具体地，热电发电机124可操作以将流经热电发电机124的流体的温度变化转换成电能，该电能可用于为电联接到井下发电***121或能源部件的一个或多个电子部件供电。压力控制装置122也部署在靠近热电发电机124的井筒116中。
在步骤404，形成供流体流过压力控制装置122并且流经热电发电机124的流体流动路径。在一些实施方案中，压力控制装置122是流入控制装置的喷嘴。在一些实施方案中，压力控制装置是自动流入控制装置、控制阀或本文所述的另一压力控制装置，其可操作以降低流过压力控制装置的流体的压力。流体压力与流体温度的关系可以用焦耳-汤姆逊膨胀关系表示，其中如果流体具有负汤姆逊系数，则流体的压力变化与流体的温度变化成反比。因此，如果流体具有负焦耳-汤姆逊系数，则当流体流经热电发电机124时，流经热电发电机124的流体的压力降低引起流体的温度升高。在一些实施方案中，由压力控制装置122和热电发电机124施加的摩擦力也使流体的温度升高。在一些实施方案中，热电发电机124包括一个或多个延伸的表面或表面特征(统称为“翅片”)，其从热电发电机124向外延伸以促进流动流体与热电发电机124之间的热传递。在另外的实施方案中，通过压力控制装置122和热电发电机124的流体流动路径也被配置成帮助流体与热电发电机124之间的热传递。
在步骤406，热电发电机124将流经热电发电机124的流体的温度升高转换成电能。在一些实施方案中，由热电发电机124产生的电力约等于在步骤408，井下发电***121将电能提供给电子部件，诸如传感器126。在一些实施方案中，传感器126可操作以测量流体的一种或多种流体特性。在其他实施方案中，传感器126可操作以测量地层120的一种或多种地层特性。在另外的实施方案中，由热电发电机124产生的电力被提供给能量存储装置，该能量存储装置电联接到井下发电***121。可利用能量存储装置来存储由井下发电***121产生的一定量的电力并且在整个热电发电机124上的流体流不足以产生足够的电力来为传感器126、井下发电***121的一个或多个部件、和/或一个或多个电子部件供电时向传感器126、井下发电***121的一个或多个部件、和/或一个或多个电子部件提供电力。
已经出于说明的目的提供了上面公开的实施方案，并且使得本领域普通技术人员能够实践本公开，但是本公开不旨在穷举或限于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多非实质性的修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。例如，尽管流程图描绘了串行过程，但是一些步骤/过程可以并行执行或不按顺序执行，或者组合成单个步骤/过程。权利要求的范围旨在宽泛地涵盖所公开的实施方案和任何这样的修改。此外，以下条款代表本公开的另外的实施方案，并且应当被认为在本公开的范围内：
条款1：一种井下发电***，其包括：热电发电机，所述热电发电机可操作以将整个所述热电发电机的区段上的温度梯度转换成电能并且部署在井筒中；以及压力控制装置，所述压力控制装置靠近所述热电发电机定位并且具有流体流动路径，所述流体流动路径供流体流过所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段，使得当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时所述流体的绝对压力降低，其中由于所述流体的绝对压力的变化而导致当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时所述流体的温度发生变化，并且其中由于所述流体的温度变化而导致整个所述热电发电机的所述区段上的所述温度梯度。
条款2：如条款1所述的井下发电***，其中所述区段上的所述温度梯度基于表示为的焦耳-汤姆逊膨胀关系，其中μJT是所述流体的焦耳-汤姆逊系数，δT是整个所述热电发电机的所述区段上的所述流体的温度变化，δP是所述流体流出所述压力控制装置时的所述流体的绝对压力的变化，并且H是常数。
条款3：如条款1或条款2所述的井下发电***，其中所述热电发电机包括n型半导体和p型半导体。
条款4：如条款1-3中至少一项所述的井下发电***，其中所述半导体由硅锗SiGe、碲化铋Bi2Te3和多晶硅中的至少一种形成。
条款5：如条款1-4中至少一项所述的井下发电***，其中所述压力控制装置是流入控制装置、自动流入控制装置或流入控制阀。
条款6：如条款1-5中至少一项所述的井下发电***，其中所述压力控制装置是喷嘴。
条款7：如条款1-5中至少一项所述的井下发电***，其还包括电联接到所述热电发电机并可操作以从所述热电发电机接收电能的电子部件。
条款8：如条款1-7中至少一项所述的井下发电***，其中所述电子部件是可操作以测量所述流体的一种或多种流体特性的传感器，所述一种或多种流体特性包括所述流体的绝对压力、所述流体的流率和所述流体的温度中的至少一者。
条款9：如条款1-8中至少一项所述的井下发电***，其中所述传感器可操作以测量靠近所述传感器的地层的一种或多种地层特性。
条款10：如条款1-9中至少一项所述的井下发电***，其还包括能量存储部件，所述能量存储部件电联接到热电发电机和电子部件并且可操作以：存储由所述热电发电机产生的一定量的电能；以及向所述电子部件提供电能以为所述电子部件供电。
条款11：如条款1-10中至少一项所述的井下发电***，其中所述电能用于为所述热电发电机供电。
条款12：如条款1-11中至少一项所述的井下发电***，其还包括至少一个翅片，所述至少一个翅片联接到所述热电发电机并且可操作以促进所述流体和所述热电发电机之间的热传递。
条款13：如条款1-12中至少一项所述的井下发电***，其中所述温度变化指示所述流体的类型。
条款14：如条款1-13中至少一项所述的井下发电***，其中所述井筒是注入井的井筒，并且其中所述流体代表用于使靠近所述井下发电***的地层增产的至少一种类型的流体。
条款15：如条款1-14中至少一项所述的井下发电***，其中所述井筒形成生产井的井筒，并且其中所述流体是从靠近所述井下发电***的地层流动的一种类型的烃资源。
条款16：一种在井下环境中产生电力的方法，其包括：将热电发电机部署到井筒中，所述热电发电机可操作以将流经所述热电发电机的区段的流体的温度变化转换成电能；部署压力控制装置，所述压力控制装置具有供所述流体流过所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段的流体流动路径，其中当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时，流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度由于所述流体的绝对压力的变化而变化；以及将流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度变化转换成电能。
条款17：如条款16所述的方法，其还包括基于所述流体的温度变化来确定所述流体的类型。
条款18，一种向井下电子部件提供电力的方法，其包括：将热电发电机部署到井筒中，所述热电发电机可操作以将流经所述热电发电机的区段的具有焦耳-汤姆逊系数μJT的流体的温度变化转换成电能；形成供所述流体流过压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段的流体流动路径，其中当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时，流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度由于所述流体的绝对压力的变化而变化；将流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度变化转换成电能；以及向电联接到所述热电发电机的电子部件提供电能。
条款19：如条款18所述的方法，其还包括将由所述热电发电机收集的所述电能的一部分存储在电联接到所述热电发电机的能量存储部件中。
条款20：如条款18或条款19所述的方法，其中所述电子部件是靠近所述热电发电机部署并且可操作以测量所述流体的一种或多种流体特性的传感器，并且其中向所述电子部件提供所述电能包括向所述传感器提供所述电能。
除非另有说明，否则上述公开内容中描述元件之间相互作用的术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或任何其他术语的任何形式的任何使用并不意图将这种相互作用限制为元件之间的直接的相互作用，而是也可包括所描述的元件之间的间接的相互作用。如本文中所用，单数形式“一个”、“一种”以及“该/所述”旨在也包括复数形式，除非上下文中另外指明。除非另外指明，否则如本文件中通篇所使用的，“或”不要求相互间的排他性。将进一步理解，当在本说明书和/或权利要求中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。另外，在以上实施方案和附图中描述的步骤和部件仅仅是说明性的，并不暗示任何特定步骤或部件是要求保护的实施方案的要求。
从上述内容应显而易见的是，已经提供了具有大量优点的本发明的实施方案。虽然仅以几种形式示出了实施方案，但这些实施方案并不受限制，而是可以在不脱离其精神的情况下进行各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种井下发电***，其包括：
热电发电机，所述热电发电机可操作以将整个所述热电发电机的区段上的温度梯度转换成电能并且部署在井筒中；以及
压力控制装置，所述压力控制装置靠近所述热电发电机定位并且具有流体流动路径，所述流体流动路径供流体流过所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段，使得当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时所述流体的绝对压力降低，
其中由于所述流体的所述绝对压力的变化而导致当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时所述流体的温度发生变化，并且
其中由于所述流体的温度变化而导致整个所述热电发电机的所述区段上的温度变化。
2.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述区段上的所述温度梯度基于表示为的焦耳-汤姆逊膨胀关系，其中μJT是所述流体的焦耳-汤姆逊系数，δT是整个所述热电发电机的所述区段上的所述流体的温度变化，δP是所述流体流出所述压力控制装置时的所述流体的绝对压力的变化，并且H是常数。
3.如权利要求2所述的井下发电***，其中所述热电发电机包括n型半导体和p型半导体。
4.如权利要求3所述的井下发电***，其中所述半导体由硅锗SiGe、碲化铋Bi2Te3和多晶硅中的至少一种形成。
5.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述压力控制装置是流入控制装置、自动流入控制装置或流入控制阀。
6.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述压力控制装置是喷嘴。
7.如权利要求1所述的井下发电***，其还包括电联接到所述热电发电机并可操作以从所述热电发电机接收电能的电子部件。
8.如权利要求7所述的井下发电***，其中所述电子部件是可操作以测量所述流体的一种或多种流体特性的传感器，所述一种或多种流体特性包括所述流体的绝对压力、所述流体的流率和所述流体的温度中的至少一者。
9.如权利要求8所述的井下发电***，其中所述传感器可操作以测量靠近所述传感器的地层的一种或多种地层特性。
10.如权利要求7所述的井下发电***，其还包括能量存储部件，所述能量存储部件电联接到所述热电发电机和所述电子部件并且可操作以：
存储由所述热电发电机产生的一定量的电能；以及
向所述电子部件提供电能以为所述电子部件供电。
11.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述电能用于为所述热电发电机供电。
12.如权利要求1所述的井下发电***，其还包括至少一个翅片，所述至少一个翅片联接到所述热电发电机并且可操作以促进所述流体和所述热电发电机之间的热传递。
13.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述温度变化指示所述流体的类型。
14.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述井筒是注入井的井筒，并且其中所述流体代表用于使靠近所述井下发电***的地层增产的至少一种类型的流体。
15.如权利要求1所述的井下发电***，其中所述井筒形成生产井的井筒，并且其中所述流体是从靠近所述井下发电***的地层流动的一种类型的烃资源。
16.一种在井下环境中产生电力的方法，其包括：
将热电发电机部署到井筒中，所述热电发电机可操作以将流经所述热电发电机的区段的流体的温度变化转换成电能；
部署压力控制装置，所述压力控制装置具有供所述流体流过所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段的流体流动路径，其中当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时，流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度由于所述流体的绝对压力的变化而变化；以及
将流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度变化转换成电能。
17.如权利要求16所述的方法，其还包括基于所述流体的温度变化来确定所述流体的类型。
18.一种向井下电子部件提供电力的方法，其包括：
将热电发电机部署到井筒中，所述热电发电机可操作以将流经所述热电发电机的区段的具有焦耳-汤姆逊系数μJT的流体的温度变化转换成电能；
形成供所述流体流过压力控制装置的流体流动路径，所述压力控制装置具有供所述流体流过所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段的流体流动路径，其中当所述流体流出所述压力控制装置并且流经所述热电发电机的所述区段时，流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度由于所述流体的绝对压力的变化而变化；
将流经所述热电发电机的所述区段的所述流体的温度变化转换成电能；以及
向电联接到所述热电发电机的电子部件提供电能。
19.如权利要求18所述的方法，其还包括将由所述热电发电机收集的所述电能的一部分存储在电联接到所述热电发电机的能量存储部件中。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述电子部件是靠近所述热电发电机部署并且可操作以测量所述流体的一种或多种流体特性的传感器，并且其中向所述电子部件提供所述电能包括向所述传感器提供所述电能。
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