Скважинный источник питания для глубинного оборудования
DOWNHOLE POWER SUPPLY FOR DOWNHOLE EQUIPMENT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к исследованиям скважин с применением автономного источника питания глубинного оборудования.
Известно устройство для энергоснабжения скважинной аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти (патент RU № 2239051, МПК E21B 43/00, E21B 47/00, H01M 6/32, опубл. 27.10.2004 Бюл. № 30), установленное в скважине и содержащее химические элементы питания, установленные в корпусах, имеющих полости, и в общем корпусе, при этом общий корпус закреплен с зазором внутри скважины, причем полости в корпусах химических элементов питания заполнены основным компонентом и выполнены с возможностью сообщения через одно или несколько впускных отверстий в корпусах и в общем корпусе с кольцевым зазором между общим корпусом и скважиной для пропитки основного компонента химических элементов питания пластовыми флюидами.
Наиболее близким по технической сущности является источник питания скважинной аппаратуры (патент RU № 2208156, МПК E21B 47/00, опубл. 10.07.2003 Бюл. № 19), содержащий химические элементы, размещенные в корпусах и в общем корпусе, закрепленном с зазором внутри колонны бурильных труб, причем химические элементы выполнены с раздельно хранящимися компонентами, основной компонент находится в закрытой полости химического элемента, выполненной с возможностью сообщения с дополнительной полостью, содержащей компонент, вызывающий активизацию химического элемента, общий корпус снабжен блоком управления и блоком контроля напряжения, расположенными в общем корпусе и соединенными с химическими элементами.
Недостатками обоих устройств являются узкая область применения из-за возможности несоответствия pH –фактора скважинного флюида химическим элементам, находящимся в корпусе (например, если флюид – кислый, а химический элемент – щелочной, или наоборот, то происходит их быстрая нейтрализация), в качестве одного из электродов используют корпус, что требует, после его извлечения, восстановление или полную замену корпуса, а это - дополнительные расходы, не учитывается непостоянство и постоянную изменчивость вырабатываемого потенциала электродами из-за изменения количества и pH –фактора скважинного флюида, при этом наличие химически активных компонентов делает невозможным замену и ремонт этих устройств в полевых условиях из-за опасности отравления или химических ожогов обслуживающего персонала.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание скважинного источника питания для глубинного оборудования, работающего независимо от pH –фактора скважинного флюида и использующего колебания вырабатываемого электрического тока для генерации необходимого напряжения для работы глубинного скважинного оборудования, при этом позволяющего проводить обслуживание его в полевых условиях из-за отсутствия химически активных компонентов внутри корпуса.
Техническая задача решается скважинным источником питания для глубинного оборудования, включающим, как минимум, один корпус с парными полостями, выполненный с возможностью заполнения скважинным флюидом для выработки электрической энергии при помощи разно потенциальных электродов, блок управления и блок контроля напряжения.
Новым является то, что дополнительно снабжен каскадным диодным умножителем напряжения – УН, входным модулем, и аккумуляторной батареей, причем разно полярные электроды получены батареями чередующихся пластин, образуя аноды и катоды, в первой парной полости корпуса для образования кислотного аккумулятора, а во второй – щелочного, аноды и катоды этих аккумуляторов соединены со входом УН через входной модуль, исключающий взаимное влияние аккумуляторов, блок управления выполнен с возможностью определения напряжения на каскадах УН и направления допустимого максимального из них для зарядки аккумуляторной батареи, выход которой через блок контроля напряжения соединен с глубинным оборудованием.
На фиг. 1 изображена схема скважинного источника питания.
На фиг. 2 изображена увеличенная выноска А фиг. 1.
Скважинный источник питания для глубинного оборудования включает в себя как минимум один корпус 1 (фиг. 1) с парными полостями 2 (фиг. 2) и 3, выполненный с возможностью заполнения скважинным флюидом через отверстия 4 для выработки электрической энергии при помощи соответствующих разно потенциальных электродов 5, 6 и 7, 8, блок управления 9 (фиг. 1) и блок контроля напряжения 10. Скважинный источник питания дополнительно снабжен каскадным диодным умножителем напряжения – УН 11 (на схему и конструктивное выполнение УН 11 авторы не претендуют), входным модулем 12 (транзисторный, тиристорный или т.п.), и аккумуляторной батареей 13. причем разно полярные электроды 5 (фиг. 2), 6 и 7, 8 получены батареями чередующихся пластин, образуя выходной положительный электрод (анод) и выходной отрицательный электрод (катод) соответственно. Для исключения короткого замыкания между пластинами разно полярных электродов 5, 6 и 7, 8 могут быть установлены сепараторы 14 из диэлектрика. В одной парной полости 2 корпуса 1 электроды 5 и 6 могут быть выполнены из свинца и сульфата свинца соответственно для образования кислотного аккумулятора (инициирует электрический ток в кислой среде). Во второй парной полости 3 корпуса 1 электроды 7 и 8 могут быть выполнены из гидроксида никеля с добавлением бария, графита и оксида железа соответственно для образования щелочного аккумулятора (инициирует электрический ток в кислой среде). На конструкцию пластин разно полярных электродов 5, 6 и 7, 8 и их химических состав авторы не претендуют, так как подобные аккумуляторы известны из открытых источников. Аноды и катоды кислотного и щелочного аккумуляторов соответствующего корпуса 1 через кабель 15 соединены с входным модулем 12 (фиг. 1), который имеет высокое сопротивление на входе (не показан) для исключения взаимного влияния аккумуляторов (подзарядку одного аккумулятора другим или взаимный саморазряд). При постоянных перепадах внутрискважинного давления (например, в добывающих скважинах при работе штангового глубинного плунжерного насоса) в качестве перегородки 17 (фиг. 2) между парными полостями 2 и 3 корпуса 1 использован пьезоэлектрик для выработки электрической энергии при перепаде давлений и периодическом сжатии пьезоэлектрика. Анод и катод пьезоэлектрической перегородки 18 также соединены кабелем 15 с входным модулем 12 (фиг. 1). Электроэнергия с входного модуля 12 подается на УН 11, в котором электроды диодов соответствующих каскадов (не показаны) соединяются с блоком управления 9. Блок управления 9 определяет, на каком каскаде УН 11 допустимое для аккумуляторной батареи 13 напряжения, которое и направляется в аккумуляторную батарею 13 для его зарядки. Выход 16 аккумулятора через блок контроля напряжения 10, стабилизирующего выходное напряжение, кабелем 18 соединяют с глубинным оборудованием (датчик давления, датчик температуры, импульсный генератор, инклинометр, приемо-передающее устройство и/или т.п. – не показаны).
Скважинный источник питания работает следующим образом.
Исходя из pH –фактора скважинного флюида и предполагаемого количества глубинного оборудования, требующего электрического питания, определяют необходимое количество корпусов 1 для спуска в скважину (не показана). Собирают скважинный источник питания с необходимым количеством корпусов 1 и проходным каналом 19 для подъема продукции вскрытых пластов (не показаны) или закачки вытесняющего агента или реагента в пласт. При спуске в скважину глубинного оборудования на колонне труб (не показана), в состав колонны труб встраивают (например, при помощи резьбового соединения и/или муфт – не показаны) скважинный источник питания, выход которого 16 кабелем 18 соединяют с соответствующим глубинным оборудованием. Место установки скважинного источника питания в составе колонны труб выбирают так, чтобы при размещении глубинного оборудования в требуемом интервале скважины корпуса 1 погружались полностью в скважинный флюид, который через отверстия 4 (фиг. 2) поступает внутрь парных полостей 2 и 3. В зависимости pH – фактора скважинного флюида на разно полярных электродах 5 (фиг. 2), 6 или 7, 8 образуются разные потенциалы электроэнергии, собирающиеся в соответствующие выходные аноды и катоды аккумулятора, расположенного в полости 2 или 3, и по кабелю 15 подается во входной блок 12. При наличии пьезоэлектрической перегородки 17 во время изменения давления, в ней также вырабатывается электроэнергия, которая по кабелю 17 тоже подается во входной блок 12.
Чаще всего скважинный флюид в добывающих скважинах является слабой щелочью из-за наличия большого количества солей щелочных металлов в минерализованной воде, добываемой из пласта, при этом вырабатывает электрическую энергию щелочной аккумулятор, располагаемый в полости 3. Однако при интенсификации добычи продукции из пласта часто закачивают кислотные реагенты в этот пласт, тогда вырабатывает электрическую энергию кислотный аккумулятор, располагаемый в полости 2. В нагнетательных скважинах в зависимости от закачиваемого в пласт вытесняющего агента, состав которого может меняться, то и состав скважинного флюида может меняться и быть щелочным или кислотным, поэтому электрическую энергию может вырабатывать любой из аккумуляторов. Так как в составе парных полостей 2 и 3 каждого корпуса 1 имеется как кислотный, так и щелочной аккумулятор, то извлекать скважинный источник тока, при смене pH – фактора скважинного флюида, не требуется.
С входного блока 12 выработанный электрический ток подается в УН 11, где он усиливается на каждом его каскаде. Так как pH – фактора скважинного флюида не отличается стабильностью, как давление в скважине, то выработанная энергия не отличается стабильностью (фактически является переменной по напряжению и току), что обеспечивает работоспособность УН 11. Блок управления 9, в который предварительно заложено допустимое напряжение для герметичной аккумуляторной батареи 13, определяет на каком каскаде УН 11 допустимое для аккумуляторной батареи 13 напряжения, которое и направляется в аккумуляторную батарею 13 для его зарядки. Наиболее хорошо себя показали в скважинных условиях Li─Ion аккумуляторные батареи 13, не имеющие «эффекта памяти» (не снижается ёмкость при неполной зарядке и разрядке) и имеющие большой количество циклов перезарядки (обычно не менее 3000) до выхода из строя. Аккумуляторная батарея 13 заряжается при выработке достаточной энергии на аккумуляторах, находящихся в полостях 2 или 3 корпусов 1, и разряжается при изменении pH – фактора скважинного флюида, когда энергии выработанной аккумуляторами, находящихся в полостях 2 или 3 корпусов 1, недостаточно. Блок контроля напряжения 10 обеспечивает стабильное напряжение на выходе 16 не зависимо от состояния заряда аккумуляторной батареи 13.
Такая схема скважинного источника питания обеспечивает стабильное питание глубинного оборудования в течении всего срока его службы (обычно не менее 2 лет), независимо от pH – фактора скважинного флюида. При выходе из строя скважинный источник питания на колонне труб извлекают из скважины, извлекают выработанные пластины разно полярных электродов 5 (фиг. 2), 6 и/или 7, 8 из соответствующих полостей 2 и/или 3 корпуса 1 и заменяют на новые. Так как агрессивных сред внутри корпуса 1 не имеется, то весь ремонт можно проводить в полевых условиях без угрозы здоровью обслуживающего персонала. При необходимости меняют и другие блоки 9, 10, 11, 12 или 13, но гораздо реже, так как минимальный срок их эксплуатации 4 и более лет. После чего собранный скважинный источник питания считается готовым к спуску в скважину для дальнейшей эксплуатации.
Предлагаемый скважинный источник питания для глубинного оборудования позволяет работать независимо от pH –фактора скважинного флюида и использовать колебания вырабатываемого электрического тока для генерации необходимого напряжения для работы глубинного скважинного оборудования, при этом позволяет проводить обслуживание его в полевых условиях из-за отсутствия химически активных компонентов внутри корпуса.