СИСТЕМА СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА, СИСТЕМА СТВОЛА СКВАЖИНЫ, СОДЕРЖАЩАЯ СИСТЕМУ СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА, И СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
SYSTEM OF DOWNHOLE ELECTRIC GENERATOR, SYSTEM OF BORE HOLE, CONTAINING THE SYSTEM OF DOWNHOLE ELECTRIC GENERATOR, AND METHOD OF ELECTRICAL POWER GENERATION BY THE SYSTEM OF BORE HOLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к оборудованию и способам внутрискважинной генерации энергии в стволе скважины во время бурения. Более конкретно, данное изобретение предлагает внутрискважинный генератор, в котором использовано множество вращающихся дисков, расположенных вертикально по отношению к потоку бурового раствора через бурильную колонну, используемому для привода генераторов для производства электроэнергии.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Для работы многих скважинных инструментов, таких как сенсорные инструменты, инструменты для измерений во время бурения (MWD), вращательные управляемые инструменты и др., которые используются при бурении, требуется электрическая энергия. В прошлом самым распространенным источником для подачи электроэнергии к таким приборам были либо аккумуляторные батареи, локально расположенные вдоль бурильной колонны или встроенные в прибор, либо, альтернативно, электрические кабели, тянущиеся от земной поверхности. Батареи с емкостью, необходимой для таких скважинных операций, обычно являются большими и, следовательно, нежелательными вследствие ограниченности пространства внутри скважины. Кроме того, многие батареи не могут работать в течение длительного периода времени при скважинных температурах и давлениях, как это требуется для многих операций. Электрические кабели, тянущиеся с поверхности, могут мешать протеканию бурового раствора или доступу, если они расположены в лифтовой колонне, и такие электрические кабели могут быть повреждены, если они расположены внутри или снаружи лифтовой колонны.
Как альтернатива батареям или электрическим кабелям для подачи энергии к одному или большему количеству скважинных инструментов были рекомендованы различные типы внутрискважинных генераторов энергии. Многие из этих внутрискважинных генераторов используют энергию текучей среды, т.е. бурового раствора, передаваемого с поверхности к оборудованию низа бурильной колонны, чтобы вращать ротор, расположенный внутри затрубного пространства бурильной колонны. Работая совместно со статором, система приводит в действие вал генератора для производства электроэнергии. Поток текучей среды затем продолжается через затрубное пространство.
Одним из недостатков такого генератора является необходимость поддерживать определенное давление бурового раствора, чтобы приводить в действие двигатель. Другим недостатком такой системы является то, что она пересекается с потоком бурового раствора через основное затрубное пространство бурильной колонны. Кроме того, когда газ поступает в жидкость, такая система испытывает кавитацию. Кроме того, смешанные изменяющиеся режимы течения, например, газа и жидкости могут понижать производительность или требовать измененного приводного механизма для ротора. Наконец, такая система очень невынослива к абразивным текучим средам с высоким содержанием твердых частиц.
Таким образом, было бы желательно создать внутрискважинный генератор, который мог бы приводиться в действие независимо от режима течения с минимальным воздействием на производительность. Кроме того, было бы желательно создать внутрискважинный генератор, который подобным образом будет оказывать минимальное влияние на основной поток бурового раствора через бурильную колонну.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует буровую платформу с бурильной колонной, несущей безлопастный генератор.
Фиг. 2 иллюстрирует вид сбоку в разрезе двух безлопастных генераторов, расположенных вдоль внутреннего пути потока текучей среды бурильной колонны.
Фиг. 3 иллюстрирует вид по оси в разрезе множества безлопастных генераторов, расположенных вдоль внутреннего пути потока текучей среды бурильной колонны.
Фиг. 4 иллюстрирует вид по оси в разрезе одного безлопастного генератора, расположенного вдоль внутреннего пути потока текучей среды бурильной колонны.
Фиг. 5 иллюстрирует множество дисков, используемых в одном из вариантов осуществления безлопастного генератора.
Фиг. 6 иллюстрирует вид сбоку одного из вариантов осуществления диска, используемого в вариантах осуществления безлопастного генератора.
Фиг. 7 иллюстрирует вид по оси в разрезе одного безлопастного генератора, расположенного вдоль пути потока текучей среды снаружи бурильной колонны.
Фиг. 8 иллюстрирует блок-схему одного из вариантов осуществления способа генерации электроэнергии внутри скважины с использованием безлопастных генераторов согласно настоящему изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ
Вышеупомянутое описание может повторять ссылочные цифровые и/или буквенные обозначения в различных примерах. Эти повторения выполнены с целью простоты и ясности и сами по себе не навязывают связь между различными описываемыми вариантами осуществления и/или конфигурациями. Кроме того, термины, связанные с пространством, такие как «под», «ниже», «нижний», «над», «верхний», «вверх по стволу скважины», «вниз по стволу скважины» и др., могут быть использованы в настоящем документе для простоты описания связи одного элемента или детали с другим элементом (элементами) или деталью (деталями), как показано на чертежах. Термины, связанные с пространством, предназначены для охвата различных ориентаций в дополнение к ориентации, изображенной на чертежах. Например, если устройство на чертежах перевернуто, описываемые элементы, описанные как находящиеся «ниже» или «под» другими элементами или деталями, будут затем ориентированы как находящиеся «выше» других элементов или деталей. Таким образом, примерный термин «ниже» может охватывать обе ориентации, выше и ниже. Устройство может быть ориентировано иначе (повернуто на 90 градусов или в другой ориентации) и связанные с пространством показатели, используемые в настоящем документе, могут также интерпретироваться соответствующим образом.
Как показано на фиг. 1, буровая установка 10, как правило, расположена на поверхности 12 формации 14. Ствол 16 скважины проходит в формацию 14 с поверхности 12. Бурильная колонна 20 проходит вниз от буровой установки 10 и в ствол 16 скважины. Бурильная колонна 20, как правило, содержит оборудование 22 низа бурильной колонны ("ВНА") и буровое долото 24, поддерживаемое множеством труб или секций 26 воротников бура. Бурильная колонна 20 может содержать другие инструменты или приборы 28, используемые во время бурения, такие как сенсорные инструменты, инструменты для измерений во время бурения (MWD), вращательные управляемые инструменты и др. Возвратная скважинная текучая среда 18 расположена в затрубном пространстве 29, образованном между формацией 14 и бурильной колонной 20.
На фиг. 2 проиллюстрирован поперечный разрез одного из вариантов осуществления системы 30 внутрискважинного электрического генератора согласно настоящему изобретению. Система 30, как правило, содержит трубную соединительную муфту или нижний кожух 32, образованный вдоль продольной оси 34, с главным отверстием 36, образованным внутри трубной соединительной муфты 32. Линии 33 потока представлены для иллюстрации обычного направления потока бурового раствора во время его прохождения через систему 30, когда система 30 установлена вдоль бурильной колонны 20. Внутри трубной соединительной муфты 32 находится одна или большее количество турбин Тесла или безлопастных генераторов 38. Каждый безлопастный генератор 38 содержит один, предпочтительно множество, вращающихся дисков 40 генератора и по меньшей мере одну обмотку генератора и систему 42 магнитов. Диски 40 установлены на приводном вале 43 (см. фиг. 3 и 4), расположенном вдоль оси 44, которая предпочтительно перпендикулярна к продольной оси 34, так что каждый диск, установленный на приводном вале 43, ориентирован вертикально для увеличения производительности системы. Хотя такая ориентация предпочтительна, должно быть понятно, что диски 40 могут иметь любую ориентацию относительно оси 34 при условии, что часть потока 33 направлена вдоль диска 40, как описано ниже.
Более конкретно, специалисту в данной области должно быть понятно, что безлопастные генераторы 38, описанные в настоящем документе, представляют собой турбины центростремительного потока, которые используют влияние пограничного слоя потока текучей среды по краю периметра множества дисков 40. Когда текучая среда скользит со значительным трением по поверхности дисков 40, диски 40 вращают приводной вал 43 генератора 42. Энергия вращения создается благодаря влиянию поверхностного слоя, в отличие от столкновения текучей среды с лопастями или лопатками, как известно для внутрискважинных генераторов предшествующего уровня техники. Поток текучей среды, направленный по спирали к центру дисков 40, может быть выпущен обратно в поток бурового раствора с использованием системы выпуска, такой как отверстия 52, как описано ниже и показано на фиг. 6. Диски 40 предпочтительно являются гладкими по своей поверхности для минимизации поверхностных и деформационных потерь. Кроме того, диски предпочтительно являются тонкими для минимизации торможения и турбулентности на краях диска. Диаметры диска 40 могут быть выбраны на основе ограничений системы, в которой используются безлопастные генераторы 38. В некоторых вариантах осуществления диаметры дисков 40 составляют не больше чем размер стандартного наружного диаметра обсадной трубы, принятый в промышленности, а именно наружный диаметр 23/8"-65/8". Конечно, в системах потока текучей среды с большим диаметром труб или обсадных труб могут использоваться диски большего диаметра. Таким образом, безлопастные генераторы согласно настоящему изобретению расположены вдоль системы потока текучей среды ствола скважины, чтобы генерировать электроэнергию для использования электрическим оборудованием, применяемым в связи со стволом скважины.
В любом случае безлопастный генератор 38 установлен на несущей конструкции 46 таким образом, что часть потока 33 внутри отверстия 36 проходит по краю периметра дисков 40. Таким образом, диски 40 могут быть просто установлены на несущей конструкции 46 так, чтобы частично выступать в отверстие 36 на достаточное расстояние, чтобы часть потока через него проходила по наружным краям дисков 40. В связи с этим диск можно охарактеризовать как имеющий площадь поверхности, а в некоторых вариантах осуществления не больше чем половину площади поверхности диска, выступающую в отверстие, и предпочтительно, чтобы только меньшая часть площади поверхности диска выступала в отверстие, как требуется для оптимизации спирального потока вдоль поверхности диска, характеризующейся влиянием пограничного слоя. В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг. 2, несущая конструкция 46 может быть вставкой 46а, расположенной для установки в отверстии 36 трубной соединительной муфты 32. Несущая конструкция 46 может содержать один или большее количество отводящих поток механизмов или конструкций, таких как каналы 48 текучей среды, как правило, установленные для направления части потока 33 бурового раствора вдоль части дисков 40. В связи с этим безлопастные генераторы 38 могут иметь любую ориентацию относительно оси 34 при условии, что каналы для потока расположены соответствующим образом для отвода части потока 33 от главного отверстия 36 и направления отведенной части потока 33 вдоль диска 40, как описано в настоящем документе.
В другом варианте осуществления, как лучше видно из фиг. 3, несущая конструкция 46 может быть пластиной 46b, установленной внутри трубной соединительной муфты 32. Пластина может включать первое отверстие 49, как правило, расположенное так, чтобы позволять потоку вдоль отверстия 36 проходить через себя, и второе отверстие 50, действующее как отводящий поток механизм или конструкция, и расположенное в пластине 46b, чтобы направлять по меньшей мере часть потока 33 бурового раствора вдоль части диска 40, установленного на пластине 46b. В некоторых вариантах осуществления отверстие 50 может быть по выбору выполнено с возможностью регулирования потока вдоль него. Отверстие 50 может быть полностью открытым, когда требуется определенный уровень генерации энергии, закрытым, когда генерация энергии не требуется, или частично открытым для регулирования генерации энергии.
Также, как видно из фиг. 3, хотя несущая конструкция 46 может поддерживать только один безлопастный генератор 38, в некоторых предпочтительных вариантах осуществления несущая конструкция 46 может поддерживать множество безлопастных генераторов 38. Хотя это не ограничено конкретным расположением, как показано на фиг. 3, множество безлопастных генераторов радиально расположено на расстоянии вокруг оси 34, предпочтительно в симметричной компоновке. На фиг. 3 показаны восемь безлопастных генераторов, хотя может использоваться больше или меньше количество, в зависимости, среди прочего, от потребностей в генерации электроэнергии и пространственных ограничений.
Как указано выше, в то время как безлопастные генераторы 38 первоначально описаны, с такой ориентацией, что диски 40, как правило, радиально ориентированы вокруг оси 34, как показано на фиг. 3, определенные варианты осуществления по настоящему изобретению не ограничены конкретной ориентацией генераторов 38. Например, безлопастные генераторы 38 могут быть ориентированы таким образом, что диски 40 расположены тангенциально на радиусе вокруг оси 34. В данном случае отверстие 50, каналы 48 для потока или аналогичные конструкции могут быть использованы для отвода части потока 33 от отверстия 36 для вращения дисков 40.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере два безлопастных генератора 38 могут быть радиально расположены на расстоянии вдоль воротника бура 32, как показано на фиг. 2.
Когда безлопастные генераторы 38 расположены радиально на расстоянии, аналогично могут использоваться две или большее количество несущих конструкций 46, аксиально расположенных на расстоянии. В связи с этим каждая аксиально расположенная на расстоянии несущая конструкция 46 может также поддерживать множество безлопастных генераторов 38.
В другом варианте осуществления, как лучше видно из фиг. 4, безлопастный генератор 38 может просто устанавливаться на несущей конструкции 46 таким образом, что по меньшей мере часть дисков 40 выступает в главное отверстие 36 потока.
Фиг. 5 иллюстрирует ряд дисков 40, расположенных на оси 44, а на фиг. 6 показан вид сбоку диска 40. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления диски 40 могут содержать одно или большее количество отверстий 52, расположенных в них, чтобы обеспечить прохождение текучей среду между дисками. Такие отверстия 52 могут также использоваться для выпуска потока на дисках 40 обратно в главное отверстие 36. Каждый диск может содержать ступицу или распорку 54, чтобы регулировать расстояние между соседними дисками.
Хотя различные варианты осуществления системы 30, указанные выше, описаны как расположенные внутри воротника бура, чтобы использовать поток бурового раствора вдоль отверстия 36 для привода дисков 40, в других вариантах осуществления настоящего изобретения безлопастные генераторы 38 могут опираться на воротник 32 бура таким образом, чтобы использовать возвратный поток в затрубном пространстве 28 скважины для привода дисков 40. В данном случае система потока текучей среды представляет собой обсаженный или не обсаженный ствол скважины и использует поток текучей среды вверх по стволу скважины для привода безлопастных генераторов.
Таким образом, в одном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 7, диски 40 поддерживаются трубной соединительной муфтой 32 таким образом, чтобы пересекаться с возвратным потоком бурового раствора, проходящего через наружную поверхность 56 трубной соединительной муфты 32. В таком случае диски 40 могут выступать в поток или, альтернативно, могут включать канал 58 для направления части возвратного потока вдоль дисков 40. Отверстие 36 может быть коаксиально с трубной соединительной муфтой 32 или может быть смещено, как показано, чтобы обеспечить дополнительное пространство в трубной соединительной муфте 32 для установки безлопастных генераторов 38.
В то время как трубная соединительная муфта 32 описана со ссылками на бурильную колонну, трубная соединительная муфта 32 может быть кожухом или переводником, расположенным для поддержки одного или большего количества безлопастных генераторов 38 для использования в эксплуатационных скважинах или других трубопроводах, связанных с передачей текучих сред. Такая система может содержать устройство, такое, как показано на фиг. 7, но без заключаемого внутреннего затрубного пространства. Например, канал 58 может быть расположен, чтобы направлять часть потока вверх по обсаженному или не обсаженному эксплуатационному стволу скважины через каналы для потока, проходящие через кожух и обратно в эксплуатационный поток. Кожух может быть поддерживаемым и опускаемым в эксплуатационную скважину на любой удлиненной несущей конструкции, проходящей в ствол скважины, такой как проволочный канат, тросовая проволока, трубопровод, кабель подачи питания, трубы в бухтах, колонна труб или кабель. Кожух может содержать другое оборудование, такое как система аккумулирования энергии. Аналогично, чтобы генерировать электроэнергию в удаленных местоположениях, безлопастные генераторы могут быть установлены, как правило, в аксиальном пути потока текучих сред, используемых в процессе бурения, или восстановления, или транспортировки углеводородов. Например, безлопастные генераторы могут быть установлены вдоль линий подачи бурового раствора системы 62 подачи бурового раствора на поверхность. В другом варианте осуществления система 30 может быть установлена в устье скважины для привода контролирующей электроники в эксплуатационных стволах скважин. В другом варианте осуществления система 30 может быть установлена в удаленных линиях транспортировки и использоваться для привода контролирующей электроники в таких удаленных местоположениях. В таком случае система распределения углеводородов может содержать трубопровод с электрическим приводом контролирующего оборудования, установленного для контроля трубопровода, и безлопастный генератор, установленный для генерации электроэнергии для работы контролирующего оборудования. В другом варианте осуществления система 30 может быть встроена как часть противовыбросового превентора («ВОР») 64 и использована как источник энергии для различных функций ВОР.
В любом случае, когда генератор 42 генерирует электроэнергию, электроэнергия может аккумулироваться локально к системе 30 в системе 60 аккумулирования энергии (см. фиг. 1 как не имеющий ограничительного характера пример), такой как аккумуляторные батареи, конденсаторы или др.
Имея в виду вышеописанную систему, как показано на фиг. 8, способ 200 для осуществления системы согласно настоящему изобретению включает в себя этап 202 развертывания безлопастного генератора в стволе скважины или в другом случае развертывания безлопастного генератора вдоль пути потока текучей среды, связанной со стволом скважины. На этапе 204 часть потока текучей среды направляется вдоль одного или большего количества дисков безлопастного генератора. Это может быть достигнуто путем размещения безлопастного генератора таким образом, чтобы по меньшей мере часть дисков выступала в главный поток текучей среды или иным способом путем отвода части потока текучей среды вдоль дисков. На этапе 206 влияние пограничного слоя потока текучей среды вдоль дисков приводит к вращению дисков. Данная энергия вращения приводит в действие приводной вал, обеспечивая преобразование энергии вращения в электрическую энергию с помощью обмоток и магнитов генератора. Затем на этапе 208 генерируемая электроэнергия может быть использована для питания инструментов, или приборов, или другого электрооборудования, связанного со стволом скважины, такого как контролирующая электроника, расположенная в стволе скважины. На этапе 210 отведенная часть главного потока текучей среды может затем выпускаться обратно в главный поток текучей среды. Поток текучей среды может быть буровым раствором, используемым для бурения ствола скважины, возвратным буровым раствором, проходящим вверх по затрубному пространству, добытыми углеводородами в эксплуатационном стволе скважины или другим потоком, таким как закачиваемый поток бурового раствора или распределенный поток углеводородов, используемый в связи со стволом скважины. Электроэнергия может аккумулироваться на поверхности или на месте, в стволе скважины, и использоваться по необходимости.
Благодаря использованию влияния поверхностного слоя вышеупомянутые генераторы 38 более приемлемы, чем скважинные генераторы предшествующего уровня техники, для текучих сред, являющихся абразивными, вязкими или содержащими твердые частицы. Кроме того, система согласно настоящему изобретению способна генерировать энергию без изменения, независимо от состава жидкости или газа движущей текучей среды. Таким образом, система особенно подходит для работы как в условиях бурения при повышенном гидростатическом давлении в стволе скважины, так и при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины.
Диски генераторов 38 также могут быть установлены таким образом, чтобы оказывать небольшое влияние или вовсе не оказывать влияния на поток через главное отверстие в процессе операций бурения. Это приводит к конструкции «сквозное отверстие» путем обеспечения по существу беспрепятственного потока бурового раствора по длине инструмента. Специалистам в данной области должно быть понятно, что это особенно желательно, если в процессе операций бурения необходимы стыковочные работы.
Наконец, если безлопастные генераторы расположены в удаленных местоположениях, таких как морское дно, устранение лопастей/лопаток устройств предшествующего уровня техники повысит надежность по сравнению с предшествующим уровнем техники. Более конкретно, лопасти/лопатки согласно предшествующему уровню техники склонны к износу, подвергаясь воздействию абразивных текучих сред, таким образом уменьшая эффективность генератора. Используемые диски в безлопастном генераторе гораздо меньше склонны к износу, тем самым уменьшая частоту технического обслуживания и затраты.
Специалистам в данной области, которым очевидны преимущества настоящего изобретения, должно быть понятно, что способ и устройство, раскрытые в настоящем документе, предполагают создание систем и способов с использованием непрерывно изменяющейся передачи для использования при бурении и других применениях. Дальнейшие изменения и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения будут очевидны специалистам в данной области из данного описания. Соответственно, данное описание следует рассматривать только как иллюстративное и предназначенное для обучения специалистов в данной области техники общему способу выполнения системы и способа в соответствии с изобретением. Должно быть понятно, что показанные и описанные в настоящем документе формы изобретения следует рассматривать как предпочтительные в настоящее время варианты осуществления. Элементы и материалы могут быть заменены на те, которые показаны и описаны здесь, детали и процессы могут быть реверсированы, и некоторые признаки изобретения могут быть использованы независимо друг от друга, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники, использующим преимущества данного описания изобретения. Изменения могут быть выполнены в описанных здесь элементах без отступления от объема изобретения, раскрытого в следующих пунктах формулы.