ЗАВИХРИТЕЛЬ И СПОСОБ ЗАКРУТКИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР, СОДЕРЖАЩИЙ ЗАВИХРИТЕЛЬ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, И СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СКВАЖИНЕ
SWIRLER AND FLUID FLOW SWIRLING METHOD, WELL ELECTRIC GENERATOR COMPRISING FLUID FLOW SWIRLER, AND METHOD FOR GENERATING ELECTRIC POWER IN WELL

Изобретения относятся к области добычи углеводородов и бурения скважин и могут быть использованы в целях завихрения потока текучей среды и создания переменного давления на внутреннюю цилиндрическую поверхность различного оборудования и инструмента, в частности, насосно-компрессорных и бурильных труб, в целях: автономной выработки электроэнергии; выравнивания температурных неравномерностей, местного охлаждения инструмента и оборудования; использования в составе газосепараторов; борьбы с парафино- и гидратообразованиями.
Из уровня техники известно, что потоки текучей среды могут быть закручены специальными устройствами - завихрителями, в частности, придающими потоку вращательную составляющую скорости и имеющими свою классификацию.
Известны, например, лопаточные завихрители потока, содержащие установленные под определенным углом к потоку в живом сечении цилиндрической поверхности лопатки (монография - Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев.: Наукова думка. 1989. СС. 7-8).
К недостаткам известных лопаточных завихрителей потока относится перекрытие живого сечения внутренней цилиндрической поверхности, а также их существенная зависимость от свойств протекающей среды, например, ее плотности и вязкости.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является завихритель, содержащий на поверхности полого цилиндрического тела протяженный наружный или внутренний рельеф (монография - Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2010. СС. 12-17, рис. 1, прототип).
К недостаткам прототипа завихрителя относится низкая эффективность, обусловленная недостаточным перераспределением осевой и вращательной составляющих движения потока текучей среды в завихрителе, а также невозможность регулировки параметров закрутки потока.
Наиболее близким из известных решений к заявленному способу закрутки потока текучей среды является способ закрутки потока жидкости, включающий размещение завихрителя вдоль потока текучей среды, прохождение потока в полом цилиндрическом теле завихрителя, преобразование течения в пульсирующий турбулентный поток с флуктуациями давления в периферийной зоне, перераспределение скоростей потока (монография - Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах ядерно-энергетических установок. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2010. СС. 12-17, прототип).
Недостатком известного способа закрутки потока, принятого в качестве прототипа, является низкая эффективность из-за недостаточного перераспределения потока, так как малая его часть уходит на окружную составляющую, доминирующую для закрутки потока.
Из уровня техники известно использование завихрителей потока в скважинных генераторах электроэнергии и в способах генерирования электроэнергии в скважине.
Известен автономный скважинный электрогенератор, содержащий завихритель потока в виде установленного в насосно-компрессорную трубу (НКТ) перпендикулярно потоку тела с плохо обтекаемым профилем, а также расположенные за телом пластины с пьезоэлементами (труды конференции - Ahmad T.J., Arsalan М., Black M.J., Noui-Mehidi M.N. Piezoelectric Based Flow Power Harvesting for Downhole Environment // Proceedings of the SPE Middle East Intelligent Oil and Gas Conference and Exhibition, 15-16 September, Abu Dhabi, UAE. 2015. PP. 1-8).
К недостаткам известного устройства относится установка электрогенератора внутри НКТ поперек проходного сечения (в живом сечении), что ведет к существенному увеличению гидравлических сопротивлений, к невозможности проведения некоторых работ по капитальному ремонту скважин и каротажных работ внутри НКТ, а также к невозможности использования большого количества пьезоэлементов, что снижает мощность электрогенератора.
Наиболее близким техническим решением электрогенератора, выбранного в качестве прототипа, является скважинный электрогенератор, содержащий генератор с, по меньшей мере, одной обмоткой, системой магнитов, а также вращатель в виде безлопастной турбины, снабженной дисками, взаимодействующими периферийной частью с потоком среды с возможностью их вращения (Патент РФ №2616198 С2, дата приоритета 28.12.2012, дата публикации 13.04.2017, автор Даунинг Э.Д., US, прототип).
Недостатком прототипа электрогенератора является высокая зависимость данного электрогенератора от свойств и характеристик протекающей через генератор среды, в частности, с усилением потока существенно снижается КПД турбины, так как увеличиваются гидравлические потери, кроме того, устройство устанавливается внутри трубы и существенно сужает живое сечение потока.
Известен способ генерирования электроэнергии в скважине, включающий прохождение потока жидкости через завихритель потока внутри насосно-компрессорной трубы, ведущее к созданию направленных вихревых дорожек Кармана, изгибающих за счет сформированной разности давлений пластину с пьезоэлементами, и, таким образом, вырабатывающих электроэнергию за счет прямого пьзоэффекта (труды конференции - Ahmad T.J., Arsalan М., Black M.J., Noui-Mehidi M.N. Piezoelectric Based Flow Power Harvesting for Downhole Environment // Proceedings of the SPE Middle East Intelligent Oil and Gas Conference and Exhibition, 15-16 September, Abu Dhabi, UAE. 2015. PP. 1-8).
Недостатком известного способа является сложность контроля вихревых дорожек, которые зависят от скорости потока - переменной величины, сложно прогнозируемой для каждой конкретной скважины; кроме того, затруднительно воздействовать данными дорожками на стенки скважины, так как амплитуда дорожек гасится основным потоком тем сильнее, чем большее отклонение от оси скважины имеет дорожка.
Наиболее близким из известных решений к заявленному способу генерирования электроэнергии в скважине является способ, включающий размещение безлопастного генератора вдоль главного потока текучей среды ствола скважины; направления части потока текучей среды через турбину; преобразование вращения турбины генератора в электрическую энергию; использование электрической энергии для питания скважинного оборудования; выпуск части потока текучей среды обратно в главный поток (номер публикации международной заявки WO №2014/105053 А1, дата приоритета 28.12.2012, дата публикации 03.07.2014, автор: Downing A.J., а также опубликовано, как патент РФ №2616198 С2, дата приоритета 28.12.2012, дата публикации 13.04.2017, автор Даунинг Э.Д., US, прототип).
Недостатком известного способа, принятого в качестве прототипа, является низкая эффективность из-за неиспользования мощности энергии потока, как источника флуктуаций давления.
Технической проблемой, решаемой изобретениями, объединенными единым изобретательским замыслом, является расширение функциональных возможностей и увеличение мощности завихрителя потока текучей среды, а также скважинного электрогенератора, содержащего завихритель потока, новые конструктивные решения которых существенно повысят эффективность способа закрутки потока текучей среды и способа генерирования электроэнергии в скважине.
Для решения технической проблемы предложен завихритель потока текучей среды, содержащий полое цилиндрическое тело с рельефом на внутренней поверхности. Новым является то, что полое цилиндрическое тело выполнено сборным из чередующихся между собой невращающихся и вращающихся частей, либо из вращающихся частей, по меньшей мере, одна из которых, являющаяся вращающейся, установлена в подшипниках с возможностью вращения вокруг оси полого цилиндрического тела.
Согласно изобретению, установленная в подшипниках вращающаяся часть полого цилиндрического тела выполнена в виде безлопастной турбины.
Согласно изобретению, установленная в подшипниках вращающаяся часть полого цилиндрического тела снабжена тангенциально расположенными снаружи соплами, установленными однонаправлено по окружности в равномерно выполненные в этой части радиальные сквозные отверстия.
Согласно изобретению, сопла с требуемыми внутренними диаметрами и радиусами кривизны канала установлены сменными.
Согласно изобретению, в сквозные отверстия с соплами со стороны внутренней поверхности вставлен сменный фильтр.
Согласно изобретению, завихритель снабжен системой слива, содержащей трубки, соединяющие сопла в вертикальный ряд и сообщающиеся с ними, при этом нижние концы трубок расположены в емкости сбора, установленной в первой по ходу движения текучей среды части, в которой выполнены поперечные сквозные пазы, сообщающиеся с емкостью сбора, охватывающей эту часть полого цилиндрического тела, и предназначенные для слива в полое цилиндрическое тело.
Согласно изобретению, на внутренней поверхности полого цилиндрического тела в зоне слива выполнено коническое сужение, направленное к его оси по ходу движения текучей среды, предназначенное для осуществления слива в полое цилиндрическое тело по принципу струйного насоса.
Согласно изобретению, емкость сбора образована стенкой желоба, охватывающего часть полого цилиндрического тела, и состоящего из двух симметричных полуколец, установленных в пазы полого цилиндрического тела в месте слива.
Согласно изобретению, внутренняя поверхность полого цилиндрического тела снабжена рельефом частично или полностью.
Согласно изобретению, внутренняя поверхность частей полого цилиндрического тела выполнена или с шероховатостью, или с микрорельефом, или с макрорельефом.
Согласно изобретению, внутренняя поверхность полого цилиндрического тела выполнена с углом наклона к его оси по ходу движения текучей среды.
Согласно изобретению, установленные в подшипниках вращающиеся части полого цилиндрического тела установлены вдоль него с разным шагом.
Согласно изобретению, завихритель дополнительно снабжен наружным защитным кожухом или трубой.
Для решения технической проблемы предложен способ закрутки потока текучей среды, характеризующийся тем, что он осуществляется с помощью заявляемого завихрителя, при этом размещают указанный завихритель вдоль потока текучей среды, при прохождении потока в полом цилиндрическом теле завихрителя осуществляется преобразование, по меньшей мере, части потока текучей среды в пульсирующий турбулентный поток с флуктуациями давления в периферийной зоне и перераспределение, по меньшей мере, части скоростей потока, причем при прохождении потока в полом цилиндрическом теле на него осуществляется дополнительное воздействие по перераспределению скорости закрутки потока путем последовательного вовлечения слоев потока текучей среды, начиная с граничного, при попадании потока, как минимум, на одну установленную в подшипниках вращающуюся часть полого цилиндрического тела.
Согласно изобретению, скорость вращения частей завихрителя и, соответственно, скорость закрутки потока регулируются сменными соплами с требуемыми внутренними диметрами и радиусами кривизны канала.
Для решения технической проблемы предложен скважинный электрогенератор, содержащий генератор с обмоткой возбуждения и системой магнитов, а также вращатель в виде безлопастной турбины. Новым является то, что в качестве вращателя электрогенератор содержит заявляемый завихритель потока текучей среды, предназначенный для закручивания потока текучей среды и создания электромагнитного поля. Обмотка возбуждения закреплена на внутренней поверхности неподвижной защитной трубы или кожуха. Система магнитов закреплена на внешней поверхности установленных в подшипниках вращающихся частей и/или на трубках системы слива завихрителя, а вдоль потока текучей среды в полом цилиндрическом теле установлены пьезоэлементы с возможностью контактирования с потоком текучей среды. При этом в полом цилиндрическом теле выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для вывода электродов пьезоэлементов.
Согласно изобретению, пьезоэлементы наклеены на внутреннюю поверхность полого цилиндрического тела.
Согласно изобретению, электроды пьезоэлементов выведены через отверстие в переводнике.
Согласно изобретению, пьезоэлементы вставлены в радиальные сквозные отверстия, выполненные рядами на участках полого цилиндрического тела, следующих за установленными в подшипниках вращающимися частями.
Согласно изобретению, снаружи полого цилиндрического тела установлены хомуты, снабженные отверстиями для вывода электродов пьезоэлементов.
Согласно изобретению, между пьезоэлементами и хомутом установлены эластомеры.
Согласно изобретению, радиальные сквозные отверстия снабжены резьбовым участком с наружной стороны полого цилиндрического тела, при этом в отверстия установлены пьезоэлементы, чередующиеся с эластомерами, образующие блок, который расположен со стороны внутренней поверхности полого цилиндрического тела, а со стороны его внешней поверхности на резьбовом соединении установлена упорная втулка, через отверстие которой выведены электроды пьезоэлементов.
Согласно изобретению, между потоком текучей среды и пьзоэлементами установлена гидроизоляционная пленка.
Для решения технической проблемы предложен способ генерирования электроэнергии в скважине с помощью заявляемого скважинного электрогенератора, содержащего заявляемый завихритель потока текучей среды, включающий размещение указанных скважинного электрогенератора с завихрителем вдоль потока текучей среды, направление, по меньшей мере, части потока через электрогенератор, получение кинетической энергии вращения завихрителя посредством воздействия на него потока, преобразование кинетической энергии вращения завихрителя в электрическую энергию за счет создания электрогенератором магнитного поля, преобразование энергии пульсирующего турбулентного потока в электрическую энергию за счет прямого пьезоэффекта, использование электрической энергии для питания скважинного оборудования.
Согласно изобретению, способ включает перепускание части потока через систему слива обратно в поток текучей среды в электрогенераторе.
На фиг. 1 представлен общий вид завихрителя потока текучей среды; на фиг. 2 - общий вид завихрителя потока текучей среды с безлопастной турбиной и системой слива; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 представлен общий вид скважинного электрогенератора; на фиг. 6 - узел В на фиг. 5.
Завихритель потока текучей среды содержит полое цилиндрическое тело 1 с регулярным выпуклым или вогнутым рельефом 2 на внутренней поверхности, который может представлять собой полностью регулярный или частично регулярный рельеф, может являться гладкой поверхностью с некоторой шероховатостью или микрорельефом, или макрорельефом. Полое цилиндрическое тело 1 может быть интегрировано в какое-либо устройство, например, колонну труб, либо быть собранным из его элементов, например, трубы. Нижнее и верхнее основания цилиндрического тела 1 закреплены посредством разъемных и/или неразъемных соединений (не показаны). Полое цилиндрическое тело 1 представляет собой сборку из чередующихся между собой вращающихся цилиндрических частей 3 и невращающихся, либо вращающихся - с отличной от частей 3 скоростью -цилиндрических частей 4. В торцах 5 полого цилиндрического тела 1 с внешней стороны части 3 и с внутренней стороны части 4 выполнены кольцевые площадки под установку опорно-центрирующих подшипников 6 (например, конических роликовых подшипников). Таким образом, часть 3 установлена в подшипниках 6 с возможностью вращения вокруг оси полого цилиндрического тела 1 и дополнительно может быть соединена с внешним приводом при помощи механической передачи вращательного движения (привод и передача не показаны). При необходимости полое цилиндрическое тело 1 может быть защищено от внешних факторов полым цилиндрическим телом 7, например, трубой (в частности, обсадной) или кожухом, которое может выступать также в качестве каркаса или держателя для полого цилиндрического тела 1. Внутренняя поверхность полого цилиндрического тела 1 может иметь угол наклона к его оси по ходу движения текучей среды.
i
Часть 3 полого цилиндрического тела 1 может быть выполнена в виде безлопастной турбины (фиг. 2 и фиг. 4), для этого она снабжена тангенциально расположенными снаружи части 3 соплами 8, установленными по окружности в равномерно выполненные в части 3 радиальные сквозные отверстия 9, при этом сопла, установленные в диаметрально расположенные отверстия, направлены в противоположные стороны. Сопла 8 с внутренними диаметрами D и радиусами кривизны канала R могут быть установлены сменными, либо быть отлиты воедино с частью 3. Части 3 полого цилиндрического тела 1 могут быть установлены вдоль него с разным шагом L. В сквозные отверстия 9 с соплами 8 со стороны внутренней поверхности части 3 может быть вставлен сменный фильтр (не показан).
Слив текучей среды из сопел 8 может осуществляться в окружающее пространство, либо, если необходимо, может быть применена специальная система слива (фиг. 2 и фиг. 3). Для этого завихритель снабжен трубками 10, соединяющими сопла 8 напрямую или через патрубки 11 в вертикальный ряд и сообщающимися с ними. Нижние концы трубок 10 могут быть расположены в емкости сбора 12, установленной в первой по ходу движения текучей среды части 4 тела 1, где выполнены поперечные сквозные пазы 13, сообщающиеся с емкостью сбора 12. При этом емкость сбора 12 может охватывать часть 4 полого цилиндрического тела 1 и быть образована стенкой желоба, состоящего из двух симметричных полуколец 14, установленных в пазы 15 полого цилиндрического тела 1 в месте слива, а торцы полуколец 14 соединены несимметрично внахлест. А в зоне слива в полое цилиндрическое тело 1 на его внутренней поверхности может быть выполнено коническое сужение (конфузор) 16, направленное к его оси по ходу движения текучей среды.
Потоком Q может являться любая текучая среда, но главным образом это добываемые углеводороды, вода, а также буровые растворы.
Скважинный электрогенератор содержит идентичные завихрителю потока текучей среды элементы и позиции, а также содержит генератор со статором в виде обмотки возбуждения 17, закрепленной на внутренней поверхности неподвижного полого цилиндрического тела 7, и концентрично расположенным внутри статора ротором в виде системы постоянных магнитов 18, закрепленных на трубках 10 и внешней поверхности частей 3 полого цилиндрического тела 1, которое может быть собрано, в частности, из насосно-компрессорной или бурильной трубы (фиг. 5).
Вдоль потока текучей среды в полом цилиндрическом теле 1 установлены пьезоэлементы 19 с возможностью контактирования с потоком текучей среды. При этом в полом цилиндрическом теле 1 выполнено, по меньшей мере, одно отверстие 20 для вывода электродов (не показаны) пьезоэлементов 19. Также электроды пьезоэлементов 19 могут быть выведены через перфорированное отверстие в переводнике (не показан). Пьезоэлементы 19 могут быть наклеены на внутреннюю поверхность полого цилиндрического тела 1, либо быть вставлены в ряды радиальных сквозных отверстий 20, выполненных на участках полого цилиндрического тела 1, следующих за установленными в подшипниках 6 вращающимися частями 3.
Снаружи части 4 может быть установлен, по меньшей мере, один хомут (не показан), снабженный отверстием для вывода электродов пьезоэлементов, при этом между хомутом и пьезоэлементом 19 может быть установлен эластомер 21, а между потоком текучей среды Q и пьзоэлементами 19 установлена полимерная гидроизоляционная пленка (не показана).
Радиальные сквозные отверстия 20 могут быть снабжены резьбовым участком с наружной стороны полого цилиндрического тела 1, при этом в отверстия 20 установлены пьезоэлементы 19, чередующиеся с эластомерами 21, образующие блок, который расположен со стороны внутренней поверхности полого цилиндрического тела 1, а со стороны его внешней поверхности на резьбовом соединении установлена упорная втулка 22, через отверстие которой выведены электроды пьезоэлементов 19.
От обмоток возбуждения 17 отходят электрические провода (не показаны), которые соединяются с электрическим разъемом (не показан), куда может быть выведено напряжение с обмоток возбуждения 17. Соединение обмоток возбуждения 17 может быть выполнено параллельным, последовательным или параллельно-последовательным.
Завихритель работает под действием потока текучей среды следующим образом.
i
Поток текучей среды Q под давлением подается в полость полого цилиндрического тела 1, где, попадая на тангенциально расположенный к потоку рельеф 2, закручивается сам и раскручивает подвижные части полого цилиндрического тела 1. Дополнительная закрутка потоку текучей среды Q придается при его попадании на вращающуюся часть 3 из невращающейся или вращающейся с иной скоростью части 4. Далее из части 3 поток попадает в следующую по ходу движения потока часть 4. Эти действия образуют один цикл завихрения потока. Вышеописанный цикл повторяется заложенное проектировщиком количество раз, зависящее от требуемой закрутки потока, при прохождении потока через чередующиеся части 3 и 4. Также может быть заложено различное расстояние L между частями 3, что необходимо для управления параметрами закрутки.
Попадание потока на вращающиеся части с рельефом приводит к перераспределению осевой скорости потока в сторону увеличения его угловой скорости, следствием чего является более глубокое и последовательное вовлечение слоев текучей среды, начиная с граничного слоя, приводящее к более высокому градиенту давлений и турбулентным пульсациям в периферийной (пристенной) области в полости полого цилиндрического тела 1.
Для варьирования степенью воздействия на поток может быть использован рельеф 2 различного профиля, в частности, макрорельеф или микрорельеф. А при необходимости избирательного воздействия потоком может быть применен частично регулярный рельеф 2.
При прохождении потока через сквозные радиальные отверстия 9 в части 3, когда она выполнена в виде безлопастной турбины, части 3 и, следовательно, потоку придается дополнительная окружная скорость, за счет реактивного действия струй, выходящих из сопел или форсунок 8 и раскручивающих безлопастную турбину 3. Для управления параметрами вращения турбины 3 и, соответственно, параметрами закрутки потока, сопла 8 устанавливаются необходимого диаметра D и радиуса кривизны канала R.
Слив потока из сопел 8 может осуществляться либо в окружающее пространство, либо может быть организована система слива посредством трубок 10 в емкость сбора 12, откуда поток текучей среды Q может быть направлен куда-либо. В частности, поток может быть направлен обратно в полое цилиндрическое тело 1 посредством сквозных пазов 13 в последнем. Для этого слив в полое цилиндрическое тело 1 осуществляется по принципу струйного насоса. При этом перед сливом в полости цилиндрического тела 1 сделано направленное к его оси по ходу течения потока коническое сужение (конфузор) 16, откуда поток выходит с большей скоростью, чем из трубок 10, а в области пазов 13 образуется область пониженного давления, куда подсасывается поток, выходящий из емкости сбора 12.
Вертикальные трубки 10, соединяя сопла 8 в вертикальные ряды, образуют систему вращения турбин 3 завихрителя с равным количеством оборотов и, соответственно, будут оказывать одинаковое окружное усилие на поток текучей среды.
Направление потока текучей среды не ограничено тем, что указано на чертежах. Оно может быть таковым, например, при добыче воды и углеводородов, а при бурении скважин быть либо таковым, либо обратным (сверху вниз). При транспортировке сред направление потока может быть в горизонтальной плоскости.
Скважинный электрогенератор работает автономно совместно с представленным завихрителем текучей среды следующим образом.
С одной стороны, кинетическая энергия потока текучей среды через колебания, возбуждаемые потоком, частично преобразуется в энергию упругой деформации пьезоэлементов 19, что ведет к выработке электроэнергии за счет прямого пьезоэффекта. При этом установившийся поток текучей среды при попадании в вышеописанный завихритель потока текучей среды образует каскадный характер турбулентных слоев, приводящих к флуктуации давления в большом диапазоне частот и амплитуд в полости полого цилиндрического тела 1.
С другой стороны, кинетическая энергия потока частично преобразуется в кинетическую энергию вращения частей 3. Постоянные магниты 18, установленные на вращающихся частях 3 и трубках 10, возбуждают токи в обмотках 17.
При проектировании необходимого количества чередующихся участков с дополнительной закруткой потока текучей среды возможна установка необходимого (с точки зрения мощности электрогенератора) количества групп постоянных магнитов 18 и обмоток возбуждения 17, а также групп пьезолементов 19.
Электроэнергия может быть выдана потребителям напрямую, либо аккумулироваться в стволе скважины или на ее устье, и использоваться по необходимости.
Таким образом, результатом использования предлагаемых изобретений является расширение функциональных возможностей и мощности завихрителя потока текучей среды, а также автономного скважинного электрогенератора, в частности, за счет создания высокого градиента давления завихрителем потока, более эффективно воздействующим на пьезоэлектрический генератор, а также созданием и использованием энергии вращения безлопастной турбины для автономной выработки электроэнергии.