ЕМКОСТНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
CAPACITIVE ENERGY STORAGE

Изобретение относится к емкостным накопителям энергии для скважинных электроразрядных аппаратов и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности для повышения дебита нефтяных и газоконденсатных скважин и/или повышения приемистости нагнетательных скважин, а также межскважинного сейсмопросвечивания и электромагнитного сканирования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна схема последовательного соединения конденсаторов, когда конденсаторы располагаются в одну линию («паровозиком») и соединяются следующим образом: конец первого конденсатора соединяется с началом второго конденсатора, конец второго конденсатора соединяется с началом третьего конденсатора и т.д., а начало первого конденсатора и конец последнего присоединяются к источнику питания (см. книгу В.С. Попов, Н.Н. Мансуров, С.А. Николаев «Электротехника», Уч. Изд., Москва, 1958, стр. 20, рис. 1-10).
Схема последовательного соединения конденсаторов применяется для получения высоких импедансов и напряжений. Например, по этой схеме соединены конденсаторные секции в высоковольтных импульсных конденсаторах погружного типа по изобретению СССР №1355017 и патентам РФ №2101793 и №2130662.
Недостаток схемы последовательного соединения конденсаторов - техническая невозможность ее реализации в малых габаритах вследствие высокого напряжения и, соответственно, увеличения вероятности электрического повреждения (пробоя) схемы.
Известна также схема параллельного соединения конденсаторов, когда конденсаторы располагаются пространственно параллельно (в виде ряда кубиков) и присоединяются началами конденсаторов к одной общей шине, а концами конденсаторов - к другой общей шине, шины подключаются к источнику питания, например зарядному устройству (см. книгу В.С. Попов, Н.Н. Мансуров, С.А. Николаев «Электротехника», Уч. Изд., Москва, 1958, стр. 21, рис. 1-11).
Схема параллельного соединения конденсаторов применяется для снижения импеданса и получения больших токов. Например, по этой схеме строятся конденсаторные батареи для лазерных установок и установок термоядерного синтеза, а также электроимпульсные установки для обеззараживания жидкости (см. например, патент РФ №2144003).
Недостатком схемы параллельного соединения конденсаторов является то, что когда конденсаторы имеют большую высоту или длину, то пространственно параллельно разместить их в трубчатом металлическом корпусе скважинного электроразрядного аппарата и обеспечить тем самым большую энергоемкость и малые размеры схемы емкостного накопителя невозможно.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является емкостный накопитель энергии, использованный в скважинном источнике упругих колебаний (см. описание и фиг. 2 RU 2248591 C2, МПК G01V 1/157, опубл. 20.03.2005). В емкостном накопителе данного источника использованы семь цилиндрических конденсаторов, соединенных параллельно друг с другом. Общая емкость накопителя 200 мкФ, рабочее напряжение 3 кВ, средняя запасаемая энергия 1 кДж. Из-за малого диаметра источника (102 мм по внешнему защитному корпусу) и относительно большого диаметра конденсаторов (75 мм) конденсаторы расположены в одну линию («паровозиком») и введены две токопроводящие шины, расположенные вдоль всей цепи (внешней поверхности) конденсаторов диаметрально противоположно, при этом к одной шине присоединены начала всех конденсаторов, а к другой шине - концы всех конденсаторов. Дополнительно между концами и началами смежных конденсаторов устроены зазоры, в которые установлены твердотельные диэлектрические барьеры. Токопроводящие шины изолированы от поверхности конденсаторов и наружного защитного корпуса полимерной изоляционной пленкой. К одной - высоковольтной шине подключены высоковольтный выпрямитель и верхний электрод управляемого коммутатора, другая - заземленная шина подключена через калиброванную взрывающуюся проволочку к стальному защитному корпусу источника и нижнему электроду управляемого коммутатора. Общая длина емкостного накопителя скважинного источника упругих волн 1,64 м.
Недостатками емкостного накопителя, раскрытого в наиболее близком аналоге являются:
- большая длина емкостного накопителя (1,64 м вместо 1,19 м в идеале при семи конденсаторах) вследствие больших резьбовых выводов у конденсаторов и наличия изоляционных зазоров между смежными конденсаторами;
- большая индуктивность емкостного накопителя из-за пространственного разнесения конденсаторов и большой длины токопроводящих шин сборных, что снижает амплитуду разрядного тока и амплитуду электрогидравлического удара источника;
- большая индуктивность емкостного накопителя из-за разнесения конденсаторов и разного расстояния до нагрузки (взрывающей проволочки) - собственные частоты и амплитуды колебаний напряжения и тока в смежных конденсаторах различны (отличаются примерно в 1,41 раза); соответственно, перегруженные по току конденсаторы часто выходят из строя и снижается общий ресурс скважинного источника;
- отсутствие механической сцепки смежных конденсаторов, вследствие чего схема емкостного накопителя механически неустойчива и ее трудно обертывать изоляционной пленкой и устанавливать в защитный металлический корпус.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявленного изобретения является создание благоприятных условий для создания скважинных электроразрядных аппаратов малого диаметра и одновременно большой энергоемкости (и мощности).
Техническим результатом изобретения является снижение индуктивности, повышение механической и электрической прочности емкостного накопителя, при одновременном уменьшении его длины, веса.
Указанный технический результат достигается за счет того, что емкостный накопитель энергии содержит, по крайней мере, два конденсатора, высоковольтную и заземленную токопроводящие шины, при этом конденсаторы расположены в одну линию вдоль шин и подключены к ним параллельно, а смежные конденсаторы расположены одноименными выводами друг напротив друга, при механическом и электрическом соединении смежных конденсаторов одноименными выводами друг с другом.
Для емкостного накопителя применяют конденсаторы с разнонаправленными выводами или однонаправленными выводами.
Для емкостного накопителя применяют конденсаторы с укороченными выводами, а также конденсаторы с пластиковыми или металлическими корпусами.
Боковые поверхности смежных конденсаторов изолированы попарно от первой и второй шин полосы полимерной пленки с поперечным сечением С-образной или прямоугольной формы.
При применении конденсаторов с разнонаправленными выводами, боковые поверхности крайних конденсаторов изолированы от высоковольтной и заземленной токопроводящих шин полосами полимерной пленки, изогнутых в виде буквы «Г» или полосами полимерной пленки с выступающими за пределы конденсаторов концами.
Высоковольтная и заземленная шины расположены с разносом по азимуту на угол от 0 до 180°.
Заземленная шина выполнена в виде тонкостенный металлического лотка с поперечным сечением С-образной формы.
Высоковольтная шина выполнена в виде металлической полосы с электроизоляционным покрытием.
При применении конденсаторов с разнонаправленными выводами выводы конденсатов соединены друг с другом при помощи шпилек, или гаек, или муфт с резьбой.
При применении конденсаторов с однонаправленными выводами, выводы конденсатов соединены друг с другом при помощи упругих или шарнирных элементов.
При применении конденсаторов с укороченными выводами, выводы конденсатов соединены друг с другом при помощи перемычек.
При применении конденсаторов с однонаправленными выводами, боковые и торцевые поверхности крайних конденсаторов изолированы от высоковольтной и заземленной токопроводящих шин полимерными изоляторами в виде стаканов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 и 2 приведены электрические схемы предлагаемого емкостного накопителя с высоковольтными конденсаторами, имеющими разнонаправленные и однонаправленные выводы, соответственно.
На фиг. 3 приведена общая компоновка емкостного накопителя аппарата «Plasma Streamer 102» с токоведущими шинами, расположенными друг на дружке и высоковольтными конденсаторами, имеющими разнонаправленные выводы.
На фиг. 4 и 5 приведены варианты схем соединения соседних конденсаторов в емкостном накопителе аппарата «Plasma Streamer 102».
1 - высоковольтная токопроводящая шины; 2 - заземленная токопроводящая шина; 3 - конденсатор; 4 - полосы полимерной пленки; 5 - муфта; 6 - вывод конденсаторов; 7 - токоограничивающие резисторы; 8 - полосы полимерной пленки, изогнутые в виде буквы «Г»; 9 - полимерные изоляторы в виде стаканов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с фиг. 1-5 емкостный накопитель энергии содержит, по крайней мере, два конденсатора (3), высоковольтную (1) и заземленную (2) токопроводящие шины, при этом конденсаторы (3) расположены в одну линию вдоль шин (1, 2) и подключены к ним параллельно, а смежные конденсаторы (3) расположены одноименными выводами (10) друг напротив друга, при механическом и электрическом соединении смежных конденсаторов одноименными выводами (10) друг с другом.
Для емкостного накопителя применяют конденсаторы (3) с разнонаправленными или однонаправленными выводами (6). Для емкостного накопителя применяют конденсаторы (3) с укороченными выводами (6), а также конденсаторы (3) с пластиковыми или металлическими корпусами.
Боковые поверхности смежных конденсаторов (3) изолированы попарно от первой и второй шин (1, 2) полосами (4) полимерной пленки с поперечным сечением С-образной или прямоугольной формы.
При применении конденсаторов (3) с разнонаправленными выводами, боковые поверхности крайних конденсаторов (3) изолированы от высоковольтной и заземленной токопроводящих шин (1, 2) полосами полимерной пленки (8), изогнутых в виде буквы «Г» или полосами полимерной пленки (8) с выступающими за пределы (на фиг. не показаны) конденсаторов (3) концами.
Высоковольтная и заземленная шины расположены с разносом по азимуту на угол от 0 до 180°.
Заземленная шина (2) выполнена в виде тонкостенный металлического лотка с поперечным сечением С-образной формы.
Высоковольтная шина (1) выполнена в виде металлической полосы с электроизоляционным покрытием.
При применении конденсаторов (3) с разнонаправленными выводами (6), выводы (5) конденсатов (3) соединены друг с другом при помощи шпилек, или гаек, или муфт с резьбой.
При применении конденсаторов (3) с однонаправленными выводами (6), выводы (5) конденсатов (3) соединены друг с другом при помощи упругих или шарнирных элементов.
При применении конденсаторов (3) с укороченными выводами (6), выводы (6) конденсатов (3) соединены друг с другом при помощи перемычек.
При применении конденсаторов (3) с однонаправленными выводами (6), боковые и торцевые поверхности крайних конденсаторов (3) изолированы от высоковольтной и заземленной токопроводящих шин (1) полимерными изоляторами (9) в виде стаканов.
В качестве полимера для полос полимерной пленки (4, 8) и изоляторов (9) применяют лавсан или полиамид.
Применяют пленочные, керамические и другие известные конденсаторы (3). Конденсаторы (3) используют цилиндрической, дисковой и других известных форм.
Согласно фиг. 1 в заявленном техническом решении применяют пять конденсаторов (3) С1-С5, например конденсаторы К75-99В напряжением 6 кВ и емкостью 50-55 мкФ производства ЗАО «ЭЛКОД» в цилиндрических корпусах из полимерных материалов диаметром 75 мм и длиной 170 мм с разнонаправленными резьбовыми выводами длиной 25 мм, конденсаторы серии Е51 производства фирмы «Electronicon» напряжением 6 кВ и емкостью 2,5 мкФ, диаметром 90 мм и длиной 285 мм с разнонаправленными резьбовыми выводами в виде гаек Мб на торцах конденсаторов или дисковые керамические конденсаторы серии DNS производства японской фирмы "muRata" напряжением 10 кВ и емкостью 5000-8000 пФ, диаметром 52-60 мм и высотой 16 мм с разнонаправленными резьбовыми выводами в виде гаек М4.
Согласно фиг. 2 в заявленном техническом решении применяют шесть конденсаторов (3) С1-С6, например конденсаторы К75-65М напряжением 4 кВ и емкостью 47 мкФ производства ЗАО «ЭЛКОД» цилиндрических алюминиевых корпусах диаметром 95 мм и длиной 155 мм с однонаправленными выводами, конденсаторы серий FCA…Q производства французской фирмы «ТРС» в цилиндрических алюминиевых корпусах с однонаправленными резьбовыми выводами напряжением 2 кВ и емкостью 2,2 мкФ, диаметром 80 мм и длиной 97 мм или типа UNL производства американской фирмы CDE Cornell Dubilier в цилиндрических алюминиевых корпусах с однонаправленными резьбовыми выводами напряжением 1 кВ и емкостью 25 мкФ, диаметром 50 мм и длиной 63 мм.
Благодаря малому диаметру таких конденсаторов их можно использовать при создании скважинных электроразрядных аппаратов диаметром 70-90 мм.
В качестве конденсаторов (3) в заявленном техническом решении могут быть использованы также конденсаторы с проволочными и лепестковыми выводами.
Заявленный емкостный накопитель использоваться в наземных условиях, например, в рельсотронах для магнитного (токового) разгона мишеней, и в скважинных условиях, например, в составе скважинных электроразрядных аппаратов для очистки призабойной зоны нагнетательных, нефтяных и газоконденсатных скважин от отложений, а также межскважинного сейсмопросвечивания и электромагнитного сканирования горных пород.
Заявленный емкостный накопитель работает следующим образом.
Монтаж конденсаторов (3) в одну линию («паровозиком») осуществляется в специальном металлическом тонкостенном лотке, который является заземленной шиной (2). Поверхность лотка изнутри покрыта электроизоляционным лаком. Высоковольтная шина (1) выполнена в виде полосы и расположена непосредственно на заземленной шине 2. Сделано это для минимизации погонной индуктивности шин и повышения электрического КПД емкостного накопителя. Боковые поверхности смежных конденсаторов от высоковольтной и заземленной шин (1, 2) с помощью полос (4) полимерной пленки, а поверхности крайних конденсаторов (3) - с помощью полос полимерной пленки (8), изогнутых в виде буквы «Г», полос полимерной пленки (8) с выступающими за пределы (на фиг. не показаны) конденсаторов (3) или полимерными изоляторами (9) в виде стаканов. Тонкостенный лоток (заземленная шина (2)) с смонтированными в нем высоковольтной шиной (1), конденсаторами (3), муфтами (5) обертывается полимерной пленкой и устанавливается во внешний стальной корпус. Конденсаторы (3) с однонаправленными выводами (6) (как показано на фиг. 1) соединены выводами (6) с высоковольтной и заземленной шинами (1, 2) при помощи латунных муфт (5) параллельно. На муфтах (5) со стороны торцов выполнены отверстия с резьбой под выводы (6) конденсаторов, а со стороны боковой поверхности - отверстия с резьбой для присоединения муфт (6) винтами поочередно к высоковольтной (1) и заземленной (2) шинам.
Общая длина емкостного накопителя аппарата «Plasma Streamer 102» при пяти конденсаторах К75-99В составляет 1100 мм, а вместе с электроникой зарядного устройства и контактором - 1921 мм. При работе емкостного накопителя максимально допустимое напряжение (6 кВ) не используется. Для повышения ресурса конденсаторов емкостного накопителя его рабочее (зарядное) напряжение обычно устанавливается в пределах 2,7-3,5 кВ.
После сборки емкостного накопителя энергии, подключают к высоковольтной и заземленной шинам (1, 2) емкостного накопителя с его левой стороны источник питания, например, генератора переменного напряжения с высоковольтным выпрямителем (на фиг. не показаны) все конденсаторы (3) одновременно заряжаются. При этом все конденсаторы (3) находятся под одним напряжением, а заряд и запасаемая энергия в каждом конденсаторе (3) пропорциональны его емкости. Общая энергоемкость накопителя равна сумме энергий в каждом конденсаторе (3). Но, в отличие от схемы-прототипа, в предлагаемом накопителе отсутствует перепад напряжений между смежными конденсаторами и повышается электрическая прочность и надежность схемы накопителя. Кроме того, возрастает механические устойчивость и прочность схемы накопителя. По окончании процесса зарядки конденсаторов (3) и срабатывании коммутатора, подключенного вместе с нагрузкой к высоковольтной и заземленной шинам (1, 2) накопителя с правой стороны (на фиг. не показаны), конденсаторы (3) практически синхронно разряжаются и в нагрузке протекает ток равный сумме токов от отдельных конденсаторов (3). В нагрузке, в зависимости от ее типа (индуктивная или резистивная), накапливается магнитная энергия или тепловая энергия и совершается их преобразование в механическую работу (полет снаряда или электрогидравлический удар).
Для ограничения разрядных токов (недопущения К3) в конденсаторах (3) при их низкой собственной индуктивности и работе конденсаторов (3) на взрывающуюся проволочку между выводами соседних конденсаторов и одной из шин (1, 2) включены токоограничивающие (выравнивающие) резисторы (7), величиной 0,15 Ом, выполненные из нихромовой проволоки закрученной в небольшие спирали. При работе емкостного накопителя на резистивную нагрузку или высокой собственной индуктивности конденсаторов вышеуказанные токоограничивающие (выравнивающие) резисторы (7) не устанавливаются.
Расположение смежных конденсаторов одноименными выводами друг против друга и соединение их одноименными выводами механически и электрически обеспечивает:
- сокращение длины и индуктивности емкостного накопителя примерно в 1,49 раза (с 1640 мм до 1100 мм), что увеличивает примерно в 1,22 раза амплитуды разрядного тока и электрогидравлического удара;
- увеличение механической жесткости схемы емкостного накопителя, что упрощает его дальнейшую сборку, изолирование и установку его как «снаряда» в защитный металлический корпус;
- устранение высоких напряжений между смежными конденсаторами и увеличение надежности функционирования емкостного накопителя.
Изолирование боковых поверхностей смежных конденсаторов попарно от первой и второй токопроводящих шин полосами полимерной пленки с поперечным сечением С-образной или прямоугольной формы обеспечивает защиту от электрического пробоя между боковыми поверхностями высоковольтных конденсаторов (рулонами из металлизированной конденсаторной пленки) и токопроводящими высоковольтной и заземленной шинами. Это дополнительно повышает надежность функционирования емкостного накопителя, особенно, если его рабочее напряжение превышает 10 кВ. Кроме того, при этом снижается примерно на 40% расход полимерной пленки.
Применение конденсаторов с однонаправленными выводами позволяет расположить конденсаторы выводами «лицом к лицу», а корпусами - «спина к спине» и тем самым максимально уменьшить длину, вес и индуктивность емкостного накопителя.
Применение конденсаторов с проволочными или лепестковыми выводами позволяет путем изгиба этих выводов приблизить конденсаторы друг к другу и использовать эти выводы для соединения с токоведущими шинами. Это также позволяет сократить длину и вес емкостного накопителя. Кроме того, устраняются механические напряжения в электрических соединениях и снижается механическая нагрузка на шоопировку конденсаторов.
Соединение соседних конденсаторов с помощью упругих или шарнирных элементов позволяет создавать длинные и энергоемкие емкостные накопители без эффекта «коленчатого вала» (с компенсацией осевых биений и без механических напряжений между соседними конденсаторами), что весьма важно при эксплуатации емкостных накопителей в скважинах при сильных перепадах температур (от -30°C на поверхности земли до +115°C на забое скважины).
Укорочение выводов конденсаторов (в выпускаемых конденсаторах длина только одного резьбового вывода может достигать 15% длины корпуса конденсатора) позволяет уменьшить примерно на 20% длину и вес емкостного накопителя.
Разнос токоведущих шин по азимуту на угол от 0 до 180° (от расположения шин друг на дружке до диаметрально противоположного) позволяет использовать пространство внутри стального защитного корпуса более рационально и разнообразно. Кроме того, это позволяет увеличить ширину и токопропускную способность токопроводящих шин и уменьшить их погонную индуктивность, особенно при расположении шин друг на дружке.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить индуктивность, повысить механическую и электрическую прочность емкостного накопителя, при одновременном уменьшении его длины, веса.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.