способ энергоснабжения скважинной аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ энергоснабжения скважинной аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти, включающий подачу электрической энергии от химических элементов питания, отличающийся тем, что осуществляют последовательное задействование химических элементов путем подачи пластовых флюидов внутрь химических элементов питания и пропитки основного компонента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют накопление энергии, вырабатываемой химическими элементами.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что переключение химических элементов осуществляют по падению напряжения или по времени.

4. Устройство для энергоснабжения скважинной аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти, 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, отличающееся тем, что 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.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутри общего корпуса установлен накопитель энергии.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что внутри общего корпуса установлен блок контроля напряжения, вход которого соединен с выходом из накопителя энергии.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутри общего корпуса установлен блок управления, вход которого соединен с выходом из блока контроля напряжения.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что впускные отверстия на корпусах разных химических элементов имеют разный диаметр.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что впускные отверстия закрыты клапанами с приводами.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью поочередного задействования химических элементов посредством подачи команд на приводы клапанов от управляющего устройства и/или от таймера.

11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что во впускных отверстиях установлены фильтры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии добычи нефти и газа.

Известен способ энергоснабжения скважинной аппаратуры и источник питания скважинной аппаратуры в виде турбогенератора, содержащего гидротурбину, приводимую в движение потоком бурового раствора, маслозаполненный статор, залитый эпоксидным компаундом, и ротор генератора переменного тока на постоянных магнитах, расположенных на валу гидротурбины (Молчанова А. А., Сираев А. X. Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией. - М.: Недра, 1979, с. 102…103).

Недостатком такого источника питания является его низкий ресурс, связанный с износом подшипников и уплотнений. Этот способ и устройство применяются при бурении скважин, когда возможна частая профилактика оборудования, поднимаемого на поверхность. В условиях эксплуатации скважины оборудование должно работать в скважине без профилактики несколько лет, желательно в течение всего срока действия скважины. Описанные выше способ и устройство этого не обеспечивают.

Известен также источник питания скважинной аппаратуры по свидетельству РФ на полезную модель №18211 (прототип). Этот источник питания содержит химические элементы, каждый из которых выполнен в корпусе и размещен в общем корпусе, который закреплен с кольцевым зазором внутри колонны бурильных труб над скважинной аппаратурой при помощи разъема на торце и кабельного наконечника.

Недостаток - низкий ресурс работы химических элементов и неприспособленность их к условиям работы в процессе добычи нефти. Ресурс батарейных элементов весьма ограничен и они не восстанавливаются и не перезаряжаются. Такие элементы могут использоваться при бурении скважины для питания электронных компонентов скважинной аппаратуры, но вообще не пригодны для работы в скважине в условиях добычи нефти.

Задачей создания изобретения является увеличение ресурса работы аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что способ энергоснабжения скважинной аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти, включающий подачу электрической энергии от химических элементов питания, отличается тем, что осуществляют последовательное задействование химических элементов питания путем подачи или пропитки основного компонента химических источников посредством пластовых флюидов. Одновременно осуществляют накопление энергии, вырабатываемой химическими элементами. Переключение химических элементов осуществляют по падению напряжения или по времени.

Устройство для энергоснабжения скважинной аппаратуры контроля состояния пласта при добыче нефти, установленное в скважине, содержащее химические элементы, установленные в корпусах и в общем корпусе, закрепленном с кольцевым зазором в скважине, отличается тем, что полости в корпусах химических элементов заполнены основным компонентом, причем эти полости выполнены с возможностью сообщения через впускные отверстия в корпусах и общем корпусе с кольцевым зазором между общим корпусом и скважиной. Внутри общего корпуса может быть установлен накопитель энергии, вход которого подключен к выходам из химических элементов, а также блок контроля напряжения, вход которого подключен к выходу из накопителя энергии и блок управления, вход которого подключен к выходу из блока контроля напряжения. Впускные отверстия могут быть или открытыми или закрытыми клапанами с приводами. Устройство выполнено с возможностью поочередного задействования химических элементов посредством подачи команд на приводы клапанов от блока управления или от таймера или от блока управления и таймера одновременно. Во впускных отверстиях, например, перед клапанами или после них могут быть установлены фильтры.

Проведенные патентные исследования показали, что предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т. е. всеми критериями изобретения. Новизна подтверждается проведенными исследованиями. Изобретательский уровень обосновывается тем, что предложенное техническое решение неочевидно для специалиста средней квалификации, а если бы оно было очевидным, то подобные способ и устройства были бы реализованы на практике или, по крайней мере, их описание появилось бы в специальной литературе, так как задача создания источника, работающего длительное время в автономном режиме без обслуживания, стоит перед нефтедобывающей отраслью много лет и до настоящего времени не реализована ни на практике, ни даже в теоретическом плане. Предложенное изобретение позволит увеличить ресурс источника электроэнергии на порядок.

Техническая реализация изобретения реальна, т. к. в конструкции устройства (источника энергоснабжения скважинной аппаратуры) использованы серийно выпускаемые детали и узлы и электронные компоненты систем коммутации, измерения напряжения и времени.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…7, где:

на фиг.1 - приведена схема реализации способа и размещение устройства электроснабжения скважинной аппаратуры в составе колонны бурильных труб;

на фиг.2 - схема устройства без клапанов;

на фиг.3 - компоновочная схема устройства с клапанами и блоком управления;

на фиг.4 - схема устройства с клапанами, блоком управления и таймером;

на фиг.5 - химический элемент без клапана;

на фиг.6 - химический элемент с клапаном и приводом.

Устройство энергоснабжения скважинной аппаратуры 1 (фиг.1) подстыковано к скважинной аппаратуре 2 и установлено в скважине 3, которая выведена в нефтеносный пласт 4. Например, устройство энергоснабжения скважинной аппаратуры может быть установлено на конце насосно-компрессорной трубы 4, которая, в свою очередь, установлена в обсадной колонне 6. В верхней части насосно-компрессорных труб смонтирована фонтанная аппаратура 7 и нефтяной трубопровод 8.

Устройство энергоснабжения скважинной аппаратуры (фиг.2) содержит химические элементы 9 и 10, выполненные в корпусах 11 и установленные в общем корпусе 12, закрепленном с кольцевым зазором “А” внутри скважины 3. Химических элементов 9 и 10 может быть выполнено несколько. Химические элементы 9 и 10 установлены над скважинной аппаратурой 2 и присоединены к ней при помощи кабельного наконечника 13 с герметизацией всех проводов и разъема 14. Все химические элементы 9 и 10 содержат внутри корпусов 11 основной компонент 15. Основной компонент 15 находится преимущественно в твердой фазе, хотя и не исключена возможность использования паст и суспензий. В корпусах 11 и 12 выполнены одно или несколько впускных отверстий “В”. При этом впускные отверстия “В” на разных элементах имеют разный диаметр, что необходимо для поочередного задействования химических элементов. В общем корпусе 12 может быть установлены накопитель энергии 16, вход которого подключен к выходам из химических источников 9 и 10. Накопитель энергии 16 может быть выполнен на конденсаторах или ионисторах.

На фиг.3 приведена схема, в которой к выходу из накопителя энергии 16 подключен вход блока контроля напряжения 17. Выход из блока контроля напряжения 17 подключен к входу в блок управления 18. Выходы из блока управления 18 подключены к коммутатору 19 и к скважинной аппаратуре контроля состояния пласта 2. Вся электроника и провода находятся внутри общего корпуса 12 и полностью загерметизированы. Химические элементы 9 и 10 оборудованы клапанами 20, каждый из которых оснащен приводом 21. Эти клапана предназначены для управления подачей пластовых флюидов внутрь корпусов химических элементов 9 и 10.

На фиг.4 приведена аналогичная схема, но дополнительно установлен таймер 22, выход которого подключен к входу в блок управления 18. Подключение очередного химического элемента осуществляется по времени.

На фиг.5 показана конструкция химического элемента без клапанов. Все химические элементы имеют по два электрода. Один электрод 23 выведен через изолирующую втулку 24, а вторым электродом служит, например, корпус 11. В отверстии “В” может быть установлен фильтр 25.

На фиг.6 - конструкция химического элемента, оборудованного клапанами для управления подачей пластовых флюидов для пропитки основного компонета 15 и его активизации посредством пластовых флюидов.

В одном из вариантов исполнения фиг.2 и 6 отверстия “В” не закрыты и имеют различный диаметр.

В других вариантах на фиг.3, 4, 5 и 6 показаны химические элементы 9 и 10 с впускными отверстиями “В”, закрытыми клапанами 20 с приводами 21.

Устройство в первом варианте исполнения (фиг.2 и 5) работает следующим образом. В процессе добычи нефти или газа пластовые флюиды (нефть, газ, смесь нефти с газом, с водой и т.д.) через впускные отверстия “В” проникают внутрь химических элементов 9 и 10 и пропитывают основной компонент 15, например соль NaCl, который находится, например, в виде спрессованного порошка. В результате сначала задействуется первый химический элемент 9, имеющий отверстия “В” большего диаметра, потом следующий химический элемент 10, т. к. впускные отверстия “В” в нем имеют меньший диаметр и процесс заполнения полости химического элемента 10 флюидами и пропитывание ими основного компонента 15 идет значительно медленнее. Количество химических элементов может быть более двух. Между электродом 23 и корпусом 11 возникает напряжение, которое подается через накопитель энергии 16 и далее на скважинный прибор 2. Скважинный прибор 2 измеряет параметры пласта, например давление, температуру и т.д., и передает эти параметры на поверхность по электромагнитному каналу связи. Для реализации электромагнитного канала связи скважинный прибор установлен на центраторах и подсоединен к двум электропроводным частям электрического разделителя (на фиг.1…6 центратор, электрический разделитель и электромагнитный канал связи не показаны).

Вторая модификация источника питания скважинной аппаратуры (фиг.3 и 6) работает следующим образом. Сигнал с блока управления 18 (фиг.1) подается на привод клапана 21, который перемещает клапан 20, открывая впускное отверстие “В”. Из кольцевого зазора “А” через впускное отверстие “В” и фильтр 25 в полость “С” поступают пластовые флюиды. Пластовые флюиды пропитывают основной компонент 15. Между электродом 23 и корпусом 11 возникает напряжение. При снижении напряжения химического элемента 9, которое контролирует блок контроля напряжения 17, блок управления 18 автоматически задействует очередной химический элемент 10 путем подачи сигнала на привод 21 клапана 20 и одновременно осуществляет перекоммутацию при помощи коммутатора 19, т. е. отключает отработавший свой ресурс химический элемент 9 от скважинной аппаратуры 2 и подключает химический элемент 10. Возможна подача управляющего сигнала вместо блока управления 18 с таймера 22 (фиг.3), в этом случае переключение химических элементов 9 и 10 производится не по снижению напряжения на электродах, а по времени автоматически. Применение изобретения позволило:

1. Впервые разработать относительно энергоемкий и дешевый источник для длительного питания скважинной аппаратуры при добыче нефти.

2. Использовать в качестве активизирующего компонента химического источника питания пластовые флюиды, всегда присутствующие при добыче нефти, и тем самым уменьшить вес и габариты химических элементов за счет исключения из их конструкции активирующего компонента и устройства, реализующего перемешивание компонентов.

3. Увеличить на порядок ресурс работы источника питания и обеспечить бесперебойное питание электроэнергией скважинной аппаратуры.

4. Стабилизировать напряжение питания скважинной аппаратуры за счет поочередного подключения химических элементов.

5. Получить значительный экономический эффект за счет исключения спускоподъемных операций для частой замены ранее применявшегося источника питания скважинной аппаратуры.