Способ электропитания скважинных электроразрядных устройств

СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ(71)(73) Заявитель и патентовладелец: КАРТЕЛЕВ АНАТОЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ (RU) Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к способам электропитания скважинных электроразрядных (электрогидравлических) устройств,предназначенных для обработки призабойной зоны нефтяных скважин и межскважинного сейсмического и электромагнитного сканирования. Технический результат изобретения: повышение производительности, ресурса и надежности скважинных электроразрядных устройств. Сущность изобретения: в известном способе электропитания скважинных электроразрядных устройств, заключающимся в подаче через геофизический кабель от наземного пульта питания и управления на погружную часть устройства, содержащую зарядный блок, емкостной накопитель энергии, коммутатор и электродную систему, переменного напряжения в виде синусоиды или трапециидального меандра, новым является то, что частоту питающего напряжения устанавливают в диапазоне 1,2-4 кГц. 017335 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к способам электропитания скважинных электроразрядных устройств, предназначенных для электрогидравлической обработки призабойной зоны нефтяных скважин и межскважинного сейсмического и электромагнитного сканирования. Предшествующий уровень техники Известен способ электропитания скважинных электроразрядных устройств, который применен в скважинном источнике упругих колебаний Приток-1 (см. патент РФ 2248591, МПК 7 G01V 1/157,авторы Большаков Е.П., Дмитриев Д.Н., Иванов Б.А., Молчанов А.А. и др., заявлено 04.01.2003, опубл. 20.03.2005, БИ 8) и заключается в том, что скважинный снаряд с размещенными в нем зарядным устройством, емкостным накопителем энергии, разрядником со схемой поджига, двухэлектродной системой и устройством подачи металлической проволоки в рабочее межэлектродное пространство питается стандартным переменным напряжением амплитудой 220 В и частотой 50 Гц. Это напряжение подается к скважинному снаряду по жилам геофизического кабеля от наземного блока питания и управления. Недостатком известного способа электропитания скважинного электроразрядного источника упругих колебаний является малая частота питающего напряжения, вследствие чего: а) среднее время заряда емкостного накопителя энергии с энергосодержанием 1 кДж и, соответственно, средняя длительность одного полного цикла срабатывания скважинного источника составляет 30 с. Это приводит к снижению производительности источника (время обработки призабойной зоны нефтяной скважины увеличивается до 16-24 ч); б) магнитопровод и в целом высоковольтный трансформатор в зарядном устройстве имеет большие габариты. Это отрицательно сказывается на габаритно-массовых параметрах зарядного устройства и скважинного источника (длина скважинного снаряда достигает 2,6 м, вес 90 кг). Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ электропитания, который применен в генераторе импульсных токов скважинной электрогидравлической установки (см. статью А.М. Курач,Ю.И. Курашко, В.И. Воробьев, С.И. Заславский, "Генератор импульсных токов для электрогидравлической установки воздействия на пласт", Тезисы докладов 3 Всесоюзной научно-технической конференции, Николаев, 1984, с. 111-112) и заключается в том, что погружная часть установки, содержащая зарядный блок, емкостной накопитель энергии, коммутатор (разрядник) и электродную систему, питается переменным напряжением частотой 1 кГц. Это напряжение подается к погружной части установки по жилам геофизического кабеля длиной 22,5 км от наземного пульта питания и управления. Наземный пульт питания и управления включает в себя стабилизатор сетевого напряжения, выпрямитель, автономный инвертор напряжения, блок управления инвертором, повышающий трансформатор и согласующую индуктивность. Выпрямитель однофазный и собран по мостовой схеме. В качестве стабилизатора сетевого напряжения применен регулируемый автотрансформатор. Автономный инвертор напряжения выполнен на тиристорах ТЧ-40 по однофазной схеме с нулевым выводом. Дополнительная согласующая индуктивность позволяет преобразовать источник напряжения в источник тока. При этом распределенная емкость геофизического кабеля выполняет функции второго плеча Г-образного индуктивно-емкостного преобразователя и фильтра высших гармоник, благодаря чему на первичную обмотку высоковольтного трансформатора в зарядном блоке напряжение питания поступает не в виде прямоугольного меандра, а виде сглаженного - близкого к синусоидальному напряжения частотой 1 кГц (см. фиг. 4). Рабочее напряжение погружной части скважинной электрогидравлической установки 30 кВ, частота следования разрядных импульсов 0,1-0,2 Гц (период следования разрядных импульсов соответственно равен 5-10 с), энергия в импульсе 0,55-1,1 кДж. В собранном виде погружная часть установки имеет диаметр 112 мм, длину 7,3 м и вес 250 кг. Благодаря большей, чем у аналога, частоте питающего напряжения в этой установке удалось уменьшить время заряда емкостного накопителя и повысить производительность установки. Однако в описанном выше способе-прототипе не был устранен следующий недостаток: неоптимальная для работы зарядного блока (его повышающего трансформатора и высоковольтного выпрямителя) частота питающего напряжения 1 кГц, что проявляется в снижении зарядного тока до 100 мА и увеличении времени заряда емкостного накопителя до 5-10 с и, соответственно, недостаточной производительности скважинной электрогидравлической установки; невозможности питания на данной частоте скважинных электрогидравлических (электроразрядных) установок большой энергоемкости 5-10 кДж (время заряда емкостного накопителя таких установок увеличивается до 20-30 с, что приводит к интенсивным утечкам тока и короне на внутренних элементах установки и, соответственно, снижению надежности и ресурса установки). Сущность изобретения При создании данного изобретения решались одновременно три задачи: а) дальнейшее повышение производительности скважинного электроразрядного устройства; б) обеспечение возможности электропитания скважинных электроразрядных устройств большой энергоемкости; в) уменьшение вредного воздействия интенсивного электрического поля на внутренние элементы основных блоков погружной части сква-1 017335 жинного электроразрядного устройства (зарядный блок, емкостной накопитель энергии и коммутатор). Техническим результатом изобретения является повышение производительности, надежности и ресурса скважинного электроразрядного устройства (термин электрогидравлическая установка заменен авторами на термин электроразрядное устройство, так как последний термин авторы считают более общим и более широким). Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе электропитания скважинного электроразрядного устройства, заключающемся в подаче через геофизический кабель от наземного пульта питания и управления на погружную часть устройства, содержащую зарядный блок, емкостной накопитель энергии, коммутатор и электродную систему, переменного напряжения в виде синусоиды или трапециидального меандра, новым является то, что частоту питающего напряжения устанавливают в диапазоне 1,2-4 кГц (термин погружная часть электроразрядного устройства отождествляется авторами в настоящей заявке непосредственно со скважинным аппаратом. Термин скважинный снаряд авторами считается неудачным и не применяется). Установка частот напряжения питания погружной части скважинного электроразрядного устройства в диапазоне 1,2-4 кГц обеспечивает по сравнению с прототипом: а) сокращение примерно вдвое времени заряда емкостного накопителя. Это позволяет примерно вдвое повысить частоту электрогидравлических ударов или производительность скважинного электроразрядного устройства. Например, при наиболее оптимальной частоте питания 2 кГц время заряда емкостного накопителя скважинного электрогидравлического аппарата ЭРА-5 емкостью 10 мкФ и энергоемкостью 5 кДж минимально - примерно 15 с, при этом напряжение на емкостном накопителе составляет 27-31 кВ при всех длинах 1-5 км геофизического кабеля, что достаточно для пробоя скважинной жидкости и эффективной работы аппарата (см. фиг. 6); б) уменьшение примерно вдвое времени нахождения внутренних элементов зарядного блока, емкостного накопителя энергии и коммутатора под высоким напряжением, что повышает надежность и срок службы вышеуказанных блоков-модулей установки. Из книг В.Я. Ушакова, М.Климкина, С.М. Коробейникова, В.В.Лопатина Пробой жидкостей при импульсном напряжении, Изд-во научно-технической литературы, Томск, 2005, с. 325 и Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения под ред. проф. В.П. Ларионова, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с. 275 известен эмпирический закон жизни изоляторов, Епрbt=const или lg Епр=A-(1/b)lg t, где Епр - пробивная напряженность жидкого или твердого изолятора; t - время экспозиции напряжения, А и b - коэффициенты, индивидуальные для каждого изолятора, справедливый как для наносекундных, так и для многодневных экспозиций напряжения и гласящий, что увеличение временной экспозиции напряжения приводит к уменьшению пробивного напряжения изолятора и наоборот. Частоты 1,2 и 4 кГц авторы считают технически и юридически граничными: они не нарушают права разработчиков прототипа и в то же время делают технически и экономически невыгодной работу скважинных электроразрядных аппаратов за их пределами. Например, если работать на частоте питания 1 кГц, как у прототипа, то аппарат ЭРА-5 энергоемкостью 5 кДж невозможно зарядить до рабочего уровня напряжения 30 кВ, при котором происходит пробой скважинной жидкости (уровень напряжения на емкостном накопителе аппарата не превышает 20 кВ при длинах кабеля 3-5 км, см. фиг. 5). Если же работать на частоте 4 кГц и выше, то это приводит к нарастанию потерь электрической мощности на геофизическом кабеле (на кабеле длиной 5 км при данной частоте теряется большая часть 66% электрической мощности наземного пульта питания и управления (см. фиг. 8 и, соответственно, к снижению напряжения на емкостном накопителе (на этой частоте напряжение на емкостном накопителе аппарата ЭРА-5 меньше 20 кВ почти при всех длинах геофизического кабеля 2-5 км (см. фиг. 7. Т.е. в обоих случаях скважинный электроразрядный аппарат необходимо будет оснащать коммутатором с низким напряжением срабатывания. В результате, энергия разряда аппарата и производительность аппарата будут резко снижены. Выбранный диапазон частот питания скважинных электроразрядных устройств в научной и патентной литературе не обнаружен, что свидетельствует о новизне и изобретательском уровне заявки на изобретение. Перечень чертежей На фиг. 1 показана блок-схема,на фиг. 2 - общий вид скважинного электрогидравлического (электроразрядного) устройства ЭРА 5 энергоемкостью 5 кДж, в котором реализован предлагаемый способ электропитания; на фиг. 3 - осциллограммы выходных напряжения (верхний луч) и тока (нижний луч) наземного пульта питания и управления предложенного авторами скважинного электрогидравлического устройства ЭРА-5 (частота выходных тока и напряжения 2 кГц, развертка по обоим лучам 200 мс/дел); на фиг. 4 - осциллограммы выходного напряжения наземного пульта питания и управления прототипа - украинского скважинного электрогидравлического аппарата Скиф-100 (частота выходного напряжения 1 кГц, развертка луча 1 мс/дел);-2 017335 на фиг. 5-7 - кривые нарастания напряжения на конденсаторных модулях скважинного электрогидравлического устройства ЭРА-5 энергоемкостью 5 кДж и суммарной емкостью 10 мкФ на частоте прототипа 1 кГц, на рекомендуемой частоте питающего напряжения 2 кГц и на верхней предельной частоте 4 кГц соответственно при различных 1-5 км длинах геофизического кабеля; на фиг. 8 - зависимость от частоты электрической мощности на входе зарядного блока скважинного электрогидравлического устройства ЭРА-5 при длине геофизического кабеля 5 км и условной выходной мощности 1 кВт наземного пульта питания и управления. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Предлагаемый способ может быть реализован в любом скважинном электроразрядном (электрогидравлическом) устройстве. Авторами он реализован в скважинном электрогидравлическом устройстве ЭРА-5, которое предназначено для электрогидравлической очистки призабойной зоны скважины от солевых, асфальтосмолистых и пароафиновых отложений и межскважинного сейсмопросвечивания. Скважинное электрогидравлическое устройство ЭРА-5 содержит (см. фиг. 1 и 2) наземный пульт питания и управления 1, грузонесущий геофизический кабель 2 и скважинный электрогидравлический аппарат 3, являющийся погружной частью устройства. Наземный пульт питания и управления 1 включает в себя выпрямитель сетевого напряжения, автономный инвертор напряжения, блок управления инвертором, повышающий трансформатор и согласующую индуктивность. Выпрямитель однофазный и собран по мостовой схеме. В качестве стабилизатора сетевого напряжения применен регулируемый автотрансформатор. Автономный инвертор напряжения выполнен на тиристорах ТЧ-40 по однофазной схеме с нулевым выводом и подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора. Работает инвертор на частоте 2 кГц. В зависимости от длины геофизического кабеля и энергоемкости скважинной электрогидравлической установки выходное напряжение наземного пульта питания и управления регулируется в диапазоне 500-800 В с помощью переключения вторичных обмоток повышающего трансформатора. Форма выходного импульса напряжения близка к прямоугольному (точнее трапециидальному) меандру. Дополнительная согласующая индуктивность(применяемая при малых до 500 м длинах геофизического кабеля) или собственная индуктивность длинного до 5-6 км геофизического кабеля 2 позволяют преобразовать наземный источник напряжения в источник тока. При этом распределенная емкость геофизического кабеля 2 выполняет функции второго плеча Г-образного индуктивно-емкостного преобразователя и фильтра высших гармоник, благодаря чему на первичную обмотку высоковольтного трансформатора в зарядном блоке 4 напряжение питания поступает не в виде прямоугольного меандра, а виде сглаженного и близкого к синусоидальному напряжения (см. осциллограмму фиг. 3, верхний луч). Грузонесущий геофизический кабель 2 стандартный трехжильный марки КГЗ-60-120 с омическим сопротивлением жил 24-25 Ом/км, разрывным усилием 60 кН и термостойкостью 120 С. Скважинный электрогидравлический аппарат 3 выполнен по патенту ЕА 010901 (название Устройство для электрогидравлического воздействия на призабойную зону скважины, авторы Картелев А.Я. и др., МПК Е 21 В 43/25, выдан 30.12.2008) и представляет собой многомодульную конструкцию,состоящую из зарядного блока 4, емкостного накопителя энергии 5, коммутатора 6 и электродной системы 7. Каждый блок-модуль скважинного электрогидравлического аппарата 3 имеет автономный металлический корпус с присоединительными резьбами на концах, изолированные токовыводы и двухуровневую гидроизоляцию от внешней среды: наружную в виде уплотняющих элементов на одном из концов корпусов модулей и внутреннюю в виде уплотняющих элементов на выходных изоляторах и токовыводах модулей. Зарядный блок 4 оснащен на одном конце кабельной головкой для соединения с геофизическим кабелем 2, на другом конце имеет высоковольтный вывод для соединения с емкостным накопителем энергии 5. Внутри стального корпуса зарядного блока 4 размещены повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, собранный по схеме удвоения Латура, защитный дроссель, разрядный резистор и измерительная CR-цепочка. Емкостной накопитель энергии 5 выполнен из нескольких (от одного до пяти, в зависимости от модификации и назначения аппарата) идентичных конденсаторных модулей. Конденсаторные модули 5 представляют собой каждый группу последовательно или параллельно соединенных и пропитанных маслом конденсаторных секций, размещенных в металлическом корпусе, причем металлический корпус является катодом. Конденсаторные модули имеют на обоих концах выходные высоковольтные изоляторы,токовыводы и присоединительные резьбы (одну внутреннюю, другую наружную). Благодаря этому становится возможным соединение конденсаторных модулей в цепную линию, а также заряд конденсаторных модулей с одного конца модуля и разряд на нагрузку с другого конца модуля. Электрическая емкость каждого конденсаторного модуля 2,0-2,3 мкФ, рабочее напряжение 30 кВ, энергоемкость 1 кДж,индуктивность не более 120 нГн. Зарядный блок 4 и конденсаторные модули 5 отвакуумированы и заполнены конденсаторным мас-3 017335 лом. Высоковольтные изоляторы в этих модулях установлены с уплотнениями относительно токовыводов и корпуса. Внутри зарядного блока и конденсаторных модулей установлены термокомпенсаторы расширения конденсаторного масла, так как в скважинах обычно наблюдается повышенная температура. Термостойкость зарядного блока и конденсаторных модулей +100 С. Коммутатор 6 представляет собой неуправляемый газонаполненный разрядник с фиксированным напряжением срабатывания, также размещенный в металлическом корпусе и снабженный с двух сторон токовыводами, высоковольтными изоляторами и уплотнениями. Электродная система 7 имеет центральный анод-стержень, изолятор-обтекатель и катод с плоской поверхностью, установленный с зазором относительно анода и соединенный с металлическим корпусом,в котором выполнено до двенадцати продольных прорезей - окон для сообщения внутреннего объема электродной системы со скважинной жидкостью и высокоскоростного выброса жидкости при электрическом разряде. Изолятор-обтекатель установлен с уплотнениями относительно металлического корпуса и центрального анода для исключения прорыва скважинной жидкости, находящейся под высоким пластовым давлением 200-300 атм в направлении к коммутатору. Катод имеет хвостовик с резьбой, что позволяет путем вкручивания/выкручивания катода регулировать зазор между анодом и катодом электродной системы и ее электроакустический КПД. Диаметр всех блоков-модулей скважинного электрогидравлического аппарата 102 мм. Длины блоков-модулей аппарата различны: зарядный блок и конденсаторный модуль имеют длину соответственно 1,0 и 1,2 м, коммутатор и электродная система - длину соответственно 0,37 и 0,4 м. Вес конденсаторного модуля не превышает 30 кг, зарядного модуля - 25 кг, коммутатора - 7,5 кг, электродной системы - 9 кг. Сборка скважинного электрогидравлического аппарата и все межмодульные электрические и механические соединения осуществляются двумя простыми операциями: установкой на концы корпусов модулей кольцевых резиновых уплотнений и последовательным свинчиванием модулей друг с другом. При этом, в зависимости от числа используемых конденсаторных модулей (одного, двух, трех, четырех или пяти) энергоемкость аппарата может варьироваться от 1 до 5 кДж. Работает скважинное электрогидравлическое устройство ЭРА-5 следующим образом. Вначале скважинный электрогидравлический аппарат 3 соединяется с геофизическим кабелем 2 и спускается при помощи каротажного подъемника на интервал перфорации нефтяной скважины. Затем к коллектору каротажного подъемника (к жилам геофизического кабеля 2) подключается наземный пульт питания и управления 1. После включения наземного пульта питания и управления 1 по жилам геофизического кабеля 2 на входной разъем зарядного блока 4 аппарата поступает переменное напряжение, например амплитудой U=500 В и частотой f=2 кГц. Повышающим трансформатором зарядного блока 4 это напряжение повышается до 15 кВ, а высоковольтным выпрямителем, собранным по схеме удвоения Латура, переменное напряжение выпрямляется и удваивается. Выпрямленное напряжение прикладывается к емкостному накопителю энергии (конденсаторным модулям) 5 и емкостной накопитель 5 заряжается. Процесс заряда продолжается несколько сотен или тысяч полупериодов питающего напряжения, пока емкостный накопитель 5 полностью не зарядится (1-2 с при энергоемкости аппарата 1 кДж и 15-20 с при энергоемкости аппарата 5 кДж). После этого срабатывает коммутатор 6 и емкостный накопитель энергии 5 разряжается на электродную систему 7 (на искровой промежуток в скважинной жидкости). При разряде в скважинной жидкости образуется быстрорасширяющаяся парогазовая полость, от которой отходит ударная волна и мощный гидропоток. Эти два физических поля разрушают отложения в зоне перфорационных отверстий и развивают старые трещины или образовывают новые трещины в призабойной зоне нефтяной скважины. В результате повышается проницаемость нефтяного пласта и увеличивается дебит нефтяной скважины. Предлагаемый способ электропитания авторами был сначала математически смоделирован на скважинном электрогидравлическом устройстве ЭРА-5 с пятью конденсаторными модулями суммарной емкостью 10 мкФ и энергоемкостью 5 кДж. Результаты моделирования показали, что при частоте питания 1 кГц, как у прототипа, аппарат ЭРА-5 энергоемкостью 5 кДж невозможно зарядить до рабочего уровня напряжения 30 кВ, при котором происходит пробой скважинной жидкости(уровень напряжения на емкостном накопителе аппарата не превышает 20 кВ при длинах кабеля 3-5 км,см. фиг. 5); при частоте питания 2 кГц время заряда емкостного накопителя скважинного электрогидравлического аппарата ЭРА-5 минимально - примерно 15 с, при этом напряжение на емкостном накопителе составляет 27-31 кВ при всех длинах 1-5 км геофизического кабеля, что достаточно для пробоя скважинной жидкости и эффективной работы аппарата (см. фиг. 6); увеличение частоты питающего напряжения аппарата до 3,5-4 кГц приводит к увеличению времени заряда емкостного накопителя - конденсаторных модулей аппарата и снижению напряжения на емкостном накопителе (на этой частоте напряжение на емкостном накопителе аппарата ЭРА-5 меньше 20 кВ почти при всех длинах геофизического кабеля 2-5 км, см. фиг. 7), т.е. аппарат на межэлектродный промежуток в скважинной жидкости не будет разряжаться, если не будут приняты дополнительные меры; уход частоты питания вверх за отметку 4 кГц приводит к нарастанию потерь электрической мощно-4 017335 сти на геофизическом кабеле (на кабеле длиной 5 км при данной частоте теряется большая часть - 66% электрической мощности наземного пульта питания и управления, см. фиг. 8). На основании результатов моделирования авторы считают, что оптимальной частотой питания скважинных электроразрядных аппаратов из заявленного частотного диапазона является частота 2 кГц, а частоту 4 кГц - верхней предельной для данного класса аппаратов. Предлагаемый способ электропитания авторами был также экспериментально опробован на скважинном электрогидравлическом устройстве - аппарате ЭРА-1 с одним конденсаторным модулем емкостью 2,3 мкФ и энергоемкостью 1 кДж, для чего рабочая частота инвертора в наземном пульте питания и управления аппарата ЭРА-1 была установлена равной 2 кГц, и сличен со способом питания прототипа украинского аппарата Скиф-100 той же энергоемкости, но с тремя конденсаторными модулями и частотой питания 1 кГц (см. осциллограммы выходных напряжений наземных пультов питания и управления обоих аппаратов фиг. 3 и 4 соответственно). Результаты сличения двух аппаратов ЭРА-1 и Скиф-100, идентичных по энергоемкости, но с двумя различными частотами питания, показали, что благодаря питанию аппарата ЭРА-1 на частоте 2 кГц и, соответственно, малому времени заряда емкостного накопителя аппарата ЭРА-1 (примерно 1 с при длине геофизического кабеля 3 км) паузу между электрическими разрядами - электрогидравлическими ударами в аппарате ЭРА-1 можно установить на уровне 2-2,5 с вместо 5-10 с, как у прототипа,или 30 с, как у аналога. Это означает, что за счет большей частоты питающего напряжения производительность аппарата ЭРА-1 энергоемкостью 1 кДж повышается по сравнению с аналогом не менее чем в 10-15 раз, а по сравнению с прототипом - в 2-3 раза. Соответственно, общее время обработки призабойной зоны нефтяной скважины для аппарата ЭРА-1 уменьшается до 4-6 ч вместо 24-48 ч, как у аналога - источника упругих колебаний Приток-1, и вместо 12-15 ч, как у прототипа - аппарата Скиф-100. Таким образом,технический результат изобретения авторами подтвержден и заявляемый способ электропитания можно рекомендовать для скважинных электрогидравлических (электроразрядных) аппаратов различной энергоемкости и для глубин их эксплуатации (длин геофизического кабеля) до 5 км. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ электропитания скважинных электроразрядных устройств, заключающийся в подаче через геофизический кабель от наземного пульта питания и управления на погружную часть устройства, содержащую зарядный блок, емкостной накопитель энергии, коммутатор и электродную систему, переменного напряжения в виде синусоиды или трапециидального меандра, отличающийся тем, что частоту питающего напряжения устанавливают в диапазоне 1,2-4 кГц.