CN109312609A

CN109312609A - 井下供电装置

Info

Publication number: CN109312609A
Application number: CN201780030139.2A
Authority: CN
Inventors: C·奈斯加德
Original assignee: Weltek Oilfield Solutions Co Ltd
Current assignee: Weltek Oilfield Solutions Co Ltd; Welltec Oilfield Solutions AG
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2019-02-05
Also published as: AU2017272797B2; EP3464803A1; RU2018145162A3; WO2017207732A1; EP3252268A1; RU2018145162A; US10502029B2; US20170350216A1; CA3024530A1; AU2017272797A1; BR112018073745A2; MX2018014398A

Abstract

本发明提供一种为布置在井中的耗电装置就地供电的井下供电装置，该井下供电装置包括：燃料电池，所述燃料电池产生电和水并具有燃料入口、氧化剂入口、电输出部和水出口；流体连接至所述燃料入口的燃料容器；以及流体连接至所述氧化剂入口的氧化剂容器，其中，所述燃料电池具有内部压力，所述内部压力为至少1.0巴，用于升高在所述燃料电池中产生的水的沸点。此外，本发明涉及一种井下系统。

Description

井下供电装置

技术领域

本发明涉及一种用于为布置在井中的耗电装置就地供电的井下供电装置。此外，本发明涉及一种井下系统。

背景技术

当使用介入工具执行井下操作时，用于执行操作的电力需求并非总是和能在井下输送的电力的量相符。缺乏例如经由电缆传输的电力尤其在操作是在距离钻探设备处或地面处的电缆滚筒10-15千米远处执行时是个问题。此外，电缆也并非总是存在于井的顶部。因此，布置在从井的顶部供应电力的已知电源无法到达之处的耗电装置的电力供应已变为油田操作领域中关注度增大的方面。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更特别地，一个目的是提供一种改进的用于向布置在从井的顶部供应电力的已知电源无法到达之处的耗电装置供电的井下供电装置。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过为布置在井中的耗电装置就地供电的井下供电装置来实现，该井下供电装置包括：

-燃料电池，所述燃料电池产生电和水并具有燃料入口、氧化剂入口、电输出部和水出口；

-流体连接至所述燃料入口的燃料容器；以及

-流体连接至所述氧化剂入口的氧化剂容器，

其中，所述燃料电池具有内部压力，所述内部压力为至少1.0巴，用于升高在所述燃料电池中产生的水的沸点。

此外，所述燃料电池可以是聚苯并咪唑燃料电池。

此外，所述燃料电池可具有包含磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)的膜。

当具有包含磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)的膜时，该聚合物电解质膜呈现在150℃以上的温度下的高离子电导率、低透气性、优秀的氧化稳定性和优秀的热稳定性，以及接近零的水阻力系数。

此外，所述燃料电池可具有由磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)薄膜构成的膜。

此外，所述燃料电池可具有膜，如高温聚合物电解质膜。

此外，所述高温聚合物电解质膜可在150℃以上的温度下操作。

所述燃料电池能在无外部电力的情况下运行多于500小时，优选多于750小时且更优选多于1000小时的时间段。

此外，所述膜可通过吸入由二甲基乙酰胺(DMAC)有机溶剂和磷酸(PA)铸造形成的聚苯并咪唑(PBI)膜或通过由溶解在混合酸溶剂如三氟乙酸(TFA)和磷酸(PA)中的聚苯并咪唑(PBI)溶液直接铸造来制备。

此外，所述燃料电池可在不加湿的情况下操作。

此外，聚合物膜燃料电池在无任何外加湿度的情况下在高于120℃的温度下的操作是高度期望的，因为在较高温度下操作的燃料电池系统可被显著简化。

此外，在150℃以上时，在环境压力下的电力输出可在1.4A/cm²以上的电流密度下达到多于0.8W/cm²。

此外，所述燃料电池可以是无需气体加湿的。

此外，所述燃料电池可以是不可渗透的燃料电池(non-flow-through fuelcell)。

此外，通过具有不可渗透的燃料电池，井下供电装置可具有非常简单的设计并且该井下供电装置非常可靠，同时提供由燃料电池输送的最大电力的被动限制。因此，无需通过具有最大电力限制来控制该燃料电池。此外，通过具有不可渗透的燃料电池，无需泵来使系统操作。

此外，所述燃料电池可具有为至少1.5巴、优选至少3巴、更优选至少5巴的内部压力，用于升高在所述燃料电池中产生的水的沸点。

所述井下供电装置可具有包括所述燃料电池、所述燃料容器和所述氧化剂容器的装置壳体。

此外，所述装置壳体可具有为至少1.0巴、优选至少1.5巴、更优选至少3巴、甚至更优选至少5巴的内部压力。

此外，所述装置壳体可构造成耐受至少50巴的外部压力。

此外，所述水出口可流体连接至水收集容器。

此外，所述水出口可借助于毛细管作用件如灯芯/棉芯流体连接至水收集容器。

此外，通过具有毛细管作用件，井下供电装置可以是不依赖于转动的。

所述毛细管作用件可包括多个薄管、多孔材料、或用以形成毛细管效应的类似材料和/或几何形状。

此外，所述水收集容器可包括吸水材料。

此外，所述吸水材料可包括二氧化硅或类似材料。

此外，所述水收集容器可布置在装置壳体中。

此外，所述水收集容器可以是装置壳体。

上述井下供电装置还可包括用于控制燃料的供应和/或控制向所述燃料电池的氧化剂供应的控制单元。

上述井下供电装置还可包括接收电力的电力联接器，如电连接部、电换能器、电感线圈或声换能器。

此外，所述井下供电装置还可包括用于接收电力的电缆或湿连接器，如湿穿入式连接器。

上述井下供电装置还可包括再生单元，所述再生单元为具有电解室的电解单元。

此外，所述电力联接器可连接至电解单元，用于将所接收的电力供应至所述电解单元。

上述井下供电装置还可包括控制单元，如用于按特定时间间隔激活所述燃料电池的计时器。

此外，所述电输出部可连接至耗电装置。

此外，上述井下供电装置还可包括再生单元，所述再生单元包括：

-再生燃料电池，用于将来自所述燃料电池的水转化成燃料和转化成氧化剂；

-与所述水收集容器流体连接的第一入口；

-与所述燃料容器流体连接的第一出口；以及

-与所述氧化剂容器流体连接的第二出口。

上述井下供电装置还可包括温度传感器，用于测量所述井下供电装置的外部和/或所述井下供电装置的内部的温度。

此外，上述井下供电装置还可包括构造成增大所述内部压力的压力产生单元。

这样的内部压力的增大可以是基于温度测量结果的。

此外，所述燃料容器可包括用于粘结所述燃料的多种金属水合物。

本发明还涉及一种井下系统，其包括：

-布置在井孔中并具有外表面和内部的金属井管结构；

-耗电装置；以及

-根据前述权利要求中任一项所述井下供电装置，所述井下供电装置布置在所述金属井管结构的内部或布置在所述金属井管结构的外表面上。

此外，所述耗电装置可以是布置在所述金属井管结构中的工具，所述井下供电装置可包含在该工具中。

所述工具可以是无线的。

此外，所述工具可连接至钢丝绳。

此外，所述工具可连接至光纤，用于将数据通信至所述井孔的地面。

此外，所述工具可以是井下驱动单元，如井下牵引器。

此外，所述井下供电装置可以是用于所述工具的辅助电源。

所述耗电装置可以是传感器或致动器，其布置在所述金属井管结构的外部例如布置在所述金属井管结构的外表面上。

此外，所述井下供电装置和所述耗电装置可布置在金属井管结构的外部，例如布置在所述金属井管结构的外表面上。

此外，所述金属井管结构可包括环状屏障，所述环状屏障包括：

-安装为所述金属井管结构的一部分的管状金属部件，所述管状金属部件具有第一膨胀开口和外表面；

-可膨胀金属套筒，所述可膨胀金属套筒围绕所述管状金属部件并具有面向所述管状金属部件的内表面和面向所述井孔的壁部的外表面，所述可膨胀金属套筒的每个端部均与所述管状金属部件连接；以及

-在所述可膨胀金属套筒的内表面与所述管状金属部件之间的环形空间，所述可膨胀金属套筒构造成通过使加压流体经所述第一膨胀开口进入所述环形空间而膨胀。

此外，所述金属井管结构可包括多个环状屏障。

最后，所述金属井管结构和所述耗电装置可布置在两个相邻的环状屏障之间。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了用于在井中就地供电的井下供电装置的局部剖视图；

图2示出了布置在金属井管结构外部的另一井下供电装置的局部剖视图；

图3示出了布置在金属井管结构内部的另一井下供电装置的局部剖视图；

图4示出了其中井下供电装置布置在金属井管结构内部的井下系统的局部剖视图；

图5示出了布置在金属井管结构外部的另一井下供电装置的局部剖视图；

图6示出了其中井下供电装置布置在金属井管结构外部的井下系统的局部剖视图；

图7示出了布置在金属井管结构外部的另一井下供电装置的局部剖视图；

图8示出了其中井下供电装置布置在金属井管结构外部的另一井下系统的局部剖视图；以及

图9示出了布置在金属井管结构外部的又一井下供电装置的局部剖视图。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了井下供电装置1，其用于为布置在井的井孔中的耗电装置就地供电，从而该耗电装置不会依赖于其它机构提供的电力，如经由电缆或经由位于井孔中的金属井管结构外部的电力线路由其它机构供应的电力。耗电装置因此可布置得距离井的顶部非常远的位置，在该位置处经由电缆供应的电力非常受限或者无法提供电力，或者耗电装置可以在其中耗电装置无法接受电力的电力线路无法到达的位置处布置在金属井管结构的外部。

井下供电装置1包括产生电、热和水的燃料电池4。井下供电装置1具有燃料入口5、氧化剂入口6、电输出部7和水出口8。燃料从流体连接至燃料入口的燃料容器9给送，且氧化剂从流体连接至氧化剂入口6的氧化剂容器10给送至燃料电池。燃料电池具有至少为1.0巴(bar)的内部压力P，用于升高在燃料电池中产生的水的沸点，以便防止水转变为其气相。

井下供电装置1具有装置壳体12，该装置壳体包括/容纳所述燃料电池、所述燃料容器9和所述氧化剂容器10，装置壳体具有为至少1.0巴的内部压力。装置壳体12的至少1.5巴、优选至少3巴的内部压力可在井下供电装置1被浸入井中之前在地面提供。

因此，为了耐受至少50巴的外部压力，装置壳体具有非常大的壁厚并且由具有高屈服强度的材料制成。装置壳体12可由铝制成以有效地将在壳体中产生的热传递离开该壳体。

在图2中，井下供电装置1布置在金属井管结构20的外表面22上以为电连接至电输出部7的耗电装置2供电。井下供电装置1包括水收集容器14和流体连接至水收集容器14的水出口8。水出口借助毛细管作用件15如棉芯/灯芯流体连接至水收集容器。毛细管作用件15因此借助其毛细管效应将水从燃料电池吸入水收集容器14中，并且水被引导离开燃料电池的能力不依赖于重力，依赖于重力是针对已知燃料电池的情况。当工具或金属井管结构被浸在井中时，取向并不总是已知的，并且当进入井的非竖向部分时，在这样的工具中或在金属井管结构外部的燃料电池无法依赖于重力来将水从燃料电池引出。因此，通过为井下供电装置1提供毛细管作用件15，确保了水总能被导出燃料电池，因此，燃料电池中的过程不会劣化。毛细管作用件15包括多个薄管、多孔材料、或用以形成毛细管效应的类似材料和/或几何形状。因此，毛细管作用件可包括具有固有的毛细管效应的一束薄管并且可由外管包围，从而使毛细管作用件15免受高内部压力的损坏，从而毛细管功能不会劣化。

图2的水收集容器包括吸水材料16，其从毛细管作用件15吸收水并因此帮助毛细管作用件从燃料电池提取出水。吸水材料16包括二氧化硅或类似材料。在图2中，水收集容器14邻近装置壳体12布置但也可布置在装置壳体12中。

在图3中，水收集容器14是装置壳体12，并且吸水材料16围绕容器和燃料电池4两者地布置在装置壳体12中。如在图4中所示，耗电装置2是无线驱动单元，该无线驱动单元在一个横向井30中在井的下部中来回运行并且然后进入另一个横向井30中。因此，无线驱动单元可在井的下部中操作多年而无需到达地面。

如图2所示，井下供电装置1还可包括控制单元17，该控制单元用于经由电力线路控制向燃料电池4的燃料和/或氧化剂的供应，例如，控制单元控制布置在燃料入口5和氧化剂入口6中的控制阀31。一旦所述阀被激活，燃料电池便被激活，并且当阀31再次关闭时，燃料电池将停止产生电。因此，燃料电池可在需要时被打开或关闭，而无需经受更长时间的启动程序，在井下供电装置布置在井的电力线路或电缆无法到达的部分中时这样的更长时间的启动程序是不可能的。例如，在井下供电装置1布置在金属井管结构20的外部的情况下，该控制单元可预编程有激活计划，或者控制单元可以接收呈沿井筒流体下行的脉冲波形式的信号来激活燃料电池或使燃料电池失效。控制单元17因此可包括用于按特定时间间隔激活燃料电池的计时器。

如图5所示，井下供电装置1还包括温度传感器18，该温度传感器用于测量井下供电装置外部的温度和/或井下供电装置1内部的温度。如果温度升高至接近水的沸点，则压力产生单元19构造成升高所述内部压力，从而同样使水的沸点升高以阻止水沸腾。燃料容器9包括用于粘结燃料并从而确保受控的燃料电池操作的多种金属水合物。

图4示出了井下系统100，该井下系统包括金属井管结构20，该金属井管结构布置在井孔21中并具有外表面22和内部23。井下供电装置1布置在耗电装置2的内部，该耗电装置是工具24如井下驱动单元。井下驱动单元可以是如图3所示的具有在壁部42上的轮子41的井下牵引器。井下供电装置1因此布置在金属井管结构20的内部。在图5和图6中，井下供电装置1布置在金属井管结构20的外表面22上。在图6中，耗电装置2是布置在生产区101中的传感器45。生产区101通过膨胀以隔离出生产区的环状屏障50提供。环状屏障还可用于另一目的，例如作为在上方套管32与金属井管结构20之间的衬管悬挂器。金属井管结构20包括开口44，该开口对着生产区101以允许流体从生产区中的裂缝36B流入金属井管结构20中。所述开口可设置有流量控制阀46。

包括井下供电装置1的工具可连接至钢丝绳，该钢丝绳不是电力线路并且其总是存在于井附近，因为该钢丝绳是不会占用大量空间的较便宜的线。该工具还可连接至光纤，用于在通过井下供电装置1供电的同时将数据通信至井孔的地面。长电缆具有电阻，该电阻如此之高以致于在电缆末端的工具接收不到足够的电力来执行期望的操作，并且因此该工具包括井下供电装置作为该工具的辅助电源以补偿经由电缆的电力供应的缺乏。

如图6所示，耗电装置是传感器45以及布置在金属井管结构20的外表面上的致动器26。致动器26使滑动套筒25滑动以打开或关闭所述开口44。

在图7中，井下供电装置1还包括再生单元33，用于将来自燃料电池4的水转化成燃料并转化成氧化剂并因此通过为燃料容器供应燃料和为氧化剂容器供应氧化剂来为燃料电池再充电。再生单元33包括构造成将来自水收集容器的水转化成燃料和转化成氧化剂的再生燃料电池34。再生单元33因此具有与水收集容器流体连接的第一入口35、与燃料容器流体连接的第一出口36、和与氧化剂容器10流体连接的第二出口37。再生单元33还包括能量收获单元38，其用于从布置在金属井管结构20的内部并经由金属井管结构20产生能量的单元(未示出)收获能量以向能量收获单元38供给能量并因此向再生燃料电池34供给能量以使水转化成燃料并转化成氧化剂。

在图8中，井下供电装置1还包括电力联接器27，如电连接部、电换能器、电感线圈或声换能器，用于从例如金属井管结构中的外部装置接收电力或者在井下供电装置是金属井管结构中的工具的一部分的情况下从进入金属井管结构中的另一单元接收电力。该工具还可包括湿连接器如湿穿入式连接器，用于接收电力或用于能连接至电缆。电力联接器27还可布置在金属井管结构的外表面上并因此不穿透该金属井管结构。

在图9中，井下供电装置1还包括再生单元33，该再生单元是电解单元39，其具有电解室40，其归因于经过水的电流而将水分解成氧气和氢气。电力联接器连接至再生单元33，例如电解单元，用于将接受的电力供应至再生单元。

井下供电装置的燃料电池可以是聚苯并咪唑燃料电池。燃料电池因此可具有包含磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)的膜。当燃料电池具有包含磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑(PBI)的膜时，该燃料电池的膜呈现在150℃以上的温度下的高离子电导率、低透气性、优秀的氧化稳定性和优秀的热稳定性，以及接近零的水阻力系数。该燃料电池能在多于500小时优选多于750小时更优选多于1000小时的时期内在没有外部电力的情况下操作。

该燃料电池的膜可以通过吸入由二甲基乙酰胺(DMAC)有机溶剂和磷酸(PA)铸造形成的聚苯并咪唑(PBI)膜或通过由溶解在混合酸溶剂如三氟乙酸(TFA)和磷酸(PA)中的聚苯并咪唑(PBI)溶液直接铸造来制备。

所述燃料电池可具有在150℃以上的温度下操作的高温聚合物电解质膜。

所述燃料电池在不加湿的情况下例如像在不气体加湿的情况下操作。聚合物膜燃料电池在不加任何外部湿度的情况下在高于120℃的温度下的操作是高度期望的，因为在较高温度下操作的燃料电池系统将是明显简化的。在150℃以上时，在环境压力下的电力输出可在1.4A/cm²以上的电流密度下达到多于0.8W/cm²。

此外，燃料电池可以是不可渗透的燃料电池。通过具有不可渗透的燃料电池，井下供电装置可具有非常简单的设计并且该井下供电装置非常可靠，同时提供由燃料电池输送的最大电力的被动维护。因此，无需通过具有最大电力限制来控制该燃料电池。此外，通过具有不可渗透的燃料电池，无需泵来使系统操作。

燃料可以是氢气且氧化剂可以是氧气，其在燃料电池4中经历以下化学反应：

阳极反应:2H₂+2O₂-→2H₂O+4e-

阴极反应:O₂+4e-→2O₂-

总电解反应:2H₂+O₂→2H₂O

在再生燃料电池34中，通过以下化学反应使水转化成氢气和氧气：

在阴极:H₂O+2e-→H₂+O₂-

在阳极:O₂-→1/2O₂+2e-

总反应:H₂O→1/2O₂+H₂

图4和图6的金属井管结构20包括环状屏障50。每个环状屏障包括用于安装为金属井管结构的一部分的管状金属部件51。管状金属部件51具有第一膨胀开口52和外表面53，并且可膨胀金属套筒54围绕管状金属部件布置并具有面向管状金属部件51的内表面55和面向井孔的壁部57的外表面56。可膨胀金属套筒54的每个端部58均与管状金属部件连接，从而在可膨胀金属套筒54的内表面与管状金属部件51之间限定出环形空间59。可膨胀金属套筒构造成通过使加压流体经第一膨胀开口进入环形空间而膨胀。

流体或井筒流体是指存在于油井或气井井下的任何类型的流体，如天然气、石油、油基泥浆、原油、水等。气体是指存在于井、完井、或裸井中的任何类型的气体组分，并且油是指任何类型的油组分，例如原油，含油流体等。气体、油和水流体可因此均分别包括除气体、油和/或水之外的其它元素或物质。

套管是指井下使用的与石油或天然气生产有关的任何类型的管、管道、管结构、衬管、管柱等。

在该工具不是完全浸没入套管中的情况下，井下牵引器可用来推动所述工具完全进入井中的位置。井下牵引器可具有带轮子的可突伸的臂部，其中，轮子接触套管的内表面，用于在套管内推进该牵引器和该工具前进。井下牵引器是能够在井下推动或拉动工具的任何类型的驱动工具，例如Well

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims

1.一种为布置在井(3)中的耗电装置(2)就地供电的井下供电装置(1)，该井下供电装置包括：

-燃料电池(4)，所述燃料电池产生电和水并具有燃料入口(5)、氧化剂入口(6)、电输出部(7)和水出口(8)；

-流体连接至所述燃料入口的燃料容器(9)；以及

-流体连接至所述氧化剂入口的氧化剂容器(10)，

其中，所述燃料电池具有内部压力(P)，所述内部压力为至少1.0巴，用于升高在所述燃料电池中产生的水的沸点。

2.根据权利要求1所述的井下供电装置，其中，所述燃料电池是聚苯并咪唑燃料电池。

3.根据权利要求1或2所述的井下供电装置，其中，所述燃料电池具有包含磷酸(PA)掺杂的聚苯并咪唑的膜。

4.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，其中，所述燃料电池具有膜，如高温聚合物电解质膜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，其中，所述燃料电池能在无外部电力的情况下运行多于500小时，优选多于750小时且更优选多于1000小时的时间段。

6.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，其中，所述燃料电池在不加湿的情况下操作。

7.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，其中，所述水出口流体连接至水收集容器(14)。

8.根据权利要求7所述井下供电装置，其中，所述水出口借助于毛细管作用件(15)如灯芯流体连接至所述水收集容器。

9.根据权利要求7或8所述井下供电装置，其中，所述水收集容器包括吸水材料(16)。

10.根据权利要求9所述井下供电装置，其中，所述吸水材料包括二氧化硅或类似材料。

11.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，还包括接收电力的电力联接器(27)，如电连接部、电换能器、电感线圈或声换能器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，还包括再生单元(33)，所述再生单元为具有电解室(40)的电解单元(39)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，还包括控制单元(17)，如用于按特定时间间隔激活所述燃料电池的计时器。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的井下供电装置，还包括再生单元(33)，所述再生单元包括：

-再生燃料电池(34)，用于将来自所述燃料电池的水转化成燃料和转化成氧化剂；

-与所述水收集容器流体连接的第一入口(35)；

-与所述燃料容器流体连接的第一出口(36)；以及

-与所述氧化剂容器流体连接的第二出口(37)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的井下供电装置，还包括构造成增大所述内部压力的压力产生单元(19)。

16.一种井下系统，包括：

-布置在井孔(21)中并具有外表面(22)和内部(23)的金属井管结构(20)；

-耗电装置(2)；以及

-根据前述权利要求中任一项所述井下供电装置(1)，所述井下供电装置布置在所述金属井管结构的内部或布置在所述金属井管结构的外表面上。

17.根据权利要求16所述的井下系统，其中，所述耗电装置是布置在所述金属井管结构中的工具(24)，所述井下供电装置包含在所述工具中。

18.根据权利要求16所述的井下系统，其中，所述耗电装置是布置在所述金属井管结构的外部的传感器(25)或致动器(26)。

19.根据权利要求18所述的井下系统，其中，所述井下供电装置和所述耗电装置布置在所述金属井管结构的外部。