CN1283892C - 用于多分支井的电力传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于多分支井的电力传输系统,包括:一个主井筒,其中设置一个导电主井套管;一个分支井筒,其中设置一个导电分支井衬套;以及其中分支井衬套连接到主井套管上,其特征在于,主井套管和分支井衬套相互电连接并形成在主井筒和分支井筒之间传输电力和/或信号的一个电通路;主井套管和分支井衬套形成一个从电连接到主井套管上的一个电源的第一极柱向位于电连接到分支井衬套的分支井筒中的电动设备传输低压电力的通路,而且电源的一个第二极柱和分支井衬套电连接到地上;所述电动设备包括一个可充电的电池,该电池由经过主井套管和分支井衬套传输的低压电力涓流充电。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于多分支井的电力传输系统。
背景技术
在无分支或多分支石油和/或天然气开采井中使用各种电力和非电力以及通信系统已经是公知的。
美国专利5,706,892;5,706,896以及5,721,538公开了一种多分支井,多分支井可以装有一个硬连线电力或一个无线通讯系统,而且这样一个无线系统最好通过一个井具或井管例如开采管道传递声波。这种公知系统的缺点是,在一个多分支井中安装一个树枝式布线系统是复杂而昂贵的工作,而且一个无线声发射系统会经受较高的传输损失以及背景噪音。这些缺点在如果井装有一个可膨胀的套管和/或开采管道时尤其严重。在这样一个膨胀的井管周围几乎或根本没有用于容装电缆的环形空间,结果由于膨胀的井管和周围的地层之间的实在的连接,声波信号在很大程度上被阻隔。
已经公知各种其他的硬线连接或无线能量传递和通信系统,它们的共同之处在于都需要复杂和昂贵的设备以及都不适用于多分支井。
美国专利4,839,644以及欧洲专利No.295178公开了一种称为“Tucatran”的无线通信系统,它在一个无分支的井中产生天线电流,在无分支的井中开采管道和周围的井套管彼此电绝缘。在管道和套管之间需要电绝缘通常在例如弧形井筒区段和在管道和/或套管环形空间存在盐水的区域中的很难实现。国际专利申请WO80/00727公开了另一种信号传递系统,它利用一个由开采管道和周围的井套管形成的电路。
美国专利No.4,484,627、英国专利申请No.2322740以及国际专利申请PCT/GB79/00158;PCT/GB93/01272以及PCT/EP96/00083公开了其他的井下电力传输系统,它们在一个无分支的井中利用一个外部绝缘的管道。
本发明的目的是克服公知传输系统中的缺点,并提供一种井下能量和/或信号传输系统,系统可以在即使井包括可膨胀的井管时也可以以一种安全和可靠的方式通过一个多分支井系传输电能和/或信号,而不需要复杂的树枝式电线布线系统或与周围的井套管电绝缘的开采管道。
发明内容
根据本发明,提供了一种用于多分支井的电力传输系统,包括一个主井筒,其中设置一个主井管;一个分支井筒,其中设置一个分支井管;其中分支井管以导电方式连接到主井管上,这样主和分支井管形成主和分支井筒之间的电能和/或信号传输的一个连接。
最好,主和分支井管形成一个从电连接到主井管上的一个电源的第一极柱向位于电连接到分支井管的分支井筒中的电动设备传输低压电能的连接。电源的一个第二极柱和分支井管电连接到地面上形成一个电路。而且最好所述设备包括一个可充电的电池,电池由经过井管传递的低压电能涓流充电(trickle-charge)。
适当低的电压能作为直流(DC)电流通过主井的套管或开采管道传递,电压具有小于100V、最好小于50V的电压,主井由一个围绕的水泥或其他密封材料例如一种加成固化有机硅配料非完全地与周围的地层绝缘。
同时传递脉冲电磁信号,电磁信号包括在非常低的频率(VLF)3-20KHz、或最好极低的频率(ELF)3-300Hz之间围绕井管的DC电压水平震荡的电压水平的改变。
地面的发电机和井下设备或电池的一个电极与地面连接,这样在发电机和井下设备或电池之间存在一个不完全的电路。
而且最好分支井管是一个径向可膨胀的管道,管道由一种导电材料制成并在安装过程中在分支井中径向膨胀,而且一个导电插座设置在或接近分支点上,这样由于膨胀过程膨胀的分支井管被压入带有插座的电接头上。
至少在分支井筒中使用可膨胀的管道的具体的优点在于,由于径向膨胀过程,在膨胀的管中形成一个额外的膨胀,这样可以确保其端部彼此同轴重叠的相邻的井管之间的一个紧密的电接触。这种紧密的电接触还在膨胀的分支井管和由主井管本身或一个分支的分叉件形成的插座之间的产生。
适当地,主和分支井管由一种可模锻的钢制成,而且分支井管在安装过程中膨胀,这样膨胀的分支井管具有一个至少为主井管内径0.9倍的内径,这样产生一个基本为单孔的多分支井系,井系可以具有任何所需数量的分支或子分支。
最好电动设备包括测量和/或控制设备,测量和/或控制设备由一个可充电的锂离子高温或其他电池和/或超电容和/或井下能量转换系统例如压电系统、涡轮机或井下燃料单元供能,并安装在一个形如一管套的设备支承模件上,其中设备支承模件可移动地安装在分支井管中,这样电池的一个电极电连接到分支井管上,而电池的另一个电极电连接到围绕分支井筒的地下地层上。
适当地,管伸过分支井筒的一个流入区域,在此分支井管被穿孔,可膨胀的夹具包括一对可膨胀的封隔器,封隔器密封住分支井管和管的接近管端部的一个环形空间,而且管设有一个或多个流体入口,流体入口可以由一个或多个阀打开或关闭,阀由可充电电池供给能量。触发可以由一个井下或地面致动控制系统完成。
而且在许多很长的多分支井系中,最好至少一个主和分支井管设有至少一个中继电站,所述中继电站跨过井管的一个非导电段,而且中继电站在井管的非导电段的两侧电连接到井管的导电部分上。
中继电站可以以一个规则的间距沿主和分支井筒的长度分布。如果一个中继电站需要位于一个在此两个相邻的膨胀的井管同轴彼此重叠的位置上,则可以在重叠的管段之间设置一种电密封材料,而且升压器可以作为一个管套安装在最外部的井管中与最内部的井管相邻,这样中继电站的一个电极与最内部的井管电连接,而另一个电极与最外部的井管相连。
可以看出在某些情况下,中继电站可以安装在一个井接口上,在此情况下中继电站的电极将形成主和分支井管之间的电连接。
还可以看出,当用于说明书和后面的权利要求书中时,术语多分支井系表示一个具有主或母井筒的井系,主或母井筒从一个井口向下伸入一个地层中,并且井系还具有至少一个分支井筒,分支井筒在一个地下位置与主或母井筒相交叉。
附图说明
下面参照附图描述本发明的一个优选实施例,其中:
图1是本发明一个多分支井系的示意性三维图;
图2示出如何使用一个锥形膨胀心轴使一个井管膨胀;
图3示出在设置一个中继电站的两个井管之间的一个连接;
图4示出通过主井套管中的一个窗口钻取一个分支井筒的分支点;
图5示出一个可膨胀的井衬套如何在分支井筒中膨胀并电连接在主井套管上;
图6示出一个分支点,其中在分支点下的分支井套管和主套管在一个分叉件或分离件中膨胀;
图7示出一个管状设备支承管套处于打开位置的模式,这样石油和/或天然气经过管套中的穿孔流入井筒中;而
图8示出图7的管套处于关闭模式,其中穿孔已经闭合。
具体实施方式
参见图1,其中示出一个用于多分支井的电力传输系统1,此系统包括一个主井筒和两个分支井筒2和3。
系统1从一个水下井口4伸入一个水域6的底部5中。一个海底钻井平台7上的石油和/或天然气处理设备由一个水下管道8连接在井口4上,而且一个电源电缆9从平台7上的一个发电机10的第一极柱10A延伸到主井套管11上,主井套管11已经膨胀到主井筒2的壁上,这样一个薄的环形水泥层(未示出)或其他的密封材料例如一种加成固化有机硅配料位于膨胀的套管11和钻孔壁之间。
在下分支井筒中一个分支井衬套12被膨胀并用水泥加固到位,而在上分支井筒3通过向井的端部泵给或推压并穿过一个膨胀心轴14而使一个分支井衬套13被膨胀。
膨胀过程的结果是在膨胀的套管或衬套中产生一个额外的膨胀,从而确保膨胀的分支井衬套12和13在分支点15和16牢固地压在主井套管11的内壁上,这样在分支衬套12和13以及主井套管11之间形成一个良好的电连接。
在主井套管11中,一个中继电站17设置在一个电绝缘管套18安装在套管11中的位置上,而套管在一段预定的距离上被铣削。中继电站17的一个电极18在缝隙之上与套管段电连接,而另一个电极19在间隙之下电连接。同样,一个类似的中继电站17设置在下分支井筒4中,而且电极18和19连接在分支井衬套12同轴重叠但由一个电绝缘管套22彼此电绝缘的区段上。做为变化,不使用同轴的电绝缘管段,也可以通过在井管中使用一个预先安装的塑料段而取得电绝缘效果,塑料段以与管状钻具的钢制部分相同的方式膨胀。
为了清楚起见,中继电站17示出位于井筒外侧,但通常这些站17在一个环形支承管套中安装在井管中,如图3所示。图1还示意性地示出了发电机10的一个第二极柱10B连接在地面上,而且分支井衬套12和13在一个或多个选定的位置21和23连接到地面上,这样地面5形成一个从井衬套12和13以及所述第二极柱10B的由阴影线表示的电回路连接。
图2示出一个由可模锻的钢制成的下井管24如何由一个膨胀心轴26在一个现存的井管25的下端中膨胀,其中膨胀心轴具有一个锥形外表面,外表面具有10°-40°、并且最好在20°-30°之间的一个半顶角A。
上井管25由水泥固定在井筒28中,并且由于膨胀过程下井管获得额外的膨胀,这样其内径大于心轴26的外径,并且膨胀的下管24牢固地压在上管25的重叠的下部27上,这样在下和上井管24和25之间形成一个可靠的电连接。
图3示出一个位置,其中一个下管30已经在上井管32的一个扩大的下端中膨胀而且一个电绝缘管套33设置在同轴管部之间。
一个环形电能中继电站34设置在上管32的扩大的下端31中正好位于下管30的顶端之上。中继电站34设有电极35,在管30和32之间形成一个电连接。
图4示出如何通过一个已经在主井套管43和周围的水泥环44中形成的开口42离开主井筒41而钻取一个分支井筒40。
图5示出如何由一个与图2中所示的心轴26相似的膨胀心轴46在图4的分支井筒40中膨胀一个可膨胀的分支井衬套45。
由于在膨胀过程中的额外的膨胀,分支井衬套45弹性压在主井套管43的内壁上以及开口42的边缘上,从而在主井套管43和分支井衬套44之间形成一个牢固的电连接,此电连接在井的整个寿命期内都保持牢固。
图6示出一个在一个多分支井系中的分支点,在此一个分叉件50或分离件安装或电连接(可选择地由一个图3中所示的中继电站)在一个上主井套管51中。
一个下主套管段52和一个分支井衬套53都由主和分支井筒中的一个膨胀心轴54径向膨胀,使得下主套管段52和所述衬套的上端牢固压在分叉件50的下分支上,下分支起一个电接头和插座55的作用。
图7示出一个分支井筒60的一个流入段,在此分支井衬套61具有穿孔62,石油和/或天然气通过穿孔从周围的富含石油和/或天然气的地层中流入井筒60中,如图中箭头64所示。
一个设备支承管套65由一对可膨胀的封隔器66密封安装在衬套61内。
管65具有穿孔67并由一个可动的管状阀体68包围,阀体具有穿孔69,在图7中所示的位置中,穿孔69与管65的穿孔67对齐。由于穿孔67与69对齐,石油和/或天然气可以流入井筒60中。图8示出管状阀体68如何移动而使穿孔67和69不对齐并且从地层63流入井筒60中的石油和/或天然气被阻断。
管状阀体68的运动由一个电致动件70取得,致动件70由一个可充电的锂离子高温电池71供给电能,电池的一个电极与周围地层电连接,而另一个电极与衬套61电连接。
由主套管(未示出)传输到分支井衬套61上的直流电(DC)用于对电池71涓流充电。电池71对阀致动件70以及由管65携带的流量、压力、温度、成分、储存物图象和/或地震设备(未示出)供能,并且由设备产生的信号由VLC或ELC脉冲电磁信号的传递传递到地面监测设备上,这些信号包括围绕分支井衬套61的DC电压的电压震荡,信号经过电极72和连接到主井套管(未示出)上的所述衬套61以及将所述套管的上端(如图1中所示)连接到地面监测和/或控制设备上的电缆传递。
在图7中所示的例子中,电池71是一个管状陶瓷锂离子高温电池,并且一系列储存物图象传感器75嵌装在围绕井筒60的地层63中。这些传感器75由感应电偶76传递和/或接受信号,电偶76连接在安装在管65上的信号处理设备(未示出)上。所述处理设备可以致动阀体68和/或向图1所示的平台上的开采监测设备或其他地面设施经过主或母井筒中的井衬套61和井管传递由传感器75取得的电子储存物图像数据。
Claims (12)
1.一种用于多分支井的电力传输系统,包括:
-一个主井筒(2),其中设置一个导电主井套管(11);
-一个分支井筒(3),其中设置一个导电分支井衬套(12,13);以及
-其中分支井衬套(12,13)连接到主井套管(11)上,
其特征在于,主井套管(11)和分支井衬套(12,13)相互电连接并形成在主井筒和分支井筒(2,3)之间传输电力和/或信号的一个电通路;
主井套管(11)和分支井衬套(12,13)形成一个从电连接到主井套管(11)上的一个电源(10)的第一极柱向位于电连接到分支井衬套的分支井筒中的电动设备(68,70,75)传输低压电力的通路,而且电源(10)的一个第二极柱(10B)和分支井衬套(12,13)电连接到地(5)上;
所述电动设备包括一个可充电的电池(71),该电池由经过主井套管(11)和分支井衬套(12,13)传输的低压电力涓流充电。
2.根据权利要求1所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,分支井衬套(12,13)是一个径向可膨胀的管,其由一种导电材料制成并在安装过程中在分支井(3)中径向膨胀,而且一个导电插座(43)设置在分支点处或分支点附近,这样由于膨胀过程作用使膨胀的分支井衬套与插座(43)电接触。
3.根据权利要求2所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,插座(43)由主井套管本身形成,而且分支井衬套具有一个下端,该下端径向膨胀在主井套管的内壁上并且通过主井套管中的一个开口(42)伸入分支井筒中。
4.根据权利要求2所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,插座由一个分叉件(50)的一个管状分支段形成,该分叉件(50)具有一个电连接到主井套管上的主段,而且分支段从主井筒伸入分支井筒中。
5.根据权利要求2所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,主井套管(11)和分支井衬套(12,13)由一种可模锻的钢制成,而且分支井衬套在安装过程中膨胀,膨胀的分支井衬套(12,13)具有一个至少为主井套管(11)内径0.9倍的内径。
6.根据权利要求1所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,电动设备(68,70,75)包括由一个可充电的锂离子电池(71)供电并安装在一个设备支承模件(65)上的测量和/或控制设备,其中设备支承模件可拆卸地安装在分支井衬套中,电池(71)的一个电极(73)电连接到分支井衬套上,而电池的另一个电极(72)电连接到围绕分支井筒的地下地层(63)上。
7.根据权利要求6所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,设备支承模件由一个由多个可膨胀的夹具(66)可拆卸地连接在分支井衬套中的管套(65)形成。
8.根据权利要求7所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,管套(65)伸过分支井筒(60)的一个流入区域,在此分支井衬套被穿孔,可膨胀的夹具包括一对可膨胀的封隔器(66),封隔器密封住分支井衬套和管套(65)的接近管套端部的一个环形空间,而且管套(65)设有一个或多个流体入口(67),流体入口可以由一个或多个阀(68)打开或关闭,阀由可充电电池(71)供给能量。
9.根据权利要求1所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,主井套管(11)和分支井衬套(12,13)中至少之一设有至少一个中继电站(17),所述中继电站跨过主井套管和分支井衬套的一个非导电段,而且中继电站在主井套管和分支井衬套的非导电段的两侧(18,19)电连接到主井套管和分支井衬套的导电部分上。
10.根据权利要求9所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,主井套管(11)和分支井衬套(12,13)的非导电段由一个非导电的环形密封件(22)形成,该密封件设置在主井套管和分支井衬套的重叠同轴区段之间,而且中继电站(17)设置在主井套管和分支井衬套最外段中接近主井套管和分支井衬套的最内段的端部,中继电站(17)的一个电极(18)连接到所述最外段上,而所述中继电站(17)的另一个电极(19)电连接到所述最内段上。
11.根据权利要求10所述的用于多分支井的电力传输系统,其特征在于,包括多个分支井筒(3,4)和多个中继电站(17)。
12.一种用于根据权利要求1所述的用于多分支井的电力传输系统中的管状设备支承模件(65),所述模件可以密封安装到井的一个流入区域中并包括一个或多个流体流入口(67),流入口可以通过一个或多个阀(68)打开或关闭,阀由一个可充电的电池(71)供给能量,而电池通过由主井筒和分支井筒(2,3,4)内的主井套管和分支井衬套传输的低压电力而在使用中涓流充电。
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