RU2803273C1 - Electric downhole motor for drilling oil and gas wels - Google Patents

Electric downhole motor for drilling oil and gas wels Download PDF

Info

Publication number
RU2803273C1
RU2803273C1 RU2022124261A RU2022124261A RU2803273C1 RU 2803273 C1 RU2803273 C1 RU 2803273C1 RU 2022124261 A RU2022124261 A RU 2022124261A RU 2022124261 A RU2022124261 A RU 2022124261A RU 2803273 C1 RU2803273 C1 RU 2803273C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rectenna
battery pack
edm
downhole motor
drill pipe
Prior art date
Application number
RU2022124261A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Руслан Рашитович Мухтаров
Олег Гаврилович Мязин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром недра"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Газпром недра" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Газпром недра"
Application granted granted Critical
Publication of RU2803273C1 publication Critical patent/RU2803273C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: oil and gas industry.
SUBSTANCE: invention is related to technical means for drilling oil and gas wells, ensuring the destruction of rocks in a mechanical way using an electric downhole motor (EDM). A device for drilling oil and gas wells, lowered on a drill string, contains an EDM, a rock cutting tool located under it and a battery storage unit located above it, a control system for turning on, off, and adjusting the EDM speed. To ensure power supply on the outer side of the housings of the battery storage unit and EDM either a cable with a hidden termination protected from damage by a protective overlay is laid, or power supply is carried out by means of an end current-conducting contact of the threaded connection of the battery storage unit and EDM. The end contacts are located at the end face of the shoulder of the threaded connection in such a way that when two threaded connections are twisted, said end contacts are in the same plane. To recharge the battery pack, an energy receiving system is located above it, which is a rectenna installed around the circumference along the outer and inner surfaces of the drill pipe, and the indicated EDM, the battery pack and the drill pipe with the rectenna are mechanically and electrically connected to each other in such a way that a cavity is formed.
EFFECT: increased reliability of the device.
3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам для бурения нефтяных и газовых скважин, обеспечивающих разрушение горных пород механическим способом с применением электрического забойного двигателя ЭЗД (электробур).The invention relates to technical means for drilling oil and gas wells, ensuring the destruction of rocks mechanically using an electric downhole motor EDM (electric drill).

Известно устройство подачи электроэнергии к забойному трехфазному электродвигателю, осуществляемому по кабельной линии передач, расположенной внутри бурильной трубы, состоящей из отрезков трехжильного шлангового кабеля с концевыми кабельными муфтами, соединяющимися между собой при свинчивании бурильных труб. Однако такая линия электропередачи вызывала большие гидравлические потери в бурильных трубах, была конструктивно сложна. Для уменьшения гидравлических потерь применяется система питания электробура вида «два провода - бурильные трубы» [Ф.Н. Фоменко. Бурение скважин электробуром. - М: Недра, 1974. - С. 114-124].A device is known for supplying electricity to a downhole three-phase electric motor, carried out via a cable transmission line located inside the drill pipe, consisting of sections of a three-core hose cable with cable end couplings that are connected to each other when screwing up the drill pipes. However, such a power transmission line caused large hydraulic losses in the drill pipes and was structurally complex. To reduce hydraulic losses, an electric drill power system of the “two wires - drill pipes” type is used [F.N. Fomenko. Drilling wells with an electric drill. - M: Nedra, 1974. - P. 114-124].

Недостатками такой системы являются кроме конструктивной сложности, сложности эксплуатации, поскольку в процессе бурения на различных этапах и операциях необходим контроль параметров линии электропередачи.The disadvantages of such a system are, in addition to the design complexity, the complexity of operation, since during the drilling process at various stages and operations it is necessary to control the parameters of the power transmission line.

Известен электробур для бурения нефтяных и газовых скважин, содержащий долото для разрушения породы, шпиндель, упорный подшипник, электрический двигатель и токоподвод, который соединяет источник энергии на поверхности Земли с электрическим двигателем [RU 2321717 С1, МПК Е21В 4/04, опубл. 10.04.2008]. В качестве электрического двигателя постоянного тока в нем установлен бесколлекторный двигатель постоянного тока с тиристорным коммутатором. Управляющие электроды тиристоров коммутатора связаны с выходными цепями датчика положения ротора, который питается от источника переменного напряжения повышенной частоты. Источник переменного напряжения повышенной частоты подсоединен к верхнему концу токоподвода, а нижний конец токоподвода соединен с входной цепью датчика положения ротора через электрический фильтр, содержащий по крайней мере один электрический конденсатор. Во втором варианте входная цепь датчика положения ротора подсоединена к нижнему концу токоподвода через схему поддержания постоянства напряжения.An electric drill for drilling oil and gas wells is known, containing a bit for breaking rock, a spindle, a thrust bearing, an electric motor and a current lead that connects an energy source on the Earth's surface with an electric motor [RU 2321717 C1, IPC E21B 4/04, publ. 04/10/2008]. As a DC electric motor, it adopts a brushless DC motor with a thyristor switch. The control electrodes of the switch thyristors are connected to the output circuits of the rotor position sensor, which is powered by a high-frequency alternating voltage source. A high-frequency alternating voltage source is connected to the upper end of the current lead, and the lower end of the current lead is connected to the input circuit of the rotor position sensor through an electrical filter containing at least one electrical capacitor. In the second version, the input circuit of the rotor position sensor is connected to the lower end of the current supply through a voltage constant circuit.

Основной тенденцией известных технических предложений является улучшение и доработка токоподводящей системы энергообеспечения электробура.The main trend of known technical proposals is to improve and refine the current supply system for power supply of an electric drill.

Общими недостатками описанных устройств являются токопроводящая система к забойному электробуру и контактные соединения в бурильных трубах. Также важным фактором, ограничивающим использование электробура при строительстве скважин, является то, что у всех моделей в системе энергообеспечения отсутствует равнопроходной внутритрубный проход в полости бурильных труб. Это обусловлено наличием кабель-канала и клейменой системы контактов, соединяющих между собой трубы, что делает невозможным проведение ряда работ, например, таких как ликвидация прихвата, установка кольматационной пачки, проведение геофизических исследований через бурильную трубу по скважине, и ограничивает использование необходимого инструмента оборудования типа Яс, калибраторов лопастных спиральных в компоновках низа бурильной колонны (КНБК).Common disadvantages of the described devices are the conductive system to the downhole electric drill and contact connections in the drill pipes. Another important factor limiting the use of electric drills in well construction is that all models in the power supply system do not have an equal in-line passage in the cavity of the drill pipes. This is due to the presence of a cable channel and a branded contact system connecting the pipes to each other, which makes it impossible to carry out a number of works, for example, eliminating sticking, installing a colmatation pack, carrying out geophysical research through the drill pipe down the well, and limits the use of the necessary equipment type equipment Yas, spiral blade calibrators in bottom hole assembly (BHA).

Вышеуказанные технические и технологические ограничения при использовании ЭЗД в бурении скважин послужили тем фактором отказа от них и прекращения развития данного технического направления в СССР и РФ.The above technical and technological limitations when using ECD in drilling wells served as a factor in their abandonment and the cessation of the development of this technical direction in the USSR and the Russian Federation.

Известна секция токоподвода к электробуру, которая включает бурильную трубу с муфтой и ниппелем и размещенную в ней с кольцевым зазором внутреннюю трубу из износостойкого материала, один конец которой зафиксирован в муфте с помощью гильзы, а другой - в ниппеле посредством оправки [RU 2660975 С1, МПК E21B 17/02, опубл. 03.10.2017]. В кольцевом зазоре проложен кабель с присоединенными по концам токопроводящими кольцами, которые вмонтированы в контактную втулку со стороны ниппеля и в контактный наконечник со стороны муфты, при этом контактная втулка вставлена в гильзу, а контактный наконечник - в оправку. Кабель навит вокруг внутренней трубы вблизи контактной втулки. При свинчивании секций происходит прижатие торцов соседних внутренних труб друг к другу с образованием внутри них непрерывного отверстия, годного для прокачки под давлением промывочной жидкости. Также по непрерывному отверстию может быть спущена торпеда для ликвидации прихватов бурильной колонны или другая аппаратура.There is a known section for the current supply to an electric drill, which includes a drill pipe with a coupling and a nipple and an internal pipe made of wear-resistant material placed in it with an annular gap, one end of which is fixed in the coupling using a sleeve, and the other in the nipple using a mandrel [RU 2660975 C1, IPC E21B 17/02, publ. 03.10.2017]. A cable is laid in the annular gap with conductive rings attached at the ends, which are mounted in the contact sleeve on the nipple side and in the contact tip on the coupling side, while the contact sleeve is inserted into the sleeve, and the contact tip into the mandrel. The cable is wound around the inner tube near the contact sleeve. When screwing together sections, the ends of adjacent internal pipes are pressed against each other to form a continuous hole inside them, suitable for pumping flushing fluid under pressure. Also, a torpedo or other equipment can be lowered along a continuous hole to eliminate sticking of the drill string.

Заявляемое техническое решение направлено на развитие отечественного внутрискважинного бурового оборудования для строительства «высокоинтеллектуальных» скважин и развития перспективного направления для строительства многофункциональных скважин по добыче «готового» энергетического ресурса, как водород.The claimed technical solution is aimed at the development of domestic downhole drilling equipment for the construction of “highly intelligent” wells and the development of a promising direction for the construction of multifunctional wells for the extraction of “ready” energy resources such as hydrogen.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании изобретения, является расширение функциональных возможностей электрических забойных двигателей для бурения скважин, за счет создания конструкции, обеспечивающей возможность использования для бурения:The technical problem, the solution of which is provided by using the invention, is to expand the functionality of electric downhole motors for drilling wells, by creating a design that makes it possible to use for drilling:

сложных профилей наклонно-направленных и горизонтальных скважин с достаточно значительным горизонтальным участком скважины;complex profiles of directional and horizontal wells with a fairly significant horizontal section of the well;

наклонно-направленных горизонтальных с восстающим участком профиля по продуктивной части пласта скважин;directional horizontal wells with a rising section of the profile along the productive part of the reservoir;

горизонтальных многозабойных скважин;horizontal multilateral wells;

горизонтальных скважин с осцилляторами низкочастотных колебаний;horizontal wells with low-frequency oscillators;

технологических двухустьевых скважин с одной точкой бурения;technological double-wellhead wells with one drilling point;

для бурения в тандеме с системой верхнего привода;for drilling in tandem with a top drive system;

маломощными по гидравлическим параметрам буровыми насосами отечественного производства;domestically produced mud pumps with low-power hydraulic parameters;

на депрессии при аэрации бурового раствора;on depression during aeration of drilling fluid;

посредством стандартного аварийного и бурового инструмента.using standard emergency and drilling tools.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении надежности устройства за счет уменьшения в количественном выражении контактных соединений в бурильных трубах.When implementing the invention, the problem is solved by achieving a technical result, which is to increase the reliability of the device by reducing in quantitative terms the contact connections in the drill pipes.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для бурения нефтяных и газовых скважин, спускаемое на колонне буровых труб, содержит долото для разрушения породы, электрический забойный двигатель постоянного тока и токоподвод, который соединяет источник энергии с электрическим забойным двигателем, при этом в качестве источника энергии использован аккумуляторный блок батарей, и дополнительно в качестве средства подзарядки применены ректенны, установленные на внешней и внутренней поверхностях буровой трубы. При этом электрический забойный двигатель, аккумуляторный блок батарей, буровая труба с ректеннами соединены между собой механически и электрически, образуя внутритрубное полое пространство.This technical result is achieved by the fact that a device for drilling oil and gas wells, lowered on a drill pipe string, contains a bit for rock destruction, an electric downhole DC motor and a current lead that connects the energy source to the electric downhole motor, and as an energy source A rechargeable battery pack is used, and additionally, rectennas installed on the outer and inner surfaces of the drill pipe are used as a means of recharging. In this case, an electric downhole motor, a battery pack, and a drill pipe with rectennas are connected to each other mechanically and electrically, forming an in-pipe hollow space.

Электрический забойный двигатель постоянного тока (ЭЗД) соединен с помощью резьбового соединения к АББ (от одного до требуемого количества по мощности и потребляемой энергии). Возможно осуществление подключения АББ к электробуру с помощью электрокабеля, идущего от АББ к ЭЗД по внешнему корпусу ЭЗД и защищенного от повреждения защитной накладкой. Также возможно осуществление подключения АББ к электробуру по системе торцевых контактов, которые расположены в торце буртика резьбового соединения ЭЗД и АББ в одной плоскости при скручивании двух резьбовых соединений, при этом контакты плотно соприкасаются друг с другом в резьбовом соединении. Например, в известных решениях при глубине скважины 2000 м, количество контактных соединений будет равно 158, что существенно снижает надежность данной электрической цепи. В свою очередь, при любой глубине скважины количество контактных соединений, в предлагаемом решении будет только одно. Это обеспечивает высокую степень надежности, а также снижает вероятность отказа. При этом проверка работоспособности осуществляется на начальном спуске ЭЗД и АББ, и не требует, как в случае с контактными соединениями в бурильных трубах, проводить постоянную проверку при спуске.An electric downhole DC motor (EDM) is connected via a threaded connection to the ABB (from one to the required amount in terms of power and energy consumption). It is possible to connect ABB to an electric drill using an electric cable running from ABB to the EDM along the outer casing of the EDM and protected from damage by a protective cover. It is also possible to connect the ABB to an electric drill using a system of end contacts, which are located at the end of the flange of the ESD and ABB threaded connection in the same plane when twisting two threaded connections, while the contacts are in close contact with each other in the threaded connection. For example, in known solutions with a well depth of 2000 m, the number of contact connections will be equal to 158, which significantly reduces the reliability of this electrical circuit. In turn, at any well depth there will be only one number of contact connections in the proposed solution. This ensures a high degree of reliability and also reduces the likelihood of failure. In this case, the performance check is carried out at the initial descent of the ECD and ABB, and does not require, as in the case of contact connections in drill pipes, constant testing during descent.

Отличием заявляемого решения от известных является то, что устройство для передачи электрической энергии от устья скважины к находящемуся на забое электробуру, включая электрический кабель-канал и систему электроклемм, а также устройство подвода электроэнергии к бурильной трубе (токоприемник), заменяют на аккумуляторный блок батарей (АББ). То есть обеспечение электроэнергией электробура будет происходить в забойной зоне, что позволит снизить потери электроэнергии, обеспечить надежный подвод электроэнергии, снизить затрачиваемое время на сборку бурового инструмента.The difference between the proposed solution and the known ones is that the device for transmitting electrical energy from the wellhead to the electric drill located at the bottom, including the electrical cable channel and the system of electrical terminals, as well as the device for supplying electricity to the drill pipe (current collector), is replaced with a battery pack ( ABB). That is, the electric drill will be supplied with electricity in the downhole zone, which will reduce electricity losses, ensure a reliable supply of electricity, and reduce the time spent on assembling the drilling tool.

Благодаря расположению АББ непосредственно над ЭЗД трубное пространство на спускаемых трубах и КНБК равномерное равнопроходное по всей длине от устья до забоя, при этом обеспечивается применение в компоновке КНБК любого состава внутрискважинного инструмента, а также возможность выполнения работ по спуску геофизических приборов по трубному пространству. Получаемый при этом технический результат позволяет использовать ЭЗД с компоновками КНБК любого номенклатурного модельного ряда внутрискважинного оборудования и расширяет область применения.Due to the location of the ABB directly above the ECD, the pipe space on the lowered pipes and the BHA is uniform and equal-passing along the entire length from the wellhead to the bottom, which ensures the use of any composition of downhole tools in the BHA assembly, as well as the possibility of performing work on lowering geophysical instruments through the pipe space. The technical result obtained in this case allows the use of EDM with BHA assemblies of any range of downhole equipment and expands the scope of application.

Управление ЭЗД, включение и отключение, управление частотой оборотов может быть осуществлено по известным технологиям как от датчика давления или расхода подаваемого бурового раствора, так и с помощью автоматической системы управления.EDM control, switching on and off, speed control can be carried out using known technologies, either from a pressure sensor or flow rate of the supplied drilling fluid, or using an automatic control system.

Зарядка АББ на буровой установке может производиться как на поверхности с помощью зарядного устройства (классическим способом), так и бесконтактным способом на забое с помощью ректенны (силовая приемная антенна, состоящая из антенны и выпрямительных диодов, преобразующих энергию электромагнитной волны в постоянный ток), присоединенной непосредственно к АББ.Charging of ABB on a drilling rig can be done both on the surface using a charger (classical method), and in a non-contact way at the bottom using a rectenna (a power receiving antenna consisting of an antenna and rectifier diodes that convert the energy of an electromagnetic wave into direct current) attached directly to ABB.

В свою очередь, ректенна может получать электрическую энергию двумя способами: с поверхности земли направленным излучателем, находящемся над ректенной (например, при горизонтальном бурении) или, например, от энергии искрового разряда генератора Аркадьева-Баклина, или другими, например, СВЧ генераторами, настроенными на частоту приема ректенны, опущенного в трубное пространство бурового инструмента до уровня ректенны.In turn, a rectenna can receive electrical energy in two ways: from the surface of the earth with a directed emitter located above the rectenna (for example, during horizontal drilling) or, for example, from the spark discharge energy of an Arkadyev-Baklin generator, or other, for example, microwave generators tuned to the frequency of receiving a rectenna lowered into the tubular space of a drilling tool to the level of the rectenna.

Сущность изобретения поясняется иллюстративными материалами.The essence of the invention is illustrated by illustrative materials.

На фиг. 1 схематично показано устройство для бурения нефтяных и газовых скважин, где цифрами обозначены: 1 - породоразрушаемый инструмент (долото), 2 - электрический забойный двигатель (ЭЗД), 3 - аккумуляторный блок батарей (АББ), 4 - система приема энергии ректенна (АР), 5 - компоновка низа бурильной колонны (включает в себя расчетный количественный состав в зависимости от геологических условий, утяжеленные бурильные трубы, сбалансированные УБТС, калибратор лопастной спиральный КЛС, стальная бурильная труба СБТ).In fig. Figure 1 schematically shows a device for drilling oil and gas wells, where the numbers indicate: 1 - rock-cutting tool (bit), 2 - electric downhole motor (EDM), 3 - battery pack (ABB), 4 - rectenna energy receiving system (AR) , 5 - layout of the bottom of the drill string (includes the calculated quantitative composition depending on geological conditions, drill collars, balanced UBTS, bladed spiral calibrator KLS, steel drill pipe SBT).

На фиг. 2, сечение А-А по фиг. 1, схематично показана система приема энергии ректенна, расположенная по окружности буровой трубы снаружи и внутри, где цифрами обозначены: 8 - внутренний защитный слой ректенны из стала, в котором (внутри) находятся элементы ректенны, 9 - внутренние элементы ректенны (антенны и выпрямительные диоды), 10 - корпус бурильной трубы, 11 - наружный защитный слой ситалла, в котором (внутри) находятся элементы ректенны, 12 - элементы ректенны (антенна и выпрямительные диоды).In fig. 2, section A-A according to Fig. 1, a rectenna energy receiving system is schematically shown, located around the circumference of the drill pipe outside and inside, where the numbers indicate: 8 - internal protective layer of the rectenna made of steel, in which (inside) the rectenna elements are located, 9 - internal rectenna elements (antennas and rectifier diodes ), 10 - drill pipe body, 11 - outer protective layer of glass-ceramic, in which (inside) there are rectenna elements, 12 - rectenna elements (antenna and rectifier diodes).

На фиг. 3, выноска В на фиг. 2, представлена система приема энергии ректенна, где цифрами обозначены: 10 - корпус бурильной трубы, 13 - слой ситалла, в котором (внутри) находятся элементы ректенны, 14 - элементы ректенны (антенна и выпрямительные диоды), 15 - защитный слой антенны из ситалла.In fig. 3, callout B in Fig. 2, a system for receiving rectenna energy is presented, where the numbers indicate: 10 - drill pipe body, 13 - glass-ceramic layer in which (inside) the rectenna elements are located, 14 - rectenna elements (antenna and rectifier diodes), 15 - protective layer of the glass-ceramic antenna .

На фиг. 4, выноска С на фиг. 1, схематично показана система энергообеспечения от аккумуляторного блока батарей до электрического забойного двигателя, где цифрами обозначены: 2 - электрический забойный двигатель, 3 - аккумуляторный блок батарей, 16 - разъемы электрические герметичные, 17 - электрический кабель, 18 - защитная накладка.In fig. 4, callout C in FIG. 1, the power supply system from the battery pack to the electric downhole motor is schematically shown, where the numbers indicate: 2 - electric downhole motor, 3 - battery pack, 16 - sealed electrical connectors, 17 - electric cable, 18 - protective cover.

На фиг. 5 показан разрез компоновки при проведении зарядки аккумуляторного блока батарей 2 с помощью искрового разрядника через внутреннюю ректенну 4, где цифрами обозначены: 1 - долото, 2 - электрический забойный двигатель, 3 - аккумуляторный блок батарей, 4 - система приема энергии ректенна, 5 - компоновка низа бурильной колонны (включает в себя расчетный количественный состав в зависимости от геологических условий, утяжеленные бурильные трубы, сбалансированные УБТС, калибратор лопастной спиральный КЛС, стальная бурильная труба СБТ), 6 - кабель-канат, 7 - защитная капсула искрового разрядника генератора Аркадьева-Баклина.In fig. Figure 5 shows a section of the layout when charging the battery pack 2 using a spark gap through the internal rectenna 4, where the numbers indicate: 1 - bit, 2 - electric downhole motor, 3 - battery pack, 4 - rectenna energy receiving system, 5 - layout bottom of the drill string (includes the calculated quantitative composition depending on geological conditions, drill collars, balanced UBTS, bladed spiral calibrator KLS, steel drill pipe SBT), 6 - cable rope, 7 - protective capsule of the spark gap of the Arkadyev-Baklin generator .

На фиг. 6 показан способ подзарядки аккумуляторного блока батарей 2 при строительстве многозабойных скважин типа «Fishbone» с использованием внешней ректенны 4 через скважину спутник с использованием энергии ВЧ или СВЧ, где цифрами обозначены: 19 - многозабойная скважина «Fishbone», 20 - скважина технологическая (скважина спутник), 21, 22, 23, 24, 25 - места осевого пересечения ствола скважины-спутник и ствола многозабойной скважины, находящиеся в одной вертикальной плоскости, но на разных пластах, 26, 27, 28, 29 - забой ствола.In fig. Figure 6 shows a method for recharging the battery pack 2 during the construction of multilateral wells of the “Fishbone” type using an external rectenna 4 through a satellite well using HF or microwave energy, where the numbers indicate: 19 - multilateral well “Fishbone”, 20 - technological well (satellite well ), 21, 22, 23, 24, 25 - places of axial intersection of the satellite wellbore and the multilateral wellbore, located in the same vertical plane, but on different layers, 26, 27, 28, 29 - bottom of the wellbore.

На фиг. 7 показана технологическая операция по подзарядке аккумуляторного блока батарей 2 с помощью скважины-спутник через агрегат генератор ЭМВ ВЧ или СВЧ, где цифрами обозначены: 1 - долото, 2 - электрический забойный двигатель, 3 - аккумуляторный блок батарей, 4 - система приема энергии ректенна, 5 - компоновка низа бурильной колонны, 30 - буровая установка, 31 - генератор электромагнитных волн (ЭМВ) волн высоких частот (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ) энергия, 32 - кабель для межблочного соединения (агрегата - генератора ЭМВ и модифицированная колонна гибких труб (МКГТ)), 33 - агрегат для работы с колонной гибких труб, 20 - скважина-спутник, 34 - проводник типа волновод МКГТ, 35 - компрессор ЭМВ, 36 - антенна, 37 - пласт, 38 - продуктивный пласт.In fig. Figure 7 shows the technological operation for recharging the battery pack 2 using a satellite well through an HF or microwave EMF generator unit, where the numbers indicate: 1 - bit, 2 - electric downhole motor, 3 - battery pack, 4 - rectenna energy receiving system, 5 - layout of the bottom of the drill string, 30 - drilling rig, 31 - generator of electromagnetic waves (EMW) high frequency (HF) and ultra high frequency (microwave) energy, 32 - cable for interblock connection (unit - EMW generator and modified flexible pipe string (MKGT)), 33 - unit for working with a string of flexible pipes, 20 - satellite well, 34 - MKGT waveguide type conductor, 35 - EMV compressor, 36 - antenna, 37 - formation, 38 - productive formation.

Устройство для бурения нефтяных и газовых скважин (фиг. 1) содержит породоразрушающий инструмент в виде долота 1, присоединенного к нему с помощью резьбового соединения (размерный ряд выбирается из стандартов резьбовых соединений и является общепринятым для соответствующего диаметра) электрического забойного двигателя 2 постоянного тока, обеспечивающего вращение долота 1. К электрическому забойному двигателю 2 посредством резьбового соединения присоединен аккумуляторный блок батарей 3, который посредством резьбового соединения соединен с корпусом бурильной трубы 10 с системой приема энергии ректенной 4.A device for drilling oil and gas wells (Fig. 1) contains a rock-cutting tool in the form of a bit 1, attached to it using a threaded connection (the size range is selected from the standards of threaded connections and is generally accepted for the corresponding diameter) of an electric downhole DC motor 2, providing rotation of the bit 1. A battery pack 3 is connected to the electric downhole motor 2 by means of a threaded connection, which is connected by means of a threaded connection to the body of the drill pipe 10 with a rectenna energy receiving system 4.

Компоновка низа бурильной колонны 5 с установленной на корпусе бурильной трубы 10 по окружности снаружи и внутри ректенной 4 механически и электрически связана с аккумуляторным блоком батарей 3 посредством резьбы с обеспечением электрической изоляции.The arrangement of the bottom of the drill string 5 with the drill pipe 10 mounted on the body along the circumference outside and inside the rectenna 4 is mechanically and electrically connected to the battery pack 3 by means of a thread to ensure electrical insulation.

Энергообеспечение электрического забойного двигателя осуществляется посредством электрокабеля с потайной заделкой, идущего от АББ к ЭЗД по внешнему корпусу и защищенной от повреждения защитной накладкой, (фиг. 4), либо по системе торцевого токопроводного контакта резьбового соединения АББ и ЭЗД (торцевые контакты, размещенные в торце буртика резьбового соединения, при скручивании двух резьбовых соединений контакты располагаются в одной плоскости, плотно соприкасающихся друг с другом, и обеспечивают передачу электроэнергию).The power supply to the electric downhole motor is carried out through an electrical cable with a hidden seal running from the ABB to the EDM along the outer casing and protected from damage by a protective cover (Fig. 4), or through a system of end conductive contact of the threaded connection of the ABB and the EDM (end contacts located at the end the collar of a threaded connection, when twisting two threaded connections, the contacts are located in the same plane, tightly touching each other, and ensure the transmission of electricity).

Компоновка низа бурильной колонны собирается в зависимости от технологической необходимости при бурении скважин. Все элементы компоновки от долота до вертлюга или верхнего силового привода соединяются между собой резьбовыми соединениями в соответствии с ГОСТом. В конструкции забойного электрического двигателя используется шпиндель, опорные подшипники, электрический двигатель, аккумуляторный блок батарей, соединенных между собой разъемным соединением. Система включения и отключения, а также управления (не показана) электрическим забойным двигателем 2 осуществляется от автоматической системы управления по известному принципу контроля подачи бурового раствора его объему и давлению, также от скорости вращения момента на долоте. Такое управление закладывается системой программного обеспечения в зависимости от задаваемых параметров интервала бурения скважины, где подбирается скорость, момент вращения долота, объем подаваемого бурового раствора. Данная система интегрируется непосредственно в электрический забойный двигатель.The layout of the bottom of the drill string is assembled depending on the technological need when drilling wells. All assembly elements from the bit to the swivel or upper power drive are connected to each other by threaded connections in accordance with GOST. The design of a downhole electric motor uses a spindle, support bearings, an electric motor, and a battery pack connected to each other by a detachable connection. The system for turning on and off, as well as control (not shown) of the electric downhole motor 2 is carried out from an automatic control system according to the well-known principle of controlling the supply of drilling fluid, its volume and pressure, as well as the rotation speed of the torque on the bit. Such control is provided by the software system depending on the specified parameters of the well drilling interval, where the speed, bit rotation torque, and volume of supplied drilling fluid are selected. This system is integrated directly into the electric downhole motor.

В качестве ЭЗД используется электродвигатель постоянного тока. В качестве аккумуляторного блока батарей могут применяться литий-ионный типы аккумуляторов. Для изготовления системы приема энергии ректенны на бурильной трубе может, например, использоваться тонкопленочная и толстопленочная технология изготовления микросхем и микроплат [Орликов, Л.Н. Технология материалов и изделий электронной техники. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. - Часть 1. - 98 с, Часть 2. - 101 с; Легостаев, Н.С. Микроэлектроника. Томский Государственный университет, 2013. - 172 с].A DC electric motor is used as an ECD. Lithium-ion types of batteries can be used as a battery pack. To manufacture a system for receiving rectenna energy on a drill pipe, for example, thin-film and thick-film technology for the manufacture of microcircuits and microboards can be used [Orlikov, L.N. Technology of materials and electronic products. Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 2012. - Part 1. - 98 p., Part 2. - 101 p.; Legostaev, N.S. Microelectronics. Tomsk State University, 2013. - 172 p.].

Устройство для бурения нефтяных и газовых скважин работает следующим образом.A device for drilling oil and gas wells operates as follows.

Для разрушения горной породы на буровой установке (фиг. 1) предварительно собирают компоновку устройства. В качестве примера компоновка последовательно, снизу-вверх, содержит долото 1, переводник (не показан), ЭЗД 2, АББ 3, АР 4. Компоновка низа бурильной колонны КНБК 5 включает утяжеленные бурильные трубы, сбалансированные УБТС, калибратор лопастной спиральный КЛС, УБТС (количественный состав подпирается по расчетным нагрузкам), стальную бурильную трубу СБТ. КНБК далее спускают в забой, после чего подают для выноса разбуриваемой породы буровой раствор, который в свою очередь, доходя до ЭЗД 2 и набрав во внутритрубном пространстве необходимое давление от системы управления (не показана на фиг.), подает сигнал на запуск электродвигателя ЭЗД 2. Далее электробур выводят на режим по оборотам двигателя и начинают бурение скважины. Регулировку скорости вращения электробура можно осуществлять путем увеличения или уменьшения подачи бурового раствора через систему управления электробуром. После прохождения необходимого интервала бурения или по окончанию электрической энергии в блоке АББ 3, устройство извлекают из скважины. Разряженный блок АББ 3 отсоединяют от электрического забойного двигателя и ставят на зарядку.To destroy rock on a drilling rig (Fig. 1), the device layout is pre-assembled. As an example, the arrangement sequentially, from bottom to top, contains bit 1, sub (not shown), ESD 2, ABB 3, AR 4. The bottom hole assembly of BHA 5 includes drill collars, balanced UBTS, bladed spiral calibrator KLS, UBTS ( quantitative composition is supported by design loads), steel drill pipe SBT. The BHA is then lowered into the bottom hole, after which drilling fluid is supplied to remove the drilled rock, which in turn, reaching the EDM 2 and having collected the required pressure in the intra-pipe space from the control system (not shown in the figure), sends a signal to start the EDM 2 electric motor Next, the electric drill is set to the engine speed mode and drilling of the well begins. The rotation speed of the electric drill can be adjusted by increasing or decreasing the supply of drilling fluid through the electric drill control system. After completing the required drilling interval or at the end of the electrical energy in the ABB block 3, the device is removed from the well. The discharged ABB 3 unit is disconnected from the electric downhole motor and placed on charge.

При бурении есть технологические операции как подъем инструмента из скважины, подъем долота с целью осмотра и проверки вооружения и тому подобное. Например, при бурении вертикального участка скважины с БУ-ЗД86, где глубина составляет 3000 м, время, потраченное на подъем, составит 6 часов, а с глубины 5000 м, время, потраченное на подъем, составит 11 часов. То есть, чтобы поднять и спустить с заменой блок АББ потребуется 12-22 часов, при этом скорость зарядки потребуется намного меньше, если поднять компоновку в безопасную зону и провести ускоренную зарядку. Также по аналогии при строительстве скважины «Fishbone» попадание компоновкой в пробуренный ствол может вызвать затруднения.When drilling, there are technological operations such as lifting a tool from a well, lifting a bit for the purpose of inspecting and testing weapons, and the like. For example, when drilling a vertical section of a well with BU-ZD86, where the depth is 3000 m, the time spent on lifting will be 6 hours, and from a depth of 5000 m, the time spent on lifting will be 11 hours. That is, it will take 12-22 hours to raise and lower a replacement ABB unit, while the charging speed will be much lower if you lift the assembly to a safe area and carry out accelerated charging. Also, by analogy, when constructing a Fishbone well, getting the assembly into the drilled hole can cause difficulties.

Заряженный блок АББ 3 крепят к электрическому забойному двигателю 2, далее собирают всю компоновку и бурение продолжают.The charged ABB block 3 is attached to the electric downhole motor 2, then the entire assembly is assembled and drilling continues.

Для осуществления подзарядки АББ 3 без подъема на устье скважины в устройство включена система приема энергии (система подзарядки) 4 - ректенна. Так как ректенна может быть смонтирована в компоновке как снаружи, так и внутри бурильной трубы, то возможно осуществление зарядки двумя способами: спуская зарядное устройство во внутритрубное пространство или с внешней стороны при использовании скважины-спутник. Конструкция ректенны может принимать заряд как при спущенном внутри трубы зарядном устройстве (фиг. 5), так и с внешнего устройства, то есть когда приемные антенны расположены во внутритрубном пространстве и на внешней стороне бурильной трубы, то подзарядку можно осуществить следующим образом.To recharge ABB 3 without lifting to the wellhead, the device includes an energy receiving system (recharging system) 4 - rectenna. Since the rectenna can be mounted in an arrangement both outside and inside the drill pipe, charging can be carried out in two ways: by lowering the charger into the intrapipe space or from the outside when using a satellite well. The rectenna design can receive a charge both when the charger is lowered inside the pipe (Fig. 5), and from an external device, that is, when the receiving antennas are located in the intrapipe space and on the outside of the drill pipe, then recharging can be done as follows.

Во внутритрубное пространство 5 компоновки низа бурильной колонны (КНБК) (фиг. 5) на кабель-канате 6 в защитной капсуле 7 спускают искровой разрядник генератора Аркадьева-Баклина или другие источники электромагнитной энергии например СВЧ генератор, для работы которого подают электроэнергию от устья скважины в забой по кабель-канату 6. При искровом разряде внутренняя ректенна 8, 9 (фиг. 2 вид А-А) принимает энергию искрового разряда и преобразует ее в напряжение (ток) для зарядки АББ 3 (фиг. 5). Искровой разрядник 7 спускают на кабель-канате 6 (фиг. 5) для подзарядки на небольшое время, после чего его извлекают и работа по бурению продолжается, внутритрубное пространство снова свободно.The spark gap of the Arkadyev-Baklin generator or other sources of electromagnetic energy, such as a microwave generator, for the operation of which electricity is supplied from the wellhead to face along cable rope 6. During a spark discharge, the internal rectenna 8, 9 (Fig. 2 view A-A) receives the energy of the spark discharge and converts it into voltage (current) to charge the ABB 3 (Fig. 5). The spark gap 7 is lowered on the cable rope 6 (Fig. 5) for recharging for a short time, after which it is removed and the drilling work continues, the intra-pipe space is free again.

Способ подзарядки с возможностью использования внешней ректенны актуален при строительстве многозабойных скважин типа «Fishbone», где подзарядку осуществляют от спущенной антенны 36 в технологическую скважину (скважина-спутник 20, фиг. 7). Технологическая скважина построена по принципу пространственного расположения над или под основной скважиной «Fishbone», где наиболее близкое расположение двух стволов скважин спутника и скважин «Fishbone» должны пересекаться в местах пересечения стволов скважины «Fishbone». Это необходимо для того, чтобы при подзарядке АББ не выходить из бокового ствола в основной ствол. То есть для подзарядки АББ произведут извлечение инструмента продвижения ЭЗД с АББ до точки пересечения стволов, далее остановка, подвод по скважине спутнику в точки 26, 27, 28, 29 пересечения стволов (фиг. 6) для подзарядки.The recharging method with the possibility of using an external rectenna is relevant in the construction of multilateral wells of the “Fishbone” type, where recharging is carried out from the lowered antenna 36 into the process well (satellite well 20, Fig. 7). The production well is constructed according to the principle of spatial arrangement above or below the main Fishbone well, where the closest location of the two satellite wellbores and the Fishbone wells should intersect at the intersection of the Fishbone wellbores. This is necessary so that when recharging the ABB does not go out of the side barrel into the main barrel. That is, to recharge the ABB, they will remove the tool for advancing the ECD from the ABB to the point of intersection of the shafts, then stop and move the satellite along the well to points 26, 27, 28, 29 of the intersection of the shafts (Fig. 6) for recharging.

Подзарядку осуществляют по следующему принципу (фиг. 6, 7): от агрегата - генератора ЭМВ волн высоких и сверхвысоких частот 31 энергию подают по кабелю 32 для межблочного соединения (агрегата - генератора ЭМВ и МКГТ), далее по волноводу на агрегат для работы с колонной гибких труб 33, далее по волновод МКГТ 34 и транспортируют по нему до устройства для накопления энергии ЭМВ (компрессор ЭМВ) 35, где энергия непрерывной электромагнитной волны высокой или сверхвысокой частоты преобразуется в энергии ВЧ или СВЧ импульсов, мощность импульса при этом на порядок превышает исходную мощность на входе компрессора ЭМВ, и излучается через антенны 36, в пласт 37. В результате данного воздействия происходит прием энергии ВЧ или СВЧ системой подзарядки ректенной 4. Внешняя ректенна (фиг. 2) принимает энергию ВЧ и СВЧ, преобразует ее в электрический ток и подзарядку АББ 3.Recharging is carried out according to the following principle (Fig. 6, 7): from the unit - generator of electromagnetic waves of high and ultra-high frequencies 31, energy is supplied via cable 32 for interblock connection (unit - generator of electromagnetic waves and MKGT), then along the waveguide to the unit for working with the column flexible pipes 33, then along the waveguide MKGT 34 and transported along it to the device for storing EMV energy (EMV compressor) 35, where the energy of a continuous electromagnetic wave of high or ultra-high frequency is converted into the energy of HF or microwave pulses, the pulse power is an order of magnitude higher than the original power at the input of the EMW compressor, and is radiated through antennas 36 into formation 37. As a result of this impact, HF or microwave energy is received by the rectenna recharging system 4. The external rectenna (Fig. 2) receives HF and microwave energy, converts it into electric current and recharging ABB 3.

Также возможен способ подзарядки АББ с использованием кабель-каната 6, спущенного по трубному пространству КНБК с контактными клеймами искрового зарядника 7 для подсоединения и передачи энергии.It is also possible to recharge the ABB using cable rope 6, lowered through the pipe space of the BHA with contact marks of the spark charger 7 for connecting and transmitting energy.

Таким образом, заявляемое конструктивное выполнение устройства для бурения нефтяных и газовых скважин обеспечивает повышение надежности за счет использования непосредственно расположенного в контакте с забойным электрическим двигателем питающего устройства электроэнергией аккумуляторный блок батарей (АББ). Емкостная мощность АББ позволяет отработать необходимый интервал бурения, после чего он извлекается из скважины и меняется на новый. Техническая оснащенность буровых установок позволяет проводить зарядку аккумуляторного блока батарей на буровой установке как на поверхности с помощью зарядного устройства (классическим способом), так и бесконтактным способом на забое с помощью ректенны (силовая приемная антенна), присоединенной непосредственно к аккумулятору. Также немаловажным преимуществом устройства является возможность его использования при бурении глубоких и сверхглубоких скважин с большой протяженностью горизонтального участка, где основным значением, при использовании винтовых забойных двигателей, является расход бурового раствора в литрах на секунду и соответствующее давление для преодоления сопротивления столба жидкости, что зачастую не могут обеспечить отечественные буровые насосы, а при использовании заявляемого устройства такой показатель, как расход бурового раствора не является критичным.Thus, the claimed design of a device for drilling oil and gas wells ensures increased reliability due to the use of a battery pack (ABB) located directly in contact with the downhole electric motor of the device that supplies electricity with electricity. The capacitive capacity of ABB allows the required drilling interval to be worked out, after which it is removed from the well and replaced with a new one. The technical equipment of drilling rigs allows charging the battery pack on the drilling rig both on the surface using a charger (classical method), and in a non-contact way at the bottom using a rectenna (power receiving antenna) connected directly to the battery. Another important advantage of the device is the possibility of its use when drilling deep and ultra-deep wells with a large horizontal section, where the main value, when using downhole motors, is the drilling fluid flow rate in liters per second and the corresponding pressure to overcome the resistance of the liquid column, which is often not can be provided by domestic mud pumps, and when using the proposed device, such an indicator as the consumption of drilling fluid is not critical.

Claims (3)

1. Устройство для бурения нефтяных и газовых скважин, спускаемое на колонне бурильных труб, характеризующееся тем, что содержит электрический забойный двигатель, расположенный под ним породоразрушающий инструмент и расположенный над электрическим забойным двигателем аккумуляторный блок батарей, систему управления включения, отключения, регулировки частоты оборотов электрического забойного двигателя, причем для обеспечения энергоснабжения по внешней стороне корпусов аккумуляторного блока батарей и электрического забойного двигателя или проложен кабель с потайной заделкой, защищенной от повреждения защитной накладкой, или энергообеспечение осуществлено посредством торцевого токопроводного контакта резьбового соединения аккумуляторного блока батарей и электрического забойного двигателя, причем торцевые контакты расположены в торце буртика резьбового соединения таким образом, что при скручивании двух резьбовых соединений указанные торцевые контакты находятся в одной плоскости, при этом для осуществления подзарядки аккумуляторного блока батарей над ним расположена система приема энергии, представляющая собой ректенну, установленную по окружности по внешней и внутренней поверхности бурильной трубы, а указанные электрический забойный двигатель, аккумуляторный блок батарей и бурильная труба с ректенной соединены между собой механически и электрически таким образом, что образуется внутритрубное полое пространство.1. A device for drilling oil and gas wells, lowered on a drill pipe string, characterized in that it contains an electric downhole motor, a rock-cutting tool located underneath it and a battery pack located above the electric downhole motor, a control system for turning on, off, and adjusting the speed of the electric downhole motor, and to ensure power supply on the outside of the housings of the battery pack and the electric downhole motor, either a cable with a hidden seal is laid, protected from damage by a protective cover, or the power supply is carried out through the end conductive contact of the threaded connection of the battery pack and the electric downhole motor, and the end the contacts are located at the end of the flange of the threaded connection in such a way that when twisting two threaded connections, these end contacts are in the same plane, while in order to recharge the battery pack, an energy receiving system is located above it, which is a rectenna installed in a circle on the outer and inner surface of the drill pipe, and the specified electric downhole motor, battery pack and drill pipe with rectenna are connected to each other mechanically and electrically in such a way that an in-pipe hollow space is formed. 2. Устройство для бурения нефтяных и газовых скважин по п. 1, отличающееся тем, что ректенна, расположенная на внутренней поверхности бурильной трубы, выполнена с возможностью подзарядки от искрового разрядника или генератора СВЧ, спускаемого во внутритрубное пространство.2. A device for drilling oil and gas wells according to claim 1, characterized in that the rectenna located on the inner surface of the drill pipe is designed to be recharged from a spark gap or microwave generator lowered into the intrapipe space. 3. Устройство для бурения нефтяных и газовых скважин по п. 1, отличающееся тем, что ректенна, расположенная на внешней стороне бурильной трубы, выполнена с возможностью приема энергии для подзарядки аккумуляторного блока батарей от антенны скважины-спутника, ствол которой расположен в одной плоскости со строящейся скважиной.3. A device for drilling oil and gas wells according to claim 1, characterized in that the rectenna located on the outer side of the drill pipe is configured to receive energy to recharge the battery pack from the satellite well antenna, the trunk of which is located in the same plane with well under construction.
RU2022124261A 2022-09-12 Electric downhole motor for drilling oil and gas wels RU2803273C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2803273C1 true RU2803273C1 (en) 2023-09-11

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2321717C1 (en) * 2003-11-04 2008-04-10 Олег Владимирович Кекот Electric drill for oil and gas well drilling (variants)
US20100206554A1 (en) * 2007-05-04 2010-08-19 Dynamic Dinosaurs B.V. Power transmission system for use with downhole equipment
US20100300677A1 (en) * 2007-09-27 2010-12-02 Patterson Iii Albert E Modular power source for subsurface systems
CA2782618A1 (en) * 2009-12-04 2011-06-09 Sensor Developments As Method and apparatus for in-situ wellbore measurement and control with inductive connectivity
US20140027176A1 (en) * 2012-07-30 2014-01-30 Baker Hughes Incorporated Drill Bit with a Force Application Using a Motor and Screw Mechanism for Controlling Extension of a Pad in the Drill Bit
US20160090817A1 (en) * 2014-09-30 2016-03-31 Schlumberger Technology Corporation Transportable Energy Storage Devices
US20160102529A1 (en) * 2014-10-13 2016-04-14 Marathon Oil Company Electromagnetic induction generator for use in a well
JP2021021321A (en) * 2011-07-27 2021-02-18 ファーストキャップ・システムズ・コーポレイションFastCAP SYSTEMS Corporation Power source for downhole instruments

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2321717C1 (en) * 2003-11-04 2008-04-10 Олег Владимирович Кекот Electric drill for oil and gas well drilling (variants)
US20100206554A1 (en) * 2007-05-04 2010-08-19 Dynamic Dinosaurs B.V. Power transmission system for use with downhole equipment
US20100300677A1 (en) * 2007-09-27 2010-12-02 Patterson Iii Albert E Modular power source for subsurface systems
CA2782618A1 (en) * 2009-12-04 2011-06-09 Sensor Developments As Method and apparatus for in-situ wellbore measurement and control with inductive connectivity
JP2021021321A (en) * 2011-07-27 2021-02-18 ファーストキャップ・システムズ・コーポレイションFastCAP SYSTEMS Corporation Power source for downhole instruments
US20140027176A1 (en) * 2012-07-30 2014-01-30 Baker Hughes Incorporated Drill Bit with a Force Application Using a Motor and Screw Mechanism for Controlling Extension of a Pad in the Drill Bit
US20160090817A1 (en) * 2014-09-30 2016-03-31 Schlumberger Technology Corporation Transportable Energy Storage Devices
US20160102529A1 (en) * 2014-10-13 2016-04-14 Marathon Oil Company Electromagnetic induction generator for use in a well

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109577864B (en) Electrode drill bit for coiled tubing high-voltage electric pulse-mechanical composite drilling
RU2616956C2 (en) Bha electromotor in form of pipe-in-pipe
RU2413071C2 (en) Signal transmission pipe and its manufacturing method (versions)
CN1283892C (en) Multilateral well and electrical transmission system
CN109577859B (en) Continuous tube high-voltage electric pulse-mechanical composite rock breaking drilling method
CN110578470A (en) System for rotary drilling by means of electrical discharges
CN105829637A (en) Enhancing torque electric motor drive and control system for rotary steerable system
US11795786B2 (en) Downhole energy harvesting
US9080391B2 (en) Insulated conductor for downhole drilling equipment and method
US11199075B2 (en) Downhole energy harvesting
US20230019444A1 (en) Downhole energy harvesting
US20190353030A1 (en) Downhole communication
CN114508344B (en) Underground coal mine multi-channel measurement while drilling geosteering system and construction method
US11072999B2 (en) Downhole energy harvesting
RU2803273C1 (en) Electric downhole motor for drilling oil and gas wels
US11970923B2 (en) Downhole electrical generator
EP3387216B1 (en) Electrical conveyance for downhole tools
US11898420B2 (en) Tapered string pulse power rock excavation system
CN117627625A (en) Underground power supply device of vertical well inclinometer
RU2447463C2 (en) Device for exciting powerful seismo-acoustic pressure pulses in deep wells
CN116163659A (en) Hydro-electric pulse plasma guided drilling system and drilling method
EA043424B1 (en) IN-WELL ENERGY COLLECTION