ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК H02J7/02 E21B1/02 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к зарядным устройствам скважинных емкостных накопителей энергии, предназначенных для ведения сейсморазведки и обработки призабойной зоны нефтяных скважин.

Известно выпрямительное устройство (см. а.с. СССР N 614505, М.Кл. H 02 M 7/10, авторы О.Г. Потанин, А.Г. Николаев, В.К. Быстров и Л.С. Гац, заявлено 30.12.76, опубликовано 05.07.78, бюл. N 25), содержащее трансформатор и мостовой выпрямитель, выполненный на двух вентилях и двух конденсаторах, соединенных по схеме удвоения напряжения. Параллельно выходным выводам выпрямителя подключена цепочка из двух последовательно соединенных дополнительных конденсаторов, общая точка которых через дроссель соединена с общей точкой основных конденсаторов. К выходу выпрямительного устройства подключены также емкостный фильтр и нагрузка.

В известном устройстве действуют два фазосдвигающих и токоограничивающих канала выпрямления (емкостный и индуктивный) соответственно, выпрямление тока происходит с вентильно-резонансным эффектом, при котором источник первичного напряжения нагружен только активным током и работает с максимальным коэффициентом мощности.

Недостатками известного зарядного устройства являются сложность выравнивания по модулю импедансов емкостного и индуктивного каналов выпрямления и отсутствие возможности контроля за работой нагрузки.

Вторым известным зарядным устройством является устройство для заряда накопительного конденсатора (см. а.с. СССР N 379956, М.Кл. H 02 M 7/12, авторы В. А. Белявцев, В. М. Вакуленко, Л. П. Иванов и В.П. Мызников, заявлено 21.06.71, опубликовано 20.04.73, бюл. N 20), содержащее трансформатор, коммутатор, диодно-конденсаторный умножитель напряжения, делитель напряжения, генератор тактовых импульсов, триггер, сравнивающее устройство и реле управления.

Диодно-конденсаторный умножитель состоит из двух конденсаторов, диода и управляемого тиристора и служит для выпрямления и удвоения напряжения. Делитель напряжения представляет собой цепочку из двух резисторов и служит для контроля напряжения на выходе выпрямителя в процессе зарядки емкостного накопителя. Триггер, сравнивающее устройство и реле управления обеспечивают снятие сигнала с управляющего электрода диода-тиристора и отключение выпрямителя после достижения заданного выходного напряжения.

Недостатком указанного зарядного устройства являются небольшое выходное напряжение из-за наличия низковольтного управляемого тиристора во вторичной цепи трансформатора, а также отсутствие возможности контроля за динамикой работы емкостного накопителя (сравнивающее устройство сопоставляет с уставкой только величину статического напряжения на накопителе).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является зарядное устройство емкостного накопителя скважинной электрогидравлической установки для обработки призабойной зоны нефтяных скважин (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), содержащее металлический корпус, повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, разрядный резистор и отсекающий дроссель.

Высоковольтный выпрямитель выполнен на двух вентилях и двух конденсаторах, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура, и подключен общими точками соединения двух вентилей и двух конденсаторов ко вторичной обмотке трансформатора. Отсекающий дроссель одним выводом подключен к одной из общих точек соединения вентиля и конденсатора, а другим выводом - к корпусу выпрямителя и служит для ограничения токов в выпрямителе при перезарядке емкостного накопителя. Другая общая точка соединения вентиля и конденсатора подключена к высоковольтному выводу зарядного устройства. Разрядный высокоомный резистор включен между высоковольтным выводом и корпусом зарядного устройства и служит для снятия остаточного напряжения с емкостного накопителя при отключении источника первичного напряжения. Корпус выполнен в виде стальной трубы диаметром 114 мм и длиной 1330 мм и залит трансформаторным маслом. Рабочее напряжение зарядного устройства 30 кВ.

Недостатком зарядного устройства скважинной электрогидравлической установки-прототипа является невозможность контроля за режимом работы (разряда) емкостного накопителя.

При создании данного изобретения решалась задача дистанционного (на расстоянии в несколько километров) контроля за режимом работы (разряда) скважинной электрогидравлической установки и быстрого ее отключения для ремонта или перенастройки в случаях короткого замыкания (повреждения конденсаторов, разрядников, разрушения изоляторов электродной излучающей системы) или отсутствия электрического пробоя скважинной жидкости.

Техническим результатом изобретения является осуществление дистанционного контроля за работой скважинной электрогидравлической установки и повышение безопасности работы. Дополнительным техническим результатом является возможность запуска наземной сейсморазведочной станции синхронно с разрядом скважинной электрогидравлической установки.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным зарядным устройством, содержащим маслонаполненный металлический корпус, повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, отсекающий дроссель и разрядный резистор, при этом разрядный резистор включен между высоковольтным выводом выпрямителя и корпусом зарядного устройства, новым является то, что параллельно разрядному резистору включена измерительная цепочка из последовательно соединенных конденсатора и одного или нескольких резисторов. Кроме того, выходом измерительной цепочки может служить общая точка соединения конденсатора и резистора или одна из точек соединения резисторов, а постоянная времени измерительной цепочки меньше постоянной времени разряда емкостного накопителя.

Скважинная электрогидравлическая установка представляет собой блочно-модульную конструкцию, состоящую из зарядного устройства, нескольких емкостных модулей, коммутирующего разрядника и электродной излучающей системы, помещенной в скважинную жидкость. Питание и управление скважинной электрогидравлической установкой осуществляется с наземного пульта через трех- или пятижильный каротажный кабель. При разряде емкостных модулей на искровой промежуток в скважинной жидкости образуется быстро расширяющаяся парогазовая полость, от которой отходят ударная волна и мощный гидропоток, которые 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.

Установка на выходе зарядного устройства скважинной электрогидравлической установки измерительной RC-цепочки обеспечивает оперативное слежение за режимом работы высоковольтных блоков скважинной электрогидравлической установки (емкостного накопителя, коммутирующего разрядника и электродной излучающей системы) без непосредственного электрического контакта с последними; быструю идентификацию аварийного состояния скважинной электрогидравлической установки и снижение затрат на ее ремонт; определение электрофизических параметров скважинной жидкости, энергии и мощности в канале разряда и амплитуды ударной и акустической волн вблизи канала разряда в условиях больших глубин (при высоких температуре и давлении); формирование и передачу на поверхность земли импульсов синхронизации для запуска сейсморазведочной станции и определение скорости звука в горных породах.

Выбор постоянной времени измерительной цепочки R₇ • C₆ меньшей, например, в 5-10 раз постоянной времени емкостного накопителя R_н • C_н способствует тому, что напряжение на резисторе измерительной цепочки пропорционально производной напряжения на емкостном накопителе, т.е. разрядному току емкостного накопителя U₈ = R₈ • C₆ • dU_н/dt = (R₈ • C₆/C_н) • I_н.

На фиг. 1 изображена электрическая схема заявляемого зарядного устройства, на фиг. 2 - осциллограммы импульсов напряжения на резисторе измерительной цепочки при штатной и аварийной работе емкостного накопителя.

Зарядное устройство содержит маслонаполненный металлический корпус 1, повышающий трансформатор 2, высоковольтный выпрямитель 3, отсекающий дроссель 4, разрядный резистор 5 и измерительную цепочку из конденсатора 6 и двух резисторов 7 и 8.

Корпус 1 выполнен из стальной трубы диаметром 102 мм, рассчитанной на внешнее гидростатическое давление 50 МПа. Корпус 1 имеет низковольтный ввод (специальный загерметизированный штепсельный разъем) 9 для соединения с многожильным каротажным кабелем и выводами первичной обмотки повышающего трансформатором 2 и высоковольтный вывод (штырь) 10 с проходным изолятором 11 для подключения емкостного накопителя. Внутренняя полость корпуса 1 заполнена трансформаторным маслом.

Высоковольтный выпрямитель 3 состоит из двух высоковольтных диодов (или двух диодных столбов) и двух высоковольтных фильтрующих конденсаторов, соединенных по схеме удвоения напряжения Латура. Общие точки соединения двух вентилей и двух конденсаторов подключены ко вторичной обмотке трансформатора 2.

Одна из общих точек соединения вентиля и конденсатора подключена через отсекающий дроссель 4 к корпусу 1. Другая из общих точек соединения вентиля и конденсатора подключена к высоковольтному выводу 10 зарядного устройства.

Между высоковольтным выводом 10 и корпусом 1 зарядного устройства включены параллельно разрядный резистор 5 и измерительная RC-цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора 6 и двух резисторов 7 и 8. Общая точка соединения резисторов подключена к свободному штырю низковольтного ввода (разъема) 9.

Величина сопротивления разрядного резистора 5 равна 100-300 МОм. Емкость конденсатора 6 измерительной цепочки составляет 470 пФ, величины сопротивлений резисторов 7 и 8 равны соответственно 15 кОм и 75 Ом. Постоянная времени измерительной цепочки T_и = C₆ • (R₇ + R₈) = 7,085 мкс, что в четыре раза меньше постоянной времени разряда емкостного накопителя.

Работает зарядное устройство следующим образом.

При включении источника первичного напряжения на входной разъем 9 зарядного устройства через каротажный кабель поступает переменное напряжение амплитудой U_1м и частотой f, которое трансформатором 2 повышается до напряжения U_2м = U_1м W₂/W₁, где W₁ и W₂ - числа витков первичной и вторичной обмоток повышающего трансформатора 2.

В положительный полупериод вторичного напряжения открыт правый диод и заряжается (до потенциала вторичной обмотки U_2м) правый фильтрующий конденсатор высоковольтного выпрямителя 3. В отрицательный полупериод напряжения открыт левый диод и заряжается левый фильтрующий конденсатор. Так как оба фильтрующих конденсатора выпрямителя 3 соединены последовательно, то на выходе выпрямителя через два полупериода создается напряжение 2U_2м. Это напряжение прикладывается к емкостному накопителю. Усредненная кривая роста напряжения на емкостном накопителе имеет следующий вид:
U_н = 2U_2м(1-(1-b)^mbf,
где m = 2; b = C_1ф/(C_1ф + C_н); t - время; C_1ф = C_2ф и C_н - емкости фильтрующих конденсаторов выпрямителя и емкостного накопителя соответственно.

Процесс продолжается несколько сотен полупериодов напряжения (6 - 10 сек), пока емкостный накопитель полностью не зарядится. После этого срабатывает коммутирующий разрядник, а емкостный накопитель и конденсатор 6 измерительной цепочки разряжаются одновременно на искровой промежуток в скважинной жидкости. На искровом промежутке выделяется энергия емкостного накопителя, а на резисторах 7 и 8 - энергия измерительного конденсатора, причем форма токов в силовой и измерительной цепях определяется в основном сопротивлением искрового промежутка в скважинной жидкости. На фильтрующие конденсаторы выпрямителя 3 измерительный конденсатор 6 не разряжается из-за присутствия высокоиндуктивного дросселя 4.

Авторами изготовлен и испытан с положительными результатами опытный образец зарядного устройства с измерительной RC-цепочкой. Опытный образец имеет диаметр 102 мм, длину 1 м вес 28 кг. Потребляемая мощность достигает 0,5 кВт, выходное напряжение - 42 кВ, средний ток зарядки - 12,5 мА.

При работе скважинной электрогидравлической установки емкостью C_н = 10 мкФ с вышеуказанным зарядным устройством на низкоомном резисторе измерительной цепочки наблюдаются импульсы напряжения следующего вида:
колоколообразный импульс амплитудой 72 B и длительностью 10 мкс, если пробой скважинной жидкости происходит нормально (R_н = 3 Ом и менее), параметры ударной волны и скоростного гидропотока находятся в заданных диапазонах и обработка прискважинной зоны осуществляется в штатном технологическом режиме (рис. 2а);
сильно затянутый импульс амплитудой не более 22 B и длительностью более 30 мкс, если пробой скважинной жидкости не происходит (R_н = 33 Ом и более), ударная волна и скоростной гидропоток не образуются и никакой полезной работы не производится (рис. 2б);
затухающая синусоида амплитудой 115 В и длительностью 30 мкс, если в схеме электрогидравлической установки короткое замыкание, т.е. поврежден емкостный накопитель или другой элемент разрядной цепи и дальнейшая работа скважинной электрогидравлической установки вызовет ее полное разрушение (рис. 2в).

Таким образом, предлагаемое зарядное устройство позволяет контролировать работу всех блоков скважинной электрогидравлической установки (емкостного накопителя, разрядника и электродной излучающей системы), предупреждать обслуживающий персонал об аварийных ситуациях и давать информацию об электрических свойствах скважинной жидкости на больших глубинах и степени акустического воздействия на окружающие горные породы. Тем самым резко улучшаются эксплуатационные характеристики скважинной электрогидравлической установки.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к зарядным устройствам емкостных накопителей энергии, предназначенных для накачки лазеров и получения мощных электрогидравлических ударов. Техническим результатом является осуществление дистанционного контроля за работой емкостного накопителя и повышение безопасности работы. Зарядное устройство емкостного накопителя содержит маслонаполненный металлический корпус с низковольтным вводом и высоковольтным выводом и размещенные внутри корпуса повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, отсекающий дроссель и разрядный резистор, включенный между высоковольтным выводом и корпусом, параллельно разрядному резистору подключена измерительная цепочка из последовательно соединенных конденсаторов и одного или нескольких резисторов. Кроме того, постоянная времени измерительной цепочки меньше постоянной времени разряда емкостного накопителя. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Зарядное устройство емкостного накопителя, содержащее маслонаполненный металлический корпус с низковольтным вводом и высоковольтным выводом и размещенные внутри корпуса повышающий трансформатор, высоковольтный выпрямитель, отсекающий дроссель и разрядный резистор, включенный между высоковольтным выводом и корпусом, отличающееся тем, что параллельно разрядному резистору подключена измерительная цепочка из последовательно соединенных конденсатора и одного или нескольких резисторов. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что постоянная времени измерительной цепочки меньше постоянной времени разряда емкостного накопителя. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что общая точка соединения конденсатора и резистора или двух резисторов подключена к вводу устройства.