CN105074122A - 能够承受高温的井下工具 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于在深度最深为15km井下处的井中执行操作的井下钢索工具，工具通过电源单元在第一末端处以预定的电压由直流供电，该电源单元被配置为提供选自多个预定电压的特定稳态电压，该井下钢索工具包括：通过交流供电的电动机，在第一末端和电机之间布置的频率转换器，以及适于减小从电源提供给频率转换器的所选电力的稳态电压的电压峰值降低单元，电压峰值降低单元包括电容器，其中电容器是具有包括能够耐受高于150℃温度的材料的电介质的高温电容器。此外，本发明涉及井下工具组，以及涉及保护频率转换器免受向根据本发明的井下工具中的频率转换器提供的电力的电压峰值的方法。

Description

能够承受高温的井下工具

技术领域

本申请涉及用于在井下的井中执行操作的钢索井下工具，通过电源单元在第一末端处以预定的电压向工具以直流源供电，该电源单元被配置为提供选自多个预定电压的特定稳态电压。此外，本发明涉及井下工具组，并且涉及保护频率转换器免受向根据本发明的井下工具中的频率转换器提供的所选电力的稳态电压峰值的方法。

背景技术

当在井下的井中操作时，温度和压力通常很高。然而，在一些井中，温度极其高，其对于任何沉进在这些高温井中的设备呈现巨大挑战。特别地，在这种高温井中电操作工具的使用非常具有挑战性。因此，由于主要通过向下穿过连续油管所提供的流体来控制连续油管操作，所以操作员通常选择使用连续油管设备代替钢索工具从而在这些高温井中执行操作。

发明内容

本发明的目的在于整体或部分地克服现有技术的上述缺点和劣势。更具体地，目的在于提供能够在高温井中运行的改进的钢索工具。

通过根据本发明的由用于在深度最深为15km井下处的井中执行操作的井下钢索工具的解决方案实现以上目的，连同从以下描述中更明确的许多其它目的、优点以及特征，通过电源单元在第一末端中以预定的电压向工具以直流供电，该电源单元被配置为提供选自多个预定电压的特定稳态电压，该井下钢索工具包括：

-电动机，以交流对其供电，

-频率转换器，其被布置在第一末端和电机之间，以及

-电压峰值降低单元，其适于降低从电源提供给频率转换器的所选电力的稳态电压，电压峰值降低单元包括电容器，

其中电容器是具有包括能够耐受高于150℃温度的材料的电介质的高温电容器。

术语“稳态”应当在该上下文中被广义地解释为恒定或略有变化的性能的状态。虽然同样包括诸如在图3中所示电压曲线的缓慢增加或减少特性的状态，但是不认为“稳态”包括快速以及通常不期望的诸如电压尖峰和瞬变的状态。

如上所述的井下钢索工具可进一步包括诸如用于推动钢索井下工具的操作工具或轮子的操作装置，该操作装置需要向下通过钢索的不同量的所选电力。

在实施例中，电压峰值降低单元可包括与由控制单元激活的晶体管连接的电阻器，以使得当所选电力的稳态电压超过预定电平时，控制单元激活晶体管，该晶体管然后允许过多的电力在电阻器中消耗。

在某些实施例中，电容器的电介质可以是固态电介质。

同样，电介质可包括聚四氟乙烯(PTFE)或陶瓷。

如上所述的井下工具可包括多个电容器。

另外，工具可经由钢索与电源连接，钢索与工具的第一末端连接。

此外，提供给电机的电力可具有在90VAC-900VAC之间的电压，优选在90VAC-500VAC之间的电压。电力可以作为交流提供。

进一步，提供给频率转换器的所选电力可具有在500V-900V之间的稳态电压，优选在600V-700V之间的稳态电压。所选电力可作为直流提供。

此外，电压峰值降低单元可包括消弧电路。

在如上所述的井下工具中，电容器可具有在80μF和150μF之间的电容。

同样，电容器可具有至少100μF的电容。

进一步，频率转换器可向电机提供具有20Hz-120Hz频率的电力。

在实施例中，稳态电压的预定电平可以是750V-1200V。

另外，电压峰值降低单元可与工具主体可释放地连接，以使得电压峰值降低单元是可更换的。

此外，电压峰值降低单元可包括用于在电压峰值降低单元的输入侧处测量所选电力的稳态电压的测量单元。

本发明同样涉及包括如上所述的井下工具和诸如铣削工具的操作工具的井下工具组。

最后，本发明涉及保护频率转换器免受向根据前述权利要求中任何一项的井下钢索工具中的频率转换器提供的所选电力的稳态电压峰值的方法，该方法包括如下步骤：

-在井下工具中的电源和频率转换器之间布置电压峰值降低单元，

-向井下工具中的电压峰值降低单元提供电力，

-在电压峰值降低单元的输入侧处测量所选电力的稳态电压，以及

-降低电力中高于预定电压电平的稳态电压的峰值。

附图说明

下面将参考所附示意性附图更详细地描述本发明及其若干优点，其出于说明的目的示出一些非限制性实施例，并且在附图中：

图1示出电路的简化电路模型，

图2示出电路的简化电路模型的另一实施例，

图3是向频率转换器提供的电力电压的示意图，以及

图4示出井中的井下工具。

所有附图都是高度示意性的并且不必按比例绘制，并且它们仅示出其为了阐明本发明的必要部分，其它部分省略或仅作为建议。

具体实施方式

图1示出用于向在井的井下执行操作的井下钢索工具1中的电动机5供电的电路的简化电路模型。通过电源单元4在工具的第一末端中以预定的稳态电压向工具以直流供电。电源单元4被配置为提供来自多个预定电压的特定稳态电压，并且电源最通常位于井的顶部，并且通过与工具的第一末端连接的井下钢索16向井下面的被淹没的工具供电。此外井下钢索工具1包括在第一末端和电机5之间布置并且因此在工具中布置的频率转换器6，以使得从电源单元4通过钢索16和频率转换器6向电机5提供所选电力。因此电机以交流供电。，

当向下通过长的钢索提供稳态电压时，提供给工具的电力电压基本上下降，并且当由于暂时性要求操作导致井下工具需要显著更高量的电力时，同样由于长的线缆，电力供应延迟。因此，当操作不再要求显著更高量的电力时，相应地对于工具延迟了电力的调节。因此，在高量的电力需求之后并且在由于通过钢索的延迟而调节馈入工具的电力之前，工具被馈入太多的电力。

因此，井下工具1包括用于降低从电源提供给频率转换器的所选电力的稳态电压的电压峰值降低单元7。由于频率转换器不能承受高于预定电压电平的电压而不受到永久损坏的事实而降低稳态电压。因此，将电压峰值降低单元7布置成保护使提供给频率转换器的稳态电压不超过预定电压电平。为了能够降低稳态电压，电压峰值降低单元包括电容器8。电容器是具有包括能够耐受高于150℃，例如175℃左右温度的材料的电介质的高温电容器。以这种方式，电容器能够承受高于150℃的温度，并且可将工具掩没到具有高温和高压的井中而不冒电容器将被破坏的风险。测试已经示出当工具执行任务失败时，通常损坏电容器。当工具在井中操作时，其中工具周围具有高温，由此对电部件加热，这使电容器中的温度上升，然后加热电容器中的有害液体，导致它从电容器中泄漏。当液体从电容器中泄漏时，电容器的性能下降，导致例如振荡电压的发生，并且最后电容器甚至可能在高温环境的井下击穿。随后，频率转换器将停止运行，导致工具的立即停止并且工具然后必须从井中抽出用于修理工作。在操作已经结束之前抽出工具是费时的，并且因此非常昂贵。

与已知的具有相同电容、能量密度或能量存储容量的标准温度电容器相比，能够承受高于150℃温度的高温电容器不幸地是在体积上更大。

工具的长度和直径是有竞争力的参数。这是由于有时工具在尺寸上被限制，即通过井口的润滑器长度和工具的其它操作部分的长度限制长度，并且通过井眼或壳体的内直径限制直径的事实。因此，在电容器具有相同的电容、能量密度或能量存储容量的同时，由于井下工具中空间是有限的，即高温电容器因此可能无法装配到工具中，所以同样无法装配到井的润滑器中。

在图1中，电压峰值降低单元7进一步包括与由控制单元11激活的晶体管10连接的电阻器9。当电压超过预定电平L时，控制单元激活晶体管，并且因此“在电阻器中吸收过多的电力”。通过激活晶体管，将电力引导到电阻器，并且从而保护频率转换器免受过电压。随着稳态电压降低，并且电压下降预定电平L以下，控制单元使晶体管失效，并且将所有电力再次馈入到频率转换器。通过使电阻器由晶体管和控制单元激活，电压峰值降低单元7能够在电压超过破坏性电平之前降低稳态电压，并且因此对于高温电容器没有必要具有与标准电容器相同的电容或能量存储容量。高温电容器因此可显著降低能量存储容量并且因此减小体积。通过使电阻器由晶体管和控制单元激活，高温电容器能够装配到井下工具中，并且井下工具然后能够在一些井中承受高温。在一个实施例中，控制单元可以是微处理器。

在图2中，电压峰值降低单元7进一步包括接地到或连接到地的消弧电路12。通过采用消弧电路12，电压峰值降低单元7通常能够降低电力，并且因此保护频率转换器免受高于第二预定电平的稳态电压，该第二预定电平比控制激活晶体管处的预定电平L(在图3中示出)更高。出于一些原因，如果电容器不能正确运行，并且因此不能将稳态电压降低到足够的程度，则消弧电路12保护频率转换器，并且断开电路。然后工具需要在操作可继续之前重新启动，并且可能需要更换电容器。

在图3中示出提供给频率转换器的电力电压的示意图。L是控制激活晶体管处的预定电平L，并且如由虚线25所示出稳态电压降低。在操作期间，电机需要或多或少的电力，并且当电机使用更多的电力时，电源单元提供更多的电力，并且在电力到达电压峰值降低单元之前，电机可再次使用较少的电力，并且稳态电压达到预定电平L，以及电压峰值降低单元在将稳态电压提供给频率转换器之前降低稳态电压。

提供给电机的所选电力的稳态电压是90VAC-500VAC，并且提供给频率转换器的电力是500V-900V，但提供给钢索16的稳态电压然后显著更高，优选在600V和1800V之间，并且更优选在600V和1500V之间。这是由于钢索长度最长为15km，并且因此形成电阻器，并且通过钢索向下提供的电力因此取决于钢索的长度和特性的事实。

高温电容器的电介质是固体电介质，并且可包括聚四氟乙烯(PTFE)或陶瓷。工具可包括多个电容器，而不只是一个大电容器。当电容器包括陶瓷时，从工具撞击到井壁中的碰撞可导致陶瓷部分从电容器折断，并且因此电容器不能工作。因此，当电容器使用陶瓷时，优选使用多个电容器，以使得在碰撞发生并且一个电容器可能停止工作的情况下，其它电容器将很可能继续工作。

能够承受高于150℃温度的电容器具有在80μF和150μF之间的电容，更优选在100μF和150μF之间。不能够承受高于150℃高温的已知电容器具有470μF左右的电容。通过具有电压降低峰值单元，能够承受高于150℃温度的高温电容器仅需要具有80μF-150μF的电容，并且因此能够装配到在直径和长度上受限的井下工具中，因为这种工具需要能够装配到井中，并且特别是诸如润滑器的位于井的顶部的启动设备。

频率转换器向电机提供具有20Hz-120Hz频率的电力。在某些井下操作中，电机需要缓慢运行，诸如铣削操作，以及电机以更接近其最大电平而运行的其它操作。相比如果工具是不具有频率转换器的AC操作工具，通过采用频率转换器向电机提供具有20Hz-120Hz频率的电力的工具能够执行更多种类的操作。

预定的电压电平L是750-1200，优选为750-1000，更优选为800-900。预定电平L是提供给频率转换器的最大电压电平，并且如图3所示，稳态电压降低，以使得使提供给频率转换器的稳态电压不超过该预定电平L。

电压峰值降低单元包括用于在电压峰值降低单元的输入侧处测量电力电压的测量单元。测量单元可包括布置在钢索周围以便测量稳态电压的电阻分压器网络。

如在图4中所示，井下工具是具有诸如铣削工具、冲击工具、钥匙工具、锚工具或第三者工具的操作工具14的井下工具组的一部分。钢索工具此外可具有诸如用于推动井中的工具向前或向后的轮子的操作装置。将电源单元4布置在井的顶部，并借助于钢索16与工具的第一末端3连接。工具被淹没到具有壳体2的井下井中，或到开口孔中。工具进一步包括在第一末端3和频率转换器6之间布置的频率转换器降低单元7。将频率转换器布置在电压峰值降低单元7和电机5之间。电机驱动液压模块19，对驱动单元15和操作工具14供电。

当钢索工具在井中推动其自身向前时，一个或多个轮子可能遇到诸如限制物，不能进入等的障碍物，并且为了通过该障碍物，工具需要更多的电力。然而在已经经过障碍物之后，工具不再需要过多的电力。当诸如铣削工具的操作工具接合要铣削的对象时或当冲击工具需要提供冲击运动等时，电力需求操作同样可能发生。

通过采用峰值电压降低单元，因此保护频率转换器免受作为电力需求操作结果的电力中的电压峰值，其中通过在井下工具中的钢索和频率转换器之间布置电压峰值降低单元，将过量的电力提供给工具并且因此提供给井下工具中的频率转换器。在将电力馈入频率转换器之前，将电力提供给电压峰值降低单元，并且在电压峰值降低单元的输入侧处测量电力的稳态电压，并且降低电力的高于预定电压电平的稳态电压的峰值。

在一个实施例中，电压峰值降低单元与工具主体20可释放地连接，以使得如果单元被损坏或需要具有不同的配置时，电压峰值降低单元是可更换的，例如对于某些类型的工具操作。

冲击工具是提供轴向力的工具。冲击工具包括用于驱动泵的电动机。泵将流体泵浦到活塞壳体中以移动在其中作用的活塞。将活塞布置在冲击器轴上。泵可将流体泵浦到一侧上的活塞壳体中，并同时在活塞的另一侧上吸出流体。

如在图4中示出在工具不是一直可淹没到井中的情况下，诸如井下牵引机15的井下驱动单元15可以用于将工具一直推到井中的位置中。井下驱动单元或牵引机可具有拥有轮子18的可突出臂17，其中轮子在壳体中接触壳体的内表面以便推动牵引机和工具向前。井下牵引机是在井的井下能够推动或牵拉工具的诸如Well的任何种类的驱动工具。

虽然上面已经结合本发明的优选实施例描述了本发明，但是对于本领域的技术人员明显的是，多种修改是可得到的而不偏离由以下权利要求所限定的本发明。

Claims (16)

1.一种井下钢索工具(1)，用于在深度最深为15km井下处的井(2)中执行操作，通过电源单元(4)在第一末端(3)以预定电压向所述工具以直流供电，所述电源单元(4)被配置为提供选自多个预定电压的特定稳态电压，所述井下钢索工具(1)包括：

-电动机(5)，其由交流供电，

-频率转换器(6)，其被布置在所述第一末端和所述电机之间，以及

-电压峰值降低单元(7)，其适于降低从所述电源提供给所述频率转换器的所选电力的稳态电压，所述电压峰值降低单元包括电容器(8)，

其中所述电容器是具有包括能够耐受高于150℃的温度的材料的电介质的高温电容器。

2.根据权利要求1所述的井下钢索工具，进一步包括诸如用于推动所述钢索井下工具的操作工具或轮子的操作装置，该操作装置需要向下通过所述钢索的不同量的所选电力。

3.根据权利要求1或2所述的井下钢索工具，其中所述电容器的所述电介质是固体电介质。

4.根据权利要求1-3所述的井下钢索工具，其中所述电压峰值降低单元包括与由控制单元(11)激活的晶体管(10)连接的电阻器(9)，以使得当所选电力的所述稳态电压超过预定电平(L)时，所述控制单元激活所述晶体管，所述晶体管然后允许将过多的电力在所述电阻器中消耗。

5.根据权利要求1-4所述的井下钢索工具，其中所述电介质包括聚四氟乙烯(PTFE)或陶瓷。

6.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，包括多个电容器。

7.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中所述工具经由所述钢索(16)与所述电源连接，所述钢索与所述工具的第一末端连接。

8.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中提供给所述电机的所述所选电力具有90VAC-900VAC之间的稳态电压。

9.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中所述电压峰值降低单元包括消弧电路(12)。

10.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中所述电容器具有80μF和150μF之间的电容。

11.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中所述频率转换器向所述电机提供具有20Hz-120Hz频率的电力。

12.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中稳态电压的所述预定电平为750-1200。

13.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中所述电压峰值降低单元与工具主体(20)可释放地连接，以使得所述电压峰值降低单元是可更换的。

14.根据前述权利要求中任何一项所述的井下钢索工具，其中所述电压峰值降低单元包括用于在所述电压峰值降低单元的输入侧处测量所选电力的稳态电压的测量单元。

15.一种井下工具组，其包括根据权利要求1-14中任何一项所述的井下钢索工具和诸如铣削工具的操作工具(14)。

16.一种方法，用于保护频率转换器免受向根据前述权利要求中任何一项的井下钢索工具中的所述频率转换器提供的所选电力中的稳态电压的峰值，所述方法包括如下步骤：

-在所述井下工具中的所述电源和所述频率转换器之间布置电压峰值降低单元，

-向所述井下工具中的电压峰值降低单元提供电力，

-在所述电压峰值降低单元的输入侧处测量所选电力的稳态电压，以及

-降低所述电力中高于预定电压电平的稳态电压的峰值。