Топливный элемент для энергосистем нисходящих скважин

Топливный элемент для энергосистем нисходящих скважин

Реферат

 

Топливный элемент предназначен для использования в нисходящих нефтяных и газовых скважинах. Топливный элемент содержит сосуд для топлива, сосуд для окислителя, зону реакции, которая содержит по меньшей мере один катод, по меньшей мере один анод и электролит между каждым анодом и катодом, закрытый сосуд для воды, который соединен с зоной реакции посредством по меньшей мере одного капиллярного протока, трубопровод для топлива, который содержит устройство для регулирования давления топлива, приспособленное для поддержания статического давления топлива в зоне реакции, трубопровод для окислителя, который содержит устройство для регулирования давления окислителя, приспособленное для поддержания статического давления окислителя в зоне реакции, и электрические провода, соединенные с анодом и катодом, и приспособленные для проведения электричества к внешнему устройству. Также раскрываются способы использования данного топливного элемента в системе электропитания, в качестве источника энергии в скважине, для энергоснабжения инструмента в скважине. Данное устройство отличается усовершенствованной конструкцией. 21 н.и 88 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к топливным элементам и в одном исполнении к топливным элементам, которые особенно хорошо подходят для использования в нисходящих нефтяных и газовых скважинах, и для использования под водой в соединении с морскими скважинами. Изобретение также может быть полезным для промышленной выработки энергии, энергоснабжения электромобилей и энергоснабжения другого оборудования, например соединительного и контрольного оборудования, размещенного в местностях, удаленных от доступных промышленных источников энергии.

Ряд типов оборудования, используемого в нисходящих нефтяных и газовых скважинах, или под поверхностью моря вблизи морских скважин, управляется или приводится в действие электричеством. Примеры такого оборудования включают определенные инструменты проводной линии связи и дистанционное телеметрическое оборудование буровой скважины. Требуемая электрическая энергия может быть подана путем соединения устройства с источником энергии на поверхности посредством электрических кабелей или путем размещения источника энергии вблизи местоположения самого устройства. Часто непрактично использовать электрические кабели, проходящие с поверхности к подземному или подводному местоположению устройства, приводимого в действие электричеством, из-за больших расстояний, или потому что кабели могут препятствовать прохождению другого оборудования через буровую скважину, и являются уязвимыми к повреждению во время работы в буровой скважине.

Аккумуляторные батареи могут быть использованы как локальный источник энергии для электрических устройств в нисходящих скважинах и под водой, но они имеют свои собственные проблемы. Например, повышение энергоемкости и вырабатываемой энергии аккумуляторной батареи обычно требует пропорционального увеличения размера аккумуляторной батареи, что может представить трудности в связи с ограниченным пространством, которое имеется в буровых скважинах. Также для аккумуляторных батарей обычно требуется производить перезарядку электричеством в определенном месте, тем самым часто создавая необходимость предусмотреть оборудование для перезарядки определенного типа вблизи аккумуляторной батареи.

В топливных элементах используется электрохимическая реакция между топливом и окислителем в элементе, который содержит анод, катод и электролит, чтобы вырабатывать электричество, не вырабатывая при этом нежелательных побочных продуктов, связанных с горением, в то же время обеспечивая относительно более высокую энергетическую эффективность. Таким образом, топливные элементы потенциально имеют ряд преимуществ по сравнению с другими средствами для выработки или хранения энергии во многих применениях. Топливные элементы по настоящему изобретению могут быть использованы в различных применениях. Хотя изобретение прежде всего описано здесь в связи с применениями, включающими подземные буровые скважины, необходимо понять, что изобретение может быть использовано в других применениях, помимо применений в буровых скважинах.

Ряд затруднений препятствует использованию топливных элементов для применений в нисходящих скважинах и под водой. Например, топливные элементы обычно включают один или более насосов для обеспечения циркуляции топлива и/или окислителя в замкнутом контуре через элемент. Если такой насос отказывает в нисходящей скважине, ремонт или замена могут быть чрезвычайно дорогими в связи с необходимостью извлечения топливного элемента на поверхность. Далее, при работе насосов потребляется часть энергии, произведенной элементом, тем самым уменьшается выход располагаемой полезной мощности для работы внешнего устройства. Это последнее обстоятельство может создать значительную проблему в применениях в нисходящей скважине или под водой, в которых требуется подача энергии в течение продолжительного периода времени, и в то же время ограничение пространства лимитирует возможность простого увеличения размера резервуаров для топлива и окислителя. Кроме того, продукт реакции, водяной пар, необходимо отвести от штабеля топливного элемента для того, чтобы топливный элемент работал непрерывно. Удаление воды в окружающее пространство нисходящей скважины и под воду представляет собой проблему, потому что давление окружающей среды выше, чем давление в обычном топливном элементе, размещенном на поверхности в окружающей среде и работающем на воздухе. Использование насоса для удаления воды в окружающую среду с высоким давлением в нисходящей скважине или под воду может потребовать большого количества энергии, что делает такую систему непрактичной.

Патент США 5202194 на имя VanBerg описывает источник электропитания для обеспечения электричеством электрических цепей, размещенных в нисходящей скважине. Источник электропитания содержит топливный элемент, в который подается водород из резервуара под давлением и кислород из баллонов для сжатого газообразного кислорода. Регуляторы давления размещены в трубопроводе между резервуаром для водорода и топливным элементом и в трубопроводе между баллонами для кислорода и топливным элементом. Насос используется для удаления воды из топливного элемента в буровую скважину. Необходимость иметь проток для выхода воды изнутри этого топливного элемента наружу увеличивает потенциальные проблемы надежности и может быть непрактичной для использования в нисходящей скважине.

Имеется потребность в новой концепции работы топливного элемента и в усовершенствованном устройстве топливного элемента, которое может обеспечить электрическую энергию, требуемую для работы различного оборудования в нисходящей скважине и под водой.

Сущность изобретения

Одно конструктивное исполнение настоящего изобретения относится к топливному элементу, который включает сосуд для топлива, который содержит источник топлива, и сосуд для окислителя, содержащий источник окислителя. Зона реакции содержит по меньшей мере один катод, по меньшей мере один анод и электролит между каждым анодом и катодом. Закрытый сосуд для воды соединен с зоной реакции посредством по меньшей мере одного капиллярного протока. Топливный элемент также содержит трубопровод для топлива, который соединяет сосуд для топлива и зону реакции. Этот трубопровод для топлива содержит устройство для регулирования давления топлива, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление топлива в зоне реакции. Топливный элемент дополнительно включает трубопровод для окислителя, который соединяет сосуд для окислителя и зону реакции, и включает устройство для регулирования давления окислителя, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление окислителя в зоне реакции. Кроме того, топливный элемент содержит электрические провода, соединенные с анодом и катодом и приспособленные для того, чтобы проводить электричество к внешнему устройству.

В определенных конструктивных исполнениях топливного элемента по настоящему изобретению нет необходимости в динамическом потоке топлива, окислителя или воды в замкнутом контуре через зону реакции. Причина этого заключается в том, что сосуды для топлива и окислителя и устройство для регулирования давления обеспечивают повышенное статическое давление в зоне реакции. В закрытом сосуде для воды принимается и хранится вода (жидкость), полученная в результате реакции в топливном элементе, тем самым исключается необходимость откачивать насосом воду из топливного элемента для удаления.

В некоторых конструктивных исполнениях топливный элемент по настоящему изобретению не включает никакого насоса для топлива, насоса для окислителя или насоса для воды. Как упомянуто выше, такие насосы не требуются в некоторых конструктивных исполнениях по настоящему изобретению. Также возможно, что зона реакции содержит только отверстия для потока текучей среды, по меньшей мере одно отверстие, соединенное с трубопроводом для топлива для впуска топлива в зону реакции, по меньшей мере одно отверстие, соединенное с трубопроводом для окислителя для впуска окислителя в зону реакции, и капиллярный проток (или протоки), который соединяет зону реакции с сосудом для воды. Капиллярный проток может содержать трубку, резьбу, трубопровод или другие формы, по которым может подаваться полученная вода из зоны реакции в сосуд для воды, и может быть прикреплен к поверхностям мембраны в зоне реакции, лежать на них или иным способом соприкасаться с ними.

Топливный элемент по некоторым конструктивным исполнениям настоящего изобретения работает под статическим давлением в зоне реакции, которое является достаточно высоким для того, чтобы вызвать конденсацию водяного пара, образованного и выработанного в топливном элементе, когда достигнута точка насыщения. Соответственно топливный элемент должен работать под давлением, которое выше, чем давление насыщенного водяного пара для данного применения. “Статическое давление” в этом контексте представляет собой давление, которое изменяется между камерой анода и катода топливного элемента не более чем примерно на 5% при нормальной работе. Некоторые конструктивные исполнения по изобретению работают при избыточном давлении в зоне реакции между примерно 40-400 psig (фунт на квадратный дюйм), более типично примерно 50-200 ft/in², в зависимости от рабочей температуры.

В одном конкретном конструктивном исполнении изобретения устройство для регулирования давления топлива и устройство для регулирования давления окислителя представляют собой клапаны для регулирования давления. В другом конструктивном исполнении изобретения сосуд для воды размещен внутри по меньшей мере одного катода. В других конструктивных исполнениях сосуд для воды размещен снаружи зоны реакции.

Несмотря на то, что топливный элемент по настоящему изобретению может работать с одним анодом, катодом и электролитом, во многих применениях желательно иметь множество элементов в одном устройстве. Следовательно, альтернативное конструктивное исполнение содержит по меньшей мере один дополнительный топливный элемент, который включает анод, катод и электролит, причем топливные элементы расположены в конфигурации в виде штабеля. В это конструктивное исполнение по изобретению может быть включена по меньшей мере одна биполярная пластина, которая содержит анод одного топливного элемента в штабеле и катод ближайшего топливного элемента в штабеле. Например, биполярная пластина может содержать две по существу плоские поверхности, причем анод размещен на одной из поверхностей и катод размещен на другой поверхности. "По существу плоские" в этом контексте обозначает, что вся поверхность пластины является в основном плоской, хотя на поверхности могут быть выполнены канавки для облегчения распределения топлива или окислителя.

Настоящее изобретение может быть использовано со множеством типов топливных элементов, включая топливные элементы с фосфорной кислотой и щелочные топливные элементы.

Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для использования с топливными элементами с протонообменной мембраной. Конструктивные исполнения по изобретению могут работать при повышенных температуре и давлении. Температура может находиться, например, в диапазоне от 80С до 130С. Более высокое рабочее давление (вплоть до 400 psi (фунтов на квадратный дюйм) предотвращает обезвоживание мембраны при повышенной рабочей температуре (более чем примерно 80С). Регуляторы давления на подаче топлива и окислителя регулируют рабочее давление. Регуляторы температуры и давления дают возможность достижения баланса, что позволяет мембране оставаться влажной, в то же время обеспечивая конденсацию водяного пара и удаление жидкой воды из зоны реакции. Свойства топливного элемента с закрытым концом, в котором для подачи как топлива, так и окислителя имеется вход в зону реакции, но нет выхода для газа из зоны реакции, дают возможность работы при повышенном давлении. Единственным выходом из зоны реакции является выход для удаления полученной воды. Если полученная вода не будет удаляться из зоны реакции, вода будет накапливаться, и реакция в топливном элементе не сможет продолжаться. Если мембрана становится обезвоженной, произойдет отказ топливного элемента, потому что для работы мембрана должна быть влажной. В конкретном конструктивном исполнении топливного элемента с протонообменной мембраной, электролит между анодом и катодом содержит полимерный материал.

Настоящее изобретение также хорошо подходит для использования с топливными элементами с твердым оксидом. При более высоких рабочих температурах, например 700С, топливный элемент с твердым оксидом дает возможность использовать элемент этого типа даже в применениях в буровых скважинах с самыми экстремально высокими температурами. В топливном элементе с твердым оксидом вода получается на стороне анода, поэтому сосуд для воды находится в соединении с анодом. Сосуд для воды может содержать материал, представляющий собой гидрид металла, который способен реагировать с водой, как побочным продуктом топливного элемента, и выделять газообразный водород. Этот полученный газообразный водород может быть использован как топливо и может подаваться из сосуда для воды в трубопровод для топлива посредством трубопровода для рециркуляции топлива. Желательно, чтобы сосуд для регенерации топлива содержал насос, выполненный с возможностью подачи газообразного водорода из сосуда для регенерации в трубопровод для топлива. Желательно, чтобы сосуд для регенерации топлива и сосуд для воды представляли собой один и тот же сосуд. Желательно, чтобы сосуд для регенерации топлива размещали внутри сосуда для воды. Сосуд для регенерации топлива может быть соединен с частью анода зоны реакции посредством по меньшей мере одного или более протоков, которые дают ему возможность принимать полученную воду.

Материал, представляющий собой гидрид металла, который содержится в сосуде для регенерации топлива, может реагировать с водой и образовать газообразный водород. Трубопровод для регенерированного топлива, соединяющий сосуд для регенерации топлива с трубопроводом для топлива, подает газообразный водород. Внутренний насос может быть включен в сосуд для регенерации топлива или в трубопровод для регенерированного топлива, что дает возможность комбинировать газ со свежим топливом. В топливном элементе с твердым оксидом электролит обычно содержит твердый керамический материал.

Дальнейшее конструктивное исполнение настоящего изобретения содержит корпус и по меньшей мере одну мембрану внутри корпуса, причем мембрана имеет противоположные поверхности. Подача кислорода находится в соединении с одной поверхностью мембраны, в то время как подача водорода находится в соединении с другой поверхностью мембраны. Мембрана содержит по меньшей мере одну скошенную поверхность. Мембрана может иметь форму, например, усеченного конуса, коническую, полусферическую, в форме чаши или изогнутую. Как и в некоторых других конструктивных исполнениях, возможно, чтобы этот топливный элемент не содержал внутренних движущихся частей и мог быть соединен с аккумуляторной батареей для образования смешанного источника электропитания.

Еще одно конструктивное исполнение представляет собой описанный выше топливный элемент, который также содержит по меньшей мере одну пластину разделитель/электрод, ближайшую к мембране. Пластина разделитель/электрод сконструирована таким образом, что в ней образована по меньшей мере одна канавка, причем канавка имеет покрытие из гидрофобного материала, такого как парафин или пластичный смазочный материал. Гидрофобный материал облегчает удаление полученной воды из зоны реакции.

Другое конструктивное исполнение содержит по меньшей мере один резервуар, который находится в соединении по потоку текучей среды с площадью вблизи по меньшей мере одной из поверхностей мембраны. Резервуар может быть размещен под мембраной так, что гравитационные силы могут содействовать в удалении воды. Резервуар может быть размещен для приема полученной воды в форме пара или жидкости и может дополнительно содержать сито между входом и выходом, осушитель внутри резервуара и камеру для воды. Топливный элемент может также содержать насос, соединенный с выходом из резервуара, и может содержать внутренний циркуляционный насос, соединенный со входом свежего окислителя.

Сосуд для топлива и сосуд для окислителя могут иметь различные формы по настоящему изобретению. Например, сосуд для топлива может содержать сосуд под давлением, который содержит сжатый газообразный водород или реформированный газообразный углеводород. Однако альтернативные конструктивные исполнения по изобретению могут включать сосуд для топлива, содержащий по меньшей мере один гидрид металла, который может выделять газообразный водород. Использование гидрида металла, как средства для хранения водорода, обеспечивает очень эффективное использование пространства, что может быть важным соображением в применениях в нисходящих скважинах и под водой. Также хранение водорода в гидриде металла повышает безопасность топливного элемента, так как дает возможность работы при более низких давлениях по отношению к давлениям, требуемым, когда используется чистый водород. Необходимо отметить, что в то время, как настоящее изобретение описано в рабочих интервалах, доступны различные типы гидридов металлов, которые работают при более высоких давлениях, как например, между 500 и 800 psi 3444 и 5513 кРа. Использование этих гидридов металлов для более высоких давлений может повысить рабочую температуру топливного элемента до 100С, до 200С или выше. Сосуд для окислителя может содержать, например, сосуд под давлением, который содержит газообразный кислород под избыточным давлением по меньшей мере примерно 1000 psig (6889 кРА), или альтернативно по меньшей мере примерно 5000 psig (34445 кРа), до примерно 15000 psig.

Топливные элементы по настоящему изобретению очень хорошо подходят для применений, в которых требуется низкая мощность на выходе в течение длительного времени. Например, в одном конструктивном исполнении по изобретению топливный элемент имеет мощность на выходе по меньшей мере примерно 1 Вт (например, 1-30 Вт, часто примерно 10-20 Вт) в течение периода в несколько недель. Большее устройство топливного элемента по настоящему изобретению может также быть использовано в применениях, требующих более высокой мощности на выходе. В некоторых альтернативных конструктивных исполнениях в применениях для более высокой мощности кислород может циркулировать, что может облегчить получение более высокой мощности на выходе.

В одном конструктивном исполнении изобретения топливный элемент дополнительно содержит корпус, который ограждает по меньшей мере часть зоны реакции, и содержит цилиндрическую наружную стенку. Другими словами, корпус ограждает часть зоны реакции или всю зону, и по выбору может также ограждать сосуды для топлива и окислителя. Корпус может также содержать цилиндрическую внутреннюю стенку, которая образует открытое продольное отверстие в топливном элементе. В этом конструктивном исполнении по изобретению кольцевая конфигурация топливного элемента делает его удобным для использования в нисходящих нефтяных и газовых скважинах путем образования по меньшей мере одного прохода через топливный элемент. Проходы внутри топливного элемента могут быть полезными, чтобы получать через них текучие среды из пласта или пропускать кабели, трубопроводы или другие устройства. Корпус может альтернативно содержать часть кольца или иметь некоторую другую форму, которая облегчает размещение в кольцевом пространстве. Круглые или цилиндрические устройства также являются особенно полезными для применения в нисходящей скважине. Корпус может ограждать сосуд для полученной воды в дополнение к сосудам для топлива и для окислителя и зоне реакции. В одном конструктивном исполнении по изобретению корпус ограждает весь топливный элемент за исключением электрических проводов, которые приспособлены, чтобы проводить электричество к внешнему устройству.

Целью размещения топливного элемента в нисходящей скважине, или на участке под водой в морской буровой скважине или вблизи нее, является подача энергии к электрическому устройству. Поэтому в таких применениях устройство может также содержать электрическое устройство нисходящей скважины или подводное электрическое устройство, которое находится в электрическом соединении с топливным элементом (например, посредством проводов или электрических кабелей). В некоторых конструктивных исполнениях по изобретению топливный элемент соединен с аккумуляторной батареей для образования смешанного источника энергии. Аккумуляторная батарея может быть перезаряжаемого типа, который может заряжаться от топливного элемента в то время, когда требуется мощность меньше пиковой мощности, и может разряжаться для того, чтобы помочь топливному элементу в то время, когда требуется пиковая мощность. Смешанный источник энергии аккумуляторная батарея - топливный элемент может, таким образом, подать силовые нагрузки в более широком диапазоне, чем может подать действующий отдельно топливный элемент.

Одним конкретным конструктивным исполнением по настоящему изобретению является система электропитания, которая содержит топливный элемент и перезаряжаемую аккумуляторную батарею, которая находится в электрическом соединении с топливным элементом так, что топливный элемент перезаряжает перезаряжаемую аккумуляторную батарею во время периодов простоя. Топливный элемент огражден корпусом для хранения полученной воды, выработанной внутри топливного элемента.

Другим аспектом настоящего изобретения является комплект оборудования нисходящей скважины, который содержит конструкцию нисходящей скважины (например, буровую обсадную колонну, обсадную трубу скважины или систему труб скважины), размещенную в подземной буровой скважине. Топливный элемент, как описано выше, прикреплен к конструкции нисходящей скважины, и электрическое устройство нисходящей скважины находится в электрическом соединении с топливным элементом. Еще одним аспектом настоящего изобретения является комплект подводного оборудования, который содержит подводную конструкцию (например, вертикальную трубу) для морской скважины и топливный элемент (как описано выше), прикрепленный к подводной конструкции. Подводное электрическое устройство (например, бескабельная контрольная система) находится в электрическом соединении с топливным элементом.

Настоящим изобретением предусмотрен топливный элемент, содержащий корпус, по меньшей мере одну мембрану внутри корпуса, причем мембрана имеет противоположные поверхности, подачу кислорода, соединенную с одной мембраной, подачу водорода, соединенную с другой поверхностью по меньшей мере одной мембраны, и по меньшей мере один капиллярный элемент, проходящий из положения вблизи по меньшей мере к одной из поверхностей мембраны в положение, удаленное от поверхности мембраны, выполненный с возможностью вывода воды из зоны реакции.

Настоящим изобретением предусмотрено простое, надежное и эффективное средство выработки электрической энергии в окружающей среде нисходящей скважины или под водой. Устройство топливного элемента по настоящему изобретению может обеспечивать энергию без необходимости в движущихся частях, тем самым уменьшая шанс механической аварии.

Устройство топливного элемента по настоящему изобретению также полезно для дистанционных применений энергии, например, для снабжения энергией геосенсорных датчиков, размещенных на поверхности земли в местах, которые удалены достаточно далеко, так что установка и замена обычных аккумуляторных батарей будут обременительными и дорогими.

Настоящее изобретение также имеет преимущества по безопасности. Конструктивные исполнения по настоящему изобретению, в которых используется гидрид металла как средство для хранения водорода, в значительной степени исключают риски безопасности, связанные с хранением газообразного водорода под высоким давлением.

Свойства закрытого устройства топливного элемента по определенным конструктивным исполнениям настоящего изобретения обеспечивают повышенную надежность по сравнению с известными топливными элементами. Поскольку текучие среды любого типа не должны откачиваться изнутри устройства топливного элемента к наружному участку, в нем нет отверстий, открытых наружу, которые могут стать источником протечек, и не требуется насос, который потребляет часть энергии, выработанной топливным элементом и может потенциально выйти из строя.

При работе при повышенном статическом давлении по настоящему изобретению мембрана в топливном элементе с протонообменной мембраной поддерживается влажной, и таким образом имеет возможность работать в широком диапазоне температур (например, 0-150С).

Величина вырабатываемой энергии топливных элементов может быть повышена просто путем использования сосуда для топлива большей емкости и/или сосуда для окислителя большей емкости.

Таким образом, в отличие от аккумуляторных батарей, увеличение энергоемкости и вырабатываемой энергии топливного элемента не требует пропорционального увеличения размера.

Одним воплощением по настоящему изобретению является способ подачи энергии в буровую скважину, содержащий стадию, на которой предусматривают топливный элемент внутри буровой скважины или вблизи нее. Способ может содержать стадии, на которых производят электрическое соединение топливного элемента с электрическим устройством нисходящей скважины и соединяют аккумуляторную батарею с топливным элементом для образования смешанного источника энергии. Способ может также содержать стадии, на которых соединяют топливный элемент с обсадной колонной труб и вставляют топливный элемент и обсадную колонну труб внутрь буровой скважины.

Другим воплощением является способ завершения буровой скважины, содержащий стадии, на которых предусматривают топливный элемент, содержащий сосуд для топлива как источник топлива и сосуд для окислителя как источник окислителя. Топливный элемент имеет зону реакции, имеющую по меньшей мере один катод, по меньшей мере один анод и электролит между каждым анодом и катодом. Закрытый сосуд для воды соединен с зоной реакции посредством по меньшей мере одного капиллярного протока. Трубопровод для топлива соединяет сосуд для топлива и зону реакции и содержит устройство для регулирования давления топлива, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление топлива в зоне реакции. Трубопровод для окислителя соединяет сосуд для окислителя и зону реакции и содержит устройство для регулирования давления окислителя, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление окислителя в зоне реакции. Электрические провода соединены с анодом и катодом и приспособлены для того, чтобы проводить электричество к внешнему устройству. Топливный элемент соединен с электрическим устройством, и топливный элемент и электрическое устройство вставлены в буровую скважину. Топливный элемент может быть соединен с аккумуляторной батареей для образования смешанного источника энергии. Топливный элемент может иметь такую конструкцию, чтобы в нем был образован по меньшей мере один проход через топливный элемент. Желательно, чтобы топливный элемент имел аркообразную форму поперечного сечения. Текучие среды из пласта могут затем быть получены из буровой скважины, причем текучие среды из пласта проходят через проход, образованный топливным элементом.

Еще одним воплощением является способ подачи электропитания в электрическую цепь инструмента нисходящей скважины, содержащий стадии, на которых предусматривают топливный элемент, содержащий корпус, сосуд для топлива, сосуд для окислителя и электрические провода, в котором топливный элемент огражден корпусом, за исключением электрических проводов. Производят электрическое соединение топливного элемента с электрической цепью инструмента нисходящей скважины, и инструмент нисходящей скважины и топливный элемент вставляют в буровую скважину. Электричество вырабатывают внутри буровой скважины посредством топливного элемента и подают по меньшей мере часть электричества, которое нужно для снабжения энергией электрической цепи инструмента нисходящей скважины. Аккумуляторная батарея может находиться в электрическом соединении с топливным элементом для образования, таким образом, смешанного источника электропитания, в котором можно сохранять часть электричества, выработанного топливным элементом. Топливный элемент может дополнительно содержать насос и выход, причем насос может удалять полученную воду из выхода топливного элемента. В альтернативном воплощении этого способа используется топливный элемент, в котором не содержится внутренних движущихся частей. Вода, полученная в топливном элементе, может быть приведена в контакт с материалом, представляющим собой гидрид металла, для получения газообразного водорода. Топливный элемент, в котором по меньшей мере один резервуар соединен с трубопроводом для топлива посредством трубопровода для регенерации топлива. Топливный элемент, в котором по меньшей мере один резервуар содержит насос для подачи газообразного водорода по меньшей мере из одного резервуара через трубопровод для регенерации топлива в трубопровод для топлива.

Другое альтернативное конструктивное исполнение представляет собой топливный элемент, содержащий протонообменную мембрану, камеру с закрытым концом на стороне кислорода мембраны и камеру с закрытым концом на стороне водорода мембраны. Сосуд для воды может быть соединен по меньшей мере с одной из камер с закрытым концом посредством по меньшей мере одного капиллярного протока, причем в сосуде хранится вода, полученная как побочный продукт. Топливный элемент может дополнительно содержать протонообменную мембрану, подачу кислорода под давлением, соединенную с первой стороной мембраны, и подачу водорода под давлением, соединенную со второй стороной мембраны. Подача кислорода и водорода под давлением может поддержать первую и вторую мембраны под давлением от 30 до 300 ft/in²(276-2756 кРа).

Способ использования топливного элемента содержит стадии, на которых предусматривают топливный элемент с протонообменной мембраной, и эксплуатируют топливный элемент при температуре, равной или большей, чем 90С. В некоторых воплощениях рабочая температура может быть равна или больше, чем 100С, или, альтернативно, равна или больше, чем 120С.

Другим воплощением изобретения является способ использования топливного элемента, содержащий стадии, на которых предусматривают топливный элемент с протонообменной мембраной, который вырабатывает водяной пар во время работы, и конденсируют часть водяного пара внутри топливного элемента. Конденсация воды может производиться внутри зоны реакции, и часть жидкой воды может быть удалена из зоны реакции по капиллярному протоку в сосуд для воды.

Некоторые конструктивные исполнения по настоящему изобретению могут быть применены как источник энергии для использования в буровой скважине, содержащий топливный элемент с мембраной протонобменного типа, и как способ энергоснабжения инструмента в буровой скважине, содержащий стадию, на которой оперативно соединяют топливный элемент с мембраной протонобменного типа с инструментом.

Некоторые конструктивные исполнения по настоящему изобретению могут также быть применены как источник энергии для использования в буровой скважине, содержащий топливный элемент с твердым оксидом, и способ энергоснабжения инструмента в буровой скважине, содержащий стадию, на которой оперативно соединяют топливный элемент с твердым оксидом с инструментом.

Альтернативным воплощением настоящего изобретения является способ энергоснабжения буровой скважины с высокой температурой, содержащий стадию, на которой предусматривают топливный элемент, который может выдерживать рабочие температуры до 600С или выше. Этот топливный элемент может работать в окружающей среде с температурами от 0С до 1000С.

Еще одним конструктивным исполнением является топливный элемент, содержащий по меньшей мере один капиллярный элемент, который может иметь по меньшей мере один капиллярный узел мембрана/электрод и по меньшей мере один сосуд для воды. По меньшей мере один капиллярный элемент может подавать воду из узла мембрана/электрод в сосуд для воды. Один конец по меньшей мере одного капиллярного элемента размещен на поверхности узла мембрана/электрод и проходит наружу от поверхности узла мембрана/электрод, в то время как другой конец капиллярного элемента находится в контакте с сосудом для воды. По меньшей мере один капиллярный элемент может соединять воду с поверхности узла мембрана/электрод с сосудом для воды. Более чем один капиллярный элемент может соединять воду с поверхности узла мембрана/электрод с общим сосудом для воды.

Перечень фигур чертежей

Фиг.1 представляет собой поперечное сечение устройства конструктивного исполнения топливного элемента по настоящему изобретению, содержащего два топливных элемента в конфигурации типа штабеля.

Фиг.2 представляет собой схематический чертеж, на котором показан топливный элемент в буровой скважине.

Фиг.3 представляет собой схематический чертеж, на котором показан топливный элемент, размещенный вблизи устья буровой скважины на дне моря.

Фиг.4 представляет собой схематический чертеж, на котором показан топливный элемент, размещенный в вертикальном трубопроводе.

Фиг.5 представляет собой схематическое изображение в разобранном виде альтернативного топливного элемента.

Фиг.6 представляет собой вид сверху пластины топливного элемента.

Фиг.7 представляет собой вид сбоку пластины топливного элемента.

Фиг.8 представляет собой схематический вид второго резервуара.

Фиг.9 представляет собой вид сбоку пластины топливного элемента.

Фиг.10 представляет собой топливный элемент альтернативной формы.

Фиг.11 представляет собой вид сверху альтернативной мембраны с капиллярами на ней.

Фиг.12 представляет собой вид сбоку поперечного сечения, на котором показаны капиллярные элементы, входящие в резервуар.

Фиг.13 представляет собой иллюстрацию альтернати