Аккумуляторные решения задач автономного электропитания для систем буровой телеметрии и каротажного оборудования

Введение. В настоящее время для электропитания систем буровой телеметрии и каротажного оборудования, работающего при температурах до +150…200 °C, применяются батареи из неперезаряжаемых (первичных) литий-тионилхлоридных источников тока. Но они имеют ряд недостатков: стоимость; взрывоопасность; экологическую опасность; производятся в недружественных странах. Работа посвящена разработке аккумуляторных систем электропитания, которые практически лишены перечисленных недостатков, и направлена на укрепление российского технологического суверенитета в нефтегазовой отрасли.
Цель. С целью внедрения аккумуляторных технологий для решения задач автономного электропитания систем буровой телеметрии и каротажного оборудования как способа минимизации перечисленных негативных факторов работы со стандартными литий-тионилхлоридными батареями нами были проведены исследования применимости различных аккумуляторных систем в исследуемой области и выполнена разработка перезаряжаемых (вторичных) батарейных блоков для выбранного оборудования.
Материалы и методы. Основной метод решения данной задачи заключается в проведении комплексных испытаний химических источников тока (ХИТ) различных химических систем. В рамках решения экономической части задачи целесообразно рассматривать перезаряжаемые ХИТ (аккумуляторы), таким образом, испытания предварялись всесторонним исследованием мирового рынка выпускаемых элементов. Результаты. Исследования проводились, с одной стороны, с целью поиска оптимального соотношения следующих факторов: ёмкость — термостойкость — безопасность — доступность поставок элементов; и удовлетворения эксплуатационным требованиям оборудования — с другой. По совокупности результатов четырехлетних испытаний наилучшее сочетание параметров было зафиксировано у элементов химической системы LiFePO4 (литий-железофосфатные элементы) одного из китайских производителей. Таким образом, нами был разработан ряд опытных образцов аккумуляторных батарей из выбранных элементов и проведено опытно-эксплуатационное тестирование в реальных условиях.
Заключение. Полученные результаты разработки аккумуляторных систем на основе литий-железофосфатных элементов позволяют говорить о возможности преодоления недостатков существующей практики применения литий-тионилхлоридных источников тока. В особенности речь идет о значительном повышении безопасности производства и эксплуатации, а также о более чем 10-кратной экономической выгоде, связанной с многократным использованием перезаряжаемых батарей.

1. Кулова Т.Л., Скундин А.М. Проблемы развития литий-ионных аккумуляторов в мире и России // Электрохимическая энергетика. 2023. Т. 23, № 3. С. 111–120. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2023-23-3-111-120, EDN: LQUIWI

2. Grey C.P., Hall D.S. Prospects for lithium-ion batteries and beyond — a 2030 vision // Nat. Commun., 2020, vol. 11, pp. 6279–6282. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19991-4.

3. Zubi G. Dufo-Lopez R., Carvalho M., Pasaoglu G. The lithium-ion battery: State of the art and future perspectives // Renewable Sustainable Energy Rev., 2018, vol. 89, pp. 292–308. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.002

4. Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L. K., Qi Y. Lithium-ion batteries: Outlook on present, future, and hybridized technologies // J. Mater. Chem. A, 2019, vol. 7, pp. 2942–2964. https://doi.org/10.1039/c8ta10513h

5. Davide Andrea. Lithium-Ion Batteries and Applications. A Practical and Comprehensive Guide to Lithium-Ion atteries and Arrays, from Toys to Towns; 2020 Artech House 685 Canton Street Norwood, MA 02062.

6. Turksoy A., Teke A., Alkaya A. A comprehensive overview of the DC-DC converter-based battery charge balancing methods in electric vehicles // Renew. Sustain. Energy Rev. 2020, vol. 133, pp. 10274.