СКВАЖИННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК E21B47/00 H02K5/12 

Изобретение относится к вспомогательным устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин турбинным способом; источник электропитания является погружным и предназначен для питания глубинных телеметрических систем контроля и управления процессом проходки ствола.

Известна конструкция [1] , содержащая гидротурбину и электрогенератор, валы которых соединены посредством механической муфты, а пространство между статором и ротором электрогенератора заполнено жидкостью на основе масла, но это пространство конструктивно не защищено от внешней среды.

Как показала практика ведения буровых работ с использованием глубинной телеметрической системы контроля и управления процессом проходки, источником электропитания которой была вышеупомянутая конструкция, так и не вышедшая на уровень серийного изготовления по причине малого ресурса, основными недостатками известной конструкции явились недолговечность и незащищенность подшипниковых узлов, и конструкции в целом, от проникновения внутрь химически агрессивной, минерализованной и с абразивными включениями промывочной жидкости при высоких скоростях движения потока и высоких абсолютных значениях пульсирующего давления в колонне труб, где источник устанавливают в центральном канале.

Наиболее близким - конструктивно - к предлагаемому источнику электропитания является скважинный электрогенератор [2] со статором и ротором-индуктором из постоянных магнитов чередующейся полярности, сочлененной с вращателем-гидротурбиной посредством магнитной муфты, состоящей из двух полумуфт цилиндрической формы, расположенных коаксиально друг другу с передачей конструктивно-нормированного вращающего момента, причем ведущая полумуфта размещена и жестко закреплена непосредственно в корпусе гидротурбины, а ведомая полумуфта размещена и жестко закреплена на валу выше ротора-индуктора под корпусом гидротурбины, на котором снаружи закреплены ее лопатки. Зазор между подвижным вращающимся корпусом гидротурбины и неподвижным корпусом электрогенератора для защиты подшипников гидротурбины, расположенных между корпусами, закрыт сальниковыми уплотнениями. Корпус электрогенератора выполнен герметичным и маслозаполненным, а вращение гидротурбины передается валу и ротору-индуктору электрогенератора магнитной муфтой через тонкостенный немагнитный участок корпуса последнего, причем корпус в нижней своей части снабжен опорно-посадочным элементом для крепления источника электропитания в ответном гнезде какого-либо из элементов колонны труб с возможностью обтекания его потоком энергоносителя по кольцевому зазору между корпусом и внутренней стенкой трубного элемента.

Однако стендовые, а затем и промышленные испытания показали, что к наиболее существенным недостаткам следует отнести недолговечность опорно-подшипниковых узлов между вращающимися и неподвижными деталями конструкции, особенно с использованием подшипников качения, чему виной сложность обеспечения безлюфтовой, и в то же время свободной от механических напряжений, установки подшипников в соответствующие гнезда корпусов электрогенератора и гидротурбины, так как подшипники при этом становятся весьма чувствительны к воздействию внешних давлений, а при вращении в условиях разнонаправленной вибрации со скоростью до 1800 об/ мин, при давлении 60 МПа и при геометрических отклонениях в параметрах сопряжения узлов и деталей (даже в пределах общепринятых машиностроительных допусков на непараллельность, несоосность, угловые отклонения и т.п.) подшипники с телами качения крайне недолговечны. Кроме того, передача достаточной энергии вращения через тонкую (~3 мм) стенку корпуса электрогенератора с двумя кольцевыми зазорами, минимум по 0,5 мм каждый, требует значительных масс постоянных магнитов обеих полумуфт, что увеличивает линейный и диаметральный размеры и магнитной муфты, и электрогенератора, и скважинного источника в целом; значительно повышаются требования к балансировке и несущей способности опорно-подшипниковых узлов. Иначе - потребительские свойства известной конструкции недостаточно адаптированы к глубинным скважинным условиям работы по причине малой защищенности от воздействия комплекса неблагоприятных факторов при существенных затратах на изготовление, отладку, технологическое обеспечение производства в целом, а также на сервисное сопровождение в местах эксплуатации.

Целью, иначе требуемым техническим результатом изобретения является повышение потребительских свойств известного объекта-прототипа обеспечением стойкости его к вредным воздействиям условий эксплуатации при существенном упрощении технологии изготовления основных деталей, их сборки в единое целое, его отладки, обкатки и сервисного обслуживания.

Требуемый технический результат достигается тем, что скважинный источник электропитания, содержащий, согласно прототипу, электрогенератор, состоящий из корпуса с опорно-посадочным элементом, статора, ротора-индуктора из постоянных магнитов чередующейся полярности, вала с опорно- подшипниковыми узлами, магнитную муфту из двух, ведущей и ведомой коаксиальных цилиндрических полумуфт, вращатель ротора-индуктора в виде гидротурбины с трубчатым корпусом, на котором снаружи размещены ее лопатки, внутри размещена ведущая полумуфта магнитной муфты, а ее ведомая полумуфта размещена на валу ротора-индуктора, отличается тем, что последний и ведомая полумуфта содержат одинаковое число магнитов, размещенных на валу электрогенератора посредством шлицевого, с возможностью продольного, конструктивно-ограниченного, перемещения их по валу, сопряжения. При этом ведомая полумуфта размещена на валу с угловым смещением ее магнитов относительно магнитов ротора на один полюсной шаг, с обеспечением их взаимного притяжения магнитными силами вдоль вала, а между их торцами, обращенными друг к другу, размещена шайба из африкционного упруго-пластичного материала типа фторопласта или композита на его основе. Вал выполнен пустотелым, с равнопроходным по его длине каналом и малым калиброванным отверстием в нижнем из торцов, канал заполнен смазкой и закрыт пробкой-поршнем со стороны другого, верхнего торца вала. Корпус гидротурбины надет на вал электрогенератора с обеспечением кольцевого контакта с корпусом электрогенератора по их взаимообращенным друг к другу торцам, а торцевая кольцевая поверхность контакта обоих корпусов выполнена из высокотвердого материала, при этом поверхности притерты, иначе - пришлифованы, одна к другой, а сопряжение корпуса гидротурбины и вала выполнено с полированными поверхностями сопряжения и минимально возможным зазором скользящей посадки.

Отметим, что из общеизвестных источников информации (в том числе и патентных) не выявлены устройства, идентичные предлагаемому, и/или устройства с совокупностью существенных признаков (в том числе и отличительных), эквивалентных совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и проявляющих такие же новые свойства, позволяющие достичь требуемого технического результата при реализации. Это позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение ново, неочевидно, обладает "существенными" отличиями (и т.п.), то есть удовлетворяет "критериям" изобретения.

На фиг.1 изображена (схематично) конструкция скважинного источника электропитания с разрезом по диаметральной плоскости, на фиг. 2 - вид по "А-А" фиг.1.

Скважинный источник электропитания (см. фиг. 1) содержит электрогенератор, который состоит из корпуса 1 с опорно-посадочным элементом 2, статора 3 (показан условно, без выделения отдельными позициями обмоток, полюсов и выводов), ротора-индуктора 4 с постоянными магнитами 5, вала 6 и опорно-подшипникового узла 7 вала 6, магнитную муфту, которая состоит из ведущей полумуфты 8 и ведомой полумуфты 9, причем обе полумуфты цилиндрической формы и расположены соосно одна в другой с некоторым кольцевым зазором "в", гидротурбину, которая состоит из трубчатого корпуса 10 и закрепленных на нем снаружи лопаток 11. Магниты 12 и 13 ведомой и ведущей полумуфт выполнены с соответственно ориентированными друг к другу полюсами (см. фиг. 2), а магниты 5 ротора-индуктора 4 и магниты 12 ведомой полумуфты 9 выполнены одинаково, но магниты ротора-индуктора и ведомой полумуфты смещены в угловом отношении друг к другу на один полюсной шаг, поэтому при шлицевом сопряжении 14 с валом 6 они испытывают взаимное, вдоль вала, притяжение торцами 15 и 16 соответственно, так как они обращены друг к другу. Между ротором-индуктором и ведомой полумуфтой размещена на валу 6 шайба 17 из африкционного упруго-пластичного, типа фторопласта или композита на его основе, материала. Внутри вала 6 выполнен равнопроходной по длине канал 18, оканчивающийся в нижнем торце вала малым калиброванным, нормированным по диаметру, отверстием 19; канал заполнен смазкой 20 и со стороны верхнего торца вала 6 закрыт поршнем-пробкой 21 из эластомера, например силиконовой резины. Сопряжение 22 трубчатого корпуса 10 гидротурбины с проходящим сквозь него валом 6 выполнено следующим образом, а именно: поверхности сопряжения полированы и сочленены с минимально возможным кольцевым зазором скользящей посадки. Для более надежной работы в трубном элементе (изображен на фиг. 1 условно тонкими линиями) источник электропитания может быть дополнительно центрирован кольцевой вставкой 23 с продольными каналами 24 по периферии, которые, при наклоне относительно образующей, могут выполнять роль струенаправляющего аппарата для более эффективной работы лопаток гидротурбины. Эта вставка должна быть при этом сопряжена с валом 6 аналогично корпусу 10 гидротурбины и жестко зафиксирована в трубном элементе к его стенке по окружности примыкания. Важно отметить также, что сомкнутые, кольцевые по форме, поверхности торцов корпусов 1 и 10 электрогенератора и гидротурбины соответственно упрочнены высокотвердым материалом, как, например, это изображено на фиг. 1, и притерты, иначе - пришлифованы, одна к другой по своей кольцевой поверхности контакта "КК" с образованием, по сути, упорного подшипника скольжения. Кроме того, на фиг. 1 отмечены размер "а" - толщина шайбы 17, размер "в" - величина кольцевого зазора между полумуфтами 8 и 9, зазор "с" между корпусом 10 гидротурбины и вставкой 23, а также размер "L" - длина сопряжения корпуса гидротурбины с проходящим сквозь него валом 6 ротора-индуктора 4.

Источник электропитания работает по общеизвестному, определяемому взаимосвязями между составляющими его узлами, принципу, не требующему пояснений, но особенности конструкции требуют некоторых пояснений, касающихся его сборки, обкатки, эксплуатации и обслуживания, а именно: сборку проводят начиная с размещения на валу 6 ротора-индуктора 4, шайбы 17 из африкционного упруго-пластичного материала и ведомой полумуфты 9, затем в корпус 1 электрогенератора, с уже размещенными в нем статором 3 с подключенным к его обмоткам электроразъемом для потребителя, помещают с тугой посадкой подшипник опорно-подшипникового узла 7 и заполняют корпус 1 смазкой, после чего опускают в корпус сборку "вал-ротор-индуктор-ведомая полумуфта" до полного и плотного сочленения вала с соответствующим элементом опорно-подшипникового узла, при этом канал 18 вала также должен быть заполнен смазкой 20 и сверху в нем должен быть помещен поршень-пробка 21 из эластомера. После этого на вал 6 надевают корпус 10 гидротурбины до смыкания его нижнего торца с верхним торцом корпуса электрогенератора, при этом поверхности и корпуса гидротурбины и вала, сопрягающиеся на длине "L" взаимного контакта, должны быть заранее отполированы и доведены до состояния взаимного сопряжения с минимально возможным кольцевым зазором скользящей посадки. Для взаимной притирки торцевых поверхностей корпусов и обкатки источника электропитания его помещают и устанавливают опорно- посадочным элементом 2 в соответствующее гнездо стенда изготовителя с погружением в жидкость, например в воду, и, соединив его вал с валом обкаточного стендового электродвигателя гибким звеном, осуществляют взаимную притирку торцов по кольцевой поверхности "КК" их контакта, см. фиг. 1. При этом, если обкаточный двигатель регулируем по оборотам и вращающему моменту, то с электроразъема (для потребителя) можно снять интересующие показатели (характеристики) источника электропитания и проверить работу магнитной муфты на обеспечение ею расчетного максимального вращающего момента, а при подаче некоторого избыточного давления в канал 18 вала 6 поверх пробки-поршня 21 можно контролировать процесс притирки торцов по интенсивности расходования смазки, помещенной в канал 18.

Следует отметить, что для дополнительного повышения потребительских свойств скважинный источник электропитания может быть изготовлен и помещен в один из элементов колонны труб, обкатан, проверен и подготовлен к эксплуатации в заводских условиях. Для этого его устанавливают в специальный трубный элемент с соответствующими соединительными резьбами на концах (на фиг. 1 показан условно, тонкими линиями), поверх корпуса гидротурбины на валу 6 размещают центрирующе-стабилизирующую кольцевую вставку 23 до касания ее с корпусом гидротурбины и жестко фиксируют эту вставку 23 в трубном элементе; при этом зазор "с" практически отсутствует и образуется он лишь после вышеописанной операции притирки торцов по поверхности "КК", достигая по окончании этой операции некоторого, весьма малого, значения (от 0,1 до 0,3 мм), обеспечивая гидротурбине возможность вращения с минимальными потерями вращающего момента. Следует отметить также, что опорно-подшипниковый узел 7 выполняют как в виде одного подшипника качения, так и в виде группы таких подшипников, размещенных соответствующим образом между корпусом электрогенератора и валом. Узел 7 могут выполнить также в виде или подшипника-подпятника скольжения, или в виде комбинированного решения, причем из общеизвестных узлов и элементов. Сервисное обслуживание изделия заключается лишь в том, что периодически необходимо поставить новую шайбу 17, вынуть поршень-пробку 21 из канала 18 и заполнить его смазкой; ремонтопригодность изделия также достаточно высока и предусматривает, например, лишь замену обмоток статора, повторное упрочнение и приработку друг к другу торцов корпусов 1 и 10, смену подшипников в узле 7, подмагничивание магнитов полумуфт и ротора-индуктора для восстановления их коэрцитивной силы.

Источники информации
1. СССР, описание к а.с. N 1805530, М.кл⁵ H 0 K 5/12, E 21 В 47/022, 30.03.90.

2. ISSN 0132-2222. НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности.- М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 1997, N 1, с.13 и 14, прототип.

Изобретение относится к вспомогательным устройствам при производстве буровых работ, и источник электропитания предназначен для питания скважинных глубинных (забойных) телеметрических систем по контролю и автоматизированному управлению процессом проходки ствола. Устройство состоит из соединенных друг с другом посредством магнитной муфты гидротурбины и электрогенератора, устанавливаемых в центральном канале какого-либо из элементов колонны труб, например бурильных. На валу с ротором-индуктором размещены ведомая полумуфта и корпус гидротурбины с ведущей полумуфтой внутри него и крыльчаткой снаружи. Эту конструкцию в сборе размещают в центральном канале одного из соединительных элементов колонны труб с помощью какого-либо опорно-замкового устройства либо простой посадкой его в конусное седло с малым углом раскрытия посадочной поверхности. Особенностью конструкции является то, что ротор-индуктор и ведомая полумуфта содержат равное количество магнитов чередующейся полярности и размещены на валу посредством шлицевого соединения. Полюса магнитов ведомой полумуфты смещены относительно полюсов ротора-индуктора на один полюсной шаг, чем обеспечено их взаимное притяжение. Между их торцами расположена шайба из африкционного упруго-пластичного материала, например, типа фторопласта или композита на его основе. Вал выполнен с равнопроходным каналом по всей его длине и калиброванным малым отверстием в нижнем торце, заполнен смазкой и закрыт с другого торца вала поршнем-пробкой из эластомера. Корпуса гидротурбины и электрогенератора сомкнуты торцами, упрочненными высокотвердым материалом, и притерты друг к другу. Изобретение позволяет обеспечить стойкость к вредным воздействиям при эксплуатации, упростить изготовление основных деталей, их сборку, а также отладку и сервисное обслуживание. 2 ил.

Скважинный источник электропитания, содержащий электрогенератор, состоящий из корпуса с опорно-посадочным элементом, статора, ротора-индуктора из постоянных магнитов чередующейся полярности, вала с опорно-подшипниковыми узлами, магнитную муфту, состоящую из ведущей и ведомой цилиндрических полумуфт, расположенных коаксиально друг другу, вращатель ротора-индуктора, выполненный в виде гидротурбины с трубчатым корпусом, на котором снаружи размещена крыльчатка, а внутри размещена ведущая полумуфта, при этом ведомая полумуфта размещена на валу, отличающийся тем, что ротор-индуктор и ведомая полумуфта размещены на валу посредством шлицевого сопряжения с возможностью продольного скольжения по валу и содержат равное количество магнитов чередующейся полярности, между торцами ведомой полумуфты и ротора-индуктора размещена шайба из африкционного пластично-упругого материала, например, типа фторопласта или композита на его основе, ведомая полумуфта размещена на валу с угловым смещением ее магнитов относительно магнитов ротора-индуктора на один полюсный шаг с обеспечением их взаимного притяжения магнитными силами вдоль вала, вал выполнен пустотелым с равнопроходным по его длине каналом и малым калиброванным отверстием в одном из торцов, заполнен смазкой и закрыт пробкой-поршнем из эластомера со стороны другого торца, корпус гидротурбины надет на вал с обеспечением кольцевого контакта с корпусом электрогенератора по взаимообращенным друг к другу торцам, контактная кольцевая поверхность которых выполнена из высокотвердого материала и притерта одна к другой, например, пришлифована, а поверхности сопряжения корпуса гидротурбины и вала полированы и сочленены с минимально возможным кольцевым зазором скользящей посадки.