ГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2007 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к генераторам, которые предназначены для питания скважинных геофизических приборов в процессе бурения.

Известен генератор переменного тока для питания автономных забойных геофизических и навигационных комплексов, патент РФ №2170348. Генератор содержит герметичный статор, установленный на неподвижном полом валу, ротор, установленный на подшипниках, закрепленных на неподвижном полом валу. Внутренняя полость генератора защищена уплотняющим устройством. Генератор выполнен в виде внешнего корпуса, с внешней стороны которого установлены рабочие лопатки турбины, а с внутренней стороны установлены постоянные магниты. На валу установлены электрические разъемы. Одно из уплотняющих устройств снабжено пружиной и установлено с возможностью осевого перемещения для обеспечения компенсации давления и температурного расширения смазывающей жидкости, находящейся в подшипниковых узлах и в зазоре между ротором и статором, при этом электрические разъемы расположены с двух сторон вала, а рабочие лопатки установлены по краям корпуса. Герметичный статор выполнен в монолите из неэлектропроводного и немагнитного материала, например стеклопластика. Недостатками генератора являются: малый объем компенсатора давления, вызванный наличием центральной оси, что снижает объем компенсатора вдвое при той же длине, поршень кольцевой формы, требующий уплотнения по периметру большей протяженности, отсутствие регулировки усилия уплотнения между подвижными и неподвижными деталями генератора.

Известен электрогенератор, патент РФ №2243370, который содержит устройство для его крепления, внешний ротор с турбиной, установленный через подшипник на оси, заодно с которой выполнен внутренний статор. Внешний ротор и внутренний статор образуют полость, в которой с возможностью осевого перемещения установлен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, уплотненного по ротору и оси. Поршень уплотнен по оси резиновой армированной манжетой, установленной внутри компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости, с возможностью осевого перемещения вместе с поршнем. На оси, в интервале перемещения поршня, установлена съемная втулка. Съемная втулка зафиксирована от поворота. Рядом с резиновой армированной манжетой установлена дополнительная резиновая армированная манжета, при этом эластичные элементы обеих манжет обращены в противоположные стороны с образованием между ними полости. Полость между резиновыми армированными манжетами заполнена консистентной смазкой.

Недостатками генератора являются: низкая эффективность уплотнения оси генератора, вызванная отсутствием регулировки усилия прижима уплотнения, установленного между вращающимся вместе с внешним ротором поршнем и осью генератора, малый объем компенсатора давления, вызванный наличием центральной оси, поршень кольцевой формы, требующий уплотнения по периметру большей протяженности.

Известен генератор патент РФ №20541, который содержит торцевое уплотнение, компенсатор температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде поршня, на торце которого расположен выдвижной шток-индикатор с нанесенной градуировкой, соответствующей оставшейся и израсходованной смазывающей жидкости. Недостатком генератора является невозможность регулировки торцевого уплотнения без полной разборки генератора, а также протяженные каналы, через которые смазывающая жидкость подается в генератор, что приводит к наличию пузырьков воздуха в закрытых полостях генератора при его заполнении смазкой. При спуске генератора в скважину давление внутри генератора выравнивается с гидростатическим давлением бурового раствора. При высоком давлении пузырьки воздуха растворяются в смазывающей жидкости, после чего компенсатор давления занимает крайнее положение, соответствующее отсутствию смазывающей жидкости в компенсаторе давления. В дальнейшем происходит замещение смазывающей жидкости внутри генератора на буровой раствор и как следствие быстрый износ подшипников.

Известна электрическая машина, патент РФ №2173925 (прототип), содержащая устройство для ее крепления, ротор с корпусом, статор, подшипники, уплотняющие устройства и полость между ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью. Уплотняющее устройство размещено со стороны устройства для крепления. Уплотняющее устройство выполнено в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и торцевого уплотнения, содержащего два контактных кольца, одно из которых подвижно в осевом направлении, при этом неподвижное в осевом направлении контактное кольцо выполнено заодно с втулкой, по которой перемещается поршень. Поршень подпружинен со стороны устройства для крепления. Один конец втулки установлен внутри центратора, закрепленного в корпусе. Поршень уплотнен относительно корпуса и втулки.

Недостатком генератора является отсутствие регулировки усилия прижима контактных колец торцевого уплотнения. Усилие прижима определяется только величиной сжатия пружин торцевого уплотнения, которое может меняться в широких пределах, в зависимости от суммарной погрешности, вызванной неточностью изготовления отдельных деталей генератора. Усилие прижима выбирается из условия необходимого удельного давления между контактными кольцами. Если эта величина превышает номинальное удельное давление, то увеличивается пусковой момент генератора и необходимый для этого расход промывочной жидкости. При этом возможно заклинивание ротора и как следствие отказ скважинной аппаратуры телеметрической системы из-за отсутствия электропитания. В случае если удельное давление между контактными кольцами меньше номинала, снижается эффективность уплотнения. В генератор попадает буровой раствор и начинается интенсивный износ подшипников и других деталей генератора, что значительно снижает ресурс его работы. Существенным недостатком является также отсутствие доступа к торцевому уплотнению без практически полной разборки генератора.

Задачами создания изобретения являются: повышение ресурса работы и надежности генератора, ускорение его технического обслуживания, повышение точности регулировки усилия прижима подвижной части торцевого уплотнения к неподвижной, быстрая замена подвижной части торцевого уплотнения без полной разборки генератора, а также увеличение объема компенсатора давления.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что генератор питания телеметрической системы содержит турбину, торцевое уплотнение с контактными кольцами, компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде подпружиненного поршня, на торце которого расположен шток, с заправочным устройством. Причем компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости входит в ротор генератора и соединяется с вставкой, которая через корпус с установленными в обойме магнитами герметично крепится к нижнему обтекателю. Причем вставка выполнена с концентрическим выступом, ограничивающим с одной стороны перемещение поршня, а с другой передающим осевую нагрузку через подшипники на статор генератора. Внутренняя поверхность нижнего обтекателя выполнена с переходом большего диаметра на меньший. В большем диаметре обтекателя установлен подшипник, а в меньшем установлено торцевое уплотнение. Подвижная часть торцевого уплотнения прижата гайкой через кольцо, регулирующее усилие прижима контактных колец торцевого уплотнения. Гайка зафиксирована на нижнем обтекателе от отворота стопорным кольцом. Между внутренней кольцевой поверхностью обтекателя, образованной переходом с большего диаметра на меньший, и наружным кольцом подшипника установлено кольцо, регулирующее тепловой зазор. Составные части ротора герметично соединены между собой и между их торцами в пазы, расположенные по краям, разогнуты стопорные кольца.

Предложенное техническое решение обладает новизной, промышленной применимостью и изобретательским уровнем, что подтверждается патентными исследованиями и тем, что оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1...3, где:

На фиг.1 приведен генератор питания телеметрической системы.

На фиг.2 более крупно узел регулировки усилия прижима контактных колец торцевого уплотнения.

На фиг.3 последовательность установки деталей при регулировке усилия прижима контактных колец торцевого уплотнения.

Генератор питания телеметрической системы фиг.1 содержит турбину 1, торцевое уплотнение 2 с контактными кольцами 3 и 4, компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости 5, выполненный в виде подпружиненного поршня 6, на торце которого расположен шток 7, с заправочным устройством 8. Причем компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости 5 входит в ротор 9 и соединяется с вставкой 10, которая через корпус с установленными в обойме 11 магнитами 12 герметично крепится к нижнему обтекателю 13. Причем вставка 10 выполнена с концентрическим выступом 14, ограничивающим с одной стороны перемещение поршня 6, а с другой стороны передающим осевую нагрузку через подшипники 15 на статор генератора 16. Внутренняя поверхность нижнего обтекателя 13 выполнена с переходом большего диаметра на меньший. В большем диаметре обтекателя 13 установлен подшипник 17, а в меньшем установлено торцевое уплотнение 2. Подвижная часть торцевого уплотнения 18 подпружинена пружинами 19 относительно кольца торцевого уплотнения 20, которое прижато гайкой 21 через кольцо 22, регулирующее усилие прижима контактных колец 3 и 4 торцевого уплотнения 2. Гайка 21 зафиксирована на нижнем обтекателе от отворота стопорным кольцом 23. Между внутренней кольцевой поверхностью обтекателя, образованной переходом с большего диаметра на меньший, и наружным кольцом подшипника 17 установлено кольцо 24, регулирующее тепловой зазор L. Составные части ротора герметично соединены между собой и между их торцами в пазы, расположенные по краям, разогнуты стопорные кольца 25.

Устройство работает следующим образом. После сборки генератора выполняют регулировку торцевого уплотнения 2. Для этого измеряется расстояние от торца нижнего обтекателя до контактного кольца 3 неподвижной части торцевого уплотнения 2. Зная длину подвижной части торцевого уплотнения 2 вместе с пружинами 19 и кольцом торцевого уплотнения 20, а также суммарную жесткость пружин, то есть изменение нагрузки при уменьшении длины на один миллиметр, можно, меняя ширину кольца 22, регулировать усилие прижима подвижной части торцевого уплотнения к неподвижной. После установки кольца 22 нужной ширины устанавливают стопорное кольцо 23 и заворачивают гайку 21. Генератор заправляют смазочной жидкостью. За счет объединения компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости 5 с ротором происходит более полное заполнение генератора без образования пузырьков, что дополнительно увеличивает время работы компенсатора давления 5. Генератор соединяют со скважинной аппаратурой (на фиг.1...3 не показана) и в составе колонны бурильных труб спускают в скважину. При повышении гидростатического давления и температуры поршень 6 компенсатора давления 5 выравнивает давление внутри генератора с давлением окружающей среды. Буровой раствор воздействует на лопасти турбины 1 и приводит во вращение ротор 9. Установленные на роторе 9 магниты 12 вращаются вокруг статора генератора 16. В обмотке, размещенной на статоре, наводится ЭДС. При этом неподвижная часть торцевого уплотнения закреплена на оси статора, а подвижная 18 внутри соединенного с ротором 9 вращающегося нижнего обтекателя 13. Контактные кольца 3 и 4 взаимодействуют между собой и создают уплотнение внутренней полости генератора. Причем при изменении условий бурения, например глубины скважины или расхода бурового раствора, усилие прижима контактных колец 3 и 4 может быть оперативно отрегулировано. После подъема колонны бурильных труб проводится техническое обслуживание генератора, заключающееся в его промывке смазывающей жидкостью, при этом не требуется его полная разборка. Для технического обслуживания отворачивается гайка 21. Вынимаются регулировочное кольцо 22, подвижная часть торцевого уплотнения 18 с пружинами 19 и кольцом торцевого уплотнения 20. После чего может быть выполнен внешний осмотр трущихся поверхностей, а также выполнена промывка генератора смазывающей жидкостью.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить ресурс работы и надежность генератора.

2. Ускорить техническое обслуживание генератора.

3. Повысить точность регулировки усилия прижима контактных колец торцевого уплотнения.

4. Оперативно регулировать усилие прижима контактных колец торцевого уплотнения при изменении условий бурения, например глубины скважины или расхода бурового раствора.

5. Обеспечить быструю замену подвижной части торцевого уплотнения без полной разборки генератора.

6. Обеспечить быструю промывку генератора смазывающей жидкостью после подъема из скважины.

7. Увеличить объем компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости.

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для питания скважинных геофизических приборов в процессе бурения. Генератор содержит турбину, торцевое уплотнение с контактными кольцами, компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде подпружиненного поршня, на торце которого расположен шток, с заправочным устройством. Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости входит в ротор генератора и соединяется с вставкой, которая через корпус с установленными в обойме магнитами герметично крепится к нижнему обтекателю. Вставка выполнена с концентрическим выступом, ограничивающим с одной стороны перемещение поршня, а с другой - передающим осевую нагрузку через подшипники на статор генератора. Внутренняя поверхность нижнего обтекателя выполнена с переходом большего диаметра на меньший, в большем диаметре обтекателя установлен подшипник, а в меньшем установлено торцевое уплотнение. Подвижная часть торцевого уплотнения прижата гайкой через кольцо, регулирующее усилие прижима контактных колец торцевого уплотнения. Гайка зафиксирована на нижнем обтекателе от отворота стопорным кольцом. Между внутренней кольцевой поверхностью нижнего обтекателя, образованной переходом с большего диаметра на меньший, и наружным кольцом подшипника установлено кольцо, регулирующее тепловой зазор. Составные части ротора герметично соединены между собой и между их торцами в пазы, расположенные по краям, разогнуты стопорные кольца. Изобретение направлено на повышение ресурса работы и надежности генератора и ускорение его технического обслуживания. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор питания телеметрической системы, содержащий турбину, торцевое уплотнение с контактными кольцами, компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, выполненный в виде подпружиненного поршня, на торце которого расположен шток, с заправочным устройством, отличающийся тем, что компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости входит в ротор генератора и соединяется с вставкой, которая через корпус с установленными в обойме магнитами герметично крепится к нижнему обтекателю, причем вставка выполнена с концентрическим выступом, ограничивающим с одной стороны перемещение поршня, а с другой - передающим осевую нагрузку через подшипники на статор генератора.2. Генератор питания телеметрической системы по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность нижнего обтекателя выполнена с переходом большего диаметра на меньший, в большем диаметре обтекателя установлен подшипник, а в меньшем установлено торцевое уплотнение.3. Генератор питания телеметрической системы по п.1 или 2, отличающийся тем, что подвижная часть торцевого уплотнения прижата гайкой через кольцо, регулирующее усилие прижима контактных колец торцевого уплотнения.4. Генератор питания телеметрической системы по п.3, отличающийся тем, что гайка зафиксирована на нижнем обтекателе от отворота стопорным кольцом.5. Генератор питания телеметрической системы по п.2, отличающийся тем, что между внутренней кольцевой поверхностью нижнего обтекателя, образованной переходом с большего диаметра на меньший, и наружным кольцом подшипника установлено кольцо, регулирующее тепловой зазор.6. Генератор питания телеметрической системы по п.1 или 2, отличающийся тем, что составные части ротора герметично соединены между собой и между их торцами в пазы, расположенные по краям, разогнуты стопорные кольца.