СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК E21B47/22 H02K5/12 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для электрогенератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. Электрогенератор преобразует энергию промывочной жидкости в электрическую, необходимую для питания скважинных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения и передатчика электромагнитного канала связи. Для работы телеметрической системы на большой глубине требуется увеличение мощности передающего устройства до 1 кВт и более. Получить большую мощность при малых габаритах генератора весьма проблематично.

Известен генератор переменного тока для питания телеметрической системы в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, МКП Е21В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.). Система смазки представляет собой полость между ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью.

Известен автономный турбинный агрегат (электрогенератор), также предназначенный для питания электрической энергией телеметрической системы, содержащий гидротурбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости, маслозаполненный статор, залитый эпоксидным компаундом, и ротор генератора переменного тока на постоянных магнитах, расположенный на одном валу с гидротурбиной (Молчанов А.А., Сираев А.X., «Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией», М., Недра, 1979, с.102-103).

Этот генератор состоит из статора, размещенного внутри агрегата, и шестиполюсного кольцевого магнитного ротора, выполненного снаружи. Ротор одновременно является корпусом для рабочих лопаток трехступенчатой гидротурбины. Перед каждой ступенью рабочих лопаток гидротурбины, в свою очередь, установлены три ступени направляющих аппаратов, собранных на внешнем корпусе, что увеличивает диаметр устройства. Для предотвращения попадания промывочной жидкости в электрогенератор и подшипниковые узлы установлены уплотняющие устройства, внутренняя полость электрогенератора заполнена трансформаторным маслом.

Ввиду того, что электрогенератор работает в интервале температур от -40 до +130°С, при глубинах бурения до 3500 м и более, а объем масла изменяется при изменении температуры, введен компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости (масла). Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости выполнен внутри входного обтекателя генератора. Он состоит из двух тонких профильных пластин, одна из которых выпуклая, а другая вогнутая. Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости предназначен для компенсации изменения объема масла в маслозаполненной полости генератора в рабочих условиях при повышении температуры, а также выравнивания давления внутри и снаружи генератора.

Недостатками этого генератора являются:

- низкая надежность,

- малый ресурс,

- большие габариты и масса устройства,

- сложность конструкции.

Эти недостатки обусловлены в первую очередь тем, что в качестве привода используется многоступенчатая турбина с направляющими аппаратами. Использование гидротурбины с направляющими аппаратами в качестве привода предъявляет повышенные требования к качеству очистки промывочной жидкости от фракций выбуренной породы и посторонних предметов, попадание которых в зазор между рабочими и направляющими лопатками гидротурбины может привести к ее остановке (заклиниванию). Наличие направляющих аппаратов гидротурбины увеличивает диаметральный габарит электрогенератора, что нежелательно при бурении скважин относительно малого диаметра.

Второй конструктивный недостаток - это сложность и ненадежность компенсатора давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Из-за упругости стенок компенсатора давление смазывающей жидкости всегда меньше давления окружающей среды. Это может привести к попаданию промывочной жидкости в систему смазки электрогенератора и к износу подшипников, уплотнений и других деталей.

Известен также электрогенератор по патенту РФ №2173925, основной особенностью которого можно считать систему смазки. Система смазки этого электрогенератора содержит заправочное устройство на его переднем торце, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления генератора, выполненный в виде поршня, установленного с возможностью осевого перемещения и уплотнения, установленного внутри поршня с возможностью осевого перемещения вместе с ним. Недостатком этого устройства является сложность заправки системы смазывающей жидкостью и низкий ресурс уплотнения.

Известен скважинный электрогенератор питания телеметрических систем по св. РФ на полезную модель №34638.

Этот электрогенератор содержит заправочное устройство в его передней части, полость между внешним ротором и статором, заполненную смазывающей жидкостью, и компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости, размещенный со стороны устройства для крепления генератора, выполненный в виде поршня, установленного внутри ротора с возможностью осевого перемещения, и уплотнения, установленного в свою очередь, внутри поршня с возможностью осевого перемещения вместе с ним, поршень выполнен с возможностью дренажа смазывающей жидкости в полностью заправленном положении в зазор между ротором и узлом крепления генератора.

Недостатком этой системы смазки является то, что из-за совмещения функций компенсатора и уплотнения снижается их ресурс.

Известен генератор по св. РФ №13123, который содержит ротор с турбиной, статор, узел крепления и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости, выполненную в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем, и заправочное устройство. Генератор и турбина значительно отдалены друг от друга в осевом направлении и разобщены магнитной муфтой, что увеличивает габариты генератора и снижает надежность смазки.

Известен генератор по патенту РФ на изобретение №2264537, прототип, содержащий корпус с обмотками возбуждения, узел крепления, ротор с валом, магнитами и турбиной, установленный через подшипники в корпусе, и емкость для резервного запаса смазывающей жидкости в виде стакана, выполненного в передней части генератора с установленным внутри подпружиненным поршнем и заправочным устройством, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один передний подшипник установлен во втулке, которая сцентрирована в выступающей части корпуса, закрытого с другой стороны осью, зафиксированной от поворота и имеющей кольцевую проточку под обмотку и цилиндрический выступ, во внутренней расточке которого установлен, по меньшей мере, один задний подшипник, а внутри вала выполнено сквозное осевое отверстие. Между передним подшипником и ротором установлена регулировочная шайба. Обмотки возбуждения установлены в корпусе и зафиксированы штифтами от смещения. Пружина частично размещена внутри поршня. Заправочной устройство выполнено в виде клапана, установленного в канале штока, закрытом пробкой.

Недостатки: низкая мощность и ресурс электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

Создание мощного электрогенератора ограничивается его диаметральными габаритами, а низкий ресурс объясняется тем, что для смазки многочисленных опор (подшипников) внутренняя полость электрогенератора заполняется смазывающей жидкостью, но из-за того, что в процессе эксплуатации внутрь электрогенератора попадает буровой раствор, содержащий абразивные частицы, подшипники, уплотнения и другие детали быстро изнашиваются.

Задачи создания изобретения - повышение мощности и ресурса электрогенератора при уменьшении его диаметральных габаритов.

Скважинный электрогенератор, содержащий статор, узел крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, кинематически связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения, при этом привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит обратный клапан в переднем торце статора, поршень, установленный в передней части внутри статора, отверстия в боковой стенке статора напротив поршня и возвратную пружину под задним торцом ротора. В задней части электрогенератора выполнен электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления выполнен в передней или средней или задней части статора.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

Скважинный электрогенератор, предназначенный для питания скважинной аппаратуры, установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне и содержит, узел крепления 1 на статоре 2. В узле крепления 1 выполнены отверстия «А» для прохода бурового раствора к забойному двигателю и породоразрушающему инструменту (на чертеже они не показаны). Скважинный электрогенератор содержит ротор 3 с установленными на нем одной или несколькими группами постоянных магнитов 4.

Внутри статора 2 выполнена полость «Б», в которой установлен привод перемещения магнитов. Привод перемещения магнитов выполнен в виде обратного клапана 5, установленного на переднем торце 6 статора 2, поршня 7, установленного внутри статора 2 в полости «Б», отверстий «В», выполненных на боковой стенке 8 статора 2 против поршня 7 и возвратной пружины 9, установленной под задним торцом 10 ротора 3. Привод перемещения магнитов обеспечивает возвратно-поступательное перемещение ротора 3 и группы магнитов 4 (или нескольких групп магнитов) внутри обмоток возбуждения 11, установленных в полости статора «Г» концентрично группам постоянных магнитов 4. Это необходимо для создания в обмотках возбуждения 11 электрического тока. Количество обмоток возбуждения 11 равно числу групп постоянных магнитов 4. Полость «Г» сообщается с полостью колонны посредством отверстий «Д».

Полость «Е» выполнена герметичной и может быть заполнена смазывающей жидкостью или другим раствором для улучшения теплопроводности и компенсации давления и температурных расширений. Это позволит исключить смятие тонкой боковой стенки 8 статора 2 большим давлением бурового раствора, которое может достигать 600 МПа.

Обмотки возбуждения 11 и группы постоянных магнитов 4 установлены в герметичной полости «Е», которая отделена от полости «Г» перегородкой 12, в центральной части которой установлено уплотнение 13. Перепад давления между полостями «Е» и «Г» практически отсутствует.

От обмоток возбуждения 11 отходит (отходят) электрический(ие) провод(а) 14, они проходят по отверстиям «Ж» и «И», выполненным в статоре 2, и соединяются с электрическим разъемом 15. Если применен один электрический провод, то функцию другого электрического провода выполняет статор 2. Соединение обмоток возбуждения 11 может быть выполнено параллельным, последовательным или параллельно-последовательным. На электрический разъем 15 может быть выведено напряжение с двух групп обмоток возбуждения 11 для питания электроэнергией различных независимых потребителей. Электрический разъем 15 целесообразно выполнить коаксиальным.

Для приведения в действие скважинного электрогенератора в колонну труб подается буровой раствор, который через обратный клапан 5 подается в полость «Б» и создает давление на поршень 7, перемещая его назад (вниз). При этом внутри обмоток возбуждения 11 создается переменное магнитное поле, а в самих обмотках возбуждения 11 вырабатывается электрический ток. Буровой раствор, которым заполнена полость «Б», выходит через открывшиеся отверстия «Д» в полость внутри колонны труб (колонна труб не показана).

Группа (группы) постоянных магнитов 4 совершают возвратно-поступательное движение внутри обмоток возбуждения 11. В обмотках возбуждения 11 вырабатывается электрический ток, который по электрическим проводам 14 передается на электрический разъем 15.

Количество групп постоянных магнитов 4 и обмоток возбуждения 11 может быть выполнено сколь угодно большим. Это позволит спроектировать источник питания и скважинные приборы для бурильных и обсадных колонн очень малого диаметра.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес скважинного электрогенератора за счет отказа от гидротурбины.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения большого числа групп постоянных магнитов и обмоток возбуждения.

3. Исключить дисбаланс ротора скважинного электрогенератора за счет отказа от вращательного движения.

4. Значительно повысить надежность и ресурс электрогенератора за счет герметичности его внутренней полости и отсутствия уплотнений вращающихся деталей.

5. Упростить конструкцию скважинного электрогенератора за счет отказа от применения подшипников и уплотнений и упрощения конструкции всех узлов и их унификации.

6. Упростить сборку и разборку скважинного электрогенератора за счет его выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема.

7. Улучшить ремонтопригодность скважинного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрическим машинам, и предназначено для использования в генераторах питания скважинной аппаратуры. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в увеличении мощности и ресурса электрогенератора при одновременном уменьшении его диаметральных габаритов. Сущность изобретения заключается в том, что в скважинном электрогенераторе, содержащем статор, узел крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, кинематически связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения, согласно данному изобретению привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит обратный клапан в переднем торце статора, поршень, установленный в передней части внутри статора, отверстия в боковой стенке статора напротив поршня и возвратную пружину под задним торцом ротора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Скважинный электрогенератор, содержащий статор, узел крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, кинематически связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения, отличающийся тем, что привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит обратный клапан в переднем торце ротора, поршень, установленный в передней части внутри статора, отверстия в боковой стенке статора напротив поршня и возвратную пружину под задним торцом ротора.2. Скважинный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что в задней части электрогенератора выполнен электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения.3. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутри узла крепления выполнены отверстия.4. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в передней части статора.5. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в средней части статора.6. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления выполнен в задней части статора.