СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК H02K7/18 H02K35/02 E21B47/22 

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 пат. 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. Заправочное 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.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что 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 возвратно-поступательного перемещения и содержит силовой элемент из материала с памятью формы. Силовой элемент может быть выполнен в виде сильфона из материала с памятью формы, установленного в герметичной полости внутри статора, к которому подведены провода от обмотки возбуждения через коммутатор, к которому, в свою очередь, подключен источник питания и накопитель электроэнергии. На передней части статора выполнено оребрение. В задней части электрогенератора (на его торце) выполнено электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления может быть выполнен или в передней (по потоку бурового раствора) части, или в средней части, или в задней (нижней, если электрогенератор установлен вертикально) части статора.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

Скважинный электрогенератор (см. чертеж), 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 (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 5. Этот привод может быть выполнен любой конструкции и обязательно должен содержать силовой элемент 6 из материала с памятью формы, один конец которого соединен со статором 2, а другой - с ротором 3. Привод перемещения магнитов 5 обеспечивает возвратно-поступательное перемещение ротора 3 и группы магнитов 4 внутри обмоток возбуждения 7, установленных в полости статора «Б» концентрично группам магнитов 4. Это необходимо для создания в обмотках возбуждения 7 электрического тока. Силовой элемент 6 может быть выполнен в виде сильфона из материала с памятью формы, как это показано на фиг.1. Возможны и другие формы реализации силового элемента 6, например в виде пружины или стержня.

Полость «Б» 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 стенки статора 2. На передней части статора 2 выполнено оребрение 8 для отвода тепла.

Полость «Б» сообщается с полостью «В», в которой размещены обмотки возбуждения 7, а перегородка 9 необходима для установки направляющей втулки 10. Перепад давления между полостями «Б» и «В» отсутствует.

От обмоток возбуждения 7 отходит(ят) электрический(ие) провод(а) 11, он проходит по отверстиям «Г» и «Д», выполненным в статоре 2, и соединяются с электрическим разъемом 12. Если применен один провод, то функцию другого провода выполняет статор 2. Соединение обмоток возбуждения 7 может быть выполнено параллельным, последовательным или параллельно-последовательным. На электрический разъем 12 может быть выведено напряжение с двух групп обмоток возбуждения 7 для питания электроэнергией различных независимых потребителей. Электрический разъем 12 целесообразно выполнить коаксиальным.

Провода 13 соединяют обмотки возбуждения 7 через коммутатор 14 с силовым элементом 6 для его периодического нагрева. К коммутатору 14 подсоединены источник питания 15, накопитель электроэнергии 16, например аккумулятор, и процессор 17 для управления коммутатором 14 по заданной программе. Температура бурового раствора в скважине обычно находится в диапазоне от 80 до 130°С. Температуру мартенситного преобразования силового элемента можно настроить, например, на 150...200°С. Возможно применение в системе датчика температуры 18, подключенного к процессору 17, или концевика (конечного выключателя) 19 под задним (нижним) торцом ротора 3 (соединение электрической связью концевика 19 с процессором 17 не показано.)

Для приведения в действие скважинного электрогенератора от источника питания 15 через коммутатор 14 на силовой элемент 6 подается импульс электроэнергии, достаточный для его прогрева на несколько десятков градусов, т.е. до температуры мартенситного преобразования. При этом силовой элемент 6 удлиняется и ротор 3 перемещается назад (вниз) на 10...20 мм, в зависимости от толщины группы магнитов 4. При этом внутри обмоток возбуждения 7 создается переменного магнитное поле, а в самих обмотках вырабатывается электрический ток. В дальнейшем электрический ток на нагрев силового элемента 6 подается через коммутатор от накопителя энергии. Управление коммутатором 14 осуществляет процессор 17, например, по температуре, регистрируемой датчиком температуры 18.

Буровой раствор, проходящий между бурильной трубой и оребрением 8 через отверстия «А», охлаждает жидкость, которой заполнена полость «Б», силовой элемент 6 охлаждается до температуры бурового раствора, например 80...130°С, и происходит обратное мартенситное преобразование материала с памятью формы, силовой элемент 6 уменьшает свою длину, и ротор 3 перемещается вперед (вверх).

Эти движения совершаются периодически, группа (группы) постоянных магнитов 4 совершают возвратно-поступательное движение внутри обмоток возбуждения 7. В обмотках возбуждения 7 вырабатывается электрический ток, который по электрическим проводам 11 передается на электрический разъем 12, а по электрическим проводам 13 через коммутатор 14 передается к накопителю электроэнергии 16.

Количество групп постоянных магнитов 4 и обмоток возбуждения 7 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 электрогенератора за счет абсолютной 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 электротехнике, к электрическим машинам и может быть использовано в генераторах питания скважинной аппаратуры. Технический результат состоит в увеличении мощности и ресурса генератора при уменьшении его диаметральных габаритов. Скважинный электрогенератор содержит статор, узел крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, кинематически связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения. Привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит силовой элемент из материала с памятью формы. Силовой элемент может быть выполнен в виде сильфона из материала с памятью формы, установленного в герметичной полости внутри статора, к которому подведены провода от обмотки возбуждения через коммутатор, к которому, в свою очередь, подключен источник питания и накопитель электроэнергии. На передней части статора выполнено оребрение. В задней части электрогенератора выполнен электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления выполнен в передней части статора, или в средней части статора, или в задней части статора. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Скважинный электрогенератор, содержащий статор с узлом его крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения статора, отличающийся тем, что привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит силовой элемент в виде сильфона из материала с памятью формы, установленного в герметичной полости внутри статора, один конец которого соединен со статором, а другой с ротором и к которому подведены провода от обмотки возбуждения статора через коммутатор с подключенным к нему источником питания и накопителем электроэнергии.2. Скважинный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что на передней части статора выполнено оребрение.3. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в задней части электрогенератора выполнен электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения.4. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутри узла крепления статора выполнены отверстия.5. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления статора выполнен в его передней части.6. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления статора выполнен в его средней части.7. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления статора выполнен в его задней части.