ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ КОЛОНКОВЫЙ БУРОВОЙ СНАРЯД Российский патент 2008 года по МПК E21B4/04 E21B25/00 H02K17/12 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к колонковым буровым снарядам на грузонесущем кабеле, и может быть использовано в составе мобильного бурового комплекса для очистки призабойных зон нефтяных, газовых и водозаборных скважин от песка и других отложений. Может применяться для взятия донных проб озер, рек, морей и океанов, бурения ледников, а также для вскрытия продуктивных пластов с полным отбором керна в режиме депрессии.

Известен колонковый электромеханический буровой снаряд для очистки фильтровой зоны продуктивного пласта и обсадных труб скважины, патент РФ №2209912, МПК Е21В 4/04, опубл. 10.08.2003, Бюл. №22. Снаряд содержит колонковую трубу, соединенную нижним торцом со сменной буровой коронкой, керноприемную трубу, размещенный в шламовой трубе сетчатый фильтр, редуктор с полым валом, связанный с валом электродвигателя, насос и кабельный замок на верхнем торце кабельного узла. Для извлечения упавших предметов на забой скважины и очистки фильтровой зоны продуктивного пласта и обсадных труб скважины он при демонтаже сменной буровой коронки снабжен соединенными через переходник с нижним торцом колонковой трубы съемными ловильной насадкой или насадками для очистки. Насос закреплен на удлиненном валу электродвигателя между редуктором и электродвигателем. Контактные поверхности распорного узла, воспринимающего реактивный момент, выполнены в виде роликов. Недостатками данного устройства являются наличие редуктора и управляемого распорного устройства, что усложняет конструкцию и снижает надежность работы устройства, а также делает снаряд неработоспособным при слабопрочных породах (например, бурение донных морских скважин в илистых грунтах) и при наличии каверн в скважинах большого диаметра.

Известен колонковый буровой снаряд с электрическим приводом по патенту РФ №2228420, МПК Е21В 4/04, опубл. 10.05.2004, Бюл. №13, принятый за прототип.

Электромеханический колонковый динамически уравновешенный буровой снаряд на грузонесущем кабеле содержит погружной асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, статорные обмотки которого образуют одну пару полюсов, систему управления, роторную часть с колонковой трубой и буровой коронкой и статорную часть с трубой удлинителем и упругим элементом, жестко связанным с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой, систему шламоудаления, включающую в себя насосный узел, фильтр, керноприемную и шламовую трубы. Недостатками этого бурового снаряда являются относительная сложность источника питания и системы управления, а именно трехфазного преобразователя частоты, сложность формирования знакопеременного момента на частотах более 5-8 Гц, необходимость применения упругого элемента (торсиона), допускающего значительные знакопеременные углы закручивания, так как при диаметре буровой коронки до 100 мм для получения средней скорости резания 2-3 м/с при частоте менее 10 Гц углы закручивания торсиона составляют 150° и более, что является нереализуемым при современных технологиях.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. использование относительно простых источников питания и системы управления, обеспечивающих возможность формирования знакопеременного момента на частотах в диапазоне 20-50 Гц при существенно меньших углах поворота ротора относительно статора с сохранением средней скорости движения рабочего инструмента относительно забоя.

Технический результат достигается тем, что электромеханический колонковый буровой снаряд, содержащий источник питания с системой управления, погружной асинхронный трехфазный электродвигатель, ротор которого соединен с колонковой трубой с коронкой, статор, соединенный с верхней трубой и упругий элемент, жестко связанный с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой, согласно изобретению источник питания обмоток снабжен однофазным мостовым выпрямителем, ротор погружного асинхронного трехфазного электродвигателя выполнен с одной парой явно выраженных полюсов, а одна фазная статорная обмотка последовательно соединена с мостовым однофазным выпрямителем, на выход которого по постоянному току подключены последовательно соединенными между собой концами две другие фазные обмотки, образующие одну пару полюсов, с возможностью фиксации ротора со статором упругим элементом в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля, образованного двумя последовательно включенными обмотками статора,

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема электромеханического колонкового бурового снаряда, на фиг.2 приведена схема включения трехфазной обмотки статора, образующей одну пару полюсов, ротор с явно выраженной парой полюсов, на фиг.3 приведена схема включения обмоток статора.

Электромеханический колонковый буровой снаряд (фиг.1) содержит грузонесущий кабель 1, который закреплен в кабельном замке 2. Упругий элемент 3 (торсион) одним концом соединен с кабельным замком 2, а другим - с ротором 4 электродвигателя, который другим концом соединен с колонковой трубой 5, на которую крепится буровая коронка 6. Статор 7 электродвигателя расположен в верхней трубе 8. В устройстве имеется два подшипниковых узла 9 и 10. Система шламоудаления расположена в колонковой трубе (на чертеже условно не показана). Элементы 2, 7, 8 образуют статорную часть бурового снаряда, а 4, 5, 6 - его роторную часть.

Электрическая часть бурового снаряда содержит источник питания, систему управления (на чертежах не показана), мостовой однофазный выпрямитель 11 (фиг.2, 3). В качестве источника питания используется однофазный преобразователь частоты 12. Мостовой однофазный выпрямитель 11 подключен к однофазному преобразователю частоты 12 через статорную обмотку B-Y, а последовательно соединенные клеммами "X" и "Z" фазные обмотки статора А-Х и C-Z подключены на выход по постоянному току однофазного мостового выпрямителя 11. В качестве электромеханического преобразователя электрической энергии в возвратно-вращательные движения режущего элемента используется погружной асинхронный трехфазный электродвигатель, статорные обмотки которого образуют одну пару полюсов, а ротор 4 выполнен с одной парой явно выраженных полюсов. Ротор 4 электродвигателя фиксируется со статором 7 упругим элементом (торсионом) 3 в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора 4 совпадает с осью симметрии магнитного поля, образованного двумя последовательно включенными обмотками А-Х и C-Z статора.

Электромеханический колонковый буровой снаряд работает следующим образом. При подаче переменного напряжения на клеммы 13 и 14 (фиг.2) по фазной обмотке B-Y протекает переменный ток, а по фазным обмоткам А-Х и C-Z - выпрямленный постоянный ток. При протекании тока по обмотке B-Y в первый полупериод в направлении, совпадающем с направлением тока в обмотках А-Х и С-Z, ось симметрии результирующего электромагнитного поля совпадает с осью O₁-O₁, и ротор 4 под действием возникающего электромагнитного момента поворачивается против часовой стрелки в положение, при котором ось O₁-O₁ совпадает с продольной осью ротора О-О. В следующий полупериод протекающего по обмотке B-Y тока ось результирующего электромагнитного поля займет положение по оси О₂-О₃. Под действием возникающего электромагнитного момента ротор 4 поворачивается по часовой стрелке в положение, при котором ось O₂-O₁ совпадает с продольной осью ротора О-О.

Таким образом, теоретически возможный угол поворота ротора 4 при питании схемы переменным током составляет 60 градусов (π/3).

При постановке снаряда на забой и подаче на статорные обмотки электродвигателя напряжения, формирующего знакопеременный электромагнитный момент, статор и ротор совершают возвратно-вращательные движения в противоположных направлениях. При работе на резонансной частоте электромеханической системы амплитуды колебаний имеют максимальные значения, а сумма моментов вращения, действующая на эти части, равна нолю, т.е. буровой снаряд является динамически уравновешенным.

Теоретический угол поворота буровой коронки относительно неподвижных осей, связанных с Землей, определяется выражением:

,

где ϕ_П=60 град - теоретически допустимый угол поворота ротора относительно статора; J₁ - момент инерции статорной части; J₂ - момент инерции роторной части.

В реальных конструкциях J₁=(5÷10)J₂. Так, например, при J₁=5J₂ угол поворота буровой коронки равен

При заполнении колонковой трубы керном снаряд поднимается на поверхность, отделяя при этом с помощью кернорвательного устройства керн от массива.

Таким образом, электромеханический колонковый буровой снаряд при замене трехфазного преобразователя частоты однофазным преобразователем частоты с меньшим числом силовых ключей позволяет формировать знакопеременный момент на частотах в диапазоне 20÷50 Гц с сохранением средней скорости движения рабочего инструмента (буровой коронки диметром до 100 мм) 2÷3 м/с относительно забоя, при этом углы закручивания торсиона составляют 20÷40 град, что вполне реализуемо при современных технологиях.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к колонковым буровым снарядам на грузонесущем кабеле. Снаряд содержит источник питания с системой управления, погружной асинхронный трехфазный электродвигатель, ротор которого соединен с колонковой трубой с коронкой, статор, соединенный с верхней трубой, и упругий элемент, жестко связанный с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой. Источник питания обмоток снабжен однофазным мостовым выпрямителем, ротор погружного асинхронного трехфазного электродвигателя выполнен с одной парой явно выраженных полюсов, а одна фазная статорная обмотка последовательно соединена с мостовым однофазным выпрямителем, на выход которого по постоянному току подключены последовательно соединенными между собой концами две другие фазные обмотки, образующие одну пару полюсов, с возможностью фиксации ротора со статором упругим элементом в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля, образованного двумя последовательно включенными обмотками статора. Обеспечивает возможность формирования знакопеременного момента на частотах в диапазоне 20-50 Гц при существенно меньших углах поворота ротора относительно статора с сохранением средней скорости движения рабочего инструмента относительно забоя. 3 ил.

Электромеханический колонковый буровой снаряд, содержащий источник питания с системой управления, погружной асинхронный трехфазный электродвигатель, ротор которого соединен с колонковой трубой с коронкой, статор, соединенный с верхней трубой, и упругий элемент, жестко связанный с кабельным замком с одной стороны и ротором электродвигателя с другой, отличающийся тем, что источник питания обмоток снабжен однофазным мостовым выпрямителем, ротор погружного асинхронного трехфазного электродвигателя выполнен с одной парой явно выраженных полюсов, а одна фазная статорная обмотка последовательно соединена с мостовым однофазным выпрямителем, на выход которого по постоянному току подключены последовательно соединенными между собой концами две другие фазные обмотки, образующие одну пару полюсов, с возможностью фиксации ротора со статором упругим элементом в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля, образованного двумя последовательно включенными обмотками статора.