МНОГОФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПИТАНИЯ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2011 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для генератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. Генератор 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, МПК E21B 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°C, 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 устройство 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 электрогенератор питания телеметрических систем по авт. св. РФ №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 авт. 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, содержащий защитный 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: недостаточная мощность электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

Известен генератор питания скважинной аппаратуры по патенту РФ №2333353, прототип. Этот генератор содержит защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось, ротор, соединенный с гидротурбиной, постоянные магниты, обмотку возбуждения и электрический разъем.

Недостатки: низкая мощность генератора из-за того, что частота вращения ротора небольшая 500…1000 об/мин. Увеличение частоты вращения ротора за счет применения мультипликатора приведет к увеличению его веса и габаритов. Кроме того, генератор имеет низкую надежность, связанную с тем, что он работает в тяжелых условиях: при температуре до 150°C и давлении до 600…800 атм. В этих условиях возможно приникновение бурового раствора во внутреннюю полость генератора и разрушение его обмотки. При обрыве обмотки единственной фаза генератор не выполняет своей функции и работа скважинного прибора прекращается.

Задачи его создания - повышение мощности, надежности при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что многофазный генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось, ротор соединенный с гидротурбиной, постоянные магниты, обмотку возбуждения и электрический разъем, при этом согласно изобретению постоянные магниты установлены на неподвижной оси и сгруппированы по числу фаз генератора и смещены относительно друг друга на 360°/n где n - число фаз, обмотки возбуждения также сгруппированы по числу фаз и установлены внутри защитного корпуса, ротор выполнен между из чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов и установлен между неподвижной осью и обмотками возбуждения. Гидротурбина установлена в передней части генератора. На защитном корпусе выполнено два узла крепления, обеспечивающих прохождение бурового раствора, при этом внутри первого узла крепления установлены спрямляющие лопатки, раскручивающие поток бурового раствора после гидротурбины. Провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в защитном корпусе. Его внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью. В нижней части защитного корпуса выполнено дренажное отверстие, закрытое пробкой. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем снизу.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1…7,

где на фиг.1 приведен сборочный чертеж генератора,

на фиг.2 приведен разрез А-А,

на фиг.3 приведен разрез Б-Б,

на фиг.4 приведен разрез В-В,

на фиг.5 приведен вид Г,

на фиг.6 показано соединение обмоток возбуждения треугольником,

на фиг.7 приведено соединение обмоток возбуждения треугольником.

Многофазный генератор питания скважинной аппаратуры (фиг.1…7) содержит защитный корпус 1, по меньшей мере, один узел крепления, предназначенный для установки в колонне бурильных труб. Для примера приведен генератор с двумя узлами крепления 2 и 3. Кроме того, генератор содержит неподвижную ось 4 и ротор 5, соединенный с гидротурбиной 6, постоянные магниты 7, установленные на неподвижной оси 4. Неподвизная ось жестко связана с защитным корпусом 4 и не вращается. Постоянные магниты 7 сгруппированы в группы по числу фаз. В дальнейшем приведен пример трехфазного генератора и он содержит три группы магнитов 8, 9 и 10, при этом каждая группа смещена относительно соседней на 360°/N, где N - число фаз.

На корпусе 1 закреплены обмотки возбуждения 11, сгруппированные в группы 12, 13 и 14, число которых соответствует числу фаз генератора. Таким образом, обмотки возбуждения 11 тоже не вращаются, что облегчает их электрическую коммутацию и уменьшает силовые нагрузки на них. Кроме того, многофазный генератор имеет в нижней части электрический разъем 16. Ротор 5 выполнен из чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов, соответственно 17 и 18, и установлен между неподвижной осью 4 и обмотками возбуждения. 11. Это сделано для увеличения скорости изменения магнитного потока, действующего на обмотки возбуждения 11. Могут быть применены магнитопроницаемые материалы: пластмасса, титан, алюминий, магнитонепроницаемые: углеродистые стали любых марок. Ротор 5 установлен на подшипниках 19 и 20. Подшипник 19 уплотнен уплотнением 21.

Гидротурбина 6 может быть установлена в передней части многофазного генератора. На защитном корпусе 1 может быть выполнено два узла крепления 2 и 3, обеспечивающих прохождение бурового раствора, при этом внутри первого узла крепления 2 установлены раскручивающие лопатки 22, раскручивающие поток бурового раствора после гидротурбины 6. Провода 23, идущие от обмоток возбуждения 8, подсоединены к электрическому разъему 9, проходят через отверстия 24, выполненные в защитном корпусе 1. Внутренняя полость 25 генератора заполнена смазывающей жидкостью. В нижней части защитного корпуса 1 выполнено дренажное отверстие 26, закрытое пробкой 27. Отверстие для заправки смазывающей жидкости 28 выполнено сверху и заглушено винтом 29. Электрический разъем 16 выполнен снизу. Обмотки возбуждения 8 могут быть соединены треугольником (фиг.6) или звездой (фиг.7).

Многофазный генератор предназначен для питания электроэнергией скважинного прибора, передающего устройства, средств проведения каротажа и других автономных потребителей энергии при бурении скважин. При бурении многофазный генератор устанавливают в компоновку бурильных труб и стыкуют посредством электрического разъема со скважинным прибором (скважинный прибор на фиг.1…7 не показан). В процессе бурения буровой раствор проходит через гидротурбину 6, которая начинает вращаться с ротором 5, имеющим чередующиеся магнитопроницаемые и магнитонепроницаемые элементы, соответственно 17 и 18, которые вращаются и, пересекая магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами 7, создают быстропеременные магнитные поля, которые воздействуют на обмотки возбуждения 11, в которых возникает электрический ток. При этом напряжение переменного тока в группах обмоток возбуждения 12, 13 и 14 будут смещены на 120° (для трехфазного генератора). При этом следует учитывать, что можно спроектировать генератор с любым числом фаз. После гидротурбины 6 буровой раствор проходит через раскручивающие лопатки 22.

Применение многофазного генератора увеличивает его мощность и надежность, что особенно важно для генераторов питания скважинной аппаратуры, т.к. они устанавливаются на глубине 3000…5000 м, работают автономно и не резервируются.

Предложенная конструкция, кроме того, позволит упростить сборку генератора за счет унификации его деталей: обмоток, магнитов, подшипников и уплотнений. Быстрое изменение магнитного потока, пересекающего обмотки возбуждения за счет применения ротора с чередующимися магнитопроницаемыми и магнитонепроницаемыми элементами, позволяет увеличить частоту вырабатываемого тока, его напряжение и силу тока и, как следствие, мощность. Также появилась возможность значительно уменьшить диаметральные габариты генератора или увеличить его мощность примерно в 2 раза при тех же габаритах и весе. Это позволит спроектировать скважинные приборы для бурильных и обсадных колонн малого диаметра. Применение проводов для передачи электрической энергии, размещенных в отверстиях 25 защитного корпуса 1, позволит вывести значительную мощность без использованием скользящих токосъемников. Генератор со скважинным прибором забойной телеметрической системы может устанавливаться в бурильную или обсадную колонну, собранную из труб длиной до 10…12 м, т.е. ограничение по длине не критично, в отличие от ограничений по диаметру. Диаметр компоновки: многофазный генератор - скважинный прибор строго ограничен диаметром колонны. Электроэнергия по проводам 16 передается от обмотки возбуждения 8 к электрическому разъему 9, содержащему три или четыре электрода в зависимости от схемы соединения обмоток возбуждения, для его стыковки со скважинным прибором (на фиг.1…7 скважинный прибор не показан). Многофазный генератор оборудован компенсатором давления (компенсатор давления на фиг.1…7 не показан).

Применение изобретения позволило:

1) увеличить напряжение, силу тока, частоту, а следовательно, мощность на электрических выводах электрогенератора за счет применения ротора, имеющего чередующиеся магнитопроницаемые и магнитонепроницаемые элементы;

2) увеличить надежность генератора за счет распределения нагрузки по фазам, кроме того при обрыве обмотки возбуждения одной из фаз можно перекоммутировать нагрузку на другие фазы и обеспечить работу скважинного прибора. Отсутствие коллектора и токосьемников также повышает надежность генератора;

3) уменьшить габариты многофазного генератора при постоянной мощности;

4) упростить конструкцию электрогенератора;

5) упростить сборку и разборку электрогенератора за счет эго выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема;

6) упростить и облегчить электрический монтаж проводов, т.к. провода соединяют невращающиеся обмотки возбуждения с электрическим разъемом на защитном корпусе и проходят внутри защитного корпуса, что исключает их повреждение при работе;

7) решить проблему с разгрузкой значительной осевой силы, действующей на подшипники;

8) улучшить ремонтопригодность многофазного генератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности и надежности генератора при уменьшении диаметральных габаритов и веса генератора. Для этого генератор содержит защитный корпус (ЗК), по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось, ротор, соединенный с гидротурбиной, постоянные магниты (ПМ), обмотку возбуждения и электрический разъем (ЭР). При этом ПМ установлены на неподвижной оси, сгруппированы по числу фаз генератора и смещены относительно друг друга на 360°/n, где n - число фаз. Обмотки возбуждения также сгруппированы по числу фаз и установлены внутри ЗК. Ротор выполнен из чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов и установлен между неподвижной осью и обмотками возбуждения. Гидротурбина установлена в передней части генератора. На ЗК выполнено два узла крепления, обеспечивающих прохождение бурового раствора. Причем внутри первого узла крепления установлены спрямляющие лопатки, раскручивающие поток бурового раствора после гидротурбины. Провода от обмотки к ЭР проходят через отверстия, выполненные в ЗК. Внутренняя полость ЗК заполнена смазывающей жидкостью. В нижней части ЗК выполнено дренажное отверстие, закрытое пробкой. Отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а ЭР снизу. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Многофазный генератор питания скважинной аппаратуры, содержащий защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, неподвижную ось, ротор соединенный с гидротурбиной, постоянные магниты, обмотку возбуждения и электрический разъем, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены на неподвижной оси и сгруппированы по числу фаз генератора и смещены относительно друг друга на 360°/n где n - число фаз, обмотки возбуждения также сгруппированы по числу фаз и установлены внутри защитного корпуса, ротор выполнен из чередующихся магнитопроницаемых и магнитонепроницаемых элементов и установлен между неподвижной осью и обмотками возбуждения.

2. Многофазный генератор по п.1, отличающийся тем, что гидротурбина установлена в передней части генератора.

3. Многофазный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на защитном корпусе выполнено два узла крепления, обеспечивающих прохождение бурового раствора, при этом внутри первого узла крепления установлены спрямляющие лопатки, раскручивающие поток бурового раствора после гидротурбины.

4. Многофазный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что провода от обмотки к электрическому разъему проходят через отверстия, выполненные в защитном корпусе.

5. Многофазный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что его внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью.

6. Многофазный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в нижней части защитного корпуса выполнено дренажное отверстие, закрытое пробкой.

7. Многофазный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что отверстие для заправки смазывающей жидкости выполнено сверху, а электрический разъем - снизу.