ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2011 года по МПК E21B47/00 H01F38/00 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для высоковольтного генератора, устанавливаемого в скважину и предназначенного, например, для выполнения гидроразрыва пластов. 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 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 электрогенератор по патенту РФ №2331149, прототип. Этот электрогенератор содержит защитный корпус, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую,

Недостатки электрогенератора - ненадежность и сложность конструкции, обусловленная низкой надежностью обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах.

Задачи его создания - упрощение конструкции, повышение мощности при уменьшении диаметральных габаритов и веса электрогенератора.

Решение указанной задачи достигнуто в высоковольтном скважинном генераторе, содержащем защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, тем, что согласно изобретению устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде соединенных электрическими проводами машинного генератора и трансформатора Тесла, при этом трансформатор Тесла выполнен в виде первичной и вторичной обмоток и установлен в герметичной полости и изолирован от защитного корпуса. Обмотки трансформатора Тесла могут быть соединены с защитным корпусом. Между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты. Магнитная муфта может быть выполнена торцовой. Магнитная муфта может быть выполнена цилиндрической. Между ведомой и ведущей полумуфтами выполнена и герметичная перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором, а ведомая - с валом. Внутренняя полость ведущей муфты заполнена смазывающей жидкостью. На верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ведущей полумуфты. Генератор может содержать, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.

Сущность изобретения поясняется на фиг 1…5, где:

на фиг.1 представлен первый вариант генератора,

на фиг.2 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в исходном положении,

на фиг.3 приведена схема соединения обмоток трансформатора Тесла с защитным корпусом,

на фиг.4 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в рабочем положении,

на фиг.5 представлен генератор с магнитной муфтой.

Высоковольтный скважинный генератор (фиг.1…5) установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне (не показано) и содержит защитный корпус 1 и, по меньшей мере, одно устройство крепления 2. В устройстве крепления 2 электрогенератора выполнены отверстия 3 для прохода бурового раствора. Высоковольтный скважинный генератор содержит ротор 4 с гидротурбиной 5. Гидротурбина 5 имеет наклонно установленные плоские лопатки, установленные под углом 20…60°. Защитный корпус 1 имеет в нижней части электрический разъем 6, к которому подсоединены высоковольтные провода 7 от устройства предобразования механической энергии в электрическую 8.

Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит машинный генератор 9 и трансформатор Тесла 10, соединенные проводами 11.

Машинный генератор 9 содержит ротор генератора 12 с постоянными магнитами 13 и обмотку возбуждения 14, установленную внутри защитного корпуса 1. Ротор генератора 12 установлен на подшипниках 15 и 16, которые защищены уплотнениями 17 и 18. Машинный генератор имеет внутреннюю полость 19, которую невозможно герметизировать из-за наличия ротора 4.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 19 предусмотрено осевое отверстие 20, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 21.

Для компенсации расхода смазывающей жидкости, температурных расширений и переменного давления в скважине предусмотрен, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения 22 (фиг.2 и 3), выполненный в передней части защитного корпуса 1 генератора (фиг.2). Наиболее целесообразно выполнить 2…8 компенсаторов давления и температурного расширения 22 и разместить их внутри защитного корпуса 1 со стороны гидротурбины 5, так как в компенсации нуждается только полость 19, а другие полости выполнены герметичными и могут быть заполнены инертным газом и не нуждаются в компенсации при условии выполнения стенок защитного корпуса достаточной толщины.

Каждый компенсатор давления и температурного расширения 22 содержит компенсационный поршень 23, установленный и уплотненный относительно защитного корпуса 1. Полость 24 под компенсационным поршнем 23 отверстием (отверстиями) 25 соединена с полостью 19, а полость 26 над компенсационным поршнем 23 соединена отверстием (отверстиями) 27 с окружающей средой для компенсации изменения давления и температурного расширения смазывающей жидкости. Компенсационный поршень 23 подпружинен пружиной 28 в сторону ведущей полумуфты 10 для создания избыточного давления в полости 19.

В защитном корпусе 1 в герметичной полости 29 установлен трансформатор Тесла 10, который изолирован от защитного корпуса электроизоляционными прокладками 30 и содержит первичную обмотку 31 и вторичную обмотку 32 (фиг.1). При этом возможен вариант исполнения, когда обмотки 31 и 32 соединены с защитным корпусом 1 (фиг.4).

Возможен вариант исполнения высоковольтного скважинного генератора 10 с магнитной муфтой 33 (фиг.5). Магнитная муфта 33 содержит ведущую и ведомую полумуфты 34 и 35 с постоянными магнитами 36 и герметичной перегородкой 37 между ними, имеющей магнитопроницаемые части 38. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 33 - торцовая муфта или цилиндрическая муфта. Полость 39 ведущей полумуфты 34 изолирована от полости 19 машинного генератора 9 перегородкой 40, в которой установлены подшипник 41 и уплотнение 42. В защитном корпусе 1 в его верхней части выполнено дренажное отверстие 43, закрытое резьбовой пробкой 44. Дренажное отверстие 43 предназначено для вывода воздуха при заправке полости 39 смазывающей жидкостью.

При работе генератора (фиг.1) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинает вращаться с ротором 4. Ротор 4 приводит в действие ротор генератора 12 с постоянными магнитами 13. Магнитный поток пересекает обмотки возбуждения 14 и в них возникает электрический ток, который по проводам 11 поступает на первичную обмотку 31 трансформатора Тесла 10. Магнитный поток, созданный в первичной обмотке 30, возбуждает во вторичной обмотке 32 высокое напряжение. Высокое напряжение по высоковольтным проводам 7 передается на электрический разъем 6.

При изменении объема смазывающей жидкости в полости 19 (фиг.1) или 38 (фиг.5) по любой причине осуществляется соответствующее перемещение компенсационного поршня 23. Вследствие этого внутри полости 19 (или 42) всегда поддерживается давление на 2…4 атм больше, чем давление окружающей среды. Это препятствует проникновению абразивных частиц, содержащихся в буровом растворе, внутрь полости 19. Если применено несколько компенсаторов давления и температурного расширения 22, то при засорении одного из отверстий 25 (или нескольких отверстий 25, если применено 4…8 компенсаторов давления и температурного расширения 23), остальные компенсаторы давления и температурного расширения 23 будут выполнять свою функцию, даже при работе одного из них. Это значительно повышает надежность генератора и его ресурс.

Применение изобретения позволило:

1. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора за счет применения трансформатора Тесла, способного создавать очень высокое напряжение.

2. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.

3. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и ведомая полумуфта (во втором варианте исполнения генератора).

4. Повысить надежность электрогенератора за счет полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и трансформатора Тесла за счет выполнения уплотнения полости ведущей полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.

5. Улучшить ремонтопригодность генератора.

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для скважинного генератора. Техническим результатом является упрощение конструкции, увеличение надежности и мощности генератора при уменьшении диаметральных габаритов и веса электрогенератора. Для этого высоковольтный скважинный генератор оборудован защитным корпусом, электрическим разъемом, по меньшей мере, одним узлом крепления, ротором с гидротурбиной и устройством преобразования механической энергии в электрическую. Устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде соединенных электрическими проводами машинного генератора и трансформатора Тесла. При этом трансформатор Тесла выполнен в виде первичной и вторичной обмоток и установлен в герметичной полости и изолирован от защитного корпуса. А между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты. Между ведомой и ведущей полумуфтами выполнена герметичная перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала. При этом ведущая полумуфта соединена с ротором, а ведомая - с валом. Внутренняя полость ведущей полумуфты заполнена смазывающей жидкостью. На верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ведущей полумуфты. Генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты. 5 ил.

Высоковольтный скважинный генератор, содержащий защитный корпус, электрический разъем, по меньшей мере, один узел крепления, ротор с гидротурбиной и устройство преобразования механической энергии в электрическую, отличающийся тем, что устройство преобразования механической энергии в электрическую выполнено в виде соединенных электрическими проводами машинного генератора и трансформатора Тесла, при этом трансформатор Тесла выполнен в виде первичной и вторичной обмоток и установлен в герметичной полости и изолирован от защитного корпуса, а между ротором и устройством преобразования механической энергии в электрическую установлена магнитная муфта, содержащая ведущую и ведомую полумуфты, между ведомой и ведущей полумуфтами выполнена герметичная перегородка, содержащая части из магнитопроницаемого материала, при этом ведущая полумуфта соединена с ротором, а ведомая - с валом, внутренняя полость ведущей полумуфты заполнена смазывающей жидкостью, на верхнем торце ротора выполнено отверстие для заправки смазывающей жидкости в полость ведущей полумуфты, генератор содержит, по меньшей мере, один компенсатор давления и температурного расширения, сообщающийся с полостью ведущей полумуфты.