ВНУТРИСКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F03B13/02 E21B4/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к технической области бурения для получения нефти и газа, а в частности к внутрискважинному генератору вращающегося магнитного поля, приводимому в движение буровым раствором.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

С развитием современных технологий бурения для получения нефти и газа, в процессе бурения все более и более широко применяется приспособление для измерения при бурении (приспособление для измерений в процессе бурения). Приспособление для измерений в процессе бурения передает подземные данные на поверхность с помощью импульсов бурового раствора, электромагнитной волны или звуковой волны, так что технические специалисты на поверхности получают возможность анализировать эти данные, а затем производить соответствующую регулировку процесса бурения.

В известных технических решениях подачу энергии внутрискважинному приспособлению для измерений в процессе бурения осуществляют в основном двумя способами, а именно посредством блока аккумуляторных батарей и посредством генератора. Поскольку емкость и надежность блока аккумуляторных батарей в значительной мере определяется температурой, то, когда температура достигает 120 градусов Цельсия, емкость блока аккумуляторных батарей уменьшается на 20 процентов. Предельная температура для блока аккумуляторных батарей составляет примерно 175 градусов Цельсия. Кроме того, для преобразователя и электронных схем приспособления для измерений в процессе бурения требуется мощность только в несколько или дюжину ватт, при этом часть системы для проведения подземных измерений и управления может потреблять мощность 700 Ватт. Для увеличения времени работы указанного приспособления под землей в настоящее время обычно используется внутрискважинный генератор в качестве источника питания для приспособления для измерений в процессе бурения, который осуществляет подачу энергии для батареи и/или группы преобразователя и устройства выработки сигнала.

В источнике US 5517464 раскрыто приспособление для измерений в процессе бурения, в котором объединены импульсный генератор на основе бурового раствора и турбинный генератор. Турбинный генератор содержит турбинное колесо, приводной вал, трансмиссию, трехфазный генератор переменного тока и устройство измерения скорости вращения. Поскольку пространство под землей ограничено, а генератор способен выдавать только относительно небольшую мощность, турбинный генератор не может удовлетворить требованиям, предъявляемым к процессу бурения. Кроме того, в этом устройстве используется редуктор для получения ответной реакции в виде скорости вращения от турбины и генератора, что приводит к усложнению конструкции приспособления для измерений в процессе бурения. Более того, поскольку витки прямо контактируют с буровым раствором, необходимо обеспечивать высокое качество бурового раствора, рабочие характеристики подшипников и изоляцию витков; при этом витки могут быть легко повреждены при долгой работе на высокой скорости в сложных условиях, таких как высокая температура и сильная вибрация.

В источнике CN 201010533100.2 раскрыта используемая при бурении для добычи нефти генераторная система на основе бурового раствора, которая содержит катушечную обмотку, магнит, рабочее колесо, верхний затвор, нижний затвор, центральный вал и изоляционный стакан, при этом магнит встроен во втулку рабочего колеса; катушечная обмотка закреплена в закрытой полости, образованной центральным валом, верхним и нижним затворами и изоляционным стаканом; а втулка рабочего колеса с зазором посажена на изоляционный стакан. Когда буровой раствор совершает под давлением промывание сверху вниз, промываемое рабочее колесо вращается, так что магнит, встроенный во втулку рабочего колеса, вращается синхронно с рабочим колесом, а витки проходят через магнитные силовые линии для выработки энергии. Более того, между рабочим колесом и изоляционным стаканом выполнен стакан из износостойкого сплава, который обеспечивает возможность реализации поддержки и выпрямления при вращении рабочего колеса. Между стаканом из износостойкого сплава и затворами выполнен амортизатор для того, чтобы уменьшать влияние воздействия бурового раствора на стакан из износостойкого сплава.

Эта генераторная система на основе бурового раствора, используемая при бурении для добычи нефти, предпочтительна тем, что в ней больше не используется уплотнение подвижного соединения. Однако в ней используется посадка с зазором, с буровым раствором в качестве смазки, между ротором и изоляционным стаканом, чтобы реализовывать указанные поддержку и выпрямление. При работе с высокой скоростью в буровом растворе, поскольку в буровом растворе неизбежно присутствие песка, весьма вероятно возникновение засоров из песка, вызывающих поломку всей системы и выход из строя смазывания буровым раствором. Кроме того, металлический изоляционный стакан, находящийся между магнитом и катушечной обмоткой, испытывает воздействие вихревых токов в изменяющемся магнитном поле с соответствующими потерями, что весьма затрудняет выработку указанной системой большой мощности. При этом потери на вихревые токи непосредственно выражаются в виде нагрева, вызывающего увеличение температуры.

Наиболее близкий аналог настоящего изобретения описан в источнике CN 2704959 Y, раскрывающий новый турбинный генератор, используемый для бурения, в частности, турбинный генератор, используемый для бурения и с возможностью его легкого оборудования в отверстие на буровой панели. Турбинный генератор содержит статор, постоянный магнит, оборудованный на нижнем конце полой части ротора турбины для совместного вращения. Верхний конец статора оснащен подшипником скольжения, вспомогательно согласованным с вспомогательным подшипником скольжения, оборудованным на верхнем конце полой части турбины, а средняя часть статора согласована с нижним подшипником скольжения, вспомогательно оборудованным на нижнем конце полой части ротора турбины и, таким образом, взаимодействие не может быть нарушено.

Однако представленный прототип заявленного изобретения не обеспечивает достаточно высокую выработку мощности с одновременной оптимизированной конфигурацией генератора для вывода выработанной электрической энергии и/или выработанного электрического сигнала более эффективным способом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящий документ обеспечивает создание внутрискважинного генератора вращающегося магнитного поля, содержащего: статорный узел, содержащий неподвижный цилиндрический корпус и обмотку, размещенную в первой области корпуса; и роторный узел, содержащий постоянный магнит, размещенный в радиальном направлении снаружи обмотки, и турбинный ротор, размещенный во второй области корпуса, которая в осевом направлении примыкает к первой области, причем турбинный ротор и постоянный магнит жестко соединены друг с другом вдоль осевого направления и размещены на корпусе на обоих концах роторного узла соответственно через первый подшипник и второй подшипник. Технической задачей заявленного генератора является увеличение выработки высокой мощности и оптимизация конфигураций генератора для вывода выработанной электрической энергии и/или выработанного электрического сигнала более эффективным способом

В одном варианте реализации изобретения согласно настоящему раскрытию, первый внутренний канал для текучей среды и второй внутренний канал для текучей среды, которые сообщаются друг с другом, выполнены соответственно между турбинным ротором и корпусом и между постоянным магнитом и обмоткой, так что часть текучей среды, проходящей через генератор, поступает в первый внутренний канал для текучей среды через первый подшипник, а затем выпускается через второй подшипник после протекания через второй внутренний канал для протекания текучей среды.

В одном варианте реализации изобретения, первый внешний канал для текучей среды размещен на периферии турбинного ротора.

Согласно настоящему раскрытию, направляющий статор размещен на третьей области корпуса, которая в осевом направлении примыкает ко второй области, второй внешний канал для текучей среды размещен на периферии направляющего статора и третий внутренний канал для текучей среды, сообщающийся с первым внутренним каналом для текучей среды, размещен внутри направляющего статора.

Согласно предпочтительному варианту реализации настоящего раскрытия, между турбинным ротором и корпусом размещено регулировочное кольцо, при этом первый внутренний канал для текучей среды размещен между турбинным ротором и регулировочным кольцом, а первый подшипник размещен на периферии регулировочного кольца.

Согласно еще одному предпочтительному варианту реализации настоящего раскрытия, между направляющим статором и первым подшипником размещено токосъемное контактное кольцо.

Согласно настоящему раскрытию, первый подшипник содержит верхний роторный подшипник и радиальный подшипник, а второй подшипник содержит нижний роторный подшипник и корпусной подшипник.

Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, в радиальном направлении снаружи обмотки выполнен изоляционный слой.

Согласно еще одному предпочтительному варианту реализации изобретения, ярмо и непроводящий магнитное поле экран соответственно размещены в радиальном направлении снаружи и внутри постоянного магнита, при этом второй внутренний канал для текучей среды размещен между изоляционным слоем и непроводящим магнитное поле экраном.

Согласно настоящему раскрытию, корпус содержит внутренний осевой канал и радиальный канал, размещенный в его первой области, при этом для вывода выработанной электрической энергии и/или выработанного электрического сигнала используется электрический провод, который проходит через радиальное сквозное отверстие с уплотнением и соединен с обмоткой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение будет подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует понимать, что данные чертежи приведены только для лучшего понимания настоящего раскрытия, их не следует рассматривать как ограничивающие его. На фиг.1 схематически показана конструкция внутрискважинного генератора вращающегося магнитного поля согласно настоящему раскрытию.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конкретный вариант согласно настоящему раскрытию будет раскрыт ниже со ссылкой на фиг. 1.

Внутрискважинный генератор 100 вращающегося магнитного поля согласно настоящему раскрытию в общем случае содержит статорный узел и роторный узел. Статорный узел содержит неподвижный цилиндрический корпус 1. Цилиндрический корпус 1, в качестве монтажного основания всего генератора, выполнен в виде удлиненного элемента в форме вала. Все компоненты генератора 100 могут быть установлены в цилиндрическом корпусе 1. На некоторой области корпуса 1 (а именно первой области L1) размещена обмотка 20. В одном конкретном варианте реализации изобретения, на одном конце (правый конец на фиг. 1) первой области L1 размещен выступ 25, выполненный в форме встроенного уступа, так что на нем в осевом направлении может быть размещена обмотка 20.

В предпочтительном варианте реализации изобретения, в радиальном направлении снаружи обмотки 20 размещен изоляционный слой 13, а внутри обмотки 20 в радиальном направлении размещен пакет пластин 19. Во время работы корпус 1 не вращается. Вследствие этого, обмотка 20, пакет пластин 19 и изоляционный слой 13 также не вращаются во время работы.

Согласно настоящему раскрытию, роторный узел содержит постоянный магнит 10, размещенный в первой области L1 корпуса 1. Магнит 10 также расположен в радиальном направлении снаружи обмотки 20, при этом его один конец (правый конец на фиг. 1) образован вторым подшипником, а именно нижним подшипником 14 и корпусным подшипником 15.

Турбинный ротор 8 размещен на одной стороне (левая сторона на фиг. 1) второй области L2 корпуса 1, примыкающей к первой области L1. Турбинный ротор 8 выполнен в осевом направлении с примыканием к постоянному магниту 10 и жестко соединен с ним. Роторный узел размещен на корпусе 1 на его обоих концах соответственно через первый подшипник и второй подшипник. Первый подшипник и второй подшипник могут оба быть, например, подшипниками скольжения.

В предпочтительном варианте реализации изобретения, ярмо 9 может быть размещено снаружи постоянного магнита 10. Ярмо 9 жестко присоединено к турбинному ротору 8 и постоянному магниту 10, так что обеспечивает возможность вращения турбинного ротора 8 и постоянного магнита 10 в совокупности. В предпочтительном варианте реализации изобретения, непроводящий магнитное поле экран 11 может быть размещен внутри постоянного магнита 10 для защиты постоянного магнита 10.

На периферии турбинного ротора 8 размещен первый внешний канал 8а для текучей среды. Во время работы генератора 100 под землей, текучая среда, такая как буровой раствор, протекает через первый внешний канал 8а для текучей среды так, чтобы осуществлять привод турбинного ротора 8 для его вращения. Поскольку постоянный магнит 10 жестко присоединен к турбинному ротору 8, он вращается вместе с ним. Таким образом, вращающийся постоянный магнит перемещается относительно неподвижной обмотки 20 и при этом проходит через магнитные силовые линии так, чтобы осуществлять выработку энергии.

Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, первый внутренний канал 12а для текучей среды размещен между турбинным ротором 8 и корпусом 1, а второй внутренний канал 12b для текучей среды размещен между постоянным магнитом 10 и обмоткой 20. Первый внутренний канал 12а для текучей среды и второй внутренний канал 12b для текучей среды сообщаются друг с другом.

В этом случае, во время работы генератора 100 под землей, большая часть бурового раствора проходит через первый внешний канал 8а для текучей среды на периферии турбинного ротора 8, чтобы осуществлять привод турбинного ротора для выработки энергии. Небольшая часть бурового раствора поступает в первый внутренний канал 12а для текучей среды через первый подшипник, затем проходит через второй внутренний канал 12b для текучей среды и, в конечном счете, вытекает из генератора 100 через второй подшипник. Таким образом, эта небольшая часть бурового раствора обеспечивает возможность эффективного уменьшения температуры на обмотке 20, благодаря чему достигается значительное увеличение эксплуатационной долговечности генератора 100. Кроме того, небольшая часть бурового раствора может также действовать в качестве смазки для первого подшипника и второго подшипника, а также предотвращать отложение на нем песка, так что эксплуатационная долговечность генератора 100 может быть также значительно увеличена.

Согласно одному варианту реализации изобретения, генератор 100 также содержит направляющий статор 3. Направляющий статор 3 размещен на третьей области L3 корпуса 1, которая в осевом направлении примыкает ко второй области L2, по направлению к стороне второй области L2, противоположной первой области L1. Вследствие этого, направляющий статор 3 и турбинный ротор 8 выполнены в осевом направлении с примыканием друг к другу. Второй внешний канал 3а для текучей среды размещен на периферии направляющего статора 3. Второй внешний канал За для текучей среды выровнен с первым внешним каналом 8а для текучей среды, размещенным на периферии турбинного ротора 8, или расположен со смещением от него под определенным углом.

С использованием направляющего статора 3, воздействие бурового раствора будет отклоняться от турбинного ротора 8 к направляющему статору 3, так что нагрузка на турбинном роторе 8 может быть эффективно уменьшена, благодаря чему эксплуатационная долговечность генератора 100 может быть еще больше увеличена. Кроме того, третий внутренний канал 12c для текучей среды, который сообщается с первым внутренним каналом 12а для текучей среды, размещен внутри направляющего статора 3. В этом случае, часть подземной текучей среды может последовательно протекать через генератор 100 через третий внутренний канал 12c для текучей среды, первый подшипник, первый внутренний канал 12а для текучей среды, второй внутренний канал 12b для текучей среды и второй подшипник.

Между турбинным ротором 8 и корпусом 1 может быть размещено регулировочное кольцо 17. При этих условиях первый внутренний канал 12а для текучей среды выполнен между турбинным ротором 8 и регулировочным кольцом 17, а первый подшипник выполнен на периферии регулировочного кольца 17. С использованием этого регулировочного кольца 17 обеспечивается возможность более простого управления размером первого внутреннего канала 12а для текучей среды и удобства изготовления и сборки турбинного ротора 8.

Первый подшипник может содержать, например, верхний роторный подшипник 6 и радиальный подшипник 7. Верхний роторный подшипник 6 размещен на одном конце турбинного ротора 8 с примыканием к третьей области L3 и образует пару осевых подшипников с одним концом направляющего статора 3, примыкающим ко второй области L2. При этом верхний роторный подшипник 6 и радиальный подшипник 7, который размещен на корпусе 1 или на регулировочном кольце 17, образуют радиальную подшипниковую пару.

В одном конкретном варианте реализации изобретения, генератор 100 также содержит токосъемное контактное кольцо 5, размещенное между направляющим статором 3 и турбинным ротором 8. Например, токосъемное контактное кольцо 5 может быть жестко соединено с направляющим статором 3 посредством сочетания посадки с натягом и адгезива с обеспечением, таким образом, стабильного ограничения положения. Таким образом, при интенсивной вибрации и при работе под землей токосъемное контактное кольцо 5 и верхний роторный подшипник 6 первого подшипника будут контактировать друг с другом и образовывать пару подшипников скольжения, благодаря чему обеспечивается возможность предотвращения прямого контакта направляющего статора 3 с турбинным ротором 8. Вследствие этого может быть уменьшена возможность повреждения турбинного ротора 8.

Второй подшипник может содержать, например, нижний роторный подшипник 14, размещенный на нижнем конце ярма 9, и корпусной подшипник 15, размещенный на корпусе 1. Нижний роторный подшипник 14 и корпусной подшипник 15 образуют пару подшипников скольжения и пару осевых подшипников.

Согласно настоящему раскрытию, внутренний осевой канал 18 образован внутри корпуса 1. В первой области L1 размещен канал 22, проникающий через боковую стенку корпуса 1. Внутри канала 22 размещен уплотненный контактный стержень 16, который соединен с обмоткой 20 и проходит во внутренний канал 18 через электрический провод 21. Согласно настоящему раскрытию, внутренний канал 18 может быть выполнен в форме глухого отверстия для прямого вывода выработанной энергии. Внутренний канал 18 может также быть выполнен в форме уступа сквозного отверстия вдоль его оси, и в этом случае, при подаче генератором энергию подземной системе внутренний канал 18 может также служить сигнальным каналом, проходящим через генератор.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, различные модификации могут быть сделаны в настоящем описании, не отступая от объема настоящего раскрытия, и компоненты в настоящем описании могут быть замещены их эквивалентами. В частности, при условии отсутствия конфликта в отношении конструкции, все технические признаки, упомянутые во всех вариантах осуществления изобретения, могут быть объединены друг с другом в любой форме. Эти комбинации приведены и описаны в описании не исчерпывающим образом только с целью экономии и сохранения описания кратким и по существу. Вследствие этого, настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами его осуществления, раскрытыми в описании, а включает в себя все технические решения, попадающие в объем формулы изобретения.

Изобретение относится к внутрискважинному генератору вращающегося магнитного поля. Внутрискважинный генератор вращающегося магнитного поля содержит статорный узел, включающий неподвижный цилиндрический корпус (1) и обмотку (20), размещенную в первой области (L1) корпуса (1), и роторный узел, включающий постоянный магнит (10), размещенный в радиальном направлении снаружи обмотки, и турбинный ротор (8), размещенный во второй области (L2) корпуса (1), которая в осевом направлении примыкает к первой области (L1). Ротор (8) и магнит (10) жестко соединены друг с другом вдоль осевого направления и размещены на корпусе (1) на обоих концах роторного узла соответственно через первый подшипник и второй подшипник. Корпус (1) содержит внутренний осевой канал (18) и радиальный канал (22), размещенный в его первой области. Для вывода выработанной электрической энергии и/или выработанного электрического сигнала используется электрический провод (21), который проходит через радиальное сквозное отверстие с уплотнением и соединен с обмоткой. Изобретение направлено на увеличение мощности и оптимизацию конфигурации генератора. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Внутрискважинный генератор вращающегося магнитного поля, содержащий:

статорный узел, содержащий неподвижный цилиндрический корпус (1) и обмотку (20), размещенную в первой области корпуса (1), и

роторный узел, содержащий постоянный магнит (10), размещенный в радиальном направлении снаружи обмотки, и турбинный ротор (8), размещенный во второй области (L2) корпуса, которая в осевом направлении примыкает к первой области (L1),

причем турбинный ротор и постоянный магнит жестко соединены друг с другом вдоль осевого направления и размещены на корпусе на обоих концах роторного узла соответственно через первый подшипник и второй подшипник,

причем корпус (1) содержит внутренний осевой канал (18) и радиальный канал (22), размещенный в его первой области, при этом

для вывода выработанной электрической энергии и/или выработанного электрического сигнала используется электрический провод (21), который проходит через радиальное сквозное отверстие с уплотнением и соединен с обмоткой.

2. Генератор по п. 1, в котором первый внутренний канал (12а) для текучей среды и второй внутренний канал (12b) для текучей среды, которые сообщаются друг с другом, выполнены соответственно между турбинным ротором (8) и корпусом (1) и между постоянным магнитом и обмоткой, так что часть текучей среды, проходящей через генератор, поступает в первый внутренний канал (12а) для текучей среды через первый подшипник, а затем выпускается через второй подшипник после протекания через второй внутренний канал (12b) для протекания текучей среды.

3. Генератор по п. 1 или 2, в котором первый внешний канал (8а) для текучей среды размещен на периферии турбинного ротора.

4. Генератор по п. 3, в котором направляющий статор (3) размещен на третьей области (L3) корпуса, которая в осевом направлении примыкает ко второй области (L2),

второй внешний канал (3а) для текучей среды размещен на периферии направляющего статора (3) и

третий внутренний канал (12c) для текучей среды, сообщающийся с первым внутренним каналом (12а) для текучей среды, размещен внутри направляющего статора (3).

5. Генератор по п. 1 или 2, в котором между турбинным ротором (8) и корпусом (1) размещено регулировочное кольцо (17), при этом первый внутренний канал (12а) для текучей среды размещен между турбинным ротором и регулировочным кольцом, а

первый подшипник размещен на периферии регулировочного кольца (17).

6. Генератор по п. 5, в котором между направляющим статором (3) и первым подшипником размещено токосъемное контактное кольцо (5).

7. Генератор по п. 1 или 2, в котором

первый подшипник содержит верхний роторный подшипник (6) и радиальный подшипник (7), а

второй подшипник содержит нижний роторный подшипник (14) и корпусной подшипник (15).

8. Генератор по п. 1 или 2, в котором в радиальном направлении снаружи обмотки (20) выполнен изоляционный слой (13).

9. Генератор по п. 8, в котором ярмо (9) и непроводящий магнитное поле экран (11) соответственно размещены в радиальном направлении снаружи и внутри постоянного магнита (10),

при этом второй внутренний канал для текучей среды размещен между изоляционным слоем (13) и непроводящим магнитное поле экраном (11).