Потоковый скважинный генератор Российский патент 2024 года по МПК F04C2/00 F04C2/08 H02K21/00 E21B47/00 

Изобретение относится к области добычи нефти и газа, в частности, к получению электроэнергии на глубинах свыше 1000 м за счет потока промывочной жидкости и для обработки призабойных зон скважины ультразвуком, сверхвысоким электромагнитным излучением, тепловым излучением.

Из уровня техники известен скважинный электрогенератор, который содержит узел крепления, ротор с рабочим колесом гидротурбины и, по меньшей мере, одну группу постоянных магнитов, кинематически связанную с гидротурбиной, и соответствующие им обмотки возбуждения. Кинематическая связь гидротурбины с группами постоянных магнитов выполнена через механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, который может быть выполнен в виде ведомого диска, установленного на роторе, ведущего диска, установленного на оси, и пружины, упирающейся в торец оси. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления выполнен в передней или в средней или в задней части статора [патент на изобретение RU 2331149 С1. Заявка №2007108470/09 от 06.03.2007, опубл. 10.08.2008 в Бюл. №22].

К недочетам данного изобретения можно отнести недостаточную герметичность конструкции, что может привести к попаданию жидкости в механизмы устройства и снижению эксплуатационных качеств изделия.

Также известен генератор для питания автономных скважинных приборов, предназначенный для преобразования энергии промывочной жидкости в электрическую и питания электроэнергией автономных скважинных приборов различного назначения в процессе бурения. Техническим результатом изобретения является повышениеремонтопригодности путем упрощения процесса сборки и разборки частей генератора. Для этого генератор содержит статор, ротор в виде корпуса, с внутренней стороны которого расположены магниты, а также рабочие лопатки турбин (шнеки), установленные по краям ротора. Особенность конструкции заключается в наличии дополнительного наружного съемного корпуса ротора и в установлении турбин на промежуточных съемных корпусах по краям ротора. При этом торцовые поверхности дополнительного съемного наружного корпуса и соприкасаемые с ними торцовые поверхности рабочих лопаток турбин (шнеков) выполнены скошенными. Фиксация дополнительного съемного наружного корпуса и рабочих лопаток турбин (шнеков) относительно их промежуточных корпусов обеспечена стопорными кольцами [патент на изобретение RU 2321746 С2. Заявка №2005136589/03 от 24.11.2005, опубл. 10.04.2008 в Бюл. №10].

Недостатками генератора являются громоздкость и относительно низкое быстродействие.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является электрогенератор для питания скважинных устройств [патент на изобретение RU 2244995 С1. Заявка №2003119203/09 от 25.06.2003, опубл. 20.01.2005 в Бюл. №2], содержащий составной из подвижной и неподвижной частей корпус, неподвижная часть которого содержит узел коаксиального крепления в канале какой-либо внутрискважинной трубной колонны для обеспечения возможности обтекания корпуса, а также электроразъем для соединения с устройством, например с телесистемой, и выполнена в виде консольной оси-стойки, на которой размещены обмотки статора и подвижная часть корпуса, которая сопряжена с осью-стойкой посредством радиально-опорного подшипникового узла для обеспечения возможности вращения, снабжена внутри коаксиальным статору ротором-индуктором, снаружи на ней жестко закреплена турбина, а полость между обеими частями корпуса замкнута узлом герметизации, отличающийся тем, что по одну сторону статора на конце оси-стойки радиально-упорный подшипниковый узел выполнен в видедвух, упорного и радиального, подшипников с упругим элементом между подвижной частью корпуса и внешним кольцом одного из этих подшипников, по другую сторону от статора на оси-стойке установлен дополнительный радиальный подшипник, узел герметизации полости корпуса размещен между концевым участком его подвижной части и осью-стойкой и содержит последовательно от дополнительного радиального подшипника торцовое уплотнение, кольцевую полость с радиально-торцевой манжетой и смазкой, а также импеллер на оконечности подвижной части корпуса.

Недостаток данного технического решения состоит в низкой мощности и ресурсе электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

Технический результат изобретения заключается в повышенной надежности, герметичности, прочности, эффективности и ремонтопригодности при малых массогабаритных показателях устройства.

Технический результат достигается тем, что потоковый скважинный генератор состоит из винтового героторного механизма с внутренним пространственным зацеплением, включающего корпус с промывочными окнами, ротор винтового героторного механизма и статор винтового героторного механизма с циклоидальными профилями зубьев, герметизатора в виде цилиндрического корпуса, в котором расположены трансмиссионный вал, опорный подшипник и два радиальных подшипника с набором шевронных манжет, обжимающие трансмиссионный вал, который посредством соединительной муфты сочленен с входным валом мультипликатора, мультипликатора, включающего двухступенчатую систему зубчатых планетарных передач с эвольвентными зубьями, увеличивающих обороты вращения входного вала трехфазного синхронного электрогенератора 10:1 по отношению к оборотам винтового героторного механизма, и трехфазного синхронного электрогенератора на постоянных магнитах с выходными контактами для подключения электрических устройств, при этом выходной вал мультипликатора соединен с валомтрехфазного синхронного электрогенератора соединительной муфтой передачи крутящего момента.

Винтовой героторный механизм предназначен для преобразования гидравлической энергии потока промывочной жидкости, проходящего через него, в механическую энергию, для вращения трансмиссионного вала герметизирующего устройства.

Герметизатор обеспечивает герметичность трансмиссионного вала, передающего крутящий момент от винтового героторного механизма с целью обеспечения бесперебойной работы последующих устройств, а именно мультипликатора и трехфазного синхронного электрогенератора, защиты их механизмов от попадания промывочной жидкости и от избыточного наружного давления в скважине.

Мультипликатор представляет собой механизм, включающий в себя двухступенчатую систему планетарных зубчатых передач с эвольвентными зубьями, размещенную в цилиндрическом корпусе. Он обеспечивает эффективную передачу механической энергии от приводного винтового героторного механизма к трехфазному синхронному электрогенератору с увеличением скорости вращения вала электрогенератора для получения высокой выходной электрической мощности.

Трехфазный синхронный электрогенератор на постоянных магнитах, преобразующий механическую энергию вращения ротора в электрическую с КПД до 90%, включает в себя статор с обмотками из медной проволоки и ротор с постоянными магнитами.

На Фигуре представлена конструкция потокового скважинного генератора с входными и выходными подстыкованными устройствами, где 1 - насосно-компрессорная труба, 2 - ротор винтового героторного механизма, 3 - статор винтового героторного механизма, 4 - винтовой героторный механизм, 5 - промывочные окна, 6 - выходной вал, 7 - герметизатор, 8 -шевронная манжета, 9 - опорный подшипник, 10 - радиальные подшипники, 11 - соединительная муфта, 12 - мультипликатор, 13 - соединительнаямуфта передачи крутящего момента, 14 - трехфазный синхронный электрогенератор, 15 - ротор трехфазного синхронного электрогенератора, 16 - статор трехфазного синхронного электрогенератора, 17 - контактная группа.

Потоковый скважинный генератор работает следующим образом.

Изобретение присоединяют к спускаемой в скважину насосно-компрессорной трубе 1 посредством резьбового соединения. Внутрь насосно-компрессорной трубы 1, насосом высокого давления подается непрерывно циркулирующая промывочная жидкость. Промывочная жидкость, проходя полости винтового героторного механизма 4, включающего в свой состав ротор 2 и статор 3, выходит через промывочные окна 5, при этом выходной вал 6 винтового героторного механизма 4 приводится в устойчивое вращательное движение. Вращение выходного вала 6 винтового героторного механизма 4 передается трансмиссионному валу герметизатора 7, который опирается на опорный подшипник 9, обжат шевронными манжетами 8, обеспечивающими герметичность, и отцентрован относительно корпуса радиальными подшипниками 10. Трансмиссионный вал герметизатора 7 соединен соединительной муфтой 11 с входным валом мультипликатора 12. Посредством двухступенчатой системы планетарных зубчатых передач с эвольвентными зубьями, обороты вала винтового героторного механизма 4 увеличиваются в пропорции 10:1 и достигают 6000 об/мин. Выходной вал мультипликатора 12 соединен с валом трехфазного синхронного электрогенератора 14 соединительной муфтой передачи крутящего момента 13, обеспечивающей скорость вращения вала трехфазного синхронного электрогенератора 14 на уровне 6000 об/мин. Трехфазный синхронный электрогенератор 14 посредством электромагнитной системы, состоящей из ротора трехфазного синхронного генератора 15, выполненного на постоянных магнитах, и статора трехфазного синхронного генератора 16 с медной обмоткой, преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию, которая через контактную группу 17 затемпередается потребителю (например, ультразвуковому излучателю, СВЧ электромагнитному излучателю, нагревателю).

Все модули устройства и потребитель соединены по корпусу конусной резьбой (ГОСТ 633-80) на конце ниппеля в единое устройство. Тем самым обеспечивается герметичность жесткость и герметичность устройства.

В зависимости от подключенного потребителя потоковый скважинный генератор может выполнять разного рода задачи, такие как очистка труб от солевых отложений, снижение загрязнения порового пространства призабойной зоны скважины, нагрев кислот в призабойной зоне, очистка скважинных фильтров и т.д.

Изобретение имеет малый габаритный диаметр (наружный диаметр корпус 58 мм), что позволяет применять данное устройство в широко распространенных на нефтяных скважинах насосно-компрессорных трубах с наружным диаметром 73 мм и внутренним диаметром 62 мм (НКТ-73). В отличие от известных аналогов, у которых наружный диаметр корпуса более 80 мм.

Предлагаемое устройство построено по принципу модульности конструкции, что обеспечивает надежность и ремонтопригодность, за счет возможности быстрой замены вышедших из строя модулей, а также возможность присоединения оконечных электрических устройств различных типов (например, генератор ультразвуковой, генератор СВЧ электромагнитного излучения, нагревательный элемент резистивного типа).

Модули устройства соединяются посредством специальной конусной резьбы повышенной прочности и герметичности (выдерживает давление до 70 МПа и осевую нагрузку до 3 т), что обеспечивает высокую надежность устройства, устойчивость конструкции к осевым и боковым нагрузкам.

Предлагаемый потоковый скважинный генератор обеспечивает высокую мощность (от 3,6 до 8,0 кВт) вырабатываемой электроэнергии за счет мультипликатора специальной конструкции на основе двухступенчатой системы планетарных зубчатых передач с высоким механическим КПД (90%), что обеспечивает эффективную передачу энергии от приводного винтового героторного механизма к трехфазному синхронному электрогенератору. И высокие обороты вращения ротора трехфазного синхронного электрогенератора (до 6000 об/мин) при малой производительности насоса (не более 180 л/мин),

Наличие герметизатора обеспечивает надежную герметизацию мультипликатора и трехфазного синхронного электрогенератора без существенных потерь энергии, в отличие от магнитных муфт, применяемых в известных аналогах. Герметизация осуществляется набором шевронных манжет, которые обжимают трансмиссионный вал и препятствуют проникновению промывочной жидкости в воздухонаполненные механизмы.

Изобретение относится к области добычи нефти и газа, в частности к получению электроэнергии на глубинах свыше 1000 м за счет потока промывочной жидкости и для обработки призабойных зон скважины ультразвуком, сверхвысоким электромагнитным излучением, тепловым излучением. Потоковый скважинный генератор состоит из винтового героторного механизма с внутренним пространственным зацеплением, включающего корпус с промывочными окнами, ротор винтового героторного механизма и статор винтового героторного механизма с циклоидальными профилями зубьев, герметизатора в виде цилиндрического корпуса, в котором расположены трансмиссионный вал, опорный подшипник и два радиальных подшипника с набором шевронных манжет, обжимающие трансмиссионный вал, который посредством соединительной муфты сочленен с входным валом мультипликатора, включающего двухступенчатую систему зубчатых планетарных передач с эвольвентными зубьями, увеличивающих обороты вращения входного вала трехфазного синхронного электрогенератора 10:1 по отношению к оборотам винтового героторного механизма, и трехфазного синхронного электрогенератора на постоянных магнитах с выходными контактами для подключения электрических устройств, при этом выходной вал мультипликатора соединен с валом трехфазного синхронного электрогенератора соединительной муфтой передачи крутящего момента. Техническим результатом изобретения является повышение надежности, герметичности, прочности, эффективности и ремонтопригодности при малых массогабаритных показателях устройства. 1 ил.

Потоковый скважинный генератор, состоящий из винтового героторного механизма с внутренним пространственным зацеплением, включающего корпус с промывочными окнами, ротор винтового героторного механизма и статор винтового героторного механизма с циклоидальными профилями зубьев, герметизатора в виде цилиндрического корпуса, в котором расположены трансмиссионный вал, опорный подшипник и два радиальных подшипника с набором шевронных манжет, обжимающие трансмиссионный вал, который посредством соединительной муфты сочленен с входным валом мультипликатора, включающего двухступенчатую систему зубчатых планетарных передач с эвольвентными зубьями, увеличивающих обороты вращения входного вала трехфазного синхронного электрогенератора 10:1 по отношению к оборотам винтового героторного механизма, и трехфазного синхронного электрогенератора на постоянных магнитах с выходными контактами для подключения электрических устройств, при этом выходной вал мультипликатора соединен с валом трехфазного синхронного электрогенератора соединительной муфтой передачи крутящего момента.