Генератор переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе колонкового бурения скважины малого диаметра

 

Назначение: изобретение относится к бурению и предназначено для снабжения электроэнергией скважинных автономных приборов измерительных и контролирующих элементов и в процессе колонкового бурения скважин малого диаметра. Сущность изобретения: конструкция генератора вместо постоянных магнитов предусматривает размещение в первой из двух разъемных частей корпуса, который служит ротором, электромагнитов, и во второй - малогабаритных источников питания к ним. Увеличение напряженности магнитного поля внутри генератора, которая обуславливает возникновение ЭДС, разрешает получать ЭДС большей величины. Это, в свою очередь, приводит к увеличению мощности. Предусмотрен механический ключ для включения малогабаритных источников тока только в процессе вращения бурильной колонны. Малогабаритные источники питания изолированы от воздействия агрессивных сред в процессе бурения. 6 ил.

Изобретение относится к бурению, в частности к преобразователям энергии потока промывочной жидкости, циркулирующей в скважине, в электрическую энергию и устройствам, предназначенным для снабжения электроэнергией скважинных автономных измерительных и контролирующих элементов и приборов.

Известны малогабаритные химические источники тока, которые используются для питания трубных устройств, систем измерения и контроля в процессе бурения. Но их размеры, малая энергоемкость и другие параметры далеко не всегда удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям [1] Также известны для этих целей генераторы переменного тока, которые состоят из ротора, закрепленного на приводном валу, и неподвижного статора. Конструкция этих генераторов переменного тока наиболее близка к предлагаемой и принята нами за прототип [2] Широкому использованию данных генераторов переменного тока для питания автономной аппаратуры в процессе колонкового бурения скважин малого диаметра, в основном, препятствует то, что они имеют сравнительно малую мощность. Низкий напор промывочной жидкости не позволяет иметь большое число оборотов за единицу времени ротора и этим самым ограничивает увеличение величины электродвижущей силы индукции на выходе, а малый диаметр скважины ограничивает использование постоянных магнитов с большой напряженностью магнитного поля, которая зависит от внешних размеров постоянных магнитов, т.е. ограничивает увеличение ЭДС индукции, а в конечном итоге ограничивает увеличение мощности генератора.

Цель изобретения повышение мощности генератора переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе колонкового бурения скважин малого диаметра за счет увеличения величины напряженности магнитного поля, обуславливающего возникновение ЭДС индукции, причем внешний диаметр конструкции не должен претерпевать при этом увеличения.

Цель достигается использованием размещенных в корпусе предлагаемой конструкции генератора электромагнитов вместо постоянных магнитов и источников питания к ним. На фиг.1-6 показан предлагаемый генератор.

Конструкция генератора состоит из корпуса 1, служащего ротором, так как он соединен с валом гидротурбины, неподвижного статора 2 с обмотками и коллектора 3.

Ось 4 статора посажена противоположными концами в подшипники 5 и 6, которые запрессованы во фланцах 7 и 8. Корпус состоит из двух частей: металлической 9 и пластмассовой 10. В металлической части предусмотрены отверстия 11 для электромагнитов (могут вместо отверстий в зависимости от конструкции электромагнитов быть пазы) и пазы 12 для их выводов, а в пластмассовой пазы 13 для малогабаритных источников тока питания электромагнитов и пазы 14 для их выводов, а также паз 16 для механического ключа, который предназначен для включения малогабаритных источников питания только в процессе вращения колонны. Вместо пластмассы для второй части корпуса можно использовать и металл, но тогда с целью недопущения замыкания следует произвести монтаж в корпус малогабаритных источников питания. Крепление между частями корпуса резьбовое, а для их стопорения винтами служат отверстия 16.

Источники питания в данном случае подсоединены последовательно в ряд, но ряды между собой параллельно и соответственные выводы 17 и 18 через механический ключ проложены к контактам 19 и 20. Сюда же подводятся выводы 21 и 22 электромагнитов при помощи контактов 23 и 24. Для замыкания контактов 19 и 23, 20 и 24 используют пружные пластины.

Электромагниты состоят из каркаса 25 или 26, форма которого может быть различна, изготовленного из материала с большой магнитной проницаемостью μ (для данного случая μ 2000), что обеспечивает получение магнитного поля большей напряженности Н, и намотанных на нем виток к витку нескольких шаров медной проволоки 27.

Входы и выходы электромагнитов с источниками постоянного тока подсоединены так, чтобы на диаметрально противоположных сторонах корпуса были разные полюса магнитного поля, а по длине ротора одинаковые, то есть если вход первого ряда электромагнитов, которые соединены параллельно, соединен с плюсом источника питания, то вход диаметрально противоположного ряда соединен с минусом источника. Для включения источников питания только в процессе вращения бурильной колонны служат датчики частоты или механические ключи. Ключ состоит из размещенных в закрываемой емкости 28 контактов 29, 30, пружины 31 с грузом 32, которые имеют возможность свободно перемещаться по стержню 33.

Отсутствие постоянных магнитов дает возможность увеличить толщину h корпуса предлагаемого генератора по сравнению с толщиной прототипа, а это, в свою очередь, дает возможность увеличить количество витков в электромагните, т.е. увеличить в конечном итоге мощность генератора.

С целью предотвращения воздействия коррозионной среды электромагниты, малогабаритные источники питания, механический ключ и все выводы на корпусе заливают эпоксидной смолой.

Конструкция статора предлагаемого генератора практически не отличается от конструкции якоря прототипа.

Соединение между корпусом 1 генератора и гибкой муфтой 34, насаженной на вал 35 гидротурбины, производится при помощи винтов, для чего предусмотрены отверстия 36. Вращая гидротурбину, циркулирующий поток промывочной жидкости вращает ротор генератора. Возникшая при этом центробежная сила изменяет длину пружины 31, замыкает этим самым контакты 29 и 30, включая источники питания, а возникшее поле во вращающихся катушках электромагнитов индуцирует возникновение переменного тока в обмотках статора, который при помощи выводов 37 с коллектора подается к скважинным приборам контроля или управления процессом бурения.

Существенное отличие предлагаемой конструкции генератора повышенной мощности переменного тока для питания скважинной аппаратуры в процессе бурения скважин малого диаметра заключается в том, что с целью увеличения мощности без увеличения внешнего диаметра ротор снабжен электромагнитами, малогабаритными источника тока питания электромагнитов и механическим ключом и выполнен в виде корпуса, состоящего из двух разъемных частей, в одной из которых рядами размещены электромагниты, а во второй также рядами малогабаритные источника тока питания, причем малогабаритные источника тока питания изолированы от воздействия коррозионной среды и соединены между собой параллельно, а их выводы и соответствующим им выводы электромагнитов соединены между собой через контакты механического ключа.

В такой конструкции генератора без увеличения размеров внешнего диаметра напряженность магнитного поля, обуславливающего возникновение ЭДС индукции, в несколько раз больше, а следовательно, и больше мощность, чем в прототипе (в данном случае более чем в 5 раз).

Действительно, методика расчета магнитных полей полосовых постоянных магнитов по Скотту и номограммы согласно этой методике показывают, что к генеpаторам переменного тока, имеющим малый диаметр, применительны полосовые магниты с максимальной магнитной индукцией в несколько десятков милитесла. Но, согласно закону Био-Савара-Лапласа, электромагниты для этих же целей при силе тока 0,012 А могут образовывать магнитные поля индукцией на порядок выше 0,5 Тл. Этим и объясняется целесообразность использования предлагаемой конструкции генератора.

Технико-экономическая эффективность использования предлагаемой конструкции генератора заключается в простоте изготовления, использовании стандартных малогабаритных источников питания.

Применение этой несложной в изготовлении предлагаемой конструкции позволит повысить и расширить диапазон как качества контроля, так и качества управления процессом бурения за счет возможности применения более мощных приборов.

Формула изобретения

Генератор переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе колонкового бурения скважин малого диаметра, включающий закрепленный на приводном валу ротор, статор неподвижности и коллектор, отличающийся тем, что ротор снабжен электромагнитами, малогабаритными источниками тока питания электромагнитов и механическим ключом и выполнен в виде корпуса, состоящего из двух разъемных частей, в одной из которых рядами размещены электромагниты, а в другой также рядами малогабаритные источники тока питания и механический ключ, причем малогабаритные источники тока питания изолированы от воздействия коррозионной среды и соединены последовательно в ряду, ряды источников питания тока соединены между собой параллельно, а их выводы и соответствующие им выводы электромагнитов соединены между собой через контакты механического ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6