Скважинный электрогенератор

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам и может быть использовано в генераторах питания скважинной аппаратуры. Технический результат состоит в увеличении мощности и ресурса генератора при уменьшении его диаметральных габаритов. Скважинный электрогенератор содержит статор, узел крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, кинематически связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения. Привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит силовой элемент из материала с памятью формы. Силовой элемент может быть выполнен в виде сильфона из материала с памятью формы, установленного в герметичной полости внутри статора, к которому подведены провода от обмотки возбуждения через коммутатор, к которому, в свою очередь, подключен источник питания и накопитель электроэнергии. На передней части статора выполнено оребрение. В задней части электрогенератора выполнен электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления выполнен в передней части статора, или в средней части статора, или в задней части статора. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электрическим машинам. Конкретно изобретение предназначено для электрогенератора питания скважинной аппаратуры и передающего устройства забойной телеметрической системы. Электрогенератор 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, МКП Е21В 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°С, 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 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 скважинный электрогенератор питания телеметрических систем по св. РФ на полезную модель № 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 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, прототип, содержащий 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: низкая мощность и ресурс электрогенератора при ограниченных диаметральных габаритах.

Создание мощного электрогенератора ограничивается его диаметральными габаритами, а низкий ресурс объясняется тем, что для смазки многочисленных опор (подшипников) внутренняя полость электрогенератора заполняется смазывающей жидкостью, но из-за того, что в процессе эксплуатации внутрь электрогенератора попадает буровой раствор, содержащий абразивные частицы, подшипники, уплотнения и другие детали быстро изнашиваются.

Задачи создания изобретения - повышение мощности и ресурса электрогенератора при уменьшении его диаметральных габаритов.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что скважинный электрогенератор, содержащий статор, узел крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, кинематически связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения, при этом привод перемещения магнитов выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения и содержит силовой элемент из материала с памятью формы. Силовой элемент может быть выполнен в виде сильфона из материала с памятью формы, установленного в герметичной полости внутри статора, к которому подведены провода от обмотки возбуждения через коммутатор, к которому, в свою очередь, подключен источник питания и накопитель электроэнергии. На передней части статора выполнено оребрение. В задней части электрогенератора (на его торце) выполнено электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения. Внутри узла крепления выполнены отверстия. Узел крепления может быть выполнен или в передней (по потоку бурового раствора) части, или в средней части, или в задней (нижней, если электрогенератор установлен вертикально) части статора.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

Скважинный электрогенератор (см. чертеж), предназначенный для питания скважинной аппаратуры установлен в колонне бурильных труб или в обсадной колонне и содержит узел крепления 1 на статоре 2. В узле крепления 1 выполнены отверстия «А» для прохода бурового раствора к забойному двигателю и породоразрушающему инструменту (не показаны).

Скважинный электрогенератор содержит ротор 3 с установленными на нем одной или несколькими группами постоянных магнитов 4.

Внутри статора 2 выполнена полость «Б», в которой установлен привод перемещения магнитов 5. Этот привод может быть выполнен любой конструкции и обязательно должен содержать силовой элемент 6 из материала с памятью формы, один конец которого соединен со статором 2, а другой - с ротором 3. Привод перемещения магнитов 5 обеспечивает возвратно-поступательное перемещение ротора 3 и группы магнитов 4 внутри обмоток возбуждения 7, установленных в полости статора «Б» концентрично группам магнитов 4. Это необходимо для создания в обмотках возбуждения 7 электрического тока. Силовой элемент 6 может быть выполнен в виде сильфона из материала с памятью формы, как это показано на фиг.1. Возможны и другие формы реализации силового элемента 6, например в виде пружины или стержня.

Полость «Б» выполнена герметичной и может быть заполнена смазывающей жидкостью или другим раствором для улучшения теплопроводности и компенсации давления и температурных расширений. Это позволит исключить смятие тонкой стенки статора 2. На передней части статора 2 выполнено оребрение 8 для отвода тепла.

Полость «Б» сообщается с полостью «В», в которой размещены обмотки возбуждения 7, а перегородка 9 необходима для установки направляющей втулки 10. Перепад давления между полостями «Б» и «В» отсутствует.

От обмоток возбуждения 7 отходит(ят) электрический(ие) провод(а) 11, он проходит по отверстиям «Г» и «Д», выполненным в статоре 2, и соединяются с электрическим разъемом 12. Если применен один провод, то функцию другого провода выполняет статор 2. Соединение обмоток возбуждения 7 может быть выполнено параллельным, последовательным или параллельно-последовательным. На электрический разъем 12 может быть выведено напряжение с двух групп обмоток возбуждения 7 для питания электроэнергией различных независимых потребителей. Электрический разъем 12 целесообразно выполнить коаксиальным.

Провода 13 соединяют обмотки возбуждения 7 через коммутатор 14 с силовым элементом 6 для его периодического нагрева. К коммутатору 14 подсоединены источник питания 15, накопитель электроэнергии 16, например аккумулятор, и процессор 17 для управления коммутатором 14 по заданной программе. Температура бурового раствора в скважине обычно находится в диапазоне от 80 до 130°С. Температуру мартенситного преобразования силового элемента можно настроить, например, на 150...200°С. Возможно применение в системе датчика температуры 18, подключенного к процессору 17, или концевика (конечного выключателя) 19 под задним (нижним) торцом ротора 3 (соединение электрической связью концевика 19 с процессором 17 не показано.)

Для приведения в действие скважинного электрогенератора от источника питания 15 через коммутатор 14 на силовой элемент 6 подается импульс электроэнергии, достаточный для его прогрева на несколько десятков градусов, т.е. до температуры мартенситного преобразования. При этом силовой элемент 6 удлиняется и ротор 3 перемещается назад (вниз) на 10...20 мм, в зависимости от толщины группы магнитов 4. При этом внутри обмоток возбуждения 7 создается переменного магнитное поле, а в самих обмотках вырабатывается электрический ток. В дальнейшем электрический ток на нагрев силового элемента 6 подается через коммутатор от накопителя энергии. Управление коммутатором 14 осуществляет процессор 17, например, по температуре, регистрируемой датчиком температуры 18.

Буровой раствор, проходящий между бурильной трубой и оребрением 8 через отверстия «А», охлаждает жидкость, которой заполнена полость «Б», силовой элемент 6 охлаждается до температуры бурового раствора, например 80...130°С, и происходит обратное мартенситное преобразование материала с памятью формы, силовой элемент 6 уменьшает свою длину, и ротор 3 перемещается вперед (вверх).

Эти движения совершаются периодически, группа (группы) постоянных магнитов 4 совершают возвратно-поступательное движение внутри обмоток возбуждения 7. В обмотках возбуждения 7 вырабатывается электрический ток, который по электрическим проводам 11 передается на электрический разъем 12, а по электрическим проводам 13 через коммутатор 14 передается к накопителю электроэнергии 16.

Количество групп постоянных магнитов 4 и обмоток возбуждения 7 может быть выполнено сколь угодно большим. Это позволит спроектировать источник питания и скважинные приборы для бурильных и обсадных колонн очень малого диаметра.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно уменьшить диаметральные габариты и вес скважинного электрогенератора за счет отказа от гидротурбины.

2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах электрогенератора за счет применения большого числа групп постоянных магнитов и обмоток возбуждения.

3. Исключить дисбаланс ротора скважинного электрогенератора за счет отказа от вращательного движения.

4. Значительно повысить надежность электрогенератора за счет абсолютной герметичности его внутренней полости и отсутствия уплотнений вращающихся деталей.

5. Упростить конструкцию скважинного электрогенератора, за счет отказа от применения подшипников и уплотнений и упрощения конструкции всех узлов и их унификации.

6. Упростить сборку и разборку скважинного электрогенератора за счет его выполнения модульной конструкции и применения коаксиального электрического разъема.

7. Улучшить ремонтопригодность скважинного электрогенератора за счет предельно простой конструкции, минимального числа деталей и простой конфигурации всех деталей.

1. Скважинный электрогенератор, содержащий статор с узлом его крепления, ротор с одной или несколькими группами постоянных магнитов, связанный с приводом перемещения магнитов, и соответствующие им обмотки возбуждения статора, отличающийся тем, что привод перемещения магнитов выполнен с возможностью создания возвратно-поступательного перемещения и содержит силовой элемент в виде сильфона из материала с памятью формы, установленного в герметичной полости внутри статора, один конец которого соединен со статором, а другой с ротором и к которому подведены провода от обмотки возбуждения статора через коммутатор с подключенным к нему источником питания и накопителем электроэнергии.

2. Скважинный электрогенератор по п.1, отличающийся тем, что на передней части статора выполнено оребрение.

3. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в задней части электрогенератора выполнен электрический разъем, соединенный электропроводами с обмотками возбуждения.

4. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что внутри узла крепления статора выполнены отверстия.

5. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления статора выполнен в его передней части.

6. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления статора выполнен в его средней части.

7. Скважинный электрогенератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел крепления статора выполнен в его задней части.