RU2426873C1

RU2426873C1 - High-voltage borehole generator

Info

Publication number: RU2426873C1
Application number: RU2010105495/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: high-voltage borehole generator is equipped with protective housing, electric connector, at least one attachment assembly, rotor with hydraulic turbine and conversion device of mechanical energy to electric energy. Conversion device of mechanical energy to electric energy is made in the form of mechanical generator and Tesla transformer, which are connected by means of electric conductors. At that, Tesla transformer is made in the form of primary and secondary windings and installed in tight cavity and isolated from protective housing. Magnetic coupling containing drive and driven half-couplings is installed between rotor and conversion device of mechanical energy to electric energy. Tight partition containing parts from magnetic permeable material is arranged between driven and drive half-couplings. At that, drive half-coupling is connected to rotor, and driven coupling is connected to shaft. Inner cavity of drive half-coupling is filled with lubricating fluid. On upper edge of rotor there is filling opening of lubricating fluid to the cavity of drive half-coupling. Generator includes at least one pressure and temperature expansion compensator interconnected with cavity of drive half-coupling. ^ EFFECT: simplifying the design, improving reliability and power of generator at decrease of diametrical dimensions and weight of electric generator. ^ 5 dwg

Description

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.The invention relates to electric machines. Specifically, the invention is intended for a high-voltage generator installed in the well and intended, for example, to perform hydraulic fracturing. The generator converts the energy of the flushing fluid into electrical energy, which is necessary to power the downhole navigation and geophysical instruments during drilling and the transmitter of the electromagnetic communication channel. For the telemetry system to work at great depths, an increase in the power of the transmitting device to 1 kW or more is required. To get more power with the small dimensions of the generator is very problematic.

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).A self-contained turbine unit (electric generator), also designed to supply electric energy to the telemetry system, containing a hydraulic turbine driven by a wash fluid stream, an oil-filled stator filled with an epoxy compound, and a rotor of an alternating current generator with permanent magnets located on the same shaft with a hydraulic turbine ( Molchanov A.A., Siraev A.X., “Borehole autonomous systems with magnetic recording”, M., Nedra, 1979, pp. 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.This generator consists of a stator located inside the unit and a six-pole annular magnetic rotor made from the outside. The rotor is also a casing for the working blades of a three-stage hydraulic turbine. In front of each stage of the working blades of the hydraulic turbine, in turn, there are three stages of guide vanes assembled on the outer casing, which increases the diameter of the device. To prevent the flushing fluid from entering the generator and the bearing units, sealing devices are installed, the internal cavity of the generator is filled with transformer oil.

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.Due to the fact that the generator operates in the temperature range from -40 to + 130 ° C, at drilling depths of up to 3500 m or more, and the oil volume changes with temperature, a pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid (oil) are introduced. The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is made inside the inlet fairing of the generator. It consists of two thin profile plates, one of which is convex and the other is concave. The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is designed to compensate for changes in the volume of oil in the oil-filled cavity of the generator under operating conditions with increasing temperature, as well as equalizing the pressure inside and outside the generator.

Недостатками этого генератора являются: низкая надежность, малый ресурс, большие габариты и масса устройства, сложность конструкции.The disadvantages of this generator are: low reliability, low resource, large dimensions and weight of the device, design complexity.

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.These shortcomings are due primarily to the fact that a multistage turbine with guide vanes is used as a drive. The use of a hydraulic turbine with guide vanes as a drive places high demands on the quality of cleaning the washing liquid from fractions of drill cuttings and foreign objects, the ingress of which into the gap between the working and guide vanes of the hydraulic turbine can cause it to stop (jamming). The presence of guiding devices of a hydraulic turbine increases the diametrical dimension of the electric generator, which is undesirable when drilling wells of relatively small diameter.

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.The second design flaw is the complexity and unreliability of the pressure compensator and thermal expansion of the lubricating fluid. Due to the elasticity of the walls of the compensator, the pressure of the lubricating fluid is always less than the pressure of the environment. This can result in flushing fluid entering the generator’s lubrication system and in the wear of bearings, seals and other parts.

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,Known electric generator according to the patent of the Russian Federation No. 2331149, prototype. This generator contains a protective housing, at least one attachment point, a rotor with a turbine and a device for converting mechanical energy into electrical energy,

Недостатки электрогенератора - ненадежность и сложность конструкции, обусловленная низкой надежностью обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах.The disadvantages of the generator are the unreliability and complexity of the design, due to the low reliability of the field windings, insufficient power of the generator with its limited diametrical dimensions.

Задачи его создания - упрощение конструкции, повышение мощности при уменьшении диаметральных габаритов и веса электрогенератора.The tasks of its creation are to simplify the design, increase power while reducing the diametrical dimensions and weight of the generator.

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.The solution to this problem was achieved in a high-voltage downhole generator containing a protective housing, an electrical connector, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine and a device for converting mechanical energy into electrical energy, in that according to the invention, the device for converting mechanical energy into electrical energy is made in the form of connected electrical wires of the machine generator and Tesla transformer, while the Tesla transformer is made in the form of primary and secondary windings and installed in ge tight cavity and isolated from the protective housing. Tesla transformer windings can be connected to a protective housing. Between the rotor and the device for converting mechanical energy into electrical energy, a magnetic coupling is installed, containing the leading and driven half-couplings. The magnetic coupling can be made face. The magnetic coupling may be cylindrical. Between the driven and leading half-couplings, a sealed partition is also made containing parts of magnetically permeable material, while the leading half-coupling is connected to the rotor, and the driven half to the shaft. The inner cavity of the drive clutch is filled with lubricant. At the upper end of the rotor, a hole is made for filling the lubricating fluid into the cavity of the driving coupling half. The generator may contain at least one compensator for pressure and thermal expansion in communication with the cavity of the leading coupling half.

Сущность изобретения поясняется на фиг 1…5, где:The invention is illustrated in Fig 1 ... 5, where:

на фиг.1 представлен первый вариант генератора,figure 1 presents the first variant of the generator,

на фиг.2 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в исходном положении,figure 2 presents a device for compensating for pressure and thermal expansion in the initial position,

на фиг.3 приведена схема соединения обмоток трансформатора Тесла с защитным корпусом,figure 3 shows the connection diagram of the windings of the Tesla transformer with a protective housing,

на фиг.4 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в рабочем положении,figure 4 presents a device for compensating pressure and thermal expansion in the working position,

на фиг.5 представлен генератор с магнитной муфтой.figure 5 presents the generator with a magnetic coupling.

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.The high-voltage downhole generator (Fig. 1 ... 5) is installed in the drill pipe string or in the casing (not shown) and contains a protective housing 1 and at least one fastening device 2. In the fastening device 2 of the electric generator, holes 3 are made for passage of the drilling solution. The high-voltage downhole generator contains a rotor 4 with a hydraulic turbine 5. The hydraulic turbine 5 has obliquely mounted flat blades mounted at an angle of 20 ... 60 °. The protective housing 1 has an electrical connector 6 at the bottom, to which high-voltage wires 7 are connected from a device for converting mechanical energy into electrical 8.

Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит машинный генератор 9 и трансформатор Тесла 10, соединенные проводами 11.A device for converting mechanical energy into electrical energy 8 comprises a machine generator 9 and a Tesla transformer 10 connected by wires 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.The machine generator 9 includes a rotor of the generator 12 with permanent magnets 13 and an excitation winding 14 mounted inside the protective housing 1. The rotor of the generator 12 is mounted on bearings 15 and 16, which are protected by seals 17 and 18. The machine generator has an internal cavity 19 that cannot be sealed from due to the presence of the rotor 4.

Для заполнения смазывающей жидкостью полости 19 предусмотрено осевое отверстие 20, выполненное в роторе 4 и заглушенное винтом 21.To fill the cavity 19 with a lubricating fluid, an axial hole 20 is provided, made in the rotor 4 and drowned out by a screw 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.To compensate for the flow of lubricating fluid, thermal expansions and variable pressure in the well, at least one compensator for pressure and thermal expansion 22 (FIGS. 2 and 3) is provided, made in front of the protective housing 1 of the generator (FIG. 2). It is most advisable to perform 2 ... 8 pressure compensators and thermal expansion 22 and place them inside the protective housing 1 from the side of the hydraulic turbine 5, since only the cavity 19 needs compensation, and the other cavities are sealed and can be filled with an inert gas and do not need compensation when provided that the walls of the protective casing are of sufficient thickness.

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.Each compensator for pressure and thermal expansion 22 contains a compensation piston 23 mounted and sealed relative to the protective housing 1. The cavity 24 under the compensation piston 23 has a hole (s) 25 connected to the cavity 19, and the cavity 26 above the compensation piston 23 is connected with a hole (s) 27 with environment to compensate for pressure changes and thermal expansion of the lubricant. The compensation piston 23 is spring-loaded by a spring 28 towards the leading coupling half 10 to create excess pressure in the cavity 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).In the protective casing 1, in the sealed cavity 29, a Tesla transformer 10 is installed, which is isolated from the protective casing by electrical insulating spacers 30 and contains a primary winding 31 and a secondary winding 32 (Fig. 1). In this case, an embodiment is possible when the windings 31 and 32 are connected to the protective housing 1 (Fig. 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.An embodiment of a high-voltage downhole generator 10 with a magnetic coupling 33 (Fig. 5) is possible. The magnetic coupling 33 comprises a leading and a driven half-coupling 34 and 35 with permanent magnets 36 and a sealed partition 37 between them having magnetically permeable parts 38. In this case, two versions of the magnetic coupling 33 are possible - an end coupling or a cylindrical coupling. The cavity 39 of the driving coupling half 34 is isolated from the cavity 19 of the machine generator 9 by a partition 40 in which the bearing 41 and the seal 42 are installed. In the protective housing 1, a drainage hole 43 is made in its upper part, closed by a threaded plug 44. The drainage hole 43 is designed to discharge air when filling cavity 39 with lubricating fluid.

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.During the operation of the generator (Fig. 1), the drilling fluid passes through a hydraulic turbine 5, which begins to rotate with the rotor 4. The rotor 4 drives the rotor of the generator 12 with permanent magnets 13. The magnetic flux crosses the field windings 14 and an electric current arises in them, which wires 11 enters the primary winding 31 of the Tesla transformer 10. The magnetic flux created in the primary winding 30 excites a high voltage in the secondary winding 32. High voltage through high-voltage wires 7 is transmitted to the electrical connector 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.When changing the volume of the lubricating fluid in the cavity 19 (Fig. 1) or 38 (Fig. 5) for any reason, the compensation piston 23 is moved accordingly. As a result, a pressure of 2 ... 4 atm is always maintained inside the cavity 19 (or 42) more than environmental pressure. This prevents the penetration of abrasive particles contained in the drilling fluid into the cavity 19. If several pressure compensators and thermal expansion 22 are used, then one of the holes 25 is clogged (or several holes 25, if 4 ... 8 pressure expansion and thermal expansion joints 23 are used) , the remaining pressure compensators and thermal expansion 23 will perform their function, even when one of them. This significantly increases the reliability of the generator and its resource.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора за счет применения трансформатора Тесла, способного создавать очень высокое напряжение.1. Increase the power and voltage at the electrical terminals of the generator through the use of a Tesla transformer capable of creating very high voltage.

2. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.2. Significantly increase the service life of the bearing by reducing the diameter of the rotor to the minimum possible.

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).3. To reduce the imbalance of the rotor of the generator by reducing its diameter and length. Only a hydraulic turbine and a driven coupling half (in the second embodiment of the generator) are fixed on the rotor.

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.4. To increase the reliability of the electric generator due to the complete sealing of its main cavities: cavities of the driven coupling half and the Tesla transformer due to the sealing of the cavity of the driving coupling half by the relatively small diameter of the rotor.

5. Улучшить ремонтопригодность генератора.5. Improve maintainability of the generator.

Claims

A high-voltage downhole generator containing a protective housing, an electrical connector, at least one attachment point, a rotor with a hydraulic turbine and a device for converting mechanical energy into electrical energy, characterized in that the device for converting mechanical energy into electrical energy is made in the form of a machine generator and a transformer connected by electric wires Tesla, while the Tesla transformer is made in the form of primary and secondary windings and is installed in a sealed cavity and is isolated from the protective core pus, and between the rotor and the device converting mechanical energy into electrical, a magnetic coupling is installed containing the driving and driven coupling halves, a sealed partition is made between the driven and driving coupling coupling, which contains parts of magnetically permeable material, while the driving coupling coupling is connected to the rotor, and the driven coupling to the shaft , the inner cavity of the leading coupling half is filled with lubricating fluid, an opening is made at the upper end of the rotor for filling the lubricating fluid into the cavity of the driving coupling half, the generator Holds at least one compensator for pressure and thermal expansion in communication with the cavity of the driving coupling half.