RU2432461C1 - High-voltage borehole generator - Google Patents
High-voltage borehole generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2432461C1 RU2432461C1 RU2010105493/03A RU2010105493A RU2432461C1 RU 2432461 C1 RU2432461 C1 RU 2432461C1 RU 2010105493/03 A RU2010105493/03 A RU 2010105493/03A RU 2010105493 A RU2010105493 A RU 2010105493A RU 2432461 C1 RU2432461 C1 RU 2432461C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generator
- rotor
- coupling
- cavity
- electric
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
- Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
Abstract
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 проблематичноThe 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 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) is also intended for supplying electric energy to the telemetry system, containing a hydroturbine driven by a washing 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°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.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 compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid (oil) is 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 caused, first of all, by 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 надежность обмоток возбуждения, недостаточная мощность электрогенератора при его ограниченных диаметральных габаритах.The disadvantages of the generator unreliability and design complexity due to the low reliability of the field windings, the 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 указанных задач 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 пьезогенератора. Пьезогенератор выполнен в виде пакета пьезолектрически пластин и устройства создания вибраций, использующего магнитострикционный эффект и содержащего обмотку и магнитопровод, установленный внутри нее и упирающийся своим торцом в пакет пьезоэлектрических платин через гибкую менбрану. 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 может быть 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 может быть 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 of these problems was achieved in a high-voltage downhole generator containing a protective casing, 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 piezoelectric generator. The piezoelectric generator is made in the form of a package of piezoelectric plates and a device for creating vibrations using the magnetostrictive effect and containing a winding and a magnetic circuit installed inside it and abutting with its end face a package of piezoelectric platinum through a flexible menbrane. 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 coupling halves, a sealed partition may also be made containing 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 drive clutch is filled with lubricant. At the upper end of the rotor, an opening can be 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 чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, 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 представлено устройство компенсации давления и температурного расширения в рабочем положении,figure 3 presents a device for compensating pressure and thermal expansion in the working position,
на фиг.4 представлен второй вариант генератора.figure 4 presents the second variant of the generator.
Высоковольтный скважинный генератор (фиг.1…4) 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 (Figs. 1 ... 4) is installed in the drill string or in the casing (not shown) and contains a protective housing 1 and at least one
Устройство преобразования механической энергии в электрическую 8 содержит машинный генератор 9 и пьезогенератор 10, соединенные проводами 11.A device for converting mechanical energy into
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
Для заполнения смазывающей жидкостью полости 19 предусмотрено осевое отверстие 20, выполненное в роторе 4 и заглушенные винтом 21.To fill the
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 из 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 expedient to perform 2 ... 8 pressure compensators and
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 37 для создания избыточного давления в полости 19.Each compensator for pressure and
В защитном корпусе 1 в герметичной полости 29 установлен пьезогенератор 10, который содержит пакет пьезоэлектрических пластин 30, установленный между гибкой мембраной 31 и электроизоляционной прокладкой 32. а также устройство создания вибраций 33. Устройство создания вибраций 33 содержит обмотку 34 и магнитопровод 35, который контактирует с гибкой мембраной 31.In the protective housing 1 in the sealed
Возможен вариант исполнения высоковольтного скважинного генератора с магнитной муфтой 36 (фиг.4). Магнитная муфта 36 содержит ведущую и ведомую полумуфты 37 и 38 постоянными магнитами 39 герметичной перегородкой 40 между ними, имеющей магнитопроницаемые части 41. При этом возможны два варианта исполнения магнитной муфты 36 торцовая муфта или цилиндрическая муфта. Полость 42 ведущей полумуфты 37 изолирована от полости 19 машинного генератора 9 перегородкой 43, в которой установлены подшипник 44 и уплотнение 45. В защитном корпусе 1 в его верхней части выполнено дренажное отверстие 46, закрытое резьбовой пробкой 47. Дренажное отверстие 46 предназначено для вывода воздуха при заправке полости 42 смазывающей жидкостью.A possible embodiment of a high-voltage downhole generator with a magnetic coupling 36 (figure 4). The
При работе генератора (фиг.1) буровой раствор проходит через гидротурбину 5, которая начинают 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 в обмотку 33. Магнитный поток созданный в обмотке 33 воздействует на магнитопровод 35. На основании магнитострикционного эффекта длина магнитопровода 35 изменяется с частотой изменения тока в обмотке 33. Вибрация воздействует через гибкую мембрану 31 на пакет пьезоэлектрических пластин 30, в которых вырабатывается 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
При изменении объема смазывающей жидкости в полости 19 (фиг.1) или 42 (фиг.2) 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 22), остальные компенсаторы давления и температурного расширения 22 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 42 (Fig. 2) for any reason, the
Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:
1. Упростить конструкцию генератора за счет отказа от применения обмоток возбуждения и постоянных магнитов.1. To simplify the design of the generator due to the rejection of the use of field windings and permanent magnets.
2. Увеличить мощность и напряжение на электрических выводах генератора за счет применения электростатического генератора, способного создавать высокое напряжение.2. Increase the power and voltage at the electrical terminals of the generator through the use of an electrostatic generator capable of creating high voltage.
3. Значительно увеличить ресурс работы подшипника за счет уменьшения диаметра ротора до минимально возможного.3. Significantly increase the service life of the bearing by reducing the diameter of the rotor to the minimum possible.
4. Уменьшить дисбаланс ротора генератора за счет уменьшения его диаметра и длины. На роторе закреплены только гидротурбина и ведомая полумуфта (во втором варианте исполнения генератора).4. 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.
5. Повысить надежность электрогенератора за счет полной герметизации его основных полостей: полости ведомой полумуфты и электростатического генератора и за счет выполнения уплотнения полости ведущей полумуфты по относительно небольшому диаметру ротора.5. Improve the reliability of the generator by fully sealing its main cavities: the cavity of the driven coupling half and the electrostatic generator and by sealing the cavity of the driving coupling half with respect to the relatively small diameter of the rotor.
6. Улучшить ремонтопригодность генератора.6. Improve maintainability of the generator.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010105493/03A RU2432461C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | High-voltage borehole generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010105493/03A RU2432461C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | High-voltage borehole generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010105493A RU2010105493A (en) | 2011-08-20 |
RU2432461C1 true RU2432461C1 (en) | 2011-10-27 |
Family
ID=44755554
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010105493/03A RU2432461C1 (en) | 2010-02-15 | 2010-02-15 | High-voltage borehole generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2432461C1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112855081B (en) * | 2021-02-23 | 2022-09-23 | 驻马店职业技术学院 | Down-hole turbine piezoelectric hybrid power generation device |
-
2010
- 2010-02-15 RU RU2010105493/03A patent/RU2432461C1/en active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010105493A (en) | 2011-08-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2421612C1 (en) | Multi-phase power generator of downhole equipment | |
RU2432461C1 (en) | High-voltage borehole generator | |
RU2331149C1 (en) | Borehole electric generator | |
RU2418348C1 (en) | Electric power generator of downhole telemetric system | |
RU2334340C1 (en) | Drilling electric generator | |
RU2324815C1 (en) | Well electric generator | |
RU2321744C1 (en) | Birotatory generator | |
RU2417311C1 (en) | Electro-generator of power supply for borehole equipment | |
RU2426875C1 (en) | Borehole generator | |
RU2426873C1 (en) | High-voltage borehole generator | |
RU2426874C1 (en) | Borehole generator | |
RU2453698C2 (en) | Downhole generator | |
RU2442892C1 (en) | Well generator | |
RU2325519C1 (en) | Borehole birotatory electric generator | |
RU2419720C1 (en) | Borehole generator | |
RU2435027C1 (en) | Birotatory borehole generator | |
RU2425973C1 (en) | Bore-hole generator | |
RU2324808C1 (en) | Power generator of well logging equipment | |
RU2334099C1 (en) | Power generator for well equipment | |
RU2400906C1 (en) | Power supply generator of bottomhole telemetric system | |
RU2442890C2 (en) | Well generator | |
RU2422631C1 (en) | Generator of telemetric system supply | |
RU2401498C1 (en) | Electric generator for well logging instrument feed | |
RU2417313C1 (en) | Generator of power supply for borehole equipment | |
RU2329377C1 (en) | Birotating power generator |