FR3096193A1

FR3096193A1 - Conception de générateur avec entrefer variable

Info

Publication number: FR3096193A1
Application number: FR2003519A
Authority: FR
Inventors: James Dan Vick, Jr.; Richard Decena ORNELAZ
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-04-08
Also published as: FR3096193B1; GB2597853A; CA3134260A1; CA3134260C; US12018549B2; WO2020231412A1; MX2021012252A; SG11202110057WA; BR112021019358A2; GB202114103D0; GB2597853B; AU2019445552B2; US20200362671A1; NO20211184A1; NO347803B1; AU2019445552A1

Abstract

Un générateur électrique à aimant permanent, destiné à être utilisé dans des applications de fond de puits a un élément de rotor pouvant tourner autour d’un axe, s’étendant dans une direction radiale généralement perpendiculaire à l’axe et un ou plusieurs aimants permanents fixés au rotor pour générer des champs magnétiques. Un élément de stator s’étend également dans une direction radiale généralement perpendiculaire à l’axe. Un arbre est relié au rotor et peut tourner autour de l’axe, l’arbre s’étend à travers le stator. La distance linéaire le long de l’arbre entre le rotor et le stator définit un entrefer variable et résistant à l’accumulation de débris.

Description

CONCEPTION DE GÉNÉRATEUR AVEC ENTREFER VARIABLE

Contexte général

La présente invention concerne généralement des systèmes et des procédés de génération d’énergie de fond de puits et, plus particulièrement, des systèmes et des procédés de génération d’énergie de fond de puits qui utilisent un écoulement de fluide pour générer de l’énergie électrique.

Les opérations modernes de forage et de production d’hydrocarbures peuvent souvent nécessiter la fourniture d’énergie électrique à l’équipement dans l’environnement de fond de puits. Par exemple, une alimentation électrique est requise en fond de puits pour un certain nombre d’applications, notamment la diagraphie de puits et la télémétrie. La diagraphie de puits du trou de forage comprend souvent l’utilisation de capteurs qui nécessitent de l’énergie pour obtenir des informations sur l’environnement de fond de puits. Ces informations comprendront généralement les diverses caractéristiques et divers paramètres des formations terrestres traversées par le trou de forage, les données relatives à la taille et à la configuration du trou de forage lui-même, les pressions et les températures des fluides de fond de puits ambiants et d’autres paramètres de fond de puits pertinents. La télémétrie utilise couramment l’énergie électrique pour relayer à la surface les données acquises à partir de divers capteurs de diagraphie dans l’environnement de fond de puits.

Une fois le trou de forage terminé dans un puits de production d’hydrocarbures, des dispositifs de contrôle d’entrée peuvent être utilisés pour analyser les fluides produits et les conditions de formation. Sur la base des résultats, un contrôle de la vitesse de production de fluide peut être souhaité. Par exemple, un dispositif de contrôle d’entrée peut analyser la quantité de production d’eau par rapport à la production d’hydrocarbures et restreindre la vitesse de production totale de fluide afin de limiter le rapport eau/hydrocarbures. Les dispositifs d’analyse et de contrôle peuvent utiliser l’énergie électrique dans leur fonctionnement et également pour transmettre des données à la surface.

Une façon d’aborder la génération de l’énergie en fond de puits utilise des fluides en circulation pour faire fonctionner un générateur électrique de fond de puits. Cependant, la production d’énergie électrique en fond de puits peut être problématique. Par exemple, l’écoulement de fluide peut être la force motrice dans la génération électrique de fond de puits, qu’il s’agisse de fluides de forage, de fluides de complétion, de fluides produits ou similaires. Ces fluides ne sont souvent pas aussi propres qu’on le souhaiterait et peuvent contenir des particules qui peuvent agir comme des débris et entraîner des problèmes dans les dégagements relativement faibles que les générateurs électriques de fond de puits peuvent avoir. Au moins un problème lié à cette approche tient au fait que les particules dans la boue, les fluides produits ou dans un fluide hydraulique utilisés pour faire tourner un rotor peuvent s’accumuler sous forme de débris dans l’entrefer entre un stator et un rotor.

Les figures suivantes sont incluses pour illustrer certains aspects de la présente invention et ne doivent pas être considérées comme des modes de réalisation exclusifs. L’objet décrit est susceptible de connaître des modifications, des altérations, des combinaisons et des opérations équivalentes importantes dans sa forme et sa fonction, comme il apparaîtra à l’homme du métier et bénéficiant de cette description.

La figure 1 illustre une plate-forme pétrolière et gazière terrestre comprenant un système de génération d’énergie de fond de puits dans un environnement de diagraphie illustratif selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 2 illustre un puits achevé qui comprend un système de génération d’énergie de fond de puits et un dispositif de contrôle d’entrée selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 3 illustre un schéma de principe d’un système de génération d’énergie de fond de puits selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 4 est une vue latérale en coupe transversale d’un mode de réalisation d’un système de génération électrique dans lequel une source d’énergie est couplée au moyen d’un couplage magnétique indirect à une pompe hydraulique à l’intérieur d’un boîtier, conformément à un mode de réalisation de la présente description.

La figure 5 est une vue latérale en coupe transversale d’un mode de réalisation d’un système de génération électrique dans lequel un écoulement de fluide est le mécanisme d’entraînement pour la génération électrique dans un boîtier, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 6 est une vue latérale en perspective, montrant les composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 7 est une illustration en coupe transversale simplifiée de composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 8 est une illustration en coupe transversale simplifiée de composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 9 est une illustration en coupe transversale simplifiée de composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 10 est une illustration en coupe transversale simplifiée de composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 11 est une vue latérale en perspective, montrant des composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 12 est une vue latérale en perspective, montrant des composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

La figure 13 est une vue latérale en perspective, montrant des composants d’un système de génération électrique, selon un mode de réalisation de la présente description.

Bien que certains modes de réalisation et aspects de la technologie en question soient illustrés sur les dessins, l’homme du métier se rendra compte que les modes de réalisation et aspects représentés sont fournis à titre d’illustration et que des variantes par rapport à ceux figurant dans la description, ainsi que d’autres modes de réalisation et aspects décrits ici, peuvent être envisagés et mis en pratique dans le cadre de la présente invention.

Description détaillée

La description détaillée qui suit illustre des modes de réalisation de la présente invention. Ces modes de réalisation sont décrits de façon suffisamment détaillée pour permettre à l’homme du métier de mettre en pratique ces modes de réalisation sans expérimentation excessive. Il faut toutefois comprendre que les modes de réalisation et les exemples décrits ici ne sont donnés qu’à titre d’illustration et n’ont pas vocation à fixer des limites. Diverses substitutions, modifications, divers ajouts et réagencements qui peuvent être apportés restent des applications potentielles des techniques décrites. Par conséquent, la description qui suit ne doit pas être considérée comme limitant la portée ou les applications des revendications annexées. En particulier, un élément associé à un mode de réalisation particulier ne doit pas être limité à une association avec ce mode de réalisation particulier, mais doit être censé pouvoir être associé à n’importe quel mode de réalisation décrit ici.

Divers éléments des modes de réalisation sont décrits en référence à leurs positions normales lorsqu’ils sont utilisés dans un trou de forage. Par exemple, un tamis peut être décrit comme étant en dessous ou en fond de puits d’un croisement. Pour les puits verticaux, le tamis sera en fait situé sous le croisement. Pour les puits horizontaux, le tamis sera déplacé horizontalement par rapport au croisement, mais sera plus éloigné de l’emplacement de surface du puits mesuré à travers le puits. « Fond de puits » ou « en dessous » tel qu’utilisé ici se réfère à une position dans un puits plus éloignée de l’emplacement de surface dans le puits.

La description fournit des moyens ou procédés alternatifs pour générer de l’énergie électrique en fond de puits. Par exemple, la technologie en question, telle que décrite ici, peut permettre la génération d’énergie électrique dans un environnement de fond de puits à l’aide d’un générateur électrique couplé à un circuit hydraulique qui reçoit de l’énergie d’une source d’énergie déjà présente dans l’environnement de fond de puits. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le circuit hydraulique peut être configuré pour recevoir un apport d’énergie provenant d’un fluide de forage en écoulement et/ou de l’énergie cinétique angulaire dérivée d’une ou de plusieurs parties d’un train de forage rotatif. Un couplage direct ou indirect peut être utilisé pour transférer l’apport d’énergie à une pompe hydraulique disposée dans le circuit hydraulique. La pompe hydraulique peut agir comme une source d’écoulement hydraulique configurée pour fournir un écoulement de fluide à un générateur électrique couplé en communication avec celui-ci pour la génération d’électricité. Comme autre exemple, l’écoulement de fluide provenant d’une formation en production peut fournir l’énergie d’entrée en étant la force d’entraînement qui fait tourner un rotor dans un agencement rotor/stator d’un système de génération d’énergie de fond de puits. Dans ces divers modes de réalisation de génération d’énergie de fond de puits, la possibilité de faire varier l’entrefer entre un élément de rotor et un élément de stator peut fournir un moyen de réduire l’accumulation de débris et de permettre à tous les débris présents d’être éliminés au lavage par les fluides en circulation.

En se référant aux dessins de manière détaillée, dans lesquels des numéros identiques désignent des éléments identiques sur toutes les vues, la figure 1 présente une plate-forme de forage terrestre 100 comprenant un système de génération d’énergie de fond de puits 150 qui peut être utilisé dans une application illustrative de puits de forage, selon le ou les modes de réalisation. Il convient de noter que bien que la figure 1 représente une plate-forme terrestre 100, l’exemple de système 150 de génération d’énergie de fond de puits et ses divers modes de réalisation décrits ici, sont également bien adaptés pour une utilisation dans ou sur d’autres types de plates-formes, telles que des plates-formes offshore ou des plates-formes disposées dans tout autre emplacement géographique.

Comme illustré à la figure 1, une plate-forme de forage 102 soutient un derrick 104 ayant un moufle mobile 106 pour élever et abaisser un train de forage108. Une tige d’entraînement 110 soutient le train de forage 108 lorsqu’elle est abaissée par l’intermédiaire d’une table de rotation 112. La tige d’entraînement 110 est configurée pour transférer un mouvement rotatif à un plateau tournant 130 et au train de forage 108. Un trépan de forage 114 est entraîné soit par un moteur de fond de puits et/ou par rotation du train de forage 108 à partir de la surface du puits et peut comprendre un ou plusieurs colliers de forage 126 disposés au niveau ou à proximité du trépan de forage 114. Lorsque le trépan 114 tourne, il crée un trou de forage 116 qui passe à travers diverses formations souterraines 118. Une pompe 120 fait circuler le fluide de forage à travers un tuyau 122 vers la tige d’entraînement 110, qui transporte le fluide de forage en fond de puits à travers un conduit d’écoulement intérieur dans le train de forage 108 et à travers un ou plusieurs orifices dans le trépan de forage 114. Le fluide de forage est ensuite renvoyé à la surface via un espace annulaire 128 entourant le train de forage 108 où il est finalement renvoyé à la surface et déposé dans une fosse 124. Le fluide de forage transporte les déblais et les débris provenant du trou de forage 116 dans la fosse 124 et contribue à maintenir l’intégrité du trou de forage 116.

La figure 1 montre également un outil 132 tel qu’un outil de diagraphie pendant le forage à l’intérieur du train de forage 108. Dans une vue simplifiée, avec le train de forage 108 soulevé du fond du trou de forage 116, l’outil de diagraphie 132 peut être configuré pour collecter des données de formation telles que la résistivité, la porosité, la densité ou effectuer une analyse d’échantillons de fluide de formation. En variante, la diagraphie peut être effectuée lorsque le train de forage 108 est extrait du trou de forage 116, économisant ainsi le temps associé à l’exécution d’une opération de diagraphie par câble après avoir complètement retiré le train de forage 108 du trou de forage 116. L’homme du métier reconnaîtra facilement que d’autres configurations d’appareils de forage peuvent être utilisées avec les systèmes et procédés de génération d’énergie de fond de puits tels que décrits ici.

Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’outil de diagraphie 132 et/ou un autre équipement de fond de puits peuvent être alimentés en électricité à l’aide du système de génération d’énergie de fond de puits 150.

En se référant à la figure 2, elle illustre un puits 200, comprenant un système de génération d’énergie de fond de puits 150 qui peut être utilisé avec un dispositif illustratif de contrôle d’entrée 152, selon les un ou plusieurs modes de réalisation. Le puits 200 est le puits représenté sur la figure 1, après achèvement de la production d’hydrocarbures à partir des formations souterraines 118. Le puits est produit à travers un conduit 140, tel qu’une tubulure de production ou une tubulure enroulée, à laquelle à l’extrémité distale sont reliés une garniture étanche 142, un système de génération d’énergie de fond de puits 150 et un dispositif de contrôle d’entrée 152. La production de fluides de formation se poursuit à travers la tubulure 140 jusqu’à la surface où elle passe à travers une tête de puits 144 et sort par une conduite de production 146. Le dispositif de contrôle d’entrée 152 peut être utilisé pour analyser les fluides produits et les conditions de formation, tels que le débit, la température et la pression. Sur la base des résultats, un contrôle de la vitesse de production de fluide peut être souhaité. Par exemple, le dispositif de contrôle d’entrée peut restreindre la vitesse de production totale de fluide afin de limiter le rapport eau/hydrocarbures des formations. Les dispositifs d’analyse et de contrôle peuvent utiliser l’énergie électrique dans leur fonctionnement et également pour transmettre des données à la surface.

En se référant maintenant à la figure 3, elle illustre un schéma de principe du système de génération d’énergie de fond de puits 150, selon un ou plusieurs modes de réalisation de l’invention. Dans certains modes de réalisation, le système 150 peut comprendre une source d’énergie 202 couplée et configurée en communication pour fournir de l’énergie d’entrée à une unité de génération d’énergie 207. La source d’énergie 202, dans au moins un mode de réalisation, peut dériver son énergie d’entrée en fonction de l’énergie cinétique angulaire dérivée d’un arbre d’entraînement 204, tel que le train de forage 108 de la figure 1. Dans d’autres modes de réalisation, la source d’énergie 202 peut dériver son énergie d’entrée d’une turbine entraînée par fluide 206 entraînée, par exemple, par le fluide de forage (c’est-à-dire la boue) circulant dans et hors du train de forage 108. Dans d’autres modes de réalisation, la source d’énergie 202 est un fluide en circulation 208 (c’est-à-dire de la boue, des fluides de complétion ou des fluides produits) qui peut alimenter directement un générateur électrique 218.

Comme représenté sur la figure 3, dans un mode de réalisation, l’unité de génération d’énergie 207 peut comprendre un couplage 210 qui couple en communication la source d’énergie 202 à une pompe hydraulique 212 agencée à l’intérieur d’un circuit hydraulique 209. Le couplage 210 permet de transférer l’énergie ou la puissance utile de la source d’énergie 202 au circuit hydraulique 209. Dans certains modes de réalisation, le circuit hydraulique 209 peut comprendre un ou plusieurs dispositifs accessoires 214, couplés à la pompe hydraulique 212, et configurés pour recevoir la pression hydraulique de la pompe hydraulique 212 afin de faire fonctionner un ou plusieurs des dispositifs accessoires hydrauliques 214. Le circuit hydraulique 209 peut fournir un écoulement de fluide hydraulique au générateur électrique 218, de manière à fournir un écoulement de fluide pour faire tourner un rotor dans un générateur électrique de type rotor/stator. Dans un autre mode de réalisation, le fluide en circulation 208, tel que les fluides produits comme illustré sur la figure 2, peut fournir l’énergie d’entrée au générateur électrique 218, pour faire tourner un rotor dans un générateur électrique de type rotor/stator.

En se référant maintenant à la figure 4, elle illustre un exemple de système de génération d’énergie 300, selon un ou plusieurs modes de réalisation. Le système de génération d’énergie 300 peut être semblable à certains égards au système de génération d’énergie 150 des figures 1 et 2. Le système de génération d’énergie 300 peut recevoir de l’énergie d’entrée de la source d’énergie 202 (non détaillée) qui, comme discuté ci-dessus, peut comprendre une turbine entraînée par fluide, un arbre d’entraînement rotatif ou des fluides en circulation. La source d’énergie 202 peut être couplée en communication au système de génération d’énergie 300 à l’aide du couplage 210. Dans le mode de réalisation illustré, le couplage 210 peut être un couplage magnétique indirect, mais dans d’autres modes de réalisation, le couplage 210 peut être tout autre couplage approprié connu de l’homme du métier, tel que, mais sans s’y limiter, des accouplements étanches directs.

La source d’énergie 202 peut être couplée en communication au générateur électrique 218, qui peut également être agencé de manière appropriée à l’intérieur du boîtier 302. En fonctionnement, le générateur électrique 218 peut être configuré pour être mis en rotation par les fluides en circulation et ainsi générer de l’énergie électrique.

Le système de génération d’énergie 300 peut comprendre une pompe hydraulique 212 et un collecteur hydraulique 304 pour faire circuler du fluide hydraulique pour alimenter le générateur électrique 218. Il peut également comprendre une électronique de commande 306 qui peut être disposée à l’intérieur d’une cavité définie dans le boîtier 302. En fonctionnement, l’électronique de commande 306 peut être configurée pour commander et/ou autrement conditionner la puissance générée par le générateur électrique 218. Dans certains modes de réalisation, par exemple, l’électronique de commande 306 peut être configurée pour conditionner la fourniture d’énergie électrique générée à divers outils de fond de puits, tels que des enregistreurs de données, des dispositifs/systèmes de télémétrie ou des dispositifs de contrôle d’entrée. L’électronique de commande 306 peut être située physiquement au-dessus ou au-dessous du générateur électrique 218, en fonction de la conception globale du système de génération d’énergie 300.

En se référant maintenant à la figure 5, elle illustre un autre exemple de système de génération d’énergie 300, selon un ou plusieurs modes de réalisation. Le système de génération d’énergie 300 peut recevoir de l’énergie d’entrée provenant de la source d’énergie 202 étant des fluides en circulation 208, comme indiqué par les flèches. Les fluides en circulation 208, tels que les fluides produits s’écoulant d’une formation, peuvent s’écouler à travers une cavité définie dans le boîtier 302 vers le générateur électrique 218, qui peut également être agencé de manière appropriée à l’intérieur du boîtier 302. En fonctionnement, le générateur électrique 218 peut être configuré pour avoir des pièces mobiles mises en rotation par les fluides d’écoulement et ainsi générer de l’énergie électrique. Il peut également comprendre une électronique de commande 306 qui peut être disposée à l’intérieur d’une cavité définie dans le boîtier 302. En fonctionnement, l’électronique de commande 306 peut être configurée pour commander et/ou autrement conditionner la puissance générée par le générateur électrique 218. Les fluides en circulation 208 peuvent s’écouler à travers une cavité 308 définie à l’intérieur du boîtier 302 pour circuler autour de l’électronique de commande 306. L’électronique de commande 306 peut être située physiquement au-dessus ou au-dessous du générateur électrique 218, en fonction de la conception globale du système de génération d’énergie 300.

La figure 6 est une vue en perspective d’un ensemble rotor/stator 400 d’un générateur électrique à aimant permanent selon des modes de réalisation de la description. Un rotor 402 est représenté avec une pluralité d’aimants permanents 404 fixés à celui-ci. Il est à noter que le rotor 402 tel qu’illustré n’a pas de pales apparentes, mais les pales font saillie généralement radialement vers l’extérieur du rotor. Le rotor 402 est positionné radialement et peut tourner autour d’un arbre central (non représenté) qui est situé au centre de l’ensemble rotor/stator 400, comme indiqué par l’axe de rotation 406. Il est également représenté un stator 408 qui comprend des guides de flux 410. Le stator 408 est également positionné radialement autour de l’axe de rotation 406 mais est fixe par rapport au rotor mobile 402 de l’ensemble rotor/stator 400. Le rotor 402 et le stator 408 sont généralement parallèles l’un à l’autre dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation 406 et sont séparés l’un de l’autre par un entrefer 412.

À des fins d’illustration, l’ensemble rotor/stator 400 de la figure 6 sera présenté comme étant la représentation de la figure 7. Un rotor 402 est représenté avec une pluralité de pales 414 fixées à celui-ci faisant saillie radialement vers l’extérieur à partir du rotor. Il est à noter que le rotor 402 ne présente aucun aimant apparent, mais des aimants sont situés à l’intérieur ou sur le rotor 402. Le rotor 402 est positionné radialement et peut tourner autour d’un arbre central 416 qui est situé au centre de l’ensemble rotor/stator 400, comme indiqué par l’axe de rotation 406. Il est également représenté un stator 408 qui est également positionné radialement autour de l’axe de rotation 406 mais est fixe. Le rotor 402 et le stator 408 sont parallèles l’un à l’autre dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation 406 et leur position relative l’un par rapport à l’autre définit un entrefer 412.

Généralement, le stator 408 est fixé en place et le rotor 402 comprenant des aimants 404 et des pales 414 tourne, générant ainsi un champ magnétique dans une direction axiale généralement parallèle à l’axe de rotation. L’interaction entre le rotor tournant et le stator fixe génère un courant électrique.

Un aspect de la présente invention consiste à faire varier la taille de l’entrefer 412 entre le rotor 402 et le stator 408. Un entrefer plus petit peut générer plus d’électricité pour un régime donné, mais un entrefer plus petit est également plus facile à boucher avec des débris. En fonction de la possibilité de modifier l’entrefer, le générateur peut passer d’un état où il a tendance à se boucher avec des débris (avec un petit entrefer) à un état où il élimine les débris par lavage (avec un entrefer plus grand). Un moyen d’y parvenir est de faire flotter l’arbre 416 et de le confiner entre deux ressorts. Comme illustré dans l’exemple de la figure 9, l’arbre 416 est soutenu par deux ressorts 422 qui permettent au rotor 402 de se déplacer (désigné par 424) le long de l’axe de rotation 406 par rapport au stator 408. Ceci définit un entrefer 412 qui est variable. Le champ magnétique change lorsque le rotor tourne et l’attraction entre le rotor 402 et le stator 408 changera donc également. Le mouvement de va-et-vient du rotor 402 le long de l’axe de rotation 406 résistera ainsi à l’accumulation de débris dans l’entrefer 412.

Dans une variante de mode de réalisation, les pales 414 sur le rotor 402 peuvent être inclinées ou autrement formées ou positionnées de sorte que l’écoulement polariserait le rotor 402 vers l’intérieur vers le stator 408 le long de l’axe de rotation 406. Comme illustré à la figure 10, l’arbre 416 de l’ensemble rotor/stator 400 peut être soutenu par un ressort 422 qui permet à l’arbre 416 et au rotor 402 de se déplacer le long de l’axe de rotation 406 par rapport au stator 408. Ceci définit un entrefer 412 qui est variable. Les pales 414 sur le rotor 402 peuvent être inclinées de sorte que l’écoulement peut polariser le rotor 402 vers le stator 408 lors de l’écoulement de fluide. Au fur et à mesure que l’écoulement de fluide change, la force (représentée par la flèche 426) exercée par les pales inclinées 414 changera également, ce qui aboutit à un entrefer de taille variable 412 entre le rotor 402 et le stator 408. Le mouvement du rotor 402 par rapport à l’écoulement de fluide résistera ainsi à l’accumulation de débris à l’intérieur de l’entrefer 412.

Lorsqu’il n’y a pas d’écoulement, l’entrefer 412 doit être à son maximum, et avec une augmentation de l’écoulement, la force provenant des pales inclinées 414 fera diminuer l’entrefer 412. Cette variation peut conduire à l’endroit où l’entrefer 412 est petit tant qu’il y a un écoulement. Lorsque l’écoulement se réduit ou s’arrête, l’entrefer 412 augmente et permet ainsi à tous les débris d’être éliminés par lavage, par exemple lors des conditions de démarrage. Pendant les conditions de démarrage, il serait préférable que le rotor 402 soit à une distance maximale du stator 408, créant ainsi un grand entrefer 412. Cela peut contribuer à l’élimination par lavage de tous les débris qui peuvent être situés à l’intérieur de l’entrefer 412, et réduira également l’effet des forces d’attraction entre le rotor 402 et le stator 408. Le rotor 402 marcherait « en roue libre » en attendant qu’il prenne de la vitesse. Une fois en rotation, le rotor 402 déplacerait alors la fermeture vers le stator 408 et augmenterait les forces d’attraction entre le rotor 402 et le stator 408. Cela fonctionne comme un mécanisme d’embrayage. Bien qu’il soit possible de démarrer le rotor 402 en rotation avec un petit entrefer 412, il est plus facile de démarrer le rotor 402 en rotation tout en générant peu de puissance, lorsque l’entrefer 412 est plus grand.

Un inconvénient de la conception de l’ensemble rotor/stator 400, comme illustré sur la figure 6 est que le rotor peut être attiré vers les pièces non tournantes et que cette charge supplémentaire est alors reprise par le palier. Par exemple, il peut y avoir une attraction entre les aimants 404 sur le rotor 402 et les guides de flux 410 associés au stator 408. Cette attraction peut conduire à une force déséquilibrée sur le palier et peut entraîner une défaillance prématurée du palier. Dans un mode de réalisation, un agencement à double rotor tel qu’illustré sur la figure 11. L’attraction de l’élément de rotor 402, tel que les aimants 404, vers les parties non tournantes, telles que les guides de flux 410 associés au stator 408, est ainsi équilibrée. L’agencement de plusieurs rotors 402 comme représenté sur la figure 11 entraîne effectivement une augmentation de l’épaisseur de la combinaison rotor/stator. Dans un effort pour réduire l’épaisseur, les deux rotors 402 peuvent être rendus plus minces comme représenté sur la figure 12. Les deux rotors 402 peuvent être joints ensemble d’une manière appropriée, comme avec un arbre et dans un mode de réalisation, la paire de rotors joints peut être équipée d’un ensemble de pales commun. Dans un mode de réalisation, deux rotors ou plus peuvent être utilisés et assemblés. Dans un mode de réalisation, les rotors joints peuvent être équipés d’un seul ensemble de pales ou de plusieurs ensembles de pales.

Dans un autre mode de réalisation de l’ensemble rotor/stator 400, la position du rotor et du stator peut être inversée, les ensembles de rotor 402 étant situés entre deux ensembles de stator 408, comme représenté sur la figure 13. L’attraction du rotor 402 vers les parties non tournantes est ainsi équilibrée.

Des modes de réalisation de la présente description sont conçus pour être utilisés dans des applications de fond de puits. Ces applications de fond de puits sont généralement dans des puits de forage qui ont un diamètre restrictif, limitant ainsi la taille de l’ensemble rotor/stator. Dans un mode de réalisation, l’ensemble rotor/stator a un diamètre maximal de 10 pouces (254 mm), éventuellement de 9 pouces (229 mm), éventuellement de 8 pouces (203 mm), éventuellement de 7 pouces (178 mm), éventuellement de 6 pouces (153 mm ), éventuellement de 5 pouces (127 mm), éventuellement de 4 pouces (102 mm), éventuellement de 3 pouces (76 mm) ou éventuellement de 2 pouces (51 mm). Dans un mode de réalisation, l’ensemble rotor/stator a un diamètre maximal de 3,0 pouces (76,2 mm), éventuellement de 2,7 pouces (68,6 mm), 2,5 pouces (63,5 mm), éventuellement de 2,2 pouces (55,9 mm), éventuellement de 2,0 pouces (50,8 mm) , 1,9 pouce (48,3 mm), éventuellement de 1,8 pouce (45,7 mm), éventuellement de 1,7 pouce (43,2 mm), éventuellement de 1,6 pouce (40,6 mm), éventuellement de 1,5 pouce (38,1 mm), éventuellement de 1,4 pouce (35,6 mm), éventuellement de 1,3 pouce (33,0 mm), éventuellement de 1,2 pouce (30,5 mm), éventuellement de 1,1 pouce (27,9 mm) ou éventuellement de 1,0 pouce (25,4 mm).

Dans un mode de réalisation, l’entrefer rotor/stator peut aller de 0,001 pouce (0,025 mm) à 1,0 pouce (25,4 mm), éventuellement de 0,002 pouce (0,051 mm) à 0,5 pouce (12,7 mm), éventuellement de 0,003 pouce (0,076 mm) à 0,4 pouce (10,2 mm), éventuellement de 0,004 pouce (0,102 mm) à 0,3 pouce (7,62 mm), ou éventuellement de 0,005 pouce (0,127 mm) à 0,2 pouce (5,08 mm).

Dans un mode de réalisation, la puissance générée par le générateur peut aller de 10 milliwatts (mW) à 10 W, éventuellement de 20 mW à 7 W, éventuellement de 30 mW à 5 W, éventuellement de 40 mW à 3 W, ou éventuellement de 50 mW à 2 W.

Un mode de réalisation de la présente invention est un générateur électrique à aimant permanent de fond de puits qui comprend un rotor pouvant tourner autour d’un axe de rotation, le rotor ayant une forme généralement plane s’étendant dans une direction radiale généralement perpendiculaire à l’axe de rotation sur une distance définissant un rayon de rotor. Un ou plusieurs aimants permanents sont fixés au rotor pour générer un champ magnétique. Le champ magnétique est parallèle à l’axe de rotation d’un bout à l’autre de la surface radiale du rotor. Un stator ayant une forme généralement plane s’étend dans une direction radiale généralement perpendiculaire à l’axe de rotation sur une distance définissant un rayon de stator. Un arbre est relié au rotor et peut également tourner autour de l’axe de rotation, de sorte que le rotor et l’arbre peuvent tourner autour de l’axe de rotation. L’arbre rotatif s’étend à travers le stator mais n’est pas fixé à celui-ci. Une distance linéaire le long de l’arbre entre le rotor et le stator définit un entrefer variable et résistant à l’accumulation de débris.

Le générateur peut comprendre au moins un ressort soutenant l’arbre, l’arbre et le rotor étant mobiles par rapport au stator, créant ainsi un entrefer variable. Le champ magnétique peut changer lorsque le rotor tourne, l’attraction entre le rotor et le stator peut donc également changer, créant ainsi un entrefer variable.

Le générateur peut comprendre des pales faisant saillie radialement depuis le rotor, les pales étant positionnées de sorte que l’écoulement de fluide à travers les pales polarise le rotor vers le stator, créant ainsi un entrefer variable. L’entrefer augmente à mesure que l’écoulement de fluide diminue, permettant ainsi aux débris d’être éliminés de l’entrefer par lavage. Lors d’un démarrage, lorsque l’écoulement de fluide est faible, l’entrefer sera à son maximum et l’interaction entre le rotor et le stator sera au minimum, ce qui rend plus facile le démarrage de la rotation du rotor.

Le générateur peut comprendre un palier soutenant l’arbre et deux rotors positionnés sur les côtés opposés du stator, l’agencement à double rotor équilibrant les attractions des rotors au stator et réduisant les forces sur le palier. En variante, il peut y avoir un palier soutenant l’arbre et deux stators positionnés sur les côtés opposés du rotor, l’agencement à double stator équilibrant les attractions du rotor vers les stators et réduisant les forces sur le palier.

Dans un mode de réalisation, le générateur peut comprendre un agencement rotor/stator, y compris les pales, ayant un diamètre maximal de 5,0 pouces (127 mm), éventuellement de 4,5 pouces (114,3 mm), éventuellement de 4,0 pouces (101,6 mm), 3,5 pouces (88,9 mm), éventuellement de 3,0 pouces (76,2 mm), éventuellement de 2,7 pouces (68,6 mm), 2,5 pouces (63,5 mm), éventuellement de 2,2 pouces (55,9 mm), éventuellement de 2,0 pouces (50,8 mm), 1,9 pouce (48,3 mm), éventuellement de 1,8 pouce (45,7 mm), éventuellement de 1,7 pouce (43,2 mm), éventuellement de 1,6 pouce (40,6 mm), éventuellement de 1,5 pouce (38,1 mm), éventuellement de 1,4 pouce (35,6 mm), éventuellement de 1,3 pouce (33,0 mm), éventuellement de 1,2 pouce (30,5 mm), éventuellement de 1,1 pouce (27,9 mm) ou éventuellement de 1,0 pouce (25,4 mm).

Un système de génération d’énergie de fond de puits qui comprend un écoulement de fluide et un générateur électrique entraîné par l’écoulement de fluide constitue un autre mode de réalisation. Le générateur électrique a un rotor pouvant tourner autour d’un axe de rotation, un stator et un arbre relié au rotor et pouvant tourner autour de l’axe de rotation s’étendant à travers le stator. Une distance linéaire le long de l’arbre entre le rotor et le stator définit un entrefer variable. L’écoulement de fluide fait tourner le rotor dans le générateur électrique et génère de l’énergie électrique.

L’écoulement de fluide qui fait tourner le rotor à l’intérieur du générateur électrique peut être du fluide circulant à travers un train tubulaire disposé dans un puits de forage, ou peut être un fluide produit à partir d’une formation souterraine, ou en variante peut être un écoulement de fluide d’une pompe, la pompe étant entraînée par une tubulure en rotation dans un puits de forage.

Le texte ci-dessus décrit un ou plusieurs modes de réalisation spécifiques d’une invention plus large. L’invention est également mise en œuvre dans une diversité de modes de réalisation alternatifs et n’est donc pas limitée à ceux décrits ici. La description précédente d’un mode de réalisation de l’invention a été présentée à des fins d’illustration et de description. Elle ne vise pas à être exhaustive ou à limiter l’invention à la forme précise décrite. De nombreuses modifications et variations sont possibles à la lumière des enseignements ci-dessus. Il est prévu que la portée de l’invention soit limitée non par cette description détaillée, mais plutôt par les revendications annexées.

Les modes de réalisation particuliers décrits ci-dessus ne sont qu’illustratifs, car la présente invention peut être modifiée et mise en pratique de manières différentes mais équivalentes qui apparaîtront de manière évidente à l’homme du métier bénéficiant des enseignements contenus ici. En outre, aucune limite n’est prévue pour les détails de construction ou de conception présentés dans la présente invention, autre que celles décrites dans les revendications ci-dessous. Il est donc évident que les modes de réalisation illustratifs particuliers décrits ci-dessus peuvent être altérés, combinés ou modifiés et toutes ces variations sont prises en considération dans le cadre et l’esprit de la présente invention. L’invention décrite à titre illustratif ici peut être mise en pratique de manière appropriée en l’absence de tout élément qui n’est pas spécifiquement décrit ici et/ou de tout élément facultatif décrit ici.

Tous les nombres et toutes les plages décrites ci-dessus peuvent varier dans une certaine mesure. Chaque fois qu’une plage numérique comportant une limite inférieure et une limite supérieure est décrite, tout nombre et toute plage incluse compris dans la plage sont spécifiquement décrits. En particulier, chaque plage de valeurs (de la forme, « d’environ a à environ b » ou, de façon équivalente, « d’environ a à b », ou, de façon équivalente, « d’environ a-b ») décrite ici doit être comprise comme décrivant chaque nombre et chaque plage englobés à l’intérieur de la plage de valeurs la plus large. En outre, les termes dans les revendications ont leur sens ordinaire et habituel, sauf indication contraire explicitement et clairement définie par le titulaire du brevet.

Claims

Générateur électrique à aimant permanent de fond de puits comprenant :
un rotor pouvant tourner autour d’un axe de rotation, le rotor ayant une forme généralement plane s’étendant dans une direction radiale généralement perpendiculaire à l’axe de rotation sur une distance définissant un rayon de rotor ;
un ou plusieurs aimants permanents fixés au rotor pour générer un champ magnétique ;
un stator ayant une forme généralement plane s’étendant dans une direction radiale généralement perpendiculaire à l’axe de rotation sur une distance définissant un rayon de stator ;
un arbre relié au rotor et pouvant tourner autour de l’axe de rotation, l’arbre étant fixé au rotor dans lequel à la fois le rotor et l’arbre peuvent tourner autour de l’axe de rotation, l’arbre de rotation s’étendant à travers le stator sans y être fixé ; et
une distance linéaire le long de l’arbre entre le rotor et le stator qui définit un entrefer ;
dans lequel l’entrefer est variable et résistant à l’accumulation de débris.
Générateur selon la revendication 1, comprenant en outre au moins un ressort soutenant l’arbre, dans lequel l’arbre et le rotor sont mobiles par rapport au stator, créant ainsi l’entrefer variable.
Générateur selon une quelconque revendication précédente, dans lequel le champ magnétique changera à mesure que le rotor tourne, l’attraction entre le rotor et le stator changera donc également, créant ainsi l’entrefer variable.
Générateur selon une quelconque revendication précédente, comprenant en outre des pales faisant saillie radialement à partir du rotor, les pales étant positionnées de sorte qu’un écoulement de fluide à travers les pales polarisera le rotor vers le stator, créant ainsi l’entrefer variable.
Générateur selon une quelconque revendication précédente comprenant en outre un palier soutenant l’arbre et deux rotors positionnés sur les côtés opposés du stator, l’agencement à double rotor équilibrant les attractions des rotors vers le stator et réduisant les forces sur le palier.
Générateur selon une quelconque revendication précédente comprenant en outre un palier soutenant l’arbre et deux stators positionnés sur les côtés opposés du rotor, l’agencement à double stator équilibrant les attractions du rotor vers les stators et réduisant les forces sur le palier.
Système de génération d’énergie de fond de puits comprenant :
un écoulement de fluide ;
un générateur électrique entraîné par l’écoulement de fluide ;
le générateur électrique comprenant :
un rotor pouvant tourner autour d’un axe de rotation, un stator, un arbre relié au rotor et pouvant tourner autour de l’axe de rotation s’étendant à travers le stator, une distance linéaire le long de l’arbre entre le rotor et le stator qui définit un entrefer, dans lequel l’entrefer est variable ;
dans lequel l’écoulement de fluide fait tourner le rotor à l’intérieur du générateur électrique et génère de l’énergie électrique.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon la revendication 7 dans lequel l’écoulement de fluide qui fait tourner le rotor à l’intérieur du générateur électrique est l’un parmi : un fluide mis en circulation à travers un train tubulaire disposé à l’intérieur d’un puits de forage ; un fluide produit à partir d’une formation souterraine ; ou un écoulement de fluide d’une pompe entraînée par une tubulure rotative à l’intérieur d’un puits de forage.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, comprenant en outre au moins un ressort soutenant l’arbre, dans lequel l’arbre et le rotor sont mobiles par rapport au stator, créant ainsi un entrefer variable.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le champ magnétique changera à mesure que le rotor tourne, l’attraction entre le rotor et le stator changera donc également, créant ainsi l’entrefer variable.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, comprenant en outre des pales faisant saillie radialement depuis le rotor, les pales étant positionnées de sorte qu’un écoulement de fluide à travers les pales polarisera le rotor vers le stator, créant ainsi l’entrefer variable.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel l’entrefer augmente à mesure que l’écoulement de fluide diminue, permettant ainsi aux débris d’être éliminés de l’entrefer par lavage.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 à 12, dans lequel lors d’un démarrage, l’écoulement de fluide est faible, l’entrefer est à son maximum et l’interaction entre le rotor et le stator est au minimum, il est donc plus facile de démarrer le rotor en rotation.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 à 13, comprenant en outre un palier soutenant l’arbre et deux rotors positionnés sur les côtés opposés du stator, l’agencement à double rotor équilibrant les attractions des rotors vers le stator et réduisant les forces sur le palier.
Système de génération d’énergie de fond de puits selon l’une quelconque des revendications 7 à 4, comprenant en outre un palier soutenant l’arbre et deux stators positionnés sur les côtés opposés du rotor, l’agencement à double stator équilibrant les attractions du rotor vers les stators et réduisant les forces sur le palier.