RU2030537C1

RU2030537C1 - Electric drill

Info

Publication number: RU2030537C1
Authority: RU
Inventors: В.П. Белов; М.Л. Костырев
Original assignee: Самарский государственный технический университет
Priority date: 1990-05-21
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 1995-03-10

Abstract

FIELD: drilling. SUBSTANCE: electrical drill has body filled with oil. Accommodated in body are cable, hydraulic turbine, current generator, and protection and control block. Turbine, generator and protection block are rigidly connected to one another along axis. Protection and control block provides for electric connection between motor and generator within the preset number of revolutions of electric drill. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике и технологии строительства скважин с применением забойного двигателя, в частности электробура, и решает проблему повышения эффективности электробурения. The invention relates to techniques and technologies for well construction using a downhole motor, in particular an electric drill, and solves the problem of increasing the efficiency of electric drilling.

Известен забойный электрический двигатель - электробур, состоящий из маслонаполненного корпуса, электродвигателя с полым валом и разъемного электрокабеля, спускаемый в скважину на бурильных трубах [1]. Недостатками эффективного использования существующих конструкций электробуров являются: ненадежность высоковольтного токоподвода, представляющего собой многосекционный кабель, каждая секция которого жестко вмонтирована внутри бурильных труб; потребность в наземных источниках электроэнергии с высокими параметрами тока в пределах 600-1600 В и 100-160 А; высокое число оборотов электродвигателя в пределах 500-760 об/мин, при питании на частоте 50 Гц, не отвечающее эффективной работе долота на твердых породах; потеря напряжения в электрокабеле по мере увеличения глубины скважины (примерно 100 В на 1000 м длины кабеля). Known downhole electric motor - electric drill, consisting of an oil-filled body, an electric motor with a hollow shaft and a detachable electric cable, lowered into the well on drill pipes [1]. The disadvantages of the effective use of existing designs of electric drills are: the unreliability of the high-voltage current supply, which is a multi-section cable, each section of which is rigidly mounted inside the drill pipe; the need for ground-based sources of electricity with high current parameters in the range of 600-1600 V and 100-160 A; a high number of revolutions of the electric motor in the range of 500-760 rpm, when powered at a frequency of 50 Hz, not corresponding to the effective operation of the bit on solid rocks; voltage loss in the electric cable with increasing well depth (approximately 100 V per 1000 m of cable length).

Целью изобретения является повышение надежности токоподвода и эффективности электробурения за счет приближения источника тока непосредственно к электродвигателю путем упразднения системы наземного электропитания. The aim of the invention is to increase the reliability of the current supply and the efficiency of electric drilling by approaching the current source directly to the electric motor by eliminating the ground power system.

Достигается это тем, что электробур, состоящий из герметичного маслонаполненного корпуса, содержащего электродвигатель с полым валом, и токоподвода в виде разъемного электрокабеля, секции которого жестко закреплены в бурильных трубах, снабжен гидравлической турбиной, генератором тока, блоком защиты и управления, жестко связанных между собой по одной оси, причем вал-ротор генератора выполнен полым, а блок защиты и управления обеспечивает электрическую связь между электродвигателем и генератором в пределах заданного режима работы (числа оборотов и момента вращения) электробура. This is achieved by the fact that the electric drill, consisting of a sealed oil-filled casing containing an electric motor with a hollow shaft, and a current supply in the form of a detachable electric cable, sections of which are rigidly fixed in drill pipes, is equipped with a hydraulic turbine, a current generator, a protection and control unit, rigidly interconnected along one axis, moreover, the generator rotor shaft is hollow, and the protection and control unit provides electrical communication between the electric motor and the generator within the specified operating mode (number rotations and torque) of the electric drill.

На фиг. 1 изображена схема расположения агрегатов электробура; на фиг. 2 - электрическая схема блока защиты и управления. In FIG. 1 shows a layout of electrical drill aggregates; in FIG. 2 - electrical diagram of the protection and control unit.

Электробур состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, верхний конец которого имеет резьбу для соединения с буpильной колонной; гидравлической турбины 2; электрогенератора 3 с полым валом, бесконтактного, синхронного с электромагнитным возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов; блока защиты и управления 4, обеспечивающего электрическую связь генератора с двигателем и выполняющего функцию регулятора напряжения и скорости вращения вала электродвигателя; электродвигателя с полым валом 5, асинхронного, короткозамкнутого; перепускного патрубка 6 для прохождения промывочной жидкости к забою скважины; электрокабеля 7 для передачи тока от генератора электродвигателю; соединительной муфты 8 для передачи крутящего момента с вала гидротурбины на ротор генератора; на фиг. 2 показаны элементы электрической связи электрогенератора с электродвигателем, а именно: трехфазная статорная обмотка 9 генератора 3; быстродействующий плавкий предохранитель 10; ключ 11, выполненный, например, на двух тиристорах, включенных параллельно-встречно или на симисторе; статорная обмотка 12 электродвигателя 5; электронный блок управления 13. An electric drill consists of a cylindrical body 1, the upper end of which has a thread for connection with a drill string; hydraulic turbine 2; an electric generator 3 with a hollow shaft, non-contact, synchronous with electromagnetic excitation or with excitation from permanent magnets; protection and control unit 4, providing electrical connection between the generator and the engine and performing the function of a voltage regulator and rotational speed of the motor shaft; an electric motor with a hollow shaft 5, asynchronous, squirrel-cage; the bypass pipe 6 for the passage of flushing fluid to the bottom of the well; an electric cable 7 for transmitting current from a generator to an electric motor; a coupling 8 for transmitting torque from the turbine shaft to the generator rotor; in FIG. 2 shows the elements of electrical connection of the generator with the electric motor, namely: three-phase stator winding 9 of the generator 3; high-speed fuse 10; a key 11, made, for example, on two thyristors connected in parallel-on-the-fly or on a triac; stator winding 12 of the electric motor 5; electronic control unit 13.

Блок защиты и управления снабжен электрическими разъемами для подключения кабелей к генератору 3 и двигателю 5, а также к датчикам контроля параметров режима бурения и окружающей среды (температура, давление и др.). Применение ротора с постоянными магнитами в генераторе позволяет упростить его конструкцию и улучшить массогабаритные показатели. The protection and control unit is equipped with electrical connectors for connecting cables to the generator 3 and engine 5, as well as to sensors for monitoring the parameters of the drilling mode and the environment (temperature, pressure, etc.). The use of a rotor with permanent magnets in the generator allows us to simplify its design and improve overall dimensions.

Переключение электродвигателя 5 на заданную частоту вращения выполняется на поверхности перед его спуском в скважину путем присоединения концов полюсопереключаемой статорной обмотки 12 двигателя 5 известным способом, например по схеме треугольник - двойная звезда. Switching the electric motor 5 to a predetermined speed is performed on the surface before it is lowered into the well by attaching the ends of the pole-switched stator winding 12 of the motor 5 in a known manner, for example, according to the triangle-double star scheme.

Электрическая схема блока защиты и управления позволяет также автоматически, непосредственно в процессе бурения, в зависимости от величины крутящего момента на долоте, а следовательно, и на валу электродвигателя изменять его скорость вращения, а в случае резкой перегрузки (износ, поломка и заклинивание долота на забое скважины) полностью отключать двигатель от генератора. При перегрузке двигателя 5 по току блок управления 13 сдвигает относительно фазного напряжения генератора 3 импульсы, подаваемые на управляющие электроды тиристорных ключей 11, что приводит к снижению фазного напряжения двигателя 5 и ограничению тока на заданном уровне. В аварийной ситуации (заклинивание ротора двигателя, короткое замыкание, отказ тиристора и др.) срабатывают предохранители 10, двигатель 5 отключается от генератора 3 и останавливается. The electrical circuit of the protection and control unit also allows automatically, directly during drilling, depending on the magnitude of the torque on the bit, and therefore on the motor shaft, to change its rotation speed, and in case of sudden overload (wear, breakage and jamming of the bit at the bottom wells) completely disconnect the engine from the generator. When the motor 5 is overloaded with current, the control unit 13 shifts the pulses relative to the phase voltage of the generator 3, which are supplied to the control electrodes of the thyristor switches 11, which reduces the phase voltage of the motor 5 and limits the current at a given level. In an emergency situation (jamming of the motor rotor, short circuit, thyristor failure, etc.), fuses 10 are activated, engine 5 is disconnected from generator 3 and stopped.

Предлагаемая конструкция электробура позволяет вести бурение на низких, в пределах 200-300 оборотах долота. Необходимая частота вращения электродвигателя первоначальной устанавливается, путем переключения полюсов электродвигателя. Например, при вращении синхронного четырехполюсного генератора с частотой 600 об/мин с помощью гидротурбины Т12-310 и использовании электродвигателя-электробура с полюсопереключаемой обмоткой на 6 и 12 полюсов получаем скорости вращения вала электродвигателя и долота 380 и 190 об/мин, а для электродвигателя-электробура с двумя полюсопереключаемыми обмотками на 4,8, 6 и 12 полюсов - скорости вращения соответственно 570, 285, 380 и 190 об/мин. Выходная мощность генератора при частоте вращения 600 об/мин и использовании современных постоянных магнитов с высокой удельной энергией может составить 150-300 кВт, что достаточно для питания электробура. The proposed design of the electric drill allows drilling at low, within 200-300 revolutions of the bit. The required speed of the electric motor is initially set by switching the poles of the motor. For example, when rotating a synchronous four-pole generator with a frequency of 600 rpm using a T12-310 hydraulic turbine and using an electric motor-electric drill with a pole switchable winding of 6 and 12 poles, we obtain the rotational speeds of the motor shaft and bits of 380 and 190 rpm, and for the electric motor, an electric drill with two pole-switching windings at 4.8, 6 and 12 poles - rotation speeds of 570, 285, 380 and 190 rpm, respectively. The output power of the generator at a speed of 600 rpm and the use of modern permanent magnets with a high specific energy can be 150-300 kW, which is enough to power the electric drill.

Электробур работает следующим образом. В соответствии с твердостью проходимых пород на поверхности производят включение электродвигателя на заданное число оборотов. Затем агрегат соединяют с бурильными трубами и спускают в скважину, включают буровой насос и восстанавливают циркуляцию промывочной жидкости в скважине. При этом гидравлическая энергия потока жидкости, проходящая через гидротурбину, преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, крутящий момент от которого, посредством муфты 8, передается на вал-ротор электрогенератора, в котором механическая энергия через систему возбуждения преобразуется в электрическую. Далее через кабель 7 электрический ток поступает от генератора к электродвигателю, вращение вала которого с фиксированным числом оборотов передается буровому долоту. Буровой раствор, пройдя гидротурбину, поступает в полый вал-ротор генератора и далее через перепускной патрубок 6 - в полый вал электродвигателя, а оттуда через насадки долота выходит на забой скважины. Нагрузка на долото, количество и качество подаваемой в бурильную колонну промывочной жидкости как и обычно регулируется с поверхности. Блок защиты в случае неисправностей или замыканий отключает работу электробура, сохраняя при этом возможность циркуляции через него жидкости насосом. После подъема электробура на поверхность вскрываем блок защиты и управления и получаем необходимую информацию о работе долота на забое, записанную с помощью датчиков. Данная конструкция электробура может быть успешно использована в качестве миниэлектростанции с целью получения энергии для производственных и бытовых нужд. В этом случае применяют только две секции электробура - турбину и генератор, которые подключают к буровому насосу параллельно его нагнетательной линии или к высокодебитным фонтанирующим нефтяным или водонапорным скважинам. Electric drill works as follows. In accordance with the hardness of passable rocks on the surface, the electric motor is turned on for a given number of revolutions. Then the unit is connected to the drill pipes and lowered into the well, turn on the mud pump and restore the circulation of flushing fluid in the well. In this case, the hydraulic energy of the fluid flow passing through the hydraulic turbine is converted into mechanical energy of rotation of the turbine shaft, the torque from which, through the coupling 8, is transmitted to the rotor shaft of the electric generator, in which mechanical energy is converted into electrical energy through the excitation system. Then, through the cable 7, electric current flows from the generator to the electric motor, the rotation of the shaft of which is transmitted with a fixed speed to the drill bit. The drilling fluid, having passed the hydraulic turbine, enters the hollow shaft-rotor of the generator and then through the bypass pipe 6 into the hollow shaft of the electric motor, and from there through the nozzles of the bit goes to the bottom of the well. The load on the bit, the quantity and quality of the flushing fluid supplied to the drill string is, as usual, regulated from the surface. In the event of malfunctions or short circuits, the protection unit disables the operation of the electric drill, while maintaining the possibility of pump circulation through it. After raising the electric drill to the surface, open the protection and control unit and obtain the necessary information about the work of the bit on the face, recorded using sensors. This design of the electric drill can be successfully used as a mini-power plant in order to obtain energy for industrial and domestic needs. In this case, only two sections of the electric drill are used - a turbine and a generator, which are connected to the mud pump parallel to its discharge line or to high-flowing flowing oil or water wells.

Изолированный в скважине источник получения электроэнергии для привода электробура создает более безопасные условия на буртовой, а отсутствие на поверхности ЛЭП и громоздкого наземного электрооборудования делает использование электробура новой конструкции в бурении экономически весьма эффективным. An isolated source of energy generation in a well for driving an electric drill creates safer conditions on the rig, and the absence of power lines and bulky ground-based electrical equipment on the surface makes the use of a new electric drill in drilling cost-effective.

Claims

ELECTRIC DRILL, consisting of a sealed oil-filled casing containing an electric motor with a hollow shaft, and a current lead in the form of a detachable electric cable, sections of which are rigidly fixed in drill pipes, characterized in that, in order to increase the reliability of the current lead and the efficiency of electric drilling by approximating the current source directly to the electric motor by abolishing the surface power supply system of the electric drill, it is equipped with a hydraulic turbine, a current generator, a protection and control unit, rigidly connected x interconnected along one axis, the generator rotor shaft is hollow, and protection and control unit provides electrical communication between the motor and the generator within a predetermined operating mode (speed) of the electric drill.