RU2274745C1

RU2274745C1 - Power generator for telemetering system with hydraulic communication channel

Info

Publication number: RU2274745C1
Application number: RU2004130225/03A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Александрович Григашкин (RU); Геннадий Александрович Григашкин; Сергей Евгеньевич Варламов (RU); Сергей Евгеньевич Варламов
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-производственное предприятие "Самарские Горизонты"
Priority date: 2004-10-11
Filing date: 2004-10-11
Publication date: 2006-04-20

Abstract

FIELD: survey of boreholes or wells, particularly to supply electric power to downhole instruments during well drilling.

SUBSTANCE: generator comprises axle-like stator and outer rotor supported by two rubber bearings and provided with two turbines. Electrical connectors are created in inner stator cavities and at stator ends. Turbine ends are provided with hard-alloy rings. Spring-loaded hard-alloy rings of end seal rest upon hard-alloy rings of turbine ends and mate them. One or all electric connectors are spring-loaded. Annular gap adapted to equalize pressure difference between generator interior and ambient space is created between axis and end seal members. Spring-loaded electric connector is installed in movable bush inserted in fixed bush arranged in stator axis. Fixed bush is provided with longitudinal slots, which limit axial and radial displacement of pins installed in movable bush. Compression spring is installed between movable bush end and annular extension of fixed bush.

EFFECT: increased service life and reliability.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии обеспечения бурения под нефть или газ. Конкретно, изобретение предназначено для преобразования энергии промывочной жидкости в электрическую и питания электроэнергией автономных навигационных и геофизических приборов в процессе бурения.The invention relates to a technology for providing drilling for oil or gas. Specifically, the invention is intended to convert the energy of the flushing fluid into electrical energy and supplying electric power to autonomous navigation and geophysical instruments during drilling.

Известен генератор переменного тока для питания автономной скважинной аппаратуры в процессе бурения скважин малого диаметра, включающий неподвижный внутренний статор с коллектором и закрепленный на приводном валу внешний ротор, снабженный электромагнитами (патент РФ №2060383, МПК Е 21 В 47/022, 47/00, приоритет от 21.02.92 г.).A known alternator for powering an autonomous borehole equipment during the drilling of small diameter wells, including a stationary internal stator with a collector and an external rotor mounted on a drive shaft equipped with electromagnets (RF patent No. 2060383, IPC E 21 V 47/022, 47/00, priority from 02.21.92).

Известен автономный турбинный агрегат, содержащий гидротурбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости, маслозаполненный статор, залитый эпоксидным компаундом, и ротор генератора переменного тока на постоянных магнитах, расположенных на одном валу с гидротурбиной (Молчанов А.А., Сираев А.X., Скважинные автономные системы с магнитной регистрацией, М.: Недра, 1979, с. 102-103).A well-known autonomous turbine unit containing a hydraulic turbine driven by a flow of flushing fluid, 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 (A. Molchanov, A.X. Syraev, Downhole autonomous systems with magnetic registration, 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. Электрические разъемы находятся снизу генератора.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. Electrical connectors are located at the bottom of the generator.

Для предотвращения попадания промывочной жидкости в электрогенератор и подшипниковые узлы установлены уплотняющие устройства, внутренняя полость электрогенератора заполнена трансформаторным маслом.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 турбогенератор работает при различных температурах (от наружной температуры воздуха до +80...+130°С на глубинах бурения скважин до 1200... 3500 м и более), а масло имеет высокий коэффициент температурного расширения, 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.Due to the fact that the turbogenerator operates at various temperatures (from the outside air temperature to +80 ... + 130 ° С at well drilling depths up to 1200 ... 3500 m and more), and the oil has a high coefficient of thermal expansion, a pressure compensator is introduced and thermal expansion of the lubricating fluid (oil). 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.

Компенсатор давления и температурного расширения смазывающей жидкости предназначен для компенсации изменения объема масла и маслозаполненной полости генератора в рабочих условиях при повышении температуры, а также выравнивания давления внутри и снаружи генератора.The compensator for pressure and thermal expansion of the lubricating fluid is designed to compensate for changes in the volume of oil and 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: его небольшой ресурс, низкая надежность, недостаточная мощность, большие масса и габариты устройства. Кроме того, генератор очень сложен по конструкции и нетехнологичен. Эти недостатки обусловлены в первую очередь тем, что в качестве привода используется гидротурбина 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 генератора, что нежелательно при бурении скважин относительно малого диаметра.The disadvantages of this generator are: its small resource, low reliability, insufficient power, large mass and dimensions of the device. In addition, the generator is very complex in design and low-tech. These shortcomings are due primarily to the fact that a hydraulic 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 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.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 may cause flushing fluid to enter the lubrication system.

Следующий недостаток обусловлен расположением всех разъемов с одной стороны генератора, что обуславливает подключение электрооборудования только с нижней стороны и ограничивает использование данной конструкции для устройств, требующих подключение сверху, таких как, например, аппаратура, использующая для передачи телеметрической информации на поверхность гидравлический канал связи.The next drawback is due to the location of all the connectors on one side of the generator, which leads to the connection of electrical equipment only from the bottom side and limits the use of this design for devices requiring connection from above, such as, for example, equipment that uses a hydraulic communication channel to transmit telemetry information to the surface.

Известен генератор по пат. РФ №2184225 (прототип). Генератор содержит статор в виде неподвижной оси, установленный на резиновых подшипниках, наружный статор с двумя турбинами и магнитами. Ротор установлен на статоре на подшипниках. Внутренняя полость генератора герметизирована. Сверху и снизу выполнены кабельные наконечники.Known generator pat. RF №2184225 (prototype). The generator contains a stator in the form of a fixed axis mounted on rubber bearings, an external stator with two turbines and magnets. The rotor is mounted on a stator with bearings. The internal cavity of the generator is sealed. Cable lugs are made at the top and bottom.

Задачами создания изобретения являются: повышение ресурса и надежности генератора, увеличение мощности с одновременным уменьшением габаритов и массы генератора.The objectives of the invention are: increasing the resource and reliability of the generator, increasing power while reducing the size and mass of the generator.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что генератор питания телеметрической системы с гидравлическим каналом связи, содержащий статор, выполненный в виде оси, и внешний ротор, установленный на двух резиновых подшипниках, с двумя турбинами и электрическими разъемами во внутренних полостях на концах статора, отличается тем, что на торцах турбин установлены твердосплавные кольца, в которые упираются ответные подпружиненные твердосплавные кольца торцевого уплотнения, а один или все электрические разъемы выполнены подпружиненными. Между осью и деталями торцевого уплотнения выполнен кольцевой зазор, выравнивающий давление внутри генератора с давлением внешней среды. Подружиненный электрический разъем установлен в подвижной втулке, входящей в свою очередь в неподвижную втулку, установленную в оси статора, причем в неподвижной втулке выполнены продольные пазы, которые ограничивают осевое и радиальное перемещение штифтов, установленных в подвижной втулке, а между торцом подвижной втулки и кольцевым выступом неподвижной установлена пружина сжатия.The solution to these problems was achieved due to the fact that the power generator of the telemetry system with a hydraulic communication channel, containing a stator made in the form of an axis, and an external rotor mounted on two rubber bearings, with two turbines and electrical connectors in the internal cavities at the ends of the stator, differs in that carbide rings are installed at the ends of the turbines, against which the reciprocal spring-loaded carbide rings of the mechanical seal abut, and one or all of the electrical connectors are spring-loaded E. An annular gap is made between the axis and the parts of the mechanical seal, aligning the pressure inside the generator with the pressure of the external environment. The spring-loaded electrical connector is installed in the movable sleeve, which in turn is included in the stationary sleeve installed in the axis of the stator, and in the stationary sleeve there are longitudinal grooves that limit the axial and radial movement of the pins installed in the movable sleeve, and between the end of the movable sleeve and the ring protrusion the compression spring is fixed.

Проведенные патентно-технические исследования показали, что предложенное техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Кроме того, оно является промышленно применимым, т.е. может быть изготовлено с использованием стандартного оборудования. Следовательно, предложенное техническое решение удовлетворяет всем критериям изобретения.Conducted patent-technical studies have shown that the proposed technical solution has novelty and inventive step. In addition, it is industrially applicable, i.e. can be manufactured using standard equipment. Therefore, the proposed technical solution meets all the criteria of the invention.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2The invention is illustrated in figure 1, 2

Генератор содержит статор 1 в виде оси 2 и внешний ротор 3, установленный на двух резиновых подшипниках 4, две турбины 5 и электрические разъемы 6 во внутренних полостях на концах статора 1, полость «А» между статором и ротором герметизирована двумя торцовыми уплотнениями 7. Торцовые уплотнения 7 содержат твердосплавные кольца 8, установленные на торцах турбин 5, и ответные подпружиненные твердосплавные кольца 9. Один из электрических разъемов 6 (или оба) выполнен подпружиненным. Подпружиненный электрический разъем установлен в подвижной втулке 10, в свою очередь установленной в неподвижную втулку 11, установленную в оси статора 1. В неподвижной втулке 10 выполнены продольные пазы «С», которые ограничивают осевое и радиальное перемещения штифтов 12, установленных в подвижной втулке 11. Между торцом подвижной втулки 10 и кольцевым выступом неподвижной втулки 12 установлена пружина сжатия 13. Статор 1 выполнен в виде неподвижной оси 2 с электрическими разъемами 6 с двух сторон, которые позволяют соединить генератор с другими устройствами, в том числе: с излучателем электромагнитного канала связи и пульсатором гидравлического канала связи.The generator contains a stator 1 in the form of an axis 2 and an external rotor 3 mounted on two rubber bearings 4, two turbines 5 and electrical connectors 6 in the internal cavities at the ends of the stator 1, the cavity "A" between the stator and the rotor is sealed with two mechanical seals 7. Face seals 7 contain carbide rings 8 mounted on the ends of the turbines 5, and counter spring loaded carbide rings 9. One of the electrical connectors 6 (or both) is spring loaded. The spring-loaded electrical connector is installed in the movable sleeve 10, which in turn is installed in the stationary sleeve 11 installed in the axis of the stator 1. In the stationary sleeve 10, longitudinal grooves “C” are made, which limit the axial and radial movements of the pins 12 installed in the movable sleeve 11. Between the end of the movable sleeve 10 and the annular protrusion of the stationary sleeve 12 is installed a compression spring 13. The stator 1 is made in the form of a fixed axis 2 with electrical connectors 6 on both sides, which allow you to connect the generator to another devices, including: a radiator of electromagnetic communication channel and the communication channel hydraulic pulsator.

При погружении устройства в скважину в процессе бурения или спускоподъемных операциях и соответственно изменении температуры и давления окружающей среды, изменяется объем масла и торцовые уплотнения 7 обеспечивают небольшое превышение внутреннего давления и не позволяют буровому раствору проникнуть внутрь. Штифты 14 фиксируют неподвижную втулку 14.When the device is immersed in the well during drilling or tripping operations and, accordingly, the temperature and pressure of the environment are changed, the volume of oil changes and mechanical seals 7 provide a slight excess of internal pressure and do not allow the drilling fluid to penetrate inside. The pins 14 fix the stationary sleeve 14.

Применение предложенного изобретения дает следующие преимущества:The application of the proposed invention provides the following advantages:

1. Отсутствие направляющего аппарата предотвращает заклинивание турбины в случае попадания посторонних предметов в буровой раствор или его некачественной очистки. Отказ от направляющего аппарата значительно снизил диаметр и осевые габариты генератора.1. The absence of a guide apparatus prevents the turbine from jamming in the event of foreign objects getting into the drilling fluid or poor-quality cleaning. The rejection of the guide vane significantly reduced the diameter and axial dimensions of the generator.

2. Наличие двух торцовых уплотнений обеспечило более надежную герметизацию генератора, т.к. давление в нем всегда больше давления окружающей среды за счет усилия, создаваемого пружинами торцовых уплотнений.2. The presence of two mechanical seals ensured a more reliable sealing of the generator, because the pressure in it is always greater than the ambient pressure due to the force created by the springs of the mechanical seals.

3. Разъемы с двух сторон позволили подключать измерительные устройства сверху и снизу генератора.3. Connectors on both sides made it possible to connect measuring devices at the top and bottom of the generator.

4. Выполнение одного или обеих электрических разъемов подпружиненными облегчило монтаж генератора в состав телеметрической системы.4. The implementation of one or both of the electrical connectors spring-loaded facilitated the installation of the generator in the telemetry system.

Claims

1. The power generator of the telemetric system with a hydraulic communication channel, containing a stator made in the form of an axis, and an external rotor mounted on two rubber bearings with two turbines and electrical connectors in the internal cavities at the ends of the stator, characterized in that carbide ends are installed rings into which the reciprocal spring-loaded carbide rings of the mechanical seal abut, and one or all of the electrical connectors are spring-loaded.

2. The power generator of the telemetry system with a hydraulic communication channel according to claim 1, characterized in that an annular gap is made between the axis and parts of the mechanical seal, aligning the pressure inside the generator with the pressure of the external environment.

3. The power generator of the telemetric system with a hydraulic communication channel according to claim 1 or 2, characterized in that the spring-loaded electrical connector is installed in a movable sleeve, which, in turn, is included in a fixed sleeve installed in the axis of the stator, and in the fixed sleeve there are longitudinal grooves that limit the axial and radial movement of the pins installed in the movable sleeve, and a compression spring is installed between the end of the movable sleeve and the stationary annular protrusion.