RU2290734C1

RU2290734C1 - Electro-mechanical well power source

Info

Publication number: RU2290734C1
Application number: RU2005119864/09A
Authority: RU
Inventors: Генрих Саакович Абрамов (RU); Генрих Саакович Абрамов; Олег Леонидович Абрамов (RU); Олег Леонидович Абрамов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Инженерно-производственная фирма "СИБНЕФТЕАВТОМАТИКА" (ОАО ИПФ "СибНА")
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2006-12-27

Abstract

FIELD: electric engineering, namely, engineering of autonomous sources of electric power for telemetry systems used during drilling of oil and gas wells with complex spatial trajectory for shaft driving.

SUBSTANCE: proposed electro-mechanical well power source contains through cover 1, inside which with possible immersion in liquid immovable and movable parts of electric generator 2 and 5 are positioned, respectively. Immovable part 2 contains stator with open magnetic duct 3 and winding 4 of stator, and movable part 5 contains hydro-turbine 6 with central shaft 7 and rotor-inducer 8. open magnetic duct 3 and winding 4 of stator are separated from movable part 5 by non-magnetic, transverse relatively to geometric axis of O - O generator, wall 11 for isolating two hollows 12 and 13, respectively, of both its parts 2 and 5, and open magnetic duct of stator with winding on it is positioned relatively to poles of inducing rotor with possible electromagnetic effect of these elements of both parts of electric generator through its non-magnetic wall. In accordance to invention, open magnetic duct of stator is provided with additional U-shaped section, closing its magnetic circuit by its ends, positioned coaxially to inducer-rotor on the other side of non-magnetic wall in hollow of movable part of electric generator.

EFFECT: increased specific power of device when all other parameters and conditions remain the same, in particular, in constrained dimensions of drilling column.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к автономным источникам электропитания телеметрических систем при бурении нефтяных и газовых скважин со сложной пространственной траекторией проходки ствола.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to stand-alone power sources of telemetric systems when drilling oil and gas wells with a complex spatial path of the shaft.

Из уровня техники известен целый ряд конструктивно аналогичных объектов, содержащих, как правило, турбину (крыльчатку) с валом, на котором размещен ротор-индуктор, а вал посредством подшипников размещен в корпусе со статорной обмоткой, охватывающей (с зазором) ротор-индуктор. Турбина подобного объекта приводится во вращение потоком газа или жидкости, а обмотка статора подключается к потребителю электроэнергии (например, Пневматический шахтный светильник. М., ГТТИ, Горный журнал №3, 1958; СССР, описание изобретения №1379880, М. кл.⁴ Н 02 К 7/18, 1986; СССР, описание изобретения №1805530, M. кл.⁵ E 21 B 47/022, 1990; РФ, патент на полезную модель №11936, V1 М. кл.⁶ Н 02 К 5/12, E 21 B 47/022, 16.11.1999; РФ, патент на полезную модель №13123, V1 М. кл.⁶ Н 02 К 5/12, Е 21 В 7/02, 20.03.2000; РФ, описание изобретения №2172827, М. кл.⁶ Е 21 В 47/00, Н 02 К 5/12, 1999; РФ, описание изобретения №2244995 С1, М. кл.⁷ Н 02 К 5/12, Е 21 В 47/022, 2005).A number of structurally similar objects are known from the prior art, containing, as a rule, a turbine (impeller) with a shaft on which the rotor-inductor is placed, and the shaft by means of bearings is placed in a housing with a stator winding, covering (with a gap) the rotor-inductor. The turbine of such an object is driven into rotation by a stream of gas or liquid, and the stator winding is connected to the consumer of electricity (for example, Pneumatic shaft lamp. M., GTTI, Mining Journal No. 3, 1958; USSR, description of the invention No. 1379880, M. class. ⁴ N 02 K 7/18, 1986; USSR, description of the invention No. 1805530, M. C. ⁵ E 21 B 47/022, 1990; RF, utility model patent No. 11936, V1 M. C. ⁶ H 02 K 5/12 , E 21 B 47/022, 11.16.1999; RF, utility model patent No. 13123, V1 M. C. ⁶ H 02 K 5/12, E 21 B 7/02, 03/20/2000; RF, description of the invention No. 2172827, M. cl. ⁶ E 21 B 47/00, H 02 K 5/12, 1999; RF, description of the invention No. 224995 C1, M. cl. ⁷ H 02 K 5/12, E 21 B 47/022, 2005).

Однако известные технические решения, несмотря на их конструктивные особенности, адаптирующие их к тем или иным требованиям потребителей и условиям эксплуатации, существенно ограничены в их основном параметре, то есть в генерировании электроэнергии достаточной мощности, это ограничение обусловлено конкретными скважинными условиями (преимущественно диаметром скважины). Попытки же одновременного использования (агрегатирования) нескольких подобных источников электропитания для работы на одного потребителя весьма осложняются проблемой их коммутации в скважинных условиях и прочими сопутствующими проблемами.However, the well-known technical solutions, despite their design features, adapting them to particular consumer requirements and operating conditions, are significantly limited in their main parameter, that is, in generating electricity of sufficient power, this limitation is due to specific well conditions (mainly the diameter of the well). Attempts at the same time to use (aggregate) several similar power sources to work for one consumer are very complicated by the problem of their switching in downhole conditions and other related problems.

Наиболее близким техническим решением (иначе - прототипом) к заявляемому объекту является скважинный электромашинный источник питания (Научно-технический журнал "Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности", М., ОАО "ВНИИОНГ", №4, 2003, с.4-6) в так называемом "торцевом исполнении", включающий проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью):The closest technical solution (otherwise - a prototype) to the claimed object is a borehole electric machine power source (Scientific and Technical Journal "Automation, Remote Control and Telecommunications in the Oil Industry", M., JSC "VNIIONG", No. 4, 2003, p.4- 6) in the so-called "end execution", including a flow-through casing, inside of which are placed (with the possibility of flowing around with a liquid):

- неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку на нем;- the fixed part of the generator containing the stator with an open magnetic circuit and a winding on it;

- подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, причем обе части сочленены между собой посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на центральном валу и, соответственно, в гнездах неподвижной части;- a movable part of an electric generator containing a hydraulic turbine with a central shaft and a multi-pole rotor-inductor, both parts being joined together by at least two bearings placed on the central shaft and, accordingly, in the sockets of the fixed part;

- немагнитная перегородка, герметизирующая элементы статора от попадания жидкости (в глубинных скважинных условиях) со стороны ротора-индуктора. Незамкнутые торцы магнитопровода статора позиционированы относительно торцевых полюсов ротора индуктора таким образом, что магнитная цепь (магнитный контур) статора периодически замыкается вращающимися полюсами ротора-индуктора, но при этом в магнитном контуре электрогенератора есть "разъем" по немагнитной перегородке и конструктивному зазору, что приводит к потерям в преобразовании механической энергии в электрическую, к тому же переменный характер сцепления магнитных полюсов ротора-индуктора с магнитопроводом статора раскачивает консольно закрепленный вал в опорах вращения, что может привести к дисбалансу системы.- non-magnetic partition that seals the stator elements from liquid (in deep well conditions) from the side of the rotor-inductor. The open ends of the stator magnetic circuit are positioned relative to the end poles of the inductor rotor in such a way that the stator magnetic circuit (magnetic circuit) is periodically closed by the rotating poles of the inductor rotor, but there is a “connector” in the magnetic circuit of the generator along the non-magnetic partition and the structural gap, which leads to losses in the conversion of mechanical energy into electrical energy, besides the variable nature of the coupling of the magnetic poles of the rotor-inductor with the stator magnetic circuit swing t cantilevered shaft in the bearings, which can lead to an imbalance of the system.

Кроме того, как отмечено в описании прототипа, его мощность существенно ограничена диаметральным габаритом и от его линейного размера (то есть длины) практически не зависят.In addition, as noted in the description of the prototype, its power is significantly limited by the diametric dimension and practically do not depend on its linear size (i.e. length).

Требуемый технический результат (иначе - цель создания заявляемого объекта) заключается в обеспечении известному техническому решению-прототипу более высоких потребительских свойств, а именно повышенной удельной мощности в стесненных габаритах бурильной колонны.The required technical result (otherwise, the purpose of creating the claimed object) is to provide the well-known technical solution prototype of higher consumer properties, namely increased specific power in the cramped dimensions of the drill string.

Требуемый технический результат при реализации (использовании) заявляемого объекта достигается тем, что в известном устройстве-прототипе, содержащем проточный кожух, внутри которого размещены (с возможностью обтекания жидкостью) неподвижная часть электрогенератора, содержащая статор с незамкнутым магнитопроводом и обмотку, подвижная часть электрогенератора, содержащая гидротурбину с центральным валом и многополюсным ротором-индуктором, сочлененная с неподвижной частью посредством не менее чем двух подшипников, размещенных на валу, и немагнитная, поперечная к геометрической оси О-О электрогенератора, перегородка для разобщения полостей обеих его частей, а незамкнутый магнитопровод статора с обмоткой на нем позиционирован относительно полюсов ротора-индуктора с возможностью электромагнитного взаимодействия этих элементов обеих частей электрогенератора через его немагнитную перегородку, незамкнутый магнитопровод статора снабжен дополнительным П-образным участком, замыкающим своими торцами его магнитную цепь, размещенным коаксиально ротору-индуктору по другую сторону немагнитной перегородки в полости подвижной части электрогенератора.The required technical result in the implementation (use) of the claimed object is achieved by the fact that in the known prototype device containing a flow-through casing, inside which are placed (with the possibility of liquid flowing around) the stationary part of the generator containing the stator with an open magnetic circuit and a winding, the moving part of the generator containing a hydraulic turbine with a central shaft and a multi-pole rotor-inductor, articulated with the fixed part by means of at least two bearings placed on the shaft, and a non-magnetic, transverse to the O-O geometric axis of the generator, a partition for separating the cavities of both its parts, and an open stator magnetic circuit with a winding on it is positioned relative to the poles of the rotor-inductor with the possibility of electromagnetic interaction of these elements of both parts of the generator through its non-magnetic partition, an open magnetic circuit the stator is equipped with an additional U-shaped section, closing its magnetic circuit with its ends, placed coaxially with the rotor-inductor in a friend south side of the non-magnetic septum in the cavity of the movable part of the generator.

Требуемый технический результат обеспечен наличием в совокупности существенных признаков (характеризующих предлагаемый скважинный электромашинный источник питания) вышеуказанных отличительных признаков, а необнаружение в общедоступных источниках патентной и технической информации эквивалентных технических решений с теми же свойствами предполагает соответствие объекта "критериям" изобретения.The required technical result is ensured by the presence of the essential features (characterizing the proposed borehole electrical machine power supply) of the above distinctive features, and the non-detection in the public sources of patent and technical information of equivalent technical solutions with the same properties implies that the object meets the "criteria" of the invention.

На чертежах представлены общий вид (фигура 1) скважинного электромашинного источника питания с внутренним расположением относительно магнитной цепи статора ротора-индуктора, на фигуре 2 изображен фрагмент А фигуры 1 этого источника питания, но с двухсторонним ротором-индуктором, охватывающим коаксиально магнитную цепь статора, а на фигуре 3 - тот же фрагмент А фигуры 1 с внешним охватом ротором-индуктором магнитной цепи статора.The drawings show a General view (figure 1) of a downhole electric machine power source with an internal location relative to the magnetic circuit of the stator of the rotor-inductor, figure 2 shows a fragment A of figure 1 of this power source, but with a two-sided rotor-inductor, covering the stator magnetic circuit coaxially, and figure 3 is the same fragment A of figure 1 with external coverage of the stator magnetic circuit by the rotor-inductor.

Заявляемый объект содержит (см. фигуру 1) проточный кожух 1, в котором жестко закреплена неподвижная (статорная) часть 2 электрогенератора, включающая незамкнутый магнитопровод 3 с размещенной на нем обмоткой 4. С неподвижной частью 2 электрогенератора (он, как таковой, позицией не обозначен) сочленена его подвижная (роторная) часть 5, включающая гидротурбину 6 с центральным валом 7 (по геометрической оси 0-0 электрогенератора) и многополюсный ротор-индуктор 8. Сочленение неподвижной (2) и подвижной (5) частей электрогенератора осуществлено посредством подшипников 9 и 10.The inventive object contains (see figure 1) a flow-through casing 1, in which a fixed (stator) part 2 of an electric generator is rigidly fixed, including an open magnetic core 3 with a winding placed on it 4. With a fixed part 2 of an electric generator (it is not indicated as such ) its movable (rotor) part 5 is connected, including a hydraulic turbine 6 with a central shaft 7 (along the geometric axis 0-0 of the generator) and a multi-pole rotor inductor 8. The stationary (2) and movable (5) parts of the generator were articulated by bearings of bearings 9 and 10.

Незамкнутый магнитопровод 3 статора и его обмотки 4 отсечены от подвижной части 5 электрогенератора поперечной к его геометрической оси 0-0 немагнитной перегородкой 11 с образованием полости 12, заполненной электроизоляционным материалом - герметиком, как это изображено на фигуре 1, при этом с другой стороны немагнитной поперечной перегородки 11 конструктивно образована полость 13, то есть полость подвижной части электрогенератора, так как в ней размещен центральный вал 7 с ротором-индуктором 8. Для обеспечения эффективного индуцирования Э.Д.С. в обмотке 4 статора заявляемый объект снабжен дополнительным П-образным участком 14 магнитопровода, замыкающим магнитопровод 3 статора по его торцам, то есть по плоскости Б на фигуре 1, где позицией 15 обозначена, условно, полная замкнутая магнитная цепь (магнитный контур) статора. Кроме того, на фигуре 1 приведены, но отдельными позициями не обозначены, узел электровыводов обмотки 4, узел подачи смазки в полость 13 подвижной части 5, а также ряд других, входящих в конструкцию заявляемого объекта вспомогательных элементов.The open magnetic circuit 3 of the stator and its windings 4 are cut off from the movable part 5 of the electric generator transverse to its geometric axis 0-0 by a non-magnetic partition 11 with the formation of a cavity 12 filled with insulating material - sealant, as shown in figure 1, while on the other hand is a non-magnetic transverse of the partition 11, a cavity 13 is constructively formed, that is, a cavity of the movable part of the electric generator, since a central shaft 7 with a rotor-inductor 8 is placed therein. To ensure efficient induction of E.D.S. in the stator winding 4, the claimed object is equipped with an additional U-shaped section 14 of the magnetic circuit that closes the magnetic circuit 3 of the stator at its ends, that is, along plane B in figure 1, where 15 denotes, conditionally, a fully closed magnetic circuit (magnetic circuit) of the stator. In addition, the figure 1 shows, but the individual positions are not indicated, the node of the electrical winding 4, the node supplying lubricant into the cavity 13 of the movable part 5, as well as a number of other auxiliary elements included in the design of the claimed object.

Скважинный электромашинный источник питания работает следующим образом. Поток жидкости (условно обозначен полыми стрелками на фигуре 1) вращает подвижную часть электрогенератора, взаимодействуя с гидротурбиной 6, а многополюсный ротор-индуктор 8 создает в магнитной цепи (контуре) 15 статора переменный магнитный поток, индуцирующий в обмотке 4 Э.Д.С. (или электрический ток при замыкании обмотки 4 на потребителя). Существенной особенностью заявляемого объекта является то, что в сравнении с прототипом, то есть в сравнении с аналогичным источником питания, в так называемом "торцевом" исполнении снимаемая с обмотки 4 мощность лимитируется не диаметром конструкции (при равных параметрах материалов постоянных магнитов ротора-индуктора и магнитопровода статора), а преимущественно линейными размерами, то есть длиной ротора индуктора и, соответственно, длиной П-образного дополнительного участка 14 магнитопровода 3 статора. Так, например, при использовании одинаковых соответственно материалов магнитов ротора-индуктора и магнитопроводов статора в объекте-прототипе конкретного диаметра максимально возможная вырабатываемая мощность скважинного генератора ограничена его полезной площадью поперечного сечения или торцевых поверхностей магнитов и магнитопровода и составляет 235 Вт при диаметре конструкции около 121 мм. Это может быть справедливо, так как, если в качестве оценочного критерия принять величину индукции, то по закону Фарадея индукция U, вычисляемая формулой:Downhole electric machine power source operates as follows. The fluid flow (arbitrarily indicated by the hollow arrows in Figure 1) rotates the movable part of the generator, interacting with the hydraulic turbine 6, and the multi-pole rotor inductor 8 creates an alternating magnetic flux in the stator magnetic circuit (circuit) 15, inducing in the winding 4 E.D.S. (or electric current when the winding 4 is closed to the consumer). A significant feature of the claimed object is that, in comparison with a prototype, that is, in comparison with a similar power source, in the so-called "end" version, the power removed from the winding 4 is not limited by the diameter of the structure (with equal parameters of the materials of the permanent magnets of the rotor inductor and the magnetic circuit stator), but mainly in linear dimensions, that is, the length of the inductor rotor and, accordingly, the length of the U-shaped additional section 14 of the stator magnetic circuit 3. So, for example, when using the same materials of the rotor-inductor magnets and stator magnetic cores in the prototype object of a specific diameter, the maximum possible generated power of the downhole generator is limited by its useful cross-sectional area or end surfaces of the magnets and magnetic circuit and is 235 W with a design diameter of about 121 mm . This may be true, since if we take the magnitude of induction as the evaluation criterion, then, according to the Faraday law, the induction U calculated by the formula:

, где:

where:

ΔФ - приращение магнитного потока, Δt - продолжительность изменения магнитного потока, N - количество витков,ΔF is the increment of the magnetic flux, Δt is the duration of the change in the magnetic flux, N is the number of turns,

а Ф - магнитный поток равен:and f - magnetic flux is equal to:

;

где

- нормальная составляющая магнитной индукции, А - площадь поперечного сечения поля.Where

is the normal component of magnetic induction, A is the cross-sectional area of the field.

При том же диаметре конструкции заявляемый объект обеспечивает мощность, которая также ограничена значением магнитной проницаемости материала магнитопровода и площадью его поперечного сечения, но может быть увеличена до 300 Вт на каждые 100 мм длины ротора в зависимости от его модификации, так как магниты ротора-индуктора взаимодействуют с ним (магнитопроводом) по всей своей длине, а этот параметр может быть легко изменяем по требованию потребителя.With the same diameter of the structure, the claimed object provides power, which is also limited by the magnetic permeability of the magnetic core material and its cross-sectional area, but can be increased to 300 W for every 100 mm of the rotor length, depending on its modification, since the rotor-inductor magnets interact with it (magnetic circuit) along its entire length, and this parameter can be easily changed at the request of the consumer.

Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого скважинного электромашинного источника питания обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует "критериям" изобретения и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.The set of essential features (including distinguishing ones) of the inventive borehole electrical machine power source ensures the achievement of the required technical result, meets the "criteria" of the invention and is subject to protection by a security document (patent) of the Russian Federation in accordance with the request of the applicant.

Claims

A downhole electrical machine power supply including a flow-through casing inside which (with the possibility of liquid flowing around) the stationary part of the electric generator, comprising a stator with an open magnetic circuit and a winding, a movable part of an electric generator containing a hydraulic turbine with a central shaft and a multi-pole rotor-inductor, articulated with the fixed part are placed at least two bearings placed on the shaft, and a non-magnetic partition transverse to the geometric axis O-O of the electric generator cavities of both its parts, and an open stator magnetic circuit with a winding on it is positioned relative to the poles of the rotor-inductor with the possibility of electromagnetic interaction of these elements of both parts of the generator through its non-magnetic partition, characterized in that the open stator magnetic circuit is equipped with an additional U-shaped section that closes its the ends of its magnetic circuit, placed coaxially with the rotor-inductor on the other side of the non-magnetic septum in the cavity of the movable part of the electrogen a radiator.