RU2561642C1

RU2561642C1 - Turbogenerator for supply of well equipment

Info

Publication number: RU2561642C1
Application number: RU2014121603/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Васильев; Николай Кузьмич Шурыгин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "БИТАС"
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-08-27

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: turbogenerator is proposed, comprising an inner stator with a winding and an outer rotor with a body and working blades of a turbine installed on sliding bearings. At the same time inner and outer working surfaces of sliding bearings are made from solid wear resistant material with high heat conductivity. Besides, the turbogenerator comprises a sealing element preventing through flow of washing fluid via a gap between the stator and the rotor. At the same time the sealing element may be made in the form of a contact seal installed below the upper bearing. At the same time on the rotor body there is one row of windows, the entry into which is located between the upper bearing and contact seal on the inner side of the rotor body, and the exit from which is located below the working wheel on the outer side of the rotor. The sealing element may also be made in the form of a cover installed on the upper end of the cover rotor.

EFFECT: increased reliability and resource of device operation, simplified design and its operation.

2 dwg

Description

Изобретение относится к исследованиям в процессе бурения скважин и может быть использовано для питания электроэнергией скважинных приборов в процессе бурения.The invention relates to research in the process of drilling wells and can be used to power the downhole tools during drilling.

Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры, содержащий внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, установленный на подшипниках скольжения, внутренний статор с обмоткой, выполненной на оси и размещенной в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки (патент РФ на полезную модель №128656, МПК Е21В 47/12, заявл. 09.01.2013). На внутренней поверхности ротора выполнены продольные канавки, проходящие между магнитами.A known turbogenerator for powering downhole equipment, comprising an external rotor with a casing and turbine blades mounted on sliding bearings, an internal stator with a winding made on an axis and placed in a sealed housing, on the outer surface of which are made helical grooves (RF patent for utility model No. 128656, IPC Е21В 47/12, declared 09.01.2013). On the inner surface of the rotor made longitudinal grooves passing between the magnets.

Недостатком этого турбогенератора является его низкая надежность, обусловленная тем, что ферромагнитные включения, всегда имеющиеся в буровом растворе, протекающем в зазоре между статором и ротором, прилипают к поверхности магнитов ротора в местах с наибольшей напряженностью поля и уже не могут выйти из этого зазора, удерживаемые магнитными силами. Это приводит к постепенному забиванию зазора магнитными включениями, и, как следствие, к появлению дополнительного трения, снижению скорости вращения ротора вплоть до полной его остановки. Скорость накопления слоя ферромагнитных включений на магнитах ротора пропорциональна содержанию их в буровом растворе и величине протока бурового раствора в зазоре статор - ротор. Величина сквозного протока бурового раствора в зазоре между статором и ротором в этом турбогенераторе значительна, так как в этом зазоре протекает тот же поток, который проходит через подшипники и необходим для их охлаждения.The disadvantage of this turbogenerator is its low reliability, due to the fact that ferromagnetic inclusions, always present in the drilling fluid flowing in the gap between the stator and the rotor, adhere to the surface of the rotor magnets in places with the highest field strength and can no longer exit this gap. magnetic forces. This leads to a gradual clogging of the gap by magnetic inclusions, and, as a consequence, to the appearance of additional friction, a decrease in the rotor speed up to its complete stop. The rate of accumulation of a layer of ferromagnetic inclusions on the rotor magnets is proportional to their content in the drilling fluid and the size of the mud flow in the stator-rotor gap. The value of the through flow of the drilling fluid in the gap between the stator and the rotor in this turbogenerator is significant, since the same stream flows through this gap that passes through the bearings and is necessary for their cooling.

Известен турбогенератор для питания скважинной аппаратуры, содержащий внешний ротор с магнитами, внутренний статор с обмоткой, выполненный на оси (патент РФ на изобретение №2184225, МПК Е21В 47/00, заявл. 01.08.2000). Внешний ротор установлен на подшипниках скольжения. На роторе могут быть выполнены два ряда окон для выхода через них наружу абразивных частиц.A known turbogenerator for feeding downhole equipment containing an external rotor with magnets, an internal stator with a winding, made on the axis (RF patent for the invention No. 2184225, IPC ЕВВ 47/00, application. 01.08.2000). The outer rotor is mounted on plain bearings. Two rows of windows can be made on the rotor for abrasive particles to exit through them.

Недостатком этого турбогенератора является его низкая надежность, обусловленная той же причиной. В конструкции этого турбогенератора для охлаждения подшипников скольжения также используется сквозной проток бурового раствора через них. Это обусловлено тем, что внутренние рабочие поверхности подшипников скольжения выполнены из эластичного материала, например резины, то есть из материала с очень низкой теплопроводностью, что исключает другой путь отвода выделяющегося в подшипниках тепла - теплопроводностью через тело подшипника. Применение двух рядов окон на корпусе ротора несколько уменьшает величину потока бурового раствора через зазор статор - ротор, но полностью его не исключает. Этот сквозной проток бурового раствора проходит через зазор статор - ротор, приводя к постепенному забиванию зазора магнитными включениями, и, как следствие, к появлению дополнительного трения, снижению скорости вращения ротора вплоть до полной его остановки.The disadvantage of this turbogenerator is its low reliability, due to the same reason. The design of this turbogenerator also uses a through-flow mud through them to cool the slide bearings. This is due to the fact that the internal working surfaces of sliding bearings are made of an elastic material, such as rubber, that is, of a material with very low thermal conductivity, which eliminates another way of removing heat generated in the bearings - thermal conductivity through the bearing body. The use of two rows of windows on the rotor housing somewhat reduces the amount of mud flow through the stator-rotor gap, but does not completely exclude it. This through-flow mud passes through the stator-rotor gap, leading to gradual clogging of the gap by magnetic inclusions, and, as a result, to the appearance of additional friction, a decrease in the rotor speed up to its complete stop.

Задачей создания изобретения является повышение надежности работы турбогенератора.The objective of the invention is to increase the reliability of the turbogenerator.

Указанная задача решена за счет того, что турбогенератор для питания скважинной аппаратуры, содержащий внутренний статор с обмоткой, выполненной на оси и размещенной в герметичном корпусе, на наружной поверхности которого выполнены винтовые канавки, внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, установленный на подшипниках скольжения, внутренние и внешние рабочие поверхности подшипников скольжения выполнены из твердого износостойкого материала с высокой теплопроводностью, турбогенератор содержит герметизирующий элемент, предотвращающий сквозной проток промывочной жидкости через зазор между статором и ротором и выполненный или в виде контактного уплотнения, установленного ниже верхнего подшипника, при этом на корпусе ротора выполнен один ряд окон, вход в которые расположен между верхним подшипником и контактным уплотнением на внутренней стороне корпуса ротора, а выход из которых расположен ниже рабочего колеса на внешней стороне ротора, или в виде крышки, установленной на верхнем торце ротора.This problem is solved due to the fact that the turbogenerator for supplying downhole equipment, containing an internal stator with a winding made on the axis and placed in a sealed housing, on the outer surface of which are made helical grooves, an external rotor with a housing and turbine blades mounted on sliding bearings , the inner and outer working surfaces of the bearings are made of a hard wear-resistant material with high thermal conductivity, the turbogenerator contains a sealing element, preventing the through flow of flushing fluid through the gap between the stator and the rotor and made in the form of a contact seal mounted below the upper bearing, while on the rotor housing there is one row of windows, the entrance to which is located between the upper bearing and the contact seal on the inner side of the rotor housing, and the output of which is located below the impeller on the outer side of the rotor, or in the form of a cover mounted on the upper end of the rotor.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведен общий вид турбогенератора с двухопорным креплением, на фиг. 2 приведен общий турбогенератора с консольным креплением.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a General view of a turbogenerator with double support, in FIG. 2 shows a common turbogenerator with cantilever mount.

Турбогенератор в зависимости от схемы компоновки прибора скважинного может иметь разные способы крепления - консольное или двухопорное. Консольное крепление турбогенератора применяется в случае, когда все потребители электрической энергии расположены ниже турбогенератора (телесистемы с электромагнитным каналом связи и нижним расположением разделителя, телесистемы с гидравлическим каналом связи и нижним расположением пульсатора). Двухопорное крепление турбогенератора применяется в случае, когда часть потребителей электрической энергии расположена ниже турбогенератора, а часть - выше турбогенератора (телесистемы с электромагнитным каналом связи и верхним расположением разделителя, телесистемы с гидравлическим каналом связи и верхним расположением пульсатора).The turbogenerator, depending on the layout scheme of the downhole tool, can have different mounting methods - cantilever or double-supported. The cantilever mount of the turbogenerator is used in the case when all consumers of electric energy are located below the turbogenerator (tele-systems with an electromagnetic communication channel and the lower position of the splitter, tele-systems with a hydraulic communication channel and the lower location of the pulsator). Two-support mounting of a turbogenerator is used when part of the consumers of electric energy is located below the turbogenerator, and part is higher than the turbogenerator (tele-systems with an electromagnetic communication channel and an upper separator, tele-systems with a hydraulic communication channel and an upper pulsator).

Турбогенератор для питания скважинной аппаратуры устанавливается в буровую колонну (не показана) и крепится в ней с помощью узла нижнего крепления 1, а для варианта с двухопорным креплением и с помощью узла верхнего крепления 2 (конструкция узлов крепления турбогенератора не показана, так как может быть любой в зависимости от компоновки телесистемы). Турбогенератор содержит внутренний статор 3 и внешний ротор 4 с установленным на нем рабочим колесом турбины 5.A turbine generator for supplying downhole equipment is installed in a drill string (not shown) and is mounted in it using a lower mounting unit 1, and for a variant with a two-support mounting and using an upper mounting unit 2 (the design of the turbine generator mounting units is not shown, as there can be any depending on the layout of the television system). The turbogenerator comprises an internal stator 3 and an external rotor 4 with an impeller of a turbine 5 mounted on it.

В корпусе внешнего ротора 4 закреплены магниты 6, внешняя втулка верхнего подшипника 7, внешняя втулка нижнего подшипника 8 и пята 9 (вращающаяся часть упорного подшипника).In the housing of the outer rotor 4, magnets 6 are fixed, the outer sleeve of the upper bearing 7, the outer sleeve of the lower bearing 8 and the heel 9 (the rotating part of the thrust bearing).

На внутреннем статоре 3 закреплены внутренняя втулка верхнего подшипника 10, внутренняя втулка нижнего подшипника 11 и подпятник 12 (невращающаяся деталь упорного подшипника). Расположение упорного подшипника по высоте турбогенератора может быть любым, как показано на фиг. 1 и 2.On the inner stator 3, the inner sleeve of the upper bearing 10, the inner sleeve of the lower bearing 11 and the thrust bearing 12 (non-rotating part of the thrust bearing) are fixed. The position of the thrust bearing along the height of the turbogenerator can be any, as shown in FIG. 1 and 2.

Направляющий аппарат турбины 13 в двухопорном турбогенераторе может быть закреплен любым известным способом в верхней части турбогенератора с некоторым зазором от ротора и может служить ограничителем хода ротора вверх. В консольном турбогенераторе направляющий аппарат (не показан) при необходимости устанавливается в буровую колонну выше турбогенератора.The guiding apparatus of the turbine 13 in the double support turbogenerator can be fixed in any known manner in the upper part of the turbogenerator with some clearance from the rotor and can serve as a limiter for the rotor upward travel. In a cantilever turbogenerator, a guiding apparatus (not shown), if necessary, is installed in the drill string above the turbogenerator.

В турбогенераторе с двухопорным креплением герметизирующим элементом является контактное уплотнение (торцовое уплотнение или манжета). На фиг. 1 изображен вариант с торцовым уплотнением, состоящим из невращающегося кольца 14, закрепленного на внутреннем статоре 3, вращающегося кольца 15, установленного в корпусе внешнего ротора 4, уплотненного резиновым кольцом 16 и прижимаемого к невращающемуся кольцу 14 пружиной 17. Между контактным уплотнением и верхним подшипником расположен ряд окон 18, соединяющих внутреннюю полость ротора с внешней полостью.In a turbo-generator with double support, the sealing element is a contact seal (mechanical seal or sleeve). In FIG. 1 shows an embodiment with a mechanical seal, consisting of a non-rotating ring 14 mounted on the inner stator 3, a rotating ring 15, mounted in the housing of the outer rotor 4, sealed with a rubber ring 16 and pressed against the non-rotating ring 14 by a spring 17. Between the contact seal and the upper bearing a series of windows 18 connecting the inner cavity of the rotor with the outer cavity.

В турбогенераторе с консольным креплением герметизирующим элементом является крышка 19, установленная любым известным способом (например, с помощью резьбы 20 и уплотнительного кольца 21) на верхнем торце внешнего ротора 4. Крышка 19 может одновременно является фиксатором сменного рабочего колеса турбины 5 (изображено на фиг. 2) или быть выполнена в виде единого целого со сменным рабочим колесом турбины 5. В крышке 19 имеется отверстие 22, в рабочем положении закрытое пробкой 23, устанавливаемой, например, с помощью резьбы 24 и уплотняемой резиновым кольцом 25. В пробке может быть выполнено отверстие 26, позволяющее соединить внутренний объем с внешним при частичном выворачивании пробки 23. Пробка 23 может служить ключом замка внешнего ротора 4. Возможный вариант механизма замка изображен на фиг. 2. Замком могут служить ламели цанги 27, в свободном состоянии отгибающиеся (силами упругости) к центральной оси цанги и позволяющие свободный выход цанги из ступенчатого отверстия в верхней части внутреннего статора 3. При вворачивании пробки 23 ламели цанги 27 принудительно отгибаются наружу, препятствуя свободному выходу цанги из ступенчатого отверстия в верхней части внутреннего статора 3.In a cantilever-mounted turbo-generator, the sealing element is a cover 19 installed in any known manner (for example, using a thread 20 and an o-ring 21) on the upper end of the external rotor 4. The cover 19 can simultaneously be a lock of the replaceable impeller of the turbine 5 (shown in FIG. 2) or be made in one piece with a replaceable impeller of the turbine 5. In the cover 19 there is an opening 22, in the working position closed by a plug 23, installed, for example, using a thread 24 and sealed with rubber sealing rings 25. The stopper may be provided with an opening 26, which allows to connect the internal volume with the outside by partial eversion tube 23. Tube 23 may be a key lock outer rotor 4. A possible embodiment of the lock mechanism shown in FIG. 2. The lamellas of the collet 27 can serve as a lock; collets from a stepped hole in the upper part of the inner stator 3.

Турбогенератор с двухопорным креплением (фиг. 1) работает следующим образом. Буровой раствор, пройдя через лопатки направляющего аппарата 13 (если он установлен), попадает на лопатки рабочего колеса 5, приводя его и вместе с ним внешний ротор 4 во вращение. Часть бурового раствора проходит через зазор между внутренней втулкой верхнего подшипника 10 и внешней втулкой верхнего подшипника 7 во внутреннюю полость внешнего ротора 4 и выходит из нее через окна 18. Проток бурового раствора в зазоре между внутренним статором 3 и внешним ротором 4 в зоне расположения магнитов исключен, так как ему препятствует герметизирующий элемент - контактное уплотнение (на фиг. 1 - торцовое уплотнение). Контактное уплотнение (торцовое уплотнение или манжета) работает в облегченных условиях, так как перепад давления на нем минимален, что объясняется очень малой величиной гидравлического сопротивления окон 18, имеющих большое проходное сечение, по сравнению с гидравлическим сопротивлением зазора в верхнем подшипнике (детали 7 и 10), а перепад давления в потоке бурового раствора на длине ротора от окон до нижнего среза ротора тоже незначителен. Для демонтажа внешнего ротора 4 достаточно снять направляющий аппарат 13.A turbogenerator with double support (Fig. 1) works as follows. The drilling fluid, passing through the blades of the guide vane 13 (if installed), falls on the blades of the impeller 5, bringing it and with it the external rotor 4 into rotation. Part of the drilling fluid passes through the gap between the inner sleeve of the upper bearing 10 and the outer sleeve of the upper bearing 7 into the inner cavity of the outer rotor 4 and leaves it through the windows 18. The flow of the drilling fluid in the gap between the inner stator 3 and the outer rotor 4 in the area of the magnets is excluded , since it is hindered by a sealing element - a contact seal (in Fig. 1 - mechanical seal). The contact seal (mechanical seal or cuff) works under light conditions, since the pressure drop across it is minimal, which is explained by the very small hydraulic resistance of the windows 18, which have a large bore, in comparison with the hydraulic resistance of the gap in the upper bearing (parts 7 and 10 ), and the pressure drop in the mud flow along the length of the rotor from the windows to the lower cut of the rotor is also insignificant. To dismantle the outer rotor 4, it is enough to remove the guide apparatus 13.

Турбогенератор с консольным креплением (фиг. 2) работает следующим образом. Буровой раствор, пройдя через лопатки направляющего аппарата (если он установлен, на фиг. 2 не показан), попадает на лопатки рабочего колеса 5, приводя его и вместе с ним внешний ротор 4 во вращение. В этом варианте турбогенератора протоку бурового раствора в зазоре между внутренним статором 3 и внешним ротором 4 в зоне расположения магнитов препятствует герметизирующий элемент - крышка 19. Для демонтажа внешнего ротора 4 необходимо выкрутить пробку 23 на величину, при которой расфиксируется замок крепления ротора (например, цанга 27), а внутренняя полость внешнего ротора 4 получит сообщение с внешней средой через отверстие 26 в пробке 23. Для смены рабочего колеса и/или для лучшей очистки внутренней поверхности внешнего ротора 4 при проведении техобслуживания необходимо снять с внешнего ротора 4 крышку 19. Возможно исполнение крышки 19 как одного целого с рабочим колесом 5.The turbine generator with cantilever mount (Fig. 2) works as follows. The drilling fluid, passing through the vanes of the guide vane (if installed, is not shown in FIG. 2), enters the vanes of the impeller 5, bringing it and with it the external rotor 4 into rotation. In this embodiment of the turbo-generator, the sealing duct, the cover 19, prevents the flow of the drilling fluid in the gap between the inner stator 3 and the outer rotor 4 in the magnet location zone. To dismantle the outer rotor 4, unscrew the plug 23 by the amount at which the rotor fastening lock is released (for example, collet 27), and the inner cavity of the outer rotor 4 will receive a message with the external environment through the hole 26 in the plug 23. To change the impeller and / or to better clean the inner surface of the outer rotor 4 during For maintenance, it is necessary to remove the cover 19 from the external rotor 4. It is possible to design the cover 19 as a whole with the impeller 5.

Так как рабочие поверхности подшипников скольжения (как радиальных, так и упорного) выполнены из твердого износостойкого материала с высокой теплопроводностью (например, из твердого сплава на основе карбида вольфрама с применением кобальтовой или никелевой связки), то отвод тепла от них успешно обеспечивается потоком тепла через тело подшипников, необходимость сквозного протока бурового раствора через подшипники для их охлаждения отпала. Отвод тепла от статора в достаточной степени обеспечивается теплопроводностью через металлические стенки внешнего ротора 4 (включая магниты), протока бурового раствора через зазор статор - ротор для охлаждения статора не требуется.Since the working surfaces of sliding bearings (both radial and thrust) are made of a hard wear-resistant material with high thermal conductivity (for example, a tungsten carbide-based hard alloy using a cobalt or nickel binder), heat removal from them is successfully provided by heat flow through bearing body, the need for a through flow of drilling fluid through the bearings for their cooling has disappeared. Heat removal from the stator is sufficiently ensured by thermal conductivity through the metal walls of the outer rotor 4 (including magnets), the flow of the drilling fluid through the stator-rotor gap to cool the stator is not required.

Поскольку сквозного протока бурового раствора в зазоре мимо магнитов нет, то и магнитные включения на магнитах не накапливаются. Случайно попавшие твердые включения выносятся из внутренней полости по смазочным винтовым канавкам, имеющимся как на рабочей поверхности внутренних втулок подшипников 10 и 11, так и на герметичном корпусе внутреннего статора 3. Легкость частичной разборки турбогенератора (демонтажа внешнего ротора 4) позволяет регулярно, например после каждого рейса, проводить очистку внутренней поверхности внешнего ротора 4 и внешней поверхности внутреннего статора 3 от остатков бурового раствора и заполнять внутреннюю полость пластичной смазкой для предотвращения попадания твердых включений в момент включения циркуляции бурового раствора.Since there is no through flow of drilling fluid in the gap past the magnets, magnetic inclusions on the magnets do not accumulate. Accidentally trapped solid inclusions are carried out from the internal cavity through lubricating screw grooves located both on the working surface of the inner bushes of bearings 10 and 11 and on the sealed housing of the internal stator 3. The ease of partial disassembly of the turbogenerator (dismantling of the external rotor 4) allows it to be regularly, for example after each flight, to clean the inner surface of the outer rotor 4 and the outer surface of the inner stator 3 from the remnants of the drilling fluid and fill the inner cavity with grease for Prevent ingress of solids at the time of turning on the drilling fluid circulation.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Увеличить надежность и ресурс работы турбогенератора.1. To increase the reliability and service life of the turbogenerator.

2. Упростить конструкцию турбогенератора.2. Simplify the design of the turbogenerator.

3. Облегчить эксплуатацию турбогенератора.3. Facilitate the operation of the turbogenerator.

Claims

A turbine generator for supplying downhole equipment, comprising an internal stator with a winding made on an axis and placed in a sealed housing, on the outer surface of which are made helical grooves, an external rotor with a housing and turbine blades mounted on sliding bearings, characterized in that the internal and external the working surfaces of sliding bearings are made of solid wear-resistant material with high thermal conductivity, the turbogenerator contains a sealing element that prevents squr heat flow of flushing fluid through the gap between the stator and the rotor and made in the form of a contact seal mounted below the upper bearing, while on the rotor housing there is one row of windows, the entrance to which is located between the upper bearing and the contact seal on the inner side of the rotor housing, and the output of which is located below the impeller on the outer side of the rotor, or in the form of a cover mounted on the upper end of the rotor.