RU2775211C1

RU2775211C1 - Downhole hydro generator

Info

Publication number: RU2775211C1
Application number: RU2021138019A
Authority: RU
Inventors: Олег Геннадьевич Ходунов; Александр Сергеевич Дорофеев; Григорий Юрьевич Казанков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "ГеоМаш"
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-06-28

Abstract

FIELD: downhole hydro generator.

SUBSTANCE: invention relates to a downhole hydro generator. The downhole hydro generator comprises a hydro turbine stator, a hydro turbine rotor, permanent magnets and a shaft on which bearings are mounted. The downhole hydroelectric generator has a housing configured to sequentially locate an electric machine and a non-contact rotation transmission unit inside it. The electric machine consists of an electric stator, an electric rotor, a control circuit and a contactless rotation transmission unit. The control circuit is configured to convert the shaft rotation energy into an electric current of a stabilized voltage. The non-contact rotation transmission unit consists of a media separator, a system of permanent magnets and bearings. The electric machine and the contactless rotation transmission unit are interconnected by means of a coupling. The media separator is a sealed partition of a given shape. The non-contact rotation transmission unit is fixed for rotation at one end of the shaft, and the hydraulic turbine rotor is fixed at the opposite end of the shaft. The stator of the hydraulic turbine is placed on the outer surface of the housing with the possibility of forming the direction of the drilling fluid flow for the rotor of the hydraulic turbine.

EFFECT: protection of the electric machine from penetration of drilling fluid through the shaft seal, as well as increasing the reliability of operation and its service life.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к промысловой геофизике и предназначено для исследования скважин в процессе бурения, в частности для питания электрической схемы скважинного прибора, к электрическим машинам для питания передающих устройств скважинной аппаратуры и может быть использовано для питания автономных забойных, геофизических и навигационных комплексов.The invention relates to field geophysics and is intended for the study of wells in the process of drilling, in particular for powering the electrical circuit of a downhole tool, for electric machines for powering downhole equipment transmitting devices and can be used to power autonomous downhole, geophysical and navigation systems.

Существуют конструкции Скважинных гидрогенераторов, в которых электрическая машина находится в масляном пространстве, это требует сложного обслуживания генератора, требует специального масляного исполнения электрической машины и не защищает от попадания бурового раствора через вращающееся уплотнение вала при износе уплотнения.There are designs of downhole hydro generators in which the electric machine is located in the oil space, this requires complex maintenance of the generator, requires a special oil design of the electric machine and does not protect against drilling fluid from entering through the rotating shaft seal when the seal is worn.

Заявленная компоновка Скважинного гидрогенератора упрощает конструкцию, обслуживание, защищает электрическую машину от попадания бурового раствора через уплотнение вала и увеличивает надежность и срок службы электрической машины за счет того, что электрическая машина находится в воздушном пространстве и защищена от бурового раствора посредством разделителя сред.The proposed arrangement of the Downhole Hydrogenerator simplifies the design, maintenance, protects the electric machine from drilling fluid ingress through the shaft seal and increases the reliability and service life of the electric machine due to the fact that the electric machine is in the air space and is protected from drilling fluid by means of a media separator.

Известен Турбогенератор питания скважинной аппаратуры, содержащий статор с неподвижной осью, на которой установлены три подшипника, на которых установлен ротор с турбиной, внутри ротора размещены две группы постоянных магнитов, на статоре, конкретно на оси, размещены две обмотки возбуждения - слаботочная и силовая, электрический разъем размещен на нижнем торце статора и соединен с обмотками возбуждения и проводами. Фактически турбогенератор будет иметь два генератора, имеющие различную мощность и напряжение, что удобно для потребителей энергии (патент РФ №2333353, Е21В 47/022, опубл. 10.09.2008 г., прототип).Known Turbogenerator power downhole equipment, containing a stator with a fixed axis, on which three bearings are installed, on which a rotor with a turbine is installed, two groups of permanent magnets are placed inside the rotor, on the stator, specifically on the axis, two excitation windings are placed - low-current and power, electric the connector is located on the lower end of the stator and is connected to the excitation windings and wires. In fact, the turbogenerator will have two generators having different power and voltage, which is convenient for energy consumers (RF patent No. 2333353, E21B 47/022, publ. 10.09.2008, prototype).

Недостатками данного технического решения в том, что внутренняя полость заполнена смазывающей жидкостью и это приводит к сложности конструкции и сложности обслуживания при эксплуатации гидрогенератора, так же недостатком является размещение турбины поверх обмоток и магнитов электрической машины, что приводит к увеличению диаметра конструкции гидрогенератора.The disadvantages of this technical solution is that the internal cavity is filled with a lubricating fluid and this leads to the complexity of the design and complexity of maintenance during the operation of the hydro generator, as well as the placement of the turbine on top of the windings and magnets of the electric machine, which leads to an increase in the diameter of the hydro generator structure.

Технический результат заключается в уменьшение диаметральных габаритных размеров скважинного гидрогенератора, что дает возможность эксплуатировать генератор в бурильных трубах меньшего размера диаметра, и при этом увеличить надежность и срок службы скважинного гидрогенератора.The technical result consists in reducing the diametrical overall dimensions of the downhole hydroelectric generator, which makes it possible to operate the generator in drill pipes of a smaller diameter, and at the same time increase the reliability and service life of the downhole hydrogenerator.

Поставленный технический результат достигается тем, что Скважинный гидрогенератор содержит статор гидротурбины, ротор гидротурбины, постоянные магниты, вал, на котором установлены подшипники, и снабжен корпусом, выполненным с возможностью последовательного расположения внутри него электрической машины, состоящей из электрического статора, электрического ротора и схемы управления, выполненной с возможностью преобразования энергии вращения вала в электрический ток стабилизированного напряжения, и узла бесконтактной передачи вращения, состоящего из разделителя сред, установленного с возможностью разделения воздуха и бурового раствора, и системы постоянных магнитов, размещенных с возможностью передачи вращения из одной среды в другую среду через разделитель сред, и подшипников, при этом электрическая машина и узел бесконтактной передачи вращения соединены между собой посредством муфты, разделитель сред представляет собой герметичную перегородку заданной формы, узел бесконтактной передачи вращения закреплен с возможностью вращения на одном конце вала, а ротор гидротурбины закреплен на противоположном конце вала с возможностью передачи ему вращения, статор гидротурбины размещен на внешней поверхности корпуса с возможностью формирования направления потока бурового раствора для ротора гидротурбины.The stated technical result is achieved by the fact that the downhole hydro generator contains a hydraulic turbine stator, a hydraulic turbine rotor, permanent magnets, a shaft on which bearings are installed, and is equipped with a housing configured to sequentially locate an electric machine inside it, consisting of an electric stator, an electric rotor and a control circuit , made with the possibility of converting the energy of rotation of the shaft into electric current of a stabilized voltage, and a contactless rotation transmission unit, consisting of a media separator installed with the possibility of separating air and drilling fluid, and a system of permanent magnets placed with the possibility of transmitting rotation from one medium to another medium through the media separator, and bearings, while the electric machine and the contactless rotation transmission unit are interconnected by means of a coupling, the media separator is a sealed partition of a given shape, the contactless transmission unit in rotation is fixed for rotation at one end of the shaft, and the hydraulic turbine rotor is fixed at the opposite end of the shaft with the possibility of transferring rotation to it, the hydraulic turbine stator is placed on the outer surface of the housing with the possibility of forming the drilling fluid flow direction for the hydraulic turbine rotor.

На фиг. изображен Скважинный гидрогенератор.In FIG. Downhole hydro generator is shown.

Скважинный гидрогенератор содержит корпус 1, который выполнен с возможностью последовательного расположения внутри него электрической машины 2, узла бесконтактной передачи вращения 3, вала 4 и подшипников 5, и с возможностью расположения статора гидротурбины 6 на внешней поверхности корпуса 1, и ротор гидротурбины 7.The downhole hydroelectric generator contains a housing 1, which is configured to sequentially locate inside it an electric machine 2, a contactless rotation transmission unit 3, a shaft 4 and bearings 5, and with the possibility of locating the hydroturbine stator 6 on the outer surface of the housing 1, and the hydroturbine rotor 7.

Электрическая машина 2 состоит из электрического статора, электрического ротора и блока (схемы) управления, выполненного с возможностью преобразования механической энергии вращения вала 4 в электрический ток стабилизированного напряжения.The electric machine 2 consists of an electric stator, an electric rotor and a control unit (circuit) configured to convert the mechanical energy of the shaft 4 rotation into a stabilized voltage electric current.

Узел бесконтактной передачи вращения 3 состоит из разделителя сред 8, установленного с возможностью разделения воздуха и бурового раствора, и системы постоянных магнитов 9, размещенных с возможностью передачи вращения из одной среды в другую среду через разделитель сред 8.The non-contact rotation transmission unit 3 consists of a media separator 8 installed with the possibility of separating air and drilling fluid, and a system of permanent magnets 9 placed with the possibility of transmitting rotation from one medium to another medium through the media separator 8.

Разделитель сред 8 представляет собой герметичную перегородку заданной формы и закреплен на одном конце вала 4 с возможностью вращения вала 4. На противоположном конце вала 4 закреплен ротор гидротурбины 7 посредством крепежного элемента 10, например, винта, с возможностью передачи валу 4 вращения.The media separator 8 is a sealed partition of a predetermined shape and is fixed at one end of the shaft 4 with the possibility of rotation of the shaft 4. At the opposite end of the shaft 4, the rotor of the hydraulic turbine 7 is fixed by means of a fastener 10, for example, a screw, with the possibility of transferring rotation to the shaft 4.

Система постоянных магнитов размещена в узле бесконтактной передачи вращения 3 с возможностью передачи вращения из одной среды, например, воздуха, в другую, например, бурового раствора, через разделитель сред 8.The system of permanent magnets is located in the contactless rotation transmission unit 3 with the possibility of transferring rotation from one medium, for example, air, to another, for example, drilling mud, through a media separator 8.

Электрическая машина 2 и узел бесконтактной передачи вращения 3 соединены между собой посредством соединительной муфты 11.The electric machine 2 and the contactless rotation transmission unit 3 are interconnected by means of a coupling 11.

Статор 6 размещен на внешней поверхности корпуса 1 с возможностью формирования направления потока бурового раствора для ротора гидротурбины 7.The stator 6 is placed on the outer surface of the housing 1 with the possibility of forming the direction of the flow of the drilling fluid for the rotor of the hydraulic turbine 7.

Корпус 1 выполнен с возможностью установления его в бурильной трубе 12 заданных размеров, например, в бурильных трубах 12 с внутренним диаметром 56 мм, с возможностью расположения внутри него электрической машины 2, узла бесконтактной передачи вращения 3, вала 4 и подшипников 5 и с возможностью расположения статора гидротурбины 6 на внешней его поверхности.The housing 1 is made with the possibility of installing it in the drill pipe 12 of a given size, for example, in drill pipes 12 with an inner diameter of 56 mm, with the possibility of locating inside it an electric machine 2, a non-contact rotation transmission unit 3, a shaft 4 and bearings 5 and with the possibility of locating the stator of the hydraulic turbine 6 on its outer surface.

Подшипники 5, установленные внутри корпуса 1 на валу 4, защищены заданным небольшим зазором между корпусом 1 и валом 4 от попадания крупных частиц с небольшим диаметром, что снижает механический момент вращения создаваемый подшипниками 5.Bearings 5 installed inside housing 1 on shaft 4 are protected by a given small gap between housing 1 and shaft 4 from large particles with a small diameter, which reduces the mechanical torque generated by bearings 5.

Подшипники 5 представляет собой, например, вращающиеся опоры вала 4, и обеспечивают валу 4 опору в осевом и радиальном направлениях.The bearings 5 are, for example, the rotating bearings of the shaft 4 and support the shaft 4 in the axial and radial directions.

Каждый из подшипников 5 выполнен из материала с твердостью выше чем твердость частиц бурового раствора, позволяя увеличить срок эксплуатации гидрогенератора без замены подшипников 5.Each of the bearings 5 is made of a material with a hardness higher than the hardness of the drilling fluid particles, allowing to increase the service life of the hydro generator without replacing the bearings 5.

Скважинный гидрогенератор работает следующим образом:Downhole hydro generator works as follows:

Скважинный гидрогенератор устанавливают в скважине внутри бурильной трубы 12 меньшего размера диаметра, например, в бурильных трубах с внутренним диаметром 56 мм.The downhole hydro generator is installed in a well inside a drill pipe 12 of a smaller diameter, for example, in drill pipes with an internal diameter of 56 mm.

Осуществляют подачу бурового раствора на ротор гидротурбины 7. Проходя мимо статора гидротурбины 6, буровой раствор получает заданное направление для ротора гидротурбины 7, осуществляя вращение гидротурбины.Drilling fluid is supplied to the rotor of the hydraulic turbine 7. Passing by the stator of the hydraulic turbine 6, the drilling fluid receives a given direction for the rotor of the hydraulic turbine 7, rotating the hydraulic turbine.

Буровой раствор, проходя через ротор гидротурбины 7, вращает гидротурбину с заданной скоростью, обеспечивающей работу электрической машины 2, а именно, преобразование механической энергии в электрический ток стабилизированного напряжения, а за счет блока (схемы) управления, в котором введены заданные параметры процесса преобразования механической энергии в электрический ток стабилизированного напряжения, в том числе уровень стабилизации выходного напряжения и защитные ограничения, осуществляет управление заданными параметрами.The drilling fluid, passing through the rotor of the hydraulic turbine 7, rotates the hydraulic turbine at a given speed, which ensures the operation of the electric machine 2, namely, the conversion of mechanical energy into electric current of a stabilized voltage, and due to the control unit (circuit) in which the specified parameters of the process of converting mechanical energy into an electric current of a stabilized voltage, including the level of stabilization of the output voltage and protective limits, controls the specified parameters.

Ротор гидротурбины 7, вращаясь, передает вращение на вал 4.The rotor of the hydraulic turbine 7, rotating, transmits the rotation to the shaft 4.

Вал 4, вращаясь, осуществляет вращение узла бесконтактной передачи вращения 3, который в свою очередь передает вращение на электрическую машину 2.Shaft 4, rotating, rotates the contactless rotation transmission unit 3, which in turn transmits rotation to the electric machine 2.

Электрическая машина 2 при своем вращении вырабатывает электроэнергию, которая поступает к потребителю.The electric machine 2, during its rotation, generates electricity, which is supplied to the consumer.

Пример.Example.

Скважинный гидрогенератор устанавливают в скважине внутри бурильной трубы 12 с внутренним размером диаметра 56 мм для осуществления бурения.A downhole hydro generator is installed in a well inside a drill pipe 12 with an inner diameter dimension of 56 mm for drilling.

В процессе бурения подают буровой раствор внутри бурильной трубы 12 на ротор гидротурбины 7, который проходит мимо статора гидротурбины 6, размещенного на внешней поверхности корпуса 1. Статор гидротурбины 6 формирует направление потока бурового раствора, изменяя его направление для ротора гидротурбины 7 и обеспечивая вращение ротора гидротурбины 7 с скоростью более 1000 оборотов в минуту.In the drilling process, drilling fluid is supplied inside the drill pipe 12 to the hydraulic turbine rotor 7, which passes by the hydraulic turbine stator 6, located on the outer surface of the housing 1. The hydraulic turbine stator 6 forms the direction of the flow of the drilling fluid, changing its direction for the hydraulic turbine rotor 7 and ensuring the rotation of the hydraulic turbine rotor 7 at over 1000 rpm.

Ротор гидротурбины 7 преобразует движение потока бурового раствора во вращение, тем самым вращая вал 4 потоком бурового раствора. Вал 4 передает свое вращение в узел бесконтактной передачи вращения 3, который обеспечивает передачу вращения через неподвижный разделитель сред 8 в виде герметичной металлической перегородки с заданной формы, разделяющей воздух в электрической машине 2 и буровой раствор внутри корпуса, при этом система постоянных магнитов 9 передает вращение из одной среды в виде воздуха в другую в виде бурового раствора через разделитель сред 8.The hydraulic turbine rotor 7 converts the movement of the drilling fluid flow into rotation, thereby rotating the shaft 4 with the drilling fluid flow. The shaft 4 transmits its rotation to the non-contact rotation transmission unit 3, which ensures the transmission of rotation through a fixed media separator 8 in the form of a sealed metal partition with a given shape, separating the air in the electric machine 2 and the drilling fluid inside the housing, while the system of permanent magnets 9 transmits rotation from one medium in the form of air to another in the form of drilling fluid through the media separator 8.

Буровой раствор, проходя через ротор гидротурбины 7, узел бесконтактной передачи вращения 3 вращает электрическую машину 2 со скоростью более 1000 оборотов в минуту, обеспечивая ее работу: преобразуя механическую энергию - энергию вращения вала 4 в электрический ток стабилизированного напряжения, при этом посредством блока (схемы) управления осуществляют управлением процессом преобразования энергии вращения вала 4 в электрический ток стабилизированного напряжения в автоматическом режиме, управляя параметрами процесса, в том числе уровнем стабилизации выходного напряжения и защитными ограничениями.The drilling fluid, passing through the rotor of the hydraulic turbine 7, the contactless rotation transmission unit 3 rotates the electric machine 2 at a speed of more than 1000 rpm, ensuring its operation: converting mechanical energy - the energy of rotation of the shaft 4 into an electric current of stabilized voltage, while using a ) controls are carried out by controlling the process of converting the energy of rotation of the shaft 4 into an electric current of a stabilized voltage in automatic mode, controlling the process parameters, including the level of stabilization of the output voltage and protective restrictions.

Электрическая машина 2 при своем вращении вырабатывает электроэнергию мощностью до 100 Вт и более, которая поступает к потребителю.The electric machine 2, during its rotation, generates electricity with a power of up to 100 W or more, which is supplied to the consumer.

Заявленное техническое решение позволяет осуществлять его использования в бурильных трубах меньшего размера диаметра за счет компоновки с уменьшенными диаметральными габаритными размерами скважинного гидрогенератора, при этом увеличивая надежность и срок службы скважинного гидрогенератора.The claimed technical solution allows its use in drill pipes of a smaller diameter due to the arrangement with reduced diametrical overall dimensions of the downhole hydrogenerator, while increasing the reliability and service life of the downhole hydrogenerator.

Claims

A downhole hydroelectric generator containing a hydroturbine stator, a hydroturbine rotor, permanent magnets, a shaft on which bearings are mounted, characterized in that it is provided with a housing configured to sequentially locate an electric machine inside it, consisting of an electric stator, an electric rotor and a control circuit made with the possibility of converting the shaft rotation energy into a stabilized voltage electric current, and a contactless rotation transmission unit, consisting of a media separator installed with the possibility of separating air and drilling fluid, and a system of permanent magnets placed with the possibility of transmitting rotation from one medium to another medium through the media separator , and bearings, while the electric machine and the contactless rotation transmission unit are interconnected by means of a coupling, the media separator is a sealed partition of a given shape, the contactless rotation transmission unit is fixed with the possibility of rotation at one end of the shaft, and the hydraulic turbine rotor is fixed on the opposite end of the shaft with the possibility of transferring rotation to it, the hydraulic turbine stator is placed on the outer surface of the housing with the possibility of forming the drilling fluid flow direction for the hydraulic turbine rotor.