электробур

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОБУР, состоящий из герметичного маслонаполненного корпуса, содержащего электродвигатель с полым валом, и токоподвода в виде разъемного электрокабеля, секции которого жестко закреплены в бурильных трубах, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности токоподвода и эффективности электробурения за счет приближения источника тока непосредственно к электродвигателю путем упразднения системы наземного электропитания электробура, он 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) электробура.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике и технологии строительства скважин с применением забойного двигателя, в частности электробура, и решает проблему повышения эффективности электробурения.

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).

Целью изобретения является повышение надежности токоподвода и эффективности электробурения за счет приближения источника тока непосредственно к электродвигателю путем упразднения системы наземного электропитания.

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.

На фиг. 1 изображена схема расположения агрегатов электробура; на фиг. 2 - электрическая схема блока защиты и управления.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.