гидроагрегат скважинной гидроэлектростанции

Формула изобретения

Гидроагрегат скважинной гидроэлектростанции, включающий гидротурбину, соединенную с электрогенератором, установленные в скважине, электрокабель, соединяющий электрогенератор на поверхности с электропреобразователем, отличающийся тем, что гидротурбиной является турбобур, электрогенератором - электробур, которые агрегатированы, и соединены посредством общего корпуса с прорезями, к нижней части корпуса подсоединен узел фиксирования, включающий упор забойный, рычаги фиксатора и рычаги упорные, скользящие элементы которых установлены с возможностью перемещения по конусу упора забойного, воздействуя на рычаги фиксатора, вызывая их отклонение к стенкам скважины, при этом гидроагрегат снабжен разгрузочным устройством, например домкратом, соединенным с верхним концом бурильной колонны.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано для производства электроэнергии и организации электроснабжения потребителей в местностях, в которых имеются необходимые условия для работы скважинной гидроэлектростанции, в том числе для осуществления децентрализованного электроснабжения автономных, удаленных от централизованных инженерных коммуникаций потребителей. Таким образом, заявляемый гидроагрегат предназначен для использования его в скважинной гидроэлектростанции.

Известна гидроэлектростанция (Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. Под ред. проф. Карелина В.Я. и Кривченко Г.Н. М., Энергоатомиздат, 1987 г.). Она включает источник воды, например реку, плотину, питательную емкость, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, расположенный ниже точки сообщения верхнего конца водовода с питательной емкостью. В нижней части водовода установлена гидравлическая машина - гидротурбина, вал которой соединен с ротором электрогенератора, образуя их сочетание - гидроагрегат. Гидравлическая энергия потока воды преобразуется гидроагрегатом в электрическую энергию, которая поставляется электропотребителю. Известная гидроэлектростанция, поскольку она находится на поверхности, не стеснена в размерах, т.е. в ее конструкции нет жесткого ограничения в габаритах, в т.ч. гидроагрегата. При этом в конструкции, например в подшипниках, предусматриваются лабиринтные уплотнения (габаритные), а электрогенератор находится в отдельном помещении в нормальных, как правило, условиях.

Известна скважинная гидроэлектростанция (Generation of electricity during the injection of a denste fluid into a subterranean formation. Патент US 4132269 А, Кл. Е21В 43/20, F03G 7/04, опубл. 02.01.1979 г.), работающая с использованием аналогичного принципа, водоводом в которой является буровая скважина, а гидроагрегат в ней может быть расположен на большой глубине, и принятая в качестве прототипа. В скважинной гидроэлектростанции к ее гидроагрегату предъявляются более жесткие требования по условиям ее эксплуатации. В частности, к этим требованиям следует отнести: необходимость работы, в том числе электрогенератора, в воде (жидкости); работу при малых габаритах - диаметр 164-290 мм; работу при высоких гидростатических давлениях - до 30-40 МПа и более; а также работу при воздействиях абразивных включений, часто содержащихся в подземной воде, используемой в качестве источника воды для работы гидроагрегата скважинной гидроэлектростанции, далее СГЭС.

Требуемой спецификой ее эксплуатации является и соответствие приспособленности ее при монтаже и эксплуатации к операциям технологического процесса бурения, в том числе, когда монтаж гидроагрегата должен осуществляться только через устье скважины - без специальных вспомогательных горных выработок для этого, с использованием оборудования и инструмента, применяемых при бурении.

В настоящее время серийное производство гидроагрегатов для скважинных гидроэлектростанций, отвечающих специальным (специфическим) требованиям, предъявляемым к ним, и приспособленных к процессу бурения, отсутствует. А связанные с реализацией скважинного гидроагрегата расходы на научно-исследовательские (НИР), опытно-конструкторские работы (ОКР) и организация постановки их на серийное производство усложнят стадию внедрения устройства и повысят ее стоимость.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание устройства - скважинного гидроагрегата, в котором обеспечивалось бы соответствие требуемым жестким скважинным условиям его работы, а именно: его малые габариты (диаметр), работа электрогенератора в воде (жидкости) при высоких ее давлениях, в том числе содержащей абразивные включения, осуществление передачи выработанной гидроагрегатом электрической энергии от гидроагрегата (часто с забоя) на дневную поверхность по специальному, закрепленному в бурильной колонне труб скважинному кабелю, выполняющему, в том числе, роль грузонесущей линии, с минимумом затрат на реализацию работоспособного устройства, и приспособленного к процессу бурения, монтаж и эксплуатация которого осуществлялись бы только через устье скважины и с применением оборудования и инструмента, используемых при бурении.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном гидроагрегате скважинной гидроэлектростанции, включающем гидротурбину, соединенную с электрогенератором, установленные в скважине, электрокабель, соединяющий электрогенератор на поверхности с электропреобразователем, гидротурбиной является турбобур, электрогенератором - электробур, которые агрегатированы и соединены посредством общего корпуса с прорезями, к нижней части корпуса подсоединен узел фиксирования, включающий упор забойный, рычаги фиксатора и рычаги упорные, скользящие элементы которых установлены с возможностью перемещения по конусу упора забойного, воздействуя на рычаги фиксатора, вызывая их отклонение к стенкам скважины, при этом гидроагрегат снабжен разгрузочным устройством, например домкратом, соединенным с верхним концом бурильной колонны.

Признаки заявляемой скважинной гидроэлектростанции позволяют достигнуть поставленного перед изобретением результата, а именно: агрегатированные и закрепленные на колонне бурильных труб для электробурения турбобур и электробур, подключенный к электрокабелю, закрепленному к трубам, при существовании скважинного гидроэнергетического потока (СГЭП) работоспособны в скважинных условиях. При его работе, под действием СГЭП, проходящего через турбобур, его ротор принимает вращение и преобразует гидравлическую энергию СГЭП в механическую энергию турбобура (Грызов И.С. и др. Турбинное бурение глубоких скважин. М., Недра, 1967 г.). Возникающий при работе турбобура реактивный момент воспринимается колонной бурильных труб для электробурения, с которой соединен корпус турбобура и верхний конец которых жестко закреплен на устье скважины, например в роторном столе (Грызов И.С. и др. Турбинное бурение глубоких скважин. М., Недра, 1967 г.), либо с использованием домкрата. Вращающий момент турбобура передается соединенному с его ротором якорю выше установленного электробура, реактивный момент которого (поскольку его корпус соединен с колонной труб) также воспринимается бурильной колонной труб, верхний конец которой закреплен на устье скважины (Фоменко Ф.Н. Электробуры для бурения нефтегазовых скважин. М., 1958 г.). Электробур, работающий в режиме электрогенератора, вырабатывает электроэнергию и по кабелю, закрепленному на колонне труб для электробурения, передает ее на дневную поверхность к электропреобразователю-формирователю, и далее она направляется к электропотребителям.

Примененные в заявляемом устройстве турбобур, электробур, а также электрокабель, закрепленный на бурильной колонне, предназначены для работы в скважинных условиях, и это дает основание констатировать работоспособность гидроагрегата скважинной гидроэлектростанции в скважинных условиях. Кроме того, поскольку примененное оборудование приспособлено к технологическому процессу бурения, а операции по его монтажу и эксплуатации совмещаются с характерными для него операциями, то и заявляемый гидроагрегат скважинной гидроэлектростанции является приспособленным к процессу бурения. В частности, установка гидроагрегата в скважине и последующая его эксплуатация осуществляются только через устье скважины и не требуют для этого проведения дополнительных вспомогательных горных выработок.

Снабжение гидроагрегата скважинной гидроэлектростанции узлом фиксирования, включающим упор забойный, рычаги фиксатора и рычаги упорные, скользящие элементы которых установлены с возможностью перемещения по конусу упора забойного, воздействуя на рычаги фиксатора, вызывая их отклонение к стенкам скважины, позволяет стабилизировать состояние гидроагрегата, снизить возможные отрицательные вызванные его динамикой отклонения при его работе, которые могут снизить его безотказность (надежность). Объяснение этому состоит в следующем. Между корпусом турбобура и стенками скважины существует зазор, составляющий 8 мм и более. При работе гидроагрегата ротор подвешенного на колонне труб турбобура гидроагрегата вращается, вызывая скручивание на некоторый угол колонны труб, верхний конец которой закреплен на устье (под действием реактивного момента). Действие на колонну труб крутящих моментов, в том числе переменных, при различных электрических нагрузках потребителей, наличие зазора между корпусом гидроагрегата и стенками скважины, приводят к возникновению динамических условий работы гидроагрегата (повышенные вибрации, знакопеременные крутильные деформации) и отрицательно сказываются на надежности его работы и, как следствие, на безопасности электроснабжения от него (как энергоисточника). Узел фиксирования гидроагрегата позволяет «затормозить» от возможных крутильных колебаний бурильной колонны гидроагрегат - его нижнюю часть (собственно турбобур и электробур) - о стенки скважины, а при возможном его повороте (скручивании) под действием «скручивающих» усилий обеспечить его забойную опору и скольжение (проворачивание) и «сделать» его положение в скважине более стабилизированным. Это позволяет снизить уровень вибраций и динамических нагрузок собственно гидроагрегата и повысить надежность его работы.

Использование в качестве разгрузочного устройства домкрата, соединенного с верхним концом бурильной колонны, предназначенного для фиксации скважинной колонны труб для электробурения на устье скважины, позволяет снизить нагрузку, создаваемую весом бурильной колонны (она тем больше, чем больше глубина скважины - длина бурильной колонны), действующую на собственно гидроагрегат. При больших глубинах, несмотря на использование в электробурах (турбобурах) шпинделей для снижения нагрузки на электробур, вес колонны труб может превышать допустимое значение прочности гидроагрегата, вывести его из строя. При этом домкрат, удерживающий бурильную колонну, воспринимает нагрузку, создаваемую весом колонны, или ее часть, а нагрузку на гидроагрегат делает не превышающей предельного уровня.

На фиг.1 и 2 в качестве примера приведены схемы работы заявляемого гидроагрегата скважинной гидроэлектростанции, в дальнейшем СГЭС. На фиг.1 - схема гидроагрегата СГЭС в скважине перед постановкой его на забой скважины (перед его фиксацией в скважине). На фиг.2 приведена схема узла фиксации гидроагрегата СГЭС после постановки его на забой (фиксация его в скважине).

На фиг.1, 2 введены следующие обозначения: 1 - буровая скважина; 2 - подземный водоносный интервал, перебуренный скважиной; 3 - водопровод от поверхностного источника воды, проведенного до скважины; 4 - зона стока (поглощения), до которой пробурена скважина; 5 - вода в скважине; 6 - динамический уровень воды в скважине; 7 - задвижка поверхностного источника воды; 8 - турбобур (скважинная гидротурбина); 8.1 - лопатки статора турбобура; 8.2 - лопатки ротора турбобура; 8.3 - гидравлический канал турбобура (механо-гидравлическое сопряжение лопаток статора и ротора); 9 - электробур (скважинный электродвигатель - электрогенератор); 9.1 - якорь-шпиндель электробура; 9.2 - полый (гидравлический) канал в якоре-шпинделе; 10 - корпус гидроагрегата (гидротурбина - электрогенератор); 10.1 - корпус электробура; 10.2 - корпус турбобура; 10.3 - второй переводник, соединяющий 10.1 и 10.2; 11 - прорези (отверстия) в корпусе 10 переводника 10.3; 12 - центрирующие пружины; 13 - упор забойный; 14 - тяга ограничителя упора забойного; 15 - рычаги упорные; 16 - рычаги фиксатора; 17 - стенки скважины; 18 - первый переводник; 19 - бурильная труба; 20 - электрокабель; 21 - муфта соединения провода; 22 - кронштейны контактного соединителя; 23 - контактный соединитель кабеля; 24, 25 - контакты кабеля; 26 - электропреобразователь; 27 - домкрат, соединенный с верхом бурильной колонны на устье скважины.

Для выработки электроэнергии с использованием бурильной колонны для электробурения, оборудованной специальным кабелем, при соединении труб с гидроагрегатом в нижней ее части пробурена скважина гидроэнергетического назначения, конструкция которой приведена на фиг.1. Диаметр пробуренной скважины составляет 190 мм. Скважина пробурена до зоны поглощения 4 (скважиной перебурена зона поглощения ниже ее подошвы на 2 м). В процессе бурения скважины ею перебурен водоносный интервал 2, который опробован, оборудован бурильной колонной с фильтром с целью последующего использования воды для формирования гидроэнергетического потока в буровой скважине (далее СГЭП). Скважинной расходометрией (Ивачев Л.М. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геологоразведочных скважин. - М., Недра, 1982) перебуренного водоносного интервала определено положение его границ и дебит, который составил Q=0,01 м³/с.

Для формирования требуемой мощности СГЭП к ее устью водопроводом 3 подведена к скважине вода от поверхностного источника, для регулирования расхода которой предусмотрена задвижка 7. Дополнительный расход поверхностного источника для выработки предлагаемой скважинной гидроэлектростанцией электроэнергии мощностью, равной N=65 кВт, составляет также Qпов=0,01 м³/c. Таким образом, суммарный расход воды, формируемый СГЭП, составляет Q =0,02 м³/с. Потоки воды из водопровода 3 и из водоносного интервала 2 поступают в скважину и двигаются в зону ее стока - зону поглощения, формируя СГЭП. В скважине устанавливается динамический уровень напора Н _дн, его значение, определенное для рассматриваемой скважины, составило 450 м. Скважинной расходометрией проверено и подтверждено, что утечек воды на интервале от Н_дн до места установки гидроагрегата нет. Гидравлическая мощность, определяемая согласно известного соотношения (Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. Под редакцией проф. Карелина В.Я. и Кривченко Г.Н. М., Энергоатомиздат, 1987 г.), для сформированного СГЭП, при подстановке соответствующих значений, составляет:

Nг= ·q·Hдн·Q , где

Nг - гидравлическая мощность сформированного в скважине СГЭП, Вт;

- плотность воды, кг/м³;

q - ускорение свободного падения, м/с²;

Ндн - динамический уровень напора (превышение динамического уровня в работающей скважине) над гидроагрегатом, м;

Q - суммарный расход СГЭП в сечении на глубине установки гидроагрегата, м³/с.

Для рассматриваемого примера: =10³ кг/м³; q=9,8 м/с²; Ндн=450 м; Q =0.02 м³/с. После подстановки в формулу (1) получим:

Принимая реально достижимый КПД гидроагрегата существующего бурового оборудования, равный =(0,75-0,85), можно говорить, что с его использованием для рассматриваемого примера в скважине может быть выработана сформированным в ней СГЭП, с гидравлической мощностью, равной 88,2 кВт, электроэнергия мощностью 65 кВт.

Для осуществления выработки электроэнергии в рассматриваемой скважине в нее спускается бурильная колонна, по составу аналогичная предназначенной для электробурения (Фоменко Ф.Н. Электробуры для бурения нефтегазовых скважин. М., 1958 г.). Перед этим турбобур 8 и электробур 9 агрегатированы, для чего их корпуса 10.3 и 10.1 соединены переводником 10.2, а снаружи их установлен корпус гидроагрегата 10, в котором, как и в переводнике 10.3, выполнены отверстия 11, через которые гидравлический канал турбобура 8 сообщен со скважиной (через них имеет сообщение со скважиной и полость 9.2 якоря-шпинделя 9.1 электробура 9). К турбобуру 8 в нижней части корпуса 10 крепится узел фиксирования, включающий упор забойный 13, рычаги фиксатора 16, соединенные с рычагами упорными 15, скользящие элементы которых установлены с возможностью перемещения по конусу упора забойного 13, вызывая их отклонение к стенкам скважины (Породоразрушающий инструмент на ротор турбобура не устанавливается - при этом он отсутствует).

К переводнику 18, навинченному на нижнюю трубу бурильной колонны, посредством резьбы на электробуре 9 навинчивается собранный гидроагрегат. Установленный на трубу гидроагрегат опускается в скважину на колонне бурильных труб по известной в бурении технологии с использованием лебедки для спуско-подъема бурового снаряда и труборазворота.

Таким образом, турбобур 8 в нижней части соединен с узлом фиксирования, а в верхней части - с электробуром 9 посредствам соединения их корпусов корпусом 10 с прорезями 11. В предлагаемом устройстве применен используемый для бурения глубоких скважин турбобур типа Т12МЗЕ-6 5/8^'', диаметром 172 мм, с частотой вращения 685 с^-1 и с числом ступеней в секции, достаточных для обеспечения требуемой выходной мощности 77 кВт при расходе потока воды через него, равного 20 л/с (Фоменко Ф.Н. Электробуры для бурения нефтегазовых скважин. М., 1958 г.). Электробур типа Э164-8, 9 предназначенный для осуществления электробурения глубоких скважин, при организации вращения его ротора может работать в режиме электрогенератора (Грызов И.С. и др. Турбинное бурение глубоких скважин. М., Недра, 1967 г.; Фоменко Ф.Н. Электробуры для бурения нефтегазовых скважин. М., 1958 г.). Он приспособлен для работы в скважинных условиях - выполнен маслонаполненным и это позволяет ему работать в скважинной жидкости, в т.ч. в воде, содержащей реагенты и абразивные включения, при больших гидростатических давлениях. Для рассматриваемого примера выбран электробур типа Э164-8 с наружным диаметром 164 мм, частотой вращения 685 с^-1 и с развиваемой мощностью 65 кВт.

Турбобур 8 и электробур 9 агрегатированы - их корпуса соединены. В нижней части к корпусу турбобура 10.2 подсоединен узел фиксирования гидроагрегата. Благодаря этому узлу, возникающая при работе гидроагрегата доля реактивного момента «скручивающего» нижнего конца бурильной колонны передается стенкам скважины (воспринимается ими). При этом собственно гидроагрегат (статоры турбобура и электробура - нижняя часть колонны труб с гидроагрегатом) стабилизирован, находится в неподвижном состоянии и не вибрирует при вращении роторов с номинальной частотой.

На корпус верхней части электробура 9 (гидроагрегата) навинчен наконечник 18, внутренней резьбой соединенный с нижней бурильной трубой 19. До самого забоя бурильная колонна включает бурильные трубы (19), соединенные муфтами соединения 21. В каждой муфте установлены кронштейны 22 контактного соединения 23 электрокабеля 20. При соединении муфт 21 бурильных труб автоматически соединяют установленные в них контактные соединения электрокабеля. Этим обеспечивается изолированная линия, соединяемая посредством герметичных разъемов с электробуром. На выходе из бурильных труб кабель 20 соединен с электропреобразователем - формирователем сигнала 26. Электрокабель может быть двухжильным, трехжильным, либо многожильным (Фоменко Ф.М. Бурение скважин электробуром. М., Недра, 1974 г.)

Электрокабель 19 использован специализированный, применяемый при осуществлении электробурения. Он приспособлен для работы в скважинных условиях: включает грузонесущие элементы, контактные соединители 23, установленные на кронштейнах 22, и выдерживает возникающие усилия (грузовые) в кабеле при его большой длине (при большой глубине скважины и при большой глубине установки в ней гидроагрегата); надежно работает в движущейся воде, в том числе содержащей абразивные включения; он снабжен герметичными специальными контактными соединениями для сращивания отдельных отрезков кабеля (по-трубно).

Опускается буровой снаряд в указанной компоновке с использованием стандартного бурового оборудования - буровой лебедки, труборазворота и вышки. Свободному спуску гидроагрегата способствует ненагруженное состояние упора забойного 13, который не вызывает срабатывания рычагов упорных 15, их воздействия на рычаги фиксатора 16 и отклонения последних к стенкам скважины 17.

При постановке на забой (фиг.2) упор забойный 13 упирается в забой, при этом тяга 14 перемещается в направляющих (под действием веса колонны труб и гидроагрегата). Скользящие элементы рычагов упорных 15 перемещаются по конусу упора забойного 13, воздействуя на рычаги фиксатора 16, вызывая их отклонение к стенкам скважины 17. Отклоняясь, они прижимаются с усилием к стенкам скважины и фиксируются. При этом за счет возникших сил трения фиксируется о стенки скважины жестко соединенный с упором скважинным 16 корпус 10, а также соединенные с ним корпуса (статоры 8 и 9), соответственно, и турбобура 10.2, и электробура 10.1. При этом воспринимаемые ими доли реактивных моментов от скручивания бурильной колонны готовы передаваться на стенки скважины.

Верх бурильной колонны на устье скважины закрепляется посредством роторного стола буровой установки, а необходимое усилие на гидроагрегат создается весом бурильной колонны, регулируемым посредством лебедки (Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др. Технология и техника разведочного бурения. М., Недра, 1983 г., стр.411).

На поверхности кабель от гидроагрегата подключают к электропреобразователю - формирователю сигнала 26.

Пружины 12 предназначены для центрирования электробура 9 в скважине.

Работает гидроагрегат СГЭС следующим образом.

Вода из подземного водоносного интервала 2 поступает в скважину 1. Открывают задвижку 7 и направляют поток воды из поверхностного источника в скважину. Вода из источников воды поступает в скважину, при этом в ней устанавливается динамический уровень и соответствующий уровень напора Н_дн =450 м, а вода (от него) сплошным потоком движется с суммарным расходом, равным 0,02 м³/с, в зону стока (поглощения) 4. Сформированный СГЭП движется по кольцевому каналу скважины к зоне стока 4 и при этом по отверстиям 11 поступает на лопатки 8.1 и 8.2 турбобура 8, вызывая вращение его ротора 8. Вращение ротора турбобура передается якорю-шпинделю электробура 9 (электрогенератора), соединенному с ротором турбобура. Гидравлическая мощность потока воды в скважине, равная 88,2 кВт, гидроагрегатом преобразуется в электрическую мощность, которая в виде электрического тока по электрокабелю 20 передается на поверхность и поступает в электропреобразователь - формирователь сигнала 26. В нем электроэнергия преобразуется и формируется, принимая параметры регламентированные нормативной документацией (ГОСТ 13109-97. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. М., Изд-во стандартов, 1996).

От электропреобразователя - формирователя сигнала 26 электроэнергия регламентированного качества и требуемой величины, мощностью, равной 65 кВт, выработанная скважинной гидроэлектростанцией с использованием заявляемого гидроагрегата, распределяется и направляется к электропотребителям.

При отсутствии буровой лебедки, в случаях когда вес бурильной колонны превышает допустимую нагрузку на гидротурбину и забойный электродвигатель-электрогенератор, для ее снижения может быть использовано разгружающее устройство, например домкрат, соединенный с верхним концом бурильной колонны. В необходимых случаях им создается разгружающее усилие - снимается часть нагрузки веса бурильной колонны до требуемого уровня.

Применение известных турбобура и электробура путем их агрегатирования с осуществлением фиксации их статоров в скважине и опоры на забой для последующей выработки электроэнергии в скважинной гидроэлектростанции, а также передачи выработанной электроэнергии на дневную поверхность от забоя стало возможным благодаря обнаруженным автором признакам заявляемого изобретения, направленных на достижение требуемого технического результата.

Использование известных турбобура и электробура в качестве гидроагрегата скважинной гидроэлектростанции дешевле и проще по сравнению с другими вариантами, предусматривающими дополнительное проведение НИР и ОКР. Использование турбобура и электробура в качестве гидроагрегата скважинной гидростанции и электрокабеля, грузонесущую роль в котором играет бурильная колонна, позволит снизить расходы на разработку специального гидроагрегата скважинной гидроэлектростанции и электрокабеля для передачи электроэнергии от забоя на поверхность и за счет этого сэкономить денежные средства.

Приспособленность заявляемого гидроагрегата к процессу бурения, совмещаемость операций по его монтажу и эксплуатации с операциями процесса бурения позволяют осуществлять его монтаж и эксплуатацию с минимальными затратами.

Следует отметить, что для преобразования различных гидравлических мощностей в скважине в электроэнергию СГЭС, для формирования типоразмерного ряда гидроагрегатов могут использоваться по заявляемому решению различные турбобуры и их многосекционные компоновки, а также различные (по мощности и диаметрам) электробуры.