ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ЗАБОЙНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Г. ГРИГАШКИН, С. ВАРЛАМОВ, ЗАО НПП «Самарские горизонты»
Рис.1
а) Генератор SG 063; б) Генератор SG 077; в) Генератор SG 069; г) Генератор SG 072; д) Статорное железо генераторов.
Питание забойной телеметрической системы (ЗТС) во время промывки скважины, как правило, осуществляется генератором лопасти, турбины которого приводит в движение буровой раствор. Когда расход бурового раствора невелик или промывка скважины не ведется, в качестве источника энергии применяются батареи электрических элементов. В этом случае электронные компоненты скважинного прибора переходят в режим замеров в статике, который характеризуется переключением на внутренний батарейный источник питания и экономным расходованием электроэнергии. В ЗАО НПП «Самарские горизонты» разработаны и серийно выпускаются батарейные источники питания и генераторы для питания скважинного прибора телеметрической системы.
Налажено производство генераторов нового поколения (рис. 1) — масло-наполненных генераторов: SG 063, SG 069, SG 072 и генератора открытого типа SG 077. Они предназначены для работы с ЗТС диаметром 108, 172, 195 мм. Все серийно выпускаемые генераторы работают при температуре окружающей среды 0—125° С, гидростатическом давлении 60 МПа и выдерживают вибрации частотой 10—70 Гц с ускорением 100 м/c2. Минимальное сопротивление изоляции между электрически разобщенными цепями — 100 кОм. Работу генератора при различных расходах бурового раствора обеспечивают сменные турбины с разными углами подъема лопаток. В генераторах SG 063, SG 069, SG 077 статор с обмотками неподвижен, турбина приводит во вращение корпус, внутри которого закреплены магниты, а в генераторе SG 072 вал с магнитами вращается внутри обмотки. Особенностью SG 072 является компенсатор давления с увеличенной емкостью и индикатором количества оставшейся в корпусе смазки (пат. РФ № 20541). Генераторы питания комплектуются сменными деталями крепления для установки в ЗТС разного диаметра с разными конструкциями присоединительных узлов. Поскольку детали
крепления унифицированы, обеспечивается их полная взаимозаменяемость с генераторами ранних выпусков. Электрические и механические характеристики генераторов приведены в табл. 1, 2 и для БЭ 069 на рис. 2.
Использование в качестве подшипников генератора питания телеметрической системы радиальных и радиально-упорных подшипников ведет к необходимости применять для их защиты сложные уплотнительные узлы, обеспечивающие герметизацию внутренней полости генератора, которая заполняется смазкой. Это в свою очередь предполагает наличие компенсатора, выравнивающего давление внутри генератора с давлением окружающей среды, а также
маслонаполненной полости, обеспечивающей расход смазки через уплотнения. Увеличение количества деталей приводит к снижению надежности, усложнению конструкции, повышению массы и габаритов. Усложняется также процедура технического обслуживания генератора, в процессе которой для нормальной работы подшипников необходимо отрегулировать тепловой зазор, притереть рабочие поверхности торцевого уплотнения, провести вакуумирование с одновременной заправкой полости генератора и компенсатора давления смазкой. Как показывает практика, ресурс маслонаполненного генератора напрямую зависит от надежности уплотнений и составляет 100—250 часов. Попадание
Рис. 2
Электрические характеристики генератора ЭО 069
бурового раствора в генератор приводит к интенсивному износу и разрушению подшипников.
Все вышеперечисленное заставило искать новые варианты конструкции генератора. Разрабатывались два направления — усовершенствование уплотни-тельных узлов с одновременным увеличением объема компенсатора давления и изменение конструкции подшипника. Результатом работ, связанных с изменением конструкции подшипника, стал генератор открытого типа БЭ 032 — базовая модель и в дальнейшем его модификация БЭ 077 (пат. РФ № 2184225 и № 15909). В нем впервые отсутствуют уплотнения. Внутренняя полость генератора открыта прохождению бурового раствора. Лобовой поток бурового раствора в генераторе БЭ 032 пропускается через круговой щелевой фильтр. Роль фильтра при этом выполняет внутренняя поверхность турбины, обращенная к оси, и наружная часть соединительного узла, предназначенного для соединения генератора с дополнительными модулями телеметрической системы, или крышка, закрывающая верхний, свободный разъем. В генераторе БЭ 077 фильтрацию бурового раствора обеспечивают торцевые уплотнения, установленные без уплотнительных колец с двух сторон генератора. Благодаря зазору между осью генератора и корпусом торцевого уплотнения давление внутри и снаружи генератора выравнивается. В генераторах открытого типа нашли применение подшипники, рабочая поверхность которых выполнена из резины, армированной металлическим кольцом (пат. № 51307).
Внесенные в конструкцию генераторов изменения, основанные на анализе результатов их работы в условиях буре-
ния, позволили увеличить ресурс их непрерывной работы без технического обслуживания до 300 часов. На генераторы и их основные узлы и системы такие, как уплотнение, система смазки, под-
шипники и гидротурбина получено более 20 патентов РФ на изобретения, промышленные образцы и полезные модели. Кроме турбогенераторов, для снабжения скважинной аппаратуры
Рис. 3
Отдельные детали генераторов: а), б), г), д) — турбины генераторов разной конструкции; в) — статор генератора; е) — поршень генератора
Табл. 2
Табл. 1
Механические характеристики генераторов
Генератор SG 063 SG 069^ 074 SG 072 SG 077
Тип генератора открытый или маслонаполненный маслонаполненный маслонаполненный маслонаполненный открытый
Диаметр ЗТС 172/195 108/172 172/195 108/172
Объем компенсатора давления, см3 204 51 408 нет
Наружный диаметр турбины, мм 142 89/142 142 89/142
Угол подъема лопасти турбины," 35 25 30 25
Число заходов, шт 6 10/9 6 9
Количество турбин 1 2 1 2
Диаметр корпуса генератора, мм 98 80 112 80
Длина, мм 598 577/502 570 557
Масса, кг 13,2 9,2/8,7 16,2 8,9
Электрические характеристики генераторов SG 063, SG 068, SG 072, SG 077
Параметры Частота вращения турбины об/мин.
500 1000 1500 2000 2500
Генератор SG 063
Напряжение холостого хода на рабочей обмотке, В 12,4 28,7 45,3 63,0 70,0
Напряжение холостого хода на силовой обмотке, В 10,5 24,0 37,8 53,0 58,5
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 6 Ом, В 9,6 21,8 33,9 46,7 51,2
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 1 Ом, В 7,1 15,6 22,7 29,0 31,0
Ток, А 6 14 20 27 29
Мощность, Вт 43 218 454 783 899
Генератор SG 069
Напряжение холостого хода на рабочей обмотке, В 12,4 28,7 45,3 63,0 70,0
Напряжение холостого хода на силовой обмотке, В 10,5 24 37,8 53,0 58,5
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 6 Ом, В 9,6 21,8 33,8 46,7 51,2
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 1 Ом, В 7,1 15,6 22,7 29,0 31,0
Ток, А 6 14 20 27 29
Мощность, Вт 43 226 454 783 899
Генератор SG 072
Напряжение холостого хода на рабочей обмотке, В 11 25 40 54 62
Напряжение холостого хода на силовой обмотке, В 8,5 21 32 46 50
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 6 Ом, В 7,5 19,5 30 42 46
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 1 Ом, В 6,5 16 24 32 34
Ток, А 6 13,5 22 30 32
Мощность, Вт 39 216 528 960 1088
Генератор SG 077
Напряжение холостого хода на рабочей обмотке, В 11,7 25,3 39,1 54,6 59,6
Напряжение холостого хода на силовой обмотке, В 9,9 21,8 33,8 46,6 51,5
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 6 Ом, В 9,4 20,4 31,5 43,0 47,2
Напряжение на силовой обмотке при Rн = 1 Ом, В 7,5 16,1 24,1 31,9 34,4
Ток, А 6 14 21,5 28 32
Мощность, Вт 45 225 518 893 1100
Электрические характеристики генератора и присоединительные размеры могут быть изменены по согласованию с заказчиком
электроэнергией разработаны и нашли применение батарейные источники различной конструкции. Например, батарея, состоящая из отдельных заполняемых химических источников питания. Батарея питания скважинной аппаратуры состоит из отдельных корпусов, содержащих химический элемент, который после заполнения буровым раствором или отдельно хранящимся жидким компонентом вступает с ним в реакцию и вырабатывает электрический ток. Внутри общего корпуса установлен накопитель энергии, блок контроля напряжения и блок управления. Батарея питания выполнена с возможностью поочередного задействования химических элементов посредством подачи команд на приводы клапанов от блока уп-
равления или от таймера. Во впускных отверстиях, например, перед клапанами, в случае использования бурового раствора в качестве реагента, установлены фильтры.
ЗАО НПП «Самарские горизонты» проводит научные исследования и разработку принципиально новых перспективных источников питания нового поколения. Представляют большой интерес термоэлектрические автономные источники питания, которые работают на основе эффекта «Пельтье» и источники с использованием радиоактивных изотопов. В последнем случае ресурс источника энергии будет измеряться десятками лет при достаточно большой мощности, что особенно необходимо при передаче сигнала с большой глубины.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.