автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Торцевой электромашинный генератор для питания геофизической скважинной аппаратуры

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

2. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СКВАЖИННОГО ГЕНЕРАТОРА

2.1. Описание конструкции скважинного генератора торцевого исполнения

2.2. Внешняя характеристика скважинного генератора

2.3. Электромагнитный расчет торцевого генератора 27 Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

3.1. Выбор метода расчета

3.2. Метод интегрирования по источникам поля

3.3. Алгоритм программы расчета магнитного поля

3.4. Оценка адекватности математической модели

3.5. Расчетная область торцевой машины

3.6. Расчет магнитного поля торцевого генератора 66 Выводы

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАПЖТНОГО ПОЛЯ ТОРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

4.1. Анализ влияния основных размеров статора на энергетические характеристики торцевого генератора

4.2. Определение оптимальных геометрических характеристик статора торцевого генератора

4.3. Определение магнитной проводимости пазового рассеяния 90 Выводы

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

5.1. Конструкция макетных образцов

5.2. Описание экспериментальной установки

По результатам всесторонних исследований техники и принципов проектирования, проведенных буровыми компаниями Северной Америки и Европы, а также согласно с мнением отечественных специалистов, наиболее перспективным направлением при построении новых скважин является турбинное горизонтальное или наклонно-направленное бурение. Применение технологий горизонтального и наклонно-направленного бурения способствует построению кустов и разбуриванию стволов старых скважин, что увеличивает нефтеотдачу пластов и сокращает расходы при построении новой буровой установки [ 1-4].

Появление современных промышленных технологий в нефтедобывающей отрасли стимулировало развитие автоматизированного оборудования для инженерного сопровождения буровых работ. Так при проводке горизонтальных и наююнно-направленных скважин успешно применяются забойные инклинометрические телесистемы, позволяющие непрерывно отслеживать траекторию построения новой скважины [5-10].

Для передачи на наземный регистрирующий комплекс инклинометри-ческой информации о местоположении низа буровой колонны возможно применение электромагнитного, гидравлического, акустического или проводного канала связи [6]. При построении сверхглубоких скважин (до 5000 м) применяют, как правило, забойные телесистемы с передачей информации по электромагнитному или гидравлическому каналу. Зарубежные аналоги (MWD - системы) выполняются в основном с гидравлическим каналом связи несовместимым с отечественными системами очистки бурового раствора [1,11]. В отечественных разработках широко применяются забойные телесистемы с электромагнитным каналом связи способные определить азимут и зенитный угол ствола наклонно-направленной скважины, угол установки отклонителя и частоту вращения долота в процессе турбинного бурения [6,10]. В состав телесистемы входят автономно работающий скважинный прибор, устанавливаемый в компоновку низа буровой колонны и регистрирующий комплекс, расположенный на поверхности земли. Инклинометриче-ская информация преобразуется в последовательный код и по электромагнитному каналу связи передается на поверхность земли, где сигнал принимается как разность потенциалов между буровой колонной и приемным штырем, устанавливаемым на расстоянии 50 - 100 метров от буровой [9,12,13].

В процессе длительной эксплуатации забойных телесистем выявлены недостатки, обусловленные невысокой надежностью работы скважинного прибора. Наиболее существенным из них считается малое время межрегламентного периода работ (порядка 40 ч) автономного электромашинного синхронного генератора применяемого в качестве источника электропитания для скважинного прибора. Недостаточная надежность работы генератора связана с негерметичным исполнением конструкции машины. В процессе работы изнашиваются сальниковые уплотнители, что приводит к попаданию бурового раствора в активную зону электрической машины. В результате воздействия промывочной жидкости разрушается изоляция обмотки и система возбуждения генератора. В связи с этим, для технического осмотра и текущего ремонта скважинного генератора буровая колонна полностью поднимается на поверхность земли, что приводит к простою оборудования и увеличению затрат при построении новой скважины. Таким образом, перед разработчиками автоматизированного оборудования поставлена задача увеличения продолжительности работы скважинного генератора до времени межрегламентной замены турбобура (порядка 25 О ч) [9,11,14,15,]. гр U С» U

Также существенной проблемой в эксплуатации забойных телесистем является недостаточная устойчивость работы электромагнитного канала связи. Предпринятые ранее попытки повышения надежности работы электромагнитного канала проводились путем усиления мощности передаваемого сигнала, что часто приводило к выгоранию силовых разъемов, проводников кабеля и элементов коммутаций. Так увеличение мощности сигнала с 100 до 1000 Вт позволило увеличить дальность действия электромагнитного канала только на 10-15%, при этом значительного повышения устойчивости работы не наблюдалось [11,16]. Решение этой проблемы возможно при рассмотрении внешних факторов, влияющих на процесс передачи информации. Изменение сопротивления нагрузки скважинного генератора и непостоянство скорости вращения гидротурбины приводит к колебаниям преобразуемой мощности, а значит и амплитуды передаваемого сигнала. Согласно теоретическим исследованиям и опыту эксплуатации забойных телесистем нагрузка генератора определяется омическим сопротивлением бурового раствора и грунта, величина которых в сумме может составлять от 1,0 до 15 Ом. Колебание нагрузки приводит к существенному смещению положения рабочей точки на внешней характеристике синхронного генератора и как следствие к снижению его энергетических характеристик [11,15,17,18].

В результате, исходя из общих замечаний по условиям эксплуатации, в настоящее время существует потребность в разработке надежного источника питания инклинометрической телесистемы. Электромашинный источник питания должен обладать герметичной магнитной системой и специальной внешней характеристикой, позволяющей обеспечить скважинный прибор необходимой электрической мощностью при изменении сопротивления нагрузки и скорости вращения ротора электрической машины.

Разрешить поставленную задачу предлагается путем применения магнитоэлектрического генератора торцевой конструкции с герметичным исполнением статора машины (раздел 2). В воздушном зазоре между ротором и статором торцевого генератора устанавливается перегородка из немагнитного материала, надежно защищающая обмотку якоря от воздействия внешней среды [19,20,21].

Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромашинного синхронного генератора торцевой конструкции, предназначенного для электропитания скважинного прибора. В связи с этим решаются следующие задачи:

• разработка конструкции скважинного генератора;

• оценка возможности применения торцевого синхронного генератора в качестве источника питания инклинометра;

• разработка математической модели для исследования трехмерного магнитного поля торцевого генератора;

• проведение комплекса теоретических исследований для определения оптимальных размеров геометрии магнитной системы;

• изготовление опытного образца торцевого генератора для экспериментальной оценки результатов теоретических исследований.

Научной новизной работы является:

• обоснование выбора обмоточных характеристик статора для построения генератора с наибольшей удельной мош;ностью;

• анализ неоднородности объемного магнитного поля в зубце статора торцевого генератора;

• определение влияния геометрических характеристик магнитной системы на энергетические показатели торцевой машины;

• вывод уравнения для нормальной составляющей магнитного потока статора торцевого генератора;

• оптимизация геометрических размеров активной части машины с целью получения наибольших удельных показателей мощности торцевого генератора;

• вывод уравнения для проводимости пазового рассеяния торцевого генератора.

Практическую ценность представляют следующие результаты исследовательской работы:

• разработана новая конструкция скважинного электромашинного генератора;

• составлена математическая модель трехмерного магнитного поля торцевого генератора с учетом особенностей геометрии и нелинейной характеристики элементов магнитной системы;

• на основе анализа трехмерных магнитных полей получены рекомендации по проектированию торцевых машин с возбуждением от постоянных магнитов;

• определено уравнение регрессии, выражающее результирующий магнитный поток в зубце статора в зависимости от величины внешнего диаметра, МДС поля якоря, длины и относительной ширины зубца машины;

• для уточнения методики электромагнитного расчета определена зависимость магнитной проводимости пазового рассеяния от основных размеров магнитопровода машины;

• выполнено экспериментальное исследование опытных образцов скважин-ного генератора.

Методы исследования При исследовании электромагнитных процессов, протекающих в магнитной системе торцевого генератора, были использованы:

• метод интегрирования по источникам поля;

• метод ротатабельного униформ - планирования второго порядка;

• физическое моделирование магнитных полей;

• эксперименты с макетными образцами торцевого электромашинного генератора.

Апробация

Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:

• V международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, 1999г.);

• V областная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г. Томск, 1999г.);

• научно-техническая конференция "Научные проблемы западносибирского нефтегазового региона" (г. Тюмень, 1999г.);

• VI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г. Томск, 2000г.);

• научно-техническая конференция "Технология и автоматизация атомной энергетики" (г. Северск, 2000г.);

• межотраслевая научно-практическая конференция "Снежинок и наука" (г. Снежинск, 2000г.);

• XVI научно-техническая конференция "Электронные и электромеханические системы и устройства" (г. Томск, 2000г.);

• VI научно-техническая конференция Сибирского химического комбината, (г. Северск, 2000г);

• международная научно-практическая конференция "Моделирование: теория, методы и средства" (г. Новочеркасск, 2001г.).

Публикации

По результатам выполненной работы опубликовано 9 тезисов докладов, 4 научные статьи и оформлена заявка на патентование вновь разработанной конструкции скважинного генератора, предназначенного для электропитания инклинометра.

Реализация результатов работы Основные выводы, полученные при исследовании синхронного генератора торцевой конструкции, используются при выполнении работ по проектированию электромашинного скважинного источника питания, разрабатываемого по заданию ОАО НПФ "Геофит".

На основе приведенной методики расчета трехмерных магнитных полей разработана компьютерная программа, которая широко используется в учебном процессе при подготовке студентов в Северском технологическом институте.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 115 страниц машинописного текста, 15 таблиц и 63 рисунка, списка литературы из 103 наименований и приложения.

В первом разделе приведена общая характеристика проведенных исследований. Сформулирована цель, поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.

Во втором разделе изложены основные вопросы выбора конструкции и последующего проектирования магнитной системы скважинного генератора. В результате предварительных электромагнитных расчетов были получены требуемые энергетические характеристики, что свидетельствует о возможности применения генератора торцевой конструкции в качестве источника питания инклинометра.

В третьем разделе описаны методика и алгоритм программы расчета трехмерного магнитного поля торцевого генератора. На основе метода интегрирования по источникам поля разработана математическая модель торцевой машины с полным описанием особенностей геометрии и нелинейности характеристик элементов магнитной системы. Выполнена оценка адекватности математической модели на примере исследования магнитного поля элементарных магнитных систем и приведен пример расчета трехмерного магнитного поля торцевого генератора.

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований магнитного поля торцевой машины. С помощью разработанной программы расчета проанализировано изменение характеристик объемного маги нитного ПОЛЯ вдоль зубца статора и радиуса генератора. Также исследовано влияние параметров геометрии статора на величину результирующего магнитного потока и определены те параметры, которые в наибольшей степени оказывают воздействие на энергетические показатели машины. Для оптимизации размеров геометрии статора было пол)Л1ено уравнение регрессии, описывающее величину результирующего магнитного потока в зубце генератора при изменении внешнего диаметра машины, МДС обмотки якоря, длины и ширины зубца статора.

В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований макетных образцов скважинного генератора. Для проведения исследований было изготовлено и испытано два макетных образца, отличающихся u и т-ч построением активной зоны статора торцевой машины. В результате проведенных испытаний определены внешние характеристики генератора при изменении схемы соединений катушек обмотки статора, величины воздушного зазора и скорости вращения ротора машины.

В заключении приведены основные результаты выполненных научных исследований. Изложены рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании малогабаритных торцевых машин с возбуждением от постоянных магнитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрены вопросы теоретического и экспериментального исследования скважинного электромашинного источника питания выполненного на базе торцевого генератора, применение которого позволит увеличить время межремонтного периода работ скважинного прибора.