СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
DRILLING ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к устройствам по выработке электрической энергии и может быть использовано на добывающих скважинах нефтедобывающих предприятий, оснащенных станками-качалками для преобразования вращательного движения электродвигателя в возвратно-поступательное движение плунжера глубинного насоса.
В нефтедобывающей промышленности не менее 80% всего фонда добывающих скважин составляют скважины с глубинным плунжерным насосом и станком-качалкой (СК) на поверхности земли. Между ними находится связующая линия-колонна штанг весом в несколько тонн. За один поворот кривошипа вокруг своей оси на 360° колонна штанг один раз поднимается за счет усилия кривошипно-шатунного механизма и один раз спускается под собственным весом. Чтобы на вал электродвигателя постоянно оказывалась равномерная нагрузка, на кривошипы СК устанавливают противовес, примерно равнозначный по весу нагрузкам колонны штанг при его подъеме [1].
Недостатком известной конструкции СК является то, что противовес выполняет только роль статической балансирующей составляющей СК. Между тем постоянное и равномерное вращение по окружности значительной массы металла (для станка-качалки 7СК8-3,5-4000 - 3 тонны) можно использовать и для исполнения второй функции - выработки электроэнергии.
Целью изобретения является преобразование противовеса на кривошипе СК в электрогенерирующее устройство.
Поставленная цель достигается тем, что известный электрогенератор, содержащий статор с обмотками наведения тока и ротор в качестве источника магнитного поля, выполнен так, что статор вместе с ротором установлен на кривошипе станка-качалки скважинной насосной установки, причем статор жестко соединен с кривошипом и вместе с ним вращается по окружности, а для исключения вращения ротора вокруг своей оси он выполнен составным, а именно: нижняя часть ротора от горизонтальной оси превышает по массе верхнюю часть ротора так, что центр тяжести ротора находится ниже его горизонтальной оси на величину, необходимую для свободного вращения статора вокруг неподвижного ротора.
По необходимости функции статора и ротора меняют местами, а именно: вместе с кривошипом будет вращаться внешний ротор в качестве источника магнитного поля, а неподвижным в генераторе будет его центральная часть - статор с обмотками наведения электрического тока.
Скважинный генератор изображен на фиг.1, где 1 - кривошип станка-качалки, 2 - вращающийся статор и 3 - ротор. Статор генератора фиксируется в необходимой точке кривошипа СК и вместе с ним движется по окружности с постоянной угловой скоростью - совершает в минуту несколько оборотов (обычно от 2-х до 7-ми). Для демонстрации вращения статора относительно ротора их общую ось назовем осью генератора и разместим на них две условные точки: на статоре - точку «A», на роторе - точку «B».
За один оборот кривошипа 1 точка «A», а значит, и статор 2 совершат относительно оси генератора полный оборот в 360°. В то же время точка «B» и сам ротор вокруг оси генератора не вращаются - положение точки «B» к оси генератора остается неизменным. Исходя из этого легко видеть, что за один оборот кривошипа точка «A» совершит вокруг точки «B» оборот в 360°, поэтому один оборот кривошипа 1 равнозначен одному обороту статора 2 вокруг ротора 3. Такое соосное вращение двух составных частей генератора относительно друг друга и приводит к возникновению электрического тока на обмотках статора. Эта электроэнергия вырабатывается без производства дополнительной работы, затрат какой-либо другой энергии, например механической, так как предложенный скважинный генератор выполняет две функции:
1. Выполняет роль противовеса станка-качалки, поэтому генератор имеет примерно такой же вес, как и масса противовеса. К примеру, для большинства скважин с ШСНУ Уралоповолжского региона масса противовеса равна 2500-3000 кг.
2. Выработка электроэнергии благодаря взаимному вращению статора относительно ротора.
Необходимо отметить, что при иной - обратной конструкции генератора, а именно: с кривошипом 1 вращается вокруг оси генератора внешний ротор с функцией выработки магнитного поля, а остается неподвижным относительно оси генератора статор (внутренняя часть устройства) с обмотками наведения электродвижущей силы, мы получим тот же положительный эффект. Этот эффект в основном определен весовыми и металлоемкими характеристиками ротора и статора стандартного генератора - примерно по 50% от общей массы генератора. При этом важнейший показатель - это частота вращения кривошипа станка-качалки добывающей скважины остается неизменным.
Рассмотрим потенциально возможную выработку электроэнергии с помощью скважинного генератора по следующим усредненным техническим характеристикам:
- масса генератора 2000 кг;
- частота вращения кривошипа СК и статора вокруг ротора 5 об/мин.
Генератор переменного тока типа ГП-15-100-140-1В массой 0,5 тонн имеет частоту вращения ротора n в пределах 100 об/мин и выдает мощность до 15 кВт. Согласно [2, стр.195] электродвижущая сила, возникающая в обмотках генератора, находится в прямой зависимости от угловой скорости вращения ротора или n. Очевидно, что если n уменьшить до 5 об/мин для нашего случая, от 4-х генераторов, установленных вместо противовесов, можно ожидать выработку мощности электротока в 3 кВт.
В заявленном устройстве реализовано два технических момента. Во-первых, для получения вращающейся части генератора предложено использовать движение кривошипа по кругу. Во-вторых, для получения неподвижной части генератора предложено использовать деталь со смещенным центром тяжести по принципу действия игрушки «неваляшка». Даже при небольшом осевом повороте этой части генератора произойдет его возвращение на прежнее место благодаря вертикально направленной силе притяжения земли и возникновению его горизонтальной составляющей. Эти технические решения, с нашей точки зрения, обладают новизной и соответствуют критерию «существенное отличие».
Технико-экономическая эффективность от применения скважинного генератора заключается в выработке электрической энергии непосредственно на скважинах со станками-качалками, при этом не создавая дополнительную нагрузку на электропривод СК. Эта дополнительная электроэнергия будет использоваться для обслуживания этих же объектов нефтедобычи: обогрев автоматических групповых замерных установок, блочных устройств по дозировке химических реагентов, обогрев подземного оборудования и устьевой арматуры скважины с помощью «греющих кабелей».
Литература
1. Махмудов С.А. Монтаж, эксплуатация и ремонт скважинных насосных установок: Справочник мастера. - М.: Недра, 1987. - 208 с.
2. Трофимова Т.Н. Курс физики: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд-е. - М.: Высш. шк., 1990. - 478 с.