ПОГРУЖНОЙ ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
BOREHOLE LINEAR MOTOR

Изобретение относится к конструкциям погружных линейных магнитоэлектрических вентильных двигателей, используемых преимущественно в бесштанговых глубинных насосно-скважинных установках возвратно-поступательного движения, предназначенных для добычи пластовых жидкостей в нефтедобычи.
Известна плунжерная погружная установка, содержащая корпус погружного электродвигателя, статор и ротор, соединенный через полость, заполненную маслом, со штоком, плунжер, перемещающийся в цилиндре с уплотнениями, соединенном жестко с входным клапаном, перед которым установлен сливной электромагнитный клапан, и выходным клапаном, соединенными с насосно-компрессорными трубами, причем электродвигатель выполнен линейным, второй плунжер, идентичный первому, соединенный со вторым концом штока, второй цилиндр, соединенный жестко со второй парой клапанов, расположенные в корпусе установки со сквозными полостями, соединяющими выход второго выходного клапана с выходом первого выходного клапана, при этом полость между уплотнениями первого цилиндра и плунжера и второго цилиндра и плунжера, включая внутренний объем электродвигателя, заполнена диэлектрической жидкостью, площадь поперечного сечения вторичного элемента и плунжера равны или отличаются друг от друга в зависимости от расчетного объема омывающей внутренние части электродвигателя жидкости для теплопередачи через корпус в сквозные полости, заполненные перекачиваемой жидкостью, при этом интенсивность смывания диэлектрической жидкостью составных внутренних частей электродвигателя и заплунжерного пространства прямо пропорциональна скорости перемещения вторичного элемента с плунжерами или поршнями (RU 2422676 C2, F04B 47/06, 27.06.2011).
Известен линейный электродвигатель для электроприводов погружных и перекачивающих насосов, в котором индуктор выполнен в виде ряда кольцевых расположенных с определенным продольным шагом сердечников, каждый из которых имеет два полюсных выступа, между которыми уложены кольцевые катушки фазной обмотки. Внутри или снаружи индуктора установлен с возможностью скользящего перемещения цилиндрический якорь с кольцевыми полюсными выступами. Сердечники магнитопроводов электродвигателя могут быть выполнены из сплошного магнитомягкого материала или из пластин тонколистовой стали специальной формы. Вариантом исполнения является электродвигатель с постоянными кольцевыми магнитами на якоре. Тяговое усилие линейного электродвигателя образуется при подключении фаз обмотки к электронному коммутатору, работающему по командам датчика положения якоря. Технический результат данного электродвигателя заключается в упрощении изготовления статора, уменьшении габаритов, а также в повышении КПД (RU 2275732 C2, 20.10.2005).
Известен линейный электродвигатель, состоящий из двойного гребенчатого статора, вторичного элемента, выполненного короткозамкнутым из электропроводящего материала, блока управления, причем вторичный элемент выполнен в виде длинных многослойных пластинок с поперечными прорезями, смещенными относительно друг друга, заполненными твердым диэлектриком, закрепленными в силовом корпусе и изолированных друг от друга и от силового корпуса вторичного элемента (RU 2422676 C2, F04B 47/06, 10.02.2011).
Известен погружной заполненный жидкостью электродвигатель, содержащий компенсатор давления, расположенный в его нижней части, корпус и торцевое уплотнение вала, невращающееся кольцо которого зафиксировано относительно корпуса электродвигателя в верхней части, а также сбрасывающий клапан, причем он содержит дополнительное торцевое уплотнение, при этом невращающиеся кольца торцевых уплотнений закреплены относительно корпуса с возможностью осевого встречного перемещения и между ними образована герметичная заполненная жидкостью камера, на боковой стенке которой расположены упорные поверхности неподвижных колец (RU 2115991 C1, H02K 5/12, 20.07.1998).
Известен цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов, содержащий цилиндрический индуктор с многофазной обмоткой, выполненный с возможностью осевого перемещения и смонтированный внутри стального вторичного элемента, стальной вторичный элемент представляет собой корпус электродвигателя, внутренняя поверхность которого имеет высокопроводящее в виде слоя меди покрытие, причем цилиндрический индуктор выполнен из нескольких модулей, набранных из катушек фаз и соединенных между собой гибкой связью, число модулей цилиндрического индуктора кратно числу фаз обмотки, а при переходе от одного модуля к другому катушки фаз уложены с поочередной сменой местоположения отдельных фаз (RU 2266607 C2, H02K 41/025, 20.12.2005).
Известен погружной заполненный жидкостью электродвигатель, содержащий протектор, состоящий из вала, торцевых уплотнений, составного корпуса, камер, связанных гидравлически между собой последовательно с помощью отверстий, выполненных во фланцах в месте установки торцевых уплотнений, причем внутренние камеры заполнены диэлектрической жидкостью электродвигателя и имеют герметично установленные гибкие диафрагмы, охватывающие защитные стаканы, закрепленные во фланцах, а в отверстии фланца, разделяющего внешнюю камеру и внутренние, установлена трубка, соприкасающаяся с дном последней, причем в стаканах выполнены радиальные сквозные отверстия, причем место расположения отверстий в стакане первой внутренней камеры определено объемом полости, ограниченной диафрагмой со стороны ее верхнего торца, стаканом и плоскостью расположения верхних точек отверстий, который должен быть не менее объема, на который увеличивается жидкость во время работы электродвигателя во внутренней полости электродвигателя и первой внутренней камере, ограниченной корпусом, а также первыми диафрагмой и торцевым уплотнением, а место расположения радиальных отверстий в стакане второй внутренней камеры определено объемом полости, ограниченной второй диафрагмой со стороны ее верхнего торца, стаканом и плоскостью расположения верхних точек отверстий, который должен быть не менее объема, на который увеличивается жидкость во второй внутренней камере, ограниченной двумя указанными диафрагмами, первым и вторым торцевыми уплотнениями, корпусом и нижним фланцем протектора во время работы электродвигателя (RU 6650 U1, H02K 5/12 16.05.1998).
Известен привод погружного плунжерного насоса, содержащий линейный электродвигатель, имеющий цилиндрический корпус, внутри которого размещены статор и головка возвратно-поступательного действия, состоящая из вала с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, при этом в рабочем положении электродвигателя его полости внутри корпуса, разделенные статором и головкой возвратно-поступательного действия, заполнены пластовой жидкостью (ЕА 009268 B1, 28.12.2007).
Недостатком данного привода является то, что в нем отсутствуют средства для компенсации теплового расширения хладагента, что при работе электродвигателя в скважинах с повышенными температурами пластовой жидкости приводит к преждевременному выходу из строя обмоток двигателя. Это происходит вследствие чрезмерного повышения давления во внутренней полости статора. Повышение давления также может привести к разрушению других элементов электродвигателя. Для снижения вероятности повышения давления масла из-за его температурного расширения внутреннюю полость статора заполняют маслом не полностью, что создает опасность перегрева части катушек обмотки статора, разрушению их изоляции и короткому замыканию.
Известно устройство для гидравлической защиты погружного маслозаполненного электродвигателя, содержащее корпус, вал с нижним и верхним торцовыми уплотнениями, упругую диафрагму, закрепленную на опорах и охватывающую вал в зоне под нижним торцовым уплотнением, первый и второй ниппели, между которыми размещен узел пяты, верхнюю и нижнюю головки с фланцами для соединения соответственно с насосом и электродвигателем, клапан, кожух, установленный посредством фланца на верхнем торцовом уплотнении, и отбойник, жестко закрепленный на валу выше верхнего торцового уплотнения, причем протектор снабжен удлинителем вала и установленной на профилированной опоре дополнительной упругой диафрагмой, охватывающей герметично удлинитель вала в зоне над верхним торцовым уплотнением, отбойник выполнен в виде втулки, установленной на удлинителе вала над дополнительной упругой диафрагмой, при этом со стороны наружной поверхности втулки установлено радиальное уплотнение, выполненное в виде размещенного в верхней головке стакана, охватывающего втулку, с выполненными в стакане эксцентричными относительно друг друга кольцевыми канавками, в которых размещены насажанные на втулку кольца из антифрикционного материала и охватывающие их резиновые кольца с круглым поперечным сечением, причем соседние кольцевые канавки попарно смещены относительно друг друга на 0,2-0,5 мм в диаметрально противоположном направлении и указанные пары диаметрально смещенных относительно друг друга кольцевых канавок повернуты относительно соседних пар кольцевых канавок таким образом, что радиальные плоскости, проходящие через оси этих соседних пар канавок, повернуты относительно друг друга вокруг оси вала на угол, составляющий 360/n, где n - число пар антифрикционных колец, причем число канавок четно и выбрано не менее шести, и в осевом направлении антифрикционные кольца прижаты друг к другу посредством подпружиненного кольца, а дополнительная упругая диафрагма установлена с образованием внутренней полости, сообщенной с окружающей средой через выпускной клапан для сброса воздуха, а со стороны наружной поверхности совместно с защитной обечайкой, опорой дополнительной упругой диафрагмы и стаканом уплотнения отбойника - с образованием полости, сообщенной с окружающей средой (RU 2238441 C1, F04D 13/10, 20.10.2004).
Из известных линейных электродвигателей наиболее близким к погружному линейному электродвигателю является погружной линейный электродвигатель, содержащий цилиндрический корпус с концевой пробкой, внутри корпуса размещены статор и головка возвратно-поступательного действия, головка содержит вал с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, причем полости, образованные внутри корпуса и разделенные между собой статором и головкой возвратно-поступательного действия, заполнены пластовой жидкостью в рабочем положении электродвигателя (RU 2489600 C1, 20.02.2013). В этом электродвигателе вал головки возвратно-поступательного действия выполнен полым с радиальными отверстиями, через радиальные отверстия вал сообщает между собой полости, образованные внутри корпуса, при этом, по крайней мере, одна из полостей сообщена с затрубным пространством через фильтрующий элемент.
В этом электродвигателе содержатся уплотнительные манжеты и фильтрующий элемент, которые при наличии в пластовой жидкости твердых взвешенных частиц и парафиновых смол резко снижают надежность и ресурс электродвигателя.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы погружного линейного электродвигателя в среде пластовой жидкости с повышенной температурой.
Технический результат получен погружным линейным электродвигателем, характеризующимся тем, что он содержит герметичный статор с установленными в нем сердечниками с катушками, токовводом и головкой для соединения с насосом, в статоре расположен подвижный шток, шток включает в себя соединительную штангу с резьбой для соединения штока с плунжером насоса и активный герметичный слайдер, соединенный со штоком резьбовым соединением, выполненным в соединительной муфте, слайдер содержит последовательно установленные на трубе аксиально намагниченные магниты, выполненные из сплава неодим-железо-бор, и полюсы из конструкционной стали, магниты и полюсы разделены на технологические пакеты, которые соединены между собой муфтами, причем шток расположен во внутренней трубе, выполненной из нержавеющей стали с хонингованной поверхностью, между которой и поверхностью штока образован зазор, головка соединена с корпусом статора резьбовым соединением через герметичные проставки, имеющими каналы, к основанию статора прикреплен компенсатор с упругой диафрагмой, которая выполнена в виде пузыря, имеющего диаметр в средней части больше диаметра каждой его концевой части, причем один конец диафрагмы связан с основанием статора, а ее другой конец соединен с муфтой, соединяющей электродвигатель с компенсатором.
На фиг. 1 показан погружной линейный электродвигатель в продольном разрезе; на фиг. 2 - место А на фиг. 1; на фиг. 3 показана схема магнитного полюсного деления штока электродвигателя.
Электродвигатель содержит заполненный маслом герметичный статор 1 (фиг. 1), установленный в нем подвижный шток 2, которые раздельно герметизированы, при этом в зазоре 3 (фиг. 2) между штоком и статором расположена пластовая жидкость, обеспечивающая охлаждение статора. Статор выполнен из бесшовной трубы 4 и в ней установлены цилиндрические сердечники 5 с сосредоточенными катушками 6, выполненными из прямоугольного обмоточного провода. Все катушки статора соединены в трехфазную шестизонную обмотку соединением типа «звезда» без нулевого провода. Статор 1 выполнен герметичным, сверху и снизу его герметичность обеспечивают уплотнительные резиновые кольца 7. Для соединения статора 1 электродвигателя с корпусом насоса (не показан), размещения токоввода 8 и заправки масла в полость статора в электродвигателе имеется головка 9 статора, выполненная из нержавеющей стали. Головка соединена со статором резьбовым соединением 10 через корпус и проставок 11, причем проставок 11 имеет технологические каналы 12. Герметичность соединения проставок обеспечивается уплотнительными резиновыми кольцами 7. Электродвигатель имеет токоввод 8 электропитания, который обеспечивает соединение выводных проводов обмотки статора 13. Токоввод 8 содержит кабель электропитания, колодку 14, гильзы 15 и стопорный винт 16. Резьбовым соединением 17 головка 9 соединена с проставком 11, который аналогичным резьбовым соединением 17 соединен с проставком 11. Последний резьбовым соединением 17 соединен с трубой 4. Для обеспечения герметичности электродвигателя при его хранении и транспортировке на токовводе 8 установлена транспортировочная крышка 18, закрепленная на корпусе электродвигателя винтами 19.
В нижней части электродвигателя к статору через проставок 20 резьбовым соединением прикреплен компенсатор 21, служащий для защиты статора от проникновения пластовой жидкости в его внутреннюю полость, для компенсации утечки масла и тепловых изменений при эксплуатации электродвигателя. В компенсаторе установлена упругая резиновая диафрагма 22, выполненная в виде пузыря, который в средней части имеет диаметр больший диаметра каждого его конца. К компенсатору в нижней части посредством резьбового соединения прикреплено основание 23, выполненное из нержавеющей стали. В головке 9 и основании 23 установлены заправочные клапаны 24, которые служат для заправки электродвигателя синтетическим маслом.
Подвижный шток 2 включает в себя соединительную штангу 25 с резьбой для соединения штока с плунжером насоса, а также активный слайдер 26. Штанга 25 и слайдер 26 соединены резьбовым соединением, выполненным в соединительной муфте 27, на которой в верхней части установлен отбойник 28. Слайдер 26 содержит последовательно установленные в трубе 29 из нержавеющей стали аксиально намагниченные магниты 30, выполненные из сплава неодим-железо-бор, и полюсы 31 из конструкционной стали. Магниты и полюсы разделены на технологические пакеты, которые соединены между собой муфтами 32. Герметичность магнитов и полюсов обеспечена уплотнительными резиновыми кольцами 33. В нижней части штока установлен концевой элемент 34 с нижним отбойником 35, который закреплен на концевом элементе болтом 36. Конструктивно в рабочем положении погружной линейный электродвигатель прикреплен с помощью головки 9 к корпусу плунжерного насоса (не показан), а подвижный шток 2 соединен с плунжером насоса посредством резьбового соединения (не показаны). Плунжерный насос и погружной линейный электродвигатель полностью погружены в пластовую жидкость внутри скважины и вследствие этого внешняя труба 4 статора постоянно омывается пластовой жидкостью, при этом плунжерный насос для добычи пластовой жидкости установлен в нефтяной скважине на заданной глубине спуска и через систему насосно-компрессорных труб соединен с наземной арматурой (не показаны).
Все катушки 6 трехфазной обмотки статора 1 через токоввод 8 соединены трехжильным кабелем с наземной станцией управления (не показаны). Активные элементы статора сердечники 5 и катушки 6 омываются синтетическим маслом, которым заполнено все внутренние полости статора 1, головки 9 и компенсатора 21. Заправка маслом статора и компенсатора осуществляется через верхний и нижний заправочные клапаны 24. Внутренняя полость статора, в которой размещены сердечники 5 и катушки 6, сообщена через канал 12 с внутренними полостями проставок 10 и 11. Проставки 10 и 11, в свою очередь, сообщены с полостью головки статора, в которой установлен заправочный клапан 24. Внутренняя полость статора снизу сообщена с полостью 37. Полость 38 внутри диафрагмы через проточки 39 и зазоры сообщена с полостью 37 статора. Полость 38 сообщена с кольцевым каналом, выполненным в основании 23. В основании установлен нижний заправочный клапан 24. Все внутренние полости статора 1, головки 9, проставков 10, 11, полость 38 и кольцевой канал в основании 23 статора образуют единую масляную систему для перемещения в ней синтетического масла и эта система закрыта заправочными клапанами 24. Внутренняя полость электродвигателя отделена от полости зазора 3 клапанами 40 компенсатора. Полости 41, 42 и 43 компенсатора заполнены пластовой жидкостью, находящейся в пространстве за трубой 4.
Электродвигатель оснащен внутренней трубой 44 (фиг. 2), расположенной в статоре, и между хонингованной поверхностью внутренней трубы 44 и внешней поверхностью штока 2 образован равномерный зазор 3, заполненный пластовой жидкостью в рабочем положении. Внутренняя труба 44 статора является направляющей для штока 2, она отделяет внутреннюю полость электродвигателя от пластовой жидкости, находящейся по всей длине зазора 3. Сообщенный с полостью 38 вышеупомянутый кольцевой канал показан на фиг. 1 позицией 45. Позицией 46 показана муфта, соединяющая компенсатор с электродвигателем. С муфтой 46 соединен один конец резиновой диафрагмы 22, другой конец которой соединен через промежуточный элемент с основанием 23.
Работает электродвигатель следующим образом. Установленный в скважине электродвигатель, соединенный с насосом возвратно-поступательного движения, заполняется пластовой жидкостью, которая заполняет зазор 3 (фиг. 2). Пластовая жидкость поступает в зазор 3 через отверстие между отбойником 35 и хонингованной внутренней трубой 44. После включения электродвигателя, шток 2 под действием электромагнитных сил, возникающих от взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов (фиг. 3) и переменного магнитного поля обмотки статора, совершает возвратно-поступательные движения, приводя в действие насос, который осуществляет подъем пластовой жидкости через систему насосно-компрессорных труб на поверхность скважины.
Магнитная индукция от постоянных магнитов в рабочем зазоре 3 посредством электромагнитных сил связана с сердечниками статора 5 и установленными в них катушками 6, которые образуют трехфазную последовательную обмотку. Взаимодействие магнитного поля постоянных магнитов и переменного магнитного поля трехфазной обмотки статора создает тяговое усилие. Трехфазная система катушек статора 1 создает периодическое бегущее поле снизу вверх, которое увлекает за собой шток 2. При подходе к верхней мертвой точке поле статора путем переключения обмоток статора 1 начинает перемещаться вниз, при этом вслед за полем статора перемещается вниз шток 2. Периодическое переключение катушек статора 1 с помощью наземной системы управления позволяет реализовать возвратно-поступательное движение штока погружного электродвигателя.
Под воздействием переменного тока, протекающего в катушках статора, и выделении активной мощности на их активном сопротивлении масло в герметичной полости статора 1 (фиг. 1), омывающее сердечники 5 с катушками 6 статора, нагревается, увеличивает свой объем и под давлением воздействует на упругие резиновые диафрагмы 22, которые растягиваются. При достижении диафрагмами максимального допустимого объема излишний объем масла сбрасывается через каналы 39 и через установленный в компенсаторе обратный клапан 40 в полость 41, сообщенную с затрубным пространством. Масло сбрасывается в затрубное пространство, давление масла во внутренней полости 38 диафрагмы уменьшается до номинального, отрегулированного на давление срабатывания обратного клапана 40. При движении штока вниз ударные нагрузки на корпусе электродвигателя в нижнем положении штока уменьшаются путем замедления истечения пластовой жидкости через зазор 3. Замедление истечения пластовой жидкости достигается с помощью отверстий, расположенных в основании 23.
Раздельная герметизация внутренних полостей статора 1 и штока 2, предназначенная для защиты катушек 6 обмотки внутри статора 1 и постоянных магнитов 30 от воздействия на них агрессивной пластовой жидкости позволяет отказаться от использования линейных уплотнений, которые существенно снижают ресурс работы электродвигателя вследствие наличия в пластовой жидкости взвешенных частиц и механических примесей.
Использование компенсатора в конструктивной и функциональной взаимосвязи с электродвигателем позволило осуществлять полную заправку маслом всех внутренних полостей статора электродвигателя, исключить перегрев его катушек, корректировать объем масла в случаях его температурного расширения, уравнивать давление масла во внутренней полости статора с давлением пластовой жидкости в затрубном пространстве. Это позволило исключить преждевременный износ и механические разрушения элементов статора. В сравнении с существующими аналогами введение в конструкцию погружного линейного электродвигателя компенсатора существенно повысило надежность и ресурс работы электродвигателя и насосной установки в целом.