Погружной линейный электродвигатель

Полезная модель относится к конструкциям погружных линейных магнитоэлектрических двигателей, используемых, преимущественно, в бесштанговых глубинных насосно-скважинных установках возвратно-поступательного действия, предназначенных для добычи пластовых жидкостей в нефтедобыче, в частности, в малодебитных глубоких скважинах глубиной до 3000 м. Предлагаемый погружной линейный электродвигатель предназначен для размещения в указанной установке под погружным центробежным насосом.
Известен целый ряд погружных бесштанговых насосных установок, содержащих линейный электродвигатель с возвратно - поступательно движущимся рабочим органом (слайдером). Примером является 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 (Патент РФ №2266607). Однако его недостатком является невозможность достижения напора, необходимого для привода плунжерного насоса именно в глубокой скважине.
Также известен погружной линейный электродвигатель (далее - ЛЭД), 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 (Патент РФ №2489600). 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.
Основными недостатками данной конструкции являются ограничение силы тяги, вследствие пустотелости вала слайдера и высокой вероятности его насыщения при повышении рабочего тока статора.
Из уровня техники известен погружной линейный двигатель (Патент РФ №179850), который содержит статор и головку возвратно-поступательного действия (слайдер). Статор состоит из цилиндра, из периодически установленных на цилиндре индукционных катушек и стальных сердечников, а также дополнительно установленных между ними тонких кольцевых изоляционных прокладок. Катушки распределены по всей длине статора, образуя три фазные обмотки, которые соединены в «звезду». Сердечники выполнены в виде круглых пластин из электротехнической стали с функциональными технологическими вырубками. К сердечникам по периметру присоединены кольцевые пакеты из пластин, образующие ярмо магнитопровода. Пластины зубцов и ярма магнитопровода устанавливаются ориентированными вдоль направления силовых линий магнитного потока катушек. Катушки и сердечники распределены по длине статора на группы - модули. Модули по торцам закрыты торцевыми крышками. Между торцевыми крышками смежных модулей и соединением с торцевыми крышками установлены стальные патрубки, на которых коаксиально установлены опорные втулки, образующих опорные поверхности скольжения слайдера. Слайдер содержит последовательно установленные на полом валу аксиально намагниченные постоянные магниты и магнитопроводящие сердечники. На пустотелом валу слайдера дополнительно периодически установлены металлические шайбы из высоко проводящего металла. Магниты и сердечники фиксируются на валу торцевыми муфтами. К корпусу ЛЭД резьбовым соединением присоединена головка токоввода с ниппелем для подвески насосной установки к колонне НКТ. В головке токоввода электродвигателя выполнены канал для подачи добываемой жидкости от плунжерного насоса через полый вал слайдера в НКТ и герметичный разъем для соединения концов фазных обмоток с муфтой кабельного ввода питающего кабеля, а также выполнен верхний масляный клапан для закачки трансформаторного масла в межмодульные полости статора. В нижней части статора установлен нижний масляный стравливающий клапан.
Недостатком указанного погружного ЛЭД является невозможность его установки под насосом. Его конструкция обеспечивает эксплуатацию только при размещении его над плунжерным насосом.
Также известна конструкция погружного линейного магнитоэлектрического двигателя, используемого в бесштанговых глубинных установках возвратно-поступательного движения для добычи пластовых жидкостей в нефтедобыче (Патент РФ №2549381). Электродвигатель в этой известной установке содержит герметичный статор с установленными в нем сердечниками с катушками, токовводом и головкой для соединения с насосом. В статоре расположен подвижный шток, включающий 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 и полюсы из конструкционной стали. Магниты и полюсы разделены на технологические пакеты, которые соединены между собой муфтами. 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, имеющие каналы.
Недостатком этого ЛЭД является малая надежность обусловленная наличием в двигателе компенсатора с упругой диафрагмой, которая выполнена в виде пузыря, сложность конструкции и повышение трудоемкости технического обслуживания.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является линейный электродвигатель для погружного насосного устройства возвратно-поступательного действия с числовым программным управлением, устанавливаемый под указанным насосным устройством (Патент ЕАПО №009268). Указанный известный погружной линейный электродвигатель состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещен статор с периодически установленными на тонкостенных втулках из нержавеющей стали стальными сердечниками и соединенными между собой индукционными катушками, образующими группы обмоток. Между обмотками установлены опорные направляющие и головка возвратно поступательного действия - слайдер, состоящий из цельнометаллического вала, выполненного с возможностью соединения с плунжером насоса и с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, при этом вывод обмоток статора соединен с находящимся на поверхности блоком цифрового программного управления.
Недостатком данного технического решения является недостаточная надежность, обусловленная следующим:
во-первых - недостаточным охлаждением линейного двигателя при повышенной мощности, так как охлаждение в нем происходит только одностороннее с внешней стороны линейного двигателя;
во-вторых - из-за наличия ударных контактов при работе выступающих опорных направляющих статора с выступающими стальными сердечниками головки возвратно-поступательного действия;
в-третьих тем, что изоляция фазных обмоток статора (катушек), установленных вблизи друг от друга и находящихся под линейным напряжением, которое в 1,73 раза больше фазного напряжения, выполнена без учета данного аргумента недостаточно надежно.
Существенным недостатком указанной известной конструкции электродвигателя также является отсутствие ремонтопригодности, т.к. многие элементы в нем соединены сваркой, а полости статора залиты компаундом.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью заключается в повышении надежности работы электродвигателя и в увеличении напора, при одновременном упрощении подключения электродвигателя к питанию и обеспечении его ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается предлагаемым погружным линейным электродвигателем, включающим цилиндрический корпус, внутри которого размещен статор с периодически установленными на тонкостенных втулках из нержавеющей стали стальными сердечниками и соединенными между собой индукционными катушками, образующими группы обмоток, между которыми установлены опорные направляющие, и головку возвратно поступательного действия - слайдер, состоящий из цельнометаллического вала, с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, при этом новым является то, что линейный электродвигатель сверху дополнительно снабжен удлинителем вала слайдера, длиной, равной длине хода слайдера, и диаметром, равным диаметру штока плунжерного насоса, а также линейный электродвигатель в верхней части дополнительно снабжен головкой токоввода со сквозным каналом, диаметр которого выполнен с возможностью для прохода через него удлинителя вала слайдера и снабжен патрубком-удлинителем, размещенным между головкой токоввода и цилиндрическим корпусом линейного электродвигателя и жестко соединенным с каждым из них, причем указанный патрубок-удлинитель выполнен в виде двух коаксиально расположенных с зазором друг к другу втулок с образованием двух кольцевых полостей: кабельной и центральной, при этом кабельная кольцевая полость образована между коаксиальными втулками и сочленена с каналом головки токоввода, предназначенного для размещения в нем питающего кабеля и герметичного разъема, а центральная кольцевая полость образована полостью центральной втулки и предназначена по габаритам для обеспечения свободного выбега слайдера при ходе вверх и заполнения скважинной жидкостью при ходе слайдера вниз, цилиндрический корпус электродвигателя выполнен удлиненным в нижней части для обеспечения возможности движения слайдера вверх-вниз с периодическим заполнением нижней полости указанного корпуса скважинной жидкостью при ходе слайдера вверх и с периодическим вытеснением скважинной жидкости из полости при ходе слайдера вниз, причем нижняя часть удлиненного корпуса снабжена наружной резьбой и сквозными отверстиями, а также подвижной глухой торцевой пробкой с внутренней резьбой, выполненной с возможностью навинчивания на нижнюю часть корпуса, при этом внутри нижней части указанного корпуса над торцевой пробкой размещена демпфирующая пружина.
Сущность физики явлений, обуславливающих работу предлагаемого погруженного линейного электродвигателя, могут быть объяснены следующим.
Электромагнитные силы, возникающие в линейном электродвигателе, обусловлены несколькими причинами:
во-первых, тем, что при прохождении электрического тока по катушкам (13) статора (19) на проводники с током (витки индукционных катушек) действует магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами (27) слайдера (18) и при этом создается силовое воздействие по закону Ампера;
во-вторых, электрический ток в статоре (19) создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует в слайдере (18) контурные токи. Бегущее магнитное поле, взаимодействуя с током, индуцируемом в замкнутом контуре, также создает электромагнитные силы аксиального направления. Для увеличения контурных токов и тягового усилия линейного двигателя в конструкции слайдера (18) предусмотрены кольцевые прокладки из хорошо проводящего металла, например, меди или алюминия. Суммарные электромагнитные силы вызывают аксиальное перемещение слайдера (18) и, соответственно, плунжера (2) относительно статора (19) и корпуса плунжерного насоса (1).
При этом, при прямом чередовании фаз тока, задаваемом станцией управления (на чертеже не показана), система: слайдер-плунжер, перемещаются в одну сторону, при обратном чередовании фаз -перемещаются в другую сторону, обеспечивая стационарную работу насосной установки, в которой установлен предлагаемый линейный электродвигатель.
Благодаря тому, что линейный электродвигатель оснащен патрубком-удлинителем, размещенным между статором линейного электродвигателя и узлом токоввода, и выполненным из двух коаксиально расположенных втулок с образованием центрального канала длиной и диаметром, обеспечивающими свободный выбег слайдера при ходе вверх, и образованием кольцевого канала между втулками для проводки кабеля от узла токоввода до соединения с концами фазных обмоток статора, обеспечивается существенное снижение трудоемкости подключения ЛЭД к электропитанию в полевых условиях, за счет именно разъемности, а значит, к повышению надежности токоввода.
Благодаря тому, что линейный электродвигатель сверху дополнительно снабжен удлинителем вала слайдера, длиной, равной длине хода слайдера, и диаметром, равным диаметру штока плунжерного насоса и снабжен головкой токоввода, в которой выполнен канал с диаметром для прохода удлинителя вала слайдера, обеспечена сама возможность использования головки токоввода над линейным электродвигателем.
Предлагаемый ЛЭД устанавливается в промысловых условиях при компоновке конструкции погружной бесштанговой насосной установки всегда ниже погружного насоса. А благодаря тому, что цилиндрический корпус ЛЭД выполнен удлиненным в нижней части, обеспечивается свободный выбег слайдера при ходе вниз. Наличие в нижней части удлиненного корпуса демпфирующей пружины и сквозных отверстий, обеспечивает смазку - охлаждение слайдера ЛЭД пластовой жидкостью и его безударная работа, так как при ходе слайдера вверх в нижнюю часть удлиненного корпуса ЛЭД через перфорацию (сквозные отверстия) поступает скважинная жидкость, а при ходе слайдера вниз скважинная жидкость частично поступает в кольцевой зазор между слайдером и цилиндром статора и осуществляется смазка и охлаждение, а частично вытесняется через сквозные отверстия в затрубье, производя дополнительное демфирование слайдера. Этим обеспечивается оптимальный тепловой режим ЛЭД, что повышает надежность его работы. Объем вытесняемой жидкости через указанные сквозные отверстия нижней части корпуса можно регулировать за счет высоты навинчивания торцевой пробки: чем выше, тем меньше сквозных отверстий будет свободными, и наоборот.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Предлагаемый линейный электродвигатель в составе погружной бесштанговой насосной установки в разрезе.
Фиг. 2 - Фрагмент сечения линейного электродвигателя.
Фиг. 3 - Фрагмент сечения нижней части удлиненного корпуса ЛЭД с регулируемой перфорацией.
Заявляемый погружной линейный электродвигатель (15) включает удлиненный цилиндрический корпус (14), внутри которого размещен статор (19) с периодически установленными на тонкостенных втулках (20) из нержавеющей стали стальными сердечниками (12) и соединенными между собой индукционными катушками (13), образующими группы обмоток, между которыми установлены опорные направляющие (26), и головку возвратно поступательного действия - слайдер (18), состоящий из цельнометаллического вала (21), который содержит удлинитель (35), посредством которого вал (21) соединен со штоком (3) плунжера (2) погружного насоса (1). На валу (21) установлены постоянные магниты (27) и магнитопроводящие стальные сердечники (28) (Фиг.2).
Линейный электродвигатель включает головку токоввода (5) со сквозным каналом (4) и герметичным разъемом (31) соединения концов фазных обмоток (11) линейного электродвигателя с муфтой кабельного ввода питающего кабеля (не показан).
Индукционные катушки (13) и магнитопроводящие стальные сердечники (28), распределенные по длине статора на равные группы, ограниченны торцевыми крышками (16) в модули (17) и жестко соединены между собой по всей длине статора стальными патрубками (25) с опорными втулками (26).
Для образования опорных поверхностей скольжения слайдера между статором (19) линейного электродвигателя и головкой токоввода (5) установлен патрубок-удлинитель (8), выполненный из двух коаксиально расположенных втулок (9) с образованием центрального канала (10) длиной и диаметром, обеспечивающими при работе свободный выбег слайдера при ходе вверх и образованием кабельного канала (7) между втулками (9) для проводки кабеля (6) от головки токоввода (5) до соединения с концами фазных обмоток статора (19).
В промысловых условиях установленный в скважине погружной электродвигатель соединяется с погружным плунжерным насосом (1) возвратно-поступательного движения, содержащим плунжер (2), всасывающий клапан (29), нагнетательный клапан (30).
Нижней часть (22) корпуса (14) линейного электродвигателя (15) выполнена удлиненной, с длиной и внутренними размерами, обеспечивающими свободный выбег слайдера при ходе вниз. Нижняя часть (22) удлиненного корпуса (14) снабжена наружной резьбой (38) и сквозными отверстиями (37), а также подвижной глухой торцевой пробкой (24) с внутренней резьбой (36), выполненной с возможностью навинчивания на нижнюю часть корпуса (14). При этом внутри нижней части указанного корпуса (14) над торцевой пробкой (24) в полости (34) размещена демпфирующая пружина (23).
Предлагаемый погружной линейный электродвигатель работает следующим образом. В линейном электродвигателе (15) при питании обмоток индукционных катушек (13) статора (19) переменным трехфазным током головка возвратно-поступательного действия (слайдер) (18) под действием электромагнитных сил совершает возвратно-поступательные движения, которые передаются слайдером (18) плунжеру (2) через жестко связанный с валом (21) через удлинитель (35) шток (3) плунжера (2) насоса (1), который включен в погружную установку. При этом, добываемая жидкость через перфорации (32) цилиндра насоса, всасывающий (29) и нагнетательный (30) клапаны, нагнетается в НКТ (33) и далее в системы сбора на поверхности.
Конструкция заявляемого погружного линейного электродвигателя выполнена из разборно связанных между собой, а также между насосом, которым будет оснащен указанный двигатель при работе в скважине, конструктивных единиц: кабель - ниппель головки токоввода (5); головка токоввода (5) - корпус (14) линейного двигателя (15); корпус (14) линейного двигателя (15) - корпус плунжерного насоса (1); слайдер (18) линейного двигателя (15) - плунжер (2) плунжерного насоса (1). Благодаря такому соединению, обеспечивается ремонтопригодность электродвигателя.
Опытно-промышленные и цеховые испытания предлагаемого линейного электродвигателя в составе погружных бесштанговых насосных установок проведены на нефтяных месторождениях Прикамья и Западной Сибири.
В результате проведенных опытно-промысловых и цеховых испытаний подтверждено:
- повышение тягового усилия предлагаемого электродвигателя примерно на 30% из расчета на единицу длины линейного двигателя по сравнению с аналогами;
- повышение надежности электродвигателя по сравнению с аналогами, вследствие оптимизации теплового режима линейного двигателя, уменьшения трения и снижения вибраций при движении слайдера;
- обеспечение ремонтопригодности.