ПОГРУЖНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
SUBMERSIBLE PUMP UNIT

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для добычи нефти, а именно к насосам и насосным агрегатам, предназначенным для подъема жидкостей с больших глубин.
Известен патент на изобретение ЕАПО на №009268, МПК Е21В 43/00, F04B 47/00. «ПОГРУЖНОЕ НАСОСНОЕ УСТРОЙСТВО ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ» Погружное насосное устройство возвратно-поступательного действия с числовым программным управлением, содержащее сетчатую трубу, привод и насос, при этом все устройство предназначено для установки в подземном нефтяном пласте, привод состоит из статора и головки возвратно-поступательного действия со стальными сердечниками внутри статора, статор и головка формируют фрикционное соединение посредством опорных направляющих и стальных сердечников головки, отличающееся тем, что при наличии воздухонепроницаемой полости, верхний конец статора соединен с нижним концом насоса через сетчатую трубу, насос соединен с нефтяной трубой, нижний конец статора последовательно соединен с балансировочной сетчатой трубой, концевой пробкой и концевой соединительной муфтой. Внутри корпуса статора расположено множество групп круглых обмоток стальных сердечников с опорными направляющими между группами обмоток, стальные сердечники и круглые обмотки установлены вблизи друг от друга, на круглых внутренних поверхностях размещены уплотняющие втулки, соединенные концевыми крышками, в результате сформирована воздухонепроницаемая полость. Намотанные в радиальном направлении обмотки статора расположены в осевом направлении.
Опорные направляющие изготовлены из сплава, круглые внутренние поверхности изготовлены из сплава, опорные направляющие имеют меньшие внутренние диаметры, чем уплотняющие втулки. Стальные сердечники головки возвратно-поступательного действия размещены вокруг сплошного вала головки возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами между стальными сердечниками, наружные поверхности круглых стальных сердечников изготовлены из сплава и они формируют фрикционное соединение с опорными направляющими посредством слоев из сплава на внутренних поверхностях опорных направляющих. Постоянные магниты отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии между стальными сердечниками головки возвратно-поступательного действия и имеют меньший наружный диаметр, чем круглые стальные сердечники. С наружной стороны насосного цилиндра расположен корпус насоса, формирующий между ними круглое пространство для песчаного осадка и толкающий шток плунжера соединен с верхним концом вала головки возвратно-поступательного действия через сетчатую трубу. Нефтяная труба проходит к поверхности земли, и вывод обмоток статора соединен с находящимся на поверхности блоком цифрового программного управления.
Недостатком данного технического решения является малый отвод тепла, а также значительное снижение мощности при уменьшении размеров насосного агрегата.
Задачей предлагаемого изобретения является создание погружного насосного агрегата с обеспечением интенсивного теплоотвода и увеличенной мощности при минимальном размере.
Поставленная задача решается за счет того, что погружной насосный агрегат содержит корпус; всасывающий клапан; нагнетательный клапан; ротор; статор и индукционные катушки. Пара плунжер-цилиндр выполнена в виде линейного насоса, причем плунжер, состоящий из металлической трубки с постоянными магнитами со встречными полюсами, чередующимися с металлическими вставками, является одновременно и ротором насосного агрегата. Цилиндр ротора выполняет роль изолирующей трубы и выполнен из чередующихся сплавленных колец ферромагнитного и немагнитного материалов. Статор состоит из цилиндра статора, выполненного из чередующихся сплавленных колец ферромагнитного и немагнитного материалов и индукционных катушек, заключенных в короба-сердечники, а расстояние между цилиндром ротора и цилиндром статора выполнено с обеспечением минимального зазора. Индукционные катушки и короба-сердечники выполнены со сквозными круглыми отверстиями, расположенными соосно со всеми индукционными катушками и коробами-сердечниками, в которые вставлены тепловые трубки, один конец которых расположен внутри статора и является теплоприемником, а второй конец выведен в поток откачиваемой жидкости и является теплоотводом. Ширина колец немагнитного материала цилиндра ротора равна ширине постоянного магнита на металлической трубке. Ширина металлических вставок равна ширине колец ферромагнитного материала цилиндра ротора. Ширина колец ферромагнитного и немагнитного материала в цилиндре статора одинакова, а в цилиндре ротора ширина колец немагнитного материала вдвое больше колец ферромагнитного материала. Индукционные катушки, заключенные в короба-сердечники, выполненные таким образом, что сверху они имеют зазоры для вывода обмотки и полностью закрывают ширину индукционных катушек, а снизу, в месте соприкосновения с цилиндром статора, короба-сердечники расположены на одном уровне с кольцами ферромагнитного материала цилиндра статора.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1. - Вид погружного насосного агрегата в сечении.
Фиг. 2 - Разрез по А-А погружного насосного агрегата.
Фиг. 3 - Фрагмент сечения погружного насосного агрегата.
Погружной насосный агрегат 1 содержит корпус 2; всасывающий клапан 3; нагнетательный клапан 4; ротор 5; статор 6 и индукционные катушки 7. Пара плунжер-цилиндр 8 выполнена в виде линейного насоса, причем плунжер 9, состоящий из металлической трубки с постоянными магнитами 10 со встречными полюсами, чередующимися с металлическими вставками 11, является одновременно и ротором 5 насосного агрегата 1. Цилиндр ротора 12 выполняет роль изолирующей трубы и выполнен из чередующихся сплавленных колец ферромагнитного 13 и немагнитного 14 материалов. Статор 6 состоит из цилиндра статора 15, выполненного из чередующихся сплавленных колец ферромагнитного 13 и немагнитного 14 материалов и индукционных катушек 7, заключенных в короба-сердечники 16, а расстояние между цилиндром ротора 12 и цилиндром статора 15 выполнено с обеспечением минимального зазора. Индукционные катушки 7 и короба-сердечники 16 выполнены со сквозными круглыми отверстиями 17, расположенными соосно со всеми индукционными катушками 7 и коробами-сердечниками 16, в которые вставлены тепловые трубки 18, один конец которых расположен внутри статора 6 и является теплоприемником, а второй конец выведен в поток откачиваемой жидкости и является теплоотводом. Ширина колец немагнитного 14 материала цилиндра ротора равна ширине постоянного магнита 10 на металлической трубке. Ширина металлических вставок 11 равна ширине колец ферромагнитного 13 материала цилиндра ротора. Ширина колец ферромагнитного 13 и немагнитного 14 материала в цилиндре статора 16 одинакова, а в цилиндре ротора 12 ширина колец немагнитного 14 материала вдвое больше колец ферромагнитного 13 материала. Индукционные катушки 7, заключенные в короба-сердечники 16, выполненные таким образом, что сверху они имеют зазоры 19 для вывода обмотки 20 и полностью закрывают ширину индукционных катушек 7, а снизу, в месте соприкосновения с цилиндром статора 15, короба-сердечники 16 расположены на одном уровне с кольцами ферромагнитного 13 материала цилиндра статора 15.
Погружной насосный агрегат служит для встраивания в погружной блок установки для добычи нефти, которая состоит из наземного блока, погружного блока и силового кабеля между наземным и погружным блоками.
Назначение наземного блока.
Наземный блок предназначен для питания погружного блока, задания уставок и режимов его работы, приема телеметрической информации от погружного блока, связи с внешней автоматизированной системой контроля и управления и визуализации технологических процессов.
Назначение погружного блока.
Погружной блок предназначен для откачки нефти из пласта по насосно-компрессорной трубе (НКТ), измерения рабочих параметров погружного насосного агрегата из скважины, передачу телеметрической и технологической информации в наземный блок, а также прием и выполнение команд от наземного блока.
Назначение силового кабеля.
Силовой кабель предназначен для питания погружного блока, а также для передачи данных между наземным и погружным блоками.
В предлагаемом погружном насосном агрегате пара плунжер-цилиндр выполняется в виде линейного двигателя, где плунжер является одновременно ротором, а цилиндр, внутри которого ходит плунжер, выполняется в виде неподвижного статора.
Управление движением погружного насосного агрегата осуществляется с помощью частотного преобразователя с микропроцессорным управлением, который может находиться либо на поверхности, либо быть встроенным в насосный агрегат в виде отдельного модуля. Определение положения позиции ротора относительно статора осуществляется датчиками магнитного поля, расположенными в статоре (на чертеже не показано).
Погружной насосный агрегат работает следующим образом:
При первом включении микропроцессорное устройство управления включает режим поиска положения ротора 5 по датчикам магнитного поля. Определив положение ротора 5, включается рабочий режим, заключающийся в посылке необходимой частоты, фазы и величины тока в соответствующие катушки. Индукционные катушки 7 статора подключают к сети трехфазного переменного тока, образуется магнитное поле. Это магнитное поле пересекает проводники обмотки 20 ротора 5 и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке 20 начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приводит к появлению силы, действующей в направлении перемещения магнитного поля. Ротор 5 под действием этой силы начинает двигаться.
Управление двигателем полностью аналогично управлению стандартным двигателем с постоянными магнитами с помощью частотного преобразователя. При этом контролируются все параметры, необходимые для нормальной работы двигателя (ток, напряжение, частота, температура и пр.)
Суть предлагаемого погружного насосного агрегата в следующем:
Погружной насосный агрегат 1 состоит из корпуса 2, представляющего собой стальную трубу, всасывающего клапана 3, защитного фильтра, цилиндра-статора 15, плунжера-ротора с нагнетательным клапаном 4. Корпус 2 имеет кабельный ввод для питания насосного агрегата 1 и соединяется с насосно-компрессорной трубой. Пара плунжер-цилиндр 8 выполнена в виде линейного двигателя, плунжер 9 является одновременно ротором 5, а цилиндр, внутри которого ходит плунжер 9, выполнен в виде неподвижного статора 6.
Цилиндр-статор 15 состоит из кольцевых стальных коробов-сердечников 16, в которые вкладываются кольцевые индукционные катушки 7, электрические выводы которых через специальные зазоры 19 в коробах-сердечниках 16 соединяются между собой в «звезду», толстостенного цилиндра, на котором расположены короба-сердечники 16 с индукционными катушками 7, причем цилиндр-статор 15 выполнен из герметично соединенных разнородных материалов в виде «слоеного пирога» в продольном разрезе, один из материалов является ферромагнитным, а другой немагнитным, при этом ширина ферромагнитного 13 слоя точно равна ширине стальных коробов-сердечников 16, то есть ферромагнитный 13 слой является продолжением короба-сердечника 16 индукционной катушки 7, что сводит величину воздушного зазора между статором 6 и ротором 5 к минимальной величине, порядка одной десятой доли миллиметра. Кольцевые индукционные катушки 7 и короба-сердечники 16 выполнены таким образом, что в них имеются сквозные отверстия 17, соосно расположенные по всей длине статора 6, куда вставлены тепловые трубки 18, на верхнем конце которых имеется радиатор, находящийся в потоке откачиваемой жидкости, тем самым обеспечивая эффективный теплоотвод тепла из статора 6.
Ротор 5 состоит из постоянных кольцевых магнитов 10 с металлическими вставками 11 между ними. Магниты 10 попарно собираются таким образом, чтобы их магнитные полюса были направлены встречно друг другу, так чтобы образовалась линейная последовательность «северных» и «южных» полюсов. Ширина металлических вставок 11 между магнитами 10 равна ширине сердечника индукционной катушки 7, а расстояние между центрами одноименных полюсов точно равно утроенной ширине сердечника с индукционной катушкой 7. Ротор 5 собран на немагнитной трубе, а сверху может быть защищен трубой, выполненной по технологии цилиндра.
Предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
1. Усиление интенсивности теплоотвода
2. Экономичность
3. Уменьшение размера при аналогичной мощности
4. Увеличение мощности при аналогичном размере
5. Максимальная изоляция от воздействия внешней среды
Все вышесказанное говорит о выполнении поставленной технической задачи: создание погружного насосного агрегата с обеспечением интенсивного теплоотвода и увеличенной мощности при минимальном размере и о промышленной применимости заявленного устройства.
Перечень позиций:
1. Насосный агрегат
2. Корпус
3. Всасывающий клапан
4. Нагнетательный клапан
5. Ротор
6. Статор
7. Индукционные катушки
8. Пара плунжер-цилиндр
9. Плунжер
10. Постоянные магниты
11. Металлические вставки
12. Цилиндр ротора
13. Кольцо ферромагнитного материала
14. Кольцо немагнитного материала
15. Цилиндр статора
16. Короба-сердечники
17. Сквозные круглые отверстия
18. Тепловая трубка
19. Зазоры
20. Обмотка