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 плунжерным 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, 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 известном 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.
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 линейного электродвигателя (далее - ЛЭД) является малая надежность, обусловленная наличием в двигателе компенсатора с упругой диафрагмой, которая выполнена в виде пузыря, сложность конструкции и повышение трудоемкости технического обслуживания.
Из уровня техники известен погружной линейный двигатель 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 - напор недостаточный для эксплуатации глубоких скважин,
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 узел токоввода требует сращивания токопроводящих жил питающего кабеля и выводов обмотки линейного двигателя непосредственно на скважине,
Существенным недостатком указанной известной конструкции электродвигателя также является отсутствие ремонтопригодности, т.к. многие элементы в нем соединены сваркой, а полости статора залиты компаундом.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является линейный электродвигатель для погружного насосного устройства возвратно-поступательного действия (Патент РФ №185350), который устанавливается под погружным насосом. Известный линейный электродвигатель включает удлиненный цилиндрический корпус, внутри которого размещен статор с периодически установленными на тонкостенных втулках из нержавеющей стали стальными сердечниками и соединенными между собой индукционными катушками, между которыми установлены опорные направляющие, и головку возвратно-поступательного действия - слайдер, состоящий из цельнометаллического вала, который содержит удлинитель, посредством которого вал соединен со штоком плунжера погружного насоса. ЛЭД также включает головку токоввода со сквозным каналом и герметичным разъемом соединения концов фазных обмоток с муфтой кабельного ввода питающего кабеля. Между статором и головкой токоввода установлен патрубок-удлинитель, выполненный из двух коаксиально расположенных втулок с образованием центрального канала длиной и диаметром, обеспечивающими при работе свободный выбег слайдера при ходе вверх, и образованием кабельного канала для проводки кабеля. В промысловых условиях ЛЭД соединяется с погружным насосом. В нижней части корпус ЛЭД выполнен удлиненным. Нижняя часть корпуса снабжена наружной резьбой и сквозными отверстиями, а также подвижной глухой торцевой пробкой с внутренней резьбой, выполненной с возможностью навинчивания на нижнюю часть корпуса. Внутри нижней части корпуса размещена демпфирующая пружина.
Недостатком указанного погружного ЛЭД является недостаточный напор для эксплуатации глубоких скважин и недостаточная надежность.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью заключается в повышении надежности работы электродвигателя и в увеличении напора.
Указанный технический результат достигается предлагаемым погружным линейным электродвигателем, включающим цилиндрический корпус, внутри которого размещен статор, выполненный с периодически установленными на тонкостенных втулках из нержавеющей стали равных по длине частей - модулей, состоящих из стальных сердечников и соединенных между собой индукционных катушек, образующих группы обмоток, при этом каждый модуль ограничен торцевыми крышками, а между модулями установлены опорные направляющие в виде подшипников-центраторов, и соосно установленную внутри статора с образованием полости головку возвратно-поступательного действия - слайдер, состоящий из цельнометаллического вала, с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, а также включающий в верхней части корпуса головку токоввода со сквозным каналом, выполненным с возможностью возвратно-поступательного движения в нем штока плунжера погружного насоса, при этом новым является то, что слайдер выполнен с возможностью жесткого соединения напрямую со штоком плунжера погружного насоса, при этом канал головки токоввода выполнен с диаметром, обеспечивающим свободное возвратно-поступательное движение связки слайдер-шток плунжера погружного насоса, расстояния между торцевыми крышками смежных модулей статора, занимаемыми подшипниками-центраторами, выполнены по всей длине статора равными между собой и строго кратными длине полюсного деления статора, длины полюсных делений статора, измеряемых шириной трех индукционных катушек с тремя прилегающими стальными сердечниками, выполнены строго равными длинам полюсных делений слайдера, измеряемых шириной постоянного магнита с двумя прилегающими магнитопроводящими стальными сердечниками, при этом нижняя часть корпуса линейного электродвигателя выполнена с возможностью сочленения с маслозаполненным компенсатором давления, полость которого гидравлически соединена с полостью статора.
Нижняя часть корпуса линейного электродвигателя выполнена с возможностью сочленения с маслозаполненным компенсатором давления через патрубок-удлинитель, а полость компенсатора гидравлически соединена с полостью статора посредством трубок, проложенных по поверхности патрубка-удлинителя.
Сущность физики явлений, обуславливающих работу предлагаемого погруженного линейного электродвигателя, могут быть объяснены следующим.
Электромагнитные силы, возникающие в линейном электродвигателе, обусловлены тем, что при прохождении электрического тока по катушкам статора на проводники с током (витки индукционных катушек) действует магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами слайдера и, при этом, создается силовое воздействие по закону Ампера. Так как катушки в статоре закреплены неподвижно, то под действием возникающих сил перемещается подвижный рабочий орган - слайдер.
При прямом чередовании фаз тока, задаваемом станцией управления, система: слайдер-шток плунжера, 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 слайдер выполнен с возможностью жесткого соединения напрямую со штоком плунжера погружного насоса, а диаметр слайдера выполнен равным диаметру штока плунжерного насоса и, при этом, канал головки токоввода выполнен с диаметром, обеспечивающим свободное возвратно-поступательное движение связки слайдер-шток плунжерного насоса, исключается дополнительный промежуточный шток между слайдером линейного двигателя и штоком плунжерного насоса, как в прототипе, что упрощает конструкцию, повышает ее надежность, и обеспечивает уменьшение габаритов линейного двигателя.
Благодаря тому, что интервалы (расстояния) между любыми двумя смежными модулями статора, занимаемыми подшипниками-центраторами, выполнены равными между собой и строго кратными по длине полюсным делениям статора, а длины полюсных делений статора, измеряемых шириной трех индукционных катушек с тремя прилегающими стальными сердечниками, выполнены строго равными длинам полюсных делений слайдера, измеряемых шириной постоянного магнита с двумя прилегающими магнитопроводящими стальными сердечниками, улучшается угловая характеристика линейного двигателя, при этом оптимизируются зависимость силы тяги линейного двигателя от угла между осями полюсов статора и слайдера, реализуется возможность повышения силы тяги линейного двигателя и исключается опасность вибрации слайдера при отклонении от номинальных нагрузок. При этом под модулями статора понимаются части статора разделяемые торцевыми крышками и смежными подшипниками-центраторами.
В линейных двигателях с постоянными магнитами в слайдере сила тяги зависит от угла между осями полюсов статора и слайдера в соответствии с так называемой угловой характеристикой по формуле:
max
х sin Q
F=F
где Q - угол между осями полюсов статора и слайдера.
Для обеспечения синхронности взаимодействия полюсов статора и слайдера и повышения силы тяги необходимо равенство полюсных делений статора и слайдера, а также кратность интервалов между модулями полюсным делениям, что и заявлено в предлагаемой полезной модели.
Благодаря тому, что нижняя часть корпуса предлагаемого линейного электродвигателя выполнена с возможностью жесткого соединения, в преимущественном варианте через патрубок-удлинитель, с маслозаполненным компенсатором давления, полость которого гидравлически соединена с полостью статора, например, посредством трубок, проложенных по поверхности патрубка-удлинителя, обеспечивается надежная герметизация обмоток статора от внешней среды, улучшение теплоотвода и оптимизация конструкции линейного двигателя.
Предлагаемый ЛЭД устанавливается в промысловых условиях при компоновке конструкции погружной бесштанговой насосной установки всегда ниже погружного насоса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: Фиг. 1 - Линейный электродвигатель в разрезе; Фиг. 2 - Фрагмент сечения линейного электродвигателя.
Заявляемый погружной линейный электродвигатель (1) включает цилиндрический корпус (2), внутри которого размещен статор (3) с периодически установленными на тонкостенных втулках (4) из нержавеющей стали модулями (5), состоящими из стальных сердечников (6) и соединенных между собой индукционных катушек (7), образующих группы обмоток, при этом каждый модуль ограничен торцевыми крышками (8). Между модулями 5 установлены опорные направляющие в виде подшипников-центраторов (9). Иными словами индукционные катушки (7) и магнитопроводящие стальные сердечники (6), распределенные по длине статора на равные группы и ограниченные торцевыми крышками (8), образуют модули (5), которые жестко соединены между собой по всей длине статора. При этом расстояния между торцевыми крышками (8) смежных модулей статора, занимаемыми подшипниками-центраторами (9), выполнены по всей длине статора равными между собой и строго кратными длине полюсного деления статора (22). Длины полюсных делений статора, равные ширине трех индукционных катушек (7) с тремя прилегающими стальными сердечниками (6), выполнены строго равными длинам полюсных делений (23) слайдера, измеряемых шириной постоянного магнита (11) с двумя прилегающими магнитопроводящими стальными сердечниками (12).
Также линейный двигатель образует внутри статора (3) полость, в которой размещены сердечники (6), катушки (7), подшипники-центраторы (9) и головка возвратно-поступательного действия - слайдер (21), состоящая из цельнометаллического вала (10), с установленными на нем постоянными магнитами (11) и магнитопроводящими сердечниками (12) (Фиг. 2). Указанный цельнометаллический вал (10) слайдера выполнен жестко соединенным напрямую со штоком плунжера погружного насоса (на чертеже не показан), с возможностью свободного выбега связки слайдер-плунжер погружного насоса при ходе вверх-вниз через сквозной канал (14) головки токоввода.
Головка токоввода (13) содержит герметичный разъем (15) соединения концов фазных обмоток линейного электродвигателя с муфтой кабельного ввода питающего кабеля (не показан). Каждые три последовательно расположенные индукционные катушки фаз А, В, С (7) с прилегающими стальными сердечниками (6) образуют полюсные деления статора (22), каждый постоянный магнит (11) на цельнометаллическом валу (10) с двумя прилегающими магнитопроводящими сердечниками (12) образуют полюсные деления слайдера (23). Последовательно соединенные полюса статора, ограниченные торцевыми крышками и подшипниками-центраторами (9) образуют модули (5). В модуль включают удобное для сборки количество полюсов, например, двенадцать. В этом случае в модуль входят 36 индукционных катушек. Статор линейного двигателя собирается из модулей, которые соединяются последовательно. Статор линейного двигателя, собранный, например, из 14 модулей будет включать в выбранном примере 168 полюсов и, соответственно 504 индукционных катушки.
В нижней части корпуса (2) электродвигателя через патрубок-удлинитель (16) установлен компенсатор давления (17), преимущественно, диафрагменный, маслозаполненная полость которого гидравлически соединена с полостью статора (3), например, посредством трубок (19), которые могут быть проложены по поверхности патрубка-удлинителя (16).
В промысловых условиях установленный в скважине погружной электродвигатель (1) устанавливается под погружным плунжерным насосом возвратно-поступательного действия. При этом отсутствие сквозного канала для прохождения добываемой жидкости обеспечивает возможность увеличения сечения активных материалов статора и слайдера и увеличения тягового усилия погружного линейного электродвигателя.
Предлагаемый погружной линейный электродвигатель работает следующим образом. В линейном электродвигателе (1) при питании обмоток индукционных катушек (7) статора (3) переменным трехфазным током слайдер под действием электромагнитных сил совершает возвратно-поступательные движения, которые передаются слайдером (21) плунжеру насоса через жестко связанный с валом (10) шток (20) плунжера насоса, который включен в погружную установку. При этом добываемая жидкость через перфорации цилиндра насоса, всасывающий и нагнетательный клапаны, нагнетается в насосно-компрессорные трубы и далее в системы сбора на поверхности (на чертеже не показаны).
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 (13), головка токоввода (13) - корпус (2) линейного двигателя (1); корпус (2) линейного двигателя (1) - корпус плунжерного насоса (на чертеже не показан); слайдер (21) линейного двигателя (1) - плунжер плунжерного насоса. При сборке на муфте (18) линейного двигателя устанавливается плунжерный насос. Благодаря такому соединению, обеспечивается ремонтопригодность электродвигателя.
Опытно-промысловые и цеховые испытания предлагаемого линейного электродвигателя в составе погружных бесштанговых насосных установок были проведены на конкретных нефтяных месторождениях. При этом для экспериментальных целей были изготовлены погружные ЛЭД со следующими параметрами активной части: параметры статора: количество модулей - 14, длина модуля - 372 мм, количество полюсов в модуле - 12, длина полюса (полюсное деление статора) - 31 мм, количество катушек в полюсе - 3, общее число катушек 504, длина межмодульных интервалов - 31 мм; параметры слайдера: количество полюсов - 224, количество постоянных магнитов - 224, длина полюса (полюсное деление слайдера) - 31 мм, выбег слайдера - 1302 мм. В результате проведенных опытно-промысловых и цеховых испытаний подтверждено повышение тягового усилия предлагаемого ЛЭД примерно на 50% из расчета на единицу длины линейного двигателя по сравнению с аналогами; повышение надежности электродвигателя по сравнению с аналогами, вследствие упрощения конструкции, оптимизации теплового режима линейного двигателя, уменьшения трения и снижения вибраций при движении слайдера; обеспечение ремонтопригодности.