СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ ФИКСАЦИИ МАГНИТНЫХ КАТУШЕК В ЗАБОЙНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
SYSTEMS AND METHODS FOR FIXATING THE MAGNETIC COILS IN THE BLOCKED LINEAR ENGINES

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[001] Эта заявка испрашивает приоритет по заявке США № 62/180959, поданной 17 июня 2015 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Область техники.
[003] Изобретение в общем относится к скважинным инструментам для использования в скважинах, а, более конкретно, к средствам фиксации катушек обмоточного провода в статоре линейного двигателя.
[004] Описание предшествующего уровня техники.
[005] В добыче нефти из скважин часто требуется использование системы насосно-компрессорной эксплуатации для поддержания потока нефти. Система насосно-компрессорной эксплуатации обычно включает в себя электрический погружной насос (ESP), расположенный в забое скважины в участке добычи скважины. Электрический погружной насос содержит двигатель, принимающий электрические сигналы от оборудования на поверхности скважины. Полученные сигналы управляют двигателем, который, в свою очередь, приводит в действие насос для подъема нефти из скважины.
[006] Двигатели электрических погружных насосов могут иметь роторные конструкции, в которых ротор расположен соосно внутри статора и вращается внутри статора, или линейные конструкции, в которых подвижная часть перемещается линейным возвратно-поступательным образом, обеспечивая нагнетание нефти из скважины плунжерным насосом. В роторных и линейных двигателях используют катушки обмоточного провода, на которые подают ток для создания магнитных полей. Эти магнитные поля взаимодействуют с магнитными полями ротора двигателя (в случае роторного двигателя) или подвижной части (в случае линейного двигателя), таким образом обеспечивая движение ротора или указанной подвижной части. Это движение используют для приведения в действие насоса системы.
[007] В случае роторных двигателей, катушки обычно расположены в углублениях, расположенных в осевом направлении, в сердечнике статора, и таким образом предотвращается возможность их перемещения во время обеспечения ими вращения ротора. В случае линейных двигателей, катушки обычно намотаны кольцеобразно вокруг расточки статора таким образом, что противодействующая сила на катушках может обеспечивать осевое перемещение катушек при обеспечении ими возвратно-поступательного движения подвижной части. Это перемещение может приводить к стиранию проводов и может приводить к коротким замыканиям цепи или другим повреждениям электрической системы катушек.
[008] Следовательно, создание улучшенного средства уменьшения или предотвращения перемещения катушек в линейном двигателе, таким образом увеличивая надежность и период эксплуатации двигателя, является желательным.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[009] Это изобретение относится к системам и способам фиксации катушек обмоточного провода к опорному сердечнику статора таким способом, который решает одну или более описанных ранее проблем. В одном частном варианте реализации предложен способ фиксации катушек обмоточного провода к опорному сердечнику в линейном двигателе, который может быть использован, например, в электрическом погружном насосе. Согласно этому способу обеспечивается опорный сердечник. Опорный сердечник представляет собой полый элемент, такой как цилиндрическая металлическая трубка, выполненный с возможностью вмещать в себе подвижную часть линейного двигателя. Совокупность катушек обмоточного провода расположена на наружной части опорного сердечника. В одном варианте реализации обмоточный провод намотан вокруг опорного сердечника для образования катушек. Слой материала может быть расположен на опорном сердечнике для способствования предотвращению осевого перемещения катушек на опорном сердечнике (в направлении оси опорного сердечника) и для обеспечения дополнительной электрической изоляции между катушками и опорным сердечником. Этот слой материала может быть образован термоусадочным материалом, который нагревают для его усадки и фиксируют на опорном сердечнике. После расположения катушек обмоточного провода на опорном сердечнике наружный слой термоусадочного материала располагают вокруг опорного сердечника и катушек. Наружный слой термоусадочного материала затем нагревают для обеспечения его усадки и плотного прилегания к катушкам и опорному сердечнику. Наружный слой термоусадочного материала обеспечивает давление на катушки, которое надежно удерживает катушки в примыкании к опорному сердечнику. Этот узел затем может быть расположен внутри корпуса статора и зафиксирован для образования статора линейного двигателя.
[0010] В альтернативном варианте реализации содержится система, включающая электрический погружной насос, электрический привод и соединяющий их кабель электропитания для подачи электропитания от электрического привода на электрический погружной насос. Электрический погружной насос содержит линейный двигатель. Статор линейного двигателя содержит опорный сердечник, который представляет собой полый элемент, выполненный с возможностью вмещать подвижную часть линейного двигателя внутри расточки опорного сердечника. Катушки обмоточного провода расположены на наружной стороне опорного сердечника, а наружный слой термоусадочного материала расположен вокруг опорного сердечника и катушек. Наружный слой термоусадочного материала плотно прилегает к опорному сердечнику и катушкам обмоточного провода за счет его нагревания. Это также прижимает слой термоусадочного материала к катушкам и, таким образом, надежно удерживает их в примыкании к опорному сердечнику. Слой нескользящего материала может при необходимости быть расположен между опорным сердечником и катушками обмоточного провода для препятствования осевому перемещению катушек относительно опорного сердечника. Слой нескользящего материала может быть образован внутренним слоем термоусадочного материала, плотно примыкающего к опорному сердечнику. Катушки обмоточного провода могут быть образованы путем наматывания обмоточного провода вокруг опорного сердечника и внутреннего, нескользящего слоя. Альтернативно, катушки могут быть образованы предварительно и затем установлены на опорный сердечник. Затем для удержания катушек на месте может быть нанесен термоусадочный наружный слой. Статор, содержащий катушки обмоточного провода, может не содержать герметизирующих веществ таким образом, чтобы обеспечивать возможность ремонта или повторного использования компонентов статора.
[0011] Другой альтернативный вариант реализации содержит статор, подходящий для использования в линейном двигателе. Статор содержит опорный сердечник, который представляет собой полый структурный элемент, выполненный с возможностью вмещать подвижную часть линейного двигателя. Совокупность катушек обмоточного провода расположена на наружной стороне опорного сердечника, а наружный слой термоусадочного материала расположен вокруг опорного сердечника и катушек для удержания катушек на месте. Наружный слой термоусадочного материала плотно прилегает к опорному сердечнику и катушкам обмоточного провода за счет его нагревания. Это обеспечивает прижатие наружного слоя термоусадочного материала к катушкам обмоточного провода таким образом, чтобы надежно удерживать их в примыкании к опорному сердечнику без необходимости в герметизирующих веществах. Слой нескользящего материала (такого как термоусадочный материал) может быть расположен между опорным сердечником и катушками обмоточного провода для препятствованию осевому перемещению катушек относительно опорного сердечника. Катушки могут быть образованы путем наматывания обмоточного провода вокруг опорного сердечника.
[0012] Также возможны другие варианты реализации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Другие задачи и преимущества изобретения могут быть очевидны после ознакомления со следующим подробным описанием и сопроводительными чертежами.
[0014] На фиг. 1 показана схема, изображающая приведенную в качестве примера насосную систему в соответствии с одним вариантом реализации.
[0015] На фиг. 2 показана схема, изображающая приведенный в качестве примера линейный двигатель в соответствии с одним вариантом реализации, который подходит для использования в насосной системе по фиг. 1.
[0016] На фиг. 3 показана схема, изображающая противодействующие силы, воздействующие на статор и подвижную часть линейного двигателя в одном варианте реализации.
[0017] На фиг. 4 показана схема, изображающая расположение компонентов внутри линейного двигателя и положения термоусадочных изоляционных элементов в линейном электрическом двигателе в соответствии с одним вариантом реализации.
[0018] На фиг. 5 показана блок-схема, изображающая способ изоляции и удерживания магнитных катушек внутри статора с использованием термоусадочной изоляции в линейном двигателе в соответствии с одним вариантом реализации.
[0019] Несмотря на то, что изобретение может иметь различные модификации и альтернативные формы, его частные варианты реализации изображены на чертежах и сопроводительном подробном описании в качестве примера. Однако следует понимать, что чертежи и подробное описание не ограничивают изобретение конкретным описанным вариантом реализации. Вместо этого, данное описание включает все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в пределах объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Также, чертежи могут быть приведены не в масштабе, и один или более компонентов могут быть преувеличены на них с целью способствования пониманию различных характерных особенностей, описанных в настоящем документе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0020] Далее описан один или более вариантов реализации изобретения. Следует отметить, что эти и любые другие варианты реализации, описанные далее, приведены в качестве примера и имеют иллюстративный, а не ограничительный характер.
[0021] Как описано в настоящем документе, различные варианты реализации изобретения содержат системы и способы фиксации катушек обмоточного провода в статоре линейного двигателя. В целом, в настоящих системах и способах катушки установлены на внутренний опорный сердечник известным способом. Однако после установки катушек на внутренний опорный сердечник статора наружный слой термоусадочного материала располагают на катушках и нагревают для усадки материала на катушки. Термоусадочный материал плотно прилегает к катушкам на внутреннем опорном сердечнике и надежно удерживает катушки в примыкании к опорному сердечнику. Внутренний слой термоусадочного материала может также быть расположен на внутреннем опорном сердечнике и усажен на опорный сердечник перед установкой катушек для способствования предотвращению перемещения между катушками и опорным сердечником. Внутренний слой термоусадочного материала может также обеспечивать электрическую изоляцию между внутренним сердечником и катушками. С термоусадочным материалом, фиксирующим катушки к внутреннему опорному сердечнику, узел устанавливают в корпус статора.
[0022] Со ссылкой на фиг. 1 показана схема, изображающая приведенную в качестве примера насосную систему в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Ствол 130 скважины пробуривают в нефтеносной геологической структуре и обсаживают. Обсадку внутри ствола 130 скважины перфорируют в участке добычи скважины для обеспечения возможности вытекания нефти из породы в скважину. Насосная система 120 расположена в участке добычи скважины. Насосная система 120 соединена с насосно-компрессорной колонной 150, через которую система нагнетает нефть из скважины. Система 110 управления расположена на поверхности скважины. Система 110 управления соединена с насосом 120 посредством кабеля 112 электропитания и совокупности электрических линий 113 передачи данных, которые могут передавать различные типы считанных данных и данных управления между забойной насосной системой и наземным оборудованием управления. Кабель 112 электропитания и электрические линии 113 проходят в забой ствола скважины вдоль насосно-компрессорной колонны 150.
[0023] Насос 120 содержит секцию 121 электрического двигателя и секцию 122 насоса. В этом варианте реализации система содержит расширительную камеру 123 и комплект 124 приборов. (Насосная система 120 может содержать различные другие компоненты, которые не будут описаны подробно в настоящем документе, так как они являются хорошо известными в данной области техники и не являются важными для описания изобретения.) Секция 121 двигателя получает электропитание от системы 110 управления и приводит в действие секцию 122 насоса, которая нагнетает нефть по насосно-компрессорной колонне и из скважины.
[0024] В этом варианте реализации секция 121 двигателя представляет собой линейный электрический двигатель. Система 110 управления принимает подводимое питание переменным током (AC) от внешнего источника, такого как генератор (не показан на чертеже), выпрямляет подводимое питание переменным током, преобразуя его в напряжение постоянного тока (DC) определенного значения, определенного контроллером, который может быть использован для получения трехфазного выходного электропитания переменным током, импульсного электропитания постоянным током или других форм сигнала, таких как пилообразная форма сигнала, подходящих для приведения линейного двигателя в действие. Выходное электропитание, подаваемое системой 110 управления, частично зависит от электрического положения подвижной части внутри статора линейного двигателя. Датчики электрического положения в двигателе могут определять положение подвижной части и передавать эту информацию через электрические линии 113 системе 110 управления таким образом, чтобы обеспечивать надлежащую и своевременную коммутацию электрических токов (как будет описано более подробно далее). Выходное электропитание, подаваемое системой 110 управления, подается на насосную систему 120 через кабель 112 электропитания.
[0025] Со ссылкой на фиг. 2 показана схема, изображающая приведенный в качестве примера линейный двигатель, подходящий для использования в насосной системе по фиг.1. Линейный двигатель содержит цилиндрический статор 210, содержащий расточку по центру. Основание 211 соединено с нижним концом статора 210 для покрывания нижнего конца расточки, а головка 212 соединена с верхним концом статора. Головка 212 двигателя имеет отверстие, проходящее через нее, для обеспечения возможности прохождения вала 222 подвижной части 220 к насосу.
[0026] Статор 210 содержит несколько катушек (например, 213) из электропроводящего обмоточного провода, который расположен вокруг внутреннего опорного сердечника 216, образующего расточку статора. Катушки образуют несколько полюсов внутри статора. Количество катушек и количество полюсов может варьироваться от одного варианта реализации к другому. Концы обмотки соединены (например, посредством кабельной муфты 214) с проводниками кабеля 218 электропитания. Несмотря на то, что кабель электропитания содержит отдельные проводники, подающие электропитание к двигателю, проводники не изображены отдельно на чертеже в целях упрощения и ясности.
[0027] На обмотки попеременно подают напряжение тока, полученного через кабель электропитания, для образования магнитных полей внутри статора. Эти магнитные поля взаимодействуют с постоянными магнитами 221 на валу 222 подвижной части 220, обеспечивая перемещение подвижной части 220 вверх и вниз внутри двигателя. Формой сигнала, подаваемого приводом через кабель электропитания, управляют для обеспечения возвратно-поступательного движения подвижной части 220 в пределах расточки статора 210. Статор 210 может содержать один или более датчиков 215 Холла для наблюдения физического положения подвижной части 220 внутри статора 210.
[0028] Со ссылкой на фиг. 3 показана схема, изображающая некоторые из сил, воздействующих на двигатель. Как указано ранее, при подаче напряжения на катушки, они образуют магнитные поля, взаимодействующие с магнитными полями постоянных магнитов на подвижной части. На фиг. 3 показана точка в ходе двигателя вверх. Катушки прикладывают направленную вверх силу (отображенную стрелкой, обращенной вверх) к подвижной части, которая направляет подвижную часть по направлению вверх. В это же время противодействующая сила (отображенная стрелкой, обращенной вниз) прикладывается к катушкам. При ходе двигателя вниз к подвижной части и катушкам прикладываются противоположные силы.
[0029] В идеальных условиях катушки зафиксированы в примыкании к внутреннему опорному сердечнику и выполнены без возможности перемещения, при этом подвижная часть выполнена с возможностью свободного перемещения в пределах расточки статора (за исключением сопротивления вала насоса). Однако в реальных условиях может быть сложно зафиксировать катушки статора, и они могут перемещаться в ответ на силы, прикладываемые магнитными полями. Это перемещение может обуславливать износ обмоточных проводов, что может приводить к неисправности катушек.
[0030] В предшествующем уровне техники катушки могут удерживаться механически путем заключения их в эпоксидные или лаковые герметизирующие вещества в жидкой или полужидкой форме при введении в статор, и затем отверждения для образования по существу жесткого материала, в который заключены катушки. Катушки могут также быть физически присоединены или привязаны к жесткому элементу внутри статора. Однако эти способы могут являться неудовлетворительными по ряду причин. В случае использования способов с лаковым или эпоксидным герметизирующим веществом, для работы с лаковыми и эпоксидными химическими веществами требуется значительное количество оборудования, а для обработки этих герметизирующих веществ может потребоваться значительное количество времени и ресурсов. Также производителю нужно принимать в расчет то, что каждый из этих процессов создает поток отходов. Кроме того, удаление герметизирующих веществ для обеспечения возможности ремонта или повторного использования компонентов статора может быть затруднительным или даже невозможным. В случае привязывания или механического удерживания катушек другим образом, для успешной фиксации катушек может требоваться значительный объем работы и уровень мастерства, а качество удерживания может быть ниже желаемого.
[0031] Настоящие системы и способы обеспечивают альтернативу известным способам удерживания катушек линейного статора без применения герметизирующих веществ. Настоящие системы и способы не создают потока отходов и не требуют сложного оборудования и специальных знаний. Дополнительно, существует меньшая вероятность ухудшения свойств материалов, используемых в настоящих системах и способах, в условиях высоких температур, существующих во многих средах скважин. Настоящие системы и способы также упрощают восстановление или ремонт катушек, которые являются затруднительными или невозможными при использовании таких способов, как лаковая или эпоксидная герметизация.
[0032] Со ссылкой на фиг. 4 показана схема, изображающая конструкцию статора для линейного электрического двигателя в соответствии с одним вариантом реализации. В этом варианте реализации статор сконструирован вокруг внутреннего опорного сердечника 410. Внутренний опорный сердечник 410 представляет собой цилиндрическую металлическую трубку. Внутренняя часть внутреннего опорного сердечника 410 образует расточку, проходящую через статор, в которой будет расположена подвижная часть. Первый, внутренний слой 420 термоусадочного материала, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK), политетрафторэтилен (PTFE) или фторэтиленпропилен (FEP), расположен на (вокруг) внутреннем опорном сердечнике 410 и его нагревают для усадки материала на внутренний опорный сердечник. Усадка материала обуславливает образование им гладкого равномерного слоя на наружной стороне внутреннего опорного сердечника 410. Это также обеспечивает плотную посадку внутреннего слоя 420 на внутренний опорный сердечник 410 таким образом, чтобы исключать его перемещение на внутреннем опорном сердечнике.
[0033] Обмоточные провода затем наматывают вокруг внутреннего опорного сердечника 410 сверху на внутренний слой 420 для образования одной или более катушек 430. Несмотря на то, что это явно не показано на чертеже, между катушками могут быть расположены кольцевые разделители для способствования поддержанию положения обмоточных проводов. После намотки обмоточных проводов с образованием катушек 430, второй, наружный слой 440 термоусадочного материала (например, полиэфирэфиркетон, политетрафторэтилен или фторэтиленпропилен) располагают на (вокруг) катушках 430. Наружный слой 440 затем нагревают для усадки материала на катушки 430. Это обеспечивает плотное прилегание термоусадочного материала к катушкам и обеспечивает сжатие, надежно удерживающее их в примыкании к внутреннему слою 420. Внутренний слой 420 функционирует как нескользящая поверхность, обеспечивающая дополнительное трение между катушками 430 и внутренним опорным сердечником 410 (по сравнению с вариантом реализации, в котором катушки намотаны непосредственно на внутренний опорный сердечник) для способствования предотвращению перемещения между ними (например, осевое перемещение катушек относительно опорного сердечника). Указанные два слоя термоусадочного материала таким образом удерживают катушки 430 на месте на внутреннем опорном сердечнике 410. Этот узел затем располагают внутри наружного корпуса 450, который в этом варианте реализации представляет собой цилиндрическую металлическую трубку, и фиксируют в корпусе. Подвижная часть, содержащая вал 460 и постоянные магниты 470, может быть расположена в расточке внутреннего опорного сердечника перед заключением узла внутреннего статора в корпус.
[0034] Следует отметить, что, несмотря на то, что внутренний слой термоусадочного материала использован в варианте реализации по фиг. 4, он не является обязательным в альтернативных вариантах реализации. Внутренний слой способствует амортизации катушек на внутреннем опорном сердечнике и способствует предотвращению перемещения катушек на внутреннем опорном сердечнике, а также обеспечивает слой изоляции между катушками и внутренним опорным сердечником. В альтернативных вариантах реализации этот внутренний слой термоусадочного материала может не быть использован, или он может быть заменен другим материалом, таким как известные электроизолирующие пленки.
[0035] Альтернативные варианты реализации могут включать, например, способы конструирования статоров для линейных двигателей. Один приведенный в качестве примера способ изображен на блок-схеме на фиг. 5. В этом способе обеспечивают внутренний опорный сердечник (510). Первый слой трубчатого термоусадочного материала помещают на внутренний опорный сердечник и нагревают для усадки материала на внутренний опорный сердечник (520). Затем обмоточные провода наматывают вокруг внутреннего опорного сердечника поверх внутреннего термоусадочного слоя для образования катушек статора (530). После образования катушек, второй слой трубчатого термоусадочного материала располагают на катушках и нагревают для усадки материала на катушки (540). Затем этот узел вводят в цилиндрический корпус статора и фиксируют внутри корпуса (550).
[0036] Настоящие системы и способы могут иметь ряд преимуществ над предшествующим уровнем техники. Например, они намного проще и легче в реализации, чем многие способы предшествующего уровня техники. Способы, включающие герметизацию катушек в лаковых или эпоксидных веществах, требуют оборудования для подготовки и/или введения этих материалов в корпус статора, и могут требовать дополнительных компонентов внутри корпуса статора для удержания этих материалов во время их отверждения. Также, для осуществления этих процессов может требоваться специализированное обучение производственного персонала. В дополнение к сложностям, связанным с фактическим нанесением герметизирующего вещества на катушки, существуют сложности, связанные с обращением с потоками отходов, образованными в процессе. При использовании настоящих систем и способов, с одной стороны, требуется только расположить часть термоусадочного материала в желаемом положении (на внутренний опорный сердечник или поверх катушек) и нагреть материал. Специальное оборудование или навыки не требуются, и не образуются отходы.
[0037] Другое преимущество настоящих систем и способов заключается в том, что они упрощают повторное использование и ремонт статоров. Если статор содержит катушки, герметизированные эпоксидными или лаковым веществом, удаление герметизирующего вещества таким образом, чтобы заменить неисправные или поврежденные компоненты, может быть затруднено. Также, может быть затруднена утилизация удаленного герметизирующего вещества или материалов, используемых при удалении герметизирующего вещества. При использовании термоусадочного материала для удерживания катушек, материал может быть просто отрезан и выброшен. Затем остальные компоненты статора могут быть легко использованы повторно или заменены. Таким образом, хотя термоусадочный материал окружает катушки и опорный сердечник, он легко удаляется, и его не следует считать герметизирующим веществом в значении, в котором этот термин используется в области техники настоящего изобретения.
[0038] Другое преимущество настоящих систем и способов относится к ограничению размеров двигателей. В некоторых случаях двигатели сконструированы для помещения в стволы скважины, имеющие очень маленькие диаметры. Следовательно, статоры должны быть реализованы в очень маленьком кольцевом пространстве (между внутренней опорой и наружным корпусом) с очень жёсткими допусками. В способах предшествующего уровня техники обычно слой изолирующего материала наматывают вокруг внутренней опоры, а катушки наматывают на этот слой. Обычно требуется спиральная намотка этого слоя материала на внутреннюю опору, и перекрывание швов для исключения зазоров, которые могут быть более подвержены коротким замыканиям цепи. Эти швы (а также складки в материале) создают неровности, которые занимают некоторое из доступного кольцевого пространства и усложняют помещение узла внутреннего статора внутрь корпуса статора. В отличие от этого, термоусадочный материал легко устанавливается без складок или швов (материал может быть предоставлен в непрерывной трубчатой форме, который отрезают по длине статора) для образования внутреннего слоя, имеющего однородную толщину и не содержащего зазоров.
[0039] Другие преимущества могут быть понятны специалистам в данной области техники. Выгоды и преимущества, которые могут быть предоставлены настоящим изобретением, были описаны ранее относительно частных вариантов реализации. Эти выгоды и преимущества, и любые элементы или ограничения, которые могут обуславливать их или делать их более явными, не следует считать существенными, требуемыми или ключевыми элементами любого или всех описанных вариантов реализации. Используемые в настоящем документе термины «содержит», «содержащий» или другие их производные следует понимать как не ограничительное включение элементов или ограничений, которые следуют после этих терминов. Соответственно, система, способ или другой вариант реализации, содержащие совокупность элементов, не ограничены только этими элементами, и могут включать другие элементы, явным образом не перечисленные или свойственные описанному варианту реализации.
[0040] Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на частные варианты реализации, следует понимать, что варианты реализации являются иллюстративными, и объем изобретения не ограничен этими вариантами реализации. Возможны многие изменения, модификации, дополнения и улучшения описанных ранее вариантов реализации. Следует понимать, что эти изменения, модификации, дополнения и улучшения находятся в пределах объема изобретения, описанного в настоящем описании.