ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОНАСОС
BOREHOLE ELECTRICALLY DRIVEN PUMP

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к средствам откачки текучей среды преимущественно из нефтяных малодебитных скважин, когда от насоса требуется относительно небольшая производительность. В этих условиях объемные насосы, например плунжерные и поршневые, имеют более высокий коэффициент полезного действия.
Использование погружного электродвигателя традиционного типа с вращающимся ротором для привода объемных насосов требует установки механических преобразователей вращательного движения в возвратно-поступательное, например, с помощью кулачковых механизмов и редукторов для понижения скорости вращения и изменения ориентации оси вращения.
Устройство подобных погружных электронасосов раскрыто в описании изобретения к авторскому свидетельству СССР №1700280 А1, класс F04B 47/06.
Наличие механических преобразователей движения усложняет конструкцию электронасоса, делает его менее надежным и не позволяет получать большие линейные перемещения рабочего органа (плунжера, поршня).
Решением проблемы является применение погружного линейного электродвигателя с возвратно-поступательным движением подвижной части (бегуна), который выполняет ту же функцию, что и ротор в электродвигателе традиционного вращательного действия.
Возвратно-поступательное движение бегуна идеально согласуется с необходимым перемещением поршня, при этом линейные перемещения могут достигать нескольких метров.
Известны глубинные электронасосы с использованием линейного погружного электродвигателя в качестве приводного. В описании к авторскому свидетельству СССР №491793, кл. F04B 47/00 приводится соответствующая конструкция электронасоса.
В рассматриваемом электронасосе площадь поперечного сечения поршня равна или превышает площадь поперечного сечения бегуна. Это приводит к необходимости увеличения длины электродвигателя, поскольку необходимое усилие пропорционально площади поперечного сечения поршня.
В установке с погружным линейным электродвигателем целесообразно иметь большой ход бегуна при относительно малой площади рабочего поршня насоса. В этом случае уменьшаются размеры статора электродвигателя, возрастает его КПД, а также КПД всего электронасоса.
Рассматриваемая конструкция не позволяет иметь диаметр поршня меньше диаметра бегуна. Выбор соотношений размеров элементов электродвигателя оказывается зависимым не только от необходимой производительности насоса и электромагнитных соотношений, но и от рабочей площади поршня насоса. Исключение указанной связи позволяет проектировать электродвигатель с оптимальной геометрией и задавать размеры поршня без неоправданного увеличения осевой длины электродвигателя, а следовательно, получить наиболее выгодные характеристики электронасоса в целом.
Важной характеристикой совершенства конструкции погружного электродвигателя является тепловой режим статора как элемента, в котором выделяются основные тепловые электромагнитные потери мощности и в то же время содержатся материалы, определяющие теплостойкость изделия. В приведенной конструкции теплосъем осуществляется только с наружной поверхности статора, торцов и путем отвода тепла в бегун. Учитывая характерную относительно большую осевую протяженность погружных линейных электродвигателей, для средней части статора отвод тепла возможен, практически, только в радиальном направлении. В результате во внутренних зонах статора, отдаленных от его поверхности, омываемой жидкостью, наблюдается повышение температуры, что оказывает отрицательное влияние на надежность изделия, его ресурс.
В описании к патенту Великобритании №2112872А, кл. F04B 17/00 представлено устройство скважинного электронасоса с погружным линейным электродвигателем. Описанный насос имеет характерную удлиненную форму и содержит цилиндрический стальной корпус, охватывающий статор, который содержит обмотку. Статор закрыт, в том числе и изнутри, металлической оболочкой. Внутри статора располагается реактивный сердечник (бегун), который совершает движения вверх и вниз.
Сердечник имеет внешнюю цилиндрическую поверхность, обеспечивающую подвижное уплотнение, сопряженное с внутренней поверхностью статорной герметизирующей оболочки. Насос снабжен впускным и выпускным клапанами и стопором, который служит для ограничения перемещения сердечника. Полый бегун электродвигателя выполняет функции поршня насоса. В скважине насос удерживается системой рабочих труб, через которые пластовая жидкость, содержащая нефть, подается на поверхность Земли.
Из приведенного в патенте описания видно, что и для этой конструкции характерны отмеченные выше недостатки.
Конструкция, представленная в описании к патенту Великобритании №2112872А (кл. F04B 17/00), принята в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) настоящего изобретения.
Целью изобретения является повышение энергетических характеристик погружного электронасоса с линейным электроприводом, повышение его надежности и увеличение ресурса, снижение его себестоимости.
Указанные цели достигаются за счет использования уплотненного полого неподвижного штока, расположенного во внутренней цилиндрической полости бегуна. Бегун имеет внутри своей полости герметичную перегородку. Как и в прототипе, бегун конструктивно и функционально совмещен с поршнем, то есть одновременно выполняет функцию и бегуна, и поршня.
Наличие полого неподвижного штока позволяет иметь оптимальную рабочую площадь (площадь поперечного сечения штока), воспринимающую рабочее давление.
Полость штока сообщается с рабочей камерой насоса, которая, в свою очередь, связана с внешней перекачиваемой средой и выходным трубопроводом через впускной и выкидной клапаны соответственно. Так, обеспечивается подача перекачиваемой жидкости из пространства, окружающего насос, через выходной трубопровод на поверхность Земли при возвратно-поступательных движениях бегуна.
Такая конструкция должна предусматривать защиту обмотки статора от соприкосновения с перекачиваемой жидкостью, например, путем заключения статора в герметичную оболочку, которая может быть образована металлической гильзой на внутренней поверхности статора, корпусом и торцевыми элементами. Известны также и другие способы защиты, например заполнение объема статора компаундом и последующая пропитка его маслом. Это усложняет конструкцию электродвигателя, но позволяет отказаться от системы гидрозащиты, которая с трудом может быть реализована в линейных электродвигателях.
Для того чтобы отделить поток перекачиваемой жидкости от внутренней полости штока бегуна, рабочая камера насоса может быть снабжена гибкой герметичной диафрагмой, разделяющей рабочую камеру на внешнюю и внутреннюю полости. Полость штока сообщается с внутренней полостью рабочей камеры. Во внешней полости рабочей камеры размещены впускной и выкидной клапаны, через которые эта полость соединяется соответственно с перекачиваемой внешней средой и выходным трубопроводом соответственно. Внутренняя полость рабочей камеры и связанные с ней полости бегуна и электродвигателя заполнены чистой рабочей жидкостью, что создает более благоприятные условия для работы всех элементов, находящихся в рабочей жидкости.
Полное герметичное отделение внутренних полостей погружного линейного электродвигателя от перекачиваемой (пластовой) жидкости достигается путем установки дополнительной гибкой герметичной диафрагмы, обеспечивающей компенсацию теплового расширения рабочей жидкости.
Внутренняя часть полости, в которой установлена эта диафрагма, соединена через канал калиброванного сечения с внутренней полостью электродвигателя, в которой находится статор с бегуном, а внешняя часть указанной полости через фильтр твердых частиц соединена с внешней жидкостью, в которую погружен электронасос.
Такое выполнение электронасоса позволяет решить проблему попадания перекачиваемой пластовой жидкости внутрь погружного линейного электродвигателя.
Это позволяет отказаться от использования средств герметизации статора, дает возможность уменьшить рабочий зазор между магнитопроводами статора и бегуна и тем самым дополнительно повысить технико-экономические показатели погружного линейного электродвигателя, особенно при условии применения бегуна реактивного типа. Уменьшение рабочего зазора позволяет использовать более дешевый реактивный бегун. В случае применения редкоземельных постоянных магнитов отсутствие герметизирующей оболочки позволяет снизить их массу. Кроме того, при исключении защитной оболочки устраняются дополнительные потери мощности от индуцируемых в ней вихревых токов. Вместе с тем появляются ограничения, связанные со свойствами материала, из которого выполнена герметизирующая диафрагма. Как правило, это резина, имеющая свойство ухудшать упругость и прочность при повышенных температурах.
Для улучшения теплового режима электродвигателя и минимизации в ряде случаев колебаний объема жидкости в полости электродвигателя в статоре электродвигателя предусмотрены сквозные продольные каналы. При возвратно-поступательном движении бегуна охлаждающая жидкость, омывающая статор и бегун, циркулирует, перетекая через продольные каналы в статоре из зоны, расположенной под нижним торцом статора в зону, расположенную над его верхним торцом, и затем обратно, чем достигается интенсификация охлаждения статора, а в в ряде случаев практически исключаются колебания давления в полости электродвигателя.
Для минимизации обмена жидкости между полостью электродвигателя и внешней пластовой жидкостью и накопления абразивных частиц в полости электродвигателя его необходимо снабдить вторым штоком, расположенным по другую сторону от перегородки.
Чтобы исключить возможность недопустимого повышения давления в полости электродвигателя в маслонаполненной установке из-за просачивания жидкости через подвижные уплотнения штока, в стенке, разделяющей внутреннюю полость рабочей камеры и указанную полость, расположен предохранительный клапан.
Для компенсации температурного расширения рабочей жидкости в этой же стенке предусмотрен канал калиброванного малого сечения, через который возможно постепенное взаимное перетекание жидкостей, заполняющих соединяемые каналом полости.
Для того чтобы каждый ход бегуна был рабочим, нижнюю часть установки необходимо выполнить аналогичной верхней, снабдить ее дополнительным трубопроводом, связывающим внешнюю полость рабочей камеры с выходным трубопроводом.
Для компенсации теплового расширения рабочей жидкости термокомпенсационная камера должна быть установлена вблизи нижней рабочей камеры, а ее внутренняя полость соединена с внутренней полостью электродвигателя.
На фиг.1 представлена конструктивная схема погружного электронасоса открытого типа, одинарного действия, продольный разрез.
На фиг.2 представлена конструктивная схема погружного электронасоса открытого типа, одинарного действия с дополнительным штоком, продольный разрез.
На фиг.3 представлена конструктивная схема погружного электронасоса открытого типа, двойного действия, продольный разрез.
На фиг.4 представлена конструктивная схема маслозаполненного погружного электронасоса одинарного действия, продольный разрез.
На фиг.5 представлена конструктивная схема маслозаполненного погружного электронасоса двойного действия, продольный разрез.
Элементы конструкции, осуществляющие одинаковые функции, на всех чертежах обозначены одними и теми же позициями.
Внутри несущего герметичного металлического цилиндрического корпуса 1 расположен статор 2 линейного электродвигателя с обмоткой в виде кольцевых катушек, уложенных в пазы магнитопровода (обмотка не показана). Полость электродвигателя, в которой находятся статор 2 и бегун 3, в открытом электронасосе по фиг.1, фиг.2, фиг.3 заполнена отфильтрованной перекачиваемой жидкостью, а в маслозаполненном электронасосе по фиг.4 и фиг.5 - рабочей жидкостью, обладающей высокими электроизоляционными и смазывающими свойствами (трансформаторное масло, модифицированный керосин или другие жидкости).
Бегун находится внутри статора и может совершать возвратно-поступательное движение, скользя по направляющим 4, установленным внутри статора.
Со стороны верхнего торца бегуна располагается его внутренняя цилиндрическая полость 5, ограниченная снизу торцевой герметичной перегородкой 6.
Во внутренней цилиндрической полости бегуна расположен неподвижный цилиндрический шток 7, на нижнем конце которого имеются уплотнительные кольца 8.
Уплотнительные кольца 8 отделяют полость электродвигателя от полости насоса, которая включает в себя пространство между торцовой перегородкой 6 и торцом штока 7, внутренний канал штока 7 и полость рабочей камеры.
Рабочая камера маслозаполненного электронасоса (фиг.4, фиг.5) разделена герметичной гибкой диафрагмой 9 на две полости: внутреннюю и внешнюю.
Внешняя полость рабочей камеры сообщается с перекачиваемой средой через фильтр 10 твердых частиц и впускной клапан 11, а также с выходным трубопроводом 12 через канал 13 и выкидной клапан 14.
Полость маслозаполненного электродвигателя соединена каналом 15 с внутренней полостью термокомпенсационной камеры, разделенной эластичной герметичной диафрагмой 16 на две полости. Наружная полость термокомпенсационной камеры соединена каналом 17 через фильтр 18 твердых частиц с наружной пластовой жидкостью.
Верхняя часть полости электродвигателя через сквозные продольные каналы 19 в статоре соединена с нижней частью этой полости, расположенной под нижним торцом статора.
В стенке, разделяющей внутреннюю полость 20 рабочей камеры и полость маслозаполненного электронасоса, имеется предохранительный клапан 21, через который жидкость из области статора при повышении давления сверх установленного уровня может перетекать во внутреннюю полость 20 рабочей камеры. В этой же стенке имеется калиброванный канал 22 малого сечения, соединяющий полость статора с внутренней полостью рабочей камеры.
Внешняя полость 23 рабочей камеры сообщается с перекачиваемой средой через фильтр 10 твердых частиц и впускной клапан 11, а с выходным трубопроводом 12 через выкидной клапан 14.
В торцевых частях полости электронасоса находятся упоры 24, демпфирующие возможные ударные воздействия при перемещениях бегуна, превышающих номинальный рабочий ход.
Между внешней цилиндрической поверхностью штока во внутренней полости бегуна может размещаться съемный цилиндр 25, выполненный либо целиком из износостойкого материала, либо с соответствующим образом обработанной внутренней поверхностью для придания ей износостойкости.
В электронасосе открытого типа (фиг.1-3) полость электродвигателя сообщается с окружающей средой через фильтр 26. В установках двойного действия (фиг.3, фиг.5) жидкость из рабочей камеры вытесняется в полость 27 дополнительного трубопровода из прочного кожуха 28 и далее через второй нагнетательный клапан 14 в выходной трубопровод 12. В установке с дополнительным штоком (фиг.2) внутренний канал дополнительного штока 29 сообщается с внешней средой через фильтр 30.
В нижней части корпуса электронасоса может быть установлен полупроводниковый преобразователь электропитания (не показан), силовой корпус которого соединяется с корпусом электронасоса.
Электропитание в погружной электронасос подается герметизированным кабелем через гермовводы (не показаны).
Удерживается насос в скважине с помощью системы насосных труб 12, через которые перекачиваемая жидкость подается на поверхность Земли.
Погружной электронасос открытого типа (фиг.1-3) работает следующим образом.
При подаче электропитания по обмотке статора 2 начинают протекать электрические токи, создающие бегущее электромагнитное поле, которое, взаимодействуя с бегуном 3, увлекает его, заставляя перемещаться по направляющим 4 вниз вдоль продольной оси статора. Объем жидкости стремится увеличиться, ее давление падает. Перекачиваемая жидкость по каналу в штоке 7 из рабочей камеры поступает во внутреннюю полость штока 7 и далее заполняет увеличивающийся объем цилиндрической полости 5. Впускной клапан 11 открывается, а выкидной клапан 14 закрывается. Перекачиваемая жидкость поступает через фильтр 10 и впускной клапан 11 в рабочую камеру. Так, осуществляется процесс всасывания, который завершится, когда бегун 3 займет свое крайнее нижнее положение.
Жидкость, находящаяся под нижним торцом статора, выжимается в полость статора, находящуюся над его верхним торцом, проходя через сквозные продольные каналы 19. Объем жидкости, равный объему штока, через фильтр 26 выдавливается в окружающее насос пространство.
После изменения направления движения бегущего электромагнитного поля бегун 3 начинает двигаться вверх. Жидкость выжимается из внутренней цилиндрической полости 5 бегуна в рабочую камеру. Объем рабочей камеры уменьшается. Впускной клапан 11 закрывается, а выкидной клапан 14 открывается. Перекачиваемая жидкость под действием избыточного давления поступает по каналу 13 через выкидной клапан 14 в выходной трубопровод и, двигаясь по нему, вытесняет порцию перекачиваемой жидкости на поверхность Земли.
В установке с одним неподвижным штоком (фиг.1) при движении бегуна вниз жидкость, находящаяся под нижним торцом статора, частично вытесняется в полость статора, находящуюся над верхним торцом, проходя через сквозные продольные каналы 19, а частично через фильтр 26 во внешнюю среду. При движении бегуна верх часть жидкости вытесняется в нижнюю полость, а часть, равная произведению площади поперечного сечения штока на длину хода бегуна, всасывается через фильтр 26.
В дальнейшем процесс работы электронасоса повторяется.
Периодический обмен жидкости полости электродвигателя с пластовой жидкостью приводит к тому, что в полости электродвигателя могут накапливаться твердые частицы, вызывая повышенный износ опорных узлов. Фильтр 26 не может быть выполнен с малым сечением его каналов, поскольку это привело бы к потерям мощности в нем и снижению КПД установки.
Если в установке открытого типа одинарного действия установить дополнительный шток, идентичный по внешнему диаметру основному, а внутренний канал дополнительного штока соединить с внешней средой, то колебания объема жидкости в полости электродвигателя при возвратно-поступательном перемещении бегуна практически исключаются, и фильтр 26 может быть выполнен с характеристиками фильтра тонкой очистки, т.е. с минимальным сечением его каналов. Для снижения гидродинамических потерь диаметр внутреннего канала дополнительного штока можно выполнить достаточно большим. То же можно сказать и о каналах дополнительного фильтра 30. К узлу уплотнения дополнительного штока предъявляются гораздо меньшие требования, чем к узлу уплотнения основного штока, поскольку перепад давления на нем несравнимо меньше.
Маслозаполненный электронасос (фиг.4, фиг.5) работает аналогичным образом, с той разницей, что движения бегуна вызывают колебания объема рабочей жидкости во внутренней полости 20 рабочей камеры и, соответственно, мембраны 16 и объема перекачиваемой жидкости во внешней полости 23 рабочей камеры.
Рабочая жидкость из внутренней рабочей камеры 20 поступает во внутреннюю полость штока 7 и далее заполняет увеличивающийся объем цилиндрической полости 5. Диафрагма 9 деформируется, сокращая объем внутренней полости 20 рабочей камеры и, соответственно, увеличивая объем внешней полости 23 рабочей камеры. Впускной клапан 11 открывается, а выкидной клапан 14 закрывается. Перекачиваемая жидкость поступает через фильтр 10 и впускной клапан 11 во внешнюю рабочую камеру. Так, осуществляется процесс всасывания, который завершится, когда бегун 3 займет свое крайнее нижнее положение, а диафрагма 9 приблизится на минимальное расстояние к ограничивающей поверхности.
Рабочая жидкость, находящаяся под нижним торцом статора, частично вытесняется в полость статора, находящуюся над его верхним торцом, проходя через сквозные продольные каналы 19, а частично через канал 15 во внутреннюю полость термокомпенсационной камеры.
После изменения направления движения бегущего электромагнитного поля бегун 3 начинает двигаться вверх. Рабочая жидкость вытесняется из внутренней цилиндрической полости 5 бегуна во внутреннюю полость 20 рабочей камеры, деформируя рабочую диафрагму 9. Объем внешней полости 23 рабочей камеры уменьшается. Впускной клапан 11 закрывается, а выкидной клапан 14 открывается. Перекачиваемая жидкость из внешней полости 23 рабочей камеры под действием избыточного давления поступает по каналу 13 через выкидной клапан 14 в выходной трубопровод и, двигаясь по нему, вытесняет порцию перекачиваемой жидкости на поверхность Земли.
Рабочая жидкость, находящаяся над верхним торцом статора, вытесняется в полость статора, находящуюся под его нижним торцом, проходя через сквозные продольные каналы 19. Объем пластовой жидкости, равный произведению площади сечения штока на длину его хода, поступает во внешнюю полость термокомпенсационной камеры через фильтр 18. Равный ему объем рабочей жидкости поступает из внутренней полости через канал 15 в полость статора.
В дальнейшем процесс работы электронасоса повторяется.
Предельные положения бегуна 3 определяются ограничительными демпфирующими упорами 24.
При возможном повышении давления жидкости в полости электродвигателя сверх нормативного значения из-за возможного просачивания через уплотнения 8 на штоке открывается предохранительный клапан 21 и перепускает часть жидкости из области статора во внутреннюю полость 20 рабочей камеры. Взаимное перетекание жидкостей между этими полостями возможно также через калиброванный канал 22 малого сечения, что частично может обеспечивать и термокомпенсацию объема рабочей жидкости.
Для того чтобы при движении бегуна вниз также обеспечивалось нагнетание пластовой жидкости аналогично тому, как это происходит в насосах двойного действия, нижняя часть установки должна быть выполнена аналогичной верхней (фиг.5). Внешняя полость второй рабочей камеры через канал, полость 27 прочного кожуха 28 (дополнительный трубопровод) и выкидной клапан 14 соединена с выходным трубопроводом 12.
Хотя рабочие диафрагмы и могут частично обеспечивать термокомпенсацию объема масла в полости электродвигателя, маслозаполненную установку двойного действия (фиг.5) также целесообразно снабдить специальной термокомпенсационной камерой, аналогичной камере в установке одинарного действия. Ее внутренняя полость соединена калиброванным каналом 15 с полостью электродвигателя, а внешняя - через фильтр 18 с окружающей средой. При температурном расширении рабочей жидкости она через канал 15 поступает во внутреннюю полость термокомпенсирующей камеры. Происходит перемещение диафрагмы 16, и пластовая жидкость, вытесняясь из внешней полости термокомпенсирующей камеры, проходит через канал 17 и фильтр 18 в окружающее насос пространство.
Рабочий процесс и функции элементов конструкции в установке двойного действия не отличаются от таковых в установке одинарного действия.
Колебания объема жидкости в полости электродвигателя установок двойного действия в процессе перекачивания минимальны, поэтому в установке открытого типа (фиг.3) в качестве фильтра может быть установлен фильтр тонкой очистки. В маслозаполненном двигателе двойного действия (фиг.5) диафрагма термокомпенсационной камеры перемещается только из-за температурного расширения рабочей жидкости.
Таким образом, установка, выполненная согласно изобретению, сохраняя основное достоинство прототипа (функционально-конструктивное объединение электродвигателя и насоса), позволяет выбрать площадь поршня, оптимальную с точки зрения обеспечения ее максимальных энергетических показателей, в том числе в случае применения электродвигателя с магнитомягким зубчатым ротором, без постоянных магнитов.