ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС(ЭПН) С ДВИГАТЕЛЕМ, СОДЕРЖАЩИМ МЕХАНИЧЕСКИ ФИКСИРУЕМЫЕ ПЛАСТИНЫ СТАТОРА
ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP (ESP) WITH MOTOR CONTAINING STATOR LAMINATION FIXED MECHANICALLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к скважинным насосным системам с возможностью погружения в скважинные флюиды. Более конкретно, настоящее изобретение относится к осевой стабилизации статоров погружных насосов посредством механической фиксации.
Уровень техники
Погружные насосные системы часто используются в процессе добычи углеводородов для подачи флюидов из скважины на поверхность. Как правило, эти флюиды представляют собой жидкости, содержащие добываемые углеводороды, а также воду. В одной из систем такого типа, представленной в настоящем описании, используется электрический погружной насос (ЭПН). ЭПНы обычно располагаются на конце лифтовых колонн насосно-компрессорных труб (НКТ) и содержат двигатель с электропитанием. Подача электрической энергии для двигателя насоса часто осуществляется через кабель. Как правило, насосная установка располагается внутри скважины непосредственно над участком перфорации продуктивной зоны. Такое расположение обеспечивает прохождение потока добываемого флюида вдоль наружной поверхности двигателя насоса и создание эффекта охлаждения.
На фиг.1 представлен вид сбоку системы электрического погружного насоса (ЭПН), используемой для подачи скважинных флюидов из продуктивной скважины. ЭПН-система 20 расположена здесь в стволе скважины 5, содержащем обсадную колонну 11. Ствол скважины 5 проходит сквозь пласт 7, вскрывая продуктивный интервал. В обсадной колонне 11 выполнены перфорационные отверстия 9, открывающиеся в окружающий пласт 7 и обеспечивающие попадание содержащихся в нем углеводородов в ствол скважины 5. Углеводороды, выходящие из перфорационных отверстий 9 и попадающие в ствол скважины 5, показаны в виде стрелок А. ЭПН-система 20 содержит в своей самой нижней секции двигатель 22 насоса. К двигателю 22 насоса примыкает секция гидрозащиты 24. Секция гидрозащиты 24 чувствительна к давлению окружающей среды и осуществляет передачу последнего во внутренние секции насосной системы, благодаря чему внутреннее давление насосной системы в значительной степени уравнивается с давлением окружающей среды, а перепад давления на уплотнениях насосной системы сводится к минимуму. В газосепараторе 28 предусмотрено отверстие 26 для впуска флюида, обеспечивающее попадание скважинного флюида внутрь системы и его перемещение к насосу 29. Поток скважинного флюида выходит под давлением из насоса 29 в лифтовую колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) 30, по которой он доставляется на поверхность и транспортируется для дальнейшей переработки. Газ, отделенный в сепараторе, обычно выпускается из насосной системы и возвращается обратно в ствол скважины, где он движется в направлении устья.
Двигатели электрических погружных насосных систем обычно содержат пакет пластин статора, расположенных внутри корпуса двигателя. У верхнего и нижнего выводов пакета пластин внутри корпуса выполняются канавки. Эти канавки предназначены для установки стопорного кольца, простирающегося внутрь двигателя от внутренней поверхности корпуса. Сборка двигателя обычно включает установку стопорного кольца в нижней части корпуса и последовательное добавление пластин пакета внутрь корпуса. Затем пластины сжимаются посредством пресса или другого механического устройства, после чего устанавливается верхнее стопорное кольцо, пока пластины находятся в сжатом состоянии. После снятия давления на пакет пластин последний слегка разжимается, в результате чего к верхнему и нижнему стопорным кольцам прикладывается осевое усилие, причем в противоположных направлениях. Это усилие, прикладываемое к стопорным кольцам, немного увеличивает длину пакета. Остаточное усилие в пакете пластин и стопорных кольцах фиксирует пластины, благодаря чему предотвращается их вращение при работе двигателя.
Двигатели ЭПН содержат, кроме того, ротор, соединенный с валом двигателя. Ротор также состоит из соответствующих пластин. В пакетах пластин статора и ротора имеются отверстия, проходящие в осевом направлении вдоль длины двигателя и содержащие провода или другие электропроводящие элементы, образующие соответствующие обмотки пакетов пластин ротора и статора. Как правило, питание подается на обмотку пакета пластин статора, в результате чего образуется электрическое поле, в котором электромагнитные силы приводят во вращение пакет ротора и, следовательно, вал двигателя насоса.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к электрическому двигателю, имеющему корпус, пакет пластин статора, соосно расположенных в корпусе, канавку, простирающуюся в осевом направлении и сформированную в наружной поверхности (по наружному диаметру) пакета, полосу, проходящую вдоль канавки и соединяющую пластины пакета, и замковый соединительный элемент, крепящийся к корпусу и находящийся в контакте с полосой. Замковый соединительный элемент может включать кольцо, расположенное в корпусе соосно с ним и имеющее выступ, перпендикулярный оси кольца и находящийся в фиксирующем зацеплении с канавкой. В альтернативном варианте кольцо может крепиться к корпусу. Замковый соединительный элемент может содержать сборные замковые кольца, расположенные соответственно на верхнем и нижнем концах пакета пластин, с выступами, простирающимися от сборных замковых колец и находящимися в фиксирующем зацеплении с канавкой, и полосой, проходящей между соответствующими концами выступов.
В настоящем описании также представлен способ конструктивной сборки двигателя для погружной насосной системы, включающий подготовку цилиндрического корпуса с отверстием, крепление противовращательного стопорного приспособления внутри отверстия корпуса и размещение пакета пластин статора внутри корпуса с образованием фиксирующего зацепления со стопорным приспособлением, где зацепление пакета пластин статора и стопорного приспособления обеспечивает осевую фиксацию пластин статора внутри корпуса.
Кроме того, настоящее изобретение относится к электрическому двигателю для погружной насосной системы, содержащему цилиндрический корпус с отверстием, пакет пластин статора, расположенный внутри корпуса, канавку, простирающуюся в продольном направлении и выполненную в пакете пластин статора, полосу, вставляемую в отверстие через канавку, и замковые кольца, которые закреплены внутри отверстия корпуса для предотвращения вращения и каждое из которых имеет выступ, находящийся в зацеплении с канавкой, причем полоса проходит между выступами.
Краткое описание чертежей
Некоторые особенности и преимущества настоящего изобретения были упомянуты выше, а другие станут ясны из нижеследующего описания, иллюстрируемого приложенными чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - вид сбоку скважинной погружной системы в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.2 - вид сбоку в поперечном разрезе участка двигателя электрического погружного насоса,
фиг.3 - вид сбоку в поперечном разрезе участка двигателя электрического погружного насоса с замковым кольцом в одном из вариантов осуществления,
фиг.4 - вид сверху пластины статора в одном из примеров осуществления,
фиг.5 - вид с пространственным разделением деталей участка двигателя электрического погружного насоса в одном из вариантов осуществления с замковым кольцом статора.
Хотя настоящее изобретение будет описано применительно к предпочтительным вариантам осуществления, ясно, что изобретение не ограничивается этими вариантами. Напротив, оно охватывает все альтернативные, модифицированные и эквивалентные варианты, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показаны варианты осуществления изобретения. Возможны, однако, и многие другие варианты осуществления данного изобретения, которое не должно толковаться как ограниченное вариантами осуществления, изложенными и проиллюстрированными в настоящем описании; эти варианты осуществления представлены для того, чтобы данное описание в полной мере раскрывало объем и возможность осуществления изобретения для специалистов в данной области. Одинаковые элементы на чертежах и в описании обозначены одинаковыми номерами.
x
На фиг.2 представлен вид сбоку с частичным разрезом участка двигателя насоса в соответствии с настоящим изобретением. Двигатель 22 насоса содержит обычно цилиндрический корпус 32 с пакетом пластин статора 34, размещенным вдоль участка внутренней поверхности корпуса 32. Этот пакет пластин 34 обычно представляет собой кольцеобразный элемент, а его наружная поверхность находится в контакте с внутренней поверхностью корпуса 32. Во внутреннем пространстве пакета пластин 34 находятся соединенные друг с другом пакет ротора 36 и вал 38 насоса. Вал 38 проходит через двигатель 32 и в целом располагается на одной прямой с осью A корпуса 22. В показанном варианте осуществления внутренняя поверхность корпуса 22 является в целом гладкой и не имеет канавок или выпуклых участков. Пакет пластин ротора 36 прикреплен к валу 38, так что вращение пакета ротора 36 обязательно вызывает вращение вала 38. Подшипники 40, имеющие в целом кольцеобразную обойму, своей наружной поверхностью контактируют с внутренней поверхностью пакета пластин статора 34, а внутренней поверхностью - с наружной поверхностью вала 38. Подшипники 40 уменьшают трение при вращении вала 38 и, кроме того, центрируют вал 38 внутри корпуса 22. Внутри пакета пластин статора 34 выполнены соответствующие обмотки, которые при поданном питании вызывают вращение вала 38, обеспечивающее приведение в действие связанного с ним насоса.
На чертеже показано сборное замковое кольцо 42, обеспечивающее фиксацию пакета пластин статора 34 внутри корпуса 32. В показанном варианте осуществления сборное замковое кольцо 42 предусмотрено и в верхней, и в нижней части пакета пластин 34. Тем не менее, объем настоящего изобретения включает насосные системы, имеющие только одно сборное замковое кольцо. Сборное замковое кольцо 42 механически связано с одной или более пластин 44, образующих пакет пластин статора 34. Это механическое соединение препятствует осевому вращению некоторых этих пластин относительно сборного замкового кольца 42. Как показано на фиг.3, на внешней кромке пакета 34 расположена полоса 58, проходящая вдоль длины пакета 34. В данном варианте осуществления полоса 58 представляет собой тонкую ленту, помещенную в канавку, образованную отдельными вырезами, расположенными в конкретном радиальном положении на кромке отдельных пластин 44. Сборное замковое кольцо 42 прикреплено к корпусу 32, благодаря чему предотвращается его осевое вращение внутри корпуса и, следовательно, вращение уплотнительного элемента пакета 34.
На фиг.3 представлен вид в вертикальном поперечном разрезе длинного сборного замкового кольца 42 в одном из вариантов осуществления. Сборное замковое кольцо 42 содержит собственно замковое кольцо 46, представляющее собой кольцеобразную деталь, внешняя кромка которой контактирует с внутренней поверхностью корпуса 32. На чертеже показано стопорное кольцо 52, расположенное в соответствующих выемках (48, 50), выполненных во внутренней поверхности корпуса 32 и внешней поверхности замкового кольца 46. Установка стопорного кольца 52 внутри выемок (48, 50) обеспечивает фиксацию замкового кольца 46 в заданном продольном положении относительно корпуса 32.
На фиг.4 показан вид сверху отдельной пластины статора 44, содержащую вырез 60, выполненный на участке ее внешней окружности. Замковое кольцо 46 имеет выступ 54, простирающийся от основной части кольца 46 вдоль внутренней поверхности корпуса 32 и образующий фиксирующее зацепление с вырезом 60. Как указывалось выше, сборное замковое кольцо 42 может крепиться к корпусу 32. В варианте осуществления, представленном на фиг.3, крепление выполнено посредством сварного шва 56 между замковым кольцом 46 и корпусом 32. Возможно, однако, использование и других средств для крепления сборного замкового кольца 42 внутри корпуса 32 насосного узла.
На фиг.4 также показаны прорези 62, выполненные в осевом направлении сквозь каждую пластину 34. Через совмещенные прорези 62 в пакете пластин 34 протянуты электрические проводники, например провода 64. Провода 64 образуют обмотку внутри пакета пластин статора 34.
x
На фиг.5 представлено перспективное изображение с пространственным разделением деталей участков двигателя электрического погружного насоса в соответствии с настоящим изобретением. Видно, что в данном варианте осуществления компоненты двигателя насоса расположены в основном на одной прямой с осью корпуса A. Здесь показан в перспективном изображении пакет ротора 36, содержащий отдельные пластины ротора 37 и расположенный соосно с пакетом пластин статора 34 с целью размещения внутри последнего. Вместо обмоток пластины ротора 36 содержат электропроводящие стержни (не показаны), расположенные в соответствующих прорезях 39.
x
В одном из вариантов осуществления замкового кольца 46 его соответствующие выступы 54 простираются перпендикулярно плоскости замкового кольца 46 и в целом параллельно оси корпуса A. Длина выступов 54 может варьироваться от 0,25 дюйма до более чем 1 дюйма, в одном варианте осуществления эта длина составляет приблизительно 0,5 дюйма. Выступы 54 на замковом кольце 46 могут располагаться ступенчатым образом и, следовательно, отличаться размером друг от друга. Эта ступенчатость расположения выступов 54 обеспечивает возможность того, что по меньшей мере один из выступов 54 будет находиться в полном зацеплении с соответствующей пластиной статора 44.
Полоса 58 проходит через удлиненный паз, образованный отдельными вырезами 60 на внешней окружности пластин, образующих пакет 34. В предпочтительном варианте полоса 58 простирается вдоль всей длины пакета пластин 34 и заканчивается у верхнего и нижнего сборных замковых колец (42, 43). Тем не менее, существуют другие варианты осуществления, в которых полоса 58 проходит вдоль только части пакета пластин 34. Полоса 58 может состоять из одного или нескольких элементов, расположенных в пазу на внешней окружности пакета пластин 34. Хотя показанная на чертеже полоса 58 имеет в целом прямоугольное сечение, возможна и другая форма поперечного сечения, например квадратная, круглая и т.д.
В альтернативном варианте осуществления верхняя и самая нижняя пластины пакета 34 могут представлять собой концевые пластины 68, усиленные посредством добавления массы в поперечнике либо упрочнения материала путем выбора последнего. Одно из преимуществ усиленной концевой пластины 68 реализуется при сжатии пакета пластин, когда под действием сил сжатия, формирующих пакет пластин, имеет место меньшая деформация концевой пластины. В альтернативном варианте к наружной секции пакета пластин может быть прикреплена торцевая крышка 66, обеспечивающая защиту элементов обмотки, остающихся открытыми на соответствующих внешних концах пакета. Крышка 66 в предпочтительном варианте изготавливается из эластомерного материала и может быть легко установлена и снята.
В одном из примеров осуществления узла двигателя насоса в соответствии с настоящим изобретением замковое кольцо 46 соединяется с нижним концом корпуса 32 посредством стопорного кольца 52. До установки замкового кольца 46 в корпусе 32 осуществляется размещение и сжатие стопорного кольца 52 в выемке 50, сформированной на наружной окружности замкового кольца 46. Затем замковое кольцо 46 соосно вдвигается в корпус 32 до совмещения соответствующих выемок (48, 50), после чего стопорное кольцо 52 получает возможность расширения в выемке 48, сформированной в корпусе 32. Размеры стопорного кольца 52 обеспечивают его одновременное расширение в обеих выемках (48, 50), благодаря чему осуществляется осевая фиксация замкового кольца 46 внутри корпуса 32. Затем пакет пластин 34 вставляется в верхний конец корпуса 32, а вырезы 60 совмещаются и входят в зацепление с выступами 54, направленными вверх от замкового кольца 46. Полосы 58 могут быть вставлены в паз до или после размещения пакета пластин 34 в корпусе 32. Полосы 58 могут состоять из одного элемента, проходящего вдоль пакета пластин 34, или из нескольких коротких полос, последовательно расположенных в канавке. В альтернативном варианте полосы 58 приклеиваются в канавках до размещения пакета 34 в корпусе 32.
Верхнее замковое кольцо 47 с соответствующим стопорным кольцом 53 вставляется в корпус 32 с его верхнего конца. Затем пакет пластин 34 сжимается до тех пор, пока стопорное кольцо 53 не войдет в зацепление с выемкой 49, сформированной в верхней части корпуса 32, благодаря чему осуществляется осевая фиксация верхнего замкового кольца 47 в корпусе 32. В результате вхождения стопорного кольца 53 в зацепление происходит снятие давления сжатия, что позволяет пакету пластин 34 слегка раздвинуться, тем самым оказывая усилие растяжения на корпус 32 в местах осевого соединения последнего со стопорными кольцами (52, 53) и пакетом пластин 34. Стопорные кольца (52, 53), однако, не препятствуют вращению замковых колец (46, 47), осевую фиксацию которых можно осуществить посредством сварных швов (56, 57), крепящих замковые кольца (46, 47) к корпусу 32. Для осевой фиксации замковых колец могут быть использованы и другие средства, например простирающиеся наружу выступы (не показаны), привинчиваемые к корпусу 32. Таким образом, осевое вращение пакета пластин статора внутри корпуса предотвращается посредством комбинации сборных замковых колец, привариваемых к корпусу, и простирающихся внутрь выступов, сопряженных с вырезами, выполненными в пластинах.
Пакеты пластин, используемые в соответствии с настоящим изобретением, могут иметь длину в диапазоне приблизительно 5-35 футов. Диаметр такого пакета пластин может находиться в диапазоне приблизительно 3,00-9,00 дюймов. Настоящее изобретение может применяться в двигателях насосов, мощность которых находится в диапазоне приблизительно 150-4000 л.с., но мощность двигателя насоса может также находиться в диапазоне приблизительно 200-3000 л.с.
Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается показанными и описанными в подробностях элементами конструкции, режимами работы, конкретными материалами и вариантами осуществления, поскольку их модифицированные и эквивалентные формы будут очевидны для специалистов в данной области. На чертежах и в описании раскрыты иллюстративные варианты осуществления изобретения, и хотя там используются специальные термины, они приводятся лишь в типологическом и описательном смыслах, но не в целях ограничения. Например, вырезы могут быть предусмотрены не только на внешней окружности пластин статора, но и в других частях этих пластин. Поэтому настоящее изобретение ограничено лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.