Погружной линейный электродвигатель

Полезная модель относится к конструкциям погружных линейных магнитоэлектрических двигателей, используемых, преимущественно, в бесштанговых глубинных насосно-скважинных установках возвратно-поступательного движения, предназначенных для добычи пластовых жидкостей в нефтедобычи, в частности, в малодебитных глубоких скважинах глубиной до 3000 м.
Более 50 лет назад стало понятно, что перспективой повышения эффективности плунжерных насосов могут стать линейные электрические двигатели, используемые в качестве привода плунжерных насосов. Это дало толчок по разработке специализированных погружных линейных электродвигателей для плунжерных насосов.
Известен целый ряд погружных бесштанговых насосных установок, содержащих линейный электродвигатель с возвратно - поступательно движущимся рабочим органом (слайдером). Примером является асинхронный многофазный цилиндрический двигатель (линейный двигатель), статор которого заключен в герметичный корпус и состоит из магнитопровода и обмоток, составленных из катушек. На пустотелом рабочем органе (слайдере) двигателя установлен рабочий поршень (плунжер) с нагнетательным клапаном. При работе поршень возвратно - поступательно перемещается в корпусе камеры, в которой установлены всасывающие клапаны, и перекачивает жидкость в насосно-компрессорные трубы, на которых подвешена насосная установка (авторское свид-во СССР №491793).
Также известен бесштанговый насосный агрегат для работы в глубоких скважинах, в состав которого входит линейный электродвигатель с возвратно - поступательно движущимся полым рабочим органом (слайдером), выполненным с возможностью соединения с полым плунжером насоса, при этом в статоре электродвигателя выполнен направляющий конус для центрирования корпуса насоса (авторское свид-во СССР №538153).
Общим недостатком вышеуказанных технических решений является недостаточная надежность и недостаточный напор при работе в глубоких скважинах с осложненными условиями эксплуатации.
Известен 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 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 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.
Недостатками данного линейного электродвигателя является низкий коэффициент полезного действия, недостаточный напор и низкая надежность.
Известна конструкция погружного линейного магнитоэлектрического двигателя, используемого совместно с погружным насосом в бесштанговых глубинных насосно-скважинных установках возвратно-поступательного движения для добычи пластовых жидкостей в нефтедобыче (Патент РФ №2549381). Электродвигатель в этой 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. К основанию статора прикреплен компенсатор с упругой диафрагмой, которая выполнена в виде пузыря, имеющего диаметр в средней части больше диаметра каждой его концевой части, причем один конец диафрагмы связан с основанием статора, а ее другой конец соединен с муфтой, соединяющей электродвигатель с компенсатором.
Недостатками данного линейного электродвигателя также является низкий КПД, недостаточный напор, низкая надежность, а также сложность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является линейный электродвигатель для погружного насосного устройства возвратно-поступательного действия с числовым программным управлением (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, состоящая из вала, выполненная 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 - недостаточным охлаждением линейного двигателя при повышенной мощности, так как охлаждение в нем происходит только одностороннее с внешней стороны линейного двигателя;
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 изоляция фазных обмоток статора (катушек), установленных вблизи друг от друга и находящихся под линейным напряжением, которое в 1,73 раза больше фазного напряжения, выполнена без учета данного аргумента недостаточно надежно.
Также недостатком известной конструкции электродвигателя является ограниченность напора, необходимого при работе в глубоких скважинах, так как магнитопровод статора двигателя входит в режим насыщения при увеличении силы питающего тока.
Существенным недостатком указанной известной конструкции электродвигателя является отсутствие ремонтопригодности, т.к. многие элементы в нем соединены сваркой, а полости статора залиты компаундом.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью заключается в повышении надежности работы двигателя и увеличении величины напора, при одновременном обеспечении его ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается предлагаемым погружным линейным электродвигателем, включающим цилиндрический корпус, 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 которыми установлены опорные направляющие, и головка возвратно поступательного действия - слайдер, состоящая из вала, выполненного с возможностью соединения с плунжером погружного насоса, с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, отличающийся тем, что линейный электродвигатель дополнительно оснащен головкой токоввода, в котором выполнены канал для подачи добываемой жидкости через полый вал слайдера в насосно-компрессорные трубы и герметичный разъем для соединения фазных обмоток линейного электродвигателя с муфтой кабельного ввода питающего кабеля, а также выполнен канал с верхним клапаном для закачки трансформаторного масла в свободные от катушек и сердечников зазоры и полости статора, при этом в нижней части корпуса линейного электродвигателя выполнен канал с нижним клапаном для стравливания воздуха из полостей статора при их заполнении трансформаторным маслом.
В преимущественном варианте выполнения:
- каждый магнитопроводящий сердечник статора выполнен из пар замоноличенных пакетов пластин электротехнического железа, жестко скрепленных между собой для образования магнитопровода с образованием зубцов и пазов статора, при этом радиально расположенные пакеты являются зубцами магнитопровода, а аксиально расположенные пакеты являются ярмом магнитопровода, с обеспечением возможности создания направленности силовых линий магнитного поля, создаваемого индукционными катушками статора, только вдоль шихтованных пластин магнитопровода.
- индукционные катушки, расположенные между зубцами магнитопровода, дополнительно изолированы от зубцов тонкими кольцевыми диэлектрическими прокладками.
- на слайдере, состоящем из вала с установленными на нем постоянными магнитами и магнитопроводящими сердечниками, дополнительно периодически установлены металлические шайбы из металла высокой проводимости, выполненные с диаметром, равным диаметру постоянных магнитов и магнитопроводящих сердечников.
- в качестве металла высокой проводимости используют, например, алюминий или медь.
- постоянные магниты, установленные на валу слайдера, защищены от истирания по периметру бандажами из нержавеющей стали.
индукционные катушки и магнитопроводящие сердечники, распределенные по длине статора на равные группы и ограниченные торцевыми крышками в модули, жестко соединены между собой по всей длине статора стальными патрубками, при этом на стальных патрубках коаксиально установлены опорные втулки из нержавеющей стали с внутренним диаметром несколько меньшим внутреннего диаметра тонкостенных втулок статора для образования опорных поверхностей скольжения слайдера.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Линейный электродвигатель в сечении совместно с погружным насосом (для описания работы двигателя в промысловых условиях).
Фиг. 2 - Слайдер - головка возвратно поступательного действия линейного электровигателя.
Фиг. 3-Фрагмент сечения линейного двигателя.
Фиг. 4 - Пластина электротехнической стали зубца магнитопровода двигателя.
Заявляемый погружной линейный электродвигатель (2) содержит статор (4) и головку возвратно-поступательного действия (слайдер) (8). Статор (4) (Фиг. 3) установлен внутри цилиндрического корпуса (3) и состоит из цилиндра (5) статора (4), выполненного из нержавеющей стали; из периодически установленных на цилиндре (5) статора (4) индукционных катушек (7) фаз А, В, С и стальных сердечников (6), образующих зубья магнитопровода, а также дополнительно установленных между ними тонких кольцевых изоляционных прокладок (22).
Индукционные катушки (7) фаз А, В, С распределены по всей длине статора, образуя три фазные обмотки А,В,С, которые в конце статора (4) соединены в «звезду».
Стальные сердечники (зубья) (6) выполнены в виде круглых пластин (23) из электротехнической стали (Фиг. 4) с необходимыми функциональными технологическими вырубками (20, 37-40). При этом вырубка (37) предназначена для соединения индукционных катушек в фазные линии, вырубка (38) - для размыкания вихревых токов в зубцах; вырубка (39) - для прокладки монтажных стягивающих шин; вырубка (40) - для установки слайдера.
К стальным сердечникам (зубьям) (6) по периметру присоединены кольцевые пакеты из пластин (21) электротехнической стали, образующие ярмо магнитопровода. При этом пластины электротехнической стали зубцов (6) и ярма магнитопровода устанавливаются ориентированными вдоль направления силовых линий магнитного потока индукционных катушек (7). Индукционные катушки (7) и стальные сердечники (зубья) (6) для удобства сборки распределены по длине статора (4) на группы (модули) (24). Модули (24) по торцам закрыты торцевыми крышками (25), установленные резьбовым или сварочным соединением по торцам цилиндров (5) статора (4). Между торцевыми крышками (25) смежных модулей (24) и резьбовым или сварочным соединением с торцевыми крышками (25) установлены стальные патрубки (26), на которых концентрично (коаксиально) установлены опорные втулки (27) из нержавеющей стали с внутренним диаметром несколько меньшим внутреннего диаметра тонкостенных втулок статора, образующих опорные поверхности скольжения слайдера.
Для заполнения трансформаторным маслом и размещения сросток (34) фазных обмоток модулей (24) образованы межмодульные полости (33).
Головка возвратно-поступательного действия (слайдер) (8) (Фиг. 2) содержит последовательно установленные на полом стальном валу (9) аксиально намагниченные постоянные магниты (11) и магнитопроводящие стальные сердечники (12). На головке возвратно поступательного действия (слайдере), состоящей из вала (9), с установленными на нем постоянными магнитами (11) и магнитопроводящими сердечниками (12) дополнительно периодически вставлены металлические шайбы (28) из высоко проводящего металла (например, алюминий, медь) с диаметром, равным диаметру указанных постоянных магнитов и магнитопроводящих сердечников. Постоянные магниты (11) и стальные сердечники (12) фиксируются на стальном валу (9) торцевыми муфтами (31) и (32). Нижняя торцевая муфта (32) выполнена с резьбой для возможного соединения вала слайдера (8) с плунжером (10) плунжерного насоса (1), а верхняя торцевая муфта (31) с резьбой выполнена для крепления выкидного патрубка (18). К цилиндрическому корпусу (3) линейного электродвигателя (2) резьбовым соединением присоединена головка токоввода (13) с ниппелем (35) для подвески насосной установки к колонне насосно-компрессорных труб (НКТ).
В головке токоввода (13) электродвигателя выполнены канал (14) для подачи добываемой жидкости от плунжерного насоса (1) через полый вал (9) слайдера (8) в НКТ (на чертеже не показаны) и герметичный разъем (15) для соединения концов фазных обмоток (16) линейного электродвигателя (2) с муфтой кабельного ввода питающего кабеля (на чертеже не обозначена), а также выполнен верхний масляный клапан (17) для закачки трансформаторного масла в межмодульные полости (33) статора (4). В нижней части статора (4) установлен нижний масляный стравливающий клапан (19).
Предлагаемый линейный электродвигатель работает следующим образом.
В промысловых условиях установленный в скважине электродвигатель соединяется с погружным плунжерным насосом (1) возвратно-поступательного движения, содержащим плунжер (10), всасывающий клапан (29), нагнетательный клапан (30). На приеме плунжерного насоса (1) может быть установлен фильтр (36) для защиты от механических примесей.
Принцип работы основан на том, что в линейном электродвигателе (2) при питании обмоток индукционных катушек (7) статора (4) переменным трехфазным током головка возвратно-поступательного действия (слайдер) (8) под действием электромагнитных сил совершает возвратно-поступательные движения, которые передает жестко связанному со слайдером плунжеру (10) насоса (1). При этом добываемая жидкость через фильтр (36), всасывающий (29), нагнетательный (30) клапаны, полый плунжер (9) и канал (14) головки токоввода (13) двигателя нагнетается в НКТ (на чертеже не показаны).
Сущность физики явлений, обуславливающих работу предлагаемого электродвигателя, могут быть объяснены следующим.
Электромагнитные силы, возникающие в линейном электродвигателе, обусловлены несколькими причинами:
во-первых, тем, что при прохождении электрического тока по катушкам (7) статора (4) на проводники с током (витки индукционных катушек) действует магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами (11) слайдера (8) и при этом создается силовое воздействие по закону Ампера;
во-вторых, электрический ток в статоре (4) создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует в слайдере (8) контурные токи. Бегущее магнитное поле, взаимодействуя с током, индуцируемом в замкнутом контуре, также создает электромагнитные силы аксиального направления. Для увеличения контурных токов и тягового усилия линейного двигателя в конструкции слайдера (8) предусмотрены кольцевые прокладки (28) из меди или алюминия. Суммарные электромагнитные силы вызывают аксиальное перемещение слайдера (8) и, соответственно, плунжера (10) относительно статора (4) и корпуса плунжерного насоса (1).
При этом, при прямом чередовании фаз тока, задаваемом станцией управления (на чертеже не показана), система: слайдер-плунжер, перемещаются в одну сторону, при обратном чередовании фаз - перемещаются в другую сторону, обеспечивая стационарную работу насосной установки.
При работе плунжерного насоса между плунжером (10) и цилиндром насоса (1) в кольцевом зазоре всегда продавливается, так называемая, «жидкость утечки». Она поступает в зазор между слайдером (8) и опорными втулками (27) статора (4), при этом выполняет функцию смазки и охлаждения трущихся поверхностей, что исключает их перегрев, а значит, обеспечивает надежную работу электродвигателя.
При работе предлагаемого электродвигателя под воздействием переменного тока, протекающего в катушках (7) статора (4), выделяется активная мощность и происходит нагрев статора (4). В предлагаемой конструкции дополнительное охлаждения статора (4) достигнуто, вследствие заполнения герметичных полостей (33) статора (4) трансформаторным маслом, которое нагревается от катушек (7) и отводит тепло как через внешний корпус (3) двигателя (2), так и внутрь полого вала (9) слайдера (8) в добываемую жидкость, выходящую в НКТ через канал (35), образованный в головке токоввода (13). Дополнительным эффектом при прохождении потока жидкости через полый вал (9) слайдера является ее омагничивание постоянными магнитами (11) слайдера (8) и, как следствие, снижение парафиноотложений и коррозионной активности жидкости, что также обеспечивает надежную работу двигателя в целом.
Для снижения магнитного сопротивления каждый магнитопроводящий сердечник (зуб) (6) статора (4) выполнен из пары замоноличенных пакетов пластин электротехнического железа, и при этом направление силовых линий магнитного поля, создаваемого индукционными катушками (7) вдоль указанных шихтованных пластин, обеспечивает максимальное значение магнитной индукции и максимальное значение электромагнитной силы.
При изоляции индукционных катушек (7) могут быть предусмотрены дополнительные изоляционные прокладки (22) между смежными близлежащими катушками разных фаз, так как учтено, что напряжение между катушками разных фаз является линейным, которое в 1,73 раза выше, чем фазное напряжение между катушками и корпусом статора. При этом обеспечивается более высокая надежность электрической изоляции индукционных катушек (7).
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 (35) головки токоввода (13); головка токоввода (13) - корпус (3) линейного двигателя (2); корпус (3) линейного двигателя (2) - корпус плунжерного насоса (1); слайдер (8) линейного двигателя (2) - плунжер (10) плунжерного насоса (1); индукционные катушки (7) и сердечники статора (6) разбиты на одинаковые группы (модули) (24), которые последовательно соединены между собой по длине статора.
Благодаря такому соединению, обеспечивается ремонтопригодность двигателя.
Опытно-промышленные и цеховые испытания предлагаемого линейного электродвигателя в составе погружных бесштанговых насосных установок проведены на нефтяных месторождениях Пермского Прикамья.
На основании проведенных испытаний определена следующая область оптимального применения заявляемого электродвигателя в составе погружных бесштанговых насосных установок:
- скважины нефтяного добывающего фонда с проектным дебитом от 4 до 30 куб.м/сут.;
- скважины с глубиной спуска насоса от 1500 м до 2500 м;
- скважины со сложной конструкцией эксплуатационной колонны;
- скважины, реагирующие на сезонную закачку, где периодически требуется корректировка дебита;
- скважины периодического фонда;
- скважины, находящиеся на кустовых площадках с ограниченной электрической мощностью;
- скважины наклонно-направленные и горизонтальные.
В результате проведенных опытно-промысловых и цеховых испытаний подтверждено:
- повышение тягового усилия предлагаемого электродвигателя из расчета на единицу длины линейного двигателя по сравнению с аналогами;
- повышение надежности электродвигателя по сравнению с аналогами, вследствие, усиления электрической изоляции катушек статора, оптимизации теплового режима линейного двигателя, уменьшения трения и снижения вибраций при движении слайдера;
- обеспечение ремонтопригодности.