СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОБМОТКИ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
SYSTEM AND METHOD OF SUBMERSIBLE MOTOR WINDING PROTECTION

Предшествующий уровень техники
Погружные электродвигатели используют в различных областях применения, связанных со скважинами. Например, погружные электродвигатели используют в электрических погружных насосных системах, применяемых для добычи текучих сред, таких как углеводородные текучие среды. Электрические погружные насосные системы также могут быть использованы для доставки текучих сред в забой скважины или для их перемещения в другие места. Погружной электродвигатель обычно представляет собой протяженный цилиндрический электродвигатель, имеющий размер, подходящий для установки в стволе скважины, и предназначенный для привода центробежного насоса.
Поскольку погружные электродвигатели работают в условиях погружения, статоры обычных погружных электродвигателей изолируют лаковым материалом. Однако последние модификации выполняют из проволоки для намотки электромагнитов, и пропитка статора и обмоток лаком является относительно дорогой процедурой. Кроме того, лак может разрушаться с течением времени и создавать ряд проблем, включая загрязнение масла для электродвигателей и отказы подшипников. Лак также может ограничивать некоторые рабочие параметры погружных электродвигателей. Вследствие этого предпринимаются попытки изготовления погружных электродвигателей без лака. Другие изоляционные материалы, включая эпоксидные смолы, используют для покрытия обмоток и концевых частей, относящихся к статору погружного электродвигателя. Однако доказано, что эти способы являются неадекватными для обеспечения поддержания концевых частей обмоток с целью предотвращения оседания их в расточку статора, особенно в случае крупных погружных электродвигателей.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создано скважинное устройство, содержащее электродвигатель электрической погружной насосной системы, имеющий трубчатый корпус, статор, размещенный в трубчатом корпусе, обмотку статора из провода для намотки электромагнитов, имеющую, по меньшей мере, одну концевую часть, и, по меньшей мере, одну коническую поддерживающую структуру, размещенную в концевой части и прилегающую к ней для поддержания концевой части от ее оседания в область расточки статора и содержащую конец меньшего диаметра, расположенный вблизи пакета пластин статора, при этом диаметр указанной структуры увеличивается при увеличении расстояния от пакета пластин статора до ее конца большего диаметра.
Электродвигатель электрической погружной насосной системы может быть выполнен с лаковым покрытием, окружающим обмотку из провода для намотки электромагнитов.
Концевая часть обмотки статора может содержать множество изолированных проволочных проводников, образующих концевые витки. Электродвигатель электрической погружной насосной системы может представлять собой трехфазный электродвигатель, а концевая часть обмотки статора содержит концевые витки для всех трех фаз. Клей может быть нанесен на концевую часть обмотки статора для обеспечения дополнительной структурной устойчивости.
Поддерживающая структура может быть приклеена к концевой части обмотки статора.
Поддерживающая структура может содержать изоляционный материал.
Обмотка статора может содержать пару концевых частей, и устройство может содержать пару поддерживающих конических структур, каждая из которых размещена в соответствующей концевой части обмотки статора и прилегает к ней.
Электродвигатель электрической погружной насосной системы может быть выполнен с эпоксидной смолой, окружающей обмотку из провода для намотки электромагнитов.
Согласно изобретению создан способ изготовления погружного электродвигателя, содержащий следующие этапы:
создание электродвигателя с корпусом, имеющим размер для размещения в стволе скважины;
расположение статора в корпусе с центрированием расточки статора в осевом направлении относительно корпуса;
снабжение статора обмотками статора, имеющими концевую часть; и
поддержание концевой части предварительно образованной конической поддерживающей структурой, предотвращающей оседание концевой части к расточке статора и имеющей конец меньшего диаметра, расположенной вблизи пакета пластин статора, и конец большего диаметра, расположенный на расстоянии от пакета пластин статора.
Способ может дополнительно содержать приклеивание предварительно образованной поддерживающей структуры к концевой части обмотки статора.
Способ может дополнительно содержать установку электродвигателя в электрическую погружную насосную систему и размещение электрической погружной насосной системы в стволе скважины.
Способ может дополнительно содержать размещение ротора в расточке статора после поддержания концевой части предварительно образованной конической структурой.
Согласно изобретению создана система для использования при добыче текучей среды из ствола скважины, содержащая погружной насос, устройство защиты электродвигателя, погружной электродвигатель для привода погружного насоса через устройство защиты электродвигателя, имеющий обмотки с концевой частью, поддерживаемой поддерживающей структурой, размещенной в концевой части и приклеенной к ней для предотвращения оседания концевой части радиально внутрь.
Поддерживающая структура может представлять собой предварительно образованную коническую структуру.
Концевая часть обмотки статора может содержать множество концевых витков.
Предварительно образованная коническая структура может быть выполнена из изоляционного материала.
Согласно изобретению создан способ изготовления погружного электродвигателя, содержащий следующие этапы:
создание погружного электродвигателя с обмотками статора, имеющими, по меньшей мере, одну концевую часть;
формирование, по меньшей мере, одной конической вставки с концом меньшего диаметра, расположенным вблизи пакета пластин статора, и концом большего диаметра, расположенным на расстоянии от пакета пластин статора;
поддержание, по меньшей мере, одной концевой части обмотки статора от оседания радиально внутрь указанной вставкой, размещенной радиально внутри концевой части.
Погружной двигатель можно создавать с лаковым покрытием.
Способ может дополнительно содержать объединение погружного электродвигателя с погружным насосом и устройством защиты электродвигателя для образования электрической погружной насосной системы.
Способ может дополнительно содержать приклеивание вставки к концевой части.
Способ может содержать формирование двух конических вставок, и поддержание первой и второй концевых частей обмотки статора, соответственно, первой и второй коническими вставками.
Краткое описание чертежей
Ниже некоторые осуществления изобретения описаны со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены аналогичные элементы и изображено следующее:
фиг.1 изображает вид спереди скважинной системы, имеющей в стволе скважины погружной электродвигатель согласно варианту настоящего изобретения;
фиг.2 - местный разрез погружного электродвигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения, показанного в скважинной системе из фиг.1;
фиг.3 - вид спереди одного варианта осуществления поддерживающей структуры, предназначенной для использования в погружном электродвигателе согласно варианту настоящего изобретения, и
фиг.4 - вид сверху поддерживающей структуры, показанной на фигуре 3, согласно варианту настоящего изобретения.
Подробное описание
В нижеследующем описании многочисленные подробности изложены для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть применено на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные изменения или модификации описанных осуществлений.
В общем, настоящее изобретение относится к скважинной системе, в которой используется погружной электродвигатель. Например, погружной электродвигатель может быть использован в электрической погружной насосной системе для добычи или же перемещения желаемых скважинных текучих сред. Предложенные изобретения увеличивают межремонтный срок службы погружных электродвигателей и облегчают использование более крупных электродвигателей и электродвигателей, выполненных без покрытия лаком, предназначенного для изоляции статора и обмоток электродвигателя. Например, с целью сокращения производственного цикла и снижения стоимости для некоторых применений электродвигатели выполняют без покрытия лаком. Однако при исключении лакового покрытия также исключается какая-либо поддержка концевых частей обмоток.
В предложенных системе и способе концевые части статорных обмоток поддерживаются вставкой. Вставка предотвращает перемещение и оседание концевых частей обмоток в расточку статора вследствие собственной массы, тем самым исключая отказ или опасную работу погружного электродвигателя. В качестве конкретного примера вставка может представлять собой коническую структуру, располагаемую на радиально внутренней стороне концевых частей для предотвращения их опасного перемещения и оседания в направлении по радиусу внутрь к расточке статора.
На фиг.1 показан один вариант скважинной системы 30 с использованием погружного электродвигателя 32 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте скважинная система 30 содержит электрическую погружную насосную систему 34. В зависимости от конкретного применения или окружающих условий, в которых она используется, электрическая погружная насосная система 34 может содержать ряд компонентов. При многих применениях электрическая погружная насосная система 34 содержит по меньшей мере погружной насос 36, погружной электродвигатель 32 и устройство 38 защиты электродвигателя, расположенное между погружным насосом 36 и погружным электродвигателем 32.
В показанном варианте электрическая погружная насосная система 34 предназначена для размещения в скважине 40 в пределах геологического пласта 42, содержащего желаемые продуктивные текучие среды, такие, как текучие среды на углеводородной основе. Обычно ствол 44 скважины пробуривают в пласт 42 и, по меньшей мере, при некоторых применениях покрывают обсадной колонной 46. Обсадную колонну 46 перфорируют для образования множества отверстий (перфораций) 48, через которые продуктивные текучие среды могут протекать из пласта 42 в ствол 44 скважины. При других применениях погружная насосная система 34 может быть использована для доставки в забой скважины составов для обработки и выпуска их через перфорации 48 в окружающий коллектор.
Электрическая погружная насосная система 34 может быть размещена в стволе 44 скважины посредством подходящей транспортировочной системы 50, которая в зависимости от применения может быть выполнена в ряде форм и конфигураций. Например, транспортировочная система 50 может содержать насосно-компрессорную колонну 52, такую как эксплуатационную насосно-компрессорную колонну или гибкую насосно-компрессорную трубу. Транспортировочную система 50 соединяют с погружным насосом 36 или с другим соответствующим компонентом электрической погружной насосной системы 34 с помощью соединителя 54. В показанном варианте осуществления силовой кабель 56 размещен в забое скважины вдоль транспортировочной системы 50 и электрической погружной насосной системы 34 к погружному электродвигателю 32. По силовому кабелю 56 подводится электрическая энергия к погружному электродвигателю 32 для приведения в действие погружным электродвигателем погружного насоса 36. В процессе работы погружной насос 36 втягивает скважинную текучую среду в электрическую погружную насосную систему 34 через всасывающее отверстие 58 насоса и прокачивает ее к месту сбора по, например, насосно-компрессорной колонне 52. Например, погружной электродвигатель 32 может представлять собой трехфазный асинхронный двигатель, в котором обмотки статора создают возбуждение электродвигателя. Погружной электродвигатель может быть выполнен с лаковым покрытием или без него, и при этом обмотки статора имеют концевые части, которые поддерживаются только поддерживающей структурой, описанной более подробно ниже.
На фиг.2 показан вариант осуществления погружного электродвигателя 32. В этом варианте погружной электродвигатель 32 содержит наружный корпус 60, такой как трубчатый корпус. Статор 62, имеющий расточку 64 статора, расположен внутри корпуса 60 так, что расточка 64 в основном центрирована относительно корпуса 60 в осевом направлении. Как показано пунктирными линиями, ротор 66 расположен внутри расточки 64 с возможностью вращения и соединен с приводным валом 68. В процессе работы вращающийся ротор 66 вызывает вращение приводного вала 68, и это вращение используется для приведения в действие погружного насоса 36.
Например, статор 62 образован множеством пластин 70, таких, как стальные пластины. Пакет стальных пластин может быть изолирован подходящими изоляционными пластинами 72, расположенными на противоположных осевых концах пакета пластин. При многих применениях пластины перфорируют способом, создающим в целом осевые пазы для размещения изолированных проволочных проводников 74, которые образуют обмотки 76 электродвигателя. На осевых концах пакета пластин изолированные проволочные проводники 74 обмоток 76 сгибают в петлю с образованием концевых витков 11, которые образуют концевые части 78 обмоток. Концевые витки 77 обеспечивают возможность направлять изолированные проволочные проводники 74 обратно сквозь пакет пластин через осевые пазы в соответствии с желаемой конфигурацией обмоток. Изолированные проволочные проводники 74, которые образуют концевые части 78, могут быть сгруппированы совместно с каждой группой, защищенной подходящей намоткой 80 или покрытием другого вида. Электрическая энергия может подводиться к обмотке 76 через соответствующие выводные провода 82. Если погружной электродвигатель 32 является трехфазным электродвигателем, концевые части 78 содержат концевые витки 77 для всех трех фаз.
Концевые части 78 поддерживаются с помощью поддерживающей структуры 84, которая ограничивает или предотвращает радиальное оседание концевых частей путем предотвращения нежелательного перемещения концевых витков 77. В общем случае поддерживающая структура 84 содержит вставку 86, а обычно пару вставок 86, которые, как показано на фиг.2, вставлены радиально внутрь относительно концевых частей 78. Вставки 86 предотвращают оседание концевых частей 78 к расточке 64 статора, которое в противном случае может приводить к повреждению электродвигателя или отказу электродвигателя. Поддерживающая структура 84 также предназначена для облегчения размещения ротора 66 и приводного вала 68 и в то же время для защиты концевых витков 77 от повреждения ротором 66 и приводным валом 68 во время сборки и демонтажа погружного электродвигателя 32.
В показанном варианте осуществления вставки 86 являются предварительно выполненными вставками из жесткого, высокотемпературного изоляционного материала. Вставки 86 могут быть закреплены в заданном положении соответствующим клеящим веществом 88, таким как клей или эпоксидная смола. Концевые части 78 также могут быть политы или покрыты клеящим веществом 88, например клеем или эпоксидной смолой, для дополнительного повышения механической устойчивости концевых частей. При некоторых применениях концевые части 78 могут дополнительно поддерживаться соответствующими структурами, такими как блоки формирования каркасов катушек или клинья 90.
На фиг.3 и 4 показано, что в одном варианте поддерживающей структуры 84 используются вставки 86, которые представляют собой конические структуры 92, имеющие размеры, подходящие для установки внутри концевых частей 78 на каждом конце статора 62. Каждая коническая структура 92 содержит меньший по размеру конец 94 с уменьшенным диаметром относительно большего по размеру конца 96. Конец 94 меньшего диаметра расположен вблизи пакета пластин 70 так, чтобы диаметр конической структуры возрастал при увеличении расстояния от пакета пластин. Отверстие 98 проходит в осевом направлении сквозь коническую структуру 92, и его диаметр увеличивается при перемещении от конца 94 меньшего диаметра к концу 96 большего диаметра. Эта коническая структура поддерживает концевые части 78 в положении, в котором они не создают препятствия внутри расточки 64 статора, и, в то же время, позволяет легко вставлять и удалять ротор 66.
Форма, размер, материал и конфигурация поддерживающей структуры 84 и вставок 86 могут корректироваться в соответствии с окружающими условиями и видом/размером погружного электродвигателя 32. При использовании конической структуры 92 диаметр и длину конической структуры можно изменять от одного применения к другому или даже в одном и том же погружном электродвигателе 32. Например, на фиг.2 верхняя вставка 86 показана в виде конуса, который, как показано слева, может иметь длинную боковую стенку или, как показано справа, короткую боковую стенку. В случае необходимости многочисленные другие модификации предварительно образованной вставки могут быть сделаны для определенной конструкции или определенного применения погружного электродвигателя.
Осуществлениями, описанными выше, предоставляются примеры погружных электродвигателей и поддерживающих структур, которые могут быть использованы для повышения межремонтного срока службы ряда скважинных систем. Однако следует отметить, что поддерживающие структуры могут быть использованы для предотвращения оседания внутрь по радиусу концевых частей обмоток в электродвигателях многих видов и в разнообразных областях применения относящихся к скважинам. Кроме того, материалы, используемые для образования поддерживающей структуры, число компонентов поддерживающей структуры, используемых в отдельном электродвигателе, и конфигурация этих компонентов могут в случае необходимости корректироваться для определенного применения. Хотя многочисленные концевые части 78 обмоток упоминаются наиболее часто, одна или несколько концевых частей также имеются в виду. Кроме того, хотя концевые части 78 и связанные с ними детали и описание их наиболее часто предполагаются относящимися к обоим концам электродвигателя/статора, предполагается, что отдельные признаки равным образом применимы только к одному концу.
В соответствии с этим, хотя выше были подробно описаны только немногие варианты осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники должны без труда понять, что многочисленные модификации являются возможными без значительного отступления от идей этого изобретения. Такие модификации подразумеваются включенными в объем этого изобретения, определенный в формуле изобретения.