УСТАНОВКА НАСОСНАЯ ПЛУНЖЕРНАЯ ПОГРУЖНАЯ И ЕЕ ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F04B47/06 H02K41/25 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к оборудованию, применяемому в ограниченном пространстве, например к подземному оборудованию для подъема нефти из скважин, и может быть использовано для откачки пластовых вод и добычи различных полезных ископаемых, находящихся под землей на больших глубинах в жидком состоянии.

Линейный электродвигатель применен в установке насосной плунжерной погружной, а также может быть использован в других областях техники: робототехнике, в качестве тягового привода на транспорте (без охлаждения жидкостью).

Известна кратковременная эксплуатация скважины погружной установкой лопастного насоса с электрическим приводом производительностью более 80 м/сут, состоящая из регулировки давления при откачке жидкости из скважины, из изменения скорости вращения насоса таким образом, что КПД насоса во всем диапазоне регулирования составлял не менее 0,9 максимального значения КПД для данной скорости вращения, чередования накопления жидкости в скважине при выключенной установке, при этом продолжительность периода эксплуатации скважины равна сумме продолжительности откачки жидкости из скважины и продолжительности накопления жидкости в скважине соответствует коэффициенту снижения дебита не более 0,95, а продолжительность работы установки равна отношению продолжительности откачки жидкости из скважины к продолжительности периода эксплуатации скважины менее 50% (RU № 2293176 С1, 10.02.2007).

Недостатком известной установки при кратковременной эксплуатации низкодебитных скважин является большой диапазон изменения динамического уровня жидкости в скважине, периодически создаваемая депрессия отрицательно влияет на работу нефтеносного пласта, подтягивает воду и тяжелые примеси в призабойную зону. Кратковременная эксплуатация скважины положительно влияет только при частичной очистке призабойной зоны при освоении скважины, а не для регулярной промышленной эксплуатации. Окупается известная установка на низкодебитных долго эксплуатируемых скважинах через продолжительное время, так как больше простаивает, чем работает, при этом потребляет большую мощность, при кратковременном включении возникает неравномерность нагрузки на электрическую сеть.

Известна установка насосная винтовая штанговая, содержащая наземный электропривод, колонну штанг, соединенную с винтом, расположенным эксцентрично относительно оси вращения внутри другого эластичного винта с внутренней канавкой с шагом, в два раза большим, чем у первого винта, соединенными через подшипники с корпусом, закрепленным на конце колонны насосно-компрессорных труб с выходным клапаном (выпускается ОАО «Ижевским заводом нефтяного машиностроения»).

Недостатком известной установки является небольшой межремонтный период из-за износа эластичного винта при наличии в перекачиваемой жидкости твердых частиц: песка, бурового фильтрата и т.д., а также наличие подшипников. Вращающаяся изогнутая колонна штанг вызывает осложнения в наклонных и горизонтальных скважинах и снижает КПД установки.

Известна установка насосная винтовая, содержащая погружной электродвигатель, соединенный через пусковую муфту с винтом, расположенным эксцентрично относительно оси вращения внутри другого эластичного (резинового) винта с внутренней канавкой с шагом, в два раза большим, чем у первого винта, соединенными через подшипники с корпусом, закрепленным на конце колонны насосно-компрессорных труб с выходным клапаном (Кудинов В.И. «Основы нефтегазопромыслового дела», г.Ижевск, 2005, с.366).

Недостатком известной установки является небольшой межремонтный период из-за износа эластичного винта при наличии в перекачиваемой жидкости твердых частиц: песка, бурового раствора и т.д., а также наличие подшипников.

Известна установка насосная поршневая, содержащая погружной электродвигатель, соединенный через пусковую муфту с редуктором, выполненным в виде планетарной передачи, содержащей ведущую шестерню, закрепленную на валу, сателлиты, установленные на водиле, и ведомое колесо, при этом водило имеет два фиксированных переключаемых положения со свободным ходом относительно неподвижного корпуса и вращающегося ведущего вала, а ведомое колесо жестко соединено с внешней обоймой винтового подшипника качания преобразователя вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение штока, выполненного в виде винтовой пары, между витками которой расположены ролики или шарики, а шток выполнен в виде внутренней обоймы этого подшипника и имеет направляющие для подшипника поступательного движения, который соединен с поршнем, содержащим демпфер, при этом шток соединен с тягой, пружиной растяжения-сжатия, упорным двухсторонним подшипником, соединенным с направляющими, расположенными в водиле, соединенными концами с двумя торцевыми зубчатыми колесами, входящими в зацепление с двумя другими идентичными торцевыми зубчатыми колесами, каждое из которых расположено на упругих муфтах, закрепленных одна в корпусе для рабочего хода, а другая на ведущем валу для холостого хода, при этом поршень перемещается в цилиндре, который соединен с колонной насосно-компрессорных труб с входным и выходным клапанами (RU 2008102056 C1, 27.07.2009).

Недостатком известной установки является наличие механической передачи, зацеплений, подшипников качания, что уменьшает надежность, срок службы, т.е. межремонтный период (МРП), наличие свободного хода плунжера, от чего снижается КПД установки, а также невозможность регулировать производительность установки в широком диапазоне.

Известна диафрагменная плунжерная погружная насосная установка, содержащая погружной электродвигатель, соединенный с конусным редуктором, диафрагмой, плунжером с возвратной пружиной, расположенными в камере, заполненной маслом, корпус со спускным электромагнитным клапаном и входным и выходным клапанами, соединенными с насосно-компрессорными трубами (ЭДН-5, выпускаемая ОАО «Ижевский электромеханический завод», ЗАО «Потек»),

Недостатком известной установки является наличие механической передачи, зацепления, подшипников качения, что уменьшает надежность, срок службы, т.е. межремонтный период (МРП), наличие свободного хода плунжера, от чего снижается к.п.д. установки, а также невозможность регулировать производительность установки в широком диапазоне, из-за чего увеличивается номенклатура насосов (ЭДН-5-4-200, ЭДН-5-6,3-1500, ЭДН-5-8-1300, ЭДН-5-10-1200, ЭДН-5-12,5-900, ЗДН-5-16-750, ЭДН-5-20-600) и при изменении притока жидкости в скважине возникает необходимость производить спускоподъемные работы по замене насоса.

Известна также установка насосная плунжерная, погружная состоящая из корпуса, погружного электродвигателя, содержащего корпус, статор и ротор, соединенный через полость, заполненную маслом, со штоком, плунжером или поршнем, перемещающимся в цилиндре с уплотнениями, соединенным жестко с входным клапаном, перед которым установлен сливной электромагнитный клапан, и выходным клапаном, соединенными с насосно-компрессорными трубами (Г.И.Ижель и др. Линейные асинхронные двигатели. Техника, Киев, 1975, с.116, рис.54).

Задача изобретения - создание установки без механических передач, зацеплений и подшипников, увеличение срока межремонтного периода (МРП) и коэффициента полезного действия, возможность регулировать производительность практически от нуля до максимального значения.

Техническим результатом, достигаемым в результате поставленной задачи, является увеличение срока службы, т.е. межремонтного периода (МРП), повышение КПД, возможность регулировать производительность в широком диапазоне, снижение трудоемкости и себестоимости в изготовлении и энергозатрат при эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке насосной плунжерной погружной, состоящей из корпуса, погружного электродвигателя, содержащего корпус, статор и ротор, соединенный через полость, заполненную маслом, со штоком, плунжером или поршнем, перемещающимся в цилиндре с уплотнениями, соединенным жестко с входным клапаном, перед которым установлен сливной электромагнитный клапан, и выходным клапаном, соединенными с насосно-компрессорными трубами, электродвигатель выполнен линейным, а его вторичный элемент выполняет роль штока, а также введены второй плунжер, идентичный первому, соединенный со вторым концом вторичного элемента, и второй цилиндр, соединенный жестко со второй парой клапанов, расположенные в корпусе установки со сквозными полостями, соединяющими выход второго выходного клапана с выходом первого выходного клапана, а полость между уплотнениями первого цилиндра и плунжера или поршня и второго цилиндра и плунжера или поршня, включая внутренний объем электродвигателя, заполнена диэлектрической жидкостью, при этом площадь поперечного сечения вторичного элемента и плунжера равны или отличаются друг от друга в зависимости от расчетного объема омывающей внутренние части электродвигателя жидкости для теплопередачи через корпусы в сквозные полости, заполненные перекачиваемой жидкостью, при этом интенсивность смывания диэлектрической жидкостью составных внутренних частей электродвигателя и заплунжерного пространства прямо пропорциональна скорости перемещения вторичного элемента с плунжерами или поршнями.

Второй плунжер и цилиндр введены для исключения свободного хода в насосной установке, так как первый и второй плунжеры работают поочередно. Сквозные полости между корпусом установки и корпусом электродвигателя, телом первого и второго цилиндров введены для соединения выхода второго выходного клапана с выходом первого выходного клапана для перемещения перекачиваемой жидкости, которая охлаждает корпус электродвигателя и тела цилиндров. Линейный электродвигатель и объемы за плунжерами заполнены диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом для охлаждения нагреваемых при работе элементов: индукторов, вторичного элемента и плунжеров, при трении уплотнителей о поверхность плунжеров.

Плунжер и цилиндр выполнены сплюснутыми для уменьшения длины установки, так как в этом случае концы вторичнного элемента будут перемещаться во внутренних областях сплюснутых цилиндров.

Известен линейный электродвигатель, состоящий из гребенчатого индуктора, вторичного элемента, состоящего из ряда постоянных магнитов, установленных в силовом корпусе («Сервотехника», г.Долгопрудный, Московская область)

Недостатком известного линейного электродвигателя являются габариты и конструкция, которые не позволяют его разместить в трубном пространстве, а также небольшая мощность.

Известен линейный электродвигатель, состоящий из гребенчатого индуктора, вторичного элемента, состоящего из ряда постоянных магнитов, выполненных методом напыления на кварцевую пластину, закрепленную в силовом корпусе с направляющей, и магнитопровода (Япония, ЗАО «СодикМ-Центр«, Москва, e-mail: info@sodik.ru).

Недостатком известного линейного электродвигателя являются габариты и конструкция, которые не позволяют его разместить в трубном пространстве, а также небольшая мощность.

Известен линейный электродвигатель 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 покрытие в виде слоя меди, а 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 (RU 2266607 С2, 20.12.2005).

Недостатком известного линейного электродвигателя является небольшая удельная мощность по причине большого рассеяния электромагнитного поля, которое рассеивается во внешнюю сторону, в корпус электродвигателя, на внутренней медной поверхности которого индуцируются также вихревые токи Фуко, которые снижают КПД электродвигателя, а также отсутствует теплоотвод.

Известен линейный электродвигатель, состоящий из двойного гребенчатого статора, вторичного элемента, выполненного короткозамкнутым из электропроводящего материала, блока управления (Патент RU № 2086069 С1, 27.07.1997).

Недостатком известного линейного электродвигателя является недостаточная тяга.

Задача изобретения - увеличение тяги линейного электродвигателя. Техническим результатом, достигаемым в результате поставленной задачи, является увеличение тяги.

Указанный технический результат достигается тем, что в линейном электродвигателе, состоящем из двойного гребенчатого статора, вторичного элемента, выполненного короткозамкнутым из электропроводящего материала, блока управления, вторичный элемент выполнен в виде длинных многослойных пластинок с поперечными прорезями, смещенными относительно друг друга, заполненными твердым диэлектриком, закрепленными в силовом корпусе и изолированными друг от друга и от силового корпуса вторичного элемента.

В электрическом контакте с пластинками длинными сторонами в силовом корпусе вторичного элемента установлены электропроводящие изолированные шины, имеющие сопротивление в продольном направлении на много больше, чем сопротивление части параллельных пластинок между прорезями напротив пары скользящих по шине подпружиненных контактов, которые расположены осесимметрично между каждой парой катушек на корпусе статора и которые соединены попарно между собой, образуя параллельно-последовательную электрическую цепь таким образом, что токи, проходящие по пластинкам, всегда вызывают силы Ампера, векторы которых направлены в одну сторону.

Шины введены для объединения пластинок длинными сторонами в параллельно-последовательную электрическую цепь, в которой шины в продольном направлении имеют сопротивление намного больше, чем в поперечном с частями параллельных пластинок между прорезями, расположенными напротив скользящих контактов. Скользящие контакты введены для передачи тока на вторичный элемент, для большего увеличения тяги и уменьшения скачков тока при изменении нагрузки (при дополнительных известных блоках управления электродвигателями), перемещающимися по шине без искрообразования, так как шина не имеет разрывов и контакт осуществляется в диэлектрической жидкости.

Кабель питания и управления проходит через тело цилиндра и клапанов для уменьшения габаритов установки.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема установки насосной плунжерной погружной и ее линейного электродвигателя, на фиг.2 показано поперечное сечение сплюснутого плунжера в цилиндре, на фиг.3 изображено поперечное сечение линейного электродвигателя опытного образца установки, на фиг.4 показан вторичный элемент линейного электродвигателя со скользящими контактами и прорезями, на фиг.5 вторичный элемент линейного электродвигателя в плоскости индукторов со смещенными прорезями, заполненными диэлектриком.

Установка насосная плунжерная погружная состоит из корпуса 1, линейного электродвигателя 2, состоящего из корпуса 3, двугребенчатого статора 4, состоящего из двух гребенчатых сердечников из ферромагнитного материала 5 и катушек индуктивности 6, вторичного элемента 7, концы которого жестко соединены с плунжерами 8 и 9, перемещающимися в цилиндрах соответственно 10 и 11, которые соединены соответственно с двумя парами клапанов: входного 12 и выходного 13, соединенных с насосно-компрессорными трубами 14, и входного 15 и выходного 16, соединенных жестко с цилиндром 11 на конце установки, при этом выход выходного клапана 16 соединен с выходом первого выходного клапана 13 сквозными полостями 17, проходящими между корпусом 1 установки и второй парой клапанов 15 и 16, цилиндром 11, корпусом 3 линейного электродвигателя 2, цилиндром 10. Перед первым входным клапаном 12 установлен сливной электромагнитный клапан 18. Внутреннее пространство установки между уплотнениями 19 плунжеров 8 и 9, включая электродвигатель, заполнено диэлектрической жидкостью 20, через которую осуществляется теплоотвод от нагреваемых внутренних составных частей линейного электродвигателя 2. Скорость перемещения жидкости 20 относительно неподвижных омываемых элементов: катушек индуктивности 6, гребенчатых сердечников 5 и др. зависит от площади поперечного сечения плунжера 8, 9 и площади поперечного сечения омывающего потока диэлектрической жидкости 20.

Плунжеры 8 и 9 и цилиндры 10 и 11 в поперечном сечении выполнены сплюснутыми так, чтобы концы вторичного элемента 7 перемещались во внутренних областях сплюснутых цилиндров 10 и 11. Большие оси поперечных сечений цилиндров 10 и 11, плунжеров 8 и 9 и вторичного элемента 7 расположены в одной плоскости.

Линейный электродвигатель 2 состоит из корпуса 3, двугребенчатого статора 4, состоящего из двух гребенчатых сердечников из ферромагнитного материала 5, катушек индуктивности 6, вторичного элемента 7, состоящего из длинных многослойных электропроводящих пластин 21, изолированных друг от друга с поперечными прорезями 22, которые смещены относительно друг друга и заполнены твердым диэлектриком. Многослойные пластины жестко соединены длинными сторонами через изоляцию с силовым корпусом в виде двух стержней 23, также жестко соединенных концами между собой.

Длинные многослойные пластины 21 с поперечными прорезями 22 вторичного элемента 7 длинными сторонами замкнуты шинами 24, изолированными от силового корпуса и закрепленными между двумя силовыми стержнями 23. На шинах 24 между каждой парой катушек 6 расположены два электропроводящих подпружиненных контакта 25, закрепленных на корпусе 3 электродвигателя, которые соединены между собой параллельно-последовательно таким образом, что в электромагнитном поле токи в многослойных пластинках 21 с поперечными прорезями 22 вызывают появление векторов силы Ампера, совпадающих по направлению. Внутри двигателя установлены контактные датчики для управления переключением фаз для изменения направления перемещения вторичного элемента.

Устройство работает следующим образом.

Момент силы от линейного электродвигателя 2, вторичного элемента 7, перемещающегося возвратно-поступательно, передается плунжерами 8 и 9, при этом плунжер 8 перемещается вверх - рабочий ход, а плунжер 9 вверх - холостой ход, первый входной клапан 12 закрыт, а первый выходной клапан 13 открыт, а второй входной клапан 15 открыт, второй выходной клапан 16 закрыт, и жидкость из первого цилиндра 10 вытесняется через клапан 13 во внутреннюю полость насосно-компрессорных труб 14, а также заполняет второй цилиндр 11. При обратном ходе, когда вторичный элемент 7 перемещается вниз вместе с плунжерами, то первый плунжер 8 совершает холостой ход, а второй плунжер 9 - рабочий ход, при этом первый входной клапан 12 открыт, а первый выходной 13 - закрыт, а второй входной клапан 15 закрыт, второй выходной клапан 16 открыт и жидкость из второго цилиндра 11 вытесняется в сквозную полость 17 между корпусом установки 1 и второй парой клапанов 15 и 16, вторым цилиндром 11, корпусом 3 линейного электродвигателя, первым цилиндром 10, затем во внутреннюю полость насосно-компрессорных труб 14, а также заполняется жидкостью первый цилиндр 12. Таким образом осуществляется практически беспрерывный поток перекачиваемой жидкости за исключением кратковременных моментов смены направления перемещения плунжеров 8 и 9, которая при перемещении омывает корпус 3 линейного электродвигателя 2 и цилиндры 10 и 11, отнимая от них часть тепла. Диэлектрическая жидкость 20, заполняя пространство между уплотнениями 19 плунжеров 8 и 9, при возвратно-поступательном перемещении вторичного элемента 7 с плунжерами 8 и 9 омывает двугребенчатые статоры 4 и вторичный элемент 7, которые нагреваются в процессе работы. Скорость перемещения диэлектрической жидкости 20 в линейном электродвигателе 2 зависит от площади поперечного сечения плунжеров 8 и 9, вторичного элемента 7, их скорости перемещения и пропускной свободной площади поперечного сечения, заполненной диэлектрической жидкостью.

Vж=(Sпл-Sвт)Vвт/Sж,

где Vж - скорость перемещения диэлектрической жидкости;

Sпл - площадь поперечного сечения плунжера;

Sвт - площадь поперечного сечения вторичного элемента;

Vвт - скорость перемещения вторичного элемента с плунжерами;

Sж - пропускная свободная площадь поперечного сечения жидкости.

Двигатель работает следующим образом. При подаче трехфазного напряжения на обмотки электродвигателя 2 во вторичном элементе 7 на электропроводящих длинных многослойных пластинах 21 с поперечными прорезями 22 индуцируются токи, в результате взаимодействия которых с полем катушек 6 возникает сила, приводящая в движение вторичный элемент 7 (при закрепленном двугребенчатом статоре) или двугребенчатый статор 4 (при фиксированном вторичном элементе 7).

Устройство предназначено для подъема нефти из скважин и может быть использовано для откачки пластовых вод и добычи различных полезных ископаемых, находящихся под землей на больших глубинах в жидком состоянии. Устройство содержит корпус (1), электродвигатель (2), шток (7), плунжер (8), цилиндр (10), входной и выходной клапаны (12, 13), сливной электромагнитный клапан (18), соединенные с насосно-компрессорными трубами (14). В установке двойного действия, охлаждаемой перекачиваемой жидкостью, с линейным электродвигателем (2), охлаждаемым диэлектрической жидкостью, установлены второй плунжер (9), второй цилиндр (11) и вторая пара клапанов (15, 16). Линейный электродвигатель (2) содержит корпус (3), двухгребенчатый статор (4), вторичный элемент (7). Вторичный элемент (7) выполнен из электропроводящих длинных многослойных пластин (21) с поперечными прорезями (22), смещенными относительно друг друга, заполненных диэлектриком. Технический результат решения - регулируемость производительности от нуля до максимального, отсутствие механических передач и подшипников, увеличение срока службы, уменьшение межремонтного периода, энергопотребления, себестоимости, равномерность выходного потока жидкости, а также увеличение тяги. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка насосная плунжерная погружная, состоящая из корпуса, погружного электродвигателя, содержащего корпус, статор и ротор, соединенный через полость, заполненную маслом, со штоком, плунжером или поршнем, перемещающимся в цилиндре с уплотнениями, соединенным жестко с входным клапаном, перед которым установлен сливной электромагнитный клапан, и выходным клапаном, соединенными с насосно-компрессорными трубами, отличающаяся тем, что электродвигатель выполнен линейным, а его вторичный элемент выполняет роль штока, а также введены второй плунжер, идентичный первому, соединенный со вторым концом вторичного элемента, и второй цилиндр, соединенный жестко со второй парой клапанов, расположенные в корпусе установки со сквозными полостями, соединяющими выход второго выходного клапана с выходом первого выходного клапана, а полость между уплотнениями первого цилиндра и плунжера или поршня и второго цилиндра и плунжера или поршня, включая внутренний объем электродвигателя, заполнена диэлектрической жидкостью, при этом площадь поперечного сечения вторичного элемента и плунжера равны или отличаются друг от друга в зависимости от расчетного объема омывающей внутренние части электродвигателя жидкости для теплопередачи через корпуса в сквозные полости, заполненные перекачиваемой жидкостью, при этом интенсивность смывания диэлектрической жидкостью составных внутренних частей электродвигателя и заплунжерного пространства прямо пропорциональна скорости перемещения вторичного элемента с плунжерами или поршнями.

2. Установка насосная плунжерная погружная по п.1, отличающаяся тем, что плунжеры или поршни и цилиндры выполнены сплюснутыми, у которых большая ось поперечных сечений и такая же ось вторичного элемента электродвигателя лежат в одной плоскости.

3. Установка насосная плунжерная погружная по п.1, отличающаяся тем, что кабель питания и управления линейным электродвигателем проходит сквозь тело цилиндра и корпус первой пары клапанов.

4. Линейный электродвигатель, состоящий из двойного гребенчатого статора, вторичного элемента, выполненного короткозамкнутым из электропроводящего материала, блока управления, отличающийся тем, что вторичный элемент выполнен в виде длинных многослойных пластинок с поперечными прорезями, смещенными относительно друг друга, заполненными твердым диэлектриком, закрепленными в силовом корпусе и изолированных друг от друга и от силового корпуса вторичного элемента.

5. Линейный электродвигатель по п.4, отличающийся тем, что в электрическом контакте с пластинками длинными сторонами в силовом корпусе вторичного элемента установлены электропроводящие изолированные шины, имеющие сопротивление в продольном направлении на много больше, чем сопротивление части параллельных пластинок между прорезями напротив пары скользящих по шине подпружиненных контактов, которые расположены осесимметрично между каждой парой катушек на корпусе статора и которые соединены попарно между собой, образуя параллельно-последовательную электрическую цепь таким образом, что токи, проходящие по пластинкам, всегда вызывают силы Ампера, векторы которых направлены в одну сторону.