Патент на изобретение №2300018

(54) ПОГРУЖНАЯ НИЗКООБОРОТНАЯ БЕЗРЕДУКТОРНАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей и строительной промышленности при создании погружных установок, имеющих в качестве низкооборотного привода бесштанговых погружных насосов, в основном винтовых, маслозаполненные синхронные электродвигатели. Погружная низкооборотная безредукторная насосная установка для добычи пластовой жидкости содержит станцию управления, трехфазный источник переменного напряжения и спускаемый в скважину на подъемных насосно-компрессорных трубах погружной электронасосный агрегат, состоящий из электродвигателя с гидрозащитой, обмотки которого соединены в “звезду”, насоса и кабельной линии. Насос выполнен в виде винтового насоса, а электродвигатель в виде синхронного электродвигателя, имеющего статор с явно выраженными полюсами, внешняя поверхность которых гладкая или снабжена радиальными зубцами, безобмоточный ротор, на внешней поверхности которого выполнены радиальные зубцы, на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные обмотки, соединенные в фазы. Каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные диод и обмотки. Диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение, фазы через провода кабельной линии подключены к источнику переменного синусоидального напряжения. Диоды объединены в сборку, расположенную в погружной части установки для обеспечения возможности использования 3-проводной кабельной линии для подачи напряжения на электродвигатель. Упрощается конструкция установки, повышается эффективность добычи нефти, увеличивается надежность работы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в нефтедобывающей и строительной промышленности при создании погружных установок, имеющих в качестве низкооборотного привода бесштанговых погружных насосов, в основном винтовых, маслозаполненные синхронные электродвигатели. Изобретение направлено на интенсификацию добычи пластовой жидкости, в том числе нефти, при эксплуатации средне- и малодебитных скважин, а также скважин, расположенных в сложных геологических условиях, и, кроме того, может быть использовано в строительной буровой технике для откачки воды и другой жидкости из скважин различного назначения.

Известна конструкция погружного маслозаполненного электродвигателя [патент РФ №2162272], содержащий головку, в которой размещен кабельный ввод, состоящий из штепсельной вилки, корпус которой прикреплен к головке, штыри соединены с кабелем и штепсельной розеткой, содержащей колодку из диэлектрического материала и гильзы, соединенные с выводными проводами обмотки статора. При этом колодка и гильзы установлены герметично, а в колодке выполнено сквозное осевое отверстие, в котором размещен перепускной клапан для сообщения и разобщения полости электродвигателя с полостью, ограниченной корпусом вилки и колодкой.

Известен синхронный электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением по заявке Франции №7418161 (патент-аналог в США №4039908), имеющий статор, содержащий 3n пар полюсов, на которых расположены идентичные индуктивные катушки, а также пассивный ротор, расположенный коаксиально относительно статора. Внешняя поверхность полюсов статора и ротора имеют зубцовую зону, причем количество зубцов на роторе на два меньше, чем количество зубцов на полюсах статора с учетом зубцов, которые были бы расположены в промежутках между полюсами. Катушки на полюсах соединены в “звезду”, каждый вывод которой запитывается одной фазой трехфазного источника переменного тока. Для этого катушки объединены в группы по две с одним диодом, а группы соединены параллельно таким образом, что обеспечивают на двух смежных полюсах возможность прохода противоположно направленных магнитных потоков.

Известен синхронный электродвигатель [патент РФ №2145460], представляющий собой электрическую машину, состоящую из статора и пассивного безобмоточного ротора. Статор содержит n явно выраженных полюсов, где n4. Поверхность полюсов гладкая или снабжена зубцовой зоной. На всех полюсах статора намотаны идентичные индуктивные катушки, соединенные в фазы, при этом каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные диод и катушки, причем диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение, один вывод фазы подключен к нулевому входу двигателя, а другой вывод к источнику переменного синусоидального напряжения.

Известна установка погружного центробежного насоса [2217579], принятая за прототип, и состоящая из погружного электронасосного агрегата, объединяющего электродвигатель с гидрозащитой, насос и кабельную линию, спускаемые в скважину на подъемных насосно-компрессорных трубах, оборудование устья, станцию управления и трансформатор.

В настоящее время для откачки из скважин вязких сортов нефти, а также при эксплуатации средне- и малодебитных скважин и скважин, расположенных в сложных геологических условиях, наиболее эффективно использование винтовых насосов, имеющих ряд преимуществ по сравнению с центробежными насосами. При этом мировая практика показывает, что наиболее предпочтительными для продолжительной эксплуатации насосов, особенно винтовых, являются частоты вращения в диапазоне 100-500 об/мин. Для обеспечения таких оборотов погружные насосные установки в настоящее время выпускаются с верхним расположением привода. Для этого электродвигатель и понижающий частоту вращения механизм, например редуктор, располагаются на поверхности, а вращение к погружному насосу, расположенному в скважине, передается при помощи вращающихся штанг. Несмотря на дополнительные сложности, возникающие при монтаже и эксплуатации таких установок, их достаточно широко используют в нефтедобывающей промышленности. Кроме того, существуют установки с погружными редукторными вставками, которые также усложняют конструкцию электронасосного агрегата и снижают ее надежность.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в упрощении конструкции установки, повышении эффективности добычи нефти вязких сортов и в сложных геолого-технических условиях за счет использования винтовых насосов и низкооборотных безредукторных синхронных электродвигателей, а также упрощении монтажа и удобства обслуживания оборудования, спускаемого в скважину, и, соответственно, увеличении надежности работы установки.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в снижении оборотов привода насоса до оптимальных значений и в локализации расположения диодной сборки, через которую осуществляется питание синхронного электродвигателя от сети переменного синусоидального напряжения, непосредственно вблизи от электродвигателя или в его корпусе, а также в повышении эксплуатационной надежности установки, в том числе и ее кабельной линии.

Это достигается за счет того, что аналогично прототипу в погружной насосной установке имеются расположенные на поверхности станция управления и трехфазный источник переменного напряжения, а также погружной электронасосный агрегат, состоящий из электродвигателя с гидрозащитой, обмотки которого соединены в “звезду”, насоса и кабельной линии. Однако в предлагаемом решении насосный агрегат выполнен в виде винтового насоса как наиболее производительного при откачке вязких и тяжелых сортов нефти, электродвигатель выполнен в виде синхронного электродвигателя, согласно техническому решению которого у него имеется статор с явно выраженными полюсами, внешняя поверхность которых гладкая или снабжена радиальными зубцами, безобмоточный ротор, на внешней поверхности которого выполнены радиальные зубцы, на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные обмотки, соединенные в фазы, каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные диод и обмотки, причем диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение, фазы через провода кабельной линии подключены к источнику переменного синусоидального напряжения. Кроме того, диоды объединены в сборку, расположенную в погружной части установки, что дает возможность использовать для подачи напряжения на электродвигатель 3-проводную кабельную линию.

В частном случае использования предлагаемого технического решения в упомянутом синхронном электродвигателе ширина зубцов статора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза ротора, а ширина зубцов ротора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза статора.

Во втором частном случае использования настоящего технического решения совокупность его признаков дополнена расположением диодной сборки непосредственно в корпусе электродвигателя, что повышает эксплуатационную надежность установки.

В третьем частном случае установка дополнена преобразователем частоты, расположенным рядом с источником питания, что дает возможность плавно регулировать частоту вращения электродвигателя как в сторону повышения, так и понижения при сохранении высокого удельного момента вращения. Это позволит адаптировать производительность установки к изменяющемуся дебиту скважины.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими чертежами:

На фиг.1 показана схема основных элементов конструкции погружной насосной установки.

На фиг.2 показана схема подключения через диодную сборку электродвигателя к источнику переменного синусоидального напряжения.

Погружная насосная установка по предлагаемому техническому решению содержит станцию управления и источник питания 1, а также спускаемый в скважину на подъемных насосно-компрессорных трубах погружной электронасосный агрегат, состоящий из винтового насоса 5, синхронного электродвигателя 4 с гидрозащитой, обмотки которого соединены в “звезду”, диодного блока 3 и 3-проводной кабельной линии 2, обеспечивающей подвод напряжения к двигателю. При этом статор электродвигателя выполнен с явно выраженными полюсами, внешняя поверхность которых гладкая или снабжена радиальными зубцами, ротор безобмоточный и на его внешней поверхности выполнены радиальные зубцы, на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные обмотки, соединенные в фазы, причем каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные диод и обмотки, диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение, а фазы через провода кабельной линии подключены к упомянутому источнику переменного синусоидального напряжения.

Погружная установка работает следующим образом. По сигналу со станции управления по кабелю подается напряжение на электродвигатель. При этом на каждую фазу двигателя подается напряжение одной фазы источника. Поскольку напряжение на обмотки каждой фазы подается через диоды, включенные в противоположных направлениях, то на обмотки одной ветви фазы поступают только положительные полуволны напряжения, а на обмотки другой ветви фазы – только отрицательные. Так поочередно на обмотки фаз каждой пары ветвей поступают в виде полуволн импульсы напряжения длительностью, равной полупериоду изменения напряжения, и со смещением для ветвей одной фазы, равным полупериоду. При этом импульсы напряжения, поступающие на каждую пару ветвей фазы, дополнительно смещены между собой в соответствии со сдвигом фаз источника питания.

Соответственно, под действием каждого импульса напряжения в обмотках одной ветви фазы формируется импульс тока, который, в свою очередь, создает магнитные потоки в полюсах статора и вызывает силы магнитного притяжения между зубцами полюсов статора и зубцами ротора. При этом радиальные составляющие сил притяжения полюсов одной фазы, расположенных симметрично, взаимно уравновешиваются, а тангенциальные составляющие этих сил создают на роторе крутящий момент, под действием которого ротор стремится повернуться до положения совмещения зубцов ротора с зубцами возбужденного полюса. На соседних полюсах, зубцы которых смещены, например, на величину, равную зубцовому шагу, деленному на число фаз двигателя, магнитные потоки, которые в них возбуждаются при круговом распределении импульсов напряжения, также создают крутящий момент на роторе. Крутящие моменты, возникающие при этом под действием одновременно возбужденных полюсов, суммируются на роторе, а перемещение ротора за один оборот импульсов напряжения в статоре равно одному зубцовому шагу. Этим достигается редуцирование частоты вращения импульсов напряжения. Полученный крутящий момент с двигателя через специальную муфту передается на винтовой насос.

Формула изобретения

1. Погружная низкооборотная безредукторная насосная установка для добычи пластовой жидкости, содержащая станцию управления, трехфазный источник переменного напряжения и спускаемый в скважину на подъемных насосно-компрессорных трубах погружной электронасосный агрегат, состоящий из электродвигателя с гидрозащитой, обмотки которого соединены в “звезду”, насоса и кабельной линии, отличающаяся тем, что насос выполнен в виде винтового насоса, а электродвигатель в виде синхронного электродвигателя, имеющего статор с явно выраженными полюсами, внешняя поверхность которых гладкая или снабжена радиальными зубцами, безобмоточный ротор, на внешней поверхности которого выполнены радиальные зубцы, на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные обмотки, соединенные в фазы, при этом каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, каждая из которых включает в себя последовательно соединенные диод и обмотки, причем диоды в параллельных ветвях имеют встречное включение, фазы через провода кабельной линии подключены к источнику переменного синусоидального напряжения, при этом диоды объединены в сборку, расположенную в погружной части установки для обеспечения возможности использования 3-проводной кабельной линии для подачи напряжения на электродвигатель.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в синхронном электродвигателе ширина зубцов статора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза ротора, а ширина зубцов ротора не превышает 0,7 ширины межзубцового паза статора.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диодная сборка расположена в корпусе электродвигателя.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что источник переменного напряжения содержит преобразователь частоты.

РИСУНКИ