Двигатель электрического погружного насоса (варианты)

Группа изобретений относится к двигателям погружных насосов. Двигатель 10 погружного насоса содержит вал 18, металлическую втулку и роторную секцию 20, соединенные с валом 18 для совместного с ним вращения. Кожух 12 двигателя 10 заполнен диэлектрической смазкой и вмещает вал 18, втулку 26, роторную секцию 20 и соединенную с ним статорную секцию 14. Двигатель 10 содержит металлический цилиндрический корпус 28 подшипника, погруженный в смазку и имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность, сопряженную с размещаемой внутри нее наружной цилиндрической поверхностью втулки 26. Корпус 28 подшипника расположен в кожухе 12 и соединен с ним без возможности вращения в нем. По меньшей мере цилиндрическая поверхность втулки 26 или корпус 28 подшипника имеет покрытие, состоящее из никель-бора, толщина которого составляет примерно 0,00075 дюйма ±0,00025 дюйма. Группа изобретений направлена на снижение износа подшипника. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение в целом относится к двигателям погружных насосов, а в частности к упрочненной втулке и/или корпусу подшипника с покрытием из слоя никель-бора, снижающим износ и улучшающим эксплуатационные параметры.

Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной заявки US 60/954523, зарегистрированной 7 августа 2007 г. и включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

Одной из серьезных проблем погружных насосов является износ подшипников двигателей. Для уменьшения этого износа обычно используются различные смазки. В частности, одно из решений предлагается в RU 2300667 за счет использования самосмазывающегося материала для втулки подшипника, что уменьшает износ подшипника в условиях недостаточности и деградации смазки. Однако остается необходимость в дальнейшем обеспечении снижения износа подшипников погружных насосов с учетом постоянной работы их соответствующих поверхностей в смазочной среде с вращением и в скользящем контакте друг с другом.

С учетом вышесказанного, в настоящем описании раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения, включающие новый и усовершенствованный двигатель электрического погружного насоса и связанные с ним способы, в которых используется покрытие из никель-бора, полученное предпочтительно неэлектрохимическим восстановлением и нанесенное на втулку и/или корпус подшипника с целью снижения износа двигателя. Втулка и/или корпус подшипника изготовлены из обычно недорогого материала-основы и покрыты слоем никель-бора, полученного методом химического восстановления (упоминаемого далее также, как неэлектрохимическое осаждение). После нанесения покрытия поверхность втулки и/или корпуса подшипника может быть обработана с использованием какого-либо процесса, например шлифования, для получения размеров обработанного изделия, соответствующих зазорам, требуемым для двигателя насоса. Конструкция втулок и/или корпусов подшипников может предусматривать их взаимозаменяемость с существующими стандартными втулками и корпусами, не имеющими покрытия. Таким образом, настоящее изобретение в своих вариантах осуществления обеспечивает упрочненную поверхность, снижающую износ и улучшающую эксплуатационные параметры двигателя погружного насоса.

Более конкретно в настоящем изобретении предлагается двигатель погружного насоса, содержащий:

вал, установленный с возможностью вращения;

металлическую втулку, соединенную с валом для совместного с ним вращения;

роторную секцию, соединенную с валом для совместного с ним вращения;

кожух, вмещающий вал, втулку, роторную секцию и заполненный диэлектрической смазкой;

статорную секцию, расположенную в кожухе и соединенную с ним;

металлический цилиндрический корпус подшипника, погруженный в смазку и имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность, сопряженную с размещаемой внутри нее наружной цилиндрической поверхностью втулки, при этом корпус подшипника расположен в кожухе и соединен с ним без возможности вращения в нем,

причем по меньшей мере цилиндрическая поверхность втулки или корпус подшипника имеет покрытие, состоящее из никель-бора, толщина которого составляет примерно 0,00075 дюйма ± 0,00025 дюйма.

В частных вариантах осуществления втулка может быть изготовлена из материала, выбранного из группы, включающей бронзу 62, бронзу 660 и сталь AISI 1018-1040. Корпус подшипника может быть изготовлен из нитраллоя. Покрытие из никель-бора предпочтительно получено осаждением методом химического восстановления. В процентном составе покрытия из никель-бора по массе 4,5-7,0% приходится на бор, а остальное - на никель.

В другом варианте выполнения предлагается двигатель погружного насоса, содержащий:

вал, установленный с возможностью вращения;

металлическую втулку, соединенную с валом для совместного с ним вращения;

роторную секцию, соединенную с валом для совместного с ним вращения;

кожух, вмещающий вал, втулку, роторную секцию и заполненный диэлектрической смазкой;

статорную секцию, расположенную в кожухе и соединенную с ним;

металлический цилиндрический корпус подшипника, погруженный в смазку и имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность, сопряженную с размещаемой внутри нее наружной цилиндрической поверхностью втулки, при этом корпус подшипника расположен в кожухе и соединен с ним без возможности вращения в нем,

причем по меньшей мере цилиндрическая поверхность втулки или корпус подшипника имеет покрытие, которое состоит из никель-бора и среднеквадратичная шероховатость (RMS) обработанной поверхности которого составляет максимум 8-16.

Некоторые особенности и преимущества настоящего изобретения были упомянуты выше, а другие станут ясны из нижеследующего описания, иллюстрируемого приложенными чертежами, на которых представлено:

фиг.1 - перспективное изображение примерного варианта осуществления узла электрического погружного насоса,

фиг.2 - частичное изображение в разрезе электрического погружного двигателя, соответствующего примерному варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.3 - увеличенное изображение в разрезе слоя никель-бора, соответствующего примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

Настоящее изобретение более подробно описано ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых в качестве примера 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.

Скважинные установки в представленном варианте осуществления настоящего изобретения используются в нефтяных и газовых скважинах для получения больших объемов скважинного флюида. Как показано на фиг.1, скважинная установка 11 включает электрический погружной насос (ЭПН) 13 с большим количеством ступеней, содержащих крыльчатки и диффузоры. Привод насоса осуществляется от забойного двигателя 10, представляющего собой большой трехфазный электродвигатель переменного тока. Энергия к двигателю 10 поступает от источника питания (не показан) через силовой кабель 15. Двигатель 10 заполнен диэлектрической смазкой. Гидрозащита 19 отделяет двигатель 10 от ЭПН 13 с целью уравнивания внутреннего давления смазки в двигателе с давлением в стволе скважины. Могут быть включены дополнительные компоненты, например газосепаратор, пескоотделитель и модуль измерения давления и температуры. Длина больших установок ЭПН (УЭПН) может превышать 100 футов.

Далее, в показанном примере осуществления настоящего изобретения на фиг.2 двигатель 10 включает цилиндрический кожух 12. Внутри цилиндрического кожуха 12 жестко закреплен статор 14. Статор 14 содержит большое количество плоских магнитных дисков, именуемых пластинами и имеющих пазы, через которые обычным образом намотаны провода (не показаны). Все диски статора 14 состоят из магнитной стали и могут быть изолированы друг от друга посредством покрытия, нанесенного обычным образом. Статор 14 имеет цилиндрическую внутреннюю стенку 16, имеющую на всем протяжении постоянный диаметр.

В примере осуществления настоящего изобретения, представленном на фиг.2, далее, внутри цилиндрической внутренней стенки 16 статора 14 свободно вращается роторный узел. Роторный узел состоит из вала 18 и большого количества металлических дисков, или пластин. Пластины разделены на идентичные роторные секции 20. В наиболее предпочтительном варианте осуществления роторные секции 20 имеют длину пятнадцать дюймов.

На фиг.2 показан один из участков двух роторных секций 20. Каждая роторная секция 20 имеет наружную стенку 22, примыкающую с узким зазором к цилиндрической внутренней стенке 16 статора 14. Каждая роторная секция 20 крепится медными стержнями (не показаны) с медными замыкающими кольцами 24 на обоих концах. Концы медных стержней припаяны к замыкающим кольцам 24 или соединены с ними механическим образом для удержания вместе пластин в каждой роторной секции 20.

Кроме того, в примере осуществления изобретения на фиг.2 каждая роторная секция 20 может крепиться с помощью шплинта (не показан) к валу 18 для обеспечения совместного с ним вращения. В качестве альтернативы или дополнения к этому на верхней и нижней частях вала 18 могут быть предусмотрены стопорные кольца, предотвращающие перемещение роторных секций 20 за пределы вала. Роторные секции 20 не имеют отдельного осевого крепления к валу 18. Тем не менее самая нижняя роторная секция 20 на конце вала 18 имеет осевую фиксацию, обеспечивающую крепление роторных секций 20 относительно вала 18. Таким образом, и самая верхняя роторная секция 20 будет иметь осевую фиксацию на валу.

Между роторными секциями 20 расположен подшипниковый узел. Подшипниковый узел включает вкладыш или втулку 26, крепящуюся с помощью шплинта (не показан) к валу 18 для обеспечения совместного с ним вращения, и наружный корпус или обойму 28. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве материала для подшипников используется нитраллой или стеллит. Другие альтернативные варианты включают, не ограничиваясь этим, нержавеющую сталь серий 300 и 400, много различных сортов алюминия, никелевые сплавы или другие сорта инструментальной стали. Втулка 26 имеет цилиндрическую форму и осевую фиксацию на валу 18 и в предпочтительном варианте изготовлена из упрочненного материала-подложки, например бронзы. В наиболее предпочтительном варианте осуществления втулка 26 изготавливается из имеющейся на рынке бронзы, например UNS С90500 (бронза 62) или UNS С93200 (бронза 660), или из имеющейся на рынке стали, например AISI 1018-1040. Подложки могут поставляться в виде стержней, труб, отливок, поковок, порошковых металлических заготовок и т.д. Твердость подложки по Кнупу (НК25) обычно составляет 1000-1450; тем не менее она может варьироваться в значительной степени в зависимости от выбора материала. Главными факторами, влияющими на выбор материала-подложки в большинстве применений, являются его стоимость и наличие на рынке.

Далее, в примере осуществления настоящего изобретения на фиг.2 верхняя кромка круглого ободка втулки 26 соприкасается с расположенной непосредственно над ней самой нижней пластиной роторной секции 20, а нижняя кромка втулки 26 соприкасается с расположенной непосредственно под ней самой верхней пластиной другой роторной секции 20. Следовательно, втулка 26 несет на себе вес вышележащих роторных секций 20 и передает от последних направленные вниз усилия на ближайшую нижележащую роторную секцию 20. Корпус 28 имеет ступицу, или внутреннюю часть, 30, расположенную внутри отверстия каждого замыкающего кольца 24 с некоторым зазором между внутренним диаметром замыкающего кольца 24 и внешним диаметром ступицы 30. Ступица 30 имеет цилиндрическую форму и длину меньше, чем у втулки 26. В наиболее предпочтительном варианте осуществления ступица 30 изготавливается из стали и может быть магнитной.

По наружному диаметру втулки 26 и между находящейся непосредственно выше роторной секцией 20 и верхней кромкой ступицы, или внутренней части, 30 расположено упорное кольцо 32. Такое же упорное кольцо 32 расположено между нижней кромкой ступицы 30, находящейся непосредственно ниже роторной секцией 20. Упорные кольца 32 в предпочтительном варианте изготавливаются из неметаллического материала, например какого-либо фенольного материала, армированного стекловолокном. В альтернативном варианте упорное кольцо 32 может быть изготовлено из металлического материала. Расстояние от нижней поверхности нижнего упорного кольца 32 до верхней поверхности верхнего упорного кольца 32 примерно на 1/32 дюйма меньше, чем высота втулки 26. Благодаря этому упорные кольца 32 не подвергаются действию веса вышележащих роторных секций 20. В примерном варианте осуществления корпус 28 может перемещаться примерно на 1/16-1/4 дюйма, а толщина упорного кольца 32 может изменяться примерно в диапазоне 1/32-1/8 дюйма.

Далее, в примере осуществления на фиг.2 корпус 28 имеет фланец, или наружную часть, 34, простирающуюся радиально наружу от ступицы 30. Наружная часть 34 имеет цилиндрическую боковую поверхность 36, отстоящую во внутреннем направлении по диаметру от внутренней стенки 16 статора 14 с зазором примерно 0,003-0,005 дюйма. Продольная толщина, или высота, наружной части 34 меньше расстояния между двумя соседними замыкающими кольцами 24. Несколько каналов 38, простирающихся через наружную часть 34, обеспечивают поступление смазки внутрь кожуха 12. Корпус 28 обычно изготавливается из упрочненного материала-подложки, например нитраллоя.

Кроме того, в примере осуществления на фиг.2 цилиндрическая боковая поверхность 36 наружной части 34 корпуса 28 имеет кольцевую канавку, или проточку, 40, простирающуюся по окружности корпуса 28 перпендикулярно оси вала 18. Проточка 40 в предпочтительном варианте имеет прямоугольное поперечное сечение. Внутри проточки 40 размещается эластомерный элемент, или кольцо, 42. Кольцо 42 изготовлено из эластомерного материала, разбухающего при длительном контакте со смазкой, которой заполнено внутреннее отверстие статора 16. В наиболее предпочтительном варианте осуществления кольцо 42 изготовлено из этиленпропиленового каучука, как описано в патенте US 4513215, 23 апреля 1985 г., Дель Серра (Del Serra).

На фиг.3 схематически изображен один вариант осуществления настоящего изобретения. На внутреннюю поверхность ступицы 30 корпуса 28 нанесено покрытие 44 из никель-бора, полученное неэлектрохимическим осаждением и предназначенное для снижения износа двигателя и улучшения эксплуатационных параметров. В альтернативном варианте осуществления, однако, покрытием 44 могут быть снабжены все поверхности корпуса 28. В наиболее предпочтительном варианте осуществления в процентном составе покрытия 44 по массе 4,5-7,0% приходится на бор, а остальное - на никель, не считая менее чем 1,0%, приходящегося на примеси или другие элементы. При желании, однако, можно использовать и другие процентные соотношения. Показанная на фиг.3 толщина покрытия 44 преувеличена. В наиболее предпочтительном варианте покрытие 44 из никель-бора имеет толщину 0,00075 дюйма (±0,00025 дюйма). Для компенсации износа в конкретных применениях могут быть, однако, использованы и другие значения толщины. Покрытие из никель-бора может быть нанесено посредством целого ряда способов, например таких, как описаны в патентах US 4833041 и 6183546.

После нанесения покрытия можно механически обработать корпус 28 таким образом, что размеры после обработки будут обеспечивать требуемые зазоры между различными компонентами в двигателе 10. Тем не менее в наиболее предпочтительном варианте осуществления механическая обработка после нанесения покрытия не требуется, поскольку подложка подвергается механической обработке до нанесения покрытия. После нанесения покрытия оно, если необходимо, полируется для достижения требуемой среднеквадратичной шероховатости обработанной поверхности (RMS), равной максимум 8-16. Наружная поверхность 46 втулки 26 при вращении скользит по покрытию 44. В альтернативном варианте осуществления покрытие 44 из никель-бора может быть нанесено на наружную поверхность 46 или на всю поверхность втулки 26 с последующей калибровкой, механической обработкой и полировкой в соответствии с описанным выше. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения конструкция корпуса 28 и втулки 26 может предусматривать их взаимозаменяемость с существующими стандартными втулками и корпусами подшипников, не имеющими покрытия.

В экспериментальном варианте осуществления было проведено сравнительное испытание для определения степени износа втулки 26 и корпуса 28 во время работы двигателя 10. В частности, как изложено ниже, были изготовлены первый двигатель 10а, имевший покрытие 44 из никель-бора, и второй двигатель 10b, не имевший такого покрытия.

Двигатель	Втулка 26	Корпус 28	Покрытие 44 из никель-бора
10a	Изготовлена из бронзы 660	Изготовлен из сплава Centralloy 155, поставляемого компанией Unilift Enertech	Да - втулка 26 снабжена покрытием 44
10b	Изготовлена из бронзы 660	Изготовлен из сплава Centralloy 155, поставляемого компанией Unilift Enertech	Нет

Во время испытаний оба двигателя 10a и 10b работали в течение 24 часов при 150°F, при этом для смазывания каждого двигателя было предусмотрено шесть литров смазочного масла CL-4. Во время испытаний обоих двигателей 10а и 10b в смазочное масло был добавлен абразивный песок сначала в количестве 150 мл, после чего он добавлялся с 6-часовым интервалом в количестве 50 мл. В качестве абразивного песка использовался формовочный песок INCAST Olivine #LE170. В приведенной ниже таблице указаны сравнительные результаты испытаний двигателей 10a и 10b.

Двигатель	До (все размеры в дюймах)	После (все размеры в дюймах)	Износ (все размеры в дюймах)
	Втулка 26	Корпус 28	Втулка 26	Корпус 28	Втулка 26	Корпус 28
10a (с покрытием 44)	1,684	1,6885	1,677-1,683	1,685	0,001-0,007	0,0
10b (без покрытия 44)	1,684	1,6885	1,649-1,663	1,689	0,021-0,035	0,0005

Как видно из сравнительных экспериментальных результатов в приведенном примере, работа двигателя 10a, имевшего нанесенное на втулку 26 покрытие 44 из никель-бора, в абразивной среде привела к износу втулки в пределах 0,001-0,007 дюйма. С другой стороны, работа двигателя 10b, не имевшего нанесенного на втулку 26 покрытия 44 из никель-бора, в абразивной среде привела к износу втулки в пределах 0,021-0,035 дюйма. Этот результат испытаний был неожиданным. Кроме того, эти результаты сравнительных испытаний продемонстрировали, что срок службы подшипников у двигателя 10a должен быть гораздо более длительным, чем у двигателя 10b. Наконец, результаты этих испытаний показали, что срок эксплуатации двигателя 10a будет гораздо более длительным, чем срок эксплуатации двигателя 10b.

Приведенные варианты осуществления изобретения обладают значительными преимуществами. Покрытие, упомянутое в приведенных примерах, обеспечивает упрочнение поверхности, благодаря чему снижается износ между втулкой на валу и корпусом подшипника, что улучшает эксплуатационные параметры двигателя. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается показанными и описанными в подробностях элементами конструкции, рабочими процессами и марками материалов, поскольку возможные модификации и эквивалентные замены будут очевидны для специалистов в данной области. Например, слой никель-бора может быть нанесен на втулку и корпус подшипника, и/или можно варьировать толщину слоя для достижения таких же результатов.

1. Двигатель погружного насоса, содержащий:
вал, установленный с возможностью вращения;
металлическую втулку, соединенную с валом для совместного с ним вращения;
роторную секцию, соединенную с валом для совместного с ним вращения;
кожух, вмещающий вал, втулку, роторную секцию и заполненный диэлектрической смазкой;
статорную секцию, расположенную в кожухе и соединенную с ним;
металлический цилиндрический корпус подшипника, погруженный в смазку и имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность, сопряженную с размещаемой внутри нее наружной цилиндрической поверхностью втулки, при этом корпус подшипника расположен в кожухе и соединен с ним без возможности вращения в нем,
причем по меньшей мере цилиндрическая поверхность втулки или корпус подшипника имеет покрытие, состоящее из никель-бора, толщина которого составляет примерно 0,00075 дюйма ±0,00025 дюйма.

2. Двигатель по п.1, в котором втулка изготовлена из материала, выбранного из группы, включающей бронзу 62, бронзу 660 и сталь AISI 1018-1040.

3. Двигатель по п.1, в котором корпус подшипника изготовлен из нитраллоя.

4. Двигатель по п.1, в котором покрытие из никель-бора получено осаждением методом химического восстановления.

5. Двигатель по п.1, в котором в процентном составе покрытия из никель-бора по массе 4,5-7,0% приходится на бор, а остальное - на никель.

6. Двигатель погружного насоса, содержащий:
вал, установленный с возможностью вращения;
металлическую втулку, соединенную с валом для совместного с ним вращения;
роторную секцию, соединенную с валом для совместного с ним вращения;
кожух, вмещающий вал, втулку, роторную секцию и заполненный диэлектрической смазкой;
статорную секцию, расположенную в кожухе и соединенную с ним;
металлический цилиндрический корпус подшипника, погруженный в смазку и имеющий внутреннюю цилиндрическую поверхность, сопряженную с размещаемой внутри нее наружной цилиндрической поверхностью втулки, при этом корпус подшипника расположен в кожухе и соединен с ним без возможности вращения в нем,
причем по меньшей мере цилиндрическая поверхность втулки или корпус подшипника имеет покрытие, которое состоит из никель-бора и среднеквадратичная шероховатость (RMS) обработанной поверхности которого составляет максимум 8-16.

7. Двигатель по п.6, в котором втулка изготовлена из материала, выбранного из группы, включающей: бронзу 62, бронзу 660 и сталь AISI 1018-1040.

8. Двигатель по п.6, в котором корпус подшипника изготовлен из нитраллоя.

9. Двигатель по п.6, в котором покрытие из никель-бора получено осаждением методом химического восстановления.

10. Двигатель по п.6, в котором в процентном составе покрытия из никель-бора по массе 4,5-7,0% приходится на бор, а остальное - на никель.

11. Двигатель по п.6, в котором толщина покрытия из никель-бора составляет около 0,00075 дюйма ±0,00025 дюйма.