Система крепления катушки статора для не покрытых лаком статоров

Изобретение относится к усовершенствованию скважинных генераторов и в частности, к поддержке и ограничению перемещения катушек статора, размещённых в корпусе двигателя. Технический результат заключается в создании устройства и способа крепления не покрытых лаком катушек статора внутри корпуса двигателя. Устройство скважинного электродвигателя имеет вытянутый в продольном направлении трубчатый корпус; часть статора, расположенную в трубчатом корпусе; катушечную обмотку статора, закольцованную в статоре торцевым витком, имеющим вершину; и соединительное устройство, соединяющее, по меньшей мере, одну из катушечных обмоток и конец корпуса, примыкающий к концу части статора, поддерживая, таким образом, обмотку. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к усовершенствованию скважинных электродвигателей, и в частности к поддержке и ограничению перемещения катушек статора, размещенных в корпусе двигателя.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Электродвигатели часто размещают в скважинах на нефтяных или газовых промыслах для выполнения различных функций. Данные функции могут включать в себя искусственный подъем, где двигатель приводит в действие насос, используемый для подачи скважинных текучих сред на поверхность. Обычный двигатель может иметь диаметр 6 дюймов (152 мм) и длину 30 футов (9 м). Провод, используемый в обмотках, может являться обмоточным проводом диаметром 1/8 дюйма (3 мм). Обмоточный провод электромагнита может иметь длину более 1000 футов (305 м). Обмоточный провод электромагнита наматывают по пакету пластин для создания катушки статора для каждой фазы двигателя. Катушки статора в трехфазном двигателе переменного тока могут весить более 600 фунтов (270 кг).

[0003] В некоторых конструктивных исполнениях скважинных двигателей используют катушки статора, обернутые полиимидной лентой и обработанные лаком. Покрытие лаком обеспечивает механическую жесткость, изоляцию, защищает катушки статора от вибрационных повреждений, защищает обмотки от воды и удерживает обмотки статора на месте. Сам лак имеет верхний предел рабочей температуры, приближающийся к 400°F (204°С). Лак можно использовать в соединении с эпоксидной смолой, увеличивая действующую рабочую температуру до 550°F (288°С). При таких и более высоких температурах лак должен, в общем, плавиться, вызывая выход двигателя из строя.

[0004] Предпочтительной является возможность эксплуатации оборудования искусственного подъема в окружающей среде с более высокой температурой. В системе гравитационного дренажа с помощью пара по стволу скважины малого диаметра закачивают пар в пласт и в другом стволе скважины увеличенного диаметра под стволом скважины малого диаметра собирают полученные в результате добываемые текучие среды. Пар используют для понижения вязкости скважинных текучих сред и обеспечения добычи текучих сред пласта, невозможной в нормальных условиях. Вместе с тем температура, требуемая для такой эксплуатации, может превышать 550°F (288°С). Поэтому покрытые лаком катушки статора могут становиться ограничивающим фактором при развертывании оборудования искусственного подъема в скважине в такой окружающей среде. Без лака могут возникать проблемы, относящиеся к неадекватной поддержке веса обмоток статора.

[0005] Соответственно существует необходимость создания устройства и способа крепления не покрытых лаком катушек статора внутри корпуса двигателя.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Варианты осуществления в настоящей заявки относятся к устройству скважинного электродвигателя, содержащему вытянутый в продольном направлении трубчатый корпус, часть статора, расположенную в трубчатом корпусе, катушечную обмотку статора, закольцованную в статоре торцевым витком, имеющим вершину, и соединительное устройство, соединяющее, по меньшей мере, одну из катушечных обмоток с концом корпуса, примыкающим к концу части статора, поддерживая, тем самым, катушечную обмотку.

[0007] Другие или альтернативные варианты осуществления, имеющие меньше признаков или дополнительные признаки, станут понятны из следующего описания, чертежей и формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

[0009] Фиг.1 изображает вид сбоку скважинной системы, имеющей погружной двигатель, находящейся в стволе скважины, согласно варианту осуществления;

[0010] Фиг.2 изображает часть сечения погружного двигателя в скважинной системе Фиг.1 согласно варианту осуществления;

[0011] Фиг.3 изображает вид сверху опорного устройства Фиг.2 согласно нескольким вариантам осуществления;

[0012] Фиг.4 изображает вид внутренней развертки опорного устройства Фиг.2 согласно нескольким вариантам осуществления;

[0013] Фиг.5 изображает часть сечения погружного двигателя в скважинной системе Фиг.1 согласно варианту осуществления.

[0014] Следует отметить, вместе с тем, что прилагаемые чертежи показывают только обычные варианты осуществления и не должны рассматриваться как ограничивающие объем заявки, поскольку варианты осуществления могут допускать другие одинаково эффективные варианты осуществления.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0015] В следующем описании ряд деталей изложен для обеспечения понимания различных вариантов осуществления. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что данные представленные варианты осуществления можно реализовать без таких деталей, и что возможны многочисленные изменения или модификации описанных вариантов осуществления.

[0016] В описании и прилагаемой формуле изобретения термины "соединять", "соединение", "соединенный", "в соединении с" и "соединяющий" использованы в значении "в прямом соединении с" или "в соединении посредством другого элемента"; и термин "комплект" использован в значении "один элемент" или "более чем один элемент". В данном документе термины "верх" и "низ", "верхний" и "нижний", "вверх" и "вниз", "выше по потоку" и "ниже по потоку"; "над" и "под"; и другие аналогичные термины, указывающие относительные положения над или под данной точкой или элементом использованы для более ясного описания некоторых вариантов осуществления. Вместе с тем, в применении к оборудованию и способам для наклонно-направленных или горизонтальных скважин, такие термины могут означать расположение слева или справа или другое взаимное расположение. Кроме того, термин "механизм уплотнения" включает в себя: пакеры, мостовые пробки, скважинную запорную арматуру, скользящие муфты, комбинации муфт и пробок, уплотнения с полированными приемными гнездами, и другие способы и устройства для временного блокирования потока текучих сред через ствол скважины. Кроме того, термин "текучая среда обработки" включает в себя текучую среду, подаваемую в пласт для обработки приствольной зоны для интенсификации притока добычи, включая, но без ограничения, текучую среду гидроразрыва, кислоту, гель, пену или другие текучие среды обработки приствольной зоны для интенсификации притока.

[0017] Настоящее изобретение в общем относится к скважинной системе, использующей погружной двигатель. В качестве примера погружной двигатель можно использовать в системе электрического погружного центробежного насоса для добычи или иного перемещения необходимых текучих сред. Вариант осуществления может включать в себя погружной двигатель, сконструированный с не покрытыми лаком катушками статора и с опорным устройством, используемым для поддержания катушечных обмоток статора в корпусе двигателя.

[0018] В варианте осуществления, показанном на фиг.1, система 34 электрического погружного центробежного насоса имеет конструктивное исполнение для развертывания в скважине 40 в геологическом пласте 42, содержащем необходимые текучие среды добычи, такие как текучие среды на основе углеводородов. Ствол 44 скважины обычно пробурен в пласт 42 и, по меньшей мере, в некоторых вариантах применения, выровнен обсадной колонной 46. Обсадная колонна 46 ствола скважины проперфорирована с образованием множества отверстий (перфорационных каналов) 48, через которые добываемые текучие среды могут поступать из пласта 42 в ствол 44 скважины. В других вариантах применения систему 34 погружных насосов можно использовать для подачи текучих сред обработки в скважину и по перфорационным каналам 48 в окружающий коллектор.

[0019] Систему 34 электрического погружного центробежного насоса можно развертывать в стволе 44 скважины с помощью подходящей системы 50 транспортировки, которая может иметь различные конструции и конфигурации в зависимости от варианта применения. Например, система 50 транспортировки может содержать тюбинг 52, такой как эксплуатационный тюбинг или скрученный тюбинг. Система 50 транспортировки соединена с погружным насосом 36 или другим подходящим компонентом системы 34 электрического погружного центробежного насоса соединительным устройством 54. В показанном варианте осуществления силовой кабель 56 проложен в скважине вдоль системы 50 транспортировки и системы 34 электрического погружного центробежного насоса к погружному двигателю 32. Силовой кабель 56 подает электроэнергию на погружной двигатель 32, приводящий в действие погружной насос 36. При эксплуатации погружной насос 36 забирает текучую среду скважины в систему 34 электрического погружного центробежного насоса через всасывающее отверстие 58 насоса и перекачивает текучую среду на место сбора, например, тюбингом 52.

[0020] В качестве примера, погружной двигатель 32 может содержать трехфазный, асинхронный двигатель, в котором катушки 76 статора создают поле двигателя. Погружной двигатель может иметь конструкцию без покрытия лаком, и катушки 76 статора имеют торцевые витки 77a и 77b, поддерживаемые опорным устройством, как описано более подробно ниже.

[0021] На фиг.2 показан один вариант осуществления погружного двигателя 32. В данном варианте осуществления погружной двигатель 32 содержит внешний корпус 60, такой как тубчатый корпус. Статор 62, имеющий канал 64 статора, установлен в корпусе 60 так, что канал 64 статора, в общем, выровнен с корпусом 60 по осевому направлению. Ротор 66 установлен в канале 64 статора с возможностью вращения в нем и соединен с приводным валом 68. Во время работы вращающийся ротор 66 вызывает вращение приводного вала 68, и данное вращение используют для приведения в действие погружного насоса 36.

[0022] В качестве примера статор 62 выполнен из множества пластин 70, таких как стальные пластины с изоляцией между каждой из пластин. Пакет стальных пластин может быть изолирован подходящими торцевыми пластинами 72a и 72b, расположенными на противоположных аксиальных концах пакета пластин 70. Во многих вариантах применения пластины перфорированы так, что создают, в общем, аксиальные щели для приема изолированных проводов 74 элетромагнита, которые формируют катушку 76 статора двигателя. На аксиальных концах пакета пластин, изолированные провода 74 катушек 76 статора закольцованы торцевыми витками 77a и 77b. Торцевые витки 77a и 77b обеспечивают направление изолированных проводов 74 для обратного прохода через набор пластин по аксиальным щелям согласно необходимому рисунку обмотки. Изолированные провода 74, образующие торцевые витки 77a и 77b, можно группировать вместе, при этом каждую группу закреплять подходящей намоткой 80 или другим типом покрытия. Электроэнергия подается на обмотки 76 подходящими подводящими проводами 82. Погружной двигатель 32 является трехфазным двигателем, содержащим катушки 77 статора для всех трех фаз, также соответствующие торцевые витки 77a и 77b для каждой из катушек 77 статора.

[0023] В качестве примера вариант осуществления изобретения может включать в себя использование опорного устройства 84a и 84b. Опорное устройство 84a и 84b может иметь плоскую форму и иметь щели 102, как показано на фиг.3A, создающие соединительные точки. После того, как каждая из трех обмоток 76 статора, требуемых для двигателя 32 переменного тока, заправлена, обмотана лентой 80, и покрыта эпоксидной смолой, опорные устройства 84a, 84b вставляются на место установки с обоих концов корпуса 60. Затем, каждый из торцевых витков 77a и 77b соединяют с примыкающим опорным устройством 84a и 84b и с соединительным устройством 86a и 86b для соединения обмоток 76 статора с опорным устройством 84a и 84b. Для примера, соединительное устройство может являться стекловолоконной лентой. Кроме того, соединительное устройство 86a и 86b может помогать предотвращать аксиальное и радиальное перемещение катушек 76 статора.

[0024] В качестве примера опорные устройства 84a и 84b могут быть выполнены с различными типами конфигураций щелей, как показано на фиг.3. На фиг.3A показано опорное устройство 101, размещенное в корпусе. Щели 102 могут иметь рисунок, оптимизированный для поддержки веса катушки 76 статора, а также выполненный по другим конструктивным соображениям. Щели 103 для опорного устройства 104 меньше и должны быть способны поддерживать больший вес катушки 76 статора. Опорное устройство 105 проще в изготовлении, поскольку щели 106 можно выполнить простым сверлением.

[0025] В другом варианте осуществления изобретения использовано опорное устройство 188 с волнообразным профилем, минимизирующее перемещение катушки 76 статора. Для сравнения, на фиг.4A показана внутренняя развертка предыдущих вариантов осуществления, а на фиг.4B показана внутренняя развертка настоящего варианта осуществления. После заправки, намотки ленты и покрытия эпоксидной смолой каждой из трех катушек 177 статора двигателя, опорное устройство 188 с волнообразным профилем помещают на место установки. Затем, каждый из трех торцевых витков соединяют, например связывают, с опорным устройством 188 с волнообразным профилем с соединительным устройством 186, например, достаточным количеством стекловолоконной ленты 186, для подвешивания катушек 177 статора на опорном устройстве 188. Затем опорное устройство 188 с волнообразным профилем на противоположной стороне корпуса 60 помещают на место установки, и вновь торцевые витки 190 на противоположной стороне соединяют с соединительным устройством 186 и получают возможность предотвращать аксиальное и радиальное перемещение катушек 177 статора. Волнообразный профиль опорного устройства 188 выполнен так, что ограничивающий механизм, в данном варианте стекловолоконная лента 86, имеет силы натяжения, нормальные к точке контакта торцевого витка 190 со стекловолоконной лентой 86. Это должно предотвращать скольжение стекловолоконной ленты 186 в направлении вершины концевого витка 190. В результате силы на стекловолоконной ленте 86 должны быть равномерно распределены и лента должна быть меньше подвержена разрыву.

[0026] Другой вариант осуществления может включать в себя использование конической конструкции в соединении со стекловолоконной лентой 214a и 214b для предотвращения аксиального и радиального перемещения катушки 276 статора. Конические конструкции 92a и 92b вставляют, как показано на фиг.5, и они должны удерживать катушки 276 статора на месте на корпусе двигателя 260. Затем торцевые витки 210a и 210b скрепляют с опорным устройством 212a и 212b стекловолоконной лентой 214a и 214b соответственно. Конические конструкции 92a и 92b уменьшают напряжение на стекловолоконной ленте 214a и 214b соответственно. Конические конструкции 92a и 92b также обеспечивают использование в качестве соединительного устройства механически менее прочных материалов с улучшенными характеристиками, такими как термостойкость.

[0027] Альтернативно, опорное устройство 84a и 84b можно выполнить из подходящего металла, иного, чем нержавеющая сталь, такого как подходящий полимер, пластикат, металл с изоляционным покрытием и/или композитный состав. Опорное устройство 84a и 84b может являться, как токопроводящим, так и нетокопроводящим металлом, в зависимости от расстояния от торцевых витков и других соображений конструктивного исполнения, таких как по изоляции на торцевых витках и тип материала механизма крепления.

[0028] Альтернативно, соединительное устройство 86a и 86b можно выполнять из нейлона, тефлона или других подходящих материалов или эквивалентных материалов или комбинаций, известных в технике.

[0029] Альтернативно, опорное устройство 84a и 84b можно устанавливать на фланце в корпусе 60 вместо ввинчивания на место установки. Опорное устройство 84a и 84b можно также ввинчивать на место установки до упора во фланец.

[0030] Альтернативно, в опорных устройствах 84a и 84b можно использовать некоторые другие типы контактных точек вместо щелей или отверстий, известные в технике.

[0031] Варианты осуществления, описанные выше, дают примеры погружных двигателей и опорных устройств, которые можно использовать для увеличения срока службы различных скважинных систем. Следует отметить, вместе с тем, что механизм крепления можно использовать для предотвращения радиального направленного внутрь разрыва торцевых обмоток во многих типах двигателей и в широком спектре вариантов скважинного применения. Дополнительно материал, используемый для создания механизма крепления, число компонентов механизма крепления, используемых в индивидуальном двигателе, и конфигурацию данных компонентов можно корректировать, если необходимо для данного варианта применения. Хотя многочисленные катушки 76 статора встречаются чаще всего, предполагаются одна или несколько торцевых обмоток. Также, хотя катушки 76 статора и соответствующие части описаны и чаще всего предполагаются на обоих концах двигателя/ статора, предполагается, что отдельные элементы являются применимыми только для их одного конца.

[0032] Соответственно, хотя выше подробно описаны только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что возможны многие модификации без существенного отхода от сущности данной заявки. Такие модификации направлены на включение в объем, заданный формулой изобретения.

1. Устройство скважинного электродвигателя, содержащее:
вытянутый в продольном направлении трубчатый корпус;
часть статора, расположенную в трубчатом корпусе;
катушечную обмотку статора, закольцованную в части статора торцевым витком, имеющим вершину;
опорное устройство, примыкающее к концу корпуса и к концу статора, при этом профиль опорного устройства является, по существу, плоским и в форме диска; и
соединительное устройство, подключенное между, по меньшей мере, одной из катушечных обмоток и опорным устройством, посредством чего поддерживающее катушечную обмотку.

2. Устройство по п.1, в котором обмотка статора содержит обмоточный провод электромагнита, по меньшей мере, частично обернутый материалом, выбранным из:
стекловолоконной ленты,
тефлоновой ленты;
материала на базе нейлона; и
материала на базе полиэфирэфиркетона.

3. Устройство по п.2, в котором катушка статора покрыта эпоксидной смолой.

4. Устройство по п.1, в котором электродвигатель имеет три фазы и содержит пару торцевых витков для каждой из трех фаз.

5. Устройство по п.1, в котором опорное устройство имеет форму кольца и содержит отверстия для соединения с соединительным устройством.

6. Устройство по п.2, в котором опорное устройство содержит, по меньшей мере, один материал, выбранный из:
изоляционного материала;
стали с порошковым покрытием;
стального сплава;
керамического материала;
пластмассового материала; и
углеволоконного композита.

7. Устройство по п.1, в котором опорное устройство имеет синусоидальную форму профиля.

8. Устройство по п.1, в котором соединительное устройство содержит материал, выбранный из группы, состоящей, по меньшей мере, из:
ленты, содержащей стекловолокно;
нити, содержащей материал на полимерной основе; и
ленты, содержащей тефлон.

9. Система для использования при добыче текучей среды из ствола скважины, содержащая:
электрический погружной двигатель;
насос, соединенный с электрическим погружным двигателем;
защиту двигателя, гидравлически соединенную с электрическим погружным двигателем, обеспечивающую компенсацию давления и объема для текучих сред двигателя в электрическом погружном двигателе;
при этом погружной двигатель имеет катушку статора с множеством торцевых витков, соединенных с опорным устройством соединительным элементом, и опорное устройство имеет синусоидальную форму профиля.

10. Система по п.9, в которой катушка статора содержит обмоточный провод электромагнита, по меньшей мере, частично обернутый материалом, выбранным из:
стекловолоконной ленты,
тефлоновой ленты;
материала на основе нейлона; и
материала на основе полиэфирэфиркетона.

11. Система по п.10, в которой обмотка статора покрыта эпоксидной смолой.

12. Система по п.10, в которой электродвигатель имеет три фазы и содержит пару торцевых витков для каждой из фаз.

13. Система по п.10, в которой опорное устройство содержит отверстия для соединения с соединительным устройством.

14. Система по п.10, в которой опорное устройство содержит материал, выбранный из группы, состоящей, по меньшей мере, из:
изоляционного материала;
стали с порошковым покрытием;
стального сплава;
керамического материала;
пластмассового материала; и
углеволоконного композита.

15. Система по п.14, в которой опорное устройство имеет, по существу, плоский профиль и форму диска.

16. Система по п.10, в которой соединительное устройство содержит материал, выбранный из группы, состоящей, по меньшей мере, из:
ленты, содержащей стекловолокно;
нити, содержащей материал на полимерной основе; и
ленты, содержащей тефлон.

17. Система по п.9, в которой опорное устройство является интегрированной частью электрического погружного двигателя.