Буровой насос прямого привода с постоянными магнитами

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, в частности к буровым насосам. Буровой насос прямого привода с постоянными магнитами имеет электродвигатель с постоянными магнитами, вал, соединенный с электродвигателем, и блок нагнетания насоса, соединенный с концом вала, противоположным электродвигателю. Электродвигатель содержит кожух, содержащий внутреннюю камеру и стенку, окружающую внутреннюю камеру, ротор, совместно действующий со статором и установленный внутри статора в кожухе. Статор установлен смежно со стенкой кожуха и содержит множество обмоток и наружное покрытие. Множество обмоток расположены на расстоянии и проходят вокруг внутренней поверхности внешнего покрытия. Внутренняя поверхность обмоток образует круглое отверстие. Обмотки проходят радиально внутрь от внешнего покрытия, которое обеспечивает расстояние между множеством обмоток и стенкой. Ротор соединен с валом так, что вращение, создаваемое электродвигателем, может непосредственно сообщаться валу и, соответственно, блоку нагнетания насоса без использования трансмиссии. Повышается удельная мощность, уменьшается действие инерции, облегчается транспортировка и сборка насоса. 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию. В частности, настоящее изобретение относится к буровому насосу, используемому в бурении и эксплуатации в нефтегазовой промышленности. В частности, настоящее изобретение относится к буровому насосу, имеющему электродвигатель с постоянными магнитами.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Буровые насосы обычно используют в бурении стволов нефтяных и газовых скважин для смазки бурового оборудования (например бурильной колонны и бурового долота). Буровой насос устанавливают на поверхности вблизи вышки. Типичный буровой насос имеет впуск, действующий совместно с емкостью бурового раствора. Выпуск бурового насоса соединен с бурильной колонной для подачи бурового раствора или другой смазывающей текучей среды к буровому долоту, находящемуся на забое ствола скважины. Буровой раствор проходит в бурильной колонне к буровому долоту, где выходит из бурильной колонны и совершает обратную циркуляцию вверх к поверхности на площадку скважины и в емкость бурового раствора. Во время обратной циркуляции буровой раствор проходит в кольцевом пространстве между бурильной колонной и стенками ствола скважины.

Промывочный раствор, такой как буровой раствор, может служить многим целям, таким как создание гидростатического давления на глубине в стволе скважины для удержания текучих сред добычи (т.е. нефти и газа) в пласте во время бурения ствола скважины. В дополнение к смазке бурильной колонны и бурового долота во время бурения, находящийся под давлением буровой раствор, перекачиваемый по бурильной колонне буровым насосом, может быть использован для привода бурового долота.

Известные буровые насосы являются относительно сложными, тяжелыми и могут занимать большую рабочую площадь. Типичный насос имеет блок нагнетания насоса, силовой привод и трансмиссию, соединяющую блок нагнетания и силовой привод. Трансмиссия может представлять собой вал и коробку передач или любое другое подходящее механическое средство для передачи мощности от силового привода в блок нагнетания насоса.

Блоки нагнетания насоса, силовые приводы и трансмиссии различаются по сложности. Для буровых насосов блок нагнетания насоса с возвратно-поступательным действием можно использовать для перекачки бурового раствора для бурения нефтяных и газовых скважин. Блок нагнетания насоса возвратно-поступательного действия имеет поршни, возвратно-поступательно перемещающиеся в цилиндрах. Блок нагнетания насоса возвратно-поступательного действия может иметь любое число устройств цилиндропоршневых пар. Силовым приводом может являться электродвигатель переменного тока с изменяемой скоростью вращения, электродвигатель постоянного тока, дизельный/бензиновый двигатель, или гидравлический двигатель. Два или более буровых насоса, имеющих номинальные мощности более 750 л.с., обычно используют циркуляции бурового раствора во время бурения. Перекачиваемый буровой раствор может представлять собой смесь бурового раствора, воды, нефти и других материалов. Смазывающие текучие среды, используемые для бурения, в общем, называют «буровым раствором».

На фиг.1 показана обычная буровая установка 10 с использованием известного бурового насоса 55. Буровой насос 55 установлен на буровом полу 12 вблизи вышки 11. Буровой насос 55 имеет впускную линию 57 и выпускную линию 53. Впускная линия 57 соединяет буровой насос 55 с емкостью 59 бурового раствора, в которой буровой раствор хранится для использования. Выпускная линия 53 надлежащим образом соединена с бурильным блоком 19 для подачи под давлением бурового раствора в бурильную колонну 14. Буровой раствор проходит в бурильной колонне 14 вниз к буровому долоту 51, вращающемуся в стволе 16 скважины. Буровой раствор выходит из бурильной колонны 14 вблизи бурового долота 51 и продавливается силой давления вверх к скважинному полу 12. Буровой раствор возвращается в емкость 59 бурового раствора по линии 61. Буровой раствор непрерывно перекачивается в данном режиме во время операций бурения.

Буровая лебедка 26 выпускает и втягивает канат 24, проходящий вокруг блока 25 для подъема и спуска бурильной трубы 14 в стволе 16 скважины. Блок 25 также называют кронблоком. Ствол 16 скважины выполняют в геологической среде 50. Бурильная труба 14 может представлять собой бурильную колонну из ряда бурильных труб, проходящих в ствол 16 скважины в геологической среде 15. Индивидуальные бурильные трубы 14 соединяются в бурильную колонну с помощью резьбовых соединений 17. Участки бурильной колонны могут являться центрирующими участками, включающими в себя элементы 18 центраторов, проходящих по спирали вдоль наружной поверхности трубы 14 для контакта со стенкой ствола скважины 16 с целью центрирования трубы 14 в стволе скважины.

Буровая лебедка 26 выпускает и втягивает канат 24, проходящий вокруг блока 25, установленного на вышке 11 для подъема и спуска бурильного блока 19, удерживающего бурильную трубу 14. Канат 24 соединен с талевым блоком 23. Талевый блок 23 подвешен на канате и перемещается на нем вверх и вниз при втягивании и выпуске каната буровой лебедкой 26. Талевый блок 23 соединен с бурильным блоком 19. Бурильный блок 19 имеет на верхнем конце вертлюг 22, с помощью которого буровой раствор вводится в бурильную трубу 14 и бурильный блок 19 подвешивается к талевому блоку 23. Бурильный блок 19, трубный элеватор 21 и соответствующие соединенные части перемещаются вертикально вдоль оси 20. Вертикальное перемещение направляется по двум вертикальным рельсам или направляющим 27, жестко скрепленным с вышкой 11. Бурильный блок 19 прикреплен к тележке 28. Тележка 28 имеет ролики, соединяющиеся с рельсами 27. Рельсы 27 направляют тележку 28, вертикально перемещающуюся вверх и вниз по рельсам 27 параллельно вертикальной оси 20. Бурильная труба 14 спускается в ствол 16 скважины и поднимается из него через устьевое оборудование 13 скважины.

Проблема, связанная с буровыми насосами, состоит в том, что пульсации поршней в цилиндрах блока нагнетания насоса создают отрицательно действующие гармоники. Данные отрицательно действующие гармоники могут влиять на кпд перекачки между силовым приводом и блоком нагнетания насоса. Таким образом, на кпд и эффективность бурового насоса влияет присутствие отрицательно действующих гармоник. Когда буровые насосы работают менее эффективно, рассчитано, меньше бурового раствора перекачивается на единицу используемой мощности, таким образом, отрицательно действующие гармоники обуславливают увеличение стоимости потребления энергии и увеличивают износ силового привода (например, двигателя) бурового насоса. Поэтому, существует необходимость подавления негативных гармоник, связанных с буровыми насосами.

Другой проблемой, связанной с буровыми насосами, является то, что корректировка работы соответствующего оборудования для подавления отрицательно действующих гармоник требует изменения скорости бурового насоса как ускорения работы насоса, так или замедления работы насоса до остановки для выполнения различных корректировок работы бурового насоса. Производительность блока нагнетания насоса регулируют с помощью скорости силового привода. Известные в технике силовые приводы (двигатели) имеют большую инерцию, что делает затруднительным быстрое увеличение или уменьшение скорости. Кроме того, для возможно более быстрого изменения скорости в известных технике двигателях требуются значительные затраты энергии. Кроме того, обычным для буровых насосов является наличие сложной трансмиссии, соединяющей блок нагнетания насоса с двигателем и создающей дополнительное сопротивление быстрому изменению скорости. Таким образом, существует необходимость создания силового привода, обеспечивающего быстрое в режиме реального времени изменение скорости силового привода для быстрого удаления отрицательно действующих гармоник при работе бурового насоса.

В прошлом выданы различные патенты, относящиеся к буровым насосам. Например, в публикации заявки на патент США №2007/0261888 от 15 ноября 2007 раскрыта система для перекачки текучей среды (например, без ограничения этим, бурового раствора), имеющая перекачивающее устройство с насосной секцией и двигательной секцией. Насосная секция имеет впуск и выпуск. Двигательная секция имеет вал для возвратно-поступательного перемещения в насосную секцию и из нее для попеременного всасывания текучей среды во впуск и подачи текучей среды из выпуска. Двигатель является линейным двигателем с постоянными магнитами для сообщения валу возвратно-поступательного перемещения.

В патенте США № 5375098 от 20 декабря 1994 г. раскрыт инструмент каротажа во время бурения, имеющий статор, ротор, вращающийся относительно статора, при этом передавая сигнал в текучей среде, проходящей в стволе скважины, бесщеточный электродвигатель постоянного тока соединенный с ротором для привода ротора, датчик положения, соединенный с двигателем для регистрации углового положения двигателя, электронную схему управления приводом двигателя и микропроцессор, соединенный с датчиком положения и электронной схемой управления приводом двигателя для управления сигналами привода двигателя на основе фактического и необходимого положения вала двигателя. С помощью управления сигналами привода на двигатель управляют скоростью двигателя, таким образом осуществляя изменения частоты и/или фазы сигнала в текучей среде в стволе скважины или буровом растворе. С возможностью изменения частоты и/или фазы можно использовать различные методики кодирования, такие как PSK и FSK.

В патенте США № 5306124 от 26 апреля 1994 г. раскрыт узел бурового насоса, имеющий кожух с посадочным местом двигателя, напрямую соединяющимся со стандартным гидравлическим двигателем. Кожух насоса несет и частично заключает в себя узел подшипника, несущий вал крыльчатки. Уплотнение торцевого типа вала крыльчатки установлено между узлом подшипника и крыльчаткой. Корпус двигателя завершает закрытие узла подшипника вала крыльчатки. Дренажная линия корпуса двигателя соединена с кожухом бурового насоса для создания постоянного давления смазки узла подшипника. В одном варианте осуществления текучая среда, поступающая из корпуса, возвращается из бурового кожуха насоса в бак гидросистемы гидравлического двигателя.

В патенте США № 5259731 от 9 ноября 1993 г. раскрыта система для перекачки текучей среды в общий выпуск под давлением. Система имеет насосы с возвратно-поступательным движением. Отдельный датчик, соединенный с одним цилиндром каждого насоса, дает электрический сигнал каждый раз, когда поршень в цилиндре приходит в заданное положение. Электрическая цепь регулирования скорости создана с возможностью независимого регулирования скорости каждого насоса. Ручное регулирование скорости для каждого насоса обеспечивается с помощью отдельного дроссельного регулятора для каждого насоса. Электрическая цепь управления насосом, соединенная с каждым из дроссельных регуляторов, датчиков и электрической цепью регулирования скорости, управляет работой системы.

В патенте США № 4242057 от 30 декабря 1980 г. раскрыт буровой насос для сервисных работ на нефтяных скважинах на буровых установках, включающий в себя пару параллельных, возвратно-поступательно перемещающихся поршней с цилиндрами комбинаций двигателей с насосами. Комбинации двигателей с насосами являются работающими в противофазе, так что когда один насос работает на подачу, другой работает на всос. Реверсирование двигателя выполняют с помощью золотникового клапана с гидравлическим управлением, синхронизированного с общими поршневыми штоками соответствующих комбинаций двигателя с насосом. Золотниковый клапан с гидравлическим управлением гидравлически синхронизирован с двигателями для осуществления реверса двигателей. Уникальная плавающая сальниковая коробка, созданная со стороны двигателя на каждой комбинации, приспособлена к боковым смещениям штока при поддержании непроницаемого для текучей среды уплотнения.

В патенте США № 5146433 от 8 сентября 1992 г. раскрыт способ получения сигналов данных каротажа во время бурения и измерений во время бурения в присутствии шума бурового насоса. Способ включает в себя этапы калибровки давления бурового раствора как функции положения поршня бурового насоса, отслеживание положения поршня во время передачи сигналов данных каротажа во время бурения или измерений во время бурения и использование информации калибровки для вычитания шума бурового насоса. Калибровка проводится в отсутствие сигнала передачи данных каротажа во время бурения или измерений во время бурения для получения корреляции между положением поршня бурового насоса и давлением бурового раствора. Когда генерируется сигнал передачи данных каротажа во время бурения или измерений во время бурения, положение поршня бурового насоса отслеживают, так что давление от действия насоса можно вычитать и получать сигнал каротажа во время бурения или измерений во время бурения.

В патенте США № 5616009 от 1 апреля 1997 г. раскрыт многоцилиндровый буровой насос двойного действия. Буровой насос имеет гидравлический привод поршня в цилиндре, который соединяется с поршневым штоком. Шток приводит в действие второй поршень в цилиндре, приспособленный для перекачки бурового раствора. Первый поршень приводится в действие гидравлическим маслом, подаваемым под давлением на входные манифольды через независимо приводимое в действие клапанное устройство, синхронизирующее подачу рабочей жидкости гидросистемы для основного рабочего хода, и дополнительно синхронизирует выпуск рабочей жидкости гидросистемы для обратного вспомогательного рабочего хода. Клапанная система независимо управляет насосом с помощью синхронизации многочисленных поршней в многочисленных цилиндрах. Кроме того, входной клапан подает буровой раствор под более низким давлением на впускную сторону поршня сжатия бурового раствора, и выпускной клапан располагается поперек поршневого штока для направления подачи выпуска бурового раствора.

В патенте США № 4527959 от 9 июля 1985 г. раскрыт насос для осуществления циркуляции бурового раствора в скважине во время бурения. Насос имеет пару поршневых узлов с двумя концами, которым гидравлически сообщается возвратно-поступательное движение в противоположных направлениях общим устройством гидропривода. Каждый поршневой узел имеет относительно большой поршень на одном конце и относительно малый поршень на противоположном конце. Различные поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах соответствующего размера. Каждый цилиндр имеет рабочий конец с впускным клапаном одностороннего действия, через который буровой раствор забирается из емкости подачи и выпускным клапаном одностороннего действия, через который буровой раствор выпускается в скважину.

Целью настоящего изобретения является создание бурового насоса прямого привода.

Другой целью настоящего изобретения является создание бурового насоса, имеющего уменьшенное действие инерции.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание бурового насоса где блок нагнетания насоса имеет прямой привод от двигателя.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание бурового насоса с использованием постоянного магнита в двигателе.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание бурового насоса, не требующего механизма зубчатого редуктора.

Другой целью настоящего изобретения является создание бурового насоса, имеющего очень высокую удельную мощность.

Другой целью настоящего изобретения является создание относительно легкого бурового насоса.

Другой целью настоящего изобретения является создание бурового насоса с возможностью простой транспортировки по обычным дорожным системам.

Другой целью настоящего изобретения является создание бурового насоса, не требующего дополнительной сборки перед установкой на нефтепромысле.

Другой целью настоящего изобретения является создание бурового насоса, легко заменяемого на нефтепромысле.

Другой целью настоящего изобретения является создание бурового насоса с уменьшенными затратами на эксплуатацию и ремонт.

Данные и другие цели и преимущества настоящего изобретения должны стать ясны из приведенного ниже подробного описания и прилагаемой формулы изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение является буровым насосом прямого привода с постоянными магнитами, содержащим электродвигатель с постоянными магнитами, вал, соединенный с электродвигателем с постоянными магнитами, и блок нагнетания насоса, соединенный с концом вала, противоположным электродвигателю с постоянными магнитами. Электродвигатель с постоянными магнитами содержит кожух, статор, установленный в кожухе, и ротор, совместно действующий со статором и установленный внутри статора в кожухе. Ротор соединен с валом так, что вращение электродвигателя с постоянными магнитами может непосредственно сообщаться валу и, соответственно, блоку нагнетания насоса.

Кожух содержит внутреннюю камеру, окруженную стенкой. Статор установлен смежно со стенкой кожуха. Статор имеет множество обмоток, проходящих по его периферии. Обмотки поддерживаются разнесенными друг от друга по периферии внутренней поверхности статора. Обмотки проходят радиально внутрь от стенки кожуха. Подходящие каналы подачи воздуха проходят по всему кожуху для улучшения действия воздухообмена охлаждения со статором.

Ротор установлен внутри статора. Ротор является кольцевым элементом. Постоянные магниты разнесены друг от друга по периферии ротора. Постоянные магниты совместно действуют с обмотками статора для создания эффекта отталкивания параллельных проводников с противоположно направленными токами электродвигателя с постоянными магнитами. Ведущий диск прикреплен к ротору. Ведущий диск имеет калиброванное отверстие, выполненное для соединения со шлицами связанного с ним вала. Ведущий диск ротора принимает вал. Когда крутящий момент сообщается ротору, крутящий момент непосредственно сообщается валу и связанному с ним блоку нагнетания насоса. Таким образом, настоящее изобретение дает возможность непосредственного вращения вала, не требующего механизмов зубчатых редукторов или систем трансмиссии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 показан вид сбоку буровой установки с использованием известного бурового насоса.

На Фиг.2 показан вид сбоку предпочтительного варианта осуществления бурового насоса прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения.

На Фиг.3 показан вид сбоку блока нагнетания насоса, используемого в буровом насосе настоящего изобретения.

На Фиг.4 показано сечение электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения.

На Фиг.5 показан вид в плане ведущего диска, связанного с электродвигателем с постоянными магнитами настоящего изобретения.

Фиг.6 показан изометрический вид ротора электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения.

На Фиг.7 показан изометрический вид статора электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2 показан вид сбоку предпочтительного варианта осуществления бурового насоса 100 прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения. Буровой насос 100 имеет электродвигатель 40 с постоянными магнитами. Вал 41 соединен с электродвигателем 40. Блок 49 нагнетания насоса прикреплен к концу 47 вала 41, противоположному электродвигателю 40. Электродвигатель 40 вращает вал 41, который, в свою очередь, вращает соответствующие части в блоке 49 нагнетания насоса. Вал 41 проходит внутрь двигателя 40. Вращение блока 49 нагнетания насоса обуславливает всасывание бурового раствора в блок 49 через впускную линию 63, нагнетание давления в растворе в блоке 49 нагнетания насоса и выпуск под давлением из блока 49 нагнетания насоса через выкидную линию 65. Продольная ось коленчатого вала в блоке 49 нагнетания насоса совмещена с продольной осью вала 41. Продольные оси, в общем, параллельны буровому полу 12. Электродвигатель 40 опирается на буровой пол 12. Электродвигатель 40 имеет кожух 42. Ротор и статор установлены в кожухе 42. Кожух 42 имеет, в общем, цилиндрическую форму. Вал 41 проходит наружу изнутри электродвигателя 40. Через впуск 52 подается охлаждающий воздух к ротору и статору, установленным внутри кожуха 42. Воздух циркулирует внутри кожуха 42 вокруг ротора и статора для охлаждения ротора и статора. Нагретый воздух покидает кожух 42 через выпускное окно 56. Выпускное окно 56 обеспечивает выпуск нагретого воздуха из внутреннего пространства кожуха 42.

На фиг.3 показан вид сбоку предпочтительного блока 49 нагнетания насоса настоящего изобретения. Блок 49 нагнетания насоса имеет приводную часть и напорную часть. Приводная часть имеет коленчатый вал. Коленчатый вал соединен с валом 41, соединенным с электродвигателем 40. Электродвигатель 40 вращает вал 41, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал. Коленчатый вал передает мощность через несколько шестерен, т.е. основную шестерню и шестерню насоса подачи смазки на поршневой шток. Поршневой шток перемещается взад и вперед в камере для всасывания бурового раствора во всасывающий манифольд. Поршень создает давление в манифольде, так что буровой раствор выпускается под давлением через выкидной манифольд. Вал 41 напрямую приводит в движение коленчатый вал. Коленчатый вал установлен проходящим через верх несущей конструкции блока 49 нагнетания насоса. Сборка, при этом, проходит быстрее и является менее сложной.

На фиг.4 показано сечение кожуха 42 электродвигателя 40 с постоянными магнитами. Кожух 42 образует внутреннюю камеру 60. Статор 62 прикреплен к стенке кожуха 42. Статор 62 проходит по внутренней периферии кожуха 42. Ротор 64 установлен в непосредственной близости от статора 62. Ротор 64 имеет множеств постоянных магнитов, установленных по его периферии (описано более подробно ниже). Статор 62 имеет соленоиды, установленные по периферии внутренней поверхности статора 62. Взаимодействие соленоидов статора 62 и постоянных магнитов ротора 64 создает крутящий момент электродвигателя 40. Ведущий диск 66 прикреплен к верху ротора 64. Вал 41 соединен ведущим диском 66 так, что энергия вращения, передаваемая на ведущий диск 66 ротором 64, передается на вал 41. Вал 41 проходит наружу из внутренней камеры 60 кожуха 42.

Электродвигатели с постоянными магнитами вращаются благодаря крутящему моменту, создаваемому при взаимодействии двух магнитных полей. Данные магнитные поля создаются постоянными магнитами, установленными на вращающемся роторе, и магнитным полем, наведенным неподвижными обмотками статора. Крутящий момент является наибольшим, когда магнитный вектор ротора образует угол 90 градусов с магнитным вектором статора. В данном положении он заставляет полюса ротора поворачиваться в направлении поля статора. В бесщеточном электродвигателе постоянного тока с трапециевидным приводом переменный ток, проходящий последовательно через две из трех катушек, генерирует поле статора. Оставшаяся третья катушка осуществляет мониторинг противо-электродвижущей силы (ЭДС) двух активных катушек. Эта ЭДС возникает, когда электродвигатель с постоянными магнитами вращается. Каждая обмотка генерирует напряжение, противодействующее напряжению сети обмоток. Противо-ЭДС зависит от угловой скорости ротора, магнитного поля, генерируемого магнитами ротора, и числа витков обмоток статора. Противо-ЭДС двигателя создает обратную связь для положения ротора относительно обмоток статора. Электродвигатели с постоянным магнитами, имеющие датчики, обеспечены аналогичной обратной связью определения положения. С синусоидальной коммутацией, используемой в синхронных двигателях с постоянными магнитами, электронная схема управления приводом одновременно подает питание на три катушки.

Электродвигатели с постоянными магнитами производятся серийно с 1990-х годов. Вместе с тем, электродвигатели с постоянными магнитами не получили широкого применения вследствие высокой стоимости, обусловленной дорогостоящими постоянными магнитами на роторе. Кроме того, их сложные алгоритмы управления требуют специальных инженерных знаний и опыта а также дополнительных затрат на встроенный процессор. Электродвигатели с постоянными магнитами являются более эффективными, чем асинхронные двигатели переменного тока. Вместе с тем, вследствие недавнего повышения цены меди, сегодня асинхронные двигатели на основе обмоток стали более дорогими и электродвигатели с постоянными магнитами стали сравнительно менее дорогими. Кроме того, недавние совершенствования технологии улучшили мощность, снимаемую с электродвигателей с постоянными магнитами так, что такие двигатели имеют удельную мощность, превосходящую такой показатель асинхронных двигателей. Поэтому электродвигатель 40 с постоянными магнитами, показанный на фиг.4, создает предпочтительную снимаемую мощность для прямого привода вала 41 и барабана 43 бурового насоса 100.

На фиг.5 показан вид в плане ведущего диска 66 электродвигателя 40 с постоянными магнитами бурового насоса 100 настоящего изобретения. Ведущий диск 66 имеет форму круга с наружной периферией 90. Отверстия 92 для болтов выполнены вблизи наружной периферии 90. Отверстия 92 для болтов обеспечивают крепление болтами ведущего диска 66 верха ротора. Калиброванное отверстие 94 выполнено по центру ведущего диска 66 с формой, обеспечивающей прием шлицов вала 41. Отверстия циркуляции воздуха 96 выполнены вокруг отверстия ведущего диска 66. Отверстия 96 обуславливают циркуляцию воздуха в электродвигателе 40 с постоянными магнитами.

На фиг.6 отдельно показан в изометрии ротор 64 электродвигателя 40 с постоянными магнитами бурового насоса 100 настоящего изобретения. Ведущий диск 66 может быть установлен непосредственно на верх ротора 64. Пакеты 104 постоянного магнита прикреплены к наружной поверхности 102 ротора 64 и разнесены друг от друга. Разделители 106 служат для изоляции одного пакета постоянного магнита от смежного пакета. Разделители 106 могут являться отдельными деталями или могут быть просто выполнены в поверхности наружной окружности ротора 64. Ротор 64 имеет отверстие 110 подшипника ротора, выполненное по его центру.

На фиг.7 отдельно показан в изометрии статор 62 электродвигателя 40 с постоянными магнитами бурового насоса 100 настоящего изобретения. Статор 62 имеет наружное покрытие 120, служащее для разнесения катушек 122 от внутренних стенок кожуха 42. Катушки 122 проходят радиально внутрь от него. Внутренние поверхности 124 катушек 122 образуют круглое калиброванное отверстие, в котором размещен ротор 64. В результате, пакеты 104 постоянного магнита находятся в непосредственной близости от катушек 122 так, что электродвигатель 40 с постоянными магнитами может работать надлежащим образом. Подходящие электронные схемы соединены с электродвигателем 40 с постоянными магнитами для осуществления надлежащей работы электродвигателя 40 с постоянными магнитами.

В настоящем изобретении должно быть ясно, что буровой насос прямого привода с постоянными магнитами 100 непосредственно соединен с валом 41, при этом отсутствуют редукторы или другие механизмы передачи, соединенные между собой в данных областях. Буровой насос 100, таким образом, обеспечивает увеличенную удельную мощность для надлежащего вращения бурильной колонны при относительно легкой конфигурации. Вес, связанный с системами передачи, эффективно исключен с помощью настоящего изобретения. Кроме того, сложность установки таких систем трансмиссии для передачи привода от асинхронного двигателя на систему привода исключена в настоящем изобретении. В результате буровой насос прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения может успешно служить для вращения блока 49 нагнетания насоса с минимальным весом. В отличие от современных двигателей, связанных с операциями бурения, которые могут весить более 100000 фунтов (45 т), электродвигатель 40 с постоянными магнитами настоящего изобретения должен весить только приблизительно 60000 фунтов (27 т). При этом его можно легко транспортировать по дорогам на обычных грузовиках. В отличие от известных решений электродвигатель 40 не требует собственной сборки или сборки с системой трансмиссии в полевых условиях. Настоящее изобретение исключает привлечение персонала специализированных организаций для установки, который требуется для таких систем, требующих установки трансмиссии между электродвигателем 40 и блоком 49 нагнетания насоса. Уменьшенный вес электродвигателя 40 с постоянными магнитами настоящего изобретения исключает некоторые действия инерции, отрицательно влияющей на работу обычных асинхронных двигателей. Вариант применения электродвигателя 40 настоящего изобретения можно менять, если необходимо, для использования в работе с буровым насосом 100 или буровой лебедкой 26 буровой установки. Поскольку системы трансмиссии не требуются, такой электродвигатель 40 с постоянными магнитами можно поставлять для операций бурения для использования, как в приводе бурового насоса, так и для других целей. Если возникает неисправность любого электродвигателя 40, его можно заменять любым из других двигателей, что исключает какой-либо простой буровой установки.

Прямой привод блока 49 нагнетания насоса электродвигателем 40, соединенным напрямую с коленчатым валом, исключает установку внутреннего и наружного редуктора. Внутренний зубчатый редуктор обычно включает в себя ведущую шестерню и ведомую шестерню. Ведомая шестерня установлена непосредственно на коленчатый вал, и ведущая шестерня установлена на станину насоса. Наружный редуктор, в общем, получают с использованием системы цепного привода или системы клиноременного привода. В насосе с цепным приводом, малая звездочка установлена непосредственно на двигатель, и большая ведомая звездочка установлена на вал ведущей шестерни. В насосах, с клиноременным приводом малый шкив установлен непосредственно на двигатель, и большой ведомый шкив установлен на вал ведущей шестерни. Настоящее изобретение исключает использование данных компонентов. С исключением данных компонентов, привод упрощается, благодаря уменьшению числа движущихся частей в силовой передаче более чем на 50%. Это уменьшает объем необходимого техобслуживания и общие эксплуатационные расходы всего жизненного цикла изделия.

Настоящее изобретение предполагает, что электродвигатель 40 включает в себя электродвигатели с множеством постоянных магнитов.

Приведенное выше описание является иллюстративным и разъясняющим изобретение. Различные изменения в деталях показанной конструкции могут быть выполнены в объеме пунктов данной формулы изобретения без отхода от сущности изобретения. Настоящее изобретение должно быть только ограничено пунктами следующей формулы изобретения и их действительными эквивалентами.

1. Буровой насос прямого привода, содержащий электродвигатель с постоянными магнитами, причем электродвигатель с постоянными магнитами содержит кожух, содержащий внутреннюю камеру и стенку, окружающую внутреннюю камеру, причем статор установлен смежно со стенкой кожуха, при этом статор установлен в кожухе и содержит множество обмоток и наружное покрытие, при этом множество обмоток расположены на расстоянии и проходят вокруг внутренней поверхности внешнего покрытия, при этом внутренняя поверхность обмоток образует круглое отверстие, причем обмотки проходят радиально внутрь от внешнего покрытия, при этом внешнее покрытие обеспечивает расстояние между множеством обмоток и стенкой,
ротор, совместно действующий со статором и установленный внутри статора в кожухе,
вал, соединенный с указанным электродвигателем, и
блок нагнетания насоса, соединенный с концом вала, противоположным указанному электродвигателю.

2. Буровой насос по п. 1, в котором ротор соединен с валом так, что вращение, создаваемое указанным электродвигателем, непосредственно сообщается валу.

3. Буровой насос по п. 1, в котором кожух имеет по меньшей мере два канала подачи воздуха, один из которых обеспечивает вход воздуха с окружающей температурой в кожух, а другой обеспечивает выход нагретого воздуха из кожуха.

4. Буровой насос по п. 1, в котором ротор является кольцевым элементом.

5. Буровой насос по п. 4, в котором ротор имеет множество постоянных магнитов, разнесенных друг от друга по наружной периферии ротора и совместно действующих с обмотками, установленными на статоре.

6. Буровой насос по п. 1, дополнительно содержащий ведущий диск, прикрепленный к ротору.

7. Буровой насос по п. 6, в котором ведущий диск имеет шлицевое отверстие, предназначенное для соединения со шлицами вала.

8. Буровой насос по п. 6, в котором ведущий диск содержит множество отверстий для болтов, выполненных вблизи наружной периферии.

9. Буровой насос по п. 6, в котором ведущий диск содержит множество отверстий циркуляции воздуха, расположенных вокруг отверстия ведущего диска.

10. Буровой насос по п. 1, в котором множество обмоток образует внутреннее отверстие, в которое устанавливается ротор.

11. Буровой насос по п. 5, дополнительно содержащий разделители, предназначенные для разнесения друг от друга множества постоянных магнитов.

12. Буровой насос по п. 1, в котором статор прикреплен к стенке кожуха.

13. Буровой насос по п. 1, в котором статор проходит по внутренней периферии кожуха и прикреплен к ней.

14. Буровой насос по п. 1, в котором внутренняя поверхность множества обмоток образует круглое отверстие, в котором установлен ротор.