Погружной электродвигатель скважинной насосной установки для добычи нефти

Техническое решение относится к энергомашиностроению, в частности к конструкциям погружных маслозаполненных электродвигателей (ПЭД), предназначенных для привода центробежных и винтовых погружных насосов для добычи нефти, в частности, пригодных для эксплуатации в сложных условиях, а именно, в скважинах с высокой температурой пластовой жидкости (более 150°С), низким дебитом (до 50 м³/сутки) и высоким газовым фактором (около 250 м³/м³). Достигаемый технический результат заключается в расширении сферы применения при одновременном повышении надежности и долговечности электродвигателя и насосной установки в целом за счет снижения тепловой нагрузки на единицу длины поверхности ПЭД и увеличения поверхности теплорассеивания без существенного изменения конструкции двигателя, а также за счет обеспечения возможности реализации заданной мощности электропривода при пониженном значении рабочего тока путем соответствующего увеличения номинального напряжения. Погружной электродвигатель включает в себя, по меньшей мере, одну секцию, содержащую ротор и статор, который включает в себя корпус с размещенным в нем магнитопроводом. При этом параметры электродвигателя находятся в следующей зависимости где W - номинальная мощность электродвигателя, кВт D - диаметр корпуса, м L - длина секции монтажная, м K _U=1/U, где U - номинальное напряжение, кВ

3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Техническое решение относится к энергомашиностроению, в частности к конструкциям погружных маслозаполненных электродвигателей (ПЭД), предназначенных для привода центробежных и винтовых погружных насосов для добычи нефти, в частности, пригодных для эксплуатации в сложных условиях, а именно, в скважинах с высокой температурой пластовой жидкости (более 150°С), низким дебитом (до 50 м³/сутки) и высоким газовым фактором (около 250 м³/м³).

Известен погружной электродвигатель скважинной насосной установки для добычи нефти, описанный в патенте на промышленный образец RU 62352, 16.04.2007, включающий в себя корпус с размещенным в нем подшипниковыми узлами, теплообменником, компенсатором, узлом токоввода, а также ротором и статором. При этом корпус выполнен с ореберением для увеличения поверхности теплорассеивания.

Основным недостатком аналога является низкая эффективность охлаждения ПЭД в условиях высокой температуры пластовой жидкости (малой разницы температур между электродвигателем и омывающим потоком), особенно в малодебитных скважинах, а также в скважинах с высоким газовым фактором, т.е. повышение интенсивности теплообмена за счет оребрения

корпуса не обеспечивают нормальное функционирование электродвигателя в указанных условиях.

Известен погружной электродвигатель скважинкой насосной установки для добычи нефти, описанный в патентах RU 2246164 С1, 2005.02.10, RU 2287887 С1, 2006.11.20, RU 2295190 С1, 2005.02.10 и RU 2298694 С1, 2005.02.10, включающий в себя, по меньшей мере, одну секцию, содержащую головку, основание, узел токоввода, ротор и статор, который включает в себя корпус с размещенным в нем магнитопроводом, и заполненную маслом полость. При этом электродвигатель дополнительно снабжен тепловой трубой, испарительная часть которой расположена в заполненной маслом полости, а конденсаторная часть - вне электродвигателя.

Основными недостатками описанного аналога также являются низкая эффективность охлаждения в условиях высокой температуры пластовой жидкости, высокая сложность конструкции и вероятность повреждения внекорпусных элементов системы охлаждения при спуско-подъемных операциях.

Известен погружной электродвигатель скважинной насосной установки для добычи нефти, описанный, в частности, в каталогах компаний Baker Hughes Centrilift (375 Series Motors, 450 Series Motors), Schlumberger (375 Series Motors), Weatherford (IL180 456 Motor Housing Diameter), HOBOMET (ПЭДТН 16...32-96, 16...80-103, ПЭДТНС 70...160-103, ПЭДТН 12...125-117, ПЭДТНС 140...300-117), АЛНАС (ПЭД 16...45 103M1B5, ПЭД 12...90 117МВ5, ПЭДС 80...180 117МВ5), ПРИВОД (ПЭДУ 12...45-103 ТР,

ПЭДУС 63...90-103 ТР, ПЭДУ 12...110-117 ТР, ПЭДУС 90...200-117 ТР), БОРЕЦ ((1)ЭДБ 8...90-103 В5, БОРЕЦ ЭДБС 100...140-103 В5, (1)ЭДБ 8...90-117 В5, БОРЕЦ ЭДБС 100...300-117 В5) и др. (см. Таблицы 1-3). Электродвигатель включает в себя, по меньшей мере, одну секцию, содержащую ротор и статор, который включает в себя корпус с размещенным в нем магнитопроводом. Параметры указанных электродвигателей находятся в следующей зависимости

где W - номинальная мощность электродвигателя, кВт

D - диаметр корпуса, м

L - длина секции монтажная, м

K_U=1/U, где U - номинальное напряжение, кВ

или

,

где I - номинальный ток, А

L - длина монтажная, м.

Указанное техническое решение принято за прототип.

Основным недостатком прототипа является высокая тепловая нагрузка на единицу длины поверхности ПЭД при малой поверхности теплорассеивания, в результате нагрев ПЭД за счет электрических потерь в двигателе составляет более 40-50°С.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящая полезная модель, состоит в создании погружного электродвигателя скважинной насосной установки для добычи нефти, пригодного для эксплуатации в условиях высокой температуры пластовой жидкости, преимущественно в малоде-битных скважинах с высоким газовым фактором.

Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается в расширении сферы применения при одновременном повышении надежности и долговечности электродвигателя и насосной установки в целом за счет снижения тепловой нагрузки на единицу длины поверхности ПЭД и увеличения поверхности теплорассеивания без существенного изменения конструкции двигателя, а также за счет обеспечения возможности реализации заданной мощности электропривода при пониженном значении рабочего тока путем соответствующего увеличения номинального напряжения.

Погружной электродвигатель скважинной насосной установки для добычи нефти, обеспечивающее достижение указанного выше технического результата, включает в себя, по меньшей мере, одну секцию, содержащую ротор и статор, который включает в себя корпус с размещенным в нем магнитопроводом. При этом в отличии от прототипа параметры электродвигателя находятся в следующей зависимости

где W - номинальная мощность электродвигателя, кВт

D - диаметр корпуса, м

L - длина секции монтажная, м

K_U=1/U, где U - номинальное напряжение, кВ.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели параметры электродвигателя находятся в следующей зависимости

где I - номинальный ток, А

L - длина монтажная, м.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для электродвигателя с диаметром корпуса 103 мм указанные параметры находятся в следующей зависимости

или

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели для электродвигателя с диаметром корпуса 117 мм указанные параметры находятся в следующей зависимости

или

Увеличение длины ПЭД относительно аналогов сопоставимой мощности (см. Таблицы 1-3) обеспечивает снижение тепловой нагрузки на единицу площади поверхности ПЭД, определяемое параметром 02W/2DL (0,2 - множитель, соответствующий среднему значению КПД ПЭД в 80%), а также обеспечивает естественное увеличение поверхности теплорассеивания (2DL), что особенно важно при эксплуатации ПЭД в малодебитных скважинах. Это приводит к снижению величины перегрева электродвигателя за счет электрических потерь до 20-30°С практически без изменения конструкции ПЭД.

Кроме того, увеличение длины статора позволяет повысить напряжение питания двигателя (определяется коэффициентом К_U) и, соответственно, уменьшить рабочий ток по сравнению с ПЭД аналогичной мощности, в результате уменьшаются потери в питающем кабеле и появляется возможность использовать кабель меньшего сечения.

Приведенная в формуле зависимость I/L аналогичным образом отображает весь комплекс указанных выше факторов (см. Фиг.1 и Фиг.2), но при этом является более удобной для вычисления.

При увеличении значения выражения (0,2W/2DL)×1/U выше 1,7 (выражения I/L выше 2,5) и неизменной номинальной мощности, а также диаметре

электродвигателя (которые определяются при подборе насосной установки к конкретной скважине) произойдет такое увеличение длины и/или тока двигателя (уменьшение напряжения), что описанные выше преимущества окажутся по существу нивелированы. Приведенные в формуле полезной модели минимальные значения указанных выражений определяются для каждого из габаритов ПЭД исходя из максимального значения длины секции двигателя, ограниченной возможностью проведения спуско-подъемных операций (8,5-9 м), и максимальными значениями напряжения, не требующими изменения конструкции электродвигателя, существенного ужесточения требований к изоляции токопроводов и пр.

Возможность осуществления полезной модели, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием примеров выполнения погружных электродвигателей скважинной насосной установки для добычи нефти. Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее.

На Фиг.1 изображена диаграмма, отображающая значения выражений (0,2W/2DL)×1/U для соответствующих значений мощностей ПЭД (аналогов и выполненных в соответствии с заявленной полезной моделью).

На Фиг.2 изображена диаграмма, отображающая значения выражений I/L для соответствующих значений мощностей ПЭД (аналогов и выполненных в соответствии с заявленной полезной моделью).

В соответствии с заявленной полезной моделью изготовили погружные

электродвигатели ЭДБТК28-103 В5, ЭДБТК32-103 В5 и ЭДБТК45-103 В5 (секционный).

Таблица 4
Наименование	ЭДБТК28-103 В5	ЭДБТК32-103 В5	ЭДБСТК45-103 В5
Мощность, кВт	28	32	45
Напряжение, В	2000	2200	2200
Напряжение на одну секцию, В	-	-	1100
Ток, А	14	14	20
Скольжение, %	3	3,2	3
КПД, %	75	80	79
Коэффициент мощности, cos	0,75	0,78	0,75
Длина монтажная, мм	6748	7448	11285
Длина монтажная верхней секции, мм	-	-	5580
Длина монтажная нижней секции, мм	-	-	5705
Длина полная, мм	6930	7630	11615
Длина полная верхней секции, мм	-	-	5851
Длина полная нижней секции, мм	-	-	5764
Вес, кг	380	420	640
Диаметр голого провода, мм	1,8	1,8	2,0
Число проводников в пазу	12	12	10
Средняя длина витка, м	12,26	13,66	10,16
Число витков в фазе	35,5	35,5	29,5
Ток холостого хода, А	9,8	9,5	10

Монтажная длина ПЭД (секции ПЭД) увеличена примерно в два раза по сравнению с электродвигателями габарита 103 мм аналогичной мощности. Наибольшая длина (ЭДБТК32-103 В5) составила около 8 метров, что фактически является пределом для длины ПЭД, определяемым возможностями проведения спуско-подъемных операций. При этом также практически в два раза увеличили номинальное напряжение (до 2000-2200 В), и уменьшили ток (до 11-14 А). Данное повышение напряжения не потребовало других изменений конструкции электродвигателя, кроме увеличения длины статора, и позволило использовать серийные изоляционные материалы за счет большого запаса электрической прочности.

В результате снизили тепловую нагрузку на единицу длины поверхности ПЭД и увеличили поверхность охлаждения. С уменьшением тока также уменьшилась тепловая нагрузка на питающий кабель, при этом появилась возможность уменьшения сечения питающего кабеля и обмоточного провода статора ПЭД.

Для питания описанных электродвигателей использовали серийные станции управления и силовые трехфазные масляные трансформаторы серии ТМПН с более высокими номинальными значениями кВА и номинального напряжения обмоток по сравнению с трансформаторами, использующимися для питания погружных электродвигателей аналогичной мощности. При использовании серийных ТМПН они работают с недогрузкой, что некритично сказывается на их рабочих характеристиках, кроме того могут быть использованы трансформаторы специального исполнения, предназначенные для питания электродвигателей, выполненных в соответствии с заявленной полезной моделью.

Описанные погружные электродвигатели эксплуатировались на месторождениях РН-Ставропольнефтегаза в течении четырех месяцев. Средняя наработка данных ПЭД на глубине 2600 м при температуре пласта в пределах 114-154°С и газовом факторе около 250 м³/м³ составила более 90 суток, при этом серийные ПЭД в теплостойком исполнении на указанных месторождениях работали не более 25-40 суток.

Таблица 1 (габарит 96 мм)
Мощность, кВт	Номинальное напряжение, В	Номинальный ток, А	Диаметр, мм	Длина монтажная, мм
Centrilift 375 SERIES MOTORS 3.75 INCH (95.25 мм)
11,9	229	52	95,25	2360	14,72	22,03
11,9	325	37	95,25	2360	10,37	15,68
18,7	292	65	95,25	3350	12,78	19,40
18,7	371	52	95,25	3350	10,06	15,52
18,7	521	37	95,25	3350	7,16	11,04
28,3	437	65	95,25	4680	9,25	13,89
28,3	554	52	95,25	4680	7,30	11,11
28,3	783	37	95,25	4680	5,16	7,91
40,3	621	65	95,25	6350	6,83	10,24
40,3	783	52	95,25	6350	5,42	8,19
40,3	1108	37	95,25	6350	3,83	5,83
Schlumberger 375 Series Motors - SK Type
4,5	342	14	95,25	1920	4,58	7,29
6,7	325	20,5	95,25	2499	5,51	8,20
9,7	333	28	95,25	3353	5,81	8,35
11,9	239	51	95,25	4206	7,91	12,13
11,9	323	38	95,25	4206	5,85	9,03
14,2	275	51,5	95,25	4785	7,21	10,76
14,2	367	39	95,25	4785	5,40	8,15
15,7	308	51	95,25	5364	6,35	9,51
15,7	417	37	95,25	5364	4,69	6,90
15,7	525	30	95,25	5364	3,73	5,59
15,7	633	25	95,25	5364	3,09	4,66
HOBOMET ПЭДТН 16...32-96
16	500	29,2	96	3527	6,02	8,28
22	750	28,7	96	4607	4,22	6,23
32	1000	29,2	96	6047	3,51	4,83

Таблица 2 (габарит 103 мм)
Мощность, кВт	Номинальное напряжение	Номинальный ток, А	Диаметр, мм	Длина монтажная, мм
1	2	3	4	5	6	7
АЛНАС ПЭД 16...45 103М1 В5
16	530	25,6	103,0	3009	6,20	8,51
22	700	27,5	103,0	3689	5,27	7,45
28	900	27,0	103,0	4369	4,40	6,18
32	1000	27,5	103,0	4709	4,20	5,84
40	1200	28,0	103,0	5389	3,82	5,20
45	1400	28,0	103,0	6069	3,27	4,61
ПРИВОД ПЭДУ 12...45-103 ТР
12	750	14,6	103,0	2038	4,85	7,16
16	530	27,0	103,0	3060	6,10	8,82
16	750	17,8	103,0	3060	4,31	5,82
20	700	25,5	103,0	3426	5,15	7,44
22	700	27,0	103,0	3750	5,18	7,20
25	850	25,3	103,0	4097	4,44	6,18
28	840	29,0	103,0	4446	4,63	6,52
30	1000	28,0	103,0	4793	3,87	5,84
32	750	38,5	103,0	5140	5,13	7,49
32	1000	27,5	103,0	5140	3,85	5,35
40	980	36,0	103,0	5488	4,60	6,56
40	1100	31,6	103,0	5488	4,10	5,76
45	1050	37,0	103,0	5835	4,54	6,34
ПРИВОД ПЭДУС 63...90-103 ТР
63	1450	37,5	103,0	10070	2,67	3,72
70	1560	39,5	103,0	10070	2,75	3,92
90	2100	37	103,0	11460	2,31	3,23
НОВОМЕТ ПЭДТН 16...80-103
16	500	26,6	103,0	3306	5,98	8,05
22	650	28	103,0	3996	5,24	7,01
28	750	31,5	103,0	4343	5,31	7,25
32	850	32,5	103,0	4691	4,96	6,93
40	1000	34	103,0	5386	4,59	6,31
45	1150	33	103,0	6081	3,98	5,43
63	1500	36	103,0	7461	3,48	4,83
70	1650	36,5	103,0	8151	3,22	4,48
80	1800	38,2	103,0	8847	3,11	4,32

Таблица 3 (габарит 117 мм)
Мощность, кВт	Номинальное напряжение	Номинальный ток, А	Диаметр, мм	Длина монтажная, мм
1	2	3	4	5	6	7
Centrilift FMH 450 SERIES MOTOR MODEL 4.50 INCH
9,7	367	22	114,3	1370	10,75	16,06
14,2	354	35	114,3	1770	12,62	19,77
19,4	371	45	114,3	2130	13,67	21,13
19,4	642	26	114,3	2130	7,90	12,21
24,6	329	64	114,3	2530	16,46	25,30
24,6	600	35	114,3	2530	9,03	13,83
28,3	642	39	114,3	2890	8,50	13,49
28,3	725	35	114,3	2890	7,52	12,11
33,6	658	45	114,3	3280	8,67	13,72
33,6	850	35	114,3	3280	6,71	10,67
38,8	642	53	114,3	3680	9,15	14,40
38,8	975	35	114,3	3680	6,02	9,51
47,7	946	45	114,3	4440	6,33	10,14
47,7	1221	35	114,3	4440	4,90	7,88
58,2	971	53	114,3	5210	6,41	10,17
58,2	1467	35	114,3	5210	4,24	6,72
72,4	1008	64	114,3	6360	6,29	10,06
72,4	1842	35	114,3	6360	3,44	5,50
82,1	1142	64	114,3	7120	5,62	8,99
82,1	1850	39	114,3	7120	3,47	5,48
96,2	1904	45	114,3	8280	3,40	5,43
114,9	1950	53	114,3	1041	3,15	5,09
Centrilift FMH 450 SERIES MOTOR MODEL 4.50 INCH (TWO-PIECE CONSTRUCTION)
144	2017	64	114,3	12680	3,14	5,05
154,4	2150	64	114,3	13470	2,97	4,75
164,1	2283	64	114,3	14260	2,81	4,49
АЛНАСПЭД 12...90 117МВ5
12	380	26,0	117,0	2098	8,19	12,39
16	750	18,0	117,0	2478	4,68	7,26
22	750	24,0	117,0	3238	4,93	7,41
28	900	26,0	117,0	3618	4,68	7,19
32	1000	26,0	117,0	3998	4,36	6,50

1. Погружной электродвигатель скважинной насосной установки для добычи нефти, включающий в себя, по меньшей мере, одну секцию, содержащую ротор и статор, который включает в себя корпус с размещенным в нем магнитопроводом, отличающийся тем, что параметры электродвигателя находятся в следующей зависимости:

,

где W - номинальная мощность электродвигателя, кВт;

D - диаметр корпуса, м;

L - длина секции монтажная, м;

K_U=1/U, где U - номинальное напряжение, кВ.

2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что параметры электродвигателя находятся в следующей зависимости:

,

где I - номинальный ток, А;

L - длина монтажная, м.

3. Электродвигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что для электродвигателя с диаметром корпуса 103 мм указанные параметры находятся в следующей зависимости:

или

.

4. Электродвигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что для электродвигателя с диаметром корпуса 117 мм указанные параметры находятся в следующей зависимости:

или

.