CN101826760A - 具有铁磁流体间隙的潜油马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有铁磁流体间隙的潜油马达。一种能够在潜油马达运行期间降低电功率损耗的技术采用了包括密封定子和转子的壳体的潜油马达。铁磁流体以足够的量设置在该壳体中，以填充定子和转子之间的间隙。铁磁流体具有充分改善的特性，其有助于降低供给的电功率，并且因此有助于提高该马达的运行效率。

Description

具有铁磁流体间隙的潜油马达

相关申请的交叉引用

本申请基于2008年12月31日递交的美国临时申请序列号No：61/141,875，并要求它的优先权。

背景技术

在各种井道相关的应用中，潜油电动马达提供用于泵送或其它工作的动力。例如，在电动潜油泵送系统中，油浸式马达用于向移动井下环境中的流体的泵提供动力。通过用油填充马达，潜油马达可以被设计为具有相对薄的壁式壳体，所述壳体可以在井下安装、并在井眼压力下操作。然而，不希望的副效应是该马达中存在大的粘滞功率损耗，这种损耗对经由长电线上的井下输送电功率的供给来说是昂贵的。克服粘滞曳力所需的附加电功率做无用功。取而代之，附加的电流增加了在马达绕组和长的电力电缆中耗散的热量。因此，在地面需要更高的电压来克服电力电缆中的损耗。所有的这些效应导致与泵送系统相关的额外的风险、压力和运行费用。

传统的电动潜油泵送系统马达通常在填充绝缘油的壳体中运行，以在马达的内部和沿着马达外部的井眼流体压力之间实现压力平衡。这种压力平衡避免了对能够承受大的压力差的厚的壁式压力容器的需求。油浸、压力平衡马达的构思在1916年左右由Armais Artunoff结合到他的早期电动潜油泵送系统中。虽然绝缘油有助于压力平衡并保护潜油马达免受井内流体的影响，但绝缘流体几乎不改善马达的电磁性能，因为绝缘油具有与空气近似相同的电磁特性。

不幸的是，这种特性导致明显更大的电流施加到马达绕组上，以克服由于在潜油马达内转动该绝缘油而产生的附加的粘滞摩擦。这种额外的电流在马达产生了更多的热量和涡流损耗。此外，这种额外的电流经由长的电力电缆在井下传送，这产生了实质性的电阻损耗。由于较高的热耗散和向马达传递足够的动力所需要较高的电压，最终结果是更高的运行费用、更低的可靠性和减少的寿命。

发明内容

大体上，本申请提供了一种能够降低潜油马达的电功率损耗的技术。该技术采用了包括密封定子和转子的壳体的潜油马达。铁磁流体以足够的量设置在该壳体中，以填充定子和转子之间的间隙。铁磁流体具有充分改善的特性，以促进供给的电功率降低，并且因此有助于提高该马达的运行效率。

附图说明

以下将参照附图描述特定实施方式，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且：

图1为根据一种实施方式的马达系统的一个例子的示意图；

图2为根据一种实施方式的图1中示出的大致横切马达轴线得到的马达系统的剖面图；

图3为根据一种实施方式的采用潜油马达的井眼设备的一个例子的示意图；以及

图4为根据一种实施方式示出的准备用在浸没环境中的马达系统的一种方法的流程图。

具体实施方式

在接下来的描述中，阐述了大量的细节，以提供对优选实施方式的理解。然而，本领域技术人员将会理解，在没有这些细节的情况下也可以实践各种实施方式，并且根据所描述的实施方式进行多种变化和修改也是可能的。

优选实施方式大体上涉及与潜油马达的结构和使用相关的系统和方法。所述系统和方法充分改善了马达运行效率，并因此降低了必须经由非常长的电力电缆导向地下位置处的马达的电功率量。在某些应用中，潜油马达被用在机械采油系统中，如电动潜油泵送系统。然而，该马达也可以结合在其它井道相关设备中，如结合在地层测试器泵、电动液压传动装置、用于流量控制阀的驱动装置以及其它装置中，以向多种系统和/或组件供给动力。所述方法提供了具有相当低的运行费用、更长的寿命和更高的可靠性的马达。

根据一种实施方式，马达被设计为采用称为铁磁流体的本质上为液态的磁性材料。取决于应用场合，铁磁流体可以用来充分填充马达的内部。例如，铁磁流体位于马达壳体内，以填充转动件之间的间隙和该马达的磁路中的其它间隙。采用铁磁流体显著降低了该马达的磁阻。继而，降低的磁阻通过显著地降低所需求的电流和电功率而增强了马达性能和可靠性，所述的电流和电功率被供给以产生所需水准的磁通量以及输出功率。

例如，当该马达用在电动潜油泵送(ESP)系统中时，与传统的ESP马达相比，独特的马达结构显著地降低了在其额定速度和输出功率下驱动ESP马达所需的电流。在适合用在电动潜油泵送系统的马达的一种实施方式中，铁磁流体与绝缘油混合以改善该马达的转子和定子之间的临界间隙的磁路性能。这种方法还显著地降低了该马达的磁阻，以在给定量的电流下产生所需的磁通量。因此，必须在井下供给以产生指定的旋转磁场的电流量会显著地降低。

在电动潜油泵送系统应用中，独特的马达导致效率的进一步增强，因为必须产生更少的功率并通过向井下铺设的长电力电缆将其发送至ESP马达。可以向马达供给较低的电流而不牺牲泵送系统的运转功能性。在给定输出功率下降低电流则减少了电力电缆中的电阻损耗，也降低了地面电压源所需的电压。

在由转子和定子构造的马达中，在转子和定子之间的间隙中采用铁磁流体，包括采用铁磁流体混合物显著地加剧了马达磁路的磁阻的降低。在传统的潜油马达中，绝缘油间隙非常类似于转子和定子的空气间隙。绝缘油/空气间隙在马达磁路的磁阻中占主导地位，磁通量B可以由经由长ESP电缆从地面供给的电流I在马达磁路中建立。该电流和磁通量之间的关系可以由下述等式近似：NI＝B{Lm/μ_m+Lg/μ₀}在上述等式中，N为该电流流过马达所通过的匝数；Lm为通过马达的叠片和转子的等效磁路长度；Lg为空气间隙长度，在ESP马达情况下，为油隙长度；μ₀为真空磁导率；μ_m为马达的铁合金叠片的磁导率。

在来自采用相同匝数和金属部件的相同类型的ESP马达的相同输出功率条件下，可以在铁磁流体填充的ESP马达和标准ESP马达中所需的电流之间进行比较。对于这两种马达，N、B、Lm和Lg以及μ_m因此都是相同的。在铁磁流体马达和所述标准马达中电流流率之比可以计算为：I_ff/I＝{Lm/(μ_m)+Lg/(μ₀)}/{Lm/μ_m+Lg/μ₀}在本文中，μ_ff为铁磁流体与真空磁导率相比的相对磁导率。

通过假设所述间隙的磁阻在两种情况中都在马达的磁阻中占主导地位，可以将电流的降低估计为一阶近似；因此：I_ff/I～1/μ_ff由于铁磁流体的磁导率，μ_ff通常大于1；装有铁磁流体的马达中的电流是具有相同尺寸和材料的传统油浸马达中要求的电流的一部分。这种改善的准确量取决于马达的设计和调配的具体的铁磁流体。

铁磁流体为水基或油基介质中的纳米尺寸的铁磁粒子的稳定的胶状悬浮体。通常，所述磁性粒子为具有约10纳米(nm)直径的磁铁矿(氧化铁)。这些粒子可以作为简单化学反应的沉积物而获得。表面活性剂层覆盖纳米粒子的表面，并且通过阻止所述粒子靠得太近和聚集或由重力而沉淀来帮助克服范德瓦尔斯力(Van der Waals forces)。铁磁流体改善了热传输、用作有效的润滑剂、并且还可以被用于在高达例如200℃的宽的温度范围内工作。铁磁流体改善了马达冷却，因为铁磁流体磁特性随着温度反向变化；马达绕组(其产生热量)的强磁场区域吸收的冷铁磁流体比热铁磁流体多，因此将被加热的铁磁流体推离所述绕组并推向较冷的表面。这种有效的冷却方法甚至不需要任何额外的能量输入。铁磁流体已经在各种出版物中被讨论过了，如，R.E.Rosensweig的由剑桥的剑桥大学出版社于1985年出版的“铁流体动力学(Ferrohydrodynamics)”；以及Elmars Blums于1995年在巴西物理期刊(Brazilian Journal of Physics)中发表的文章“温度敏感性磁性流体中的热和质量传输过程的新应用(New Applications ofHeat and Mass Transfer Processes in Temperature Sensitive Magnetic Fluids)”。此外，某些类型的铁磁流体可以从日本的东京铁技术公司(Ferrotec Company of Tokyo)购买到。

大体上参照图1，示出了诸如潜油马达的马达20的实施方式。以举例的方式，马达20为具有转子22的潜油马达，转子22可转动地安装在定子24内，以便在转子和定子之间在转子22周围形成间隙26。转子22和定子24由马达壳体28封闭，并且铁磁流体30配置在马达壳体28内。例如，铁磁流体30可以配置在间隙26中，以充分增强马达20的效率。在某些实施方式中，马达壳体28的内部基本上都由铁磁流体填充，以充分填充马达20的转动部件之间的间隙以及其磁路内的其它间隙和空间。通过显著地降低所需要的必须供给至马达20以产生所需水准的磁通量和因此产生的输出功率的电流和电功率，铁磁流体30降低了马达20的磁阻、并增强了其性能和可靠性。在某些应用中，铁磁流体30可以包括铁磁流体混合物，所述磁流体混合物包括与绝缘油混合的铁磁流体。

马达20还可以包括多种其它部件。例如，如图2中进一步所示，转子22可以安装在可旋转轴32上，用于在定子24内旋转。可旋转轴32可以延伸穿过马达壳体28的一个或两个纵向端部34。在所示出的实施方式中，铁磁流体30由铁磁流体密封件36密封在马达壳体28的内部中，该铁磁流体密封件36可以设置在轴32的周围靠近壳体28的纵向端部34。此外，马达20可以包括绕组38，以及取决于马达20所接合的设备、马达的功率需求量、马达在其中运行的环境和各种设计考虑的多种其它或替换部件。

在一个具体的实施例中，马达20为结合在电动潜油泵送系统40中的潜油马达，如图3中所示。取决于环境和应用要求，可以以具有不同部件的各种形式来构造电动潜油泵送系统40。在示出的特定应用中，电动潜油泵送系统40配置在钻进地质构造44中的井眼42中。井眼42可以与套管46对齐，所述套管46打有多个穿孔48以允许井产流体流进套管46的内部。

电动潜油泵送系统40经由运输工具50配置在井眼42中希望的位置处，运输工具50可以为诸如挠性管的管52的形式，或者例如从井口53向下延伸的其它合适的运输工具。泵送系统40由连接器54连接至运输工具50，并且可以包括多种泵送相关部件。例如，电动潜油泵送系统40可以包括连接至泵吸入口58的潜油泵56。当泵56由潜油马达20供给动力时，泵吸入口58允许井产流体被吸入潜油泵56。在许多应用中，马达保护装置60位于潜油马达20和泵56之间，以使得压力能够均衡同时将马达流体与井产流体隔离。

在图3中示出的实施方式中，电力经由电力电缆62供给至潜油马达20。当与传统的系统相比时，在潜油马达20中使用铁磁流体30使得实质上只有更小的电流流过电力电缆62、同时就潜油马达20和泵送系统38而言能够实现相同的性能。在马达20的给定输出下所需的电流的降低还减少了电力电缆62中的电阻损耗，并降低了动力源所需的电压，如放置在地面位置66处的动力源64。

大体上参照图4，提供了流程图以展示在地下设备运行期间(如在电动潜油泵送系统运行期间)降低电功率消耗的一种方法。在该实施例中，马达20最初与定子和沿着定子内部配置的转子装配在一起，如方块68所示。取决于具体的应用，选择合适的铁磁流体30，如方块70所示。用铁磁流体30填充马达，以使得在该马达运转期间能够充分地改善效率，如方块72所示。

铁磁流体填充的马达20结合在希望的井道设备中，如方块74所示。马达20可以结合在电动潜油泵送系统中，然而，该马达也可以结合在地层测试器泵系统、电动液压传动系统、电动马达驱动的流量控制阀系统、以及可以经由马达20供给动力的其它井道系统中。在这些实施方式中的至少某些实施方式中，铁磁流体填充的马达20和与其相关联的设备在井下配置在井眼中，如方块76所示。一旦配置在井下，值相对降低的电功率可以经由合适的电力电缆供给至马达20。

铁磁流体填充的马达20提供了充分增强的效率，这在各种环境中都是有利的。在井下应用中，马达20的独特设计简化了输送，并降低了沿井下长距离输送电功率的成本。然而，马达20可以用在各种系统、应用和环境中。此外，可以采用单独的马达或马达20的组合。例如，在某些电动潜油泵送系统，多个马达20用来向一个或多个潜油泵供给动力。取决于具体的马达应用，用来构造马达20的尺寸、配置和材料可以变化。铁磁流体可以经由铁磁流体密封件包含在马达20内，或者可以采用其它密封件或马达保护装置来包含该流体，同时使压力能够均衡。

虽然以上仅详细描述了少数几种实施方式，但本领域技术人员将容易理解，在本质上不背离本申请的教导的前提下，进行多种修改也是可能的。所以，这种修改包含在本发明的在权利要求中限定的保护范围中。这些实施方式并不意味着要在本文不恰当地限制目前的权利要求或任何后续相关的权利要求。

Claims (20)

1.一种用于降低电功率消耗的系统，包括：

潜油马达，所述潜油马达包括密封定子和转子的壳体；和

铁磁流体，所述铁磁流体以足够的量设置在壳体中，以充分浸没定子和转子。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，转子安装在延伸穿过壳体的纵向端部的轴上。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括在壳体的每个纵向端部处围绕所述轴安装的铁磁流体密封件。

4.一种方法，包括：

为马达配备转子，转子可转动地安装在定子内，以便在转子和定子之间存在间隙；以及

用铁磁流体填充间隙。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述配备包括将转子和定子密封在壳体内。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述配备包括将转子安装在延伸穿过壳体纵向端部的轴上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在壳体的纵向端部处围绕所述轴安装铁磁流体密封件。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括将所述马达接合在电动潜油泵送系统中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在井下将电动潜油泵送系统运输到井眼中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括将电功率经由从地面位置向下延伸通过井眼的电力电缆输送至马达。

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括用油基介质形成所述铁磁流体。

12.一种系统，包括：

电动潜油泵送系统，所述电动潜油泵送系统具有：

潜油泵；

泵吸入口；

马达保护装置；和

向潜油泵供给动力的潜油马达，潜油马达至少部分地填充有铁磁流体。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，潜油马达包括安装在轴上用于转动的转子，转子设置在定子内。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，潜油马达包括设置在所述轴周围的多个铁磁流体密封件。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，铁磁流体由油基介质形成。

16.一种冷却装置的方法，包括：

选择具有随温度反向变化的磁特性的流体；

用所述流体填充电动马达的至少一部分；以及

采用所述流体改善所述电动马达的冷却。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，选择所述流体包括选择铁磁流体。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括将所述电动马达连接至电动潜油泵送系统。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在井眼中运行所述电动马达。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括在水下环境中运行所述电动马达。

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