CN103644125A - 用于增强电磁线绝缘体的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于增强电磁线绝缘体的系统和方法。本发明的系统提供了用于能够承受高温的电磁线的增强绝缘体并且提供了对电动潜水泵（ESP）应用中所需的水的密封。本发明的系统的增强绝缘体提供了聚酰亚胺胶带例如Kapton胶带的电介质优点，同时还包括有机聚合体热塑性绝缘体的优点，该有机聚合体热塑性绝缘体阻止了可能发生在使用多种电动潜水马达的泵送应用中的、高温下的脱胶。

Description

用于增强电磁线绝缘体的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求Parmeter等人于2012年4月20日提交的名称为“用于增强电磁线绝缘体的系统和方法”的美国临时申请No.61/636,003的权益，该申请全部结合在此作为参考。

技术领域

在此描述的本发明的实施例涉及电磁线领域。更具体地，但不以限制的方式，本发明的一个或更多个实施例实现用于电动潜水泵应用的增强电磁线绝缘体的系统和方法。

背景技术

当前可获得的电磁线对于一些马达应用来说是不合适的。具体地，用于在油或气泵送应用中的马达中使用的电磁线应当是特别可靠的。当马达用于油井或气井中时，在马达处于地面中很深时，导线失效或短路是特别昂贵的。如果电磁线在马达中的绝缘体形成裂化，那么这些裂化可以引起马达的过早失效。

在电动潜水泵（ESP）的情况中，由于不得不从井中移除单元用于维修，因而马达的失效可能是灾难性的。特别地，ESP组件要求使用的电磁线能够承受地面以下深处的高温。此外，ESP泵可能有时发生渗漏，从而允许水进入马达。当暴露到这些渗漏时需要适当防水从而阻止短路的电磁线在所有泵应用类型中将是有利的。最后，电磁线在被运输时总是被损坏、发生断裂、裂痕或裂孔。这种损坏降低了导线的平均寿命。在运输期间具有增加耐用性的电磁线在所有电磁线应用类型中将是有利的。

当前可获得的电磁线有时利用例如

（E.I.Du Pont DeNemours公司的商标）胶带的聚酰亚胺薄膜进行绝缘。聚酰亚胺薄膜为具有抗高温、磨损和腐蚀的合成聚合物树脂型，主要用作在基底物质上的涂层或薄膜。虽然为了简化，本说明书使用了

作为聚酰亚胺薄膜的一个示例，但是在此没有将本发明限制为特定聚酰亚胺薄膜，例如

胶带。虽然

具有当前可获得的任何电磁线绝缘体的最高电介质强度，但是它具有固有缺陷。

容易吸收水（是吸水的），然后快速分解。用于将

胶带附接到导线的粘合剂在深井的极高温度下也会脱胶。卷绕有Kapton胶带的电磁线也易于在运输期间损坏。

另一个当前可获得的电磁线绝缘体是有机聚合体热塑性塑料绝缘体，例如PEEK（聚醚醚酮）。虽然PEEK在室温下具有足够的电介质强度，但是它在500°F以上使用时快速下降。在高温井中的马达温度可以达到550°F以上。因此，对于在ESP马达中使用来说，PEEK也不是理想的导线绝缘体。

因此，需要一种用于产生增强电磁线绝缘体的系统和方法，该增强电磁线绝缘体在运输期间更加防水且耐用，并且在用于ESP应用中的高温下也是可靠的。

发明内容

本发明的一个或更多个实施例实现用于ESP应用的增强电磁线绝缘体的系统和方法。

描述了一种用于增强电磁线绝缘体的系统和方法。本发明的系统可以包括采用增强电磁线绝缘体的电动潜水泵系统，该系统包括泵；适于用作电动潜水马达的感应马达，该感应马达联接到泵以使泵转动；电磁线，其卷绕地联接到电动潜水马达，所述电磁线包括适于用在大约且高于500°华氏温度（F）的温度中的增强绝缘体，所述增强绝缘体还包括联接到电磁线的聚酰亚胺胶带层，所述聚酰亚胺胶带层进一步被包封在有机聚合体热塑性绝缘体层内。在某些实施例中，所述聚酰亚胺胶带层为在某些实施例中，有机聚合体热塑性塑料为PEEK。

本发明的方法可以包括制造适于用于电动潜水泵应用的增强电磁线绝缘体的方法，该方法包括抽取铜电磁线至一定尺寸；清洗所述铜电磁线；拉动所述铜电磁线通过聚酰亚胺胶带卷绕机，以便产生卷绕的铜电磁线；重新抽取所述卷绕的铜电磁线通过挤出模具；将熔融的有机聚合体热塑性塑料施加到所述卷绕的铜电磁线，以便产生增强的电磁线；将所述增强的电磁线卷绕到感应马达内。在一些实施例中，所述有机聚合体热塑性塑料为PEEK。在某些实施例中，所述聚酰亚胺胶带为

示例性实施例的系统的感应马达可以包括本领域已知的用作电动潜水马达的多种类型的马达。例如，本领域公知的三相“鼠笼式”感应马达，以及永磁（PM）马达。适于与ESP组件使用的这些和其他马达可以受益于本发明的系统和方法的增强的电磁线绝缘体。

在进一步的实施例中，特定实施例的特征可以与其他实施例的特征相结合。例如，一个实施例的特征可以与其他实施例中的任一个实施例的特征相结合。在进一步的实施例中，附加特征可以被添加到在此描述的特定实施例中。

附图说明

本发明的上述和其他方面、特征以及优点将从下面的更具体说明并结合随附附图变得更加显而易见，其中：

图1是示出制造用于在电动潜水泵(ESP)系统中使用的增强的电磁线绝缘体的示例性方法的流程图；

图2A示出了ESP马达的沿着图3的线2A－2A截取的横截面视图，其中该ESP马达包含多个狭槽，该多个狭槽包括采用本发明的一个或更多个示例性实施例的绝缘体的示例性增强电磁线；

图2B示出了单个导线狭槽的细节，该单个导线狭槽包括采用图2A的示例性实施例的绝缘体的示例性增强电磁线；

图2C示出了沿着图2B的线2C－2C截取的截面视图，示出了示例性电磁线的绝缘体层的组合；

图3示出了采用在本发明的系统的一个或更多个实施例中使用的三相感应马达的示例性ESP；

图4图示地示出了在地面下布置的示例性电动潜水泵（ESP）组件，该ESP包括例证性实施例的增强电磁线的一个或更多个实施例。

虽然本发明易于进行各种改进和可替换形式，但是本发明的特定实施例在附图中通过示例被示出并且可以在此进行详细描述。附图可以不按照比例绘出。然而，应当理解的是，本发明的附图和详细说明不旨在将本发明限定到公开的特定形式，相反，本发明覆盖了落入由随附权利要求书限定的本发明精神和范围内的所有改进、等同物和替换物。

具体实施方式

现在将描述用于增强电磁线绝缘体的系统和方法。在下面的示例性描述中，阐述了多个特定细节以便提供对本发明实施例的更完全理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在不需要结合在此描述的特定细节的所有方面的情况下被实践。在其他情况下，对于本领域技术人员公知的特定特征、数量或测量没有被详细描述，从而不会搞混本发明。读者应注意的是，虽然本发明的示例在此被阐述，但是权利要求书和任何等同物的全部范围限制本发明的边界和界线。

如在本说明书和随附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括多个对象，除非本文清楚地另外指出。因此，例如，所提及的一条导线包括一条或更多条导线。

“联接”指的是在一个或更多个对象或部件之间的直接连接或间接连接（例如至少一个中间连接）。术语“直接附接”指的是在对象或部件之间的直接连接。

本发明的一个或更多个实施例提供了一种在电动潜水泵应用中使用的增强电磁线绝缘体的系统和方法。虽然本发明根据油或气泵送实施例进行描述，但是在此不旨在将本发明限制为该实施例。

本发明的系统包括电动潜水泵（ESP）系统。示例性实施例的ESP系统包括电磁线、用于电磁线的增强绝缘体、泵420和电动潜水马达300。图1示出了制造在电动潜水泵（ESP）系统中使用的增强电磁线绝缘体的一种或更多种方法。在步骤100处，铜电磁线250可以被抽取到一定尺寸且使用本领域已知方法进行清洗。在步骤110处，铜电磁线250可以被拉出通过聚酰亚胺薄膜（胶带）卷绕机来卷绕所述电磁线。聚酰亚胺胶带230可以在其表面上包含粘合剂，或者粘合剂可以被单独施加。该粘合剂与电磁线接触并且可以被热启动，从而提供到电磁线的粘结。可以使用的聚酰亚胺胶带230的一个类型是聚（4,4’-氧二亚苯基-均苯四酸亚胺），也已知为

聚酰亚胺胶带230的各种类型可以是合适的，例如胶带类型诸如FN、HN和HPP-ST。也可以使用具有类似化学性质的其他聚酰亚胺胶带。虽然聚酰亚胺胶带230单独具有当前可获得的任何导线绝缘体的最高电介质强度，但是当它用在ESP应用中时具有显著的机械缺陷。首先，聚酰亚胺胶带230是吸水的（它容易吸收水）并且在水的存在下分解。在深井中，例如油或气井中，有可能少量水进入马达，从而使聚酰亚胺胶带绝缘体容易短路，这是关键的系统失效。当ESP马达深入油井内时，这种失效是灾难性的。聚酰亚胺胶带绝缘体的另一已知问题是它可以在极其高温度下，例如300华式温度以上脱胶。另外，运输具有聚酰亚胺绝缘体的电磁线可以在绝缘体中导致裂痕或裂孔，从而减小其平均寿命和有效性。而且，过度震动也可以削弱聚酰亚胺胶带的粘合性。聚酰亚胺的这种机械缺陷可以导致胶带松散并且引起马达中的直接短路。最后，如果电磁线在施加聚酰亚胺胶带时不被过度清洗，那么粘结剂将不会正确粘合，并且聚酰亚胺会在卷绕期间容易被损坏，这也会导致卷绕中的短路。

为了克服聚酰亚胺胶带的这些和其他缺陷，例如，在步骤120处，卷绕有聚酰亚胺的电磁线然后被重新抽取通过挤出模具（模），以便将有机聚合体热塑性塑料240，例如熔融的PEEK（聚醚醚酮）施加到卷绕的电磁线，从而形成双重绝缘体的电磁线220。也可以采用与PEEK具有类似化学性质的其他有机聚合体热塑性塑料。在步骤130处，PEEK模迫使熔融有机聚合体热塑性塑料240围绕电磁线，从而密封聚酰亚胺胶带230并且形成增强电磁线。在步骤140处，增强电磁线现在可以以传统方式被卷绕到马达上并且用于ESP应用中。

在示例性实施例的方法中，应当注意的是有可能将两条增强电磁线接合在一起并且在下面的聚酰亚胺胶带230上仍然具有无缝、均匀的绝缘体涂层。为此，例如PEEK收缩管可以在被接合的增强电磁线之一上滑过。接下来，两个增强电磁线的端部可以使用合适的导线压模通过将电磁线冷焊接在一起的足够作用力被迫接合在一起。形成的毛边可以被修整平滑并且聚酰亚胺胶带230可以施加在裸露的电磁线上。然后，PEEK收缩管可以在接合件上滑过（并且定中心）。最后，小的“蛤壳”式加热器或类似装置可以被放置在该接合件周围。然后，加热器可以被打开，直到接合件附近的温度达到700°F为止。然后，加热器应当立即关掉并移除。因为在700°F的温度下PEEK收缩管（以及具有其他类似化学性质的那些）（以及电磁线上的PEEK）将被固化并熔化在一起形成无缝接合件，因而700°F的温度是重要的。

图2A详细示出了利用本发明的增强电磁线绝缘体进行绝缘的铜导线线圈的一个或更多个布置。图2A是沿着图3的线2A-2A的横截面，并且示出了定子包围的转子组件330的横截面视图。有机聚合体热塑性塑料，例如PEEK可以用于形成不受水影响且没有粘合问题的导线绝缘体。有机聚合体热塑性塑料，例如PEEK具有低的摩擦系数，该低的摩擦系数在卷绕定子时提供了优点。因为PEEK无缝或被包裹，因而PEEK也可以十分耐于运输和卷绕，从而它在运输或卷绕期间不容易损坏。然而，因为PEEK的电介质强度在500°F以上快速下降，因而PEEK单独使用对于用于ESP应用的电磁线绝缘体来说不是有利的。

本发明的增强电磁线结合了大大改进质量和绝缘可靠性的优点。由于磨损可以不再是个问题，因而增强电磁线将具有不需要清漆涂层或环氧涂层的坚硬且平滑表面。此外，该优点节省时间和制造成本。有机聚合体热塑性塑料240的低摩擦系数可以例如通过使绝缘电磁线更容易地插入到定子槽内而改进卷绕过程，从而减少在卷绕过程期间对导线的潜在损坏并且减少在卷绕过程中工作人员所需的体力劳动。形成的增强电磁线可以显著地比通过单独的现有绝缘体绝缘的导线更防水。当结合到具有用于ESP应用的三相感应PM或其他马达的系统内时，该方法产生了用于油井或气井钻井的改进系统。如本领域技术人员所预期的，该方法和其他实施例使用这些材料可以产生增强电磁线，该增强电磁线然后可以卷绕到马达上并且用于ESP应用中，具有与先前技术方案相比增加的可靠性。

图2B示出了图2A的一部分的示例性狭槽的细节。示例性增强电磁线220在图2B中的狭槽中被示出。如在本发明的一个或更多个实施例中，电磁线250被示出由两个绝缘体层保护，以便形成增强电磁线220。增强电磁线220可以使用本发明的一个或更多个实施例的增强电磁线绝缘体的层的组合来保护。

图2C示出了沿增强电磁线220的图2B的线2C-2C截取的截面。铜电磁线250被包封在聚酰亚胺胶带230中，该聚酰亚胺胶带自身被包封在有机聚合体热塑性塑料240内，以便产生本发明的增强电磁线220的一个或更多个实施例。增强绝缘体的优点和在此描述的方法和系统不限于每一种类型的绝缘体的单一层，并且本领域技术人员可以设想它的逻辑性延伸，所有这些均为本发明的实施例。

图3示出了在本发明的系统的一个或更多个实施例中使用的采用三相感应马达300的示例性ESP。虽然实施例不限于使用三相感应马达300，但是这种马达可以在本发明的系统中使用，以增加增强电磁线绝缘体的优点。本发明的系统的三相感应马达300可以是例如本领域中已知的三相“鼠笼式”感应马达。在一些实施例中，增强电磁线220可以用手缠绕在马达300上。本发明的系统的马达300可以在从15至1,000马力下操作，尽管本发明不限于该示例。端部线圈340和主引线350也被示出。主引线350连接到马达300的电力电缆。

图4提供了布置成泵送气体或油并且使用本发明的增强电磁线绝缘体的示例性ESP系统400的图解示例。如示出的，系统还包括电力电缆、生产管柱410、多级泵420、气体分离器、入口430、一个或更多个密封件440、井下传感器460和马达（例如使用增强电磁线250的马达300）。用于被示出的ESP的壳体的外径尺寸可以从大约4.5英寸变化到9英寸，尽管本发明不限于这些示例性实施例。

ESP系统的运行寿命可以直接与电力电缆的质量和可靠性相关。本发明的系统的电力电缆可以是圆的或扁平的并且构造成在从大约-60°F到大约450°F范围的温度下工作。系统的电力电缆应当在包括利用阻挡流体和气体的耐腐蚀屏障抗减压和耐疲劳的条件下提供极大的耐久性和可靠性。制造成ISO9001标准的电缆在本发明的一个或更多个实施例中可以是优选的。

本发明的系统可以可替换地包括永磁（PM）马达。永磁马达使用可以受益于在此描述的增强绝缘体电磁线的绕组定子。这种马达在本领域中是公知的。适于ESP应用的其他马达也可以用作本发明的系统的一部分。

虽然已经通过特定实施例及其应用描述了在此公开的本发明，但是本领域技术人员可以进行多种改进和变化，而不会背离权利要求书中阐述的本发明的范围。因此，前述描述在所有方面被认为是示例性的和不受限制的。本发明的范围由随附权利要求书示出，并且等同物的含义和范围的所有改变被预期包含在其中。

Claims (6)

1.一种采用增强电磁线绝缘体的电动潜水泵系统，所述系统包括：

泵；

感应马达，所述感应马达适于用作电动潜水马达，所述感应马达联接到所述泵，以便使所述泵转动；

电磁线，所述电磁线卷绕地联接到所述电动潜水马达，所述电磁线包括适于用在大约且高于500°华氏温度的温度中的增强绝缘体，所述增强绝缘体还包括联接到电磁线的聚酰亚胺胶带层，所述聚酰亚胺胶带层进一步被包封在有机聚合体热塑性绝缘体层内。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述聚酰亚胺胶带是聚（4,4’-氧二亚苯基-均苯四酸亚胺）胶带。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述有机聚合体热塑性绝缘体是PEEK。

4.一种制造适于电动潜水泵应用的增强电磁线绝缘体的方法，所述方法包括：

抽取铜电磁线至一定尺寸；

清洗所述铜电磁线；

拉动所述铜电磁线通过聚酰亚胺卷绕机，以便产生卷绕的铜电磁线；

重新抽取所述卷绕的铜电磁线通过挤出模具，将熔融的有机聚合体热塑性塑料施加到所述卷绕的铜电磁线，以便产生增强的电磁线；

将所述增强的电磁线卷绕到用于与电动潜水泵连接的感应马达。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述聚酰亚胺卷绕机是聚（4,4’-氧二亚苯基-均苯四酸亚胺）卷绕机。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述有机聚合体热塑性塑料是PEEK。

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