CN115023553A - 用于在电潜泵中对准永磁电机的系统和过程 - Google Patents

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CN115023553A CN202080081170.0A CN202080081170A CN115023553A CN 115023553 A CN115023553 A CN 115023553A CN 202080081170 A CN202080081170 A CN 202080081170A CN 115023553 A CN115023553 A CN 115023553A
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Abstract

本发明涉及具有两个或更多个永磁电机的电潜泵,并且更具体地,涉及其中使用相位对准标记和磁极对准标记对准永磁电机的系统。

Description

用于在电潜泵中对准永磁电机的系统和过程
技术领域
本申请要求2019年9月23日提交的美国临时申请No.62/903,979的优先权,其公开内容通过引用并入本文。
背景技术
本发明涉及用于井的电潜泵组件,特别是与电潜泵相关的高速部件。
发明内容
永磁电机可以用于电潜泵,例如,如2019年2月22日提交并且于2019年8月29日公开为US 2019/0264703的16/232,811中所述,该公开通过引用整体并入本文。现有技术的系统不能使用两个或更多个永磁同步电机,因为不知道如何使它们正确对准或是否可以正确对准。因此,例如,如果两个或更多个永磁同步电机被串联用于电潜泵中,那么需要一种有效的方法来确保电机对准。有利的是,本发明涉及经济高效地对准这类电机。
在一个实施例中,本发明涉及一种串联连接两个或更多个永磁电机的过程。该方法包括对准定子的相位以及对准转子上的磁极。在每个定子上制作相位标识标记,而在每个转子上制作磁极标识标记。
在另一个实施例中,本发明涉及一种电潜泵,该电潜泵包括第一永磁电机,该第一永磁电机包括带有第一磁极标识标记的第一转子和带有第一相位标识标记的第一定子。第二永磁电机包括带有第二磁极标识标记的第二转子和带有第二相位标识标记的第二定子。第一定子和第二定子的相位被对准,并且其中第一转子和第二转子的磁极被对准。
电潜泵(ESP)广泛用于油井和气井的流体生产。传统的ESP具有与电动机联接的离心泵。电机通常通过密封件(也称为保护器或均衡器)来防止井筒流体侵入。密封部段位于电机和泵之间,该密封部段用于减小电机外部的井筒流体和电机内部的润滑剂之间的任何压差。
许多ESP中的旋转泵包括旋转轴、叶轮和固定扩散器。叶轮与轴联接,并且在其旋转时产生升力,从而沿井向上驱动井筒流体。标准的感应型电机可以包括单个连续绕线定子、单个轴、安装在轴上的一个或更多个感应型转子、以及使轴居中的转子支承。
与标准ESP装置相比,本发明的各种公开实施例可以具有一个或更多个优点。一些公开的实施例利用更大范围的运行速度,利用主动冷却系统来降低电机温升,减少组装或装配装置所需的时间量,和/或提高ESP系统的动力效率。
公开的实施例还可以通过使用标准化部件来减少所需的库存,减少资金需求,减少人员需求,和/或减少装配期间钻机对开放井筒的暴露,从而提高安全性。
一些公开的实施例包含高速井下部件,包括泵、密封件、气体分离器、入口、电机和/或井下传感器。
一些实施例包括带有用于速度调节的控制系统的永磁同步电机。附加地或替代地,一些实施例可以包括沿着公共轴线连接和对准的高速泵、密封部段和/或气体分离器。在一些实施例中,电机可以是模块化构造和/或具有主动冷却系统,其通过热交换模块经由润滑剂循环来增加系统的散热。在某些实施例中,井下传感器可以用于基本实时地控制ESP的运行。
附图说明
图1描绘了所公开系统的示例性实施例的示意图。
图2描绘了示例性泵的上部部分的示意图。
图3描绘了示例性泵的中间部分的示意图。
图4描绘了示例性泵的下部部分和气体分离模块的上部部分的示意图。
图5描绘了示例性泵的下部部分和示例性气体分离模块的上部部分的示意图。
图6描绘了示例性气体分离模块的下部部分和密封部段的上部部分的示意图。
图7描绘了示例性密封部段的一部分的示意图。
图8描绘了密封部段下部部分中的示例性推力室的一部分的示意图。
图9描绘了示例性推力室和电机头部模块的一部分的示意图。
图10A描述了所公开电机的示例性实施例。
图10B描绘了示例性电机头部模块的一部分的示意图。
图11描绘了示例性动力模块的一部分的示意图。
图12描绘了示例性基部模块的一部分的示意图。
图13描绘了示例性中心热交换模块的一部分的示意图。
图14描绘了示例性下部热交换模块的一部分的示意图。
图15描绘了带有润滑剂回流的示例性基部模块的一部分的示意图。
图16A、B和C描绘了示例性中心热交换模块的示意图。
图17A、B和C描绘了示例性下部热交换模块的示意图。
图18描绘了示例性无法兰连接。
图19A描绘了一种示例性组装套筒组件。
图19B和C描绘了示例性套筒组件的部件。
图20A和B描绘了带有表面特征的衬套的实施例。
图21示出了带有相位对准标记的定子叠片。
图22示出了带有相位对准标记的堆叠件。
图23示出了装配在电机壳体中时的定子对准标记。
图24示出了组装时转移到电机壳体的外部的定子对准标记。
图25示出了当电机耦合在一起时对准的相位。
图26示出了对准的相位。
图27示出了相位U、V和W绕组。
图28示出了带有固位套筒的转子。
图29示出了不带有固位套筒的转子,其中磁极之间带有分隔条。
图30示出了与键槽对准的磁极分区以及轴的端部上的磁极位置凹口。
图31示出了与磁极位置凹口对齐的联轴器对准凹口,以对准转子。
图32示出了联接在一起的转子,其中磁极对准。
具体实施方式
在以下描述中,阐述了某些细节,比如具体数量、大小、布置、配置、部件等,以便提供对本文所公开的实施例的透彻理解。然而,对于本领域的普通技术人员来说,显然可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开。在许多情况下,已经省略了关于这些考虑以及诸如此类的细节,因为这些细节对于获得对本公开的完整理解不是必需的,并且在相关领域的普通技术人员的技能范围内。
出于阐明所公开发明的各种实施例的目的,下文所述的系统和组件在示例性电潜泵的背景下呈现。对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是,所公开的系统可以与其他设备、部件和应用一起使用。
示例性电潜泵实施例
在一个非限制性示例性实施例中,所公开的发明涉及一种电潜泵(EPS)组件。如图1所示,示例性ESP包括至少一个离心泵模块(6)、气体分离器(7)、密封部段(8)、带有主动冷却系统的电动机(9)和井下传感器装置(10)。在运行中,电机产生扭矩,该扭矩通过电机轴传输到密封部段轴。密封部段轴将扭矩传送到气体分离器轴,该气体分离器轴将扭矩传送到泵模块。泵模块利用电机产生的扭矩沿着井筒向上提升井筒流体。
如图2所示,泵模块(6)可以具有排放头(14)。排放头(14)可以与泵模块(6)成一体,或者通过本领域已知的多种合适技术中的任一种技术附接到泵模块上。排放头(14)可以使用法兰连接经由法兰连接到泵头(16)或使用无法兰连接件来连接到泵头。在一些实施例中,排放头(14)将使用耐腐蚀紧固件(15)(例如,比如螺纹件)连接到泵头(16)。泵轴(18)可以使用开口环锁定到轴向可调节组件(19)中。泵轴(18)可以包括键槽,例如,包括将叶轮(23)和支承套筒(24)附接到轴上的双键槽。在许多实施例中,叶轮(23)和/或支承套筒(24)旋转固定到轴(18)上。应当理解,本文使用的术语“叶轮”可以指用于移动流体的任何旋转部件。
扩散器,或在某些实施例中,带有支承衬套的扩散器(22)的堆叠,以及叶轮(23)可以置于泵壳体(17)内部。压缩管(21)、径向支承支撑件(20)和/或泵头(16)也可以至少部分固定在泵壳体(17)内。在一些实施例中,泵头(16)可以含有高速、自动对准的径向支承系统。在一些实施例中,高速、自动对准的径向支承系统可以与泵头分离或与泵头成一体。
如图3所示,泵模块(6)具有至少一个径向支承支撑件(25)。在优选实施例中,径向支承支撑件(25)包括径向支承系统,该径向支承系统包括容纳在支承支撑件中的衬套和安装在轴上的套筒(25A)。在优选实施例中,径向支承系统包括高速自动对准(HSSA)支承。
如图4所示,泵轴(18)可以具有连接到联轴器(28)上的花键。在一些实施例中,此处以及整个申请中描述的花键可以是渐开线花键、SAE6花键或允许轴连接到联轴器上的其他变型。联轴器(28)可以将扭矩从气体分离器模块(7)的轴传送到泵轴。泵模块(7)的底部法兰(27)可以使用紧固件(29)固定到气体分离器模块(7)的顶部法兰(30),例如,所述紧固件可以包括高强度的耐腐蚀螺纹件。在许多实施例中,叶轮(23)和支承套筒(24)与泵轴(18)形成刚性连接。底部法兰(27)可以含有径向支承系统,优选包括用于向泵轴(18)提供径向支撑的HSSA支承件。应当理解,术语“底部法兰”和“基部”在整个说明书中可以互换使用。还应当理解,术语“顶部法兰”和“头部”在整个说明书中可以互换使用。
如图5所示,气体分离器模块(7)可以包括带有HSSA支承件(31)和物相跨越部(32)的顶部法兰(30)。物相跨越部(32)将生产流体中的气相引导到井筒环空中,并且将液相引导到泵中。螺旋诱导轮(34)可以经由键槽或双键槽锁定到气体分离器轴(33)。气体分离器壳体(103)可以装配有套筒(35),以保护气体分离器壳体的内表面免受磨损和腐蚀。在一些实施例中,这些套筒(35)可以包括金属陶瓷,例如,比如碳化钨、碳化硅或碳化锆,和/或提供抗磨性、耐磨性、耐腐蚀性或其他所需特性的其他材料。
如图6所示,气体分离器模块(7)的底部法兰(38)可以包括HSSA径向支承件,并且具有至少一个用于井筒流体流入的端口。井筒流体可以指单相和/或多相井筒流体或地层流体。在一些实施例中,气体分离器模块的底部法兰(38)可以装配有用于从井筒流体中去除碎屑的筛网(104)。扭矩可以通过花键联轴器(105)从密封部段(8)传到气体分离器轴(33)。气体分离器(7)的底部法兰(38)可以经由高强度的耐腐蚀螺纹件(39)连接到密封部段(8)的法兰(41)上。
密封部段(8)可以是多腔室组件,其用于四种主要功能中的至少一个:(1)将扭矩从电机模块传送到泵模块;(2)吸收来自泵模块的推力;(3)保护电机模块的内部腔室免受井筒流体的影响;和/或(4)减小电机的内部和外部之间的压差。应当理解,术语“密封部段”、“均衡器”和/或“保护器”在行业内可以同义地用来指代密封部段。
在一些示例性实施例中,密封部段(8)可以具有带有HSSA支承件的顶部法兰或头部(41)、双键轴和/或密封部段轴(40)以及机械密封件(42)。在一些实施例中,密封部段轴(40)在两端都包括花键。在一些实施例中,机械密封件(42)是高速机械密封件,其被配置为保护密封部段(8)不被轴(40)周围的井筒流体侵入。在优选实施例中,密封部段轴(40)装配有HSSA支承套筒(43),该支承套筒与HSSA支承衬套相互作用。密封部段的顶部法兰(41)可以具有通气端口(106),用于在电动机的内部腔室填充有润滑剂时去除空气或其他气体。在一些实施例中,润滑剂用作冷却剂和/或润滑剂是介电流体或是基本上介电的流体。顶部法兰(41)还可以具有切向端口(107),用于去除机械密封件(42)周围的沉积物、颗粒或其他固体。顶部法兰的主体可以具有其中插有管(109)的端口,这有助于将外部液压从井筒流体传送到密封部段和/或电动机的填充流体和/或润滑剂。在一些实施例中,管(109)遵循迷宫式方案。在一些实施例中,可以使用管(109)和管(110)来实现外部井筒流体和内部润滑剂之间的流体静压的迷宫式传送。密封部段头部(41)可以连接到上部密封部段壳体(44)上。
如图7所示,上部密封部段壳体(44)的底部可以连接到上部密封部段主体(46)上,在此处可以安装第二机械密封件(45)。在这样的实施例中,第二机械密封件(45)将迷宫式腔室与袋囊腔室、附加迷宫式腔室或其组合分开。密封部段主体还可以含有HSSA支承件(111)、通气端口(112)和/或连接通道(113),该连接通道在袋囊腔室部段和/或附加迷宫式腔室的中心腔室与上部迷宫式腔室之间。迷宫式腔室和/或袋囊腔室的具体配置可以取决于井的条件、ESP的其他部件和/或其他因素。
上部密封部段头部(46)可以连接到中心密封部段壳体(114)上。上部密封部段主体(46)的底部部分可以装配有第二迷宫的管(115),以将流体动压和/或流体静压从顶部腔室传送到中心腔室。中心密封部段壳体(114)可以装配有上部袋囊支撑件(47),并且袋囊可以通过夹具(116)固定到上部袋囊支撑件(47)上。在一些实施例中,上部袋囊支撑件(47)可以经由支撑管(117)连接到下部袋囊支撑件(118)上。支撑管(117)有助于上部袋囊支撑件(47)和下部袋囊支撑件(118)之间的刚性连接。在一些实施例中,可以使用单个袋囊。在其他实施例中,可以使用类似的安装技术连续布置多个袋囊。
如图8所示,下部袋囊支撑件(118)可以连接到中心密封部段壳体(114)和推力室壳体(50)之间的下部密封主体(49)上。下部密封部段主体(49)可以装配有HSSA支承件(119)和/或通气端口(120)。下部密封部段主体(49)可以含有高速机械密封件和HSSA支承件,并且可以螺纹连接到推力室壳体(50)中。在一些实施例中,推力室壳体(50)含有单个、双个或更多个止推支承件(51)和(52)。
在一些实施例中,每个止推支承件(51和52)可以装配有弹簧阻尼器(121和122)。弹簧阻尼器可以有助于使止推支承件(51和52)之间的工作推力载荷更均匀或大致均匀地分配。在一些实施例中,弹簧阻尼器可以包括Belleville垫圈堆。在一些实施例中,垫圈堆以平行构造延展,以促进均匀的推力载荷在两个止推支承之间传递。
顶部推力镜板(51A)可以是双侧的,并且与静态面(123)接合,以吸收潜在的向上推力。启动过程中可能会遇到向上的推力。如果遇到向下的推力,则顶部推力镜板(51A)上的向下推力面可以接合抵靠上部止推支承组件(51)。在一些实施例中,在推力向下的情况下,单侧镜板(52A)可以接合抵靠下部止推支承组件(52)。
推力室热交换器可以包括内壁(124)。在一些实施例中,该内壁的外部可以是螺旋形的,或者以其他方式包括盘旋状或其他曲折的通路,用于将电机机油或其他润滑剂从推力室的顶部移动到推力室的底部,紧密靠近推力室壳体50。推力室热交换器的内壁和推力室壳体(50)之间的润滑剂通路可以是盘旋状或其它曲折的路径,以便增加润滑剂在热交换器通路中的停留时间,从而增加通过推力室壳体(50)向井筒流体散发的热量。一旦循环的润滑剂到达推力室的底部,它可以在再次循环通过推力室之前穿过过滤器(126)。
在一些实施例中,润滑剂具有高介电强度和/或高粘度。在一些实施例中,润滑剂具有大于20KV、或大于25KV、或大于30KV、或大于35KV的介电性。在一些实施例中,润滑剂具有至多20KV、或至多25KV、或至多30KV、或至多35KV的介电性。
在一些实施例中,润滑剂在40℃下的粘度为至少60CST、或至少70CST、或至少80CST、或至少100CST、或至少120CST、或至少140CST。在一些实施例中,润滑剂在40℃下的粘度为至多70CST、或至多80CST、或至多100CST、或至多120CST、或至多140CST、或至多160CST。
在一些实施例中,润滑剂在100℃下的粘度为至少5CST、或至少7CST、或至少10CST、或至少12CST、或至少14CST、或至少16CST。在一些实施例中,润滑剂在100℃下的粘度为至多7CST、或至多10CST、或至多12CST、或至多14CST、或至多16CST、或至多18CST。
如图9所示,推力室壳体(50)的下部部分可以设计有螺纹连接。这种螺纹连接可以用于将推力室壳体(50)连接到密封部段基部(56)上,该密封部段基部可以装配有HSSA支承件(127)和/或安全阀(128),用于在工厂利用冷却剂、润滑剂、介电流体或带有一种以上这些特性的流体填充密封部段。
密封部段基部(56)可以装配有螺纹件(129),该螺纹件致动阀(128)并且允许润滑剂流体流入到密封部段的底部法兰和电机模块的顶部法兰之间的自由空腔中。密封部段轴(40)上的底部花键可以与联轴器(131)配合,该联轴器可以用于将扭矩从电机头部模块轴(59)传送到密封部段轴(40)。
如图10A所示,在一些示例性实施例中,电机模块(9)可以是模块化构造的永磁同步电机。组合电机模块(9)可以包括头部模块(310)、动力模块(320)和基部模块(330)。
如图10B所示,在一些实施例中,头部模块(310)包括HSSA支承件以及头部(57)、可以具有花键的中空头部模块轴(59)、头部模块壳体(134)、接线块(60)和/或无法兰连接件(64),该无法兰连接件可以用于将头部模块与动力模块的顶部配合。
接线块(60)可以容纳三个与电机引线电缆配合的端子,并且密封连接,防止井筒流体侵入。这些端子可以经由引出导线(132)在内部连接到绝缘块(68)中的阴性端子上。头部(57)的底部部分可以装配有保护嵌件(61),该保护嵌件可以用于保护引出导线免受旋转头部模块轴(59)的影响。
头部模块(310)还可以装配有填充阀(133),当该装置与密封部段(9)组合运行时,该填充阀可以用于向电动机的内部腔室和/或密封部段的下部腔室填充润滑剂。
头部模块壳体(134)可以螺纹连接到头部(57)和/或支承支撑件(71)上。在一些实施例中,支承支撑件与头部(57)是一体的。HSSA支承件(62)可以装配在头部模块壳体中,并且通过锁紧螺母保持在适当位置。在某些实施例中,支承支撑件(无论是与头部成一体的部件还是单独的部件)也可以包括与动力模块上的阳性端子连接的任何阴性端子的安装孔洞。
头部模块壳体(134)的下部部分可以具有无法兰连接件(64)。在示例性的无法兰连接件(64)中,两端上的螺纹可以处于彼此相反的方向,以实现与动力模块(320)的螺纹连接,而无需沿着电机外部进行外部镦粗。例如,无法兰连接件(64)可以经由右旋螺纹装配到头部模块壳体(134)上,而相对端可以装配到含有左旋螺纹的动力模块壳体(136)上。应当理解,与左旋螺纹相比,右旋螺纹沿着相反方向转向。然后,可以通过将锁紧螺母(65)锁定在动力模块的壳体上来固定这种连接件。也可以使用定位螺纹件或其他类似的锁紧方法来固定这种连接件。在进行连接时,可以使用特殊的对准工具来确保动力端子(63)和(68)与联轴器正确配合。头部模块轴(59)的下部花键可以连接到联轴器(135)上,该联轴器被设计用于将扭矩从动力模块中的转子(66)的轴传送到头部模块轴(59)。支承支撑件(136)可以位于动力模块(320)的上端,上部HSSA支承衬套(137)可以位于该上端和/或动力模块转子(66)可以位于该上端。
如图11所示,绕线定子铁芯(72)可以位于动力模块壳体(67)内。绕组线圈可以位于定子铁芯(72)内部。下部支承支撑件(75)可以位于绕组端部线圈(73)下方的动力模块壳体(67)内部。下部支承支撑件(75)可以装配有HSSA支承衬套(76)和相应的HSSA支承套筒(74)。HSSA支承套筒(74)可以连接到转子(66)上。
在一些实施例中,转子(66)的上端和下端均与轴向止推垫(79)相关联,该轴向止推垫允许转子(66)在绕线定子铁芯(72)的磁场内自动对准。
下部支承支撑件(75)可以具有安装狭槽,用于安装上述绕线定子铁芯(72)的下部端子(138)。在一些实施例中,动力模块壳体(67)的下部部分可以利用与前述无法兰连接件类似或基本相同的无法兰连接系统。
如图12所示,电机基部模块(330)可以包括基部模块壳体(88)、带有HSSA支承套筒的空心轴(80)、带有HSSA支承衬套的支承支撑件(83)、叶轮(84)和/或可调节轴向止推垫(85)。在一些实施例中,基部模块(320)的支承支撑件(83)可以含有阳性端子(82)的与下部动力模块的阴性端子连接的安装点。在一些实施例中,端子(82)可以与铜总线连接,以形成连接电机所有三相的Y形点。下部动力模块壳体(86)可以经由开口环(87)或无法兰连接系统与基部模块壳体(88)配合。
在一些实施例中,转子轴(66)的下端可以经由花键联轴器(90)与基部模块轴(80)配合。
在一些实施例中,离心泵叶轮(84)可以安装在基部模块轴(80)上。叶轮(84)可以装配有耐磨的镜板,该镜板可以被配置为接触止推支承件(85)。止推支承件(85)可以具有带有弹簧嵌件(92)的回转支撑件(91),这有助于轴向支承件(93)的摩擦表面的更均匀接触。轴向支承件(93)的主体可以置于连接联轴器(94)上,并且装配有调节支撑件(95),该调节支撑件可以用于调节整个电机系统中转子的轴向间隙。
在一些实施例中,基部模块(320)的元件可以具有孔洞,这些孔洞形成传感器导线和/或热电偶穿过的通道。这些导线可以穿过热交换器模块的中心通道,到达井下传感器(10)的法兰处。
连接联轴器主体(97)可以包括上部和/或下部螺纹,其可以用于将基部模块壳体(88)固定到中心热交换模块(410)外部壳体(98)上。连接联轴器(97)可以具有切向通道,该切向通道可以用于将润滑剂的流动引导到中心热交换模块(410)的外部壳体(98)和内部壳体(100)之间的通路中。在一些实施例中,由于内部壳体(100)的外壁具有连接在螺旋状路径中以引导润滑剂流动的导向叶片,所以所述通路中的流动处于螺旋形或螺旋状运动。该螺旋状通路可以用于增加润滑剂的停留时间,并且增加从润滑剂传递到井筒流体的热量。在一些实施例中,内部壳体(100)的内部腔室可以包含移位环(101),该移位环减少了交换器的内部腔室中填充润滑剂的体积。在一些实施例中,移位环(101)可以包括热膨胀系数(CTE)较低的材料。
如图13所示,一旦润滑剂到达中心热交换模块(410)的底部,其可以经由端口(146)进入连接联轴器,并且通过通道(147)跨越该连接,该通道将流体引导到由下部热交换模块外部壳体(148)部分限定的下部热交换模块(450)的外部通道中。
如图14所示,下部热交换模块(450)的外部壳体(148)的下部部分可以与底部法兰(149)具有螺纹连接。底部法兰可以用于连接井下传感器,并其可以装配有填充阀(150),该填充阀可以用于用润滑剂填充热交换器的内部腔室。
润滑剂可以流经下部热交换器的外部通路(453),以便将热量从润滑剂散发到外部壳体,并且散发到井筒流体中。然后,润滑剂可以从下部热交换模块(450)的外部通路(453)经由端口(151)流入到下部热交换模块的内部中,并且可以经过和/或穿过磁阱(152),以捕获任何颗粒,例如,比如含铁的磨损碎屑。润滑剂回流管(153)可以连接下部热交换模块(450)的基部和头部。在一些实施例中,润滑剂回流管(153)可以为移位环(154)提供刚性和/或安装框架。润滑剂回流管(153)可以具有从外部到内部的若干开口,这些开口可以覆盖有细网过滤器,以减少引入到电机中的杂质和/或不含铁材料的数量。在一些实施例中,该网状过滤器可以是孔隙大小基本均匀的筛网。在一些实施例中,孔隙至少约10μm宽、或至少约20μm宽、或至少约25μm宽、或至少约30μm宽、或至少约40μm宽。在一些实施例中,孔宽至多约10μm宽、或至多约20μm宽、或至多约25μm宽、或至多约30μm宽、或至多约40μm宽。
如图15所示,一旦润滑剂进入回流管(153),它可以通过一个或更多个中心热交换模块(410)的回流管、通过连接管(155)和/或通过回流路径,向上流动,直至其到达电机基部模块(330)。然后,经过冷却和过滤的润滑剂可以通过基部模块轴(80)回流到转子(66),然后在通过中心热交换模块(410)和下部热交换模块(450)循环回来之前,向上循环通过各种电机模块和/或密封部段。
对于普通技术人员来说显而易见的是,上述示例性实施例的元件可以在替代配置、替代应用中使用,具有和/或不具有本文所述和以其他方式在本领域中已知的任何其他各种元件。同样显而易见的是,与任何实施例相关联的各种元件可以与任何其他实施例一起使用,以实现基本相同或类似的结果。
高速电潜泵
所公开发明的一些实施例属于与经由井下潜水泵装置进行人工举升的井筒流体生产相关的设备类别。一些实施例包括永磁电机,其可以填充有冷却剂和/或润滑剂。在一些实施例中,所公开的泵可以在大于约3000RPM、或大于约5000RPM、或大于约6000RPM、或大于约7000RPM、或大于约9000RPM、或大于约10000RPM的速度下运行。在一些实施例中,所公开的泵可以在小于约3000RPM、或小于约5000RPM、或小于约6000RPM、或小于约7000RPM、或小于约9000RPM、或小于约10000RPM的速度下运行。
所公开发明的一些实施例涉及一种ESP组件,该组件在给定流速和/或压头下比标准ESP更短。在一些实施例中,所公开的ESP的长度小于约80英尺、或小于约60英尺、或小于约50英尺、或小于约45英尺、或小于约42英尺、或小于约35英尺、或小于约30英尺、或小于约25英尺、或小于约20英尺。在一些实施例中,所公开的ESP的长度大于约80英尺、或大于约60英尺、或大于约50英尺、或大于约45英尺、或大于约42英尺、或大于约35英尺、或大于约30英尺、或大于约25英尺、或大于约20英尺。在一些实施例中,所公开的ESP的长度大于约80英尺、或大于约60英尺、或大于约50英尺、或大于约45英尺、或大于约42英尺。
某些实施例涉及包括泵模块的ESP组件,其中泵模块包括泵轴和一个或更多个叶轮,其中泵轴在操作上连接到电机轴上,并且其中叶轮通过键槽旋转固定到泵轴上。在一些实施例中,ESP进一步包括气体分离器模块和/或入口模块,其中气体分离器包括气体分离器轴和诱导轮,其中气体分离器轴在操作上连接到电机轴上,并且诱导轮通过键槽旋转固定到气体分离器轴上。在一些实施例中,诱导轮是可变螺距的诱导轮。在一些实施例中,ESP进一步包括位于电机模块和泵模块之间的密封部段,其中密封部段被配置为将扭矩从电机轴传送到泵轴,并且吸收来自泵模块的推力。在一些实施例中,ESP进一步包括电机模块,其中电机模块包括被配置为以所需rpm运行的AC电动永磁电机,该电机被配置为使电机轴和/或电机冷却系统旋转,其中电机冷却系统包括电机冷却叶轮,该电机冷却叶轮被配置为使润滑剂循环通过电机模块热交换器,其中该电机模块热交换器包括电机模块润滑剂通路,该电机模块润滑剂通路被配置为增加润滑剂在电机模块热交换器中的停留时间。
在一些实施例中,ESP组件可以装配在套管通径小于约8英寸、小于约7英寸、小于约6英寸、小于约5英寸、或小于约4.6英寸、或小于约4.1英寸的井中。在一些实施例中,ESP组件可以装配在套管通径大于约8英寸、大于约7英寸、大于约6英寸、大于约5英寸、或大于约4.6英寸、或大于约4.1英寸的油井中。在一些实施例中,ESP组件可以装配在具有套管的油井中,该套管具有约4.6英寸的通径。
在一些实施例中,ESP组件的以英尺为单位的总动压头(TDH)与以英尺为单位的长度之比至少约为80、或至少约为100、或至少约为150、或至少约为200、或至少约为220、或至少约为230、或至少约为250、或至少约为300。在一些实施例中,ESP组件的TDH与长度之比至多约为80、或至多约为100、或至多为150、或至多约为200、或至多约为220、或至多约为230、或至多约为250、或至多约为300。
在一些实施例中,ESP组件的制动马力(BHP)与以英尺为单位的长度之比至少约为4、或至少约为5、或至少约为7、或至少约为9、或至少约为10、或至少约为10.5、或至少约为12。在一些实施例中,ESP组件的BHP与长度之比至多约为4、或至多约为5、或至多约为7、或至多约为9、或至多约为10、或至多约为10.5、或至多约为12。
在一些实施方案中,ESP生产至少约400桶每日(bpd)、或至少约1000bpd、或至少约2000bpd、或至少约2500bpd、或至少约3000bpd、或至少约3500bpd、或至少约4000bpd、或至少约5000bpd、或至少约6000bpd、或至少约7000bpd、或至少约7500bpd。在一些实施方案中,ESP生产为至多约400桶每日(bpd)、或至多约1000bpd、或至多约2000bpd、或至多约2500bpd、或至多约3000bpd、或至多约3500bpd、或至多约4000bpd、或至多约5000bpd、或至多约6000bpd、或至多约7000bpd、或至多约7500bpd。一些实施例被配置为在不改变井下设备的情况下生产约1000至约3000bpd的产量。优选施例被配置为在不改变井下设备的情况下生产约400至约4000bpd的产量。由于所公开的实施例被配置为在大范围的生产量上操作,所以随着油井产量的变化,可以使用相同的ESP。在油气井的整个生命周期中,产量可能会下降。传统上,这需要移除一个被配置为产生更大体积流体的ESP,并且用被配置为产生更小体积流体的不同ESP来替换它。随着油井产量的减少,这一过程可以重复多次。每次更换或替换ESP或其他井下部件时,相应的地面设备也可能需要替换。这些步骤中的每一步都可能导致停机时间、损失或推迟生产,并且增加库存需求。此外,每次密封油井时,都有丢失油井的风险,因此设备可能需要被移除和/或重新装配。通过利用所公开的实施例,可以减少和/或避免这些缺点,所公开的实施例在较大的产量范围内操作,从而减少或消除更换井下设备和/或相应地面设备的需要。
在某些优选实施例中,所公开的ESP可以装配在井内,其中套管的通径约为4.6英寸,生产大于3000桶每日(bpd),以英尺为单位的TDH与以英尺为单位的长度之比至少约为100,并且BHP与以英尺为单位的长度之比至少约为5。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,密封部段包括与密封部段周围的外部环境流体连通并且与内部腔室或多个腔室流体连通的端口,该内部腔室被配置为降低组件外部与组件内部之间的压差。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,密封部段包括密封部段冷却系统,其中密封部段冷却系统包括密封部段热交换器,其中密封部段热交换器包括密封部段润滑剂通路,该密封部段润滑剂通路被配置为增加润滑剂在密封部段热交换器中的停留时间。在这样的实施例中,密封部段可以进一步包括密封部段润滑剂回流路径。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,密封部段和电机润滑剂路径相连,并且利用单个热交换器系统来冷却密封部段和电机模块。在这样的实施例中,电机润滑剂回流路径也可以与密封部段润滑剂回流路径相连,以便为密封部段和电机模块创建连续和/或相连的热交换组件。
所公开的ESP组件的一些实施例包括至少一个或一个以上的高速自动对准支承件。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,电机模块热交换器包括上部热交换模块和下部热交换器模块,下部热交换模块包括被配置为捕捉不含铁颗粒的筛网和被配置为捕捉含铁颗粒的磁阱。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,密封部段包括推力室,其中推力室包括至少两个止推支承件,并且其中每个止推支承件都装配有弹簧阻尼器,该弹簧阻尼器被设计用于将推力载荷分配到两个止推支承件之间。在一些实施例中,弹簧阻尼器可以被设计成将泵的推力载荷基本均匀地分配到两个止推支承件之间。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,电机模块包括头部模块、动力模块和基部模块。在一些实施例中,电机模块包括一个以上的动力模块。动力模块的数量可以依据给定应用的ESP的动力需求进行调节。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,至少两个动力模块设置在头部模块和基部模块之间,并且使用无法兰连接件将两个动力模块彼此连接。在一些实施例中,使用无法兰连接件,以将头部模块连接到动力模块和/或将基部模块连接到动力模块。
在所公开的ESP组件的一些实施例中,电机模块进一步包括具有磁场的定子,其中电机转子被配置为在定子的磁场内自动对准。
所公开的ESP的一些实施例进一步包括轴向座合系统,该轴向座合系统被配置为座合电机转子。在一些实施例中,转子在定子磁场内的轴向座合可以在系统的整个运行范围内变化。轴向载荷面可以具有略微不同的显微硬度,以便如果需要以及在需要时从较低的显微硬度面上去除材料,从而使转子座合在给定的工作点处。在轴向推力组件中,动态面优选具有比静态面更高的显微硬度,并且静态面优选具有比动态面更高的抗压强度。在ASTM C1424-15,Standard Test Method for Monotonic Compressive Strength ofAdvanced Ceramics at Ambient Temperature中描述的方法和技术可以用于确定材料的抗压强度。
在一些实施例中,轴向推力组件的动态面包括抗压强度至少约为3500Mpa、或至少约为3700Mpa、或至少约为4000Mpa、或至少约为4200Mpa、或至少约为4500Mpa的材料。在一些实施例中,轴向推力组件的动态面包括抗压强度至多约为3500Mpa、或至多约为3700Mpa、或至多约为4000Mpa、或至多约为4200Mpa、或至多约为4500Mpa的材料。
在一些实施例中,轴向推力组件的静态面包括抗压强度至少约为7200Mpa、或至少约为7500Mpa、或至少约为7800Mpa、或至少约为8000Mpa、或至少约为8200Mpa的材料。在一些实施例中,轴向推力组件的静态面包括抗压强度至多约为7200Mpa、或至多约为7500Mpa、或至多约为7800Mpa、或至多约为8000Mpa、或至多约为8200Mpa的材料。
在一些实施例中,转子可以在转子主体的上端和下端配备有轴向载荷面。相应的定子可以配备有互补的上部载荷面和下部载荷面,该上部载荷面和下部载荷面被配置为当与转子表面相互作用时吸收载荷并且将载荷分配到定子壳体。这种布置允许转子在其整个运行范围内优先在定子的磁场内对准。
主动冷却系统
在一些实施例中,主动冷却系统用于降低或维持电机温度和/或润滑剂温度。所公开的主动冷却系统可以与各种电机(例如,包括永磁电机和/或感应电机)一起使用,和/或可以与密封部段或其他非电机机器一起使用。应当理解,所公开的主动冷却系统的特征和元件可以与其它公开的实施例以及其它设备和/或机器一起使用。
在一些实施例中,具有所公开的主动冷却系统的电机包括电动机、叶轮、至少一个中心热交换器模块以及下部热交换器模块。每个热交换器模块通常包括头部和基部。在所公开的实施例中,叶轮可以被布置成驱动润滑剂进入中心热交换器。如图16A-C所示,在一些实施例中,中心热交换器模块(410)包括外部壳体(412)、内部壳体(415)以及与每个中心热交换器模块的头部和基部连接的润滑剂回流管(417)。内部壳体(415)位于外部壳体(412)内,并且被布置成在内部壳体和外部壳体之间形成中心热交换器润滑剂通路(418)。润滑剂通路(418)允许润滑剂薄层在内部壳体和外部壳体之间通过。这就形成了热通路,从而允许热量从润滑剂传递到外部壳体,然后传递到井筒流体。在许多实施例中,润滑剂通路(418)以螺旋模式布置,这使得润滑剂围绕螺旋通路流动,从而增加润滑剂在热交换器中度过的停留时间,并且允许更多的热量从润滑剂传递到外部壳体和井筒流体。在一些实施例中,使用缠绕在内部壳体(415)外部的导线或类似材料来形成该螺旋通路。附加地或替代地,导线可以绕线在外部壳体的内部,从而在内部壳体和外部壳体之间形成螺旋状润滑剂通路。在优选实施例中,螺旋通路是通过在内部壳体(415)的外部加工一条通路而形成的。
在一些实施例中,由内部壳体和外部壳体之间的空间限定的润滑剂通路(418)至少约0.04英寸宽、或至少约0.06英寸宽、或至少约0.065英寸宽、或至少约0.07英寸宽、或至少约0.1英寸宽、或至少约0.25英寸宽、或至少约0.5英寸宽。在一些实施例中,由内部壳体和外部壳体之间的空间限定的润滑剂通路(418)至多约0.04英寸宽、或至多约0.06英寸宽、或至多约0.065英寸宽、或至多约0.07英寸宽、或至多约0.1英寸宽、或至多约0.25英寸宽、或至多约0.5英寸宽。在优选实施例中,润滑剂通路(418)约为0.0675英寸宽。
如图17A、B和C所示,在一些实施例中,下部热交换器(450)包括下部外部壳体(452)、下部内部壳体(455)和下部润滑剂回流管(457)。下部内部壳体(455)可以设置在下部外部壳体(452)内。这种布置在内部壳体和外部壳体之间形成了下部热交换器润滑剂通路(458)。下部润滑剂回流管(457)可以设置在下部内部壳体(455)内,并且与下部热交换器润滑剂通路(458)流体连通。当冷却的润滑剂循环通过下部热交换器(450)时,该润滑剂流入下部润滑剂回流管(457)中,该下部润滑剂回流管可以与中心润滑剂回流管(417)流体连接,该中心润滑剂回流管将润滑剂循环到中心热交换器(410)的顶部并且通过电机返回。中心热交换器(410)可以连接到下部热交换器(450),使得中心热交换器润滑剂通路(418)与下部热交换器润滑剂通路(458)流体连接,并且中心润滑剂回流管(417)与下部润滑剂回流管(457)流体连通。这种布置允许润滑剂循环通过电机和热交换器,以便冷却电机,并且经由循环的润滑剂和热交换模块将热量从电机部件传递到井筒流体。
在一些实施例中,多个中心热交换器模块可以串联布置。中心热交换器模块可以被配置为使得每个中心热交换器的内部壳体内的润滑剂回流管能够与上方和/或下方的中心热交换器模块的润滑剂回流管连接。每个中心热交换器模块的热交换器润滑剂通路也可以被配置为使得其也能够与上方和/或下方的中心热交换器模块的热交换器润滑剂通路连接。这种模块化布置允许基于给定应用的需求定制所公开的主动冷却系统。当需要更大程度的冷却时,可以将额外的中心热交换器模块并入到整个电机系统中。这增加了组合润滑剂通路的长度,从而增加了停留时间,并且允许更多的热量从润滑剂传递到井筒流体。在总长度非常重要的应用中,可以在不使用任何中心热交换器模块的情况下,使用单个下部热交换器模块。在这样的实施例中,下部热交换器可以连接到电机基部模块。应当理解,下部热交换器模块包括内部壳体和外部壳体之间的润滑剂通路,该润滑剂通路将热量从润滑剂散发到井筒流体中,并且还用于将流经润滑剂通路的润滑剂引导到润滑剂回流管中。这在引导润滑剂通过电机和/或密封部段返回之前,允许润滑剂在一个或一系列热交换器模块中循环。在特别热的油井中,可以增加额外的热交换器模块,以将电机温度维持在所需的范围内。
在示例性实施例中,所公开的主动冷却系统可以用于ESP,其包括电机壳体、定子和转子轴。在该示例性实施例中,转子轴包括内部和外部,并且转子轴的内部与下部和/或中心热交换模块的润滑剂回流管流体连通。转子轴可以被布置成使得润滑剂从润滑剂回流管通过转子轴的内部流入到电机壳体和定子之间的电机壳体内部中。在一些实施例中,定子可以包括被设计用于容纳定子和电机壳体之间的润滑剂流的通道。
所公开的主动冷却系统的一些实施例包括过滤器和/或磁阱,其被配置为从循环的润滑剂中去除颗粒。在一些实施例中,下部热交换器模块包含筛网,该筛网被设计用于从循环的润滑剂中去除包括不含铁磨损产物在内的颗粒。在一些实施例中,下部热交换器模块包含磁阱,该磁阱被设计用于从循环的润滑剂中去除包括磨损产物在内的含铁颗粒。通过从循环的润滑剂中去除包括含铁磨损产物和不含铁磨损产物在内的颗粒,主动冷却系统有助于维持循环润滑剂的质量。这导致包括所公开的主动冷却实施例的整个系统的使用寿命更长。与传统的ESP相比,包括所公开的带有筛网过滤器和磁阱的主动冷却系统的ESP可能具有更长的使用寿命,从而导致运行寿命和使用时间的提高。
在示例性实施例中,所公开的主动冷却系统用于ESP中。在这样的实施例中,当循环的润滑剂到达上部中心热交换器模块润滑剂回流管的顶部时,随后循环的润滑剂会进入电机基部轴和转子轴的内部。在一些实施例中,电机基部轴和转子轴作为润滑剂回流通路的一部分。循环的润滑剂沿着转子轴向上流到电机的顶部。在一些实施例中,转子轴包括从轴的内部到外部的孔洞,衬套或可以受益于冷却和/或润滑的其它部件位于这些孔洞中。这些孔洞允许循环的润滑剂接触衬套、支承或其他部件,以便冷却和/或润滑部件。然后,润滑剂继续在主动冷却系统中循环。
在一些实施例中,润滑剂沿着电机的转子轴向上流动,并且流入密封部段的轴中。此时,通过从轴内部通向外部的孔洞,可以引导润滑剂从密封部段轴中流出,衬套或可以受益于冷却和/或润滑的其它部件可能位于其中。在一些实施例中,通过位于润滑剂流动路径顶部上或其附近的叶轮,可以引导润滑剂从密封部段轴中流出。叶轮可以驱动循环的润滑剂通过从轴内部通向轴外部的孔洞。在一些实施例中,润滑剂随后可以流经电机模块和/或进入电机模块和密封部段的内部壳体和外部壳体之间的相连的润滑剂通路,以在通过电机模块和密封部段再循环之前进行散热。
在一些实施例中,一旦循环的润滑剂到达电机模块的顶部,在到达密封部段之前,通过位于转子顶部的叶轮,可以引导润滑剂从转子轴中流出。叶轮驱动循环的润滑剂通过从转子轴内部通向转子轴外部的出口孔洞。
在一些实施例中,位于定子和电机壳体之间的润滑剂通道引导润滑剂在定子和壳体之间循环,并且在一些实施例中,可以引导润滑剂通过绕线定子铁芯的狭槽。该路径允许润滑剂从转子轴内部以及定子和电机壳体吸收热量。一旦润滑剂在定子和壳体之间沿着电机向下流动,循环的润滑剂进入上部中心热交换器模块的润滑剂通路,在该润滑剂通路中,热量可以散发到头部热交换器模块的外部壳体以及与该外部壳体的外侧接触的井筒流体。
模块化电机系统和无法兰连接
如图10A中可见,在一些实施例中,电机系统内置于模块中,这些模块包括头部模块、动力模块和基部模块。在一些实施例中,多个动力模块可以经由无法兰连接系统进行连接,以便达到所需的应用动力要求。应当理解,所公开的模块系统和连接件可以与任何其他公开的元件或实施例以及其他设备和/或机器一起使用。
在一些实施例中,两个模块可以使用无法兰连接件(510)彼此连接。如图18所示,在一些实施例中,无法兰连接件(510)包括单件式壳体联轴器(512)、防脱螺母(515)和间隔环(518)。在使用无法兰连接件的一些实施例中,被连结的两个部件或模块将具有沿着不同方向转动的反向螺纹。例如,如果第一动力模块的下端要连结到第二动力模块的上端,则第一动力模块的下端可以包括左旋螺纹,而第二动力模块的上端可以包括右旋螺纹。在一些实施例中,单件式壳体联轴器在其上端和下端包括反向螺纹。
在一些实施例中,防脱螺母和垫片可以装配在壳体联轴器上。待连结的上部模块和下部模块可以与单件式壳体联轴器上的螺纹接合,并且随着单件式壳体联轴器旋转而同时组装。一旦完全组装好,防脱螺母可以靠着间隔环拧紧。依据应用,一旦模块和/或部件螺纹附接,部件可以通过焊接或本领域已知的防止松脱的其他已知方法进行固定。
一些公开的实施例涉及一种用于电潜泵组件的电机,该电机包括头部模块;基部模块;以及设置在头部模块和基部模块之间的至少两个动力模块。在一些实施例中,每个动力模块包括具有上部部分和下部部分的动力模块壳体;并且至少两个动力模块使用无法兰连接件彼此连接,该无法兰连接包括壳体联轴器、防脱螺母和间隔环。在一些实施例中,动力模块可以使用所公开的无法兰连接连接到基部模块和/或头部模块,而无论ESP组件中动力模块的数量是多少。
在一些实施例中,动力模块壳体的上部部分包括沿着特定方向旋转的螺纹,例如右旋螺纹,并且动力模块壳体的下部部分包括沿着相反方向旋转的螺纹,例如左旋螺纹。在一些实施例中,壳体联轴器包括上部部分和下部部分,壳体联轴器的上部部分具有右旋螺纹或左旋螺纹,以连接到动力模块壳体的下部部分,并且壳体联轴器的下部部分具有反向螺纹,以连接到动力模块壳体的上部部分。
无法兰连接的公开实施例可以有助于使可用的电机直径最大化。所公开的无法兰连接还减少和/或消除了可能抑制电机机油、润滑剂和/或介电流体流动的阻塞点。所公开的无法兰连接的实施例增加了可用的热交换器表面积,从而允许更多的热量从电机或其他部件传递到井筒流体。所公开的实施例还允许各种模块在制造设施中耦合,而不是在井场环境中耦合。这允许操作者利用所公开的特征节省装配ESP的时间,并且使得组装的ESP和/或其他部件的可靠性增加。
HSSA支承件细节
在一些实施例中,所公开的ESP部件以及其他设备、电机和/或机器可以包括高速自动对准(HSSA)支承件。应当理解,所公开的支承设计可以与任何所公开的元件或实施例以及其他设备和/或机器一起使用。
在一些实施例中,模块可以配备有径向支承,支承的动态部分(支承套筒)旋转固定到旋转轴上。在这样的实施例中,定子可以配备有互补的静态部分(衬套),该静态部分吸收径向载荷并且将其分配到定子壳体。与衬套相比,套筒包括的材料可能具有更低的显微硬度。这种布置允许套筒(动态面)在必要时“磨合”,以便达到改进的和/或最佳的工作点。在一些实施例中,套筒将附接到定子磁场中含有的转子上。所公开的布置允许转子在定子的磁场内到达改进的或最佳的位置。
在一些实施例中,套筒或套筒组件的套筒部分可以包含碳化物。在某些实施例中,套筒包括碳化钨,碳化钨具有至少约4%镍、或至少约5%镍、或至少约6%镍、或至少约7%镍。在某些实施例中,套筒包括碳化钨,碳化钨具有至多约4%镍、或至多约5%镍、或至多约6%镍、或至多约7%镍。
在一些实施例中,衬套可以使用一条或多条弹性带安装在固定支撑件上。在一些实施例中,弹性带包括的材料在与冷却剂、润滑剂和/或介电流体接触时将会膨胀并且将衬套锁定到支撑件上。在一些实施例中,弹性带不允许衬套的任何轴向移动或旋转移动。在一些实施例中,可以通过在衬套外侧增加凹槽或螺旋凹槽来增加衬套上的锚固强度,从而允许带“夹紧”衬套。弹性带还可以帮助衬套在衬套支撑件中居中和/或在任何振动的情况下提供阻尼效果。
在一些实施例中,衬套可以具有凹槽,这允许润滑剂在静态支承面和动态支承面之间流动。在径向支承中,静态面是衬套,动态面是套筒。这些凹槽允许润滑剂在衬套和套筒之间流动,并且清除任何颗粒或碎屑,例如,比如由支承面磨损引起的碎屑。在一些实施例中,润滑剂冷却和/或循环系统可以包括筛网和/或磁阱,以在润滑剂循环时去除这些碎屑。
在一些实施例中,衬套可以包括外部衬套主体和衬套嵌件。外部主体可以包括低CTE材料。与相关联的套筒相比,衬套嵌件包括的材料具有更高的显微硬度。
在一些实施例中,多件式衬套可以允许使用更薄的材料。较薄材料的一个优点是,任何热增长的较高比例将出现在轴向平面中,而不是出现在径向平面中。这种布置允许在高速和高温下维持严格的公差。
如图19所示,在一些实施例中,套筒组件(530)包括套筒主体(533)和至少两个套筒(535)。在这样的实施例中,套筒主体(533)和每个套筒(535)包括键槽。在一些实施例中,两个套筒(535)可以安装到套筒主体(533)上,并且套筒组件(530)可以使用键槽和相关联的键安装到旋转轴上。在一些实施例中,套筒组件进一步包括内部限制螺母,该内部限制螺母可以螺纹连接到旋转轴上并且限制套筒组件的轴向移动。在一些实施例中,当套筒组件安装到轴上时,限制螺母可以将键(例如“L”键)保持在键槽中。
在一些实施例中,锥形定心环可以安装有一组键,以使套筒组件在轴上居中。在一些实施例中,外部限制螺母可以拧入到适当位置中,但是可以在接触锥形定心环之前停止。这种布置允许套筒组件在内部限制螺母和外部限制螺母之间具有少量的轴向移动,以便帮助支承找到改进的或最佳的工作点。一旦外部限制螺母处于适当位置,可以将锥形定心环的边缘敲入到外部限制螺母上的机加工凹槽中。
在一些实施例中,转子轴可以具有弹性带,套筒组件适配在该弹性带周围。这些弹性带可以有助于将润滑剂从轴的内部引导到套筒主体的外部,并且引导到套筒的面上。这种布置允许润滑剂在转子轴内循环,以润滑和冷却支承面。弹性带还可以帮助套筒组件居中,并且抑制任何振动。
在一些实施例中,泵和/或气体分离器可以包括HSSA支承。泵的HSSA支承可以由衬套和套筒组成。衬套可以通过过盈配合或本领域已知的任何其它技术保持在衬套支撑件上。在一些实施例中,弹性带可以用于防止衬套旋转,帮助轴居中,和/或抑制振动。
在一些实施例中,可以使用两件式套筒。两件式套筒可以包括外套筒和内套筒。外套筒可以键合到内套筒上,以便旋转固定两件式套筒的内套筒和外套筒。在一些实施例中,外套筒可以是有凹槽的和/或在外部包括螺旋凹槽,以允许去除颗粒或其他污染物和/或促进润滑剂的流动。在一些实施例中,内套筒可以经由双键槽键合到到轴上。内套筒可以包括低CTE材料,该材料被设计用于帮助减少径向方向上的热增长。这种布置可以允许外套筒更薄,这进一步减少了径向热增长。
在一些实施例中,高速自动对准(HSSA)径向支承的设计可以基于这样的概念,即在高转速下,在静态面(非旋转衬套)内找到其最佳或改进的运行位置后,动态面(旋转套筒)表现更好。
为了促进该过程,套筒和衬套的材料应具有略微不同的显微硬度,以便如果需要或在需要时从较低显微硬度面上去除材料,从而使支承自动对准。此外,与衬套材料相比,套筒材料可以具有更高的抗弯强度,以便允许其克服在自动对准过程中遇到的任何弯曲应力。为了进一步促进自动对准过程,在一些实施例中,可以允许套筒组件至少在一定程度上沿着轴向方向移动。在一些实施例中,可以允许套筒组件移动至少约20密耳、或至少约25密耳、或至少约30密耳、或至少约40密耳、或至少约50密耳、或至少约60密耳、或至少约70密耳、或至少约75密耳。在一些实施例中,可以允许套筒组件移动至多约20密耳、或至多约25密耳、或至多约30密耳、或至多约40密耳、或至多约50密耳、或至多约60密耳、或至多约70密耳、或至多约75密耳。
所公开发明的一些实施例涉及一种适于安装在可旋转轴上的径向支承组件,该径向支承组件包括一个或更多个径向支承,每个支承包括衬套和套筒,该衬套和套筒各自包括内部和外部。衬套的内部经过润滑,与套筒的外部接合,其中衬套可固接到不可旋转的衬套支撑件上,并且包括的材料具有比套筒更高的显微硬度,并且其中套筒被配置为安装到旋转轴上,并且包括的材料具有比衬套更高的抗弯强度。在一些实施例中,衬套包括的材料在Knoop显微硬度标度上具有的显微硬度至少约为2000MPa、或至少约为2500MPa、或至少约为2800MPa、或至少约为3000MPa、或至少约为3200MPa。在一些实施例中,衬套包括的材料在Knoop显微硬度标度上具有的显微硬度至多约为2000MPa、或至多约为2500MPa、或至多约为2800MPa、或至多约为3000MPa、或至多约为3200MPa。在一些实施例中,套筒包括的材料在Knoop显微硬度标度上具有的显微硬度至少约为1000MPa、或至少约为1500MPa、或至少约为1800MPa、或至少约为2000MPa、或至少约为2200MPa。在一些实施例中,套筒包括的材料在Knoop显微硬度标度上具有的显微硬度至多约为1000MPa、或至多约为1500MPa、或至多约为1800MPa、或至多约为2000MPa、或至多约为2200MPa。
在ASTM C1326-13,Standard Test Method for Knoop Indentation Hardnessof Advanced Ceramics中描述的方法和技术可以用于确定材料的显微硬度。
在一些实施例中,套筒包括的材料具有的抗弯强度至少约为1000Mpa、或至少约为1300Mpa、或至少约为1500Mpa、或至少约为1800Mpa、或至少约为2000Mpa。在一些实施例中,套筒包括的材料具有的抗弯强度至多约为1000Mpa、或至多约为1300Mpa、或至多约为1500Mpa、或至多约为1800Mpa、或至多约为2000Mpa。在一些实施例中,衬套包括的材料具有的抗弯强度至少约为300Mpa、或至少约为300Mpa、或至少约为400Mpa、或至少约为450Mpa、或至少约为500Mpa。在一些实施例中,衬套包括的材料具有的抗弯强度至多约为300Mpa、或至多约为300Mpa、或至多约为400Mpa、或至多约为450Mpa、或至多约为500Mpa。
在ASTM C1161-02c(2008)e1,Standard Test Method for Flexural Strengthof Advanced Ceramics at Ambient Temperature中描述的方法和技术可以用于确定材料的抗弯强度。
在一些实施例中,衬套内部包括多个凹槽,这些凹槽被配置为允许润滑剂在衬套和套筒之间流动,并且其中凹槽被配置为排出碎屑。在一些实施例中,凹槽至少约3.0mm宽、或至少约4.0mm宽、或至少约4.5mm宽、或至少约5.0mm宽。在一些实施例中,凹槽至多约3.0mm宽、或至多约4.0mm宽、或至多约4.5mm宽、或至多约5.0mm宽。在某些实施例中,凹槽约为4.73mm宽。
在一些实施例中,如图20A和20B所示,衬套(550)具有表面特征(553),该表面特征被配置为在套筒旋转时分配润滑剂。衬套(550)可以具有凹槽,该凹槽被配置为促进和/或维持将被分配到套筒和衬套(550)的界面上的润滑剂的积聚。该表面特征(553)可以促进颗粒的去除。在一些实施例中,该表面特征(553)在前缘上具有的半径比在后缘上具有的半径更大。
在一些实施例中,径向支承组件进一步包括设置在衬套外部和衬套支撑件之间的弹性带,该弹性带被配置为在与润滑剂接触时膨胀,并且防止衬套相对于衬套支撑件进行实质性有害移动。在一些实施例中,有害移动包括径向移动和轴向移动。在一些实施例中,如图20A所示,径向支承组件可以进一步包括衬套外部中的凹槽(555),其中该凹槽被配置为增加衬套和弹性带之间的结合。在一些实施例中,凹槽是螺旋状的,并且弹性带被配置为抑制振动。
在径向支承组件的一些实施例中,套筒能够相对于旋转轴在约1.5mm和约3.0mm之间轴向移动。在一些实施例中,套筒能够相对于旋转轴轴向移动至少约0.5mm、或至少约0.8mm、或至少约1.0mm、或至少约1.5mm、或至少约2.0mm、或至少约2.5mm、或至少约3.0mm、或至少约3.5mm、或至少约4.0mm。在一些实施例中,套筒能够相对于旋转轴轴向移动至多约0.5mm、或至多约0.8mm、或至多约1.0mm、或至多约1.5mm、或至多约2.0mm、或至多约2.5mm、或至多约3.0mm、或至多约3.5mm、或至多约4.0mm。所允许的套筒相对于轴的轴向移动可以允许转子轴在定子的磁场内找到改进的或最佳的位置。
在径向支承组件的一些实施例中,套筒包括两个外套筒和一个内套筒主体,其中两个外套筒和一个内套筒主体各自包括一个键槽。在一些实施例中,套筒主体和旋转轴各自包括内部和外部。套筒主体可以包括允许润滑剂从套筒主体内部流到套筒主体外部的开口,并且轴可以包括允许润滑剂从轴内部流到轴外部的开口。可以在轴外部和套筒主体内部之间设置一个或更多个弹性带,从而形成用于使润滑剂从轴内部流到套筒主体外部的间隙。在一些实施例中,该组件进一步包括被配置为与润滑剂流体连通的筛网,该筛网被设计用于从润滑剂中去除磨损产物。在一些实施例中,该组件进一步包括被配置为与润滑剂流体连通的磁阱,该磁阱被设计用于从润滑剂中去除含铁的磨损产物。
在径向支承组件的一些实施例中,衬套包括衬套主体和衬套嵌件,其中衬套嵌件包括的材料具有比套筒更高的显微硬度,并且其中衬套主体包括低CTE材料。在径向支承组件的一些实施例中,套筒包括外套筒和内套筒,其中内套筒包括低CTE材料。在一些实施例中,低CTE材料具有的CTE至少约为3.5、或至少约为4.0、或至少约为4.5、或至少约为5.0、或至少约为5.5μm/m-℃。在一些实施例中,低CTE材料具有的CTE至多约为3.5、或至多约为4.0、或至多约为4.5、或至多约为5.0、或至多约为5.5μm/m-℃。在某些实施例中,低CTE材料具有的CTE约为4.9。例如,低cte材料可以包括但不限于InvarTM、InovcoTM、KovarTM、RodarTM、TelcosealTM、SealvarTM、SelvarTM、Alloy 29-17TM、Nilo KTM、DilverTM、Pernifer 29-18TM、Alloy 29-18TM、NicoselTM、NicosealTM和/或TherloTM
应当理解,所公开的支承可以并入到本文所述的任何部件和/或模块中,包括但不限于泵模块、电机模块、气体分离器和/或密封部段。
对称转子
公开的实施例涉及或包括旋转转子。在一些实施例中,对称转子可以允许更高等级的平衡,以减少和/或最小化转子以运行速度旋转时的任何机械振动。应当理解,所公开的ESP实施例可以包括对称转子,并且本文公开的特征和元件可以与利用旋转零件、泵、电机、转子和/或定子的任何其他设备或机器一起使用。各种部件的对准特征,包括例如轴花键、键槽、叶轮、润滑剂孔洞和/或支承座,都可能影响运行,尤其是高速运行。根据ISO规范21940-11:2016,对称转子可能具有指定的青铜端环,用于去除材料,以达到G1的平衡等级。这些端环可以用由钛或其它材料制成的套筒覆盖,并且用厌氧衬垫密封,以便确保不会有材料填充材料被去除的区域,这可能导致将来的不平衡。应当理解,在一些实施例中,除了轴向和/或径向对称之外,对称转子还竖直对称。在一些实施例中,为了确保垂直对称,竖直对称的转子在两端都不包括叶轮。在这样的实施例中,任何必要的叶轮都可以重新定位到所公开的ESP组件的其他区域,包括例如密封部段和/或润滑剂流动路径的顶部。
电机基部推力模块
一些公开的实施例包括电机基部推力模块。应当理解,所公开的推力模块的元件和特征可以应用于其他实施例以及其他设备和/或机器。推力镜板可以连接到电机基部中的叶轮上。在一些实施例中,推力镜板连接到驱动电机主动冷却系统的叶轮的底部上。在这样的实施例中,静态面可以内置于主体和/或组件中,该主体和/或组件可以轴向调节,以补偿动力模块的轴的位置的任何变化。
电机基部推力模块的静态面可以居中安装在枢转头上。在一些实施例中,可以使用弹簧张紧静态面,这有助于将载荷均匀分布在支承上。在一些实施例中,可以使用2至8个弹簧。在优选实施例中,可以使用六个弹簧。
在电机模块基部推力模块的一些实施例中,与推力镜板的静态面相比,推力镜板的动态面可以包括显微硬度更高的材料。在推力模块的这些实施例中,与动态面相比,静态面可以包括显微硬度更低的材料。与动态面的材料相比,静态面也可以包括抗压强度更高的材料压缩件。
碳石墨是许多已知具有高抗压强度的潜在材料之一。众所周知,碳石墨具有高抗压强度、低摩擦系数和自润滑特性。已知碳石墨材料具有较高的工作温度磁极限,这在一些实施例中可能是有益的,因为所公开的泵组件的一些实施例在较高速度下会产生的摩擦热增加。依据应用条件,止推垫圈可以附加地或替代地包括例如聚合物材料或其他材料。
在一些实施例中,电机基部推力模块的静态面和/或动态面可以包括凹槽。凹槽可以被配置为有助于维持电机基部推力模块的静态面和动态面之间的润滑剂薄膜或润滑剂层。
电机过滤器和磁阱
一些公开的实施例包括过滤器和/或磁阱,用于去除不含铁的和/或含铁的颗粒。应当理解,所公开的过滤器和磁阱的元件和特征可以应用于其他实施例以及其他设备和/或机器。
所公开的电机系统的一些实施例包括下部热交换模块。下部热交换模块可以包括从外径到内径带有孔洞的轴。下部热交换模块可以包括过滤介质,以过滤穿过孔洞的润滑剂。过滤介质可以包括但不限于筛网、纤维网或能够从循环的润滑剂中过滤不含铁污染物的任何其他材料。一些实施例可以包括磁阱,该磁阱被配置为捕获可能在电机运行期间产生的含铁碎屑或其他颗粒。在一些实施例中,磁阱可以位于润滑剂回流管的底部附近,以便捕获在循环过程中可能沉淀的任何含铁颗粒。
双支承推力室和一体的热交换器
一些公开的实施例包括双支承推力室和/或一体的热交换器。应当理解,所公开的推力室和热交换器的元件和特征可以应用于其他实施例以及其他设备和/或机器。
在所公开的泵组件的一些实施例中,密封部段包括双支承推力室,该双支承推力室被配置为吸收泵的推力,并且将电机的旋转传送给泵。在一些实施例中,双支承推力室允许将轴向载荷均匀分配到两个止推支承件上,从而大致使密封室能够吸收的推力量加倍。在所公开的泵组件的一些实施例中,泵产生的轴向推力完全传递到密封部段推力室中的止推支承件上。在一些实施例中,不会有轴向推力传递到提供径向支撑的任何支承上。
在一些实施例中,被布置成将推力从轴传递到止推支承件的推力室包括与至少一个叶轮在操作上连接的轴。叶轮可以被配置为在其工作时产生向下的推力。推力室还包括推力室外部壳体、第一推力镜板,该第一推力镜板联接到轴上,并且包括面向上的推力传递表面和面向下的推力传递表面。推力室还可以包括与外部壳体联接的第一止推支承组件;其中第一止推支承组件包括面向上的推力接收表面,并且其中第一推力镜板被配置为将向下的推力从轴传递到第一止推支承组件。在一些实施例中,上止推支承组件可以与外部壳体联接,其中上止推支承组件包括面向下的推力接收表面,并且其中第一镜板被配置为将向上的推力从轴传递到上止推支承组件。在一些实施例中,第二推力镜板可以与轴联接并且包括面向下的推力传递表面,并且第二止推支承组件可以与外部壳体联接,其中第二止推支承组件包括面向上的推力接收表面,并且其中第二推力镜板被配置为将向下的推力从轴传递到第二止推支承组件。一些实施例还可以包括第一阻尼器和第二阻尼器,其中第一阻尼器被配置为吸收来自第一推力镜板的向下推力并且将该向下推力传递到第一止推支承组件,并且第二阻尼器被配置为吸收来自第二推力镜板的向下推力并且将该向下推力传递到第二止推支承组件。在这样的实施例中,阻尼器可以被配置为将轴向载荷基本均匀地分配到至少两个止推支承件上。
所公开的推力室的优选实施例可以包括推力室热交换器,其中推力室热交换器包括推力室内部壳体和推力室润滑剂回流路径,其中推力室内部壳体设置在推力室外部壳体内,并且在其间限定推力室热交换器润滑剂通路。在这样的实施例中,推力室润滑剂回流路径可以与推力室润滑剂通路流体连通,并且可以设置在内部壳体内。
在一些实施例中,轴包括内部和外部,并且轴的内部可与润滑剂回流路径流体连通。在一些实施例中,上止推支承组件包括静态的面向下的推力接收表面。在一些实施例中,与第一推力镜板和第二推力镜板的面向下的推力传递表面相比,第一止推支承组件和第二止推支承组件的面向上的推力接收表面具有更高的显微硬度。
在一些实施例中,阻尼器被配置为将基本均匀的推力载荷分配到第一止推支承组件和第二止推支承组件上。在一些实施例中,阻尼器可以包括平行配置的Belleville垫圈和/或Belleville垫圈堆。
在一些实施例中,推力室润滑剂通路基本上呈螺旋状。
在一些实施例中,推力室热交换器进一步包括与推力室润滑剂通路流体连通的过滤器筛网和/或磁阱。
在一些实施例中,外部推力壳体螺纹连接到密封部段,并且密封部段设置在电机模块和泵模块之间。在一些实施例中,泵模块包括叶轮,该叶轮在运行时产生向下的推力,并且叶轮产生的向下推力会传输到推力室轴,并且由第一推力镜板和第二推力镜板传递到轴向固定在推力室外部壳体上的第一止推支承组件和第二止推支承组件。
在某些实施例中,密封部段推力室的润滑剂通路可以与电机模块热交换器的润滑剂通路流体连通,从而为电机组件和密封部段建立统一的主动冷却系统。在利用至少一个主动冷却系统的实施例中,较冷的润滑剂可以允许在轴向推力传递表面和推力接收表面之间维持更有粘性的润滑剂薄膜。该粘性润滑剂层可以有助于延长密封部段推力室以及其他推力传递和/或润滑部件的寿命。
除了用于冷却电机之外,所公开的主动冷却系统还可以与密封部段一起使用。所公开的密封部段可以包括叶轮、内部壳体、外部壳体和润滑剂回流路径。壳体可以布置成在内部密封壳体和外部密封壳体之间形成密封部段润滑剂通路。润滑剂可以由叶轮驱动,以流经润滑剂通路,从而将热量从润滑剂散发到外部密封壳体和井筒流体。然后,润滑剂可以通过润滑剂回流路径循环到密封部段的内部,然后再通过润滑剂通路循环回来。在优选实施例中,所公开的密封部段冷却系统包括筛网和磁阱,以从循环的润滑剂中去除含铁颗粒和不含铁颗粒。
在一些实施例中,所公开的主动冷却系统可以与电机和密封部段一起使用。在这样的实施例中,密封部段润滑剂通路可以与电机部段的中心热交换器流体连接。下部热交换器模块的润滑剂回流管可以与中心热交换器模块的润滑剂回流管流体连接,并且还与密封部段热交换器模块的润滑剂回流路径流体连接。这种布置允许循环的润滑剂冷却和润滑相关联的电机和密封部段的部件。这种布置还允许密封部段中的润滑剂通过所需的尽可能多的热交换模块进行冷却,以维持相对于井筒流体的所需的运行温度。在一些实施例中,热交换器模块可以被配置为将循环润滑剂的温度维持在比井筒流体的温度高不到约15℃、或比井筒流体的温度高不到约10℃、或比井筒流体的温度高不到约7℃、或比井筒流体的温度高不到约5℃。在一些实施例中,热交换器模块可以被配置为将循环润滑剂的温度维持在比井筒流体的温度高约15℃以上、或比井筒流体的温度高约10℃以上、或比井筒流体的温度高约7℃以上、或比井筒流体的温度高约5℃以上。
在所公开的泵组件的一些替代实施例中,可以将泵组件布置成泵送更多的井筒流体,从而与密封部段推力室被设计用于吸收的一些实施例相比,该泵组件产生更大的向下推力。在这样的实施例中,泵模块可以被配置为包括推力镜板和推力吸收组件。在一些实施例中,泵模块推力吸收组件可以是自动调平的。除了用于吸收轴向支撑的推力专利和推力吸收表面之外,泵模块推力吸收组件还可以包括用于径向支撑的衬套和套筒。
气体分离器诱导轮和碳化物内衬的分离室
一些公开的实施例包括气体分离器诱导轮和/或碳化物内衬的分离室。应当理解,所公开的气体分离器和分离室的元件和特征可以应用于其他实施例以及其他设备和/或机器。
在一些实施例中,所公开的ESP组件包括气体分离器,该气体分离器被配置为分离气相和液相。在一些实施例中,气体分离器包括诱导轮,例如可变螺距诱导轮和/或螺旋状诱导轮。在一些实施例中,诱导轮可以包括朝向液体流动路径倾斜的叶片。在一些实施例中,分离室可以衬有碳化物嵌件和/或包括耐磨材料,其被配置为防止来自研磨性固体的侵蚀磨损。所公开的气体分离器的一些实施例可以进一步包括连接到碳化物嵌件的弹性带,该弹性带被配置为阻尼和/或减轻振动。
对准的永磁电机实施例
两个、三个、四个或更多个永磁同步电机可以与上述任何实施例串联使用。当使用两个或更多个电机时,通常需要使电机正确对准。
在一个实施例中,本申请涉及一种使两个或更多个永磁电机对准的过程,每个永磁电机都具有转子和定子。有利的是,该过程可以与上述电潜泵的各种实施例结合使用。通常,该过程包含在待连接的两个电机的每个定子上制作相位标识标记。相位标识标记可以用于在相位标识标记处开始每个定子上的绕组。标记的类型并不特别重要,并且可以依据定子、其他部件等的类型而变化。例如,相位标识标记可以包括加工到定子上的标记、涂漆标记或粘附标记。
该过程通常包括在待连接的两个电机的每个转子上制作磁极标识标记。如同相位标识标记一样,制作磁极标识标记的类型或方式并不特别重要,并且可以变化。例如,磁极标识标记可以包括加工到转子上的标记、涂漆标记或粘附标记。在一个实施例中,磁极标识标记包括转子轴端部上的凹口,其中该凹口被配置为与例如图30-31所示的联轴器对准凹口配合。
有利的是,相位标识标记可以用于对准定子的相位,而磁极标识标记用于对准转子的磁极。在一些实施例中,可能需要将每个定子装配在一个或更多个电机壳体中。如果是这样,则可能需要以某种方式在电机壳体的外部标识相位标识标记的位置。也就是说,在电机壳体的外部制作符号、机械加工、标签或其他标识,以标识相位标识标记位于所述符号、机械加工、标签或其他标识的正下方。
在另一个实施例中,本申请涉及一种用于电潜泵的电动机(上文有时称为电机模块或动力模块)。电动机通常包括第一永磁电机和第二永磁电机。第一永磁电动机包括带有第一磁极标识标记的第一转子和带有第一相位标识标记的第一定子。第二永磁电动机包括带有第二磁极标识标记的第二转子和带有第二相位标识标记的第二定子。相位标识标记和磁极标识标记的类型并不特别重要,只要这些标记可以用于使第一定子和第二定子的相位基本对准并且使第一转子和第二转子的磁极基本对准。
第一永磁电机和第二永磁电机可以任何方便的方式耦合。在一个实施例中,第一永磁电机包括内径上沿着第一方向转动的螺纹,并且其中第二永磁电机包括内径上沿着第二方向转动的螺纹。可以采用上述单件式壳体(例如无法兰连接)来连接两个电机。这样的单件式壳体联轴器可以包括第一端和第二端。单件式壳体联轴器的第一端包括外径上沿着第一方向转动的螺纹,而单件式壳体联轴器的第二端包括外径上沿着第二方向转动的螺纹。以这种方式,第一永磁电机可以使用单件式壳体联轴器上的螺纹、第一永磁电机上的螺纹和第二永磁电机上的螺纹连结到第二永磁电动机上。当然,如果需要,电机上的螺纹可以位于外径上,而联轴器上的螺纹位于内径上。如上所述,在一些实施例中,可以采用一个或更多个电机壳体,其中电机壳体的外部标识第一相位标识标记和第二相标识标记的位置。
第一永磁电动机和第二永磁电动机可以被配置用于任何方便的电压。通常,采用低于800伏或低于约500伏的相对较低的变速驱动器,并且将其连接到升压变压器,该升压变压器随后连接到一个或更多个永磁电动机。电机通常包括2-20个磁极,优选4个磁极。转子和定子可以由通常使用的任何材料制成,并且在一些实施例中,转子是实心钢条转子。有利的是,基本对准的两个或更多个耦合的永磁电动机可以用于例如电潜泵的动力模块中。比如上述那些其它部件也可以用于电潜泵中。这些部件包括,例如,头部模块;基部模块;热交换器、密封部段、电机冷却系统、推力室、径向支承组件和本文所述的其它实施例。
串联使用的每个永磁电动机的规格(比如电机壳体直径、电压、电流和马力)可以依据所需应用和电潜泵的其他部件而变化。在一些实施例中,电机壳体的直径可以从大约三英寸到大约4.25英寸或更大,优选从大约3.5英寸到大约4英寸,更优选为大约3.75英寸。每个永磁电动机的电压范围可以从至少约400伏、或至少约500伏、或至少约600伏直到约1000伏、或直到约800伏、或直到约700伏。在一些实施例中,每个永磁电动机的安培数可以从至少约50安培、或至少约60安培直到约150安培、或直到100安培、或直到80安培变化。每个永磁电动机的马力范围通常可以从至少约40马力、或至少约60马力直到约120马力,或直到约100马力。通常,电压、电流和马力随着电机壳体直径的增加而增加。
图21-27示出了与定子相位对准相关的一系列图纸。图21中的圆形相位对准标记标识了绕组在定子中的起始位置。所描绘的标记是机加工的,但任何合适的标识或标记都会起作用。
图22示出了定子上带有相位对准标记的叠层(无铁芯)。图23描绘了装配在电机壳体中时的定子对准标记,而图24描绘了组装时在电机壳体外部的适当位置复制的标记。图25描述了电机耦合时,相位经由标记而对准的位置。然后,图27中示出了相位U、V和W绕组。
图28-32中的描述与转子磁极对准特征相关。图28-29分别示出了带有和不带有其相应固位套筒的转子。图30示出了与键槽对准的磁极划分以及轴端上的磁极位置凹口。当然,除了特定位置处的凹口之外,还可以使用其他标记或标识物。然后,带有相关联凹口的联轴器可以与磁极位置凹口对准,如图31所示。然后,图32中示出了使用上述无法兰连接将磁极对准的转子联接在一起。
应当理解,各种公开的实施例可以包含本文所述的部分或全部部件。可以基于每个特定实施例的特性和应用条件来调节特定组件及其特性。根据前面的描述,本领域的普通技术人员可以容易地确定本公开的基本特征,并且在不脱离其精神和范围的情况下,可以进行各种改变和修改,以使本公开适应各种用途和条件。上文所述的实施例仅是说明性的,不应视为对本公开范围的限制。
代表性实施例
ESP实施例
1.一种电潜泵组件,包括:
泵模块,其中,所述泵模块包括泵轴和叶轮,其中,所述泵轴在操作上连接到电机轴上,并且其中,所述叶轮通过键槽旋转固定到所述泵轴;
密封部段,其中,所述密封部段被配置为传送来自所述电机轴的扭矩并且吸收来自所述泵模块的推力;
电机模块,其中,所述电机模块包括被配置为以大于4000rpm运行的电机,所述电机被配置为旋转电机轴;以及
电机冷却系统,其中,所述电机冷却系统包括电机冷却叶轮,所述电机冷却叶轮被配置为使润滑剂循环通过电机模块热交换器,其中,所述电机模块热交换器包括电机模块润滑剂通路,所述电机模块润滑剂通路被配置为增加所述润滑剂在所述电机模块热交换器中的停留时间。
2.根据实施例1所述的组件,进一步包括气体分离器模块,其中,所述气体分离器包括气体分离器轴和诱导轮,其中,所述气体分离器轴在操作上连接到所述电机轴上,并且所述诱导轮通过键槽旋转固定到所述气体分离器轴上。
3.根据实施例1所述的组件,进一步包括流体入口。
4.根据实施例1所述的组件,其中,所述密封部段包括与所述密封部段周围的外部环境流体连通并且与内部腔室或多个腔室流体连通的端口,所述内部腔室被配置为降低从所述组件的外部到所述组件的内部的压力之间的压差。
5.根据实施例1所述的组件,其中,所述密封部段包括密封部段冷却系统,其中,所述密封部段冷却系统包括密封部段热交换器,其中,所述密封部段热交换器包括密封部段润滑剂通路,所述密封部段润滑剂通路被配置为增加所述润滑剂在所述密封部段热交换器中的停留时间。
6.根据实施例5所述的组件,其中,所述密封部段润滑剂通路与所述电机模块润滑剂通路流体连通。
7.根据实施例1所述的组件,进一步包括高速自动对准支承件,所述高速自动对准支承件包括衬套和套筒,所述衬套具有至少约2500MPa的显微硬度,并且所述套筒具有至多约2000MPa的显微硬度。
8.根据实施例1所述的组件,其中,所述电机模块热交换器包括中心热交换模块和下部热交换器模块,并且其中,所述下部热交换模块包括被配置为捕捉不含铁颗粒的筛网和被配置为捕捉含铁颗粒的磁阱。
9.根据实施例1所述的组件,其中,所述密封部段包括推力室,其中,所述推力室包括至少两个止推支承件,并且其中,每个止推支承都装配有弹簧阻尼器。
10.根据实施例1所述的组件,其中,所述电机模块包括头部模块、动力模块和基部模块。
11.根据实施例10所述的组件,进一步包括设置在所述头部模块和所述基部模块之间的至少两个动力模块,其中,使用无法兰连接件将所述两个动力模块彼此连接。
12.根据实施例10所述的组件,其中,使用无法兰连接件将所述头部模块连接到动力模块,并且其中,使用无法兰连接件将所述基部模块连接到动力模块。
13.根据实施例1所述的组件,其中,所述电机模块进一步包括具有磁场的定子,并且其中,所述电机转子被配置为在所述定子的磁场内自动对准。
14.根据实施例13所述的组件,进一步包括轴向座合系统,所述轴向座合系统包括静态推力接收面和动态推力传递面,其中,所述动态面具有比所述静态面更高的显微硬度,并且所述静态面具有比所述动态面更高的抗压强度。
15.根据实施例14所述的组件,其中,所述动态推力传递面具有至多约4500Mpa的抗压强度,并且所述静态推力接收面具有至少约7200Mpa的抗压强度。
16.根据实施例1所述的电潜泵组件,其中,所述组件具有的以英尺为单位的总动压头与以英尺为单位的长度之比在大约80到大约300之间。
17.根据实施例1所述的电潜泵组件,其中,所述组件具有的制动马力与以英尺为单位的长度之比在大约4到大约12之间。
18.根据实施例1所述的电潜泵组件,其中,所述组件被配置成在不改变所述电潜泵的情况下生产约400桶每日至约4000桶每日。
19.一种生产井筒流体的过程,包括:
在井筒中部署电潜泵,其中,所述电潜泵包括:
包括泵轴和叶轮的泵模块,其中,所述泵轴在操作上连接到电机轴;
密封部段,其中,所述密封部段被配置为将扭矩从所述电机轴传送到气体分离器轴并且吸收推力;
电机模块,其包括被配置为旋转电机轴的电动机;以及
电机冷却系统,其包括电机冷却叶轮,所述电机冷却叶轮被配置为使润滑剂循环通过电机模块热交换器,所述电机模块热交换器包括电机模块润滑剂通路,所述电机模块润滑剂通路被配置为增加所述润滑剂在所述电机模块热交换器中的停留时间,
操作所述电潜泵;以及
生产井筒流体。
20.根据实施例19所述的过程,其中,所述密封部段包括密封部段热交换器,所述密封部段热交换器包括密封部段润滑剂通路。
主动冷却系统实施例
1.一种用于驱动电潜泵的主动冷却电机组件,所述组件包括:
电动机,其中,所述电机包括叶轮、中心热交换器和下部热交换器,所述叶轮布置成驱动润滑剂进入所述中心热交换器中;
所述中心热交换器包括中心外部壳体、中心内部壳体和中心润滑剂回流管,其中,所述中心内部壳体设置在所述中心外部壳体内,并且在其间限定中心热交换器润滑剂通路,并且其中,所述中心润滑剂回流管设置在中心内部壳体内;
所述下部热交换器包括下部外部壳体、下部内部壳体和下部润滑剂回流管,其中,所述下部内部壳体设置在所述下部外部壳体内,并且在其间限定下部热交换器润滑剂通路,并且其中,所述下部润滑剂回流管设置在所述下部内部壳体内并且与所述下部热交换器润滑剂通路流体连通;
其中,所述中心热交换器连接到所述下部热交换器,使得所述中心热交换器润滑剂通路与所述下部热交换器润滑剂通路流体连通,并且所述中心润滑剂回流管与所述下部润滑剂回流管流体连通。
2.根据实施例1所述的组件,进一步包括电机壳体、定子和转子轴,其中,所述转子轴设置在所述定子内,并且所述定子设置在所述电机壳体内;
所述转子轴包括内部和外部,所述转子轴的内部与所述中心润滑剂回流管以及所述电机壳体的内部流体连通;
所述转子轴被布置成使得润滑剂能够从所述中心润滑剂回流管通过所述转子轴的内部流入到所述电机壳体的内部以及所述电机壳体和所述定子之间。
3.根据实施例2所述的组件,其中,所述定子具有通道,所述通道被设计用于容纳所述定子和所述电机壳体之间的润滑剂。
4.根据实施例2所述的组件,进一步包括电潜泵,其中,所述电机在操作上连接到所述泵。
5.根据实施例1所述的组件,进一步包括第一中心热交换器和第二中心热交换器,其中,所述第一中心热交换器的中心热交换器润滑剂通路与所述第二中心热交换器的中心热交换器润滑剂通路流体连通,并且所述第二中心热交换器的中心热交换器润滑剂通路与所述下部热交换器的下部热交换器润滑剂通路流体连通。
6.根据实施例1所述的组件,进一步包括设计用于从循环的润滑剂中去除不含铁磨损产物的筛网和设计用于从循环的润滑剂中去除含铁磨损产物的磁阱。
7.根据实施例4所述的组件,进一步包括位于所述电机和所述泵之间的密封部段,所述密封部段包括推力室、叶轮、内部密封壳体、外部密封壳体和密封润滑剂回流路径,其中,所述内部密封壳体设置在所述外部密封壳体内,并且在其间限定密封润滑剂通路,所述密封润滑剂通路与所述密封润滑剂回流路径流体连通,并且所述密封润滑剂回流路径与所述推力室流体连通;所述叶轮被配置为驱动润滑剂进入所述密封润滑剂通路中。
8.根据实施例6所述的组件,其中,所述筛网和所述磁阱位于所述下部热交换器润滑剂通路内。
9.根据实施例6所述的组件,其中,所述筛网和所述磁阱位于所述密封润滑剂通路内。
10.根据实施例1所述的组件,其中,所述中心热交换器润滑剂通路和所述下部热交换器润滑剂通路基本上是螺旋状的。
11.根据实施例7所述的组件,其中,所述密封润滑剂通路基本上是螺旋状的。
12.根据实施例7所述的组件,其中,所述密封润滑剂通路与所述中心热交换器润滑剂通路以及所述下部热交换器润滑剂通路流体连通。
13.一种用于驱动泵的主动冷却电机组件,所述组件包括:
电潜泵;
在操作上连接到所述泵上的电动机,其中,所述电机包括叶轮和热交换器,所述叶轮被布置成驱动润滑剂进入所述热交换器中;并且所述热交换器包括外部壳体、内部壳体和润滑剂回流管,其中,所述内部壳体设置在所述外部壳体内,并且在其间限定热交换器润滑剂通路,并且其中,所述润滑剂回流管设置在所述内部壳体内,并且与所述热交换器润滑剂通路流体连通。
14.根据实施例13所述的组件,进一步包括电机壳体、定子和转子轴,其中,所述转子轴设置在所述定子内,并且所述定子设置在所述电机壳体内;
所述转子轴包括内部和外部,所述转子轴的内部与所述润滑剂回流管以及所述电机壳体的内部流体连通;
所述转子轴被布置成使得润滑剂能够从所述润滑剂回流管通过所述转子轴的内部流入到所述电机壳体的内部以及所述电机壳体和所述定子之间。
15.根据实施例14所述的组件,进一步包括位于所述电机和所述泵之间的密封部段,所述密封部段包括推力室、叶轮、内部密封壳体、外部密封壳体和密封润滑剂回流路径,其中,所述内部密封壳体设置在所述外部密封壳体内,并且在其间限定密封润滑剂通路,所述密封润滑剂通路与所述密封润滑剂回流路径流体连通,并且所述密封润滑剂回流路径与所述推力室流体连通;所述叶轮被配置为驱动润滑剂进入所述密封润滑剂通路中。
无法兰连接实施例
1.一种用于电潜泵组件的电机,所述电机包括:
头部模块;
基部模块;
设置在所述头部模块和所述基部模块之间的至少两个动力模块,其中,每个动力模块包括电动机以及具有上部部分和下部部分的动力模块壳体;并且其中,至少两个动力模块使用无法兰连接件彼此连接,所述无法兰连接包括壳体联轴器、防脱螺母和间隔环。
2.根据实施例1所述的电机,其中,所述动力模块壳体的上部部分包括螺纹,并且所述动力模块壳体的下部部分包括沿着与所述上部部分螺纹的相反方向转动的螺纹,以及
其中,所述壳体联轴器包括上部部分和下部部分,所述壳体联轴器的上部部分具有被配置为与所述动力模块壳体的下部部分连接的螺纹,并且所述壳体联轴器的下部部分具有被配置为与所述动力模块壳体的上部部分连接的螺纹。
3.根据实施例1所述的电机,其中,所述头部模块使用无法兰连接件连接到第一动力模块,并且其中,所述基部模块使用无法兰连接件连接到第二动力模块。
4.根据实施例1所述的电机,进一步包括热交换器。
5.根据实施例1所述的电机,进一步包括叶轮、中心热交换器和下部热交换器,所述叶轮布置成驱动润滑剂进入所述中心热交换器中;
所述中心热交换器包括中心外部壳体、中心内部壳体和中心润滑剂回流管,其中,所述中心内部壳体设置在所述中心外部壳体内,并且在其间限定中心热交换器润滑剂通路,并且其中,所述中心润滑剂回流管设置在中心内部壳体内;
所述下部热交换器包括下部外部壳体、下部内部壳体和下部润滑剂回流管,其中,所述下部内部壳体设置在所述下部外部壳体内,并且在其间限定下部热交换器润滑剂通路,并且其中,所述下部润滑剂回流管设置在所述下部内部壳体内并且与所述下部热交换器润滑剂通路流体连通;
其中,所述中心热交换器连接到所述下部热交换器,使得所述中心热交换器润滑剂通路与所述下部热交换器润滑剂通路流体连通,并且所述中心润滑剂回流管与所述下部润滑剂回流管流体连通。
6.根据实施例1所述的电机,其中,动力模块进一步包括固接到转子的径向支承套筒和联接到所述动力模块壳体的径向衬套,其中,所述径向衬套被配置为向所述支承套筒和转子提供径向支撑。
7.根据实施例6所述的电机,其中,与所述径向衬套的材料相比,所述支承套筒包括的材料具有更高的显微硬度。
8.一种用于电潜泵组件的电机,所述电机包括:
头部模块;
动力模块;
基部模块;和
包括第一端和第二端的单件式壳体联轴器,所述单件式壳体联轴器的第一端包括沿着第一方向转动的螺纹,所述单件式壳体联轴器的第二端包括沿着第二方向转动的螺纹,其中,所述头部模块使用单件式壳体联轴器连结到所述动力模块。
9.根据实施例8所述的组件,其中,所述基部模块使用单件式壳体联轴器连结到所述动力模块。
10.根据实施例8所述的组件,进一步包括防脱螺母和间隔环。
11.一种电潜泵组件,包括:
泵模块,其中,所述泵模块包括泵轴和叶轮;
气体分离器模块,其中,所述气体分离器包括气体分离器轴和诱导轮;
密封部段,其被配置为将扭矩从所述电机轴传送到所述气体分离器轴,并且吸收来自所述泵模块的推力;和
电机模块,其中,所述电机模块包括被配置为旋转电机轴的电动机;
其中,所述泵模块使用无法兰连接件连结到所述气体分离器模块,所述气体分离器使用无法兰连接件连结到所述密封部段,并且所述密封部段使用无法兰连接件连结到所述电机模块。
12.根据实施例11所述的组件,进一步包括电机冷却系统,其中,所述电机冷却系统包括电机冷却叶轮,所述电机冷却叶轮被配置为使润滑剂循环通过电机模块热交换器,其中,所述电机模块每个交换器使用无法兰连接件连结到所述电机模块。
13.一种电潜泵组件,包括:
泵模块,其中,所述泵模块包括泵轴和叶轮;
流体入口,其中,所述流体入口包括入口轴;
密封部段,其被配置为将扭矩从所述电机轴传送到所述入口轴,并且吸收来自所述泵模块的推力;和
电机模块,其中,所述电机模块包括被配置为旋转电机轴的电动机;
其中,所述泵模块使用无法兰连接件连结到所述流体入口,所述流体入口使用无法兰连接件连结到所述密封部段,并且所述密封部段使用无法兰连接件连结到所述电机模块。
推力室实施例
1.一种被布置成将推力从轴传递到止推支承的推力室,所述推力室包括:
轴,其中,所述轴与至少一个叶轮在操作上连接,其中,所述叶轮在运行时产生向下的推力;
推力室外部壳体;
第一推力镜板,其中,所述第一推力镜板联接到所述轴上,并且包括面向上的推力传递表面和面向下的推力传递表面;
与所述外部壳体联接的第一止推支承组件;其中,所述第一止推支承组件包括面向上的推力接收表面,并且其中,所述第一推力镜板被配置为将向下的推力从所述轴传递到所述第一止推支承组件;
与所述外部壳体联接的上止推支承组件,其中,所述上止推支承组件包括面向下的推力接收表面,并且其中,所述第一镜板被配置为将向上的推力从所述轴传递到所述上止推支承组件;
第二推力镜板,其中,所述第二推力镜板联接到所述轴上,并且包括面向下的推力传递表面;
与所述外部壳体联接的第二止推支承组件;其中,所述第二止推支承组件包括面向上的推力接收表面,并且其中,所述第二推力镜板被配置为将向下的推力从所述轴传递到所述第二止推支承组件;
第一阻尼器和第二阻尼器,其中,所述第一阻尼器被配置为吸收来自所述第一推力镜板的向下推力并且将所述向下推力传递到所述第一止推支承组件,并且所述第二阻尼器被配置为吸收来自所述第二推力镜板的向下推力并且将所述向下推力传递到所述第二止推支承组件;以及
推力室热交换器,其中,所述推力室热交换器包括推力室内部壳体和推力室润滑剂回流路径,其中,所述推力室内部壳体设置在所述推力室外部壳体内,并且在其间限定推力室热交换器润滑剂通路,并且其中,所述推力室润滑剂回流路径与所述推力室润滑剂通路流体连通,并且设置在所述内部壳体内。
2.根据实施例1所述的推力室,其中,所述轴包括内部和外部,并且其中,所述轴的内部与所述润滑剂回流路径流体连通。
3.根据实施例1所述的推力室,其中,所述上止推支承组件包括静态的面向下的推力接收表面。
4.根据实施例1所述的推力室,其中,与所述第一推力镜板和所述第二推力镜板的面向下的推力传递表面相比,所述第一止推支承组件和所述第二止推支承组件的面向上的推力接收表面具有更低的显微硬度。
5.根据实施例1所述的推力室,其中,所述阻尼器被配置为将基本均匀的推力载荷分配到第一止推支承组件和第二止推支承组件上。
6.根据实施例1所述的推力室,其中,所述阻尼器包括Belleville垫圈。
7.根据实施例1所述的推力室,其中,所述阻尼器包括平行配置的Belleville垫圈堆。
8.根据实施例1所述的推力室,其中,所述推力室润滑剂通路基本上是螺旋状的。
9.根据实施例1所述的推力室,其中,所述推力室热交换器进一步包括与所述推力室润滑剂通路流体连通的过滤器筛网。
10.根据实施例1所述的推力室,其中,所述推力室热交换器进一步包括与所述推力室润滑剂通路流体连通的磁阱。
11.根据实施例1所述的推力室,其中,所述外部推力壳体螺纹连接到密封模块,并且其中,所述密封模块设置在电机模块和泵模块之间。
12.根据实施例11所述的推力室,其中,所述泵模块包括叶轮,所述叶轮在运行时产生向下的推力,并且其中,所述叶轮产生的向下推力会传输到所述推力室轴,并且由所述第一推力镜板和所述第二推力镜板传递到轴向固定在所述推力室外部壳体上的第一止推支承组件和第二止推支承组件。
13.根据实施例11所述的推力室,所述密封模块进一步包括内部密封壳体、外部密封壳体和密封润滑剂回流路径,其中,所述内部密封壳体设置在所述外部密封壳体内,并且在其间限定密封润滑剂通路,所述密封润滑剂通路与所述密封润滑剂回流路径流体连通,并且所述密封润滑剂回流路径与所述推力室流体连通;所述叶轮被配置为驱动润滑剂进入所述密封润滑剂通路中。
高速自动对准支承件实施例
1.一种适于安装在可旋转轴上的径向支承组件,包括:
一个或更多个径向支承,每个支承包括衬套和套筒,所述衬套和套筒各自包括内部和外部,所述衬套的内部经过润滑,与所述套筒的外部接合,其中,所述衬套可固接到不可旋转的衬套支撑件上,并且包括的材料具有比所述套筒更高的显微硬度,并且其中,所述套筒被配置为安装到旋转轴上,并且包括的材料具有比所述衬套更高的抗弯强度。
2.根据实施例1所述的组件,其中,所述衬套内部包括多个凹槽,所述凹槽被配置为允许润滑剂在所述衬套和所述套筒之间流动,并且其中,所述凹槽被配置为排出碎屑。
3.根据实施例1所述的组件,进一步包括设置在所述衬套外部和所述衬套支撑件之间的弹性带,所述弹性带被配置为在与润滑剂接触时膨胀,并且防止所述衬套相对于所述衬套支撑件进行实质性有害移动。
4.根据实施例3所述的组件,进一步包括所述衬套外部中的凹槽,其中,所述凹槽被配置为增加所述衬套和所述弹性带之间的结合。
5.根据实施例4所述的组件,其中,所述凹槽是螺旋状的,并且其中,所述弹性带被配置为抑制振动。
6.根据实施例1所述的组件,其中,所述套筒能够相对于所述旋转轴在约1mm到约3mm之间轴向移动。
7.根据实施例1所述的组件,其中,所述套筒包括两个外套筒和一个内套筒主体,并且其中,所述两个外套筒和一个内套筒主体各自包括一个键槽。
8.根据实施例7所述的组件,其中,所述套筒主体和所述旋转轴各自包括内部和外部,并且其中,所述套筒主体包括允许润滑剂从所述套筒主体内部流到所述套筒主体外部的开口,并且其中,所述轴包括允许润滑剂从所述轴内部流到所述轴外部的开口,并且其中,所述一个或更多个弹性带设置在所述轴外部和所述套筒主体内部之间,从而形成用于使润滑剂从所述轴内部流到所述套筒主体外部的间隙。
9.根据实施例8所述的组件,其中,所述组件进一步包括被配置为与润滑剂流体连通的筛网,所述筛网被设计用于从润滑剂中过滤磨损产物。
10.根据实施例8所述的组件,其中,所述组件进一步包括被配置为与润滑剂流体连通的磁阱,所述磁阱被设计用于从所述润滑剂中去除含铁的磨损产物。
11.根据实施例1所述的组件,其中,所述衬套包括衬套主体和衬套嵌件,其中,所述衬套嵌件包括的材料具有比所述套筒更高的显微硬度,并且其中,所述衬套主体包括低CTE材料。
12.根据实施例2所述的组件,其中,所述凹槽被配置为排出由所述衬套和所述套筒的相互作用引起的碎屑。
13.根据实施例2所述的组件,其中,所述凹槽至少约为4mm宽。
14.根据实施例3所述的组件,其中,所述实质性有害移动包括轴向移动和旋转移动。
15.根据实施例1所述的径向支承组件,其中,所述衬套的显微硬度至少比所述套筒的显微硬度大500MPa。
16.根据实施例1所述的径向支承组件,其中,所述套筒的抗弯强度至少比所述衬套的抗弯强度大500MPa。
17.根据实施例11所述的径向支承组件,其中,所述衬套主体包括热膨胀系数小于大约5μm/m-℃的材料。
18.根据实施例1所述的径向支承组件,其中,所述可旋转轴是电潜泵的一部分。
19.根据实施例1所述的径向支承组件,其中,所述可旋转轴是电动机的一部分。
20.一种适于安装在可旋转轴上的径向支承组件,包括:
一个或更多个径向支承,每个支承包括衬套和套筒,所述衬套和套筒各自包括内部和外部,所述衬套的内部经过润滑,与所述套筒的外部接合,其中,所述衬套可固接到不可旋转的衬套支撑件上,并且包括的材料具有比所述套筒跟更低的显微硬度,并且其中,所述套筒被配置为安装到旋转轴上,并且包括的材料具有比所述衬套更低的抗弯强度。
附加实施例
1.一种电潜泵组件,包括:
泵模块,其中,所述泵模块包括泵轴和叶轮,其中,所述泵轴在操作上连接到电机轴上,并且其中,所述叶轮通过键槽旋转固定到所述泵轴上;
密封部段,其中,所述密封部段被配置为传送来自所述电机轴的扭矩并且吸收来自所述泵模块的推力;
电机模块,其中,所述电机模块包括被配置为以大于4000rpm运行的电机,所述电机被配置为旋转电机轴;和
电机冷却系统,其中,所述电机冷却系统包括电机冷却叶轮,所述电机冷却叶轮被配置为使润滑剂循环通过电机模块热交换器,其中,所述电机模块热交换器包括电机模块润滑剂通路,所述电机模块润滑剂通路被配置为增加所述润滑剂在所述电机模块热交换器中的停留时间。
2.根据实施例1所述的组件,其中,所述密封部段包括密封部段冷却系统,其中,所述密封部段冷却系统包括密封部段热交换器,其中,所述密封部段热交换器包括密封部段润滑剂通路,所述密封部段润滑剂通路被配置为增加所述润滑剂在所述密封部段热交换器中的停留时间。
3.根据前述实施例中任一项所述的组件,进一步包括轴向座合系统,所述轴向座合系统包括静态推力接收面和动态推力传递面,其中,所述动态面具有比所述静态面更高的显微硬度,并且所述静态面具有比所述动态面更高的抗压强度。
4.根据前述实施例中任一项所述的组件,其中,所述组件被配置为以每天大约400桶至每天大约4000桶之间的速率生产井筒流体,而无需更换电潜泵。
5.一种主动冷却的电潜泵组件,包括:
电动机,其中,所述电机包括叶轮、中心热交换器和下部热交换器,所述叶轮布置成驱动润滑剂进入所述中心热交换器中;
所述中心热交换器包括中心外部壳体、中心内部壳体和中心润滑剂回流管,其中,所述中心内部壳体设置在所述中心外部壳体内,并且在其间限定中心热交换器润滑剂通路,并且其中,所述中心润滑剂回流管设置在中心内部壳体内;
所述下部热交换器包括下部外部壳体、下部内部壳体和下部润滑剂回流管,其中,所述下部内部壳体设置在所述下部外部壳体内,并且在其间限定下部热交换器润滑剂通路,并且其中,所述下部润滑剂回流管设置在所述下部内部壳体内并且与所述下部热交换器润滑剂通路流体连通;
其中,所述中心热交换器连接到所述下部热交换器,使得所述中心热交换器润滑剂通路与所述下部热交换器润滑剂通路流体连通,并且所述中心润滑剂回流管与所述下部润滑剂回流管流体连通。
6.根据实施例5所述的组件,进一步包括电机壳体、定子和转子轴,其中,所述转子轴设置在所述定子内,并且所述定子设置在所述电机壳体内;
所述转子轴包括内部和外部,所述转子轴的内部与所述中心润滑剂回流管以及所述电机壳体的内部流体连通;
所述转子轴被布置成使得润滑剂能够从所述中心润滑剂回流管通过所述转子轴的内部流入到所述电机壳体的内部以及所述电机壳体和所述定子之间。
7.根据实施例5或6所述的组件,进一步包括第一中心热交换器和第二中心热交换器,其中,所述第一中心热交换器的中心热交换器润滑剂通路与所述第二中心热交换器的中心热交换器润滑剂通路流体连通,并且所述第二中心热交换器的中心热交换器润滑剂通路与所述下部热交换器的下部热交换器润滑剂通路流体连通。
8.根据实施例5、6或7所述的组件,进一步包括密封部段,所述密封部段包括推力室、叶轮、内部密封壳体、外部密封壳体和密封润滑剂回流路径,其中,所述内部密封壳体设置在所述外部密封壳体内,并且在其间限定密封润滑剂通路,所述密封润滑剂通路与所述密封润滑剂回流路径流体连通,并且所述密封润滑剂回流路径与所述推力室流体连通;所述叶轮被配置为驱动润滑剂进入所述密封润滑剂通路中。
9.根据实施例1或5所述的电潜泵组件,进一步包括被布置成将推力从轴传递到止推支承的推力室,所述推力室包括:
轴,其中,所述轴与至少一个叶轮在操作上连接,其中,所述叶轮在运行时产生向下的推力;
推力室外部壳体;
第一推力镜板,其中,所述第一推力镜板联接到所述轴上,并且包括面向上的推力传递表面和面向下的推力传递表面;
与所述外部壳体联接的第一止推支承组件;其中,所述第一止推支承组件包括面向上的推力接收表面,并且其中,所述第一推力镜板被配置为将向下的推力从所述轴传递到所述第一止推支承组件;
与所述外部壳体联接的上止推支承组件,其中,所述上止推支承组件包括面向下的推力接收表面,并且其中,所述第一镜板被配置为将向上的推力从所述轴传递到所述上止推支承组件;
第二推力镜板,其中,所述第二推力镜板联接到所述轴上,并且包括面向下的推力传递表面;
与所述外部壳体联接的第二止推支承组件;其中,所述第二止推支承组件包括面向上的推力接收表面,并且其中,所述第二推力镜板被配置为将向下的推力从所述轴传递到所述第二止推支承组件;
第一阻尼器和第二阻尼器,其中,所述第一阻尼器被配置为吸收来自所述第一推力镜板的向下推力并且将所述向下推力传递到所述第一止推支承组件,并且所述第二阻尼器被配置为吸收来自所述第二推力镜板的向下推力并且将所述向下推力传递到所述第二止推支承组件;以及
推力室热交换器,其中,所述推力室热交换器包括推力室内部壳体和推力室润滑剂回流路径,其中,所述推力室内部壳体设置在所述推力室外部壳体内,并且在其间限定推力室热交换器润滑剂通路,并且其中,所述推力室润滑剂回流路径与所述推力室润滑剂通路流体连通,并且设置在所述内部壳体内。
10.根据实施例9所述的组件,其中,所述外部推力壳体螺纹连接到密封部段,并且其中,所述密封部段设置在电机模块和泵模块之间。
11.根据实施例9或10所述的组件,其中,所述泵模块包括叶轮,所述叶轮在运行时产生向下的推力,并且其中,所述叶轮产生的向下推力会传输到所述推力室轴,并且由所述第一推力镜板和所述第二推力镜板传递到轴向固定在所述推力室外部壳体上的第一止推支承组件和第二止推支承组件。
12.根据实施例10或11所述的组件,所述密封部段进一步包括内部密封壳体、外部密封壳体和密封润滑剂回流路径,其中,所述内部密封壳体设置在所述外部密封壳体内,并且在其间限定密封润滑剂通路,所述密封润滑剂通路与所述密封润滑剂回流路径流体连通,并且所述密封润滑剂回流路径与所述推力室流体连通;所述叶轮被配置为驱动润滑剂进入所述密封润滑剂通路中。
13.根据前述实施例中任一项所述的组件,进一步包括单件式壳体联轴器,所述单件式壳体联轴器包括第一端和第二端,所述单件式壳体联轴器的第一端包括沿着第一方向转动的螺纹,所述单件式壳体联轴器的第二端包括沿着第二方向转动的螺纹。
14.根据前述实施例中任一项所述的组件,进一步包括适于安装在可旋转轴上的径向支承组件,所述径向支承组件包括:
一个或更多个径向支承,每个支承包括衬套和套筒,所述衬套和套筒各自包括内部和外部,所述衬套的内部经过润滑,与所述套筒的外部接合,其中,所述衬套可固接到不可旋转的衬套支撑件上,并且包括的材料具有比所述套筒更高的显微硬度,并且其中,所述套筒被配置为安装到旋转轴上,并且包括的材料具有比所述衬套更高的抗弯强度。
15.根据实施例14所述的组件,其中,所述衬套的显微硬度至少比所述套筒的显微硬度大500MPa。

Claims (21)

1.一种串联连接两个或更多个永磁电机以用于电潜泵的过程,所述两个或更多个永磁电机每个都具有转子和定子,所述过程包括:
在待连接的两个电机的每个定子上制作相位标识标记;
在所述待连接的两个电机的每个转子上制作磁极标识标记;
使用所述相位标识标记来对准所述定子的相位;以及
使用所述磁极标识标记来对准所述转子的磁极。
2.根据权利要求1所述的过程,其中,所述过程进一步包括使每个定子上的绕组在所述相位标识标记处开始。
3.根据权利要求1所述的过程,其中,所述相位标识标记包括加工在所述定子上的标记。
4.根据权利要求1所述的过程,其中,所述相位标识标记包括涂在所述定子上的标记。
5.根据权利要求1所述的过程,其中,所述相位标识标记包括粘附在所述定子上的标记。
6.根据权利要求1所述的过程,其中,所述过程进一步包括将每个定子装配在电机壳体中,并且在所述电机壳体的外部上标识每个相位标识标记的位置。
7.根据权利要求1所述的过程,其中,所述磁极标识标记包括加工在所述转子上的标记。
8.根据权利要求1所述的过程,其中,所述磁极标识标记包括涂在所述转子上的标记。
9.根据权利要求1所述的过程,其中,所述磁极标识标记包括粘附在所述转子上的标记。
10.根据权利要求1所述的过程,其中,所述磁极标识标记包括在所述转子轴的端部上的凹口,其中,所述凹口被配置为与联轴器对准凹口配合。
11.一种用于电潜泵的电动机,包括:
第一永磁电动机,所述第一永磁电动机包括带有第一磁极标识标记的第一转子和带有第一相位标识标记的第一定子;
第二永磁电动机,所述第二永磁电动机包括带有第二磁极标识标记的第二转子和带有第二相位标识标记的第二定子;
其中,所述第一定子和所述第二定子的相位是基本对准的,并且所述第一转子和所述第二转子的磁极是基本对准的。
12.根据权利要求1所述的电动机,
其中,所述第一永磁电机包括在内径上沿着第一方向转动的螺纹,并且所述第二永磁电机包括在内径上沿着第二方向转动的螺纹,
所述电动机进一步包括单件式壳体联轴器,所述单件式壳体联轴器包括第一端和第二端,所述单件式壳体联轴器的第一端包括在外径上沿着第一方向转动的螺纹,所述单件式壳体联轴器的第二端包括在外径上沿着第二方向转动的螺纹,
其中,所述第一永磁电机使用所述单件式壳体联轴器上的螺纹、所述第一永磁电机上的螺纹和所述第二永磁电机上的螺纹连结到所述第二永磁电动机上。
13.根据权利要求1所述的电动机,进一步包括电机壳体,其中,所述电机壳体的外部标识所述第一相位标识标记和所述第二相标识标记的位置。
14.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述第一永磁电动机和所述第二永磁电动机被配置为以小于800伏的变速驱动器驱动。
15.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述电机包括2-20个磁极。
16.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述磁极标识标记包括加工在所述转子上的标记。
17.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述磁极标识标记包括涂在所述转子上的标记。
18.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述磁极标识标记包括粘附在所述转子上的标记。
19.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述磁极标识标记包括在所述转子轴的端部上的凹口,其中,所述凹口被配置为与联轴器对准凹口配合。
20.根据权利要求1所述的电动机,其中,所述转子包括实心钢条转子。
21.一种电潜泵,包括:
动力模块,所述动力模块包括第一永磁电动机和第二永磁电动机,所述第一永磁电动机包括带有第一磁极标识标记的第一转子和带有第一相位标识标记的第一定子,所述第二永磁电动机包括带有第二磁极标识标记的第二转子和带有第二相位标识标记的第二定子,其中,所述第一定子和所述第二定子的相位是基本对准的,并且所述第一转子和所述第二转子的磁极是基本对准的;
头部模块;以及
基部模块。
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