CN201243230Y - 用于烃类应用的电机绕组线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电机绕组线。所述电机绕组线可以构造用于烃类环境中并且直接暴露于烃类环境中。所述电机绕组线可以由一层聚合物层来电绝缘，而另一层外聚合物层用于提供对下面的层的防湿以及对其它污染物和烃类环境的隔离。另外，聚合物在电机绕组线上形成层的方式以认识到电机绕组线的有限尺寸的方式实现。

Description

用于烃类应用的电机绕组线

相关申请的交叉引用

根据35 U.S.C.§119(e)，本专利文献要求2007年2月13日提交的、名称为“Motor Winding Wires for Oilfield Application”的美国临时专利申请序列号No.60/889650的优先权，该临时申请在此通过引用并入。

技术领域

所述实施例涉及一种用于放置在烃类井(hydrocarbon well)内的设备。特别地，所述实施例涉及一种使用励磁电机绕组线的设备，其中所述设备可以构造用于放置在井内并相对连续地在井内使用一段很长的时间(或许在1年半到5年之间)。

背景技术

各种烃类应用(hydrocarbon applications)涉及使用以电为动力的设备，该设备布置在烃类井中持续较长的时间。例如，电动潜油泵(ESP)可以位于烃类井内以帮助将烃类从井中抽出。在这种情况下，优选的是将泵放置在适当的位置并且在将烃类产物从井中抽出的整个过程中操作。由此，基于油气藏本身以及操作的参数，泵可以持续操作并被放置在适当的位置直到大约5年或更长的时间。

如所示的ESP的设备可以包括几个构件，这几个构件由于暴露到井下环境中易于损坏。例如，井下环境的含水量、化学成分、以及压力和温度极值会随着时间使得ESP的某些构件恶化。ESP的易于暴露到这种环境中的构件可以包括例如电机绕组或导体的电力电缆和电机部分。然而，可以采取措施帮助这些构件与井下环境隔离。例如，对于电力电缆，厚且坚固的防潮性聚合物层可以挤出(extruded：或挤压)在导电芯体上。如此，该芯体可以基本上不受到井下环境的影响从而有助于保证电缆能够使用较长的时间。可选地，对于电机和绕组，它们可以容纳在注满油并且密闭密封的壳体内，该壳体与井中环境隔离。

但不利的是，上述填充油的壳体总是不能保持与周围的井下环境完全隔离。例如，当在井内处于较长的时间时，来自井下环境的湿气和化学污染物最终能够在某种程度上渗入并透过壳体。然而，对于电机的一部分，壳体主要充满油的事实可以足以避免故障。例如，尽管存在一定程度的湿气和化学污染物，电机的移动部分可以存在足够的润滑以维持运行。然而，如下所述，电机绕组直接暴露于井污染物，特别是湿气，会足以导致电机绕组无效，从而导致整个ESP故障。

不像电机的其它部分，电机绕组线不是基于在壳体内存在足够的油浓度而维持操作。相反，像电力电缆一样，大体上防止电机绕组线与井下污染物特别是湿气直接接触，这是保证绕组线连续运作的关键。然而，如上所示，随着在井下过去足够长的时间，这些井下污染物易于穿透壳体从而使得绕组线直接暴露于污染物。

为了进一步防止电机绕组线直接暴露于井下污染物，可以围绕电机绕组线的导电芯体设置聚合物层。这样，理论上，与前面提到的电力电缆相似，聚合物层可以为电机绕组线提供一定程度的防护。然而，不利的是，电机绕组线的尺寸和特性自身使得传统的聚合物分层和防护不能持续防止绕组线暴露于井下污染物。例如，传统的电机绕组线可以是不大于大约5规径(gauge)的铜线的磁化的线芯，通常在16—50规径之间。此外，电机绕组线可以构造用于相对紧的绕组。如此，不多于大约0.25与20mil之间的聚合物层可以被有效地设置在绕组线上。实际上，对于约30规径或更小的绕组线，实际上它可以更有效地完全避免挤出聚合物层并且简单地将聚合物漆在(varnish)缠绕的绕组线上以使得绕组线免受井下污染物的损坏。不论如何，聚合物层的厚度是有限的且有效性是有限的。

除了厚度有限之外，聚合物层作为对井下污染物的防护的有效性也可以由可以与电机绕组线一起使用的聚合物的特定类型所限制。即，假定电机绕组线的小尺寸和导电特性，围绕其布置的材料可以是电绝缘的，以保证适当的布线操作(wire operation)。这些材料可以包括聚酰亚胺、聚酯、聚酰胺、聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone)以及其它电绝缘体。然而，不利的是，当即使持续直接暴露于少量的湿气和其它井下污染物，这些绝缘体也易于水解降解或湿气吸收。结果，电机绕组线以及整个ESP或采用这种绕组线的其它设备易于发生故障，通常大大早于大约5年的时间。实际上，连续使用的位于井下的较小的ESP电机经常只有不超过大约1年的预期使用寿命。此外，通过外包或搪瓷层(enamel layer)构造来克服聚合物防护限制的努力仍然不足以防止这种水解降解和湿气吸收。

实用新型内容

本实用新型提出了一种电机绕组线，用于在例如井的井下环境的烃类环境中的应用。该绕组线包括导电芯体，该导电芯体具有围绕其的电绝缘聚合物层。防潮外聚合物层围绕该电绝缘聚合物层设置以便使它免受环境中的湿气的损坏。

在一个实施例中，粘结层(tie layer)可以布置在电绝缘聚合物层与防潮外聚合物层之间。该粘结层可以包括所述电绝缘聚合物层和所述抗污性外聚合物层中的一个的聚合物，以及粘附官能团，用于提供在所述电绝缘聚合物层与所述外聚合物层之间粘结。

附图说明

图1是井的横截面侧视图，且电驱动组件的实施例布置在其内；

图2是图1中的组件的电机以及井的放大横截面侧视图；

图3是图2中电机的电机绕组线的实施例的放大横截面视图；

图4是电机绕组线的可选实施例的横截面视图；

图5是沿5—5做出的图4中的电机绕组线的放大图；和

图6是在油田的井内的电驱动组件的实施例的局部横截面俯视图。

具体实施方式

下面参照与用于烃类应用的电气设备一起使用的电机绕组线的某些类型描述本实用新型。特别地，主要描述在烃类井中使用的电动潜油泵形式的设备。然而，很多电气设备也可以使用在此描述的实施例，特别是希望该设备在恶劣的或潮湿的富烃类环境中长期和/或连续使用的情况。

现在参照图1和2，电驱动组件100显示为布置在烃类井180中。井180由通过油田中的地层190的壳体150限定。在显示的实施例中，组件100是电动潜油泵(ESP)形式的电驱动设备。然而，在这种井180中也可以使用其它类型的电驱动设备。如所示的，ESP组件100包括抽出管道160、泵140和入口区域(intake region)130，以及由电缆175供电的电机125。ESP组件100可以通过将电机组件200在电机125的壳体225内旋转而运转。电机125可以用于给泵140提供动力以从井180的环境中抽吸烃类流体。这种流体可以沿抽出管道160驱动到井面。

上述组件100可以布置在井180内用于连续运行较长的时间。例如，ESP组件100可以如所示地布置在井180内，以便在井180的整个产油期中基本上连续地使用。在大多数情况下，这可以是2年至5年之间或更长。在此期间，组件100会受到恶劣的井条件的影响，例如极端温度或压力，并且会暴露于例如湿气和腐蚀性化学物的污染物110。然而，组件100可以在井180的大体上整个产油期中维持运转。特别地，如下面详细描述的，组件100的电机绕组线轴210可以充分地免于井180中的污染物的损坏，从而避免在井180的产油期中组件100的操作故障。

继续参照图1和2，组件100直接暴露于井180的包括上述污染物110的环境中。参照图2，电机125的壳体225可以被密闭地密封以在一定程度上防止所示的污染物110进入。然而，在井的产油期的某些时候，污染物110会到达在壳体225内的填充油的空间250。由此，位于填充油的空间250内的可旋转电机组件200会直接暴露于这种污染物110。需要特别注意的是，电机绕组线轴210的电机绕组线201可以与例如湿气的污染物110直接接触。然而，如下面详细描述的，电机绕组线201的导电性可以大体上不受与湿气污染物110接触的影响。由此，可以避免电机125的故障从而整个ESP组件100的故障。此外，尽管线轴210显示为布置在ESP组件100内，但是如下面提到的，其它电机驱动的组件也可以使用电机绕组线201。这种组件可以包括井下拖拉器(tractor)组件、动力推动的扶正器(poweredcentralizer)、射孔枪、采样工具和大量可以电机驱动的其它组件。

现在参照图3以及图2，电机绕组线201的实施例的结构可以构造成避免污染物110与线201的导电芯体300接触。如此，芯体300(通常为磁化铜)的导电性可以不受污染物110的影响而使得导电性弱化。特别地，导电芯体300可以由如下所述的聚合物层350和375的特制组合被防护(或隔离)。

为了提供抗电晕放电性以及与导电芯体300电绝缘，绝缘聚合物层350可以围绕导电芯体300布置。绝缘聚合物层350可以是一般用于电绝缘绕组或线圈线的各种聚合物类型，并且可以各种方式布置。例如，电机绕组线201大于大约18规径，绝缘聚合物在芯体300上挤出大于大约2mil的厚度以形成层350。可选地，对于较小的绕组线201，可以使用搪瓷涂层或上漆工艺以在芯体300上设置小于大约2mil的绝缘聚合物，从而形成绝缘聚合物层350。另外，用于提供层350的其它技术也可以使用，例如使用胶带形式的绝缘聚合物，且基于在井180中可能遇到的井下温度极值选择该粘附类型。

以挤出或聚合物带形式提供的绝缘聚合物层350的材料包括聚酰亚胺、聚酯、聚酯酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰胺、聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)、聚苯硫(polyphenylene sulfide)以及自增强的聚亚苯基(self-reinforced polyphenylene)。可选地，在使用上述上漆技术的情况下，绝缘聚合物层350可以更优选地是聚合酰亚胺(polymericimide)、酯、酯酰-亚胺(ester-imide)、酯-酰胺(ester-amide)、酰胺-酰亚胺(amide-imide)、氨基甲酸酯(urethane)或环氧树脂。可选地，聚合材料或环氧树脂材料可以填充有纳米级颗粒，从而提高绝缘聚合物层350的耐久性和/或绝缘特性。

继续参照图3以及图1和2，绝缘聚合物层350可以提供充分的电绝缘以及电晕放电保护。然而，另外的防潮外聚合物层375可以设置在绝缘聚合物层350上从而防止例如湿气的污染物110达到绝缘聚合物层350。如此，绝缘聚合物可以被选择用于下面的绝缘聚合物层350，而没有特别注意井180内的污染物110。特别地，用于绝缘聚合物层350的材料可以在没有特别注意它的水解降解的情况下选择。即，外聚合物层375可以构造成将绝缘聚合物层350与井180内的湿气隔离。由此，电绝缘的聚合物(或许甚至是那些暴露到湿气中时易于水解降解的聚合物)可以仍然用于形成绝缘聚合物层350。结果，在选择用于电绝缘下面的芯体300的适当的绝缘聚合物时可以具有更大的灵活性。

除了防护下面的绝缘聚合物层350之外，外聚合物层375可以构造成对芯体300没有提供很大的电绝缘。由此，用于外聚合物层375的聚合物可以基于防潮、耐化学腐蚀或其它隔离污染物的特性进行选择。

在一个实施例中，外聚合物层375可以基于例如图1和2所示的井180内的井下温度特别构造。例如，外聚合物层375可以构造成能够经受超过大约300℃的高温井下条件。在这种实施例中，外聚合物层可以由含氟聚合物构造。例如，可以使用乙烯-四氟乙烯共聚物，或许可以使用利用粘附官能团(adhesive functional group)进行改进以便于粘附到绝缘聚合物层350上的乙烯-四氟乙烯共聚物。马来酸酐、丙烯酸、羧酸、或硅烷，可以用作这种粘附组。其它用于外聚合物层375的适当的抗高温材料可以包括聚氯三氟乙烯或乙烯-氯三氟乙烯(ethylenechlorotrifluoroethylene)，聚氯三氟乙烯或乙烯-氯三氟乙烯可以如上所述地利用粘附组进行改进。另外，可以使用全氟烷氧基树脂(perfluoroalkoxy resin)、氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯、膨体聚四氟乙烯(ePTFE)、以及任何改良的含氟聚合物(improved fluoropolymer)来形成外聚合物层375。

在另一实施例中，外聚合物层375可以构造成用于在低于大约300℃的低温应用，且外聚合物层375由例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚-4-甲基-1-戊烯(poly(4-methyl-1-pentene))，以及聚烯烃弹性体。又，这些材料可以利用马来酸酐、丙烯酸、羧酸、硅烷或其它适合的材料被改进以便于粘附到下面的电绝缘聚合物层350上。

如同绝缘聚合物层350，也可以使用多种技术以提供外聚合物层375。即，基于线径号，外聚合物层375可以被挤出，或许甚至可以与绝缘聚合物层350共挤出。在一个实施例中，外聚合物层375被挤出之后被向下加工大约1mil。可选地，外聚合物层375可以通过传统技术烧结在绝缘聚合物层350上。另外，可以使用粘附胶带形式的外聚合物以将外聚合物层375设置在绝缘聚合物层350上。

现在参照图4，图中示出了电机绕组线400的可选实施例。要特别注意下面的事实：线400包括设置在其外聚合物层480与其绝缘聚合物层450之间的另外的粘结层(tie layer)465。粘结层465可以用于用作在外聚合物层480与下面的外聚合物层480之间的粘附层，从而保证在外聚合物层480与外聚合物层480的充分粘结。如下面详细描述的，对于用于外聚合物层480的不同类型的材料相对于下面的聚合物绝缘层450，粘结层465在维持这种粘结中可以是特别有利的。以如此方式保证充分的粘结可以有利于在例如图1中示出的恶劣井下环境中提高电机125的性能和延长使用寿命。

继续参照图4，绝缘聚合物层450可以构造成用于电绝缘线400的导电芯体425。由此，绝缘聚合物层450可以由例如上面描述的、用于图2和3中示出的电机绕组线201的绝缘聚合物层350的那些材料制成。另外，外聚合物层480可以构造成为线400的下面部分提供抗污性，例如抗湿性。由此，又，用于外聚合物层480的材料可以是在上面参照图2、3中的外聚合物层375详细描述的材料。然而，相较于外聚合物层480对于绝缘聚合物层450的大致不同的目的，可以设置粘结层465以保证层450、465、480彼此之间的充分粘结。

下面参照图5，图5中描述了图4中的部分5—5的放大图。特别地，如上所述，粘结层465示出为在外聚合物层480与绝缘聚合物层450之间。为了保证适应性以及粘结到另外的层450和480，粘结层465由相邻层450、480之一的主链或原料聚合物组成，且相对于层450、480中的另一层具有粘附特性的官能团500分配在其中。如此，层465的原料聚合物可以用于将一个相邻的层450、480粘附到粘结层465上，而官能团500将粘结层465粘附到另一个相邻的层450、480上。

基于相邻绝缘聚合物层450以及外聚合物层480的材料，可以使用各种原料聚合物用于粘结层465。例如，聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚-4-甲基-1-戊烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯氟化乙丙烯三聚物(ethylene fluorinated ethylene-propylene terpolymer)、聚氯三氟乙烯、乙烯-氯三氟乙烯(ethylene chlorotrifluoroethlyene)、以及很多其它可以用作粘结层465的原料聚合物的其它含氟聚合物。马来酸酐、丙烯酸、羧酸、硅烷或其它适合的官能团500可以相似地用于用作相对于邻近粘结层465的层450、480之一的粘附剂。

通过示例，参照上面列出的用于粘结层465的材料选择，图4中示出的电机绕组线400的一个实施例可以包括聚酰胺材料的电绝缘聚合物层450，而抗污性外聚合物层480可以是乙烯-四氟乙烯共聚物。在如此布置中，粘结层465可以由乙烯-四氟乙烯共聚物作为其原料聚合物制成，用于粘附到外聚合物层480上。在此示例中，例如马来酸酐的官能团500可以存在于整个粘结层465中(如图5中所示)，以便于粘附到下面的绝缘聚合物层450。

继续参照图4和5，所示的电机绕组线400可以根据上面描述的有关绝缘聚合物层450和外聚合物层480的技术制造。介入的粘结层465优选通过挤出提供。实际上，在一个实施例中，层450、465、480中的每一个都围绕导电芯体425同时共挤出以形成线400。

现在参照图6，图中示出了在油田645的井680中的ESP形式的抗污电驱动组件600的实施例。井680位于油田645中传统的地面设备625的下面，并且配备有横过地层的多个部分655、660的壳体650。井680最终提供了到生产区675的入口，ESP组件600位于该生产区675，用于长时间(超过两年)并且甚至可能在井680的整个产油期内运行。

根据上面详细描述的构造和技术，对湿气、有害的化学品、以及其它潜在的污染物610的防止件(resistance)被设置到ESP组件600的电机绕组线上。由此，尽管对于潜在很恶劣的湿气很多的井下条件，ESP组件600的实施例也可以放置在适当的位置且没有不适当的担心泵故障的可能性。如此，与井暂停以及泵更换相关的费用基本上可以避免。

上文描述的实施例包括电机绕组线，尽管尺寸有限，但是所述电机绕组线可以被提供有足够的电绝缘以及足够的聚合物防护，从而允许它们直接暴露于湿气以及其它的烃类污染物，而没有过早故障的不适当风险。实际上，使用这种电机绕组线的设备可以在烃类井中位于井下，且基本上在井的产油期内可以连续运行，而不用特别担心由于电机绕组线故障导致的设备损坏。

前面的描述通过参照当前优选的实施例做出。然而，也可以采用上面没有详细描述的其它实施例。例如，由上面描述的材料以及根据上面描述的技术构造的电机绕组线可以实施为与除了ESP之外的井下拖拉器、动力推动的扶正器、射孔枪、采样工具和其它油田用工具的供电相结合。与这些实施例相关的本领域普通技术人员将理解：在没有偏离这些实施例的原理、保护范围的情况下，可以对上述结构和操作方法做出其它的变化和改变。此外，前面的描述不应该被认为是仅仅涉及所描述的和在图中示出的具体结构，而是应该理解为与权利要求书一致并支持权利要求，该权利要求具有最宽和最清楚的保护范围。

Claims (11)

1、一种用于烃类应用的电机绕组线，所述绕组线包括导电芯体和围绕所述导电芯体的电绝缘聚合物层；其特征是：

所述绕组线进一步包括围绕所述电绝缘聚合物层的抗污性外聚合物层。

2、根据权利要求1所述的电机绕组线，其中所述烃类应用是井下井应用，且所述外聚合物层对湿气和腐蚀性化学品之一具有抗污性。

3、根据权利要求1所述的电机绕组线，其中所述烃类应用是在温度超出大约300℃的井下井应用，且所述外聚合物层由含氟聚合物制成。

4、根据权利要求1所述的电机绕组线，其中所述烃类应用是在温度小于大约300℃的井下井应用，且所述外聚合物层由聚烯烃制成。

5、根据权利要求1所述的电机绕组线，其中所述外聚合物层利用粘附官能团进行改进以提高对所述绝缘聚合物层的粘结。

6、根据权利要求5所述的电机绕组线，其中所述粘附官能团是马来酸酐、丙烯酸、羧酸和硅烷中的一种。

7、根据权利要求1所述的电机绕组线，进一步包括粘结层，所述粘结层设置在所述电绝缘聚合物层与所述外聚合物层之间，所述粘结层包括所述电绝缘聚合物层和所述抗污性外聚合物层中的一个的聚合物，以及粘附官能团，用于在所述电绝缘聚合物层与所述外聚合物层之间粘结。

8、一种用于烃类应用的电机绕组线，所述绕组线包括导电芯体和围绕所述导电芯体的电绝缘聚合物层；其特征是：

所述绕组线进一步包括抗污性外聚合物层；和粘结层，所述粘结层设置在所述绝缘聚合物层与所述外聚合物层之间以提供在所述电绝缘聚合物层与所述外聚合物层之间的粘结。

9、根据权利要求8所述的电机绕组线，其中所述粘结层进一步包括粘附官能团，用于粘附到所述绝缘聚合物层和所述外聚合物层中的另一层，所述粘附官能团从由马来酸酐、丙烯酸、羧酸和硅烷组成的组中选择。

10、一种用于使用在油田中的电驱动组件，具有电机，所述电机包括：

壳体；

在所述壳体内的电机绕组线轴；和

所述电机绕组线轴的电机绕组线，所述电机绕组线具有由电绝缘聚合物层围绕的导电芯体，所述电绝缘聚合物层由抗污性外聚合物层围绕。

11、根据权利要求10所述的电驱动组件，在油田中烃类井内用作电动潜油泵、井下拖拉器、动力推动的扶正器、射孔枪、采样工具中的一种。

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