一种超低速同步磁阻潜油螺杆泵的制作方法

1.本发明涉及一种采油系统，特别是适合斜井、水平井、稠油井原油开采的基于同步磁阻潜油电机的螺杆泵举升系统，可有效解决地面螺杆泵抽油杆偏麽、断杆、螺杆泵运行工况差、寿命短、技术难题。


背景技术：

2.现国内外采用的采油设备主要包括有杆和无杆采油设备两大类:1.有杆采油设备普遍存在以下问题：（1）能源利用效率低，有杆抽油系统平均效率不足20%。采油系统是油田最大的生产用电系统，其年耗电量约占油田总用电量的56％，在油田生产成本中约有三分之一为电能消耗,而采油设备消耗的电能约占采油总电能消耗的80%左右,存在巨大的能源浪费；（2）石油采收率低，对于高含水井、稠油井，现在的地面驱动抽油机因运行成本高，无法进行常规开采，造成石油资源的大量浪费；（3）体积笨重，占地面积大，工作噪音大，有些采油设备位于市内居民区，造成土地浪费、噪音影响居民的工作和生活；（4）不能适合斜井、水平井等。
3.2.无杆采油设备在能源利用效率上具有明显的优势，与最常用有杆采油设备——游梁式抽油机相比，直驱潜油螺杆泵无杆采油设备可节电70%。直驱潜油螺杆泵无杆采油设备有如此高的能源利用效率，被国际上公认为是最有前途的采油设备，但由于其技术上存在的巨大问题（在电动机和螺杆泵之间必须采用减速器进行降速，减速器的输出扭矩经常达到600nm，目前现有的减速器在泵体直径只有100毫米空间里都无法长期可靠工作），直驱潜油螺杆泵无杆采油设备至今没有得到推广应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一是提供一种可大大提升利用潜油电机驱动螺杆泵进行深井采油工艺、可靠性和工艺性更好的利用潜油电机驱动螺杆泵进行深井采油系统。
5.本发明的目的之二是提供一种适合斜井、水平井、高温井、稠油井原油开采能提高系统可靠性，降低故障停机，减少产量损失，提高开发经济效益和提高同步磁阻潜油螺杆泵装置运行寿命的利用潜油电机驱动螺杆泵进行深井采油系统。
6.本发明的目的之三是提供一种超低速同步磁阻潜油螺杆泵，以便有效解决地面螺杆泵抽油杆偏麽、断杆、螺杆泵运行工况差、寿命短、技术难题。
7.本发明的目的是这样实现的，一种超低速同步磁阻潜油螺杆泵，其特征是：它至少包括：同步磁阻潜油电机(11)和螺杆泵(8)，同步磁阻潜油电机(11)和螺杆泵(8)顺着油管中心放入井下，用于完成潜油螺杆泵举升；所述的同步磁阻潜油电机（11）的上端和下端在壳体（11-16）内，中间段是定子总成（11-8）和转子总成（11-9），转子总成（11-9）紧靠轴（11-17），定子总成（11-18）紧靠壳体（11-16）内壁安装，并隔空套接在转子总成（11-9）外径外，
中间段的定子总成（11-8）和转子总成（11-9)分前后段，前后段之间通过扶正器(11-10)进行扶正；中间段定子总成(11-8)和转子总成(11-9)的下端通过底座组装(11-13)、滤油器(11-11)和注油阀(11-12)，注油阀(11-12)输入端接通采油池，注油阀(11-12)输出端进入滤油器(11-11），通过滤油器（11-11）滤除进入注油阀（11-12）的原油，底座组装（11-13）底部有螺纹护盖（11-14）；中间段定子总成（11-8）和转子总成（11-9）的上端有：联轴器（11-2）、半环组装（11-3）、推力盘（11-4）、止推轴承（11-5）、上电机接头组装（11-6）和电缆插头组装（11-7）；电缆插头组装（11-7）的电缆为三相电压；联轴器（11-2）和中间段定子总成（11-8）和转子总成（11-9）之间分别固定半环组装（11-3）、推力盘（11-4）和止推轴承（11-5）；同步磁阻潜油电机(11)、螺杆泵(8)的供电由井上的井口变压器(1)通过控制单元(2)控制输出到动力电缆(7)，由动力电缆(7)通过油管外臂和油管护管(13)内侧空间穿梭通过电缆湿接头接入。
8.所述的螺杆泵（8）由定子、转子构成，定子的材料为橡胶，转子为40cr加工，表面镀铬。
9.螺杆泵(8) 通过单流阀(5)和逆流阀(4)到井口单元(3)输出采集油。
10.同步磁阻潜油电机(11)在油井(12)下端的油管，同步磁阻潜油电机(11)的上端到油管(15)的上端依次管件连接。
11.所述同步磁阻潜油电机（11）的动力输出轴和螺杆泵（8）的转子通过双向推力柔性轴联轴器（9）连接，双向推力柔性轴联轴器（9）采用钛合金tc4，在传递扭矩的同时，实现连接电动机端的输入轴的定轴运动向连接螺杆泵（8）转子端的输出轴的行星偏摆运动的转换，又能传递螺杆泵（8）转子产生的轴向力；在柔性轴端部安装推力轴承部件，使双向推力柔性轴联轴器（9）承受螺杆泵（8）转子反转时产生的向上的轴向力。
12.转子是分段式多转子无导条结构，每段都有扶正轴承定位;每段之间都有非导磁材料隔离，转子铁氧体是内嵌式结构。
13.定子铁心为椭圆形闭口槽结构，定子绕组为y接法，为减少高次谐波采用双层短距绕组，电磁线采用peek树脂电磁线。
14.本发明的优点是：本发明针对直驱潜油螺杆泵无杆采油设备存在的问题，创造性的解决了超低速、大扭矩、耐高温，高效节能同步磁阻潜油电机技术世界难题，成功的发明了超低速大扭矩的同步磁阻潜油螺杆泵装置，在同步磁阻潜油电机和螺杆泵之间彻底甩掉了影响潜油螺杆泵可靠性和寿命的减速器，使该项技术的实用性获得了突破性的进展。
15.本发明的优点主要体现在如下几点：1、定子是整体结构设计，定子壳经过金属热喷涂技术，增加表面硬度和耐腐蚀性，满足油田长期使用。 定子铁心为椭圆形开口槽，为减少高次谐波采用双层短距绕组，提高系统可靠性，降低故障停机，减少产量损失，提高开发经济效益；2、使用铁氧体，使电机成本大幅降低；凸极比更高，弱磁调速性能好，改善同步磁阻潜油电机运行工况，不存在退磁风险，提高同步磁阻潜油螺杆泵装置运行寿命；3、高推力保护器平衡井液并承担螺杆泵转子产生的轴向力，避免轴向力对系统产生不良影响。
16.4、双向推力柔性轴联轴器可有效产生螺杆泵转子偏心运动所需偏摆角度，并有效传递向下轴向力，并可承受螺杆泵转子反转时产生的向上的轴向力。
17.5、适合斜井、水平井、高温井、稠油井原油开采。
附图说明
18.图1是本发明实施例结构原理图；图2是同步磁阻潜油电机上段结构分割图；图3是同步磁阻潜油电机下段结构分割图；图4是定子铁心结构图，定子铁心为椭圆形闭口槽结构；图5是转子结构图，转子是分段式多转子无导条结构；图6是高推力保护器结构示意图。
19.图中，1、井口变压器；2、控制单元；3、井口单元；4、逆流阀；5、单流阀；6、电缆扶正器；7、动力电缆（铠装电缆）；8、螺杆泵；9、双向推力柔性轴联轴器；10、高推力保护器；11、同步磁阻潜油电机；12、油井；13、油管护管；14、井下供电电源。
20.11-1、运输帽；11-2、联轴器；11-3、半环组装；11-4、推力盘；11-5、止推轴承；11-6、上电机接头组装；11-7、电缆插头组装；11-8、定子总成；11-9、转子总成；11-10、扶正器；11-11、滤油器；11-12、注油阀；11-13、底座组装；11-14、螺纹护盖；11-15、放倒块；11-16、同步磁阻潜油电机壳体。
具体实施方式
21.如图1所示，一种超低速同步磁阻潜油螺杆泵举升系统，其特征是：至少包括同步磁阻潜油电机11、高推力保护器10、双向推力柔性轴联轴器9、螺杆泵8、动力电缆7及控制单元，同步磁阻潜油电机11在油井12下端的油管15，同步磁阻潜油电机11的上端到油管15的上端依次管件连接：高推力保护器10、双向推力柔性轴联轴器9和螺杆泵8，螺杆泵8 通过单流阀5和逆流阀4到井口单元3输出采集油。
22.同步磁阻潜油电机11、螺杆泵8的供电由井上的井口变压器1通过控制单元2控制输出到铠装电缆7，由铠装电缆7通过油管15外臂和油管护管13内侧空间穿梭通过电缆湿接头接入。
23.同步磁阻潜油电机11和螺杆泵8构成超低速同步磁阻潜油螺杆泵单元，超低速同步磁阻潜油螺杆泵单元是井下同步磁阻潜油电机直接带动螺杆泵转子旋转的技术，它具有超低速大转矩、调速平滑、耐高温、高耐腐蚀、高效节能等特点。同步磁阻潜油电机11的调速范围为50～700rpm，处于螺杆泵8的工作最佳转速范围。同步磁阻潜油电机效率达90%以上，启动扭矩达到700n
·
m以上。
24.同步磁阻潜油电机11与传统的电磁感应电机不同，同步磁阻潜油电机的设计融合了铁氧体，在额定功率要求相同时，相对于传统感应电机，同步磁阻潜油电机11具有更高的起动转矩，提高系统功率因数，同时也减少了电力损失，降低系统电流和机组发热量。由于产热少，同步磁阻潜油电机11冷却需求也相对传统电机有所降低，并可在较低频率下运行。同步磁阻潜油电机11采用变频矢量控制，使系统能够针对井况变化做出及时调节，优化或消除低流速条件的不利影响，从而确保最大产量。
25.如图2和图3所示，图2和图3中的同步磁阻潜油电机上端和同步磁阻潜油电机下端在壳体11-16内，中间段定子总成11-8和转子总成11-9，转子总成11-9紧靠轴11-17，定子总
成11-18紧靠壳体11-16内壁安装，并隔空套接在转子总成11-9外径外，中间段的定子总成11-8和转子总成11-9分前后段，前后段之间通过扶正器11-10进行扶正。
26.中间段定子总成11-8和转子总成11-9的下端通过底座组装11-13、滤油器11-11和注油阀11-12，注油阀11-12输入端接通采油池，注油阀11-12输出端进入滤油器11-11，通过滤油器11-11滤除进入注油阀11-12的原油，底座组装11-13底部有螺纹护盖11-14。
27.中间段定子总成11-8和转子总成11-9的上端有：联轴器11-2、半环组装11-3、推力盘11-4、止推轴承11-5、上电机接头组装11-6和电缆插头组装11-7；电缆插头组装11-7的电缆为三相电压。
28.电缆插头组装11-7将井口变压器1的供电经控制单元2控制供给同步磁阻潜油电机，通过转子总成11-9的驱动转子转动。
29.联轴器11-2和中间段定子总成11-8和转子总成11-9之间分别固定半环组装11-3、推力盘11-4和止推轴承11-5。
30.同步磁阻潜油电机上端和同步磁阻潜油电机下端在壳体11-16内整体结构呈柔性体结构。
31.从上述描述可知，超低速同步磁阻潜油电机中的转子总成11-9通过半环组装11-3、推力盘11-4悬挂在定子总成11-8内，以减少定子总成11-8和转子总成11-9各自变形带来的过定位问题，减少扶正器11-10和止推轴承11-5的载荷。
32.定子总成11-8和转子总成11-9构成的超低速同步磁阻潜油电机冷却系统合理，整体为空心轴，上下贯通，在扶正器11-10和止推轴承11-5处有径向孔，电机转动时在离心力的作用下，油液从径向孔中流出，润滑扶正轴承。电机内腔油液大小循环设计合理，既考虑到冷却也考虑到各润滑部位的油液供应，确保其有效润滑。
33.定子总成11-8和壳体是整体结构设计，定子壳经过金属热喷涂技术，增加表面硬度和耐腐蚀性，满足油田长期使用。
[0034] 定子铁心为椭圆形闭口槽结构，如图4所示，定子绕组为y接法。为减少高次谐波采用双层短距绕组，电磁线采用高强度、高韧性、高耐温的 peek(聚醚醚酮）树脂电磁线，有效防止变频器高次谐波对电机使用寿命影响。
[0035]
超低速同步磁阻潜油电机采用管式整体槽绝缘技术，绕组端部采用整体浇注固化封槽口，即使同步磁阻电机进水也不会被烧毁大大提高了电机的使用寿命。
[0036]
转子是分段式多转子无导条结构，如图5所示，每段都有扶正轴承定位;每段之间都有非导磁材料隔离，以减少铁氧体对扶正轴承的影响。转子铁氧体是内嵌式结构，耐温260
°
c 为了铁氧体牢固可靠，并辅以jk-6363特种环氧胶整体粘接。转子间的扶正轴承两端有耐油耐磨垫圈，确保扶正轴承转动灵活。电机引线使用聚四氟软线。电机引出电缆采用插接式结构，操作简单密封可靠。同步磁阻潜油电机通过矢量控制，实现电机智能化。
[0037]
在底座组装11-13和壳体11-16之间有放倒块11-15，以保护同步磁阻潜油电机。
[0038]
在联轴器11-2顶部有运输帽11-1，同样为了保护同步磁阻潜油电机。
[0039]
同步磁阻潜油电机与传统的电磁感应电机不同，同步磁阻潜油电机的设计融合了铁氧体，在额定功率要求相同时，相对于传统感应电机，同步磁阻潜油电机，具有更高的起动转矩，提高系统功率因数，同时也减少了电力损失，降低系统电流和机组发热量。由于产热少，同步磁阻潜油电机冷却需求也相对传统电机有所降低，并可在较低频率下运行。同步
磁阻潜油电机采用变频矢量控制，使系统能够针对井况变化做出及时调节，优化或消除低流速条件的不利影响，从而确保最大产量。因此，低产热、快速和超精控等优势使得同步磁阻潜油电机的运行范围增大。同步磁阻电机利用嵌入内部的强大的铁氧体，使电机可以与电机磁场的变化速度同步运转。在结构上同步磁阻潜油电机比电磁感应电机具有更高的功率密度，同时，在机组启动时，通过矢量控制电机定子电流和转矩电流，同步磁阻潜油电机系统可输出比电磁感应电机高2~3倍的起动转矩，大大提高了系统对复杂油井操作的可靠型和经济性。
[0040]
如图6所示，所述的高推力保护器10用于平衡井液与电机内部压力，阻断井液进入电机内部，并承担螺杆泵8转子产生的轴向力，避免轴向力对同步磁阻潜油电机11产生不良影响。
[0041]
高推力保护器10中的高推力轴承组以多列推力轴承组成，提高轴向动载荷，轴承的摩擦系数大，适用于低转速的场合。
[0042]
高推力保护器10包括，上接头组装10-2、下接头组装10-6和潜油管件10-7，上接头组装10-2和下接头组装10-6套接连接在潜油管件10-7上下端，在上接头组装10-2和下接头组装10-6之间有密封管壳10-8，在密封管壳10-8和潜油管件10-7之间分布有氟橡胶胶囊10-3、高推力轴承组装10-4。
[0043]
胶囊10-3是氟橡胶材料，胶囊10-3中间段长，两端短，靠近上接头组装10-2的端部外径小于密封管壳10-8内径，中间段密封管壳10-8内径配合，靠近下接头组装10-6的端部是一个由直径变小，在由直径变到密封管壳10-8内径配合的过渡段。
[0044]
胶囊10-3前端通过前堵头10-10同轴与推力轴密封连接，在前堵头10-10与推力轴之间有推力轴密封圈10-12密封；胶囊10-3后端有后堵头10-11同轴与推力轴密封连接，在后堵头10-11与推力轴之间有推力轴密封圈10-12密封；后堵头10-11为凸字节构，凸字下部外径与密封管壳10-8的内径贴合，凸字上部外径与胶囊10-3的内径贴合，凸字下部外径与密封管壳10-8的内径贴合时加有双向柔性联轴器壳密封圈10-13。
[0045]
上接头组装10-2端通过机械密封10-1密封连接双向柔性联轴器，下接头组装端连接同步磁阻潜油电机，同步磁阻潜油电机高推力保护器在同步磁阻潜油电机和双向柔性联轴器之间。
[0046]
高推力轴承组装10-4是由多组推力轴承组装10-5叠层套接在潜油管件10-7外管构成。
[0047]
所述的双向推力柔性轴联轴器9连接同步磁阻潜油电机11的动力输出轴和螺杆泵8的转子。双向推力柔性轴联轴器9采用钛合金tc4，在传递扭矩的同时，既能实现连接电动机端的输入轴的定轴运动向连接螺杆泵8转子端的输出轴的行星偏摆运动的转换，又能传递螺杆泵8转子产生的轴向力。在柔性轴端部安装推力轴承部件，使双向推力柔性轴联轴器9承受螺杆泵8转子反转时产生的向上的轴向力，提高了承载力及可靠性，便于螺杆泵8除蜡反冲洗。
[0048]
所述的螺杆泵8由定子、转子构成，定子的材料为橡胶，转子为40cr加工，表面镀铬，为螺旋状细长杆。转子做行星转动，具有较大的轴向力，螺杆泵对粘度较大、含沙、含气液体具有较强的适应。
[0049]
本发明将下连接结构及金属底座通过下线缆与井下潜水泵的电机相连，并直接放
入井下，再将上电缆与上连接结构相连，然后将上连接结构及其相连接各部件一同顺着油管中心放入井下，通过为线圈通电，使得金属罩及上金属柱产生电磁吸力，与下连接结构及金属底座吸引靠近，且由于上电缆与上连接结构及其相连接各部件的自重，使得金属底座与金属罩底部相互靠近并对接，达到下连接结构与上连接结构对接导电的目的；该发明上下两部分通过电磁吸力及自身重力在井下即可完成对接导电，因此，上电缆与上连接结构及其相连接各部件可顺着油管中心放入井下，从而避免电缆被井壁挤压损坏，同时也避免与井壁摩擦造成井下落物等问题，防止井下事故的发生，节约操作成本，增加经济效益；这种结构简单，使用安全，操作方便。