CN101265897B

CN101265897B - 井下采油和注入泵系统

Info

Publication number: CN101265897B
Application number: CN2008100056092A
Authority: CN
Inventors: 艾施力·B·约翰逊; 乔纳森·J·埃尔菲克
Original assignee: Prad Research and Development Ltd
Current assignee: Prad Research and Development Ltd; Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: US7621339B2; CN101265897A; US20080190622A1

Abstract

本发明披露了井下采油和注入泵系统，其中井下泵可定位在基本上分成油部分和水部分的流体柱中，井下泵包括外壳；缸内的柱塞，可经吸入行程和生产行程往复运动；活塞，可移动地位于柱塞与将油腔与水腔分离的顶壁之间；进油组件，提供从流体柱到油腔的单向流体流，并包括用于有选择地允许油进入并阻止水进入油腔的装置；油排出装置，提供从油腔到地面的单向流体流；进水组件，提供从流体柱到水腔的单向流体流；进水装置中的限流装置，以基本上平衡进油组件中的压降；和排水装置，提供从水腔向注入区的单向流体流。在吸入行程，油流体抽入油腔，且水以预先选择的油水比率抽入水腔；且在生产行程，如果注入区压力被超过水注入注入区且油被采到地面。

Description

井下采油和注入泵系统

技术领域

[0001] 本发明总体涉及用于提高碳氢化合物生产的经济性的系统和方法，并且更具体地说，涉及促进储层流体的期望部分从地下地层有选择地升到地面，并用于将储层流体的不期望部分注入另一地下地层的系统，其中：该系统补偿储层流体的含水率和注入参数的变化。

背景技术

[0002] 采油井穿透地下地层，除诸如石油的期望的更轻流体外，地下地层的产出还包括诸如水的较重的不期望流体。随着时间的流逝，从地层采出的水的比例典型地增加。水采出到地面导致将水升到地面的能量和地面处理成本的增加。相应地，许多井由于采出过多水，变得不经济。

[0003] 开采高含水率油井的传统方法是将全部储层流体采集到地面。在地面，从储层流体的期望碳氢化合物部分分离出水。通常通过运送到注入注入地层或区域的处置井，实现了水处理。因此，采过多的水到地面显著地增加了井操作的成本和环境影响的危险。

[0004] 解决高含水率储层流体的第二种方法称作“现场”方法。在现场方法中，不期望的水和期望的碳氢化合物被使得在井中基本上分开。该期望的流体部分和典型的一部分不期望的流体则被采到地面，并且不期望的部分被注入处置地层（“注入区”）。该注入区域可位于采油储层地层上方或下方。

[0005] 虽然现有现场系统提供了减小操作成本并且从而增加井的经济寿命的机会，就储层流体的含水率变化的补偿、注入区的注入变化的补偿、复杂性和可靠性而言已注意到缺点。因此，仍存在对井下采油和注入泵系统的需要，该注入泵系统满足对经济地从高含水率储层开采期望的储层流体到地面的增长需要。

发明内容

[0006] 考虑到前述和其它因素，本发明涉及一种泵系统，该泵系统促进从井泵取流体的期望部分，和将流体的不期望部分注入处置层，不用从井提升不期望的部分。

[0007] 在本发明的实施例中，一种泵可定位在基本上分成不期望流体部分和期望流体部分的流体柱中，用于有选择地将期望流体升到地面，并且将不期望的流体注入注入区，该泵包括：外壳，具有确定缸的顶壁和底壁；位于缸内的柱塞，柱塞可经吸入行程或进入行程和生产行程或采油行程往复运动；活塞，可移动地位于柱塞与将不期望流体腔与期望流体腔分离的顶壁之间；期望流体进入组件，提供从流体柱到期望流体腔的单向流体流；期望流体排出装置，提供从期望流体腔到地面的单向流体流；不期望流体进入装置，提供从流体柱到不期望流体腔的单向流体流；和不期望流体排出装置，提供从不期望流体腔向注入区的单向流体流。在吸入行程时，期望的流体被抽入期望流体腔，并且不期望的流体被抽入不期望流体腔；并且在生产行程时，如果注入区压力被超过或克服不期望流体被注入注入区并且期望流体被采到地面。[0008] 在另一实施例中，一种井下泵，可定位在基本上分成油部分和水部分的流体柱中，用于有选择地将油升到地面，并且将水注入注入区，所述泵包括：外壳，具有确定缸的顶壁和底壁；位于缸内的柱塞，柱塞可经吸入行程或进入行程和生产行程往复运动；活塞，可移动地位于柱塞与将油腔与水腔分离的顶壁之间；进油组件，提供从流体柱到油腔的单向流体流，该进油组件包括用于有选择地允许油进入油腔并阻止水进入油腔的装置；油排出装置，提供从油腔到地面的单向流体流；进水装置，提供从流体柱到水腔的单向流体流；进水装置中的限流装置或限流位置，用于基本上平衡进油组件中的压降；和水排出装置，提供从水腔向注入区的单向流体流。在吸入行程时，油流体被抽入油腔，并且水以预先选择的油水比率被抽入水腔；并且在生产行程时，如果注入区压力被超过或克服，水被注入注入区并且油被采到地面。

[0009] 一种将井中的流体柱的油部分采到地面并将流体柱中的水注入注入区，不会将水升到地面的方法，包括步骤：将泵定位在流体柱中，该泵具有：经吸入行程和生产行程往复的柱塞；和将油腔与水腔分离的滑动套管；在吸入行程时，将油抽入油腔并且将水抽入水腔；并且在生产行程时，如果注入区的注入压力被超过或克服时，将自水腔的水注入注入区并且将油腔中的油采到地面。

[0010] 前述内容描绘了本发明的特征和技术优点，以便更好地理解后面的本发明的详细描述。在下文中，将描述形成本发明的权利要求的主题的本发明的其它特征和优点。

附图说明

[0011] 当结合附图阅读时，参照本发明的具体实施例的如下详细描述将最好地理解本发明的前述和其它特征和方面，其中：

[0012] 图1是本发明的井下泵系统的实施例的示意侧视图；以及

[0013] 图2是本发明的井下泵系统的另一实施例的示意侧视图；

具体实施方式

[0014] 现在参照附图，其中：所示元件未必成比例显示并且几个视图中相同或相似元件由相同标号指示。

[0015] 如这里使用的，指示对给定点或元件的相对位置的术语"上"和"下"；“上面的"和"下面的"和其它类似术语被用于更清晰地描述本发明的实施例的一些元件。通常，这些术语涉及作为表面的参考点，钻井操作从该表面开始，该表面作为顶点和井的总深度作为最低点。

[0016] 图1显示了位于井12中由标号10总体指示的本发明的井下泵系统的实施例。井 12典型地以套管柱14完成，套管柱14具有与采油地层16和注入地层18相邻的穿孔。采油地层16产生进入井12的储层流体。为了这种描述的目的，储层流体包括油部分5和水部分7。油7可包括一定比例的水，但主要由油组成。可能位于采油地层16上方或下方的注入地层18是选择用于可处理储层流体的水部分7的储层地层。

[0017] 油管柱20具有内部孔22，并在井12中的期望水平处悬挂泵M的套管柱14内延伸到井下。分段（sub)沈在泵M下延伸，并通过封隔器观以将采油的储层流体的不期望的水部分运送到注入地层18。分段沈可包括油管柱。井12的环带M是套管柱14或周围地层与泵M和油管柱20之间的区域。

[0018] 泵M包括外壳30，外壳30具有确定泵缸36的顶壁32和底壁34。图1的实施例中的泵外壳30具有基本上恒定的直径，从顶壁32延伸到底壁34。开口或端口 76穿过底壁 34形成，或接近底壁34形成，提供了缸36与环带M之间的流体连通。

[0019] 轴38延伸经过顶壁32进入缸36，并且被连接到具有柱塞42的柱塞组件40。轴 38被连接到未示出的被连接到诸如抽油机井或联动抽油架（pump jack)或其它往复式设备的动力装置或从未示出的被连接到诸如抽油机井或联动抽油架或其它往复式设备的动力装置延伸到井下，用于在泵外壳30内移动柱塞组件40。

[0020] 滑动活塞48位于顶壁32与柱塞42之间、泵缸36内。活塞48将缸36分成顶壁 32与活塞48之间的油腔37和活塞48与柱塞42之间的水流体腔39。滑动活塞48能够自由地与轴38的运动分离地运动。诸如弹簧的偏置机构50可位于油腔37中以作用在活塞 48上。偏置机构50提供预负载以控制水注入压力与将油升到地面的压力之间的差，并提高吸油优选级或优先权。

[0021] 由进油组件52提供实现自环带M的油5进入泵24。进油组件包括环带M与油腔37之间流体连通的管线（line) 58，和提供从环带M进入腔37的单向流体流的止回阀 56。管线58包括期望地位于环带M中的流体柱的油部分5中的一个或多个端口 60。在所示实施例中，进油组件52包括流体选择设备，以促进与水7相反地优选吸入油5，并调节以改变井12中的水油界面64的水平的变化。该流体选择设备是与管线58的端口 60功能连接的阀部件62。在所示实施例中，阀部件62是由具有在水7和油5的比重之间的比重的材料构成的滑动套管。可以使用包括浮动球和相类似物的其它适合阀部件。阀部件62接近水油界面64停留，水油界面64对油5暴露端口 60并对水70关闭端口 60。其它流体进入选择机构可与所示和所述流体选择设备结合使用或与所示和所述流体选择设备单独使用，诸如电子流体探测和阀操作或电子流体探测和阀操作装置。

[0022] 油5从泵M被排进管道20，用于经提供从腔37到管道20的孔22的单向流体流的排油止回阀66，提供到地面。如本领域已知，经管道20以外的装置，油5可从泵M提供到地面。

[0023] 经过泵M的水流7由作为柱塞组件40的部分的进水装置68和排水装置70提供。进水装置68通过在外壳30内行进的柱塞42形成。进水装置68包括止回阀74，止回阀74 提供沿从柱塞42下面进入柱塞42上面的腔39的方向的单向流。进水装置68包括限流器 72，限流器72可用于平衡进油组件52中的压降。

[0024] 排水装置70包括通过泵外壳30从轴38延伸的端口管道44。该端口 46位于柱塞 42上方。端口管道44包括单向止回阀78，单向止回阀78实现从腔39到外壳30的外部向着用于处置的注入地层18的流体流动。具有端口 46的中空抽油杆（socker rod)是端口管道44的实施例的实例。

[0025] 图2显示了泵系统10的实施例，泵系统10适合增加水注入压力并增加采油到地面的优先权。泵外壳30包括第一外壳部件30a，第一外壳部件30a具有比第二外壳部件30b 更大的直径。第一外壳部件30a和第二外壳30b在肩部80分离。图1的滑动活塞48被修改或由图2中所示的不平衡活塞82更换。不平衡活塞82包括与油腔37连通的油头部84 和与水腔39连通的水头部86。与水头部86相比，油头部84具有更大的直径，并且从而具有更大的表面面积。在所示实施例中，油头部84和水头部86显示为由支柱88连接的单独部件，然而应认为：它们可以为整体部件的相对表面。

[0026] 现在参照图1描述泵系统10的操作。泵M在管道20上运行进入井12，并被送到以便利用从地层16产生的流体柱定位。封隔器观将采油地层16与注入地层18分离。管道分段沈从泵M的排水装置70延伸到注入区18。经由抽油杆，泵M与诸如抽油机井或联动抽油架的往复机构功能连接，以提供柱塞组件40在泵外壳30内的向上和向下运动。

[0027] 储层流体从采油地层16流入井12，并使得分成具有水油界面64的主要油部分5 和主要水部分7。泵M被定位，以便端口 76位于流体柱的水部分7内。进油组件52被定位，以便流体选择机构62接近期望的水油界面64被定位，以便界面64的水平或高度变化在机构62的行进范围内。在运行泵M进入井12内前，导入泵M的最大和最小油水分离或油水比率能够通过确定偏置机构50、限流装置72和/或进油组件52的尺寸设置。然后，实际的水可以由从地层16产生的储层流体的含水率控制。

[0028] 泵40具有向下、吸入行程和向上、采油行程。在吸入行程，轴38和柱塞组件40向底壁34运动。油5经进油组件52抽入位于滑动活塞48之上的油腔37内。与油5吸入腔 37的同时，水7经过进水装置68被引导进入腔39。活塞48相对于柱塞组件40滑动，将在进水装置68(腔39)和进油装置52(腔37)之间的分离适应选择的变化。如前指出，最小和最大水油比率能够在放置泵M前设置。随着水7柱在环带M中上升，部件62随着上升的水油界面62行进，而关闭将暴露于水7的端口 60，并使暴露于油5的端口 60打开。

[0029] 在采油行程时，轴38和柱塞组件40向顶壁32运动。油5经排油装置66从腔37 排放进入管道20并到达地面。在典型的设备中，水注入压力将比采油到地面或使油到地面的静压头更大。因此，活塞48将随着柱塞组件40行进，直到它接触偏置机构50。一旦活塞 48的行进停止，随着柱塞42在向上行程上继续行进，水7从腔39被泵出排水装置70到注入地层18。该不平衡泵系统10可被使用以增加水注入压力的压力。

[0030] 如果在采油行程期间，地层18的注入快速增加（即，注入压力减小），则如在正常操作中一样水7将首先被从泵M泵出。由于分离是吸入行程的功能，注入的水与采到地面的油之间的分离将不会被改变。

[0031] 如果诸如由于堵塞，地层18的注入减小（即注入压力增加），则腔39中的压力将不会克服排水装置70的压力，从而活塞48将相对于柱塞组件40保持静止，并且水和油将被采到地面，如同在常规的井下泵中一样。在吸入行程时，不会有水经进水装置68吸入腔 39。

[0032] 从本发明的具体实施例的前述详细描述，应该明显：本发明已公开了一种新颖的井下泵系统，用于有选择地将期望的流体泵到地面并注入流体的不期望部分，选择提升的期望流体与注入的不期望流体的分离，并且补偿井中流体的含水量和注入区的注入的变化。虽然本发明的具体实施例在这里多少进行了详细的公开，但是这仅用于描述本发明的多种特征和方面，并非意图关于本发明的范围进行限制。在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，对公开实施例可进行多种替代、更改和/或修改，包括但不局限于已在这里提出的那些实现变化。虽然主要关于采油系统描述和显示了本发明，但是本发明适用于多种应用和能够分成不同比重的至少两个部分的多种流体。

7

Claims

1. 一种泵，可定位在基本上分成不期望流体部分和期望流体部分的流体柱中，用于有选择地将期望流体升到地面，并且将不期望流体注入注入区，所述泵包括：外壳，具有确定缸的顶壁和底壁；位于缸内的柱塞，该柱塞可通过吸入行程和生产行程往复运动；活塞，可移动地位于柱塞与顶壁之间，将期望流体腔与不期望流体腔分离；期望流体进入组件，提供从流体柱到期望流体腔的单向流体流；期望流体排出装置，提供从期望流体腔到地面的单向流体流；不期望流体进入装置，提供从流体柱到不期望流体腔的单向流体流；以及不期望流体排出装置，提供从不期望流体腔向注入区的单向流体流；其中：在吸入行程时，期望流体被抽入期望流体腔，并且不期望流体被抽入不期望流体腔；并且在生产行程时，如果注入区压力被克服不期望流体被注入注入区并且期望流体被采到地面。

2.根据权利要求1所述的泵，其中：吸入行程是柱塞的向下行程；和生产行程是柱塞的向上行程。

3.根据权利要求1所述的泵，还包括：与活塞负载连接或加载连接的偏置机构。

4.根据权利要求1所述的泵，还包括：不期望流体进入装置内的限流装置。

5.根据权利要求1所述的泵，其中：期望流体进入组件包括一装置，该装置用于有选择地允许期望流体吸入，并阻止不期望流体的吸入。

6.根据权利要求1所述的泵，其中：期望流体进入组件包括阀部件，阀部件具有在期望流体的密度与不期望流体的密度之间的密度，使得阀部件允许期望流体流入期望流体进入组件，并且基本上阻止不期望流体流入期望流体进入组件。

7.根据权利要求1所述的泵，还包括：用于选择在吸入行程时抽入泵的期望流体与不期望流体的比率的装置。

8.根据权利要求4所述的泵，其中：限流装置被选择以基本上平衡在吸入行程时经过期望流体进入组件的压降。

9.根据权利要求1所述的泵，其中：不期望流体进入装置和不期望流体排出装置随着柱塞运转或行进。

10.根据权利要求1所述的泵，其中：期望流体被抽入期望流体腔，并且不期望流体基本上同时被抽入不期望流体腔。

11.根据权利要求1所述的泵，还包括：与活塞负载连接或加载连接的偏置机构；以及限流装置，位于不期望流体进入装置内，用于基本上平衡吸入行程时经过期望流体进入组件的压降。

12.根据权利要求1所述的泵，还包括：与活塞负载连接或加载连接的偏置机构；以及装置，该装置用于有选择地允许期望流体进入期望流体腔，并阻止不期望流体进入期望流体腔。

13. 一种井下泵，可定位在基本上分成油部分和水部分的流体柱中，用于有选择地将油升到地面，并且将水注入注入区，所述泵包括：外壳，具有确定缸的顶壁和底壁；位于缸内的柱塞，该柱塞可通过吸入行程和生产行程往复运动；活塞，可移动地位于柱塞与顶壁之间，将油腔与水腔分离；进油组件，提供从流体柱到油腔的单向流体流；该进油组件包括用于有选择地允许油进入油腔并阻止水进入油腔的选择流体装置；油排出装置，提供从油腔到地面的单向流体流；进水装置，提供从流体柱到水腔的单向流体流；位于进水装置中的限流装置，限流装置用于基本上平衡进油组件中的压降；以及排水装置，提供从水腔向注入区的单向流体流；其中：在吸入行程时，以预先选择的油与水的比率将油流体抽入油腔，并且将水抽入水腔；并且在生产行程时，如果注入区压力被克服水被注入注入区并且油被采到地面。

14.根据权利要求13所述的泵，其中：选择流体装置包括具有水和油的密度之间的密度的阀部件。

15. 一种将井中的流体柱的油部分采到地面并将流体柱中的水注入注入区，而不会将水升到地面的方法，所述方法包括步骤：将泵定位在流体柱中，泵具有通过吸入行程和生产行程往复运动的柱塞和将油腔与水腔分离的滑动套管；在吸入行程时，将油抽入油腔并且将水抽入水腔；以及在生产行程时，如果注入区的注入压力被克服将水自水腔注入注入区并且将油腔中的油采到地面。

16.根据权利要求15所述的方法，其中：在吸入行程时，油和水以预定油与水的比率被抽入泵。

17.根据权利要求15所述的方法，其中：该泵包括用于有选择地使油进入油腔并且阻止水流入油腔的装置。

18.根据权利要求15所述的方法，其中：泵包括与滑动套管负载连接或加载连接的偏置机构。

19.根据权利要求16所述的方法，其中：该泵包括与滑动套管负载连接或加载连接的偏置机构；以及装置，该装置用于有选择地允许油经进油组件引入油腔并且阻止水流入油腔。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：所述泵还包括水腔的进水装置内的限流装置，以基本上平衡经进油组件的压降。