CN101368559B - 泵浦系统和泵浦方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种泵浦系统和泵浦方法。所公开的示例系统包括：可液压促动的设备，该设备具有接收由储存器存储的受压液压流体的腔；第一和第二液压泵；马达和用于引导流体从所述第一和第二泵至少其中之一流向所述至少一个腔的装置。所述第一和第二液压泵包括流体耦接所述储存器的入口和流体耦接所述腔的出口，且所述马达可操作地耦接到至少一个所述泵。
Description
技术领域
本公开基本上涉及井孔工具系统，更具体地说，涉及控制井下工具中的流体流(fluid flow)的装置和方法。
背景技术
储层井(reservoir well)生产和测试涉及钻探地下地层并监测各种地下地层的参数。钻探和监测通常涉及使用具有电动力、机械动力和/或液压动力设备的井下工具。为了利用液压动力为井下工具提供动力，泵系统用来泵浦液压流体。泵系统可以配置成从储存器吸取液压流体并将该流体泵浦以形成特定压力和流速，从而提供必要的液压动力。泵系统可以受控改变输出压力和/或流速以满足特定应用场合的需要。在一些示例实施方式中，泵系统还可以用来从地下地层中泵浦地层流体。井下管柱(例如，钻柱、线缆管柱(wirelinestring)等)可以包括一个或多个泵系统，这取决于利用该井下柱所执行的操作。传统泵系统在操作中受到可实现的流速范围的限制。对于可定位在穿入地下地层的井孔中的井下工具的泵系统，其示例见于美国专利申请No.2005/0034871、No.2006/0042793和No.2006/0168955。对于可定位在穿入地下地层的井孔中的井下工具的其他泵系统，其示例见于“New Dual-ProbeWireline Formation Testing and Sampling Tool Enables Real-Time Permeabilityand Anisotropy Measurements”，Proett等，SPE59701，2000年3月21-23日，或见于Reservoir Characterization Instrument(RCI sm)的说明书，由BakerHughes于2000年投入市场。
发明内容
根据一种示例实施例，公开了一种泵浦系统。该泵浦系统包括液压促动设备，所述液压促动设备包括至少一个腔，用来接收受压液压流体；和储存器，用来存储液压流体。第一和第二液压泵包括流体耦接到所述储存器的入和流体耦接到所述至少一个腔的出口。至少一个马达可操作地耦接到所述第一和第二液压泵至少其中之一。此外，该系统包括用来有选择地引导液压流体从所述第一和第二泵至少其中之一向所述至少一个腔流动的装置。
根据另一种示例实施例，公开了一种泵浦方法。所述方法包括：提供可液压促动设备，其包括至少一个腔，用于接收受压液压流体；提供泵系统，其具有储存器，用于存储受压流体，具有第一液压泵，该第一液压泵具有流体耦接到所述储存器的入口和流体耦接到所述腔的出口，具有第二液压泵，该第二液压泵具有流体耦接到所述储存器的入口和流体耦接到所述腔的出口；利用所述第一泵将液压流体泵浦到所述腔；利用第二泵将液压流体从所述储存器泵出；经由至少一个马达促动所述第一泵和所述第二泵；和利用所述第二泵有选择地将液压流体泵浦到所述腔。
根据一种示例实施例，公开了一种泵浦系统。所述泵浦系统包括可液压促动设备，该设备包括至少一个用于接收受压液压流体的腔和用于存储液压流体的储存器。第一液压泵具有第一操作范围，且带有流体耦接到所述储存器的入口而流体耦接到所述至少一个腔的出口。第二液压泵具有基本上不同于第一操作范围的第二操作范围，且带有流体耦接到所述储存器的入口和流体耦接到所述至少一个腔的出口，其中所述第二泵配置成沿着第一方向促动时，则让流体流动，而沿着第二方向促动时，则基本上不让流体流动。所述系统进一步包括至少一个马达，用于促动能沿着第一和第二方向其中之一有选择地旋转的所述第一和第二液压泵；和轴，其有可操作地耦接所述至少一个马达和所述第一和第二泵。
附图说明
图1图示了钻机和钻柱侧视图，所述钻塔和钻柱可以配置成使用本发明所述示例装置和方法；
图2图示了带有悬挂在钻井中的示例井孔工具的钻井的侧视图，所述示例井孔工具可以配置成使用本发明所述的示例装置和方法；
图3图示了带有另一种悬挂在钻井中的示例井孔工具的钻井的侧视图，所述井孔工具可以配置成使用本发明所述示例装置和方法；
图4A和4B图示了可以用在图2-3所示示例井下工具中来实施本发明所述示例装置和方法的示例井下工具框图；
图5是可以用在图1的示例井下工具中来实施本发明所述示例装置和方法的示例装置框图；
图6是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的示例串联泵浦系统框图；
图7是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的另一种示例串联泵浦系统框图；
图8是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的另一种示例串联泵浦系统框图；
图9是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的示例双头泵系统框图；
图10是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的示例双马达泵系统框图；
图11是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的示例并联/串联泵浦系统处于并联泵浦模式配置的框图，图12是处于串联泵浦模式配置的框图；
图13是可以用来以不同流速和压力泵浦流体的示例三级泵浦系统框图；
图14是利用本发明所述示例装置和方法的泵浦系统操作状态范围的曲线图。
具体实施方式
特定实施例在上述附图中显示并在以下详细说明。在说明这些示例时，类似或相同的附图标记用来表示共用或类似元件。附图并不遵循比例，且特定特征和附图的特定视图以夸大的比例显示，或为了清晰和/或简洁起见而示意性显示。
图1图示了示例钻机110和钻柱112，其中本发明所述示例装置和方法用来控制例如与从地下地层F中抽取的地层流体有关的流体流。在图示示例中，陆基平台和井架组件110矗立在穿入地下地层F的井筒W之上。在图示示例中，井筒W以熟知方式通过旋转钻探而形成。但是，从本公开中受益的本技术领域的普通技术人员应该理解，本发明所述装置和方法不仅能用于旋转钻探还能应用于定向钻探应用场合，而且并不限于陆基钻塔。
钻柱112悬挂在井筒W中，且钻柱112包括位于其下端的钻头115。钻柱112由旋转盘116旋转，该旋转盘啮合钻柱112上端传动钻杆(kelly)117。钻柱112悬挂在吊钩118上，经由传动钻杆117和旋转接头(swivel)119连接到游动滑车(未示出)，其中所述旋转接头允许钻柱112相对于吊钩118旋转。
钻液或钻泥126存储在井位中形成的坑127中。泵129用来经由接头119中的端口(未示出)将钻液运输到钻柱112内部，引导钻液126沿着基本上由箭头119所示的方向向下流过钻柱112。钻液126经由钻头115中的端口(未示出)离开钻柱112，然后钻液126经由在钻柱112外侧和井筒W壁面之间的环隙沿着基本上由箭头132所示方向向上循环。以此方式，钻液126润滑钻头115，并随着其返回坑127用于再次循环的同时还将地层碎屑带回地面。
钻柱112进一步包括井底组件100，靠近钻头115(例如，距离钻头115若干钻铤长度范围内)。井底组件100包括以下所述的钻铤，用来测量、处理和存储信息。井底组件100还包括地面/局域通信子组件140，以与地面系统交换信息。
在所示示例中，钻柱112进一步装备有稳定轴环134。稳定轴环用来应付钻柱112在井筒W中旋转时“摇摆”并变得离心的倾向，这种倾向导致井筒W偏离既定路径(即，垂直线)方向。这种摇摆可能导致过多的力施加在钻柱112节段(例如，轴环)以及钻头115上，导致加速磨损。可以通过提供一个或多个稳定轴环，将钻头115在井筒W中对中并且某种程度上也将钻柱对中，从而克服这种行为。
在图示示例中，井底组件100设置有探头工具150，该探头工具150具有探头152从地层F中将地层流体吸入探头工具150的流线中。泵系统154用来形成流体流和/或为井底组件100的设备、系统或装置提供液压动力。具体来说，泵系统154可以用来激励位移单元(displacement unit)(未示出)，该激励位移单元则用来经由探头工具150吸入地层流体。在图示示例中，泵系统154可以利用本发明所述示例装置和方法来实施，以控制液压流体进入探头工具150。例如，泵系统154可以利用以下参照图6-13所述的示例泵系统来实施。泵系统154可以包括两个或多个液压泵。
本发明所述示例装置和方法并不限于钻探操作。本发明所述装置和方法还可以被有利地例如用于测井或维护以及其他油田服务相关应用场合。而且，示例方法和装置可以结合在穿入地下地层的钻井中进行的测试来实施，和结合以任何已知装置向井下传送地层评估工具有关的应用场合来实施。
图2描绘了示例井孔工具200，用来从地层F中吸取地层流体、存储该流体和/或分析该流体的成分。在图示示例中，工具200从卷绕在地面绞盘(未示出)上的多芯绳缆202下端悬挂在井筒W中。在地面上，绳缆202通信耦接到电气控制系统204。工具200包括细长主体206，该细长主体206包括控制模块208，该控制模块208具有工具控制系统210的井下部分，所述工具控制系统210用来控制示例泵系统211。泵系统211可以用来泵浦液压流体，产生不同流体流速和压力，为井孔工具200中的设备、系统或装置提供流体动力，从而例如从地层F中提取地层流体。控制系统210还可以用来分析和/或实施其他测量。
细长主体206还包括地层测试器212，其具有可选择性可延伸流体接纳组件214和选择性可延伸工具锚定构件216，这两个部件分别布置在主体206相对两侧。流体接纳组件214用来有选择地密封或隔离井筒W壁面的选定部分，以便建立与相邻地层F之间的压力或流体连通，从而从地层F中吸取流体样本。地层测试器212还包括流体分析模块218，获得的流体由该流体分析模块218流过。所述流体此后经由端口(未示出)排出，或者可以送到一个或多个流体收集腔220和222，所述流体收集腔可以接收并保持从地层F中获取的流体，用于在地面或测试设施中进行后续测试。虽然示出了井下控制系统210和泵系统211与地层测试器212分开实现，但是在一些示例实施方式中，井下控制系统210和泵系统211可以在地层测试器212中实现。
图3描绘了另一种示例井孔工具300，其可以用来进行应力测试和/或将材料注入地层F。在所示示例中，井孔工具300经由多芯绳缆304从钻塔302悬挂在井筒W中。井孔工具300设置有泵系统306，该泵系统306可以利用本发明的示例装置和方法实施。此外，井孔工具300设置有封隔器(packer)308a-b，其用来膨胀以密封一部分井筒W。此外，为了测试地层F，井孔工具300设置有一个或多个探头或出口312，其用来将材料(即，流体)注入该密封的间隔中和/或注入地层F中。
图4A和4B图示了示例井下工具400，其包括多个模块，这些模块用来实施本发明所述的装置和方法。在所示实施例中，例如可以通过将图4A中的工具部分最下端的轴环或模块耦接到图4B中的工具部分的最上端轴环或模块，以使图4A中描绘的示例工具400的那一部分耦接到图4B中描绘的示例工具400的那一部分。虽然图示了示例工具400，并说明为利用模块结构来实施，但是在其他示例实施方式中，示例工具400可以利用单体工具结构来实施。示例工具400可以用来实施图2-3所示的任何示例井下工具，例如，用来从地层F中提取地层流体和/或进行地层特性测试。动力和通信线路沿着示例工具400的长度方向延伸，且基本上由附图标记402表示(图4B)。动力供应与通信线路402用来将电力传递到示例工具400的电气部件并将在示例工具400内外传递信息。
如图4A所示，示例工具400包括液压动力模块404、封隔器模块406、探头模块408和多探头模块410。探头模块408示出具有一个探头组件412，该探头组件412可以用来吸取地层流体和/或测试地层F的各向同性渗透率。多探头模块410包括水平探头组件414和下沉探头组件416，其可以用来吸取地层流体和/或测试各向异性渗透性。为了控制经由探头组件412、414和416吸取地层流体和/或控制示例工具400中的液压流体和/或地层流体的流速和压力，液压动力模块404包括示例泵系统418和液压流体储存器420。例如，示例泵系统418可以用来控制探头组件412、414和416以允许接纳地层流体还是阻止地层流体进入示例工具400。此外，示例泵系统418可以用来为操作示例工具400的其他设备、系统和装置产生不同流速和液压。示例工具400还包括下部油开关424，其可以用来调节示例泵系统418的操作。
液压流体管线426连接到泵系统418的排放口，并穿过液压动力模块404，进入相邻模块以提供液压动力。在所示实施例中，液压流体管线426穿过液压动力模块404延伸到封隔器模块406中，并延伸到探头模块408和/或410中，这取决于是否两者都被使用。液压流体管线426和返回液压流体管线428形成闭合环路。在所示示例中，液压流体管线428从探头模块408(和/或410)延伸到液压动力模块404，终止于液压流体储存器420。
在一些示例实施方式中，示例泵系统418可以用于经由液压流体管线426和返回流体管线428为探头模块408和/或410提供液压动力。具体来说，泵系统418提供的液压动力可以用来促动分别与可延伸探头412、414和416关联的下吸活塞(drawdown piston)412a、414a、416a。示例泵系统418提供的液压动力还可以用来展开和/或缩回可延伸探头412、416和/或414。可替代地或者另外，示例泵系统418提供的液压动力可以用于伸展/缩回设定活塞(图4A、4B均未示出)。
转到图4B，示例工具400包括示例泵出模块452，该泵出模块452具有穿过其中运行的地层流体流线436。在所示示例中，泵出模块452可以用来从地层F中将地层流体吸入示例工具400中。例如，泵出模块452可以用来从地层F中将地层流体吸入流线436，直到基本上清洁的地层流体通过流体分析模块。可替代地或另外，图示示例的泵出模块452可以用来将井下流体(即，井筒流体)排入地层F。
为了吸入和/或排出流体，泵出模块452设置有泵系统454和耦接到泵系统454的位移单元456。在所示示例中，经由耦接到控制阀组458的流线457吸入或排出地层流体。控制阀组458可以包括4个止回阀(check valve)(未示出)，正如本领域技术人员所知的那样。位移单元456包括哑铃形活塞462、两个液压流体腔464a-b和两个地层流体腔466a-b。泵系统454操作以迫使流体交替进入或离开液压流体腔464a-b，以促动活塞462。随着活塞462促动，活塞462第一端利用第一地层流体腔466a泵浦地层流体，而第二端利用第二地层流体腔466b泵浦地层流体。在所示示例中，控制阀组458用来控制位移单元456与流线436和457之间的流体路径的耦接，以使位移单元456其中一个地层流体腔466a-b吸入地层流体而另一个地层流体腔466a-b排出地层流体。
本发明所述示例方法和装置可以用来实施泵系统454，以控制泵浦经过示例工具400的地层流体和/或液压流体的流速和压力。以此方式，示例方法和装置可以用来改变流体流速，同时保持希望的不同流体压力。但是，应该理解，可以利用其他泵系统取代图4B所示的示例实施例。例如，地层流体可以行进到活塞462的小的侧部，到腔(464a-b)。相反，液压流体可以行进到活塞462大的侧部，到腔(466a-b)。这种替代实施例可以用于实现小于所述液压流体流速的地层流体流速。
为了使用图4B的泵出模块452使图4A所示的跨式封隔器429和430膨胀或紧缩(deflate)，泵出模块452可以有选择地启动，以激活示例泵系统454。进行的时候，控制阀组458的止回阀将操作，使上述流向反转(图4B)。在该特别情况下，井筒流体经由流线457泵入所述工具中并经由流线436在各模块中循环。可以控制阀444b(图4A)将井筒流体行进到封隔器429和430或从其离开，以有选择地膨胀和/或紧缩封隔器429和430。本领域技术人员应该理解，可替代地，封隔器模块406可以进行改动，从而具有能以液压流体直接膨胀封隔器429和430的泵浦系统(418或454)。
可以根据待执行的任务和/或测试来实施示例工具400的各种结构。为了进行基本采样，液压动力模块404可以与电力模块472、探头模块408和采样腔模块434a-b结合使用。为了进行储层压力测试，液压动力模块404可以与电力模块472、探头模块408和精确压力模块474结合使用。为了在储层条件下无污染采样，液压动力模块404可以与电力模块472、探头模块408、流体分析模块476、泵出模块475和采样腔模块434a-b结合使用。为了测量各向同性渗透性，液压动力模块404可以与电力模块472、探头模块408、精确压力模块474、流动控制模块478和采样腔模块434a-b结合使用。为了测量各向异性渗透性，液压动力模块404可以与探头模块408、多探头模块410、电力模块472、精确压力模块474、流动控制模块478和采样腔模块434a-b结合使用。可以结合利用电力模块472与封隔器模块406、精确压力模块474以及采样腔模块434a-b来运行中途测试(drillstem test，DST)。其他结构也可以用来执行所希望的其他任务或测试。
图5描绘了示例装置500的框图，该装置可以在图1所示的钻柱112中实施，以控制例如与液压流体和/或地层F(图1)中的地层流体关联的流体流速和/或流体压力。在图5所示示例中，示出为连接块的线条表示流体连接或电连接，它们分别包括一条或多条流线(例如，液压流体流线或地层流体流线)或一条或多条导线或导电路径。为了清楚起见，在图5中未示出某些连接。
示例装置500设置有电子系统502和为电子系统502提供动力的动力源504(电池、由钻液流109驱动的涡轮等)。在所示示例中，电子系统502被配置为可以控制示例装置500的操作，以控制流体流速和/或流体压力，例如用来从探头501a和501b吸入地层流体和/或为其他设备、系统和/或装置提供流体动力。在所示示例中，电子系统502耦接到基本上与图1所示示例泵系统154类似或相同的泵系统505，所述泵系统可以利用以下参照图6-12所述的一种或多种示例泵系统来实施。示例泵系统505耦接到位移单元506并用来驱动位移单元506，以经由探头501a-b吸入地层流体。位移单元506可以基本上与以上参照图4B所述的位移单元456类似或相同。电子系统502可以配置为通过控制泵系统505的操作来控制地层流体流动。电子系统502还可以用来控制提取的地层流体存储在流体存储件507(例如，采样腔)中，还是从示例装置500被送回(例如，泵浦回到图1的井筒W中)。此外，电子系统502可以用来控制图1所示探头工具150的其他操作，包括例如测试和分析操作、数据通信操作等。在所示示例中，动力源504连接到工具总线508，所述工具总线用来传输电力和通信信号。
电子系统502设置有控制器508(例如，CPU和随机存取存储器)，以实施控制程序，诸如例如，控制泵系统505的程序。在一些示例实施方式中，控制器508可以用来从示例装置500中的传感器(例如，流体流动传感器)接收数据，并根据所接收的数据执行不同的指令，诸如分析、处理和/或压缩所接收的数据等等。为了存储机器可存取指令，该指令在由控制器508执行时使得控制器508实施控制程序或者任何其他进程，电子系统502设置有电可编程只读存储器(EPROM)510。
为了存储示例装置500获取的测试和测量数据，或任何类型的数据，电子系统502设置有闪存(flash memory)512。为了运行时间事件和/或产生带时间标记的信息，电子系统502设置有时钟514。为了在示例装置500处于井下时沟通信息，电子系统502设置有调制解调器516，其通信耦接到工具总线506和子组件140(图1)。以此方式，示例装置500可以经由子组件140和调制解调器516向地面发送数据和/或从地面接收数据。在测试工具返回地面后，可以替代地经由读出端口(未示出)来下载数据。
图6-13描绘了示例泵系统，其可以用来实施图1-5所示的示例泵系统154、211、306、418、454和505，较之传统的泵系统能实现的流速而言，实现更大范围的流速。例如，图6-13的示例泵系统可以控制到较之传统的泵系统的流速和压力范围相对更大或更宽的范围之内的某个流速和/或穿过泵的流体压力差。例如，在传统泵系统中实现相对较高的流体流速限制了所能实现的最小流速。同样，在传统泵系统中实现相对较低的流体流速限制了所能实现的最大流速。与传统泵系统不同，本发明所述示例泵系统可以配置成在相对较低和较高的流体流速下操作。
在图6-13所示的示例中，每个泵系统包括一个或多个马达，它们可以利用电动马达和/或其他马达或能向驱动轴提供扭矩的促动设备来实施，例如由钻液109(图1和5)提供动力的涡轮504。在使用电动马达的情况下，电动马达优选但不是必须装备有旋转变压器(resolver)来确定驱动轴的角度位置。而且，电动马达优选但不是必须装备有电流传感器来确定驱动轴上由马达提供的扭矩等。此外，每个泵系统包括至少两个泵，它们可以利用容积泵(positive displacement pump)来实施。容积泵可以是往复泵或螺杆泵。所述至少两个泵可以利用可变排量泵(例如，恒功率泵)或固定排量泵来实施。例如，在一些示例实施方式中，泵浦系统的全部泵都可以利用可变排量泵来实施，全部泵也可以利用固定排量泵来实施，或所述泵可以结合利用可变排量泵和固定排量泵来实施。通过控制作为一种示例可变排量泵的部件的旋转斜盘(swash plate)的角度，可以利用井下电子件(例如，经由图2所示的控制系统210或图5所示的电子件502)来控制可变排量泵。
如下所述，图6-13所示的每个泵系统配置成从储存器(类似于示于4A-B中的储存器420和/或储存器480)泵浦液压流体。此外，图6-13所示的每个泵系统包括输出端口，其可以耦接到位移单元(例如，图4B所示的位移单元456或图5所示的位移单元506)来吸取地层流体。尽管在图6-13中未示出位移单元，但是感兴趣的读者可以参照图4B和5来了解示例位移单元456和506如何耦接到泵系统。在一些示例实施方式中，图6-13所示的泵系统可以用来向除位移单元之外的那些利用液压或其他流体操作和控制的设备、系统和/或装置提供流体动力。例如，图6-13所示的泵系统可以流体耦接到液压马达、活塞、可伸/缩探头等，或耦接到井下工具的促动器(下吸活塞412a、414a或416a，位移单元456或506等)。应该注意，图6-13所示的泵系统所连接的促动器类型并未限于所示示例。而且，尽管图6-13所示的示例泵系统在下文说明为泵浦液压流体和从液压流体储存器吸入液压流体，但是在其他示例实施方式中，所述泵系统可以配置成(从钻液储存器或源)泵浦钻液或(从地层流体储存器或源)泵浦地层流体。
除了在马达上执行测量(诸如例如转速、扭矩、角度位置)之外，在一些情况下，在所述至少两个泵的入口和/或出口处测量液压流体压力和/或流体流速，是具有优势的。也可以监测液压流体的温度。所述温度测量以及上述其他测量，可以作为图6-13所示的泵系统状态的指示。全部或一些测试可以具有优势地例如根据需要显示给操作者和/或馈送给图6-13所示的泵系统的闭合控制环路。
转到图6，一种示例串联泵系统600设置有两个泵602a-b和共用马达604(或促动设备)。在所示示例中，马达604是双轴马达，第一轴606a耦接到泵602a，而第二轴606b耦接到泵602b。泵602a可以利用大泵或相对较大的容积泵来实施例，而泵602b可以利用小泵或相对较小的容积泵来实施。以此方式，大泵602a可以用来产生相对较高的流速(以及通常相对较低的流体压力差)，而小泵602b可以用来产生相对较低的流体流速(以及通常较高的流体压力差)。例如，如果小泵602b和大泵602a的组合操作范围是0-100％，则小泵602b可以操作在大约0-14％和0-18％范围之间，而大泵602a可以操作在大约12-100％和16-100％范围之间。换句话说，小泵602b的操作范围是大泵602a操作范围的大约1/6到1/8，或者小泵操作范围可以是大泵602a操作上限的1/100到1/10。
在图示示例中，马达604同时促动泵602a-b两者，以使泵602a-b同时泵浦液压流体。随着泵602a-b促动，泵602a-b经由各自的吸入液压流体管线614a-b从液压流体储存器吸取液压流体，并朝向输出端616将液压流体泵浦到各自的排出液压流体管线614a-b。输出端616可以耦接到利用液压流体或其他流体操作或控制的设备、系统和/或装置。例如，输出端616可以流体耦接到图4B的位移单元456或图5的位移单元506。可以设置止回阀622a-b来防止流体从小泵602b流入大泵602a的泵输出端，并防止来自大泵602a的流体流入小泵602b的泵输出端。
为了控制由示例串联泵系统600产生的流速和压力，泵系统600可以设置有二通二位阀(2-port，2-postion valve)624a-b，该阀例如可以由图5的电子系统502、图2的井下控制器、或图2的井口控制器控制。由于马达604同时转动泵602a-b两者，所以泵602a-b同时泵浦流体。为了控制由泵浦的液压流体在输出端616处形成的流速，阀624a-b控制从泵602a-b到输出端616的流体路线。例如，为了在输出端616产生相对低的流速，电子系统502或控制器210/204可以打开对应于大泵602a的阀624a而闭合对应于小泵602b的阀624b。以此方式，由大泵602a泵浦的流体可以经由返回流线626a行进(或再循环)到流体储存器608和/或吸入流线612a，以使大泵602a不会显著影响输出端616的流速和压力。通过闭合阀624b，由小泵602b泵浦的流体行进到输出端616，以使小泵602b在输出端616处产生相对较低的流速。为了产生相对较高的流速，电子系统502或控制器210/204可以闭合阀624a而打开阀624b，以使由小泵602b泵浦的流体经由返回流线626b行进(或再循环)到储存器608和/或吸入流线612b，而由大泵602a泵浦的流体行进到输出端616。在一些示例实施方式中，阀624a和/或624b设置有计量阀或针阀，而且电子系统502或控制器210/204可以配置成至少局部打开阀624a和/或624b，从而通过改变从泵602a-b行进到输出端616的流体量来改变输出端616处的流速。
在替代示例实施方式中，阀624b和返回流线626b可以省略，以使由小泵602b泵浦的流体总是行进到输出端616。如果希望在输出端616实现相对较低的流速，则电子系统502或控制器210/204可以打开阀624a，以使大泵602a泵浦的流体从输出端616离开，以便输出端616处的压力和流速建立在小泵602b的基础上。如果希望实现相对较高的流速，则电子系统502或控制器210/204可以闭合阀624a，以使大泵602a泵浦的流体行进到输出端616。在一些示例实施方式中，电子系统502或控制器210/204配置成可以局部打开阀624a，从而通过改变从大泵602a向输出端616行进的流体量来改变输出端616处的压力和流速。应该理解，图6的示例实施例并非限于特定类型的阀，且本领域中任何已知能有选择地改变、限制、允许和/或停止流线中的流动的设备都应该认为落入本公开的范围内。
转到图7，另一种示例串联泵系统700类似于图6的示例串联泵系统600，除了泵系统700设置有三通二位阀632a-b，代替了阀622a-b和624a-b来控制输出端616处的流速和压力。如图所示，阀632a耦接在吸入流线614a、返回流线626a和输出端616之间，且阀632b耦接在排出流线614b、返回流线626b和输出端616之间。但是本领域技术人员应该理解，也可以使用液压结构。例如，阀632a、632b可以分别位于吸入流线612a、返回流线626a和流体储存器之间，或位于吸入流线612b、返回流线626b和流体储存器之间。而且，本领域一般技术人员应该理解，所述三通二位阀也可以利用二通二位阀来实施。所述后一种变形以及其他变型都应该被认为落入本公开的范围内。
在图7所示示例中，为了在输出端616处产生相对较低的流速，控制器，例如图5的电子系统502、图2的井下控制器210或图2的井口控制器204，可以促动对应于大泵602a的阀632a，从而将排出流线614a流体连接到返回流线626a，并促动对应于小泵602b的阀632b，从而将排出流线614b流体连接到输出端616。以此方式，来自大泵602a的流体经由返回流线626a行进(或再循环)回到流体储存器608和/或吸入流线612a，以使大泵602a不会影响输出端616处的流速和压力。通过促动阀632b，以使排出流线614b流体连接到输出端616，来自小泵602b的流体行进到输出端616，使得小泵602b产生相对较低的流速。为了产生相对较高的流速，电子系统502或控制器210/204可以促动阀632a，以使排出流线614a流体连接到输出端616，并促动阀632b，以使排出流线614b流体连接到返回流线626b，使得来自小泵602b的流体经由返回流线626b行进(或再循环)回到储存器608和/或吸入流线612b，而来自大泵602a的流体行进到输出端616。此外，可以同时打开两个阀。而且，应该理解，图7的示例实施例不限于特别类型的阀。
在替代示例实施方式中，阀632b和返回流线626b可以省略，以使小泵602b泵浦的流体始终行进到输出端616。如果希望在输出端616出现相对较低的流速，则电子系统502或控制器210/204可以导致阀632a使大泵602a泵浦的流体行进离开输出端616，以使输出端616处的压力和流速建立在小泵602b的基础上。如果希望出现相对较高的流速，则电子系统502或控制器210/204可以导致阀632a使大泵602a泵浦的流体行进到输出端616。
转到图8，另一种示例串联泵系统800利用离合器(clutch)802a-b来实施。在所示示例中，马达604经由离合器802a耦接到大泵602a，同时马达604经由离合器802b耦接到小泵602b。在所示示例中，不需要阀(例如，图6和7中的阀622a-b、624a-b和632a-b)来控制流速和压力。而是，控制器，例如图5的电子系统502、图2的井下控制器210或图2的井口控制器204可以配置成有选择地(液压或机械)控制离合器802a-b的促动，以控制或调节输出端616处的流速。例如，为了在输出端616处建立相对较高的流速，电子系统502或控制器210/204可以有选择地启动或啮合对应于大泵602a的离合器802a，而有选择地禁用或松离对应于小泵602b的离合器802b。为了在输出端616处出现相对较低的流速，则电子系统502或控制器210/204有选择地启动或啮合离合器802b而有选择地禁用或松离离合器802a。在一些示例实施方式中，电子系统502或控制器210/204可以配置成同时啮合离合器802a-b，因此同时操作泵602a-b，从而在输出端616处结合泵602a-b泵浦的流体。在该特别的配置中，可能需要止回阀622a和622b。在一些示例实施方式中，示例串联泵系统800可能比图6的示例串联泵系统600效率更高，因为在示例串联泵系统800中，马达604不需要同时促动泵602a-b两者，而在示例串联泵系统600中则需要这样做。
在替代实施方式中，马达604经由离合器802a耦接到大泵602a，同时马达604经由离合器802b耦接到小泵602b。在该实施方式中，可能需要类似于阀602a的止回阀。电子系统502或图5的控制器210/204可以配置成有选择地控制(液压或机械)离合器802a的促动，以控制或调节输出端616处的流速。例如，为了在输出端出现相对较高的流速，则电子系统502或控制器210/204可以有选择地启动或啮合对应于大泵602a的离合器802a。为了在输出端616处出现相对较低的流速，则电子系统502或控制器210/204可以有选择地禁用或松离离合器802a。
本领域普通技术人员应该理解，图6、7或8的实施例可以结合。例如，通过结合诸如离合器802a的离合器和诸如阀632b和流线626b这样的阀以及返回流线，可以实现一种泵系统。所述后一种组合和其他组合也落入本公开的范围内。
转到图9，示例双头泵系统900包括两个泵902a-b和马达904，该马达具有耦接到泵902a-b的轴906。在该特别示例中，泵902a-b优选单向泵。如果沿着第一方向驱动，则泵902a-b配置成在泵入口和泵出口之间向流体施加力。如果沿着第二方向驱动，则泵902a-b不激活且不循环流体。在所示示例中，两个泵902a-b可以利用单体封装的双泵单元来实施。具体来说，泵902a-b可以耦接到轴906，以使该轴例如在顺时针方向旋转时，所述泵902a被沿着第一方向驱动，而泵902b同时被沿着第二方向驱动。泵902a可以利用大泵实施，而泵902b可以利用小泵实施。但是，泵902a-b可以耦接到轴906，以使所述轴在逆时针方向旋转时，泵902a被沿着第一方向驱动，而泵902b同时被沿着第二方向驱动。
在图9所示的示例中，马达904的旋转方向控制输出端908处产生的流速和压力。例如，为了产生相对较高的流速，控制器(例如电子系统502或控制器210/204)可以导致马达904沿着顺时针方向旋转，以促动大泵902a，使得大泵902a从储存器910向输出端908泵浦流体。为了产生相对较低的流速，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以导致马达904沿着逆时针方向旋转，以促动小泵902b，使得小泵902b从储存器910向输出端908处泵浦流体。止回阀912a设置在大泵902a和输出端908之间，防止小泵902b泵浦的流体流入大泵902a的输出端口，而止回阀912b设置在小泵902b和输出端908之间，防止大泵902a泵浦的流体流入小泵902b的输出端口。
转到图10，示例双马达泵系统1000包括大泵1002a和小泵1002b。大泵1002a经由吸入流线1006a从液压流体储存器1004吸取液压流体，并将该流体经由排出流线1010a泵浦到输出端1008。小泵1002b经由吸入流线1006b从储存器1004吸取液压流体并将该流体经由排出流线1010b泵浦到输出端1008。示例泵系统1000还包括耦接到大泵1002a的第一马达1012a和耦接到小泵1002b的第二马达1012b。在所示示例中，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以配置成有选择地启动或促动马达1012a-b，以促动泵1002a-b来控制输出端1008处的流速和压力。例如，为了产生相对较高的流速和相对较低的流体压力，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以导致(例如，有选择地促动或激活)马达1012a旋转，从而促动大泵1002a并导致马达1012b停止旋转(例如有选择地使马达1012b去活化(deactivate))，使得大泵1002a从储存器1004向输出端1008泵浦流体。为了产生相对较低的流速和相对较高的流体压力，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以导致马达1012b旋转以促动小泵1002b，并导致马达1012a停止旋转(例如，有选择地使马达1012a去活化)，以使小泵1002b从储存器1004向输出端1008泵浦液压流体。在一些示例实施方式中，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以配置成导致马达1012a-b两者旋转，从而通过改变每个泵1002a-b泵浦到输出端1008的流体量来改变输出端1008处的压力。
转到图11和12，以并联泵模式(图11)和串联泵模式(图12)描绘示例并联/串联泵系统1100。示例并联/串联泵系统1100用来将最大压力和最大流速增大到单个泵系统的输出特性以上。为了实现最大流速，示例并联/串联泵系统1100可以配置成图11所示的并联泵浦模式下。为了实现较低的流速(和出口和储存器之间的最大压力差)，示例并联/串联泵系统1100可以配置成图12所示的串联泵浦模式。
在图11和12所示的示例中，通过为双马达泵系统1000(图10)提供三通二位阀1102a-b来实施并联/串联泵系统1100。具体来说，阀1102a与流体耦接泵1002a和输出端1008的排出流线1010a串联，而阀1102b与流体耦接泵1002b的输入端和储存器1004的吸入流线1106b串联。在所示示例中，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以配置成促动阀1102a-b，以有选择地配置泵系统1100以使其操作在并联泵浦模式或串联泵浦模式。例如，为了实现如图11所示的并联泵浦模式，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以促动对应于泵1002a的阀1102a，以流体连接大泵1002a的输出端(例如，排出流线1010a)与输出端1008，并促动对应于泵1002b的阀1102b，以流体连接储存器1004和小泵1002b的输入端。以此方式，泵1002a-b两者从储存器1004吸取流体并将流体泵浦到输出端1008。在并联泵浦模式下，如果大泵1002a设定为排水量为1.2加仑每分钟(gpm)而小泵1002b设定为排水量0.8gpm，则输出端1008处的总流速为2.0gpm(即，1.2gpm+0.8gpm＝2.0gpm)。
为了实施如图12所示的串联泵浦模式，控制器(电子系统502或控制器210/204)可以促动阀1102a-b以流体连接泵1002a的输出端(即，排出流线1010a)和泵1002b的输入端。以此方式，泵1002a泵浦的流体输出到泵1002b的输入端，而泵1002b将流体泵浦到输出端1008。在串联泵浦模式下，如果输入到泵1002a的压力(即，储存器1004的压力)是4000磅每平方英寸(PSI)，泵1002a设定为泵浦2500PSI，且泵1002b设定为泵浦3000PSI，则输出端1008处的总压力是9500PSI(即，4000PSI+2500PSI+3000PSI＝9500PSI)。储存器1004和输出端1008之间的液压流体压力差为5500PSI(即，9500PSI-4000PSI＝5500PSI)。
在一些示例实施方式下，泵1002a-b两者可以利用可变排量泵来实施，或者泵1002a-b两者都可以利用固定排量泵来实施。在其他示例实施方式中，泵1002a可以是可变排量泵(或固定排量泵)而泵1002b可以是固定排量泵(或可变排量泵)。
在替代示例中，实施图11和12中两个马达1012a和1012b其中之一，且图11和12中的两个泵1002a和1002b由机械连接到单个马达的单个轴来驱动。
转到图13，示例三级泵浦系统1300包括3个泵1302a-c，由马达1306的共用轴1304驱动。随着马达1306旋转，轴1304同时驱动全部泵1302a-c，且泵1302a-c持续将流体经由各排出流线1308a-c泵出。通过有选择地启动或禁用(例如，连接或短路)泵130a-c的各个排出流线1308a-c，示例三级泵浦系统1300可以用来改变输出端1310处的流速。为了启动或禁用经过排出流线1308a-c的流体流，示例泵浦系统1300设置有3个换向阀(directionalcontrol valve)1312a-c，其在各泵输出端和示例泵浦系统1300输出端之间与各排出流线1308a-c流体串联。换向阀1312a-c还与吸入流线1314a-c流体串联，从而将泵1302a-c输入端流体耦接到液压流体储存器1316。在所示示例中，泵1302a-c利用不同的排量尺寸来实施。在其他示例实施方式中，泵130a-c可以利用相同的排量尺寸来实施。
在所示示例中，为了改变输出端的流体压力和流速，电子系统502或控制器210/204可以配置成打开闭和合阀1312a-c，以利用泵1302a-c中的一个来执行工作或结合泵1302a-c中的一个或多个来执行工作。例如，为了在输出端1310处产生相对较低的流速，电子系统502或控制器210/204可以控制1312b和1312c以禁用来自5CC泵1302b和9CC泵1302c的流体输出，而打开阀1312a以允许2CC泵1302a泵浦的流体流到输出端1310。为了在输出端1310处增加流速并降低压力，电子系统502或控制器210/204可以使得来自其中一个较大的泵1302a-c的流体或来自泵1302a-c的组合的流体可以流到输出端1310。
现在参照图14，曲线1400图示了本发明所述泵浦系统的操作状态范围。曲线1400的y轴表示流体体积流速，而x轴表示压力，其中泵浦系统，例如图9所示的泵浦系统可以在所述流体体积流速和压力下操作，图中还示出了流体流速和压力差，该泵浦系统包括的两个泵可以在所述流体流速和压力差下操作。但是本发明公开的各种泵系统操作状态范围并不限于特定的描述，而是仅用于说明的目的，同时还可以实现泵浦系统的其他状态范围。
曲线图1400图示了曲线1401，其表示第一泵，例如图9中的大泵902a可以实现的最大流速和压力关系曲线。曲线1401具有对应于恒流极限的部分1401a。该极限可以从泵902a的最大转速(例如，为了保护泵的使用寿命)推导出来。曲线1401还包括由恒功率极限1403限制的部分1401b和1401c。这种极限可以从井下工具(图1中的100，图2中的200或图3中的300)中泵浦系统的可用功率推导出来。优选地，部分1401b和1401c紧密符合表示恒功率极限的虚曲线1403。但是，在该实施例中，曲线部分1401b和1401c偏离曲线1403。具体来说，部分1401b对应于可变排量范围，而部分1401c对应于固定排量范围。
对于通常可变排量泵来说，泵排量以立方厘米每转来表示，随着压力差而变化(在x轴上)。可以设置传感器来测量穿过泵的压力差，且测量结果可以用在反馈回路中以调节泵排量。例如，通过调节泵中旋转斜盘角度，可以改变泵排量。在图14的示例中，旋转斜盘角度从最大角度沿着部分1401b减小到最小角度。但是，应该理解，其他控制策略可以替代地使用，并且曲线1401可以不同于图示示例。
曲线图1400还图示了表示第一泵可以实现的最小流速与压力的关系曲线1411。曲线1411具有对应于恒流极限的部分1411a。该极限可以从大泵902a的最小转速(例如，为了避免泵停转)推导出来。曲线1411还包括对应于泵排量变化(例如，旋转斜盘角度)的部分1411b和1411c，这些部分导致了穿过泵的压力差。但是，如前所述，大泵可以配置成在相对较高的流速下操作。
曲线图1400进一步图示了表示第二泵例如图9a中的小泵902b所能实现的最大流速对压力的曲线1421。如图所示，第二泵在井下工具可用功率极限范围内操作，并仅受最大转速限制。曲线1431表示第一泵所能实现的最小流速对压力。曲线1431对应于恒流极限，该极限可以从泵902b的最小转速推导出来。曲线图1400还通过曲线1441示出了该泵的最大压力差。
继续该示例，泵系统的操作状态范围现在跨越曲线1431上的低流速直到曲线1401下的高流速，因此覆盖了较之单独的第一泵和第二泵更大的流速范围。具体来说，如果希望实现低于曲线1411所示极限的流速，可以沿着与小泵关联的方向旋转马达904而启动小泵。如果希望实现高于曲线1421所示极限的流速，则可以沿着与大泵关联的方向旋转马达904而启动大泵。对于中间流速来说，可以根据需要使用大泵或小泵中的任一个。
尽管特定方法、装置和制造物品已经在本发明中说明，但是本发明的范围并不限于此。相反，本发明覆盖基本上落入权利要求书字面或同等原则的范围内的全部方法、装置和制造物品。
Claims (13)
1.一种泵浦系统，用于可定位在穿入地下地层的钻井中的井下工具，所述泵浦系统包括：
可液压促动设备，其包括用于接收受压液压流体的至少一个腔；
储存器，其用于存储液压流体；
第一液压泵，所述第一液压泵具有流体耦接到所述储存器的入口和流体耦接到所述至少一个腔的出口；
第二液压泵，所述第二液压泵具有流体耦接到所述储存器的入口和流体耦接到所述至少一个腔的出口；
至少一个马达，其可操作地耦接到所述第一和第二液压泵中至少之一；和
用于有选择地从所述第一和第二泵中至少之一的出口向所述至少一个腔引导液压流体流动的装置，
其中所述泵浦系统可选择性地配置为操作在并联泵浦模式和串联泵浦模式，其中在并联泵浦模式下第一液压泵和第二液压泵并联；在串联泵浦模式下第一液压泵和第二液压泵串联。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二泵其中之一比其中另一个具有相对更高的操作范围。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述操作范围是流速操作范围。
4.如权利要求2所述的系统，其中，所述第二泵流体设置在所述第一泵和所述储存器之间。
5.如权利要求2所述的系统，其中，所述第一泵的操作范围与所述第二泵的操作范围重叠。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述重叠包括所述第一泵和第二泵两者的少部分操作范围。
7.如权利要求5所述的系统，其中，所述第一泵的操作范围约为所述第二泵的1/6到1/8。
8.如权利要求2所述的系统，其中，所述用来有选择地从所述第二泵的出口引导液压流体流向所述腔的装置包括第二马达，所述第二马达机械耦接到所述第二泵，所述至少一个马达和所述第二马达独立促动。
9.如权利要求2所述的系统，其中，所述可促动设备包括位移单元，所述位移单元包括促动腔，以用于以下操作之一：将地层流体送入所述井下工具或从所述井下工具送出。
10.如权利要求2所述的系统，其中，所述第一泵和所述第二泵中至少之一是可变排量泵。
11.一种泵浦方法，用于可定位在穿入地下地层中的钻井中的井下工具，所述方法包括：
提供可液压促动设备，所述可液压促动设备包括接收受压液压流体的至少一个腔；
提供泵系统，所述泵系统具有用于存储液压流体的储存器、具有流体耦接所述储存器的入口和流体耦接所述腔的出口的第一液压泵、和具有流体耦接所述储存器的入口和流体耦接所述腔的出口的第二液压泵，其中所述泵系统可选择性地配置为操作在并联泵浦模式和串联泵浦模式，其中在并联泵浦模式下第一液压泵和第二液压泵并联；在串联泵浦模式下第一液压泵和第二液压泵串联；
利用所述第一泵将液压流体泵入所述腔；
利用所述第二泵从所述储存器泵浦液压流体；
经由至少一个马达促动所述第一泵和所述第二泵；和
利用所述第二泵有选择地将液压流体泵入所述腔。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述有选择地将液压流体泵入所述腔包括以下操作其中之一：从所述第一泵切换到所述第二泵和将所述第一泵的流速加至所述第二泵的流速。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一泵和所述第二泵其中至少之一是可变排量泵，而所述方法进一步包括调节旋转斜盘的角度。
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