CN101432522B - 泵送流体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于泵送流体的装置，该装置包括具有入口(33)和出口(38)的泵送部(32)、用于通过入口(33)吸入流体并将流体泵出出口(38)的轴(22)，和用于驱动轴(22)往复运行的动力部(20)，其特征在于：该动力部(20)包括永磁线性马达(20)，用于驱动所述轴(22)往复运行。

Description

泵送流体的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于泵送钻井流体的装置和方法。该钻井流体可以载有固体。
背景技术
在油、气井结构的井筒钻井中，钻头布置在钻柱的端部，该钻头旋转以在地层中钻出井筒。已知为“钻井泥浆”的钻井流体通过钻柱泵送到钻头以润滑钻头。该钻井泥浆还用于携带钻头产生的钻屑和其他固体通过形成在钻柱和井筒之间的环形空间到达地面。通过使用钻井流体的流动和/或钻井流体的压力驱动或激活马达或井底工具，该钻井泥浆还可以用于驱动井底钻井马达和控制井底工具。钻井泥浆的密度受到精密的控制，以防止井筒坍塌，并确保钻井最好地进行。钻井泥浆的密度影响钻头穿透地层的速率。通过调节钻井泥浆的密度，穿透速率在可能使井筒坍塌的损害处改变。一般使用的钻井流体或者是水基的，或者是油基的流体。它们还可以包含不同的添加物，这些添加物提供想要的粘性、润滑特性、热、防腐蚀和其他性能特性。该钻井泥浆还可以包括损耗流转材料。该损耗流转材料在钻井泥浆中流转，经过任何多孔区域。钻井流体流过多孔地层时，其携带的损耗流转材料堵塞多孔区域。这样，钻井泥浆包含昂贵的合成油基润滑剂，因此通常回收并再利用用过的钻井泥浆，但是这要求从钻井泥浆中移除固体。这通过处理钻井流体实现。该处理的第一部分是从载有固体的钻井泥浆中分离固体。这至少部分地通过振荡分离器实现，例如那些公开在US5265730、WO96/33792和WO98/16328中的泥浆振动筛。此外，诸如离心分离机和水力旋流器地处理设备可以用于进一步清洁含固体的泥浆。固体覆盖在污物和残留物中。干净的泥浆然后保留在泥浆罐或其他容器中。当需要时，该干净的泥浆从泥浆罐抽出并再通过钻柱，重复该循环。泥浆泵可以用于从地面泵送钻井泥浆通过钻柱，通过或在钻头附近出来，并通过环形空间向上回到井的顶部。
某些现有已知的泥浆泵具有相对复杂和相对重型的驱动系统，其具有典型的连杆、偏心轴和多个旋转轴承，并且许多这些部件要求持续地润滑。某些现有的“三重”系统具有相对较大的占据空间。
现有技术中公开了很多种钻井系统、装置和方法，包括但是不限于美国专利6944547、6918453、6802378、6050348、5465799、4995465、4854397和3658138号中所公开的，所有这些专利为所有目的完全结合于此。现有技术中公开了许多用于钻井操作的钻井流体泵(“泥浆泵”)和泵系统，例如但是不限于那些公开在美国专利6257354、4295366、4527959、5616009、4242057、4676724、5823093、5960700、5059101、5253987号和2004年4月28日提交的序列号为10/833921的美国申请中的泵和系统(所有所述美国参考文献为所有目的完全结合于此)。
泥浆泵传统地由直流电机驱动。交流电机由于它们产生极高转矩的能力在近年来变得更加受欢迎。
发明内容
根据本发明，提供用于泵送流体的装置，该装置包括具有入口和出口的泵送部、用于通过入口吸入流体并将流体泵出出口的轴，和用于驱动该轴往复运行的动力部，其特征在于：该动力部包括永磁线性马达，用于驱动所述轴往复运行。
优选地，所述泵送部是单作用的。有利地，所述泵送部是双作用的。优选地，所述装置进一步包括控制系统。优选地，所述控制系统维持来自并通过入口和/或出口的恒定流率。优选地，所述控制系统维持通过入口和/或出口流出的流体常压。
优选地，所述永磁线性马达由基本平坦的支承件支撑，从而所述轴基本水平地往复运行。有利地，所述永磁线性马达被支撑为使得所述轴基本竖向地往复运行。
优选地，所述装置包括至少一个另外的具有永磁线性马达的泵送部。有利地，所述装置还包括至少多个另外的泵送部，所述多个另外地泵送部中的每个具有永磁线性马达。有利地，每个永磁线性马达由基本平坦的支承件支撑，使得每个所述马达的轴基本水平地往复运行。优选地，每个永磁线性马达被支撑为使得每个所述马达的轴基本竖向地往复运行。根据本发明的装置可以具有一个、二个到十个、或更多个泵送部，每个泵送部具有永磁线性马达。
本发明还提供泥浆泵，包括有泵送部和动力部，该动力部包括永磁线性马达。优选地，该泥浆泵是用于泵送钻井流体的，该钻井流体可能载有固体，例如钻井钻屑。钻井流体一般指的是泥浆或钻井泥浆。
本发明还提供钻机，包括具有泵送部和动力部的泥浆泵，该动力部包括永磁线性马达。
本发明还提供钻井系统，该钻井系统包括钻机、井筒、在井筒中的管柱和形成在管组和井筒之间的环形空间，其中在使用中，泥浆流转通过管柱和井筒回到钻机，其特征在于所述钻井系统还包括泥浆泵，该泥浆泵具有泵送部和动力部，该动力部包括永磁线性马达，以方便泥浆流转通过管柱和井筒回到钻机。
有利地，所述泥浆流转通过钻柱并通过形成在管柱和井筒之间的环形空间返回。优选地，井筒衬有套管，在管柱和套管之间形成有环形空间。有利地，该管柱至少是钻柱、套管柱、衬管柱和盘管之一。
本发明还提供用于流转泥浆的方法，该方法包括采用具有泵送部和动力部的装置流转泥浆的步骤，所述动力部包括永磁线性马达。
本发明还提供用于泵送流体的方法，该方法包括步骤：将流体抽入到泵送部入口，被驱动的轴的至少一部分往复进出泵送部以交替地将流体抽入入口中并泵出出口，其特征在于：所述轴通过永磁线性马达往复运行。优选地，该流体是钻井流体。
在根据本发明的系统的某些方面，其中线性马达直接施加动力，从而可能提高效率。
附图说明
为对本发明有更好的理解，将通过例子对附图进行参考，其中：
图1是结合有根据本发明的装置的钻机的部分剖面示意图，；
图2A是根据本发明的装置的立体图；
图2B是图2A所示的装置的侧视图；
图3A是根据本发明的装置的立体图；
图3B是图3A所示的装置的侧视图；
图4A是根据本发明的装置的立体图；
图4B是根据本发明的装置的立体图；
图4C是根据本发明的装置的立体图；
图5A是根据本发明的装置的立体图；
图5B是图5A所示的装置的顶视图；
图5C是图5A所示的装置的侧视图；
图6是根据本发明的装置的示意剖面侧视图，表示根据本发明的方法中的步骤；
图7A是根据本发明的装置的前视示意图；
图7B是图7A所示的装置的顶视图；
图7C是根据本发明的装置的顶视图；
图7D是根据本发明的装置的顶视图。
具体实施方式
钻机500在图1中示出，该钻机500包括钻塔502，钻柱504从该钻塔502延伸进入泥土506中。该钻柱504如同大家所知道的，包括钻管和钻铤。钻头512位于钻柱504的末端。旋转系统514、顶部驱动系统526和/或井下马达532(“流体马达”、“泥浆马达”)可以用于旋转该钻柱504和钻头512。典型的绞车516具有缆线或绳子装置518，用于支撑钻塔502里的元件。具有根据本发明，具有一个、二个、三个到十个或更多个泥浆泵521的泥浆泵系统522提供钻井流体524到钻柱504。钻井形成向下延伸进入到泥土506中的井筒530。
在钻井过程中，通过泥浆泵系统522的泵521，钻井流体524被泵送到钻柱504中(从而运转井下马达532，如果使用了这样的可选的马达的话)。钻井流体524流到钻头512，然后通过钻头512上的通道流入到井筒530中。钻井流体524的流转将来自井筒530底部的泥土和/或岩石钻屑、碎屑等通过在井筒530的井壁和钻柱504之间的环形空间527传送到表面。将钻屑从钻井流体524中移除，从而钻井流体524可以通过泥浆泵系统522的泵从泥浆池或容器528再流转回钻柱504。
图2A和2B表示了根据本发明的泥浆泵10，它包括带排出口14和吸入管16的典型的单动作泵端12，钻井流体通过该排出口14泵出，且钻井流体通过永磁线性马达20的作用吸入到该吸入管16中。框架21支撑该马达20。马达20的轴22在泵端12的管线23和本体24内往复运行，以为钻井流体提供泵送作用。合适的单向阀15和17各自用于排出口14和吸入管16。
与根据本发明的任何装置里的任何永磁线性马达一样，马达20可以是具有合适的动力输出的马达，如在美国专利5910691、5175455、6960858或6864647号中所公开的(或公开在这些专利所引用的任何参考中的任何永磁线性马达)，所述专利为所有目的完全结合于此。
图3A和3B表示了根据本发明的泥浆泵30，与泥浆泵10类似(并且相似数字表示相似组件)。泵端32典型地是具有本体34的双作用泵，在本体34(示意性地表示出)典型地是双作用机构36。钻井流体通过吸入口33吸入并通过排出口38泵出。采用了已知的阀和密封(如同在这里公开的所有泵端中)。
图4A至4C示出了根据本发明的具有多个根据本发明的泵装置的泥浆泵系统。
图4A表示了根据本发明的泥浆泵系统40，该系统具有三个根据本发明的泥浆泵41、42、43，它们通过接头44、45并行地连接到主排出口47和共同的吸入管46上，该吸入管46提供流体到所有泥浆泵41、42、43。泥浆泵41、42、43可以是根据本发明在这里公开的任何泥浆泵。
图4B表示了根据本发明的泥浆泵系统50，该系统具有六个根据本发明的泥浆泵51、52、53、54、55、56，它们通过接头59并行地连接到主排出口57和共同的吸入管58上，该吸入管58提供流体到所有这些装置。泥浆泵51、52、53、54、55、56可以是根据本发明在这里公开的任何泥浆泵。
图4C表示了根据本发明的泥浆泵系统60，该系统具有八个根据本发明的泥浆泵61a、61b、61c、61d、61e、61f、61g、61h，它们通过接头62、63并行地连接到主排出口67和共同的吸入管66上，该吸入管66提供流体到所有这些装置。泥浆泵61a、61b、61c、61d、61e、61f、61g、61h可以是根据本发明在这里公开的任何泥浆泵。
图5A-5C表示根据本发明的具有六个根据本发明的泥浆泵72(其可以是根据本发明在这里公开的任何泥浆泵)的泥浆泵系统。通过吸入管71、吸入支管78和各自的吸入管73，钻井流体被吸入到每个泥浆泵72中，通过接头74、75和管线76，每个泥浆泵72将流体泵送到主排出口77中。在某些方面(并对比于某些现有技术中的系统)，由于系统70的零件和组件(和根据本发明的具有直立的马达的系统，所述马达的马达轴基本竖向地往复运行)竖向向上地凸出，根据本发明的这样的系统可以比某些现有系统占据相对更小的空间，也即，根据本发明的某些系统实现了占据相对较小的空间。
本发明任何的泥浆泵装置无论是单作用式还是双作用式，都落入本发明的范围之中。
图6表示根据本发明的系统100的示意图，该系统包括具有管116的钻柱115，所述管116在其底端具有钻头118。通过泥浆泵系统110中根据本发明的一个或多个泥浆泵110a-110c，钻井流体120通过泥浆泵系统110从源头(容器或泥浆池)140泵送到钻柱115中。该钻头118通过旋转钻柱115而被驱动旋转(通过这里描述的任何系统或装置)。该钻头118将泥土切削成碎片124(这里指为“钻屑”)。钻井流体120在钻头118a处排出并携带着钻屑124通过环形空间122回到地面102。回流的钻井流体126传入到立管128，然后进入回流管线130中。从井筒回来的流体126可能是三相流体：液体、气体和固体。可选地，来自回流管线130的流体126传送到振荡器以移除钻屑124。可选地，流体126然后在处理机中进行处理。流体120流入泥浆池140，用于向下泵送到钻柱115中。
每个泥浆泵装置110a、110b和110c包括马达131(如这里公开的任何永磁线性马达)，其轴132(类似于轴22，图2A)延伸进入到泵端133(如这里公开或所指的任何泵端)。控制系统160控制泵装置110a、110b、110c的运行。一方面，控制系统自动确保进入钻柱115的钻井流体流动处于恒速率(升每分钟)或(加仑/分钟)，并且，在某些方面，以恒定的行程速度处于可变压力。在限度内，压力可以通过改变速度和流率而保持恒定。某些泥浆系统流动的典型范围在500到2200加仑每分钟之间，典型压力范围在1000psi到7500psi之间。
控制系统160从传感器接收流动和压力信息，所述传感器为：用于轴的位置/方向/方位的传感器；用于流体排出压力的传感器；用于轴速计算以用于流动和压力控制的传感器；和用于指示行程数的传感器(一方面，传感器测量的参数用于抑制或排除脉动)。例如，在一方面中，传感器161测量马达轴的位置；传感器162测量压力；而传感器163对活塞行程进行计数。
控制系统160具有计算装置，例如计算机和/或PLC，和/或可以有用于泵的分离的控制系统(例如用于在需要时打开和关闭泵)，和/或所述控制系统可以管理泵送系统。
在一方面，系统100可以抑制或排除不想要的脉动。当一个活塞(泵)将要到行程末尾并慢下来时，另外一个活塞(泵)提高速度。这是通过控制泵的线性运动速度而控制的。
根据本发明的系统在泵送除了其他以外的任何可由往复泵泵送的流体中是有用的。
图7A和7B表示根据本发明的系统200，该系统包括安装在支承件204(例如但是不限于，结构的壁或支承件，或者钻机的壁、梁或桅杆部)上的根据本发明的泵系统202。
如在图7B中所示，泵系统202齐平地靠着支承件204安装。如在图7C中所示的，泵系统202可以通过部件206由支承件204支撑并与支撑件204间隔开。
图7D表示具有多个根据本发明的泵系统222的根据本发明的系统220，每个泵系统222固定到支承件224上(类似于支承件204，图7A)。泵系统222可以直立(如在图7D中所示)或者可以基本水平地放置。在根据本发明的系统中的泵的马达可以在基本平坦的支承件上(例如框架21，图2B)，或者马达可以直立地支承，从而马达轴在基本竖向的运动中上下运动。
因此，本发明在至少一些实施例中提供用于泵送流体的系统，该系统具有带泵送部和马达部的泵装置，泵送部具有带入口和出口的本体，马达部具有往复进出以交替地将流体(例如但是不限于钻井流体)吸入到入口并将流体泵出到出口的轴，并且马达是永磁线性马达。根据本发明的这种系统可以具有下面的一个或一些特征(以任何可能的结合)：其中泵装置是单作用的；其中泵装置是双作用的；用于控制泵装置的控制系统；其中控制系统维持来自泵装置的恒定流动速率；其中控制系统维持从泵装置流出的流体的恒定压力；其中所述泵装置包括多个泵装置，每个泵装置具有泵送部和永磁线性马达；和/或其中所述永磁线性马达或每个永磁线性马达由基本平坦的支承件支撑，从而轴基本水平地往复运行，或者所述永磁线性马达或每个永磁线性马达被支撑为使得轴基本竖向地往复运行。

Claims (15)

1.一种泥浆泵系统，该泥浆泵系统至少包括均具有入口和出口的泵送部和另外的泵送部，所述泵送部和所述另外的泵送部均具有用于通过所述入口吸入流体并将流体泵出所述出口的轴，且均具有用于驱动所述轴往复运行的动力部，其特征在于：所述泵送部和所述另外的泵送部中的每个的动力部均包括永磁线性马达，用于驱动相应的轴往复运行，该泥浆泵系统还包括控制系统。
2.根据权利要求1所述的泥浆泵系统，其中，所述泵送部是单作用的。
3.根据权利要求1所述的泥浆泵系统，其中，所述泵送部是双作用的。
4.根据权利要求1所述的泥浆泵系统，其中，所述控制系统维持来自泵送部的恒定流率。
5.根据权利要求1所述的泥浆泵系统，其中，所述控制系统维持从泵送部流出的流体的恒定压力。
6.根据上述权利要求1-5之一所述的泥浆泵系统，其中，所述永磁线性马达由基本平坦的支承件支撑，从而使所述轴基本水平地往复运行。
7.根据上述权利要求1-5之一所述的泥浆泵系统，其中，所述永磁线性马达被支撑为使得所述轴基本竖向地往复运行。
8.根据上述权利要求1-5之一所述的泥浆泵系统，还包括至少一个或多个另外的泵送部，每个另外的泵送部均具有永磁线性马达。
9.根据权利要求8所述的泥浆泵系统，其中，每个永磁线性马达由基本平坦的支承件支撑，从而使每个所述马达的轴基本水平地往复运行。
10.根据权利要求8所述的泥浆泵系统，其中，每个永磁线性马达被支撑为使得每个所述马达的轴基本竖向地往复运行。
11.包括权利要求1所述的泥浆泵系统的钻机。
12.一种钻井系统，包括钻机、井筒、在井筒中的管柱和形成在管柱与井筒之间的环形空间，其中使用的泥浆流转通过管柱和井筒回到钻机，其特征在于，所述钻井系统还包括在上述权利要求1-10之一中所述的泥浆泵系统，以促使泥浆流转通过管柱和井筒回到钻机。
13.根据权利要求12所述的钻井系统，其中，所述泥浆流转通过钻柱并通过形成在管柱和井筒之间的环形空间返回。
14.一种用于流转泥浆的方法，该方法包括采用如权利要求1-10之一所述的泥浆泵系统而使泥浆流转的步骤。
15.一种用于泵送钻井流体的方法，在该方法中采用如权利要求1-10之一所述的泥浆泵系统，该方法包括如下步骤：将钻井流体抽入到泵送部的入口，使被驱动的相应的轴的至少一部分往复进出相应的泵送部以交替地将钻井流体抽入入口中并泵出出口，其特征在于：所述轴通过其自身的永磁线性马达往复运行，并由所述控制系统控制。
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