CN101514709A - 用于减小作用在潜水式抽运组件上的推力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于降低作用在潜水式抽水组件上的推力的系统和方法，有利于对井环境中的流体抽运。一种具有潜水泵的潜水抽运系统结合管理从旋转叶轮中得到的推力负荷的多个特征。推力降低特征在一或多个泵中结合有叶轮的作用，以降低否则作用在某些泵相关组件上的作用力。

Description

用于减小作用在潜水式抽运组件上的推力的系统和方法

背景技术

在使用电动潜水泵抽运井下流体时，多种液压力作用在不同的组件上。例如，在潜水式离心泵中的叶轮往往产生在与流体流动的方向相反的方向上作用的大的反作用力。该大反作用力例如由漂浮式泵中各泵级中的推力垫圈抵抗或者在压缩式泵中由电动机保护器推力轴承抵抗。

由潜水式泵各泵级中的叶轮所产生的推力在各种类型的潜水式泵中可产生问题，包括带有混合流动泵级的泵和带有径向流动泵级的泵。在一些漂浮式设计中，例如，由于，泵中功率损耗的大部分是由于在径向外围位置处的相当高的摩擦力引起的扭矩而发生在外部推力垫圈处的推力摩擦引起的。然而，如果外部推力垫圈被从漂浮式泵级中去除，则缺少任何密封功能增加了泄漏损耗。

发明内容

总的来说，本发明提供一种用于在潜水环境中抽运(泵送)流体的技术。该技术对潜水式抽运系统是有用的，例如被使用在井筒应用中用于抽运井下流体的潜水式抽运系统。潜水式抽运系统被设计用于对潜水泵利用推理控制特征来减小否则作用在潜水泵组件上的某些推力载荷。

附图说明

此后，将参考附图描述本发明的某些实施例，其中相同标记表示相同部件，并且：

图1是依据本发明实施例的配置在井筒中的电动潜水抽运(泵送)系统的实施例的正视图；

图2是依据本发明实施例的在图1中所示的潜水泵的实施例的部分截面图；

图3是依据本发明实施例的在图1中所示潜水泵的另一实施例的部分截面图；

图4是依据本发明实施例的在图1中所示潜水泵的另一实施例的部分截面图；

图5是依据本发明实施例的在图1中所示潜水泵的另一实施例的部分截面图；

图6是依据本发明实施例的在图1中所示潜水泵的另一实施例的部分截面图。

具体实施方式

在下面的说明中，阐述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域普通技术人员应当理解的是：没有这些细节可以实施本发明，并且根据所述实施例的多种变化或改型是可能的。

本发明涉及一种用于降低在抽运流体时产生的推力载荷的某些影响的系统和方法。例如，该系统和方法可以用于具有离心式潜水泵的潜水抽运系统中。一或多个特征被包括在潜水抽运系统中，以管理作用在泵叶轮的外表面上的液压力，该液压力趋于产生与抽运流体的流动方向相反地作用的大反作用力。

总体参考图1，潜水抽运系统20的实施例，例如电动潜水抽运系统被显示。取决于其所使用的具体应用或环境，潜水抽运系统20可以包括各种部件。在抽运系统20中所利用的部件的例子包括至少一个潜水泵22、至少一个潜水泵电动机24和一个或多个电动机保护器26，它们连接在一起形成潜水抽运系统。

在所示例子中，潜水抽运系统20被设计为配置在地层30内的井28中，该地层包含期望的生产流体，例如石油。将井筒32钻入地层30，井筒进而在至少一些应用中装配有井筒套管34。穿孔36穿过井筒套管34形成，以使流体在周围地层30和井筒32之间流动。

通过可以具有各种结构的配置系统38，将潜水抽运系统20配置在井筒32中。例如，配置系统38可以包括由连接器42连接至潜水泵22的管40，例如盘管或生产管。将电力经由电力电缆44提供给至少一个潜水电动机24。潜水电动机24接下来给潜水泵22供电，可以使用所述潜水泵22通过泵吸入口46抽运生产流体。在潜水泵22内，旋转多个叶轮以通过例如管40泵送或开采生产流体至所期望的收集位置，该位置可能位于地表面48处。

应当注意的是，所图示的潜水抽运系统20仅仅是可以受益于这里所描述的特征的多种类型的潜水抽运系统的一个例子。例如，可以对抽运系统添加其它部件，以及可以使用其它配置系统。另外，生产流体可以通过管40或通过围绕配置系统38的环形件被抽运至收集位置。该潜水泵或多个泵22还能够利用不同类型泵级(stage)，例如混合流动泵级或径向流动泵级。

总体参考图2，横截面视图示出潜水泵22的一个实施例的一部分。在这个实施例中，潜水泵22包括多个泵级50。各个泵级50包括连接至轴54的叶轮52，轴54可围绕中心轴线56旋转。通过潜水电动机24的轴54的旋转使叶轮52在外泵壳58内旋转。各个叶轮52通过叶轮或泵级进口60抽入流体，进而在通过叶轮出口64排泄流体进入轴向邻近的扩散器66之前，使流体沿内部叶轮通道62流动。内部通道62由叶轮壳体68的形状限定，壳体68可以形成为产生用于漂浮泵级的叶轮(如图2中所示)，或用于压缩泵级的叶轮(如图6中所示)。另外地，可以将叶轮壳体68设计为形成用于潜水泵22中的混合流动泵级、径向流动泵级或其它合适的泵级形式。

在图2中所示的实施例中，内推力部件70，例如内推力垫圈被设置以抵抗推力载荷，例如由旋转叶轮52所产生的向下推力载荷。在这个实施例中，内推力垫圈70被设置在叶轮特征72中，例如形成在叶轮壳体68的上部中的凹陷。内推力垫圈70被设置在叶轮52和紧邻的上游扩散器66的径向向内部分74之间。然而，取代常规外推力垫圈，使用轴向柔性外密封部件76。在图2中的实施例中，密封部件76包括径向密封78，该径向密封78被设置为与叶轮壳体68的大致轴向定位的部分80密封接合。从而，密封部件76与叶轮52的部分80形成密封点，该密封点沿部分80可轴向平移。该径向密封78可以被设置在形成在邻近的扩散器66的一部分中的凹陷82内，如图所示。因此，外部密封被形成在叶轮和邻近的扩散器之间，在潜水泵22内的径向向外的表面上不产生不想要的反作用力。

图3显示密封部件76的可选择实施例。在这个实施例中，内推力部件70类似地被设置在径向向内位置。然而，密封部件76包括由轴向柔性部件86所支撑的径向外围部件84，例如外垫圈。依靠部件86的压缩和膨胀，轴向柔性部件86能够在大致轴向上使密封件76平移。作为例子，轴向柔性部件86可以包括弹簧部件或由各种材料包括金属材料、弹性体材料和复合材料制造的其它类型柔性部件。应当注意到，图2、3中所示的实施例还可以用于压缩泵级来消除前密封泄漏。

在用于管理推力载荷的系统的另一实施例中，净推力载荷例如净向下推力载荷可通过平衡推力垫圈区域的压力被减小，从而叶轮排放压力而不是叶轮进口压力作用在推力垫圈上。在这个实施例中，经推力部件88形成流动通道来平衡推力部件88的压力。流动通道例如可以形成在推力部件88和叶轮52之间或推力部件88和邻近的扩散器的推力垫之间。在一个例子中，推力部件88例如推力垫圈被保持在位于叶轮的孔眼91的径向向外的位置处的叶轮52的保持特征90中，如图4中所示。保持特征90可以包括形成在叶轮52的下部中的凹槽92。流动通道94在推力部件88和叶轮52之间沿着推力部件88背面侧形成，如图4中箭头96所示。流动路径或通道94在潜水泵22工作期间产生流体流动，这减小了作用在推力部件88上的推力载荷。可选择地，可以在推力部件88和邻近的扩散器66(参见图4中的虚线)之间形成流动通道94。例如，可以沿形成在推力部件88和/或邻近的扩散器66上的径向凹槽引导流动，使作用在推力部件88上的推力载荷减小。

可以使用各种技术生成流动通道94，包括在保持特征区域中的几个位置处对叶轮52锪孔(spot facing)，以产生在推力部件88后面的通道。推力部件88可以压配合进保持特征90中，以在形成期望流动通道94的位置处固定推力部件。在这个实施例中，净推力减小流动被从推力部件88的径向向外区域沿着推力部件88的背侧引导，并沿着推力部件88的径向向内区域引导出去。在一些实施例中，通过流动通道94的流体流动通过垫圈孔和叶轮前密封的外径之间的间隙被排出。应当注意，平衡流动通道94的流动阻力应该小于各泵级中的前密封间隙的流动阻力。

图5中示出抽运流体和管理推力载荷的系统和方法的另一实施例。在这个实施例中，减小了作用在向下推力部件98上的净向下推力载荷。向下推力部件98可以包括向下推力垫或推力垫圈且可被安置在径向向内位置，如图所示。通过结合上推力部件100，例如上推力垫或垫圈，减小作用在部件98上的向下推力。另外，设置一个或多个平衡孔102以允许流体从叶轮52的内通道62且经上推力部件100泄漏。在所示实施例中，平衡孔102通过内部通道62上方的叶轮壳体68的上部形成，从而它们被定位在大致轴向方向。然而，对于具体应用可以根据需要调整平衡孔102的位置和方向。

在启动潜水泵22时，各泵级50的叶轮52安置在其向下推力部件98上。启动后，叶轮52旋转且通过各个叶轮52的排放并经上推力部件100且通过平衡孔102引起泄漏流动。这种泄漏流动降低了推力部件98和100之间的腔中的压力，导致叶轮52向上移动，并接触上推力部件100。由上推力部件100形成的面密封还密封通过平衡孔102的泄漏流动。因此，这种结构提供改进的轴向平衡，因为在上推力部件100径向向内定位的叶轮52的顶部区域暴露于叶轮进口压力，而不是叶轮排放压力。另外，图5中所示实施例可以利用密封件76促进叶轮52的密封、轴向移动。例如，密封件76可以包括允许叶轮轴向平移同时保持叶轮和邻近的扩散器之间的密封的径向密封78。图5中所示实施例尤其适用于径向流动泵级，并且能够使该泵级相对于常规设计具有紧凑的泵级高度。

总体参考图6，示出了用于抽运流体和管理推力载荷的系统和方法的另一实施例。在这个实施例中，潜水抽运系统20的潜水泵22由多个堆叠的、具有由轴54旋转的叶轮52的压缩泵级104构成。对于压缩泵级104，由叶轮52的旋转得到的净推力载荷，例如下推力载荷由定位在电动机保护器26中的保护器轴承106(示意地以虚线显示)抵抗。通过从下或上游泵级104的进口108至上或下游泵级104的平衡腔110有效地泄放(porting)压力来减小保护器轴承106上的推力载荷。在一些实施例中，所述上/下游泵级104为最顶部泵级，以及所述下/上游泵级104为在潜水泵22中的下部或最下部泵级104。在其它实施例中，可以设计该系统以使进口108为潜水泵的进口。

通过从所选择的泵级进口108至所选择的平衡腔110产生压力释放路径或流体通路112，可以泄放压力。在一个实施例中，通道112至少部分穿过轴54形成，以及该通道可以大致沿着轴54的中心轴线形成。另外，可以将节流孔114或其它限制器设置在通道112中来控制从上/下游泵级104至下/上游泵级104的泄漏流量。

在潜水抽运系统20中所使用的具体组件可以根据使用该系统的实际井应用来改变。用于管理净推力载荷的具体组件、组件大小和组件位置从一个潜水抽运系统至另一潜水抽运系统以及从一个井应用至另一井应用中也可以改变。基于各种因素，例如潜水泵的数量和布置、潜水电动机和电动机保护器以及具体井环境、井应用和生成要求，选择用于控制作用在潜水抽运系统内的特定组件上的推力载荷的具体实施例。其它组件可被连接至电动潜水抽运系统或形成为电动潜水抽运系统的一部分。

因此，尽管在上面仅仅详细描述了本发明的几个实施例，但是本领域普通技术技术人员将易于理解：在不实质上脱离本发明的教导的情况下，许多变化是可能的。这些变化意欲被包含在如限定在权利要求书中的本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种用于抽运流体的系统，包括：

潜水泵，其具有多个泵级，各个泵级具有叶轮、抵抗叶轮上的推力载荷的内推力部件和处于内部推力部件的径向向外位置上的作用在叶轮上的密封部件，该密封件在轴向上是可平移的。

2.如权利要求1所述的系统，其中该密封件为径向定位的密封件，其形成沿叶轮的大致轴向定位的表面轴向滑动的密封点。

3.如权利要求1所述的系统，其中该密封件包括被支撑在轴向柔性部件上的外推力垫圈。

4.如权利要求1所述的系统，其中该密封件包括轴向柔性部件。

5.如权利要求1所述的系统，进一步包括连接至潜水泵的潜水电动机和电动机保护器。

6.如权利要求1所述的系统，其中各个泵级为漂浮泵级。

7.如权利要求1所述的系统，其中各个泵级为压缩泵级。

8.一种用于抽运流体的系统，包括：

潜水泵，其具有多个泵级，每个泵级具有叶轮和推力部件，该推力部件处于从叶轮入口径向向外的位置处，用于抵抗叶轮上的推力载荷，其中经推力部件定位流动通道以产生流体流动，该流体流动减小作用在推力部件上的推力载荷。

9.如权利要求8所述的系统，其中该推力部件被压配合至叶轮的特征中。

10.如权利要求8所述的系统，其中流动通道的方位产生从推力部件的径向外围区域至推力部件的径向向内区域的流体流动。

11.如权利要求8所述的系统，其中各个泵级为漂浮泵级。

12.如权利要求8所述的系统，进一步包括连接至潜水泵的潜水电动机和电动机保护器。

13.一种用于管理潜水抽运系统中推力载荷的方法，包括步骤：

在潜水式离心泵的每个泵级中邻近叶轮安置推力部件，以吸收叶轮的推力载荷；

在每个泵级中将密封件设置在叶轮和邻近的扩散器之间；和

定位密封件，以允许密封件和邻近的扩散器之间的密封点大致轴向平移。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述设置步骤包括将密封件安装在形成在邻近的扩散器中的凹陷中。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述定位步骤包括定位密封件以使密封件能够相对于叶轮轴向平移。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述设置密封件的步骤包括在轴向柔性部件上支撑垫圈。

17.如权利要求13所述的方法，进一步包括步骤：将潜水式离心泵连接至潜水电动机和电动机保护器。

18.一种用于管理潜水抽运系统中推力载荷的方法，包括步骤：

堆叠多个泵级以形成潜水泵，每个泵级具有扩散器、叶轮和用于抵抗叶轮施加的推力载荷的推力部件；

在每个泵级中相对叶轮设置推力部件；和

在潜水泵的操作中，经过推力部件引导流体流动以减小作用在推力部件上的推力载荷。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述设置步骤包括相对叶轮设置推力垫圈。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括步骤：将推力垫圈压配合到叶轮上的相应特征中。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述引导步骤包括从推力部件的径向外侧向径向内侧引导流体的流动。

22.如权利要求18所述的方法，进一步包括步骤：将潜水泵连接至潜水电动机和电动机保护器。

Images