CN102459809A - 改进的井下传送系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将流体从生产层泵送到井表面上的改进的传送系统，在该传送系统中该井的套管装配有一个放置在井的生产层中的泵(P)、一个在井表面处的驱动头、以及一个连接这二者的杆柱，其中一个传动装置(T)在该杆柱上介于该泵与驱动头之间并且从该生产层中泵送的流体穿过导管(32)，该导管在纵向上以隔离方式延伸穿过该传动装置。

Description

改进的井下传送系统

技术领域

本发明在广义上涉及一种井下泵送装置的构型，并且更具体地涉及一种将所生产的流体从泵引导至表面的系统。

背景技术

发明领域

在许多油井中，所生产的流体不能自然地流到地表上。因此，这种井必须装备有位于井下的某种装置以便将流体提升至地表。有几种不同类型的、本领域的普通技术人员熟知的人工提升系统。所有类型的提升装置都要求是直径上较小的，因为大多数油井在井孔内装配有内径典型地为5英寸至8英寸的圆柱形套管，尽管它在某些情况下可能更大。

许多油井(由于大的深度亦或高的流体速度潜力、或者二者并存)均要求泵送装置可以传送实质性的动力来提供将所生产的流体提升至地表所需要的压力和流速。机械装置的本质在于高的动力能力要求增大的尺寸，而高动力泵送装置并非不同、并且典型地将其大小确定为就井的套管的直径范围而言尽可能地大。

针对油井套管的小的直径进行适配但受其限制的油井泵送装置的一个实例就是电动潜没式泵(electric submersible pump)或ESP。一种典型的ESP设备包括由一个井下电动机驱动的多极离心泵。泵和电动机二者均附连至一个管柱上，该管柱从井下的泵电动机组件延伸至地面。这个电动机是通过捆缚到管外部上的、从地面延伸至井下的一条电缆来供电的。从地质构造中提取的流体的压力被该多极泵增大至允许它流经该油管而到达表面的一个水平。

这样一种泵送装置的最明显的构型是将电动机定位在该油管的末端处，而使电缆直接延伸到电动机之中。这种多极泵将被附连到电动机上并且位于其下方，这样使得在该泵底部处的泵入口在井中将尽可能的低。与这种构型相关的问题是将高压流体从泵出口引导进入油管之中而使其通向表面。经常要求这种电动机具有高的动力并且因此具有大直径、并且充满了可供使用的套管内径的绝大部分，以致没有留下供流体穿过的空间。在这样一种情况下仅有的选择(并且确实存在着以此方式配置的ESP)是使用小直径的电动机来允许流体围绕电动机的外部而流动。与这种构型相关的问题不仅是用小直径电动机可获得的动力低，而且还有将高的压力产生的流体引导进入油管中，这要求昂贵且麻烦的封隔器和密封件。一种替代方案是用一个连接到泵出口上并且连接到该油管上的压力壳体来包覆一个小直径的电动机，这将允许高压流体从泵流过电动机并进入油管中。这种构型具有类似的缺点，即：要求使用较小的直径并且因此使用较低动力的电动机来装配在该压力壳体中，而该压力壳体本身则必须装配在井的套管之内。

ESP回避了这个问题，这是通过将电动机放置在该组件的最底部处，而使泵在上方连接到油管上。泵的入口位于泵的底部、但处于电动机的上方，而泵的出口附连到油管上，这样使得高压泵送流体流入到油管中并且向上到达地表。将泵定位在电动机的上方有几个缺点，但是引导流动的方便性超过了这几个缺点。

针对典型油井套管的狭小的限制性进行适配的另一种类型的油井泵送装置是齿轮离心泵(geared centrifugal pump)或GCP，如美国专利号5,573,063中所说明的。这种GCP使用了一个与ESP中使用的相类似的多极离心泵，但是不同于通过井下电动机来驱动，该GCP泵是由一个旋转的杆驱动柱来驱动，该驱动柱从表面处的一个原动机延伸至井下的多极离心泵，其中一个中间的增速传动装置沿该驱动柱位于直接在泵的上方，该传动装置将该驱动柱的旋转速度(典型地小于1,000RPM)增大至该离心泵所要求的3,000+RPM的速度(图1)。

与ESP相似，这些GCP部件在直径上较大以便提供所要求的动力并且充满了可供使用的套管内径的绝大部分，以致与ESP一样留下了对于使泵送的流体流动至表面而言不充分的环形空间。与ESP不同，这种泵不能与驱动的传动装置一起直接连接到油管上，因为旋转的杆驱动柱被直接连接到该传动装置上并且将必须穿过这个多极离心泵。如何在GCP中实现对高压流体引导构成了本发明的基础。

现有技术的概览

这种一般类型的井下泵送构型现在已被本领域的普通技术人员很好地理解了。本发明人(一位在油田区领域中众所周知的专家)已经创造了涉及油井钻探和生产的几种创新，其中并非最不重要的一个被展示在他的关于深井泵送装置的美国专利号5,573,063中。该系统是理想地适合于与本发明相适配的几种系统之一。

本发明人并不知道任何如本专利说明中所述的那样对所生产的流体进行引导的系统，并且对专利技术的检索也没有任何披露。Thomas等人的专利号6,645,010的确披露了将多个具有不同构型的导管放在一个井套管中，但并没有在任何意义上考虑了、也没有无意中解决了对于传送产品的可供使用的空间的最佳利用，而这是由本发明着手解决的。

发明内容

本发明传授了一种对在井下环境中发现的可供使用的空间进行最佳利用的新颖方案，其中一个从井的表面上通过一个传动装置来驱动的泵被浸没在一种能源沉积(如原油)中、并且被配置成产生足够的压力来将该沉积中的内含物提升至表面。

由于该井套管具有极小的直径并且该传动装置和多级离心泵占据了这个空间的一个实质性部分，所要解决的问题是提供从生产层中泵送流体产品的一个通向表面的有效通道。

因此，一个主要的(但并非排他性的)目的是在拥挤的井套管中对可供使用的空间加以利用，这是通过提供战略性地定位的、大小优化的多个路径(这些路径在井的生产层中的泵与其表面之间延伸)来提供来自这个沉积的一个产物的连续流动。

本发明的另一个与以上内容相关的目的是利用该传动装置的齿轮系与其相关联的套管之间的空间，这是通过形成一个从中穿过的流体流动路径来实现的。本发明的又一个目的是隔离该流动路径以便避免该传动装置的润滑剂以及相关联的齿轮组的污染。

本发明的系统的再一个目的、及其从属的优点是在传动装置的齿轮与在穿过该传动装置而创造的这些流体通道中流过该齿轮系的流体之间提供一种有效的热交换。

本领域的普通技术人员从一个优选实施方案的以下详细说明中(当将其结合附图说明来阅读时)将会想到本发明的额外的以及进一步的目的和优点，在附图中：

附图说明

图1是如专利5,573,063中说明的齿轮离心泵送系统的图示描绘，该系统位于一个井套管在位的典型井孔中；提供了一个驱动柱来通过一个传动装置驱动一个位于生产层中的泵；

图2A是该传动装置壳体的上部部分的一个侧视图，展示了图1的传动装置的相对位置；

图2B是该井的套管的下部部分的一个侧视图，着重于传动装置与泵之间的相互作用；

图3是一个管状壳体的放大的部分截面视图，该壳体包含本发明的传送系统的传动装置、压力补偿器以及驱动柱的一部分；并且，

图4是沿图3的线4-4截取的一个截面视图，展示了在传动装置的齿轮与从生产层中泵送的流体所穿过的导管之间的相互关系。

具体实施方式

首先，重要的是建立本发明在其中具有特殊实用性的环境。已经穿过不同岩层钻出了至生产层Z的一个井孔。井的套管10被装入井孔中以加强侧壁而免于侵蚀和/或可能的坍塌。

为了将生产层中的流体沉积物带到表面，借助一个管柱12将一个泵P定位为邻近该生产层[图1]。这个泵组件包括一个多极离心泵以及如美国专利号5,573,063中说明的一个增速传动装置、加上一个花键的或键销的接收座，该接收座允许该传动装置被该驱动杆柱驱动，该驱动杆柱装配有一个配合的花键的或键销的轴。驱动杆柱xx穿过这个油管12，并且这个花键的或键销的轴被插入接收座中，该接收座允许驱动柱的旋转被传递至传动装置上。传动装置将杆式驱动柱的输入速度增大至对离心泵而言的最佳速度，如‘063中所说明的。杆柱连接到位于井的表面处的一个驱动头14上。当然这个驱动头通过驱动杆柱xx以及传动装置提供了驱动泵P所必需的动力。

由本发明来解决的主要问题是如何在深井环境中将生产层中的流体沉积物最佳地传送至井的表面。在考虑这个问题时，必须要考虑的是该井套管的内部直径是相对较小的，并且传动装置和多级离心泵组件是相对较大的。因此，用于被泵送到表面的流体的通道而言，可供使用的空间明显是有限的。

本发明的传送系统提供了一种解决方案，该解决方案通过提供一种路径(该路径被装配在迄今为止未得到充分利用的可供使用的空间之中)来对可供使用的空间进行最佳使用。

与本发明的目的保持一致，并且首先参见图2A和图2B，所展示的是一个代表性的泵P，它包括安装在一个中央轴18上的多个离心泵元件16。轴18被连接到增速传动装置的输出轴上。传动装置20的输入轴连接到杆柱12上并通过驱动头14被杆柱转动。

提供了一个舱体(其本质是一个管状壳体23)，并且它包括一个较刚性的套管24，该套管纵向地布置在井中，在此它环绕了杆柱的一部分，该杆柱包括这个传动装置。在其最深的末端，管状壳体23在25处以密封关系连接到泵上，这样使得来自生产层的泵送的流体在压力下被迫向上移向该管状壳体、总体上在箭头的路径中、并且无任何泄露。

传动装置T可以是几种适合于井孔的直径和深度的类型中的任何一种，它的一个优秀样品可在上述‘063专利中找到。在其所展示的形式中，传动装置T包括一个多极的平行轴齿轮组25，该齿轮组能够在相对较小的空间内传输相对较大的载荷和/或速度。这几个齿轮组在管状壳体23中被串联地布置为一个串，它们的侧壁是由一种较刚性的、无腐蚀性的材料形成的。

为了确保泵送的流体与传动装置润滑剂分离并且隔离并保护这些齿轮组免于在泵送的流体中发现的腐蚀性元素，对传动装置从头到尾提供了多个流体密封件29F和29A，它们具有熟知构型中任何一种。然而，这些密封件并且特别是直接在泵的上游的密封件29F被暴露在相当大的压力下并且必须抵抗该压力，以便使该传动装置的内部机构避免污染并且保持没有在被泵送的流体中的腐蚀性成分。

为了控制管状壳体23与泵送的流体之间的压力差(该压力差否则的话将在密封件29F和29A处感受到)，本发明考虑了提供一个压力补偿器36。这个压力补偿器可以是几种熟知结构中的任何一种，只要它能够应对跨过这些密封件将会经受的必然会有的压力差。该压力补偿器与管状壳体的内部是处于流体联通的、并且还被暴露于该泵所产生的流体压力中、并且被配置成用于在可能合理的程度上平衡这两者，以便使这些密封件在将泵送的流体与传动装置润滑剂相分离方面是尽可能有效的。

如在附图中清楚的是，该传动装置的直径(由这些齿轮组所限定的)是尽可能合理地较大，以便提供尽可能大直径的齿轮组系，并且在所展示的情况下是为了相当好地装配在管状壳体23之内。如之前提及的，构造该管状壳体的材料具有足够的强度以确保该齿轮系的稳定。

仍参见图4，然而，一个最佳大小的套管27在每组齿轮与包覆它们的管状壳体之间在内部意外地留下了可用的空间。虽然润滑剂分享了这个空间，但本发明想出了再另一种并且有效的使用，如现在将说明的。

在实现本发明的这些目的时，该传送系统通过提供了用于泵送的流体穿过传动装置的不受限制的路径而最佳地利用了齿轮系与管状壳体23之间的空间。为了完成这一点，在此提供了导管32，它限制了管状壳体内的这个路径、从其间以最小的偏转纵向地延伸。

在所展示的情况中，该导管具有一个总体上“D”形的截面以便在这些齿轮组与管状壳体23的壁之间可供使用的空间内实现最佳的体积容量。本领域的普通技术人员将认识到，通过最佳地利用管状壳体内的可供使用的空间，一种不同的形状和截面可能是更有效的，这取决于传动装置的构型。

参见图2A和图2B，为了完成穿过该传动装置到表面上的连接，每个管道或导管32延伸穿过密封件29F和29A并且对从沉积物中被泵送的流体流开放。每个管道32具有一个流体入口34，所泵送的流体从泵P流入其中。在这些D形管道内部流动的流体无阻碍地流经这些传动装置齿轮组并且在38处离开，此后在压力下流动至井的表面，在这里将其收获。

现在将认识到本发明的改进的传送系统利用了可供使用的空间来提供生产层中的流体到井表面的最大传送，以供此后使用。同时，该传动装置可以是较大的并且能够给泵传送更多的动力。

虽然以上说明的本发明的实施方案使用了齿轮离心泵作为一种理想地适合于其应用的泵送系统的例子，但应认识到本领域的普通技术人员可以想到本发明的应用的某种变体。例如，有一种称为电动潜没式渐进空腔泵(electric submersible progressive cavity pump)或ESPCP的深井泵送系统，它包括一个类似于在ESP泵中使用的井下电动机，该电动机通过一个介于电动机与泵之间的减速传动装置来驱动一个渐进式泵。该传动装置的目的是将电动机的高速度(典型地是3,500RPM)减小至更适合用于渐进式空腔泵的350RPM的速度。如在ESP系统中，这个电动机是位于ESPCP组件的底部，其中减速传动装置直接位于其上方并且泵在传动装置的上方，从而允许来自泵中的高压力的流体直接流入生产油管中并且流到表面。在这些ESPCP系统的最常见的实施方案中，该传动装置是一种行星式类型。传动装置的直径必须保持足够小以便在传动装置的外部壳体与井套管的内壁之间提供一个流动路径用于所生产的流体从电动机下方的沉积中流动至传动装置上方的泵入口。这种直径的限制减小了该行星式传动装置的动力并且限制了整个泵送系统的速率能力。如以上说明的在GCP中使用的多极平行路径类型的一种传动装置可以代替这种行星式类型而使用。使用这种类型的传动装置将允许将套管的全部直径用于传动装置，同时提供了D型流动路径用于使所生产的流体被引导至渐进式空腔泵的入口。在此说明的专利中的这个ESPCP实施方案解决了对于GCP而言的一个类似问题，但是被用来将未加压的生产流体引导至泵入口，而不是来自泵出口的加压的流体。该专利中说明的这种构型的主要目的是在最佳程度上利用井套管的小限度内的可供使用的空间并且不限于具有高或低压力流体的传输，而是在直径受限的环境中要求运输的所有流体。

虽然已经具体说明了本发明，但应认识到本领域的普通技术人员可以想到本发明的具体要素的某些改变。应理解的是此类改变是在如所附权利要求书中说明的本发明的考虑之内。

Claims (16)

1.一种用于深井中的改进的流体传送系统，在该深井中有待提升到表面的流体是处于一个表面下的生产层之中；

所述传送系统包括一个杆柱，该杆柱具有一个被置于该生产层中的泵以及在该井的表面处的一个驱动头，所述泵以及所述驱动头是强制连接的以便该驱动头致使所述泵旋转从而在压力下将流体向上传送至该井的表面；

环绕所述杆柱的一部分的一个管状壳体、位于所述管状壳体内的一个传动装置；所述传动装置在所述杆柱上介于所述驱动头与所述泵之间，所述传动装置被适配为从所述驱动头接收动力并将动力以其最佳性能水平传送至所述泵；以及穿过所述传动装置的至少一个路径，该至少一个路径能够在压力下从所述泵中接收流体并且将流体朝所述井的表面进行传送。

2.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中所述管状壳体包括一个较为刚性的套管，该套管环绕了多个齿轮组、并且将齿轮润滑剂容纳在所述套管内，所述管状壳体被隔离而免于泵送的流体的侵入。

3.如权利要求2所述的改进的流体传送系统，其中所述路径在所述套管内被隔离以便避免所述流体泄露到所述套管中。

4.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中穿过所述传动装置提供了两个路径。

5.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中所述路径是由一个导管限定的，所述导管在一端是开放的以便接收从所述生产层中泵送的流体，所述流体在所述管状壳体上方被传送到所述井的套管之中。

6.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中所述导管在截面上的形状被确定为对于在多个齿轮组与所述套管之间的可供使用的空间进行最佳利用。

7.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中穿过所述传动装置提供了两个路径。

8.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中所述路径是由一个导管限定的，所述导管在一端是开放的以便接收从所述生产层中泵送的流体，所述流体在所述舱体上方被传送到所述井的套管中。

9.如权利要求1所述的改进的流体传送系统，其中所述导管在截面上的形状被确定为对于在多个齿轮组与所述壳体之间的可供使用的空间进行最佳利用。

10.一种用于深井中的改进的流体传送系统，在该深井中有待提升到表面的流体是处于一个表面下的生产层中；

所述传送系统包括一个杆柱，该杆柱具有一个被置于该生产层中的泵以及在该井的表面处的一个驱动头，所述泵和所述驱动头是强制连接的以便该驱动头致使所述泵旋转而在压力下将流体向上传送至该井的表面；

环绕了所述杆柱的一部分的一个管状壳体，所述管状壳体针对被泵送的流体侵入所述管状壳体中而言是密封的；一个压力补偿器与所述管状壳体以及所述泵送的流体是处于流体连通的以便平衡所述管状壳体与所述泵送的流体之间的压力差；

位于所述管状壳体内的一个传动装置，所述传动装置在所述杆柱上介于所述驱动头与所述泵之间，所述传动装置被适配为从所述驱动头接收动力并将动力以其最佳性能水平传送至所述泵；以及穿过所述管状壳体的至少一个路径，该至少一个路径能够在压力下从所述泵中接收流体并且将流体朝所述井的表面进行传送。

11.如权利要求5所述的改进的流体传送系统，其中所述导管在截面上的形状被确定为对于多个齿轮组与所述套管之间的可供使用的空间进行最佳利用。

12.如权利要求10所述的改进的流体传送系统，其中穿过所述传动装置提供了两个路径。

13.如权利要求10所述的改进的流体传送系统，其中所述路径是由一个导管限定的，所述导管在一端是开放的以便接收从所述生产层中泵送的流体，所述流体在所述管状壳体上方被传送到所述井的套管之中。

14.如权利要求10所述的改进的流体传送系统，其中所述导管在截面上的形状被确定为对于在多个齿轮组与所述套管之间的可供使用的空间进行最佳利用。

15.如权利要求10所述的改进的流体传送系统，其中所述导管的截面具有一种总体上“D”的形状。

16.如权利要求14所述的改进的流体传送系统，其中所述导管的截面是一种总体上“D”的形状。

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