CN103299029B

CN103299029B - 人工提升工具

Info

Publication number: CN103299029B
Application number: CN201180063335.2A
Authority: CN
Inventors: J·哈伦德巴克
Original assignee: Welltec AS
Current assignee: Welltec AS
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: AU2011351349B2; RU2013134741A; CN103299029A; US20130277065A1; MX2013007498A; AU2011351349A1; EP2472055B1; EP2472055A1; CA2823475A1; WO2012089802A1; BR112013016368A2; DK2472055T3; US9359875B2

Abstract

本发明涉及一种用于引入井眼或套管中并沉入井流体中的人工提升工具。该人工提升工具在纵向方向上从适于连接到钢丝绳的顶侧端部向底侧端部延伸。该工具包括马达单元和泵单元。此外，本发明涉及一种生产井，其中人工提升工具沉入井流体中；还涉及用于在井内提供人工提升的人工提升工具的用途；以及涉及用于在井内提供人工提升的方法。

Description

人工提升工具

技术领域

本发明涉及一种用于引入到井眼或套管中并沉入井流体中的人工提升工具。该人工提升工具在纵向方向上从适于连接到钢丝绳的顶侧端部向底侧端部延伸。该工具包括马达单元和泵单元。此外，本发明涉及一种生产井，其中人工提升工具被沉入井流体中；还涉及用于在井内提供人工提升的人工提升工具的应用、以及涉及用于在井内提供人工提升的方法。

背景技术

在油气开采期间，由于高的流体静压力，对井内开采进行辅助有时是必要的。如果井本身不能产生足够的压力来驱使油或气到达地表，或者有意地使井被损毁了，则可以使用工具来将井流体提升到井的上部部分。这些工具通常称做人工提升工具。

通过将泵工具沉入井中，可以使用泵来提高压力或者可能重启废井。该泵工具在井中形成插塞件或密封件并且将井流体从插塞件的一侧泵送到另一侧。泵工具必须提供必要的压力以克服泵上方的井流体的静压力。

人工提升工具在恶劣或“脏”的环境中操作并且泵送含有污染物的井流体和腐蚀性流体。为了使该工具可以操作更长的时间，这些污染物不在泵中聚集并且防止井流体进入泵的至关重要的部件是非常关键的。

发明内容

本发明的目的是完全或部分克服现有技术的上述缺点和不足。更具体地，目的是提供一种改进的人工提升工具，其防止污染物尤其在工具的泵送部件和轴承/支承部件中聚集。

本发明的又一个目的是提供一种人工提升工具，其中由于可以以较大的容差来应用工具的不同部件、特别是泵送部件——即，这些部件可以以较低的精度进行生产——从而方便了这些部件的装配。

上述目的以及从下面的描述中将变得显而易见的许多其他目的、优点和特征一起通过根据本发明的技术方案实现，该技术方案涉及用于引入井眼或套管中并沉入井流体中的人工提升工具，该人工提升工具在纵向方向上从适于连接到钢丝绳的顶侧端部向底侧端部延伸，该工具包括：

-马达单元，该马达单元包括提供转矩输出的转矩元件，

-泵单元，该泵单元关于所述顶侧端部定位在马达单元下方，该泵单元包括：

-壳体，该壳体在纵向方向上延伸并且具有上部部段和下部部段，

-泵轴，该泵轴一体连接到马达单元的转矩元件并且穿过所述壳体的上部部段和下部部段延伸，

-至少一个泵级，该至少一个泵级连接到所述泵轴并且包括转子和定子，

-定位在所述下部部段中的至少一个入口，以及

-定位在壳体的外表面上的封隔器单元，该封隔器单元适于在位于该人工提升工具与井眼或套管的侧面之间的环形空间中提供圆周方向上的密封件，

其中，在泵单元的上部部段中布置有适于吸收轴向和径向力的第一主轴承，泵轴与该第一主轴承连接，从而使作用在泵轴上的轴向力主要由第一主轴承获得；所述泵轴基本上自所述第一主轴承进行悬置。

由此提供了一种泵单元，该泵单元包括不需要支承在该泵单元的下部部段中的泵轴。对轴进行支承会引起轴弯曲的风险，这导致轴承中的更大的磨损。此外，提供了一种更简单的人工工具设计。

在一个实施方式中，圆周方向上的密封件可以将井眼或套管分成上部部段和下部密封部段。

通过将井眼或套管分成上部部段和下部密封部段，可以迫使井流体仅通过人工工具的泵单元进入。

泵级可以与泵轴连接并且经由泵轴自第一主轴承进行悬置。

该人工提升工具还可包括流体连接到第一主轴承的补偿器泵，以便对第一主轴承增压以获得至少基本上等于井流体压力的压力。

通过对第一主轴承增压，可以阻止井流体中的污染物进入并污染第一主轴承而妨碍其合适地起作用。

在一个实施方式中，补偿器泵可以关于顶侧端部布置在泵单元上方。

此外，补偿器泵可以布置在马达单元上方，以对马达单元和主轴承进行补偿并且在马达单元中获得至少基本上等于井流体压力的压力。

此外，泵级可以包括安装在转子和/或定子上的导流件，以提供最佳的流动。

另外，导流件和转子的叶片可以形成多个腔室。

此外，导流件可以焊接在转子和/或定子上。

该导流件防止来自于井流体的污染物、残留物、水垢等在泵单元中的聚集以及后续的堵塞，从而提高了泵单元的效率。此外，在转子和/或定子上安装导流件可允许泵元部件的容差的减小。

泵单元可以包括多级离心泵。

此外，泵单元可以包括八个泵级。

该人工提升工具还可以包括第二主轴承，其定位在泵单元的下部部段中并且适于主要吸收径向力，泵轴连接到该第二轴承。

此外，第二轴承可以是滑动轴承/普通轴承（plain bearing）。

另外，第二轴承可以是滚柱轴承。

另外，第一主轴承可以是陶瓷轴承。

在一个实施方式中，泵轴可以具有在壳体的纵向方向上延伸的空心的内孔（hollow bore）。

此外，补偿器泵可以流体连接到第二主轴承,以便对第二主轴承增压以获得至少基本上等于井内压力的压力。

另外，所述工具可以包括在对所述环形空间进行密封期间用于对封隔器单元增压的压力装置。

此外，所述工具可以包括在对所述环形空间进行密封期间用于触发封隔器单元的机械系统。

另外，上面所述的人工提升工具可以包括流体连接到第二主轴承的补偿器单元，以便对第二主轴承供应流体并获得至少基本上等于井流体压力的压力。

补偿器单元可以包括活塞构件和在纵向方向上推动活塞构件的弹性构件，该活塞构件适于对第二主轴承内的流体增压。

此外，一个或多个轴承可以由弹性构件施压。

另外，本发明涉及一种生产井，其中如上所述的人工提升工具被沉入井流体中，该人工提升工具适于将井流体从位于该人工提升工具下方的井的下部密封部段泵送到位于该人工提升工具上方的井的上部部段，以便在生产井中实现人工提升。

此外，本发明涉及如上所述的人工提升工具的用途，其中，该人工提升工具通过将井流体从位于该人工提升工具下方的井的下部密封部段泵送到位于该人工提升工具上方的井的上部部段来提供在井内的人工提升。

最后，本发明涉及一种用于在井内提供人工提升的方法，包括以下步骤：

-将如上所述的人工提升工具下降到井眼或套管中，

-通过触发布置在该人工提升工具的外表面上的封隔器单元而在位于该人工提升工具与井眼或套管的侧面之间的环形空间中提供密封件，以及

-将井流体从位于该人工提升工具下方的井的下部密封部段泵送到位于该人工提升工具上方的井的上部部段。

附图说明

下面将参照示意性附图更详细地描述本发明及其许多优点，所述附图为了解释的目的示出了一些非限制性的实施方式，其中：

图1示出了包括泵单元、马达单元和补偿器泵的人工提升工具的原理图，

图2示出了安装有套管的井眼的横截面，其中该套管内设有人工提升工具，

图3a示出了包括多个泵级的泵单元的横截面，

图3b示出了图3的泵级的细节部分，

图4a示出了转子，

图4b示出了顶部安装有导流件的转子，

图5示出了包括空心的泵轴和第二主轴承的泵单元的横截面，以及

图6示出了泵单元的另一个实施方式的横截面。

所有图都是高度示意性的并不一定按比例绘制，它们仅示出了那些必要的部件以便于解释本发明，省略了其他部件或者只是建议性的。

具体实施方式

图1示出了用于沉入正如图2中示出的井眼60中的井流体中的人工提升工具1。该人工提升工具1通过将井流体从井的下部密封部段60b泵送到井的上部部段60a来提供非开采井（non-producing well）中的井流体的人工提升，其中，该下部密封部段60b位于围绕该人工提升工具的封隔器单元13的下方，该上部部段60a位于该人工提升工具的上方。

该人工提升工具1在纵向方向50上从适于连接到钢丝绳65的顶侧端部6a向包括入口7的底侧端部6b延伸。该人工提升工具1包括将要在下面进一步详细描述的多个功能单元。

附图标记10表示靠近人工提升工具1的底侧端部6b定位的泵单元。该泵单元10包括在纵向方向上延伸的壳体5，并且该泵单元10包括上部部段10a和下部部段10b。在壳体5内，多个泵级20安装在泵轴40上，所述泵轴40从泵单元10的上部部段10a延伸并进入下部部段10b中。每个泵级20包括用于提供所需的泵送效果的转子21和用于在后续泵级中的转子之间引导井流体流的定子24。因此，该人工提升工具1不包括进给泵，而是仅有一个主泵，并且因此，该人工提升工具比公知的现有工具更有效、更简单。

图1示出了定位在泵单元壳体5的外表面5a上的封隔器单元13。该封隔器单元13在壳体5的外周边上延伸，以便于当该人工提升工具定位在井中时在该人工提升工具1与井眼60或套管61的侧面之间提供周向密封件13a。该密封件将井眼61或套管60分成上部部段60a和下部密封部段60b。图2示出了处于触发状态时的封隔器单元13，其中由自壳体5在径向方向上延伸的密封件13a在围绕人工提升工具1的环形空间66中设置密封件13a。可以通过将井流体泵送到该密封件中来使该密封件膨胀。

泵单元10还包括定位在泵单元10的上部部段10a中的第一主轴承30，如图3a中所示。该第一主轴承30是适于吸收径向和轴向力两者的轴向和径向组合球轴承。该第一主轴承30包括轴承座31和座圈32，其中它们之间设置有多个球32a。座圈31经由轴套36连接到泵轴40。通过将泵轴40连接到主轴承30，使得泵单元10的下部部段10b中的泵轴40和泵级20基本上悬置在主轴承中。因此，泵轴自主轴承向下悬挂。第一主轴承30因此吸收了作用在泵轴40上的大部分轴向力。

为了增强泵轴40的稳定性，泵单元10包括多个额外的轴承33、35a、35b、35c。这些轴承主要吸收径向力以防止泵轴40的偏斜。第二轴承33定位在泵单元10的下部部段中并且设计为滑动/普通轴承或轴颈轴承。第二轴承33必须在恶劣环境中操作并且接触含有污染物、残留物、水垢等的井流体。能够吸收作用在泵轴上的大部分轴向力的第二主轴承33的功用使得适合于在如此恶劣的环境中操作的简单的第二轴承设计成为可能。轴承35a、35b是在第一主轴承30上方、在泵单元10的上部部段10a中连接到泵轴40上的球轴承。对于本领域技术人员显而易见的是，上述轴承的功能可以使用各种其他类型的轴承实现，比如但不限于锥形或球面的滚柱轴承。

当泵轴40——以及因此泵轴40和泵级20的主要重量——仅仅自泵单元10的上部部段10a中的第一主轴承30进行悬置时，所述轴不会在第二轴承33中无意地发生弯曲，因为布置在泵单元的下部部段10b中的该第二轴承主要在轴的侧面支承所述轴。在现有工具中，下轴承支承所述轴，导致轴稍微弯曲，从而增加了工具1中的磨损的风险。

在泵单元10上方，马达单元11布置成用于提供所需的输入动力来驱动该泵单元。马达单元11包括电马达，该电马达具有一体连接到泵轴40上的转矩单元。人工提升工具1和马达单元11经由结合在钢丝绳65中的电导体从地表处获得动力。在一个替代性技术方案中，该人工提升工具1可以包括在线电源，比如但不限于电池。在操作中，电马达使泵轴40和泵级20转动以产生泵送效果。在人工提升工具1的其他技术方案中，马达单元11可以结合在泵单元10中或者以另外方式进行定位。此外，马达单元11可以包括伸入泵单元10中的驱动轴，部分地或者完全地取代泵轴40。马达单元11还可以包括其他类型的马达。

图4b示出了安装在转子21上的导流件22，以便于增加泵送单元10的效率。转子21上的导流件22和叶片21a形成多个腔室，井流体被引导穿过这些腔室。当泵级20安装在泵单元10中时，泵轴40穿过转子21的中心孔40a延伸。在泵送期间，井流体靠近中心孔40a进入每个泵级20。当转子21转动时，叶片21a迫使井流体远离转子中心并去向转子的外周边21b。导流件22安装在转子21上，从而替代将导流件22结合在壳体5中。这种设计减小了制造壳体5所必须有的精度和容差，因为在转子21与壳体5之间存在更少的接触点。此外，通过提供平滑的流动路径，导流件22阻止或者至少限制了来自于井流体的污染物、残留物、水垢等在每个泵级20中的聚集。导流件22通过焊接安装到叶片21a上，但是还可以采用其他合适的安装工艺。

离开转子21的外周边的井流体进入部分地由壳体元件25形成的流动通道25a中，如图3b中所示。经由流动通道25a引导井流体进入泵级20的包括定子24的部分。定子24刚性地安装在泵单元10中并且具有安装在其顶部上的第二导流件23。定子24和第二导流件23形成流动路径24a，该流动路径24a将井流体从泵单元10的外周边引向中心并引入下一个泵级20/转子21。

来自于井中的井流体通过设置在壳体5中的一个或多个入口7a进入泵单元10的下部部段10b。然后将该井流体抽入第一泵级20中并且将其泵送通过多个泵级而进入泵单元10的上部部段10a中。在泵单元10的上部部段10a中，经由设置在壳体5中的、位于封隔器单元13上方的出口7b将井流体喷射到井中，并从而提供了非生产井中的井流体的人工提升。

人工提升工具1还包括用于控制人工提升工具的特定部件内的压力的补偿器泵12。该补偿器泵12流体连接到第一主轴承30，以便于对该轴承内的流体增压并提供至少基本等于井中的流体静压力的压力。这样，由于主轴承中的压力保持在比周围的“脏”的井流体的压力更高的水平上，因此防止了来自于井流体的污染物在第一主轴承30中聚集，从而使主轴承保持其轴承特性。补偿器泵12可以布置在泵单元10上方，并从而更靠近井的顶部。补偿器泵12还可以布置成使得其能够补偿马达单元11从而使马达单元中的压力保持在至少与井流体的压力相同的水平，并且从而补偿器泵12可以布置在马达单元上方。

图5示出了泵单元10，其包括布置在泵单元10的下部部段10b中的空心的泵轴和第二主轴承33a。该第二主轴承33a是适于吸收径向和轴向力两者的轴向和径向组合球轴承。所述空心的泵轴提供了补偿器泵12与第二主轴承33之间的流体连接，以便于对第二主轴承内的流体增压。

图6示出了另一泵单元10，其包括布置在泵单元10的下部部段10b中的第二主轴承33a和径向轴承35c。第二主轴承33a和径向轴承35c内的流体由设置在下部部段10b中的补偿器45a供应。该补偿器相比于井眼压力在轴承部分中保持了一定的过压力，以便使工具内的流体从工具泄漏出去并阻止脏的井流体进入泵单元和轴承。该补偿器包括在弹性构件47的影响下可移动的活塞46。该活塞46对腔室48内的流体增压，其中该腔室48与第二主轴承33a和径向轴承35c流体联通。通过使泵单元在下部部段中设有单独的补偿器，使得补偿器泵不必要补偿下部部段中的轴承。由于泵单元内部压力的大的变化，使用相同的系统补偿上部部段和下部部段两者在某些情况下可能是不合适的。如果仅使用一个系统，则泵单元的一些部段中的过剩压力可能必须非常高，以便所有部段中的过剩压力都要在某一阈值以上。泵单元内的太高的过剩压力可以导致元部件（比如垫圈、密封件等）的不希望发生的磨损和撕裂。

如图6中所示，轴承35a和35c均受弹性构件37a、37b影响，该弹性构件在此情况下是螺旋弹簧。本领域技术人员应认识到，泵单元10中的其他轴承也可以以类似方式设有任何种类的弹性构件。通过提供稍微施压于轴承的弹性件，改进了轴承的操作并延长了寿命。

参见图2，在操作中，将人工提升工具1连接到钢丝绳65并降入井眼60中。当该工具1到达特定位置时，封隔器单元13被触发以在环绕人工提升工具1的环形空间66中提供密封件13a。该密封件13a将井分成位于人工提升工具1下方的密封部段60b和位于人工提升工具上方的上部部段60a。

接下来，触发人工提升工具1以将密封件13a下方的井流体泵送到井的上部部段10b。井的上部部段10b中的井流体的流体柱在泵单元10的出口侧上形成流体静压力。为了实现所需的人工提升，泵单元10的出口压力必须取代该流体静压力。将井流体从密封件13a的下侧泵送到上侧导致井流体朝向井的地表提升。

人工提升工具1具有不同的用途并且可以布置在井中更短或更长的时间。如果由于井中压力的增加而使该井在某些点处是自推进的或者自开采的并且不再需要由人工提升工具1提供人工提升，则从该井移除该工具。该工具1还可以移动到井眼60中的不同位置或者重新设置在另一个井中。

流体或井流体是指可能存在于油井或气井中的任何种类的流体，比如天然气、油、油基泥浆、原油、水等。气是指存在于井、完井或裸眼中的任何种类的气体混合物，油是指任何种类的油混合物，比如原油、含油流体等。因此，气、油和水流体均可以包括除了气、油和/或水之外的其他元素或物质。

套管是指用在与油或天然气开采有关的井眼中的任何种类的管、管段、管状件、衬套、管柱等。

在这些工具不能完全沉入套管中的情况下，可以使用井下牵引机来将这些工具完全推入井中的适当位置。井下牵引机是能够在井下推动或拉动工具的任何种类的驱动工具，比如Well Tractor

尽管上面已经结合本发明的优选实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由随附权利要求限定的本发明的情况下，可以构想出许多变型。

Claims

1.一种用于引入到井眼(60)或套管(61)中并沉入井流体中的人工提升工具(1)，该人工提升工具在纵向方向(50)上从适于连接到钢丝绳(65)的顶侧端部(6a)向底侧端部(6b)延伸，该人工提升工具包括：

-马达单元(11)，该马达单元包括提供转矩输出的转矩元件(45)，

-泵单元(10)，该泵单元关于所述顶侧端部定位在马达单元下方，该泵单元包括：

-壳体(5)，该壳体在纵向方向上延伸并且具有上部部段(10a)和下部部段(10b)，

-泵轴(40)，该泵轴一体连接到马达单元的转矩元件并且穿过所述壳体的上部部段和下部部段延伸，

-至少一个泵级(20)，该至少一个泵级连接到所述泵轴并且包括转子(21)和定子(24)，

-定位在所述下部部段中的至少一个入口(7)，以及

-定位在所述壳体的外表面(5a)上的封隔器单元(13)，该封隔器单元适于在该人工提升工具与井眼(60)或套管(61)的侧面之间的环形空间(66)中提供圆周方向上的密封件(13a)；

在泵单元的上部部段中布置有适于吸收轴向和径向力的第一主轴承(30)，所述泵轴与所述第一主轴承连接，从而使作用在泵轴上的轴向力由第一主轴承吸收；和

与所述第一主轴承流体连接的补偿器泵；

其中，所述补偿器泵构造用于对所述第一主轴承增压，并且所述泵轴构造成在井下操作期间由所述第一主轴承支承并自所述第一主轴承进行悬置。

2.根据权利要求1所述的人工提升工具，其中，所述泵级包括安装在转子和/或定子上的导流件(22)以提供最佳的流动。

3.根据权利要求2所述的人工提升工具，其中，所述导流件(22)和所述转子(21)的叶片(21a)形成多个腔室(22a)。

4.根据权利要求1所述的人工提升工具，其中，所述泵单元包括多级离心泵。

5.根据权利要求1所述的人工提升工具，其中，所述泵单元包括八个泵级。

6.根据权利要求1所述的人工提升工具，还包括第二主轴承(33)，该第二主轴承定位在泵单元的下部部段中并且适于吸收径向力，所述泵轴连接到该第二主轴承。

7.根据权利要求6所述的人工提升工具，还包括流体连接到所述第二主轴承(33)的补偿器单元(45a)，以便对该第二主轴承供应流体并获得至少基本上等于井流体压力的压力。

8.根据权利要求1所述的人工提升工具，其中，所述第一主轴承是陶瓷轴承。

9.根据权利要求1所述的人工提升工具，其中，所述泵轴具有在所述壳体的纵向方向上延伸的空心的内孔(40b)。

10.根据权利要求6所述的人工提升工具，其中，所述补偿器泵(12)流体连接到第二主轴承，以便对第二主轴承增压以获得至少基本上等于井内压力的压力。

11.根据权利要求7所述的人工提升工具，其中，所述补偿器单元包括活塞构件(46)和在纵向方向上推动活塞构件的弹性构件(47)，该活塞构件适于对第二主轴承内的流体增压。

12.根据权利要求1所述的人工提升工具，其中，一个或多个径向轴承(35a，35b，35c)由弹性构件(37a，37b)施压。

13.根据权利要求1所述的人工提升工具，还包括：布置在泵单元的下部部段中靠近壳体的底端的流体腔室；和在所述流体腔室内绕泵轴布置的第二轴承，

其中所述流体腔室与井流体流体连通并经所述入口接收井流体。

14.一种生产井，其中将根据权利要求1-13中任一项所述的人工提升工具(1)沉入井流体中，该人工提升工具适于将井流体从位于该人工提升工具下方的井的下部密封部段(60b)泵送到位于该人工提升工具上方的井的上部部段(60a)，以便在该生产井中实现人工提升。

15.用于在井(60)中提供人工提升的方法，包括以下步骤：

-将根据权利要求1-13中任一项所述的人工提升工具(1)下降到井眼(60)或套管(61)中，

-通过触发布置在该人工提升工具的外表面(5a)上的封隔器单元(13)而在位于该人工提升工具与井眼(60)或套管(61)的侧面之间的环形空间(66)中提供密封件(13a)，以及

-将井流体从位于该人工提升工具下方的井的下部密封部段(60b)泵送到位于该人工提升工具上方的井的上部部段(60a)。