CN103492722A - 用于载有固体的流体的潜水离心泵 - Google Patents

Abstract

公开的是一种潜水离心泵。潜水离心泵包括泵壳体，其具有大致与泵出口相对设置的泵入口。轴至少部分地延伸穿过泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动。离心叶轮附接到轴，并且具有供流体进入的开口。扩散器对应于离心叶轮设置，以形成泵级。并且螺旋钻联接到轴。

Description

用于载有固体的流体的潜水离心泵

技术领域

本发明大体涉及潜水离心泵，并且更具体地，涉及用于泵送包含固体的流体的组件和方法。

背景技术

地下泵频繁地用于迫使流体流向地表。潜水电泵（ESP）可安装在井眼的下部。井下泵送包含固体的流体存在若干问题，固体例如来自像煤田或其他能源液体源的源的煤粉或垢质。这些问题通常导致潜入的泵过早失效。

一个问题是大煤块或其他固体颗粒流经泵并对泵造成损害。另一问题是由于低入口压力或高的固体流体比而造成的低流体速率，而例如，在水-煤泥浆环境下过度磨损。更小的容积和低速生成允许固体掉落并堆在泵级的低压区域中的压降区域。与该问题结合的是，随着积累的固体通过经常曲折的传统的泵的流动路径，积累的增加可最终禁止泵产出流体。

又一问题是当与存在的气体的量相比，水流太低时，发生汽锁。在具有高气体容积的井中，还可包括气体分离器，以将气体与产出的流体的剩余部分分离。气体可在机械或静态分离器中被分离并被排放到环空。产出的流体的剩余部分可进入ESP，ESP可经由生产油管将上述剩余部分泵送到地表。在产气的井中，ESP可用于将水泵送到井眼之外，以保持非常规气体（例如，可包括甲烷气体）的流动。在这种情况下，水被向上泵送到生产油管，同时甲烷气体向上流动到生产油管与井眼之间的环空。然而，水中夹带的一些甲烷气体将借助泵而泵送。井，尤其是“气体”井可经受大量的甲烷气体经过泵，这可引起气锁，从而导致昂贵且费时的停机。

发明内容

本发明大体涉及潜水离心泵，并且更具体地，涉及用于泵送包含固体的流体的组件和方法。

在一个方案中，公开一种潜水离心泵。潜水离心泵包括泵壳体，其具有大致与泵出口相对设置的泵入口。轴至少部分地延伸穿过泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动。离心叶轮附接到轴，并且具有供流体进入的开口。扩散器对应于离心叶轮设置，以形成泵级。并且螺旋钻联接到轴。

在另一方案中，公开一种泵送载有固体的流体的泵组件。泵组件包括壳体，其具有大致与泵出口相对而设置的泵入口。轴至少部分地延伸穿过泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动。多级压缩泵组联接到轴。并且，螺旋钻组件联接到多级压缩泵组并构造成在流体中提供涡旋效应。

在又一方案中，公开一种泵送方法。该方法包括提供泵系统，该泵系统包括泵组件以及构造成驱动该泵组件的电机。泵组件包括：壳体，具有大致与泵出口相对设置的泵入口；轴，至少部分地延伸穿过泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动；多级压缩泵组，联接到轴；以及螺旋钻组件，联接到多级压缩泵组。泵送系统放置在井眼中。电机供电以驱动泵组件。流体被允许进入泵组件。并且，至少在具有螺旋钻组件的部分的流体中产生涡旋效应。

因此，根据本发明的某些实施例可提供一种离心式潜水泵，其特别适合于泵送来自任何含液地层（liquid bearing formation）的钻井的固体饱和的流体，以防止泵堵塞以及低速问题。某些实施例提供离心泵，该离心泵通过保持流体中的固体流在所有的条件下移动，而提高处理夹带固体的流体的总效率。另外，某些实施例可通过在泵的下段具有未包含的区域，消除流体和气体的曲折的路径，而提高泵在气态条件下的入口效率。某些实施例可通过增大泵的底段的速率，而降低离心泵的气锁或汽锁的风险。此外，根据本发明的某些实施例可在泵的顶部的排放部处或者紧邻排放部设置涡旋，在泵未运转时，由于从产出的液体沉淀的固体而容易堵塞。

本发明的特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。虽然本领域技术人员可进行很多改变，但是这样的改变在本发明的精神内。

附图说明

通过参照以下结合附图的描述可获得本发明及其优点的更完整的理解，其中相似的附图标记指示相似的特征。

图1示出根据本发明的某些实施例的一个示例性泵送系统的示意性的局部剖视图；

图2示出根据本发明的某些实施例的泵120的示意性的局部剖视图；

图3是根据本发明的某些实施例的泵的局部侧视图；

图4A示出根据本发明的某些实施例的一个示例性压缩泵送系统的示意性的局部剖视图；

图4B示出根据本发明的某些实施例的一个示例性浮式装置泵送系统的示意性的局部剖视图。

虽然已经参考本发明的示例性实施例描绘、描述并且限定了本发明的示例性实施例，但是这种参照并不意味着对本发明的限制，并且无法推断出这样的限制。如本领域技术人员将进行的并享有本发明的益处，公开的主题能够在形式和功能上进行相当大的修改、变更以及等价的变化。描绘的和描述的本发明的实施例仅仅是示例而非本发明的详尽范围。

具体实施方式

本发明大体涉及潜水离心泵，并且更具体地，涉及用于泵送包含固体的流体的组件和方法。

本文详细地描述了本发明的示例性的实施例。为了清楚，本说明书未描述实际实施的所有特征。当然将理解，在任何这样的实际实施例的开发中，必须决定许多特定实施以实现开发者的特定目标，如符合关于系统和关于商业的制约，这将在各实施之间变化。此外，将理解，这样的开发工作可能既复杂又耗时，然而对于享有本发明的益处的那些本领域技术人员是承担的例行程序。此外，以下示例决不应解读为限制或者限定本发明的范围。

根据本发明的某些实施例可涉及一种潜水泵，该潜水泵可以是为从井下泵送来自钻井的载有固体的流体而设计，钻井是回收作为单一能源来源的液体，或以副产品形式的液体以回收一些其他形式的能源。某些实施例可包括离心泵构造，该离心泵构造具有电动机，其用于驱动沿长度方向分布有离心叶轮的轴，每个叶轮位于靠近扩散器，相对于泵壁静止以构成多级泵。某些实施例可适用于石油工业或者产业或自来水工业，但是尤其适用于固体饱和流体的井下泵送，这些固体饱和流体来自于能源或水力供应工业中产出流体的钻井中并且溶液中含有或不含有气体。

某些实施例可包括位于相同的壳体中的顶部、底部、中间或者它们的任意组合的位置的螺旋钻组件，以便提供单段泵送装置。在某些实施例中，每段能够与其他段联接，以根据需要增大离心泵的动力提升，以满足每单个井的容积和总动压头条件。螺旋钻组件可构造成形成保持固体悬浮在流体中的含密集涡旋的流体，增大流体进入底部扩散器的眼中的速率。密集涡旋或“龙卷风效应”可保持固体不积累和“堵塞”更低的级，因此，减小磨损的量。

图1示出根据本发明的某些实施例的一个示例性泵送系统100的示意性的局部剖视图。泵送系统100可设置在地层110中的井眼105中，根据具体实施，井眼105可以是加套管或加不套管。泵送系统100可包括联接到入口段125、密封段130以及电机段135的离心泵120。通常，泵送系统100能以现有技术中公知的合适方式由生产管柱115悬挂，从地面（未示出）的电源延伸的潜水电缆延伸到电机段135的电机。泵120在入口段125附近可具有一个或多个入口。泵120可具有泵出口，泵出口的定位和附接是为了流向导管，该导管用于接收泵120的上端附近泵送的流体，以连接到用于将流体运送到地面，或者运送到另一潜水泵的套管中的导管。

图2示出根据本发明的某些实施例的泵120的示意性的局部剖视图。泵120可包括壳体140以及由电机段135的电机驱动的中心轴150。壳体140可以是大体圆柱形的泵套管，其直径适合在裸眼井内插入泵120并从裸眼井移走泵120。轴150可以轴向驱动轴，其是大体上、部分地或完全地以泵120的长度延伸，并且适合于由位于泵120的上方或下方的潜水电机驱动。轴150可驱动多级压缩泵组145。多级压缩泵组145的各级可沿着轴150分布。每一级可包括离心叶轮155和扩散器160。

每个叶轮155可联接到轴150，以与轴150一起旋转。每个叶轮155可包括一个或多个流体进口，进口可以是紧邻轴150的轴向开口；以及一个或多个弯曲叶片，以形成流体通路，从而借助中心轴150的旋转加速流体并且迫使流体流向扩散器160或泵120的另一部分。在某些实施例中，一个或多个叶轮155可具有中心毂，以滑动地接合轴150然后被锁上，以与轴150一起旋转，并且每个毂还可延伸（图中未示）进而接合相邻的扩散器160。在某些实施例中，一个或多个叶轮155可不与扩散器160进行任何物理接合。

图3是根据本发明的某些实施例的泵120的局部侧视图。在图3的示例中，一个或多个叶轮155可布置在一个或多个扩散器160的壁161内。每个扩散器160可相对于轴150静止，并且例如可联接到壳体140或者由泵120的另一部分支撑。例如，扩散器160可由壳体140的向内压缩部支撑，以便保持相对于离心叶轮155静止，并且扩散器160可具有中心孔，该中心孔的直径允许流体向上行经所述中心孔与轴150之间的环空，而进入叶轮入口。在某些实施例中，扩散器160可帮助轴的径向对齐。每个扩散器160可包括一个或多个进口，以接收来自相邻的叶轮150的流体。扩散器160可形成一个或多个圆柱形表面和径向叶片，以引导流体流向泵120的下一级或下一部分。

多级压缩泵组145可包括设计/实施条件要求的任何数量的适当的级。例如，这些级可彼此堆叠，以形成每个井所需的提升量。某些实施例可包括多个压缩泵组。虽然本文公开了示例的叶轮和扩散器的构造，但是那些示例不应看作是限制性的。根据本发明的某些实施例可实施任何合适的叶轮和扩散器的构造。

螺旋钻165能以任何合适的方式联接到轴150，以与轴150一起旋转。作为非限制性的示例，螺旋钻165可借助螺旋钻165上方和下方的卡环直接锁到轴150，以确保其坚固地保持在位置。螺旋钻165可布置在底部扩散器160的下方，入口段125的入口端口的正上方。虽然描绘了一个非限制性的示例的螺旋钻165，但是该示例不应看作是限制性的，并且应理解的是，根据本发明的实施例的螺旋钻可具有不同的节距和长度，例如，取决于不同的井条件和实施。

如图2中描绘的，螺旋钻165可布置在压缩管170中，而该压缩管可在壳体140的长度内延伸，进而形成用于流体流动的环空。与流体流动结合，压缩管170可帮助将流体从泵的入口引导到第一叶轮或扩散器的眼。压缩管170可联接到一个或多个多级压缩泵组145和壳体140。在某些实施例中，压缩管170可保持在泵120的基部与底部扩散器160之间静止，因此不能进行运动。压缩管170可由具有充足耐磨性的任何材料制造，以避免过早的磨损。如示例中描绘的，在某些实施例，螺旋钻系统可安装在泵内。然而，在某些其他实施例，螺旋钻系统可以是作为泵的延伸部的单独的拧上或拴上的装置。

在操作中，压缩管170中的螺旋钻165可形成保持固体悬浮在流体中的包含密集涡旋的流体，并增大流体进入扩散器160的眼的速率。螺旋钻165还可作用为打碎固体，以进一步促进流体流动。在描绘的非限制性的示例中，螺旋钻165可使流体加速进入底部扩散器160的眼中。螺旋钻165提供的密集涡旋或“龙卷风效应”可保持固体不会堆积、堵塞、阻塞或者另外阻止多级压缩泵组145的更低的级中的流动。

结果，与传统的泵相比，当泵送载有固体的流体时，可减少对泵120的磨损量。此外，对应传统的泵，通过各级的路径可能非常曲折，使得固体随着速度下降而积累，并且增加的固体积累产生向下的螺旋效应，直到在传统的泵中该组不再能产出流体。根据本发明的某些实施例的泵可解决该问题。另外，泵120可通过在泵的下部节段中的具有未包含的区域消除用于流体和气体的曲折的路径的，而提高气态条件下泵送的入口效率。而且，螺旋钻165可帮助增大额外的提升，使得从下方为泵120提供充足的压力。

虽然在图2的示例中，螺旋钻组件布置在泵120的下部，该构造不应看作是限制性的。一个或多个螺旋钻组件可布置在相同的壳体中的顶部、底部、中间部或者它们的任意组合的位置，以提供单段泵送装置。例如，多个螺旋钻组件可串联使用，以处理更大的固体浓度。在某些实施例中，每个泵或螺旋钻段能够与其他段联接，以按需要增大离心泵的动力提升，以满足每单个实施的容积和总动力压头条件。

在某些可选实施例中，有或没有压缩管170的螺旋钻165可布置在泵120的上部，以在泵120的排放部处或紧邻泵120的排放部形成涡旋效应。这个涡旋效应例如在泵120未运转时处理产出的流体在之前沉淀的固体特别有用。在泵120重新启动之后，产生的涡旋效应可通过“搅拌固体”而使它们再次悬浮，将固体拉离多级压缩泵组145的顶级，因此泵压力和速率能够再次将固体提升到管立柱中，从而允许流体移动固体。

通过对比，传统的泵由于在泵已经停止运转时已经从产出的液体沉淀的固体，可典型地易于堵塞。固体可能向下落到顶部的几级（叶轮和扩散器）上并且部分地或全部地阻挡该级的叶片。这样的阻挡减少了能够移动的流体量并减小流体的速率。

根据本发明的某些实施例，螺旋钻组件可按压缩设计或浮式装置设计实施。图4A示出根据本发明的某些实施例的一个示例性压缩泵送系统400A的示意性的局部剖视图。如描绘的，压缩泵送系统400A可包括压缩泵420A、密封段430以及电机段435。叶轮455A可固定到轴450A或者锁定到轴450A，因此它们不能向上或向下移动而不考虑泵420A的生产率。一个或多个螺旋钻465可联接到叶轮455A的上方和/或下方的轴450A。因为叶轮455A被锁定到轴450A，所以压缩泵系统400A具有穿过这些级构成的组的最佳自由空间量，使它更容易通过固体而不考虑产出的流体的量。

在根据本发明的某些实施例中，螺旋钻组件可由用于支撑的碳化钨轴承组件支撑。例如，图4A描绘了除电机推力轴承480之外的电机密封推力轴承475。电机密封推力轴承475可承载通过螺旋钻组件传递的推力，并且可包括碳化钨。碳化钨是比煤粉和/或砂硬得多的耐磨金属。它也可与安装在螺旋钻465的下方和上方用于径向支撑的轴承组件485（一组套管和轴衬）一起用作支承材料。

图4B示出根据本发明的某些实施例的一个示例性浮式装置泵送系统400B的示意性的局部剖视图。如描绘的，浮式装置泵送系统400B可包括浮式装置泵420B以及与压缩泵系统400A的相似的元件。在浮式装置泵420B中，叶轮455B取决于产出的流体的量能够沿轴450B自由地上下滑动。当产出少量的流体时，叶轮455B能够向下搭在对应的扩散器460B上。当产出更大体积的流体时，叶轮455B能够向上拱在顶部抵靠扩散器460B，并且能够导致叶轮455B向上推。

因此，根据本发明的某些实施例可提供一种离心式潜水泵，其尤其适合于泵送来自任何含液地层的钻井的固体饱和的流体，以防止泵堵塞以及低速问题。某些实施例提供离心泵，该离心泵通过保持流体中的固体流在所有的条件下移动，而提高处理夹带固体的流体的总效率。另外，某些实施例可通过在泵的下段螺旋钻周围具有未包含的区域，消除流体和气体的曲折的路径，而提高泵在气态条件下的入口效率。螺旋钻从底部向顶部开放，这将不像叶轮和扩散器的曲折的路径那样限制流体流动。某些实施例可通过增大在泵的底段的速率，而降低离心泵的气锁或蒸汽锁的风险。此外，根据本发明的某些实施例可在泵的顶部的排放部处或者紧邻排放部设置涡旋，在泵并未运转时，由于从产出的液体沉淀的固体而容易堵塞。

虽然附图描绘了沿具体定向的本发明的实施例，但是本领域技术人员应理解，本发明的实施例很好地适用于许多定向。因此，本领域技术人员应理解的是，使用的如上方、下方、上部、下部、向上、向下等方向术语是关于在附图中描绘的示例性的实施例而使用的，向上的方向朝向对应的附图的顶部，而向下的方向朝向对应的附图的底部。

因此，本发明是适用的，从而达到那些提及的目标和优点，以及本文固有的目标和优点。由于本发明可进行不同的更改和实践，因此以上揭露的某些的实施例仅仅是示例性的，但是等价方式对享有本文教授的益处的本领域技术人员是显而易见的。此外，除了如以下权利要求书中描述的之外，不旨在限制本文示出的构造或设计的细节。因此，很明显，以上揭露的具体示例性实施例可被改变或修改，并且所有这样的变型都被认为在本发明的精神和范围内。此外，如权利要求书中使用的不定冠词“一”或者“一个”在此被定义为意指引入一个或多于一个元件。而且，除非专利权所有人另有明确的和清晰的限定，否则权利要求书中的术语具有它们的普通的、一般的含义。

Claims (18)

1.一种潜水离心泵，包括：

泵壳体，具有大致与泵出口相对设置的泵入口；

轴，至少部分地延伸穿过所述泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动；

离心叶轮，附接到所述轴并具有供流体进入的开口；

扩散器，对应于所述离心叶轮设置，以形成泵级；以及

螺旋钻，联接到所述轴。

2.根据权利要求1所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻设置在所述扩散器与所述泵入口之间。

3.根据权利要求1所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻设置在所述扩散器与所述泵出口之间。

4.根据权利要求1所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻设置在形成流体流动的环空的管中。

5.根据权利要求2所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻构造成在所述扩散器与所述泵入口之间的流体中形成涡旋。

6.根据权利要求2所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻构造成使流体加速流向所述扩散器。

7.根据权利要求3所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻构造成搅乱在所述扩散器与所述泵出口之间的流体中的固体。

8.根据权利要求1所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻以压缩设计或浮式装置设计建造。

9.根据权利要求1所述的潜水离心泵，其中所述螺旋钻由碳化钨轴承支撑。

10.一种泵送载有固体的流体的泵组件，所述泵组件包括：

壳体，具有大致与泵出口相对设置的泵入口；

轴，至少部分地延伸穿过所述泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动；

多级压缩泵组，联接到所述轴；以及

螺旋钻组件，联接到所述多极压缩泵组并构造成提供流体中的涡旋效应。

11.根据权利要求10所述的泵组件，其中所述螺旋钻组件位于所述多极压缩泵组与所述泵入口之间。

12.根据权利要求10所述的泵组件，其中所述螺旋钻组件包括压缩管。

13.根据权利要求10所述的泵组件，其中所述螺旋钻组件位于所述多级压缩泵组与所述泵出口之间。

14.根据权利要求10所述的泵组件，其中所述螺旋钻组件以压缩设计或浮式装置设计建造。

15.根据权利要求10所述的泵组件，其中所述螺旋钻组件包括碳化钨轴承。

16.一种泵送方法，包括：

提供一种泵系统，所述泵系统包括：

泵组件，所述泵组件包括：

壳体，具有大致设置为与泵出口相对的泵入口；

轴，至少部分地延伸穿过所述泵壳体，并且适合于由潜水电机驱动；

多级压缩泵组，联接到所述轴；和

旋钻组件，联接到所述多级压缩泵组；以及

电机，构造成驱动所述泵组件；

将所述泵送系统放置在井眼中；

为所述电机供电以致动所述泵组件；

允许流体进入所述泵组件中；以及

至少部分地借助所述螺旋钻组件在所述流体中产生涡旋效应。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述涡旋效应在所述多级压缩泵组与所述泵入口之间。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述涡旋效应在所述多级压缩泵组与所述泵出口之间。

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