CN103573673A - 用于泵送气态流体的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述一种用来泵送气态流体的设备、系统和方法。本发明的离心泵均匀化产生的井产流体中包含的气体和液体的至少一部分，因此改善电动潜水泵（ESP）应用中的泵的效率，并且减小ESP系统的停工时间。本发明的叶轮包括增大的入口区域。本发明的离心泵包括位于叶轮的底侧上的单个护罩、叶轮的增大的入口区域以及叶轮和扩散器之间的增大的间隙。一个或更多个被截断的叶片基本上在单个护罩上游延伸，其中每一个被截断的叶片位于从叶轮的底侧开始的未被截断的叶片之间的中间节距部位。

Description

用于泵送气态流体的设备、系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年7月25日提交的并且题为“APPARATUS,SYSTEM AND METHOD FOR PUMPING GASEOUS FLUID”的Jayaram等人的美国临时申请No.61/675,578的权益，该美国临时申请特此通过引用整体并入。

技术领域

这里描述的本发明的实施例涉及电动潜水泵领域。更具体地，但不是通过限制的方式，本发明的一个或更多个实施例实现在电动潜水泵井下应用中用来泵送气态流体的设备、系统和方法。

背景技术

诸如气体、油或水的流体经常位于地下岩层中。在这种情况下，流体必须被泵送到表面使得它可以被收集、分离、提炼、分配和/或出售。离心泵典型地用于电动潜水泵应用以便将井产流体提升到表面。离心泵通过与静止的扩散器成对的旋转的叶轮加速流体而赋予流体能量。该旋转给予穿过泵的流体角动量。角动量将动能转化为压力，因此提高流体上的压力并且将它提升到该表面。多级的叶轮和扩散器对可以用于进一步增大该压力。

常规离心泵被设计用于搬运主要由液体组成的流体。然而，除了液体外，井产流体经常包含气体。目前可用的潜水泵系统不适合于泵送具有高的气体对液体比率的流体。具体地，潜水泵系统需要更好地适合于应对井产流体中包含的气体。当泵送带有气体的流体时，由于当泵处于操作中时产生的压力差，气体可以与其它流体分离。如果存在充分高的含气率（典型地大约10%到15%），泵可能经受效率的降低和容量或压头降低（打滑）。如果气体继续积聚在叶轮的抽吸侧上，它可能完全堵塞其它流体通过叶轮的通路。当这发生时，该泵被说成是“气锁的”，这是由于泵的正确操作被气体的积聚阻碍。结果，需要小心关注潜水泵系统中的气体管理以便改善从地下岩层的带有气体的流体的生产。

图1A和1B中示出离心泵的典型的叶轮。在图1A中，封闭式叶轮100被示出为具有六个均匀间隔的常规叶片105。仅仅为了说明目的，上部常规护罩110和下部常规护罩115在图1B中被示出，但在图1A中没有被示出。图1B示出封闭式叶轮100的剖视图，该封闭式叶轮具有两个常规护罩（上部常规护罩110和下部常规护罩115）。在图1B中，常规的毂125是长的且空心的并且连接到下部常规护罩115、上部常规护罩110和常规叶片105。常规的毂125在常规的轴130上滑动并且键接到常规的轴130，这引起封闭式叶轮100与常规的轴130一起旋转。封闭式叶轮100与轴130一起逆时针或顺时针旋转。孔120（在图1A中被示出）平衡封闭式叶轮100的每一侧上的压力。常规封闭式叶轮100具有大约6000的抽吸比速度。

封闭式叶轮100与常规的静止扩散器（诸如图2中示出的扩散器）成对，使得每一个叶轮在与其成对的扩散器内（内侧）旋转。扩散器不旋转，但与叶轮共轴地安装并且套接在前级的扩散器上。典型地，在扩散器和与其成对的叶轮之间存在间隙。对于常规半开式叶轮，这种常规间隙在宽度上典型地为大约0.015英寸到大约0.02英寸。

目前，有时使用气体分离器试图解决产生的流体中的气体引起的问题。气体分离器试图在流体进入泵之前从产生的流体移除气体。然而，这经常是不可行的，因为确定可能对特定的井有效的正确类型的泵和分离器组合是高成本的或太费时，并且即使确定正确的布置，但是分离器可能不能移除足够的气体以防止效率损失和/或防止气锁。

在电动潜水泵（ESP）的情况下，泵组件中的泵或任何支撑部件的故障可能是灾难性的，这是由于它意味着井生产的耽搁并且必须从井移除泵以便维修。在所有类型的潜水组件中，能够均匀化产生的气态流体的潜水泵系统将是有利的。

目前可用的泵组件不包含用于令人满意地均匀化带有气体的流体并且防止气锁的部件。这个缺点降低了泵组件的效率和总体效能。因此，在电动潜水泵应用中需要用来泵送气态流体的设备、系统和方法。

发明内容

本发明的一个或更多个实施例实现一种用来泵送气态流体的设备、系统和方法。

描述一种用来泵送气态流体的设备、系统和方法。说明性实施例的叶轮包括增大的入口区域。在一些实施例中，增大的入口区域为常规叶轮的入口区域的尺寸的大约1.75倍至大约2.5倍之间。在一些实施例中，叶轮包括位于叶轮的底侧上的单个护罩。在一些实施例中，至少两个未被截断的叶片基本上在单个护罩上游延伸，并且至少两个被截断的叶片基本上在单个护罩上游延伸，其中每一个被截断的叶片位于从叶轮的底侧开始的未被截断的叶片之间的中间节距部位。在一些实施例中，被截断的叶片为未被截断的叶片的弦长的大约50%至大约75%之间。在一些实施例中，单个护罩在毂周围沿径向延伸。在某些实施例中，叶轮的抽吸比速度在大约8000到大约12000之间。

说明性实施例的离心泵包括扩散器内部的叶轮以及叶轮和扩散器之间的增大的间隙，叶轮包括顶侧和底侧，其中顶侧朝扩散器打开，并且其中叶轮还包括：位于叶轮的底侧上并且径向地布置在毂周围的单个护罩、基本上在单个护罩上游延伸的未被截断的叶片以及基本上在单个护罩上游延伸的被截断的叶片。在一些实施例中，存在至少两个未被截断的叶片，其中被截断的叶片位于从叶轮的底侧开始的至少两个未被截断的叶片之间的中间节距部位。在某些实施例中，增大的间隙的宽度在大约0.060英寸至大约0.180英寸之间。

说明性实施例的方法可以包括用来泵送气态流体的方法，该方法包括：将离心泵布置到包含气态流体的井中，操作该泵以引起流体流向井的表面，使流体的至少一部分流过叶轮和扩散器之间的增大的间隙，和通过减小叶轮叶片的压力侧和抽吸侧之间的压力差最小化流体的相分离。在一些实施例中，流体的相分离被具有增大的入口区域的叶轮最小化。在一些实施例中，通过用被截断的叶片代替叶轮叶片，增大入口区域。

在另外的实施例中，来自特定实施例的特征可以与来自其它实施例的特征组合。例如，来自一个实施例的特征可以与来自任何其它实施例的特征组合。在另外的实施例中，另外的特征可以被添加到这里描述的具体实施例。

附图说明

根据结合以下附图给出的以下更具体的描述，说明性实施例的上述和其它方面、特征和优点将更明了，其中：

图1A示出现有技术的叶轮的平面图；

图1B示出现有技术的叶轮的剖视图；

图2示出现有技术的扩散器的透视图；

图3是示出示例性电动潜水泵（ESP）系统的一个实施例；

图4A示出半开式叶轮的一个实施例的透视图；

图4B示出半开式叶轮的一个实施例的透视图；

图5是叶轮的一个实施例的沿图3的线5-5截取的部分剖视图；

图6是离心泵的一个实施例的沿图3的线6-6截取的剖视图；

图6A是离心泵的入口区域的一个实施例的放大视图；

图7是示出泵送气态流体的示例性方法的流程图。

虽然本发明能容许各种改进型和替代形式，但其具体实施例通过例子的方式在图中被示出并且在这里可以被详细地描述。附图可以不按比例。然而，应当理解，在这里被描述的并且在图中被描绘的实施例不意图将本发明限制到公开的特定形式，而是相反，本发明将涵盖落在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有改进型、等同物和替代物。

具体实施方式

现在将描述用来泵送气态流体的设备、系统和方法。在以下示例性描述中，阐述许多具体细节以便提供本发明的实施例的更彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说将显然的是，可以实施本发明而不包括这里描述的具体细节的所有方面。在其它情况中，本领域技术人员熟知的具体的特征、量或度量没有被详细描述以便不模糊本发明。读者应当注意，虽然这里阐述本发明的例子，权利要求和任何等同物的全范围用于限定本发明的界限。

如本说明书和所述权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数所指对象，除非上下文另外清楚地规定。因此，例如，所提及的叶片包括一个或更多个叶片。

“联接”指的是一个或更多个物体或部件之间的直接连接或间接连接（例如，至少一个中间连接）。短语“直接连接”意指物体或部件之间的直接连接。

叶轮的“底”或“下”侧指的是叶轮的大致下游侧。

叶轮的“顶”或“上”侧指的是叶轮的大致上游侧。

“下游”指的是当离心泵处于操作中时与流体的主要流动基本上一致的方向。

“上游”指的是当离心泵处于操作中时与流体的主要流动基本上相反的方向。

本发明的一个或更多个实施例提供一种用于电动潜水泵应用的用来泵送气态流体的设备、系统和方法。虽然按照油或水生产实施例描述了本发明，但这里不意图将本发明限制到那个实施例。

这里公开的本发明包括用来泵送气态流体的设备、系统和方法。在一些实施例中，在进入到泵组件中之后，带有气体的流体可以被包括半开式叶轮的离心泵旋转。在一些实施例中，半开式叶轮包括仅仅单个护罩，该护罩径向地布置在毂周围。在一些实施例中，可以圆周地布置在毂周围的被截断的叶片和未被截断的叶片可以从单个护罩基本上向上游延伸。在一些实施例中，被截断的叶片可以位于从叶轮的底侧开始的两个未被截断的叶片之间的中间节距部位。在某些实施例中，叶轮可以包括绕毂交替布置的被截断的和未被截断的叶片，每一种叶片均为两个、三个或四个。在一些实施例中，叶轮可以包括增大的入口区域。在一些实施例中，在叶轮和扩散器之间可能存在增大的间隙，流体可以流过该间隙。通过减小叶轮叶片的压力侧和抽吸侧之间的压力差，本发明的特征可以最小化流体的相分离。这可以均匀化流体中的液体和气体，提高了泵的效率和性能，防止气锁并且减少生产井的停工时间。

在一些实施例中，本公开的叶片被布置成使得存在比常规叶轮设计中更大的叶轮入口区域。具体地，未被截断的叶片的数量的减小和添加本公开的一个或更多个被截断的叶片在叶轮的入口区域中提供另外的打开空间。说明性实施例的叶轮的入口区域的尺寸是常规叶轮的入口区域的尺寸的大约1.75倍至2.5倍之间。另外的打开空间可以减小穿过叶轮的流体的速度，这有助于在叶轮入口维持高的正压力。与常规叶轮相比，本公开的叶轮能够在较高的抽吸比速度下操作。在一些实施例中，本公开的叶轮可以在大约8000到大约1200抽吸比速度下操作。

本发明包括用于电动潜水泵（ESP）系统的离心泵。图3示出用于本发明的系统的示例性ESP组件的一个实施例。在操作期间，这个组件可以位于地下井中。在图3中，说明性实施例的离心泵包括ESP进料泵200，该ESP进料泵位于ESP进口210的下游。如图3中所示，流体通过ESP进口210上的流体进口215进入ESP组件。ESP进料泵200可以在流体进入ESP主泵220之前均匀化流体。

在一些实施例中，气体分离器（未示出）可以位于ESP进口210和ESP进料泵200之间以在流体进入ESP主泵220之前减小流体的气体含量。当使用时，气体分离器可以是ESP泵系统的进口表面。在某些实施例中，本公开的离心泵消除对气体分离器的需要。在一些实施例中，说明性实施例的离心泵可以结合气体分离器使用。

ESP主泵220和生产管柱225在ESP进料泵200下游。在一些实施例中，马达引线延伸230可以在一个端部插入到ESP马达250中并且可以叠接到另一较大电缆，该较大电缆延伸井身的长度到达井场的表面上的接线盒和/控制面板。生产管柱225可以是管道，该管道用来使产生的井流体从贮器流向表面。ESP密封件240位于ESP马达250和ESP进口210之间并且可以保护ESP马达250免受井产流体的影响。

图4A和4B示出说明性实施例的半开式叶轮的一个示例性实施例的透视图。叶轮30可以包括径向地布置在毂310周围的单个护罩300。被截断的叶片320和未被截断的叶片330可以基本上在单个护罩300的上游延伸。在一些实施例中，被截断的叶片320位于从叶轮30的底侧开始的两个未被截断的叶片330之间的中间节距部位。在某些实施例中，被截断的叶片320与未被截断的叶片330交替，该叶片320、330沿圆周布置在毂310周围。在一些实施例中，存在布置在毂310周围的被截断的叶片320和未被截断的叶片330，每一种叶片均为两个、三个或四个。也可以使用更大或更小数量的叶片320、330。在某些实施例中，被截断的叶片320的数量不同于未被截断的叶片330的数量和/或叶片320、330可以不严格地交替。在图4B中，平衡孔340也被示出在叶轮30上并且帮助平衡叶轮30的每一侧上的压力。在一些实施例中，叶轮30可以在大约8000到大约12000抽吸比速度下操作。在一些实施例中，被截断的叶片320可以提高泵的头部流动的性能和效率，并且维持高的净正抽吸压力，而不牺牲抽吸性能。

图5是用于离心泵的叶轮的一个说明性实施例的沿图3的线5-5截取的部分剖视图。图5示出单个护罩300的一个实施例和布置在叶轮30的毂310周围的叶片320、330的布置。在一些实施例中，被截断的叶片320是未被截断的叶片330的弦长的大约50%至75%（如根据毂310判断并且从单个护罩300的外周边延伸）。在某些实施例中，被截断的叶片320可以更短或更长，但在弦长上总是短于未被截断的叶片330。在一些实施例中，说明性实施例的离心泵可以包括诸如衬套560和带凸缘的套管570（在图6中被示出）的耐磨镶边，以在固体也存在于产生的井产流体中的情况下延长离心泵的寿命。

在一些实施例中，叶片320、330的布置产生的叶轮30的入口区域610的尺寸在常规叶轮的入口区域的尺寸的大约1.75至大约2.5倍之间。在图6A中示出入口区域610的一个实施例。如图6A中所示，入口区域610的尺寸可以使用以下公式被计算：

入口面积=2πRH-B

其中R是从中心线640测量的平均入口半径620，H是入口叶片高度630并且B是叶片阻塞系数。叶片阻塞系数可以如下被计算：

其中N是叶轮30中未被截断的叶片330的数量，H是入口叶片高度630，T是叶片厚度350（在图5中被示出）并且β是入口叶片角度（在图5中被示出）。

由于被截断的叶片320对叶片堵塞系数没有贡献，因此说明性实施例的叶片320、330的布置减小叶片堵塞系数并且因此增大入口区域610。

图6是说明性实施例的离心泵的一个实施例的沿图3的线6-6截取的剖视图。叶轮30可以在毂310处键接到轴540，使得叶轮30与轴540一起旋转。叶轮30与扩散器510成对。图6、6A为了说明目的示出未被截断的叶片330，但除了未被截断的叶片330外或替代未被截断的叶片330，被截断的叶片320也可以被包括在叶轮30中，例如，如图4A、4B和/或图5中所示。在一些实施例中，在叶轮30的顶侧550上不存在护罩。单个护罩300位于叶轮30的底侧上。

间隙530在叶轮30的未被截断的叶片330和/或被截断的叶片320（在图5中被示出）与扩散器510之间。在一些实施例中，间隙530是增大的间隙。通过机加工与叶轮30的面平行的扩散器510的面，可以增大间隙530的宽度。在一些实施例中，根据各种气体对液体比率所需的，增大的间隙530的宽度在大约0.060英寸至大约0.180英寸之间。在某些实施例中，取决于泵的尺寸和井和/或被泵送的流体的类型，增大的间隙530可以更宽或更窄。在一些实施例中，增大的间隙530至少宽于大约0.020英寸。增大的间隙530允许高压流体循环并且与低压流体混合。平衡孔340帮助平衡叶轮30的每一侧上的压力。

在一些实施例中，位于毂310的上游和/或下游的衬套560和带凸缘的套管570在操作期间帮助稳定叶轮30和/或将叶轮30保持就位。在一些实施例中，衬套560和带凸缘的套管570直接位于毂310的上游和下游。衬套560和/或带凸缘的套管570可以帮助承载叶轮30上的轴向推力载荷（诸如向上推力和/或向下推力）的至少一部分。衬套560和/或带凸缘的套管570可以由碳化钨、碳化硅或具有类似性质的任何其它材料制成。在一些实施例中，衬套560和带凸缘的套管570包括耐磨镶边。

如图6中所示，当叶轮30处于操作中时，流体可以流向下游和/或向上通过通道580流向叶轮30和扩散器510对的连续的级并且随后到达ESP主泵220，最后穿过生产管225达到管路、管道、箱、收集容器或其它希望部位。

在一些实施例中，ESP进料泵200包括堆叠在轴540上的多级叶轮30和扩散器510对。在某些实施例中，ESP进料泵200包括大约10级至大约100级之间的叶轮30和扩散器510对。在一些实施例中，叶轮30可以用在ESP主泵220中。

图7是示出说明性实施例的泵送气态流体的示例性方法的流程图。在步骤710，诸如ESP主泵220和/或ESP进料泵200的离心泵被布置到包含气态流体的井中。然后，在步骤720可以操作该泵以引起流体流向该井的表面。在步骤730，该流体的至少一部分可以流过被截断的叶片320和/或未被截断的叶片330与扩散器510之间的增大的间隙530。在步骤740，通过减小被截断的叶片320和/或未被截断的叶片330的压力侧和抽吸侧之间的压力差，可以最小化流体的相分离。在一些实施例中，通过旋转叶轮可以引起流体流动，该叶轮包括基本上在单个护罩300上游延伸的被截断的叶片320和至少两个未被截断的叶片330，其中被截断的叶片320位于从叶轮30的底侧开始的未被截断的叶片330之间的中间节距部位。在一些实施例中，通过增大叶轮入口区域610，可以减小被截断的叶片320和/或未被截断的叶片330的压力侧和抽吸侧之间的压力差。然后，在步骤750，可以向着该表面、运输管道、管路、箱、收集容器或任何其它希望部位举升流体。

本发明的离心泵可以适合于用于潜水泵的该技术领域中已知的多种类型的潜水级。例如，混合流动潜水泵级以及径向流动潜水泵级可以使用本发明的离心泵。适用于ESP系统的这些和其它潜水级可以受益于本公开的离心泵。

本发明的各种实施例可以包括各种数量和间隔的被截断的叶片320。ESP主泵220和/或ESP进料泵200可以受益于本发明的离心泵。ESP主泵220和/或ESP进料泵200内的一个或更多个泵级可以受益于本发明的离心泵。在这里描述的本发明的一些实施例中，可能适合于泵送按照体积达到大约50%的气体对液体比率的流体。本发明的叶轮的入口区域的尺寸可以是常规叶轮的入口区域的尺寸的大约1.75至2.5倍之间。在一些实施例中，本发明的叶轮可以在大约8000到大约12000抽吸比速度下操作。

虽然这里公开的本发明已经通过其具体实施例和应用被描述，但本领域技术人员可以对其作出许多修改和改变而不偏离权利要求中阐述的本发明的范围。前述描述中描述的实施例因此被认为在所有方面是说明性的且不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求指定，并且落在其等同物的含义和范围内的所有变化预期被包括在其中。

Claims (27)

1.一种用于电动潜水泵组件的叶轮，所述叶轮包括增大的入口区域。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其中，所述增大的入口区域是常规叶轮的入口区域的大约1.75倍至大约2.5倍之间。

3.根据权利要求1所述的叶轮，还包括位于叶轮的底侧上的单个护罩。

4.根据权利要求3所述的叶轮，其中，所述单个护罩在毂周围沿径向延伸。

5.根据权利要求3所述的叶轮，还包括基本上在所述单个护罩上游延伸的至少两个未被截断的叶片和基本上在所述单个护罩上游延伸的至少两个被截断的叶片，其中每一个被截断的叶片位于从所述叶轮的底侧开始的、未被截断的叶片之间的中间节距部位。

6.根据权利要求5所述的叶轮，其中，所述被截断的叶片在所述未被截断的叶片的弦长的大约50%至大约75%之间。

7.根据权利要求5所述的叶轮，其中，所述被截断的叶片未被分开。

8.根据权利要求5所述的叶轮，包括三个被截断的叶片和三个未被截断的叶片。

9.根据权利要求5所述的叶轮，包括两个被截断的叶片和两个未被截断的叶片。

10.根据权利要求5所述的叶轮，包括四个被截断的叶片和四个未被截断的叶片。

11.根据权利要求1所述的叶轮，还包括在叶轮和扩散器之间的增大的间隙。

12.根据权利要求11所述的叶轮，其中，所述增大的间隙的宽度在大约0.060英寸至大约0.180英寸之间。

13.根据权利要求1所述的叶轮，其中，叶轮构造成在大约8000到大约12000抽吸比速度下操作。

14.一种离心泵，所述离心泵包括：

扩散器内部的叶轮，所述叶轮包括顶侧和底侧，所述顶侧朝所述扩散器打开，并且其中所述叶轮还包括：

位于所述叶轮的底侧上并且径向地布置在毂周围的单个护罩；

基本上在所述单个护罩上游延伸的未被截断的叶片；和

基本上在所述单个护罩上游延伸的被截断的叶片；和

位于所述叶轮和所述扩散器之间的增大的间隙。

15.根据权利要求14所述的离心泵，其中，存在至少两个未被截断的叶片，并且其中所述被截断的叶片位于所述至少两个未被截断的叶片之间的中间节距部位。

16.根据权利要求15所述的离心泵，其中，存在三个未被截断的叶片和三个被截断的叶片，并且其中每一个被截断的叶片位于所述未被截断的叶片之间的中间节距部位。

17.根据权利要求14所述的离心泵，其中，所述增大的间隙的宽度在大约0.060英寸至大约0.180英寸之间。

18.根据权利要求14所述的离心泵，其中，所述被截断的叶片在所述未被截断的叶片的弦长的大约50%至大约75%之间。

19.根据权利要求14所述的离心泵，还包括直接位于所述毂的上游的衬套和带凸缘的套管。

20.根据权利要求14所述的离心泵，还包括直接位于所述毂的下游的衬套和带凸缘的套管。

21.根据权利要求14所述的离心泵，还包括：第一衬套和第一带凸缘的套管，其中所述第一衬套和所述第一带凸缘的套管直接位于所述毂的上游；和第二衬套和第二带凸缘的套管，其中所述第二衬套和第二带凸缘的套管直接位于所述毂的下游。

22.根据权利要求21所述的离心泵，其中，所述衬套和带凸缘的套管包括碳化钨。

23.一种用来泵送气态流体的方法，所述方法包括：

将离心泵布置到包含气态流体的井中；

操作所述泵以引起所述流体流向所述井的表面；

使所述流体的至少一部分流过叶轮和扩散器之间的增大的间隙；和

通过减小叶轮叶片的压力侧和抽吸侧之间的压力差，最小化所述流体的相分离。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，通过增大所述叶轮的入口区域来使所述压力差减小。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，通过用被截断的叶片替代所述叶轮叶片增大所述入口区域。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述叶轮包括至少两个未被截断的叶片，并且其中所述被截断的叶片被布置在从所述叶轮的底侧开始的、所述至少两个未被截断的叶片之间的中间节距部位。

27.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：借助直接位于所述叶轮上游的带凸缘的套管和衬套来承载所述离心泵上的轴向推力的至少一部分。

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