CN104769216B - 用于分离气体和油的电动潜水泵组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于钻井包括具有高气体‑液体比的钻井的电动潜水泵组件，其具有马达(12)、驱动泵(20)的中空的管状驱动轴(30)以及处于泵入口上游的液体‑气体分离器组件(32)。液体‑气体分离器具有与驱动轴的开口下端部连通的中空管状部分(34)、穿过其侧壁的开口(35)以及封闭的下端部。侧壁还包括至少一个向外延伸的突出部，该突出部成形为推压包含在液体/气体混合物中的液体远离侧壁开口而向外流向泵。优选地，向外延伸的突出部包括螺旋叶片(36)，该螺旋叶片利用钻井外壳或单独的护套限定了螺旋通道，油‑气体混合物在到达泵入口之前流过该螺旋通道。通道中的离心力使得油成分远离开口，并且使得气体成分穿过开口进入管状部分(34)，这样的气体可以经由驱动轴(30)通气到地面。

Description

用于分离气体和油的电动潜水泵组件

技术领域

本发明涉及用于将油从钻井的钻孔泵送到地面的电动潜水泵。

背景技术

在共同拥有的美国专利No.6,120,261中公开了已知的电动潜水泵组件的例子。该组件包括电动马达区段和泵区段。中空驱动轴的一个端部固定到马达的转子。驱动轴的另一个端部延伸到组件的泵部分中，以便转动容纳在泵壳体中的泵推进器。来自贮存器的油进入中空驱动轴，并且通过形成在轴中的一系列孔被抽入到泵壳体的下端部中。推进器将油向上泵送到泵壳体的上端部，在该上端部处，油被迫通过另一系列的孔回到中空轴中。驱动轴的上端部连接到管道，以便之后将油传送到地面。

虽然专利'261中描述的潜水泵类型广泛用于石油工业，但是这样的泵可能不适合用于具有高气体-油比的钻井，即具有的气体/油比超过大约60％自由气体的钻井。即使在60％处，可以仅仅通过泵安装额外的特定泵级来实现泵送，其中流体在该泵级处混合并准备用于主泵级。然而，在某些高气体-油比的钻井中，可能出现100％气体的不规则流动，甚至上述措施也可能是无效的。

当前，具有井口压力的高气体-油钻井可以在没有推进的情况下自由地流动到处理设备。当压力不足时，钻井将停止流动，并且在整个油田上出现产量损失。

表面水平多相泵是已知的解决方案，但是可能具有缺陷。这样的系统要求更新表面设施(管道线路、新的部位、电力等)，以安装所需的大型旋转设备。

发明内容

用于钻井的电动潜水泵组件包括泵、用于驱动泵的电动马达以及位于泵入口的上游的液体-气体分离器组件。由马达驱动并驱动泵的中空驱动轴延伸穿过马达和泵壳体，以提供延伸穿过两个壳体的中空通道。

液体-气体分离器组件具有中空管状部分，该中空管状部分的一个端部与驱动轴的开口下端部连通。管状部分包括具有开口的侧壁部分和封闭的下端部。至少一个向外延伸的突出部从侧壁向外延伸。这样的突出部或多个突出部的形状形成为用于推压容纳在液体/气体混合物中的液体，该液体流向泵，以流动离开开口，同时，这样的突出部或多个突出部的形状形成为用于使得容纳在液体/气体混合物中的气体通过开口而流入到管状部分的中空内部中。采用这样的方式，之后这样的气体可以从管状部分向外流过驱动轴内部并且通气到地面。

优选地，所述至少一个向外延伸的突出部包括螺旋叶片，该螺旋叶片绕所述分离器的管状部分螺旋形地延伸，以使得液体被抽向所述泵而沿螺旋形路径行进。另外，优选地，螺旋叶片固定到分离器的管状部分，并且所述管状部分联接到驱动轴，使得驱动轴在螺旋叶片不旋转的情况下旋转，并且管状部分随驱动轴一起旋转。

螺旋叶片的外边缘优选地紧密配合在钻井外壳中，或者被护套围绕。在任一种构造中，形成有螺旋通道，油/气体混合物在到达泵入口之前必须流过该螺旋通道。由于当混合物流过通道时存在离心力，所以油将保持远离侧壁中的开口，同时气体将受压而流过这些通道。

采用这样的方式，当混合物向上朝向泵流动时，油/气体混合物中的气体至少部分地被移除，并且到达泵入口的混合物主要是油，其中气体-油比足够低而能够用泵进行搬运。另外，因为螺旋通道可以具有任何长度，所以基本上所有的气体可以根据需要从混合物中移除。因此，本发明可以用于油井，包括具有高气体-油比的油井。

在一个优选的实施例中，静止的(即不旋转的)管件连接到驱动轴的上端部，并且延伸到钻井的表面，使得气体和液体分开地从钻井离开。

在本发明中，气体和液体的分离是在作为电动潜水泵的一部分的井下完成的。这将消除大型旋转设备的需要，并且消除执行表面多相泵所需的更新。其还将提高泵的效率，原因是泵主要推进液体而不是气体，并且防止气体蠕动到泵中。本发明为每个钻井提供定制的推进，以克服地面处的背压并伸出到生产设施之外。

附图说明

图1为根据本发明的具有泵组件的钻井孔以及相关的管件的侧剖视图；

图2为中空轴泵组件的放大侧视图；以及

图3示出了在进入下部泵入口部位之前的气体-液体分离级。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有井管10的钻井，该井管容纳具有高气体-油比的气体/油混合物。电动潜水泵组件(图2中详细示出了其各部分)包括电动马达12，该电动马达通过电缆14接收电力。电动马达包括定子16和转子18。

泵20包括泵壳体22和内部泵级24，该泵可以是美国专利No.6,120,261中描述的类型，该美国专利以引用方式并入本文。泵壳体22在其下端部处具有入口开口26，并且在其上端部处具有出口开口28。根据需要，入口开口26可以位于泵壳体22的端壁上，或者位于泵壳体22的侧壁部分上。泵的排放部位(出口开口28)位于泵级24的端部处(并且可以位于泵壳体的侧壁或上端部中)。

中空的管状驱动轴30具有上部部分和下部部分，该上部部分固定到转子18以便由转子驱动，该下部部分固定到泵级24以驱动泵20。驱动轴30具有开口的上端部和下端部，并且延伸穿过马达和泵壳体。

如图1所示，液体-气体分离器组件32包括中空管状部分34，该中空管状部分从驱动轴30的下端部向下延伸。管状部分34的上端部与驱动轴30的中空内部连通。管状部分34优选地通过轴承固定到驱动轴30，当驱动轴30旋转时，轴承允许管状部分34保持静止。穿过管状部分34的侧壁形成有多个端口或通气口35，以允许钻井中的气体流入到管状部分34的中空内部中。

组件32还包括突出构件，该突出构件从管状部分34向外延伸，以用于分离气体和油。在图1所示的实施例中，突出构件为螺旋叶片36的形式，该螺旋叶片绕管状部分34成螺旋形地延伸。叶片36的外边缘38紧密地固定到钻井外壳10，而螺旋叶片36的内边缘紧密地固定到管状部分34，由此在泵20下方形成螺旋通道40。因此，通过泵沿箭头42的方向向上抽出的油/气体混合物在到达泵20之前必须流过螺旋通道40。

壳体22外侧的泵相对于钻井外壳10固定在钻井孔中。封隔器44绕泵壳体22定位在泵壳体22和钻井外壳10之间，以便将泵入口开口26与泵出口开口28隔离。这样，流体不能够绕过泵，也不能够从泵出口回流到钻井中。分离器的中空管34经由密封轴承46连接到泵中空轴30，该密封轴承在允许管状部分34保持固定的同时允许泵中空轴30旋转。

泵和马达通过密封件50连接，驱动轴30延伸穿过该密封件。在马达12的上端部处，出口管件52经由密封轴承54连接到驱动轴30的上端部，该密封轴承在上部气体通气管件52经由吊架固定在井口处的同时允许马达轴30旋转。

在操作中，气体/油混合物沿着箭头42的方向朝向泵20被向上抽出。在遇到液体/气体分离器组件时，混合物就朝向泵20被迫跟随通道40的螺旋路径。作用在混合物上的向外离心力使得较重的元素(油)朝向螺旋通道40的外侧运动，即朝向钻井外壳10运动，继而使得较轻的成分(气体)向内朝向管状部分34运动。由于加压，而使得气体从螺旋通道40通过通气口35流入到管状部分34的内部中。一旦处于管状部分34中，气体就自由地向上流动，穿过中空驱动轴30，穿过出口管件52，之后从钻井流出。

当混合物中的油成分流向泵入口开口26时，流过螺旋通道40时产生的离心力将油成分保持与通气口35分离。一旦脱离螺旋通道40，油就通过入口开口26被抽入到泵20中，并且在泵壳体22的上端部处通过出口开口28排出。然后，流体在马达壳体12和钻井外壳10/通气管件52之间的环面中向上流动，并且流出钻井。在井口处，油和气体的两股流体流可以通过分开的管件52、56传送，或者在主生产干线中例如利用喷射泵重新组合。在钻井生产仅仅间歇地是气体/油混合物时，气体/液体分离器组件的端部可以装备有安全阀，当过量的液体通过通气口35进入分离器的中空管状部分34时，该安全阀打开。

当系统安装在钻井中时，设定点在钻井中应当尽可能地深，以确保避免流体的起泡点的深度而保持气体体积最小，并且由此确保气体成分与生产流体完全分离。在经历高气体-油比或者在泵深度处发生某些气体突破的情形下，该系统用于从生产中分离相关的自由流动的气体，而不是通过钻井口中的压降来分离。

在图3所示的可供选择的实施例中，不采用将螺旋叶片36的外边缘靠着钻井外壳10紧密配合，叶片36由护套60围绕，该护套继而配合在外壳10中。护套60和叶片36组合以形成螺旋通道40，油/气体混合物在到达泵入口开口26之前必须行进通过该螺旋通道。另外，根据需要，作为封隔器44的替代形式，护套60的上端部可以包括处于护套60和驱动轴30之间的封隔器62。

以上的描述代表本发明的优选实施例。在不脱离本文公开的本发明的原理的情况下，各种变型和修改对于本领域技术人员而言是明显的。所有这样的修改和变型将处于以下的权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于钻井的电动潜水泵组件，其包括：

电动马达；

泵，所述泵具有入口和出口；

驱动轴，所述驱动轴被构造成用以由所述马达驱动，并且驱动所述泵，所述驱动轴具有中心轴线、中空内部以及开口的上轴端部和下轴端部；

液体-气体分离器组件，所述液体-气体分离器组件具有管状部分，所述管状部分具有与所述驱动轴的开口的下轴端部连通的中空内部；其中所述管状部分包括侧壁部分，所述侧壁部分具有贯穿的开口，并且所述管状部分包括封闭的下端部；并且其中所述侧壁部分包括至少一个向外延伸的突出部，所述突出部的形状形成为用于推压包含在液体/气体混合物中的液体，所述液体远离所述侧壁部分的开口而朝向所述泵入口流动，并且所述突出部的形状形成为用于使得包含在液体/气体混合物中的气体流过所述侧壁部分的开口而流入到所述管状部分的中空内部中，其中这样的气体能够接下来从所述管状部分向外流动而流过所述驱动轴的内部，其中所述至少一个向外延伸的突出部包括至少一个叶片，所述至少一个叶片绕所述侧壁部分成螺旋形地缠绕至少若干圈，以使得液体和气体被抽向所述泵而沿螺旋形路径行进，其中所述侧壁部分的开口在所述至少若干圈之间定位在侧壁上，使得在液体到达泵入口之前液体与气体分离，并且其中所述至少一个叶片固定到所述侧壁部分；以及

用于将所述管状部分联接到所述驱动轴以使得所述驱动轴在不转动所述管状部分的情况下旋转的轴承。

2.根据权利要求1所述的电动潜水泵组件，其用于钻井外壳，其中所述叶片具有外边缘和内边缘，所述外边缘的尺寸形成为用以紧密地配合在所述钻井外壳中，所述内边缘绕所述侧壁部分紧密地配合，其中所述叶片和管状部分当安装在所述钻井外壳中时形成螺旋通道，钻井中的气体和油在到达所述泵入口之前必须流过所述螺旋通道。

3.根据权利要求1所述的电动潜水泵组件，其中所述叶片具有绕所述侧壁部分紧密地配合的内边缘，并且其中所述液体-气体分离器组件还包括中空的圆柱形护套，所述护套围绕所述叶片的外侧边缘，使得所述叶片、护套和侧壁部分形成螺旋通道，钻井中的气体和油在到达所述泵入口之前必须流过所述螺旋通道。

4.根据权利要求1所述的电动潜水泵组件，其还包括静止的管件，所述管件连接以与所述驱动轴的上轴端部连通，所述管件从所述马达延伸到钻井之外，使得气体和液体从钻井分开地离开。

5.根据权利要求1所述的电动潜水泵组件，其中所述电动马达位于所述泵的下游，所述轴延伸穿过马达的壳体和泵的壳体，以提供穿过所述壳体的中空通道，并且所述管状部分具有上端部，所述上端部通过所述轴承固定到所述驱动轴的所述下轴端部。

6.一种用于钻井的电动潜水泵组件，其包括：

泵，所述泵具有入口和出口；

电动马达，所述电动马达与所述泵相邻地定位；

中空的驱动轴，所述驱动轴用于驱动所述泵并且由所述电动马达驱动，所述驱动轴具有中心轴线、中空内部以及开口的上轴端部和下轴端部；以及

液体-气体分离器组件，所述液体-气体分离器组件具有管状部分，所述管状部分具有与所述驱动轴的开口的下轴端部连通的中空内部；其中所述管状部分包括侧壁部分，所述侧壁部分具有贯穿的开口，以允许钻井中的气体流入到所述管状部分的中空内部中，并且所述管状部分包括封闭的下端部；并且其中所述侧壁部分包括至少一个向外延伸的突出部，所述突出部的形状形成为用于推压包含在液体/气体混合物中的液体，所述液体远离所述侧壁部分的开口而朝向所述泵入口流动，并且所述突出部的形状形成为用于使得包含在液体/气体混合物中的气体流过所述侧壁部分的开口而流入到所述管状部分的中空内部中，其中所述气体接下来从所述管状部分向外流动以流过所述驱动轴的开口的下轴端部而流入所述驱动轴的内部，其中所述至少一个向外延伸的突出部包括单个叶片，所述单个叶片绕所述侧壁部分成螺旋形地缠绕以形成至少若干圈，以使得液体和气体被抽向所述泵而沿螺旋形路径行进，其中所述侧壁部分的开口在所述至少若干圈之间定位在侧壁上，使得在液体到达泵入口之前液体与气体分离。

7.根据权利要求6所述的电动潜水泵组件，其中所述轴延伸穿过所述马达的壳体和泵的壳体，以提供穿过所述马达的壳体和泵的壳体的中空通道。

8.根据权利要求6所述的电动潜水泵组件，其用于钻井外壳，其中所述叶片具有外边缘和内边缘，所述外边缘的尺寸形成为用以紧密地配合在所述钻井外壳中，所述内边缘绕所述侧壁部分紧密地配合，其中所述叶片和管状部分当安装在所述钻井外壳中时形成螺旋通道，钻井中的气体和油在到达所述泵入口之前必须流过所述螺旋通道。

9.根据权利要求6所述的电动潜水泵组件，其中所述叶片具有绕所述侧壁部分紧密地配合的内边缘，并且其中所述液体-气体分离器组件还包括中空的圆柱形护套，所述护套围绕所述叶片的外侧边缘，使得所述叶片、护套和侧壁部分形成螺旋通道，钻井中的气体和油在到达所述泵入口之前必须流过所述螺旋通道。

10.根据权利要求6所述的电动潜水泵组件，其还包括静止的管件，所述管件连接以与所述驱动轴的上轴端部连通，所述管件从所述马达延伸到钻井之外，使得气体和液体从钻井分开地离开。