CN107624140B - 用于井眼应用的等壁摆线泵 - Google Patents

Abstract

摆线泵的一个示例包括内转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转。摆线泵还包括中空外转子，所述中空外转子包括具有大致相同轮廓的外表面和内表面，内表面被构造成与多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线旋转。泵包括泵壳体，内转子和外转子设置在所述泵壳体中，其中外转子的外表面限定泵壳体与外转子之间的间隙。

Description

用于井眼应用的等壁摆线泵

技术领域

本公开涉及泵送流体，例如，流动通过井筒的流体。

背景技术

在许多井眼应用中，泵用于输送诸如油气、泥浆、冷却剂、水、或其它流体的流体。例如，泵可以提供人工升举以将来自地下区域的流体输送到地面。在一些情况下，容积泵用于提供人工升举。例如，诸如螺杆泵(PCP)的容积泵类型可以用于输送流体。

发明内容

本公开描述了使用摆线泵泵送流体。例如，摆线泵可以用于在井限环境中泵送流体。

在一些方面中，摆线泵包括内转子和中空外转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转，所述中空外转子包括具有大致相同的轮廓的外表面和内表面，所述内表面被构造成与多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线旋转。

这方面及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。外转子可以包括在外表面与内表面之间的壁，其中所述壁的沿着外转子的圆周的厚度大致相等。泵可以包括泵壳体，内转子和外转子设置在所述泵壳体内，其中外转子的外表面限定泵壳体与外转子之间的间隙。泵壳体可以是中空泵壳体。泵壳体可以包括被构造成使流体流入的入口端和被构造成使流体流出的出口端。泵壳体与外转子之间的间隙可以被构造成允许流体流动通过。流体可以是井筒流体。内表面可以限定多个齿，其中由内表面限定的齿的数量大于包括在内转子中的齿的数量。内转子可以限定四个齿，而内表面可以限定五个齿。内表面和外表面可以具有五角星形状。壳体可以大致是圆形的。内转子可以具有螺旋形形状。内转子和外转子可以由金属制成。泵可以包括设置在内转子的外表面上的弹性体层，当多个齿与内表面接合时，所述弹性体层接触外转子的内表面。

在一些方面中，摆线泵包括内转子和包围内转子的中空外转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转，所述外转子包括在外表面与内表面之间的壁。内表面被构造成与多个齿接合，并且绕着第二纵向摆线泵轴线旋转，其中所述壁的沿着外转子的圆周的厚度大致相等。

这方面及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。外表面和内表面可以具有大致相同的轮廓。泵可以包括泵壳体，内转子和外转子设置在所述泵壳体内，其中外转子的外表面限定泵壳体与外转子之间的间隙。泵壳体可以是中空泵壳体。泵壳体可以包括被构造成使流体流入的入口端和被构造成使流体流出的出口端。泵壳体与外转子之间的间隙可以被构造成允许流体流动通过。流体可以是井筒流体。

在一些方面中，摆线泵包括内转子和中空外转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转，所述中空外转子包括壁，所述转子被构造成与多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线旋转。摆线泵还包括泵壳体，内转子和外转子设置在所述泵壳体内，其中外转子的外表面限定泵壳体与外转子之间的多个间隙。

这方面及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。壁可以包括具有大致相同的轮廓的内表面和外表面。壁沿着外转子的圆周的厚度可以大致相等。泵壳体可以包括被构造成使流体流入的入口端和被构造成使流体流出出口端。泵壳体与外转子之间的间隙可以被构造成允许流体流动通过。流体可以是井筒流体。

在一些方面中，一种方法包括以下步骤：将摆线泵定位在井筒中。摆线泵包括内转子和中空外转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转，所述中空外转子包括具有大致相同的轮廓的外表面和内表面。内表面被构造成与多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线旋转。所述方法还包括以下步骤：使用摆线泵将井筒流体泵送通过井筒。

这方面及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。摆线泵可以包括泵壳体，内转子和外转子设置在所述泵壳体内，其中外转子的外表面限定泵壳体与外转子之间的间隙。所述方法可以包括以下步骤：使流体流动通过间隙。流体可以包括井筒流体。流体可以包括冷却流体。冷却流体在间隙中的流动方向可以与井筒流体通过泵的流动方向相同或相反。将摆线泵定位在井筒内的步骤可以包括在井下将摆线泵定位在井筒内部。将摆线泵定位在井筒内的步骤可以包括将摆线泵定位在井筒的地面处。摆线泵可以是第一摆线泵。所述方法可以包括以下步骤：定位与第一摆线泵串联的第二摆线泵。

在一些方面中，摆线泵包括内转子和中空外转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转，所述中空外转子包括外表面和内表面，所述内表面被构造成与多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线旋转。摆线泵还包括泵壳体，内转子和外转子设置在所述泵壳体内，其中外转子的外表面的至少一部分限定泵壳体与外转子之间的间隙。

这方面及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。外转子可以包括在外表面与内表面之间的壁，其中所述壁的沿着外转子的圆周的厚度大致相等。外表面的轮廓可以与内表面的轮廓大致相同。泵壳体可以是中空泵壳体。泵壳体可以包括被构造成使流体流入的入口端和被构造成使流体流出的出口端。泵壳体与外转子之间的间隙可以被构造成允许流体流动通过。内表面可以限定多个齿，其中由内表面限定的齿的数量大于包括在内转子中的齿的数量。内转子可以限定四个齿，而内表面可以限定五个齿。内表面和外表面可以具有五角星形状。壳体可以是大致圆形。内转子可以具有螺旋形形状。内转子和外转子可以由金属制成。摆线泵可以包括设置在内转子的外表面上的弹性体层，当多个齿与内表面接合时，所述弹性体层接触外转子的内表面。

在一些方面中，摆线泵包括内转子和中空外转子，所述内转子包括多个齿，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线旋转，所述中空外转子包括外表面和内表面。内表面被构造成与多个齿接合，并且绕着第二纵向摆线泵轴线旋转。弹性体层设置在内转子的外表面上，当多个齿与内表面接合时，弹性体层接触外转子的内表面。

这方面及其它方面可以包括以下特征中的一个或多个。外转子的外表面和外转子的内表面可以具有大致相同的轮廓。

在以下附图和描述中阐述了本公开所述的主题的一个或多个实施方式的细节。主题的其它特征、方面和优点将从所述描述、附图和权利要求变得清楚。

附图说明

图1是示例性摆线泵的第一实施方案的横截面的示意图；

图2是示例性摆线泵的第二实施方案的横截面的示意图；

图3是示例性摆线泵系统的示意图；

图4是示例性多级摆线泵系统的示意图；

图5是图示了示例性井眼系统的图；

图6是示例性摆线泵的第三实施方案的横截面的示意图；

图7是图示使用图6的摆线泵实施的冷却处理的示意图；

图8是图示了使冷却流体流动通过图6的摆线泵的循环系统的示意图；以及

图9是图示了图6的摆线泵的实施方案的示意图，其中电潜泵在井筒中。

在各个附图中相同的附图标记和指示表示相同的元件。

具体实施方式

本公开涉及泵送流体，例如，流动通过井筒的流体。本公开的应用范围涉及用于在油汽应用中的泵和压缩机的流体处理系统。例如，本公开涉及使用容积泵的井下人工升举和地面开采升压。

在一些井眼应用中，泵用于输送诸如油气、泥浆、冷却剂、水或其它流体的流体。例如，泵可以用于将来自地下区域的流体输送到地面。一种这样的泵是电潜泵(ESP)。ESP是可以非常有效地处理液体的离心泵。然而，在气体的情况下，ESP的性能下降得非常快。其它类型的泵包括螺杆泵(PCP)和双螺杆泵(TSP)。PCP和TSP是可以处理具有较高气体体积分数的多相混合物的容积泵。然而，PCP和TSP通常在较低转速(例如，小于1000RPM)下操作。因此，可能需要齿轮箱以通过井下马达驱动这类泵。另外，PCP和TSP的设计和制造可能是复杂且高成本的。在一些情况下，PCP和TSP通过钻杆管柱在地面上由原动机驱动。该结构可能会限制在泵设定深度、井筒狗腿严重度、和整个井筒偏差方面的应用。

本公开描述了一种可以用于油气开采操作的井下人工升举或地面压力升压的摆线泵设计。摆线泵通常包括设置在外转子内的内转子，所述外转子本身设置在壳体内。外转子比内转子多至少一个齿，并且使其纵向中心轴线相对于内转子的纵向中心轴线以固定偏移量定位。在转子绕着其各自的纵向轴线旋转时，流体被吸入到内转子与外转子之间的区域中。在旋转持续时，所述区域的容积减小，从而迫使流体从该区域中出来。通常，外转子的外表面具有与壳体的内表面的形状相同的形状，并且外转子的外表面与壳体的内表面齐平。

这里所述的摆线泵包括外转子，所述外转子具有围绕外转子的圆周或横截面的大致相等厚度的壁。等壁外转子提供外转子与泵壳体之间的空间(例如，一个或多个间隙)。除了内转子与外转子之间的空间内的有源或无源流体通道之外，该空间可以用于有源或无源流体通道。在一些实施方案中，所述空间内的流体可以与位于外转子内的泵送流体隔离。例如，该空间中的流体可以用于提高热传递或用于其它操作目的。在一些实施方案中，泵可以包括串联的一个或多个级以提供期望的压力容量。在一些实施方案中，由于用弹性体涂布内转子表面，因此可在内转子与外转子之间实现弹性体金属密封。所公开的摆线泵设计可以用于增加单相流体或多相流体混合物的压力。此外，所公开的系统可以用于在井下或在地面上多相泵送或湿气压缩。

与其它类型的泵相比较，摆线泵部件可以更加简单地进行质量制造。例如，可以在不需要铸造过程的情况下制造摆线泵。摆线泵可以具有相对简单的二维几何形状，这使得所述摆线泵可以例如使用二维加工更加容易地制造。在一些情况下，可以利用具有50-60HzAC的传统的电动机操作摆线泵，这可以消除对齿轮减速或同步齿轮的需要。另外，与诸如PCP或TSP的其它容积式机器相比较，摆线泵可以更加紧凑和有效。

如上所述，等壁外转子允许在外转子与泵壳体之间提供空间。这可以使材料、重量、和摩擦力减小。此外，等壁外转子可以允许在泵送和压缩期间热量管理的流体循环的能力，并且还可以提高热传递。在高气体体积分数流体的情况下，泵送或压缩期间的热生成可以能是设计问题。所公开的泵可以提供更加有效的热传递以提高泵送效率和可靠性。在一些情况下，可能需要冷却以增加泵运行寿命并满足材料规格。所公开的摆线泵可以提供泵送/压缩流体的冷却，所述冷却还可以降低能量消耗。

所公开的摆线泵可以用于诸如井眼应用、油气开采应用、飞行器应用、汽车应用、制造应用、液压应用及其它工业应用的应用。摆线泵可以用于输送诸如润滑剂、油气、井筒流体、燃料、冷却流体、水、或在这些或其它应用中的其它流体的流体、摆线泵可以用于炼油厂、水处理设备、用于采矿应用(例如，采煤或其它采矿作业)的除水操作、和其它应用中。

图1是示例性摆线泵100的第一实施方案的横截面的示意图。摆线泵100包括设置在示例性中空外转子106内的示例性内转子102。内转子102和外转子106两个都设置在中空泵壳体112内。内转子102包括多个齿104a-d。在一些情况下，内转子102具有类似于锯齿状齿轮的形状。内转子102被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线150旋转。示例性内转子102包括四个齿104a-d，但是在其它实施方案中，内转子102可以包括不同数量的齿，例如，五个齿、十个齿、或其它数量的齿。

示例性外转子106被构造成绕着第二纵向摆线泵轴线160旋转。第二纵向轴线160与第一摆线泵轴线150偏离并平行于第一摆线泵轴线150。示例性外转子106包括外表面108和内表面110。内表面110被构造成接合内转子102的齿104a-d。在一些实施方案中，外表面108和内表面110具有大致相同的轮廓。例如，外表面108与内表面110的横截面形状之间的偏差小于或等于10％。外转子106包括在外表面108与内表面110之间的壁107。因为外表面108和内表面110具有大致相同的轮廓，因此，壁107的沿着外转子106的圆周的厚度大致相等。

外转子106的内表面110限定多个齿105a-e。示例性外转子106包括五个齿105a-e，但是在其它的实施方案中，外转子106可以包括不同数量的齿，例如，四个齿、十个齿、或其它数量的齿。由内表面110限定的齿105a-e的数量包括在内转子102中的齿104a-e的数量。例如，在图1中，内转子102限定四个齿104a-d，而内表面110限定五个齿105a-e。在操作期间，内转子102的齿(例如，齿104c)接合外转子106的两个齿(例如，齿105c和105d)之间的间隙以使外转子106与内转子102一起旋转。如之前所述，外转子106和内转子102的旋转输送内转子102与外转子106的内表面110之间的空间内的流体。例如，摆线泵100可以位于井下并用于将井筒流体泵送到地面。

在一些实施方案中，内转子102、内表面110、或外表面108(或其任意组合)具有为星状形状的横截面。例如，在图1中，内转子102具有四角星横截面形状，而内表面110和外表面108具有五角星横截面形状。在一些实施方案中，内转子102、内表面110、或外表面108(或其任意组合)具有平滑、对称、不规则或其它形状的横截面形状。内转子102、内表面110、或外表面108(或其任意组合)可以具有为螺旋形、圆锥形、倾斜、平滑、不规则或其它形状的纵向形状。内转子102和外转子106可以由塑料、复合材料，金属(例如，钢、铝、或其它金属)、或其它材料制成。在一些实施方案中，内转子102和外转子106两者都是金属，这在操作中产生滑动的金属对金属密封。

示例性摆线泵100包括示例性中空泵壳体112，内转子102和外转子106设置在所述中空泵壳体112内。外转子106的外表面108可以限定泵壳体112与外转子106之间的间隙114a-e。由于具有大致相同形状的内表面110和外表面108，因此产生示例性间隙114a-e。泵壳体112可以是与图1中相同的大致圆形，或者具有其它形状。示例性摆线泵100包括五个间隙114a-e，但是在其它实施方案中，摆线泵100可以包括其它数量的间隙，例如，四个间隙、五个间隙、十个间隙、或其它数量的间隙。在一些实施方案中，一个或多个间隙具有与另一个间隙不同的尺寸或不同的形状。在一些实施方案中，间隙限定在摆线泵100的一些部分中，而不是在其它部分中。例如，外转子106的一些部分可以被成形以限定外转子106与泵壳体112之间的间隙，而外转子106的其它部分与泵壳体112齐平，使得没有限定间隙。在一些实施方案中，间隙限定在泵壳体112与外转子106之间，并且壁107没有大致相等的厚度。

在一些实施方案中，外转子106不接触泵壳体112或不在泵壳体112上滑动。泵壳体112与外转子106之间的间隙114a-e可以被构造成允许流体被容纳在间隙114a-e中或流动通过间隙114a-e(或被容纳在间隙114a-e中并流动通过间隙114a-e)。流体可以例如是润滑流体、井筒流体、冷却流体、水、泥浆、油气、或其它流体。例如，外转子106与壳体112之间的间隙114a-e中的润滑流体可以降低摩擦。这种摩擦减小可以提高泵送系统的能效。例如，对于位于井下以泵送井筒流体的摆线泵100来说，间隙114a-e中的润滑流体可以减少泵100的磨损并增加泵100的寿命。在一些情况下，外转子106与壳体112之间的间隙114a-e中的流体(例如，冷却流体)可以增强热传递。例如，对于位于井下以泵送井筒流体的摆线泵100来说，间隙114a-e中的冷却流体可以减小由于热量产生的影响并降低泵100的能量消耗。

图2是示例性摆线泵200的第二实施方案的横截面的示意图。示例性摆线泵200与摆线泵100基本上类似。摆线泵200包括设置在内转子102的外表面上的弹性体层202。在一些实施方案中，弹性体层202提供内转子102的外表面与外转子106的内表面110之间的金属对弹性体密封。在一些情况下，弹性体层202可以通过将由弹性体、橡胶、聚合体、或其它材料形成的层结合到内转子102的外表面上而形成。例如，弹性体层202可以是氟橡胶、EPDM、高饱和腈(HSN)、Aflas、或其它弹性体。在一些实施方案中，弹性体被结合到内转子202的外表面的一些部分，而不是结合到内转子202的外表面的其它部分。在一些实施方案中，弹性体层202是大致均匀的层，而在一些实施方案中，弹性体层202具有不同厚度的部分。在一些实施方案中，当齿104a-d与内表面110接合时，弹性体层202可以接触外转子的内表面110。

图3是示例性摆线泵系统300的示意图。泵系统300可以包括一个或多个诸如摆线泵100或摆线泵200的摆线泵。示例性泵系统300包括被构造成使流体流入(由入口流306所示)的入口端304和被构造成使流体流出(由出口流308所示)的出口端302。在一些实施方案中，入口端304或出口端302(或两者)被包括在摆线泵100中。例如，入口端304或出口端302(或两者)可以是泵壳体112的一部分。泵系统300可以将第一流体接收到入口端304中并将第一流体从出口端302泵送出来。在一些实施方案中，第一摆线泵的入口端或出口端可以分别连接到第二摆线泵的出口端或入口端。泵系统300可以用在井眼环境中。例如，泵系统300可以在入口端304中容纳井筒流体并将井筒流体从出口端302泵送出来。依此方式，泵系统300可以用于例如将来自于地下区域的流体输送到地面。

在一些实施方案中，第二流体被构造成在摆线泵100中的间隙(例如，间隙114a-e)内流动。在图3中，由间隙流310显示了第二流体的示例性流动。在一些实施方案中，间隙中的第二流体的流动方向310与第一流体通过泵的流动方向306、308相同或相反。外转子与泵壳体之间的间隙中的流体通道可以是无源或有源的，与被泵送流体方向相同或相反，以用于增强热传递(例如，冷却或加热)、用于其它操作目的(例如，当泵不可操作时的井天然开采、化学喷射、或其它操作目的。)。在一些实施方案中，第二流体具有与第一流体相同的组分或不同的组分。在一些实施方案中，第二流体是冷却流体、井筒流体、或其它流体。

图4是示例性多级摆线泵系统400的示意图。示例性泵系统400包括串联定位以泵送流体的一个或多个泵级402a-d。例如，流体可以进入泵系统400(显示为入口流404)并通过级402a-d被泵送到出口(显示为出口流406)。图4所示的示例性泵系统400具有四个级402a-d，但是在其它实施方案中，可以使用或多或少的泵级(例如，一级、两级、四级、十级、或其它数量的级。)。在一些实施方案中，一个或多个级402a-d是一个或多个诸如摆线泵100或摆线泵200的摆线泵。在一些实施方案中，一个或多个级402a-d是一个或多个诸如泵系统300的泵系统。级402a-d可以是相同的或具有不同的特性。在一些实施方案中，多个级402a-d可以串联连接以实现一个或多个期望的差压。例如，一级的出口可以联接到相邻级的入口或一级的入口，并且联接到相邻级的出口(或两者)。串联的多个级可以减小滑移并允许泵系统400克服高压工作。在一些实施方案中，第二流体被构造成在泵级402a-d中的间隙(例如，摆线泵100或摆线泵200中的间隙114a-e)内流动。第二流体可以以间隙流408在多个级402a-d之间流动。间隙中的流体通道可以是无源的或有源的，或者与泵送流体方向相同或相反。泵系统400可以用于井眼环境中，例如，将来自地下的井筒流体泵送到地面。多个级402a-d可以被构造成提供适用于井眼应用的泵送特性，例如，期望的流速、期望的差压、或其它泵送特性。

图5是图示了示例性井眼系统500的图。示例性系统500包括在地下地面502的井筒510。在一些实施方案中，井筒510通过套管512被下套管。井筒510可以包括水平、垂直、弯曲、或倾斜段(或其任意组合)的任意组合。井眼系统500包括存在于井筒510中的示例性操作管柱516。操作管柱516终止于地面502上方。操作管柱516可以包括由连接管或挠性管(或两者)形成的管状导管，所述连接管或挠性管被构造成将材料输送到井筒510中或输送出井筒510(或两者)。操作管柱516可以将流体518流通给井筒510的一部分中或使流体518流通通过井筒510的一部分。在一些实施方案中，管道522将流体518流通给操作管柱516。在一些实施方案中，井眼系统500包括多个井筒和多个操作管柱。

套管512可以包括在地下区域中的射孔514，并且流体518可以通过射孔514流入到地层506中。流体518可以用于从地层506开采油气。此外，资源(例如，油、气体或其它)和其它材料(例如，砂、水、或其它)可以被从地层506取出。井眼系统500可以开采地下地层506中的油气的至少一部分。套管512或操作管柱516可以包括在图中未示出的许多其它系统和工具。

类似于本公开中所述的摆线泵或泵系统的摆线泵或泵系统可以包括在井眼系统500中。例如，摆线泵可以被构造成将流体(例如，流体518)泵送到井筒510中，将流体从井筒510泵送出来，或者将流体泵送通过井筒510。摆线泵可以位于井筒510的地面502处，或者在井下位于井筒510内部。摆线泵可以连接到诸如管道522、操作管柱516或其它部件的部件。对于一些井下应用来说，摆线泵可以由地面电动机经由钻杆或井下潜式电动机(例如，电潜摆线泵)驱动。井眼系统500是一个示例；诸如这里公开的摆线泵或泵系统的摆线泵或泵系统可以用于其它井眼系统中和其它井眼系统应用中。

摆线泵的一个这种应用是结合电潜泵(ESP)的油田应用。在井下安装在井筒中的ESP提供人工升举以将井液从井下升举到地面。可选地，或另外，ESP被用在地面上以将流体从井位输送到其他设备或设施以用于进一步处理。ESP可以包括例如传感器接头、电动机、保护装置(或密封部分)、和离心泵。泵部分包括彼此叠置的旋转推进器和静态扩散装置以提供多级系统，所述多级系统产生具体的ESP应用所需的压力头或压力增压。在高气体含量的井液的开采期间，ESP性能由于高体积气体的存在而降低。将摆线压缩机(例如，本公开所述的摆线泵)安装在泵的上游可以在气体混合物进入开采泵之前压缩气体混合物，从而增强泵性能。

在流体是气体或包括气体的实施方案中，例如，在具有相对较小量的液体的高气体体积分数中，在地面上或井下(或两者)将气体压缩到较小体积是有益的。在泵连接到压缩机的下游的井下应用在地面应用的情况下，压缩气体确保流体可以流动通过泵，且不会破坏泵性能。另外，在地面上，压缩机可以是操作以减小被存储或输送到不同设备的气体体积的独立装置。

压缩具有高气体含量的流体可能会导致热量产生，从而使流体温度增加。温度的这种增加表示系统中的能量损失。除非过量热量被移除，否则可能会出现导致设备失效并且随后更高的操作成本的过热。当在等温或近似等温下实施压缩时，可以最小化能量损失，并且提高系统效率。对于受到压缩的气体来说，压力下的区域与体积曲线表示对气体进行了大量操作以实现压缩。通常，大多数气体压缩是绝热的。对于相同的体积压缩率来说，对于绝热和等温压缩的压力下的区域与体积曲线的比较显示前一个区域大于后一个区域，这表示与等温压缩相比较，绝热压缩需要更多的操作/能量。

图6是示例性摆线泵600的第三实施方案的横截面的示意图，所述摆线泵600可以在油田应用中作为压缩机被实施。在气体压缩机用于开采高气体含量流体的情况下，摆线泵600可以作为等壁被实施。如随后所述，冷却流体可以在摆线泵600的外转子606的外表面与中空泵壳体612的内表面之间的间隙中循环，并进一步循环到外转子606的内表面与内转子602的外表面之间的腔室616中。冷却流体降低正在被压缩的湿气的温度，从而产生等温或近似等温压缩并提高摆线泵600的压缩效率。

示例性摆线泵600大致类似于摆线泵100。类似于之前所述的摆线泵100，摆线泵600包括设置在示例性中空外转子606内的示例性内转子602。内转子602和外转子606两者都设置在中空泵壳体612内。内转子602包括多个齿604a-d。在一些情况下，内转子602具有类似于锯齿状齿轮的形状。内转子602被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线650旋转。示例性内转子602包括四个齿604a-d，但是在其它实施方案中，内转子602可以包括不同数量的齿，例如，五个齿、十个齿或其它数量的齿。

示例性外转子606被构造成绕着第二纵向摆线泵轴线660旋转。第二纵向轴线660与第一摆线泵轴线650偏离并平行于第一摆线泵轴线650。示例性外转子606包括外表面608和内表面610。内表面610被构造成接合内转子602的齿604a-d。在一些实施方案中，外表面608和内表面610具有大致相同的轮廓。外转子606包括在外表面608和内表面610之间的壁607。因为外表面608和内表面610具有大致相同的轮廓，因此壁607的沿着外转子606的圆周的厚度大致相等。

外转子606的内表面610限定多个齿605a-e。示例性外转子606包括五个齿605a-e，但是在其它实施方案中，外转子606可以包括不同数量的齿，例如，四个齿、十个齿或其它数量的齿。由内表面610限定的齿605a-e的数量大于包括在转子602中的齿604a-e的数量。例如，在图6中，内转子602限定四个齿604a-d，而内表面610限定五个齿605a-e。在操作期间，内转子602的齿(例如，齿604c)接合外转子606的两个齿(例如，齿605c和605d)之间的间隙以使外转子606与内转子602一起旋转。如先前所述的，外转子606和内转子602的旋转输送内转子602与外转子606的内表面610之间的空间内的流体。例如，摆线泵600可以位于井下并用于朝向地面泵送井筒流体。

在一些实施方案中，内转子602、内表面610、或外表面608具有为星状的横截面。例如，在图6中，内转子602具有四角星横截面形状，而内表面610和外表面608具有五角星横截面形状。在一些实施方案中，内转子602、内表面610、或外表面608具有平滑、对称、不规则或其它形状的横截面形状。内转子602、内表面610、或外表面608可以具有螺旋形、圆锥形、倾斜、平滑、不规则或其它形状的纵向形状。内转子602和外转子606可以由塑料、复合材料、金属(例如，钢、铝、或其它金属)、或其它材料制成。在一些实施方案中，内转子602和外转子606两者都是金属，这在操作中产生滑动的金属对金属密封。

摆线泵600包括中空泵送壳体612，内转子602和外转子606设置在所述中空泵送壳体612内。外转子606的外表面608可以限定泵送壳体612与外转子606之间的间隙614a-e。由于内表面610和外表面608具有大致相同的形状，因此产生示例性间隙614a-e。泵壳体612可以是如图6中的大致圆形，或具有其它形状。示例性摆线泵600包括五个间隙614a-e，但是在其它实施方案中，摆线泵600可以包括其它数量的间隙，例如，四个间隙、五个间隙、十个间隙、或其它数量的间隙。在一些实施方案中，一个或多个间隙具有与另一个间隙不同的尺寸或不同的形状。在一些实施方案中，间隙限定在摆线泵600的一些部分中，而不是在其它部分中。例如，外转子606的一些部分可以被成形以限定外转子606与泵壳体612之间的间隙，而外转子606的其它部分与泵壳体612齐平，使得没有限定间隙。在一些实施方案中，间隙限定在泵壳体612与外转子606之间，并且壁607没有大致相等的厚度。

在一些实施方案中，外转子606不接触泵送壳体612，并且不会抵靠泵送壳体612滑动。泵送壳体612与外转子606之间的间隙614a-e可以被构造成允许流体被容纳在间隙614a-e内或流动通过间隙614a-e或者被容纳在间隙614a-e内并流动通过间隙614a-e。流体可以例如是润滑流体、井筒流体、冷却流体、水、泥浆、油气、或其它流体。例如，在外转子606与壳体612之间的间隙614a-e中的流体(例如，冷却流体)可以增强热传递。例如，对于位于井下以泵送井筒流体的摆线泵600来说，间隙614a-e中的冷却流体可以减小由于热量产生的影响并减小泵600的能量消耗。

在一些实施方案中，流动通过间隙614a-e的冷却流体可以流入到腔室616中，即，外转子606的内表面与内转子602的外壁之间的空间。为此，摆线泵600可以包括多个流体喷射喷嘴，例如，第一流体喷射喷嘴618a、第二流体喷射喷嘴618b、第三流体喷射喷嘴618c、第四流体喷射喷嘴618d、第五流体喷射喷嘴618e或更多或更少的流体喷射喷嘴。每一个喷嘴都可以位于外转子602的齿的中心处或所述中心附近。例如，外转子602可以包括五个齿，即，605a-e。每一个齿都可以包括两个端部和中心部，其中每一个端部都远离外转子602的中心弯曲，而所述中心部连接两个端部并且朝向外转子602的中心向内弯曲。每一个喷嘴都可以安装在每一个齿的中心部处或所述中心部附近。喷嘴出口的表面面积的总和被选择成小于外转子606的内表面面积以最小化压缩损失。可选地或另外，每一个喷嘴都可以位于外转子606中，使得每一个喷嘴入口都与外转子606的外表面平齐，或者每一个喷嘴出口都与外转子606的内表面平齐，或者每一个喷嘴入口都与外转子606的外表面平齐，并且每一个喷嘴出口都与外转子606的内表面平齐，以减小由于外转子表面几何形状的中断而导致的二次流动损失。

喷嘴的许多其它结构、位置和定向是可以的。例如，喷嘴不需要安装在外转子602的每一个齿中。在先前所述的示例中，喷嘴的纵向轴线与外转子602的半径大致对准602。在可选的实施方案中，一个或多个或所有喷嘴的纵向轴线可以相对于外转子602的半径成一角度。此外，在先前所述的示例中，喷嘴的纵向轴线大致平行于与外转子602的纵向轴线垂直的横截面平面。在可选的实施方案中，一个或多个或所有喷嘴的纵向轴线可以相对于横截面平面成一角度，以使得一个或多个或所有喷嘴将冷却流体向上或向下喷射到腔室616中。在一些实施方案中，代替齿的中心部或除了齿的中心部之外，喷嘴可以位于齿的端部处。在一些实施方案中，多个喷嘴可以安装在多个横截面平面处，所述多个横截面平面中的每一个都垂直于外转子602的纵向轴线。如此这样可以允许同时或不同时期地将冷却流体喷射到摆线泵600的沿着纵向轴线的不同区域中。

每一个喷嘴都可以包括在间隙(例如，间隙614a)中的入口端(例如，喷嘴618a的入口端620a)和腔室616中的出口端(例如，喷嘴618a的出口端622a)。每一个喷嘴都可以将从间隙(例如，间隙614a)流动通过喷嘴的流体(例如，冷却流体或其它流体)雾化以进入到腔室616中。如随后所述，在一些实施方案中，摆线泵600可以被实施以压缩腔室616中的流体。通过使冷却流体流动通过间隙614a-d和喷嘴618a-e，并且通过使用喷嘴618a-e雾化冷却流体，正在被压缩的流体的温度被降低，从而提高流体压缩的等温效率。

如先前所述的，每一个喷嘴都使流体雾化并将雾化的流体喷射到腔室616中。为此，每一个喷嘴都可以包括减少横截面面积的腔室，所述腔室可以基于流速和间隙614a-e中的压力雾化流体。类似于卸压阀或气举阀，喷嘴可以例如使用压缩气体室的弹簧被压力致动。可选地或另外，喷嘴可以使用止回阀被无源致动，所述止回阀允许冷却流体从间隙614a-e通过进入到腔室616中并防止气体从腔室616逃逸到间隙614a-e中。在这种喷嘴中，来自间隙614a-e的流体通过止回阀、喷嘴部分并进入到腔室616中。一旦实现最小差压，单向止回阀允许流体仅在一个方向上。当喷嘴的下游压力大于间隙614a-e中的压力，例如，在流体被压缩之后，阀关闭。减小横截面面积加快并使冷却流体雾化成被喷射到腔室616中的喷雾。在一些实施方案中，可以使用电动致动器、液压致动器或气动致动器中的一个或多个主动控制一个或多个或所有喷嘴，其中所述致动器使用可编程控制器(例如，PLC、计算机系统、其它可编程控制器或其组合)远程操作阀。

在一些实施方案中，喷嘴的致动设置可以相同或不同。即，每一个喷嘴都可以单独或同时打开或关闭。例如，每一个喷嘴都可以具有一阈值压力，在所述阈值压力处，喷嘴被启动，即，被打开以流动冷却流体。当内转子602在外转子606内旋转时，与间隙614a-e的相对应部分中的压力相比较，由于气体膨胀，腔室616的一部分将具有较低的压力。相比之下，与间隙614a-e的相对应部分中的压力相比较，由于气体压缩，腔室616的其它部分将具有较高的压力。因为对于具有较低压力的部分中的喷嘴来说，阈值压力满足，因此喷嘴打开。相反地，因为对于具有较高压力的部分中的喷嘴来说，阈值压力没有被满足，因此喷嘴保持关闭。当内转子602持续旋转时，压力改变，即，具有较低压力的部分中的压力增加，而具有较高压力的部分中的压力下降。压力的这种变化使之前关闭的喷嘴打开，并使之前打开的喷嘴关闭。

图7是图示使用图6的摆线泵600实施的冷却处理的示意图。在一些实施方案中，摆线泵600可以安装在管道700内，湿气流动通过所述管道700。例如，湿气经由入口702流入到摆线泵600中。气体流动通过转子602的外表面与外转子606的内表面之间的腔室616。内转子602在外转子606内的旋转使气体压缩。压缩气体经由出口704离开摆线泵600。为了控制压缩气体的温度，冷却流体可以从入口(例如，入口706a或708a或两者)流动通过614a-e到达出口(例如，分别为出口706b或出口708b或两者)。在一些实施方案中，所有流动参数、冷却流体和正在被压缩的流体两者都可以被监控或控制(或两者)以优化压缩效率。仅举几个例子，这种参数可以包括例如气体流速和温度、摆线泵温度、冷却流体流速和温度、喷嘴启动持续时间。可以控制流动参数，以使得每一个喷嘴都被启动以喷射冷却流体持续足以实现压缩气体的温度的明显降低的持续时间。例如，喷射持续时间可以是每一个间隙的容积和通过间隙614a-e的体积流量的函数。

通过摆线泵600的冷却流体的流动方向可以与通过摆线泵600的湿气的流动方向相反。这种反向流动可以增强从摆线泵600的热移除。此外，与出口摆线泵600入口相比，将冷却流体入口更靠近摆线泵600出口放置可以允许冷却流体的一部分通过喷嘴被喷射到腔室616。即，在一些实施方案中，通过摆线泵600的冷却流体的流动方向可以与通过摆线泵600的湿气的流动方向相同。所有冷却流体或冷却流体的至少一部分可以通过启动一个或多个喷嘴以将冷却流体喷射到腔室616中而被喷射到腔室616中。在一些实施方案中，可以实现多于一个的冷却流体入口或冷却流体出口。

在一些实施方案中，摆线泵600可以包括设置在内转子602的外表面上的弹性体层(未示出)。在一些实施方案中，弹性体层提供内转子602的外表面与外转子606的内表面610之间的金属对弹性体密封。在一些情况下，弹性体层可以通过将由弹性体、橡胶、聚合体、或其它材料形成的层结合在内转子602的外表面上来形成。例如，弹性体层602可以是氟橡胶、EPDM、高饱和腈(HSN)、Aflas、或其它弹性体。在一些实施方案中，弹性体被结合到内转子602的外表面的一些部分，而不是结合到内转子602的外表面的其它部分。在一些实施方案中，弹性体层602是大致均匀的层，而在一些实施方案中，弹性体层602具有不同厚度的部分。在一些实施方案中，当齿604a-d与内表面610接合时，弹性体层602可以接触外转子的内表面610。

图8是图示了使冷却流体流动通过图6的摆线泵600的循环系统800的示意图。循环系统800可以包括箱、泵、热交换器、传感器和控制器(例如，计算机系统或其它控制器)以控制冷却流体通过摆线泵600的流动。在一些实施方案中，来自冷却剂箱802的冷却流体(例如，水)通过供给泵804被喷射到摆线泵600的间隙614a-e中。湿气进入摆线泵600的吸入室中，如之前参照图7所述。冷却流体通过如之前所述的喷嘴被喷洒到湿气中。冷却流体以比在出口处的温度高的温度离开摆线泵。高温冷却流体流动到冷却器806，所述冷却器降低冷却液的温度，并使液体流动到泠却剂箱802以用于使用进给泵804再次循环。在一些实施方案中，为了降低由于喷洒到摆线泵600中的体积而导致冷却剂箱802中的冷却流体的枯竭，离开摆线泵600的冷却流体和湿气的混合物被供给到三相分离器808，所述三相分离器将混合物分离成其组成相。从该分离处理回收的冷却流体被供回到冷却剂箱802。

在一些实施方案中，循环系统800可以在地面上被实施，而在其它实施方案中，循环系统800可以在地下被实施。在深井中实施摆线泵600的实施方案中，井液可以用作采出液。例如，井液流的一部分可以被计量并通过喷嘴被喷射到腔室616中，从而使得后压缩的井液的温度降低。

图9是图示了图6的摆线泵600的实施方案的示意图，其中电潜泵位于在井筒中。如图9所示，摆线泵600在井筒中安装在开采泵的上游。井液的一部分用作冷却流体。高气体含量井液900通过监控接头902、电动机904和保护装置906流动到井筒中并进入到摆线泵600中，如图9所示，吸入到内转子602与壳体612之间的腔室中的井液位于摆线泵600的头部子组件中。流体在基部处离开，所述流体被供给到摆线泵600的吸入侧。井液在摆线泵600的头部处从入口进入并朝向摆线泵600的基部向下流动。井液与喷嘴接触，所述喷嘴被启动以将井液喷洒到腔室616中。其余井液被排入到摆线泵600的吸入部分中。摆线泵600压缩井液并通过开采管道910将压缩的井液供给到开采泵以被开采到地面。

对于不同于井液的流动流体，与摆线泵600类似或相同的摆线泵可以被实施。在一个示例中，可以使用摆线泵600压缩主要由甲烷和一些少量流体构成的天然气，并且在压缩期间冷却所述天然气。压缩后的天然气可以在多个位置之间被运输。在另一个示例中，可以使用摆线泵600压缩氮气。在用于开采的井造斜期间，氮气被喷射到地层中以减轻井筒流体柱并有助于储层进行自然开采。可以使用摆线泵600压缩氮气，并将所述氮气喷射到地层中以启动井开采。

在一些实施方案中，可以在没有喷嘴的情况下实施诸如摆线泵100的摆线泵以冷却湿气的压缩。如先前所述的，通过实施摆线泵600减小温度可通过将冷却流体喷射到腔室616中并通过使用冷却流体散掉腔室616的热量来实现。因此，摆线泵100可以被实施以仅通过散掉内转子102与外转子106之间的腔室的热量来冷却压缩过程。在这种实施方案中，冷却流体通过间隙114a-e的流量可以高于通过摆线泵600的间隙614a-e的冷却流体的相对应流量。

已经描述了主题的具体实施方式。其它实施方案在随后的权利要求的保护范围内。

Claims (21)

1.一种摆线泵(100，200，402，600)，所述摆线泵用于在油气开采操作中提供井下人工升举或地面压力升压，所述摆线泵包括：

包括多个齿(104)的内转子(102)，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线(150)旋转；

包括一壁(107)的中空外转子(106)，所述中空外转子被构造成与所述多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线(160)旋转；和

泵壳体(112)，内转子和中空外转子设置在所述泵壳体内，其中中空外转子的外表面限定泵壳体与中空外转子之间的多个间隙(114)；和

多个喷嘴，所述多个喷嘴被定位在所述中空外转子中，每一个喷嘴都具有在所述泵壳体与所述中空外转子之间的多个间隙中的一间隙内的入口端和在所述中空外转子的内表面与所述内转子的外表面之间的腔室中的出口端，每一个喷嘴都被构造成将从所述间隙流动通过喷嘴的流体雾化以进入到所述中空外转子的内表面与所述内转子的外表面之间的所述腔室中。

2.根据权利要求1所述的摆线泵，其中，所述壁包括具有大致相同的轮廓的外表面(108)和所述中空外转子的内表面(110)。

3.根据权利要求2所述的摆线泵，其中，所述中空外转子的内表面(110)被构造成与所述多个齿接合。

4.根据权利要求1或3所述的摆线泵，其中，所述壁的沿着中空外转子的圆周的厚度大致相等。

5.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，泵壳体是中空泵壳体。

6.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，泵壳体大致是圆形。

7.根据权利要求1或3所述的摆线泵，其中，泵壳体包括被构造成使流体流入的入口端和被构造成使流体流出的出口端。

8.根据权利要求1或3所述的摆线泵，其中，泵壳体与中空外转子之间的间隙被构造成允许流体流动通过。

9.根据权利要求1或3所述的摆线泵，其中，所述流体是井筒流体。

10.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，所述中空外转子的内表面限定多个齿(105)，其中由所述中空外转子的内表面限定的齿的数量大于包括在内转子中的齿的数量。

11.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，所述内转子限定四个齿，而所述中空外转子的内表面限定五个齿。

12.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，所述中空外转子的内表面和所述中空外转子的外表面具有五角星形状。

13.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，内转子具有螺旋形形状。

14.根据权利要求3所述的摆线泵，其中，内转子和中空外转子由金属制成。

15.根据权利要求3所述的摆线泵，还包括设置在内转子的外表面上的弹性体层(202)，当所述内转子的多个齿与所述中空外转子的内表面接合时，所述弹性体层接触中空外转子的内表面。

16.一种方法，包括以下步骤：

将摆线泵(100，200，402，600)定位在井筒(510)中，所述摆线泵包括：

包括多个齿(104)的内转子(102)，所述内转子被构造成绕着第一纵向摆线泵轴线(150)旋转；和

中空外转子(106)，所述中空外转子包括具有大致相同的轮廓的外表面(108)和内表面(110)，所述中空外转子的内表面被构造成与所述多个齿接合并绕着第二纵向摆线泵轴线旋转；

泵壳体(112)，内转子和中空外转子设置在所述泵壳体内，其中中空外转子的外表面限定泵壳体与中空外转子之间的多个间隙(114)；和

多个喷嘴，所述多个喷嘴被定位在所述中空外转子中，每一个喷嘴都具有在所述泵壳体与所述中空外转子之间的多个间隙中的一间隙内的入口端和在所述中空外转子的内表面与所述内转子的外表面之间的腔室中的出口端，每一个喷嘴都被构造成将从所述间隙流动通过喷嘴的流体雾化以进入到所述中空外转子的内表面与所述内转子的外表面之间的所述腔室中；以及

使用摆线泵将井筒流体泵送通过井筒。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

使流体流动通过所述多个间隙。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述流体包括井筒流体和冷却流体中的一个。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，冷却流体在所述多个间隙中的流动方向与井筒流体通过摆线泵的流动方向相同或相反。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述将摆线泵定位在井筒中的步骤包括：

在井下将摆线泵定位在井筒内部，或将摆线泵定位在井筒的地面处。

21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述摆线泵是第一摆线泵，并且其中所述方法还包括以下步骤：

定位与第一摆线泵串联的第二摆线泵。

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