CN108474246B - 到电潜泵的预调节流 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过对流体进行加压并且随后将被加压的流体引导到离心泵(26)而从井筒(12)制取流体的系统和方法。加压流体使流体内的气体或蒸汽被压缩，从而降低流体内气体或蒸汽的体积比率，这进而增加了离心泵(26)的运行效率。使用诸如摆线泵(24B)等容积式泵(24)以便在将流体输送至离心泵(26)之前对流体进行加压。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于从井筒机械举升流体的系统。更具体地说，本公开涉及用电潜泵(“ESP”)从井筒泵送流体，并在ESP上游用容积式泵对流体进行加压。
背景技术
将电潜泵(“ESP”)系统部署在一些碳氢化合物生产井筒中以提供将流体输送到地面的机械举升。ESP系统有时也用于将流体从井场输送到其它装备或设施以用于进一步加工。流体通常由碳氢化合物和水组成。在安装时，将典型的ESP系统悬挂在成串的生产油管的底部处的井筒中。有时，将ESP系统直接插入生产油管中。
除了泵之外，ESP系统通常包括用于驱动泵的电动马达以及用于使马达中的压力与周围环境均衡的密封部分。离心泵通常具有沿着泵的长度同轴布置在壳体中的交替的叶轮和扩散器的堆叠。每个叶轮附接于与马达联接的轴；使轴旋转并且叶轮迫使流体通过通道，该通道螺旋状地蜿蜒穿过叶轮和扩散器的堆叠。所制取的流体在被迫通过泵中的螺旋状的路径时被加压。被加压的流体从泵排出并进入生产油管，在生产油管处流体随后被运送到地面以便分配到下游进行加工。
有时，通过ESP系统加压的流体中夹带有一定百分比的气体或蒸汽。然而，随着井下流体中气体或蒸汽含量的增加，ESP系统通常产生较少的扬程(head)并变得效率较低。降低的泵扬程导致泵排出压力降低，并且导致由ESP系统泵送的流体减少。另外，所制取的流体中的大量气体或液体使在流体流过油管时流体压降增加，这进一步使所制取的流体流量降低。此外，ESP系统在操作上受限于被加压的井下流体中可存在多少气体或蒸汽；并且当气体或蒸汽的百分比超过阈值时可以经历气锁。有时，所制取的流体中的气体或蒸汽百分比的上限可能接近约30重量％。
解决ESP气体问题的一些常规方法包括使用气体分离器、气体处理器和螺旋轴流式多相泵(helico-axial multiphase pump)。一些气体分离器通过离心装置将气体从气液混合物中排出到油管-套管环形空间中，由此减少实际进入ESP系统的气体或蒸汽的量。已知的作为先进气体处理器的设备在将全部流体供给到ESP系统中之前使用离心作用压缩气体。螺旋轴流式多相泵具有专门设计的旋转叶轮和扩散器，旋转叶轮和扩散器在将融合(coalesced)的气液混合物引导至ESP系统进行加压之前，使气相和液相均质化。常规气体处理系统的限制是相对于ESP串的总成本的高增量成本；并且一些系统具有许多带有移动部件的内部构件，导致复杂的系统。
发明内容
本文披露了用于将流体从井筒机械举升的方法和系统的实例，其中，流体在泵的上游被预加压。在一个实例中，披露了一种能置于井筒中的电潜泵(“ESP”)系统，该系统包括摆线泵(盖劳特泵)，所述摆线泵具有：入口，其与所述井筒中的流体连通；以及出口，在所述摆线泵中被加压的流体通过所述出口被引导离开所述摆线泵。所述ESP系统还包括离心泵，所述离心泵具有：入口，其与所述摆线泵的所述出口流体连通；以及排出口，在所述离心泵中被加压的流体通过所述排出口被引导离开所述离心泵。所述ESP系统还包括生产油管，所述生产油管与所述离心泵的所述排出口流体连通。
在一个实例中，所述摆线泵包括：主体；惰轮，其在所述主体中，所述惰轮具有轴线、平坦的上表面和下表面、弯曲的外侧表面以及腔室，所述腔室具有成型的侧壁(profiled sidewalls)，所述侧壁在沿所述腔室90的周部的指定位置处限定有凸角(lobes)92；以及转子，其布置在所述腔室中并具有轴线，所述转子的外周轮廓成型为限定有径向向外突出的齿轮齿(gears)，使得当所述转子围绕其轴线旋转时，所述齿轮齿在不同位置处与所述腔室的所述侧壁接触，以限定密封界面并且限定所述腔室中的高压侧和低压侧。在一个实例中，转子具有n个齿轮齿并且惰轮具有n+1个凸角。在一个实施例中，所述离心泵配备有成串的扩散器、布置在相邻扩散器之间的叶轮以及延伸穿过所述扩散器和所述叶轮的流动路径，使得当所述叶轮旋转时，流体被推动通过所述流动路径并且随着通过所述流动路径的距离被加压。在一个实例中，所述生产油管的远离所述离心泵的端部与布置在所述井筒的开口处的井口组件联接。由所述摆线泵加压的流体可以包括具有液体的相以及气体或蒸汽的相的流体。所述ESP系统可选地包括马达部分，所述马达部分机械联接至所述摆线泵和所述离心泵，马达与密封部分压力连通，使得所述马达部分中的压力保持为大致环境压力，并且所述马达部分联接有监测子部分。与当对从所述井筒接收的流体进行加压时相比，当对来自所述摆线泵的所述排出口的流体进行加压时，所述离心泵的运行效率增加。
本文中还披露了能置于井筒中的电潜泵(“ESP”)系统的实例，所述系统由以下部分组成：容积式泵，其具有与所述井筒中的流体连通的抽吸端口，与所述抽吸端口连通的加压腔室，以及与所述加压腔室连通的排出端口，并且所述排出端口的压力大于所述容积式泵的所述抽吸端口的压力；以及离心泵，其具有与所述容积式泵的所述排出口连通的抽吸端口，以及压力大于所述离心泵的所述抽吸端口的压力的排出端口。所述ESP系统还可以具有生产油管，所述生产油管具有与所述离心泵的所述排出端口连通的端部，以及与布置在所述井筒的开口处的井口组件联接的远端。在一个替换方案中，容积式泵为摆线泵。所述ESP系统可以包括马达，所述马达机械联接至所述容积式泵和所述离心泵，并且所述马达与密封部分压力连通，使得当所述马达处于所述井筒中时所述马达中的压力保持为大致环境压力。当所述井筒中的流体包括液体以及蒸汽或气体时，所述容积式泵的抽吸端口处的所述流体的蒸汽或气体体积与液体体积的比率大于所述离心泵的抽吸端口处的所述流体的蒸汽或气体体积与液体体积的比率，从而使所述离心泵的运行效率增加。
本文中还披露了对从井筒内制取的流体进行泵送的方法，所述方法包括：对一定量的具有液体的相以及气体或蒸汽的相的所述流体进行加压，使得所述流体中的所述气体或蒸汽被压缩，从而减小气体或蒸汽体积与液体体积的比率；将被加压的所述一定量的流体引导到所述离心泵；以及利用所述离心泵对被加压的所述一定量的流体进行进一步加压。可以使用容积式泵执行所述对一定量的具有液体的相以及气体或蒸汽的相的所述流体进行加压的步骤。可选地，容积式泵为摆线泵。可以将由所述离心泵进一步加压的所述流体引导至布置在所述井筒的开口处的井口组件。可以利用单个马达为容积式泵和离心泵两者供能。
附图说明
已经阐述了本发明的一些特征和益处，其它特征和益处将随着结合附图进行的描述而变得显而易见，在附图中：
图1是布置在井筒中的ESP系统的实例的局部剖视图。
图2A和图2B是图1所示的ESP系统的具有相组合的离心泵和容积式泵的部分的实例的剖视图。
图3是图2所示的容积式泵的替换实例的剖视图。
尽管将结合优选实施例描述本发明，但将理解的是，不旨在将本发明限制于该实施例。相反，旨在涵盖可能包括在由所附权利要求限定的本发明的要旨和范围内的所有可选方案、变型和等同内容。
具体实施方式
现在将在下文中参考示出了实施例的附图更充分地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以为许多不同的形式，并且不应被解释为限于在此列举的所示实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域技术人员充分表达本公开的范围。相同的数字始终表示相同的元件。在实施例中，术语“约”的使用包括所引用的大小的+/-5％。在实施例中，术语“大致”的使用包括所引用的大小的+/-5％。
应进一步理解的是，本公开的范围不限于所示出和所描述的构造、操作、精准材料或实施例的精准细节，因为变型和等同内容对于本领域技术人员将是显而易见的。在附图和说明书中，已经公开了示例性实施例，并且尽管采用了特定术语，但这些特定术语仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制的目的。
图1中示出了电潜泵(“ESP”)系统10的一个实例的局部侧剖视图。ESP系统10被示出为布置在贯穿(intersect)地下地层14的井筒12中。管状套管16沿井筒12布置，并且油管18同轴地插入在套管16内。ESP系统10包括马达20、安装在马达20的上端上的密封系统22，其中，密封系统22使马达20内的压力与周围环境均衡。ESP系统10还包括安装在密封系统22的远离马达20的端部上的容积式泵(positive displacement pump)24。此外，在图1的实例中，离心泵26被示出为安装在容积式泵24的远离密封系统22的端部上。可选地，ESP系统10包括监测子部分(monitoring sub)28，其中，监测子部分可以包括用于感测井筒12内的温度、压力和振动中的一者或多者的传感器。作为选择，监测子部分28可以包括用于发送和接收用于控制ESP系统10的运行的控制信号的控制器。
穿孔部30被示出为从井筒12径向向外伸出穿过套管16并进入地层14。穿孔部30为地层中夹带的流体提供进入井筒12中的流动路径。此外，在该实例中，开口32形成为贯穿油管18的侧壁，以允许从地层14制取的井筒流体F流入到油管18中。在流体F被引导到油管18中之后，可以通过ESP系统10对流体F进行加压和机械举升。可选地，封隔器34被示出为形成在油管18与套管16之间的环形空间36中，并且用于将流体F的流引导到油管18中。流体F经由形成在容积式泵24上的入口38进入ESP系统10。然后，可以将流体F从容积式泵24引导至离心泵26。成串的生产油管40被示出为与离心泵26的排出口端联接。封隔器42布置在生产油管40周围，并且在ESP系统10与油管18的内表面之间的环形空间44中形成流动屏障。因此，封隔器42迫使在油管18内向上流动的流体F进入入口38。
仍然参考图1，进一步示出的是，生产油管40的上端终止于井口组件46内，井口组件46被描述为井筒12的位于地面(surface)47上的开口处。井口组件46内的管道限定有用于选择性地将生产油管40内的流体F引导到指定目的地的生产回路48。在一个实例中，生产回路48内的流体F被引导至所示出的具有终止于加工设施52的远端的输送管线50。加工设施52的实例包括炼油厂、烯烃工厂以及为了运输而加工流体F的其它设施。用于运输而加工的实例包括从流体F中去除诸如水、硫和其它不需要元素等成分。可选地，在生产回路40和输送管线50内设置有阀54以用于选择性地引导流体F通过。
现在参考图2A和图2B，示出了联接有离心泵26A的容积式泵24A的实施例的一个实例的侧剖视图。如图所示，壳体56包含在容积式泵24A内，壳体56内限定有腔室58。腔室58内布置有活塞60，并且活塞60如双向箭头所示那样在腔室58中沿轴向往复运动。活塞60的端部连接有活塞杆62，并且活塞杆62选择性地提供移动力以使活塞60在腔室58内往复运动。腔室58内在活塞60的与活塞杆62相反的一侧限定有压缩腔室64。在所示实例中，来自井筒12(图1)内的流体F处于压缩腔室64内。图2A和图2B所示的流体F包括液体L和蒸汽V的两相混合物，其中，蒸汽V可以包括气体、蒸汽或两者的混合物。如图所示，流体F经由入口管线66被引导到压缩腔室64中，入口管线66具有远端，该远端连接至被示出为布置在容积式泵24A的外表面上的入口38。可选地，入口管线66可以配备有止回阀68，使得在压缩循环期间流体F不能从腔室58逸出回到入口管线66中。在替换方案中，流体F可以具有高达约75体积％或质量％的气体，并且存在这样的实例：其中流体F约100％为蒸汽。
图2B中描绘的是在压缩阶段期间运行的容积式泵24A；其中，活塞60移动到腔室58的被流体F占据的部分中，从而对流体F进行压缩。被泵24A加压的流体F使流体F中的蒸汽V压缩，从而减小了流体F的气体或蒸汽体积相对于液体体积的比率。被压缩和加压的流体F经由排出管线70被引导至离心泵26A，该排出管线70示出为一端与容积式泵24A的外壳上的排出口71联接。在图2A和图2B的实例中，离心泵26A包括主体72，从入口空间74螺旋状地行进到出口空间76的流体流动路径P贯穿主体72。入口空间74和出口空间76以及泵体72被包封在泵壳体78内。叶轮80被示出为布置在泵体72内并且与路径P交汇。扩散器82在叶轮80之间顺序地间隔开并且也与路径P交汇。轴84被示出为连接至叶轮80，旋转轴84相应地使叶轮80旋转，叶轮80进而对流体F施加力，该力推动流体F通过路径P并且对流体F加压。在将流体F引导至离心泵26A之前对流体F加压的优点在于流体F中的气体或蒸汽体积减小，这增加了离心泵26A的运行效率。当向离心泵26A供给具有减小的气体或蒸汽体积比的“预加压”流体F时，所得的由离心泵26A施加在流体F上的压差(泵扬程)大于当将来自井筒12(图1)的流体F直接供给到离心泵26A时的压差。在图2B的实例中进一步示出的是，加压的流体F离开路径P进入出口空间76，并且随后被引入生产油管44以输送到井口组件46(图1)。
图3示出了容积式泵24B的一个实例的平面剖视图，其中，泵24B与通常称为摆线泵的泵相同或相似。如图所示，泵24B具有外壳56B，并且外壳56B中布置有惰轮86。图3所示的惰轮86具有大致平坦的上表面和下表面以及弯曲的外周。惰轮86围绕轴线AX1相对于壳体56B选择性地旋转并且如箭头A1所示。惰轮86内设置有转子88，转子88被示出为能够沿箭头A2所示的方向围绕轴线AX2旋转。排出管线70与壳体56B的远离入口66的一侧相交。惰轮腔室90形成为沿轴向穿过惰轮86的中间部分，惰轮腔室90具有起伏状弯曲的成型轮廓并且在围绕轴线AX1的间隔开的角位置处形成凸角921-925。尽管在图3中示出了五个凸角921-925，但凸角921-925的数量不限于五个，而是可以是任何其它数量。转子88的外周也具有成型轮廓并且与惰轮腔室90半互补(semi-complementary)。转子88的弯曲的起伏状周部限定有选择性地配合到凸角921-925中的齿轮齿941-944。如图所示，齿轮齿941-944的数量比凸角921-925的数量少一个。腔室90的内表面形成腔室壁96。
凸角921-925和齿轮齿941-944的特殊构造和同步导致齿轮齿941-944的外周与沿着腔室壁96的不同位置之间的相互作用。如在图3的实例中示出的，齿轮齿942与壁96上的靠近凸角922的位置密封接触，并且齿轮齿943与壁96上的靠近凸角923的位置密封接触。进一步示出的是，齿轮齿944在壁96上的靠近凸角924的位置密封接触。齿轮齿942、943与壁96之间的密封接触在惰轮腔室90中形成限定低压侧98的封闭空间。类似地，齿轮齿944、943与壁96之间的密封接触在惰轮腔室90中形成限定高压侧100的另一封闭空间。低压侧98与入口管线66流体连通并且高压侧100与排出管线70流体连通。惰轮86和转子88的连续旋转导致最初被截留在低压侧98内的流体在齿轮齿941-944与侧壁96之间被压缩，从而在流体F通过排出管线70排出之前对流体F进行加压。图3所示的摆线泵的一个优点是，不管流体F的可压缩程度如何，多相流体，即具有液体以及蒸汽和/或气体的混合物的流体，都可以被有效地加压。众所周知，流体F中气体、蒸汽或两者的存在可以增加流体F的可压缩性。因此，通过将摆线泵组件与离心泵结合以提高离心泵的效率可以实现显著的优点。在一个实例中，如由高压侧和低压侧98、100所示出的那样，在摆线泵旋转期间，由于齿轮齿941-944和凸角921-925之间的差异，产生了扩大和缩小的腔室。随着腔室的扩大和缩小，连续发生流体吸入和压缩，并且由于气体或蒸汽的可压缩性效应，当气体混合物被摆线泵压缩时，气体体积显著减小。这导致当混合物被供给到离心泵26(图1)时产生更加均质化的混合物。存在这样的实例：摆线泵包括两个或更多个级并由马达20提供动力。
因此，在本文中描述的本发明非常适于执行目标并实现所提到的目的和优点以及本发明中固有的其它目的和优点。尽管出于公开的目的已给定本发明的当前优选实施例，但为了完成所期望的结果在过程的细节中还存在许多变化。入口管线66被示出为通到泵24A、24B的单个管道(图2A、图2B和图3)；在一个实例中，向泵24A、24B提供多个管线，并且泵24A、24B具有多个端口。在替换实施例中，泵24A、24B的高压侧直接连通到排出腔室(未示出)中，排出腔室直接供应到离心泵26A、26B的抽吸部中；在该替换实施例中不包括排出管线70。可选地，可以将螺杆泵替代摆线泵用作预调节设备，以调节离心泵的上游的流体。本领域的技术人员将容易想到这些或其它类似的修改，并且这些或其它类似的修改意在被包括在本文中所披露的本发明的要旨和所附权利要求的范围内。
Claims (17)
1.一种能置于井筒中的电潜泵系统，包括：
离心泵，其包括：
入口，以及
排出口，在所述离心泵中被加压的流体通过所述排出口被引导离开所述离心泵；
摆线泵，其对被引导至所述离心泵的流体进行加压以对流体内的气体进行压缩，以便提高所述离心泵的效率，所述摆线泵包括：
惰轮，其能够选择性地围绕惰轮轴线旋转，
腔室，其形成于所述惰轮中，
转子，其位于所述腔室中并且能够选择性地围绕转子轴线旋转，
入口，其与所述井筒中的流体连通，以及
出口，在所述摆线泵中被加压的流体通过所述出口被引导离开所述摆线泵；以及
生产油管，其与所述离心泵的所述排出口流体连通。
2.根据权利要求1所述的电潜泵系统，其中，所述惰轮还包括平坦的上表面和下表面、弯曲的外侧表面、以及成型的侧壁，所述侧壁在沿所述腔室的周部的指定位置处限定有凸角，以及所述转子的外周轮廓成型为限定有径向向外突出的齿轮齿，使得当所述转子围绕其轴线旋转时，所述齿轮齿在不同位置处与所述腔室的所述侧壁接触，以限定密封界面并且限定所述腔室中的高压侧和低压侧。
3.根据权利要求2所述的电潜泵系统，其中，所述转子包括n个齿轮齿，并且所述惰轮包括n+1个凸角。
4.根据权利要求1所述的电潜泵系统，其中，所述离心泵包括成串的扩散器、布置在相邻扩散器之间的叶轮以及延伸穿过所述扩散器和所述叶轮的流动路径，使得当所述叶轮旋转时，流体被推动通过所述流动路径并且随着通过所述流动路径的距离而被加压。
5.根据权利要求1所述的电潜泵系统，其中，所述生产油管的远离所述离心泵的端部与布置在所述井筒的开口处的井口组件联接。
6.根据权利要求1所述的电潜泵系统，其中，所述摆线泵是单级泵，以及所述出口径向穿过所述摆线泵的壳体的远离所述入口的一侧而形成。
7.根据权利要求1所述的电潜泵系统，还包括马达部分，所述马达部分与所述摆线泵及所述离心泵机械联接，所述马达部分与密封系统压力连通，使得所述马达部分中的压力保持为环境压力，并且所述马达部分联接有监测子部分。
8.根据权利要求1所述的电潜泵系统，其中，与当对从所述井筒接收的流体进行加压时相比，当对来自所述摆线泵的所述排出口的流体进行加压时，所述离心泵的运行效率增加。
9.一种能置于井筒中的电潜泵系统，包括：
离心泵，其对所述井筒中的流体进行加压；
单级摆线泵，其在所述井筒中的流体内的气体被所述离心泵加压之前对所述井筒中的流体内的气体进行压缩以提高所述离心泵的运行效率，所述摆线泵包括壳体、抽吸端口、位于所述壳体中的惰轮、腔室、转子以及排出端口，所述抽吸端口径向穿过所述壳体而形成并且与所述井筒中的流体连通，所述腔室形成于所述惰轮中且具有起伏状外半径，所述腔室的起伏状外半径在成角度地间隔开的位置处限定有凸角，所述转子可旋转地布置在所述腔室中并且具有起伏状外半径，所述转子的起伏状外半径形成有随着所述转子的旋转而选择性地突出到所述凸角中的齿轮齿，所述排出端口远离所述抽吸端口径向穿过所述壳体而形成，并且所述排出端口的压力大于所述摆线泵的所述抽吸端口的压力。
10.根据权利要求9所述的电潜泵系统，还包括位于所述离心泵上的排出端口以及生产油管，所述生产油管具有第一端和在所述第一端远端的第二端，所述第一端与所述离心泵的所述排出端口连通，以及所述第二端与布置在所述井筒的开口处的井口组件联接。
11.根据权利要求9所述的电潜泵系统，其中，所述惰轮相对于所述壳体是可旋转的。
12.根据权利要求9所述的电潜泵系统，还包括马达，所述马达与所述摆线泵及所述离心泵机械联接，并且所述马达与密封系统压力连通，使得当所述马达处于所述井筒中时所述马达中的压力保持为环境压力。
13.根据权利要求9所述的电潜泵系统，其中，当所述井筒中的流体包括液体，以及蒸汽或气体时，所述摆线泵的抽吸端口处的所述流体的蒸汽或气体体积与液体体积的比率大于所述离心泵的抽吸端口处的所述流体的蒸汽或气体体积与液体体积的比率，从而使所述离心泵的运行效率增加。
14.一种对从井筒内制取的流体进行泵送的方法，所述方法包括：
通过利用摆线泵对一定量的流体进行加压来提高布置于所述井筒内的电潜泵的效率，所述摆线泵对流体中的气体或蒸汽进行压缩并且减小气体或蒸汽体积与液体体积的比率和形成加压的流体；
将所述加压的流体从所述摆线泵引导到所述电潜泵；以及
利用所述电潜泵对被加压的所述一定量的流体进行进一步加压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述摆线泵是单级泵。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括将由所述电潜泵进一步加压的所述流体引导至布置在所述井筒的开口处的井口组件。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括利用单个马达为所述摆线泵和所述电潜泵两者供能。
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