CN109477368A - 锚固在连续油管中的电潜泵电缆 - Google Patents

Abstract

一种用于将动力电缆(40)部署在连续油管(34)内的系统包括：动力电缆(40)，其能操作成向电潜泵提供动力，动力电缆(40)能延伸穿过连续油管(34)。多个锚固组件(42)沿着动力电缆(40)的长度间隔开，每个锚固组件(42)固定至动力电缆(40)并具有夹持元件(44)。夹持元件(44)能响应于施加的刺激而在缩回位置与展开位置之间移动，其中，夹持元件(44)的尺寸设计成当夹持元件(44)处于展开位置时与连续油管(34)的内径表面(38)接合。

Description

锚固在连续油管中的电潜泵电缆

发明人：兰德尔·谢普勒(Randall SHEPLER)

J·肖(Jinjiang XIAO)

技术领域

本公开总体涉及电潜泵电缆，并且更具体地涉及具有电缆的电潜泵在连续油管内的无钻机部署。

背景技术

电潜泵(“ESP”)系统部署在一些采出烃的井筒中，以提供将流体输送到地面的人工举升。典型为液体的流体由液态烃和水组成。当安装时，典型的ESP系统在采油管的管柱底部处悬挂在井筒中。除了包括泵之外，ESP系统一般还包括以电为动力的电动机以及密封部分。泵通常是离心泵或正排量泵中的一种。

当ESP出故障时，使用修井机拉出油管，并更换掉出故障的ESP。修井机的成本很高，尤其是在海上。还有，钻机的等待时间可长达6至12个月，导致采出显著延期。

正在开发允许利用动力电缆将ESP无钻机部署在采油管内的技术。当ESP出故障时，可以使用连续油管或线缆单元(wireline unit)拉出并更换掉出故障的ESP，而将采油管留在原位。在一些无钻机ESP系统中，动力电缆必须具有足够的机械强度来承载电缆自身以及ESP系统的重量，并且还必须具有承受用于系统取回的拉力的强度。动力电缆还必须能够承受侵蚀和腐蚀，因为它在含有H2S、CO2以及具有高浓度氯化物的水的采出流体中操作。为了提供足够的电流来驱动ESP的电动机，动力电缆的导体可能像AWG#2一样大。然而，动力电缆需要在尺寸上尽可能紧凑。采出流体在采油管的内径与动力电缆的外径之间的环形空间中采出。具有足够强度以支撑和取出ESP的大直径动力电缆将减小流动区域、增加摩擦并因此将增加使流体举升到地面所需的电动机的尺寸。

发明内容

本文公开的实施例描述了用于将ESP动力电缆锚固在连续油管内使得动力电缆由连续油管支撑并保护免受腐蚀环境的影响的系统和方法。本公开的系统和方法使用能够在刺激下经历体积或形状改变的材料，以将动力电缆锚固在连续油管内。

在本公开的实施例中，一种用于将动力电缆部署在连续油管内的系统包括：动力电缆，其能操作成向电潜泵提供动力，动力电缆能延伸穿过连续油管。多个锚固组件沿着动力电缆的长度间隔开，每个锚固组件固定至动力电缆并具有夹持元件。夹持元件能响应于施加的刺激而在缩回位置与展开位置之间移动，其中，夹持元件的尺寸设计成当夹持元件处于展开位置时与连续油管的内径表面接合。

在替代实施例中，锚固组件可以包括外接在动力电缆上的开口轴环，从而将锚固组件固定至动力电缆。作为替代方案，锚固组件可以直接粘合至动力电缆，从而将锚固组件固定至动力电缆。夹持元件可以包括可膨胀弹性体，并且施加的刺激可以是介电油。可膨胀弹性体可以粘合至外接在动力电缆上的开口轴环，从而将锚固组件固定至动力电缆。

在其它替代实施例中，夹持元件可以包括形状记忆聚合物，并且施加的刺激可以是温度改变、电场、磁场或光。作为替代方案，夹持元件可以包括双向形状记忆效应材料，并且施加的刺激可以是温度改变。

在另外其它替代实施例中，锚固组件具有致动器，致动器能操作成响应于施加的刺激而使夹持元件在缩回位置与展开位置之间移动。致动器可以由形状记忆合金形成，并且施加的刺激可以是温度改变、电场、磁场或光。致动器可以定向成在沿着动力电缆的轴线的方向上扩展和收缩，以使夹持元件在缩回位置与展开位置之间径向移动。

在本公开的另一实施例中，一种用于为电潜泵提供动力的系统包括：连续油管，其在地下井内延伸。动力电缆位于连续油管内。多个锚固组件沿着动力电缆的长度间隔开，每个锚固组件利用开口轴环固定至动力电缆并具有夹持元件。夹持元件固定至开口轴环。夹持元件能响应于施加的刺激而在缩回位置与展开位置之间移动，其中，夹持元件的尺寸设计成当夹持元件处于展开位置时与连续油管的内径表面接合，并且当夹持元件处于缩回位置时具有缩小的外径。

在替代实施例中，夹持元件可以包括可膨胀弹性体，并且施加的刺激是介电油。夹持元件可以包括形状记忆聚合物，并且施加的刺激可以是温度改变、电场、磁场或光。夹持元件可以可选地包括双向形状记忆效应材料，并且施加的刺激可以是温度改变。

在其它替代实施例中，锚固组件可以具有包括形状记忆合金的致动器，并且致动器能操作成响应于施加的刺激而使夹持元件在缩回位置与展开位置之间移动，其中，施加的刺激可以是温度改变、电场、磁场或光。致动器可以定向成在沿着动力电缆的轴线的方向上扩展和收缩，以使夹持元件在缩回位置与展开位置之间径向移动。

在本公开的又一替代实施例中，一种用于将动力电缆部署在连续油管内的方法包括：为动力电缆提供多个锚固组件，多个锚固组件沿着动力电缆的长度间隔开，每个锚固组件固定至动力电缆并具有夹持元件，其中，动力电缆能操作成向电潜泵提供动力。将动力电缆延伸穿过连续油管。可以将刺激施加到锚固组件，以使夹持元件从缩回位置移动到展开位置，使得夹持元件与连续油管的内径表面接合。

在替代实施例中，为动力电缆提供多个锚固组件的步骤可以包括：利用外接在动力电缆上的开口轴环将锚固组件固定至动力电缆。夹持元件可以包括可膨胀弹性体，并且将刺激施加到锚固组件的步骤可以包括：将介电油泵送到连续油管中。作为替代方案，夹持元件可以包括形状记忆聚合物，并且将刺激施加到锚固组件的步骤可以包括：提供温度改变、提供电场、提供磁场或提供光。

在其它替代实施例中，锚固组件可以具有包括形状记忆合金的致动器，并且将刺激施加到锚固组件的步骤可以包括：将刺激施加到致动器，以响应于施加的刺激而使夹持元件在缩回位置与展开位置之间移动。可以将致动器定向为使得将刺激施加到锚固组件而使致动器在沿着动力电缆的轴线的方向上扩展和收缩，以使夹持元件在缩回位置与展开位置之间径向移动。

附图说明

为了能够详细地理解且获得本公开实施例的上述特征、方面和优点以及将变得显而易见的其它特征、方面和优点的方式，可以通过参考在形成本说明书一部分的附图中示出的本公开的实施例，对上面简要概述的本公开进行更具体的描述。然而，需要注意的是，附图仅示出了本公开的优选实施例，因此，不应认为是对本公开范围的限制，因为本公开可以准许其它同等有效的实施例。

图1是根据本公开实施例的具有ESP和连续油管的地下井的示意性剖视图。

图2是根据本公开实施例的在连续油管内的动力电缆的示意性剖视图，示出了夹持元件处于缩回位置。

图3是图2的在连续油管内的动力电缆的示意性剖视图，示出了夹持元件处于展开位置。

图4是根据本公开实施例的在连续油管内的动力电缆的示意性剖视图，示出了其中一个夹持元件处于展开位置而其他夹持元件处于缩回位置。

图5是根据本公开实施例的在连续油管内的动力电缆的示意性剖视图，示出了其中一个夹持元件处于展开位置而另一个夹持元件处于缩回位置。

具体实施方式

现在将在下文中参考示出本公开实施例的附图更全面地描述本公开的实施例。然而，本公开的系统和方法可以以许多不同的形式来实现，并且不应该被解释为限于本文阐述的所示实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开充分和完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。相同的附图标记始终表示相同的元件，并且如果使用的话，上撇号注释表示替代实施例或位置中的类似元件。

在以下讨论中，阐述了多个具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。另外，在大多数情况下，省略了关于钻井、储层测试、完井等的细节，因为这种细节对于获得对本公开的完整理解被认为不是必要的，并且被认为是在相关领域技术人员的技能范围内。

参见图1，地下井10包括井筒12。ESP 14位于井筒12内。图1的ESP在最下端包括电动机16，用于驱动位于ESP 14的上部的泵18。电动机16与泵18之间设有密封部分20，用于使ESP 14内的压力与井筒12的压力均衡。流体F示出为从与井筒12相邻的地层22进入井筒12。流体F流到在泵18的外壳中所形成的入口24。流体F在泵18内被加压，并且在出口26处从ESP14中排出并进入井筒12或采出管柱(未示出)中。然后流体向上行进到位于地面30的井口28。封隔器32可以在入口24与出口26之间围绕ESP 14密封。

ESP 14利用连续油管34悬挂在井筒12内。参见图2，连续油管34是具有中心孔36的长形管状构件，中心孔36具有内径表面38。连续油管34在地下井10内延伸。连续油管34可以由碳钢材料、碳纤维管或其它类型的耐腐蚀合金或涂层形成。

动力电缆40延伸穿过连续油管34。动力电缆40可以提供操作ESP 14所需的动力。动力电缆40可以是本领域技术人员已知的用于向ESP提供动力的合适的动力电缆。动力电缆40可以是市场上容易得到的现有技术的电缆。

锚固组件42可以沿着动力电缆40的长度间隔开。每个锚固组件42均固定至动力电缆40。锚固组件42的数量以及锚固组件42之间的间距可以选择为使得有足够的锚固组件42支撑连续油管34内的动力电缆40的重量，包括工业标准安全系数。作为实例，一些现有的ESP动力电缆重约1lbm/ft(质量磅/英尺)。对于这种电缆，锚固组件42可以沿着动力电缆40例如每隔40ft(英尺)至200英尺间隔开，并且在某些实施例中，锚固组件42可以沿着动力电缆40每隔100英尺定位。

参见图2和图3，锚固组件42包括夹持元件44。夹持元件44能够响应于施加的刺激而在缩回位置(图2)与展开位置(图3)之间移动。夹持元件44的尺寸做成使得当处于展开位置时，夹持元件44与内径表面38接合，以便为动力电缆40提供锚固和支撑。当夹持元件44处于展开位置时，动力电缆40在夹持元件44的位置处相对于连续油管34是轴向静态的。

当夹持元件44处于缩回位置时，夹持元件44可以具有缩小的外径，使得夹持元件44与内径表面38间隔开。这样，当夹持元件44处于缩回位置时，动力电缆40可以在连续油管34内移动。当夹持元件44处于缩回位置时(其中，锚固组件42固定至动力电缆40)，可以将动力电缆40拉动或施加液压压力而穿过连续油管34。当夹持元件44处于缩回位置时(其中，锚固组件42固定至动力电缆40)，也可以从连续油管34中抽出动力电缆40。

夹持元件44利用连接构件46固定至动力电缆40，连接构件46允许夹持元件44围绕动力电缆40固定，而不必使连接装置从动力电缆40的端部沿着动力电缆40滑动，而是连接构件46可以添加在沿着动力电缆40的长度的任何位置处。夹持元件44可以固定至连接构件46，使得夹持元件44借助于连接构件固定至动力电缆40。连接构件46的使用允许操作者能利用标准且容易得到的成本有效的动力电缆40。

作为实例，锚固组件42可以包括作为开口轴环(split collar)的连接构件46。开口轴环可以包括围绕动力电缆40固定到一起的两段或更多段。开口轴环可以外接(circumscribe)在动力电缆40上，从而将锚固组件42固定至动力电缆40。夹持元件44可以固定至开口轴环，使得夹持元件44借助于开口轴环固定至动力电缆40。在替代实施例中，连接构件46可以是粘合材料，并且锚固组件42可以借助于粘合材料直接粘合至动力电缆40。

锚固组件42可以部分地由能够在刺激下经历体积或形状改变的材料形成，如形状记忆材料。参见图2至图3的示例性实施例，夹持元件44可以包括可膨胀弹性体。可膨胀弹性体能够改变形状以使夹持元件44在缩回位置(图2)与展开位置(图3)之间移动。可膨胀弹性体例如可以粘合至作为开口轴环的连接构件46，或者作为替代方案，连接构件46可以是粘合材料，使得可膨胀弹性体直接粘合至动力电缆40。

可膨胀弹性体可以例如为由于施加的刺激(也就是烃基流体(hydrocarbon basedfluid))而膨胀的弹性体。烃基流体可以被泵送到连续油管34中。弹性体吸收烃基流体(如，介电油)，体积膨胀并且径向展开，以相对于连续油管34的内径表面38产生摩擦，从而允许动力电缆40锚固在连续油管34内。烃基流体通过扩散而被吸收到可膨胀弹性体中。膨胀量取决于弹性体和烃基流体的化学性质。可以对可膨胀弹性体的参数(如，可膨胀弹性体的长度)进行设计改变，以在锚固组件42上获得期望的锚固力。

在替代实施例中，夹持元件44可以包括形状记忆聚合物。参见图4，形状记忆聚合物可以例如粘合至作为开口轴环的连接构件46，或者作为替代方案，连接构件46可以是粘合材料，使得形状记忆聚合物直接粘合至动力电缆40。在动力电缆40已安装在连续油管34内之后，可以使用间距测量法或检测手段来确定形状记忆材料段在连续油管34内的位置。检测手段可以包括电磁、声学或其它技术。诸如温度改变、电场、磁场、光或本领域已知的其它刺激等刺激可以从连续油管34的外部施加至形状记忆聚合物。施加的刺激可以使形状记忆聚合物扩展并将动力电缆40支撑在连续油管34的内径表面38上，从而为动力电缆40提供锚固和支撑。

在示例性实施例中，形状记忆聚合物可以是双向形状记忆效应材料，其具有由外部刺激或触发而引起的从变形状态(临时形状)返回至原始(永久)形状的能力。作为实例，形状记忆聚合物可以借助于热刺激而在刚性状态与弹性状态之间改变。这种改变发生在所谓的玻璃化转变温度(Tg)时。在高于Tg的温度下，材料可以变形。当材料冷却到低于Tg时，变形的形状将维持。当再次加热到高于Tg的温度时，这种材料将“记起”或返回到其原始形状。玻璃化转变温度可以根据具体应用来定制。

因此，具有形状记忆聚合物的夹持元件44可以在形状记忆聚合物已在高于Tg的温度下变形的变形形状下固定至动力电缆，使得夹持元件44处于缩回位置，然后在夹持元件44保持处于缩回位置的状态下进行冷却。在对动力电缆40进行拉动或施加压力而穿过连续油管34之后，可以将夹持元件44加热到高于Tg的温度，使得形状记忆聚合物返回到其原始形状，并且夹持元件44移动到展开位置以将动力电缆40锚固并支撑在连续油管34内(图4的最左侧锚固组件)。在图2至图4的实施例中，在将动力电缆40固定在连续油管34内时，仅夹持元件44经历径向移动。因此，本文描述的系统具有最少的移动部件，这使得这种系统的可靠性最大化。

为了从连续油管34中取出动力电缆40以进行修理或更换，可以将处于展开位置的双向形状记忆聚合物冷却到缩回位置。然后，可以在夹持元件44处于缩回位置的同时从连续油管34中取出动力电缆40。由于形状记忆聚合物的双向性质，所以取出过程是轻而易举的。通过冷却形状记忆聚合物，夹持元件44可以移动到缩回位置，使得夹持元件44与内径表面38间隔开，并且可以从连续油管34中拉出来动力电缆40。双向记忆效应材料有利地可以根据需要与内径表面38反复地接合和脱离，以便将动力电缆40设定在连续油管34内、取出连续油管34内的动力电缆40并将动力电缆40重新设定在连续油管34内而不会损坏动力电缆40。

参见图5，在替代实施例中，锚固组件42可以包括致动器48。致动器48可以包括形状记忆材料，如形状记忆合金。致动器48可以响应于施加的刺激而在缩回位置与展开位置之间移动。施加的刺激可以例如为温度改变、电场、磁场、光或其它常见刺激。在图5的实例中，致动器48在沿动力电缆40的轴线Ax的方向上扩展和收缩。随着致动器48在沿动力电缆40的轴线Ax的方向上扩展和收缩，夹持元件44在缩回位置与展开位置之间径向移动。

在图5的实例中，致动器48是弹簧形构件。在图5右侧示出的锚固组件42中，致动器48是收缩的并且夹持元件44处于缩回位置。夹持元件44包括卡瓦(slip)50，卡瓦具有能够将动力电缆40锚固并固定在连续油管34内的诸如齿等的夹持元件。当夹持元件44处于缩回位置时，卡瓦50与内径表面38间隔开。在图5左侧示出的锚固组件42中，致动器48是扩展的并且夹持元件44处于展开位置。当夹持元件44处于展开位置时，卡瓦50与内径表面38接合，从而将动力电缆40锚固并支撑在连续油管34内。在图5的实例中，夹持元件44经历径向移动并且致动器48经历轴向移动。

致动器48可以包括双向记忆效应材料，使得夹持元件44能够在展开位置与缩回位置之间移动，并且卡瓦50能够与内径表面38接合然后脱离，使得动力电缆40能够从连续油管34中抽出来，以进行修理或更换。双向记忆效应材料可以通过施加的刺激(如，例如温度改变、电场、磁场、光或其它常见或已知刺激)来反转，使得夹持元件44能够移动到缩回位置，以使夹持元件44与内径表面38间隔开并且能够从连续油管34中拉出来动力电缆40。

在操作的实例中，为了将动力电缆40部署在连续油管34内使得能够在无钻机操作中安装和维修ESP 14，可以沿着动力电缆40的长度固定夹持元件44。可以对动力电缆40进行拉动或施加压力而穿过连续油管34。然后可以向夹持元件44施加刺激，使得夹持元件44从缩回位置移动至展开位置并与连续油管34的内径表面38接合。夹持元件44可以将动力电缆40锚固并支撑在连续油管34内。如果要取出动力电缆40，可以将夹持元件44移动到缩回位置，使得夹持元件44与内径表面38间隔开，并且能够从连续油管34中拉出来动力电缆40。

因此，本公开的实施例提供了动力电缆40在连续油管34内的封装，从而允许ESP14的无钻机部署。连续油管34为动力电缆40提供机械强度以及物理和腐蚀保护，动力电缆40可以用于传输来自地面30的电力，以驱动ESP 14的电动机16。

因此，本文所述的本公开的实施例非常适于实现所提到的目标并获得所提到的目的和优点，以及其中固有的其它目的和优点。虽然出于公开的目的给出了本公开的当前优选实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。这些和其它类似修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包含在本公开的精神和所附权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种用于将动力电缆部署在连续油管内的系统，所述系统包括：

动力电缆，其能操作以向电潜泵提供动力，所述动力电缆能延伸穿过连续油管；

多个锚固组件，其沿着所述动力电缆的长度间隔开，每个所述锚固组件固定至所述动力电缆并具有夹持元件；并且其中，

所述夹持元件能响应于施加的刺激而在缩回位置与展开位置之间移动，所述夹持元件的尺寸设计成当所述夹持元件处于所述展开位置时与所述连续油管的内径表面接合。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述锚固组件包括外接在所述动力电缆上的开口轴环，从而将所述锚固组件固定至所述动力电缆。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述锚固组件直接粘合至所述动力电缆，从而将所述锚固组件固定至所述动力电缆。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其中，所述夹持元件包括可膨胀弹性体，并且所述施加的刺激是介电油。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述可膨胀弹性体粘合至外接在所述动力电缆上的开口轴环，从而将所述锚固组件固定至所述动力电缆。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其中，所述夹持元件包括形状记忆聚合物，并且所述施加的刺激选自由温度改变、电场、磁场和光所构成的组。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其中，所述夹持元件包括双向形状记忆效应材料，并且所述施加的刺激是温度改变。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其中，所述锚固组件具有致动器，所述致动器能操作以响应于所述施加的刺激而使所述夹持元件在所述缩回位置与所述展开位置之间移动。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述致动器由形状记忆合金形成，并且所述施加的刺激选自由温度改变、电场、磁场和光所构成的组。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述致动器定向成在沿着所述动力电缆的轴线的方向上扩展和收缩，以使所述夹持元件在所述缩回位置与所述展开位置之间径向移动。

11.一种用于为电潜泵提供动力的系统，所述系统包括：

连续油管，其在地下井内延伸；

动力电缆，其位于所述连续油管内；

多个锚固组件，其沿着所述动力电缆的长度间隔开，每个所述锚固组件利用开口轴环固定至所述动力电缆并具有夹持元件；其中，

所述夹持元件固定至所述开口轴环；并且

所述夹持元件能响应于施加的刺激而在缩回位置与展开位置之间移动，所述夹持元件的尺寸设计成当所述夹持元件处于所述展开位置时与所述连续油管的内径表面接合，并且当所述夹持元件处于所述缩回位置时具有缩小的外径。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述夹持元件包括可膨胀弹性体，并且所述施加的刺激是介电油。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述夹持元件包括形状记忆聚合物，并且所述施加的刺激选自由温度改变、电场、磁场和光所构成的组。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述夹持元件包括双向形状记忆效应材料，并且所述施加的刺激是温度改变。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述锚固组件具有包括形状记忆合金的致动器，并且所述致动器能操作以响应于所述施加的刺激而使所述夹持元件在所述缩回位置与所述展开位置之间移动，所述施加的刺激选自由温度改变、电场、磁场和光所构成的组。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述致动器定向成在沿着所述动力电缆的轴线的方向上扩展和收缩，以使所述夹持元件在所述缩回位置与所述展开位置之间径向移动。

17.一种用于将动力电缆部署在连续油管内的方法，所述方法包括：

为动力电缆提供多个锚固组件，所述多个锚固组件沿着所述动力电缆的长度间隔开，每个所述锚固组件固定至所述动力电缆并具有夹持元件，其中，所述动力电缆能操作以向电潜泵提供动力；

将所述动力电缆延伸穿过连续油管；

将刺激施加到所述锚固组件，以使所述夹持元件从缩回位置移动到展开位置，使得所述夹持元件与所述连续油管的内径表面接合。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，为所述动力电缆提供所述多个锚固组件的步骤包括：利用外接在所述动力电缆上的开口轴环将所述锚固组件固定至所述动力电缆。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述夹持元件包括可膨胀弹性体，并且将所述刺激施加到所述锚固组件的步骤包括：将介电油泵送到所述连续油管中。

20.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述夹持元件包括形状记忆聚合物，并且将所述刺激施加到所述锚固组件的步骤包括：从由提供温度改变、提供电场、提供磁场和提供光所构成的组中进行选择。

21.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述锚固组件具有包括形状记忆合金的致动器，并且将所述刺激施加到所述锚固组件的步骤包括：将所述刺激施加到所述致动器，以响应于施加的刺激而使所述夹持元件在所述缩回位置与所述展开位置之间移动。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：将所述致动器定向为使得将所述刺激施加到所述锚固组件而使所述致动器在沿着所述动力电缆的轴线的方向上扩展和收缩，以使所述夹持元件在所述缩回位置与所述展开位置之间径向移动。