CN110177945A - 用于从倾斜井筒中抽出流体的液压驱动双作用正排量泵系统 - Google Patents

用于从倾斜井筒中抽出流体的液压驱动双作用正排量泵系统 Download PDF

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Abstract

提供一种潜水液压驱动多级双作用正排量泵系统。该系统装有一个液压驱动的往复式线性双作用电机，其中，所述电机集中配置在电机两侧的双作用流体泵之间并与之相连，每个泵和电机的活塞均在装置圆柱形主体内壁和同中心配置在主体内的圆柱形产液管道外壁之间的环形空间内，以将井筒流体从装置外部泵送通过泵并进入中央产液管道。可通过地面上的VFD电机和PLC控制器控制流过致动器的液压流体流动速率和方向，且可通过安装到井下组件上的至少一个机电阀门和两个限位开关控制液压流体流动速率和方向。

Description

用于从倾斜井筒中抽出流体的液压驱动双作用正排量泵系统
技术领域
本发明领域是使用高容量和高可靠性泵送或人工提升系统清除井筒中的流体。
背景技术
在先前技术中，其示例如下所述，已知使用在井筒底端管道中安装的往复式线性泵，在泵和地面收集设备之间连接管道，并为泵的往复运动提供动力，通常，活塞部署在汽缸内，汽缸装有相关流量阀控制装置，例如单向阀，用于通过一系列端对端连接并在最低端连接到泵子组件的抽油杆(该抽油杆可在最高端连接到一些机构上)，例如抽油机或类似的驱动机构(在动力下，从地面到泵子组件提供往复线性运动)控制泵子组件内的流体流动。线性泵可以是一系列或多级提升活塞和在每一级均装有适当单向阀的封隔器。此类系统耗时、经过时间考验且提供高可靠性，但由于一系列刚性互连杆不能围绕角落线性移动，或不能在倾斜井筒中弯曲，不会撞击井的内壁，从而对套管和泵杆系统造成损坏和磨损，因此无法部署在倾斜井筒(通常称为“水平井”)中。另外，抽油机式提升系统提供非常不均匀的压力分布，产出流体的流速相对低且不均匀，导致抽液量较低且效率低。此类泵非常普遍，且构成本发明领域内的公知常识的一部分。
较新的系统用地面上的线性液压电机替代抽油机，相关的控制系统试图平衡由不均匀的电机负载引起的不均匀的生产流量，且机械连接件连接到处于数千英尺长抽油杆伸缩范围内的动力行程，其中，我们可以指望通过更精细控制的线性电机而非以前的原油抽油机系统，或通过液压流体动力而非通过抽油杆传递往复线性运动，更有效地将来自地面的电机功率传递给井下泵，因此，有望改善传统抽油机系统的低泵送速率和效率。这种情况的一个示例参见US2015/0285041Dancek和US 8,851,860to Mail。在这种改进的泵系统中，在地面提供动力以驱动井下相同类型的有杆抽油系统，这在本发明中是新颖的：通过使用液压油缸为抽油杆提供往复线性驱动，并通过自适应控制系统控制液压油缸，可使用基于计算机的自适应代码和压力和流量传感器信息更精细地调整功率分布和行程长度以及循环时间。此类系统不能部署在倾斜井筒中，且在地面而非泵上提供液压开关阀控制装置。这有助于改善流量特性，而这一特性是抽油机先前技术的缺点，且这能够提供无大移动部件的井口，确保其不会那么难看且对于周围的人来说可能更安全。此类先前技术发明的数千英尺长的抽油杆仍必须往复运动，这通过可能的数英里长机械连接的易摩擦和连接的抽油杆浪费大量的驱动能量，且需要大量抽油杆机构将线性动力提供给井下泵。在泵柱塞的吸入和排出动作的每个往复行程中，井筒流体压力仍然会大幅波动，这会扰乱井筒筛网或割缝衬管周围的过滤砂，进而导致这些污染物被吸入泵腔，积聚和堵塞泵阀。为了防止抽油杆与井筒内地面或套管摩擦并发生磨损，此类发明的井下泵不能放置在斜井段或水平井生产区深处，这意味着在井的流体产量下降时，可能必须添加ESP系统来配合此类系统。
尽管其他系统使用从地面设备通过管道(绝缘线套软管)提供的液压来驱动往复式线性泵(在相关井筒下部区段中)的线性运动，但通过泵和致动器中包括的机械松开或触发式开关阀装置控制此类系统，或此类系统在地面上装有开关阀。
一些新系统装配有传统的潜水活塞/汽缸往复泵体，此类潜水活塞/汽缸往复泵体由在传统往复泵上或其上方部署的井下液压缸致动器提供动力，也可由从地面提供的液压通过两个管道驱动，在动力流体压力和液压排液之间切换，每个管道提供两种功能，这两种功能通过地面上的控制机构和阀门系统进行切换，通过同在地面上的压力传感装置驱动。当提供高压液压动力的管道中的压力升高(推断为该动力行程结束)时，压力传感器装置提供信号，以响应两个管道中的液压流体流动倒流这一现象。出现了各种各样的问题：与其他新系统一样，设备出现了一些问题，由于每个行程结束时流体流动方向倒转而容易受到水锤效应和功率损失的影响-因此请记住，液压流体管道的长度在几千英尺范围内，其体积(和质量)较大且惯性力较大；本身将承受更大范围的压力(活塞处于动力行程结束状态下时，压力状态较高，而在地面切换之后但在通过其相关的液压管道通过地面切换而成为排出管道(在功能上)之前会一直保持液压流体的动量)，与液压管路、连接件等相关的所有配件将承受较大的力(大于严格要求的力，以驱动致动器活塞往复运动)。此外，在地面上增大压力和动力流体流动的实际逆转之间存在不可避免的时间滞后，这会影响系统中产出流体的体积和压力流特性；此外，传统的潜水泵和此类系统中的致动器的结构会受到其相对位置(顺序)以及井筒和在其位置上的生产管道的内径的限制，这意味着位于泵上方的致动器限制了所产出流体必须流过致动器的孔的体积或横截面。这种类型的布置的一个示例见CA2,258,237
美国专利6,623,252B2、美国专利6,004,114和加拿大申请2,258,237，此类专利或申请全部由Edmund C提供。Cunningham是一种用于井下泵的不同的无杆解决方案，可以放置在斜井的倾斜或水平生产区段。此类新方法通过井下液压旋转电机或井下往复液压致动器施加液压动力来驱动井下泵。在此类发明摘要中，移除了数千英尺长的抽油杆柱，且用液压电机或液压往复致动器代替井下电机(ESP)。在Alberta Oil Sand CSS或SAGD井中也有一些示例，此类示例使用液压旋转电机驱动金属到金属螺杆抽油泵(PCP)或多级离心泵系统。所有这些示例都对泵驱动装置或动力机构进行了一些更改，且不对井下泵本身进行任何更改，而是使用传统PCP泵或放置在生产管道内的传统往复泵。此类泵的流速通常很小，无法达到类似尺寸和直径的ESP所能产生的大流速或无法产生SAGD井实际需要的流速。所公开的发明CA 2,258,237实际上会在使用中失败。该发明提出，通过地面阀门系统控制双作用液压潜水致动器，以往复运动并自动逆转传统的井下泵。如上所述，对于大多数油井而言，从地面设备到井下泵的液压供应管至少为几千英尺长。这种在地面切换液压流向的布置很可能会导致默认的“上死点”。此外，如上所述，当液压致动器的活塞行程到达其行程的一端时，地面开关不会自动或立即逆转数千英尺液压流体的流动，存储在液压流体长管中的惯性能量将继续在供应管的下端向前流入已经充满的泵室，这将导致液压致动器一个腔室中的压力波动较大。从另一个致动器室到液压排出管内的表面，管中的液压流体(通常是油)会继续耗尽，这产生液柱分离部分真空，这可能会导致水锤力和部分真空引起的液压流体变质。
显然，至少需要解决先前技术中的一些上述问题。
发明内容
在本发明实施方案中，提供了以下各项：一种用于将产出流体从井筒提升到地面的潜水系统，包括：
a.一个井下装置
b.一个连接地面设备和井下装置的管道，用于将增压液压流体从电动液压泵传输到井下装置
c.一个连接井下装置和相同地面设备的第二管道，用于将排出的液压流体从井下装置传输到地面设备
d.一个生产管道，用于将井下装置泵送的产出流体从井筒传输到第二组用于收集产出流体的地面设备，其中，所述生产管道操作连接在井下装置上的连接器和地面收集设备之间。
井下装置包括：
i.一个第一泵段，装有汽缸和所包括的活塞，且包括阀门和流体通道，形成双作用泵
ii.一个线性往复液压致动器段，装有汽缸和所包括的活塞，且包括阀门和流体通道，形成双作用线性液压电机，和
iii.一个第二泵段，装有汽缸和所包括的活塞，且包括阀门和流体通道，形成双作用泵
每个泵的活塞和致动器连接在一起，使它们在相应的汽缸内以相同的方向和速度运动；和
iv.每个活塞的配合汽缸形成在装置外部主体圆柱形部分内壁和第二圆柱形主体外表面之间的环形空间内，其中，所述第二圆柱形主体外表面同心布置在外部主体的所述圆柱形部分的中心内部，所述第二圆柱形主体装有一个内部产流管道，
v.每个活塞均为带有中心开口的圆盘，其中，所述活塞可滑动密封到环形配合汽缸的每个圆柱形表面上
vi.每个配合汽缸在每个区段的两端受壁的限制，其中，相邻汽缸可共用共同的壁
vii.每个活塞之间的连接也可通过壁上的开口在装置主体内纵向以线性方式往复滑动，同时动态密封在包括以此方式连接的两个活塞的两个区段之间的壁上
viii.每个泵段的汽缸在管道中有两组单向阀，管道中的阀成对，每组装有多对相反的单向阀，一组在由该段汽缸表面、外壁和所包括的活塞一侧所限制的腔室内，另一组在所包括的活塞另一侧的泵段汽缸中的第二腔室中，并由另一端壁限定，每个阀门对包括：一个单向阀，在活塞移动以扩大腔室体积时，允许井筒流体从装置外部进入腔室，在活塞向另一方向移动以收缩腔室体积时，阻止井筒流体流出；和另一相反的单向阀，在活塞移动以扩大腔室体积时，阻止流体从产液管道流入腔室，在活塞向另一方向移动以收缩腔室体积时，允许流体从腔室流出，流入产液管道，因此形成了双作用泵。
在本实施方案中，系统有两个侧面，每侧均有一个泵段，所述泵段装有一个环形汽缸和一个活塞，形成独立的装有许多API标准VI1阀门的双作用泵，每个泵机组装有一个液压致动器汽缸，以同时驱动四个独立双作用泵的两个泵段，与直径类似的传统往复式API单作用杆式泵相比，泵送约为五倍的井筒流体，或与许多常规API标准杆式泵相比，泵送相同体积的井筒流体。
在一个实施方案中，致动器汽缸与两个管道相连，每个管道在其活塞的每一侧上，每个管道也与机电开关阀连通，该开关阀也与每个动力管道和液压流体排出管道连通，其中，在地面的电机控制器电连接到开关阀，其中至少一个传感器用于向电机控制器提供信号，该信号指示在三种备选方案之间将液压流体的流动切换到并通过致动器的适当时间的条件：
1.直接通道，驱动致动器活塞，以在一个方向上移动，
2.交叉通道，驱动致动器活塞，以在另一个方向上移动，或
3.旁路或空转位置，使液压流体绕过致动器，并使致动器腔室变为密封状态，从而制动并保持致动器活塞在适当的位置
在另一个实施例中，在井筒中安装和操作时，一个井下泵机组连接到地面的生产管道上，包括：
a.一个线性往复式液压电机
b.两个线性往复式泵机械连接到电机的两侧并位于电机两侧上，阀门控制的流体从井筒和阀门控制的流体出口进入生产管道
c.一个机电开关阀，带有可选择的直接、交叉和旁路管道，用于液压流体流过电机，开关连接到装置上，在装置处，开关操作响应来自装置上的传感器或地面和装置之间液压流体回路的信号，由地面电源供电；和
d.开关、致动器和地面设备之间的增压液压流体用供应和排出管道
在另一个实施方案中，活塞控制传感器包括至少一个电气限位开关，位于一个泵活塞行程末端的活塞位置处或附近，在泵的线性往复运动范围的至少一个方向上可操作连接到指示活塞到达限位开关位置的信号。
在一个实施方案中，该设备在装置的内部生产汽缸和产流管道之间装有附加单向阀，允许从装置朝向地面单向流动，以防止产出流体回流。
在另一个实施方案中，该设备可能装有附加动力泵段，其中，所述泵段装有相关流体连接件、阀门和传感器。
在另一个实施方案中，设备装有地面设备，其中，可通过操作地面上的可变频率驱动(VFD) 电机控制和改变电动液压泵的液压动力流体流速，以使井下致动器相应地改变井下泵速。
在本发明的实施方案中，泵设备装有地面设备，包括一个液压油冷却器，用于控制液压流体冷却，以使工作液压油保持在理想温度下，以冷却并控制井下装置中设备的工作温度，特别是在200℃以上的热井中，例如蒸汽辅助重力泄油(SAGD)井，同时，泵设备可装有一个增压液压流体供应管道，也装有一个用于排出地面设备和井下装置之间的液压回流流体的管道，其中，真空隔离管道(VIT)或隔离装置用于隔离液压流体，防止其在热井应用中加热，例如SAGD井，以保持工作液压油处于理想的温度范围内。
在另一个实施方案中，在井下装置中装有用于液压动力油方向的机电开关阀，以有意定制液压油通气油盒内的流量，其中，井下机电开关阀关闭并浸没，用清洁的工作液压油予以保护，并通过冷却油和压力隔离提供理想的工作温度。
本发明可在地面装有控制器箱，其中，所述控制器箱装有计算机可编程序逻辑控制器 (PLC)，其中，所有系统设备，包括权利要求1中所述的井下装置中的电气限位开关和机电开关阀，还包括系统中的VFD电机、所有温度和压力传感器、开关和阀门，均可通过PLC和相关接口进行集中控制并在PLC和相关接口上报告。
需要了解的是，所述发明不受发明详述中示例或实施例的限制，且本领域技术人员将通过权利要求来理解本发明的范围。
附图说明
图1为表示系统和安装系统的井筒的相关元件的示意图，包括地面设备，一般而言，该图不按比例尺绘图。
图2为侧重于本发明系统子系统内开关阀、致动器和相关液压流体路径的另一个示意图，同样，该图不按比例尺绘图。
图3、3A和3B为井底深井泵、致动器和开关阀的示意图，展示了采用三种开关阀结构的井下组件(泵、致动器、泵、开关阀)内的流体流动路径：直接流动、交叉流动、空转或旁路流动。图3、3A和3B不按比例尺绘图，但描绘为“相同尺寸”，以确保读者理解本发明的流动状态。
图4为系统井下组件端部的正面透视图，展示了移除泵段的外壁或外筒，以确保读者能够查看并理解活塞连接器、活塞和部署在泵缸内的单向阀的位置以及产流圆柱形内部管道位置。
图5为展示在实际常规(API)杆式泵和本发明的液压致动泵系统的可比循环时间(线性往复式泵循环)下产出流体的流速和体积的图形或图表。
图6为表示与泵系统相关的控制系统的示意图，包括井下和地面控制系统(不按比例尺绘图)。
具体实施方式
通过从地面到井下泵系统100的增压液压流体流提供液压动力。液压流体在闭环系统55 和65中经由动力管道55流入和流出地面收集、处理和泵送设备，到达本发明的井下 组件100 和从井下组件100引出的排出管道65。驱动致动器110时，在高于环境压力的情况下，封闭系统中的液压流体也会进入致动器110中，进而润滑并产生压力隔离效果以保持井筒流体和污染物远离致动器移动部件。此时，致动器内压力可能是环境井筒压力的至少两倍。
井下组件100内的液压流体的流动由在井下组件100位置处的机电开关阀60控制，以引导液压流体流动的方向，为泵系统的线性致动器110提供动力，优选双作用线性活塞和汽缸式液压致动器，在一个方向或相反方向上完成行程，或绕过致动器110且仅流过阀门60，并完成从地面进入并通过在井下组件位置处的阀门60，然后进入排出管道65并回流至地面处的回路55。三个阀门60位置175可以称为“直接流动”、“交叉流动”和“旁路”或“空转流动”。“旁路”阀门位置使致动器110与液压流体流隔离，并使泵活塞135由此制动或锁定在其当前位置，当井下组件进入或离开井筒时，这有助于避免发生问题，其中，压力变化将随着组件在井筒中向上或向下移动而起作用。
此外，当处于“旁路”或“空转”位置时，液压流体55从地面流入泵110并回流至排出管道65变得相对不受阻碍，允许新鲜液压流体快速迂回流动(通常每1000英尺行程约1.5分钟)，根据需要，允许使用液压流体作为冷却液来冷却井下组件，尤其是机电开关阀60。
系统的井下组件包括液压流向阀60、液压动力线性致动器110以及至少一个(优选两个) 双作用正排量线性活塞式泵150，其中，双作用正排量线性活塞式泵150装有致动器110，每个泵150通过驱动连接器114直接连接，确保致动器110移动也会使每个连接的泵150内的活塞135移动。
除了液压动力管道55和排出管道65，也有泵送流体管道10和25，通过该泵送流体管道 10和25将流体从在井下组件100位置处的井筒流经井筒15泵送到所需位置，优选位置为地面上的流体处理系统。流体管道10和25应能够在由致动器110提供给泵活塞135的压力下处理大量产出流体。产出流体体积取决于泵活塞135的数量和表面面积以及致动器110的行程长度和往复频率(以及泵活塞135的行程长度和往复频率)。如下文所述，由于泵150优选为双作用泵，因此在每个行程(致动器110和每个活塞135在改变方向前在特定方向上行进的距离)上，根据每个泵缸150的一端确定腔室，而泵活塞135的正面侧将作为在动力下通过泵阀门和管道将内容物排出到泵送流体管道10和25的腔室或在动力下通过其他泵阀门 和管道从井筒(例如图3A中的56)填充内容物的腔室。
位于井下设备100处的机电开关阀60由机电开关阀60和地面设备30之间的电气连接件 31和32驱动和控制，允许使用其他设备或由操作员通过地面控制器接口30从地面控制方向改变的频率。由于开关阀60位于井筒底部的井下泵100处，因此液压动力管道55中的流体总是向下流到井下致动器110(在100周围)，液压排出管道65中的流体始终向上流动。两个液压管道55和65的流动方向从不倒转，因此对数千英尺的所包括的液压流体的动量影响可以忽略不计-例如，在液压流体在地面切换的系统中，当流动停止时或通过地面上的阀门改变其方向时，只承载一柱液压流体的管道、地面开关阀和液压致动器活塞之间的距离长度将首先受到流体流动停止产生的应力，导致致动器上方的内部管道压力下降。然后，来自上方的压力与该管道中的液压流体的持续向上流动相冲突，导致致动器上方另一个之前刚刚发生压力上升的管道中的内部管道压力激增。此类应力类似于“水锤”效应，导致管道、连接器、接头和其他设备上出现过度且不必要的应力和应变。在此类液压系统中，在往复运动数千英尺长的快速流动的压力油柱时，会浪费大部分来自地面来源的液压动力，只有少量的动力留给油柱，以驱动油柱底端的致动器。本发明中该问题得到了解决，即，将开关阀60放在井下组件100及其致动器110的位置处，因为开关阀60从不会引起地面与井下组件100之间的数千英尺长的液压动力管道55或排出管道65的方向发生改变，而是控制开关阀60和致动器110之间的两个短(10-20英尺长)油管61和62的方向，这意味着，可最大限度减小或消除“水锤”效应。
尽管连接到井下泵机组100的机电开关阀60可解决或消除数千英尺长的动力液压油柱的“水锤”效应，但位于井下装置位置100处的机电开关阀60的所处环境可能非常具有挑战性。本发明旨在将该机电阀总成60安装在所包括的外壳63内，其中，所述外壳可容纳来自阀门 60的排出液压油。这种设计和安装将该阀门浸没在始终清洁且温度受控的液压油中。因此，即使在外壳63外部的实际井下环境可能是含有液体、气体和沙粒以及高压和高温的多相混合物，例如在蒸汽辅助重力泄油(SAGD)生产井中，井下装置100处的阀门60的环境条件也可以与其在地面上的环境条件一样好。
致动器110和泵150机组100的长度取决于井筒15的偏差可以容纳的刚性工具的所需长度，且取决于致动器110的行程长度(和每个泵150的行程长度，每个泵的行程长度均与致动器的行程长度相同)。这里揭露的本发明可以有任何行程长度，但行程长度的优选范围约 10英尺(或多或少)，这与普通或传统有杆泵设备相类似-若需要，这允许与传统硬件和方法兼容。应注意的是，实际上，开关阀60可由一系列阀门来实现，一个阀门在关闭(空转或旁路)和打开(允许流向下一个阀门)之间循环，另一个阀门在直通式和交叉式液压回路之间循环(未单独示出)。在这种情况下，可从地面30控制旁路阀门，而从100(在子装置处) 局部控制直通式/交叉式阀门。可采用各种可能的控制电路和阀门布置。在一个实施例中，有一个开关阀(直通式和交叉式回路之间的方向开关阀)和两个限位开关33和34(对于最大行程，在行程末端或接近行程末端处装配一个开关，使在系统活塞将在一个方向上接近其线性运动末端的位置处有一个限位开关，且在活塞线性运动末端处有另一个限位开关-不一定是相同的活塞-在其行程的相反方向上)。此类限位开关33和34可以通过电线回路33A和34A连接到地面，进而连接到地面控制器30，其中，地面控制器30可将开关阀60向井下引导到直通或交叉位置(且如果配备了旁路位置，则应引导到旁路位置)。根据电气控制回路的结构和控制器功能，从井下限位开关33和34中的任意一个或两个开关或从地面控制器系统30提供控制信号，且此类操作可采用自动方式或通过手动操作完成。通过地面流量传感和控制装置向控制器30反馈，可获得各种行程长度，这可引导开关60改变致动器110中的液压流动回路方向或以其他方式从地面30控制液压流体流速和动力。为了集成复杂的控制器功能，在地面设备处的控制器箱30内的计算机可编程序逻辑控制器(PLC)可用于发挥核心作用，其中，所有系统设备，包括井下装置中的机电开关阀60和井下装置100中的电气限位开关33和34，还包括位于整个系统各个部位中的VFD电机70A、VFD电机36A、所有温度设备和压力设备，均可集中监控和控制，并可显示其状态，以响应PLC 30。
通过将系统100的井下组件配置为中央线性致动器110，其中，在每端连接有双作用泵 150，例如在本发明的优选实施例中，大体积泵送系统有相对短的总长度，这有助于在弯曲或倾斜井筒15中应用本发明，其中，长的刚性子装置限制了可使用子装置的井筒的结构。较短的子装置通常具有更大的实用性，能够用于更多数量的潜在井筒结构。
在本发明的一个优选实施例中，井下组件100的主体为圆柱形主体160且为空心主体，且带有所包括的第二汽缸，其内部形成圆柱形泵送流体通道158，其通过其主体固定于中心(在横截面中)并且在组件主体的三个相邻区段内延伸：一个第一泵段155、一个致动器区段110 和一个第二泵段140。在三个区段中的每个区段内均部署了活塞135，活塞135可滑动配合并动态密封到圆柱形主体156、160、140的内表面和第二汽缸158的外表面，从而在每个活塞 135的每一侧形成环形活塞表面。连接每个活塞，确保致动器系统内的活塞移动时，两个泵活塞在相同方向上移动相等的距离；优选通过三个杆114进行连接，其中杆114将第一泵段 155中的活塞135连接到致动器活塞110，致动器活塞110又连接到第二泵活塞135和140。三个区段分离后为环形壁(靠近141和142)：第一壁位于第一泵段外端，第二壁位于第一泵段内端，第一和第二壁的活塞侧和圆柱形主体的内表面以及第二汽缸的外表面限定第一泵缸；第三壁位于致动器区段内端，第二和第三壁的致动器侧和圆柱形主体的内表面以及第二汽缸的外表面限定致动器110；第四壁位于远离致动器的第二泵段的最远端，第三壁的泵活塞侧、第四壁的活塞侧、圆柱形主体的内表面和第二汽缸的外表面限定第二泵缸。连杆114延伸穿过并连接到每个活塞135，同时也延伸穿过滑动密封结构的每个壁，允许连杆在壁内的孔内以线性往复方式移动，同时动态密封以允许壁作为形成各种活塞汽缸的屏障。
每个泵段以类似的方式运转：致动器110活塞移动时，致动器活塞之间的连接件在同一方向上推动泵活塞135，从而使活塞在泵缸内移动。在一个方向上，一组单向阀156和157 允许井筒流体流入泵缸的第一腔室，其中，所述腔室随着活塞在汽缸内移动而膨胀，同时，在腔室膨胀时，在同一汽缸中同一活塞相反侧第二腔室中的第二组单向阀141和142打开，以允许来自第二腔室的井筒流体被迫进入泵送流体通道158，并从泵送流体通道158进入朝向地面的泵送流体管道10。当然，也有在此行程期间关闭但在致动器和活塞的反向行程期间打开的其他单向阀，此类其他单向阀在打开时将从第一腔室连通到泵送流体通道且从第二腔室连通到井筒。在相反行程期间，第一和第二腔室功能将逆转，致动器和连接的活塞的线性方向逆转。另一个单向阀300可放置在井下组件的中央泵送流体管道和泵送流体通道之间的连接件内，以控制来自该通道的流体回流或其压力影响到泵内的压力。
在相同的示例性行程期间，致动器110结构如下：开关阀60与致动器区段110第一腔室之间的第一管道放置到与液压流体动力供应管道55连通的流体中，开关阀60与致动器区段110第二腔室之间的第二管道放置到与液压流体排出管道65连通的流体中，这两种操作均通过开关阀60的一种结构完成-为了便于参考，本示例采用“直接流动”结构。致动器110 区段第一腔室由泵送流体管道外表面和井下组件主体的内表面和致动器活塞112的一侧之间的环形空间中的体积形成，而第二腔室由致动器活塞112另一侧的致动器区段汽缸内的体积形成。引入致动器第一腔室的液压流体动力供应管道55在一个方向上推动活塞112，从而使活塞及其连接的设备移动，并将第二腔室中的液压流体预先推入液压流体排出管道65，两者都通过每个腔室与开关阀60之间连通的井下组件。因此，可以往复运动方式驱动致动器活塞进行线性运动，从而驱动泵150。在致动器活塞112的每个行程结束时，通过适当切换开关阀60，可使活塞的运动发生变化，在本示例中，运动模式是从“直接流动”变换到“交叉流动”结构。在泵开始工作之前，停顿位置通常仅用于循环在地面和井下组件之间的长动力管道和排出管道内的液压流体，或用于冷却井下组件100，特别是机电阀60。泵开始工作后，为了保持长的液压管道在其相应的单一方向上流动并防止“水锤”效应，通常不使用空转停顿位置。在某些情况下，可通过控制流量或液压流量开关阀60来控制暂停周期、行程频率和行程长度，且这种操作可通过响应系统不同管道55、65和25中的任何一个管道的流体流速来完成，其中，所述流体流速为在地面30或井下设备100处测得的流速。致动器110可优选装配一个或多个限位开关33和34，以直接感测活塞112何时处于其行程中的特定点，优选为接近或邻近致动器汽缸的任一壁时，来自在任一壁处或壁附近的限位开关33和34的信号可用于控制开关阀60，以通过限制活塞行程来减少活塞与壁发生碰撞。
可通过地面液压泵40(通常为普通齿轮泵)的流速简单确定并控制产出流体25的流速。当地面液压泵40以较高流速甩出增压液压流体55时，会以较高速率将所产生的井筒流体25 泵送到地面设施(未示出)。可通过控制箱30内通常可用的经验证的频率驱动装置(VFD)和相关电机轻松控制地面液压泵40的流速。
相比于先前技术中往复式线性泵系统中产生的井筒流体的体积，泵系统产生的体积更大，泵流速更均匀且恒定，且无任何显著的中断或波动，特别是那些在地面切换或由地面上驱动设备的一系列杆或机械连杆驱动的泵系统，其中，先前系统的流动特性始终是间歇性的(例如抽油机系统)。例如，本发明设计的一个4.75"泵可提供二十几个1.75"传统有杆泵的等效产流流量。
值得注意的是，本发明的井下装置100的移动部件非常少，这确保了其非常可靠。驱动部件的质量非常低，因此在往复运动循环期间需要很少的能量来改变系统的线性方向。移动的部件密封在小区域(例如，活塞边缘112和135)上，在部件操作运动时会产生非常小的摩擦。单向阀141、142和300非常简易，且可以是可靠性非常高的球形阀。致动器区段110 和一个泵段150之间的连接断开时，致动器110仍可以使用装置另一侧的泵150泵送产流。由于产流管道158同心布置在装置主体和活塞的中心内，因此相比于装置的外径，每个活塞 135的表面积可能更大，其必须安装在要使用的井筒10内-这从致动器活塞提供更多动力且每个活塞的每个行程的位移更大。通过在井下装置60处局部切换液压流体流动路径，使得必须往复运动的质量非常小(例如，在任何泵往复运动循环期间，开关上方的封闭系统55和 65中的液压流体不需要改变方向)，这确保高效利用每单位泵送产流体积的动力。在液压致动器110的任一侧上的双作用泵150的布置以及泵室的结构自动恰当平衡，具有非常稳定且无波动的流速(体积和压力分布)，这减少了部件或子组件、连接器、管道以及外部管道和设备的多余动作-非常均匀地施加和使用力，无不规则的浪涌，这减少了设备和组件磨损和应变。从地层到装置的稳定流速以及从装置100到地面的稳定流速对地层和与井筒相关的设备以及生产流体提升到地面产生较小的应力。系统的泵150可提供高流速和高压力，且井下装置100的最大直径和长度有助于倾斜井筒10和15。在工作时和处于怠速或旁路设置(在开关阀处)60下时，系统能够使用从在系统中表面55流出的液压流体冷却井下装置100。增压液压流体55为泵送的井筒流体25提供动力。同时，工作液压流体55持续循环，从地面进入井下装置，然后回流到65再回流回地面。这种自冷却特征的结果是，在地面设备处同时冷却和过滤工作液压流体。这种内置特征特别适用于高温井筒，例如这在SAGD井中较为常见，在这种情况下，操作员可使用真空隔热管(VIT)，也可使用其他隔热管，例如PTFE管，防止管道中的液压工作流体被热井筒环境加热。通过将装置的该部分保持沉浸于在地面上连续冷却和清洁的高压液压流体中，将致动器活塞112和汽缸与井筒流体隔离意味着，致动器110的动力性将非常稳定且不易受到外部污染物影响，进而确保了致动器110更不易磨损且其组件更便宜。液压致动器110将具有更长的使用寿命且更不易受井下环境引起的故障的影响，例如对倾斜井和SAGD井中的电动潜水泵(ESP)系统中使用的电机有害的高温和高压环境。螺杆电机和泵系统不如本发明的往复式线性电机和泵有效且可靠。ESP通常是旋转动力驱动离心泵级，其不如线性系统有效且可靠，且相对于移动部件以更高的速度运行，从而实现更高的速度运动(在ESP中以3500rpm或更高的量级)，如果不平衡则更具破坏性，如果在使用时 (例如在弯曲或倾斜井中)以倾斜(从垂直角度来看)姿势旋转，则轴承磨损更大，或如果旋转子部件的装配阶段较长(在500-1000英寸的量级)，则在注入倾斜井筒期间，旋转子部件会变形或倾斜。相比于本发明的装置将相等体积流体提升相等距离所需的长度，使用多级离心泵提供足够升力所需的装配长度要更长得多。此外，受高温影响时，在无自冷却方法的情况下，ESP系统的电机会在井下产生自己的热量，特别是在井筒环境也很热的情况下。
附图中匹配的部件号和参考号表如下：
电气控制系统：
30 电控箱
31，31A 电磁阀控制阀门的一个方向及其电缆
32，32A 电磁阀控制阀门的另一个方向及其电缆
33，33A 限位开关一个方向
34，34A 限位开关另一个方向
35，35A 流量计及其电缆
36，36A 一次推进器及其电缆
液压动力系统：
40 一次液压容积式泵
45 旁通阀
50 流量控制阀
55 液压动力供应管道(高压)
60 液压动力方向阀
61 用于井下泵致动器一个腔室的液压动力供应和油通气管
62 用于井下泵致动器另一个腔室的液压动力供应和油通风管
63 液压动力方向阀用油通气油盒
65 液压油通气管
70 液压油冷却液
75 液压油过滤器
80 液压油贮存器
85 液压油柜
井筒流体泵送系统
100 水平井筒段
110 四组井下泵用单一液压致动器
112，113 液压致动器活塞和密封件
114，114' 四组井下泵用致动器杆
116，116' 致动器杆密封件
118 液压致动器的内筒
120 液压致动器的外筒
130 P1组泵
130 P1'组泵
135，136 P1组泵和P2组泵用泵柱塞(或活塞)及其密封件
135'，136' P1'组泵和P2'组泵用泵柱塞(或活塞)及其密封件
140 P1组泵用阀座
141 P1组泵用流体吸入阀
142 P1组泵用流体泵送阀
140' P1'组泵用阀座
141' P1'组泵用流体吸入阀
142' P1'组泵用流体泵送阀
150 P2组泵
155 P2组泵用阀座
156 P2组泵用流体吸入阀
157 P2组泵用流体泵送阀
150' P2'组泵
155' P2'组泵用阀座
156' P2'组泵用流体吸入阀
157' P2'组泵用流体泵送阀
158 P1组泵和P2组泵用内筒
160 P1组泵和P2组泵用外筒
158' P1'组泵和P2'组泵用内筒
160' P1'组泵和P2'组泵用外筒
175 液压动力方向阀组合
300 所有组泵用排出阀
10 井产液管道
15 井筒套管
20 井口
25 油管

Claims (10)

1.一种用于将产出流体从井筒提升到地面的潜水系统，包括：
a.一个井下装置
b.一个连接地面设备和井下装置的管道，用于将增压液压流体从电动液压泵传输到井下装置
c.一个连接井下装置和相同地面设备的第二管道，用于将排出的液压流体从井下装置传输到地面设备
d.一个生产管道，用于将井下装置泵送的产出流体从井筒传输到第二组用于收集产出流体的地面设备，其中，所述生产管道操作连接在井下装置上的连接器和地面收集设备之间
e.井下装置包括：
i.一个第一泵段，装有汽缸和所包括的活塞，且包括阀门和流体通道，形成双作用泵
ii.一个线性往复液压致动器段，装有汽缸和所包括的活塞，且包括阀门和流体通道，
形成双作用线性液压电机，和
iii.一个第二泵段，装有汽缸和所包括的活塞，且包括阀门和流体通道，形成双作用泵
每个泵的活塞和致动器连接在一起，使它们在相应的汽缸内以相同的方向和速度运动；
iv.每个活塞的配合汽缸形成在装置外部主体圆柱形部分内壁和第二圆柱形主体外表面之间的环形空间内，其中，所述第二圆柱形主体外表面同心布置在外部主体的所述圆柱形部分的中心内部，所述第二圆柱形主体装有一个内部产流管道，
v.每个活塞均为带有中心开口的圆盘，其中，所述活塞可滑动密封到环形配合汽缸的每个圆柱形表面上
vi.每个配合汽缸在每个区段的两端受壁的限制，其中，相邻汽缸可共用共同的壁
vii.每个活塞之间的连接也可通过壁上的开口在装置主体内纵向以线性方式往复滑动，同时动态密封在包括以此方式连接的两个活塞的两个区段之间的壁上
viii.每个泵段的汽缸在管道中有两组单向阀，管道中的阀成对，每组装有多对相反的单向阀，一组在由该段汽缸表面、外壁和所包括的活塞一侧所限制的腔室内，另一组在所包括的活塞另一侧的泵段汽缸中的第二腔室中，并由另一端壁限定，每个阀门对包括：一个单向阀，在活塞移动以扩大腔室体积时，允许井筒流体从装置外部进入腔室，在活塞向另一方向移动以收缩腔室体积时，阻止井筒流体流出；和另一相反的单向阀，在活塞移动以扩大腔室体积时，阻止流体从产液管道流入腔室，在活塞向另一方向移动以收缩腔室体积时，允许流体从腔室流出，流入产液管道，因此形成了双作用泵
一个泵段，其中，所述泵段装有一个环形汽缸和一个活塞，形成独立的装有许多API标准VI1阀门的双作用泵，每个泵机组装有一个液压致动器汽缸，以同时驱动四个独立双作用泵的两个泵段，与直径类似的传统往复式API单作用杆式泵相比，泵送约为五倍的井筒流体，或与许多常规API标准杆式泵相比，泵送相同体积的井筒流体。
ix.致动器汽缸与两个管道相连，每个管道在其活塞的每一侧上，每个管道也与机电开关阀连通，该开关阀也与每个动力和排气液压流体管道连通
x.在地面的电机控制器电连接到开关阀
xi.至少一个传感器用于向电机控制器提供信号，该信号指示在三种备选方案之间将液压流体的流动切换到并通过致动器的适当时间的条件：
1.直接通道，驱动致动器活塞，以在一个方向上移动，
2.交叉通道，驱动致动器活塞，以在另一个方向上移动，或
3.旁路或空转位置，使液压流体绕过致动器，并使致动器腔室变为密封状态，从而制动并保持致动器活塞在适当的位置
2.在井筒中安装和操作时，一个井下泵机组连接到地面的生产管道上，包括：
a.一个线性往复式液压电机
b.两个线性往复式泵机械连接到电机的两侧并位于电机两侧上，阀门控制的流体从井筒和阀门控制的流体出口进入生产管道
c.一个机电开关阀，带有可选择的直接、交叉和旁路管道，用于液压流体流过电机，开关连接到装置上，在装置处，开关操作响应来自装置上的传感器或地面和装置之间液压流体回路的信号，由地面电源供电
d.开关、致动器和地面设备之间的增压液压流体用供应和排出管道
3.权利要求1所述的设备，其中传感器包括至少一个电气限位开关，位于一个泵活塞行程末端的活塞位置处或附近，在泵的线性往复运动范围的至少一个方向上可操作连接到指示活塞到达限位开关位置的信号。
4.权利要求1所述的设备，其中所述设备在装置的内部生产汽缸和产流管道之间装有附加单向阀，允许从装置朝向地面单向流动。
5.权利要求1所述的设备，其中，所述设备装有附加动力泵段，所述泵段装有相关流体连接件、阀门和传感器。
6.权利要求1所述的设备，其中，所述设备装有地面设备，其中，可通过操作地面上的可变频率驱动(VFD)电机控制和改变电动液压泵的液压动力流体流速，以使井下致动器相应地改变井下泵速。
7.权利要求1所述的设备，其中，所述设备装有地面设备，包括一个液压油冷却器，用于控制液压流体冷却，以使工作液压油保持在理想温度下，以冷却并控制井下装置中设备的工作温度，特别是在200℃以上的热井中，例如蒸汽辅助重力泄油(SAGD)井。
8.权利要求1所述的设备，其中，所述设备装有一个增压液压流体供应管道和一个用于排出地面设备和井下装置之间的液压回流流体的管道，其中，隔离管道或管道或真空隔离管道(VIT)可用于至少一个动力流体管道，以隔离液压流体，防止其在热井应用中加热，例如SAGD井，以保持工作液压油处于理想的温度范围内。
9.权利要求1所述的设备，其中，所述设备在井下装置中装有用于液压动力油方向的机电开关阀，以有意定制液压油通气油盒内的流量，其中，井下机电开关阀关闭并浸没，用清洁的工作液压油予以保护，并通过冷却油和压力隔离提供理想的工作温度。
10.权利要求3所述的设备，其中，所述设备在地面设备处装有控制器箱，控制器箱装有计算机可编程序逻辑控制器(PLC)，其中，所有系统设备，包括权利要求1中所述的井下装置中的电气限位开关和机电开关阀，还包括系统中的VFD电机、所有温度和压力传感器、开关和阀门，均可通过PLC和相关接口进行集中控制并在PLC和相关接口上报告。
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