CN112513415A - 用于防止倒置式电潜泵中砂的积聚的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于向井筒流体提供人工举升的系统和方法包括位于井筒内的泵(18)。电动机(20)位于泵的井上，并且保护器组件(22)位于泵和电动机之间。井下封隔器(28)位于泵的井下的井筒内。砂分流器(40)位于泵的井下，并且具有位于井下封隔器的井上的流动端口组件(48)，砂分流器具有与井下封隔器的井下的井筒流体连通的分流器内孔(46)。流动端口组件具有内套筒，该内套筒能够在打开位置和闭合位置之间移动，在打开位置处，内套筒端口组件与外套筒的外套筒端口组件对准，在闭合位置处，内套筒端口组件与外套筒端口组件不对准。

Description

用于防止倒置式电潜泵中砂的积聚的系统和方法

发明人：德雷姆·伊诺克·额济姆

J·肖

技术领域

本公开涉及用于油气开发操作的电潜泵，并且更具体地，本公开

涉及一种具有井下封隔器的倒置式电潜泵完井。

背景技术

在油气的开发中，通常的做法是使用电潜泵送系统(ESP)作为人工举升的主要形式。作为示例，安装在井上封隔器和井下封隔器之间的连续油管部署的倒置式ESP，或者插入抛光孔座中的过油管线缆部署的ESP系统可以用于提供人工举升。在泵停机期间，井筒(井眼)中的砂可能被困于完井底部。频繁的停机导致所困的砂随着时间的推移而积聚，使得在泵的收回期间难以将系统拉出。此外，取决于砂的积聚的量，泵的排出可能被阻塞，从而妨碍将油气制取至地表。

发明内容

本公开的系统和方法降低了倒置式ESP在现场操作期间由于固体颗粒积聚而卡住的风险。砂分流器安装在ESP管柱的井下区域，当泵停机时，砂分流器为砂和其它固体颗粒创造通道以在井下封隔器的井下排出。这也防止了一定量的砂通过ESP，增加了ESP的操作可靠性和对于油田经营者的经济收益。当泵停机时，包含夹带砂的流体将随阻力最小的路径行进。因为存在通过ESP的曲折流动路径，所以包含夹带砂的流体将优先地流动通过砂分流器。利用包含夹带的砂的流体向井下分流，本公开的实施例不需要为涵盖存储砂的能力而增加尺寸或加长。

在本公开的一个实施例中，一种用于向井筒流体提供人工举升的系统具有位于井筒内的泵，该泵定向成选择性地增加从井筒通过生产管件朝向地表行进的井筒流体的压力。电动机位于泵的井上的井筒内，并且向泵提供动力。保护器组件位于泵和电动机之间。泵、电动机和保护器组件形成电潜泵系统。井下封隔器位于泵的井下的井筒内。砂分流器位于泵的井下，并且具有位于井下封隔器的井上的流动端口组件。砂分流器具有分流器内孔，该分流器内孔与井下封隔器的井下的井筒流体连通，其中流动端口组件具有内套筒，该内套筒能构在打开位置和闭合位置之间移动，在打开位置处，内套筒端口组件与外套筒的外套筒端口组件对准，在闭合位置处，内套筒端口组件与外套筒端口组件不对准。

在替换实施例中，系统还能够包括偏压构件，该偏压构件定位成将内套筒朝向闭合位置偏压。砂分流器还可以包括反压构件，该反压构件定向成这样：当泵关闭时，反压构件上的力超过偏压构件的力，使内套筒朝向打开位置移动。

在其它替换实施例中，系统还可以包括偏压构件，该偏压构件定位成将内套筒朝向打开位置偏压。砂分流器还可以包括反压构件，该反压构件定向成这样：当泵开启时，反压构件上的力超过偏压构件的力，使内套筒移动至闭合位置。

在另一其它替换实施例中，砂分流器还可以包括头部构件，该头部构件定位在外套筒的井上并且具有头肩部，该头肩部定位成限制内套筒相对于外套筒向井上移动。内套筒能够具有完全伸展状态(station)，在该完全伸展状态下内套筒的井上端部与头肩部接触，并且在完全伸展状态下，内套筒处于闭合位置。砂分流器还可以包括基部构件，该基部构件定位在外套筒的井下并且具有基肩部，该基肩部定位成限制内套筒相对于外套筒向井下移动。内套筒可以具有完全收缩状态，在该完全收缩状态下内套筒的井下端部与基肩部接触，并且在完全收缩状态下，内套筒处于打开位置。

在又一其它替换实施例中，内套筒端口组件可以包括多个单独的内套筒开口，该多个单独的内套筒开口围绕内套筒的周部间隔开以形成成排的内套筒开口，并且该多个单独的内套筒开口具有沿内套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排内套筒开口。外套筒端口组件可以包括多个单独的外套筒开口，该多个单独的外套筒开口围绕外套筒的周部间隔开以形成成排的外套筒开口，并且该多个单独的外套筒开口具有沿外套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排的外套筒开口。砂分流器还可以包括多个端口密封件，该多个端口密封件中的每一个形成内套筒与外套筒之间的密封，并且其中该多个端口密封件中的一个可以位于内套筒开口中最井上排的内套筒开口的井上，该多个端口密封件中的一个可以位于内套筒开口中最井下排的内套筒开口的井下，并且该多个端口密封件中的其它端口密封件可以位于内套筒开口中每个相邻排的内套筒开口之间。

在又一其它替换实施例中，砂裙部可以位于井下封隔器的井上，砂裙部具有倾斜的内径表面，并且砂裙部的井上端部具有比砂裙部的井下端部的内径更大的内径。流体排出部可以位于泵和保护器组件之间，流体排出部将流体引导出泵并且将流体引导进入电潜泵系统的外径表面与井筒的内径之间的环形空间中。流动联接部可以位于电动机的井上，该流动联接部从电潜泵系统的外径表面与井筒的内径之间的环形空间引导流体并将流体引导进入生产管件中。插入管(stinger)可以位于砂分流器的井下，该插入管延伸穿过井下封隔器并且具有插入管内孔，该插入管内孔与分流器内孔流体连通。

在本发明的一个替换实施例中，一种用于向井筒流体提供人工举升的方法包括将泵定位在井筒内，该泵定向成选择性地增加从井筒穿过生产管件朝向地表行进的井筒流体的压力。电动机位于泵的井上的井筒内，并且利用电动机向泵提供动力。保护器组件位于泵和电动机之间，其中泵、电动机和保护器组件形成电潜泵系统。井下封隔器位于泵的井下的井筒内。砂分流器位于泵的井下，使得砂分流器的流动端口组件位于井下封隔器的井上。砂分流器具有分流器内孔，该分流器内孔与井下封隔器的井下的井筒流体连通，其中流动端口组件具有内套筒，该内套筒能够在打开位置和闭合位置之间移动，在打开位置处，内套筒端口组件与外套筒的外套筒端口组件对准，在闭合位置处，内套筒端口组件与外套筒端口组件不对准。

在替换实施例中，可以利用偏压构件将内套筒朝向闭合位置偏压。砂分流器还可以包括反压构件，该反压构件定向成这样：当泵关闭时，反压构件上的力超过偏压构件的力，使内套筒朝向打开位置移动。

在其它替换实施例中，可以利用偏压构件将内套筒朝向打开位置偏压。砂分流器还可以包括反压构件，该反压构件定向成这样：当泵开启时，反压构件上的力超过偏压构件的力，使内套筒移动至闭合位置。

在另一其它替换实施例中，可以利用砂分流器的头部构件的头肩部限制内套筒相对于外套筒向井上移动，该头部构件定位在外套筒的井上。可以利用砂分流器的基部构件的基肩部限制内套筒相对于外套筒向井下移动，基部构件定位在外套筒的井下。

在又一其它替换实施例中，内套筒端口组件可以包括多个单独的内套筒开口，该多个单独的内套筒开口围绕内套筒的周部间隔开以形成成排的内套筒开口，并且该多个单独的内套筒开口具有沿内套筒的轴向长度间隔开两排或更多排内套筒开口。外套筒端口组件可以包括多个单独的外套筒开口，该多个单独的外套筒开口围绕外套筒的周部间隔开以形成成排的外套筒开口，并且该多个单独的外套筒开口具有沿外套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排外套筒开口。该方法还可以包括利用多个端口密封件在内套筒与外套筒之间密封，该多个端口密封件中的每一个在内套筒与外套筒之间进行密封，并且其中该多个端口密封件中的一个位于内套筒开口中最井上排的内套筒开口的井上，该多个端口密封件中的另一个位于内套筒开口中最井下排的内套筒开口的井下，并且多个端口密封件中的其它端口密封件位于每个相邻排的内套筒开口之间。

在又一其它替换实施例中，砂裙部可以定位在井下封隔器的井上，砂裙部具有倾斜的内径表面，并且砂裙部的井上端部具有比砂裙部的井下端部的内径更大的内径。流体排出部可以定位在泵和保护器组件之间，流体排出部将流体引导出泵并且将流体引导进入电潜泵系统的外径表面和井筒的内径之间的环形空间中。流动联接部可以定位在电动机的井上，该流动联接部从电潜泵系统的外径表面和井筒的内径之间的环形空间引导流体并将流体引导进入生产管件中。插入管可以定位在砂分流器的井下，该插入管延伸穿过井下封隔器并且具有插入管内孔，该插入管内孔与分流器内孔流体连通。

附图说明

为了获得并且能够详细理解本公开的实施例的特征、方面和优点以及将变得显而易见的其它方面的方式，可以通过参照形成本说明书的一部分的附图中示出的实施例来获得本公开的更具体的描述。然而，应当注意的是，附图仅说明本公开的某些实施例，并且因此不应认为是对本公开的范围的限制，对于本公开可以允许其它等效实施例。

图1是根据本公开的实施例的具有电潜泵系统和砂分流器的地下井的截面图，示出了电潜泵系统的泵被开启。

图2是根据本公开的实施例的具有电潜泵系统和砂分流器的地下井的截面图，示出了电潜泵系统的泵被关闭。

图3是根据本公开的实施例的具有电潜泵系统和砂分流器的地下井的截面图，示出了电潜泵系统的泵被开启。

图4A是根据本公开的实施例的砂分流器的截面图，示出了内套筒处于闭合位置的完全伸展状态。

图4B是图4A的砂分流器的截面图，示出了内套筒处于打开位置。

图4C是图4A的砂分流器的截面图，示出了内套筒处于中间闭合位置。

图5A是根据本公开的实施例的砂分流器的截面图，示出了内套筒处于闭合位置。

图5B是根据本公开的实施例的砂分流器的截面图，示出了内套筒处于打开位置。

具体实施方式

本公开涉及特定特征，包括过程或方法步骤。本领域的技术人员应理解的是，本公开既不局限于也不受限于说明书中给出的实施例的描述。除了仅说明书和所附权利要求的要旨外，本公开的主题不受限制。

本领域技术人员还应理解的是，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的实施例的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语都应当利用每个术语的上下文以尽可能广泛的方式进行解释。除非另有定义，否则说明书和所附权利要求中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

如在说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数引用。

如所使用的，词语“包括”、“具有”、“包含”和所有其它语法变化每个都旨在具有开放的、非限制性的含义，该含义不排除附加元素、部件或步骤。本公开的实施例可以适当地“包括”所公开的限制特征、“由”或“基本上由”所公开的限制特征“构成”，并且可以在缺失未公开的限制特征的情况下实施。例如，本领域技术人员能够意识到的是，某些步骤能够合并为单个步骤。

当说明书或者所附权利要求中提供了数值范围时，应理解的是，该区间涵盖上限和下限之间的每个中间值并且涵盖上限和下限。本公开涵盖并约束了该区间中的受制于所提供的任何特定排除的较小范围。

在说明书和所附权利要求中提及包括两个或更多个限定步骤的方法时，该限定步骤能够以任何顺序或同时进行，除上下文排除该可能性之外。

参见图1至图2，地下井10可以具有井筒12，该井筒12延伸至地表14。地下井10可以是海上井或陆基井，并且能够用于生产流体，诸如从地下油气储层生产油气。潜泵柱(submersible pump string)16可以位于井筒12内。潜泵柱16能够为井筒流体提供人工举升。潜泵柱16可以包括电潜泵系统(ESP)，该电潜泵系统具有泵18、电动机20和保护器组件22。

例如，泵18可以是诸如离心泵等旋转泵。泵18可替代地为螺杆w(该螺杆泵具有在弹性定子内旋转的螺旋转子)或者与电潜泵组件一起使用的本领域已知的其它类型的泵。泵18可以包括多级，这些级由叶轮和扩散器构成。旋转的叶轮向流体添加能量以提供扬程，并且静止的扩散器将来自叶轮的流体的动能转换为扬程。泵级能够串联堆叠以形成包含在泵壳体内的多级系统。由每个单独的级产生的扬程的总和被累加，使得由多级系统得到的总扬程从第一级至最后级线性地增加。

泵18位于井筒12内，并且定向为选择性地增加从井筒向地表14行进的井筒流体的压力，使得井筒流体能够更有效地通过生产管件24向地表14行进。生产管件24在井筒12内延伸，以将井筒流体从井下输送至地表14。

电动机20也位于井筒12内并且向泵18提供动力。因为本公开的实施例设置有倒置式ESP，所以电动机20位于泵18的井上。保护器组件22位于泵18和电动机20之间。保护器组件22吸收来自泵18的推力载荷、将动力从电动机20传送至泵18、平衡压力、在温度变化时接收额外的机油、并且防止井筒流体进入电动机20。

井上封隔器26能够用于将井筒12的在井上封隔器26的井上的区段与井筒12的包含潜泵柱16的区段隔离。井上封隔器26可以环绕电动机20的井上的生产管件24，并且可以围绕井筒12的内径表面而密封。例如，井上封隔器26可以是ESP馈通封隔器(feed-thrupacker)。

井下封隔器28可以位于泵18的井下的井筒12内。井下封隔器28可以用于将井筒12的井下封隔器28的井下的区段与井筒12的包含潜泵柱16的区段隔离。井下封隔器28可以围绕井筒12的内径表面而密封，并且可以环绕插入管30。例如，井下封隔器28可以是抛光孔座类型的封隔器，允许旁通插入管30插入，使得插入管30延伸穿过井下封隔器28。

潜泵柱16还可以包括位于泵18和保护器组件22之间的流体排出部32，以及位于电动机20的井上的流动联接部36。流体排出部32可以将流体引导出泵18，并且将流体引导进入电潜泵系统的外径表面和井筒12的内径之间的环形空间34中。流动联接部36可以从环形空间34引导流体并且将流体引导进入生产管件24中。在替换实施例中，潜泵柱16可以是由线缆部署的。在此种实施例中，可以不包括流动联接部36和井上封隔器26。

潜泵柱16还可以包括监测接头(sub)38。监测接头38能够监测井筒12内的状况，并且监测潜泵柱16的操作。监测接头38能够测量并且发送数据，该数据包括泵的吸入和排出温度和压力、机油和绕组温度、以及振动。如本公开中进一步讨论的，潜泵柱16还包括砂分流器40，该砂分流器40位于泵18的井下并且具有位于井下封隔器28的井上的流动端口组件48。尽管砂分流器40是作为单独部件示出，但是在替换实施例中，砂分流器40可以与泵18或插入管30集成在一起。

在图1的实施例中，开启泵18，使得泵18增加井筒12内的井筒流体的压力，以帮助井筒流体沿井上方向朝向地表14行进。如箭头42所示，储层流体将从井下封隔器28的井下的穿孔43行进，并且进入插入管30的插入管内孔44，以经过井下封隔器28。插入管30在砂分流器40的井下，并且插入管内孔44与砂分流器40的分流器内孔46流体连通，使得通入插入管内孔44的井筒流体通入并且通过分流器内孔46到达泵18。砂分流器40的分流器内孔46通过插入管内孔44与井下封隔器28的井下的井筒12流体连通。

在井筒流体通过泵18之后，流体排出部32将井筒流体引导出泵18并且将井筒流体引导进入环形空间34。井筒流体继续沿井上方向行进通过保护器组件22、电动机20和监测接头38，并且然后流动联接部36将井筒流体从环形空间34引导进入生产管件24，从而将井筒流体制取到地表并且使用传统方法处理和加工井筒流体。

在图2的实施例中，泵18有意地或以其它方式关闭。随着泵18关闭，生产管件24内的井筒流体柱在重力作用下沿井下方向移动。向井下流动的井筒流体将通过流动联接部36，该流动联接部36将引导流体流出生产管件24并且将流体引导进入环形空间34。井筒流体将经过监测接头38、电动机20和保护器组件22，并且可以进入流体排出部32，该流体排出部32将流体从环形空间34引导进入泵18。井筒流体可以从泵18流过砂分流器40的分流器内孔46，然后通过插入管内孔44，并且离开井下封隔器28的井下的插入管30。没有进入流体排出部32的井筒流体可以交替地保持在环形空间34内，并且继续沿井下方向朝向井下封隔器28行进。

固体颗粒39(诸如砂)可能直接沉积在井下封隔器28上。当重新启动泵18时，因为井下封隔器28的井上表面在流体流动路径之外，所以沉积在井下封隔器28上的一些固体颗粒39能够保留在井下封隔器28上。泵18的重复关闭将导致固体沉积物在井下封隔器28上积聚。在一段时间之后，积聚的砂可能固着在插入管30和泵18的外径上。这在系统的收回期间带来了问题，因为设备将具有扩大的外径，这将阻碍设备拉出井筒12。在固体积聚的非常极端情况下，固体颗粒39可能填充整个环形空间34，并且流体排出部32和流动联接部36可能变得阻塞。

在图2的实施例中，砂裙部41位于井下封隔器28的井上。砂裙部41具有倾斜内径表面，其中砂裙部41的井上端部具有比砂裙部41的井下端部更大的内径。通过这种方式，任何落向井下封隔器28的固体颗粒39都能够通过砂裙部41的倾斜内径表面被径向向内引导。砂裙部在这样的地下井10中可能特别有用：该地下井的环形空间34足够大，使得固体颗粒39可能落在井下封隔器28的径向向外部分上，并且可能落在能够将这些固体颗粒朝向砂分流器40引导的流动路径之外。

参见图3，在本公开的替换实施例中，潜泵柱16可以是过油管线缆部署的ESP系统。在该实施例中，潜泵柱16利用生产管件24内的线缆45从地表14悬挂在地下井10内。井下封隔器28可以位于泵18的井下的井筒12内。井下封隔器28可以围绕井筒12的内径表面而密封，并且可以环绕抛光孔座47。插入管30可以插入延伸穿过井下封隔器28的抛光孔座47中。

流体排出部32位于泵18和保护器组件22之间，并且可以将流体引导出泵18并且将流体引导进入电潜泵系统的外径表面和生产管件24的内径之间的环形空间49中。

在图3的实施例中，开启泵18，使得泵18增加井筒12内的井筒流体的压力，以帮助井筒流体沿井上方向朝向地表14行进。如箭头42所示，储层流体将从井下封隔器28的井下的穿孔43行进，并且进入插入管30的插入管内孔44。插入管内孔44与砂分流器40的分流器内孔46流体连通，使得通入插入管内孔44中的井筒流体通入并且通过分流器内孔46到达泵18。砂分流器40的分流器内孔46通过插入管内孔44与井下封隔器28的井下的井筒12流体连通。

在井筒流体通过泵18之后，流体排出部32将井筒流体引导出泵18并且将井筒流体引导进入环形空间49。井筒流体继续沿井上方向行进通过保护器组件22和电动机20，以通过生产管件24将井筒流体制取到地表，并且可以使用传统方法处理和加工井筒流体。

当泵18有意地或以其它方式关闭时，生产管件24内的井筒流体柱在重力作用下沿井下方向移动。向井下流动的井筒流体将通过电动机20和保护器组件22，并且可以进入流体排出部32，该流体排出部32将流体从环形空间34引导进入泵18中。井筒流体从泵18可以流动通过砂分流器40的分流器内孔46，然后通过插入管内孔44，并且离开插入管30和井下封隔器28的井下抛光孔座47。未进入流体排出部32的井筒流体可以交替地保持在环形空间49内，并且继续沿井下方向朝向生产管件24的面向上表面51行进。

固体颗粒39(诸如砂)可能直接沉积在生产管件24的面向上表面51上。在一段时间之后，积聚的固体颗粒可能积聚在环形空间49中，并且流体排出部32可能变得阻塞。

参见图4A至图4C，当泵18关闭时，砂分流器40可以为固体颗粒39提供通过井下封隔器28的井下或生产管件24的面向上表面51的合适的流动路径。砂分流器40具有内套筒50，该内套筒50能够在打开位置(图4B)和闭合位置(图4A和图4C)之间移动，在打开位置处，内套筒端口组件52与外套筒56的外套筒端口组件54对准，在闭合位置处，内套筒端口组件52与外套筒端口组件54不对准。

流动端口组件48可以包括单个内套筒开口58。可替代地，内套筒开口组件52可以包括多个单独的内套筒开口58。单独的内套筒开口58可以围绕内套筒50的周部间隔开以形成成排的内套筒开口58。可以存在单排内套筒开口58。可替代地，可以存在沿内套筒50的轴向长度间隔开的两排或更多排内套筒开口58。

外套筒端口组件54可以具有与单独的内套筒开口58的数量和样式(pattern)相对应的单独的外套筒开口60的数量和样式。在某些实施例中，外套筒端口组件54包括多个单独的外套筒开口60，该单独的外套筒开口60围绕外套筒56的周部间隔开以形成成排的外套筒开口60。可以存在单排外套筒开口60。可替代地，可以存在沿外套筒56的轴向长度间隔开的两排或更多排外套筒开口60。

砂分流器40还包括多个端口密封件62。端口密封件62防止井筒流体通过内套筒50的外表面和外套筒56的内表面之间的间隙迁移。端口密封件62可以是O形环，该O形环防止井筒流体在该间隙之间进入砂分流器40或者迁移出砂分流器40。端口密封件62可以在内套筒50和外套筒56之间形成密封。端口密封件62中的一个位于内套筒开口58中最井上排的内套筒开口的井上。端口密封件62中的一个位于内套筒开口58中最井下排的内套筒开口的井下。端口密封件62也可以位于内套筒开口58中每个相邻排的内套筒开口的井上和井下。

在图4A至图4C所示的实施例中，所示的端口密封件62围绕内套筒50的外径安装。在替换实施例中，端口密封件62可以安装至外套筒56的内表面中。

砂分流器40还包括头部构件64。头部构件64定位于外套筒56的井上并且能够固定至外套筒56。头部构件外密封件66可以在头部构件64和外套筒56之间形成密封。头部构件内密封件68可以在头部构件64和内套筒50之间形成密封。头部构件外密封件66和头部构件内密封件68可以是O形环。

头部构件64可以包括头肩部70。头肩部70具有面对井下的周向表面。头肩部70定位成限制内套筒50相对于外套筒56向井上移动。参见图4A，当内套筒50的井上端部接触头肩部70时，内套筒50处于完全伸展状态，并且内套筒50处于闭合位置。

砂分流器40还包括基部构件72。基部构件72位于外套筒56的井下。基部构件外密封件74能够在基部构件72和外套筒56之间形成密封。基部构件内密封件76能够在基部构件72和内套筒50之间形成密封。基部构件外密封件74和基部构件内密封件76可以是O形环。

基部构件72可以包括基肩部78。基肩部78具有面对井上的周向表面，并且定位成限制内套筒50相对于外套筒56向井下移动。参见图4B，当内套筒50的井下端部接触基肩部78时，内套筒50处于打开位置。

砂分流器40可以包括偏压构件80。在图4A至图4C的实施例中，偏压构件80定位成将内套筒50朝向闭合位置偏压。砂分流器40还可以包括反压构件82。在图4A至图4C的实施例中，反压构件82定向为这样：当泵18关闭时，反压构件82上的力超过偏压构件80的力，使内套筒50朝向打开位置移动。

外套筒56、头部构件64和基部构件72相对于潜泵柱16的其它部件(诸如泵18和电动机20)均是静止的。内套筒50相对于外套筒56和潜泵柱16的其它部件(诸如泵18和电动机20)是可移动的。图4A至图4C所示实施例的偏压构件80夹在内套筒50和外套筒56之间。例如，偏压构件80可以是受压状态下的弹簧。基于砂分流器40的最终设定深度和井筒流体的性质，选择弹簧刚度和收缩长度以提供用于砂分流器40的操作所需的力。在替换实施例中，偏压构件80可以位于砂分流器40内的替代位置，使得允许朝向闭合位置偏压内套筒50。

对于图4A至图4C所示的实施例，在地表处以及在地下井10中安装砂分流器40之前，内套筒50的井上端部接触头肩部70，内套筒50处于完全伸展状态并且内套筒50处于闭合位置。这样，如图4A所示的内套筒50的位置是内套筒50在地表14处的位置。该位置是通过偏压构件80将内套筒50朝向闭合位置偏压而实现的。

当砂分流器40朝向最终设定深度下降至地下井10中时，暴露于井筒流体的内套筒50的井上端部经受随深度增加的流体静压力84。如图4C所示，流体静压力84推动内套筒50并且压缩偏压构件80。内套筒50上的偏压构件80的偏压力由内套筒50上的流体静压力84的净值、端口密封件62对外套筒56的内表面的摩擦阻力和内套筒50的净重的总和来平衡。

当砂分流器40位于最终设定深度并且泵18关闭时，流体静压力84大于地表14处的流体静压力84。如图4B所示，在最终设定深度，已克服偏压构件80的力并且内套筒50被向下推动，使得内套筒50的井下端部接触基肩部78，并且内套筒50处于打开位置。当没有井筒流体流过砂分流器40时，流体静压力84最大。

流体静压力84将取决于井筒12内的井筒流体的密度和砂分流器40的深度。作为示例，如果砂分流器40安装在井筒12中，该井筒包含有作为0.8比重的油的井筒流体。假设这种油的压力梯度为约0.346磅/平方英寸(psi)/英尺(ft)，并且砂分流器40位于5000ft的深度处，那么流体静压力84等于0.346psi/ft乘以5000ft，即1730psi。

当泵18开启并且井筒流体流过砂分流器40时，泵18的抽吸导致一定量的流体流通过插入管内孔44和砂分流器40的内孔46。另有一定量的流体流通过52流动端口组件48进入砂分流器40的内孔46。结果，作用在内套筒50上的压力总和变得小于由偏压构件80施加的力，并且偏压构件80将内套筒50朝向闭合位置往回偏压。

当内套筒50处于闭合位置时，所有的井筒流体流都穿过插入管内孔44和砂分流器40的内孔46，并且没有井筒流体能够穿过流动端口组件48。如图4A所示，随着更多的井筒流体通过潜泵柱16抽出，内套筒50的井上表面上的流体静压力84进一步下降，并且偏压构件80将内套筒朝向头肩部70偏压，直到内套筒50的井上端部接触头肩部70。

在泵18关闭的情况下，井筒流体的流量减少，流体静压力84增加，并且作用在内套筒50上的压力的总和变得大于由偏压构件80施加的力，并且内套筒50朝向打开位置移动。图4A至图4C的实施例的砂分流器40都将以这种方式产生作用而不论井筒12是大体竖直定向、倾斜定向或者大体水平定向。

参见图5A至图5B的实施例，示出了替代示例的砂分流器40。砂分流器40具有内套筒50，该内套筒50在打开位置(图5B)和闭合位置(图5A)之间可移动，在打开位置处，内套筒端口组件52与外套筒56的外套筒端口组件54对准，在闭合位置处，内套筒端口组件52与外套筒端口组件54不对准。示出的内套筒端口组件52具有围绕内套筒50的周部间隔开的多个单独的内套筒开口58以形成成排的内套筒开口58，以及沿内套筒50的轴向长度间隔开的多排内套筒开口58。示出的外套筒端口组件54具有与单独的内套筒开口58的数量和样式相对应的单独的外套筒开口60的数量和样式。

端口密封件62防止井筒流体通过内套筒50的外表面和外套筒56的内表面之间的间隙迁移。端口密封件62可以是O形环，该O形环防止井筒流体在该间隙之间进入砂分流器40或者迁移出砂分流器40。端口密封件62可以在内套筒50和外套筒56之间形成密封。在图5A至图5B所示的实施例中，端口密封件62示出为围绕外套筒56的内表面安装在每个外套筒端口组件54的井上和井下。

头部构件64定位于外套筒56的井上，并且可以固定于外套筒56。头部构件外密封件66可以在头部构件64和外套筒56之间形成密封。头部构件内密封件68可以在头部构件64和内套筒50之间形成密封。头部构件外密封件66和头部构件内密封件68可以是O形环。

头部构件64可以包括头肩部70。头肩部70定位成限制内套筒50相对于外套筒56向井上移动。参见图5A，当内套筒50的井上端部接触头肩部70时，内套筒50处于完全伸展状态，并且内套筒50处于闭合位置。基部构件72定位于外套筒56的井下。基部构件外密封件74可以在基部构件72和外套筒56之间形成密封。基部构件外密封件74可以是O形环。

基部构件72可以包括基肩部78。基肩部78定位成限制内套筒50相对于外套筒56向井下移动。参见图5B，当内套筒50的井下端部接触基肩部78时，内套筒50处于打开位置。

在图5A的实施例中，不存在偏压构件80。在图5B的实施例中，偏压构件80定位成将内套筒50朝向打开位置偏压。砂分流器40还可以包括反压构件82。在图5A至图5B的实施例中，反压构件82定向成这样：当泵18关闭时，反压构件82上的力超过偏压构件80的力以及重力，使内套筒50朝向闭合位置移动。

外套筒56、头部构件64和基部构件72相对于潜泵柱16的其它部件(诸如泵18和电动机20)均是静止的。内套筒50相对于外套筒56和潜泵柱16的其它部件(诸如泵18和电动机20)是可移动的。图5B所示的实施例的偏压构件80夹在内套筒50和头部构件64之间。例如，偏压构件80可以是受压状态下的弹簧。基于砂分流器40的最终设定深度和井筒流体的性质，选择弹簧刚度和收缩长度以提供用于砂分流器40的操作所需的力。在替换实施例中，偏压构件80可以位于砂分流器40内的替代位置，使得允许朝向打开位置偏压内套筒50。

对于图5A至图5B所示的实施例，在地表处以及在地下井10中安装砂分流器40之前，内套筒50的井下端部接触基肩部78，并且内套筒50处于打开位置。这样，如图5B所示的内套筒50的位置是内套筒50在地表14处的位置。该位置是通过偏压构件80将内套筒50朝向打开位置偏压而实现的，或者可替代地，是通过内套筒50在重力的作用下搁置在基肩部78上实现的。

当砂分流器40位于最终设定深度并且泵18关闭时，内套筒50将在泵18开启之前保持在打开位置。如果不存在偏压构件80，那么内套筒50的重量足以克服任何净流体静力，使得当泵18关闭时，净流体静力将倾向于朝向闭合位置推动内套筒50。通过选择适合的材料密度和体积以形成内套筒50，能够获得内套筒50的所需重量。

当开启泵18并且井筒流体流动通过砂分流器40时，泵18的抽吸导致一定量的流体流通过插入管内孔44和砂分流器40的内孔46。另有一定量的流体流通过52流动端口组件48进入砂分流器40的内孔46。由于该流体流通过分砂器40的内孔46，对反压构件82施加了阻力86。阻力86将足以克服内套筒50的重量、端口密封件62对外套筒56的内侧表面的摩擦阻力、以及任何偏压构件80，并且将内套筒50移动至图5A的闭合位置。

阻力86是流体流速、流体密度、在反压构件82的上游、反压构件82的下游和在反压构件82处的内套筒50的横截面面积、以及反压构件82的几何形状的函数。由于通过反压构件82导致的砂分流器40的内孔46的收缩和膨胀，因此反压构件82的上游的流体静压力大于反压构件82的下游的流体静压力。另外，反压构件82的与井筒流体接触的井下表面的横截面面积大于反压构件82的井上表面的横截面面积。横截面面积中的该差异增加了阻力86。对于给定目标流速和在指定的设定深度处的相对应的流体密度，反压构件82的几何形状能够设计成提供足以将内套筒50举升至闭合位置的阻力86。

当内套筒50处于闭合位置时，所有的井筒流体流都通过插入管内孔44和砂分流器40的内孔46，并且没有井筒流体能够穿过流动端口组件48。随着更多的井筒流体被抽吸通过潜泵柱16，当内套筒50处于闭合位置时，阻力86更大。

当泵18再次关闭时，阻力86将减小，并且内套筒50上的重力和由偏压构件80施加的偏压力将足以使内套筒50移回至打开位置。在某些实施例中，在泵18关闭的情况下，阻力86将为零。图5A至图5B的示例性实施例的砂分流器40适用于大体竖直或倾斜的井。对于大体水平定向的井筒12，由于重力不会帮助内套筒50移动至打开位置，因此需要偏压构件80将内套筒50返回至打开位置。

在操作的示例中并且参见图1至图2，为了向井筒流体提供人工举升，可以将潜泵管柱16设定在井筒12内。潜泵柱16包括砂分流器40，该砂分流器40位于泵18的井下并且具有位于井下封隔器的井上的流动端口组件48。当泵18运行并且内套筒50处于闭合位置时，来自井下封隔器28的井下的井筒内的井筒流体通入插入管30的插入管内孔44中以通过井下封隔器28。通入插入管内孔44中的井筒流体通入并且通过分流器内孔46以到达泵18。

流体排出部32可以将流体引导出泵18并且将流体引导进入电潜泵系统的外径表面与井筒12的内径之间的环形空间34中。流动联接部36可以将流体从环形空间34引导进入生产管件24中以输送至地表。

当泵18关闭时，内套筒50移动至打开位置，生产管件24内的井筒流体柱在重力作用下沿井下方向移动。向井下流动的井筒流体将通过流动联接部36，该流动联接部36将流体引导出生产管件24并且将流体引导进入环形空间34中。一些井筒流体将进入流体排出部32，该流体排出部32将流体从环形空间34引导进入泵18中。不进入流体排出部32的井筒流体可以交替地保持在环形空间34内，并且继续沿井下方向朝向井下封隔器28行进。

悬浮在井筒流体中并且不流动通过流体排出部32的固体颗粒39可以朝向井下封隔器28移动。在内套筒50处于打开位置时，固体颗粒39可以穿过流动端口组件48并且进入分流器内孔46。固体颗粒能够从分流器内孔46穿过插入管30的插入管内孔44并且离开井下封隔器28的井下的插入管30。如本公开中所述，当泵18重新启动时，内套筒50移动至闭合位置。

因此，本公开中描述的实施例提供了用于当倒置式ESP系统的泵关闭或以其它方式停机时，使环形空间内的砂的积聚最小化的系统和方法。因此，本公开的系统和方法减少了泵的排出堵塞和相关的操作成本增加，提高了操作效率。本公开的实施例还减少了通过ESP流回的固体颗粒的量，从而增加了ESP的运行寿命。本公开的系统和方法另外减少了由于固体颗粒固着至设备上而导致设备卡在井筒内所造成的成本高昂的修井作业。本公开的实施例可以集成至当前ESP系统中。

因此，本公开的实施例非常适于实现目标并且达到所提及的结果和优点，以及其它固有的结果和优点。虽然为了公开的目的给出了本公开的实施例，但是在用于实现期望结果的程序的细节中存在许多变化。本领域技术人员将容易想到这些和其它类似的变型，并且这些和其它类似的变型旨在包含在本公开的要旨和所附权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种用于向井筒流体提供人工举升的系统，所述系统具有：

泵，其位于井筒内，所述泵定向成选择性地增加从所述井筒通过生产管件朝向地表行进的所述井筒流体的压力；

电动机，其位于所述泵的井上的所述井筒内，并且向所述泵提供动力；

保护器组件，其位于所述泵和所述电动机之间，其中所述泵、所述电动机和所述保护器组件形成电潜泵系统；

井下封隔器，其位于所述泵的井下的所述井筒内；以及

砂分流器，其位于所述泵的井下并且具有流动端口组件，所述流动端口组件位于所述井下封隔器的井上，所述砂分流器具有分流器内孔，所述分流器内孔与所述井下封隔器的井下的所述井筒流体连通，其中所述流动端口组件具有内套筒，所述内套筒能够在打开位置与闭合位置之间移动，在所述打开位置处，内套筒端口组件与外套筒的外套筒端口组件对准，在所述闭合位置处，所述内套筒端口组件与所述外套筒端口组件不对准。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括偏压构件，所述偏压构件定位成将所述内套筒朝向所述闭合位置偏压。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述砂分流器还包括反压构件，所述反压构件定向成这样：当所述泵关闭时，所述反压构件上的力超过所述偏压构件的力，使所述内套筒朝向所述打开位置移动。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，还包括偏压构件，所述偏压构件定位成将所述内套筒朝向所述打开位置偏压。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述砂分流器还包括反压构件，所述反压构件定向成这样：当所述泵开启时，所述反压构件上的力超过所述偏压构件的力，使所述内套筒移动至所述闭合位置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述砂分流器还包括头部构件，所述头部构件定位在所述外套筒的井上并且具有头肩部，所述头肩部定位成限制所述内套筒相对于所述外套筒向井上移动。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述内套筒具有完全伸展状态，在所述完全伸展状态下所述内套筒的井上端部与所述头肩部接触，并且在所述完全伸展状态下，所述内套筒处于所述闭合位置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述砂分流器还包括基部构件，所述基部构件定位在所述外套筒的井下并且具有基肩部，所述基肩部定位成限制所述内套筒相对于所述外套筒向井下移动。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述内套筒具有完全收缩状态，在所述完全收缩状态下所述内套筒的井下端部与所述基肩部接触，并且在所述完全收缩状态下，所述内套筒处于所述打开位置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中：

所述内套筒端口组件包括多个单独的内套筒开口，所述多个单独的内套筒开口围绕所述内套筒的周部间隔开以形成成排的内套筒开口，并且所述多个单独的内套筒开口具有沿所述内套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排内套筒开口；并且

所述外套筒端口组件包括多个单独的外套筒开口，所述多个单独的外套筒开口围绕所述外套筒的周部间隔开以形成成排的外套筒开口，并且所述多个单独的外套筒开口具有沿所述外套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排外套筒开口。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述砂分流器还包括多个端口密封件，所述多个端口密封件中的每一个在所述内套筒和所述外套筒之间形成密封，并且所述多个端口密封件中的一个位于最井上排的内套筒开口的井上，所述多个端口密封件中的一个位于最井下排的内套筒开口的井下，并且所述多个端口密封件中的其它端口密封件位于每个相邻排的内套筒开口之间。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，还包括砂裙部，所述砂裙部位于所述井下封隔器的井上，所述砂裙部具有倾斜的内径表面，并且所述砂裙部的井上端部具有比所述砂裙部的井下端部的内径更大的内径。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，还包括：

流体排出部，其位于所述泵与所述保护器组件之间，所述流体排出部将流体引导出所述泵并且将所述流体引导进入所述电潜泵系统的外径表面与所述井筒的内径之间的环形空间中；以及

流动联接部，其位于所述电动机的井上，所述流动联接部从所述电潜泵系统的所述外径表面与所述井筒的所述内径之间的所述环形空间引导流体并将所述流体引导进入所述生产管件中。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，还包括插入管，所述插入管位于所述砂分流器的井下，所述插入管延伸穿过所述井下封隔器并且具有插入管内孔，所述插入管内孔与所述分流器内孔流体连通。

15.一种用于向井筒流体提供人工举升的方法，所述方法包括：

将泵定位在井筒内，所述泵定向成选择性地增加从所述井筒通过生产管件朝向地表行进的所述井筒流体的压力；

将电动机定位在所述泵的井上的所述井筒内，并且利用所述电动机向所述泵提供动力；

将保护器组件定位在所述泵和所述电动机之间，其中所述泵、所述电动机和所述保护器组件形成电潜泵系统；

将井下封隔器定位在在所述泵的井下的所述井筒内；以及

将砂分流器定位在所述泵的井下，使得所述砂分流器的流动端口组件位于所述井下封隔器的井上，所述砂分流器具有分流器内孔，所述分流器内孔与所述井下封隔器的井下的所述井筒流体连通，其中所述流动端口组件具有内套筒，所述内套筒能够在打开位置与闭合位置之间移动，在所述打开位置处，内套筒端口组件与外套筒的外套筒端口组件对准，在所述闭合位置处，所述内套筒端口组件与所述外套筒端口组件不对准。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括利用偏压构件将所述内套筒朝向所述闭合位置偏压。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述砂分流器还包括反压构件，所述反压构件定向成这样：当所述泵关闭时，所述反压构件上的力超过所述偏压构件的力，使所述内套筒朝向所述打开位置移动。

18.根据权利要求15或16所述的方法，还包括利用偏压构件将所述内套筒朝向所述打开位置偏压。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述砂分流器还包括反压构件，所述反压构件定向成这样：当所述泵开启时，所述反压构件上的力超过所述偏压构件的力，使所述内套筒移动至所述闭合位置。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，还包括利用所述砂分流器的头部构件的头肩部来限制所述内套筒相对于所述外套筒向井上移动，所述头部构件定位在所述外套筒的井上。

21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，还包括利用所述砂分流器的基部构件的基肩部来限制所述内套筒相对于所述外套筒向井下移动，所述基部构件定位在所述外套筒的井下。

22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，其中：

所述内套筒端口组件包括多个单独的内套筒开口，所述多个单独的内套筒开口围绕所述内套筒的周部间隔开以形成成排的内套筒开口，并且所述多个单独的内套筒开口具有沿所述内套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排内套筒开口；

所述外套筒端口组件包括多个单独的外套筒开口，所述多个单独的外套筒开口围绕所述外套筒的周部间隔开以形成成排的外套筒开口，并且所述多个单独的外套筒开口具有沿所述外套筒的轴向长度间隔开的两排或更多排外套筒开口；并且其中

所述方法还包括利用多个端口密封件在所述内套筒与所述外套筒之间进行密封，所述多个端口密封件中的每一个在所述内套筒和所述外套筒之间形成密封，并且所述多个端口密封件中的一个位于最井上排的内套筒开口的井上，所述多个端口密封件中的另一个位于最井下排的内套筒开口的井下，并且所述多个端口密封件中的其它端口密封件位于每个相邻排的内套筒开口之间。

23.根据权利要求15至22中任一项所述的方法，还包括将砂裙部定位在所述井下封隔器的井上，所述砂裙部具有倾斜的内径表面，并且所述砂裙部的井上端部具有比所述砂裙部的井下端部的内径更大的内径。

24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法，还包括：

将流体排出部定位在所述泵与所述保护器组件之间，所述流体排出部将流体引导出所述泵并且将所述流体引导进入所述电潜泵系统的外径表面与所述井筒的内径之间的环形空间中；以及

将流动联接部定位在所述电动机的井上，所述流动联接部从所述电潜泵系统的所述外径表面与所述井筒的所述内径之间的所述环形空间引导流体并将所述流体引导进入所述生产管件中。

25.根据权利要求15至24中任一项所述的方法，还包括将插入管定位在所述砂分流器的井下，所述插入管延伸穿过所述井下封隔器并且具有插入管内孔，所述插入管内孔与所述分流器内孔流体连通。

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