CN113623200A - 一种同步回转式多相多级潜油混输泵 - Google Patents
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Abstract
一种同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：它至少有三级同步回转式多相潜油混输泵同轴串联而成，每级同步回转式多相潜油混输泵包括滑板(1)、驱动轴(2)、机体上端盖(3)、转子(4)、气缸右端盖(5)、气缸体（6）、气缸左端盖（7），气缸轴承（8）、轴承组（9），混输泵底座（10）、连接螺栓（11）和（12）、密封垫（13）、排油气通道（14）；各级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴(2)之间通过刚性轴相连以实现多级同步回转式多相潜油混输泵的同轴串联布置；相邻级的同步回转式多相潜油混输泵的气缸容积随各级油气的压力比成等比例减小。本发明介质适应性好，可靠性和效率得以全面提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油设备技术，尤其是一种输油泵技术，具体地说是一种同步回转式多相多级潜油混输泵，可用于非常规油田的气驱开采、海上油田及油气比例变化复杂状态长距离混输的领域。
背景技术
根据石油的相对密度和粘度，将石油分为常规油田和非常规油田两大类，相对密度大于22和粘度小于100Pa.s的属于常规油田，除此之外统称为非常规油田。非常规石油包括重质油、高粘油、油砂和油页岩等，它们具有粘度高、密度大、非烃(硫、氮、氧及金属)化合物含量高等特点。我国的重质油、油页岩及油砂资源蕴藏量十分丰富。
当前，世界油气工业正在从常规向非常规跨越，非常规油气资源已占28％，在中低油价成为新常态的环境下，其开发成本正经历着严峻考验。我国常规油气开发已步入后期，而且我国的重质油、油页岩及油砂等非常规油气资源蕴藏量十分丰富，所以未来新的油气增量主要为陆上非常规油气田开发与海上油气田开发。
非常规油田属于低渗透和超低渗透油藏，它在油气田开发中占有重要的地位，但由于其孔喉狭小，采用常规水驱方法开发时存在渗流阻力大、注水开发见效慢、水驱效率低等问题。而CO2流动性强，在原油中具有良好的溶解度，与原油之间的界面张力小，更易进入低渗透储层。因此注CO2是一种重要的极具潜力的提高低渗透油藏采收率的方法。
到目前为止，我国的油田开发，无论对于常规油田还是非常规油田，基本全部采用注水开发模式，而水驱采收率只能达到20％左右，与水驱技术相比，CO2气驱技术可以提高采收率为4.7％～15.2％，国际上CO2驱油是一项比较成熟的技术，目前，世界上已有上百个注CO2采油的试验项目或商业项目在实施中；CO2驱油是最有发展前途的EOR(提高采收率)方法之一，且在开采过程中完全利用了油气中的CO2气体，既不造成CO2气体对环境的污染，又提高了采油率。
我国非常规油气田，CO2气驱采油的初期试验未取得良好的效果，其主要原因为：非常规油井自喷时间短，大部分开采时间需要配套技术的辅助；CO2气驱采油使油藏含气率增大，特别是在油井开发的中后期，原油的产出将伴随着大量的气体，现有的抽油机、电潜泵等配套设备与技术均无法解决高含气率和非烃含量高的技术问题。因此，目前没有与气驱采油相匹配的助采技术，限制了气驱采油技术的推广。
电潜泵具有排量扬程范围广、功率大、生产压差大、适应性强、地面工艺简单、机组寿命较长、管理方便、经济效益显著等特点，因而得到了极大地应用，已经成为海洋石油开采的主力军。不仅用于油井采油，还用于气井排水采气和水井采水注水。目前主要应用的有离心式电潜泵ESP系统和电潜螺杆泵ESPCP系统。为了增大排油扬程，离心式多相电潜混输泵做成多级，但多级离心泵不适用于高气液比条件，一般在泵的入口加装油气分离器，将油井生产流体中的自由气分离出来，以减少气体对泵的排量、扬程和效率等特性参数的影响和避免气蚀发生。由于系统的整体设计为狭长型，对于分离器的尺寸要求十分严格，使分离器内油气通道设计受限，井下高温影响分离效果，其分离效果难以得到保证，且适应范围窄，变工况适应能力差，处理较高进口含气率多相流体的能力较差，成本高。电潜螺杆混输泵的定子表面多为橡胶制造，易受温度的影响，易腐蚀，定子与转子之间又是过盈配合，造成转子与定子摩擦增大，加速损坏定子，当气液比过高时，造成定子气浸溶胀，进而增大摩擦扭矩，产生大量摩擦热及气体压缩热，引起泵体温度急剧上升；同时，转子定子间得不到充分的润滑，加速损坏，由于其增压原理，难以适应油气田井口工况，无法适应段塞流，在介质含气率及压力工况不断变化的条件下，容积效率低，而且附着在定子上的橡胶极易老化，可靠性差。
由此可见，对于非常规油田及海上油田，原有的开发模式已经不能适应提高采收率的需要，要提高采收率，其核心就是要研发适用于非常规油气田及海上油田开发全生命周期、适应性更强、可靠性更好、效率更高的多相潜油混输泵新技术。本发明的同步回转式多相多级潜油混输泵混输技术为解决上述问题提供了保障，其发展必然会促进CO2气驱采油技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对陆地非常规油田和海上油田大多使用的抽油机、电潜泵等配套设备与技术均无法解决高含气率和非烃含量高的技术问题，发明一种同步回转式多相多级潜油混输泵。
本发明的技术方案是：
一种同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：它至少有三级同步回转式多相潜油混输泵同轴串联而成，每级同步回转式多相潜油混输泵包括滑板1、驱动轴2、机体上端盖3、转子4、气缸右端盖5、气缸体6、气缸左端盖7，气缸轴承8、轴承组9，混输泵底座10、连接螺栓11和12、密封垫13、排油气通道14，所述的转子4与驱动轴2同心，在转子4上设置有滑板槽，所述的滑板(1)在转子4的滑槽中做往复移动和摆动，所述的滑板1的一端嵌入气缸体6，并带动气缸体6与转子4同步旋转，所述的气缸体(6)设置有旋转的径向吸入孔口，在转子4上设置有径向排出孔口，所述的气缸体6、转子4、气缸的左端盖7和气缸右端盖5及滑板1组成了工作腔的月牙形基元容积，所述的右端盖5和气缸左端盖7由紧固螺栓11和12固定在气缸体6上，形成一旋转的整体；各级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴2之间通过刚性轴相连以实现多级同步回转式多相潜油混输泵的同轴串联布置；相邻级的同步回转式多相潜油混输泵的气缸容积随各级油气的压力比成等比例减小。
本发明的同步回转式多相多级潜油混输泵与减速器、保护器及电机一起安装于油井套管18中，而油井套管位于井下若干距离深层的油层中，一级同步回转式多相潜油混输泵位于油井套管18的最底层，一级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴与减速器输出轴通过柔性轴15连接，以调整同步回转多相潜油混输泵与套管18之间的间距，各级同步回转潜油混输泵驱动轴之间均采用刚性连接，以保证由一级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气经过二级多相潜油混输泵气缸体6径向吸入孔口进入二级多相潜油混输泵中，由二级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气经过三级气缸体6的径向吸入孔口进入三级同步回转式多相潜油混输泵的工作腔，以此类推，最后由末级同步回转式多相潜油混输泵排出孔口排出到输油管中。
所述的油管的排出口设置有单流阀16，以防止泵在停机时发生倒转现象，在单流阀16的上端设置有卸油阀17，在同步回转式多相潜油混输泵进行维修时，以便于将多相潜油混输泵中油管中的油气介质导入套管18中。
所述的气缸体6均设置径向吸入口，在转子4设置径向排出孔口，且吸入孔口和排出孔口均随气缸体6和转子4在旋转，以连续吸入和排出，避免多相潜油混输泵的压缩不足和过压缩，既可以进行任意比例的油气介质的混输，也同时减小潜油混输泵的功耗。
位于转子4上的滑板1的一端嵌入气缸体6，带动气缸体6和转子4同步转动，既减小了转子4的外表面和气缸体6的内表面摩擦磨损，也提高了抗泥沙能力。
各级的月牙形的基元容积大小依据各级的排出油气压力依据容积与压力比的关系进行确定。
本发明可根据油井所输送油气量的大小，可以并联多台相同同级的同步回转式多相多级潜油混输泵，即同级潜油混输泵并联台数的多少，完全由井下需要输送的油气量大小确定。
本发明可根据油井所输送的油气扬程的大小，可以串联多台不同级数的同步回转多相多级潜油混输泵，即串联不同级数同步回转多相多级潜油混输泵的台数，完全由油井的扬程确定。
本发明的有益效果是：
本发明提出的同步回转式多相多级潜油混输泵，具有容积式压缩机和容积泵的双重功能，解决了非常规油气田和海上油田任意比例的油气混输难题，该混输泵级数小、扬程大。与多级离心混输泵相比，省略了进口油气分离器，也避免了多级离心混输泵性能受进口介质的影响，解决了其气蚀弊端；与螺杆泵混输泵相比，避免了定子与转子之间由于过盈配合造成转子与定子摩擦增大，加速损坏定子问题，解决了螺杆混输泵气液比适应范围窄及橡胶易老化和难以适应高含气率的关键问题，提高了设备的可靠性；也克服了容积式抽油泵停泵-启泵过程中，由于泥砂的沉积，造成抽油泵启动困难，容易出现卡死的现象，从介质适应性、可靠性、效率等得以全面提升。
附图说明
图1是本发明的同步回转式多相多级混输潜油泵设置示意图。
图2是本三级同步回转式多相多级混输潜油泵结构示意图。
图3是本发明的同步回转式多相多级混输潜油泵工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示。
一种同步回转式多相多级潜油混输泵，它至少有三级同步回转式多相潜油混输泵同轴串联而成，各级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴2之间通过刚性轴相连以实现多级同步回转式多相潜油混输泵的同轴串联布置；相邻级的同步回转式多相潜油混输泵的气缸容积随各级油气的压力比成等比例减小，即：
式中Vi+1、Vi为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵的气缸容积；ξi+1、ξi分别为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵中油气的压缩性系数，其值根据压力和温度查取CO2压缩性系数表(见屈宗长编著《往复式压缩机原理》p223附图8，西安交通大学出版社2019年10月)；pi+1、pi分别为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵油气的压力；nT为温度过程指数，其值由
确定，式中Ti+1、Ti分别为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵油气的温度。如图2所示，每级同步回转式多相潜油混输泵包括滑板1、驱动轴2、机体上端盖3、转子4、气缸右端盖5、气缸体6、气缸左端盖7，气缸轴承8、轴承组9，混输泵底座10、连接螺栓11和12、密封垫13、排油气通道14，所述的转子4与驱动轴2同心，在转子4上设置有滑板槽，所述的滑板(1)在转子4的滑槽中做往复移动和摆动，所述的滑板1的一端嵌入气缸体6，并带动气缸体6与转子4同步旋转，所述的气缸体(6)设置有旋转的径向吸入孔口，在转子4上设置有径向排出孔口，所述的气缸体6、转子4、气缸的左端盖7和气缸右端盖5及滑板1组成了工作腔的月牙形基元容积，所述的右端盖5和气缸左端盖7由紧固螺栓11和12固定在气缸体6上，形成一旋转的整体；气缸体6均设置径向吸入口，在转子4设置径向排出孔口，且吸入孔口和排出孔口均随气缸体6和转子4在旋转，以连续吸入和排出，避免多相潜油混输泵的压缩不足和过压缩，既可以进行任意比例的油气介质的混输，也同时减小潜油混输泵的功耗。位于转子4上的滑板1的一端嵌入气缸体6，带动气缸体6和转子4同步转动，既减小了转子4的外表面和气缸体6的内表面摩擦磨损，也提高了抗泥沙能力。各级的月牙形的基元容积大小依据各级的排出油气压力依据前一级容积与压力比的关系进行确定，即
以保证输出油气扬程的稳定。
图1是本发明的同步回转式多相多级潜油混输泵在采油井中的具体应用实例，图中的同步回转式多相潜油混输泵也为三级，具体实施时可根据需要加以增减，各级串接相连的同步回转式多相多级潜油混输泵与减速器、保护器及电机一起安装于油井套管18中，而油井套管位于井下若干距离深层的油层中。电机位于最下端，通过电缆与地面上的变频控制柜电气连接，变频控制柜由变压器供电。电机通过保护器与减速器相连，减速器通过柔性轴15与一级同步回转式多相潜油混输泵相连，以调整同步回转多相潜油混输泵与套管18之间的间距，各级同步回转潜油混输泵驱动轴之间均采用刚性连接，以保证由一级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气经过二级多相潜油混输泵气缸体6径向吸入孔口进入二级多相潜油混输泵中，由二级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气经过三级气缸体6的径向吸入孔口进入三级同步回转式多相潜油混输泵的工作腔，以此类推，最后由末级同步回转式多相潜油混输泵排出孔口排出到输油管中，油管的上端伸出井口与输油管道相连通。在油管的排出口上设置有单流阀16(即单向阀)，以防止泵在停机时发生倒转现象，在单流阀16的上端设置有卸油阀17，在同步回转式多相潜油混输泵进行维修时，以便于将多相潜油混输泵中油管中的油气介质导入套管18中。
具体实施时还可根据油井所输送油气量的大小，可以并联多台相同同级的同步回转式多相多级潜油混输泵，即同级潜油混输泵并联台数的多少，完全由井下需要输送的油气量大小确定。同时还可根据油井所输送的油气扬程的大小，可以串联多台不同级数的同步回转多相多级潜油混输泵，即串联不同级数同步回转多相多级潜油混输泵的台数，完全由油井的扬程确定。
下面就潜油混输泵的结构、工作原理以及实施方案作详细的表述。
结构方案以三级同步回转式多相多级潜油混输泵为例，三级以上相同。同步回转式多相多级潜油混输泵级数的多少，根据油井扬程大小确定，当输油气扬程大时，可以多串联几台多相多级潜油混输泵；油井中需要输油气量的大小，确定了同级有几个相同的混输泵，当需要输油气量大时，同级可以并联多台多相多级潜油混输泵。
图中1表示了三级多相多级潜油混输泵，多级时完全相同。本发明的同步回转式多相多级潜油混输泵其结构布局如图1所示，其中包括一级同步回转式多相潜油混输泵、二级同步回转式多相潜油混输泵和三级同步回转式多相潜油混输泵，各级同步回转式多相潜油混输泵驱动轴之间采用刚性连接，以保证前一级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气，经过后一级同步回转式多相潜油混输泵的轴心进入同步回转式多相潜油混输泵的工作腔。第一级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴与驱动电机之间采用柔性轴15连接，以调整同步回转式多相潜油混输泵和电机与套管18之间的间距。各级同步回转式多相潜油混输泵与减速器、保护器及电机一起安装于油井套管18中，而套管位于井下若干距离深层的油层中，其中，三级同步回转式多相潜油混输泵排出口设置单流阀16，以防止混输泵在停机时发生倒转现象。卸油阀17设置在单流阀16的上端，在泵进行维修时，将混输泵中油管中的油气压导入套管中。
本发明的多级同步回转式多相潜油混输泵的实施例如图2所示，以三级为例，其中a、b、c分别表示一级同步回转式多相潜油混输泵、二级同步回转式多相潜油混输泵和三级同步回转式多相潜油混输泵，其工作原理相同，但是各级混输泵的气缸容积将随着各级油气的压力比成比例减小。同步回转式多相潜油混输泵包括滑板1，驱动轴2，机体上端盖3，转子4，气缸右端盖5，气缸体6，气缸左端盖7，气缸轴承8，轴承组9，混输泵底座10，连接螺栓11、12，密封垫13，排油气通道14等。
参见图2，驱动轴2支撑在轴承组9上，且绕自己的旋转中心转动，驱动轴2带动转子4绕转子的回转中心转动，在转子4上设置有一端可嵌入气缸体6的滑板1，气缸右端盖5和气缸左端盖7通过连接螺栓11、12固定在气缸体6上，且由气缸轴承8支撑在混输泵底座10上，气缸体6、气缸左、右端盖7和5、转子4及滑板1共同构成一个月牙形的基元容积。
参见图3，本发明的驱动轴2与转子4的旋转中心完全同心，当驱动轴2转动时，它带动转子4作完全的回转运动，设置在转子4的滑板1又是嵌入气缸体6中，滑板1在转子4的滑板槽中做摆动和往复运动的同时，它又带动气缸体6也作完全的回转运动，它们转过一周的时间完全相同。气缸体6与转子4均是绕各自的回转中心转动，所以不存在不平衡的惯性力，运转十分平稳。在其转动时，由于气缸体6的内表面与转子4的外表面相切在某一固定点，滑板1与该切点将月牙形的基元容积分为进气腔和压缩排气腔，由于转子4和气缸体6是偏心设置，且回转半径不同，所以在转动时，它们的接触表面在作极其缓慢的移动，由于相对速度低，大大降低了接触表面的摩擦磨损。
参见图2和图3，当月牙形基元容积不断扩大时，在压差的作用下，油气通过吸入孔口进入一级同步回转式多相潜油混输泵吸入腔，与此同时滑板1前部的排出腔基元容积则不断缩小，位于基元密封容积中的油气压力不断提高，当压力大于等于二级同步回转式多相潜油混输泵吸入压力时，则排出腔的油气则通过排出孔口进入驱动轴的环形空间，并通过连接管道进入二级同步回转式多相潜油混输泵的吸入孔口，与一级同步回转式多相潜油混输泵工作原理相同，经二级同步回转式多相潜油混输泵压缩后，通过二级多相潜油混输泵的排出孔口再进入三级同步回转式多相潜油混输泵的吸入腔，最后由三级同步回转式多相潜油混输泵排出孔口送到井口。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：它至少有三级同步回转式多相潜油混输泵同轴串联而成，每级同步回转式多相潜油混输泵包括滑板(1)、驱动轴(2)、机体上端盖(3)、转子(4)、气缸右端盖(5)、气缸体(6)、气缸左端盖(7)，气缸轴承(8)、轴承组(9)，混输泵底座(10)、连接螺栓(11)和(12)、密封垫(13)、排油气通道(14)，所述的转子(4)与驱动轴(2)同心，在转子(4)上设置有滑板槽，所述的滑板(1)在转子(4)的滑槽中做往复移动和摆动，所述的滑板(1)的一端嵌入气缸体(6)，并带动气缸体(6)与转子(4)同步旋转，所述的气缸体(6)设置有旋转的径向吸入孔口，在转子(4)上设置有径向排出孔口，所述的气缸体(6)、转子(4)、气缸的左端盖(7)和气缸右端盖(5)及滑板(1)组成了工作腔的月牙形基元容积，所述的右端盖(5)和气缸左端盖(7)由紧固螺栓(11)和(12)固定在气缸体(6)上，形成一旋转的整体；各级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴(2)之间通过刚性轴相连以实现多级同步回转式多相潜油混输泵的同轴串联布置；相邻级的同步回转式多相潜油混输泵的气缸容积随各级油气的压力比成等比例减小。
2.如权利要求1所述的各级同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：它与减速器、保护器及电机一起安装于油井套管(18)中，而油井套管位于井下若干距离深层的油层中，一级同步回转式多相潜油混输泵位于油井套管(18)的最底层，一级同步回转式多相潜油混输泵的驱动轴与减速器输出轴通过柔性轴(15)连接，以调整同步回转多相潜油混输泵与套管(18)之间的间距，各级同步回转潜油混输泵驱动轴之间均采用刚性连接，以保证由一级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气经过二级多相潜油混输泵气缸体(6)径向吸入孔口进入二级多相潜油混输泵中，由二级同步回转式多相潜油混输泵通过轴心轴向排出的油气经过三级气缸体(6)的径向吸入孔口进入三级同步回转式多相潜油混输泵的工作腔，以此类推，最后由末级同步回转式多相潜油混输泵排出孔口排出到输油管中。
3.如权利要求2所述的同步回转式多相多级潜油混输泵的三级潜油混输泵，其特征是：油管的排出口设置有单流阀(16)，以防止泵在停机时发生倒转现象，在单流阀(16)的上端设置有卸油阀(17)，在同步回转式多相潜油混输泵进行维修时，以便于将多相潜油混输泵中油管中的油气介质导入套管(18)中。
4.如权利要求1所述的同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：所述的气缸体(6)均设置径向吸入口，在转子(4)设置径向排出孔口，且吸入孔口和排出孔口均随气缸体(6)和转子(4)在旋转，以连续吸入和排出，避免多相潜油混输泵的压缩不足和过压缩，既可以进行任意比例的油气介质的混输，也同时减小潜油混输泵的功耗。
5.如权利要求1所述的同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是位于转子(4)上的滑板(1)的一端嵌入气缸体(6)，带动气缸体(6)和转子(4)同步转动，既减小了转子(4)的外表面和气缸体(6)的内表面摩擦磨损，也提高了抗泥沙能力。
6.如权利要求1所述的同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：各级的月牙形的基元容积大小依据各级的排出油气压力依据前一级的容积与压力比的关系
进行确定,式中Vi+1、Vi为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵的气缸容积；ξi+1、ξi分别为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵中油气的压缩性系数；pi+1、pi分别为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵油气的压力；nT为温度过程指数，其值由
确定，式中Ti+1、Ti分别为相邻二级同步回转式多相潜油混输泵油气的温度。
7.如权利要求1所述的同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：根据油井所输送油气量的大小，可以并联多台相同同级的同步回转式多相多级潜油混输泵，即同级潜油混输泵并联台数的多少，完全由井下需要输送的油气量大小确定。
8.如权利要求1所述的同步回转式多相多级潜油混输泵，其特征是：根据油井所输送的油气扬程的大小，可以串联多台不同级数的同步回转多相多级潜油混输泵，即串联不同级数同步回转多相多级潜油混输泵的台数，完全由油井的扬程确定。
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