CN113710901A - 具有突起叶片的井下离心泵扩压器 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及一种井下离心泵系统，该系统被设计成包括扩压器配置，该扩压器配置优化地转移流体并在扩压器和相邻上部叶轮之间的死区处建立水头压力，该死区被限定为固定扩压器和相邻上部叶轮之间的开放旋转区域。扩压器包括用于从第一叶轮接收流体的第一侧和用于将流体向上转移到相邻上部叶轮的第二侧。扩压器还包括将流体流从第一侧引导至第二侧的多个叶片。扩压器的每个叶片包括在第二侧处的边缘，上述边缘包括在第二侧上的近侧边缘和远侧边缘之间的凸起部。凸起部有利地朝向第二叶轮向上延伸以相对于第二边缘从近侧边缘线性地延伸到远侧边缘的情况而减少死区。凸起部的结构促进死区处的水头压力积聚，这在流体从扩压器移动到相邻上部叶轮时提高了井下离心泵系统的效率。

Description

具有突起叶片的井下离心泵扩压器

技术领域

本公开内容大体上涉及泵，并且特别地涉及一种泵扩压器(diffuser，扩散器)，该泵扩压器被配置成在井下离心泵系统的操作期间优化地使流体从一个叶轮转移到另一叶轮。

背景技术

潜水泵通常用于提供“人工举升”或人工装置，以增强来自井下源诸如生产井的向上流体流。在大多数情况下，潜水泵包括马达部分，该马达部分驱动与叶轮耦接的轴，而该叶轮又旋转地耦接到扩压器。叶轮和扩压器交替地位于轴周围，使得流体在轴旋转时从一个叶轮流入扩压器，并从扩压器流入另一叶轮。流体从叶轮转移到扩压器并从扩压器转移到相邻上部叶轮的这种过程不断重复，直到流体从井下源行进至上部目的地。

叶轮被设计成向上加速流体流。扩压器被建立为将流体流引导至相邻上部叶轮。具体而言，扩压器被设计成具有叶片，这些叶片在使流体转移到相邻上部叶轮时引导流体流动并建立流体压力。扩压器的叶片包括从相邻下部叶轮接收流体的较低压表面和将流体引导至相邻上部叶轮的较高压表面。低压表面通常带来的问题是在被泵送的流体中形成涡旋，这又会降低相邻上部叶轮以优化方式接收和向上加速流体的能力。

此外，流体压力往往在扩压器和相邻上部叶轮之间的空间的边界、有时称为“死区”处积聚。可以被视为势能的这种流体压力通常在离心泵中是期望的，因为这种压力的增大通常会改进井下离心泵系统的整体效率。然而，扩压器叶片边缘在死区处的现有结构性限制约束了死区内这种流体压力积聚的量。

解决这些问题将是期望的。

发明内容

根据本公开内容中描述的主题的一个方面，固定(stationary：静止)扩压器可操作以与旋转地耦接到该固定扩压器的相邻下部叶轮相互作用，并且可操作以降低来自相邻下部叶轮的流体流的速度并在固定扩压器和旋转地耦接到固定扩压器的相邻上部叶轮之间的死区中建立流体压力。如本文所使用的，死区限定了固定扩压器和相邻上部叶轮之间的开放旋转区域。在一个实施方案中，固定扩压器包括用于从相邻下部叶轮接收流体的第一侧和用于将流体向上转移到相邻上部叶轮的第二侧，该相邻上部叶轮在第二侧处旋转地耦接到扩压器。固定扩压器还包括从第一侧穿过固定扩压器延伸到第二侧的中心轴腔，该中心轴腔具有内周壁，该内周壁被配置成允许旋转轴穿过固定扩压器。旋转轴可操作以将旋转赋予第一和第二叶轮；中心轴腔还包括外周表面。固定扩压器还包括在固定扩压器的第二侧处的、在内周壁的顶部处的轴缘。在一个实施方式中，轴缘在第二侧处围绕中心轴腔。此外，固定扩压器还包括裙部，该裙部围绕中心轴腔并限定流体通路，该流体通路使流体在中心轴腔的外周表面和裙部之间从第一侧被引导至第二侧。裙部还具有绕轴缘的裙部缘，使得裙部缘升高高于轴缘并且绕轴缘周向地移置。固定扩压器还包括将流体流从固定扩压器的第一侧引导至第二侧的多个叶片。固定扩压器的多个叶片中的每个叶片包括第一侧处的第一边缘和第二侧处的第二边缘。第一侧处的第一边缘和第二侧处的第二边缘经由弯曲的流体通路相连接。每个弯曲的流体通路限定了流体通路的一部分，其将流体从第一侧引导到第二侧并且降低流体的速度。弯曲的流体通路由中心轴腔的外周表面和裙部界定。第二边缘还包括在外周表面上的近侧边缘和裙部上的远侧边缘之间的凸起部。凸起部朝向相邻上部叶轮向上延伸，从而相对于第二边缘从外周表面上的近侧边缘线性地延伸到裙部上的远侧边缘的情况而减少了死区。

这些和其他实施方案可以各自可选地包括以下特征中的一个或更多个。在一个实施方案中，无突起死区被限定为在第二边缘从外周表面上的近侧边缘线性地延伸到裙部上的远侧边缘的情况下存在的死区。根据该限定，朝向第二叶轮向上延伸的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减少至少1％。在其他实施方式中，朝向第二叶轮向上延伸的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减少至少5％。在一些实施方式中，朝向第二叶轮向上延伸的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减少至少10％。

固定扩压器还将第一叶轮所赋予流体的动能转化成第二叶轮可用的势能，以促进流体在井下离心泵中的优化向上流动。此外，与中心轴腔相关联的内周壁还被配置成在第一侧处将第一叶轮旋转地耦接到固定扩压器。此外，占据一部分死区的凸起部在死区中形成流体压力积聚，以促进流体从扩压器到第二叶轮的优化转移。此外，占据一部分死区的凸起部能够适于基于以下中的一项或更多项来促进死区内的可变流体压力积聚：在外周表面上的近侧边缘的近侧点与裙部上的远侧边缘的远侧点之间的距离、凸起部的高度、与凸起部相关联的角、以及与凸起部相关联的平面长度。在一些实施方案中，凸起部的高度是近侧点和远侧点之间的距离的函数，凸起部的高度基本上垂直于近侧点和远侧点之间的距离。另外，凸起部的高度是近侧点与远侧点之间的距离的百分比，该百分比包括10％、20％、30％和40％中的一者。还应注意的是，凸起部的高度取决于死区中提高井下离心泵的效率的目标流体压力。在一些情况下，凸起部的高度取决于减小参数，其至少将死区中期望的目标流体压力作为因素计入对凸起部高度的计算中。此外，与凸起部相关联的角大于零度。此外，凸起部边缘/凸起部表面可以被倒圆角或倒角从而另外地减少死区中的涡流，这另外地促进了从扩压器到第二叶轮的流体层流。

所公开的实施方式提供了在扩压器-叶轮流体转移期间提高井下离心泵的整体效率的扩压器配置。具体地，本公开内容描述了一种扩压器配置，其在流体从固定扩压器行进到相邻上部叶轮时降低流体速度并建立水头压力。此外，本文所述的扩压器促进了从扩压器到相邻上部叶轮的层流体流，以允许相邻上部叶轮更有效地接收并向上加速流体。此外，本公开内容描述了一种扩压器配置，其专门用于减小与死区相关联的空间并增大扩压器和相邻上部叶轮之间的死区处的流体压力(在本文别处也称为水头压力)。该流体压力可以被相邻上部叶轮利用以进一步向上加速流体，从而提高井下离心泵的整体效率。

附图说明

通过示例的方式而不是通过限制在附图的图形中来例示本公开内容，其中相似的附图标记用于指代相似的元件。需要强调的是，为了讨论的清楚起见，不同的特征可能没有按比例绘制，并且不同特征的尺寸可以任意增大或减少。

图1是井下离心泵系统的示例图。

图2A是井下离心泵系统的泵内的当前公开的扩压器-叶轮-扩压器配置的实施方式的立体图。

图2B是图2A的示例性扩压器-叶轮-扩压器配置的分解图。

图2C是图2A的示例性扩压器-叶轮-扩压器配置的截面图。

图3示出了当前公开的扩压器配置相对于没有突起部的现有技术配置的性能图。

图4A是扩压器的顶部立体图，该扩压器被配置成在井下离心泵系统的操作期间增大死区处的压力积聚。

图4B是图4A的扩压器的底部立体图。

图4C是图4A和图4B的扩压器的截面图。

图5是图4A的示例性叶片的突起第二边缘的放大视图。

具体实施方式

在高水平上，井下离心泵系统通常至少包括容置有耦接到马达的泵的井下结构。在一些实施方案中，井下结构可以包括耦接到多个马达的多个泵。根据使用场景，井下结构可以根据需要浸入一个或更多个流体源(例如，储油或储气层、含水层等)中。井下结构中的多个泵可以将流体从流体源向上泵送到相对于流体源较高的高度处的接收容器(例如，罐、器皿等)。

转向图1的井下离心泵系统100，例如，一个实施方式中的井下结构可以包括一个或更多个泵110、一个或更多个气体处理设备120、一个或更多个保护设备130、一个或更多个马达140以及一个或更多个监测设备150。应当理解的是，图1中所示的附图标记可以与它们表征的设备的单个实例结合使用。例如，本文提供的一些描述可以包括泵110、气体处理设备120、保护设备130、马达140和监测设备150。

泵110可以包括彼此交替耦接的一系列叶轮和扩压器。例如，如图2B所示，泵110的一系列叶轮和扩压器可以包括旋转地耦接到扩压器212a和212b的叶轮214。扩压器212a可以具有在侧250a处旋转地耦接的另一叶轮(未示出)，而扩压器210b也可以具有在侧250b处旋转地耦接的另一叶轮(未示出)。在一些实施方案中，泵110可以是被配置成在大容量井和/或水平井或大斜度井中操作的电动潜水泵(ESP)。例如，泵110可以促进从150桶/每天(BPD)到10,000BPD的流体生产并且大小范围可以从直径4.5英寸到大于7英寸。这种广泛的规格范围允许泵110适应变化的钻井状况。此外，泵110可以是耐磨的并且可以在例如高出砂的情况下处理固体。

回到图1，气体处理设备120可以被配置成通过减少泵110中的气体干扰来缓解气体锁定。在一些实施方案中，气体处理设备120可以包含旋转和涡流气体分离器，其通过首先防止自由气体进入泵110来增强泵效率。由气体处理设备120执行的操作通过降低泵压降来最大化流体产量并促进井的正常运行时间。

保护设备130可以被配置成确保马达140的电气和机械完整性。在一些实施方案中，保护设备130可以用作促进马达140的扩展能力的储油器。保护设备130可以包括保持马达140平稳运行的安全密封件。此外，保护设备130还可以包括一个或更多个腔室，该腔室适于通过在井流体和用于润滑马达140的清洁油之间形成低压边界来防止马达140的井孔流体污染。此外，保护设备130可以促进：从马达轴到气体处理设备120和/或泵吸入轴的扭矩转移；增强泵轴；以及使井下离心泵系统100适应具体实施考虑。

马达140可以被配置成驱动与井下离心泵系统100的泵110耦接的轴。在一些实施方式中，马达140可以是被配置用于变速操作、耐高温和深井泵送的电动潜水马达。马达140可以包括允许3相操作、2极感应等的一个或更多个电路。在一些实施方案中，马达140可以被配置成具有大小诸如375、420、456和540以及最高至450华氏度的温度额定值。马达140可以使用耐腐蚀材料诸如不锈钢来制作。

监测设备150可以包括能够监测井下离心泵系统100的软件和/或固件和其他硬件。在一些实施方式中，监测设备150可以包括在井下离心泵系统100的操作期间捕获多个信息的一个或更多个传感器(例如，温度传感器、压力传感器等)。该信息可以经由有线和/或无线信道传输到用户界面，该用户界面有助于查看与井下离心泵系统100的不同操作和/或井下离心泵系统100操作的状况相关联的监测数据。

图2A是井下离心泵系统100的泵110内的示例性扩压器-叶轮-扩压器配置200的例示。如在图2B的分解视图210中更清楚地看到的，扩压器-叶轮-扩压器配置200可以包括以交替方式堆叠的叶轮和扩压器。堆叠可以包括第一扩压器，接着是第一叶轮，接着是第二扩压器，接着是第二叶轮，以此类推。例如，第一扩压器可以是扩压器212b，而第二扩压器可以是扩压器212a。类似地，第一叶轮可以是叶轮214，而第二叶轮(未示出)可以是位于第二扩压器212a的侧250a处的叶轮。此外，泵110内的每个叶轮可以具有适于适配由马达140驱动的轴(在本文别处也称为驱动轴)的孔216。例如，如图2B所示，与叶轮214相关联的孔216用于适配由马达140驱动的轴。取决于实施方案，孔216可以是花键式、键式或螺纹式。腔218a和218b分别被配置成适配与叶轮214的孔216相关联的孔结构。腔218a也可以适配与在侧250a处旋转地耦接至扩压器212a的另一叶轮214的孔216相关联的孔结构，而腔218b也可以适配与在侧250b处旋转地耦接至扩压器212b的另一叶轮的孔216相关联的孔结构。

此外，叶轮214具有多个叶片213，这些叶片被配置成随着驱动轴使叶轮214转动而使流体向上加速。扩压器212a和212b还包括将流体引导至相邻上部叶轮的多个固定叶片210。扩压器212b的示例性固定叶片210分别在图2B和图2C的分解图210和截面图220中示出。应当理解的是，扩压器-叶轮-扩压器配置200可以包括径向和/或混流叶轮和扩压器，其被配置成在大容量泵送应用中操作。

在井下离心泵系统100的正常操作期间，扩压器-叶轮-扩压器配置200内的每个叶轮通过从旋转中心向上/向外加速流体以将动能从由马达140驱动的轴转移到被泵送的流体中。具体地，扩压器-叶轮-扩压器配置200的每个叶轮214可以被配置成具有称为眼的开放入口，其接收进入的流体，该流体随后被叶轮214的叶片213向上加速到匹配扩压器212。叶轮214的速度将动能赋予流体，该动能随后被匹配扩压器212转化为压力或势能。也就是说，匹配扩压器212将由叶轮214赋予流体的动能(即，随着叶轮214旋转)转化成势能或水头压力，该势能或水头压力能够由在死区(本文别处也称为死区空间)处旋转地耦接至扩压器214的另一叶轮使用，以便促进流体在井下离心泵系统100中的优化向上流动。要注意的是，扩压器-叶轮-扩压器配置200内的每个叶轮可以使用青铜、不锈钢、铸铁、聚碳酸酯和/或其他材料来制造。

扩压器-叶轮-扩压器配置200中的每个扩压器212可以被配置成具有围绕匹配叶轮(即，相邻下部叶轮214)的固定叶片210。更具体地，扩压器212的固定叶片210可以在扩压器212的低压侧处从相邻下部叶轮214接收流体并且通过固定叶片214将接收到的流体转移到扩压器212的高压侧。例如，扩压器212a在其低压侧处可以具有相邻下部叶轮214(参见图2B或图2C)，从该处接收流体，并且通过其固定叶片210将接收到的流体转移到位于扩压器212a的侧250a处的相邻上部叶轮。在一些实施方式中，每个叶轮和匹配扩压器可以被称为一阶段。例如，如图2B或图2C中所示，第一阶段可以构成为位于侧部250b处的叶轮(未示出)和匹配扩压器212b，而第二阶段可以够成为叶轮214和匹配扩压器212a。换言之，在扩压器-叶轮-扩压器配置200的任何阶段，流体从相邻下部叶轮214被转移并由匹配扩压器212接收。

在流体从相邻下部叶轮214传输到匹配扩压器212期间，流体通过与匹配扩压器212的固定叶片210相关联的弯曲的流体通路222(见图2C)。当流体行进穿过弯曲的流体通路222时，它遇到与固定叶片210相关联的流通面积，这使得流体速度降低。流体速度的这种降低造成流体中的能量转换。也就是说，在将相邻上部叶轮214旋转地耦接到扩压器212之后，随着流体通过匹配扩压器212的固定叶片210到匹配扩压器212和相邻上部叶轮214之间的边界(死区242b——见图2C)，从相邻下部叶轮214移动到匹配扩压器212的流体中的动能被转化成压力形式的势能。该边界，也称为死区/死区空间，被限定为扩压器212和相邻上部叶轮214之间的开放旋转区域。现有技术的死区空间242a和减小的死区空间242b在下文中并结合图2C、图3和图4进一步讨论。

在一些实施方案中，扩压器-叶轮-扩压器配置200可以是多阶段配置，其中流体压力随着流体从一个阶段行进到另一阶段而逐渐增大。在任何阶段或与扩压器-叶轮-扩压器配置200相关联的阶段组合处的压力积聚是期望的，因为该压力可以用于提高井下离心泵系统100的整体效率。

例如，图3示出了当前公开的扩压器配置200相对于现有技术配置的性能图300。如图所示，水平轴线代表以桶/每天(BPD)为单位的流体生产率，而左侧的竖向轴线被标刻度以反映水头压力，并以英尺(FT)为单位进行测量。右侧的竖向轴线被标刻度以示出两种扩压器配置中的每一者的整体效率。压力曲线310和效率曲线330与井下离心泵系统100的现有技术扩压器配置相关联，然而压力曲线320和效率曲线340与类似的本公开的扩压器配置相关联，本公开的扩压器配置在井下离心泵系统100的扩压器的固定叶片上具有公开的突起部。特别地，压力曲线310描绘了对于现有技术扩压器配置的水头压力相对流速的曲线，而压力曲线320描绘了对于当前公开的在固定叶片上具有突起部211的扩压器配置的水头压力相对流速的曲线。类似地，效率曲线330示出了对于现有技术扩压器配置的效率相对范围从0到3300BPD的流速的曲线，而效率曲线340例示了对于本公开的在固定叶片上具有突起部211的扩压器配置的效率相对流速(也在0到3300BPD的范围内)的曲线。性能图300中还示出了用于井下离心泵系统100的优选操作范围360。优选操作范围360是性能图300上的区带，该区带在分别与效率曲线330和效率曲线340相关联的最佳效率点333和444周围双向地延伸指定量(在这种情况下，指定量约为750BPD)。在大多数情况下，优选的操作范围360可以基于因素诸如扩压器配置的类型、与井下离心泵系统100相关联的功率考虑、以及井下离心泵系统100是在低流应用还是在高流应用中使用来确定。如参考图4A至图4C进一步讨论的，性能图300表明在类似的操作状况下，具有较高压力曲线的扩压器配置在优选操作范围360中也将比具有较低压力曲线的扩压器配置更有效。更具体地，性能曲线图300中所示的测试结果表明，具有较大的现有技术死区空间242a(参见图2C)的扩压器配置由于其固定叶片上没有突起部211，与下述扩压器配置(参见图4A)相比效率将较低：该扩压器被配置为具有减小的死区空间242b，该减小的死区空间由突起部211旋转通过来形成并因此减小了叶轮214的叶片和扩压器212之间的死区242的体积。

图4A是扩压器212(在本文别处也称为固定扩压器)的顶部立体图，该扩压器被配置成在井下离心泵系统100的操作期间增大死区242处的压力积聚。如图所示，扩压器212可以包括分别对应于低压侧和高压侧的第一侧410a和第二侧410b。在一些实施方式中，低压侧可旋转地耦接到匹配叶轮214，如参考图2A至图2C所讨论的。扩压器212可以在较低压力侧410a处从匹配叶轮214接收流体并且将该流体转移(例如，向上转移和/或向侧部转移)到在较高压力侧410b处的另一叶轮214。例如，扩压器212可操作以：从在其较低压力侧410a处的匹配叶轮214接收以高速运动的流体；当流体行进通过其固定叶片210时降低流体速度；并且在流体行进通过固定叶片210并到达扩压器212和在较高压力侧410b处旋转地耦接到扩压器212的相邻上部叶轮214之间的死区处之后转化流体中的动能。换言之，扩压器212包括第一侧410a(即，低压侧)和第二侧410b(即，高压侧)，分别被配置成从第一侧410a处的相邻下部叶轮214接收流体，并向上转移流体至第二侧410b处的相邻上部叶轮214，以便在相邻上部叶轮214和扩压器212之间的死区中建立水头压力。该水头压力可以由相邻上部叶轮214使用以优化地向上移动流体。

还如图4A所示的是从第一侧410a延伸穿过扩压器212到第二侧410b的中心轴腔218。中心轴腔218具有内周壁，该内周壁被配置成允许旋转轴(即，驱动轴)穿过扩压器212。如上所述，旋转轴可操作以将旋转赋予至相邻下部和相邻上部叶轮214。在中心轴腔218的内周壁的顶部处是轴缘490，其在第二侧410b处围绕中心轴腔。在一些实施方式中，内周壁还被配置成旋转地耦接至在第一侧410处的相邻下部叶轮214。在这种情况下，在使相邻下部叶轮214经由内周壁耦接到扩压器212之前/之后，驱动轴穿过相邻下部叶轮214的孔216。应当注意的是，中心轴腔218还包括外周表面480，下面对其进行与扩压器212的叶片边缘相关联的讨论。扩压器212还包括裙部472，该裙部围绕中心轴腔218并限定流体通路，该流体通路使将流体在中心轴腔218的外周表面480和裙部472之间从第一侧410a被引导至第二侧410b。此外，裙部具有绕轴缘490的裙部缘470，使得裙部缘470升高高于轴缘490并且绕轴缘490周向地移置。

此外，扩压器212包括多个固定叶片210，其将高速流体从较低压力侧410a处的匹配叶轮214引导至较高压力侧410b处的另一叶轮214。例如，扩压器212的多个固定叶片210包括固定叶片210a、210b、210c、210d等，它们将高速流体从较低压力侧410a处的匹配叶轮214引导至较高压力侧410b处的另一叶轮214。扩压器212的多个固定叶片210相对于井下离心泵系统100的叶轮214是固定的。

转到与图4B相关联的图4A，扩压器212的每个叶片210包括位于第一侧410a处的第一边缘450a(参见图4B)和位于第二侧410b处的第二边缘(在本文别处也称为突起第二边缘)450b(参见图4A)。第一边缘450a通过弯曲的流体表面(即，图2所示的弯曲流体通路222)连接到第二边缘450b。每个弯曲的流体通路222限定了流体通路的一部分，其将流体从第一侧引导至第二侧，如上文参考裙部472所讨论的。此外，随着流体行进到死区空间中，每个弯曲的流体通路222还降低了流体的速度。在一些实施方式中，弯曲的流体通路由中心轴腔218的外周表面480和裙部472界定。

第二边缘450b包括突出到死区空间242a中的凸起部。更具体地，凸起部朝向相邻上部叶轮214向上延伸/突出，从而相对于第二边缘450b从外周表面线性地延伸到裙部的情况而减少了死区。第二边缘450b的凸起部突出到死区空间242a中的程度是可以适应于满足不同泵送场景的需要的设计参数。例如，每个叶片的第二边缘450b的凸起部可以突出到死区中以形成占据死区空间的百分比的突出部的积累，如本文所述的死区中流体的虚拟旋转所确定的。在一些实施方式中，由积累的突出部/凸起部占据的死区空间242a的有效百分比可以是死区空间242a的10％、20％、30％或40％中的至少一者，这取决于应用，并且根据设计需要和本申请中所述的原理。例如，在与图3的性能图300相关联的配置中，与其固定叶片上没有任何突出部的扩压器配置相关联的原始死区空间可以是与图2C相关联示出的现有技术死区空间242a。

在其他实施方式中，死区的减少是基于无突起死区另外阐明的。无突起死区被限定为在第二边缘如本文别处所讨论的那样从外周表面线性地延伸到裙部的情况下存在的死区。然而，因为第二边缘450b具有朝向相邻上部叶轮214向上延伸的凸起部，与第二边缘450b相关联的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减小指定量。示例性无突起死区是现有技术死区空间242a，而减小的死区空间242b可以与图4A的扩压器212相关联。在一个实施方式中，第二边缘450b的朝向相邻上部叶轮214向上延伸的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减少至少1％。在其他实施方式中，第二边缘450b的朝向相邻上部叶轮214向上延伸的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减少至少5％。在其他实施方案中，第二边缘450b的朝向相邻上部叶轮214向上延伸的凸起部的高度足以有效地使死区相对于无突起死区减少至少10％。如本文所讨论的，相对于死区空间242a的百分比减少通过突起部211绕扩压器的中心轴线的“虚拟”旋转所占据的现有技术死区空间242a的体积来限定。旋转是“虚拟的”，因为扩压器是固定的，但它的有效体积是以旋转的方式来计算的，因为叶轮214相对于扩压器212使死区242内的流体旋转。

在结构上，第二边缘450b的凸起部可以连接到外周表面480和裙部472。如图4A所示，第二边缘450b的凸起部附接到裙部472的内表面结构下方的远侧边缘471以及附接到中心轴腔218的外周表面480上的近侧边缘491。在一个实施方案中，第二边缘450b的凸起部在轴缘490上方突出并且相对于裙部缘470在高度上较低。第二边缘450b的凸起部、轴缘490和裙部缘470之间的位置关系在图4C中示出，其描绘了扩压器212的截面图，该截面图示出了第二边缘450b的凸起部相对于轴缘490和裙部缘470的位置。

第二边缘450b的突起结构/凸起部与缺乏该特征的现有扩压器配置相比是非常期望的。如经由图3的曲线中的实验性结果所示，与使用仅具有结构上相对线性且缺乏突起部的第二边缘的现有技术扩压器配置而在死区242处的较低压力积聚相比，扩压器212的每个固定叶片210的第二边缘450b的突起性质有利于在死区242处的较高压力积聚/水头压力。回到图3，压力曲线310与具有以下扩压器配置的井下离心泵系统相关联，该扩压器配置的第二边缘没有像上面参考图4A所讨论的那些一样的任何突起部/凸起部。结果，压力曲线310可以与具有与图2C的死区空间242a基本相似的死区空间的井下离心泵系统相关联。因此，特别是对于优选操作范围360，现有技术方案的水头压力的范围是从大约10英尺至25英尺。在大多数情况下，该水头压力范围是缺乏突出到死区空间242a中的任何突出部的典型扩压器配置。相比之下，与具有图4A所示的扩压器配置的突起第二边缘450的井下离心泵系统100相关联的压力曲线320的范围，在性能图300的优选操作范围360内大约从12英尺到28英尺。这主要是因为与压力曲线320相关联的死区空间基本上等同于图2C的减小的死区空间242b。因此，对于低流应用到高流应用，性能图300所示出的测试结果通常表明，即使在优选操作范围360之外，图4A的扩压器配置与缺乏上述突起特征的扩压器配置相比在死区处具有较高的压力积聚。

此外，在性能图300的优选操作范围360内，效率曲线340——其是对应于具有图4A所示的突起边缘(或凸起部)的井下离心泵系统的效率曲线——比对应于具有在高压侧处缺乏突起边缘的扩压器配置的井下离心泵的效率曲线图330相对较高。特别地，在大约1850BPD的流速处，效率曲线340具有大约等于72％的高效率，而效率曲线330在优选操作范围360内具有大约等于67％的高效率。在1850BPD生产率处，效率曲线340相对于效率曲线330的5％性能改进重要地例示了利用具有如本文所述的突起第二边缘的扩压器配置所带来的益处。因此，来自图300的数据通常表明，在除了扩压器高压侧处的叶片边缘突起部之外的相似状况下，扩压器配置400优于缺乏上述突起叶片边缘特征的现有扩压器配置。

图5是图4A的示例性叶片210的突起第二边缘450b的放大视图。如图中所见，突起第二边缘450b包括凸起部510(与图2B、图2C和图4A的突起部211a、211b、211c、211d等相关联)具有高度h。具体地，高度h反映了凸起部510突出到死区中的程度。在一些实施方案中，凸起部510的高度h可以是近侧边缘491的近侧点513和远侧边缘471的远侧点512之间的距离d的函数。例如，凸起部510的高度h可以小于距离d，并且可以基于百分比来计算，死区空间242a(参见图2C)必须由第二边缘450b的凸起部510减少该百分比。例如，高度h可以使用以下公式计算：

h＝α×d，使得h≤d，以及α是减小参数。

在一些实施方案中，α可以是具有10％、20％、30％和40％中的至少一者的值的百分比，根据设计需要和本说明书中描述的设计原理。在其他实施方式中，α可以是小于或等于99％的百分比，距离d可以减小该百分比以获得h。在一些情况下，α可以是参数，其至少将死区空间中期望的目标流体压力作为因素计入对高度h的计算中。要注意的是，高度h是基于提高井下离心泵系统100的整体效率的设计考虑来选择的。例如，可以进行测试以便给定距离d，可以选择α的不同值，并且对于每个对应的h观察并记录水头压力，该h针对井下离心泵系统100的给定操作范围360的每个α来计算。相对地提高井下离心泵系统100的效率的目标水头压力可以从观察和记录到的与每个α相关联的水头压力中选择。在计算高度h时也可以考虑除本文所述之外的其他因素。此外，图5所示实施方式中示出的高度h基本上垂直于近侧点513和远侧点512之间的距离d。

此外，突起第二边缘450b的凸起部510可以被构造成促进流体的更多层流并且还在死区中建立水头压力。在一个实施方式中，凸起部510可以被倒角或倒圆角以使凸起部表面520缓和，从而优化地允许流体流入死区空间242b中并流向相邻上部叶轮214。在一些情况下，凸起部表面520可以基于角2，如示出的。例如，如果平面长度l基本上平行于近侧点513和远侧点512之间的距离d，并且以顺时针方向移动，θ可以是高度h与平面长度l之间的角。因此，所示示例表明θ可以由θ≤90°给出。

如果θ是0°(即0度)，那么凸起部表面520的平面边缘530将是尖的表面，因为凸起部表面520将朝向平面点521和522急剧下倾。但是，如果θ大于0°但小于或等于90°(即，90度)，则平面边缘530朝向平面点521和522平缓地缓和以形成圆角表面或倒角表面。也就是说，凸起部表面520可以基于角θ被倒圆角或倒角。在设计凸起部510时也可以采用不同于本文所述那些的其他技术，以实现井下离心泵系统100的期望操作要求。要注意的是，与凸起部和角θ相关联的平面长度l可以结合h以增强井下离心泵系统100的效率。例如，虽然凸起部表面520被示出为沿着叶片的长度被倒圆角或倒角，但可以期望凸起部表面520也跨其宽度被倒圆角或倒角(即，进入和离开凸起部表面520的图示平面)。因此，上述内容表明，除了以层流方式将流体转移到相邻上部叶轮214之外，扩压器212的凸起部510还可以适用于促进死区内的可变流体压力积聚，基于角θ、平面长度l以及在一些情况下上面讨论的高度h中的一者或更多者。

说明书中对“一个实施方案”或“一实施方案”的引用是指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开内容的至少一个实施方案中。短语“在一个实施方案中”、“在一些实施方案中”、“在一个实施方式中”或“在一些实施方式中”在说明书中的不同地方的出现不一定都指代相同的实施方案。

最后，出于例示和描述的目的，已经呈现了本公开内容的实施方案的前述描述。并不意在穷举或将本公开内容限制为所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。意在使本公开内容的范围不受该详细描述的限制，而是由本申请的权利要求限制。如本领域技术人员将理解的，在不脱离本公开内容的精神或基本特性的情况下，本公开内容可以以其他具体形式实施。同样地，特定的命名和划分也是如此。因此，本公开的公开内容意在是例示性而非限制本公开内容的范围，本公开内容的范围在所附权利要求中阐述。

Claims (15)

1.一种用于在井下离心泵中使用的固定扩压器，所述固定扩压器能够操作以与旋转地耦接到所述固定扩压器的第一叶轮相互作用，并且能够操作以降低来自所述第一叶轮的流体流的速度以及在所述固定扩压器与旋转地耦接到所述固定扩压器的第二叶轮之间的死区中建立流体压力，所述死区被限定为所述固定扩压器和所述第二叶轮之间的开放旋转区域，所述固定扩压器包括：

第一侧，用于从所述第一叶轮接收流体；

第二侧，用于将流体向上转移到所述第二叶轮，所述第二叶轮在所述第二侧处旋转地耦接到所述固定扩压器；

中心轴腔，所述中心轴腔从所述第一侧穿过所述固定扩压器延伸到所述第二侧，所述中心轴腔具有内周壁，所述内周壁被配置成允许旋转轴穿过所述固定扩压器，所述旋转轴能够操作以将旋转赋予第一和第二叶轮，所述中心轴腔还包括外周表面；

轴缘，所述轴缘在所述固定扩压器的第二侧处、位于所述内周壁的顶部处，所述轴缘在所述第二侧处围绕所述中心轴腔；

裙部，所述裙部围绕所述中心轴腔并限定流体通路，所述流体通路使流体在所述中心轴腔的外周表面和所述裙部之间从所述第一侧被引导至所述第二侧，所述裙部还具有绕所述轴缘的裙部缘，所述裙部缘升高高于所述轴缘并绕所述轴缘周向地移置；

将流体流从所述第一侧引导至所述第二侧的多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片包括：

在所述第一侧处的第一边缘；以及

在所述第二侧处的第二边缘；以及

被限定为所述流体通路的部分的多个弯曲的流体通路，所述多个弯曲的流体通路被界定在相邻叶片之间并且还被界定在所述中心轴腔的外周表面和所述裙部之间；

其中，所述多个叶片的第二边缘在所述中心轴腔的轴缘处与所述裙部的裙部缘处之间延伸，并且其中，所述第二边缘中的至少一者包括朝向所述第二叶轮向上延伸的凸起部，并因此相对于所述第二边缘从所述轴缘线性地延伸到所述裙部缘的情况减少所述死区。

2.根据权利要求1所述的固定扩压器，其中，无突起死区被限定为在所述第二边缘从所述轴缘线性地延伸到所述裙部缘的情况下存在的死区，并且其中，朝向所述第二叶轮向上延伸的凸起部的高度足以有效地使所述死区相对于所述无突起死区减少至少1％。

3.根据权利要求2所述的固定扩压器，其中，朝向所述第二叶轮向上延伸的凸起部的高度足以有效地使所述死区相对于所述无突起死区减少至少5％。

4.根据权利要求2所述的固定扩压器，其中，朝向所述第二叶轮向上延伸的凸起部的高度足以有效地使所述死区相对于所述无突起死区减少至少10％。

5.根据权利要求1所述的固定扩压器，其中，所述扩压器将所述第一叶轮所赋予流体的动能转化成所述第二叶轮可用的势能，以促进流体在所述井下离心泵中的优化向上流动。

6.根据权利要求1所述的固定扩压器，其中，与所述中心轴腔相关联的所述内周壁还被配置成在所述第一侧处将所述第一叶轮旋转地耦接到所述固定扩压器。

7.根据权利要求1所述的固定扩压器，其中，所述凸起部在所述死区中形成流体压力积聚，以促进流体在所述井下离心泵中的优化向上流动。

8.根据权利要求5所述的固定扩压器，其中，所述凸起部能够适于基于以下中的一项或更多项来促进所述死区内的可变流体压力积聚：

在所述外周表面上的近侧边缘的近侧点与所述裙部上的远侧边缘的远侧点之间的距离，

所述凸起部的高度，

与所述凸起部相关联的角，以及

与所述凸起部相关联的平面长度。

9.根据权利要求8所述的固定扩压器，其中，所述凸起部的高度是所述近侧点和所述远侧点之间的距离的函数，所述凸起部的高度基本上垂直于所述近侧点与所述远侧点之间的距离。

10.根据权利要求8所述的固定扩压器，其中，所述凸起部的高度是所述近侧点与所述远侧点之间的距离的百分比，所述百分比包括至少10％、20％、30％和40％中的一者。

11.根据权利要求8所述的固定扩压器，其中，所述凸起部的高度取决于所述死区中提高所述井下离心泵的效率的目标流体压力。

12.根据权利要求8所述的固定扩压器，其中，所述凸起部的高度取决于减小参数，所述减小参数至少将所述死区中期望的目标流体压力作为因素计入对所述凸起部的高度的计算中。

13.根据权利要求8所述的固定扩压器，其中，所述角大于零度，并且其中，与所述凸起部相关联的凸起部表面基于所述角被倒圆角，以促进从所述扩压器到所述第二叶轮的流体的层流。

14.一种用于在井下离心泵中使用的固定扩压器，所述固定扩压器能够操作以与旋转地耦接到所述固定扩压器的第一叶轮相互作用，并且能够操作以降低来自所述第一叶轮的流体流的速度并在所述固定扩压器与旋转地耦接到所述固定扩压器的第二叶轮之间的死区中建立流体压力，所述死区被限定为所述固定扩压器和所述第二叶轮之间的开放旋转区域，所述固定扩压器包括：

第一侧，用于从所述第一叶轮接收流体；

第二侧，用于将流体向上转移到所述第二叶轮，所述第二叶轮在所述第二侧处旋转地耦接到所述固定扩压器；

中心轴腔，所述中心轴腔从所述第一侧穿过所述固定扩压器延伸到所述第二侧，所述中心轴腔具有内周壁，所述内周壁被配置成允许旋转轴穿过所述固定扩压器，所述旋转轴能够操作以将旋转赋予第一和第二叶轮，所述中心轴腔还包括外周表面；

轴缘，所述轴缘在所述固定扩压器的第二侧处、位于所述内周壁的顶部处，所述轴缘在所述第二侧处围绕所述中心轴腔；

裙部，所述裙部围绕所述中心轴腔并限定流体通路，所述流体通路使流体在所述中心轴腔的外周表面和所述裙部之间从所述第一侧被引导至所述第二侧，所述裙部还具有绕所述轴缘的裙部缘，所述裙部缘升高高于所述轴缘并绕所述轴缘周向地移置；

将流体流从所述第一侧引导至所述第二侧的多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片包括：

在所述第一侧处的第一边缘；以及

在所述第二侧处的第二边缘；以及

被限定为所述流体通路的部分的多个弯曲的流体通路，所述多个弯曲的流体通路被界定在相邻叶片之间并且还被界定在所述中心轴腔的外周表面和所述裙部之间，

其中，所述多个叶片的第二边缘在所述中心轴腔的轴缘处与所述裙部的裙部缘处之间延伸，并且其中，所述第二边缘中的至少一者包括朝向所述第二叶轮向上延伸的凸起部，并因此相对于所述第二边缘从所述轴缘线性地延伸到所述裙部缘的情况减少所述死区；

另外其中，所述凸起部的高度被限定为基本上与所述轴缘和所述裙部缘之间的第二边缘的线性路径垂直的最高点，并且其中，所述凸起部的高度是所述轴缘和所述裙部缘之间的线性路径的至少10％。

15.根据权利要求14所述的固定扩压器，其中，所述凸起部的高度是所述轴缘和所述裙部缘之间的线性路径的百分比，所述百分比为至少20％。

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