CN114930021B - 潜水泵组件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于传送具有低粘度的流体介质的潜水泵组件(10)。在一个实施例中，所述潜水泵组件(10)包含与共同驱动轴(90)、共同抽吸腔室(92)和共同压力腔室(94)同轴对准的多个泵单元(58，60，62)。所述泵单元(58，60，62)中的每一者包含主动操作模式，其中所述流体介质在期间从所述共同抽吸腔室(92)传送到所述共同压力腔室(94)；以及非主动操作模式，其中所述流体介质循环通过所述共同抽吸腔室(92)。所述泵单元(58，60，62)中的每一者能够个别地致动。

Description

潜水泵组件及其使用方法

技术领域

本发明大体上涉及潜水泵组件，且确切地说，涉及例如用于在从井生产烃期间移除具有低粘度的流体介质(例如，水或轻质原油)的潜水泵组件。

背景技术

在不限制本发明的范围的情况下，将关于可能发生水侵入的老化烃生产井描述背景技术。在健康的最优生产井中，高压烃或油流具有将此液体提升到表面的能力。然而，随时间推移，随着地层中的压力下降和水生产增加，流动条件发生变化。油层压力可能不再足以将井卸载，使得水在井的下部部分中积聚，形成柱状物，进一步延迟烃生产。已经提出若干基于泵的解决方案来解决流体积聚问题并且恢复烃生产井的流动速率。柱塞式泵组件受行进速度限制，且通常在井使用寿命较高的低压、较低生产烃生产井中操作。离心式泵组件能够处置高生产请求，但通常比柱塞式泵组件具有更高的操作成本。

此外，如所提及，随时间推移，随着地层中的压力下降和水生产增加，流动条件和压力条件发生变化。在现有泵组件中，可调整驱动单元的旋转速度而以泵组件效率为代价补偿压力条件的变化。因此，需要改进的潜水泵组件及其使用方法，以便在烃生产井的使用寿命期间在不同的烃生产井中高效操作。

发明内容

实现将改进现有功能限制的潜水泵组件及其使用方法将为有利的。还将需要实现一种基于机械的解决方案，所述解决方案将在不同的生产井或需要移除具有低粘度的流体介质(例如，水或轻质原油)的其它环境中提供增强的操作效率。为了更好地解决这些问题中的一个或多个问题，公开了一种潜水泵组件及其使用方法。在一个方面中，一些实施例包含具有汽缸和活塞的汽缸体。驱动轴可旋转地支撑在汽缸体中且联接到驱动单元。倾斜前导板联接到活塞和驱动轴，使得活塞被配置成在使倾斜前导板旋转后在汽缸内以往复运动形式被轴向地驱动。抽吸端口和压力端口各自定位成与汽缸流体连通。在一个操作模式中，当活塞主动地泵送时，流体介质在活塞的往复运动期间从抽吸端口传送到压力端口。在另一操作模式中，流体介质循环通过抽吸腔室。

在另一方面中，公开了一些实施例，其包含一种用于传送具有低粘度的流体介质的潜水泵组件。在这些实施例中，所述潜水泵组件包含与共同驱动轴、共同抽吸腔室和共同压力腔室同轴对准的多个泵单元。所述泵单元中的每一者包含主动操作模式，其中流体介质从共同抽吸腔室传送到共同压力腔室；以及非主动操作模式，其中流体介质循环通过共同抽吸腔室。所述泵单元中的每一者可个别地致动。

在仍另一方面中，一些实施例包含与共同驱动轴同轴对准的多个泵单元。所述多个泵单元中的每一者可个别地控制以使得所述多个泵串联地定位且可并行地控制。所述多个泵单元中的每一者包含驱动轴，所述驱动轴可旋转地支撑在汽缸体中且联接到驱动单元。倾斜前导板联接到活塞和驱动轴，使得活塞被配置成在使倾斜前导板旋转后在汽缸内以往复运动形式被轴向地驱动。抽吸端口和压力端口各自定位成与汽缸流体连通。本发明的这些和其它方面将从下文中所描述的实施例中显而易见且参考下文中所描述的实施例予以阐明。

附图说明

为了更全面地理解本发明的特征和优点，现在参考本发明的详细描述以及附图，在附图中，不同图式中的对应标号指代对应部件，且其中：

图1为描绘根据本文中所呈现的教示的采用潜水泵组件的陆上烃生产操作的一个实施例的示意性说明；

图2为描绘处于移除具有低粘度的流体介质的第一阶段的图1的烃生产操作的一个实施例的示意性说明；

图3为描绘处于移除具有低粘度的流体介质的第二阶段的图1的烃生产操作的一个实施例的示意性说明；

图4为描绘图1的潜水泵组件的一个实施例的示意图；且

图5为描绘沿着线5-5截取的图4的潜水泵组件的横截面的示意图。

具体实施方式

尽管下文详细论述本发明的各种实施例的制作和使用，但应了解，本发明提供许多可体现在广泛多种特定情形中的适用发明概念。本文中所论述的特定实施例仅说明用于制作和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。

首先参考图1，其中描绘在陆上烃生产操作12中采用的潜水泵组件10的一个实施例，所述陆上烃生产操作可例如生产油、天然气或其组合。井口14定位在位于表面18下方的地下烃地层16上方。井孔20延伸穿过包含地下烃地层16的各种地层。套管柱24沿着井孔20排列，且套管柱24用水泥26胶结到适当位置。穿孔28提供从地下烃地层16到井孔20的内部的流体连通。封隔器22提供生产油管30与套管柱24之间的流体密封。作为一种类型的生产油管30的复合连续油管34从定位有各种表面设备36的表面18延伸到流体积聚区38，所述流体积聚区含有具有低粘度的流体介质F，例如，油或天然气等烃、压裂液、水或其组合。如所展示，潜水泵组件10联接到生产油管30的下部末端40。

现参考图2和图3，如所展示，潜水泵组件10定位于由套管柱24限定的流体积聚区38中，所述套管柱由井孔20内的水泥26胶结。潜水泵组件10并入到连接到生产油管30的下部末端40的井下工具50中，且更确切地说，潜水泵组件10包含具有驱动单元54的外壳52，所述驱动单元通过联接单元56联接到串联定位的泵单元58、60、62，所述泵单元又联接到干预单元64和连接器66。泵单元58可包含端口68、70。类似地，泵单元60可包含端口72、74，且泵单元62可包含端口76、78。各种端口68、70、72、74、76、78可被分配各种入口或出口功能，或被密封关闭。应了解，可采用多种泵单元配置，且泵单元以及端口的数目可取决于分配潜水泵组件10的特定应用而变化。举例来说，在一个实施方案中，泵单元58、60、62可共享共同入口端口。

在操作中，为了开始传送流体介质F的过程，潜水泵组件10定位于流体积聚区38中。最初，如在图2中最佳地展示，潜水泵组件10完全浸没在流体介质F中，如所提到，所述流体介质可包含例如油和/或天然气等烃、压裂液、水或其组合。潜水泵组件10经致动，且泵单元58、60、62中的一个或多个泵单元的选择性操作开始。随着时间推移，如图3中最佳地展示，潜水泵组件10将流体介质F泵送到表面18，所述流体介质可例如为生产流体或生产抑制流体。泵送流体介质F的过程继续，直到潜水泵组件10停止。

在一些实施例中，潜水泵组件10包含模块性，以在由外壳52表示的单个体积中以串联布置提供多个泵单元。然而，多个泵单元的串联布置提供与泵单元58、60、62的同时使用的并行操作以确保冗余。确切地说，泵单元58、60、62的选择性操作通过将打开/关闭状态选择性地应用到泵单元58、60、62中的每一者而实现总可用的低速率以及可变流动速率。

现参考图4和图5，额外详细地描绘用于传送具有低粘度的流体介质F的潜水泵组件10。如先前所论述，外壳52包含通过联接单元56联接到串联定位的泵单元58、60、62的驱动单元54，所述泵单元又联接到干预单元64和连接器66，如所展示，所述连接器将潜水泵组件10连接到生产油管30。干预单元64可与泵单元58、60、62同轴对准且准许流体介质F如由箭头C所示绕过泵单元58、60、62。外壳52可包含用于驱动单元54和泵单元58、60、62中的每一者的外壳部件。泵单元58、60、62与共同驱动轴90同轴对准。共同驱动轴90可准许泵单元58、60、62中的每一者具有其自身的驱动轴部分，其中驱动轴部分由特殊形状的接头联接件联接且由驱动单元54按串联布置驱动。共同驱动轴90经由共同驱动轴90的中心轴孔将不受干扰的电力传输提供到泵单元58、60、62中的每一者。泵单元58、60、62中的每一者关于结构和功能可相同。

抽吸腔室92和压力腔室94各自定位成与泵单元58、60、62流体连通。抽吸腔室92可包含外围定位和服务泵单元58、60、62中的每一者，且提供共同抽吸腔室，所述共同抽吸腔室允许所有泵单元同时或并行接入到正被泵送的流体介质F的低压侧。抽吸腔室92包含入口端口96以及到泵单元58、60、62中的每一者的相应连接端口98、100、102。举例来说，入口端口96可定位成与端口68流体连通。泵单元58、60、62中的每一者包含到抽吸腔室92的相应连接端口105、107、109。压力腔室94还可包含外围定位和服务泵单元58、60、62中的每一者，且提供共同压力腔室，所述共同压力腔室允许所有泵单元58、60、62同时且并行地接入到正被泵送的流体介质F的高压侧。压力腔室94包含出口端口101以及相应连接端口104、106、108，所述连接端口建立从泵单元58、60、62到连接器66处的生产油管30的流体连通。抽吸腔室92和压力腔室94为泵单元58、60、62中的每一者提供对流体介质F的接入。由于所有泵单元58、60、62共享共同抽吸腔室92和共同压力腔室94，因此可按需要修改泵单元58、60、62的数目。也就是说，可采用任何数目的泵单元58、60、62，且所采用的泵单元58、60、62的数目将取决于应用。在一个实施方案中，泵单元58、60、62可关于可用的流体介质F容量(即，可结合驱动单元旋转速度和所选择的抽吸腔室横截面而获得的流量)而设计。共同抽吸腔室92和共同压力腔室94在外围定位，且共同抽吸腔室92和共同压力腔室94的大小限定流体介质F的最大可能的泵单元流动速率。

借助于实例而非作为对泵单元58的限制，汽缸体120具有形成于其中的多个汽缸，包含例如汽缸122、124。连接端口98连接到抽吸腔室92以提供到汽缸122、124的流体连通。连接端口104还定位成与汽缸122、124流体连通。连接端口105还定位成与汽缸122、124流体连通。相应数目的活塞126、128可滑动地收纳于汽缸122、124中的每一者中且适当地密封于此处。共同驱动轴90可旋转地支撑在汽缸体120中，且共同驱动轴90联接到驱动单元54且在所述驱动单元的动力下。汽缸体120用于引导和支撑活塞126、128。汽缸体120可具有充当汽缸122、124的等距离隔开的孔以接纳匹配活塞126、128。汽缸体120可包含连接汽缸体120与活塞126、128的低摩擦滑动衬套。密封件的集合可适当地定位在汽缸体120内。活塞126、128朝向压力腔室94推动流体介质。在一个实施方案中，活塞126、128中的每一者具有周向钻孔，所述周向钻孔将流体介质从抽吸腔室92供应到活塞126、128。

在一个实施方案中，倾斜前导板130联接到活塞126、128和共同驱动轴90。倾斜前导板130包含可选择性地调整的倾斜角α。此外，倾斜前导板130联接到活塞126、128，使得活塞126、128被配置成在使倾斜前导板130旋转后在汽缸122、124内以往复运动形式被轴向地驱动。相应数目的二球连杆132、134将倾斜前导板130连接到活塞126、128。倾斜前导板130通过靠近与联接单元56的接口的密封部件136和轴承部件138而紧固在适当位置。保持器板140通过轴承部件142紧固到倾斜前导板130。二球连杆132、134又在保持器板140处紧固到倾斜前导板130。二球连杆132、134设计为将线性往复运动从保持器板140传送到活塞126、128。二球连杆132、134的形式可通过保持器板140和活塞126、128的动态运动调节。如所展示，润滑子系统144可与二球连杆132、134位于同一地点。在一个实施例中，润滑子系统在保持器板140处减小活塞126、128，二球连杆132、134与倾斜前导板130之间的摩擦。

在一个实施例中，经由倾斜前导板130的恰当选择的几何形状实现活塞126、128的动态运动。接触表面相对于共同驱动轴90的角度将倾斜前导板130连接到保持器板140和活塞126、128。倾斜前导板130的总倾角受外壳52的内径限制。保持器板140可被设计为保持和引导二球连杆132、134，使得二球连杆132、134中的每一者可自由旋转但仍将轴向力传输到适当的活塞126、128。密封部件136可被设计为保持防磨损组件和密封组件，所述防磨损组件和密封组件防止流体介质接触倾斜前导板130。以此方式，倾斜前导板130由润滑子系统144润滑。许多低粘度流体对于高负载条件，如可在二球连杆132、134附近发现的条件不具有足够的润滑性质。因此，当在低粘度流体介质的情况下利用泵单元58时，在二球连杆132、134处的密封组件和润滑组件确保足够的润滑。

止回阀146、148在汽缸122处串联定位在汽缸体120内，以服务于活塞126。类似地，止回阀150、152在汽缸122处串联地定位在汽缸体120内，以服务于活塞126。止回阀150、152协作以通过在进气冲程期间打开和在排气冲程期间关闭来防止背压。阀板连接件154定位在汽缸体120处且紧固到可由驱动部件158致动的阀板156。阀板156可用于经由驱动部件158将阀板156以预定角度旋转而在逐泵单元基础上控制流体介质F的流动。举例来说，在一个实施例中，阀板156可设置成并行布置，由此在主动泵送期间准许流体介质F流动到压力腔室94中。替代地，阀板156可设置成垂直布置，由此流体介质F经由连接端口105(例如，相对于泵单元58)返回到抽吸腔室92。应了解，阀板156包含适当密封组件以防止抽吸腔室92与压力腔室94之间的任何连接。举例来说，定位在泵单元58与泵单元60之间的接合点处的密封部件160防止抽吸腔室92与压力腔室94之间的连接处的任何泄漏。类似地，定位在泵单元60与泵单元62之间的接合点处的密封部件162还防止抽吸腔室92与压力腔室94之间的连接处的任何泄漏。连接组件170表示将泵单元58连接到联接单元56的凸缘、垫圈、密封件和其它物理组件。类似地，连接组件172定位在泵单元58与泵单元60之间；连接组件174定位在泵单元60与泵单元62之间；并且连接组件176定位在泵单元62与干预单元64之间。潜水泵组件10的外壳52还提供用于通信线路、控制和服务线、获取和数据线和电力线的空间。这些额外公用设施的大小和定位并不减小潜水泵组件10的操作强度。

在主动泵送或主动操作模式中，当活塞126、128处于活动状态时，流体介质F在活塞126、128的往复运动期间从抽吸腔室92处的连接端口98传送到压力腔室94处的连接端口104。也就是说，流体介质F如箭头A和箭头B所示流动。另一方面，在非主动泵送或非主动操作模式中，当活塞126、128使流体介质F循环时，流体介质F从抽吸腔室92处的连接端口98传送通过汽缸体120且从连接端口105离开而传送到抽吸腔室92，如箭头A和箭头B'所展示。在主动泵送期间，潜水泵组件10通过在抽吸腔室92处的抽吸侧与压力腔室94处的压力侧之间产生正压力差而产生流体介质F的流动。压力差通过使移动活塞126、128与以交替方式打开和关闭以防止加压流体介质F回流的随附数目的止回阀对(例如，止回阀146、148、150、152)一起径向定位来实现。也就是说，止回阀146、148、150、152中的每一者通过相对于活塞126、128在进气冲程期间打开和在排气冲程期间关闭来防止背压。潜水泵组件10的设计允许每一泵单元58、60、62在主动操作模式中选择性地将流体介质F泵送到压力腔室94的压力侧中，或在非主动操作模式期间，当泵单元58、60、62泵送以使流体介质F循环时，将流体介质F循环通过抽吸腔室92。在非主动泵送模式期间，个别泵单元58、60、62不会向总泵送流动速率中添加任何内容，因为流体介质F以进出抽吸腔室92形式循环。在此非主动操作模式中，泵单元未负载且可为空闲或冗余的，且在此操作模式中无限地继续。

本文中呈现的潜水泵组件10用于例如移除具有低粘度的流体介质，例如水或轻质原油。如所论述，潜水泵组件10用于在地平面下方或上方、靠近或在远程位置处安装在例如管道等受限空间中。任选地，潜水泵组件10可与例如其它井下工具一起利用，例如烃和固体粒子分离器、传感器和测量装置。此外，如所论述，可在潜水泵组件10中利用任何数目的泵单元58、60、62以提供冗余，以及通过选择性致动校准所需的流体介质传送。此外，在多个泵单元(如泵单元58、60、62)的情况下，泵单元58、60、62中的每一者可个别地且选择性地致动以将流体介质F从抽吸腔室92泵送到压力腔室94或使流体介质F循环通过抽吸腔室92。

除非另外规定，否则在本文中所说明和描述的方法和技术的实行或执行次序并非至关重要的。也就是说，除非另外规定，否则方法和技术的元素可以任何次序执行，并且所述方法可包含比本文中所公开的那些元素更多或更少的元素。举例来说，预期在另一元素之前、同时或之后实行或执行特定元素是所有可能的实行序列。

虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但此描述并不意图限制本发明。在参考本说明书后，本发明的说明性实施例以及其它实施例的各种修改和组合对于本领域的技术人员来说将显而易见。因此，所附权利要求书意图涵盖任何此类修改或实施例。

Claims (13)

1.一种用于传送具有低粘度的流体介质的潜水泵组件，所述潜水泵组件包括：

多个泵单元，其具有与共同驱动轴同轴对准的中心轴；

共同抽吸腔室和共同压力腔室，其分别定位于与所述中心轴对准的所述潜水泵组件的外围处，所述共同抽吸腔室在低压下为所述多个泵单元提供对所述流体介质的同时且并行的接入；

所述多个泵单元中的每一者包含第一操作模式，其中所述流体介质从所述共同抽吸腔室传送到所述共同压力腔室；

所述多个泵单元中的每一者包含第二操作模式，其中所述流体介质循环通过所述共同抽吸腔室；以及

所述多个泵单元中的每一者能够个别地致动以选择所述第一操作模式和所述第二操作模式中的一者。

2.根据权利要求1所述的潜水泵组件，其中所述潜水泵组件形成井下工具的一部分。

3.根据权利要求1所述的潜水泵组件，其中所述共同压力腔室在高压下为所述多个泵单元提供对所述流体介质的同时且并行的接入。

4.根据权利要求1所述的潜水泵组件，其中所述第一操作模式进一步包括所述流体介质从所述共同抽吸腔室到所述共同压力腔室的主动泵送。

5.根据权利要求1所述的潜水泵组件，其中所述第二操作模式进一步包括在所述流体介质循环通过所述共同抽吸腔室的情况下所述流体介质的非主动泵送。

6.根据权利要求1所述的潜水泵组件，其中所述流体介质进一步包括选自由以下组成的群组的介质：烃、水和其组合。

7.根据权利要求6所述的潜水泵组件，其中所述烃进一步包括油。

8.根据权利要求6所述的潜水泵组件，其中所述烃进一步包括天然气。

9.一种用于传送具有低粘度的流体介质的潜水泵组件，所述潜水泵组件包括：

多个泵单元，其具有与共同驱动轴同轴对准的中心轴；

共同抽吸腔室和共同压力腔室，其分别定位于与所述中心轴对准的所述潜水泵组件的外围处，所述共同抽吸腔室在低压下为所述多个泵单元提供对所述流体介质的同时且并行的接入，所述共同抽吸腔室和所述共同压力腔室的大小限定所述流体介质的最大可能的流动速率；

所述多个泵单元中的每一者包含第一操作模式，其中所述流体介质在期间从所述共同抽吸腔室传送到所述共同压力腔室；

所述多个泵单元中的每一者包含第二操作模式，其中所述流体介质循环通过所述共同抽吸腔室；以及

所述多个泵单元中的每一者能够个别地致动以选择所述第一操作模式和所述第二操作模式中的一者。

10.根据权利要求9所述的潜水泵组件，其中所述共同压力腔室在高压下为所述多个泵单元提供对所述流体介质的同时且并行的接入。

11.根据权利要求9所述的潜水泵组件，其中所述第一操作模式进一步包括所述流体介质从所述共同抽吸腔室到所述共同压力腔室的主动泵送。

12.根据权利要求9所述的潜水泵组件，其中所述第二操作模式进一步包括在所述流体介质循环通过所述共同抽吸腔室的情况下所述流体介质的非主动泵送。

13.一种用于传送具有低粘度的流体介质的潜水泵组件，所述潜水泵组件包括：

多个泵单元，其具有与共同驱动轴同轴对准的中心轴；

共同抽吸腔室和共同压力腔室，其分别定位于与所述中心轴对准的所述潜水泵组件的外围处，所述共同抽吸腔室在低压下为所述多个泵单元提供对所述流体介质的同时且并行的接入，所述共同抽吸腔室和所述共同压力腔室的大小限定所述流体介质的最大可能的流动速率；

所述多个泵单元中的每一者包括：

汽缸体，所述汽缸体具有形成于其中的多个汽缸；

第一端口，其定位成与所述多个汽缸和所述共同抽吸腔室流体连通；

第二端口，其定位成与所述多个汽缸和所述共同压力腔室流体连通；

第三端口，其定位成与所述多个汽缸和所述共同抽吸腔室流体连通；

相应多个活塞，其可滑动地收纳于所述多个汽缸中的每一者中；

所述共同驱动轴，其可旋转地支撑在所述汽缸体中，所述共同驱动轴联接到驱动单元；

倾斜前导板，其联接到所述多个活塞和所述驱动轴，所述倾斜前导板的倾斜角能够选择性地调整，所述倾斜前导板联接到所述多个活塞，使得所述多个活塞被配置成在使所述倾斜前导板旋转后在所述多个汽缸内以往复运动形式被轴向地驱动；以及

相应多个二球连杆，其将所述倾斜前导板连接到所述多个活塞；

所述多个泵单元中的每一者包含第一操作模式，其中所述流体介质在期间从所述共同抽吸腔室传送到所述共同压力腔室；

所述多个泵单元中的每一者包含第二操作模式，其中所述流体介质循环通过所述共同抽吸腔室；以及

所述多个泵单元中的每一者能够个别地致动以选择所述第一操作模式和所述第二操作模式中的一者。