CN115398102A - 带螺纹连接式导叶的离心井泵 - Google Patents
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Abstract
一种井泵包括多个导叶，其中，每一导叶包括位于一个纵向端部的第一螺纹连接件以及位于相对纵向端部的第二螺纹连接件。每一导叶内设有叶轮。所述多个导叶首尾相连以形成泵壳，其中，一个导叶的所述第一螺纹连接件与相邻导叶的所述第二螺纹连接件螺纹接合。
Description
技术领域
本公开涉及离心式流体泵领域。更具体而言，本公开涉及用于从地下井向上提升流体的离心泵。
背景技术
地下部署的(“井内”)多级离心泵用于钻入地下地层的井内，以实现将流体提升至地面的目的。此类泵已知具有选定数目的“泵级”，这些泵级为每一者均具有沿纵向设于泵壳内的叶轮和导叶的泵段。此类泵级的数量与使得该泵能够在高效条件下运行所需的提升量有关。在此类泵的组装过程中，本领域的已知做法为将堆叠于一起的各个泵级插入泵壳内，并对其进行挤压。由于直径、设计及应用方面的限制，此类现有组装方法难以使泵获得最佳性能。这一组装方法还使得宝贵的设计/流动区域无法得到有效使用，而且对于直径极小的泵(如苏格兰阿伯丁市的齐立富有限公司(ZiLift Ltd.)售卖的泵)而言，尤其如此。
对于具体的泵而言，此类已知组装方法还需要使用特制的长形工具才能实现组装及修理或尺寸调整(改变级数)。该组装、修理或尺寸调整所需的空间一般至少为泵壳或驱动轴长度的两倍。
需要一种离心泵系统，能够在无需使用较长组装工具的条件下，便可易于重新配置，以便具有不同的级数，对各个泵级进行修理或替换，以及实现泵的组装。
发明内容
本公开的一个方面为一种井泵。该泵包括多个导叶，其中，每一导叶包括位于一个纵向端部的第一螺纹连接件以及位于相对纵向端部的第二螺纹连接件。每一导叶内设有叶轮。所述多个导叶首尾相连以形成泵壳，其中，一个导叶的所述第一螺纹连接件与相邻导叶的所述第二螺纹连接件螺纹接合。
一个导叶的所述第一螺纹连接件和另一导叶的所述第二螺纹连接件可在彼此螺纹接合时形成金属对金属密封件。
所述第一螺纹连接件可通过O形圈或类似弹性体密封件密封，或者以弹性体密封件及金属对金属密封件密封。
该井泵可进一步包括插入每一导叶的叶轮内的驱动轴。
该井泵可进一步包括与所述多个导叶的一端连接的保护器。
该井泵可进一步包括连接于所述保护器的与所述多个导叶的所述一端连接的该保护器一端的相对一端的发动机。
所述发动机可包括电动发动机。
每一导叶可包括分开的导叶主体和导叶叶片，其中，所述导叶叶片可通过配合装于所述导叶主体上。
每一叶轮可以以可轴向移动的方式附接于驱动轴上。每一叶轮及每一导叶可分别包括相应的轴向推力面，其中，所述叶轮产生的轴向作用力可传递至所述导叶上。
所述第一螺纹连接件可以为公螺纹连接件，而且所述第二螺纹连接件可以为母螺纹连接件。
根据本公开另一方面的井泵组装方法包括在多个导叶当中的每一导叶中设置叶轮。每一导叶包括位于一个纵向端部的第一螺纹连接件以及位于相对纵向端部的第二螺纹连接件。所述多个导叶首尾螺纹连接，所述螺纹连接的导叶部署于井内。
一个导叶的所述第一螺纹连接件和另一导叶的所述第二螺纹连接件可在彼此螺纹接合时形成金属对金属密封件。
一个导叶的所述第一螺纹连接件可通过弹性体密封件密封至另一导叶的所述第二螺纹连接件。
该方法可进一步包括在所述多个导叶的所述叶轮内插入驱动轴。
该方法可进一步包括将保护器组装于所述多个导叶的一端上。
该方法可进一步包括将监测及中心点子系统以及至少一个发动机组装于所述保护器的与所述多个导叶的所述一端连接的该保护器一端的相对一端上。
所述至少一个发动机可包括电动发动机。
每一导叶可包括分开的导叶主体和导叶叶片，其中，所述导叶叶片通过配合装于所述导叶主体上。
该方法可进一步包括将每一叶轮以可轴向移动的方式组装于驱动轴上。每一叶轮及每一导叶可分别包括相应的轴向推力面，其中，所述叶轮产生的轴向作用力可传递至所述导叶上。
所述第一螺纹连接件可以为公螺纹连接件，而且所述第二螺纹连接件可以为母螺纹连接件。
根据以下描述及权利要求书，其他方面及可能的优点将变得容易理解。
附图说明
图1所示为可部署于地下井内的例示离心泵系统。
图2为本公开所属领域现有技术中已知的多级离心式井泵的截面图。
图3为本公开多级离心式井泵的一种例示实施方式的截面图。
图4为多级离心式井泵的一种例示实施方式的截面图，其中，每一导叶包括分开的导叶主体和导叶叶片，各导叶叶片通过配合装于导叶主体上；该实施方式还示出了已安装的驱动轴。
图5为与图4相应的放大图。
图6所示为将泵系统部署于井内的一种例示实施方式。
具体实施方式
图1所示为井泵系统的一种例示实施方式，该系统例如为电动潜水泵(ESP)系统10，该电动潜水泵系统可例如但不限于通过多节油管、电缆(wireline)、钢丝(slickline)或连续油管送入井中(见图6)。电动潜水泵系统10可包括上端或“顶端”子系统12，该子系统包括用于与上述其中一种用于送入井中及送出井外的输送装置的一端形成连接的构件。电动潜水泵系统10的下端可包括“泵入”子系统28。泵入子系统28可设于转子泵等泵26的下方，用于在部署时的入井过程中提供保护，并用于为泵(如电动潜水泵)的泵入端存储式压力计或传感器提供安装位置。此外，泵入子系统28可以为作为井屏障控制机制一部分的内侧井筒密封提供合适的位置。其中，单点密封以及具有多个稳定位置的压力响应阀均可视为合适的可选密封方式，但并不对泵入子系统28下方的例示可选井筒密封方式构成限制。出于本公开的目的，“向上”一词旨在表示沿在电动潜水泵系统10安装于井筒内的状态下指向井筒出口的方向，而“向下”旨在表示沿相反方向。结合电动潜水泵系统10的各组成模块或部分描述时的相应词语可包括“上端”和“下端”。因此，此类词语的使用出于易于理解的目的，并不旨在限制本公开的范围。图1所示例示实施方式为处于“倒置”状态的电动潜水泵系统，其中，该系统供部署于电缆上的顶端附近设置一个或多个发动机(如电动发动机)。应该清楚理解的是，图1所示各部件的纵向位置并不旨在限制本公开的范围。虽然本例示实施方式描述为具有一个或多个电动发动机，但是出于限定本公开范围的目的，还可使用任何其他形式的发动机，例如但不限于，液压发动机、气动发动机及杆驱动发动机。
顶端子系统12的下游可依次设置一个或多个发动机13(在本实施例中，可以为电动发动机)以及“监测及中心点子系统”14。“监测及中心点子系统”14可包括与电动潜水泵系统10及发动机13的操作相关的一个或多个传感器和控制装置(未另行示出)。监测及中心点子系统14还可置于发动机13上方，并用于在电缆与发动机13之间形成电连接。发动机13的下端可与实心封闭驱动轴、柔性轴、磁性齿轮机构或任何其他旋转运动传递装置连接。在本实施例中，旋转运动传递装置可以为设置于“监测及中心点子系统”14内部的实心驱动轴，该实心驱动轴接收发动机13输入的旋转运动，并将该旋转运动传递至泵26，该泵可以为转子泵。操作原理可类似于电动潜水泵系统常用保护器的保护器18可用于防止井产流体在现有技术井压和井温下进入发动机13。虽然图1中为了清楚起见未示出，但是可通过导流套使泵排口20排出的井产流体转向，以使得其能够流至电动潜水泵系统10外部的环形空间内，并以密封方式转向进入油管或连续油管中，且随后向上流入井中(未图示)。
在本实施例中，电动潜水泵系统10可采用模块化设计且作为相互分离的各个分总成部署于井内，或者如图1所示，电动潜水泵系统10可整体作为组装于一体的单元，下放至井内。泵26、保护器18、监测及中心点子系统14以及发动机13可分别封入相应耐压外壳内，而且这些外壳可通过螺纹、锁环或本领域已知的任何用于将外壳或外壳部分首尾相接的装置连接在一起。按照本文所述方式以模块形式构建的泵系统的各个部分可例如(快速)连接至其他泵模块、推力及排放模块以及泵入压力模块。本文公开的具体被连接部件并不旨在限制可以类似方式连接至本公开泵系统的其他部件的范围。
为了更好地理解本公开井泵的结构，出于比较目的，图2示出了本公开所属领域现有技术中已知的多级离心式井泵26的截面图。多个导叶40及相应叶轮42以纵向上首尾相邻的方式设于外壳44内。外壳44可总体上为圆柱实心管，依次相邻的各个叶轮42/导叶40组合体插于其内。一般而言，在所述多个叶轮/导叶(也称“堆叠体”)插入外壳44后，通过轴向挤压，实现旋转锁定、密封以及热胀冷缩空间。通过执行与上述组装操作相逆的过程，可以实现泵26的拆卸。
图3为本公开井泵的一种例示实施方式的相应截面图。泵26A可包括首尾相接于一起的多个导叶46。每个导叶46可具有设于其内的相应叶轮42A。每一导叶46包括位于一个纵向端部的第一螺纹连接件以及位于相对纵向端部的第二螺纹连接件，所述第一螺纹连接件可以为内螺纹母头连接件47，所述第二螺纹连接件可以为外螺纹公头连接件49。公头连接件49的直径和螺纹构造用于与相邻导叶46的母头连接件47螺纹接合。在适用情形中，公头连接件49和母头连接件47的螺纹、退刀槽和/或扣台肩、密封直径可包括使得相邻导叶46之间的母头连接件47与公头连接件49接合处能够设置O形圈等弹性体密封件或金属对金属密封件，或者同时设置金属对金属密封件及弹性体密封件。通过这种方式，将多个导叶46组装在一起可实现与以上结合图2所述本公开所属领域现有技术中已知离心式井泵的外壳(图2中的44)同等的功能。也就是说，可对流体进行限制，以使其在组装后导叶46所限定的空间内部纵向流动。在图示例示实施方式中，母头连接件47的外表面(图4中的47A)可与具有相应尺寸的现有井泵(如图2所示现有井泵)的外直径相同。公头连接件49的内直径可大于具有相应尺寸的现有井泵(见图2)的导叶内直径。通过增大内直径，可使得本例示实施方式的叶轮42A的直径可大于具有相应尺寸的现有井泵的叶轮直径。通过增大内直径以及叶轮直径，可实现流动面积的增大。此外，根据泵的相似定律，增大导叶直径及叶轮直径可使得本公开井泵的扬程和/或流量大于具有相应尺寸的现有井泵。
虽然本例示实施方式中将第一螺纹连接件描述为母螺纹连接件且将第二螺纹连接件描述为公螺纹连接件，但是应该理解的是，第一螺纹连接件为公头或母螺纹连接件且第二螺纹连接件同样如此的情形完全属于本公开的范围之内。如果第一和第二螺纹连接件均为公螺纹连接件，或者均为母螺纹连接件，则可分别使用相应的双母头或双公头连接件实现相邻导叶的连接。
在图3实施方式中，叶轮42A可包括内孔，该内孔在形状上适于容纳带键槽的驱动轴(图4中的50)。每一叶轮42A的内孔尺寸可使得叶轮42A可沿驱动轴(图4中的50)轴向移动。叶轮42A产生的轴向推力可通过分别设于叶轮42A和导叶46上的相对推力面42B，46A传递至每一叶轮的相应导叶46上。此类推力面42B，46A可包括适于传递此类轴向推力的轴承材料。通过这种方式，与设置轴向固定叶轮的现有泵相比，可以减小施加在推力轴承(未图示)上的推力。在图3所示例示实施方式中，叶轮42A不轴向锁定于驱动轴上(见以下结合图4所述)。这一特征并不旨在限制本公开的范围，在其他实施方式中，部分或所有叶轮42A可轴向锁定于驱动轴上。
图4为图3的截面图，其中，主驱动轴50插通于叶轮42A内。图3和图4所示且结合此两图所述的泵26可组装于结合图1所述的电动潜水泵系统内。与图3例示实施方式相比，图4所示例示实施方式的追加特征在于，为了便于制造、组装及质量控制，导叶46可包括两个单独部件。导叶主体46B可包括上述母头和公头连接件(分别为图3中的47和49)。导叶叶片46C可制成为单独的部件。导叶叶片46C可通过收缩配合或压入配合装于导叶主体46B上，以组装成完整的导叶46，组装方式可如上所述。
图5为与图4类似的视图，但该图为放大图，用于更好地理解上述单独导叶叶片46C，导叶主体46B以及相应的推力面42B，46A。
图6所示为将泵系统部署于井中或井筒内的例示实施方式。井筒60钻通包括流体产出地层64在内的地下地层。产出地层64可在其内含有烃和水，而且当低于产出地层64内流体压力的井筒60内压力作用于地层64上时，此类压力可以将不同量的烃和水推入井筒60内。从地面81上的井口装置66延伸而下的保护管或保护套62可通过水泥在井筒60内固定到位。保护套62内嵌套有更小直径的管件或“油管”68，其长度可从井口装置66延伸至井筒60内的选定深度，该深度在一般情况下(但并不一定非得)高于产出地层64的深度。油管68可用于提高流体从产出地层64移向井口装置66的速度。油管68与保护套62之间的环形空间可通过环形密封件或封隔器72封闭以阻止流体连通。在与产出地层64深度相应的深度上，保护套62可设置通孔74，以使得流体可从产出地层61流入井筒50内。
基本如结合图1至图5所述的井筒泵系统10可与部署电缆、管“柱”或导管的一端连接。在一些实施方式中，所述部署管柱、电缆或导管可以为油管封装电缆(TEC)70。然而，如以上结合图1所述，应该清楚理解的是，根据本公开，任何其他用于在井内部署电动潜水泵系统的已知装置均可使用。井筒泵系统10可包括按上述方式与泵92旋转连接的高速永磁交流电动发动机49。在一些实施方式中，井筒泵系统10可包括可远程控制的膨胀式环形密封件98，用于封闭泵92的入口与设于油管68内的泵的流体排放口96之间的流体连通。在其他实施方式中，环形密封件98可预先在油管68或保护套62内设置到位。在其他实施方式中，可不使用油管68，井筒60可仅设置套管。
油管封装电缆70可卷绕于电缆绞车80等绞机用于形成线筒、线卷或线盘的部分上，并可从中拉出展开。电缆绞车38可安装于用于公路运输的车辆78上。在其他实施方式中，绞车80可以为用于海洋修井机的“整体搬迁”安装式装置。油管封装电缆70可通过设于合适位置的槽轮76伸入井筒60内，设置方式可与电缆井筒测量仪器或干预仪器部署时常用的设置方式一致。
井口装置66的顶部可连接有电缆压力控制头82。电缆压力控制头82可包括设于囊体86内的液压压缩式密封元件84。利用本领域中用于此目的的已知设备(未图示)，可通过液压压力使囊体86膨胀。密封元件84的内孔尺寸可使得其密封设置于油管封装电缆27的外表面上，以在电动潜水泵系统10及油管封装电缆70伸入井筒60内或从井筒60中撤出时，基本上防止流体在压力的作用下逸出。密封元件84还可在电动潜水泵系统10工作时，基本上防止流体顺油管封装电缆70的外表面逸出。
根据本公开制造的离心泵无需单独的外壳和多个导叶，而是通过将导叶纵向组合而形成与外壳同等的结构。各导叶首尾螺纹连接且彼此密封，从而将泵的排放口与泵的入口隔离。由于无需将推力组件和排放结构拆卸，因此该泵能够大幅提高重新布置泵级的速度。该设计可能实现的优点可包括以下的一项或多项。
与外直径相同的现有多级离心泵相比，通过增大流量/设计面积，可以提高泵的性能(扬程和/或流量)。如此，在长度相同的情况下，该泵可用于更高流量的应用和/或更高扬程的应用。
针对不同油井应用，根据本公开制造的井泵能够更加容易地实现泵级的重新布置。由于大大减小了改变泵级数目所需的空间和工具，因此可大大缩短各项工作或各次应用之间的周转时间。这一特征可尤其适合于需要对离心泵的泵级频繁进行重新布置(优选现场重新布置)的短期油井干预应用。
由于该泵能够在任何导叶处实现分离和拆卸，无需将整个泵级堆叠体从外壳中取出，因此在对泵的泵级进行重新布置时无需拆卸泵的推力组件，排放结构以及分总成之间的连接结构，从而节省时间、成本、耗材部件及发动机油。
与具有相应尺寸(外直径)的泵相比，该泵能够以更小的重量实现相同的扬程和/或流量。由于重量更轻，因此该泵更易组装和处理，而且具有更大的最大下放深度。
导叶铸造或3D打印长度能够大大缩短，从而减低所使用的材料、铸造/打印复杂性、铸造/打印成本和时间以及最终加工成本和时间。
螺纹导叶主体可由坯料或接箍毛坯加工而成，以确保强度、硬度及耐化学性等方面的材料特性。导叶叶片可通过打印/铸造制成，并通过压入配合或收缩配合装于导叶主体上。加工而成的导叶主体随后首尾螺纹连接，以使得组装长度和级数与应用要求相匹配。通过免于将导叶堆叠后插入单独的外壳之内，然后再对其进行挤压，为了在油井干预应用中实现快速周转，在泵级重新布置过程中，可将泵的入口端部分拆离，而使泵顶端的推力和排放部分能够保持原有位置或者附接至组装体的其余部分上。由于无需使用现有井泵组装和拆卸所需的特制长形工具，因此能够在更小的区域内以容易获得的简单手工工具(如油井现场本身可获得的此类工具)实现泵级重新布置操作。如此，可以实现在油井现场对井泵进行泵级的重新布置。
应该意识到的是，在不脱离本文描述和说明的原理的情况下，可以根据这些原理，对例示实施方式的安排和细节进行修改。虽然上文着重于具体实施例，但其他构造方式可在考虑范围之内。具体而言，即使本文中使用了“在一种实施例中”等表达方式，但这些措辞旨在概括性地指实施例的各种可能性，而不是旨在将本公开限制于具体实施例的构造方式。就本文中的使用而言，此类词语可指能够组合形成其他实施例的相同或不同实施例。原则上，除非另有说明，否则本文给出的任何实施例能够与本文给出的任何一个或多个其他实施例自由组合，而且不同实施例的任意数量的特征亦能相互组合。虽然以上仅详细描述了数个实施例，但本领域技术人员容易理解的是，在所描述的实施例的范围内还可按照多种方式进行修改。相应地，所有的此类修改均旨在含于下附权利要求书所限定的本公开范围之内。
Claims (20)
1.一种井泵，其特征在于，包括：
多个导叶，每一导叶包括位于一纵向端部的第一螺纹连接件以及位于相对纵向端部的第二螺纹连接件；
设于每一导叶内的叶轮；以及
其中，所述多个导叶首尾相连以形成泵壳，一个导叶的所述第一螺纹连接件与相邻导叶的所述第二螺纹连接件螺纹接合。
2.如权利要求1所述的井泵，其特征在于，一个导叶的所述第一螺纹连接件和另一导叶的所述第二螺纹连接件在彼此螺纹接合时形成金属对金属密封件。
3.如权利要求1所述的井泵，其特征在于，一个导叶的所述第一螺纹连接件通过弹性体密封件密封至另一导叶的所述第二螺纹连接件。
4.如前述任一权利要求所述的井泵，其特征在于，还包括插入每一导叶的叶轮内的驱动轴。
5.如前述任一权利要求所述的井泵，其特征在于，还包括与所述多个导叶的一端连接的保护器。
6.如权利要求5所述的井泵，其特征在于，还包括监测及中心点子系统以及至少一个发动机，所述监测及中心点子系统以及所述至少一个发动机连接于所述保护器的另一端，该另一端与所述保护器的连接于所述多个导叶的所述一端相对。
7.如权利要求6所述的井泵，其特征在于，所述至少一个发动机包括电动发动机。
8.如前述任一权利要求所述的井泵，其特征在于，每一导叶包括分开的导叶主体和导叶叶片，所述导叶叶片以配合方式装于所述导叶主体上。
9.如前述任一权利要求所述的井泵，其特征在于，每一叶轮以可轴向移动的方式附接于驱动轴上，每一叶轮及每一导叶分别包括相应的轴向推力面，所述叶轮产生的轴向作用力传递至所述导叶上。
10.如前述任一权利要求所述的井泵，其特征在于，所述第一螺纹连接件为公螺纹连接件，所述第二螺纹连接件为母螺纹连接件。
11.一种组装井泵的方法，其特征在于，包括：
在多个导叶中的每一导叶中设置叶轮，每一导叶包括位于一纵向端部的第一螺纹连接件以及位于相对纵向端部的第二螺纹连接件；
将所述多个导叶首尾螺纹连接；以及
将螺纹连接的所述导叶部署于井内。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，一个导叶的所述第一螺纹连接件和另一导叶的所述第二螺纹连接件在彼此螺纹接合时形成金属对金属密封件。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，一个导叶的所述第一螺纹连接件通过弹性体密封件密封至另一导叶的所述第二螺纹连接件。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在所述多个导叶的所述叶轮内插入驱动轴。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将保护器组装于所述多个导叶的一端上。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括将监测及中心点子系统以及至少一个发动机组装于所述保护器的另一端，该另一端与所述保护器的连接于所述多个导叶的所述一端相对。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个发动机包括电动发动机。
18.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，每一导叶包括分开的导叶主体和导叶叶片，所述导叶叶片以配合方式装于所述导叶主体上。
19.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括将每一叶轮以可轴向移动的方式组装于驱动轴上，其中，每一叶轮及每一导叶分别包括相应的轴向推力面，所述叶轮产生的轴向作用力传递至所述导叶上。
20.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一螺纹连接件为公螺纹连接件，所述第二螺纹连接件为母螺纹连接件。
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