CN1279747A - 泵/马达组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一个用于泵吸粘性流体的泵,当其在反向工作时是一个马达,其包括彼此具有相对螺纹的转子和定子,和在它们之间的流动通道,马达定子和转子之一是一个实体,即其不具有通孔。
Description
本发明涉及一个泵或马达组件，特别是用于油井或气井的井底。
在油井钻探中，如果沉积油的压力不足以将油带到表面，必须使用人工将油从油床中抽出。可以使用井底泵将油泵到表面。
泵吸粘度十分大的流体，例如确定密度的碳氢化合物，会给传统泵的有效泵吸带来问题。
根据本发明，提供了一个泵，其包括一个转子和一个定子，在转子和定子上分别设置有彼此相对螺纹，通过转子的旋转，该定子和转子相互配合以提供一个用于将流体在它们之间纵向流动的系统，和其中定子和转子之一具有一个实体。
根据本发明，还提供一个马达，其包括转子和定子，在转子和定子上分别设置有彼此相对螺纹，通过流体在它们之间纵向流动，该定子和转子相互配合以使转子和定子的相对旋转，和其中定子和转子之一具有一个实体。
本发明还提供了泵吸粘性流体的方法，该方法包括将流体流过具有转子和定子的泵，转子和定子分别设置有彼此相对的螺纹。
该方法特别适合于泵吸粘度大于1000Cp的流体，优选大于2000Cp的流体。
术语“实体”特别是指没有通孔的转子或定子。
优选的是，在转子和定子之间具有工作间隙，转子和定子中的一个可以设置有用于另一个的轴承支撑。
优选的是，转子在它的外表面上设置有螺纹并且在定子之中旋转。定子在它的内表面上设置有螺纹。最优选的是，螺纹是多线的，并且转子螺纹和定子螺纹具有不同的线数。
泵和／或马达优选用于井底。
在一个实施例中，定子是一个弹性体，而转子是金属材料，例如抗磨损的钢。使用这样的组合材料的优点是允许在流动的流体中存在诸如沙子和沙砾的颗粒，而不会损坏泵组件。在一个优选的实施例中，转子和定子分别由塑性材料制成。其它适合的材料包括金属、陶瓷、聚合物和诸如碳纤维／凯夫拉尔的合成物材料。
组件可以是一个组合单元或一组可以在现场组装的部件。
本发明还提供了一个泵，其在壳体的相对的端部设置有两个转子和两个定子，该端部和在两个该端部之间的中间部分分别具有流体流过的孔，其中转子相对于彼此设置有相反的螺纹，以便通过转子在壳体内的旋转，流体在中间部分的孔与两个端部的孔之间流过。
根据本发明，提供了一个泵，其包括有转子和定子，在转子和定子上分别设置有彼此相对螺纹，通过转子的旋转，该定子和转子相互配合以提供一个用于将流体在它们之间纵向流动的系统，和其中转子的螺纹在转子的一端和另一端之间改变角度。
现在将通过参考附图对本发明的优选实施例进行详细的描述说明，其中：
图1是本发明井下泵／马达组件的一个转子和定子的第一实施例的侧视截面图；
图2是本发明井下泵组件的泵部分的侧视截面图；
图3是本发明泵的第三实施例的侧视截面图；
图4是泵的第四实施例的侧视截面图；
图5是在反方向工作的图4的泵的侧视截面图；
图6是泵的第五实施例的侧视截面图；
图7是在反方向工作的图6的泵的侧视截面图；
图8是泵的第六实施例的侧视截面图；
图9是泵的第七实施例的侧视截面图；
图10是泵的第八实施例的侧视截面图；和
图11是泵的第九实施例的侧视截面图。
井下泵组件的第一实施例包括一个被一个环形定子11所包围的实心转子10，定子11与转子10同轴并且围绕着转子10延伸。转子10具有右旋的外螺纹，定子11具有左旋的内螺纹。转子10和定子11的螺纹具有相等的齿距并且都具有双线，以及螺纹牙顶彼此之间相互足够接近以便在它们之间提供腔室，在腔室中的油能够被保持以便在转子10的旋转作用下向上运动。每个螺纹可以具有不同的线数，例如4／5。
转子10被连接到一个马达(未示出)上以驱动转子在定子中旋转。
螺纹或槽的横截面积、它们的齿距或螺旋角、和在定子内的转子的总的长度会影响到泵的性能。一般横截面越大和齿距越陡，容积就越大和每单位长度上的压力升高就越小。总的压头与作用的长度直接成正比。
已经发现在转子／定子组件上的使用粗大的螺纹会在改善泵的输出上起到意想不到的效果。
在图1和2中显示的实施例是一个泵，并被设计为使流体沿着箭头A、B和C的方向流过泵，并被在定子中的转子的旋转所驱动。
本发明还在于提供一个马达以用于驱动第二转子(未示出)旋转，该马达包括如图所示的转子10和定子11。本发明的马达被沿着箭头A、B和C的相反方向在转子和定子之间流过的流体所驱动，借此驱动在定子中的转子旋转。可以使用这个旋转力以借助于利用转子10驱动第二泵(未示出)的转子旋转。
图3中的实施例显示了一个第三实施例的泵(和一个在反向工作的马达)。第三实施例具有一列转子100和定子120，它们彼此之间通过环形轴承110和止推轴承111相互垂直间隔，其中流体通过环形轴承。通过转子100的旋转将流体泵出到外部管140中。另外，如果该列被用作马达，通过被驱动流体通过管140，以便驱动转子100相对于定子120旋转。
图3的泵与传统的水下电动泵(ESP)相比的相对性能的详细报告参见随后的附录。在该报告中清楚地表明本发明的泵在流体的粘度增加时仍然保持良好的性能。
本发明的泵的三部分测试表明它适合于有效地泵抽具有很大范围的粘度的流体。对于粘度从1厘泊到几千厘泊的流体，泵的测试都很满意。当在负载下时，在粘度大于大约100Cp条件下，泵具有相当高的效率(与传统的离心泵ESP相比)。在粘度大于1000Cp条件下，泵的效率实际上高于ESP泵。在几千厘泊的条件下，泵仍然具有不令人失望的效率。传统的EPS泵在粘度大约为1600Cp的条件下效率将被限制到很低并将在流体的粘度低于2000Cp的条件下停止有效的工作。
泵可以被设计为直接与EPS泵的电动机和推力部分连接以用于直接替换现有的一个EPS的泵端部。特别是，本发明的泵能够通过螺纹连接到一个EPS的外壳上并且通过一个键锁定在外壳上以防止运动。
图4显示了本发明的另一个泵实施例，其包括一个外部壳体240、一列转子200和定子220，该列转子200和定子220借助于环轴承210和止推轴承211彼此之间相互间隔，流体可以流过环形轴承210，如图3的泵所示。一个中间轴201延伸穿过所有转子和定子。管240具有一个被歧管203包围的中间入口孔202，以用于将流体引入到管240中。当流体已经流过歧管203和中间孔202进入到管240的中间区域时，借助于转子200的逆时针旋转将流体抽吸到上和下端部Eu、El。因为靠近下端部E1的转子2001被布置成与靠近上端部Eu的上转子相对，于是流入进入口孔202的流体以不同的方向被抽吸。两个转子沿着相同的逆时针方向旋转。
图5显示了相同的构造，只是流体流动的方向不同以及轴201和转子200沿着正时针的方向旋转。借助于相对的转子2001和200u的旋转，将流体抽吸到中间区域204并且通过孔202和歧管203排出。
图6显示了图4和5的泵的可替换的实施例，其中设置有包括三个上转子200u和三个下转子2001的一个列。明显的是，可以在该列中设置附加的转子以为了增加泵的容积。图7显示了以另外的方向的泵吸的图6的设备。其工作如对图4／图5中泵的描述。
图8显示了另一个实施例，其包括一个带有阶梯的外部壳体340，该壳体的中间区域具有孔以允许流体通过一个入口歧管303进入到壳体340中，这样流过入口歧管303的流体能够流过该孔进入到壳体的中间区域304内。图8泵的另外的特点是具有与以前的实施例相同的结构，除了图8泵的三个上转子和三个下转子的一种结构，每一列设置在中间区域304和各自的端部Eu和El之间。在每一列中靠近中间部分304的转子大于中间的转子，该中间转子又大于靠近端部E的转子以允许由于从泵的入口部分304流向端部Eu／El的流体的净容积减少而引起的蒸汽部分压缩效应。这个因素经常产生于具有汽相和液相的多相流体的泵吸，因为当流体流过泵以承受较高压力时，汽相被压缩导致泵的压力不稳定。在图8泵的端部Eu和El的较小直径的转子能够补偿这个容积的减少并且保持流体在流过泵时的压力稳定。
图9是对图8泵的改进，但是转子300被设置在不同段的轴上，轴以相同的方向旋转，并且入口设置在壳体440的端部Eu和El。流体从端部Eu和El流入入口，当流体达到中间区域404时，阶梯转子400的转子的直径逐渐减小以便补偿由于压力增加使汽相压缩而导致的容积减少。流体通过以前所述的歧管403被排出。
借助于改变转子的叶片特性，能够处理多相流体泵吸的问题。
图10显示了另外的实施例，其具有一个壳体540、一个入口541和一个出口542、和一列如前所述的安装在一个轴501上的转子500。
图10的泵从它的下端部541吸入流体并且流过不同的转子500之后从它的上端部542排出。转子500在它们的外表面上具有叶片505，它们在转子的堆叠上设置成相同的旋转方向。在堆叠的下端部，端子5001具有改进的叶片，在叶片的下端部5051设置为一个陡峭的角度以便它们实际上平行于转子500的长轴线。当叶片沿着转子的长轴线延伸时，叶片与转子的长轴线所夹的角度逐渐增大，于是叶片505m在其中间点505m处横截于长轴线，并且在其上端部505u，倾斜的角度又实际上横截于转子的纵向轴线。这就与在堆叠的其它转子的叶片上的恒定角度相对照。下部转子5001被设置在改进的定子5201上，该定子具有匹配叶片525与在转子5051上的叶片505的形状相配合。叶片505和转子5051的角度的逐渐变化有助于解决流过泵的多相流体的汽相的压缩效应的问题。
图11显示了另外的实施例，其具有一个包含有一个轴601和具有入口641和出口642的壳体640。壳体640具有阶梯643和644，该阶梯在靠近入口641时直径增加。在轴601上具有一列转子600，壳体的643和644部分包含有对应的较大直径的转子6003和6004。较大直径的转子6003和6004具有平衡由于汽相的压缩而具有较小容积的流过泵的多相流体的压力的相同功能。
如图4、5、6、7、8和9所示的泵的实施例的优点包括平衡推力的效应，该推力是由相对的转子所施加的相等的相反的力，优选这些转子在相同的轴上沿着相同的方向移动。这将减少转子和轴承的磨损和在一定情况下取消对轴承的要求。
所描述的本发明的实施例并不局限于在海下或井下使用，还可以作为一个泵或马达组件使用在地面或海床上，该泵或马达组件被止推平衡，如图4到9所示，或位于传统的油田钻管之内。转子的组件可以被以水平、垂直或任何适合的方式安装。
现在已经发现本发明对于泵吸十分粘稠的流体特别有效，例如具有一定密度的碳氢化合物、或冷态的碳氢化合物，这些流体对传统的泵的有效工作会产生特定的问题。
本发明的另外的实施例能够被安装在地表并且能够作为泵和马达组件工作。
本发明的实施例相对于传统的EPS泵具有优越的性能、效率和灵活性。它们可以适应不同速度的驱动工作，优选在一个比传统的EPS泵更宽范围下工作。
特定实施例对相对的粘度的稳定性能使它们特别适合于海下管道系统任务、起动、常规工作或非常规工作的全部范围。
在海底和特别在深水中操作中，如果沉积的压力不足够大以将原油输送到所要到达的位置，则需要将原油从海底升压输送到岸边到一个主设备或到另一个海底设备。本发明的特定实施例的海底单相或多相泵能够将原油输送到所要到达的位置。
借助于改变在转子和定子之间的间隙，对于在泵吸流体中的固体颗粒物，以上描述的本发明的每个实施例能够适合于“容许固体颗粒”(在工作温度下)。通常0．010″的泵／转子间隙能够增加到0．050″，而对泵效率和性能的影响十分小。
一个0．050″的定子／转子间隙将允许加载具有103微米颗粒大小的沙子。
预备的试用表明泵组件将泵吸粘度范围从5000Cp到数万厘泊的极端粘性的塑性和假塑性“流体”。在较高的粘度范围下必须明显降低泵的旋转速度以避免由于泵的入口管压力在标定“大气压力”测试回路的损失而造成的空穴现象。
在不脱离本发明的范围之内可以进行改进和变化。例如，转子可以具有一个围绕定子的环形圈的形状，而定子可以具有实心杆的形状。本发明的任何特征可以与其它任何的特征相结合，除了相互排斥的以外。特别是，这里所描述任何泵在反方向工作时能够被用作一个马达，以及驱动的流体带动转子旋转而不是转子的转动驱动流体流动。这里所描述的任何泵和马达可以为水平、垂直或其它的结构。
读者可以参考本发明的优先权文件，英国专利申请号9724899．1，以及这里所递交的摘要。
计算结果
马达输出功率取决于马达电流的测量并由厂家实际测试曲线绘出 容积流量率取决于充注已知容量所用的时间测试泵是由电机通过皮带／滑轮驱动的 0．8的传动效率也可被用于绘制满足不同的皮带张紧、Fenner动力传动建议对于正确张紧的皮带最大效率是0．96 粘度测量和在泵部分止推轴承的损失的精确的趋势对于不同的测试压力，粘度和效率之间的关系
效率@0．15，0．25 & 0．5Bar
性能参数ESP和Triangle V－泵效率：粘度
Triangle水下泵马达BCP铭牌明细MPA572TFBS3G 系列号750W 标定输出2800 RPM转速220／240V 电压6．3A 电流@V&WD80 尺寸3000 RPM同步转速马达，垂直 止推轴承???4．OA3．2A假测试“A”读数 没有逻辑累进驱动0．96效率 Fenner，皮带驱动效率，正确张紧泵部分止推轴承4800rpm 调节速度@lBar背压技术容积箱 精确-威士忌酒瓶效果电表，钳测试器 4．0A 只对于马达4．2A 只对于马达
| 测试流体样品 | 马达输出功率/泵输入功率 | 泵性能参数 | |||||||||||||||||
| 马达安培 | W出瓦 | 驱动效率 | P出HP | 驱动效率 | 时间s | 流量 | 压力 | 功率WHP | 效率 | 粘度cP | |||||||||
| ×0.96 | ×0.8 | ×0.96 | ×0.8 | l/s | gpm | Bar | psi | ×0.96 | ×0.8 | ||||||||||
| ABCD | 4.104.404.404.354.504.604.304.804.604.504.955.175.245.50 | 70380380320400420250570420400580620650700 | 67364.8364.8307.2384403.2240547.2403.2384556.8595.2624672 | 56304304256320336200456336320464496520560 | 0.090.510.510.430.540.560.340 760.560.540.780 830.870.94 | 0.090.490.490.410.510.540.320.730.540.510.750.800.840.90 | 0.080.410.410.340.430.450.270.610.450.430.620.660.700.75 | 7.107.808.208.108.509.008.608.909.209.809.8010.3512.8017.90 | 2.452.232.122.152.051.932.021.961.891.781.781.681.360.97 | 32.3929.4828.0428.3927.0525.5526.7425.8425.0023.4623.4622.2217.9712.85 | 0.140.250.500.130.250.500.150.250.500.250.250.501.001.50 | 2.03 67.31.93.67.32.23.67.33.63.67.314.521.8 | 0.050.070.140.040.070.130.040.070.130.060.060.110.180.20 | 0.510.150.290.090.130.240.130.090.230.120.080.140.220.22 | 0.610.180.350.110.160.290.150.110.280.140.100.170.260.26 | 33328228228275175175132503250325032503250 | |||
| 测试流体样品 | 测试压力Bar | 粘度cP | 效率 | |
| ×0.96 | ×0.8 | |||
| ABCD | 0.140.250.500.130.250.500.150.250.500.250.250.501.001.50 | 33328228228275175175132503250325032503250 | 0.510.150.290.090.130.240.130.090.230.120.080.140.220.22 | 0.610.180.350.110.160.290.150.110.280.140.100.170.260.26 |
粘度
测试样品的动粘度在600rpm的最大转速下确定。粘度-速度曲线显示了在转速超过600rpm时粘度值接近于恒定。因此，下表将适用于泵转速在4800rpm的情况。另外，还列出了在转速为零和环境温度下的粘度。
| 速度rpm6000 | 粘度-cp | |||
| D1213250 | C36751 | B22282 | A23 | |
Claims (21)
1．一个泵，包括有转子和定子，在转子和定子上分别设置有彼此相对螺纹，通过转子的旋转，该定子和转子相互配合以提供一个用于将流体在它们之间纵向流动的系统，和其中定子和转子之一是一个实体。
2．根据权利要求1所述的泵，其特征在于，转子或定子没有通孔。
3．根据权利要求1或2所述的泵，其特征在于，在转子和定子之间设置有工作间隙。
4．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，定子和转子中的一个设置有对另一个的轴承支撑。
5．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，转子在它的外表面上设置有螺纹并且在定子之中旋转。
6．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，定子在它的内表面上设置有螺纹。
7．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，螺纹是多线的。
8．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，转子螺纹和定子螺纹具有不同的线数。
9．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，转子是一个实体，并且在定子中旋转。
10．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，转子和定子之一是一个弹性体，而另一个是金属的。
11．根据权利要求1－9中的任一项所述的泵，其特征在于，转子和定子分别由塑性材料制成。
12．根据权利要求1－9中的任一项所述的泵，其特征在于，转子和／或定子可以从金属、陶瓷、聚合物和合成物材料之中选择的材料制成。
13．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，包括一列按照顺序排列的转子和定子，以便流体流过在一个定子和转子之间的空间进入到在另一个转子和定子之间的空间。
14．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，在泵的入口端的转子直径与出口端的转子的直径不同。
15．根据权利要求14所述的泵，其特征在于，在泵的入口端的转子直径大于出口端的转子的直径。
16．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，在壳体的相对的端部设置有两个转子和两个定子，该端部和在两个该端部之间的中间部分分别具有流体流过的孔，其中转子相对于另一个设置有相反的螺纹，以便通过转子在壳体内的旋转，流体在中间部分的孔与两个端部的孔之间流过。
17．根据前述权利要求中的任一项所述的泵，其特征在于，转子的螺纹在转子的一端和另一端之间改变角度。
18．一个马达，包括有转子和定子，在转子和定子上分别设置有彼此相对螺纹，通过流体在转子和定子之间的纵向流动，该定子和转子相互配合以使转子和定子的相对旋转，和其中定子和转子之一是一个实体。
19．泵吸粘性流体的方法，该方法包括将流体流过具有转子和定子的泵，转子和定子分别设置有彼此相对的螺纹。
20．根据权利要求19所述的方法，其特征在于，其中流体的粘度大于1000Cp。
21．根据权利要求20所述的方法，其特征在于，流体的粘度大于2000Cp。
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