CN1329619C - 利用浮力球降低立管中流体静压的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于向油井或气井(14)中注入浮力球(12)的泵系统(10)，其具有盛放多个浮力球(12)的进料器(26)；和具有第一和第二可转动轮子(30、32)的、靠近进料器(26)的球泵(24)，其中该第一轮子(30)具有多个凹槽(33)、该第二轮子(32)具有相应的多个凹槽(34)，这样当转动轮子(30、32)时，该第一和第二轮子的凹槽(33、34)暂时结合形成多个袋孔(40)，其中当转动第一和第二轮子(30、32)时，每个袋孔(40)接受从进料器(26)排出的多个浮力球(12)中的一个，然后将其排出。
Description
技术领域
一般地，本发明涉及海底油井和气井。更具体地，本发明涉及一种用于降低海底油井和气井中钻井液的密度的泵。
背景技术
当进行海底油井和气并钻探时，典型地将一个中空的圆柱形管(通常称为立管)从海面向海底插入海中。钻杆柱以及钻井液(通常称为钻探泥浆，或泥浆)可能会置于该圆柱形管的中空部分中。这段流体的柱通常称为泥浆柱。通常，钻探泥浆的密度超过海水密度的高达50％。
在深水层中，由钻探泥浆对海底施加的压力显著大于海水对海底施加的压力。这个更高的钻探泥浆压力能使延伸到海面以下的井身破裂。如果发生这种情况，钻井工作就不得不停止，直到井被密封，典型地采用套管进行密封。对深水井而言，经常会发生套管柱的脱出，这是因为每个随后的套管柱必须套入前一个套管柱的内侧。
为解决这个问题已经产生了各种方法，包括在海底安装泵，将钻探泥浆抽到海面上，从而降低其表面压力。另一个方法是向泥浆柱中注入更轻的材料从而形成一种密度比钻探泥浆的密度更低的混合物，以降低钻探泥浆的密度。浮力球已经被方便地用于这种方法，因为它们可以容易地采用高强度、低密度的材料制成，这些材料在降低钻探泥浆密度的同时还可以经受高压。
为了有效地降低泥浆密度，需要将这些球抽到海底靠近钻孔表面的泥浆柱的下端，并注入泥浆柱中。然而，常规的泵不能提供将相对大的球抽到海底所需的力量。因此，必须使用小球。但是小球不能如大球那样有效地降低钻探泥浆的密度。此外，一旦这些球返回到泥浆柱的上端，则必须将它们从钻探泥浆中分离，使钻探泥浆和球都能够再利用。而从钻探泥浆中分离大球要比分离小球容易得多。
发明内容
本发明的典型的实施例包括一种用于向油井或气井中注入浮力球的泵系统，其包括：盛放多个浮力球的进料器；和靠近该进料器的、具有第一和第二可转动的轮子的球泵，其中该第一轮子具有多个凹槽和该第二轮子具有相应的多个凹槽，这样当转动轮子时，使得该第一和第二轮子的凹槽暂时结合形成多个袋孔，其中当转动第一和第二轮子时，每个袋孔接受从进料器排出的多个浮力球中的一个，然后将其推出。
在本发明的另一个实施例中，用于向油井或气井中注入浮力球的泵系统还包括：具有近端和远端的输送管，其中，输送管的近端与球泵的出口连接，输送管的远端与油井或气井的下端相连接；和与该输送管流体连通的第二泵。
本发明的进一步的实施例包括一种用于向油井和气井中注入浮力球的泵系统，其包括：盛放多个浮力球的进料器；靠近该进料器的正排量式球泵，该球泵具有第一和第二反向转动的轮子，其中该第一轮子具有多个通常为半球形的凹槽和该第二轮子具有相应的多个通常为半球形的凹槽，这样当转动轮子时，使得该第一和第二轮子的凹槽暂时结合形成多个通常为球形的袋孔，其中当转动第一和第二轮子时，每个袋孔接受从进料器排出的多个浮力球中的一个，然后将其推出；具有近端和远端的输送管，其中，输送管的近端与球泵的出口连接，输送管的远端与油井或气井的下端相连接；和与该输送管流体连通的第二泵。
本发明的另一个实施例包括一种降低油井或气井中钻井液密度的方法，该方法包括：运送多个浮力球到进料器中；提供靠近该进料器的球泵，该球泵向多个浮力球施加第一力，其中球泵与输送管的近端连接，该输送管的远端与接近钻井液的油井或气井的部分的下端连接；提供与输送管的近端流体连通的第二泵，第二泵向多个浮力球施加第二力，其中该第一和第二力使浮力球注入到钻井液中，以降低钻井液的密度。
附图说明
参考以下详细描述同时结合附图进行考虑，将更好的理解本发明的这些及其他特征和优点。其中：
图1是根据本发明的泵系统的示意图；
图2A是图1的泵系统的球泵的示意图；
图2B是图2A的球泵的俯视图；
图3是图1的泵系统的示意图，其中增加了一个流体容积式泵；和
图4是图1的泵系统的示意图，其中增加了一个空气压缩泵。
具体实施方式
如图1所示，本发明针对的是一个向油井或气井14中注入浮力球12的泵系统10。在一个实施例中，该泵系统10用于海底油井或气井14中。在钻探海底油井或气井14时，典型地将一个中空的圆柱(通常称为立管17)插入海中，使立管17从海底18的钻孔表面延伸到接近或高于海面的位置。一个钻杆柱20以及钻井液(通常称为钻探泥浆22或泥浆)可置于该立管17的中空部分。这个流体柱通常称作泥浆柱16。
如上所述，通常期望降低钻探泥浆22的密度以降低钻探泥浆22导致井身19破裂的可能性。本发明的泵系统10通过将密度至少小于钻探泥浆22的浮力球12泵入泥浆柱16中来实现这一点。
浮力球12可以用任何合适的材料来制备。这样的材料能够经受约500psi到约5000psi范围的压力，并且所具有的密度至少小于钻探泥浆22的密度。例如，钻探泥浆22典型的密度是在约9ppg到约16ppg的范围中，而本发明的每个浮力球12典型的密度范围是在3ppg到5ppg之间。在一个实施例中，浮力球12采用多孔塑料材料制成，比如聚苯乙烯。在另一个实施例中，浮力球12采用中空的金属材料制成，比如钢。
在图1所描绘的实施例中，浮力球12例如通过一个进料器26被输送到一个球泵(sphere pump)24中。该进料器26可以是通常用于许多大体积进料系统的圆锥形的震动进料器。该进料器保证使浮力球12适当地进入到球泵24中。
如图2A所示，球泵24可以包括一个紧靠进料器26设置的入口28，该入口具有一个直径略大于浮力球12直径的通道29。该入口通道29将浮力球12输送到球泵24的一个轮子部分。该轮子部分包括一个第一轮子30和一个第二轮子32。轮子30和32的每一个包括多个凹槽，即，第一轮子30包括多个凹槽33，第二轮子32包括多个凹槽34。
如图2B所示，球泵24可以包括一个传动轴35，并且轮子30和32的每一个可以包括一个匹配齿轮或同步齿轮，比如一个第一同步齿轮36和一个第二同步齿轮38。在所描绘的实施例中，该传动轴35与第二同步齿轮38连接，该第二同步齿轮38与第一同步齿轮36相啮合，使得传动轴驱动齿轮36和38，也因此驱动轮子30和32。优选地，同步齿轮36和38可被定向为使它们能够彼此反向转动，结果引起轮子30和32也彼此反向转动。
此外，同步齿轮36和38可具有一定数量和尺寸的啮合齿，并定向以确保第一轮子的多个凹槽33中的每一个都与第二轮子的多个凹槽34中的相应的凹槽对准。这样，当转动轮子30和32时，每一对对准的凹槽就形成一个袋孔(pocket)，多个凹槽33和34就形成多个袋孔40。
在一个实施例中，多个凹槽33和34中的每一个通常是半球形的，这样当转动轮子30和32时，每一对对准的凹槽就形成一个通常为球形的袋孔。在这样一个实施例中，该球形袋孔可以具有与浮力球12的直径大致相同的直径。优选地，浮力球12具有相对大的直径。例如，浮力球12可以具有范围在约1英寸到约3英寸的直径。虽然其它尺寸的球径也可用于本发明的泵系统10，但是与相对小的浮力球相比，大浮力球具有许多优点。例如，一旦浮力球12返回到泥浆拄16的上端，在重新利用泥浆22和浮力球12二者之前需要将它们从泥浆22中分离出来。将泥浆22与大球分离要比将泥浆22与小球分离更容易。另外，小球在降低泥浆22的密度上并不像大球那样有效。
在一个实施例中，轮子30和32的外径大约比浮力球12的直径大10倍，并且在轮子30和32的外径上形成等间隔的多个凹槽33和34。例如，可在轮子30和32的外径上形成间隔排列的多个凹槽33和34，使在轮子30和32上相邻的凹槽间存在一个最小间距41。这就产生一个正排量式泵(positivedisplacement pump)，其意味着浮力球12以与驱动轴35的速度成正比的速度通过该泵。
球泵24可以包括一个出口42，该出口具有一个直径比浮力球12的直径略大的通道44。如图1所描绘的，泵系统10还可以包括一个具有一个近端47和一个远端48的输送管46。该输送管46以其近端47与球泵出口42连接，以其远端48与泥浆柱16的下端50连接。
输送管46将浮力球12从球泵24引导到泥浆柱16的下端50。在所描述的实施例中，输送管46是一个具有内径略大于浮力球12直径的中空的圆柱形管。
在本发明的一个实施例中，在操作泵系统10的过程中，浮力球12由进料器26被输送到球泵入口28。球泵入口28紧邻于分别包括多个凹槽33和34的轮子30和32。将多个第一轮子凹槽33与多个第二轮子的凹槽34对准，形成多个袋孔40，其中轮子30和32每转动一圈都使每个袋孔接受多个浮力球12中的一个。轮子30和32的转动向其接受的每个浮力球12施加一个泵出的力，因此将浮力球12从袋孔中推出，进入球泵24的出口42并进入输送管46。该输送管46将浮力球12从球泵24导入到泥浆柱16的下端50。浮力球12进入泥浆柱16，例如穿过泥浆柱开口51与钻探泥浆22混合，以降低泥浆柱16中的钻探泥浆22的密度。
一旦进入泥浆柱16，浮力球12就在钻探泥浆22中从泥浆柱16的下端50上浮到泥浆柱16的上端52。泥浆柱16的上端52可以包括一个泥浆流返回管54，该管具有一个泥浆通道56和一个球通道58。该泥浆流返回管54将钻探泥浆22和浮力球12引导到泥浆通道56的上面。泥浆通道56可以包括一个筛网60，该筛网60具有尺寸至少小于浮力球12直径的开口。泥浆通道筛网60允许钻探泥浆22、钻头屑和/或其他钻探碎屑通过，进入泥浆通道56，而阻止浮力球12进入泥浆通道56。泥浆通道56将钻探泥浆22和任何通过泥浆通道筛网60的其他物质输送到一个泥浆净化系统(未示出)，该系统通过从钻探泥浆22中除去钻头屑和/或其他钻探碎屑来“净化”泥浆22。“净化过的”钻探泥浆22随后被再循环到泥浆柱16中。
由于浮力球12不能穿过泥浆通道筛网60，泥浆流返回管54引导浮力球12越过泥浆通道筛网60进入球通道58。球通道58则引导浮力球12进入进料器26。进料器26引导浮力球12进入球泵24，球泵24以上述同样的方式使浮力球12再循环进入到泥浆柱16中。
如图3和4所示，除了以上描述的以外，泵系统10可以包括一个第二泵。例如，在图3中该第二泵是一个流体容积式泵(fluid displacement pump)62，在图4中该第二泵是一个空气压缩泵64。
与球泵24施加给浮力球12的泵出力相对抗的是在泥浆柱16的开口51处的钻探泥浆22施加给浮力球12的浮力。该第二泵用于协助球泵24克服这些浮力，使从球泵24输送出来的浮力球12通过输送管46，并进入到泥浆柱16中。
如图3所示，流体容积式泵62与输送管46相连接。该流体容积式泵62通过向输送管46中注入一种流体，如水或海水，协助球泵24克服钻探泥浆22施加在浮力球12上的浮力。被注入的流体在浮力球12上施加一个力，以协助正从球泵24输送出来的浮力球12穿过输送管46并进入泥浆柱16。其中，流体容积式泵62可以是各种常规的水泵中的任何一种。
在所描绘的实施例中，输送管46还包括至少一个密封装置。例如，输送管46可以包括一个设置在输送管46近端47的第一密封装置66，和设置在输送管46远端48的第二密封装置68。密封装置66和68可以通过任何适当的方式，例如模塑，附着在输送管46的内径上。
如橡胶材料之类的具有径向弹性属性的材料可用于制成密封装置66和68，这类材料的内径小于浮力球12的外径，这样当浮力球12的外径与密封装置66和68相接触时，在浮力球12的外径四周产生不透水的密封。优选地，每个密封装置66和68通常是圆柱形的并且足够长，这样总有至少一个浮力球12处于密封装置66和68中以形成不透水的密封。例如，每个密封装置66和68的长度可在大约1个浮力球直径到大约3个浮力球直径的范围内。
在一个实施例中，流体容积式泵62与输送管46的近端47连接，远离第一密封装置66。在这种情况下，该第一密封装置66防止从流体容积式泵62喷射出的流体就近越过该第一密封装置66，而是将喷射出的流体向远端的方向引向泥浆柱16的下端50。这使喷射出的流体在浮力球12上施加一个向远端方向的力，并与浮力球12一起向下移动到输送管46的远端。在一个实施例中，输送管46包括一个在输送管46远端48的筛管段70，邻近第二密封装置68。该筛管段70具有至少小于浮力球12直径的开口，使喷射出的流体通过该筛管段70流出，而阻止浮力球12通过。第二密封装置68可以设置在输送管46的远端48，远离筛管段70。该第二密封装置68将来自钻探泥浆22的压力封赌在输送管46之外。
如图4所示，空气压缩泵64与输送管46相连接。该空气压缩泵64通过向输送管46中注入压缩的空气，协助球泵24克服钻探泥浆22施加在浮力球12上的浮力。被注入的压缩空气在浮力球12上施加一个力，以协助正从球泵24输送出来的浮力球12穿过输送管46并进入泥浆柱16。空气压缩泵64可以是各种常规的空气压缩泵中的任何一种。在所描绘的实施例中，输送管46包括至少一个密封装置，例如上述的第一密封装置66。如上所述，该第一密封装置66可以设置在输送管46的近端47。
在一个实施例中，空气压缩泵64连接在输送管46的近端47，远离第一密封装置66。在这种情况下，该第一密封装置66防止由空气压缩泵64喷出的压缩空气就近越过第一密封装置66，而是将喷出的压缩空气向远端方向引向泥浆柱16的下端50。这使喷出的压缩空气在浮力球12上施加一个向远端方向的力，并与浮力球12一起向下移动到输送管46的远端。
参考本发明目前优选的实施例进行了以上的描述。本发明所属技术和领域的技术人员将理解，在没有有意背离本发明的原则、精神和范围时，对所描述的结构和操作方法的改动和变化是能够实施的。因此，不应当将上面的描述仅仅看作是关于所描述的和在附图中所显示的精确的结构，而应该看作是与下面的权利要求相一致，并用来支持这些权利要求，这些权利要求将具有其最充分的和最公平的范围。
Claims (28)
1、一种用于向油井或气井中注入浮力球的泵系统，包括：
盛放多个浮力球的进料器；和
靠近所述进料器的、具有第一和第二可转动的轮子的球泵，其中所述第一轮子具有多个凹槽和所述第二轮子具有相应的多个凹槽，这样当转动轮子时，使得所述第一和第二轮子的凹槽暂时结合形成多个袋孔，其中当转动第一和第二轮子时，每个袋孔接受从所述进料器排出的多个浮力球中的一个，然后将其推出。
2、根据权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述球泵是正排量式泵。
3、根据权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述多个第一和第二轮子凹槽的每一个是半球形的。
4、根据权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述多个袋孔的每一个是球形的，所述袋孔的直径与浮力球的直径大致相等。
5、根据权利要求1所述的泵系统，其特征在于，所述第一和第二轮子具有使所述第一和第二轮子反向转动的匹配齿轮，使得多个第一和第二轮子的凹槽被对准以形成多个袋孔。
6、根据权利要求1所述的泵系统，其特征在于，进一步包括具有近端和远端的输送管，其中输送管的近端与球泵的出口相连接，输送管的远端与油井或气井的下端相连接。
7、根据权利要求6所述的泵系统，其特征在于，进一步包括与所述输送管流体连通的流体容积式泵，其中所述流体容积式泵将流体喷射到所述输送管中。
8、根据权利要求7所述的泵系统，其特征在于，所述输送管在其近端具有圆柱形的第一密封装置和在其远端具有圆柱形的第二密封装置，其中每个密封装置是径向弹性的，并且每个密封装置的直径小于浮力球的直径，这样在每个浮力球移动通过每个密封装置期间，在每个浮力球周围形成不透水的密封。
9、根据权利要求8所述的泵系统，其特征在于，所述流体容积式泵与输送管的近端流体连通，远离第一密封装置，其中输送管包含具有多个开口的筛管段，所述筛管段设置在输送管的远端，邻近第二密封装置。
10、根据权利要求6所述的泵系统，其特征在于，进一步包括与所述输送管流体连通的空气压缩泵，其中所述空气压缩泵将压缩的空气喷入到所述输送管中。
11、根据权利要求10所述的泵系统，其特征在于，所述输送管在其近端具有径向弹性的、圆柱形的密封装置，所述密封装置的直径小于浮力球的直径，这样在每个浮力球通过所述密封装置期间，在每个浮力球的周围形成不透水的密封。
12、根据权利要求11所述的泵系统，其特征在于，所述空气压缩泵与所述输送管的近端流体连通，远离径向弹性的密封装置。
13、根据权利要求1所述的泵系统，其特征在于，进一步包括：
具有近端和远端的输送管，其中输送管的近端与球泵的出口相连接，输送管的远端与油井或气井的下端相连接；和
与所述输送管流体连通的第二泵。
14、根据权利要求13所述的泵系统，其特征在于，所述球泵是正排量式泵。
15、根据权利要求13或14所述的泵系统，其特征在于，所述多个第一和第二轮子的凹槽的每一个是半球形的，并且其中多个袋孔的每一个是球形的，所述袋孔的直径与浮力球的直径大致相等。
16、根据权利要求15所述的泵系统，其特征在于，所述第二泵是将流体喷射到所述输送管中的流体容积式泵。
17、根据权利要求16所述的泵系统，其特征在于，所述输送管在其近端具有圆柱形的第一密封装置和在其远端具有圆柱形的第二密封装置，其中每个密封装置是径向弹性的，并且每个密封装置的直径小于浮力球的直径，这样在每个浮力球移动通过每个密封装置期间，在每个浮力球周围形成不透水的密封。
18、根据权利要求17所述的泵系统，其特征在于，所述流体容积式泵与所述输送管的近端流体连通，远离第一密封装置，其中输送管包含具有多个开口的筛管段，所述筛管段设置在输送管的远端，邻近第二密封装置。
19、根据权利要求15所述的泵系统，其特征在于，所述第二泵是将压缩的空气喷入到所述输送管中的空气压缩泵。
20、根据权利要求19所述的泵系统，其特征在于，所述输送管在其近端具有径向弹性的、圆柱形的密封装置，所述密封装置的直径小于浮力球的直径，这样在每个浮力球通过所述密封装置期间，在每个浮力球的周围形成不透水的密封。
21、根据权利要求20所述的泵系统，其特征在于，所述空气压缩泵与所述输送管的近端流体连通，远离径向弹性的密封装置。
22、一种降低油井或气井中钻井液的密度的方法，包括：
将多个浮力球输送到进料器中；
提供靠近所述进料器的球泵，所述球泵具有用于对多个浮力球施加第一力的第一和第二可转动的轮子，其中所述球泵与输送管的近端相连接，所述输送管的远端与接近钻井液的油井或气井部分的下端相连接；
提供与输送管的近端流体连通的第二泵，所述第二泵对多个浮力球施加第二力，其中所述第一和第二力将浮力球注入到钻井液中以降低钻井液的密度。
23、根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二泵将流体喷射到输送管中，使得所述流体对浮力球施加所述第二力。
24、根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二泵将压缩的空气喷入到输送管中，使得所述压缩空气对浮力球施加所述第二力。
25、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述输送管包括在其近端的、圆柱形的第一密封装置和在其远端的、圆柱形的第二密封装置，其中每个密封装置是径向弹性的，并且每个密封装置的直径小于浮力球的直径，这样在每个浮力球移动通过每个密封装置期间，在每个浮力球周围形成不透水的密封。
26、根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述输送管在其近端具有径向弹性的、圆柱形的密封装置，所述密封装置的直径小于浮力球的直径，这样在每个浮力球移动通过每个密封装置期间，在每个浮力球周围形成不透水的密封。
27、根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一轮子具有多个凹槽和所述第二轮子具有相应的多个凹槽，这样当转动轮子时，使得所述第一和第二轮子的凹槽暂时结合形成多个袋孔，每个袋孔对所述浮力球施加所述第一力。
28、根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述多个第一和第二轮子凹槽的每一个是半球形的，并且其中多个袋孔的每一个是球形的，所述袋孔的直径与浮力球的直径大致相等。
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