JP2020534472A - 電動水中ポンプの構成 - Google Patents

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    • F05D2230/51Building or constructing in particular ways in a modular way, e.g. using several identical or complementary parts or features

Abstract

ハウジングレス坑井ポンプ組立体を説明する。ポンプ組立体は、端と端で軸線方向に結合され、坑井流体をアップホール方向に圧送する多数のポンプ段を含む。各ポンプ段は、坑井ポンプ組立体を通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転する回転インペラと、回転インペラが内部に位置決めされた固定ディフューザとを含む。固定ディフューザは、回転インペラから受け取った運動エネルギーを揚程に変換して坑井ポンプ組立体を通って流体を流す。固定ディフューザは、アップホール側のねじ付き端とダウンホール側のねじ付き端とを含み、それぞれのねじ付き端は、アップホール側に位置決めされた別のポンプ段及びダウンホール側に位置決めされた別のポンプ段とねじ結合する。アップホール側のねじ付き端のねじ山及びダウンホール側のねじ付き端のねじ山は、回転インペラの回転方向と反対方向に形成されている。

Description

本願は、2017年9月18日に出願された米国特許出願第15/707,367号に基づく優先権を主張し、当該米国特許出願のすべての記載内容を援用する。
本明細書は、油田用途の電動水中ポンプ(ESP)に関する。
一部の油井及びガス井は、刺激を与えることなく炭化水素類を地表まで上昇させるのに十分な圧力を含んでいる。しかし、その他の井戸では、貯留層が生来持っている駆動エネルギーは、炭化水素類を地表まで押し出すほどまで強くはない。その結果、このような井戸では、井戸からの炭化水素類の流量を増やすために人工採油が必須になる。炭化水素類が地表まで流れ出るのに十分な圧力を初めは持っている井戸であっても、時間とともに圧力は枯渇し、人工採油が必要になるかもしれない。そのため、大部分の井戸では、普通、生産期間中のある時点で、人口採油が用いられる。人工採油は、井戸内に配置した機械装置を用いて実施することができる。電動水中ポンプ(ESP)は、坑井から多量の流体を上昇させる人工採油法の一つの例である。
本明細書は、ハウジングのない電動水中ポンプ(ESP)を用いて坑井流体を圧送することに関する技術を説明する。ここで説明する主題のある態様は、ハウジングレス坑井ポンプ組立体として実施することができる。このポンプ組立体は、端と端(末端間)で軸線方向に結合され、坑井流体をアップホール方向に圧送する多数のポンプ段を含む。各ポンプ段は、前記坑井ポンプ組立体を通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転する回転インペラと、前記回転インペラが内部に位置決めされた固定ディフューザとを含む。前記固定ディフューザは、前記回転インペラから受け取った前記運動エネルギーを揚程に変換して前記坑井ポンプ組立体を通って前記流体を流す。前記固定ディフューザは、アップホール側のねじ付き端とダウンホール側のねじ付き端とを含み、それぞれのねじ付き端は、別の、アップホール側に位置決めされたポンプ段、及び、別の、ダウンホール側に位置決めされたポンプ段とねじ結合する。前記アップホール側のねじ付き端のねじ山及び前記ダウンホール側のねじ付き端のねじ山は、前記回転インペラの回転方向と反対方向に形成されている。
他の態様は、以下の特徴の1つ以上を含むことができる。
前記アップホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの外面に形成することができ、前記ダウンホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの内面に形成することができる。
前記アップホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの内面に形成することができ、前記ダウンホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの外面に形成することができる。
このポンプ組立体は、前記アップホール側のねじ付き端と、前記他方の、アップホール側に位置決めされたポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端と、の間に位置決めされた第1のシールと、前記ダウンホール側のねじ付き端と、前記他方の、ダウンホール側に位置決めされたポンプ段の前記アップホール側のねじ付き端と、の間に位置決めされた第2のシールと、を含むことができる。
このポンプ組立体は、最もダウンホール側のポンプ段のダウンホール側のねじ付き端にねじ結合されたねじ付き端を含むポンプベースを含むことができる。前記ポンプベースの前記ねじ付き端のねじ山と前記最もダウンホール側のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端のねじ山とは、前記インペラの前記回転方向と反対方向に形成され得る。このポンプ組立体は、前記ポンプベースの前記ねじ付き端と前記最もダウンホール側のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端との間に位置決めされたシールを含むことができる。
前記最もダウンホール側のポンプ段は、前記ポンプベースの前記ねじ付き端にねじ結合するねじ付き端と、前記最もダウンホール側のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端にねじ結合するねじ付き端と、を含むディフューザスペーサを含むことができる。前記ディフューザスペーサのねじ山は、前記インペラの前記回転方向と反対方向に形成され得る。
このポンプ組立体は、最もアップホール側のポンプ段のアップホール側のねじ付き端にねじ結合されたねじ付き端を含むポンプヘッドを含むことができる。前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端のねじ山と前記最もアップホール側のポンプ段の前記アップホール側のねじ付き端のねじ山とは、前記インペラの前記回転方向と反対方向に形成され得る。このポンプ組立体は、前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端と前記最もアップホール側のポンプ段の前記アップホール側のねじ付き端との間に位置決めされたシールを含むことができる。
前記多数のポンプ段は、外部ハウジング無しで軸線方向に端と端(末端間)でねじ結合され得る。
ここで説明する主題のある態様は、ハウジングレス坑井ポンプ組立体として実施することができる。このポンプ組立体は、ねじ付き端を含むポンプベースと、ポンプ段とを含むことができる。前記ポンプ段は、前記ポンプ段及び前記ポンプベースを介して坑井を通りアップホール方向へ流体を流す運動エネルギーを提供するために回転する回転インペラと、前記回転インペラが内部に位置決めされた固定ディフューザとを含む。前記ディフューザは、前記回転インペラから受け取った前記運動エネルギーを揚程に変換して前記ポンプ段を通って前記流体を流す。前記ディフューザはねじ結合によって前記ポンプベースの前記ねじ付き端に結合されたダウンホール側のねじ付き端を含む。前記ディフューザの前記ねじ付き端のねじ山及び前記ポンプベースの前記ねじ付き端のねじ山は、前記インペラの回転方向と反対方向に形成されている。
他の態様は、以下の特徴の1つ以上を含むことができる。
このポンプ組立体は、前記ディフューザと前記ポンプベースとの間に位置決めされたディフューザスペーサを含むことができる。前記ディフューザスペーサは、前記ポンプベースの前記ねじ付き端にねじ結合によって結合されたねじ付き端と前記ディフューザの前記ダウンホール側のねじ付き端にねじ結合によって結合されたねじ付き端とを含むことができる。前記ディフューザスペーサ、ポンプベース、及びディフューザ、の前記ねじ付き端のねじ山は、前記インペラの前記回転方向と反対方向に形成されている。
前記ディフューザスペーサの前記ねじ付き端の一方と、前記ポンプベースの前記ねじ付き端と、の間の前記ねじ結合は、前記ポンプベースと前記ポンプ段とを通って流れる流体が前記ポンプ段の外部に漏れることを阻止するシールを含むことができる。
前記ディフューザスペーサの前記ねじ付き端の他方と、前記ディフューザの前記ダウンホール側のねじ付き端と、の間の前記ねじ結合は、前記ポンプベースと前記ポンプ段とを通って流れる流体が前記ポンプ段の外部に漏れることを阻止するシールを含むことができる。
前記ポンプ段は第1のポンプ段であり得る。前記インペラは第1のインペラであり得る。前記ディフューザは第1のディフューザであり得る。前記ねじ結合は第1のねじ結合であり得る。このポンプ組立体は、前記第1のポンプ段のアップホール側に第2のポンプ段を含むことができる。前記第2のポンプ段は、前記第1のポンプ段から受け取った前記流体を前記第2のポンプ段を通って前記アップホール方向に流す運動エネルギーを提供するために回転する第2の回転インペラと、前記第2の回転インペラが内部に位置決めされた第2の固定ディフューザと、を含むことができる。前記第2のディフューザは、前記第2のインペラから受け取った前記運動エネルギーを揚程に変換して前記第2のポンプ段を通って前記流体を流す。前記第2のディフューザは、第2のねじ結合によって前記第1のディフューザのアップホール側のねじ付き端に結合されたダウンホール側のねじ付き端を含むことができる。前記第1のディフューザの前記ねじ付き端のねじ山及び前記第2のディフューザの前記ねじ付き端のねじ山は、前記第1のインペラ及び前記第2のインペラの回転方向と反対方向に形成されている。
このポンプ組立体は、ねじ付き端を含むポンプヘッドを含むことができる。前記第2のディフューザのアップホール側のねじ付き端を、第3のねじ結合によって前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端に結合することができる。前記第2のディフューザの前記ねじ付き端のねじ山及び前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端のねじ山は、前記第1のインペラ及び前記第2のインペラの前記回転方向と反対方向に形成されている。
前記第2のディフューザのアップホール端と前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端との間の前記ねじ結合は、前記ポンプヘッドと前記第2のポンプ段とを通って流れる流体が前記第2のポンプ段の外部に漏れることを阻止するシールを含むことができる。
この明細書に記載された主題の1つ以上の実施の詳細を、添付する図面及び説明に記載する。本主題の他の特徴、態様及び利点は、かかる説明及び図面並びに請求項から明らかになるだろう。
実施の形態に係る電動水中ポンプ(ESP)の概略図である。
図1のESPのディフューザ間の例示のねじ結合の図である。 図1のESPのディフューザ間の例示のねじ結合の図である。
図1のESPの例示の組立構成部品の図である。 図1のESPの例示の組立構成部品の図である。
図1のESPの例示の組立構成部品の図である。 図1のESPの例示の組立構成部品の図である。
坑井内における図1のESPの例の図である。
さまざまな図面の同様の番号及び記号は、同様の要素を示す。
電動水中ポンプ(ESP)には、日量約150バレル(bpd)から150,000バレルの坑井流体を坑井から圧送する(吸い上げる)ことができるものがある。ESPシステムは、遠心ポンプ、プロテクタ、給電ケーブル、モータ、及び地上制御装置を含むことができる。ポンプを用いて、ある場所から別の場所へ流体を移すことができる。モータは機械的動力を提供してポンプを駆動することができ、給電ケーブルは地表からモータへ電力を供給できる。プロテクタは、ポンプからの推力荷重を吸収し、モータからの動力をポンプへ中継し、圧力を均等化し、温度の変動とともに付加的なモータオイルの授受を行い、坑井流体がモータへ侵入することを阻止することができる。ポンプは、多段のインペラとディフューザとを含むことができる。回転インペラは、運動エネルギーを流体に更に与えることができ、固定ディフューザは、インペラからの流体の運動エネルギーを揚程(すなわち、圧力)に変換することができる。ポンプ段を直列に積み重ねて多段システムを形成することができる。多段システムでは、各段で生成された揚程が合計される。例えば、多段システムで得られる総揚程は、最初の段から最後の段まで直線的に増加する。従来のESPでは、ポンプ段をハウジング内に収容することができる。
遠心ポンプの相似則(親和性の法則)によれば、一定の軸回転数(回転速度)において、ポンプにより提供される揚程(すなわち、圧力)の増加は、インペラ直径の二乗に比例する。したがって、インペラの直径が大きくなると、ポンプ(同じ速度で回転している)は、圧力をかけている流体に、より高い揚程を提供することができる。ESPのハウジングを取り除くと、ESPの壁の厚さを保ったままESPの外径を大きくすることができ、ESP内の空間の増加によりインペラのサイズを大きくとることができる。本明細書で述べる技術は、外部ハウジングがなくても、ESPの構造的一体性とシール能力とを保つことができる。ディフューザは、インペラの回転と反対方向に締まるねじ付き端を有することで、ねじが緩んでしまう可能性を減らし、ポンプの組立て一体性を高めることができる。この組立てに基づけば、圧縮チューブは必須ではないかもしれない。というのは、ねじ結合部からのトルクが、ポンプ作動中におけるディフューザの回転を阻止する抵抗をもたらすことができるからである。シール能力を高めるために、Oリングなどの静的シールをディフューザ間の溝に挿入することができる。
ダウンホールESPは、空間が径方向に制限された環境で作動し、しかも、地表へ産出される坑井流体に与えられる揚程を高くするにはインペラの直径を大きくすることが望ましい。別の態様において、特に、急な曲がり路(ドッグレッグ)がある場合、ポンプの曲げ応力を軽減するために、典型的にはESPの長さを短く保つことが望ましい。別の例として、短いポンプ長も、潤滑装置を介して設置されたタンデムポンプ(固定された長さと高さとを有することができる)にとっては望ましい。本明細書で述べる主題の特定の各実施を実施して以下の利点のうちの1つ以上を実現することができる。ポンプはハウジングレス(ハウジングが無い)であり、より大きなインペラを用いてより大きな揚程を生成することができる。ポンプは、同じ大きさの揚程を提供する従来のポンプと比較して、長さを短くできる。曲げ応力の軽減により、ポンプ段間で生ずる可能性のある摩擦を減らすことができ、発熱及び電気使用量の望ましくない増加を防ぐことができる。したがって、ESPの運転寿命を延ばすことができ、信頼性を向上させることができるため、現場の運用コストと生産遅れの可能性を減らすことができる。
図1は、例示のハウジングレス坑井ポンプ組立体100を示す。ポンプ組立体100は、ポンプヘッド101(差圧に関連する水頭(ヘッド)と混同しないこと)と、ポンプベース103と、ポンプ軸151と、ヘッド軸受153と、上リング155と、圧縮ナット157と、下リング165と、ベース軸受167と、多ポンプ段とを含むことができ、多ポンプ段は、例えば、端と端とで軸線方向に結合され、アップホール(孔の上方)方向に井戸流体を汲み上げることができる3ポンプ段(180A、180B、180C)である。ポンプ段(180A、180B、180C)は、組立体100を通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転する回転インペラ(161A、161B、161C)と、インペラ(161A、161B、161C)が内部に位置決めされた固定ディフューザ(105A、105B、105C)とを含むことができる。特定の実施では、ポンプ組立体100は、ディフューザ(例えば、ポンプ段180Aの105A)とポンプベース103との間に位置決め可能なディフューザスペーサ107を含むことができる。ディフューザスペーサ107は、ポンプベース103のねじ付き端141Aと、ポンプ段180Aの最もダウンホール側(孔の下方側)にあるディフューザ105Aのねじ付き端131Bのようなディフューザのダウンホール側のねじ付き端と、にねじ結合するねじ付き端(131A、141B)を含むことができる。図1に示すポンプ組立体100とは異なる別の例として、ポンプベース103は、最もダウンホール側にあるポンプ段のダウンホールねじ付き端(例えば、ポンプ段180Aのねじ付き端131B)にねじ結合するねじ付き端141Aを含むことができる。ポンプ組立体100は、ポンプ段(180A、180B、180C)の構成部品であるディフューザとは別に、ディフューザ105Dのような追加のディフューザを含むことができる。特定の実施では、ポンプ組立体100は、ポンプヘッド101と、ディフューザ105Dなどのディフューザと、の間に位置決め可能なアダプタ109を含むことができる。図1に示すポンプ組立体100とは異なる別の例として、ポンプヘッド101は、最もアップホール側(孔の上方側)にあるポンプ段のアップホール側のねじ付き端にねじ結合されたねじ付き端131Gを含むことができる。ポンプ組立体100は、ディフューザ中の部品や軸受など、更なる構成部品を含むことができるが、図1には示されていない。
ポンプ組立体100の構成部品は、内部構成部品又は外部構成部品に分けることができる。ポンプ組立体100の外部構成部品には、組立体100の外面111との間で表面を共有し、ポンプ組立体100の外部の流体、すなわちポンプ組立体100に流入せず加圧されない流体、と接触できる構成部品が含まれる。ポンプ組立体100の外部構成部品としては、例えば、ポンプヘッド101、ポンプベース103、ディフューザスペーサ107、アダプタ109、及びディフューザ105A、105B、105C、105Dを含むことができる。ポンプ組立体100の外部構成部品は、アップホール側のねじ付き端を含むことができ、これは、例えば、ディフューザスペーサ107の131A、ディフューザ105Aの131B、ディフューザ105Bの131C、ディフューザ105Cの131D、ディフューザ105Dの131E、アダプタ109の131F、及びポンプヘッド101の131G、である。ポンプ組立体100の外部構成部品は、ダウンホールねじ付き端を含むことができ、これは、例えば、ポンプベース103の141A、ディフューザスペーサ107の141B、ディフューザ105Aの141C、ディフューザ105Bの141D、ディフューザ105Cの141E、ディフューザ105Dの141F、アダプタ109の141G、である。ポンプ組立体100は、複数の外部構成部品間にシールを含むことができ、これは、例えば、ポンプベース103とディフューザスペーサ107との間の121A、ディフューザスペーサ107とディフューザ105Aとの間の121B、ディフューザ105Aとディフューザ105Bとの間の121C、ディフューザ105Bとディフューザ105Cとの間の121D、ディフューザ105Cとディフューザ105Dとの間の121E、ディフューザ105Dとアダプタ109との間の121F、及び、アダプタ109とポンプヘッド101との間の121G、である。
ポンプ組立体100の内部構成部品には、外部構成部品内に位置決めされ、ポンプ組立体100に入って加圧される流体と相互作用可能な構成部品が含まれる。ポンプ組立体100の内部構成部品は、例えば、ポンプ軸151、ヘッド軸受153、上リング155、圧縮ナット157、下リング165、ベース軸受167、及びインペラ161A、161B、161C、を含むことができる。特定の実施では、外部構成部品の一部(例えば、ディフューザ(105A、105B、105C、105D)の内面など)も、ポンプ組立体100に入って加圧される流体と相互作用可能である。
ポンプ組立体100のインペラ(161A、161B、161C)を、ポンプ軸151へ機械的に結合することができる。ポンプ軸151をモータ(図5参照)に結合してモータで回転させることができ、これによってインペラ(161A、161B、161C)を回転することができる。ディフューザ(105A、105B、105C)は、対応する回転インペラ(161A、161B、161C)から受け取った運動エネルギーを揚程(すなわち、水頭)に変換し、ポンプ段(180A、180B、180C)及び組立体100を通って流体を流すことができる。換言すれば、ポンプ段(180A、180B、180C)の回転インペラ(161A、161B、161C)が回転して運動エネルギーを提供することにより、ポンプ段(180A、180B、180C)及びポンプベース103を介して坑井を通りアップホール方向へ流体を流すことができる。ポンプ組立体100は、各インペラ(161A、161B、161C)のアップホール側にあるインペラスペーサ(163A、163B、163C)を含むことができる。圧縮ナット157により、一番後ろのアップホール側インペラスペーサ(例えば、163C)をポンプ軸151に結合することができる。上リング155及び下リング165(2部品リング又はスプリットリングとも呼ばれる)により、組立体100の回転構成部品をポンプ軸151に結合して動力及び軸推力を伝達することができる。ヘッド軸受153及びベース軸受167は、軸151の相対運動を、例えば軸151の軸線周りの自由回転などの望ましい運動のみに制限する。
初めて組立てた後に、インペラ(161A、161B、161Cなど)とインペラスペーサ(163A、163B、163Cなど)との間にすき間ができてしまうことがある。インペラ(161A、161B、161C)及びインペラスペーサ(163A、163B、163C)は、ポンプ軸151へ固定可能な下リング165によって、底部で支持することができる。圧縮ナット157により、組み立てたインペラ及びインペラスペーサを下リング165に対して軸線方向にしっかりと保持できるので、初期すき間は減少又は解消する。2部品リング(155、165)は、組み立てたインペラ(161A、161B、161C)、インペラスペーサ(163A、163B、163C)、及び圧縮ナット(157)を、ポンプ軸151へ確実に固定し、軸151に沿う軸線方向の動きを阻止することができる。換言すれば、2部品リング(155、165)は、組み立てた構成部品がポンプ軸151に沿って滑動するのを防ぐことができる。ポンプ軸151に沿って構成部品が軸線方向に動くことを防ぐことにより、軸線方向推力はポンプ軸151を介して確実に伝達される。更なる摩擦は熱を発生する可能性があり、潜在的なポンプ故障に至る可能性さえある。ポンプ軸151に沿って構成部品が軸線方向に動くことを防ぐことにより、回転する構成部品間の(軸線方向での)潜在的な摩擦接触も防ぐことができる。
ポンプ組立体100の外面111は、ポンプ組立体100の軸線方向長さにわたる直径を変えることができるが、ポンプ段(180A、180B、180C)のディフューザ(105A、105B、105C)にわたる外面111は均一である。本明細書では、用語「実質的に」は、言及された値からの偏差、許容、又は変動が、部品の製造に用いられる工作機械の許容範囲内にあることを意味する。ポンプ組立体100はハウジングレスであることから、ハウジングを備えた従来のポンプ組立体と比較して、外面111の直径を大きくとることができる。ハウジングが無くてポンプ段(180A、180B、180C)のディフューザ(105A、105B、105C)の厚さを保たなければ、各ポンプ段(180A、180B、180C)のインペラ(161A、161B、161C)の先端が占めることができる増分空間を、実施によっては、実質的に0.5インチ(12.5mm)分だけ増やすことができる。インペラの直径が増加すると、より高い揚程(すなわち、ESPの入口と出口との間の圧力差の増加)が得られる。一例では、各ポンプ段(180A、180B、180C)の外径と、各ポンプ段(180A、180B、180C)のインペラ(161A、161B、161C)の先端の外径との間の差を、0.2インチ(5.1mm)と0.4インチ(10.2mm)との間とすることができる。同様の外径のハウジングを有するポンプ組立体と比較すると、インペラ直径を約0.5インチ(12.5mm)大きくできるので、ここで述べるハウジングレスのポンプで生成される揚程を、約23%増やすことができる。別の例では、各ポンプ段(180A、180B、180C)の外径と、各ポンプ段(180A、180B、180C)のインペラ(161A、161B、161C)の先端の外径との間の差を、0.1インチ(2.5mm)と0.2インチ(5.1mm)との間とすることができる。同様の外径のハウジングを有するポンプ組立体と比較して、インペラの直径を約0.5インチ(12.5mm)大きくできるので、生成される揚程を約32%増やすことができる。
ねじ付き端は、互いにねじ結合で結合できる。ねじ付き端のねじ山は、インペラの回転方向と反対方向に形成することができる。例えば、ポンプ段180Aを通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転するインペラ161Aに呼応して、ディフューザスペーサ107とポンプベース103との間のねじ結合によって、構成部品(107及び103)が互いに外れてしまうことを防止できる。なぜなら、ねじ結合のねじ山が、インペラ161Aの回転と反対方向に形成されているからである。同様に、ポンプ段180Aを通って流体を流すための運動エネルギーを提供するために回転するインペラ161Aに呼応して、ディフューザスペーサ107とディフューザ105Aとの間のねじ結合によって、構成部品(107及び105A)が互いに外れてしまうことを防止できる。
実施によっては(図1に示す例とは対照的に)、ディフューザのアップホール側のねじ付き端のねじ山がディフューザの外面に形成され、ディフューザのダウンホール側のねじ付き端のねじ山がディフューザの内面に形成されている。ねじが形成されているポンプ組立体100のさまざまな構成部品は、構成部品の内面又は外面にねじ山を形成することができる。例えば、図1に示すように、ポンプベース103は、その外面にねじ山を形成することができる。これは、スペーサ107は、その内面にねじ山が形成されていることを意味する。任意ではある(不図示)が、ポンプベース103は、その内面にねじ山を形成することができる。これは、スペーサ107は、その外面にねじ山が形成されていることを意味する。ねじ山の形状(すなわち、ねじ山の断面形状)は、正方形、三角形、台形など、任意の形状とすることができる。例えば、ねじは、三角形の形状を持つVねじ又は鋸歯ねじとすることができる。ねじの他の特性(ねじ山の角度、外径及び内径、ねじピッチなど)は、使用するねじの種類とポンプ組立体100の全体寸法に左右され得る。
アップホール側のねじ付き端及びダウンホール側のねじ付き端のねじ山を、インペラの回転方向と反対方向に形成することができる。例えば、ディフューザ105Bのアップホール側のねじ付き端141Dとダウンホール側のねじ付き端131Cとのねじ山を、インペラ161Bの回転方向と反対方向に形成する。従来のESPは、一般的には、内部でポンプヘッドとポンプベースとがねじ結合されているハウジングを含むが、一般的には、ディフューザ同士を結合するためのねじ付き端を持たない。ポンプ組立体100にはハウジングが含まれていない。特定の実施では、ディフューザスペーサ107は、ポンプベース103のねじ付き端141A、及び、ディフューザ105Aのダウンホール側のねじ付き端131Bに、それぞれのねじ結合によって、結合されたねじ付き端(131A、141B)を含む。ねじ付き端(131A、131B、141B)のねじ山を、ポンプ段180Aを通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転するインペラ161Aの回転方向と反対方向に形成することができる。特定の実施では(図示しない同様の要素を用いて)、ポンプ段が2つ(例えばポンプ段180A、180B)だけある。ポンプ段が2つの場合、ポンプヘッド101はねじ付き端131Gを含むことができ、ディフューザ105Bのねじ付き端141Dは、ポンプヘッド101のねじ付き端131Gにねじ結合で結合することができる。ねじ付き端(131G及び141D)のねじ山は、ポンプ段180Bを通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転するインペラ161Bの回転方向と反対方向に形成することができる。特定の実施では、3つのポンプ段(180A、180B、180C)があり、ポンプヘッド101と、最もアップホール側のポンプ段(180C)との間に、アダプタ109がある。ポンプ組立体100は、アダプタ109と、最もアップホール側のポンプ段(180C)と、の間に(ポンプ段に直接関連付けられていない)ディフューザ105Dを、任意ではあるがさらに含むことができる。ポンプヘッド101、アダプタ109、及びディフューザ105Dは、ねじ付き端を含むことができ、相互にねじ結合できる。ポンプ組立体100の構成部品のねじ付き端のねじ山は、ポンプ組立体100を通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転するインペラ(161A、161B、161Cなど)の反対方向に形成することができる。
この構成(すなわち、インペラの回転方向と反対の、構成部品間のねじの締め付け)は、組立ての一体性及びポンプ組立体100のシール能力を高めることができる。換言すれば、ポンプ組立体100のポンプ段は、外部ハウジングなしで、軸線方向に端と端でねじ結合できる。最もダウンホール側のポンプ段180Aがポンプベース103にねじ結合される場合、ポンプベース103のねじ付き端141A及び最もダウンホール側のポンプ段180Aのダウンホール側のねじ付き端131Bのねじ山は、161Aのようなインペラの回転方向と反対方向に形成することができる。最もアップホール側のポンプ段180Cがポンプヘッド101にねじ結合される場合、ポンプヘッド101のねじ付き端131G及び最もアップホール側のポンプ段180Cのアップホール側のねじ付き端141Eのねじ山は、161Cのようなインペラの回転方向と反対方向に形成することができる。引き続き図1を参照すると、ポンプ組立体100が、ポンプヘッド101と最もアップホール側のディフューザ105Dとの間でねじ結合されたアダプタ109を含む場合、アダプタ109のねじ付き端(131F、141G)のねじ山は、161Cのようなインペラの回転方向と反対方向に形成することができる。最もダウンホール側のポンプ段180Aがディフューザスペーサ107にねじ結合される場合、ディフューザスペーサ107のねじ付き端(131A、141B)のねじ山は、161Aのようなインペラの回転方向と反対方向に形成することができる。
図2A及び図2Bは、図1に示すポンプ組立体100の異なる視点での図であり、ディフューザ105Bとディフューザ105Cとの間のねじ結合を表す。組立の際に、構成部品は、インペラの回転と反対方向に機械的に共にねじ結合される。このやり方でポンプ組立体100を組み立てることにより、構成部品間に接触力を与えることができる。ねじ締め方向を通常のインペラの回転とは反対にすると、ポンプ作動中におけるねじの緩み効果リスク又はディフューザの共回り(又は空回り)効果リスクを軽減することにより、さらなる作動の一体性を提供することができる。換言すれば、ねじ締め方向とインペラの回転方向とが反対であることにより、ポンプの作動中、構成部品を共に確実に固定したままにしておくことができる。
各固定ディフューザは、アップホール側に位置決めされた別のポンプ段又はスペーサとねじ結合するためのアップホール側のねじ付き端を含むことができる。例えば、ディフューザ105Bのアップホール側のねじ付き端141Dは、(ポンプ段180Cの)ディフューザ105Cを、(ポンプ段180Bの)ディフューザ105Bと結合することができる。各固定ディフューザは、ダウンホール側に位置決めされた別のポンプ段又はスペーサとねじ結合するためのダウンホール側のねじ付き端を含むこともできる。例えば、ディフューザ105Cのダウンホール側のねじ付き端131Dは、(ポンプ段180Bの)ディフューザ105Bを、(ポンプ段180Cの)ディフューザ105Cと結合することができる。特定の実施では、ディフューザのアップホール側のねじ付き端のねじ山は、ディフューザの内面に形成されており(例えば、ディフューザ105Bのねじ付き端141D)、ディフューザのダウンホール側のねじ付き端のねじ山は、ディフューザの外面に形成されている(例えば、ディフューザ105Cのねじ付き端131D)。
図3A、図3B、図4A、及び図4Bを参照すると、ポンプ組立体100のさまざまな構成部品は、シールを取り付けることができる溝を含むことができる。ポンプ組立体100は、ポンプ段の間に、例えばOリング又は他のシールを含んで、シール能力を高めることができる。第1のシールを、ポンプ段のアップホール側のねじ付き端と、アップホール側に位置決めされた別のポンプ段のダウンホール側のねじ付き端との間に位置決めできる。例えば、図2A及び図2Bに戻ると、シール121Dを、ポンプ段180Bのアップホール側のねじ付き端141Dと、ポンプ段180Cのダウンホール側のねじ付き端131Dとの間に位置決めしている。第2のシールを、ポンプ段のダウンホール側のねじ付き端と、ダウンホール側に位置決めされた別のポンプ段のアップホール側のねじ付き端との間に位置決めできる。例えば、シール121Cを、ポンプ段180Bのダウンホール側のねじ付き端131Cと、ポンプ段180Aのアップホール側のねじ付き端141Cとの間に位置決めしている。ポンプ組立体100は、他の構成部品間にもOリングのようなシールを含むことができる。構成部品のねじ付き端(103の141Aなど)は1つ以上の溝を含むことができ、この溝は、ねじに対して相対的にアップホール側に位置決めすることも(図3A及び図3B)、ねじに対して相対的にダウンホール側に位置決めすることも(図4A及び図4B)、その両方で(一方のねじ付き端に複数の溝がある場合)位置決めすることもできる。1つには、単一のねじ結合に対して複数のシールを用いることにより、シールの信頼性を高めることができる。他方、複数のシールがあることで、組立工程で摩擦(すなわち、こすり)の機会が多くなってしまう可能性がある。一つの例として、共にねじ結合される構成部品のうちの1つは、それらの間に装着されるシール(例えば、図3A及び図3Bに示すように131Bと141Bとの間の121B)のための溝を、内面に含むことができる。任意ではあるが、共にねじ結合される構成部品のうちの1つは、それらの間に装着されるシール(不図示)のための溝を、外面に含むことができる。特定の実施では、先ず、シール(例えば、Oリング)を溝に装着してから、2つの構成部品(例えば、2つのディフューザ)をねじ結合することができる。
図1に戻って参照すると、例えば、ディフューザスペーサ107のねじ付き端の一方(131A)と、ポンプベース103のねじ付き端141Aとの間のねじ結合は、シール121Aのようなシールを含むことができ、このシールは、ポンプベース103とポンプ段180Aとを通って流れる流体がポンプ段180Aの外部へ漏れることを阻止することができる。同様に、ディフューザスペーサ107の他方のねじ付き端(141B)と、ディフューザ105Aのダウンホール側のねじ付き端131Bとの間のねじ結合は、シール121Bのようなシールを含むことができ、このシールは、ポンプベース103とポンプ段180Aとを通って流れる流体がポンプ段180Aの外部へ漏れることを阻止することができる。別の例(図示されていないが、同様の要素を用いる)として、ポンプ段を例えばポンプ段180A、180Bの2つだけ有するポンプ組立体100の場合、ディフューザ105Bのアップホール側の端141Dと、ポンプヘッド101のねじ付き端131Gとの間のねじ結合は、シール121Gのようなシールを含むことができ、このシールは、ポンプヘッドとポンプ段180Bとを通って流れる流体が第2のポンプ段180Bの外部へ漏れることを阻止することができる。図1に戻ると、ポンプ組立体100がアダプタ109をポンプヘッド101と最もアップホール側のディフューザ105Dとの間に含んで両方にねじ結合されている場合、アダプタ109のアップホール側のねじ付き端141Gと、ポンプヘッド101のダウンホール側のねじ付き端131Gとの間のねじ結合は、シール121Gのようなシールを含むことができ、このシールは、ポンプ組立体100を通って流れる流体がポンプ組立体100の外部へ漏れることを阻止することができる。
図5は、坑井内の生産システム500の例を示す。生産システム500は、ケーシング502、モータ503、プロテクタ504、ポンプ吸入口505、パッカ506(閉鎖部)、生産チューブ507、及び図1に示すハウジングレスポンプ組立体100などのポンプ組立体、を含むことができる。生産システム500のさまざまな構成部品の外径は、先に述べたように、変動してもよいが、実質的に同じである。特定の実施では、生産システム500の構成部品の直径は異なってもよいが、すべての構成部品は、坑井流体501の望ましい流れを扱えるように設計することができる。本明細書で述べる特定の例では、ポンプ組立体100は、坑井流体501を、アップホール側、すなわち坑井の地表側へ向けて上昇させる。図5に示すように、モータ503を、ポンプ組立体100に対してダウンホール側に位置決めすることができる。坑井生産システムの構成部品の順序はさまざまであってもよいが、吸入口505はポンプ組立体100のダウンホール側に配置され、プロテクタ504は典型的にはモータ503に隣接して配置されている。例えば、プロテクタ504は、ポンプ組立体100とモータ503との間に位置決めされ、坑井流体501を加圧するポンプ組立体100からの軸線方向荷重の一部を吸収することができる。
パッカ506は、ポンプ組立体100に対してアップホール側に位置決めすることができ、ポンプ組立体100に対して、坑井のダウンホールの一部を、ポンプ組立体100に対する坑井のアップホール側の残りの部分から流体的に分離することができる。例えば、パッカ506は貯留層を隔離するように位置決めできるため、貯留層からの流体は、先ず、ポンプ組立体100を通ってから、生産チューブ507に入り、そしてさらにアップホールへ移動する。ポンプ吸入口505は、流体がポンプ組立体100に入る前にデブリ(破片)をろ過する膜(スクリーン)を含むことができる。モータ503は、センタータンデム(中心直列)(CT)モータ又は他の適切なモータとすることができる。生産システム500は更なる構成部品を含むことができ、それは、例えば、圧力、温度、流量、振動用のダウンホールセンサ、追加のパッカ、坑口、セントラライザ(芯出し装置)若しくはプロテクターライザ(保護装置)、チェックバルブ(逆止弁)、モーターシュラウド(鞘)若しくは再循環システム、追加のろ過膜若しくはフィルタ、又は、Yツール等のバイパス、などである。
坑井流体501は、貯留層から流れ、穿孔又は他の開口部を通ってケーシング502に入り、アップホール方向に移動することができる。坑井流体501はモータ503及びプロテクタ504を通過して流れることができ、坑井流体501が流れることでモータ503を冷却することができる。坑井流体501は、ポンプ吸入口505に入り、ポンプ組立体100のベーン(又はインペラ)を通過して流れることができる。例えば、ポンプ組立体100は、坑井流体501を、生産チューブ507を通って地表に上昇させるために加圧することができる。生産システム500は、図5において坑井内に配置されているが、任意に、地表に配置して操業することができる。生産システム500は、向きを水平にすることができ、この場合、ダウンホールはアップストリームに、アップホールはダウンストリームに、対応する。
このように、主題の特定の実施について述べてきた。他の実施は、添付の特許請求の範囲に含まれる。場合によっては、特許請求の範囲に記載される動作(作用)を異なる順序で実行しても、望ましい結果を得ることができる。さらに、添付の図に示す工程は、望ましい結果を達成するために、示された特定の順序又は連続した順序が必須というわけではない。
100 坑井ポンプ組立体
101 ポンプヘッド
103 ポンプベース
105A、105B、105C 固定ディフューザ
107 ディフューザスペーサ
109 アダプタ
111 外面
121 シール
131A、131B、131G ねじ付き端
141A、141B ねじ付き端
161A、161B、161C 回転インペラ
180A、180B、180C ポンプ段

Claims (15)

  1. ハウジングレスの坑井ポンプ組立体であって:
    端と端で軸線方向に結合され、坑井流体をアップホール方向に圧送するように構成された複数のポンプ段を備え、
    各ポンプ段は:
    前記坑井ポンプ組立体を通って流体を流す運動エネルギーを提供するために回転するように構成された回転インペラと;
    前記回転インペラが内部に位置決めされた固定ディフューザと;を備え、
    前記固定ディフューザは、前記回転インペラから受け取った前記運動エネルギーを揚程に変換して前記坑井ポンプ組立体を通って前記流体を流すように構成され、
    前記固定ディフューザは、アップホール側のねじ付き端とダウンホール側のねじ付き端とを備え、それぞれのねじ付き端は、アップホール側に位置決めされた別のポンプ段及びダウンホール側に位置決めされた別のポンプ段とねじ結合するように構成され、前記アップホール側のねじ付き端のねじ山及び前記ダウンホール側のねじ付き端のねじ山は、前記回転インペラの回転方向と反対方向に形成されている、
    ポンプ組立体。
  2. 前記アップホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの外面に形成され、前記ダウンホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの内面に形成されている、
    請求項1に記載のポンプ組立体。
  3. 前記アップホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの内面に形成され、前記ダウンホール側のねじ付き端の前記ねじ山は、前記固定ディフューザの外面に形成されている、
    請求項1に記載のポンプ組立体。
  4. 前記アップホール側のねじ付き端と、前記アップホール側に位置決めされた別のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端と、の間に位置決めされた第1のシールと;
    前記ダウンホール側のねじ付き端と、前記ダウンホール側に位置決めされた別のポンプ段の前記アップホール側のねじ付き端と、の間に位置決めされた第2のシールと;を更に備える、
    請求項3に記載のポンプ組立体。
  5. 最もダウンホール側のポンプ段のダウンホール側のねじ付き端にねじ結合されたねじ付き端を備えるポンプベースであって、前記ポンプベースの前記ねじ付き端のねじ山と前記最もダウンホール側のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端のねじ山とが、前記回転インペラの前記回転方向と反対方向に形成されている、ポンプベースと;
    前記ポンプベースの前記ねじ付き端と前記最もダウンホール側のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端との間に位置決めされたシールと;を更に備える、
    請求項1に記載のポンプ組立体。
  6. 前記最もダウンホール側のポンプ段は、前記ポンプベースの前記ねじ付き端にねじ結合するねじ付き端と、前記最もダウンホール側のポンプ段の前記ダウンホール側のねじ付き端にねじ結合するねじ付き端と、を備えるディフューザスペーサを備え、前記ディフューザスペーサのねじ山は前記回転インペラの前記回転方向と反対方向に形成されている、
    請求項5に記載のポンプ組立体。
  7. 最もアップホール側のポンプ段のアップホール側のねじ付き端にねじ結合されたねじ付き端を備えるポンプヘッドであって、前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端のねじ山と前記最もアップホール側のポンプ段の前記アップホール側のねじ付き端のねじ山とが、前記回転インペラの前記回転方向と反対方向に形成されている、ポンプヘッドと;
    前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端と前記最もアップホール側のポンプ段の前記アップホール側のねじ付き端との間に位置決めされたシールと;を更に備える、
    請求項1に記載のポンプ組立体。
  8. 前記複数のポンプ段は、外部ハウジング無しで軸線方向に端と端でねじ結合されている、
    請求項1に記載のポンプ組立体。
  9. ハウジングレスの坑井ポンプ組立体であって:
    ねじ付き端を備えるポンプベースと;
    ポンプ段と;を備え、
    前記ポンプ段は:
    前記ポンプ段及び前記ポンプベースを介して坑井を通りアップホール方向へ流体を流す運動エネルギーを提供するために回転するように構成された回転インペラと;
    前記回転インペラが内部に位置決めされた固定ディフューザと;を備え、
    前記固定ディフューザは、前記回転インペラから受け取った前記運動エネルギーを揚程に変換して前記ポンプ段を通って前記流体を流すように構成され、
    前記固定ディフューザはねじ結合によって前記ポンプベースの前記ねじ付き端に結合されたダウンホール側のねじ付き端を備え、前記固定ディフューザの前記ねじ付き端のねじ山及び前記ポンプベースの前記ねじ付き端のねじ山は、前記回転インペラの回転方向と反対方向に形成されている、
    ポンプ組立体。
  10. 前記固定ディフューザと前記ポンプベースとの間に位置決めされたディフューザスペーサを更に備え、
    前記ディフューザスペーサは、前記ポンプベースの前記ねじ付き端にねじ結合によって結合されたねじ付き端と前記固定ディフューザの前記ダウンホール側のねじ付き端にねじ結合によって結合されたねじ付き端とを備え、前記ディフューザスペーサ、ポンプベース、及び固定ディフューザ、の前記ねじ付き端のねじ山は、前記回転インペラの前記回転方向と反対方向に形成されている、
    請求項9に記載のポンプ組立体。
  11. 前記ディフューザスペーサの前記ねじ付き端の一方と、前記ポンプベースの前記ねじ付き端と、の間の前記ねじ結合は、前記ポンプベースと前記ポンプ段とを通って流れる流体が前記ポンプ段の外部に漏れることを阻止するように構成されたシールを備える、
    請求項10に記載のポンプ組立体。
  12. 前記ディフューザスペーサの前記ねじ付き端の他方と、前記固定ディフューザの前記ダウンホール側のねじ付き端と、の間の前記ねじ結合は、前記ポンプベースと前記ポンプ段とを通って流れる流体が前記ポンプ段の外部に漏れることを阻止するように構成されたシールを備える、
    請求項10に記載のポンプ組立体。
  13. 前記ポンプ段は第1のポンプ段であり、前記回転インペラは第1の回転インペラであり、前記固定ディフューザは第1の固定ディフューザであり、前記ねじ結合は第1のねじ結合であり、前記ポンプ組立体は前記第1のポンプ段のアップホール側に第2のポンプ段を更に備え、
    前記第2のポンプ段は:
    前記第1のポンプ段から受け取った前記流体を前記第2のポンプ段を通って前記アップホール方向に流す運動エネルギーを提供するために回転するように構成された第2の回転インペラと;
    前記第2の回転インペラが内部に位置決めされた第2の固定ディフューザと;を備え、
    前記第2の固定ディフューザは、前記第2の回転インペラから受け取った前記運動エネルギーを揚程に変換して前記第2のポンプ段を通って前記流体を流すように構成され、
    前記第2の固定ディフューザは、第2のねじ結合によって前記第1の固定ディフューザのアップホール側のねじ付き端に結合されたダウンホール側のねじ付き端を備え、前記第1の固定ディフューザの前記ねじ付き端のねじ山及び前記第2の固定ディフューザの前記ねじ付き端のねじ山は、前記第1の回転インペラ及び前記第2の回転インペラの回転方向と反対方向に形成されている、
    請求項9に記載のポンプ組立体。
  14. ねじ付き端を備えるポンプヘッドを更に備え、前記第2の固定ディフューザのアップホール側のねじ付き端は、第3のねじ結合によって前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端に結合され、前記第2の固定ディフューザの前記ねじ付き端のねじ山及び前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端のねじ山は、前記第1の回転インペラ及び前記第2の回転インペラの前記回転方向と反対方向に形成されている、
    請求項13に記載のポンプ組立体。
  15. 前記第2の固定ディフューザのアップホール端と前記ポンプヘッドの前記ねじ付き端との間の前記ねじ結合は、前記ポンプヘッドと前記第2のポンプ段とを通って流れる流体が前記第2のポンプ段の外部に漏れることを阻止するように構成されたシールを備える、
    請求項14に記載のポンプ組立体。
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