KR20140033443A - 펌프 - Google Patents

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마크 조셉 데니
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비피 익스플로레이션 오퍼레이팅 컴파니 리미티드
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Abstract

본 발명은, 펌프 유입구, 펌프 유출구, 적어도 2 개의 나사산구비 로터 및 압력 제어식 밸브를 포함하는 펌프를 제공하는데, 압력 제어식 밸브는 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 유체의 재순환을 제어할 수 있다. 압력 제어식 밸브는 제어 밸브일 수 있다. 본 발명은 또한 직렬로 배열된 적어도 2 개의 펌프들을 포함하는 다단 펌프 어셈블리를 제공하는데, 펌프들 중 적어도 하나는 전술한 펌프이다.

Description

펌프{PUMP}
본 발명은 특히 정 (wells), 예로 유정 및 가스정에서 사용하기 위한 다단 로터리 스크류 펌프 어셈블리에 관한 것이다.
오일 및 가스 생산 산업에서, 정으로부터의 유체 생산을 보조하도록 펌프를 사용하는 것이 때때로 바람직하다. 예를 들어, 지층 유체 (formation fluids) 를 표면으로 끌어올리는데 이전의 정 둘레 지층에서 압력이 불충분할 수도 있다. 다른 상황에서는, 지층 유체가 정에서 상승하는 것을 중단시키도록 무거운 유체가 정으로 도입될 수도 있다. 정을 다시 생산 상태로 두기 위해서, 펌프를 사용해 정으로부터 무거운 "킬 (kill)" 유체를 끌어올려야 한다.
로터리 스크류 펌프, 예로 이중 또는 삼중 스크류 펌프는 유체를 가압하기 위해서 회전 스크류를 사용하는 용적형 펌프 (positive displacement pumps) 이다. 로터리 스크류 펌프의 능력은, 다상 유체를 펌핑하는 것으로 알려져 있다.
게다가, 높은 차압을 발생시키기 위해서, 펌프는 다중 펌핑 단으로 구성될 수도 있음이 알려져 있다. 총 펌프 차압은 개별 단 차압의 합이다. 유사하게, 가스에 높은 압력을 발생시키도록, 압축기는 다중 압축기 단으로 구성될 수 있다. 다단 펌프는 일반적으로 동일한 행정 체적 (swept volume) 의 펌핑 단들을 갖는 반면에, 다단 압축기는 일반적으로 감소하는 행정 체적의 압축 단들을 갖는다. 행정 체적이라는 것은, 예를 들어 다중 스크류 펌프인 경우에, 스크류가 완전히 일 회전하는 동안 단 배출구로부터 배출되는 유체의 체적을 의미한다. 액체는 거의 비압축성인 반면에 가스는 압축성이기 때문에, 다단 펌프와 다단 압축기 사이에 차이가 발생한다.
다단 이중 스크류 펌프가 US 6413065 에 개시된다. 이 문헌은 직렬로 연결된 다수의 이중 스크류 펌핑 모듈을 가지는 다단 하향공 (downhole) 펌프를 제안한다.
US 7093665 는 다른 하향공 다단 이중 스크류 펌프를 개시한다. 이 문헌은 US 6413065 에서 기술된 펌프 어셈블리가 가지고 있는 문제점을 논한다. 유체에서 액체 함량은 낮고 가스 함량은 높은 상황에서, 존재하는 액체의 양은 스크류 나사산과 로터 하우징 사이의 간극을 효과적으로 밀봉하기에 불충분하다고 한다. 그 결과, 펌프는 펌프에 걸친 압력 차이를 유지할 수 없고 펌프는 효율성을 상실한다.
그 후, US 7093665 는 높은 가스 함량을 가지는 정에서 사용하기 위해 US 6413065 에 기술된 것과 같은 하향공 펌프 조정 방법을 개시한다. 일 실시형태에서, 액체 트랩 및 추가 액체 채널이 다단 이중 스크류 펌프의 유출구에 가까운 액체 일부를 포집하도록 제공되고, 이것을 다단 이중 스크류 펌프의 흡입구로 복귀시킨다. 이런 식으로, 이중 펌핑 스크류 둘레의 액체 밀봉이 향상될 수 있다.
다단 펌프 어셈블리는 또한 본 출원인의 계류중인 국제 특허 출원 WO2010/092320 에서 기술된다. 이 어셈블리에서, 적어도 하나의 이중 스크류 펌프 모듈을 포함하는 복수의 미리 조립된 펌프 모듈들을 포함하는 복수의 구성요소들이 제공된다. 구성요소들을 수용하기 위한 기다란 슬리브 및 기다란 슬리브의 일부와 부착가능하거나 맞물릴 수 있는 고정 수단이 또한 제공된다. 고정 수단은 슬리브 내에서 구성요소들을 고정되게 유지하도록 작동가능하다.
이 펌프 배열체는, 흔히 유정 및 가스정 펌핑 용도에 바람직한 것으로서, 이 유형의 펌프가 다상 유체에 높은 압력을 발생시키는데 사용될 때 발생하는 추가 문제점을 해결하지 못한다. 가스의 압축성으로 인해, 다단 펌프 어셈블리에서 하나의 펌프 단으로부터 후속 펌프 단으로 유체가 이송되는 비율은, 후속 펌프가 유체를 그것의 흡입구로 유입하려는 비율 미만이다. 따라서, 마지막 펌프 단은 이전 펌프 단들에서 "흡입 (sucking)" 을 시작하고, 마지막 펌프 단에 걸친 압력 차이는 증가한다. 사실상, 펌프 단들에 걸친 압력 차이는 첫 번째 펌프에서 마지막 펌프로 갈수록 증가한다.
압력 발생량 중 높은 비율이 펌프의 마지막 단에서 발생한다. 결과적으로, 펌프의 이 영역은 극도로 뜨겁게 될 수 있어서, 작동 간격 (running clearances) 을 감소시키고 시저 (seizure) 의 위험이 있다. 따라서, 펌핑된 유체 중 가스의 퍼센트가 높을 때, 다단 로터리 스크류 펌프는 매우 비효율적으로 된다.
종래 기술에 따른 펌프는 이 문제를 해결하지 못하여서 펌핑된 유체가 다상 유체일 때 일의 대부분을 수행하는 최종 펌프 단에 의해 야기되는 과열 및 시저의 문제점을 겪을 수 있다.
다단 펌프는, 그것의 단의 행정 체적이 점진적으로 감소되는 압축기와 더 비슷하게 설계될 수 있다. 이러한 다단 펌프는 특정 가스 대 액체 비에 대해 맞추어진 단을 가질 것이다. 이를 설명하기 위해서, 100 ℃ 에서 유체를 생산하고 다음 조성을 가지는 유정이 고려된다:
오일: 2000 bbls/day (318 ㎥/day)
물: 2000 bbls/day (318 ㎥/day)
가스: 1000 bbls/day (159 ㎥/day).
다음 압력 요건을 가지는 4 단 펌프 어셈블리가 고려된다:
흡입 압력: 1000 psig (6.89 ㎫)
배출 압력: 3000 psig (20.7 ㎫).
펌프 어셈블리의 4 개의 단에 일을 동일하게 나누기 위해서, 각각의 단은 500 psig (3.45 ㎫) 만큼 유체를 가압할 필요가 있다 (유압 hp 에서 유체 수축 효과 무시). 그렇게 하기 위해서, 다단 펌프는 다음 행정 체적을 갖는 단을 가져야 할 것이다:
단 1
총 흡입 체적: 5000 bbls/day (795 ㎥/day)
펌프를 통하여 무시해도 좋을 정도의 온도 상승을 가정하면, 액체는 비압축성이고 가스는 이상적인 가스로서 거동한다. 그래서, 가스 분획물에 대해:
흡입 압력 = 1000 psig (6.89 ㎫) = 1014.7 psia (7.00 ㎫ 절대압력)
흡입 가스 체적 = 1000 bbls/day (159 ㎥/day)
배출 압력 = 1500 psig (10.3 ㎫) = 1514.7 psia (10.4 ㎫ 절대압력),
배출 가스 체적 = 1014.7 x 1000/1514.7 = 669.9 bbls/day (107 ㎥/day)
총 배출 체적 = 4669.9 bbls/day (742 ㎥/day) (즉, 액체 + 배출 가스)
단 2
총 흡입 체적 = 4669.6 bbls/day (742 ㎥/day)
흡입 압력 = 1500 psig (10.3 ㎫) = 1514.7 psia (10.4 ㎫)
흡입 가스 체적 = 669.9 bbls/day (107 ㎥/day)
배출 압력 = 2000 psig (13.8 ㎫) = 2014.7 psia (13.9 ㎫)
배출 가스 체적 = 1514.7 x 669.9/2014.7 = 503.6 bbls/day (80.1 ㎥/day)
총 배출 체적 = 4503.6 bbls/day (716 ㎥/day)
단 3
총 흡입 체적 = 4503.6 bbls/day (716 ㎥/day)
흡입 압력 = 2000 psig (13.8 ㎫) = 2014.7 psia (13.9 ㎫)
흡입 가스 체적 = 503.6 bbls/day (80.1 ㎥/day)
배출 압력 = 2500 psig (17.2 ㎫) = 2514.7 psia (17.3 ㎫)
배출 가스 체적 = 2014.7 x 503.6/2514.7 = 403.5 bbls/day (64.2 ㎥/day)
총 배출 체적 = 4403.5 bbls/day (700 ㎥/day)
단 4
총 흡입 체적 = 4403.5 bbls/day (700 ㎥/day)
흡입 압력 = 2500psig (17.2 ㎫) = 2514.7 psia (17.3 ㎫)
흡입 가스 체적 = 403.5 bbls/day (64.2 ㎥/day)
배출 압력 = 3000 psig (20.7 ㎫)
배출 가스 체적 = 2514.7 x 403.5/3014.7 = 336.6 bbls/day (53.5 ㎥/day)
총 배출 체적 = 4336.6 bbls/day (689 ㎥/day)
따라서, 이런 정의 유체 및 펌핑 조건에 대해, 완벽하게 부합되는 펌프는 다음 행정 체적을 갖는 로터 세트를 요구할 것이다:
제 1 단: 5000.0 bbls/day (795 ㎥/day)
제 2 단: 4669.6 bbls/day (742 ㎥/day)
제 3 단: 4503.6 bbls/day (716 ㎥/day)
제 4 단: 4403.5 bbls/day (700 ㎥/day)
이 예에서, 가스는 펌프 흡입구로 유입되는 총 유체 체적의 단지 20% 만 구성하고 압력 상승은 비교적 크지 않지만, 첫 번째 단과 마지막 단 사이에서 이상적 로터 행정 체적의 차이는 10% 보다 크다. 이것은, 가스 대 액체 비가 가질 수 있는 중요한 영향을 강조한다.
하지만, 정의 유체 가스 대 액체 비가 변한다면, 펌프 단이 가스 대 액체 비와 빠르게 불일치하게 되므로, 펌프 단에 대해 감소하는 행정 체적을 가지는 다단 펌프 어셈블리는 상당한 문제점이 있다. 가스의 체적이 증가한다면, 펌프 전체에서 각각의 단은, 선행한 단이 이송할 수 있는 유체보다 많은 유체를 유입하려고 한다. 뒤의 단은 선행한 단에 비해 효과적으로 흡입하므로 선행한 단은 유효 일에 거의 기여할 수 없다. 이것은 일정 체적의 다단 펌프에 대해 전술한 것과 동일한 시나리오이다. 한편, 가스 체적이 감소한다면, 초기 단으로부터 배출된 유체 체적은 후속 단에 의해 소기되는 것보다 높을 것이다. 단들 사이의 유체 압력은 신속하게 상승하여서, 펌프는 유압적으로 하우징 또는 시일을 로킹 또는 파열시킨다.
지하의 탄화수소 보유 지층으로부터 유체를 펌핑할 때, 다상 유체를 가압하는데 사용되는 다단 펌프와 연관된 이 문제점은 특히 해결하기에 어려운데 왜냐하면 용액에 가스를 함유한, 탄화수소 액체는 휘발성이고, 리저버의 압력에 따라, 유리 가스 부분을 추가로 함유할 수도 있다. 실제로, 탄화수소 리저버는 초기에 액체로서 오일을 생성할 수도 있지만, 생성이 지속되고 리저버의 압력이 "기포점" 미만으로 떨어짐에 따라, 후에 오일과 가스의 혼합물이 유동할 것이다. 모든 유전과 유전 내의 모든 정은, 리저버에서의 그 공간적, 시간적인 면에서 탄화수소 유체 자체 및 유체의 압력에 따라 독특한 특성을 가질 것이다. 정해진 시점에서 개별 정의 유체 특성과 펌프에서 연속 단의 행정 체적을 일치시키려면, 현재 조건에 맞게 펌프를 한번 더 변화시키도록 거의 무한 수의 로터 크기 및 비현실적 정의 조정 수를 요구할 것이다.
US 5779451 은, 종래의 단일 로터리 스크류 펌프가 높은 가스 분획물을 가지는 유체를 펌핑하는데 사용될 때 직면하게 되는 문제점들을 기술한다. 그것은, 스크류의 마지막 나사산을 가로질러 더 많은 발열량 및 냉각 액체의 부족으로 인해 과열 및 시저가 발생할 수 있음을 설명한다. 본 문헌은, 높은 가스-분획물 유입 스트림으로 큰 압력 부스팅을 제공하기 위한 개선된 이중-스크류 펌프를 알려준다. 펌프는 내부 로터 인클로저 (enclosure) 를 가지는 하우징을 포함하고, 로터 인클로저는 유입구와 유출구 및 인클로저에 작동가능하게 수용된 복수의 로터를 가지고 있다. 각각의 로터는 샤프트 및 거기에 부착된 복수의 나사산을 가지고, 로터는 각 로터의 길이를 따라 불균일한 체적 이송률을 제공하도록 형성된다. 일 실시형태에서, 로터는 나사산이 없는 비펌핑 챔버에 의해 분리된 복수의 나사산이 있는 펌핑 단을 갖는다. 각 펌핑 단의 나사산은 로터 인클로저의 유입구로부터 유출구까지 점진적으로 감소하는 유입 체적 이송률을 제공하도록 다른 스크류 프로파일을 가질 수도 있다. 이 배열체는 개선된 동력 효율을 가지고 시즈 없이 높은 가스 대 액체 비의 유체를 펌핑할 수 있다고 한다.
문헌은 또한 펌프가 비압축성 유체를 펌핑할 수 있는 변형예를 알려준다. 비압축성 유체를 수용하기 위해서, 단간 (inter-stage) 챔버 각각은 펌프의 유출구에 연결될 수 있고 압력 리저버에 연결될 수도 있다. 그래서, 과잉 액체는 유출구 또는 압력 리저버로 블리딩될 수 있다. 체크 밸브는 유출구로부터 챔버로 역류를 방지한다. 챔버와 유출구 사이의 연결부는 유체를 유출구로 추진하기 위해서 그 안에 펌프를 가질 수 있다.
GB 2299832 는 US 5779451 에 기술된 배열체와 유사한 배열체를 알려준다. 두 세트의 나사산이 단일 펌프 하우징에서 단일 로터에 제공된다. 펌핑된 유체의 공극 분획물이 영 (zero) 이 될 때마다 발생하는 액체 체적과 압력의 급등을 완화시키도록 두 세트의 나사산 사이에 압력 릴리프 밸브를 구비한 블리드 포트 (bleed port) 가 제공된다. 블리드 유체는 폐기될 수도 있고, 재활용을 위해 섬프로 배수될 수도 있고, 펌프의 유입구로 직접 재순환되거나, 다르게 처리될 수도 있다.
이 개시들 중 어느 것도 전술한 바와 같이 다단 로터리 스크류 펌프에서 불균등한 일 분배의 문제점을 해결하지 못한다.
따라서, 단일 단 로터리 스크류 펌프가 다상 유체를 펌핑하는데 유용한 것으로 많이 알려져 있지만, 펌프의 다양한 단 사이에서 일이 균등하게 분배될 수 없기 때문에 다단 스크류 펌프는 다상 유체를 펌핑하는데 잘 맞지 않다는 점에서 모순이 존재한다.
이런 이유 때문에, 전형적으로 탄화수소 추출에 사용되는 펌프는 각 단의 용적 (volumetric capacity) 을 고정하지 않는 다단 원심 펌프 또는 단일 단을 가지는 용적형 펌프이다. 이 접근법은, 펌프 전체에 걸쳐 각각의 단에서 직면하게 되는 조건에서 펌핑된 유체 체적과 펌프의 행정 체적을 일치시킬 필요성을 회피한다.
하지만, 원심 및 단일 단 펌프는 문제가 없지 않다. 특히 원심 펌프는 높은 퍼센트의 유리 가스를 가지는 유체를 프로세싱할 수 없는데 왜냐하면 가스가 임펠러의 허브 내에 축적되어서 펌프가 프라임을 느슨하게 하고 공동화시키고, 즉 통상적으로 가스 로킹으로서 기술된 조건을 유발하기 때문이다. 단일 단 로터리 스크류 펌프는 깊은 탄화수소 보유 지층으로부터 유체를 펌핑하는데 필요한 높은 압력을 효율적으로 발생시킬 수 없다. 따라서, 지금까지, 대부분의 이중 스크류 다상 펌프는 단지 비교적 낮은 부스트 압력만 요구하는 표면 적용에 사용되었다.
보다 신뢰성있게 효율적으로 다상 유체를 펌핑하는데 사용될 수 있는 펌프 어셈블리에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 펌프는 펌프 유입구, 펌프 유출구, 적어도 2 개의 나사산구비 로터 및 압력 제어식 밸브를 포함하고, 압력 제어식 밸브는 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 유체의 재순환을 제어할 수 있다. 나사산구비 로터는 유체를 펌프 유입구로부터 펌프 유출구로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 다단 펌프 어셈블리는 직렬로 배열된 적어도 2 개의 펌프들을 포함하고, 펌프들 중 적어도 하나는 본 발명의 제 1 양태의 펌프이다.
주어진 펌프에 대해, 압력 제어식 밸브를 통하여 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 유체 (즉, 펌프를 통하여 펌핑된 유체 부분) 를 재순환시킴으로써, 펌프에 걸친 압력 차이가 제어될 수 있다. 식에 따르면:
유압력 = 질량 유량 × 압력 증가 (식 1)
질량 유량이 고정되어 있으므로 (고형 비가요성 맞물림식 로터를 갖는 전형적인 이중 스크류 펌프로 가정), 펌프에 의해 발생된 동력이 결과적으로 제어될 수 있음을 알 수 있다.
펌프가 다단 펌프 어셈블리의 일부인 경우에, 유체를 펌프의 유출구로부터 펌프의 유입구로 재순환시킴으로써 펌프에 의해 발생되는 동력을 제어하는 것은 선행 펌프에 걸친 차압을 증가시킬 수 있다. 따라서, 선행 펌프에 의해 발생된 동력이 결과적으로 증가한다.
따라서, 다단 펌프 어셈블리에서 펌프들 중 일부 또는 전부의 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 유체를 재순환시킴으로써, 다단 펌프 어셈블리에 의해 수행된 일은 펌프에 걸쳐 보다 균등하게 분배될 수 있다.
펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 가압 유체를 재순환시키면 일부 에너지를 희생시키게 되어서, 표면적으로는, 다단 펌프 어셈블리가 덜 효율적인 것처럼 보일 수도 있다. 따라서, 본 발명의 펌프 및 다단 펌프 어셈블리는 퇴보한 것처럼 보일 수도 있다. 하지만, 어셈블리에서 최종 펌프에 과부하를 주지 않고 더 높은 압력이 발생할 수 있으므로, 전술한 대로 유체를 재순환시킴으로써, 개선된 다단 펌프 어셈블리를 만들 수 있음을 발견하였다. 또, 다단 펌프 어셈블리의 신뢰성이 현저히 증가된다. 이것은, 선행 펌프가 다단 펌프 어셈블리에 의해 수행된 전체 일에 더욱 (그리고 가능하다면 유체 조성에 따라 동일하게) 기여하도록 되어 있기 때문인데, 종래에는 선행 펌프는 거의 기여하지 않는다. 따라서, 다단 펌프 어셈블리에서 모든 펌프들 사이에서 일 부담이 나누어진다.
또한, 일과 로딩은 밸브의 압력 설정에 의해 제어되므로 개별 구성요소의 설계는 거기에 가해진 부하에 대해 최적화될 수 있다.
바람직하게, 압력 제어식 밸브는 그것을 통과하는 유체 유량을 제어할 수 있다. 압력 제어식 밸브는 유체의 가스 대 액체 비에 비례하여 유체 유량을 제어하도록 되어있다.
압력 제어식 밸브는 바람직하게 제어 밸브이다. 본 기술분야에 잘 알려진 것처럼, 제어 밸브는, 100% 폐쇄 위치로부터 100% 개방 위치까지 어디에서나 밸브가 개방되는 정도를 조절함으로써 유체 유동을 제어하도록 설계된 밸브이다. 제어 밸브는 밸브의 개도를 점진적으로, 계속해서 조절할 수 있다. 그에 반해서, 격리 밸브 (예로, 머쉬룸, 게이트, 볼 및 플래퍼 밸브) 는 본질적으로 압력 릴리프 밸브로 설계되어서 밸브는 완전히 폐쇄되거나 완전히 개방된다. 완전 개방 위치에서, 격리 밸브는 원하는 레벨로 빠르게 압력을 줄일 수 있는데 그 지점에서 격리 밸브는 완전 폐쇄 위치로 복귀한다. 격리 밸브는 100% 폐쇄 위치와 100% 개방 위치 사이에서 임의의 정도로 밸브 개방을 제어하도록 설계되지는 않는다.
제어 밸브의 예로는 니들 밸브, 슬리브 밸브 및 버터플라이 밸브가 있다. 니들 밸브는 밸브를 폐쇄하기 위해서 테이퍼형/원추형 시트 내부에 안착되어 메이팅되는 테이퍼형/원추형 니들을 갖는다. 니들이 시트로부터 인출됨에 따라, 유동 경로가 개방된다. 니들이 시트로부터 인출됨에 따라 유동 경로의 폭은 증가한다. 슬리브 밸브는 서로에 대해 축선방향으로 움직일 수 있는 2 개의 동심 슬리브를 갖는다. 각각의 슬리브는 개구 (aperture) 를 가지고 개구의 중첩 정도는 슬리브의 상대 축선방향 운동에 의해 달라질 수 있다. 개구 중 하나는 정해진 양의 상대 축선방향 운동에 대해 증가한 개구 중첩 비율을 제공하도록 증가한 폭을 가질 수도 있다.
적합한 슬리브 밸브의 예는 도 3 에 나타나 있다. 외부 슬리브는 직사각형 개구를 갖는다. 내부 슬리브 (파선으로 나타냄) 는 외부 슬리브 안쪽에 안착되고 곡선 개구를 가져서, 도 4 에 나타난 것처럼 유량의 비선형 증가를 유발한다. 다시 말해서, 낮은 유량은 개구의 초기 중첩으로 허용되지만 압력 차이 및 따라서 중첩이 증가함에 따라 유량은 신속하게 증가한다.
제어 밸브는 밸브 채터 (chatter) 를 회피할 수 있고 발생된 펌프 단간 압력의 안정성을 높일 수 있다. 따라서, 제어 밸브를 사용함으로써, 본 발명에 따른 복수의 펌프를 포함하는 다단 펌프 어셈블리는 매우 반응이 빠를 수 있고 평형 상태에 빠르게 도달할 수 있는데 이 상태에서 각각의 밸브는 다양한 펌프들 사이에서 일 분배를 최적화하도록 적절한 정도로 개방된다. 따라서, 정적 상태 (steady state) 는 펌핑되는 유체의 가스 대 액체 비에 대해 달성된다.
슬리브 밸브는, 그것이 자체 세척 (self-cleaning) 될 수 있는 추가 이점을 가지는데, 이것은 모래와 같은 고체 입자를 함유할 수도 있는 정 환경에서 특히 유용할 수 있다.
본 발명의 제 1 양태의 펌프는 펌프 유출구를 펌프 유입구에 연결하는 도관을 추가로 포함할 수도 있다. 재순환된 유체는 도관을 통하여 유동할 수 있다. 압력 제어식 밸브는, 선택적으로 유체가 도관을 통하여 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 유동할 수 있도록 도관과 연관될 수도 있다. 압력 제어식 밸브는 도관 내에 또는 도관의 일 단부 또는 타 단부에 인접하게 전부 또는 부분적으로 위치될 수도 있다.
일 실시형태에서, 다단 펌프 어셈블리에서 적어도 두 번째 및 각각의 후속 펌프는 본 발명의 제 1 양태에 따른 것이다. 이 경우에, 첫 번째 펌프는 본 발명의 제 1 양태에 따른 것일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 첫 번째 펌프는 다단 펌프 어셈블리의 흡입 단부 (즉, 최저 압력측) 에 있는 것으로 간주된다. 따라서, 마지막 펌프는 다단 펌프 어셈블리의 배출 단부 (즉, 최고 압력측) 에 있는 것으로 간주된다.
이러한 다단 펌프 어셈블리는 유리하게도 100% 액체로부터 높은 가스 대 액체 비까지의 다양한 조성을 가지는 유체를 펌핑하는데 사용될 수 있는데, 왜냐하면 액체는 다양한 펌프의 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 재순환되어, 펌프 사이에서 일이 보다 균등하게 분배되도록 할 수 있기 때문이다.
전술한 다단 펌프 어셈블리의 각각의 펌프는 동일한 행정 체적을 갖는다.
대안적으로, 직렬에서의 첫 번째 펌프로부터 마지막 펌프까지 (즉, 다단 펌프 어셈블리의 흡입 단부로부터 배출 단부까지) 각 펌프의 행정 체적을 감소시킬 수 있다. 이 배열체는 또한 '테이퍼형' 펌프 어셈블리로 알려져 있고 전술한 대로 가스를 압축하기 위한 배열체와 유사하다. 직렬을 따른 행정 체적의 감소는, 다단 펌프 어셈블리가 직면할 것으로 예상되는 특정 유체 조성 (즉, 특정 가스 대 액체 비) 에 대해 다단 펌프 어셈블리를 최적 작동으로 맞출 수 있도록 허용한다. 하지만, 전술한 대로 유체를 재순환시키는 밸브를 제공함으로써, 테이퍼형 다단 펌프 어셈블리는 예상되는 특정 조성에서 벗어나는 유체 조성을 또한 효율적으로 처리할 수 있다.
예를 들어, 테이퍼형 다단 펌프 어셈블리는, 직렬에서 적어도 두 번째 및 각각의 후속 펌프를 위해 본 발명의 제 1 양태에 따른 펌프를 제공함으로써 테이퍼가 맞추어지는 가스 대 액체 비보다 큰 가스 대 액체 비에 대해 효과적으로 작동할 수 있다. 직렬에서 첫 번째 펌프는 종래의 로터리 스크류 펌프와 같은 종래의 펌프일 수 있다는 것이 예측된다. 하지만, 그것은 또한 본 발명의 제 1 양태에 따른 펌프일 수도 있다.
다른 실시예에서, 다단 펌프 어셈블리에서 적어도 끝에서 두 번째의 펌프와 각각의 선행 펌프는 본 발명의 제 1 양태에 따른 것이다. 이것은, 직렬에서 첫 번째 펌프에서 마지막 펌프로 행정 체적이 감소되는 경우에 특히 유용하다. 직렬에서 마지막 펌프는 본 발명의 제 1 양태에 따른 것일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 이 실시예에서, 다단 펌프 어셈블리의 행정 체적이 맞추어진 가스 대 액체 비 미만인 가스 대 액체 비가 처리될 수 있다.
본 발명의 제 2 양태의 특히 유용한 실시형태는, 다단 펌프 어셈블리의 모든 펌프들이 본 발명의 제 1 양태에 따른 것이고 직렬에서 첫 번째 펌프에서 마지막 펌프로 각각의 펌프의 행정 체적이 감소된다. 이러한 펌프의 테이퍼는 사용시 접하기 쉬운 유체 조성에 대해 맞추어지고/최적화될 수 있지만, 유체 조성이 변하는 경우에 (영구적으로 또는 단기적으로), 펌프는 또한 보다 높은 가스 대 액체 비와 보다 낮은 가스 대 액체 비 양자를 가지는 유체 조성을 매우 효과적으로 처리할 수 있다.
압력 제어식 밸브는 펌프 유출구와 펌프 유입구 사이의 절대 압력 차이에 응답하는 밸브일 수 있다. 다시 말해서, 펌프 유출구와 펌프 유입구 사이의 절대 압력 차이가 임계 레벨에 도달했을 때 밸브는 유체가 그것을 통하여 유동하도록 허용한다. 밸브를 가동하기 위한 임계 레벨은 다단 펌프 어셈블리의 각각의 펌프에 대해 상이할 수도 있지만 전형적으로 대략 동일하다. 바람직한 실시예에서, 임계 레벨은 다단 펌프 어셈블리에서 펌프의 수 (즉, '단' 의 수) 로 나눈 다단 펌프 어셈블리에 의해 획득될 전체 부스트 압력과 대략 같거나 조금 클 수 있다. 전체 부스트 압력이라는 것은, 다단 펌프 어셈블리 전체에 대한 차압을 의미한다.
다단 펌프 어셈블리에서 각각의 펌프가 이러한 밸브를 포함할 때, 다단 펌프 어셈블리에 의해 달성될 수 있는 전체 펌핑 압력은 반드시 압력 제어식 밸브 전부의 작동에 의해 제어될 것이다. 이것은 직렬에서 첫 번째 펌프로서 종래의 펌프를 사용함으로써 피할 수도 있다. 유체는 제 1 펌프 둘레에서 재순환되지 않으므로, 가스 대 액체 비가 증가함에 따라 첫 번째 펌프는 단지 더 많이 작동할 것이고, 더 큰 전체 펌핑 압력을 얻을 수 있도록 한다.
대안적으로, 압력 제어식 밸브는 펌프 유출구에서 압력과 펌프 유입구에서 압력 사이의 비에 응답하는 밸브일 수 있다. 다시 말해서, 펌프 유출구에서 압력과 펌프 유입구에서 압력 사이의 비가 임계값에 도달할 때 밸브는 유체가 그것을 통하여 유동하도록 허용한다. 이것은 유입면과 유출면을 가지는 피스톤을 포함하는 밸브를 사용해 달성될 수 있다. 사용시, 유입면은 펌프 유입 압력에 노출되고 유출면은 펌프 유출 압력에 노출된다. 유입면의 표면적은 유출면의 표면적보다 크고 유입면의 면적 대 유출면의 면적 사이의 비는 펌프 유출구에서 압력과 펌프 유입구에서 압력 사이의 임계 비를 규정한다. 이러한 배열체로, 다단 펌프 어셈블리에서 펌프 전체에 대한 일의 균등한 분배는 어셈블리에 의해 얻을 수 있는 전체 펌핑 압력을 제한하지 않으면서 달성될 수 있다.
펌프 유출구에서 압력과 펌프 유입구에서 압력 사이의 임계 비는 어셈블리에서 각각의 펌프에 대해 다를 수 있다. 전형적으로, 펌프들 사이에서 일을 균등하게 분배하도록, 다단 펌프 어셈블리에서 펌프에 대한 임계 비는 다단 펌프 어셈블리의 흡입구로부터 다단 펌프 어셈블리의 배출구까지 감소한다.
예를 들어, 4 개의 펌프 단을 가지는 다단 펌프 어셈블리가 고려된다. 흡입 압력 "4P" 에 대해, 단마다 "P" 의 압력 상승을 달성하도록, 단들에 대한 압력 비는, 1.25:1 (제 1 단); 1.2:1 (제 2 단); 1.17:1 (제 3 단); 1.14:1 (제 4 단) 이다 (4P 의 흡입 압력, 5P 의 제 1 펌프로부터 유출 압력, 6P 의 제 2 펌프로부터 유출 압력, 7P 의 제 3 펌프로부터 유출 압력 및 8P 의 제 4 펌프로부터 유출 압력을 기반으로 함).
이 배열체는, 바닥 홀 압력 (즉, 정의 바닥에서 압력) 및 정 생산성이 꽤 정확하게 알려진 경우에 적합할 수 있는데, 왜냐하면 각각의 펌프에 대한 비는 유체 특성 및 절대 펌프 흡입 압력 (결국, 유동 바닥 홀 압력과 관렴됨) 의 함수이기 때문이다.
특히 유용한 실시형태에서, 압력 제어식 밸브는 펌프 단의 유출구와 유입구 사이의 압력 차이 (dP단) 와 전체 다단 펌프 어셈블리의 배출구와 흡입구 사이의 압력 차이 (dP어셈블리) 의 비에 응답하는 밸브일 수 있다. 다시 말해서, dP단 및 dP어셈블리 사이의 비가 임계값에 도달할 때 밸브는 유체가 그것을 통하여 유동하도록 허용한다. 이것은, 사용시 펌프 유입 압력으로 노출되는 유입면, 사용시 펌프 유출 압력으로 노출되는 유출면을 가지는 피스톤, 및 2 개의 챔버를 포함하는 밸브를 사용해 달성될 수 있는데, 2 개의 챔버 중 하나는 다단 펌프 어셈블리의 흡입구와 유체 연통하고 다른 하나는 다단 펌프 어셈블리의 배출구와 연통하여서, 다단 펌프 어셈블리의 흡입 압력 및 배출 압력에 대응하는 챔버 내 압력은 펌프의 유입 압력 및 유출 압력에 각각 대치한다. 유입면 또는 유출면의 표면적 대 챔버들 중 하나의 단면적 비는, 밸브가 유체 유동을 허용하는 임계값을 규정한다.
이러한 배열체로, 바닥 홀 압력이 얼마인지 몰라도 모든 펌프들에 걸쳐 일을 균등하게 분배할 수 있다.
밸브는 액추에이터 및 밸브 요소를 포함할 수도 있고, 밸브 요소는 유체 유동 경로를 제공하는 밸브의 부분이어서, 액추에이터는 밸브 요소를 통과하는 유체 유동을 제어하도록 밸브 요소를 작동할 수 있다. 액추에이터와 밸브 요소는 일체형일 수도 있고 또는 멀리 떨어져 있을 수도 있다. 전술한 실시형태에서 피스톤은 액추에이터의 적어도 부분을 형성할 수도 있다.
펌프 어셈블리가 양 방향으로 작동할 수 있도록 다단 펌프 어셈블리의 밸브는 2 방향 밸브일 수도 있다. 이것은 파이프라인 펌핑, 또는 물 주입과 가스 주입이 교대로 발생하는 향상된 오일 회수 기술인 물 대체 가스 (WAG) 주입 작동에서 유용할 수 있다.
밸브 개방 압력을 민감하게 함으로써, 재순환된 유체의 체적은 계속해서 변경할 수 있기 때문에 밸브는 예상되는 유체 특성에 정확히 일치될 필요는 없다.
바람직하게, 각각의 펌프는 사용시 가스보다는 액체가 압력 제어식 밸브를 우선적으로 통과할 수 있도록 되어 있다. 이런 식으로, 펌프 유출구로부터 펌프 유입구로 재순환된 유체는 주로 또는 전부 액체이고, 반면에 유체에 존재하는 가스 대부분 또는 전부는 직렬에서 다음 펌프 단으로 전달된다. 액체 및 가스의 혼합물과 달리, 재순환된 유체가 액체이라면 하나 이상의 펌프에 의해 이미 가압된 유체를 재순환시킴으로써 초래되는 효율성의 감소가 최소화되는 것을 발견하였다.
우선적으로, 사용시 가스보다는 액체를 밸브로 통과시키는 것은, 중력 하에 액체가 유입되는 리세스에 의하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 리세스는 로터리 스크류가 위치하는 로터 인클로저의 유출구를 유체를 재순환시키기 위한 도관에 연결할 수 있다.
도관은 펌프의 부분으로서 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도관은 몸체를 통하여 또는 펌프의 외부를 따라 연장될 수도 있다. 대안적으로, 도관은 펌프의 유입구 및 유출구와 유체 연통하게 탈착가능하게 연결될 수 있도록 도관은 펌프로부터 분리가능할 수도 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 제 1 로케이션으로부터 제 2 로케이션으로 유체를 펌핑하는 방법은, 직렬로 2 개 이상의 펌프를 가지는 다단 펌프 어셈블리를 제공하는 단계로서, 펌프 중 적어도 하나는 그것의 유출구로부터 그것의 유입구까지 유체를 재순환시키도록 되어있는, 상기 다단 펌프 어셈블리를 제공하는 단계, 제 1 로케이션에 또는 그 가까이에 다단 펌프 어셈블리의 흡입 단부를 위치결정하는 단계, 제 1 로케이션으로부터 제 2 로케이션으로 유체를 펌핑하도록 다단 펌프 어셈블리를 가동하는 단계, 및 상기 적어도 하나의 펌프의 유출구로부터 유입구로 유체를 재순환하는 단계를 포함한다. 유체의 재순환은 유체의 가스 대 액체 비에 비례하여 제어될 수 있다. 펌프는 본 발명의 제 1 양태의 펌프일 수도 있다.
이하, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 기술될 것이다.
도 1 은 다단 이중 스크류 펌프 어셈블리의 개략도이다.
도 2 는 도 1 의 다단 펌프 어셈블리를 형성하는 펌프들 중 하나의 위에서 본 도면이다.
도 3 은 슬리브 밸브의 개략도이다.
도 4 는 도 3 에 나타난 것과 같은 전형적인 슬리브 밸브에 대해 압력 차이에 대한 유량을 보여주는 도표이다.
도 5 는 도 1 에 나타낸 펌프에 사용될 수도 있는 다른 밸브의 개략도이다.
도 6 은 도 1 에 나타낸 펌프에 사용될 수도 있는 또다른 밸브의 개략도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태의 개략도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시형태의 개략도이다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 다단 펌프 어셈블리 (1) 는 도 1 에서 볼 수 있다. 다단 펌프 어셈블리 (1) 는 화살표 "A" 에 의해 표시된 방향으로 다상 유체를 펌핑하기에 적합하다. 이 다단 펌프 어셈블리는 정으로부터 유체를 끌어올리는데 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
다단 펌프 어셈블리 (1) 는 직렬로 4 개의 펌프 (2, 3) 를 포함한다. 직렬에서 제 1 펌프 (2) (다단 펌프 어셈블리의 흡입 단부 (4) 에 있으므로 "첫 번째" 임) 는 본 기술분야에 공지된 바와 같은 종래의 로터리 스크류 펌프이다. 제 2, 제 3 및 제 4 펌프 (3) 는 본 발명의 제 1 양태에 따른 것이다. 제 4 펌프는, 다단 펌프 어셈블리 (1) 의 배출 단부 (5) 에 있으므로 직렬에서 마지막 펌프로 지칭된다.
각각의 펌프 (2, 3) 는 그 특정 펌프의 유입구 (7) 로부터 유출구 (8) 로 유체를 추진하기 위해 로터 챔버 (15) 에 위치한 2 개의 나사산구비 로터 (6) 를 갖는다. 비록 2 개의 로터가 도 1 에 나타나 있지만 (즉, 이중 스크류 배열체), 그 대신 3 개 (삼중 스크류 배열체) 이상과 같은 다른 개수의 로터가 사용될 수 있다. 또, 비록 도 1 (및 이후 도면들) 은 일 방향으로 유체를 추진하는 단일 쌍의 로터를 도시하지만, 각 펌프의 유입구로 유입된 유체가 2 개의 스트림으로 분할되도록 각각의 펌프는 대향한 쌍들의 로터를 포함할 수 있는데, US 6413065 에서 설명한 것처럼, 각각의 스트림은 로터 쌍들 중 하나를 통하여 추진된 후 펌프의 유출구 앞에서 재결합된다.
다단 로터리 스크류 펌프 어셈블리에서, (예컨대 펌프 단들 사이에) 각각의 펌프 단과 연관된 유닛과 같은, 하나 이상의 부가적 유닛을 포함하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 이 유닛은 기어 모듈, 스페이서 유닛, 밀봉 유닛 또는 플레넘 (plenum) 챔버 등을 포함할 수도 있다. 이 예에서, 단일 스페이서 유닛 (9) 은 하나의 펌프로부터 다음 펌프로 추진물을 옮기는 각각의 펌프 사이에 도시되어 있고, 기어 모듈 (10) 은 다단 펌프 어셈블리의 배출 단부 (5) 에 위치한다. 상세히 나타나 있지는 않지만, 스페이서 유닛 (9) 과 기어 모듈 (10) 은 물론 그것을 관통하는 도관 (16) 을 가져서 하나의 펌프로부터 다음 펌프로 유체의 통과를 허용한다. 하지만, 로터리 스크류 펌프의 성질에 따라 펌프 단 사이에 임의의 유닛을 제공할 필요가 없을 수도 있다. 로터리 스크류 펌프의 정확한 설계 및 임의의 연관된 유닛이 요구되는지 여부는 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이고 본 발명의 주제가 아니다.
본 발명에 따른 각각의 펌프는 펌프 유입구 (7) 및 펌프 유출구 (8) 와 유체 연통하는 도관 (11) 을 포함한다. 구체적으로, 도관 (11) 의 일 단부 (12) 는 펌프 유입구 (7) 로 개방되고, 도관 (11) 의 타 단부 (13) 는 펌프 유출구 (8) 로 개방된다. 도 1, 및 도 2 에 나타낸 상면도에 도시된 대로, 펌프의 단부면에서 채널 (17) 은 펌프 유입구 (7) 와 펌프 유출구 (8) 를 도관 (11) 에 연결한다.
비록 압력 제어식 밸브 (14) 가 실제로 도관 (11) 의 어느 한쪽 단부 (12, 13) 에 위치하거나 또는 이 단부에 인접하게 위치될 수 있을지라도, 압력 제어식 밸브 (14) 는 도관 (11) 내에 위치된다. 이상적으로, 그리고 도시된 대로, 사용시와 같이, 다단 펌프 어셈블리 (1) 가 수직으로 배열될 때 밸브 (14) 로의 입구는 펌프 유출구 (8) 아래에 배열된다.
밸브 (14) 는 도 3 에 나타난 것처럼 슬리브 밸브이다. 슬리브 밸브는 외부 슬리브 (18), 및 외부 슬리브 (18) 내에 동축으로 위치된 내부 슬리브 (19) 를 포함한다. 외부 슬리브 (18) 는 그것을 관통하는 직사각형 (슬리브의 곡률 효과 무시) 개구 (20) 를 갖도록 형성된다. 내부 슬리브 (19) 는 또한 곡선 가장자리 (22) 를 가지는 개구 (21) 를 갖도록 형성된다. 본 기술분야에 공지된 대로, 스프링 (미도시) 은, 스프링에 걸쳐 충분한 압력 차이가 부존재하는 경우에, 폐쇄 위치로 밸브를 편향시킨다.
밸브 (14) 에 걸쳐 압력이 증가함에 따라, 내부 슬리브 (19) 는 외부 슬리브 (18) 안으로 더욱 이동하고, 개구 (20, 21) 는 더 많이 중첩된다. 슬리브의 증가된 중첩으로 더 많은 유체 체적이 밸브를 통하여 유동할 수 있다. 밸브 전체에 걸친 압력 차이 (dP) 와 비교되는 체적 유량 (V) 은 도 4 에 나타나 있다.
사용시, 다단 펌프 어셈블리가 정에 설치되기 전, 다단 펌프 어셈블리에 의해 얻어지는 전체 압력 증가는 압력 제어식 밸브 (14) 의 임계 압력을 얻기 위해서 직렬에서 펌프의 개수로 나누어진다. 그 후, 밸브의 임계 압력은 이 값으로 설정된다. 대안적으로, 임계 압력은 계산된 값보다 약간 높게 설정된다. 예를 들어, 4 개의 펌프 단을 포함하는 이 다단 펌프 어셈블리에 대해 요구되는 압력 증가가 2000 psi (13.8 ㎫) 이라면, 각각의 압력 제어식 밸브 (14) 에 대한 임계 압력은 550 psi (3.79 ㎫) (즉, 2000/4 보다 약간 높음) 로 설정될 수 있다. 그 후, 펌프가 정에 설치될 수 있다.
정에서 유체가 모두 액체인 상황에서, 펌프는 종래의 이중 스크류 다단 펌프 어셈블리처럼 작동한다. 구체적으로, 액체는 각각의 단에서 동일하게 가압되어서, 각각의 펌프 단에 걸친 압력 차이는 약 500 psi (3.45 ㎫) 이다. 따라서, 밸브는 개방되지 않는다.
하지만, 유체가 가스를 포함하는 경우에, 직렬에서 마지막 펌프는 다른 펌프들보다 더 많은 일을 수행하기 시작하고, 그 펌프에 걸친 압력 차이가 증가한다. 마지막 펌프에 걸친 압력 차이가 압력 제어식 밸브 (14) 의 임계 압력보다 크면, 밸브 (14) 는 개방될 것이고, 유체, 주로 액체는, 펌프의 유출구 (8) 로부터 도관 (11) 을 통하여 마지막 펌프의 유입구 (7) 까지 재순환될 것이다.
마지막 펌프의 유입구로 액체를 다시 재순환시킴으로써, 제 3 펌프에 걸친 압력 차이가 증가된다. 제 3 펌프의 유량은 변하지 않으므로, 이것은 제 3 펌프 어셈블리가 더 많이 일하게 된다는 (증가된 동력) 것을 의미함을 위의 식 1 로부터 알 수 있다. 부가적으로, 제 3 펌프에 걸친 압력 차이의 증가는 제 3 펌프의 밸브가 개방되도록 하여서, 액체가 제 3 펌프의 유입구로 다시 재순환되도록 허용한다.
결국, 제 2 펌프의 밸브가 개방되어 제 2 펌프의 유입구로 액체를 재순환시키도록 된다.
결과적으로, 제 3, 제 2 및 제 1 펌프 각각은 더 많이 일하게 되고, 다단 펌프 어셈블리에 의해 얻은 압력 부스트에 더 효과적으로 기여한다.
제 1 펌프 (2) 에 걸친 압력 차이가 또한 증가할 것이라는 점이 이해될 것이다. 하지만, 이 실시형태에서, 제 1 펌프 (2) 는 종래의 이중 스크류 펌프이므로, 펌프는 단지 더 많이 일하게 될 것이다.
실제로, 마지막, 제 3 및 제 2 펌프 (3) 각각의 밸브 (14) 는 상이한 정도로 차례로 빠르게 개방되어서 펌프를 가로질러 또는 펌프 주위에서 액체가 재순환할 수 있도록 하여서 평형 압력 분배를 설정한다. 시간이 경과함에 따라 가스 대 액체 비가 증가하면, 펌프들 (3) 사이의 요구되는 체적 차이가 증가하여 밸브 (14) 가 더 개방되도록 하고, 따라서 더 많은 체적의 액체가 재순환될 수 있다 (도 2 참조).
따라서, 본 발명의 펌프 어셈블리는 어셈블리에서 각각의 펌프에 의해 수행된 일을 균등하게 분배하도록 밸브의 개방을 자동으로 조절하는 것을 알 수 있다. 또한, 펌프 어셈블리는 펌핑되는 유체 조성의 변화에 자동으로 그리고 연속적으로 응답한다.
다른 실시형태에서, 직렬에서 제 1 펌프는 또한 본 발명의 제 1 양태에 따른 것일 수 있다. 이 경우에, 액체는 제 1 펌프의 유출구로부터 유입구로 재순환될 수 있어서, 제 1 펌프에 걸친 압력 차이를 제어하고, 따라서 제 1 펌프에 의해 수행되는 일을 제어한다. 이것은 제 1 펌프의 긴 수명을 보장하면서, 다단 펌프 어셈블리가 달성할 수 있는 최대 동력을 제어할 것이다.
도 5 는 본 발명에서 사용될 수도 있는 다른 밸브를 도시한다. 도 5 의 밸브 (14) 는 유입면 (24) 과 유출면 (25) 을 가지는 피스톤 (23) 을 포함한다. 유입면 (24) 은 사용시에 펌프 유입 압력에 노출되는 면이고, 유출면 (25) 은 사용시에 펌프 유출 압력에 노출되는 면이다. 유입면 (24) 의 표면적은 유출면 (25) 의 표면적보다 크다. 통로 (26) 는 밸브를 통하여 유체 유동을 허용하도록 피스톤을 통하여 연장된다. 통로 (26) 의 출구 (27) 는, 도 2 의 개구 (21) 와 유사하게, 가변 유체 유량을 허용하도록 형성될 수 있다.
도 5 에서의 피스톤 (23) 은 통로 (26) 의 개방을 제어하는 액추에이터로서 역할한다는 것을 이해할 것이다. 통로는 피스톤을 통하여 연장되므로, 액추에이터는 유체 유동 경로를 제공하는 밸브의 부분 (밸브 요소) 과 일체형이다. 하지만, 액추에이터는, 여전히 밸브의 부분을 작동 및 제어하면서, 유체 유동 경로를 제공하는 밸브의 부분으로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다.
압력 제어식 밸브 (14) 는 (피스톤의 유출면 (25) 에 작용하는) 펌프 유출구에서의 압력과 (피스톤의 유입면 (24) 에 작용하는) 펌프 유입구에서의 압력 사이의 비에 응답한다. 펌프 유출구에서의 압력과 펌프 유입구에서의 압력 사이의 비가 임계값에 도달했을 때, 밸브는 유체가 관통 유동하도록 허용한다. 임계값은 유입면 (24) 의 표면적 대 유출면 (25) 의 표면적 사이의 비에 대응한다.
유입면 (24) 의 표면적 대 유출면 (25) 의 표면적 사이의 비는 직렬에서 제 1 펌프로부터 마지막 펌프로 갈수록 감소하여서, 대략 동일한 압력이 각각의 펌프 단에 의해 부가될 수 있다. 예를 들어, 각각의 펌프 단이 약 500 psi (3.45 ㎫) 만큼 유체 압력을 증가시켜야 하는 것이 바람직하고 바닥 홀 압력이 약 750 psi (5.17 ㎫) 인 것으로 고려된다면, 제 1 펌프 단의 경우 유입면 (24) 의 표면적 대 유출면 (25) 의 표면적 사이의 비는 약 1.67 이고; 제 2 펌프 단의 경우 상기 비는 약 1.4 이고; 제 3 펌프 단의 경우 상기 비는 약 1.29 이고; 마지막 펌프 단의 경우 상기 비는 약 1.22 이다.
이 유형의 밸브를 사용하면, 각각의 펌프가 도 2 에 도시된 유형의 밸브를 포함할 때 다단 펌프 어셈블리에 의해 얻을 수 있는 전체 펌핑 압력은 전술한 방식으로 제한되지 않는다.
본 발명에서 사용될 수 있는 밸브 (14) 의 또 다른 예가 도 6 에 도시된다. 이 밸브는 단부면 (29) 을 가지는 피스톤 (28), 샤프트 (30) 및 2 개의 챔버 (31, 32) 를 포함한다. 챔버 중 하나 (31) 는 다단 펌프 어셈블리 (1) 의 흡입구 (4) 와 유체 연통하고, 다른 챔버 (32) 는 다단 펌프 어셈블리 (1) 의 배출구 (5) 와 연통한다. 밸브 측벽을 관통하는 포트 (34) 는 챔버 (31, 32) 가 다단 펌프 어셈블리 (1) 의 흡입구 (4) 및 배출구 (5) 와 유체 연통할 수 있게 한다.
도 6 으로부터, 챔버 (31, 32) 가 피스톤 (28) 의 샤프트 (30) 둘레에서 고리형 형상으로 되어 있음을 이해할 수 있다. 또한, 다단 펌프 어셈블리의 흡입 압력에 대응하는 챔버 (31) 내의 압력은 펌프 단의 유입 압력에 대치하는 것을 이해할 것이다. 유사하게, 다단 펌프 어셈블리의 배출 압력에 대응하는 챔버 (32) 내 압력은 펌프 단의 유출 압력에 대치한다.
도 5 에 나타낸 밸브에서처럼, 밸브는 대안적으로 피스톤이 유체 유동 경로로부터 멀리 떨어져 있도록 구성될 수도 있다.
피스톤의 단부면 (29) 의 표면적 대 챔버 (31, 32) 의 단면적 비는 임계 비를 규정한다. 펌프 단의 유출구 및 유입구 사이의 압력 차이 (dP단) 와 전체 다단 펌프 어셈블리의 배출구 및 흡입구 사이의 압력 차이 (dP어셈블리) 의 비가 임계 비에 도달했을 때, 밸브는 밸브를 통한 유체 유동을 허용할 것이다.
"n" 개의 펌프를 포함하는 다단 펌프 어셈블리에 대한 비를 설정하도록, 단부면 (29) 의 표면적 대 챔버 (31, 32) 의 단면적 비는 n : 1 이다. 따라서, 4 개의 펌프 단을 가지는 도 1 에 나타낸 것과 같은 다단 펌프 어셈블리에서, 피스톤 (28) 의 단부면 (29) 의 표면적은 챔버 (31, 32) 단면적의 약 4 배이어야 한다.
주어진 피스톤 단부면 (29) 표면적을 갖는 밸브에 대해, 단부면 (29) 표면적과 챔버 (31, 32) 단면적 사이의 비는 피스톤 샤프트 (30) 의 직경을 변경함으로써 변경될 수 있다.
이러한 배열체로, 바닥 홀 압력이 얼마인지 몰라도 모든 펌프들에 걸쳐 일을 분배할 수 있다. 비록 챔버 (31, 32) 는 고리형으로 설명되었고, 이것이 유리하지만, 다른 형상의 챔버들이 또한 사용될 수도 있다. 챔버 (31, 32) 의 기능은, 개별 펌프에 걸친 압력 차이 대 전체로서 다중 펌프 어셈블리의 압력 차이의 비를 기반으로 도 6 의 밸브가 작동될 수 있도록 하는 것이다. 예를 들어, 직렬로 배열된 복수의 개별 펌프를 포함하는 다단 펌프 어셈블리에서, 개별 펌프의 유입구는, 개별 펌프의 유출구로부터 그것의 유입구까지 유체의 재순환이 가능하도록 배열된 유체 바이패스에 의해, 그 개별 펌프의 유출구에 커플링될 수도 있다. 전형적으로, 유체 바이패스는 개별 펌프에 걸친 압력 강하, 예컨대 개별 펌프의 유출구와 그것의 유입구 사이의 압력 차이를 기반으로 재순환을 제어하도록 구성된 제어 밸브를 포함한다. 제어 밸브는 또한 다단 펌프의 유입구와 다단 펌프의 유출구 사이의 압력을 기반으로 제어될 수도 있다. 이것은, 예를 들어 제어 밸브가 개별 펌프에 걸친 압력 강하 대 다단 펌프 어셈블리에 걸친 압력 강하의 비를 기반으로 개별 펌프의 유체 바이패스를 통하여 재순환을 제어할 수 있도록 한다. 이것은, 다단 펌프 어셈블리의 유출구/유입구로부터 제어 밸브로 유체 커플링을 제공함으로써 또는 다른 수단에 의해, 예를 들어 제어 밸브의 전자 제어에 의해 전술한 대로 달성될 수도 있다.
도 7 은 도 1 에 나타낸 것과 유사한 다단 이중 스크류 펌프 어셈블리의 다른 실시예를 나타내고, 유사한 도면부호는 유사한 부품을 지칭한다. 도 7 에 나타낸 다단 이중 스크류 펌프 어셈블리는 4 개의 펌프로 구성된다. 각각의 펌프는 종래의 이중 스크류 펌프 (2) 이다. 제 2, 제 3 및 제 4 펌프는 각각 유입구 어댑터 (40) 및 유출구 어댑터 (41) 를 더 포함하는데, 이들 어댑터는 파이프와 같은 도관 (42) 을 통하여 서로 연결된다. 도관 (42) 은 종래의 이중 스크류 펌프 (2) 의 외부에 있다는 것을 알 수 있다. 압력 제어식 밸브 (14) 는, 비록 그것이 또한 도관 (42) 으로의 유입구 또는 유출구에 위치될 수 있지만, 각각의 도관 (42) 내에 위치된다.
따라서, 종래의 이중 스크류 펌프가 본 발명에 따른 펌프를 만드는데 사용될 수 있음을 알 수 있다.
유입구/유출구 어댑터 (40, 41) 는, 종래의 이중 스크류 펌프의 유입구/유출구 (7, 8) 에 연결될 수 있고 또한 유체를 함유하기 위한 챔버를 가지는 유닛이다. 유체는 그것이 직렬에서 다음 펌프 어셈블리로 전달될 수 있도록 종래의 펌프 (2) 의 유출구로부터 인접한 유출구 어댑터 (41) 로 배출된다. 본 발명에 따르면, 종래의 이중 스크류 펌프 (2) 에 걸친 압력이 밸브를 개방시키도록 할 때 유체 일부가 유입구 어댑터 (40) 로 재순환될 수 있다. 밸브는 전술한 임의의 밸브일 수 있다. 챔버가 소형 분리 탱크로서 역할할 수 있도록 도관 (42) 은 바닥 가까이에서 각각의 유출구 어댑터 (41) 안쪽에서 챔버에 연결되어서, 액체가 우선적으로 유입구 어댑터 (40) 로 재순환될 수 있게 한다.
이런 식으로, 다단 펌프 어셈블리는 종래의 로터리 스크류 펌프를 사용해 구성될 수 있다.
도 8 은, 종래의 로터리 스크류 펌프가 본 발명에 따른 펌프 및 다단 펌프 어셈블리를 형성하는데 사용되는 본 발명의 다른 실시형태를 나타낸다. 다시, 유사한 도면 부호는 유사한 부품을 지칭한다.
이 실시형태에서, 제 2, 제 3 및 제 4 종래의 펌프의 유입구 및 유출구에 인접하여 유입구 및 유출구 어댑터를 종래의 펌프에 제공하기보다는, 단지 유출구 어댑터 (45) 만 제공된다. 유체가 유출구 어댑터 내에서 펌프로부터 챔버로 이송되도록, 유출구 어댑터 (45) 는 종래의 이중 스크류 펌프 (2) 각각의 유출구 (8) 에 커플링된다.
각각의 유출구 어댑터 (45) 는 도관 (46) 을 통하여 인접한 펌프 어셈블리의 유출구 어댑터 (45) 에 또한 연결된다. 도 8 에서 알 수 있듯이, 도관 (46) 은 각각의 유출구 어댑터 (45) 를 위한 연결 지점 (47) 을 갖는 단일 도관이다. 압력 제어식 밸브 (14) 는 각각의 연결 지점을 분리하기 위해서 도관 (46) 내에 위치결정된다.
펌핑되는 유체가 100% 액체인 경우에, 밸브 (14) 는 폐쇄된 채로 유지된다.
하지만, 도 1 에 대해 전술한 제 1 실시예에서처럼, 가스가 유체에 존재한다면, 마지막 펌프에 걸친 압력 차이가 증가하여서, 제 4 및 제 3 펌프 어셈블리의 유출구 어댑터들 (45) 사이에 위치한 밸브 (14) 가 개방되게 한다. 유체는 마지막 펌프 어셈블리의 유출구 어댑터 (45) 로부터 도관 (46) 내로 유동할 것이다. 제 3 펌프 어셈블리의 유출구 어댑터 (45) 가 제 4 펌프 어셈블리의 유입구와 유체 연통하므로, 유출구 어댑터에서 압력은 도관 (46) 에서 재순환되는 유체의 압력보다 더 낮아서, 유체는 제 3 펌프 어셈블리의 유출구 어댑터 내로 유입될 것이다.
결국, 직렬에서 제 3 펌프에 걸친 압력 차이가 증가하고, 해당 밸브가 액체를 재순환시키도록 개방되고, 제 2 및 제 1 펌프의 경우도 마찬가지이다. 실제로, 밸브들은 거의 즉시 개방되어 평형에 도달한다.
유출구 어댑터 (45), 밸브 (14) 및 도관 (46) 의 이 배열체가 본 발명에 따른 펌프 및 다단 펌프 어셈블리를 형성하도록 종래의 이중 스크류 펌프와 함께 사용될 수 있음을 이해할 수 있다.
대안적인 배열체에서, 도관 (46) 은 단일 도관이 아닐 수도 있다. 그 대신에, 인접한 유출구 어댑터 (45) 를 연결하는 개별 도관이 있을 수도 있다. 그 경우에, 제 2 및 제 3 펌프 어셈블리의 유출구에 연결된 유출구 어댑터는 거기에 연결된 2 개의 도관을 각각 가지는데; 하나의 도관은 가압 유체를 유출구 어댑터로 공급하고 다른 하나의 도관은 재순환을 위해 유체를 가져간다.
도 9 는 테이퍼형인 다단 이중 스크류 펌프 어셈블리를 나타낸다. 펌프 어셈블리는 흡입 단부 (4) 로부터 배출 단부 (5) 까지 감소하는 행정 체적을 갖는 4 개의 펌프를 포함한다. 감소하는 행정 체적은 본 기술분야에 잘 알려진 대로 달성될 수도 있다. 예를 들어, 로터에서의 나사산의 피치가 흡입 단부로부터 배출 단부까지 감소할 수도 있다.
각각의 펌프는, 각 펌프의 유출구로부터 유입구까지 유체의 재순환을 선택적으로 허용하도록 도관 (11) 및 압력 제어식 밸브 (14) 를 갖는다는 점에서, 본 발명의 제 1 양태에 따라 구성된다. 따라서, 이 펌프들은 테이퍼형 펌프 어셈블리를 형성한다는 점을 제외하고는 도 1 에 대해 위에서 설명한 펌프들과 유사하다. 따라서, 유사한 도면 부호는 유사한 부품을 나타낸다.
사용시, 테이퍼형 펌프는 특정한 가스 대 액체 비를 위해 특별히 설계될 수 있음이 업계에 잘 알려져 있다. 따라서, 다단 펌프가 미리 정의된 가스 대 액체 비를 처리할 수 있도록 4 개 펌프 각각의 행정 체적은 당업자에게 공지된 대로 선택된다. 사용시, 직면하게 되는 유체의 가스 대 액체 비가 미리 정의된 비 초과로 증가한다면, 펌프는 도 1 을 참조하여 전술한 바와 동일한 방식으로 작동한다. 구체적으로, 밸브는 개방되고 유체를 각각의 펌프 유입구로 재순환시킨다.
가스 대 액체 비가 미리 정의된 비 미만으로 감소하면, 제 1 펌프는 너무 많은 유체를 제 2 펌프로 이송하고, 제 2 펌프는 너무 많은 유체를 제 3 어셈블리 등에 이송한다. 따라서, 펌프에 걸친 압력 차이가 증가하여서, 밸브들이 개방되고 각각의 유출구로부터 각각의 유입구로 액체를 재순환시킨다. 하지만, 전술한 바에 반해, 이 상황에서, 제 1 펌프의 밸브가 먼저 반응하고, 뒤이어 후속 펌프들의 밸브들이 반응한다. 다시, 그렇지만, 밸브들의 연속 개방은 실제로 비교적 빠르다.
이 실시형태가 유용할 수 있는 일례가, 무거운 "킬 유체" (주로 액체) 를 정에 주입함으로써 정이 킬링된 (killed) 경우이다. 정은 특정한 가스 대 액체 비로 유체를 전형적으로 생산하는 것으로 알려져 있을 수도 있다. 본 발명에 따른 테이퍼형 다단 펌프 어셈블리는 그 가스 대 액체 비에 맞추어질 수 있다. 비록 펌프는 정 유체 (well fluid) 의 정상 조성 (normal composition) 에 대해 최적화되었을지라도, 유체가 전술한 대로 재순환될 수 있으므로, 정을 다시 작동 상태로 두고자 할 때 정 밖으로 무거운 킬 유체를 펌핑하는 것도 또한 가능하다. 구체적으로, 킬 유체를 펌핑하여 배출하는 기간 동안, 가스 대 액체 비는, 펌프가 맞추어진 비보다 더 낮다. 너무 많은 유체가 후속 펌프들로 이송된다. 액체는 처음에 제 1 펌프의 유출구로부터 유입구로 재순환된 후, 직렬에서 후속 펌프들의 유출구로부터 유입구로 재순환될 것이다.
전술한 대로 테이퍼형 펌프는 매우 다양한 가스 대 액체 비를 효율적으로 펌핑할 수 있음을 알 수 있다.
실시형태들 중 하나를 참조하여 전술한 특징들이 다른 실시형태들과 함께 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 또, 변형예들은 당업자에게 자명할 것이고, 예를 들어 도 9 에 나타낸 테이퍼형 펌프는, 테이퍼형 펌프가 설계된 가스 대 액체 비보다 각각 더 많거나 또는 더 적은 가스를 처리하도록, 본 발명의 펌프 대신에 첫 번째 또는 마지막 단에 종래의 이중 스크류 펌프를 포함할 수도 있다. 또, 펌프 어셈블리의 임의의 실시형태에서 임의의 전술한 밸브가 사용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 펌프로서,
    펌프 유입구, 펌프 유출구, 적어도 2 개의 나사산구비 로터들 및 압력 제어식 (pressure controlled) 밸브를 포함하고,
    상기 압력 제어식 밸브는 상기 펌프 유출구로부터 상기 펌프 유입구까지의 유체의 재순환을 제어할 수 있는, 펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 제어식 밸브는, 사용시 상기 펌프에 의해 펌핑되는 유체의 가스 대 액체 비에 비례하여 상기 밸브를 통한 유체 유량을 제어하도록 되어있는, 펌프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 압력 제어식 밸브는 제어 밸브인, 펌프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펌프 유출구를 상기 펌프 유입구에 연결하고 사용시에 재순환된 유체를 관류시킬 수 있는 도관을 더 포함하는, 펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압력 제어식 밸브는 상기 도관 내에 또는 상기 도관의 일 단부 또는 타 단부에 인접하게 전부 또는 부분적으로 위치하는, 펌프.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    사용시에, 상기 나사산구비 로터들이 내부에 위치되는 인클로저 (enclosure) 로부터 상기 도관까지 가스보다는 액체가 우선적으로 유동할 수 있도록 상기 펌프 유출구에 리세스를 더 포함하는, 펌프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 제어식 밸브는, 상기 펌프 유출구와 상기 펌프 유입구 사이의 절대 압력 차이가 임계 레벨에 도달하는 때 상기 밸브가 유체의 관류를 허용하도록 상기 펌프 유출구와 상기 펌프 유입구 사이의 절대 압력 차이에 응답하는 밸브인, 펌프.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 제어식 밸브는 상기 펌프 유출구에서의 압력과 상기 펌프 유입구에서의 압력 사이의 비에 응답하는 밸브여서, 상기 펌프 유출구에서의 압력과 상기 펌프 유입구에서의 압력 사이의 비가 임계값에 도달하는 때, 상기 밸브는 유체의 관류를 허용하는, 펌프.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 밸브는 유입면과 유출면을 가지는 피스톤을 포함하고, 상기 유입면의 표면적은 상기 유출면의 표면적보다 더 크고, 상기 유입면의 표면적과 상기 유출면의 표면적 사이의 비는 상기 펌프 유출구에서의 압력과 상기 펌프 유입구에서의 압력 사이의 임계 비를 규정하는, 펌프.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 제어식 밸브는, 상기 펌프의 상기 유출구와 상기 유입구 사이의 압력 차이 (dP단) 와, 사용시에 상기 밸브와 연통하는 제 1 압력과 제 2 압력 사이의 압력 차이 (dP어셈블리) 사이의 비에 응답하는 밸브여서, 상기 압력 차이 (dP단) 와 상기 압력 차이 (dP어셈블리) 사이의 상기 비가 임계값에 도달하는 때, 상기 밸브는 유체의 관류를 허용하는, 펌프.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브는 단부면들을 가지는 피스톤 및 2 개의 챔버들을 포함하고, 상기 2 개의 챔버들 중, 하나의 챔버는 제 2 압력 상태에 있는 다단 펌프 어셈블리의 흡입구와 유체 연통하도록 되어 있고 다른 챔버는 제 1 압력 상태에 있는 상기 다단 펌프 어셈블리의 배출구와 유체 연통하도록 되어 있어서, 사용시, 상기 다단 펌프 어셈블리의 흡입 압력 및 배출 압력에 해당하는 상기 챔버들 내의 압력들은 상기 펌프의 유입 압력 및 유출 압력에 각각 대치하고,
    상기 단부면들의 표면적 대 상기 챔버들의 단면적의 비는, 상기 밸브가 유체 유동을 허용하는 임계 비를 규정하는, 펌프.
  12. 직렬로 배열된 적어도 2 개의 펌프들을 포함하는 다단 펌프 어셈블리로서,
    상기 펌프들 중 적어도 하나는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 펌프인, 다단 펌프 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 펌프는 동일한 행정 체적 (swept volume) 을 가지는, 다단 펌프 어셈블리.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 직렬에서의 첫 번째 펌프로부터 마지막 펌프까지 각각의 펌프의 행정 체적이 감소하는, 다단 펌프 어셈블리.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 번째 및 각각의 후속 펌프는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 펌프인, 다단 펌프 어셈블리.
  16. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 끝에서 두 번째 및 각각의 선행 펌프는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 펌프인, 다단 펌프 어셈블리.
  17. 제 1 로케이션으로부터 제 2 로케이션으로 유체를 펌핑하는 방법으로서,
    직렬로 2 개 이상의 펌프들을 가지는 다단 펌프 어셈블리를 제공하는 단계로서, 상기 펌프들 중 적어도 하나는 그의 유출구로부터 그의 유입구까지 유체를 재순환시키도록 되어 있는, 상기 다단 펌프 어셈블리를 제공하는 단계;
    상기 제 1 로케이션에 또는 상기 제 1 로케이션 가까이에 상기 다단 펌프 어셈블리의 흡입 단부를 위치결정하는 단계;
    상기 제 1 로케이션으로부터 상기 제 2 로케이션으로 상기 유체를 펌핑하도록 상기 다단 펌프 어셈블리를 작동시키는 단계; 및
    적어도 하나의 상기 펌프의 유출구로부터 유입구까지 유체를 재순환시키는 단계를 포함하는, 유체를 펌핑하는 방법.
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