NO20101569A1 - Ringmotorpumpe - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en rotordynamisk, sentrifugalpumpe ved bruk innen pumping av hydrokarboner og vann i nedihulls applikasjon.

Det er tidligere kjent sentrifugalpumper for bruk i nedihulls applikasjoner. Disse pumpene benytter et såkalt flerstegsprinsipp, hvor pumpen består av flere vertikalanordnede steg. Ett steg består i hovedsak av en impeller og en diffusor. Impelleren er festet til en felles aksling som går gjennom samtlige steg, og denne akslingen er drevet av en elektromotor. Et eksempel av denne teknikken er "ESP pumper" (Electrical Submersible Pump) som eksisterer på markedet idag. Grunnen til flere steg benyttes er at et steg har begrenset evne til å levere trykk økning. For å oppnå nok trykk må pumper av denne typen bruke flere steg, koblet i serie, ovenpå hverandre.

Det er imidlertid ulemper ved eksisterende flerstegspumper, som for eksempel er alle steg drevet av én motor slik at hele pumpen stopper hvis motoren stanser. I tillegg blir de eksisterende konstruksjonene lange da motoren er montert under pumpestegene. Detter er et problem ved deviasjon i brønner. Dagens pumper sliter i tillegg med levetid i lager og slitasje grunnet kavitasjon.

Produksjon av hydrokarboner, og for så vidt også vann til bruk ved utvinning av hydrokarboner og til andre formål, foregår fra reservoarer som ligger nede i bergarter under jordens overflate. Den vertikale avstanden fra overflaten og ned til disse reservoarene kan variere fra noen hundre meter ned til flere tusen meter. Selve produksjonen foregår enten ved bruk av kunstig løft eller ved at reservoarvæskene, som kan inneholde løst eller fri gass, strømmer til overflaten gjennom et borehull/brønn fordi trykket i reservoaret er høyere enn på overflaten. Kunstig løft er en felles betegnelse for ulike metoder og teknikker som kan benyttes til denne produksjonen. Denne oppfinnelsen omfatter utstyr for å forbedre løfting av hydrokarboner (med eller uten gass) og /eller vann til overflaten. Valg av metode for kunstig løft gjøres på bakgrunn av forhold i reservoarene, oljens beskaffenhet, borehullets/brønnens dyp og bane. I tillegg vektlegges feltets beliggenhet (onshore eller offshore) og områdets infrastruktur, slik som tilgang på elektrisk kraft og gass på selve lokasjonen. Ut fra disse parameterne kan feltoperatøren ved hjelp av oppfinnelsen konstruere et anlegg som gir best mulig total økonomi basert på reservoarets produksjonsegenskaper, investering i utstyr og driftskostnader.

På onshore felt med forholdsvis grunne reservoar og med noenlunde vertikale brønnbaner velges ofte et system som kalles nikkepumpe (sucker rod pump). Her står selve drivverket på overflaten, koblet til en pumpeenhet nede i brønnen via en pumpestang. Utfordringene ved dette systemet er et forholdsvis stort drivverk som plasseres over og nær brønnhodet, friksjon mellom pumpestang og rørveggen i brønnen, produksjon av sand fra reservoaret samt en systemvirkningsgrad på 0,4. Der er også begrensninger på hvor dypt denne type pumpesystem kan stå ut fra material/styrke begrensning på pumpestangen. Systemene har begrenset løftekapasitet, og brukes derfor ved lavere produksjonsrater. Systemets design i seg selv sammen med driftsforhold slik som sandproduksjon, gjør at de har hyppige driftsavbrudd. I tillegg til å øke de direkte driftskostnadene, fører dette til kostnader forbundet med utsatt produksjon. Slaglengden på selve pumpeenheten i en nikkepumpe er på to til tre meter, og frekvensen er fra ett til ti slag per minutt. I patent US 5,179,306 er det beskrevet et prinsipp hvor pumpeenheten i en nikkepumpe er drevet av en dobbeltvirkende DC lineær motor som er plassert nede i brønnen sammen med pumpeenheten, dette for å unngå utfordringene med selve pumpestangen.

ESPCP og PCP er også systemer som benyttes til kunstigløft. I prinsippet er dette to like pumper med den forskjell at ESPCP (Electrical Submersible Progressive Cavity Pump) er drevet av en elektromotor som står nede i brønnen, mens PCP (Progressive Cavity Pump) er drevet av en motor som står på overflaten. Kraften til en PCP overføres fra overflaten til pumpen nede i brønnen via pumpestang, på samme måte som for en nikkepumpe. Pumpeprinsippet som benyttes i disse pumpene er det som ofte betegnes som skruepumpe ved at en rotor beveger seg sirkulært inne i et spesiallaget pumpehus. ESPCP kan benyttes både på offshore og onshore installasjoner, mens PCP benyttes kun på onshore felt. Denne type pumper regnes for å være godt egnet til produksjon av tunge (viskøse) oljer, og de regnes generelt for å ha en virkningsgard som er bedre enn ESP som beskrives i neste avsnitt.

Electrical Submersible Pump (ESP) er en pumpetype som er mye benyttet til kunstigløft både på onshore og offshore installasjoner. Pumpen monteres ned mot bunnen av brønnen som en integrert del av produksjonsrøret, det betyr at dersom den feiler så må hele produksjonsrøret trekkes ut av brønnen. Selve pumpen består i hovedsak av enn elektromotor i bunnen, ut fra denne går det en aksling og på denne er det montert løpehjul (impellere) og diffusorer i flere steg. Antall steg bestemmes ut fra nødvendig løftehøyde. Væsken suges inn i bunn av pumpen og for hvert steg økes trykket, og store pumper kan ha mer enn 250 - 300 steg. For å redusere antall steg kan rotasjonshastigheten økes, noe som gir redusert total lengde på pumpen. I patent US 4,278,399 er det beskrevet en løsning for et mer effektivt pumpe steg i en ESP. Dette gjøres i prinsippet ved å redusere tykkelsen i godset på pumpehuset slik at løpehjulene kan ha større radius.

Virkningsgraden for slike pumper regnes til å ligge på 0,3, og volumstrømmen kan variere fra noen få hundre fat per dag til 20-30.000 bbl/d. Elektromotoren i pumpen får kraft tilført fra overflaten gjennom en spesialkabel som festes på utsiden av produksjonsrøret, og systemet styres fra overflaten ved hjelp av et system som kalles VSD (Variable Speed Drive). VSD transformerer AC til DC og tilbake til AC med ulike frekvenser. Dette skaper slitasje på elektriske kabler og koblinger samt at det kan føre til jordingsproblemer. Normalt benyttes det induksjonsmotorer for å drive selve pumpen, og på grunn av behov for mye kraft ved høye rater og dype brønner blir disse forholdsvis lang. Disse motorene har liten klaring mellom stator og rotor, noe som gjør at små bøyninger (dog leg) i brønnbanen kan skape kontakt mellom rotor og stator og føre til brekkasje. Det samme kan skje på grunn av vibrasjoner i motoren når man snakker om lange motorer (en motor på 250 HP er 20 m lang). På grunn av disse forhold har industrien utviklet Permanent Magnet (PM) motorer som har et mer robust design. De mekaniske utfordringene knyttet til ESP er slitasje og varmgang på elektromotor, noe som PM antas å håndtere på en bedre måte. Samtidig utvikles det store aksialkrefter i selve pumpen. Der finnes ulike løsninger som er utviklet for å bedre dette forholdet. Som eksempel kan nevnes patent US 5,201,848 som beskriver et løpehjul som ikke bidrar til løfting av væske, men som skaper en oppad rettet kraft på akslingen. Det skjer ved at hovedløpehjulet, som bidrar til løft, er montert opp et annet i løpehjul i samme volum, der sist nevnte har ikke tilførsel av væske. Derved skapes et dynamisk trykk i pumpesteget, som gjør at det statiske trykket lenger nede pumpesteget gir et løft som motvirker de nedad rettede aksialkreftene.

Ved siden at de nevnte mekaniske problemer så har ESP systemer problemer med å håndtere produksjon av store mengder sand og andre faste partikler som saltavleiringer (scale). I tillegg oppstår det kavitasjon når fri gass blir produsert. Begge disse forhold sliter på løpehjulene. Fri gass er også et problem for selve elektromotoren siden gassen har en dårligere evne til å lede bort egenvarme utviklet av elektromotoren. Alle disse forhold gjør at en gjennomsnittlig levetid for et ESP system antas å være om lag 1,5 år. Kostnadene ved å skifte ut en ESP vil variere med dybden på brønnen siden hele produksjonsrøret må trekkes ut. I tillegg til de direkte kostnadene ved operasjonen, som involverer bruk av borerigg, får man kostnaden av utsatt produksjon.

Gassløft er mye brukt som kunstigløft på offshore installasjoner der man har tilgang på produsert gass fra separatoranlegget. Prinsippet går ut på å reinjisere produsert gass inn i ringrommet mellom produksjonsrøret og foringsrøret (produksjonsringrommet) og ned mot produksjonspakningen i bunn av brønnen. På ulike nivåer i produksjonsrøret er det plassert gassløftventiler. Dette er enveis ventiler som tillater gassen i ringrommet til å strømme inn i produksjonsrøret slik at vekten av den hydrostatiske søylen inne i produksjonsrøret reduseres, derved blir også mottrykket på reservoaret redusert slik at reservoartrykket selv kan trykke de produserte væskene til overflaten. I prinsippet er gassløft et effektivt system, men det krever investering i egne gasskompressorer, overflate strømningsrør, Annulus Sikkerhets Ventiler (ASV), gassløft ventiler (GLV) og gasstette rørgjenger i foringsrøret. Systemet kan være vanskelig å operere på en optimal måte fordi blandingensforholdet mellom olje, vann og eventuelt gass som produsere fra reservoaret vil variere med kortere og lengre tidsintervaller. I tillegg kan reinjisert gass i produksjonsringrommet lekke ut i de ytre ringrom gjennom foringsrørene. For å redusere faren for ukontrollet utstrømning av gass ved et eventuelt system uhell så ønsker nå flere oljeselskaper å utvikle en VO versjon av GLV slik at de kan fjerne ASV da det har vist seg at disse ventilene er sårbare for lekkasjer. Denne endringen er med på å øke investeringskostnadene for gassløft.

Det er tidligere kjent enkelt og dobbelvirkende stempelpumper for bruk til kunstig løft. Bortsett fra ulike design på selve pumpehuset (stemplene) og inn og utløpsventiler så er det flere ulike drivmekanismer for pumpene. Det dreier seg om alt fra elektormagnetiske motorløsninger til løsninger med lineær motorer. I tillegg er det kjent en enkelt virkende stempelpumpe som drives av en induksjonsmotor som igjen driver et hydraulisk aggregat som i neste omgang driver stempel og ventiler. Akkurat denne løsningen er designet for drift av mer enn et enkeltvirkende stempel i pumpen. Felles for alle pumpene er at de er beregnet for å installeres nede i bunn av brønnen. I patent US 1,740,003 er det vist en elektrisk drevet dobbelt virkende stempel pumpe. For å snu stempel bevegelsen så skifter man fase på motoren slik at den dreier motsatt vei. Med en frekvens på mellom 30 og 60 slag per minutt så blir det stor slitasje på kontaktene som skal snu den elektriske strømmen, og stor varmeutvikling hver gang stempelet skal skifte retning. Foreløpig har man ikke klart å lage lineær motorer praktiske og kommersielle, blant annet fordi der er en kraftig økning i kraftforbruk hver gang motoren skal skifte retning.

Pumpen ifølge oppfinnelsen innbefatter flere trinn, som igjen er inndelt i et eller flere pumpesteg. Et pumpesteg innbefatter en impeller og en diffusor. Et trinn er definert til å omfatte en motor som driver et eller flere pumpesteg i trinnet, og ifølge et aspekt med oppfinnelsen innbefatter pumpen flere trinn for at anordningen skal få nok løftekapasitet. Pumpen ifølge oppfinnelsen overvinner ulempene knyttet til at kun en elektromotor skal drive alle pumpestegene ved at oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den bruker en motor i hvert trinn. Motoren kan også drive to eller flere pumpesteg i et trinn via en aksling. Ifølge oppfinnelsen er pumpen utstyrt med motorer som er utformet som ringmotorer (dvs væske kan strømme i midten av motorene) på hvert trinn - og at der er flere trinn i pumpen for å oppnå tilstrekkelig løftekapasitet. Dette er i motsetning til kjente pumper som kun har en motor som ikke tillater at væske strømmer gjennom midten av motoren. Ifølge et foretrukket utførelseseksempel består pumpen ifølge oppfinnelsen av inntil ca. tre pumpesteg i et trinn får å oppnå tilstrekkelig løft, men flere pumpesteg er mulig. Det er en fordel at pumpen har "redundancy" - dvs dersom motoren i et trinn stopper, så skal alle de andre trinnene kunne forsette å pumpe. Dersom en pumpe har for mange pumpesteg i et trinn som stopper, så vil friksjonstapet i trinnet bli så stort (væske må strømme gjennom impellere som står i ro) at pumpen ikke klarer å få til en akseptabel volumstrøm (rate) selv om alle de andre trinnene er intakt, derfor vil der være en naturlig begrensning på hvor mange pumpesteg man kan ha i et trinn ut fra forholdene i brønnen.

Motorene i pumpen (trinnene) er fortrinnsviss permanent magnet motor med en stasjonær del festet til diffusoren og en bevegelig del festet til impelleren. Alternativt kan motorene være elektrisk motor med en stasjonær del og en roterende del. Uansett motortype, så vil alle motorene ha et hulrom i senter for strømning av væske, og den roterende del av motor er festet til impeller for drift av denne. Alternativt kan motorene være hydraulisk motor med en stasjonær del og en roterende del. Også her vil motoren ha et hulrom i senter for strømning av væske, og hvor den roterende delen av motoren er festet til impeller for drift av denne.

I tillegg kan pumpen bruke lager, fortrinnsvis magnetlagre, for å ta opp kreftene i anordningen. En permanent magnet motor er i seg selv svært effektiv med høy virkningsgrad. I tillegg til et mer kompakt design får pumpen en redundans ved fortsatt å være i stand til å levere trykkøking selv om en, eller flere, motorer (trinn) stanser. Hver motor kan, dersom forholdene i brønnen krever det, kjøres på et individuelt turtall slik at kavitasjon kan unngås. Siden motoren ikke lenger leveres som en lang enhet, men er delt opp i ulike trinn, så håndterer pumpen brønndeviasjon langt bedre enn eksisterende pumper. Service på pumpen blir enklere ettersom trinnene ikke er sammenkoblet med en felles aksling.

Ifølge et utførelseseksempel kjennetegnes pumpen ved at den i prinsipp består av permanent magnet motorer som individuelt driver impellerene i pumpestegene og at den benytter magnetlagre for å ta opp kreftene i anordningen.

Pumpen ifølge oppfinnelsen skal beskrives med henvisning til tegniner, hvor:

Fig 1 viser prinsipp av flere trinn i pumpen

Fig 2 viser prinsipp av permanent magnet motor

Fig 3 viser snitt av permanent magnet motor

Fig 4 viser snitt av et trinn med impeller, diffusor og permanent magnet motor

Fig 5 viser prinsipp av aksial permanent magnet motor

Fig 6 viser snitt av aksial permanent magnet motor

Fig 7 viser snitt av et trinn med impeller, diffusor og aksial permanent magnet motor.

Fig 8 viser snitt av to trinn inklusive prisnipp av lager arrangement

Fig 9 viser snitt av aksialt plassert motor inklusive prinsipp av lager arrangement Fig 10 viser snitt av to trinn med aksialt plassert motor inklusive prinsipp av lager arrangement

Fig 11 viser grov skisse for tilkobling av strøm

Fig 12 viser et utførelseseksempel hvor pumpen anvendes sammen med plugg/pakning Fig 13 viser et utførelseseksempel hvor motorens roterende del driver en aksling som igjen driver flere pumpesteg i et trinn

Som vist i Fig 4 består et trinn (1) av, som i konvensjonelle sentrifugalpumper, en impeller (2) og en diffusor (3). Antallet trinn (1) som pumpen består av kan varieres etter brønnens behov. Istedenfor en aksling blir impelleren (2) drevet av en permanent magnet motor (PM motoren) (4) som vist i Fig 2, som innbefatter en roterende del (6) som er en integrert del av impelleren (2) og en stasjonær del (5) som er en integrert del av diffusoren (3). Fig 13 viser et utførelseseksempel hvor motorens roterende del (6) driver en aksling (25) som igjen driver tre pumpesteg i et trinn.

Ved montering plasseres diffusoren (3) utenpå impelleren (2). Samtidlig blir da PM motoren sine deler posisjonert på riktig sted. Figur 4 viser en radielt plassert PM motor (4) montert i impelleren (2) og diffusoren (3). I drift står diffusoren (3) i ro sammen med den stasjonære delen av PM motoren (5). Impelleren (2) er anordnet slik at den roterer innenfor diffusoren (3).

Dette betyr at når PM motoren begynner å rotere, så roterer impelleren. Impelleren roterer innenfor den stasjonære diffusoren. Feste måten av PM motoren sine deler kan variere. Ifølge et utførelseseksempel er PM motoren sin roterende del laget av samme emne som impelleren.

Ytelsen og evnen en impeller har til å levere trykkøking bestemmes av impeller diameter og intern strømnings design av impelleren og diffusoren. Figur 4 viser hvordan PM motoren kan plasseres uten å innvirke på impeller diameter. Impelleren og diffusoren sin interne flow optimering er ikke påvirket av oppfinnelsen grunnet PM motorens plassering slik at pumpeløsningen ifølge oppfinnelsen kan anvendes på kjente impeller og diffusordesign.

Ifølge oppfinnelsen kan flere trinn bli montert ovenpå hverandre slik at pumpe kapasiteten kan modifiseres etter behov. Trinnene er konstruert med en mekanisk styring slik at de ikke kan rotere i forhold til hverandre. Ifølge et utførelseseksempel er alle trinn plassert innenfor en "casing". Casingen sin lengde varierer etter antallet trinn som blir brukt for å oppnå ønsket kapasitet på systemet. I bunn av casingen står en konvensjonelt brukt "base" og i topp en "head". Disse to skrues ned i casingen slik at trinnene blir presset sammen.

I konvensjonelle sentrifugalpumper er impelleren fiksert til en aksling slik at den radielle bevegelsen er kontrollert. Dette blir i oppfinnelsen gjort ved hjelp av et radiallager (12). Posisjonen av radiallagret kan variere. Figur 8 viser et radiallager (12) plassert i senter ovenfor impelleren (2). Radiallagret (12) er her festet i diffusoren (3) og ved montering føres akslingen på impelleren inn i lagre slik at impelleren blir radielt opplagret mot diffusoren. Montert på denne måten får impelleren radiell støtte slik andre konvensjonelle sentrifugalpumper med felles aksling får. I et utførelseseksempel kan radiallageret (12) være av typen passivt magnet lager, i et annet utførelseseksempel kan det være at typen aktive magnet lager, mens det i et tredje utførelseseksempel kan være av typen vanlig radielt glide lager eller rullelager.

Opplagringen av aksielle krefter blir gjort av ett aksiallager(l 1) plassert mellom impeller i det overliggende pumpesteget og diffusor i det nedenforliggende pumpesteget, som vist i Figur 8. Lageret sin posisjon kan variere. Det aksielle lagret blir montert på konvensjonelt kjent måte. Den roterende delen av lageret er montert i impelleren. På samme måte er den stasjonære delen montert i diffusoren. I et utførelseseksempel kan lageret være av typen passivt magnetisk lager, mens det i et annet utførelseseksempel kan være av typen aktive magnet lager. Denne lagertypen er i teorien friksjonsfri med økt levetid for lagrene som resultat. Lagerarrangementet utelukker ikke bruk av vanlig aksialt glidlager eller rullelager. Dette kan være av typen konvensjonelt aksiallager.

I et utførelseseksempel kan motoren være av en slik type at den eliminerer behovet for radiell og aksiell opplagring.

PM motoren strømsettes på konvensjonelt kjent måte med strømkabel. Redundans er vitalt slik at pumpen ikke stopper hvis et trinn stopper. Diffusoren konstrueres slik at strømtilførsel er mulig. Figur 11 viser et utførelseseksempel av strømtilførselen nede til venstre på figuren. Figur 5 og Figur 6 viser et prinsipp tegning på en aksial PM motor (7). Også denne består av en roterende del (8) og en stasjonær del (9). Denne typen motor er også kjent i markedet. Figur 7 viser et utførelseseksempel da motoren er plassert aksialt i et trinn. Den stasjonære delen av motoren (9) er montert i den underliggende diffusoren og den roterende (8) i den overliggende impelleren.

Ifølge et utførelseseksempel er pumpen ifølge oppfinnelsen installert i brønnen ved hjelp av en fjernstyrt plugg eller pakning, som vist i Figur 12. Pluggen består av elektromotor (13) for setting og trekking av pluggen. Elektromotoren er i forbindelse, gjennom planetgir (14), med hul aksling (15) som roteres for å sette et eller flere slips (16) som låser pakning til produksjonsrøret (17), og hul aksling (18) som roteres for å sette et pakningselement (19). Pakningselement (19) skiller "inlet" siden fra "exhaust" siden som vist i figuren. En hul aksling (20) styrer en kuleventil (21). Anordningen innbefatter et rør (22) som leder væsken gjennom pluggen og inn i pumpen. En ventil (23) sørger for at det ved behov kan skapes hydraulisk kontakt mellom "inlet" siden og "exhaust" siden av pumpen. Ventil kan være for eksempel en magnet ventil. Pumpen og den fjernstyret pluggen kan settes sammen til en enhet som kan innkjøres og trekkes ut ved hjelp av en kabel (24).

Claims (11)

1. En pumpe for en brønn, innbefattende flere lengderetning-arrangerte trinn tilpasset for å settes ned inn i en brønn, hvori hvert trinn består av en motor, og en eller flere pumpesteg, som innbefatter en diffus er og en roterbar impeller til å radialt akselerere en væske, hvilke diffuser er anordnet til å lede væsken til et høyere nivå, og dermed pumpe væsken oppover i brønnen, karakterisert vedat a. impellerene i hvert trinn er drevet av en felles motor, og b. motoren er utformet som ringmotor, hvor væske kan strømme i midten av motoren.

2. En pumpe i henhold til krav 1, karakterisert vedat hvert trinn innbefatter et pumpesteg.

3. En pumpe i henhold til krav 1, karakterisert vedat hvert trinn innbefatter flere pumpesteg som drives av en felles ringmotor ved hjelp av en aksling.

4. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedmotorene er permanentmagnet-motor med en stasjonær del og en roterende del, hvor motoren har et hulrom i senter for strømning av væske, og hvor den roterende del av motor er festet til impeller for drift av denne.

5. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedat motorene er elektrisk motor med en stasjonær del og en roterende del, hvor motoren har et hulrom i senter for strømning av væske, og hvor den roterende del av motor er festet til impeller for drift av denne.

6. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedmotorene er hydraulisk motor med en stasjonær del og en roterende del, hvor motoren har et hulrom i senter for strømning av væske, og hvor den roterende delen av motoren er festet til impeller for drift av denne.

7. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedat motorene i trinnene er ordnet i parallelle kraft/energi tilkoblinger, og hvor hver motor uavhengig kan kontrolleres fra en kontroll enhet.

8. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedat hvert trinn inneholder sensorer for å måle trykk og eller temperatur på væsken, hvilke sensorer er i elektrisk forbindelse med kontrollenheten.

9. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedat impellerene er anordnet med lager

10. En pumpe i henhold til krav 9, karakterisert vedat lagrene er magnet lager.

11. En pumpe i henhold til et av de foreliggende krav, karakterisert vedat pumpen er anordnet i forbindelse med en fjernstyrt plugg eller pakning, hvilke pakning kan settes i et produksjonsrør for å danne en inlet side og en exhaust side, og hvor pluggen er utstyrt med et rør som leder væsken fra inlet siden, gjennom pluggen og videre til pumpen.