NO333344B1

NO333344B1 - Integrert pumpeutstyr for bruk ved pumping av flere forskjellige fluider

Info

Publication number: NO333344B1
Application number: NO20015046A
Authority: NO
Inventors: W Keith Russell; Steven E Buchanan; Grigory L Arauz; Kenneth L Havlinek; Ashley Kishino; Lawrence C Lee; Thomas H Zimmerman; Anthony F Veneruso
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2013-05-13
Also published as: GB2369862B; BR0106832B1; CA2359458A1; US6811382B2; NO20015046D0; CA2721550C; GB0124239D0; NO20015046L; CA2623365C; CA2359458C; CA2721550A1; US20020066568A1; GB2369862A; CA2623365A1; BR0106832A

Abstract

Integrert pumpeutstyr for bruk i slike omgivelser, som underjordiske forhold for å bevege et ønsket fluid fra et sted til et annet. Det integrerte pumpeutstyr omfatter ett eller flere drivtrinn som hvert har integrert pumpe og motor. En regulator kan anvendes for å styre en eller flere av de integrerte pumpe- og motorenheter hver for seg.

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse gjelder generelt pumping av fluider, og spesielt integrering av en pumpe og elektrisk motor for å lette forskjellige aspekter ved overføring av fluid fra et sted til et annet.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

I pumpesystem av forskjellig art, slik som nedsenkbart elektrisk pumpesystem og som anvendes ved produksjon av underjordiske fluider blir en adskilt motor brukt for å drive en bestemt og separat pumpe. Ved elektrisk nedsenkbart pumpesystem blir en motor koblet til en motorbeskytter og til slutt til en nedsenkbar pumpe, slik som en sentrifugalpumpe. Motorbeskytteren skiller det indre motorfluid fra skadelige borebrønnsfluider, og pumpen drives da fra en aksel som er koblet til den elektriske motor. Forskjellige andre komponenter kan kombineres med det nedsenkbare elektriske pumpesystem i forbindelse med en rekke anvendelser og omgivelser.

Fra GB 2.254.656 fremkommer det et pumpesystem for anvendelse nedi-hulls med en første pumpe og en andre pumpe forbundet i et forhold parallelt i tandem, der hver pumpe har sin egen elektriske motor innrettet for uavhengig drift.

Fra GB 1.085.042 fremgår det nedsenkede, elektriske pumper som er forbundet for å danne en flertrinnspumpe. Pumpene forbindes med metallklips som sleides over komplementære svalehaleprofiler

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse gjelder en teknikk for å integrere den elektriske motor og pumpen i forskjellige pumpeanordninger. Denne kombinasjon muliggjør eliminering av den separate motor, motorbeskytteren og andre komponenter, samtidig som den muliggjør større styring av fluidbevegelse så vel som utførelse med forbedret tilpasningsevne. Skjønt denne teknikk er tenkt særlig anvendt på utstyr som anvendes i underjordiske omgivelser, slik som nedsenkbar elektrisk pumpesystem, så kan denne teknikk også brukes ved forskjellige andre pumpe-anvendelser.

Således vedrører den foreliggende oppfinnelse et integrert pumpesystem som omfatter flere drivtrinn som er sammenkoblet i rekkefølge. Hvert trinn omfatter en diffusor, en drivmotor og et pumpehjul. Hvert trinn omfatter en trinnidentifiserer for å avgi informasjon til en styringsmodul med hensyn til minst én parameter for trinnet.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Oppfinnelsen vil i det følgende bli beskrevet under henvisning til de vedføy-de tegninger, hvor like henvisningstall angir tilsvarende elementer, og hvorpå: Fig. 1 er en skisse i frontoppriss og som angir et anvendelseseksempel av foreliggende oppfinnelsesgjenstand i nedhulls, nedsenkbar elektrisk pumpesystem; Fig. 2 er et oppriss sett forfra av integrert motor og pumpe som angitt i fig. 1; Fig. 3 er en alternativ utførelse av det utstyr som er vist i fig. 2; Fig. 4 viser et eksempel på elektrisk utstyr som anvendes for regulering av flere funksjonstrinn i det integrerte pumpesystem som er angitt i fig. 2; Fig. 5 er en alternativ utførelse av det utstyr som er vist i fig. 4; Fig. 6 er en annen alternativ utførelse av det utstyr som er vist i fig. 4; Fig. 7 er en annen alternativ utførelse av det utstyr som er angitt i fig. 4; Fig. 8 viser et eksempel på mekanisk og elektrisk hurtigkobling for sammenkobling av tilstøtende trinn med hverandre; Fig. 9 viser et oppriss sett forfra av et integrert pumpesystem samt overfla-tebasert reguleringsutstyr; Fig. 9A er en skjematisk skisse som angir et eksempel på et følertrinn i utstyret; Fig. 9B viser et alternativt arrangement av funksjonstrinnene i det integrerte motor- og pumpesystem; Fig. 10 viser et snitt tatt generelt langs aksen for et visst funksjonstrinn i det integrerte motor- og pumpesystem i henhold til en viss utførelse av foreliggende oppfinnelse; Fig. 11 viser et snitt tatt hovedsakelig langs aksen for et funksjonstrinn, vist som eksempel; Fig. 12 viser et lengdesnitt tatt hovedsakelig langs aksen av en alternativ utførelse av et funksjonstrinn angitt som eksempel; Fig. 13 viser sett ovenfra et eksempel på stator-elektromagneter som angitt i fig. 12; Fig. 14 viser sett nedenfra eksempler på permanente rotormagneter av den art som er vist i fig. 12; Fig. 15 viser skjematisk det trinn som er vist i fig. 12, men utført uten mekanisk begrensning av rotorens bevegelse; Fig. 16 viser et snitt tatt hovedsakelig langs aksen av et trinn angitt som eksempel på en alternativ motorutførelse; Fig. 17 viser sett ovenfra den stator som er vist i fig. 16; Fig. 18 er en skjematisk skisse av en solenoidgap-profil angitt som eksempel; og Fig. 19 er en skjematisk skisse av en alternativ solenoidgap-profil.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSER

Det skal generelt henvises til fig. 1, hvor det er vist integrert pumpesystem 10, i underjordiske omgivelser og i samsvar med en utførelse av foreliggende oppfinnelse. I denne utførelse er det integrerte utstyr 10 en del av et omfattende nedsenkbart elektrisk pumpesystem som er utplassert for å produsere visse produk-sjonsfluider, slik som hydrokarbonbaserte fluider.

Det integrerte utstyr 10 er utlagt inne i en geologisk formasjon 16 for produksjon av fluider fra en brønn 18 over en brønnboring 20 utformet i den geologiske formasjon 16. Borebrønnen 20 er typisk foret med en brønnforing 22 med en åpning 24, for eksempel perforeringer, hvorigjennom borebrønnfluider kan trenge inn i borebrønnen 20 fra den geologiske formasjon 16. Etter at fluider 14 har trengt inn i borebrønnen 20, kan de trekkes ut gjennom et fluidinntak 26 ved hjelp av det integrerte utstyret 10 og overføres til et ønsket plasseringssted, slik som en lagringstank på jordoverflaten 28.

I den viste utførelse er det integrerte utstyr 10 koblet til et utplassert anlegg 30 ved hjelp av en forbindelse 32. Det utplasserte anlegg 30 kan omfatte mange forskjellige konfigurasjoner, slik som kabel, kveilet rørledning og produksjonsrør-ledning. I fig. 1 er det vist at det utplasserte anlegg 30 omfatter en rørledning 34 hvorigjennom borebrønnfluider produseres. (I andre utførelser kan imidlertid fluider produseres gjennom det ringrom som er dannet i borebrønnen omkring det utlagte utstyr 30). Rørledningen 34 er opphengt fra et brønnhode 36 som for eksempel er anordnet nær inntil overflaten 28. Effekt overføres til det integrerte utstyr 10 gjennom en effektkabel 38.

Som vist i fig. 2, omfatter det integrerte utstyr 10 i det minste et trinn 40 og vanligvis flere trinn 40. Antallet og anordningene av trinnene kan variere vesentlig fra en anvendelse til en annen, alt etter de foreliggende produksjonsomgivelser, dybden, fluidparameterne og flere andre utførelsesforhold. I dette utførelsesek-sempel er hvert trinn vanligvis oppdelt i et pumpehjulavsnitt 42, et motoravsnitt 44 og et diffuseravsnitt 46.

Disse flere pumpetrinn 40 samarbeider for det formål å bevege det ønskede produksjonsfluid 14. Etter hvert som fluid 14 trekkes gjennom inntaket 26 og inn i det første trinn 40, så vil den første diffuser 46 rette fluidet gjennom passende kanaler inn i motoravsnittet 44 til pumpehjulavsnittet 42. Dette pumpehjulavsnitt 42 er drevet i rotasjon for å drive fluid 14 til det neste påfølgende trinn, som i sin tur forskyver fluidet videre til det neste trinn inntil fluidet til slutt avgis for eksempel inn i en rørledning 34. Slik det vil bli mer fullstendig forklart nedenfor, muliggjør denne integrerte utførelse eliminering av en drivaksel som ellers ville koble en eneste elektrisk motor til flere pumper. Denne utførelse eliminerer også behovet for indre motorolje så vel som elastomerer, slik som tetningsinnretninger som anvendes for å forhindre tap eller forurensning av motoroljen.

Det bør bemerkes at motorseksjonene 44 kan utnyttes og reguleres innbyrdes uavhengig for å rotere de forskjellige pumpehjul med forskjellig hastighet eller til og med i forskjellige rotasjonsretninger, slik det vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Bruk av integrerte motor- og pumpeseksjoner tillater en høy grad av fleksi-bilitet ved bruk og styring for pumping av et fluid 14.1 visse utførelser er de enkelte trinn 40 konfigurert som modulenheter som lett kan skilles fra hverandre og kombineres på nytt i mange forskjellige arrangementer samt med mange forskjellige mellomliggende komponenter (se fig. 3).

I den utførelse som er vist i fig. 3, er flere trinn 40 adskilt ved forskjellige mellomliggende komponenter. Flere nedre trinn er for eksempel koblet til et integrert inntak 48 som gjør det mulig for trinnene å trekke fluid inn i det integrerte utstyr 10 fra en første sone 50 og avgi fluidet i retning nedover gjennom en utløp-sende 52. Samtidig er flere øvre trinn 40 koblet til et andre inntak 54 som er posisjonsinnstilt for å trekke fluid fra en øvre sone 56. Det fluid som trekkes fra sone 56 produseres da oppover gjennom en koblingsenhet 32 og en rørledning 34.1 denne utførelse er en fluidseparator 58 anordnet mellom inntakene 48 og 54. Videre kan forskjellige andre komponenter, slik som en instrumenteringskomponent 60, være anordnet mellom de forskjellige trinn 40. Den utførelse som er vist i fig. 3 er bare et eksempel på mange forskjellige konfigurasjoner som lett kan fremstilles ved modulær utførelse av trinnene 40 og et overordnet integrert utstyr 10.

For å kunne styre trinnene 40 hver for seg, kan mange forskjellige regule-ringssystemer anvendes, for eksempel slik som anskueliggjort i fig. 4 til og med 7. Den teknikk som for eksempel generelt benyttes for å tilføre effekt til trinnene 40 tillater da isolering av de forskjellige trinn fra de øvrige, slik at svikt i ett eller flere trinn ikke vil påvirke de øvrige.

I det eksempel som er vist i fig. 4, er en styringsmodul 62 koblet både til effektkabelen 38 og til hvert trinn 40, hvilket vil si trinnene 1, 2 og 3 ved hjelp av hver sin leder 64. Styringsmodulen 62 kan være utført for å omforme den elektriske inngangseffekt fra serie- til parallellkobling for å tillate regulering av trinnene hver for seg. Lederne 64 kan være utplassert som uavhengige elektriske kabler, slik at hver kabel forløper fra overflaten og uten noen styringsmodul 62, eller som en samleskinne (bus) som løper gjennom det integrerte utstyr 10.

Styringsmodulen 62 er typisk utført for å elektrisk isolere hvert trinn fra de øvrige trinn, slik at hvis et trinn skulle svikte, så kan de gjenværende trinn likevel tilføres effekt og drives. I tillegg kan styringsmodulen 62 være utført som en gjen-vinnbar modul som kan utplasseres og trekkes tilbake gjennom rørledningen 34.1 stedet for styringsmodulen 62, kan forskjellige kabler anordnes fra jordoverflaten til hvert av trinnene. Mange anvendelser kan imidlertid dra nytte av den mulighet som ligger i bruk av en enkelt effektkabel 38 kombinert med en styringsmodul 62 for separat å kunne regulere effektoverføringen til hvert av de enkelte trinn 40.

I en alternativ utførelse, som er vist i fig. 5, er et annet opplegg brukt for krafttilførsel til trinnene 40.1 denne utførelse er trinnene 40 elektrisk koblet i serie ved hjelp av flere ledersegmenter 66. Hvert trinn 40 er elektrisk isolert ved hjelp av en isolasjonsinnretning 68, slik som en sikring eller automatisk omkobler. Hvis et trinn 40 svikter, så vil således bare de trinn som ligger under dette (slik det er vist i fig. 5) bli elektrisk koblet fra effektkabelen 38. De trinn som ligger over det sviktende trinn forblir da i drift.

I en alternativ utførelse, som er vist i fig. 7, er et stigeopplegg anvendt for å overføre effekt til de forskjellige trinn 40.1 denne utførelse er et par primærledere 70 koblet til hvert trinn ved hjelp av et par elektriske koblingsenheter 72. Denne primære leder 70 kan omfatte kabler, slik som effektkabler, som løper fra jordoverflaten. Hvert trinn 40 er koblet i parallell til begge primærledere 70, slik at hvis kob-lingen mellom én av primærlederne og ett av trinnene skulle svikte, så vil dette trinn fremdeles forbli i funksjon ut i fra dets kobling til den andre primærleder 70. Isolasjonsinnretninger 74, slik som sikringer, kan også benyttes mellom hvert trinn og hver primærleder 70.

En annen utførelse, som er vist i fig. 7, omfatter et ringopplegg, som er av lignende art som det seriearrangement som er vist i fig. 5, men med en ytterligere effektkabel 38. En av effektkablene 38 er da koblet til det øverste trinn 40, mens den andre effektkabel 38 er koblet til det nederste trinn 40. Hvert av trinnene er elektrisk koblet til hverandre ved hensiktsmessig lederavsnitt 76. Også et isola-sjonselement 78, slik som en sikring, er plassert mellom hvert sett av påfølgende trinn. Hvis et trinn skulle svikte, så vil de omgiende innretninger 78 virke slik at de isolerer det sviktende trinn, mens den effektkabel 38 som er koblet til det øverste trinn fremdeles kan avgi effekt til trinnene over det sviktende trinn, mens den effektkabel 38 som er koblet til det nederste trinn kan avgi effekt til de trinn som ligger under det sviktende trinn. Andre arrangementer kan også anvendes for å tilfø-re effekt til de enkelte trinn i det integrerte utstyr 10, slik som flere uavhengige kabler eller kabelbunter med en spesifikk kabel tilordnet hvert av trinnene.

I de utførelser som er beskrevet ovenfor, kan det være fordelaktig å anven-de en samleskinne eller annet utstyr som muliggjør bruk av elektriske hurtigkoble-re, slik at de enkelte moduler lett kan sammenkobles og fraskilles enten på frem-stillingsstedet eller på brønnstedet. Slike elektriske hurtigkoblinger fungerer godt ved utnyttelse av mekaniske koblingsmetoder, slik som tilpassede flenser eller gjengede krager konfigurert for mekanisk forbindelse mellom de forskjellige trinn.

I fig. 8 er det for eksempel angitt et arrangement med tilpassede flenser. I denne utførelse blir et visst trinn 40 koblet til et inntilliggende trinn 40 ved hjelp av en flenskobling 73. Denne flenskobling 73 omfatter en flens 73A festet til den ene ende av et gitt trinn 40. Flensen 73A er da utført for handlingskontakt med en tilsvarende koblingsende 73B på det påfølgende inntilliggende trinn 40. Flensenden 73A er typisk festet til koblingsenden 73B ved hjelp av hensiktsmessige festemid-ler, slik som bolter 75, som er ført gjennom flensenden 73A for gjengeinngrep med koblingsenden 73B. Dette arrangement tillater rask sammenkobling og frakobling av hvert trinn 40 i forhold til sitt neste påfølgende trinn 40.

I tillegg kan utstyret være utført med hensiktsmessige elektriske hurtigkob-lere 77. Hurtigkoblerne 77 kan for eksempel omfatte en hannende 77A anordnet på koblingsenden av ett av trinnene 40 og en hunnkoblingsende 77B anordnet på den tilsvarende koblingsende av det påfølgende trinn 40. Hunnkoblingsendene 77B er da anordnet for å motta hannendene 77A når en flensende 73A kobles til en koblingsende 73B. Hvis for eksempel effektlederne er rutet gjennom en rekke trinn 40, så vil hurtigkoblerne 77 muliggjøre rask kobling og frakobling av lederne ved sammenstilling og innbyrdes frakobling av tilstøtende trinn.

Mange forskjellige regulatorer, slik som den nedhullsstyringsmodul 62 som er vist i fig. 4, eller en styringsmodul 83 på jordoverflaten som angitt i fig. 9, kan lette fleksibiliteten og tilpassbarheten for det integrerte utstyr 10. En regulator, for eksempel en styringsmodul 62 eller overflateregulator 83, blir utnyttet for automatisk å gjenfordele effekt når et trinn 40 svikter. Potensielt høyere effekt kan da fak-tisk overføres til de gjenværende trinn for å opprettholde fluidproduksjonen på et tilsvarende nivå. Regulatoren kan også brukes for å bestemme når en svikt har funnet sted og/eller korrigerende tiltak skal treffes for å kompensere for feilen. Eksempler på tiltak som kan utføres ved svikt av trinn er øking av strømmen til de gjenværende trinn eller øking av hastigheten for noen av eller alle de gjenværende trinn.

Hvis en regulator er kombinert med det integrerte pumpesystem, omfatter hvert trinn typisk en mekanisme hvorved den kan identifiseres overfor regulatoren, for eksempel en trinnidentifiserer 81 (se fig. 9A). Dette gjør det mulig for regulatoren å bestemme om det foreligger et problem i et bestemt trinn og/eller når passende tiltak bør treffes for å korrigere eller kompensere for vedkommende problem. I tillegg eller alternativt kan hvert trinn være utført med en passende utgang til et regulatorgrensesnitt, slik som en fremvisningsskjerm, for å kunne analyseres av en operatør.

Det er flere forskjellige mekanismer som kan anvendes som trinnidentifise-re 81 for derved å kunne overvåke driften av hvert trinn, slik som strekkoder anordnet på bevegelige komponenter, for eksempel pumpehjulene 42. En annen type trinnidentifiserer 81 omfatter en rekke magneter anordnet på en bevegelig komponent i hvert trinn for derved å frembringe en spesifikk signatur når de avfø-les av en induktiv føler.

Et annet eksempel på en trinnidentifiserer 81 omfatter konfigurering av de enkelte trinn til å frembringe et elektronisk kodet signal i en tidssekvens med de øvrige trinn, for eksempel basert på pumpehjulets rotasjon. Et gitt pumpehjul 42 (eller annen del av rotoren) kan for eksempel fremstilles med flere hakk eller andre særtrekk, slik som angitt på trinnidentifiseren 81 i fig. 9A. Disse hakk eller forsenkninger detekteres da ved hjelp av en nærhetsføler 85 som avgir et signal til en analysator 87. Dette signal representerer da et visst mønster av forsenkninger og kan brukes for å opprette en særegen tidsdomene-signatur 89.

Ved hjelp av en hvilken som helst av disse mekanismer, kan signalutgang-en eller signalutgangene til regulatoren forandres ved svikt av ett eller flere av de overvåkede trinn. Dette gjør det mulig for regulatoren eller en operatør å kompensere for det eller de sviktende trinn. Hvis regulatoren er plassert fjerntliggende, slik som overflateregulatoren 83, kan utgangssignalene overføres gjennom effektkabelen 38. Muligheten for å identifisere og regulere de enkelte trinn gir en operatør store tilpasningsmuligheter ved drift av pumpesystemet. Operatøren vil for eksempel være i stand til å identifisere problemer i visse trinn og møte disse problemer ved å regulere vedkommende trinn uavhengig av de øvrige trinn.

Hvis så ønskes kan andre typer følere kombineres med de enkelte trinn 40 eller plasseres nær inntil det integrerte utstyr 10. Hastighetsfølere kan for eksempel anvendes i forbindelse med hvert trinn for å avføle rotasjonsfrekvensen, og tilsvarende signaler kan da avgis til en regulator, for eksempel overflateregulatoren 83, for å frembringe frekvenssignaturer for hvert av trinnene. I tillegg kan vib-rasjonsfølere være koblet til eller inngå i hvert trinn for å avføle vibrasjoner og avgi tilsvarende signaler som da representerer vibrasjonssignaturer. Disse signaturer overvåkes og analyseres av en egnet regulator eller en operatør. Andre følere, slik som temperaturfølere, trykkfølere, strømningsfølere etc. kan for eksempel være innlagt i ett eller flere trinn for å avføle forskjellige parametere og avgi tilsvarende signaler for analyse og bruk ved evaluering av driften av det integrerte utstyr 10. Hver av de avfølte parametere kan utnyttes for samlet eller hver for seg styre de forskjellige trinn, slik at utstyrets driftsadferd optimaliseres. Denne styring av hvert trinn for seg gjør det også mulig å bruke enkelte trinn eller grupper av trinn som strømningsregulerende ventiler.

Reguleringens tilpasningsmuligheter muliggjør tilpasning av det integrerte utstyr 10 til mange anvendelsesomgivelser. De enkelte trinn 40 kan for eksempel anvendes som strømningsregulerende ventiler. Når etter flere av trinnene drives for produksjon fra forskjellige formasjoner, slik som formasjonene A, B og C i fig. 9B, vil en operatør være i stand til å utføre innbyrdes uavhengig styring av trinnene og således de strømninger som har sammenheng med de forskjellige formasjoner. Operatøren kan ganske sikkert slå de enkelte trinn eller grupper av trinn på eller av, for å velge forskjellige produksjonsparametere for hver formasjon. Dette kan være fordelaktig ved anvendelse for brønnutprøvning i det tilfelle formasjonene har intermitterende utstrømning, eller for å begrense virkningene av fluidkoning eller fra en formasjon til en annen. Produksjonshastigheten i hvert trinn eller hver gruppe av trinn kan også justeres basert på slike faktorer som gassproduksjon, komponentslitasje, erosjon, etc.

Den tilpassbare modulære utførelse, slik som vist i fig. 3, muliggjør også bruk av mange forskjellige andre ferdigstillingselementer, slik som flere inntak 48, separatorer 58, instrumenteringskomponenter 60, hylser, generatorer, strømnings-regulerende ventiler, prøveutstyr, gassbehandlere og mange forskjellige andre ferdigstillingskomponenter som kan inngå i et stort omfang av ferdigstillingskonfi-gurasjoner mellom, over eller under trinnene. På grunn av at de elektriske effekttil-førselsledere er ført langs eller gjennom trinnene, kan de forskjellige øvrige komponenter også effektforsynes uten at det er nødvendig å føre frem en separat elektrisk effektkabel. Effekt kan også tilføres fra generatorer eller energilagrings-enheter, for eksempel batterier, som er utplassert i ferdigstillingsutstyret. Instru-menteringskomponenten 60 kan for eksempel være utskiftet eller forsynt med en elektrisk generator eller et batteri integrert med utstyret 10. Med disse potensielle kilder for elektrisk effekt behøver ikke indre batterier å være nødvendig, da visse utprøvningsinnretninger og hydrauliske reguleringsledninger potensielt kan elimi-neres ved omkobling til elektrisk aktiverte komponenter.

Utstyrets tilpassbarhet kan også økes ved dets evne til å bruke ytre følere, slik som en føler 84 som angitt i fig. 9B. I et visst utførelseseksempel er føleren 84 festet til brønnforingen 22, mens ett eller de nærliggende trinn 40 er koblet til en føler 84 ved hjelp av en elektromagnetisk kobler 86. På denne måte kan føleren eller følerne 84 aktiveres automatisk når det integrerte utstyr 10 er utplassert nede i borehullet og en elektrisk forbindelse er opprettet over kobleren 86. Når trinnene trekkes ut fra nedhullsomgivelsene, så vil den elektromagnetiske kobling bli brutt og etterlate føleren eller følerne 84 i nedhullsomgivelsene.

På grunn av at ingen aksel er påkrevet og trinnene kan effektforsynes hver for seg, kan innbyrdes inntilliggende pumpetrinn bringes til rotasjon i motsatt retning eller med forskjellige hastigheter. I visse anvendelser vil rotasjon av visse

trinn i motsatt retning forbedre dreiemomentbalansen for ferdigstillingsutstyret som helhet. De trinn som roterer i innbyrdes motsatt retning kan også nedsete uønskede virvler i produksjonsfluidet. Bortsett fra pumping i en enkelt retning kan trinnene lett utføres for å pumpe fluider i innbyrdes motsatte retninger (se fig. 3). Hvis for

eksempel en separator er utplassert mellom forskjellige trinn, kan de øvrige trinn 40 anvendes for å pumpe den separerte olje oppover til jordoverflaten, mens de nedre trinn 40 anvendes for å pumpe det utseparerte fluid nedover til for eksempel en dumpingsformasjon.

Det skal nå generelt henvises til fig. 2, hvor det er vist en utførelse av et typisk trinn 40. Motorseksjonen 44 omfatter en drivmotor 90 som er koblet til og er i stand til å drive i rotasjonsbevegelse et pumpehjul 92 som er anordnet i en pum-peseksjon 42. Drivmotoren 90 har en integrert fluidstrømningsbane 94 hvori fluid trekkes ut fra en diffusor 96 som er anordnet i diffuserseksjonen 46. Fluid trekkes gjennom diffuserens strømningspassasje 98 langs en strømningsbane 94, gjennom motorseksjonen 44 samt inn i flere pumpeskovler 100. Etter hvert som pumpehjulet 92 roterer, vil fluidkraft bli drevet ut fra pumpeskovlene 100 til det neste påfølgende trinn 40 eller eventuelt ut av det integrerte utstyr 10.

Pumpehjulet 92 kan være understøttet av et aksiallager 102.1 tillegg kan de forskjellige indre trinnkomponenter være innelukket i det ytre hus 104 med en øvre ende 106 og en nedre ende 108. Hvis trinnene 40 er utført som modultrinn, er hu-sendene 106 og 108 konfigurert som monteringsender som etter valg kan kobles til tilstøtende komponenter eller kobles fra disse. Det bør også bemerkes at ar-rangementet av komponenter inne i hvert trinn kan modifiseres. Modultrinnene kan for eksempel være utført med diffusoren øverst, mens pumpehjulet er anordnet mellom diffusoren og drivmotoren.

En viss utførelse av drivmotoren 90 er vist i fig. 11.1 denne utførelse omfatter drivmotoren 90 en motor med sylinderformet rotor, slik som en vekselstrøm-drevet induksjonsmotor. Drivmotoren 90 kan imidlertid også omfatte andre motor-typer, slik som en reluktansmotor, en synkronmotor med permanentmagneter eller len likestrømsmotor. Det viste motoreksempel omfatter en motorrotor 110 med en gjennomgående strømningsbane 112 gjennom rotoren. Rotoren 110 er understøt-tet av et aksiallager 114 ved sin nedre ende samt er koblet til pumpehjulet 92 ved sin øvre ende. I denne bestemte utførelse er diffusoren 96 anordnet på oversiden av pumpehjulet 92 inne i trinnet 40. Dette trinn kan imidlertid uten videre være ut-ført for å passe inn diffusoren 96 på undersiden av drivmotoren 90, slik som vist i fig. 10. På lignende måte kan aksiallageret 114 være plassert på undersiden av pumpehjulet 92, slik det også er angitt i fig. 10. Rotoren 110 er omsluttet av en stator 116 med flere statorviklinger som anvendes for å frembringe rotasjon av rotoren 110, slik det vil være kjent for vanlige fagfolk innenfor området.

I denne utførelse så vel som i andre utførelser av drivmotoren 90, kan

mange forskjellige indre følere, for eksempel følerne 111A og 111B, anvendes for avføling av fluid og/eller motorrelaterte parametere. En føler 111A kan for eksempel være plassert nær inntil pumpehjulet 92 for å avføle hastighet eller vibrasjoner. Et annet følereksempel, slik som føleren 111B, kan være posisjonsinnstilt på mange forskjellige steder for å avføle temperatur. Utgangssignalene fra følerne kan overføres til en hensiktsmessig overvåker eller regulator.

Et annet eksempel på utførelsen av drivmotoren 90 er en motor 118 med permanentmagneter, slik som vist i fig. 12 til og med 14.1 denne utførelse er en rotor 120 anordnet for rotasjon på oversiden av en stator 122. Rotoren 120 omfatter flere nedoverrettede permanentmagneter 124, slik som vist i fig. 12 og 14. Permanentmagnetene 124 samarbeider med flere elektromagneter 126 anordnet i statoren 122 samt vendt mot permanentmagnetene 124, slik som anskueliggjort i fig. 12 og 13. Energisering av elektromagnetene 126 i rekkefølge frembringer rotasjonsbevegelse av rotoren 120 og pumpehjulet 92, som da er koblet til eller ut-gjør en del av rotoren 120. Som ved de tidligere omtalte utførelser, trekkes fluid oppover gjennom diffusoren 96, statoren 122 og rotoren 120 langs en strøm-ningsbane angitt som strømningsbanen 128 (se fig. 12).

Mange forskjellige lagerkonstruksjoner, slik som for eksempel et radiallager 130, kan anvendes for å begrense de frihetsgrader innenfor hvilke rotoren 120 og pumpehjulet 92 tillates å bevege seg. Denne motortype tillater imidlertid eliminering av ett eller flere av disse lågere eller slitasjeflater ved å styre posisjonsinnstillingen av rotoren 120 og pumpehjulet 92 ved hjelp av elektromagnetiske krefter i stedet for ved mekaniske begrensninger (se fig. 15).

Ved hensiktsmessig innretning av magnetpolene og ved å avgi strøm til elektromagnetene, vil rotoren 120/pumpehjulet 92 kunne leviteres ved hjelp av frastøtningskrefter. Pumpehjulet kan da roteres ved selektiv energisering av elektromagnetene 126. Hvis ytterligere frihetsgrader reguleres elektromagnetisk, kan flere følere vanligvis inngå i trinnet for å måle rotorens posisjon i forhold til elektromagnetene. Disse følere kan være posisjonsinnstilt for å for eksempel bestemme aksialavstanden mellom elektromagnetene og rotoren, så vel som rotorens radiale forskyvning. Disse signaler fra følerne avgis til en regulator som da justerer energiseringen av elektromagnetene 126 for å regulere posisjonsinnstillingen og rotasjonshastigheten for rotoren 120/pumpehjulet 92.

Alt etter som fysiske opplagringer anvendes og det ønskede styrenivå for styring av pumpehjulet 92, kan ingen følere eller eventuelt mobile følere anvendes for å påvise pumpehjulets posisjon. Ved fysisk begrenset utstyr, for eksempel det utstyr som er vist i fig. 12, kan følere utelates i utstyr med åpen sløyfe. Følere blir imidlertid ofte benyttet for å detektere slike parametere som rotasjonshastighet og/eller pumpehjulets levitasjon. I utstyr som ikke er fysisk begrenset, for eksempel det utstyr som er vist i fig. 15 kan ytterligere følere anvendes for nøyaktig å detektere pumpehjulets posisjoner i flere frihetsgrader. Seks følere kan for eksempel anvendes for å detektere bevegelse i en hvilken som helst av disse fri-hetsgradretninger. Andre følere, slik som temperatur og trykkfølere kan også inngå i utførelsen.

Et annet utførelseseksempel for integrert pumpe- og motor er vist i fig. 16 til og med 19.1 denne utførelse utnytter en solenoid-drivmotor hovedsakelig C-formede solenoider 130 som samarbeider med et skjørt 132. Solenoidene 130 omfatter viklinger 133, for eksempel kopperviklinger, som er anordnet nær inntil et fordypningsområde eller luftgapområde 134 som er dimensjonert for å motta skjørtet 132. Dette skjørt 132 omfatter avvekslende partier 135 av ferritt og partier 135A som ikke utgjøres av ferritt, slik som vist skjematisk i fig. 17. Ved å energise-re viklingene 133 i solenoidene 130 i rekkefølge vil den resulterende magnetiske tiltrekning eller frastøting virke på de vekslende ferrittpartier på en slik måte at skjørtet 132 roteres langs fordypningspartiet 134. Som vist er skjørtet 132 koblet til pumpehjulet 92 for å frembringe rotasjon av dette. Når pumpehjulet roteres, blir fluid trukket langs en fluidstrømningsbane 136 gjennom diffuseren 96, drivmotoren 90 og pumpehjulet 92, som da avgir fluidet til den nærmest påfølgende komponent. I denne utførelse kan pumpehjulet 92 understøttes for rotasjon om sin akse ved hjelp av passende opplagringer, slik som et radiallager (138). I tillegg kan permanentmagneter 140 være anordnet på et nedre parti av pumpehjulet 92 og et øvre parti av diffusoren 96 for å opprette separerings- eller frastøtingskrefter mellom pumpehjulet 92 og diffusoren 96. Disse frastøtingskrefter letter separering av komponentene under drift av vedkommende trinn.

I en typisk anvendelse er benene på de C-formede solenoider 130 hovedsakelig rektangelformede i tverrsnitt, slik det er vist i fig. 17 og 18. Ved hensiktsmessig avbrytning av strømmen til solenoidene på periodisk basis, blir ferrittparti-ene av skjørtet 132 forskjøvet langs fordypningene 134 til rotasjon, slik det vil være kjent for vanlige fagfolk innenfor området. Behovet for å avbryte strømmen kan oppheves ved å forandre de C-formede solenoiders rektangulære profiler til å danne divergerende partier 144, slik som anskueliggjort i fig. 19. Hvert divergerende parti 144 blir da fremstilt med en fremre kant anordnet nærmere skjørtet 132 enn skjørtets bakkant for derved å frembringe de divergerende profiler. I den spesifikke utførelse som er vist, er da hvert parti 144 bredere i tverrsnitt ved sin forende og smalere ved sin bakre ende. Etter hvert som et ferrittparti 135 av skjør-tet 132 trekkes gjennom slike divergerende seksjoner 144, vil denne divergens i tilstrekkelig grad redusere den elektromagnetiske kraft fra solenoiden 130, slik at ferrittpartiet vil passere gjennom det divergerende parti 144 på en slik måte at skjørtet 132 og pumpehjulet tillates å fortsette sin rotasjon. Det bør imidlertid bemerkes at mange forskjellige drivmotorkonfigurasjoner, pumpehjulkonfigurasjoner, diffuserkonfigurasjoner og komponentarrangementer kan anvendes for fremstilling av trinnene 40 uten at de derfor avviker fra oppfinnelsens omfangsramme.

I hver av de angitte utførelseseksempler muliggjør den integrerte motor og pumpe eliminering av forskjellige komponenter som har vært nødvendig i vanlige nedsenkbare elektriske pumpeanordninger. Ingen aksel er således påkrevet for å koble en nedsenkbar motor til en separat nedsenkbar pumpe. I tillegg kreves ingen indre motorolje, hvilket ikke bare eliminerer behovet for slik motorolje, men også for forskjellige elastomerelementer, slik som pakninger, for eksempel aksel-pakninger. Fraværet av motorolje fjerner også behovet for en motorbeskytter anordnet mellom en nedsenkbar motor og en separat nedsenkbar pumpe.

Til sammen bør det forstås at den foregående beskrivelse er rettet på utfø-relseseksempler for denne oppfinnelse, og at oppfinnelsen på ingen måte er begrenset til de spesifikke utførelsesformer som er vist. Bruk av integrerte motor- og pumpetrinn kan for eksempel anvendes i mange forskjellige andre anvendelser enn nedhullsanvendelser. De innbyrdes uavhengige trinn kan således kombineres til å danne en enhetlig struktur eller bygges opp av moduler som lett kan sammenkobles med andre trinnmoduler så vel som komponenter av annen type, hvor de forskjellige styreanordninger kan variere basert på omgivelser, komponenter som anvendes i det integrerte utstyr, samt en type drivmotor som anvendes, og drivtrinnenes og andre komponenters antall og størrelse kan være tilpasset de forskjellige anvendelser. Den spesifikke utførelse av hvert trinn kan også variere eller være tilpasset til nye teknologier med hensyn til pumpe, motor og materialer. Disse og andre modifikasjoner kan finne sted med hensyn til utførelse og arrangement av vedkommende elementer uten derved å avvike fra oppfinnelsens omfangsramme, slik den er angitt i de etterfølgende patentkrav.

Claims

1. Integrert pumpesystem som omfatter: flere drivtrinn som er sammenkoblet i rekkefølge, idet hvert trinn omfatter en diffusor (96), en drivmotor (90) og et pumpehjul (42, 92), hvor hvert trinn omfatter en trinnidentifiserer (81) for å avgi informasjon til en styringsmodul (62, 83) med hensyn til minst én parameter for trinnet.

2. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor hvert trinn av de flere drivtrinn kan styres uavhengig av de øvrige.

3. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor ett eller flere av de flere trinn gjør tjeneste som strømningsregulerende ventil.

4. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvori ett eller flere ytterligere elementer er anordnet mellom minst to av trinnene blant de angitte flere trinn.

5. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor hvert trinn av de flere drivtrinn styres uavhengig av de øvrige for å opprettholde utstyrets drift på et funk-sjonelt nivå i tilfelle ett eller flere trinn skulle svikte.

6. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor pumpehjulet (42, 92) i hvert trinn kan roteres med en særegen hastighet i forhold til pumpehjulene (42, 92) i de øvrige trinn blant de angitte flere trinn.

7. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, styringsmodulmidlene (62, 83) omfatter et flertall styringsmoduler, der minst én styringsmodul (62, 83) er koblet til hvert av trinnene.

8. Integrert pumpesystem som angitt i krav 7, og hvor styringsmodulene (62, 83) kan trekkes ut uavhengig av de angitte flere drivtrinn.

9. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, videre omfattende en samleskinne for å tilveiebringe effekt til flertallet trinn.

10. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, videre omfattende et flertall in-dividuelle ledere for å tilveiebringe effekt flertallet trinn.

11. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, videre omfattende ledere innrettet i et stigeopplegg for å tilveiebringe effekt til flertallet trinn.

12. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, videre omfattende ledere innrettet i en ring for å tilveiebringe effekt til flertallet trinn.

13. Integrert pumpesystem som angitt i krav 2, hvori effekten tilveiebringes hvert trinn tvers over en isoleringsanordning.

14. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og som videre omfatter en hurtigkobling anordnet mellom minst to av trinnene.

15. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor hvert trinn videre omfatter en føler.

16. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor trinnidentifisereren (81) omfatter en strekkode.

17. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor trinnidentifisereren (81) omfatter en rekke magneter.

18. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor trinnidentifisereren (81) omfatter en mekanisme konfigurert for å frembringe et elektronisk kodet signal i en tidsrekkefølge med de øvrige trinn.

19. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor trinnidentifisereren (81) omfatter en rekke forsenkninger på hvert pumpehjul.

20. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor hvert trinn videre omfatter en parameterføler.

21. Integrert pumpesystem som angitt i krav 20, og hvor parameterføleren omfatter en hastighetsføler.

22. Integrert pumpesystem som angitt i krav 20, og hvor parameterføleren omfatter en temperaturføler.

23. Integrert pumpesystem som angitt i krav 20, og hvor omfatter en vibrasjons-føler.

24. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor drivmotoren (90) omfatter en induksjonsmotor.

25. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor drivmotoren (90) omfatter en reluktansmotor.

26. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor drivmotoren (90) omfatter en en synkronmotor med permanentmagneter (124).

27. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor drivmotoren (90) omfatter en likestrømsmotor.

28. Integrert pumpesystem som angitt i krav28, og hvor pumpehjulet (42, 92) er levitert under drift.

29. Integrert pumpesystem som angitt i krav 28, og hvor pumpehjulet (42, 92) ikke er fysisk avgrenset.

30. Integrert pumpesystem som angitt i krav 29, og som videre omfatter flere følere for å detektere pumpehjulets (42, 92) orientering.

31. Integrert pumpesystem som angitt i krav 28, og hvor levitasjonen forårsakes av frastøtningskrefter.

32. Integrert pumpesystem som angitt i krav 28, og som videre omfatter en re-guleringsanordning i åpen sløyfe for å meddele bevegelse til pumpehjulet (42, 92).

33. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor pumpehjulet (42, 92) omfatter et akselløst pumpehjul.

34. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor drivmotoren (90) er fri for smøreolje.

35. Integrert pumpesystem som angitt i krav 1, og hvor drivmotoren (90) er en solenoid-drivmotor med avvekslende ferrittpartier og partier uten ferritt.

36. Integrert pumpesystem som angitt i krav 35, og som videre omfatter flere divergerende solenoidpartier.