NO333616B1 - Magnetpumpe - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrører en rotordynamisk sentrifugalpumpe ved bruk innen pumping av hydrokarboner og vann i nedihulls applikasjon. Pumpen består av en eller flere lengderetningsarrangerte seksjoner tilpasset for å settes ned inn i en brønn, hvori hver seksjon består av et sentrifugalpumpearrangement som igjen består av en diffuser og en roterbar impeller til å akselerere en væske radialt. Diffuseren er anordnet til å lede væsken til et høyere nivå, og dermed pumpe væsken oppover i brønnen. Impelleren av hver seksjon er uavhengig drevet av sin egen motor, og impelleren er anordnet med aksiale og radiale lagre.

Description

Oppfinnelsen vedrører en rotordynamisk, sentrifugalpumpe til bruk innen pumping av hydrokarboner og vann i en nedihullsapplikasjon.

Det er tidligere kjent sentrifugalpumper for bruk i nedihullsapplikasjoner. Disse pumpene benytter et såkalt flertrinnsprinsipp, hvor pumpen består av flere vertikalanordnede trinn. Ett trinn består i hovedsak av en impeller og en ledekanal (diffusor) som reduserer væskens hastighet og øker det statiske trykket i systemet. Impellerne i trinnene er festet til en felles aksling som går gjennom samtlige trinn, og denne akslingen er drevet av en elektromotor. Et eksempel på denne teknikken er ESP pumper som eksisterer på markedet per idag. Grunnen til at det benyttes flere trinn er at hvert enkelt trinn har en begrenset evne til å levere trykkøkning. For å oppnå nok trykk må pumper av denne typen benytte flere trinn, koblet i serie, ovenpå hverandre.

Det er imidlertid ulemper ved eksisterende flertrinnspumper, for eksempel er alle drevet av én motor slik at hele pumpen stopper hvis motoren stanser. I tillegg blir de eksisterende konstruksjonene lange da motoren er montert under pumpetrinnene. Dette er et problem ved avvik (deviasjon) i brønner fordi stator og rotor kan komme i fysisk kontakt med hverandre. Dagens pumper sliter i tillegg med levetiden på grunn av slitasje i lagre og 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 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 totaløkonomi 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/styrkebegrensning 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 kunstig løft. 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 ledekanaler (diffusorer) i flere trinn. Antall trinn bestemmes ut fra nødvendig løftehøyde. Væsken suges inn i bunn av pumpen og for hvert trinn økes trykket, og store pumper kan ha mer enn 250 - 300 trinn . For å redusere antall trinn 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 pumpetrinn 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 lange. Disse motorene har liten klaring mellom stator og rotor, noe som gjør at små bøyninger (dog leg) i brønnbanen kan skape fysisk 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 som er 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 sistnevnte ikke har tilførsel av væske. Derved skapes et dynamisk trykk i pumpesteget, noe som gjør at det statiske trykket lenger nede gir pumpesteget 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 bunnen 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, overflatestrømningsrør, Annulus Sikkerhets Ventiler (ASV), gassløft ventiler (GLV) og gasstette rørgjenger i foringsrøret. Systemet kan være vanskelig å operere på en optimal måte fordi blandingsforholdet mellom olje, vann og eventuelt gass som produseres 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 også flere ulike drivmekanismer for pumpene. Det dreier seg om alt fra elektromagnetiske motorløsninger til løsninger med lineærmotorer. I tillegg er det kjent en enkeltvirkende 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 bunnen av brønnen. I patent US 1,740,003 er det vist en elektrisk drevet dobbeltvirkende stempelpumpe. For å snu stempelbevegelsen 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 lineærmotorer praktiske og kommersielle, blant annet fordi der er en kraftig økning i kraftforbruk hver gang motoren skal skifte retning.

Av tidligere kjent teknikk kan også nevnes US 5033937, US 6406277, US 4781531 og US 2003/0155128. Fra publikasjon US 5033937 er det kjent en pumpe for en brønn, innbefattende en eller flere lengderetningsarrangerte seksjoner tilpasset for å settes ned inn i en brønn, hvor hver seksjon består av et sentrifugalpumpearrangement som består av en ledekanal (diffusor), en roterbar impeller til å akselerere en væske radialt. US 6406277 viser også en pumpe for en brønn bestående av flere trinn med impellere og ledekanaler. Impellerne er drevet av en felles aksling og har ikke sin uavhengige motor. US 4781531 og US 2003/0155128 viser begge en pumpe med flere pumpetrinn som er satt sammen av impeller og ledekanal.

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, fortrinnsviss en permanentmagnetmotor. I tillegg bruker pumpen lager, fortrinnsvis magnetlagre, for å ta opp kreftene i anordningen. En permanentmagnetmotor 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 stanser. Hver motor kan kjøres på et individuelt turtall slik at kavitasjon kan unngås. Pumpen i følge oppfinnelsen bruker en ny type lagerarrangement slik at levetiden økes. Siden motoren ikke lenger leveres som en lang enhet, men er delt opp i ulike steg, så håndterer pumpen brønndeviasjon langt bedre enn eksisterende pumper. Service på pumpen blir enklere ettersom stegene ikke er sammenkoblet med en felles aksling.

Ifølge et utførelseseksempel kjennetegnes pumpen ved at den i prinsippet består av permanentmagnetmotorer som individuelt driver impelleren i pumpetrinnet og at den benytter magnetlagre for å ta opp kreftene i anordningen.

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

Fig 1 viser prinsipp av flere pumpetrinn

Fig 2 viser prinsipp av permanentmagnetmotor

Fig 3 viser snitt av permanentmagnetmotor

Fig 4 viser snitt av pumpetrinn med impeller, ledekanal (diffusor) og permanent magnetmotor.

Fig 5 viser prinsipp av aksial permanentmagnetmotor.

Fig 6 viser snitt av aksial permanentmagnetmotor.

Fig 7 viser snitt av pumpetrinn med impeller, ledekanal (diffusor) og aksial permanentmagnetmotor.

Fig 8 viser snitt av to pumpetrinn inklusive prinsipp av lagerarrangement.

Fig 9 viser snitt av aksialt plassert motor inklusive prinsipp av lagerarrangement. Fig 10 viser snitt av to pumpetrinn med aksialt plassert motor inklusive prinsipp av lagerarrangement.

Fig 11 viser grovskisse for tilkobling av strøm.

Fig 12 viser et utførelseseksempel hvor pumpen anvendes sammen med plugg/pakning.

Som vist i Fig 1 består pumpen ifølge oppfinnelsen av flere trinn.

Som vist i Fig 4 består pumpetrinnene (1) av, som i konvensjonelle sentrifugalpumper, en impeller (2) og en ledekanal (diffusor) (3). Antallet trinn kan varieres etter 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 ledekanalen (diffusoren) (3).

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

Dette betyr at når PM motoren begynner å rotere, så roterer impelleren. Impelleren roterer innenfor den stasjonære ledekanalen (diffusoren). Festemåten 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 impellerens diameter og intern strømningsdesign av impelleren og ledekanalen (diffusoren).

Figur 4 viser hvordan PM motoren kan plasseres uten å innvirke på impellerdiameteren. Impelleren og ledekanalen (diffusoren) sin interne optimalisering av strømningen i anordningen er ikke påvirket av oppfinnelsen grunnet PM motorens plassering slik at pumpeløsningen ifølge oppfinnelsen kan anvendes på kjente impeller og ledekanaldesign.

Ifølge oppfinnelsen kan flere trinn bli montert ovenpå hverandre slik at pumpekapasiteten kan modifiseres etter behov. Pumpetrinnene er konstruert med en mekanisk styring slik at de ikke kan rotere i forhold til hverandre. Ifølge et utførelseseksempel er alle trinnene plassert inne i et rør. Røret sin lengde varierer etter antallet trinn som blir brukt for å oppnå ønsket kapasitet på systemet. I bunn av røret står en konvensjonelt brukt bunn og i toppen en konvensjonelt brukt topp. Disse to skrues ned i røret 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 ledekanalen (3) og ved montering føres akslingen på impelleren inn i lagre slik at impelleren blir radielt opplagret mot ledekanalen. Montert på denne måten får impelleren radiell støtte slik andre konvensjonelle sentrifugalpumper med felles aksling får.

Opplagringen av aksielle krefter blir gjort av ett aksiallager(l 1) plassert mellom impelleren i det overliggende pumpetrinnet og ledekanalen i det nedenforliggende pumpetrinnet, 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 ledekanalen. Lagret kan være av typen passiv magnetlager. Denne lagertypen er i teorien friksjonsfri med økt levetid for lagrene som resultat. Lagerarrangementet utelukker ikke bruk av vanlig aksialt glidlager. Dette kan være av typen konvensjonelt aksiallager.

PM motoren strømsettes på konvensjonelt kjent måte med strømkabel. Redundans er vitalt slik at pumpen ikke stopper hvis et pumpetrinn stopper. Ledekanalene (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 en prinsipptegning på en aksial PM motor (7). Også denne består av en roterende del (8) og en stasjonær del (9). I et annet utførelseseksempel kan disse posisjoneres motsatt. Denne typen motor er også den kjent i markedet. Figur 7 viser et annet utførelseseksempel da motoren er plassert aksialt i et pumpetrinn. Den stasjonære delen av motoren (9) er montert i den underliggende ledekanalen (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 innløpssiden fra utløpssiden 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 innløpssiden og utløpssiden av pumpen. Ventilen kan være for eksempel en magnetventil. Pumpen kjøres inn og trekkes ut ved hjelp av en kabel (24).

Claims (8)

1. En pumpe for en brønn, innbefattende et eller flere i lengderetning arrangerte trinn (1) tilpasset for å settes ned inn i en brønn, hvor hvert trinn består av et sentrifugalpumpearrangement som består av en ledekanal (3), en roterbar impeller (2) til å akselerere en væske radialt, hvilken ledekanal er anordnet til å lede væsken til et høyere nivå, og dermed pumpe væsken oppover i brønnen, karakterisert vedat impelleren i hvert trinn er uavhengig drevet av sin egen motor (5), hvilken motor (5) har et hulrom i senter for strømning av væske, og at impelleren er anordnet med aksiale og radielle lager.

2. En pumpe i henhold til krav 1, karakterisert vedmotoren er en permanentmagnetmotor innbefattende en stasjonær del (5) festet til ledekanalen og en roterende del (6) festet til impelleren for drift av denne.

3. En pumpe i henhold til krav 1, karakterisert vedat motoren er en elektrisk motor med en stasjonær del (5) festet til ledekanalen og en roterende del (6), festet til impelleren for drift av denne.

4. En pumpe i henhold til krav 1, karakterisert vedat motoren er en hydraulisk motor med en stasjonær del (5) festet til ledekanalen og en roterende del (6), festet til impelleren for drift av denne.

5. En pumpe i henhold til et av kravene 1-4, karakterisert vedat motorene i trinnene er ordnet med parallelle kraft eller energi tilkoblinger, og hvor hver motor er uavhengig kontrollert fra en kontrollenhet.

6. En pumpe i henhold til et av kravene 1-5, karakterisert vedat hvert trinn inneholder sensorer for å måle trykk, temperatur eller både trykk og temperatur på væsken, i det sensorene er i elektrisk forbindelse med kontrollenheten.

7. En pumpe i henhold til et av kravene 1-6, karakterisert vedat lagrene er magnetlagre.

8. En pumpe ifølge et av kravene 1-7,karakterisert vedat pumpen er anordnet i forbindelse med en fjernstyrt plugg, idet et pakningselement (19) kan settes i et produksjonsrør for å danne en innløpsside og en utløpsside, og hvor pluggen er utstyrt med et rør (22) som leder væsken fra innløpssiden, gjennom pluggen og videre til pumpen.