NO334688B1 - Pumpe med trykkompensert ringromsvolum - Google Patents

Abstract

Pumpe og pumpeseksjon, hvor pumpeseksjonen har en senterlinje og hvor pumpeseksjonen omfatter i det minste ett pumpetrinn, pumpetrinnet har en senterlinje og hvert pumpetrinn omfatter en motor og ett eller flere pumpesteg, og hvor pumpen innbefatter en ytre mantel omsluttende en eller flere indre mantler, den ytre mantelen danner en omslutning rundt pumpeseksjonen og har større diameter enn de indre mantlene, og de indre mantlene danner en omslutning rundt det minst ene pumpetrinnet, og hvor senterlinjen til pumpeseksjonen er forskjøvet i forhold til senterlinjen til pumpetrinnene slik at det dannes et ringrom mellom den ytre mantelen og den indre mantelen.

Description

Oppfinnelsens anvendelsesområde

Oppfinnelsen vedrører en pumpe som er delt opp i separate seksjoner, pumpetrinn og pumpesteg. Pumpen kan installeres nede i brønner for å pumpe hydrokarboner og vann til overflaten.

Oppfinnelsens bakgrunn

Det er tidligere kjent sentrifugalpumper for bruk nede i oljeproduserende brønner. Disse pumpene benytter et såkalt flerstegsprinsipp, hvor pumpen består av flere vertikalanordnede steg. Ett steg består i hovedsak av et pumpehjul (impeller) og en ledeskovl (diffusor). Alle pumpehjulene er festet til en felles aksling som går gjennom samtlige pumpesteg, og alle disse stegene er plassert inne i en og samme mantel. Akslingen som går gjennom samtlige pumpesteg er drevet av en elektromotor som er montert på undersiden (nedenfor i lengderetningen) av selve mantelen. Et eksempel på denne teknikken er Elektriske Nedsenkbare Pumper (eng. ESP = Electrical Submersible Pump) som eksisterer på markedet i dag. Grunnen til at flere pumpesteg benyttes er at hvert enkelt pumpesteg i seg selv har begrenset evne til å levere trykkøkning. For å oppnå nok trykk må pumper av denne typen bruke flere pumpesteg som er hydraulisk seriekoblet, og montert oppå hverandre i lengderetningen.

Det er imidlertid ulemper ved den tekniske utførelsen av eksisterende flerstegspumper, som for eksempel at alle pumpestegene er drevet av én motor via én felles aksling slik at hele pumpen stopper dersom motoren stanser. I tillegg blir de eksisterende konstruksjonene lange da motoren er montert under pumpestegene i lengderetningen. Dette er et problem når pumpen benyttes i brønner der brønnbanen har et avvik i forhold til vertikalen. Dagens pumper sliter i tillegg med kort levetid på lagrene på grunn av store belastninger og slitasje på pumpehjul grunnet kavitasjon.

Produksjon av hydrokarboner, og/ eller 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 og 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 trykket 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 kunstig løft 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 brønnbane. I tillegg vektlegges feltets beliggenhet (på land eller til havs) 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 landfelt med forholdsvis grunne reservoar og med noenlunde vertikale brønnbaner velges ofte et system som kalles nikkepumpe (eng. 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 rørvegg 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 begrensninger 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 jevnlige 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 (eng. Electrical Submersible Progressive Cavity Pump) er drevet av en elektromotor som står nede i brønnen, mens PCP (eng. 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 en 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 på installasjoner både til havs og på land, mens PCP benyttes kun på installasjoner til lands. Denne type pumper regnes for å være godt egnet til produksjon av tunge viskøse oljer, og de anses generelt for å ha en virkningsgrad som er bedre enn ESP som beskrives i neste avsnitt.

Elektrisk Nedsenkbar Pumpe (ESP) er en pumpetype som er mye benyttet til kunstig løft både på til havs og på landinstallasjoner. Pumpen monteres ned mot bunnen av brønnen som en integrert del av produksjonsrøret. Dette innebærer at dersom pumpen feiler så må hele produksjonsrøret trekkes ut av brønnen. Selve pumpen består i hovedsak av en elektromotor som står i bunnen, ut fra denne går det en aksling og på denne akslingen er det montert mange pumpehjul som er montert parvis med en tilhørende ledeskovl, et slikt par kalles et pumpesteg. Antall pumpesteg som monteres på akslingen fra elektromotoren, blir bestemt ut fra behovet for nødvendig løftehøyde (trykk), og store pumper kan ha mer enn 250 - 300 pumpesteg. Væsken suges inn i bunn av pumpen og for hvert pumpesteg økes trykket. For å redusere antall pumpesteg 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 pumpesteg i en ESP.

Virkningsgraden for slike ESP pumper regnes for å ligge på 0,3, og volumstrømmen kan variere fra noen få hundre fat per dag til 20-30.000 fat (1 fat = 158,97 liter) per dag. Elektromotoren i pumpen får kraft tilført fra overflaten gjennom en spesialkabel som festes på utsiden av produksjonsrøret og pumpemantelen før den kobles til elektromotoren som står i bunnen av pumpen. Pumpen styres fra overflaten ved hjelp av et system som kalles Variabel Hastighetskontroll (VSD = Variable Speed Drive). VSD transformerer vekselstrøm (AC) til likestrøm (DC) og tilbake til en vekselstrøm (AC) hvor frekvensen kan manipuleres. Denne manipuleringen av frekvensen brukes til å endre turtallet på pumpen. Dette skaper slitasje på elektriske kabler og koblinger samt at det kan føre til jordingsproblemer.

Normalt er det elektromotorer av typen induksjonsmotorer som driver selve pumpen, og på grunn av behov for mye kraft ved høye rater og dype brønner blir disse motorene forholdsvis lange. I disse motorene er det liten klaring mellom stator og rotor, noe som gjør at små bøyninger (avvik) 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 slike lange motorer på opp mot 20 m. På grunn av disse forhold har industrien utviklet Permanentmagnetmotorer (PM-motorer) som har et mer robust design. De mekaniske utfordringene knyttet til ESP er slitasje og varmgang på elektromotor, noe som PM-motorer antas å håndtere på en bedre måte.

Det utvikles også store aksialkrefter i selve ESP-pumpen. Der finnes ulike løsninger som er benyttet for å bedre dette forholdet, og som eksempel kan nevnes patent US 5,201,848. Dette patentet beskriver et pumpehjul som ikke bidrar til løfting av væske, men som skaper et statisk trykk som gir en oppad rettet kraft på akslingen. Det skjer ved at hovedpumpehjulet, som bidrar til løft, er montert oppå (i lengderetningen) et annet i pumpehjul i samme volum, der sist nevnte pumpehjul ikke har sirkulasjon av brønnvæske.

Ved siden av 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 fra reservoaret. Begge disse forhold sliter på pumpehjulene. Disse forholdene kan motvirkes ved å manipulere turtallet på motoren og derved også turtallet på pumpehjulene. Fri gass er også et problem for selve elektromotoren siden gassen har en dårligere evne enn væsker til å lede bort egenvarme som utvikles av elektromotoren. Alle disse forhold gjør at en gjennomsnittlig levetid for et ESP system antas å være om lag 1,5 år, men der er eksempler på at disse kan feile etter få uker i drift. Kostnadene ved å skifte ut en ESP vil variere med dybden på brønnen, dette fordi hele produksjonsrøret må trekkes ut. I tillegg til de direkte kostnadene ved operasjonen, som involverer bruk av borerigg, får man også kostnadene av utsatt produksjon.

En av de store svakhetene ved dagens ESP-pumper er at alle deler i pumpen er integrert. Som tidligere nevnt går akslingen ut fra motoren, fortsetter gjennom hele pumpens lengde, og alle pumpehjul er mekanisk koblet til denne akslingen. Dette medfører at dersom det oppstår en brekkasje på en eller flere av komponentene i pumpen, så stopper hele pumpen. I norsk patentsøknad nr. 20100871 og i amerikansk patentsøknad US2002/0066568 Al er det beskrevet løsninger der pumpen settes sammen av trinn som består av motor, pumpehjul og ledeskovl.

Gassløft er mye brukt som kunstig løft på installasjoner til havs der man har tilgang på produsert gass fra separatoranlegget som står på installasjonen. Prinsippet går ut på å reinjisere produsert gass inn i ringrommet, nærmere bestemt produksjonsringrommet, mellom produksjonsrøret og foringsrøret og ned mot produksjonspakningen i bunn av brønnen. På ulike nivåer i produksjonsrøret er det plassert gassløft-ventiler. Dette er enveis ventiler som tillater gassen i ringrommet å strømme inn i produksjonsrøret slik at trykket av den hydrostatiske søylen inne i produksjonsrøret reduseres. Dette skjer fordi gassen har en lavere tetthet enn væskene inne i produksjonsrøret, derved blir også det hydrostatiske mottrykket på reservoaret redusert slik at reservoartrykket, ved hjelp av den injiserte gassen, selv kan trykke de produserte væskene til overflaten. I prinsippet er gassløft et effektivt system, men det krever investeringer 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 blandingsforholdet mellom olje, vann og eventuelt gass som produsere fra reservoaret vil variere med kortere og lengre tidsintervaller. I tillegg er det en utfordring at reinjisert gass i produksjonsringrommet kan lekke ut i de ytre ringrommene gjennom foringsrørene. For å redusere faren for ukontrollet utstrømning av gass ved et eventuelt systemuhell, så ønsker nå flere oljeselskaper å utvikle en ISO V0 versjon av gassløft ventilene slik at de kan fjerne ASV, da det har vist seg at disse ASVene er sårbare for lekkasjer. Denne endringen vil være med på å øke investeringskostnadene for gassløftsystemet.

Det er tidligere kjent enkelt- og dobbeltvirkende 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 elektromagnetiske motorløsninger til løsninger med lineær-motorer. 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 i pumpen. En slik løsning er ofte designet for drift av mer enn ett 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 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 som er praktiske og kommersielle, blant annet fordi der er en kraftig økning i kraftforbruk hver gang motoren skal skifte retning.

Kjent teknikk omfatter også NO 301661 Bl, GB 2254656 A, GB 2403490 B og GB 2414773 B som viser ytterligere eksempler på pumper.

Pumpen ifølge oppfinnelsen omfatter i det minste en pumpeseksjon, hvor pumpeseksjonen har en senterlinje og hvor pumpeseksjonen omfatter i det minste to pumpetrinn, pumpetrinnene har en senterlinje og hvert pumpetrinn omfatter en motor og ett eller flere pumpesteg, og hvor pumpen innbefatter en ytre mantel omsluttende en eller flere indre mantler, den ytre mantelen danner en omslutning rundt pumpeseksjonen og har større diameter enn de indre mantlene, og de indre mantlene danner en omslutning rundt de i det minste to pumpetrinnene, og hvor senterlinjen til pumpeseksjonen er forskjøvet i forhold til senterlinjen til pumpetrinnene slik at det dannes et asymmetrisk ringrom mellom den ytre mantelen og den indre mantelen. Pumpen kan benyttes som en permanent, langvarig løsning i en produserende brønn, eller ved temporære operasjoner over kortere tidsrom slik som ved forskjellige typer brønnintervensjon etc. I følge et aspekt av oppfinnelsen innbefatter pumpen flere pumpeseksjoner for at anordningen skal få tilstrekkelig løftekapasitet til å utføre pumpeoperasjonen i den aktuelle brønnen. Et pumpetrinn er definert til å omfatte minst ett pumpesteg og en motor som driver ett eller flere pumpesteg i pumpetrinnet. Et pumpesteg i seg selv innbefatter et pumpehjul og en tilhørende ledeskovl.

Hvert enkelt pumpetrinn i pumpen er plassert inne i en indre mantel, hvor pumpetrinnene har en senterlinje/ senterakse. Mellom hvert pumpetrinn er det anordnet fluidtette koplinger slik at de indre mantlene er fluidtette. De fluidtette koplingene kan eksempelvis være i form av en O-ring og skruer, metall-metall-tetning og skruer, O-ring og gjengekopling, klammer, alle eventuelt i kombinasjon med kompresjon forårsaket av låseringer i topp og bunn av pumpeseksjonen.

Den indre mantelen kan i noen utførelser bestå av en, to eller flere deler basert på designfaktorer som hvilke motordesign som benyttes, antall pumpesteg i pumpetrinnet og design av selve pumpehjulet/pumpehjulene. De indre mantlene med pumpetrinnene er alle plassert inne i en ytre mantel som danner omslutningen til en pumpeseksjon. Senterlinjen til pumpetrinnene er forskjøvet i radiell retning, dvs. asymmetrisk, i forhold til en senterlinje/ senterakse til pumpeseksjonen slik at det dannes et asymmetrisk ringromsvolum mellom de indre mantlene og den ytre mantelen i en pumpeseksjon. Dette ringromsvolumet, som i en utførelse kan fylles med en væske av typen dielektrisk olje, benyttes til å plassere nødvendige, elektriske ledere, signalkabler, elektriske koblinger, elektronikk, målere og trykktette koblinger. Siden alle elektriske ledere og signalkabler ligger i det asymmetriske ringrommet, kan det være en fordel at det benyttes trykktette koblinger for å få ført fram kraft- og signalkabler til motorer og eventuelle sensorer som plasseres inn mot pumpetrinnets senter uten at der skapes hydraulisk kommunikasjon mellom ringromsvolumet og pumpetrinnets senter der brønnvæskene befinner seg.

Dette asymmetriske ringromsvolumet er trykkmessig i kommunikasjon med brønnen som pumpen er plassert i, men ringromsvolumet er lukket med en trykkompenserende barriere som hindrer brønnvæsken å trenge inn i det asymmetriske ringromsvolumet, og derved få kontakt med de komponenter som er plassert i dette ringromsvolumet. Dette er med å beskytte disse komponentene fra slitasje og forurensing slik at de får økt levetid.

Pumpen ifølge oppfinnelsen overvinner ulempene knyttet til at kun én elektromotor skal drive alle pumpestegene ved at pumpen ifølge oppfinnelsen kan benytte en motor i hvert pumpetrinn. Foruten at motoren kan drive et pumpesteg, så kan den i annen utførelse også drive to eller flere pumpesteg i pumpetrinnet via en felles aksling. Ifølge oppfinnelsen er pumpen utstyrt med motorer som står inn mot senter av de indre mantlene i pumpetrinnene, dvs motorene er plassert der brønnvæskene strømmer. Disse motorene kan i en utførelse være utformet som ringmotorer, i en annen utførelse kan pumpen være utstyrt med aksialmotorer. Uansett hvilke type motor som velges i den enkelte utførelse, så kan begge typer motor drive ett eller flere pumpesteg for å oppnå tilstrekkelig løftekapasitet. Dersom man bruker ringmotorer så vil brønnvæskene strømme i senter av ringmotorene. Dersom man bruker aksialmotorer så vil brønnvæskene strømme på utsiden av motorene, men fortsatt innvendig i de indre mantlene.

Pumpen har en innebygget reservekapasitet. Dette fordi hver pumpeseksjon er bygget opp av separate pumpetrinn som alle er drevet av en egen motor. Det medfører at dersom motoren i et pumpetrinn stopper, så skal alle de andre pumpetrinnene i pumpeseksjonen og eventuelt i de andre pumpeseksjonene, kunne fortsette å trykke brønnvæskene opp til overflaten. I denne sammenheng er det viktig at der er et asymmetrisk volum mellom de indre mantlene og den ytre mantelen i hver pumpeseksjon som tillater at alle nødvendige elektriske koblinger, elektronikk, målere og trykktette koblinger er plassert i et kontrollert miljø. Dersom en pumpe i en utførelse er utstyrt med for mange pumpesteg i et pumpetrinn som eventuelt stopper, så vil friksjonstapet i dette pumpetrinnet bli så stort (brønnvæskene må strømme gjennom mange pumpehjul som står i ro) at pumpen ikke klarer å levere en akseptabel volumstrøm selv om alle de andre pumpetrinnene er intakt, derfor vil der være en naturlig begrensning på hvor mange pumpesteg man kan ha i et pumpetrinn ut fra forholdene i brønnen.

Motorene i pumpetrinnene er fortrinnsvis permanentmagnetmotor, enten man benytter ringmotorer eller aksialmotorer. Alternativt kan motorene være elektriske induksjonsmotorer. En permanentmagnetmotor er i seg selv svært effektiv med høy virkningsgrad. Siden motorene ikke lenger leveres som en lang enhet, men er delt opp i ulike pumpetrinn, så håndterer pumpen brønnavvik langt bedre enn eksisterende pumper.

Siden pumpen kan ha et asymmetrisk ringromsvolum som benyttes til å plassere nødvendige elektriske koblinger, elektronikk, målere og trykktette koblinger, så kan den utstyres med et elektrisk system som er designet slik at man kan kjøre hver motor, og derved hvert pumpetrinn, på et individuelt turtall slik at kavitasjon kan unngås samtidig som man kan redusere slitasjen fra eventuell sandproduksjon.

Service på pumpen blir enklere ettersom pumpetrinnene ikke er sammenkoblet gjennom en felles aksling.

I en utførelse kan det benyttes aksiallagre og radiallagre til å ta opp kreftene som oppstår ved rotasjon av motorene. Ifølge et utførelseseksempel kjennetegnes pumpen ved at den benytter magnetlagre for å ta opp kreftene i pumpen. Disse kan være aktive magnetlagre eller passive magnetlagre. I et annet utførelseseksempel benyttes det mekaniske lagre, eller en kombinasjon av magnetiske lagre og mekaniske lagre.

Pumpetrinnene i pumpen er plassert innvendig i en ytre mantel. Den ytre mantelen har en gitt lengde som bestemmes av antallet pumpetrinn og praktiske fabrikasjonsforhold, samt tilgjengelig plass på overflaten. En slik lengde kalles en pumpeseksjon. Å dele pumpen opp i pumpeseksjoner vil også ha sine fordeler under operasjonen med å installere pumpen i en brønn. For å oppnå tilstrekkelig løftekapasitet og volumstrøm kan, som nevnt, flere pumpeseksjoner plasseres etter hverandre i lengderetning i en brønn og forbindes med hverandre ved hjelp av våtkoblinger (eng. wet connector) som sørger for at pumpeseksjonene står i elektrisk kontakt og i kommunikasjon med hverandre. En våtkobling er et standardisert prinsipp for å koble sammen/sammenføye elektriske ledere og/eller signalkabler i et volum som er fylt med væske. Koplingene benyttes ofte i forbindelse med brønner som enten er ferdigstilte eller under boring, og de benyttes for å kople en eller flere elektriske kabler til en motor eller maskin som trenger elektrisk kraft eller signaloverføring. Disse elektriske kontaktene vil bli benyttet til kraft- og signaloverføring mellom pumpeseksjonene slik at alle pumpetrinn og pumpeseksjoner kan styres fra overflaten ved hjelp av en styringsenhet for variabel hastighet (VSD), og at også data fra sensorer i pumpen kan overvåkes fra en styringsenhet på overflaten. Derved er det, som for andre ESP-pumper, mulig å optimalisere driften av pumpen ut fra trykk forhold i brønnen og komposisjonen på væskene som skal løftes til overflaten.

I en utførelse kan motorene i pumpetrinnene være elektrisk koplet slik at de kan opereres uavhengig av hverandre, med likt eller forskjellig antall omdreininger per minutt, og med lik eller forskjellig rotasjonsretning.

Det faktum at pumpen er delt inn i pumpeseksjoner gjør at den kan installeres i en brønn ved hjelp av kabeloperasjoner, selv om pumpen er beregnet for å benyttes til permanent kunstig løft, noe som vil tilsi at der i de fleste tilfeller vil være behov for flere pumpeseksjoner for å oppnå tilstrekkelig trykk og produksjonsrate. Dette er ikke en utførelse som er mulig med dagens ESP-systemer. I en utførelse kan pumpen installeres i brønnen ved hjelp av rør. At installasjonen kan foretas ved å benytte industristandardene kabeloperasjoner, kveilerør, trykkrør eller borerør er noe som reduserer installasjonskostnadene kraftig i forhold til dagens pumper som må installeres som en integrert del av produksjonsrøret. I tillegg reduserer dette kostnadene ved å trekke ut igjen pumpen dersom der skulle oppstå driftsproblemer. Siden pumpen kan kjøres på kabel, så kan den også benyttes under brønnintervensjoner der brønner må ha hjelp for å starte produksjonen. Under slike temporære installasjoner vil pumpen bli trukket ut av brønnen så snart brønnen strømmer naturlig på grunn av overtrykket i reservoaret. Dette vil være en langt billigere metode enn dagens metode med å injisere gass i brønnen ved hjelp av kveilerør for å få startet brønnen.

I en utførelse av pumpen omfatter de indre mantlene i det minste ett avstandstykke på deres radielle utside for å tillate at senterlinjen til pumpetrinnene blir forskjøvet i forhold til senterlinjen til pumpeseksjonen. Avstandstykkene kan omfatte gjennomføringshull for kabler, ledninger, linjer etc.

Oppfinnelsen vedrører også en pumpeseksjon med en senterlinje i den aksielle lengderetningen, hvor pumpeseksjonen omfatter i det minste to pumpetrinn, pumpetrinnene har en senterlinje og hvert pumpetrinn omfatter en motor og ett eller flere pumpesteg, og hvor pumpeseksjonen innbefatter en ytre mantelo ms hittende en eller flere indre mantler, den ytre mantelen danner en omslutning rundt pumpeseksjonen og har større diameter enn de indre mantlene, og de indre mantlene danner en omslutning rundt de i det minste to pumpetrinnene, og hvor senterlinjen til pumpeseksjonen er forskjøvet i forhold til senterlinjen til pumpetrinnene slik at det dannes et ringrom mellom den ytre mantelen og den indre mantelen.

Formålene med oppfinnelsen er oppnådd ved de selvstendige krav, mens ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige kravene.

Pumpen ifølge oppfinnelsen beskrives med henvisning til ikke-begrensende tegninger, hvor: Figur 1 viser prinsippskisse av et snitt gjennom en pumpeseksjon med tilhørende pumpetrinn og pumpesteg

Figur 2 viser snitt av to pumpetrinn drevet av ringmotorer

Figur 3 viser en prinsippskisse av en temporær installering av en pumpe

Figur 4 viser snitt av ett pumpetrinn med tre pumpesteg drevet av en ringmotor Figur 5 viser snitt av en seksjon med tre pumpetrinn som har henholdsvis ett, to og tre pumpesteg der hvert pumpetrinn er drevet av aksialmotorer Figur 6 viser et snitt der en utførelse for sammenkobling av to pumpetrinn er skissert Figur 7 viser et snitt gjennom toppen av en pumpeseksjon i pumpen når den installeres temporært i en brønn Figur 8 viser snitt gjennom et utsnitt av en pumpeseksjon med et pumpetrinn som har et pumpesteg drevet av en ringmotor Figur 9 viser en pumpe for temporær installasjon i en brønn, der pumpeseksjonen er vist med et snitt Figur 10 viser skjematisk en utførelse av en permanent installasjon av tre pumpeseksjoner i en brønn

Figur 11 viser prinsippskisse med et snitt gjennom en våtkobling

Figur 12 viser prinsippskisse av et snitt gjennom en sammenkobling av to pumpeseksjoner Figur 1 viser en prinsippskisse av en pumpeseksjon 1 der pumpetrinnene 7 med indre mantler 9 og en senterlinje 11 er plassert radielt forskjøvet, asymmetrisk, i forhold til en senterlinje 10 til pumpeseksjonen 1. På den måten dannes det et ringromsvolum 2 mellom den ytre mantelen 8 i pumpeseksjonen 1 og de indre mantlene 9 i pumpetrinnene 7. Asymmetrien er vist ved at senterlinjen 10 til pumpeseksjonen 1 ligger forskjøvet tilvenstre for den felles senterlinjen 11 til pumpetrinnene 7. Figur 1 viser også at de fire pumpetrinnene 7 hver består av en motor 5 og pumpesteg 6. Av figuren framkommer det også at i akkurat denne utførelsen som er vist her, så har hvert pumpetrinn 7 kun ett pumpesteg 6. Et pumpesteg 6 består av et pumpehjul 4 og en ledeskovl 3. Brønnvæsken som skal løftes til overflaten, vil strømme innvendig i hvert pumpetrinn 7. Figur 2 viser en utførelse av to pumpetrinn 7 som begge, i denne utførelsen, inneholder ett pumpesteg bestående av et pumpehjul 4 og en ledeskovl 3. Pumpehjulet 4 er i denne utførelsen drevet av en ringmotor 13 som består av en stator 16 og en rotor 15.1 en utførelse av et pumpetrinn 7 så kan pumpehjulet 4 være en integrert del av rotoren 15 når det benyttes en ringmotor 13 til å drive pumpetrinnet 7. Når pumpetrinnet 7 settes i drift med en roterende bevegelse for å løfte brønnvæsken opp til overflaten, så vil rotoren 15 og pumpehjulet 4 rotere med samme hastighet. De aksialkreftene som da oppstår i pumpetrinnet 7, tas opp av et aksiallager 14, mens sentripetalkreftene som skapes tas opp av et radiallager 12. Når pumpetrinnene 7 er i drift så vil brønnvæsken fra det nedenforliggende pumpetrinnet 7 i pumpeseksjonen i denne utførelsen tas inn i det innvendige hulrommet 17 i ringmotoren 13, videre ledes brønnvæsken inn i pumpehjulet 4 hvor den akselereres slik at den får et økt dynamisk trykk. Når brønnvæsken forlater pumpehjulet 4 sendes den inn i ledeskovlen 3 der deler av det dynamiske trykket blir omgjort til et statisk trykk. På denne måten blir brønnvæsken løftet innvendig fra hvert pumpetrinn 7 til et ovenforliggende pumpetrinn 7 helt til den forlater pumpen med tilstrekkelig trykk til at den kan løftes til overflaten. Figur 3 gir en skjematisk innføring i hvordan pumpen 18 vil fungere når den er temporært installert i en brønn 19.1 den skisserte utførelsen i figur 3 er pumpen 18 temporært installert i brønnen 19 sitt produksjonsrør 20 ved hjelp av en kabel 21. Brønnvæsker 22 (hydrokarboner og vann) kommer inn i brønnen 19 fra formasjoner 25 i undergrunnen. Brønnvæskene 22 stiger opp mot pumpen 18 sitt innløp 24, går gjennom pumpetrinnene 7 hvor de tilføres trykk, før de forlater pumpen sitt utløp 23 i toppen med tilstrekkelig trykk til at de kan løftes til overflaten. I de tilfeller når pumpen 18 er temporært installert i en brønn 19 vil pumpen 18 og kabelen 21 bli trukket opp og fjernet fra brønnen 19 når denne har nok trykk til å strømme av seg selv. For å unngå at brønnvæskene 22 skal sirkulere mellom pumpen sitt innløp 24 og utløp 23 er den utstyrt med en pakning 26 som opptrer som en hydraulisk barriere mellom innløpet 24 og utløpet 23. Figur 4 viser en utførelse av et pumpetrinn 7 med tre pumpesteg 6. Det nederste pumpesteget 6 på figur 4 (det som står i bunn av pumpetrinnet 7) er drevet av en ringmotor 13 som består av en stator 16 og en rotor 15. Figuren viser at i denne utførelsen er alle de tre pumpehjulene 4 drevet av en felles aksling 27 som igjen er festet til pumpehjulet 4 i det nederste pumpesteget 6 på figuren, og hvor dette pumpehjulet 4 igjen er festet til rotoren 15 i ringmotoren 13 som da driver alle pumpestegene 6 i dette pumpetrinnet 7. Videre viser figuren at i denne utførelsen er hvert eneste pumpesteg 6 utstyrt med et radiallager 12 og et aksiallager 14. Figur 5 viser snitt av en utførelse av en pumpeseksjon 1 med tre pumpetrinn 7 som har henholdsvis ett, to og tre pumpesteg 6 (regnet fra toppen av pumpeseksjonen 1, og fra toppen av figur 5). Hvert av disse pumpetrinnene 7 er drevet av aksialmotorer 29. Ut fra hver aksialmotor 29 går der en aksling 28 som er festet til rotordelen inne i aksialmotorene 29, og på disse akslingene 28 er alle pumpehjulene 4 i pumpeseksjonen 1 festet slik at de roterer når aksialmotorene 29 er i drift. Figur 5 viser også avstandsstykker 30 med gjennomføringshull for kabler. Disse avstandsstykkene 30 låser de indre mantlene 9 asymmetrisk i den ytre mantelen 8. Også i denne utførelsen er hvert pumpesteg 6 utstyrt med et nødvendig antall aksiallager 31 og radiallager 32 for å oppta de dynamiske kreftene som oppstår når pumpetrinnene 7 er i drift. Figur 6 viser et snitt av en utførelse for en sammenkobling 33 av to pumpetrinn 7, der pumpetrinnene 7 i dette utførelseseksempelet er drevet av ringmotorer 13. Hvert pumpetrinn 7 er en uavhengig enhet i forhold til de omliggende pumpetrinnene 7, slik at dersom et pumpetrinn 7 slutter å virke under drift, så skal de andre pumpetrinnene 7 fortsatt kunne løfte brønnvæsken til overflaten. Figur 7 viser et snitt gjennom toppen av en pumpeseksjon 1 i en utførelse der pumpen installeres temporært i en brønn. Figur 7 viser toppen av et pumpetrinn 7 der brønnvæsken kommer ut av pumpetrinnet 7 gjennom kanalen 40 i toppen av pumpetrinnet 7. Videre går brønnvæsken så gjennom hulrommet i toppstykket 38 før den går ut gjennom hullene 35 i toppstykket 38 og deretter videre ut gjennom hullene i 41 i låseringen 36 og ender innvendig i brønnens produksjonsrør. I figur 7 er det også vist en utførelse der en metallbelg 37 er montert i toppstykket 38, denne delen av toppstykket vil være fylt med brønnvæske slik at metallbelgen 37 eksponeres for brønnvæsken og derved også brønntrykket. Metallbelgen 37, som er væskefylt, komprimeres ved økende brønntrykk og ekspanderer ved fallende brønntrykk, dette gjør at brønntrykket kompenserer trykket inne i det væskefylte ringromsvolumet 2 gjennom kanalen 39 i toppstykket 38. På denne måten er det likt absolutt trykk på innsiden og utsiden av både den indre mantelen 9 og den ytre mantelen 8. Figur 8 viser snitt gjennom et utsnitt av en pumpeseksjon med et pumpetrinn 7 som har et pumpesteg 6 drevet av en ringmotor 13 der brønnvæskene 22 strømmer i senter av ringmotoren 13. På figuren er også vist det væskefylte og trykkompenserte ringromsvolumet 2 som er omsluttet av den ytre mantelen 8 og avgrenset av den indre mantelen 9.1 bunnen av pumpetrinnet 7 er det vist en utførelse av avstandsstykket 30 med gjennomføringshull som sørger for at den indre mantelen 9 står asymmetrisk i forhold til den ytre mantelen 8. Figur 9 viser en pumpe montert på en verktøystreng 48. Denne verktøys trengen 48 benyttes for temporær installasjon av pumpen i en brønn. Med temporær installasjon forstås at pumpen kun skal bli i brønnen i en begrenset periode for å starte produksjonen i denne. I toppen av verktøystrengen 48 er det i denne utførelsen vist et kabelhode 42 som brukes til å feste verktøystrengen 48 til kabelen 21 som går helt til overflaten. Nedenfor kabelhodet 42 i lengderetningen står det en telemetriseksjon 43, denne benyttes til å sende data til overflaten fra ulike sensorer i verktøystrengen 48 og til å motta data fra overflaten til styring av elementer i verktøystrengen 48. Under telemetriseksjonen 43 står det en dybdekontrollenhet 44, og under den igjen står det en elektrisk seksjon 45. Denne benyttes til omforming av den elektriske kraften fra overflaten fra likestrøm til vekselstrøm som sendes videre ned i pumpeseksjonen 1 via kabler innvendig i verktøystrengen 48 til drift av motorene i pumpetrinnene 7. Nedenfor seksjonen 1 står det en overgang 46 til pluggen 47 som er utstyrt med en pakning 26. Når verktøystrengen 48 er kommet til ønsket dyp i brønnen, så utvides pakningen 26 ved hjelp av settemekanismen i pluggen 47 slik at pakningen 26 kontakter innsiden av produksjonsrøret i brønnen. Derved stenger pakningen 26 den hydrauliske kommunikasjonen mellom innløpet 24 til brønnvæskene og utløpet 23 til brønnvæskene. Figur 10 viser skjematisk en utførelOse av en permanent installasjon av tre pumpeseksjoner 1 i produksjonsrøret 20 i en brønn. Hver pumpeseksjon 1 kan kjøres inn i brønnen ved hjelp av en kabel eller et rør. Den nederste pumpeseksjonen 1 kjøres først inn i brønnen og lander i en profil 49 som er forhåndsinstallert sammen med produksjonsrøret 20. Profilen 49 er en integrert del av produksjonsrøret 20. Denne profilen 49 har tilførsel av kraft og nødvendige kabler for dataoverføring fra overflaten gjennom kabelen 50 som også er forhåndsinstallert i brønnen sammen med produksjonsrøret 20.1 overgangene 51 mellom pumpeseksjonene 1 er det en våtkoblinger som er skjematisk vist i figur 11. Når alle de tre pumpeseksjonene 1 som er vist i denne utførelsen er på plass i produksjonsrøret 20, kan pumpen startes. Brønnvæskene 22 tas da inn i pumpen gjennom dens innløp 24, og brønnvæskene 22 tilføres nødvendig trykk etter hvert som de pumpes gjennom pumpetrinnene og pumpestegene i pumpeseksjonene 1 før de sendes ut i produksjonsrøret gjennom pumpen sitt utløp 23 med tilstrekkelig trykk til at de kan strømme til overflaten. Figur 11 viser prinsippskisse av en våtkobling 52. Våtkoblingen 52 er i denne utførelsen plassert slik at brønnvæskene vil strømme på utsiden av hunndelen 53 når pumpen er i drift, men innvendig i de ytre mantlene. Hanndelen 54 vil stå plassert som en integrert del i en underliggende pumpeseksjon og hunndelen 53 som en integrert del i en overliggende pumpeseksjon. Ved installering vil den underliggende pumpeseksjonen installeres først nede i brønnen. Når denne er på plass kjøres den overliggende pumpeseksjonen inn i brønnen og landes på den underliggende pumpeseksjonen, hunndelen 53 vil da gli nedover hanndelen 54 i pilens 57 retning. Når pumpeseksjonene er på plass i brønnen vil hunndelen 53 omslutte hanndelen 54 slik at der oppstår elektrisk kontakt og kommunikasjon mellom de to pumpeseksjonene. Hunndelen 53 er utstyrt med elektriske koblinger 55 som passer til hanndelen 54 sine elektriske koblinger 58. Hunndelen sine elektriske koblinger 55 er separert fra hverandre med elektriske isolatorer 56. Hanndelen 54 sine elektriske koblinger 58 er også separert fra hverandre med elektriske isolatorer 59. Figur 12 viser en prinsippskisse av et snitt gjennom en sammenkobling av en overliggende pumpeseksjon 61 og en underliggende pumpeseksjon 62. Når de to pumpeseksjonene 61, 62 i denne utførelsen føres sammen så vil hunndelen 53 av våtkoblingen gli nedover hanndelen 54 i våtkoblingen slik at de to pumpeseksjonene 61, 62 blir elektrisk sammenkoblet. Både hunndelen 53 og hanndelen 54 er sammenkoblet mot hver sin pumpeseksjon 61, 62 ved hjelp av festebraketter 60 og disse er igjen festet til den ytre mantelen 8 i pumpeseksjonene 61, 62.1 figur 12 er det også vist hvordan hunndelen 53 og hanndelen 54 i denne utførelsen er plassert i

forhold til det asymmetriske, væskefylt og trykkompensert ringromsvolumet 2 og de indre mantlene 9.

Oppfinnelsen er nå beskrevet med et ikke-begrensende utførelseseksempel. En fagmann vil imidlertid forstå at det kan utføres en rekke variasjoner og modifikasjoner for pumpen innenfor rammen av oppfinnelsen, slik den er definert i de vedføyde patentkravene.

Claims (15)

1. Pumpe omfattende i det minste en pumpeseksjon (1), hvor pumpeseksjonen (1) har en senterlinje (10) og hvor pumpeseksjonen (1) omfatter i det minste to pumpetrinn (7), pumpetrinnene (7) har en senterlinje (11) og hvert pumpetrinn (7) omfatter en motor (5) og ett eller flere pumpesteg (6), og hvor pumpen innbefatter en ytre mantel (8) omsluttende en eller flere indre mantler (9), den ytre mantelen (8) danner en omslutning rundt pumpeseksjonen (1) og har større diameter enn de indre mantlene (9), og de indre mantlene (9) danner en omslutning rundt de i det minste to pumpetrinnene (7), og hvor senterlinjen (10) til pumpeseksjonen (1) er forskjøvet i forhold til senterlinjen (11) til pumpetrinnene (7) slik at det dannes et ringrom (2) mellom den ytre mantelen (8) og den indre mantelen (9).

2. Pumpe ifølge krav 1,karakterisert vedat ringrommet (2) er fluidfylt og i trykkommunikasjon med et omkringliggende fluid.

3. Pumpe ifølge et av kravene 1-2,karakterisert vedat hvert pumpesteg (6) omfatter et pumpehjul (4) og en ledeskovl (3).

4. Pumpe ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat pumpen har midler som tillater installasjon av pumpen ved bruk av kabler eller rør.

5. Pumpe ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat de indre mantlene (9) omfatter i det minste ett avstandstykke (30) på deres radielle utside slik at senterlinjen (11) til pumpetrinnene (7) blir forskjøvet i forhold til senterlinjen (10) til pumpeseksjonen (1).

6. Pumpe ifølge krav 5,karakterisert vedat avstandstykkene (30) omfatter gjennomføringshull for kabler etc.

7. Pumpe ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat pumpetrinnene (7) drives av ringmotorer og/ eller aksialmotorer.

8. Pumpe ifølge krav 7,karakterisert vedat motorene er permanentmagnetmotorer eller elektriske induksjonsmotorer.

9. Pumpe ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat pumpestegene (6) i hvert pumpetrinn (7) er tilkoplet en felles aksling (27).

10. Pumpe ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat pumpeseksjonene (1) er elektrisk sammenkoplet ved våtkoplinger (52).

11. Pumpe ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat motorene (5) i pumpetrinnene (7) er elektrisk koplet slik at de kan opereres uavhengig av hverandre, med likt eller forskjellig antall omdreininger per minutt, og med lik eller forskjellig rotasjonsretning.

12. Pumpe ifølge et av kravene 1-10,karakterisert vedat det benyttes aksiallagre (14) og radiallagre (12) til å ta opp kreftene som oppstår ved rotasjon av motorene (5).

13. Pumpe ifølge krav 12,karakterisert veda t lagrene er aktive magnetlagre, passive magnetlagre og/ eller mekaniske lagre.

14. Pumpe ifølge et av de foregående kravene,karakterisert vedat det er anordnet fluidtette koplinger mellom hvert pumpetrinn (7) i pumpeseksjonene (1) slik at de indre mantler (9) er fluidtette.

15. Pumpeseksjon (1) med en senterlinje (10) i den aksielle lengderetningen, hvor pumpeseksjonen (1) omfatter i det minste to pumpetrinn (7), pumpetrinnene (7) har en senterlinje (11) og hvert pumpetrinn (7) omfatter en motor (5) og ett eller flere pumpesteg (6), og hvor pumpeseksjonen (1) innbefatter en ytre mantel (8) omsluttende en eller flere indre mantler (9), den ytre mantelen (8) danner en omslutning rundt pumpeseksjonen (1) og har større diameter enn de indre mantlene (9), og de indre mantlene (9) danner en omslutning rundt de i det minste to pumpetrinnene (7), og hvor senterlinjen (10) til pumpeseksjonen (1) er forskjøvet i forhold til senterlinjen (11) til pumpetrinnene (7) slik at det dannes et ringrom (2) mellom den ytre mantelen (8) og den indre mantelen (9).