專利名稱：用于減小作用在潛水式抽運組件上的推力的系統(tǒng)和方法
用于減小作用在潛水式抽運組件上的推力的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
在使用電動潛水泵抽運井下流體時，多種液壓力作用在不同的組件 上。例如，在潛水式離心泵中的葉輪往往產(chǎn)生在與流體流動的方向相反的 方向上作用的大的反作用力。該大反作用力例如由漂浮式泵中各泵級中的 推力墊圈抵抗或者在壓縮式泵中由電動機保護器推力軸承抵抗。
由潛水式泵各泵級中的葉輪所產(chǎn)生的推力在各種類型的潛水式泵中 可產(chǎn)生問題，包括帶有混合流動泵級的泵和帶有徑向流動泵級的泵。在一 些漂浮式設(shè)計中，例如，由于，泵中功率損耗的大部分是由于在徑向外圍 位置處的相當高的摩擦力引起的扭矩而發(fā)生在外部推力墊圈處的推力摩 擦引起的。然而，如果外部推力墊圈被從漂浮式泵級中去除，則缺少任何 密封功能增加了泄漏損耗。

發(fā)明內(nèi)容
總的來說，本發(fā)明提供一種用于在潛水環(huán)境中抽運(泵送)流體的 技術(shù)。該技術(shù)對潛水式抽運系統(tǒng)是有用的，例如被使用在井筒應(yīng)用中用于 抽運井下流體的潛水式抽運系統(tǒng)。潛水式抽運系統(tǒng)被設(shè)計用于對潛水泵利 用推理控制特征來減小否則作用在潛水泵組件上的某些推力載荷。


此后，將參考附圖描述本發(fā)明的某些實施例，其中相同標記表示相 同部件，并且
圖1是依據(jù)本發(fā)明實施例的配置在井筒中的電動潛水抽運(泵送)
系統(tǒng)的實施例的正視圖2是依據(jù)本發(fā)明實施例的在圖1中所示的潛水泵的實施例的部分 截面4圖3是依據(jù)本發(fā)明實施例的在圖1中所示潛水泵的另一實施例的部
分截面圖4是依據(jù)本發(fā)明實施例的在圖1中所示潛水泵的另一實施例的部 分截面圖5是依據(jù)本發(fā)明實施例的在圖1中所示潛水泵的另一實施例的部 分截面圖6是依據(jù)本發(fā)明實施例的在圖1中所示潛水泵的另一實施例的部 分截面圖。
具體實施例方式
在下面的說明中，闡述了許多細節(jié)以提供對本發(fā)明的理解。然而， 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解的是沒有這些細節(jié)可以實施本發(fā)明，并且 根據(jù)所述實施例的多種變化或改型是可能的。
本發(fā)明涉及一種用于降低在抽運流體時產(chǎn)生的推力載荷的某些影響 的系統(tǒng)和方法。例如，該系統(tǒng)和方法可以用于具有離心式潛水泵的潛水抽 運系統(tǒng)中。 一或多個特征被包括在潛水抽運系統(tǒng)中，以管理作用在泵葉輪 的外表面上的液壓力，該液壓力趨于產(chǎn)生與抽運流體的流動方向相反地作 用的大反作用力。
總體參考圖l，潛水抽運系統(tǒng)20的實施例，例如電動潛水抽運系統(tǒng) 被顯示。取決于其所使用的具體應(yīng)用或環(huán)境，潛水抽運系統(tǒng)20可以包括 各種部件。在抽運系統(tǒng)20中所利用的部件的例子包括至少一個潛水泵22、 至少一個潛水泵電動機24和一個或多個電動機保護器26,它們連接在一 起形成潛水抽運系統(tǒng)。
在所示例子中，潛水抽運系統(tǒng)20被設(shè)計為配置在地層30內(nèi)的井28 中，該地層包含期望的生產(chǎn)流體，例如石油。將井筒32鉆入地層30，井 筒進而在至少一些應(yīng)用中裝配有井筒套管34。穿孔36穿過井筒套管34 形成，以使流體在周圍地層30和井筒32之間流動。
通過可以具有各種結(jié)構(gòu)的配置系統(tǒng)38，將潛水抽運系統(tǒng)20配置在 井筒32中。例如，配置系統(tǒng)38可以包括由連接器42連接至潛水泵22的 管40，例如盤管或生產(chǎn)管。將電力經(jīng)由電力電纜44提供給至少一個潛水
5電動機24。潛水電動機24接下來給潛水泵22供電，可以使用所述潛水 泵22通過泵吸入口 46抽運生產(chǎn)流體。在潛水泵22內(nèi)，旋轉(zhuǎn)多個葉輪以 通過例如管40泵送或開采生產(chǎn)流體至所期望的收集位置，該位置可能位 于地表面48處。
應(yīng)當注意的是，所圖示的潛水抽運系統(tǒng)20僅僅是可以受益于這里所 描述的特征的多種類型的潛水抽運系統(tǒng)的一個例子。例如，可以對抽運系 統(tǒng)添加其它部件，以及可以使用其它配置系統(tǒng)。另外，生產(chǎn)流體可以通過 管40或通過圍繞配置系統(tǒng)38的環(huán)形件被抽運至收集位置。該潛水泵或多 個泵22還能夠利用不同類型泵級(stage),例如混合流動泵級或徑向流 動泵級。
總體參考圖2，橫截面視圖示出潛水泵22的一個實施例的一部分。 在這個實施例中，潛水泵22包括多個泵級50。各個泵級50包括連接至 軸54的葉輪52，軸54可圍繞中心軸線56旋轉(zhuǎn)。通過潛水電動機24的 軸54的旋轉(zhuǎn)使葉輪52在外泵殼58內(nèi)旋轉(zhuǎn)。各個葉輪52通過葉輪或泵級 進口 60抽入流體，進而在通過葉輪出口 64排泄流體進入軸向鄰近的擴散 器66之前，使流體沿內(nèi)部葉輪通道62流動。內(nèi)部通道62由葉輪殼體68 的形狀限定，殼體68可以形成為產(chǎn)生用于漂浮泵級的葉輪(如圖2中所 示)，或用于壓縮泵級的葉輪(如圖6中所示)。另外地，可以將葉輪殼體 68設(shè)計為形成用于潛水泵22中的混合流動泵級、徑向流動泵級或其它合 適的泵級形式。
在圖2中所示的實施例中，內(nèi)推力部件70，例如內(nèi)推力墊圈被設(shè)置 以抵抗推力載荷，例如由旋轉(zhuǎn)葉輪52所產(chǎn)生的向下推力載荷。在這個實 施例中，內(nèi)推力墊圈70被設(shè)置在葉輪特征72中，例如形成在葉輪殼體68 的上部中的凹陷。內(nèi)推力墊圈70被設(shè)置在葉輪52和緊鄰的上游擴散器66 的徑向向內(nèi)部分74之間。然而，取代常規(guī)外推力墊圈，使用軸向柔性外 密封部件76。在圖2中的實施例中，密封部件76包括徑向密封78，該徑 向密封78被設(shè)置為與葉輪殼體68的大致軸向定位的部分80密封接合。 從而，密封部件76與葉輪52的部分80形成密封點，該密封點沿部分80 可軸向平移。該徑向密封78可以被設(shè)置在形成在鄰近的擴散器66的一部 分中的凹陷82內(nèi)，如圖所示。因此，外部密封被形成在葉輪和鄰近的擴散器之間，在潛水泵22內(nèi)的徑向向外的表面上不產(chǎn)生不想要的反作用力。
圖3顯示密封部件76的可選擇實施例。在這個實施例中，內(nèi)推力部 件70類似地被設(shè)置在徑向向內(nèi)位置。然而，密封部件76包括由軸向柔性 部件86所支撐的徑向外圍部件84，例如外墊圈。依靠部件86的壓縮和 膨脹，軸向柔性部件86能夠在大致軸向上使密封件76平移。作為例子， 軸向柔性部件86可以包括彈簧部件或由各種材料包括金屬材料、彈性體 材料和復合材料制造的其它類型柔性部件。應(yīng)當注意到，圖2、 3中所示 的實施例還可以用于壓縮泵級來消除前密封泄漏。
在用于管理推力載荷的系統(tǒng)的另一實施例中，凈推力載荷例如凈向 下推力載荷可通過平衡推力墊圈區(qū)域的壓力被減小，從而葉輪排放壓力而 不是葉輪進口壓力作用在推力墊圈上。在這個實施例中，經(jīng)推力部件88 形成流動通道來平衡推力部件88的壓力。流動通道例如可以形成在推力 部件88和葉輪52之間或推力部件88和鄰近的擴散器的推力墊之間。在 一個例子中，推力部件88例如推力墊圈被保持在位于葉輪的孔眼91的徑 向向外的位置處的葉輪52的保持特征90中，如圖4中所示。保持特征90 可以包括形成在葉輪52的下部中的凹槽92。流動通道94在推力部件88 和葉輪52之間沿著推力部件88背面?zhèn)刃纬?，如圖4中箭頭96所示。流 動路徑或通道94在潛水泵22工作期間產(chǎn)生流體流動，這減小了作用在推 力部件88上的推力載荷?？蛇x擇地，可以在推力部件88和鄰近的擴散器 66 (參見圖4中的虛線)之間形成流動通道94。例如，可以沿形成在推 力部件88和/或鄰近的擴散器66上的徑向凹槽引導流動，使作用在推力 部件88上的推力載荷減小。
可以使用各種技術(shù)生成流動通道94，包括在保持特征區(qū)域中的幾個 位置處對葉輪52锪孔(spot facing),以產(chǎn)生在推力部件88后面的通道。 推力部件88可以壓配合進保持特征90中，以在形成期望流動通道94的 位置處固定推力部件。在這個實施例中，凈推力減小流動被從推力部件88 的徑向向外區(qū)域沿著推力部件88的背側(cè)引導，并沿著推力部件88的徑向 向內(nèi)區(qū)域引導出去。在一些實施例中，通過流動通道94的流體流動通過 墊圈孔和葉輪前密封的外徑之間的間隙被排出。應(yīng)當注意，平衡流動通道 94的流動阻力應(yīng)該小于各泵級中的前密封間隙的流動阻力。圖5中示出抽運流體和管理推力載荷的系統(tǒng)和方法的另一實施例。 在這個實施例中，減小了作用在向下推力部件98上的凈向下推力載荷。
向下推力部件98可以包括向下推力墊或推力墊圈且可被安置在徑向向內(nèi) 位置，如圖所示。通過結(jié)合上推力部件100，例如上推力墊或墊圈，減小 作用在部件98上的向下推力。另外，設(shè)置一個或多個平衡孔102以允許 流體從葉輪52的內(nèi)通道62且經(jīng)上推力部件100泄漏。在所示實施例中， 平衡孔102通過內(nèi)部通道62上方的葉輪殼體68的上部形成，從而它們被 定位在大致軸向方向。然而，對于具體應(yīng)用可以根據(jù)需要調(diào)整平衡孔102 的位置和方向。
在啟動潛水泵22時，各泵級50的葉輪52安置在其向下推力部件 98上。啟動后，葉輪52旋轉(zhuǎn)且通過各個葉輪52的排放并經(jīng)上推力部件 100且通過平衡孔102引起泄漏流動。這種泄漏流動降低了推力部件98 和100之間的腔中的壓力，導致葉輪52向上移動，并接觸上推力部件IOO。 由上推力部件100形成的面密封還密封通過平衡孔102的泄漏流動。因此， 這種結(jié)構(gòu)提供改進的軸向平衡，因為在上推力部件100徑向向內(nèi)定位的葉 輪52的頂部區(qū)域暴露于葉輪進口壓力，而不是葉輪排放壓力。另外，圖5 中所示實施例可以利用密封件76促進葉輪52的密封、軸向移動。例如， 密封件76可以包括允許葉輪軸向平移同時保持葉輪和鄰近的擴散器之間 的密封的徑向密封78。圖5中所示實施例尤其適用于徑向流動泵級，并且 能夠使該泵級相對于常規(guī)設(shè)計具有緊湊的泵級高度。
總體參考圖6，示出了用于抽運流體和管理推力載荷的系統(tǒng)和方法 的另一實施例。在這個實施例中，潛水抽運系統(tǒng)20的潛水泵22由多個堆 疊的、具有由軸54旋轉(zhuǎn)的葉輪52的壓縮泵級104構(gòu)成。對于壓縮泵級 104，由葉輪52的旋轉(zhuǎn)得到的凈推力載荷，例如下推力載荷由定位在電動 機保護器26中的保護器軸承106 (示意地以虛線顯示)抵抗。通過從下 或上游泵級104的進口 108至上或下游泵級104的平衡腔110有效地泄放 (porting)壓力來減小保護器軸承106上的推力載荷。在一些實施例中， 所述上/下游泵級104為最頂部泵級，以及所述下/上游泵級104為在潛水 泵22中的下部或最下部泵級104。在其它實施例中，可以設(shè)計該系統(tǒng)以 使進口 108為潛水泵的進口。通過從所選擇的泵級進口 108至所選擇的平衡腔110產(chǎn)生壓力釋放 路徑或流體通路112，可以泄放壓力。在一個實施例中，通道112至少
部分穿過軸54形成，以及該通道可以大致沿著軸54的中心軸線形成。另 外，可以將節(jié)流孔114或其它限制器設(shè)置在通道112中來控制從上/下游 泵級104至下/上游泵級104的泄漏流量。
在潛水抽運系統(tǒng)20中所使用的具體組件可以根據(jù)使用該系統(tǒng)的實 際井應(yīng)用來改變。用于管理凈推力載荷的具體組件、組件大小和組件位置 從一個潛水抽運系統(tǒng)至另一潛水抽運系統(tǒng)以及從一個井應(yīng)用至另一井應(yīng) 用中也可以改變?；诟鞣N因素，例如潛水泵的數(shù)量和布置、潛水電動機 和電動機保護器以及具體井環(huán)境、井應(yīng)用和生成要求，選擇用于控制作用 在潛水抽運系統(tǒng)內(nèi)的特定組件上的推力載荷的具體實施例。其它組件可被 連接至電動潛水抽運系統(tǒng)或形成為電動潛水抽運系統(tǒng)的一部分。
因此，盡管在上面僅僅詳細描述了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領(lǐng) 域普通技術(shù)技術(shù)人員將易于理解在不實質(zhì)上脫離本發(fā)明的教導的情況 下，許多變化是可能的。這些變化意欲被包含在如限定在權(quán)利要求書中的 本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于抽運流體的系統(tǒng)，包括潛水泵，其具有多個泵級，各個泵級具有葉輪、抵抗葉輪上的推力載荷的內(nèi)推力部件和處于內(nèi)部推力部件的徑向向外位置上的作用在葉輪上的密封部件，該密封件在軸向上是可平移的。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中該密封件為徑向定位的密封件，其形 成沿葉輪的大致軸向定位的表面軸向滑動的密封點。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中該密封件包括被支撐在軸向柔性部件上的外推力墊圈。
4. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中該密封件包括軸向柔性部件。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，進一步包括連接至潛水泵的潛水電動機和 電動機保護器。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中各個泵級為漂浮泵級。
7. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中各個泵級為壓縮泵級。
8. —種用于抽運流體的系統(tǒng)，包括潛水泵，其具有多個泵級，每個泵級具有葉輪和推力部件，該推力 部件處于從葉輪入口徑向向外的位置處，用于抵抗葉輪上的推力載荷， 其中經(jīng)推力部件定位流動通道以產(chǎn)生流體流動，該流體流動減小作用在 推力部件上的推力載荷。
9. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中該推力部件被壓配合至葉輪的特征中。
10. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中流動通道的方位產(chǎn)生從推力部件的徑 向外圍區(qū)域至推力部件的徑向向內(nèi)區(qū)域的流體流動。
11. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中各個泵級為漂浮泵級。
12. 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進一步包括連接至潛水泵的潛水電動機和 電動機保護器。
13. —種用于管理潛水抽運系統(tǒng)中推力載荷的方法，包括步驟 在潛水式離心泵的每個泵級中鄰近葉輪安置推力部件，以吸收葉輪的推力載荷；在每個泵級中將密封件設(shè)置在葉輪和鄰近的擴散器之間；和定位密封件，以允許密封件和鄰近的擴散器之間的密封點大致軸向平移。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述設(shè)置步驟包括將密封件安裝在形成在鄰近的擴散器中的凹陷中。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述定位步驟包括定位密封件以使 密封件能夠相對于葉輪軸向平移。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述設(shè)置密封件的步驟包括在軸向 柔性部件上支撐墊圈。
17. 如權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括步驟將潛水式離心泵連接 至潛水電動機和電動機保護器。
18. —種用于管理潛水抽運系統(tǒng)中推力載荷的方法，包括步驟 堆疊多個泵級以形成潛水泵，每個泵級具有擴散器、葉輪和用于抵抗葉輪施加的推力載荷的推力部件；在每個泵級中相對葉輪設(shè)置推力部件；和在潛水泵的操作中，經(jīng)過推力部件引導流體流動以減小作用在推力部 件上的推力載荷。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述設(shè)置步驟包括相對葉輪設(shè) 置推力墊圈。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，進一步包括步驟將推力墊圈壓配 合到葉輪上的相應(yīng)特征中。
21. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述引導步驟包括從推力部件 的徑向外側(cè)向徑向內(nèi)側(cè)弓I導流體的流動。
22. 如權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括步驟將潛水泵連接至 潛水電動機和電動機保護器。
全文摘要
提供一種用于降低作用在潛水式抽水組件上的推力的系統(tǒng)和方法，有利于對井環(huán)境中的流體抽運。一種具有潛水泵的潛水抽運系統(tǒng)結(jié)合管理從旋轉(zhuǎn)葉輪中得到的推力負荷的多個特征。推力降低特征在一或多個泵中結(jié)合有葉輪的作用，以降低否則作用在某些泵相關(guān)組件上的作用力。
文檔編號F04D13/06GK101514709SQ20081000964
公開日2009年8月26日 申請日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者戴維·密爾頓·埃斯林格, 馬休·R·哈克沃思 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司