專利名稱：用于為氣井排水的線纜懸置的緊湊型泵送系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式總體上涉及一種用于為氣井排水的線纜懸置的緊湊型泵送系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著天然氣井成熟，由于在儲層上產(chǎn)生背壓的環(huán)形管中積累有水，因此很多天然氣井都會經(jīng)歷產(chǎn)量的降低。天然氣工業(yè)已使用不同的技術(shù)來緩解該問題，然而，大多數(shù)技術(shù)都不能解決經(jīng)濟(jì)上的困難，因?yàn)檫@些技術(shù)都需要例如將管狀柱抽出的干預(yù)方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式總體上涉及用于為氣井排水的線纜懸置的緊湊型泵送系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，從儲層中取出水的方法包括利用線纜將泵送系統(tǒng)配置到井孔中的靠近儲層的位置。泵送系統(tǒng)包括多段式馬達(dá)、隔離裝置和泵。方法還包括將來自表面的電力信號經(jīng)由線纜供給到馬達(dá)，并且相繼地使馬達(dá)的各個(gè)段運(yùn)行以模擬多相馬達(dá)，從而驅(qū)動泵并使管狀柱中的液面降低到靠近儲層的水平面。在另一實(shí)施方式中，泵送系統(tǒng)包括能夠操作成使驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)的可潛水多段式電動馬達(dá)。每個(gè)段遞增地定向成使得該段能夠操作成模擬多相馬達(dá)。泵送系統(tǒng)還包括旋轉(zhuǎn)地連接到驅(qū)動軸的泵；能夠操作成接合管狀柱的隔離裝置，從而將泵的入口與泵的出口流體隔離，并且將馬達(dá)和泵旋轉(zhuǎn)地連接到管狀柱上；以及線纜，線纜具有兩個(gè)或少于兩個(gè)的導(dǎo)體以及足以支承馬達(dá)、泵和隔離裝置的強(qiáng)度，并且線纜與馬達(dá)電氣連接。在另一實(shí)施方式中，馬達(dá)包括兩個(gè)段或更多段，每個(gè)段包括可潛水管狀殼體和設(shè)置在殼體內(nèi)的定子芯。定子芯具有一個(gè)或多個(gè)葉片并且每個(gè)葉片具有圍繞該葉片纏繞的繞組。馬達(dá)還包括設(shè)置在殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括軸和轉(zhuǎn)子芯，轉(zhuǎn)子芯具有兩個(gè)或多個(gè)葉片。每個(gè)段遞增地定向成使得該段能夠操作成模擬多相馬達(dá)。


為了更加詳細(xì)地理解本發(fā)明的上述特征的方式，將參照實(shí)施方式對在上文中作了簡要概述的本發(fā)明做出更具體的描述，其中一些實(shí)施方式在附圖中示出。然而，要指出的是，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施方式，因此不應(yīng)視為是對其范圍的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可以容許其他同樣有效的實(shí)施方式。圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的配置在井孔中的諸如電動可潛水泵送系統(tǒng)之類的泵送系統(tǒng)。圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的配置在井孔中的電動可潛水泵送系統(tǒng)。圖2A是電力線纜的分層視圖。圖2B是電力線纜的端視圖。圖3A是馬達(dá)的去掉了殼體的外部視圖。圖3B是圖3A的部分放大圖。圖3C是多段式馬達(dá)50模擬多相馬達(dá)的運(yùn)行的示意圖。圖3D是定子的橫截面視圖。圖3E是轉(zhuǎn)子的橫截面視圖。圖4A是泵的泵級的橫截面視圖。圖4B是泵的泵級的心軸的外部視圖。
具體實(shí)施例方式圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的配置在井孔5中的泵送系統(tǒng)，例如電動可潛水泵送系統(tǒng)(ESP) I。井孔5從地表面20或海底(未示出)鉆到含烴(即，天然氣IOOg)儲層25中。套管柱IOc伸入井孔5中并且用水泥(未示出)嵌在其中。套管柱IOc已被穿孔30以提供儲層25與套管柱10的孔之間的流體連通。井口 15安裝在套管柱IOc的端部上。出口管線35從井口 15延伸到例如分離器的生產(chǎn)設(shè)備(未示出)。生產(chǎn)管狀柱IOt伸入井孔5中并且自井口 15懸置。設(shè)置有生產(chǎn)封隔器85，以將管狀柱IOt與套管柱IOc之間的環(huán)形空間與儲層25隔離。儲層25可以自發(fā)生產(chǎn)，直到氣體IOOg的壓力不再足以將液體——例如水IOOw——輸送到表面。水IOOw的水平面開始在生產(chǎn)管IOt中逐漸升高，從而將液體靜壓施加在儲層25上并減少氣體IOOg從儲層25中流出。圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的配置在井孔5中的泵送系統(tǒng)ESP1。在該實(shí)施方式中，代替安裝生產(chǎn)管，使用套管柱IOc來從儲層25中產(chǎn)生流體。在該方案中，隔離裝置70可以設(shè)置為靠在套管柱IOc上并且泵65可以經(jīng)由套管柱IOc的孔將水IOOw排放到表面20。ESPl可以包括表面控制器45、電動馬達(dá)50、電力轉(zhuǎn)換模塊(PCM) 55、密封段60、泵65、隔離裝置70、線纜頭75和電力線纜80。各個(gè)井下部件50-75的殼體可以例如利用法蘭連接或螺紋連接而縱向地并且旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行連接。井下部件的殼體可以由耐腐蝕金屬或合金制成，例如鍍鋅鋼、不銹鋼或者鎳基合金。由于井下部件50-75可以配置在生產(chǎn)管IOt內(nèi)，因此部件50-80可以是緊湊的，例如具有小于或等于2英寸或7/4英寸(取決于生產(chǎn)管IOt的內(nèi)徑)的最大外徑。表面控制器45可以與交流(AC)電源40——例如位于修井設(shè)備(未示出)上的發(fā)電機(jī)一電氣連接。表面控制器45可以包括變壓器(未示出)，用于將來自電源40的交流電力信號的電壓步進(jìn)成中壓(V)信號。中壓可以大于或等于lkV，例如5到10kV。表面控制器可以進(jìn)一步包括整流器，用于將中壓交流信號轉(zhuǎn)換成中壓直流(DC)電力信號，以經(jīng)由電力線纜80傳輸?shù)骄?。表面控制?5還可以包括數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器(未示出)和多路復(fù)用器(未示出)，該數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器和多路復(fù)用器用于利用直流電力信號調(diào)制并向/從PCM55多路傳輸數(shù)據(jù)信號。表面控制器45還可以包括操作界面(未示出)，例如視頻顯示器、觸摸屏和/或USB接口。線纜80可以從表面控制器45延伸通過井口 15或者連接到引線上，該引線延伸通過井口 15并延伸到表面控制器45。線纜80可以由設(shè)置在井口 15中或其附近的卡瓦或卡夾(未示出)接收，用于在ESPl的運(yùn)行期間將線纜80縱向地連接到井口 15。線纜80可以延伸到井孔5中并延伸到線纜頭75。由于電力信號可以是直流的，因此線纜80可以只包括同軸設(shè)置的兩個(gè)導(dǎo)體。圖2A示出了電力線纜80的分層視圖。圖2B是電力線纜80的端視圖。線纜80可以包括內(nèi)芯205、內(nèi)套210、屏蔽件215、外套230和護(hù)套235、240。內(nèi)芯205可以是第一導(dǎo)體并由導(dǎo)電材料制成，例如鋁、銅、鋁合金或銅合金。內(nèi)芯205可以是實(shí)心的或絞線的。內(nèi)套210可以將內(nèi)芯205與屏蔽件215電隔離，并且內(nèi)套210可以由介電材料制成，例如聚合物(即彈性體或熱塑體)。屏蔽件215可以用作第二導(dǎo)體并由導(dǎo)電材料制成。屏蔽件215可以是管狀的、編織的或者由編織物覆蓋的箔材。外套230可以將屏蔽件215與護(hù)套235、240電隔離，并且外套230可以由耐油介電材料制成。護(hù)套可以由高強(qiáng)度材料(即抗拉強(qiáng)度大于或等于200千磅/平方英寸)的一個(gè)層或多個(gè)層235、240制成，以支承所配置的重量(線纜的重量和井下部件50-75的重量)，使得可以利用線纜80將井下部件50-75配置到井孔5中或?qū)⒕虏考?0-75從井孔5中移出。高強(qiáng)度材料可以是金屬或合金并且耐腐蝕，例如為鍍鋅鋼、不銹鋼或鎳合金，這取決于氣體IOOg的腐蝕性。護(hù)套可以包括線材或帶條的兩個(gè)反向螺旋纏繞的層235、240。另外，線纜80可以包括設(shè)置在屏蔽件215與外套230之間的包層225。包層225可以由例如聚四氟乙烯(PTFE)或鉛的潤滑材料制成，并且包層225可以是圍繞屏蔽件215螺旋纏繞的帶條。如果使用鉛用于包層，則墊層220可以將屏蔽件215與包層隔絕并且可以由介電材料制成。另外，緩沖層245可以設(shè)置在護(hù)套層235、240之間。緩沖層245可以是帶條并且由潤滑材料制成。由于同軸設(shè)置的原因，線纜80可以具有小于或等于5/4英寸、I英寸或3/4英寸的外徑250。另外，線纜80還可以包括壓力抑制層(未示出)，該壓力抑制層由具有足以抑制介電層的徑向熱膨脹的強(qiáng)度的材料制成并卷繞成允許介電層的縱向膨脹。這種材料可以是不銹鋼并可以是帶條或線材?？商娲?，線纜80可以只包括一個(gè)導(dǎo)體，并且，管IOt可以用于
另一導(dǎo)體。線纜80可以縱向地連接到線纜頭75上。線纜頭75還可以包括延伸穿過其中的引線(未示出)。引線可以提供線纜80與PCM55之間的電氣連接。圖3A是馬達(dá)的去掉了殼體的外部視圖。圖3B是圖3A的部分放大圖。圖3C是多段式馬達(dá)50模擬多相馬達(dá)運(yùn)行的示意圖。圖3D是定子IlOs的橫截面視圖。圖3E是轉(zhuǎn)子IlOr的橫截面視圖。馬達(dá)50可以填充有例如礦物油的導(dǎo)熱介電液體潤滑劑。馬達(dá)50可以通過與儲層水IOOw的熱連通來冷卻。馬達(dá)50可以包括用于支承驅(qū)動軸135的推力軸承(未示出)。在運(yùn)行中，馬達(dá)50可以使軸135旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動泵65。馬達(dá)軸135可以經(jīng)由馬達(dá)密封件60的軸(非變速箱)直接連接到泵的轉(zhuǎn)子160上。如上文描述的，由于馬達(dá)50可以是緊湊的，因此馬達(dá)可以以高速運(yùn)行，使得泵可以產(chǎn)生必要的壓頭，從而將水IOOw泵送到表面20。所述高速可以高于或等于一萬轉(zhuǎn)每分鐘或一萬五千轉(zhuǎn)每分鐘(RPM)。馬達(dá)50可以包括兩個(gè)段或更多段105a-c、106a_c。每個(gè)段105a_c、106a_c可以包括轉(zhuǎn)子IlOr和定子110s。定子IlOs可以包括殼體115、芯120s、繞組125和引線130。殼體115可以是管狀的并且具有穿過其中的孔。每個(gè)段105a-c、106a-c可以例如通過法蘭或螺紋(未示出)縱向地并且旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行連接。芯120s可以包括一個(gè)或多個(gè)葉片121 (示出兩個(gè))?？梢跃砝@每個(gè)葉片121，并且對置的葉片121的繞組125可以串聯(lián)地或者并聯(lián)地連接(未示出)以限定相位。馬達(dá)50還可以包括一個(gè)或多個(gè)組，例如第一組105和第二組106(未示出)的段105a-c、106a_c。每個(gè)組105、106的各個(gè)段105a_c、106a_c的定子IlOs可以基于360°總和相對于彼此遞增地定向。例如，對于三個(gè)段而言，每個(gè)段105a-c、106a-c可以相對于該組的其他段移位120°?？商娲兀梢砸莆幻總€(gè)組105、106的各個(gè)段105a-c、106a-c的各個(gè)轉(zhuǎn)子IlOr,從而代替定子IlOs的移位。各個(gè)段105a-c、106a_c可以通過引線130電氣連接到PCM55。每個(gè)組105、106的相應(yīng)的段(S卩105a、106a)可以是相對應(yīng)的，從而運(yùn)行為單一的相。組105、106的相對應(yīng)的段可以并聯(lián)地或串聯(lián)地電氣連接到PCM55。每個(gè)組105、106的移位的段(即105a、b)可以并聯(lián)地連接到PCM55。每個(gè)組105、106可以通過PCM55控制，以模擬一個(gè)或多個(gè)多相馬達(dá)105e (可以視為單個(gè)馬達(dá)或串聯(lián)的兩個(gè)馬達(dá))，例如三相(六個(gè)葉片)馬達(dá)。除了定向以外，各個(gè)段105a_c、106a_c可以是相同的,從而形成模塊馬達(dá)50。馬達(dá)50可以是開關(guān)磁阻馬達(dá)(SRM)。每個(gè)轉(zhuǎn)子IlOr可以包括軸135和芯120r。軸135可以由金屬或合金制成，例如普通碳鋼或低合金鋼、不銹鋼或者鎳基合金。芯120r可以具有兩個(gè)或多個(gè)葉片122，例如四個(gè)——每個(gè)通過九十度的增量分隔開。各個(gè)芯120s、120r可以是層壓件，層壓件的每一層可以由金屬或合金制成，例如硅鋼。層可以被對齊并隨后壓在一起，以形成芯120s、120r中的一個(gè)。然后，可以圍繞每個(gè)葉片121纏繞繞組125。定子芯120s可以例如通過鍵和鍵槽(未示出)以及緊固件縱向地并且旋轉(zhuǎn)地連接到殼體115。殼體115可以包括外部指示器(未示出)一例如槽或凸起一以便于使段105a-c、106a-c相對于彼此進(jìn)行定向。轉(zhuǎn)子芯1201■可以例如通過鍵、鍵槽以及緊固件或者過盈配合縱向地并且旋轉(zhuǎn)地連接到軸135。引線130和繞組125中每一個(gè)可以包括由如上所述的導(dǎo)電材料制成的芯以及由如上所述的介電材料進(jìn)行包套。各個(gè)段105a-c、106a_c還可以包括諸如徑向軸承之類的軸承140，用于支承軸135相對于殼體115的旋轉(zhuǎn)。軸承140可以是例如球軸承的滾動元件軸承。軸承140可以包括容置軸承外圈142s的壓蓋141。壓蓋141可以連接(未示出)到殼體115，并且外圈142s連接到壓蓋141。 軸承140還可以包括連接到軸135的內(nèi)圈142r。球143 (示意性地示出)可以設(shè)置在圈142r、142s之間，并且潤滑劑可以密封在圈內(nèi)。可替代地，軸承140可以是液體動壓軸承，如下文所討論的。PCM55可以包括馬達(dá)控制器(未示出)、調(diào)制解調(diào)器(未示出)和多路復(fù)用器(未示出)。調(diào)制解調(diào)器和多路復(fù)用器可以將來自直流電力信號的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行多路解編、解調(diào)該信號并將該數(shù)據(jù)信號傳送到馬達(dá)控制器。馬達(dá)控制器可以接收來自線纜的中壓直流信號，并隨后使馬達(dá)50的已移位的段105a_c (&106a-c)勵(lì)磁，從而提供輸出信號以驅(qū)動馬達(dá)的特定的段，并且以多相馬達(dá)的方式協(xié)調(diào)每個(gè)組的段的運(yùn)行。輸出信號可以是階梯式的、梯形的或者正弦的。馬達(dá)控制器可以包括用于簡單控制(即預(yù)定速度)的邏輯電路或用于復(fù)雜控制(即變速驅(qū)動和/或軟啟動功能)的微處理器。馬達(dá)控制器可以使用單相或兩相勵(lì)磁，為單級的或雙極的，并且通過控制開關(guān)的頻率來控制馬達(dá)的速度。馬達(dá)控制器可以包括非對稱電橋或半電橋。可替代地，馬達(dá)50可以是永磁馬達(dá)，例如以類似的多段方式制成的無刷直流馬達(dá)(BLDC)。BLDC馬達(dá)可以包括模擬三相(兩級)繞組的三個(gè)移位的定子段、永磁轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置傳感器。永磁轉(zhuǎn)子可以由稀土磁體或陶瓷磁體制成。轉(zhuǎn)子位置傳感器可以是霍爾效應(yīng)傳感器、旋轉(zhuǎn)的編碼器或者無傳感器的(即通過馬達(dá)控制器對未被驅(qū)動的線圈中的反電動勢進(jìn)行測量XBLDC馬達(dá)控制器可以與轉(zhuǎn)子位置傳感器連接，并且包括一組晶體管或晶閘管以及用于復(fù)雜控制(即變速驅(qū)動和/或軟啟動功能)的斬波驅(qū)動器。
另外，PCM55可以包括電源(未示出)。電源可以包括一個(gè)或多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括逆變器、變壓器和整流器，整流器用于將直流電力信號轉(zhuǎn)化成交流電力信號、并且將電壓從中壓步進(jìn)到例如小于或等于IkV的低壓。電源可以包括串聯(lián)的多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，以將直流電壓從中壓逐漸步進(jìn)到低壓。低壓直流信號隨后可以被供給到馬達(dá)控制器。馬達(dá)控制器可以與遍及井下部件50-75分布的一個(gè)或多個(gè)傳感器(未示出)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。壓力和溫度傳感器(PT)可以與進(jìn)入入口 65i的水IOOw流體連通。氣液比(GLR)傳感器可以與進(jìn)入入口 65i的水IOOw流體連通。第二 PT傳感器可以與從出口 65ο排出的水IOOw流體連通。溫度傳感器(或PT傳感器)可以與潤滑劑流體連通，以確保馬達(dá)和井下控制器被充分冷卻。多個(gè)溫度傳感器可以包括在PCM55中，用于監(jiān)測和記錄不同電子部件的溫度。電壓表和電流(VAMP)傳感器可以與線纜80電氣連接以監(jiān)測線纜的功率損耗。第二 VAMP傳感器可以與馬達(dá)控制器的輸出電氣連接，以監(jiān)測馬達(dá)控制器的運(yùn)行情況。另外，一個(gè)或多個(gè)振動傳感器可以監(jiān)測馬達(dá)50、泵65和/或密封段60的運(yùn)行。流量計(jì)可以與出口 65ο流體連通，以用于監(jiān)測泵65的流量。利用來自傳感器的數(shù)據(jù)，馬達(dá)控制器可以對不利的狀況一例如停泵、氣鎖或不正常的電力運(yùn)行情況一進(jìn)行監(jiān)測，并且在泵65和/或馬達(dá)50發(fā)生損害之前采取補(bǔ)救措施。通過使?jié)櫥瑒毫εc水IOOw的壓力相等，密封段60可以使通過泵65泵送的水IOOw與馬達(dá)50中的潤滑劑隔離。密封段60可以將馬達(dá)軸135旋轉(zhuǎn)地連接到泵65的驅(qū)動軸上。軸密封件可以容置能夠支承來自泵65的推力載荷的推力軸承。密封段60可以是直接式(positive seal)密封或迷宮式密封。直接式密封可以包括彈性的流體屏障袋，以允許在運(yùn)行期間馬達(dá)潤滑劑的熱膨脹。迷宮式密封可以包括在潤滑劑腔與水腔之間延伸、并提供這兩個(gè)腔之間的有限的流體連通的管路徑。泵可以包括入口 65i。取決于儲層流體的GLR，入口 65i可以是標(biāo)準(zhǔn)類型、靜態(tài)氣體分離器類型或者旋轉(zhuǎn)式氣體分離器類型。標(biāo)準(zhǔn)類型的入口可以包括允許水IOOw進(jìn)入泵65的較低級或第一級的多個(gè)端口。標(biāo)準(zhǔn)類型的入口可以包括濾網(wǎng)，以過濾來自水IOOw的顆粒。靜態(tài)氣體分離器類型可以包括逆流路徑，以將儲層流體中的氣體部分與儲層流體中的液體部分分離。圖4A是泵65的泵級65s的橫截面圖。圖4B是泵級65s的心軸155的外部視圖。泵65可以包括一個(gè)或多個(gè)泵級65s，例如六個(gè)。每個(gè)泵級65s可以例如通過螺紋聯(lián)接或法蘭聯(lián)接(未示出)縱向地并旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行連接。每個(gè)泵級65s可以包括殼體150、心軸155和形成在殼體與心軸之間的環(huán)形通道170。殼體150可以呈管狀并且具有穿過其中的孔。心軸155可以設(shè)置在殼體150中。心軸155可以包括轉(zhuǎn)子160、一個(gè)或多個(gè)螺旋轉(zhuǎn)子葉片160a、160b、擴(kuò)散器165、一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)散器葉片165v。轉(zhuǎn)子160、殼體155和擴(kuò)散器165可以各自由耐受生產(chǎn)流體的腐蝕和侵蝕的金屬、合金或金屬陶瓷一例如鋼、不銹鋼或諸如鉻-鎳-鑰的特種合金——制成?？商娲?，轉(zhuǎn)子、殼體和擴(kuò)散器可以進(jìn)行表面硬化處理或者涂覆涂層以抵抗腐蝕。轉(zhuǎn)子160可以包括軸部160s和葉輪部160i。軸部160s和葉輪部160i可以一體地形成。可替代地，軸部160s和葉輪部160i可以單獨(dú)地形成，并且例如通過螺紋連接而縱向地并可旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行連接。轉(zhuǎn)子160可以通過形成在擴(kuò)散器的內(nèi)表面與軸部160s的外表面之間的液體動壓徑向軸承(未示出)從擴(kuò)散器165進(jìn)行支承，以用于相對于擴(kuò)散器和殼體150進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。徑向軸承可以使用生產(chǎn)流體,或者可以通過一個(gè)或多個(gè)動態(tài)密封件-例如
機(jī)械密封件、可控間隙密封件或迷宮密封件一與生產(chǎn)流體隔離。擴(kuò)散器165可以是實(shí)心的或中空的。如果擴(kuò)散器是中空的，則其可以用作與液體動壓軸承流體連通的潤滑劑貯存器。可替代地，一個(gè)或多個(gè)滾動元件軸承一例如球軸承(見上文討論的軸承140)—可以代替液體動壓軸承設(shè)置在擴(kuò)散器165與軸部160s之間。轉(zhuǎn)子葉片160a、160b可以與轉(zhuǎn)子160—起形成并且從轉(zhuǎn)子160的外表面延伸或者沿著轉(zhuǎn)子160的外表面并圍繞轉(zhuǎn)子160的外表面設(shè)置?？商娲?，轉(zhuǎn)子葉片160a、160b可以在轉(zhuǎn)子形成之后例如通過噴涂成型或焊接成型的方式沉積在轉(zhuǎn)子的外表面上。轉(zhuǎn)子葉片160a、160b可以相互交織以在轉(zhuǎn)子葉片160a、160b之間形成泵腔。泵腔的節(jié)距可以從泵級65s的入口 170i向泵級65的出口 170ο增加。轉(zhuǎn)子160可以縱向地并旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到馬達(dá)驅(qū)動軸并且通過馬達(dá)的運(yùn)行而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，水IOOw可以沿著泵腔從入口 170i朝向出口 170ο泵送。葉輪160i的外徑可以以弧形的形式從入口 170i朝向出口 170ο增大，直到葉輪外徑與擴(kuò)散器165的外徑一致。殼體150的面向葉輪部分160i的內(nèi)徑可以從入口 170i朝向出口 170ο增大，并且殼體的內(nèi)表面可以朝向葉輪的外表面收斂，從而減小通道170的面積并形成噴嘴170η。隨著轉(zhuǎn)子葉片160a、160b迫使水IOOw通過噴嘴170η，水IOOw的速度可以增加。定子可以包括殼體150和擴(kuò)散器165。擴(kuò)散器165可以與殼體150 —體地形成或者單獨(dú)地形成。擴(kuò)散器165可以呈管狀并且具有穿過其中的孔。轉(zhuǎn)子160可以具有位于葉輪部160i與軸部160s之間的、面向擴(kuò)散器165的端部的肩部。軸部160s可以延伸通過擴(kuò)散器165。擴(kuò)散器165可以通過一個(gè)或多個(gè)肋部縱向地并旋轉(zhuǎn)地連接到殼體150。擴(kuò)散器165的外徑和殼體150的內(nèi)徑可以保持恒定，從而形成通道170的喉部170t。擴(kuò)散器葉片165v可以與擴(kuò)散器165—起形成并且可以從擴(kuò)散器165的外表面延伸或者沿著擴(kuò)散器的外表面并圍繞擴(kuò)散器的外表面進(jìn)行設(shè)置?？商娲?，在擴(kuò)散器形成之后，擴(kuò)散器葉片165v可以例如通過噴涂或焊接成型的方式沉積在擴(kuò)散器的外表面上。每個(gè)擴(kuò)散器葉片165v可以沿著擴(kuò)散器165的外表面延伸并圍繞擴(kuò)散器165的圓周的大部分彎曲。擴(kuò)散器葉片165v可以圍繞擴(kuò)散器165的整個(gè)圓周漸增地延伸。擴(kuò)散器葉片165v可以定向成抵消(negate)在由轉(zhuǎn)子葉片160a、160b導(dǎo)致的水IOOw的流動中的鏇潤，從而使由于水IOOw的瑞流流動造成的能量損失最小化。換句話說，擴(kuò)散器葉片165v可以用作渦流抵消器?？商娲兀梢允褂脝蝹€(gè)螺旋擴(kuò)散器葉片來代替多個(gè)擴(kuò)散器葉片165v。擴(kuò)散器165的外徑可以以弧形的形式從入口 170i離開而向出口 170ο減小，直到到達(dá)擴(kuò)散器165的端部并且軸部160s的外表面暴露于通道170為止。殼體150的面向擴(kuò)散器165的內(nèi)徑可以從入口 170i離開而向出口 170ο減小，并且殼體內(nèi)表面可以從擴(kuò)散器外表面發(fā)散開，從而增大通道170的面積并形成擴(kuò)散部170d。隨著水IOOw流動通過擴(kuò)散部170d，水IOOw的速度可以減小。文氏管170n、170t、170d也可以使從轉(zhuǎn)子葉片160a、160b排出的水的流體能量損失最小化。如上文討論的，為了實(shí)現(xiàn)緊湊性，馬達(dá)50和泵65可以以高速運(yùn)行，使得緊湊型泵65可以產(chǎn)生將水IOOw泵送到出口管線35所必要的壓頭，同時(shí)使泵65的直徑最小化。隔離裝置70可以包括封隔器、錨定器和致動器。致動器可以包括制動器、凸輪和凸輪從動件。封隔器可以由例如熱塑形塑料的聚合物或例如橡膠、聚亞安酯或聚四氟乙烯(PTFE)的彈性體制成。凸輪可以呈例如J槽的廓形，并且凸輪從動件可以包括與J槽接合的銷。錨定器可以包括一組或多組卡瓦以及一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的錐體?？ㄍ呖梢耘c生產(chǎn)管IOt接合，從而將井下部件50-75旋轉(zhuǎn)地連接到生產(chǎn)管上。卡瓦還可以縱向地支承井下部件50-75。制動器和凸輪從動件可以縱向地進(jìn)行連接并且還可以旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行連接。隨著井下部件50-75被伸入井孔中，制動器可以與生產(chǎn)管IOt接合。制動器可以包括用于接合生產(chǎn)管的弓形彈簧。一旦井下部件50-75已經(jīng)到達(dá)到配置深度，則線纜80可以被升起，從而使凸輪從動件從伸入位置移位到配置位置。隨后可以使線纜80松弛，從而使井下部件50-75的重量壓縮封隔器、卡瓦和相應(yīng)的椎體，由此使封隔器及卡瓦與生產(chǎn)管IOt接合。隨后可以通過拉動線纜80來釋放隔離裝置70，從而再次將凸輪從動件移位到釋放位置。繼續(xù)拉動線纜80則可以釋放封隔器和卡瓦，從而從生產(chǎn)管IOt釋放井下部件50-75?？商娲?，致動器可以包括活塞和控制閥。一旦井下部件50-75已經(jīng)到達(dá)配置深度，則可以致動馬達(dá)50和泵65?？刂崎y可以保持關(guān)閉直到泵將預(yù)定的壓力施加在閥上。預(yù)定的壓力可以使活塞壓縮封隔器、卡瓦和錐體，從而使封隔器和卡瓦與生產(chǎn)管接合。閥還可以包括排氣孔，以在泵送已停止時(shí)從生產(chǎn)管釋放卡瓦和封隔器。另外，致動器可以進(jìn)一步構(gòu)造成使得線纜80的松馳還施加重量以進(jìn)一步壓縮封隔器、卡瓦和錐體并且卡瓦的釋放還可以包括在線纜80上施加張力。另外，隔離裝置70可以包括旁路排氣孔(未示出)，該旁路排氣孔用于釋放可在隔離裝置的下方收集的由入口 65i分離出來的氣體并防止泵65的氣鎖。壓力釋放閥(未示出)可以設(shè)置在旁路排氣孔中。另外，尤其對于大斜度井、例如具有大于45°的傾斜度或者每100英尺超過5°的折線彎曲度(dogleg severity)的井,井下牽引器(未示出)可以集成到線纜80中以便于井下部件50-75的輸送。當(dāng)來自表面的信號發(fā)出要求時(shí)，牽引器的驅(qū)動器和輪可以對線纜松脫并被配置。在運(yùn)行中，為了安裝ESP1，修井設(shè)備(未示出)和ESPl可以配置到井場。由于線纜80可以只包括兩個(gè)導(dǎo)體，因此線纜80可以卷繞在卷筒上(未示出)進(jìn)行輸送。井口 15可以打開，井下部件50-75可以自修井設(shè)備懸置在井孔5上，并且線纜80的端部可以連接到線纜頭75。線纜80可以從卷筒展開，從而將井下部件50-75降到井孔5中的生產(chǎn)管IOt內(nèi)部。一旦井下部件50-75已經(jīng)到達(dá)靠近儲層25的期望深度，井口 15可以閉合并且線纜80的導(dǎo)體可以連接到表面控制器45。隨后可以設(shè)置隔離裝置70。一旦隔離裝置70被設(shè)置(如果尚未開始設(shè)置隔離裝置)，馬達(dá)50可以隨后被啟動。如果馬達(dá)控制器可變，則馬達(dá)控制器可以軟啟動馬達(dá)50。當(dāng)泵65運(yùn)行時(shí)，馬達(dá)控制器可以將來自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到表面，使得操作者可以監(jiān)測泵的運(yùn)行情況。如果馬達(dá)控制器可變，則馬達(dá)50的速度可以調(diào)整成優(yōu)化泵65的運(yùn)行情況?？商娲?，表面的操作者可以對馬達(dá)控制器輸入命令，以改變馬達(dá)的運(yùn)行。泵65可以將水IOOw泵送通過生產(chǎn)管IOt和井口 15并泵送到出口 35中，從而使水IOOw的水平面下降并降低構(gòu)造層25上的水IOOw的靜壓。泵65可以運(yùn)行，直到水平面下降到泵的入口 65i處，從而允許來自儲層25的自然生產(chǎn)。操作者隨后可以向馬達(dá)控制器發(fā)送指令，以關(guān)閉泵65或簡單地切斷到線纜80的電力。隨后可以通過轉(zhuǎn)動卷筒而使隔離裝置70復(fù)位(如果不是通過泵的關(guān)閉來復(fù)位)，以將足夠的張力施加在線纜80中。可以卷繞線纜80，從而將井下部件50-75從井孔5中升起。隨后可以將修井設(shè)備和ESPl配置到另一井場。有利地，代替通過永久安裝的人工提升系統(tǒng)移除生產(chǎn)管狀柱并重新配置生產(chǎn)管狀柱，使用線纜80將井下部件50-75配置在生產(chǎn)管IOt內(nèi)，這減小了修井設(shè)備的所需尺寸和對井的資本支出。將ESPl配置到井場和/或從井場移除ESPl可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，從而允許在一天內(nèi)對多個(gè)井進(jìn)行排水。通過線纜80傳輸直流電力信號降低了線纜的所需直徑，從而允許將更長的線纜80 (即5000到8000英尺)卷繞在卷筒上，并簡化了對線纜80的配置。盡管前述內(nèi)容針對本發(fā)明的實(shí)施方式，但可以在不脫離本發(fā)明的基本范圍的情況下設(shè)計(jì)出本發(fā)明的其他實(shí)施方式和另外的實(shí)施方式，并且本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種從儲層取出液體的方法，包括如下步驟: 利用線纜將泵送系統(tǒng)配置到井孔中的靠近所述儲層的位置，其中，所述泵送系統(tǒng)包括多段式馬達(dá)、隔離裝置和泵；以及 將來自表面的電力信號經(jīng)由所述線纜供給到所述馬達(dá)，并且相繼地操作所述馬達(dá)的各個(gè)段以模擬多相馬達(dá)，從而驅(qū)動所述泵并將管狀柱中的液面降低到靠近所述儲層的水平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在供給所述電力信號之前或者作為供給所述電力信號的結(jié)果而對所述隔離裝置進(jìn)行設(shè)定，從而將所述泵送系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)地連接到設(shè)置在所述井孔中的所述管狀柱，并且將所述泵的入口與所述泵的出口隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟: 終止所述電力信號的供給； 在終止所述電力信號供給之后或作為終止所述電力信號供給的結(jié)果，將所述隔離裝置復(fù)位；以及 利用所述線纜將所述泵送系統(tǒng)從所述井孔移出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 方法，其中: 所述電力信號是經(jīng)過所述線纜的中壓直流， 所述泵組件還包括電力轉(zhuǎn)換模塊(PCM)，以及 所述PCM將低壓信號輸出到所述馬達(dá)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述馬達(dá)和所述泵以大于或等于每分鐘一萬轉(zhuǎn)的速度運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述泵組件和所述線纜的最大外徑小于或等于兩英寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制所述馬達(dá)的速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述泵送系統(tǒng)包括傳感器，以及 所述方法還包括將所述傳感器的測量結(jié)果經(jīng)由所述線纜傳送到所述表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述隔離裝置將所述泵送系統(tǒng)縱向地連接到所述管狀柱，從而支承所述管狀柱的重量。
10.一種泵送系統(tǒng),包括: 可潛水多段式電動馬達(dá)，所述可潛水多段式電動馬達(dá)能夠操作成使驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，其中，每個(gè)段遞增地定向成使得所述段能夠操作成模擬多相馬達(dá)； 泵，所述泵旋轉(zhuǎn)地連接到所述驅(qū)動軸； 隔離裝置，所述隔離裝置能夠操作成接合管狀柱，從而將所述泵的入口與所述泵的出口流體隔離，并且將所述馬達(dá)和所述泵旋轉(zhuǎn)地連接到所述管狀柱；以及 線纜，所述線纜具有兩個(gè)或少于兩個(gè)的導(dǎo)體并且具有足以支承所述馬達(dá)、所述泵和所述隔離裝置的強(qiáng)度，并且所述線纜與所述馬達(dá)電氣連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，其中，所述馬達(dá)、所述泵、所述隔離裝置和所述線纜的最大外徑小于或等于兩英寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，還包括電力轉(zhuǎn)換模塊(PCM)，所述電力轉(zhuǎn)換模塊(PCM)能夠操作成: 接收來自所述線纜的中壓直流電力信號，以及 將低壓電力信號供給到所述馬達(dá)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的泵送系統(tǒng)，其中，所述PCM能夠操作成改變所述馬達(dá)的速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，其中，所述馬達(dá)是開關(guān)磁阻馬達(dá)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，其中，所述馬達(dá)和所述泵能夠以大于或等于每分鐘一萬轉(zhuǎn)的速度運(yùn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，還包括: 傳感器；以及 調(diào)制解調(diào)器，所述調(diào)制解調(diào)器能夠操作成將來自所述傳感器的測量結(jié)果沿著所述線纜發(fā)送。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，其中，所述隔離裝置還能夠操作成支承所述馬達(dá)、所述泵和所述隔離裝置的重量。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，其中，每個(gè)所述段包括: 可潛水管狀殼體； 定子芯，所述定子芯設(shè)置在所述殼體內(nèi)并具有一個(gè)或多個(gè)葉片，每個(gè)所述葉片具有圍繞所述葉片纏繞的繞組；以及 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述殼體內(nèi)并包括軸和轉(zhuǎn)子芯，所述轉(zhuǎn)子芯具有兩個(gè)或更多個(gè)葉片。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的泵送系統(tǒng)，其中，所述泵還包括一個(gè)或多個(gè)泵級，每個(gè)所述泵級包括: 管狀殼體； 心軸，所述心軸設(shè)置在所述殼體中并包括: 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子能夠相對于所述殼體旋轉(zhuǎn)并具有: 葉輪部， 軸部， 沿著所述葉輪部延伸的螺旋葉片， 擴(kuò)散器: 所述擴(kuò)散器連接到所述殼體， 所述擴(kuò)散器使所述軸部延伸穿過所述擴(kuò)散器，以及 所述擴(kuò)散器具有一個(gè)或多個(gè)葉片，所述葉片能夠操作成抵消施加到通過所述葉輪部泵送的流體的漩渦；以及 流體通道，所述流體通道形成在所述殼體與所述心軸之間并具有噴嘴段、喉段和擴(kuò)散段。
20.一種包括兩個(gè)段或更多段的馬達(dá)，每個(gè)所述段包括: 可潛水管狀殼體； 定子芯，所述定子芯設(shè)置在所述殼體內(nèi)并具有一個(gè)或多個(gè)葉片，每個(gè)所述葉片具有圍繞所述葉片纏繞的繞組；以及轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置在所述殼體內(nèi)并包括軸和轉(zhuǎn)子芯，所述轉(zhuǎn)子芯具有兩個(gè)或更多個(gè)葉片， 其中，每個(gè)所述段遞增地 定向成使得所述段能夠操作成模擬多相馬達(dá)。
全文摘要
一種從儲層取出液體的方法，該方法包括使用線纜將泵送系統(tǒng)配置到井孔中的靠近儲層的位置。泵送系統(tǒng)包括多段式馬達(dá)、隔離裝置和泵。該方法還包括將來自表面的電力信號經(jīng)由線纜輸送到馬達(dá)，并且相繼地運(yùn)行馬達(dá)的各個(gè)段以模擬多相馬達(dá)，從而驅(qū)動泵并使管狀柱中的液面下降到靠近儲層的水平面。
文檔編號H02K5/22GK103154429SQ201180034356
公開日2013年6月12日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者朗斯·I·菲爾德, 克里斯蒂安·卡斯滕森, 里克·德東克爾, 黑爾格·布羅埃, 霍爾格·弗朗茨, 約翰內(nèi)斯·施米特, 本亞明·愛德華·維爾科什 申請人:澤泰克斯有限公司