CN102741498B - 用于一种直接驱动泵的***和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于将流体和/或准流体从一个位置泵送到另一个位置的直接驱动泵的一种***和方法。在该直接驱动泵中，考虑到不同的操作因素如荷载、路径、压力和张力而任选地将多个轴承或轴衬间隔开。进一步，多个轴承或轴衬连接到该驱动柱上，因此有助于更有效的安装和拆卸。这些轴承或轴衬没有被固定到生产套管或驱动管上。在多个实施方案中，该驱动管可以被开孔，并且可以将生产流体用作这些***轴承的一种润滑剂。
Description
发明领域
本发明涉及用于一种直接驱动泵的一种***和方法，该***和方法被用于移动多种液体和/或似液体。本发明还涉及用于安装一个直接驱动泵的一种***和方法，该直接驱动泵是例如用于从深井中对高体积进行提升。
背景
当前用于深井泵送的***涉及电动水下泵(“ESP”)或齿轮离心泵(“GSP”)。这样的泵是目前用作高速率油井中的人工提升的主要方法，其中一个多级离心泵位于井下。例如，在一种ESP***中，一个井下电动机对泵进行直接驱动，其电功率通过从表面延伸至电动机的井下位置的缆线而供应给电动机。例如，在一种GSP***中，泵是通过从表面延伸至位于井下的一个增速传动***的一个旋转杆柱(rodstring)来驱动的。该增速传动***用于将这种杆柱相对慢的转动增大至一种泵所需要的快得多的转动。在这个实例中，该杆柱是由在表面处的原动机来驱动的。
在目前的***中，这种人工提升***倾向于是有些麻烦的。例如，在目前人工提升***的安装中，一个300至400英尺的人工泵以组件形式被安装在多个10英尺的区段中。同样，在管路或管道的一个特定区段的维修中，在能够进行任何维修之前必须一次移除整个区段的泵。
图1A和图1B示出了示例性的线轴泵。图1A示出了具有水润滑的轴承的一种线轴泵。在图1A中，该驱动轴直接在生产管道或柱管中延伸。与图1B中所示实例不同，这个泵不使用油管。替代的是，在图1A中，驱动轴被多个水润滑的轴承和附接在柱管上的多个轴承保持器定位在该柱管的中心。由于在水中使用，此类轴承典型地是由橡胶制成。该泵的推力连同该驱动轴本身的重量由位于表面处的止推轴承所支撑。
图1B示出了具有一个油管和多个油润滑的轴承的一种线轴泵。在图1B中，一个油润滑的驱动轴在该油管、或油充满的管形壳体内转动。该驱动轴由固定地附接在油管上的轴承来支撑，例如青铜轴衬。取决于该驱动轴的预期转速，这些轴衬在yhr油管上并且沿着该驱动轴间隔开例如5英尺至10英尺。在这个实例中，这种钢的泵轴形成了青铜轴衬的轴颈。该泵的推力连同该驱动轴本身的重量由表面处的止推轴承来支撑。因此，该油管可以通过沿其长度均匀间隔开的弹性体定心器而被在该柱管内定位在中心，如图1B中所示。
在图1A和图1B中，为了适当支撑该驱动轴存在一个要求的轴承间隔。这样的间隔影响在安装中使用的管形件的构型。例如，在图1A所示的水润滑的***中，如果这些驱动轴轴承被要求为每10英尺一个，则所使用的柱管是成10英尺的区段。这些轴承保持器在这些柱管连接处固定在该柱管上。例如，在图1B所示的油润滑的***中，如果这些驱动轴轴承被要求为每10英尺一个，则所使用的油管是成10英尺的区段。这些轴衬在这些壳体连接处固定在该驱动轴壳体上。在这两个实例中，这些泵***能以类似的方式进行安装。例如，如果这种轴承间隔被认为是10英尺的话，则包括该柱管、油管以及驱动轴在内的所有组件是成长度为10英尺的区段。因此，当该泵被下放到井中时，这些驱动轴、轴承以及柱管或油管的10英尺区段中的每一个都必须被安装在多个10英尺的区段中。
因此，就存在需要来较不麻烦地安装、拆卸和维修泵***，用于油和水润滑***二者。
附图简要说明
图1A示出了具有水润滑的轴承的一种线轴泵。
图1B示出了具有油润滑的轴承的一种线轴泵。
图2示出了根据本发明一个实施方案所述的一种直接驱动泵的一个示例性实施方案。
图3示出了根据本发明一个实施方案所述的一种带有驱动管的驱动杆的一个示例性实施方案。
图4示出了根据本发明一个实施方案所述的一种不带有驱动管的驱动杆的一个示例性实施方案。
图5A示出了用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的截面图。
图5B示出了图5A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的俯视图。
图5C示出了图5A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的正视图。
图6A示出了用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的截面图。
图6B示出了图6A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的俯视图。
图6C示出了图6A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的正视图。
图7A示出了用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的截面图。
图7B示出了图7A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的俯视图。
图7C示出了图7A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的正视图。
图8A示出了用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的截面图。
图8B示出了图8A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的俯视图。
图8C示出了图8A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的正视图。
图9A示出了用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的截面图。
图9B示出了图9A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的俯视图。
图9C示出了图9A中所示用于根据本发明一个实施方案所述的直接驱动泵的一个稳定器实施方案的正视图。
图10示出了根据本发明所述的一种带有驱动管的直接驱动泵井底组件的一个实施方案。
图11示出了根据本发明所述的一种不带有驱动管的直接驱动泵井底组件的一个实施方案。
图12示出了根据本发明所述的一种顶部开孔的驱动管的一个实施方案。
图13示出了根据本发明所述的一种用于安装直接驱动泵的示例性方法。
详细说明
本发明的实施方案提供了一种较容易安装和维护的、在油和水泵***中使用的人工提升泵。更确切地说，本发明的实施方案可以用于油、水或其他流体/准流体的深井泵送。
本发明的实施方案提供了一种深井泵***，该***与当前的泵***所允许的相比可以在更大的深度处和/或以更大的转速来使用。例如，水井倾向于是直径较大的，例如10英寸至大于16英寸。因此，可用于水井中的农业离心泵要求大直径的泵转子，这导致了每级压力的大大增加。即，每级压力与转子直径的平方、以及转速的平方是成比例的。给定了水井的这种大的直径以及典型地浅的深度，水井涡轮泵典型地以约1200RPM与1800RPM之间的速度运行。相对而言，油井趋向于使用约5.5英寸或7英寸的内径为约4.6英寸至6英寸的生产套管。因此，可获得的离心泵要求小直径的泵转子，从而提供了每级压力的小的增大。这种每级压力的小的增大导致该泵必须以高速(例如约3500RPM)运行。即使在这样高的速度下，由于每级压力的这种小的增大以及油井的典型地深的深度，为了将产生的流体带到表面或其他希望的位置可能要求多达250或更多的级。如果此类用于油生产的泵在农用泵的典型速度(例如用于水井)下运行，则为了将产生的流体带到表面或其他希望的位置可能要求约1000级或更多，这将高不可及地昂贵并且在该***上将有很大磨损。在本发明的多个实施方案中，农用泵和油泵***的此类限制因素和费用得以减轻或减少。
本发明的实施方案提供了一种泵的安装，其中与目前的泵***所允许的相比可以安装更大段的泵。例如，在农用泵和油泵中，通过固定在管式驱动轴壳体(即油管)或柱管上的轴承来稳定该驱动轴。使这些区段中的每个都是相同长度的，这样使得在将泵安装到井中时可以将轴承在这些管区段的联接处固定在柱管或油管上。在一种油润滑的轴承***中，青铜轴衬被附接到这些油管上，其中一个刚质驱动轴形成了轴颈。在一种水润滑的轴承***中，用轴承保持器将橡胶轴承保持在柱管中心。该驱动轴延伸穿过该橡胶轴承并且装有一个用作轴颈的不锈钢套管。在农用泵(例如水泵)以及油泵***中，轴承分别固定在柱管或油管上。因此，如以上讨论的，此类可获得的***的安装要求组装多个泵***区段(每个10英尺)。本发明的实施方案提供了对更大泵***区段(例如25英尺段、60英尺段以及更多)的安装。
本发明的实施方案提供了一种高体积的人工提升***，即直接驱动泵(“DDP”)，其中通过一个从表面延伸至井下泵的杆柱来驱动一个多级井下离心泵。该杆柱在表面(例如地表高度)处由一个原动机(例如电动机)来驱动。例如，该电动机能以3500RPM的泵工作速度来驱动该杆柱。在本发明的实施方案中，这个速度可以减小或增大，这取决于所需的情况。
本发明的实施方案提供了靠近地间隔开的轴承来提供该驱动柱(drivestring)的旋转稳定性。在一个实施方案中，这些单独的轴承附接在该驱动柱上、并且没有固定到生产套管或驱动管上。
图2示出了根据本发明的一种直接驱动泵送***220的一个实施方案。在图2中，显示了一个电动机200通过多个油管悬挂器以及至少一个止推轴承201而连接在该泵的剩余元件上。在一个实施方案中，电动机200是一个以全部泵速度驱动该杆柱的电动机。替代地，电动机200是以例如3500RPM转动的直接驱动电动机。替代地，该电动机200具有低的输出RPM，即，低于3500RPM，但具有增速能力的齿轮驱动。在这个实施方案中，由位于泵与连接至泵的流动管线203之间的压力调整器202来监控该泵***的压力。当该驱动管与该生产管道之间的压差超过一个预定的设定值时该压力调整器202打开。一个井头204将井套管连接到该泵***的上部，该泵***包括电动机200和流动管线203。在保护性井套管205内部，有一个生产管道或管路207并且容纳了一个驱动杆柱206。该泵***的下部包括一个接收件和一个或多个止推轴承208。在一个实施方案中，支撑了这些驱动杆的重量的止推轴承208位于该表面驱动头(drivehead)中。由于高的转速，杆柱206配备有沿着杆柱的整个长度靠近地间隔开的多个稳定器或轴承以确保稳定的转动。在此示出了此类稳定器的一些示例实施方案。产油层212区域(即，水或油和其他液体/似液体所在的地方)中的井壳体中的穿孔209允许该液体或似液体进入井套管中用于通过具有一个泵入口211的泵210进行泵送直至表面或其他希望的位置。
图3示出了根据本发明一个实施方案所述的一种具有驱动管301的驱动杆304的一个实施方案。例如，在更大尺寸的生产管道中，驱动杆柱304以及稳定器305在被称为驱动管301的一个小直径的管式壳体中转动。驱动管301在生产管道302内部延伸。为了稳定该驱动管301，驱动管稳定器303在生产管道302与驱动管301之间被间隔开。在驱动管301本身之内，驱动杆柱304由多个驱动杆稳定器305支撑到驱动管301上。
图4示出了一个驱动杆柱402被直接包在生产管道401中的一个实施方案。在这样的情况下，驱动杆柱402由多个驱动杆稳定器403支撑到生产管道401上。这样一个实施方案可以在较小直径的生产管道的情况下使用，其中不足以和/或不需要一个驱动管。
图5、图6和图7示出了用于根据本发明所述的一种不使用驱动管的直接驱动泵实施方案的轴承组件或稳定器的多个实施方案。在这些实施方案中的每一个实施方案之中，轴承组件包括附接在一个杆体上的轴衬，其中一个轴承安装在一个壳体(例如，一种塑料或其他类型的壳体)中，该壳体与该生产管道的内径紧密配合。该壳体、因此还有该轴承，仍然相对于该管道是固定的，其中该杆柱在该轴承中转动。图5示出了一种陶瓷-聚合物合金轴承的示例实施方案。在图5A中，一个聚合物壳体和轴承500位于一个陶瓷轴衬501附近，该陶瓷轴衬501位于该驱动杆502上。在图5B中，示出了该聚合物壳体和轴承500围绕该陶瓷轴衬501。在聚合物壳体500外部可得到一个生成的流动区域。在图5C中，示出了该组件的一个正视图，其中在生产管道503内部，使用了一个夹持带504来保持该环绕了驱动杆502的一个部分的这个壳体500。
图6示出了一种非腐蚀性轴承的示例实施方案。在图6A中，一个聚合物壳体和轴承600位于一个模制停止件601(例如一个模制的塑料停止件)附近，该模制停止件601位于该驱动杆602上。在图6B中，示出了该聚合物壳体和轴承600围绕这该驱动杆602。在聚合物壳体600外部可得到一个生成的流动区域。在图6C中，示出了该组件的一个正视图，其中在生产管道603内部，使用了一个夹持带604来保持该环绕了驱动杆602的一个部分的这个壳体600。
A
图7示出了一种陶瓷轴承的示例实施方案。在图7A中，一个塑料壳体和轴承700位于一个陶瓷轴衬701附近，该陶瓷轴衬701位于该驱动杆702上。在图7B中，示出了该塑料壳体和轴承700围绕这个陶瓷轴衬701。在塑料壳体700外部可得到一个生成的流动区域。在图7C中，示出了该组件的一个正视图，其中在生产管道703内部，使用了一个夹持带704来保持该环绕了驱动杆702的一个部分的这个壳体700。
在本发明的多个实施方案中，要使用的轴承材料取决于在井内的轴承位置处所预期的磨损和侧向荷载。例如，在由于井孔偏差而预期会有高的侧向荷载的地方，可以使用陶瓷的或甚至碳化物的轴承。或者例如，在预期会有不大的侧面荷载的地方，可以使用更简单并且更便宜的聚合物合金轴承。该轴承壳体材料可以是塑料、尼龙、聚合物合金，或一些其他强力的、化学惰性的材料。
在本发明的多个实施方案中，可以使用不同类型的轴承。可以根据预期的荷载、泵的深度、驱动管的使用、以及其他考虑因素来确定使用哪种轴承类型。在图5至9中，这些轴承在轴承壳体周围提供流体流动方面不相同。例如，当不使用驱动管时，这些轴承被暴露于生产流体流中，因此应该将对于轴承壳体与生产管道内侧之间的流动而言开放的区域最大化以便减小在流体流经这些轴承时的压力损失。例如见图5至图7。或者例如，在使用了驱动管时，该管中的流体是几乎不动的，并且这些轴承壳体仅需要进行足够地刻槽以便允许贯穿该驱动柱的低速率流通。例如见图8和图9。
图8和9示出了用于根据本发明所述的一种具有驱动管的直接驱动泵实施方案的多个轴承组件或稳定器的实施方案。在这些实施方案中的每一个实施方案之中，轴承组件包括附接在一个杆体上的轴衬，其中一个轴承安装在一个壳体(例如，一种塑料或其他类型的壳体)中，该壳体与该驱动管壳体的内径紧密配合。该壳体、因此还有该轴承，仍然处于相对于该驱动管壳体是固定的，其中该杆柱在该轴承中转动。
图8示出了一种陶瓷-聚合物合金轴承的示例实施方案。在图8A中，一个聚合物壳体和轴承800位于一个陶瓷轴衬801附近，该陶瓷轴衬801位于该驱动杆802上。一个驱动管805环绕这个组件。在图8B中，生产管道803环绕着驱动管805，该驱动管环绕着该轴承组件。在图8C中，示出了该组件的一个正视图，其中在驱动管805内，使用了一个夹持带804来保持该环绕了驱动杆802的一个部分的这个壳体800。
图9示出了一种陶瓷轴承的示例实施方案。在图9A中，一个塑料壳体和轴承900位于一个陶瓷轴衬901附近，该陶瓷轴衬或轴承901位于该驱动杆902上。一个驱动管905环绕这个轴承组件。在图9B中，示出了该生产管道903环绕着驱动管905，该驱动管环绕着该轴承组件。在图9C中，示出了该组件的一个正视图，其中在驱动管905内部，使用了一个夹持带904来保持该环绕了驱动杆902的一个部分的这个壳体900。
在本发明的多个实施方案中，该轴承组件或构型提供了这些管形件和该驱动柱可以单独地并且顺序地运行，而不是如目前可得的泵***中同时地进行。在本发明的多个实施方案中，该轴承组件允许单独区段的管和驱动柱远远更长，因为这些轴承没有附接在这些管形件的连接器上。因此，这些连接器可以大大更宽地间隔开，而不必为了之前所必须的轴承放置而进行调整。因此，这允许了对泵***的相对更容易的服务和维修。例如，当该泵要求服务时，这些驱动杆和/或管形件能一次性以大的长度(例如几英尺、100英尺的长度等)从井中拉出并随后返回井中。进一步，在一个实施方案中，这些管道连接器是带螺纹的，而不是具有凸缘连接物，例如像图1A和1B中所示，因此大大改进了密封完整性和安装速度。
在本发明的一个实施方案中，将此类轴承组件安装在一个驱动杆上允许这些轴承按照井中的条件所要求的最佳地定位。例如，这样的条件可能包括杆的张力以及井中的可能的侧面荷载，例如，由于井孔偏差。在一个实例中，一个驱动柱的旋转稳定性是随杆张力变化的。即，张力越高，杆的旋转越稳定。然而，在井底靠近泵处，该杆可能具有小的张力。因此，在泵在井中的这个位置处，轴承间距需要在空间上更靠近以便确保稳定的转动。同样地，在沿孔朝表面向上前进时，杆的张力随着有效悬吊在下方的杆的重量的增大而增大。因此，这些轴承的间距在这个范围内可以增大。即，在杆张力最大处，沿着驱动杆的相对轴承间距可以最宽并且仍然是足够有效的。在本发明的一个实施方案中，一种优化的驱动杆柱具有根据杆张力所决定的要求来间隔开的轴承。
在实际情况下，油井或水井通常既不是完全直的也不是竖直的。因此，在具有小直径的管道内旋转的驱动杆可能由于井方向的偏差而被迫使至侧面，从而在位于这个偏差范围内和/或附近的轴承上造成侧向荷载。这些驱动杆轴承主要被设计为保持杆柱稳定地旋转并且正常地预期它们仅暴露于小的侧向荷载中。然而，如果预期侧面荷载由于井孔偏差而异常高，则可以在预期有高的侧面荷载的那些区域内安装针对侧面荷载阻力所设计的特殊轴承，如图5至图9所示的陶瓷轴承。
在本发明的多个实施方案中，由于泵***的结构而需要较容易的维护。在一个实施方案中，不必去除其他部件就可以移除这一个或多个驱动杆。这样允许较容易的“调谐”或调整该泵***用于正在改变/已经改变的操作条件、或用于正常维护。例如，如果改变了一种操作条件如泵速度，则可以用具有更有用的轴承类型、构型和/或分布的其他的一个或多个驱动杆来替换这个或这些驱动杆。例如，如果增大泵速度来增大液体产量，则可以用具有不同轴承分布的、针对更高的转速所设计的驱动杆来容易地替换这些驱动杆。同样，如果在一个或多个驱动杆中出现失效，则可以迅速地在井下运行一个或多个替换的驱动杆从而最小化停工时间。
本发明的多个实施方案提供了在更大深度处的泵送。目前可获得的线轴泵***典型地具有小于1500英尺的压头扬量、并且因此延伸至小于1000英尺的深度。较短长度的管道和驱动轴导致这些部件的一种少量的伸展，例如由于操作过程中水柱重量和/或泵推力。这样的伸展允许将驱动轴的支撑推力轴承定位在表面处。例如见图1A和图1B，如以上描述的。这允许对这些部件的相对长度进行小的手动调整，这样使得泵叶轮(既扭转地又轴向地固定附接在驱动轴上)自由转动。然而，在本发明的多个实施方案中，给定了这些部件的允许的更大深度以及因此更大的流体静力学力，则在附接了泵的生产管道与这些驱动杆和/或驱动管之间存在远远更大的相对移动，从而允许更灵活的手动调整范围。
在图10中，示出了根据本发明所述的具有驱动管的直接驱动泵井底组件的一个实施方案。在这样一个实施方案中，可以将该泵驱动轴止推轴承直接置于该泵的正上方或下方。该泵驱动轴和多个转子由这个或这些驱动杆1000通过一个花键连接或花键杆连接件1005来驱动，该连接件允许生产管道与这个或这些驱动杆1000之间显著的相对的竖直移动而同时允许该泵驱动轴和多个转子仍然相对于泵本体是轴向地固定的。在一个实施方案中，有一个另外的位于表面处的止推轴承来应对该驱动柱的重量。例如见图2。在图10中，生产管道1003环绕着驱动管1001，该驱动管环绕着驱动杆1000。多个稳定器1002被定位在驱动杆1000上并且间隔开以支持它。在驱动管1001本身之内有一个底部驱动管排放孔1004。图10进一步示出了一个密封孔驱动管连接1006、刺入式接收件1007、刺入式接收件排放口1008、止推轴承1009、泵1010、以及泵入口1011之间的关系和相对位置。
图11示出了根据本发明的一个类似于图10所示的实施方案，除了不具有驱动管1001。在这个实施方案中，仍然采用一个花键连接1105。进一步，示出了使用一个止推轴承1101，例如聚晶金刚石(PCD)止推轴承，它位于泵下方且在泵入口上方。
图12示出了根据本发明的具有顶部开孔的驱动管的一个实施方案。图12示出了该泵***的恰在井头1201下方的一个放大的区段。一个井套管1208环绕了生产管道1200，该生产管道1200环绕着驱动管1203。该驱动管1203被示出为在其上部区域内具有多个排放口1202以便允许流体流动。由于位于驱动管1203内的驱动杆1204在运行过程中移动，这些驱动杆稳定器1205被定位在该杆上并且支撑该杆。在该实施方案的操作过程中，流体在生产管道1200中、在驱动管1203内流动并且从驱动管1203朝表面向上移动。
在本发明的多个实施方案中，对这些轴承可以使用不同的润滑剂。例如，在具有一个大的生产壳体或管道的实施方案中，可以使用一个具有更小直径的驱动管来包盖该驱动杆。可以将该驱动管定中心在该生产管道内并且用于实质性保护该驱动杆免于可能在产生的流体流束中发生的腐蚀和垢沉积。在这样一个实施方案中，必须对轴承的润滑进行选择使之不会负面地影响该***的其他部件，例如部件之间的密封性等等。例如，在一些***中，使用油作为润滑剂。在这样的***中，一种油润滑剂在较浅的深度处可能是有用的。然而，在相对更大的深度处使用油润滑剂可能在生产管道中产生的流体与驱动管中的油之间造成密封问题。这样的问题可能是由于该润滑油与产生的井流体(例如，典型地是水)之间的密度差而产生的。例如，在深的深度(例如6000英尺)处，具有0.9的比重的润滑油柱体与具有1.0的比重的水之间的压力差在6000英尺的深度处几乎为260psi。并且在一个泵送***中，如果要将产生的流体与该润滑油保持是分离的，则在油填充的驱动管底部的这些密封件必须对抗3500RPM时的这个260psi压力差而密封。这种压力情况可能提出潜在的操作困难。替代地，可以将表面处的油柱增压至260psi，这样使得该油柱与产生的流体柱的井底压力是相等的、或几乎相等的，从而在这些密封件上减轻压力差。这个替代方案也提出了操作困难。例如，如果在表面生产压力中并且在井关闭和启动过程中存在任何变化，则需要针对井底生产压力中的预期变化来对驱动管中的表面压力进行调整。在另一个替代方案中，可以使用与水具有相似密度的一种油润滑剂，这样使得这两个柱中的静液压力在井底是大约相等的。这也提出了困难，即这样的油是合成的并且因此高不可及地贵。在本发明的多个实施方案中，这些困难被克服。例如，在本发明的一个实施方案中一个水润滑的驱动轴提供了油润滑的***的益处，而没有操作困难、润滑剂成本和/或压力平衡的问题。该水润滑的***包括在小直径的驱动管内转动的驱动轴，并且配备有靠近地间隔开的轴承以提供旋转稳定性，如在此讨论的。在一个实施方案中，该驱动管没有与产生的流体密封隔离。产生的流体填充了该驱动管并且用作轴承润滑剂。在这样一个使用水作为润滑剂的实施方案中，可以使用针对水润滑而设计的轴承。此类轴承可以使用陶瓷、碳化物的设计或设计为聚合物合金轴承，这取决于荷载和磨损要求，如在此讨论的。如图12中所示，将驱动管在表面处开孔至生产流动管线以便排出在该管中收集的油或气体、并且允许对沿驱动管向上的流动速率进行控制。在一个实施方案中，将驱动管开孔进入井头下方的生产管道中，从而允许产生的流体沿驱动管连续向上流动。这可以改进润滑和/或改进这些轴承的冷却。在一个实施方案中，用产生的流体来填充驱动管可以提供成本以及可靠性两个益处。在这个实施方案中，在泵组件处的这些驱动轴密封件是不需要的。而是，使用一个轴衬(例如碳化物)将该轴在驱动管的底部定中心。该驱动管在底部被开孔以允许产生的流体自由移动进入该驱动管中，从而保证这些驱动轴轴承一直浸没在流体中。在一个实施方案中，如果产生的流体是腐蚀性的或易于积垢，则可以使用生产管线开孔的选择，因为可以对沿驱动管向上的流动速率进行密切控制从而使驱动管中的流体是基本上不动的。因此，大大减少了在驱动柱和/或轴承上腐蚀或积垢的任何可能。在这样一个实施方案中，在缺乏连续移动时，在生成的不动的水柱中任何剩余的垢和腐蚀性组分将具有极小的作用。
在一个实施方案中，该驱动管开放至泵出口，因此当它完全被液体充满时，管中表面处的压力将等于泵出口压力减去静态液体柱所施加的静液压力。在生产管道出口处在表面处的压力将等于泵出口压力减去静态液体柱所施加的静液压力减去由于生产管道中流体流动造成的摩擦压降。因此，只要在管道中存在流动，该驱动管顶部处的压力就将大于表面生产管道压力，其差是流动摩擦所造成的压降。这个差可以用来清除将自然地累积在驱动管顶部处的气体。因为该驱动管对于井的生产流体是开放的，所以在生产过程中一些气体和/或油可以沿该驱动管向上迁移。最后，这些油和/或气体将完全替换了驱动管中的水。如果气体填充了该管的即使一部分，这种情况更严重，因为上部的轴承可能变得缺乏液体润滑剂，从而导致最终的轴承失效。
在一个实施方案中，一个驱动管可以装有通向生产管道出口的排放管线，并且该管线可以装备有一个压力调节器，该压力调节器在驱动管与生产管道之间的压力差超过设定值时打开。在油和/气体可能累积在驱动管中的情况下，该压力调节器的压力设定值可能需要在考虑高于这个预期的摩擦损失压降之后进行设定，这样使得该阀门仅在发生这样的累积之后打开。因此，随着油和气体在驱动管顶部累积，可以将该受压力调节的阀设置为周期性地打开以便从管中排出一些油和气体，从而保持驱动管内的恒定量的水，这样使得这些轴承一直得到润滑。
在并不非常关注腐蚀或积垢的一个实施方案中，则可以使用这个驱动管排放的实施方案。在这个实施方案中，该驱动管在底部开孔，但存在一个恰在井头下方进入生产管道中的另外的驱动管排放口(如图12)。在生产操作过程中，由于生产管道中的高的流动速率，在井底与表面之间的生产管道中可能存在显著的摩擦压降。因此，表面处的驱动管内部的流体压力比相邻的生产管道中的更大。这个差可以用来迫使低速流体沿驱动管向上流动并从顶部排放口中流出，从而导致产生的流体沿驱动管向上的持续循环，润滑并冷却这些轴承。进入该驱动管的任何油和/或气体还将穿过顶部排放孔，从而消除了造成缺乏足够润滑剂的气体累积机会，如以上所说明的。
在这些实施方案中，通过水的恒定流动提供了稳定器轴承的有效冷却和润滑。例如见图12。这样的冷却和润滑在有偏差的井的情况下可能是关键的，因为这些稳定器轴承由于该驱动柱的弯曲而经历更重的侧面荷载。在一个实施方案中，这种生产管线排放也可以提供产生的流体沿驱动管向上的连续流动以便一同冷却位于该区域内的轴承。进一步地，这种生产管线排放可以提供的是，通过仅打开一个控制阀来允许希望量的液体沿驱动管向上连续流动并进入生产流动管线中以便连续地清除在驱动管中累积的任何油和/或气体。
本发明的多个实施方案有利于更容易地安装一个井泵。图13示出了安装直接驱动泵的一种示例方法，该直接驱动泵具有如图2和图7中所示实施方案的一个驱动管以及一个驱动杆。总体上，在油田操作中，使用井服务装备将一个泵组件安装在一个井中。该井服务装备具有一个铁架塔、多个绞车、以及允许管形件伸入并拉出的辅助设备以及其在井中使用的其他设备。该井底组件(包括一个多级泵、止推轴承、以及驱动杆和驱动管接收件)通过一种连接(例如螺纹连接)附接到一个长度的生产管道1301上。该长度的生产管道典型地包括两节管道，每个长度为30英尺，并且通过例如一种螺纹连接连接在一起，由此形成一截约60英尺长的管道。将该泵组件以及单截管道通过该井服务装备下放进入到井1302中约60英尺，并且将该管道紧固在井头1303中。将另一截60英尺的管道通过例如一种螺纹连接而附接1304到被紧固在井头中的这截管道上并且将其附接到该井底组件上。将整个组件下放1305另外60英尺并且将另一截附接到该生产管道上。这个过程继续直至该井底组件位于井1306中所希望的深度处并且将该生产管道紧固在井头中。接下来，将由多个60英尺的截段(通过螺纹连接而连接的两个30英尺的节)构成的、具有更小直径的驱动管***到生产管道1307中并且将延伸到底部，其方式与将生产管道和井底组件延伸并固定在井头1308中的类似。该驱动柱管配备有多个定心器来使之同中心地定位在该生产管道中，例如参见图2和图3。该驱动柱还在底部配备有一个靠近地配合的凸形刺入式构件，该构件装进该井底组件中的驱动管密封孔接收件中。这个密封孔组件将该驱动管定位为使得它在该井底组件内围绕该驱动杆接收件居中(例如参见图10)，同时还允许该驱动管与井底组件之间的相对的竖直移动。然后使成50至70英尺的截段的带有多个稳定器的多个驱动杆延伸在该驱动管内部，其方式与延伸驱动管的方式1309类似。这些驱动杆典型地是25英尺或30英尺长，并且通过多个螺纹连接件彼此附接。将该驱动杆柱伸至底部并将花键杆连接件刺入井底组件中的驱动杆刺入式接收件中。例如见图10。这种花键连接允许该杆旋转地驱动该离心泵但提供了这些驱动杆与该井底组件之间的相对的竖直移动。不使用驱动管的直接传动泵以同样的方式进行安装。不同之处在于在直接传动泵中不安装驱动管。而是，在将井底组件和生产管道柱伸至适当的深度并紧固在井头中之后直接将该驱动杆柱伸入。然后安装驱动头，使得该驱动杆可以由电动机转动(例如见图2)，由此驱动井底组件1310中的多级离心泵。将该表面流动管线附接到井头1311上并使泵准备好以供运行。然后可以使用该表面流动管线来将该泵所提升的井流体输送至任何希望的位置，例如附近的储存容器等等。
应理解的是存在如本领域普通技术人员可能很清楚的本发明及其不同方面的其他变体和修改的实施方式，并且本发明不受在此说明的具体实施方案的限制。以上说明的特征和实施方案可以或可以不互相组合。特此做出的考虑是覆盖了落入在此披露和提出权利要求的基本的主要原理的范围之内的任何以及全部的修改、变体、组合或等效物。
Claims (2)
1.一种直接驱动泵***，包括：
一个井套管，该井套管是该直接驱动泵***的壳体；
一个生产管道，位于该井套管内；
一个泵，附接于所述生产管道的下端；
一个驱动杆柱，位于所述生产管道内并且从表面延伸至位于所述生产管道下端处的所述泵；
一个驱动头，位于该生产管道的表面端处，所述驱动头配备有旋转原动机，附接于所述驱动杆柱，用于旋转地驱动所述驱动杆柱的目的；
其中，所述泵是多级离心泵，该泵的旋转元件需要约3500RPM的高旋转驱动速度以供有效运行；
其中，所述驱动杆柱直接附接于在井下位于所述井套管中的所述泵的所述旋转元件，并且以所述高旋转驱动速度直接驱动所述泵的所述旋转元件从而在所述生产管道内促使通过所述泵加压的井流体朝表面向井上流动以供生产；
其中，所述驱动杆柱配备有多个稳定器和轴承，所述稳定器和轴承根据需要附接于所述驱动杆柱的整个长度并且沿所述驱动杆柱的整个长度被间隔开以便确保所述驱动杆柱在运行过程中的稳定转动；
其中，附接于所述驱动杆柱的所述轴承的所述间隔取决于所述驱动杆柱的张力荷载。
2.如权利要求1所述的直接驱动泵***，包括：
一个驱动管，所述驱动管位于该生产管道内，并且从表面延伸至位于所述管道的下端处的泵；
其中，所述驱动杆柱位于所述驱动管内；
其中，在所述驱动管内容纳的所述驱动杆柱直接连接于所述泵的该旋转元件，并且旋转地驱动所述旋转元件从而在所述驱动管和所述生产管道的内壁之间的环形空间内促使通过所述泵加压的井流体朝表面向井上流动以供生产；
其中，所述驱动管内容纳的所述驱动杆柱配备有多个稳定器和轴承，所述稳定器和轴承根据需要附接于所述驱动杆柱的整个长度并且沿所述驱动杆柱的整个长度被间隔开以便确保所述驱动杆柱在所述驱动管内在旋转运行过程中的稳定转动；
其中，附接至所述驱动管内容纳的所述驱动杆柱的所述轴承的所述间隔取决于所述驱动杆柱的张力荷载；
其中，至少一个定心器附接于所述驱动管的外表面并且放射状支撑所述驱动管，使得所述驱动管保持位于所述生产管道中心。
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Granted publication date: 20160504 Termination date: 20210812 |