CN108700058A - 用于可下潜应用的线性液压泵 - Google Patents

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Abstract

一种可下潜泵送***具有电动马达(108)、由电动马达(108)驱动的旋转式液压泵(106)，以及构造成移动生产流体的线性液压泵(110)。旋转式液压泵产生驱动线性液压泵的加压的工作流体。在另一方面中，公开了一种用于控制设置在钻井中的可下潜泵送***内的电动马达的温度的方法。该方法包括如下步骤：使马达润滑剂通过液压驱动的生产泵来循环，以降低马达润滑剂的温度。

Description

用于可下潜应用的线性液压泵
技术领域
本发明大体上涉及可下潜泵送***的领域，并且更具体而言，但不限于涉及由可下潜电动马达驱动的旋转式液压泵。
背景技术
可下潜泵送***经常部署到井中，以从地下储层采收石油流体。典型地，可下潜泵送***包括许多构件，其包括联接于一个或更多个离心泵组件的电动马达。生产管系连接于泵组件，以将石油流体从地下储层输送至地面上的储存设施。泵组件经常采用轴向和离心定向的多级涡轮机。
然而，在某些应用中，待从井生产的可获得的流体的体积不足以支持与常规电动可下潜泵送***相关联的成本。在过去，备选的举升***用于鼓励从“边缘”井的生产。基于地面的抽油杆泵和气驱柱塞举升***用于小容量井中。尽管被广泛采用，但由于许多原因，这些解决方案可为不可接受或非合乎需要的。例如，在斜钻井中，由于杆上管系磨损，故抽油杆泵倾向于经历过早失效。因此，存在对改进的可下潜泵送***的需要，其非常适合用于在边缘井或斜井中使用。
发明内容
本发明包括一种可下潜泵送***，其具有电动马达、由电动马达驱动的旋转式液压泵，以及构造成移动生产流体的线性液压泵。旋转式液压泵产生驱动线性液压泵的加压的工作流体。
在另一方面中，一种设置在钻井中的可下潜泵送***，其包括填充有马达润滑剂流体的电动马达、由电动马达驱动的液压泵，以及构造成从钻井产生生产流体的生产泵，该液压泵增加马达润滑剂流体的压力。生产泵由加压的马达润滑剂流体驱动。
在又一方面中，一种用于控制设置在钻井中的可下潜泵送***内的电动马达的温度的方法以如下步骤开始：提供填充有在第一温度下的马达润滑剂流体的电动马达。接下来，电动马达触动成驱动液压泵。该方法以如下步骤继续：利用液压泵将马达润滑剂流体从电动马达泵送至生产泵。生产泵由马达润滑剂流体驱动，以从钻井排空生产流体。该方法以如下步骤结束：提供马达润滑剂流体在低于第一温度的第二温度下从生产泵至电动马达的返回。
附图说明
图1描绘了根据本发明构造的可下潜泵送***。
图2提供了根据第一实施例构造的图1的泵送***的旋转式液压泵的截面视图。
图3为图2的旋转式液压泵的汽缸体的下游侧的视图。
图4为图2的旋转式液压泵的汽缸体的上游侧的视图。
图5为图2的旋转式液压泵的倾斜板的下游侧的视图。
图6为图2的旋转式液压泵的驱动器的下游侧的视图。
图7提供了根据第二实施例构造的旋转式液压泵的截面视图。
图8提供了根据另一实施例构造的图1的泵送***的旋转式液压泵的侧视截面视图。
图9提供了图8的旋转式液压泵的俯视截面图。
图10为处于第一位置的生产泵的截面视图。
图11为处于第二位置的图10的生产泵的截面视图。
图12为描绘使马达润滑剂流体冷却的方法的过程流程图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，图1示出了附接于生产管系102的泵送***100的立视图。泵送***100和生产管系102设置在钻井104中，钻井104钻取用于流体(如水或石油)的生产。如本文中使用的，用语“石油”广义上是指所有矿物烃，如原油、气体，以及油和气体的组合。生产管系102将泵送***100连接于基于地面的装备和设施。
泵送***100包括液压泵106、马达108以及生产泵110。尽管泵送***100主要设计成泵送石油产品，但将理解的是，本发明还可用于移动其它流体。还将理解的是，尽管泵送***的构件中的各个主要公开在可下潜应用中，但这些构件中的一些或全部还可用于地面泵送操作中。
如在本公开中使用的，用语“上游”和“下游”将理解为表示泵送***100内的相对位置，如由流体通过泵送***100从钻井104至地面的移动限定的。用语“纵向”将理解为意指沿着延伸穿过泵送***100的中心轴线；用语“径向”将理解为意指沿垂直于纵向轴线的方向；并且用语“旋转”将表示构件绕着纵向轴线旋转的位置或移动。
马达108为电动可下潜马达，其通过电力电缆112从基于地面的设施接收功率。当电功率供应至马达108时，马达将电功率转换成旋转运动，其沿着轴(在图1中未示出)传递至液压泵106。在一些实施例中，马达108为三相马达，其由位于地面上的可变速驱动器114控制。可变速驱动器114可选择性地控制马达108的速度、扭矩以及其它操作特性。马达108可填充有介电马达润滑剂流体。马达108可以可选地为永磁马达。
泵送***100可选地包括密封区段116，其定位在马达108上方并且定位在液压泵106下方。密封区段116屏蔽马达108以免由液压泵106产生的机械推力，并且将马达108与液压泵106中的钻井流体隔离。密封区段116还可用于适应润滑剂在泵送***100的安装和操作期间在马达108内的膨胀和收缩。在备选实施例中，密封区段116并入在马达108或液压泵106内。磁性联接器还可用于在马达108、密封区段116以及液压泵106之间传递扭矩。磁性联接器的使用排除了对马达108、密封区段116以及液压泵106内的轴密封件的需要。
与现有技术的电动可下潜泵送***不同，泵送***100使用生产泵110将流体从钻井104移动至地面，生产泵110通过由液压泵106加压的工作流体供能，液压泵106继而由马达108驱动。因此，液压泵106用作液压发生器，并且生产泵110用作生产泵，以从钻井104排空流体。高压工作流体管线118a用于在液压泵106与生产泵110之间传递工作流体。高压工作流体管线118b用于将工作流体从生产泵110转移回至马达108。工作流体管线118a,118b可在泵送***100的构件内部或外部(如图1中描绘的)。
使用液压泵106来驱动生产泵110给出了与现有技术相比的若干优点。具体而言，液压泵106和马达108可定位在钻井104的一部分中，而生产泵110位于远程位置处。在一些应用中，可合乎需要的是，将马达108和液压泵106放置在生产泵110上方，其中工作流体管线118在液压泵106与生产泵110之间延伸穿过钻井。将泵送***100分成由柔性管线连接的较小不同构件的能力容许了将泵送***100部署到高度偏斜的钻井104中。
在图2中描绘的实施例中，液压泵106利用倾斜板来将马达108的旋转移动转化成直线往复运动。在图2中的液压泵106的截面图中，液压泵106包括上游室120a、下游室120b以及泵轴122。然而，将认识到的是，液压泵106不限于双室设计。液压泵106可备选地包括单个室或多于两个室。
液压泵106还包括吸入口124、排放口126以及壳体128。液压泵106内的内部构件中的各个包含在壳体128内。吸入口124直接地或间接地连接于马达108，并且工作流体为马达润滑剂流体。马达润滑剂流体作为工作流体的使用具有使马达润滑剂流体冷却的益处，因为该马达润滑剂流体通过液压泵106和生产泵110在回路中远离马达108行进。作为备选，吸入口124连接于工作流体储蓄器(在图2中未示出)，其向液压泵106提供工作流体的供应。在再一实施例中，吸入口124可构造成从钻井104抽吸流体，并且使用钻井流体作为工作流体。
大体上，流体通过吸入口124进入液压泵106，并且通过排放口126由上游室120a和下游室120b运送至工作流体管线118a。泵轴122直接地或通过一系列相互连接的轴从马达108连接于输出轴(未示出)。液压泵106可包括一个或更多个轴密封件，其在轴122穿过上游室120a和下游室120b时密封轴122。
上游室120a和下游室120b中各个的包括汽缸体130、一个或更多个活塞组件132，以及倾斜盘组件134。倾斜盘组件134包括驱动板136和摇臂板138。图5和图6示出了摇臂板138的上游面和驱动板136的上游面。摇臂板138和驱动板136两者可形成为大致圆柱形的部件。
返回参照图2，驱动板136以非垂直方位连接于泵轴122。以该方式，泵轴122的旋转使驱动板136的上游边缘和下游边缘在相对的时间处在上游室118和下游室120内围绕轴122旋转。驱动板136以固定角度连接于泵轴122。在一些实施例中，驱动板136与泵轴122之间的连接的角度设置可在使用期间调节。
摇臂板138不构造用于与泵轴122一起旋转，并且相对于汽缸体130和壳体128保持旋转固定。在一些实施例中，摇臂板138的上游面与驱动板136的下游面滑动接触。在其它实施例中，液压泵106包括摇臂板138与驱动板136之间的轴承，以减小两个构件之间的摩擦。
摇臂板138包括中心轴承140和活塞杆凹部142。中心轴承140容许摇臂板138响应于相邻的驱动板136的旋转而倾斜。因此，在驱动板136与泵轴122一起旋转时，驱动板136的下游边缘的变化的旋转位置使摇臂板138以滚动方式倾斜，同时保持与汽缸体130和壳体128沿径向对准。中心轴承140可包括球轴承、唇形密封件或其它轴承，其允许摇臂板138以纵向方式倾斜，同时保持旋转固定。
现在参照图2、图3和图4，汽缸体130固定在壳体128内。汽缸体130包括多个汽缸144、吸入端口146以及单向阀148。在图3和图4中描绘的实施例中，汽缸体130包括六个汽缸144、六个吸入端口146、六个吸入式阀148，以及六个排放阀150。然而，将理解的是，实施例的范围不限于特定数量的汽缸144、吸入端口146以及单向阀148。
活塞组件132包括活塞杆152和柱塞154。在图3中描绘的实施例中，液压泵106包括六个活塞组件132。然而，将理解的是，实施例的范围不限于特定数量的活塞组件132。活塞杆152中的各个的近侧端部装固在摇臂板138中的活塞杆凹部142中的对应一个内。活塞杆152中的各个的远侧端部附接于柱塞154。各个柱塞154驻留在汽缸144中的对应一个内。
在图3中描绘的实施例中，吸入端口146延伸至汽缸体130的上游侧。吸入端口146内的吸入阀148允许流体从汽缸体130的上游侧进入吸入端口146 ，但是禁止流体从汽缸体130的上游侧传回。对应的排放阀150允许流体离开汽缸144，但是禁止流体进入汽缸144。
在图7中描绘的实施例中，吸入端口146延伸穿过单个汽缸体130的下游侧。吸入端口146内的吸入阀148允许流体从汽缸体130的下游侧进入吸入端口146，但是禁止流体从吸入端口146传回。对应的排放阀150允许流体离开汽缸144，但是禁止流体进入汽缸144。在图7中描绘的实施例中，可合乎需要的是，将排放管156附接于汽缸144中的各个，以防止流体再循环穿过汽缸体130。
在操作期间，马达108转动泵轴122，其继而使驱动板136旋转。在驱动板136旋转时，其将往复纵向运动赋予摇臂板136。关于驱动板136的每次完整旋转，摇臂板138经历往复直线运动的全循环。摇臂板138的直线往复运动通过活塞杆152传递至柱塞154。活塞杆152迫使柱塞154在汽缸144内来回移动。
在柱塞154沿上游方向移动时，流体通过吸入端口146和吸入阀148抽吸到汽缸中。在柱塞154继续往复运动并且沿下游方向移动时，吸入阀148闭合，并且流体被迫使通过排放阀150离开汽缸144。以该方式，活塞组件132的冲程由摇臂板138的上游边缘和下游边缘之间的纵向距离控制。活塞组件132在汽缸体130内往复运动的速率由马达108和泵轴122的旋转速度控制。
转向图8，在其中示出了根据第二实施例构造的液压泵106的截面图。在图8中描绘的实施例中，液压泵106使用中心凸轮轴158来驱动汽缸162组内的一个或更多个系列的活塞160。汽缸162连接于歧管164，歧管164延伸液压泵106的长度。歧管164与吸入口124和工作流体管线118流体连通。液压泵106可包括2,4,6或8组汽缸162、歧管164，以及成系列的活塞160，其围绕液压泵106相等地分布，如图9的俯视截面视图中描绘的。
凸轮轴158包括许多径向偏移的凸起部166，连接杆168装固于多个径向偏移的凸起部166，用于旋转。凸轮轴158从马达108直接地或间接地连接于输出轴，使得马达108的操作使凸轮轴158以期望的速度旋转。将认识到的是，活塞160、凸轮轴158以及连接杆168可包括本领域已知的未示出或描述的附加特征，其包括例如肘节销、活塞密封环以及活塞裙。活塞160和连接杆168的各个组可在本实施例的描述内统称为“活塞组件”。
歧管164中的各个包括入口170和出口172，以及一个或更多个止回阀174。入口170连接于泵吸入口124，并且出口172连接于排放口126。在图8中描绘的实施例中，各个歧管164包括在相邻的活塞160之间的单独止回阀。止回阀174防止流体沿从出口172至入口170的方向向上游移动。以该方式，止回阀174将歧管164分成单独的级176，其与活塞160和汽缸162中的各个相互关联。
在操作期间，凸轮轴158旋转并且使活塞160根据众所周知的力学以往复直线运动移动。在活塞160从歧管164缩回时，压力暂时减小在邻近于缩回活塞160的汽缸162的歧管164的部分内发生。压力减小产生吸力，该吸力将流体从相邻的上游级176穿过插置止回阀174抽吸到级176中。
在压缩冲程期间，活塞160朝向歧管164移动穿过汽缸162，由此减小汽缸162和级176的开放部分的体积。在邻近压缩冲程中的活塞160的级176内的压力增加时，流体通过止回阀174排放至相邻的下游级。凸轮轴158的构造和正时可优化成在各个级176内产生吸力-压缩循环，其在相邻的级176之间部分地或完全地偏移，这提供流体穿过歧管164的顺序步进移动。
作为备选，活塞160可构造成延伸到歧管164中。在又一备选实施例中，止回阀174被省略，并且流体通过歧管164的前进通过将活塞160保持在歧管164内的闭合位置以用作克服流体朝向入口170的反向移动的止挡件而成为可能。作为凸轮轴158和连接杆168的备选方案，活塞160的正时可使用带凸起部的凸轮(lobed cam)和摇臂来控制。以该方式，活塞160在歧管164内产生滚动渐进腔，其将流体向下游推动穿过液压泵106。其它形式的容积式泵可用作液压泵106，其包括包含旋转室和可变室的旋转容积式泵。
转向图10，在其中示出了在冲程开始时的生产泵110的示例性实施例的截面视图。如图10中示出的，生产泵110包括由加压工作流体驱动的主活塞178，其连接于从动活塞180，从动活塞180迫使流体从钻井104到生产管系102中(未示出)。生产泵110包括本体182，其具有工作流体入口184、工作流体返回部186、一个或更多个生产流体吸入口188，以及生产流体排放口190。
主活塞178在与工作流体入口184和工作流体返回部186流体连通的主汽缸192中往复运动。主活塞178包括下支座(standoff)194、上支座196、连接于从动活塞180的推杆198，以及拉杆200。生产泵110还包括下阀板202和上阀板204。拉杆200构造成在主汽缸192的向上游移动期间提升下阀板202。附接于推杆198的阀控制环206构造成在主汽缸192的向下移动期间降低上阀板204。
流体通过均与工作流体入口184流体连通的下注入端口206和上注入端口208交替地进入至主汽缸192。流体通过上放出口212和下放出口210从主汽缸192交替地排空。工作流体的进入和排空由下阀板202和上阀板204的位置控制。在图10中示出的第一位置，下阀板202依靠在主汽缸192的底部上并且允许加压的工作流体通过下注入端口206进入到主汽缸192中。下阀板202在该第一位置阻塞下放出口212。上阀板204在第一位置在主汽缸192内依靠在环形凸缘214上，并且阻塞上注入端口208，并且允许流体穿过上阀板204并传出上放出口212。
在压力在主活塞178下方建立在主汽缸192中时，主活塞178提升。当主活塞178接近其向上冲程的完成时，拉杆200抓住下阀板202并且使下阀板上升至第二位置，在该第二位置，下注入端口206被阻塞，并且下放出口210被开启，如图11中描绘的。同时，上支座196将上阀板204推动到其中上放出口212被阻塞并且上注入端口208被开启的位置中。这允许加压的工作流体通过上注入端口208进入主汽缸192并且通过下放出口210离开主汽缸192。在压力建立在主活塞178上方时，主活塞178被迫向下。在主活塞178接近向下冲程的结束时，下支座194将下阀板202按压到第一位置中，准备后续循环(如图10中描绘的)。同时，连接于推杆198的阀控制环216将上阀板204拉回到第一位置中(如图10中描绘的)。因此，主活塞178在主汽缸192内来回往复运动。
在主活塞178往复运动时，从动活塞180同样地在从动汽缸218内往复运动。从动汽缸218与生产流体吸入口188流体连通。当从动活塞180缩回(如图10中示出的)时，来自钻井104的生产流体穿过生产流体吸入口188到从动汽缸218中。生产流体吸入口188包括单向阀220，其防止流体通过流体吸入口188从从动汽缸218移动出。在压缩冲程期间，从动活塞180迫使离开从动汽缸218的生产流体通过生产流体排放口190到生产管系202中。从动汽缸218可选地包括排放止回阀222，其防止生产流体从生产管系102传回到从动汽缸218中。
以该方式，图10和图11中描绘的生产泵110提供了液压驱动的单作用往复泵，其非常适合于从钻井104排空生产流体。将认识到的是，图10和图11的生产泵110可备选地构造为在往复冲程的两个阶段期间产生流体的双作用泵。
在又一方面中，一些实施例包括用于控制电动马达108的温度的方法224。转向图12，方法224以提供电动马达108的步骤226开始，电动马达108在第一温度下填充有马达润滑剂流体。接下来，在步骤228处，电动马达108触动成驱动液压泵106。该方法在步骤230处继续，其中液压泵106将马达润滑剂流体从电动马达108泵送至生产泵110。在步骤232处，生产泵110由马达润滑剂流体驱动。在步骤234处，生产泵110用于从钻井104排空生产流体。在生产泵110的操作期间，马达润滑剂流体冷却至第二温度。方法210通过在低于第一温度的第二温度下提供马达润滑剂流体从生产泵110至电动马达108的返回而以步骤236结束。
将理解的是，尽管本发明的各种实施例的许多特性和优点连同本发明的各种实施例的结构和功能的细节在前面的描述中阐述，但是本公开仅为说明性的，并且改变可在所附权利要求所表达的用语的广泛一般含义所指示的全部范围内，尤其是在本发明的原理内的部分的结构和布置的事项上详细地进行。本领域技术人员将认识到的是，本发明的教导可应用于其它***，而不脱离本发明的范围和精神。

Claims (20)

1.一种可下潜泵送***，其包括：
电动马达；
旋转式液压泵，其由所述电动马达驱动，其中所述旋转式液压泵产生加压的工作流体；以及
线性液压泵，其构造成移动生产流体，其中所述线性液压泵由所述加压的工作流体驱动。
2.根据权利要求1所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述旋转式液压泵包括：
可旋转的泵轴，其由所述电动马达驱动；
多个直线往复运动的活塞组件；以及
倾斜盘组件，其连接于所述可旋转的泵轴和所述多个直线往复运动的活塞组件。
3. 根据权利要求2所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述倾斜盘组件还包括：
驱动板；以及
摇臂板。
4.根据权利要求1所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述旋转式液压泵包括：
可旋转的泵轴，其由所述电动马达驱动；
多个直线往复运动的活塞组件；以及
凸轮轴组件，其连接于所述可旋转的泵轴和所述多个直线往复运动的活塞组件。
5.根据权利要求4所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述凸轮轴组件包括：
凸轮轴；
多个凸起部，其在所述凸轮轴上；以及
多个连接杆，其中所述多个连接杆中的各个连接于所述多个直线往复运动的活塞组件中的不同的一个。
6.根据权利要求5所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述凸轮轴上的所述凸起部具有阶梯式轮廓，所述阶梯式轮廓使所述多个直线往复运动的活塞组件以如下方式顺序地往复运动：在所述多个歧管中的各个内产生渐进腔。
7.根据权利要求1所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述线性液压泵包括：
主汽缸，其与所述加压的工作流体流体连通；
主活塞，其在所述主汽缸内；
从动汽缸，其与所述生产流体流体连通；以及
从动活塞，其在所述从动汽缸内，其中所述从动活塞可操作地连接于所述主活塞。
8.根据权利要求7所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述线性液压泵还包括：
上注入端口和下注入端口，它们与所述主汽缸流体连通；
上放出口和下放出口，它们与所述主汽缸流体连通；
下阀板；以及
上阀板。
9.根据权利要求7所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述可下潜泵送***还包括连接在所述主活塞与所述从动活塞之间的推杆。
10.根据权利要求1所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述可下潜泵送***还包括定位在所述泵与所述马达之间的密封区段。
11.根据权利要求1所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述可下潜泵送***还包括连接在所述旋转式液压泵与所述线性液压泵之间的一个或更多个工作流体管线，其中所述工作流体管线向所述加压的工作流体提供管道。
12.根据权利要求11所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述工作流体管线为内部工作流体管线。
13.根据权利要求11所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述工作流体管线为外部工作流体管线。
14.一种设置在钻井中的可下潜泵送***，所述可下潜泵送***包括：
电动马达，其中所述电动马达填充有马达润滑剂流体；
液压泵，其由所述电动马达驱动，其中所述液压泵增加所述马达润滑剂流体的压力；以及
生产泵，其构造成从所述钻井产生生产流体，其中所述生产泵由所述加压的马达润滑剂流体驱动。
15.根据权利要求14所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述生产泵包括：
主汽缸，其与所述加压的马达润滑剂流体流体连通；
主活塞，其构造用于在所述主汽缸内的直线往复移动；
从动汽缸，其与所述生产流体流体连通；以及
从动活塞，其在所述从动汽缸内，其中所述从动活塞响应于所述主活塞的移动而移动。
16.根据权利要求15所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述生产泵还包括：
上注入端口和下注入端口，它们与所述主汽缸流体连通；
上放出口和下放出口，它们与所述主汽缸流体连通；
下阀板；以及
上阀板。
17.根据权利要求15所述的可下潜泵送***，其特征在于，所述生产泵还包括连接在所述主活塞与所述从动活塞之间的推杆。
18.一种用于控制设置在钻井中的可下潜泵送***内的电动马达的温度的方法，所述方法包括以下步骤：提供填充有在第一温度下的马达润滑剂流体的电动马达；利用所述电动马达驱动液压泵；利用所述液压泵将所述马达润滑剂流体从所述电动马达泵送至生产泵；利用所述马达润滑剂流体驱动所述生产泵，以将生产流体从所述钻井排空；以及提供所述马达润滑剂流体在低于所述第一温度的第二温度下从所述生产泵至所述电动马达的返回。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述马达润滑剂泵送至所述生产泵的所述步骤还包括将所述马达润滑剂通过外部工作流体管线泵送至所述线性液压泵。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述马达润滑剂泵送至所述线性液压泵的所述步骤还包括将所述马达润滑剂通过内部工作流体管线泵送至所述线性液压泵。
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