CN1498303A - 双锥装置和泵 - Google Patents
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Abstract
不但通过将间隙或入口(22)移进出口锥(47)，而且使成形的小扩散体的锥度θ3(55)小于出口锥的其余部分(53)的锥度θ2(109)，从而双锥装置(1)的性能得到提升。双锥单元(7，60)，特别是带有上述改进的扩散体的双锥单元可以用在泵装置(1，60)上，如在所述装置中，流体必须从很深处抽出井泵(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种双锥单元(DCT单元)，本发明还涉及一种泵，所述的泵包括一个双锥单元。
背景技术
从距地面10米以下或更深的井底抽吸材料是人们普遍感兴趣的。许多地下水储备距地面20到150米，因此，需要正压抽吸技术。在石油工业中，因为一些有石油井和天然气井可能深于1000米，这种情况就更成为问题。
除了井深问题，还有另一个问题。这个新问题涉及从很深的井里向上提水。这样的水已经证明有很特殊的性质，几千米深的水包含很大百分比的重水。这种自然资源是喷融工艺的最主要原燃料。
目前在市场上有多种可选的井抽技术。在这些技术中，有三种占明显优势，它们是：
位于井底的电子泵。
位于井底的喷射泵。
气-举技术。
降低电子泵有许多缺点，大多数井的截面积相对较小，特别如果是深井，泵转子的直径必须小。这个事实严重限制了泵能够产生的转矩，只能部分地使用特殊的贵重材料。还有，所抽吸的媒质不得不流经转子，否则就没有冷却效果。目前，唯一的办法是通过电缆给泵提供电源，电缆不得不下降到井的整个深度。结果，这种类型的泵极少能应用在石油工业的井中，这样的井底环境可能包括高温多相酸混合物。
喷射泵是一种人人皆知的效率很低的设备，它不能在高的背压下工作。但，在安全地带，它有机械泵位于地面上的优点。在下方，泵不得不传送所需的全部压力来克服由于井深导致的静压降和动压降。为了试图和减少这种高压传送的需要，经常使用气-举技术。这需要在井底喷射气体，所以，当废气供应管上升时，气体补偿一定程度的背压。
所有这些技术在理论上起作用，但已被证明在实际应用上非常麻烦和昂贵。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种泵设备，它克服了至少一个以上提到的缺点。
这样的设备在独立权利要求中进行了定义。其它的权利要求定义设备的优选的实施例和应用。
附图说明
图1是使用一个DCT设备的泵装置的示意图；
图2是一个双锥单元的纵向剖面放大示意图；
图3是沿图1中的线III-III的剖面图；
图4是与图2类似的具有特征参数的双锥单元纵向剖面放大示意图；
图5是第三个泵装置(C实施例)的示意图。
具体实施方式
用于本发明的DCT设备是几个早期专利的主题，这几个早期专利例如是：CH-A-669 823，CH-A-671 810，US-A-4 729 284，EP-B-0 232 391和申请号是PCT/CH 99/0403国际专利申请，在这里做为参考。
从这些资料中，可以知道DCT设备(双锥技术)对于产生过压以及作为一种抽吸装置来说是一种很有效的装置。
但，对于井泵的需要，存在起动时所抽吸的流体从设备中喷出喷到井中的问题。令人惊讶的是，在泵起动一小段时间后，这种喷射会停止。在其它的阶段中，双锥装置迅速产生一种吸的效果，超过背压。
请参照图1，一种DCT井泵装置，主要包括一个循环泵3，一个双层管4***，一个开口双锥(ODC)单元7和一个可选分离单元9。上述的循环泵3位于地面11上的一个安全的位置处，它给双层管4的内层管13或外层管15供液，双层管4连接泵3和ODC单元7。双层管4可以是刚性，半刚性，或柔性的。后一个例子是在灭火水龙带内的灭火水龙带。ODC单元7，位于井19的底部17，将流体20和/或气体通过入口22抽进循环流21。这样得到的混合物直接经过双层管的排出部分23，上升到地面11，如向上的箭头25所示。这些混合物进入位于地面的分离机9，载液被分流并返回到循环泵9(箭头27)。
ODC单元7不包括任何可移动部件。只有载液和将要入井的材料20是动态的。在ODC中没有阀，它可以随意启动和停止。唯一的特殊需要是：必须有一个特殊的几何形状，和ODC由一种适于环境具有合适的阻抗材料制成，这种材料在环境中被要求起作用的。
ODC单元的特殊机械特性包括很好的抗高背压的能力。实际上，ODC几何形状是可选，从而在高背压的情况下比没有这种形状的同样的单元更有效。这一方面的优点可以在下面引用的例子中显示出来。
在一个1000米深的井中，对于流体媒质的背压可望达到100巴以上。带有DCT井泵的循环泵不需要产生100巴的背压，但假使输出传送保持在一个特定的水平之下，这个背压为10到20巴。不足的压力由ODC单元来供给，ODC单元有将高流速低压的流体转成低流速高压流体的能力。DCT井泵的特殊性质
根据原始引用的专利和专利申请等其它的资料，对于公知的DCT井泵，DCT高压泵的意想不到的和惊人的发展结果。许多这些高压泵的特征也涉及到井泵。多种井泵的特征和潜在的特征在下面的列表中列出。DCT井泵特征
技术特征：
1.能抽吸气体，流体和悬浮液或它们的混合物。
2.使用一种载液。
3.载液对于任何给定的应用可以是优选的。
4.载液由一个循环泵来驱动，循环泵所传送的压力可以比根据井深的静压所表现出的压力低的多。
5.如果出现任何下面的情形，泵都不会损坏：
出口关闭。
入口关闭。
出口和入口都关闭。
6.井下ODC可以在加在它的入口22负压或正压下工作。
7.泵是自由脉冲。
8.泵可在高压下工作。
9.泵可以用于连续和分级式产品。
DCT井泵的外观和安装特征：
10.ODC单元7可以位于远离循环泵3的一定距离处。
11.循环泵3可以位于邻近电源的一个安全的地方，而ODC单元7位于所需的吸入点处。
12.在ODC单元7的附近，整个泵的功效是环境和***压力的功能增加。
13.将ODC单元7置于地面以下的深井中，如图1，DCT泵显示出比地面上的ODC单元的高的液压功率。
14.可以处理大范围的多相混合物，包括含有如下成份的任何混合物：
小固态微粒；
低粘度软泥；
流体；
气体。
15.整个泵可以装配，所以泵可以封存。
DCT井泵：在多相抽吸中的优点：
16.可以抽吸危险混合物。
17.危险物不必需要通过循环泵3，因为它可以在分离机9中被分离，只有载液返回到泵7。
18.载液可以进行选择，“中性”或优选地传送选择的功能。
DCT井泵：工作原理
第一个实施例A：
图1是DCT井泵的工作原理示意图。循环泵3向通向ODC 7的入口29(图1和图2的箭头1和2)的双层管的外层管供应流体。在通过ODC 7的中间部分31(图2)，产生一个低压，将井液抽进载液流(箭头33)。混合物就上升到双层管4的内层管13并进入分离机9。分离后，载液返回到循环泵3接着循环。
通过入口22进入到ODC 7的入口区域35的循环内的物质引起***压力升高，使得在分离机9的出口阀处可以得到一个增压传送。后面的成分将用来控制整个***的功能。
通过入口区35的载液流经由通道37穿过入口室，如图3所示，入口室沿双锥单元7的外壳39延伸。从井中抽出的流体和/或气体通过位于ODC的外壳39内的四个开口41进入到吸入腔43中，当气体越过位于双锥装置的最窄的通过通道45后面的很短距离的中心入口区35的间隙(入口22)流体和/或气体被载液带走。
为了表示起来简单，在图3所示的截面图中，只显示了一种有四个开口的情况。可根据实际应用调整开口的实际数量和类型。
任何抽入到ODC 7中的气体将被压缩成干流。当气体上升时，流体压力降低，气-举效果将会起作用。在到达分离机9，气体和任何外物将在返回到循环泵3前从载液中被分离出来。固态物质也被从分离机分离出来。
特殊细节
ODC的几个强大的特征中的一个是它的压降要求，在高速流下，与***压力一起降到一个特定的界限。***压力的上限是载液流自身的一个功能，如果考虑到特定的几何值，***压力可以增加到很高的值。特别是，选择连接到整个锥体的小型出口扩散体是关键。在正确的选择了几何形状后，一定深度下的ODC的操作与在地面上的ODC的操作相比较，我们发现所需的能量的输入减少。
中央孔区对于DCT井泵的功能是至关重要的。在专利申请PCT/CH99/00403中，提出了一种原始双锥的新的变形。这个修改大大提高了在极端情况下的双锥的可用寿命，所以我们把它包括在了DCT井泵的设计中。图2和图4显示了ODC单元的孔区的纵向截面。带有扩散体的双锥单元的优选的值的特征：
d代表孔直径124，L代表小型扩散体的长度125。L和d的比值对于双锥装置7的性能是至关重要的。L/d的值大于0.1表示期望寿命和整体性能增大。当比值L/d的值增加，横穿过修改后的双锥装置7的整体压降降低。相反，对于一个给定的进给流速降低，可以得到一个压缩机的最大压力。优选的平衡发生在接近L/d的值处，对于可用的进给流速它刚好产生充足的压缩机压力。
下面的参数大多数是根据PCT/CH 99/00403得来的，对于双锥装置的特定的优点的其它的参数在下面列出(≤表示：小于或等于)：
间隙宽度h 126与孔的直径d 124的比h/d：0＜h/d＜6，优选的是0.5＜h/d＜4；
通道直径Din 27与孔直径d的比Din/d：2＜Din/d，优选的是5＜Din/d＜20；
通道直径Dout与孔直径d的比Dout/d：2＜Dout/d，优选的是5＜Dout/d＜20；
入口锥体的锥度θ1 108：0＜θ1＜10°(度)，优选的是θ1＜8°，更优选的是θ1≤6°。
出口锥体的锥度θ2 109：θ2≤θ1。
根据本发明特别优选的是：3°≤θ1≤6°，和/或θ2位于3°到6°的范围内。
将不带有扩散体的基础双锥装置1，其入口间隙22位于孔45处，和带有如图4所示的扩散体的双锥装置7进行直接比较，可以得出以下结论：
工作状况：
进给液流速：8m3/h
流入液流速：1m3/h
***压力P 35巴
观察资料：
不带有扩散体：在工作仅20分钟后就严重损坏
有扩散体：在工作40小时后没有出现损坏
除了增加工作寿命外，提供有扩散体还能降低工作噪音。
根据本发明，特别是用作一个深井泵时，可以有一个惊人的发现：改变扩散体的锥度，可以实现很大的改进。因此，将扩散体的锥度θ3 55选择在大于0，小于θ2的范围内，特别是在0.5°到小于6°的范围内，即0＜θ3＜θ2。优选的是θ2位于3°到6°的范围内，θ3位于1°到5°的范围内。
如上面所提到的，通过改变扩散体的锥度θ3 55，双锥单元的性能得以提高，即：循环泵所需的能量需要降低。
从一深为400m的井中模拟一个小DCT井泵的输出性能证实为0.5m3/hr(立方米/小时)。这个实验在是大气压下从水库抽水来进行的。DCT井泵的尺寸和性能都取决于井深，所抽吸的多相混合物，井下液位，所需的输出传送和压力，以及载液流速。
在实施例A中，如图1所示，液流上升到双层管(箭头25)的内层管中。对于一定的应用中，这种装置优于下面说明的实施例B的装置，在实施例B中工作循环液的流向是反向的。但实施例A没有轻易地借用弹性管。
实施例B
除了为了倒转工作流体的循环方向而对泵的连接进行了交换外，实施例B的外形与实施例A的外形完全相同。因此，为了描述的目的，图1所指为循环的反向。因此，液流下降到内层管13然后上升到外层管15。当有外压加到管上，如果双层弹性管4不能支撑一个开口横截面，这种安排是必须的。
拿设在弹性软管内的弹性软管做例子，可以看到如果经过外层15供给ODC，是几乎不可能进行起动的。在压力下，内层管13将关闭，并且可能开的不够大，不足以使载液和它的携带物返回到循环泵3。
双层管4的大部分长度可以由弹性材料制成，在其一端连接有刚性ODC 7。整个的双层管4绕在一个鼓轮上以方便操作。只要条件允许，弹性管都可以沿井壁将其长度延伸出来。
但，ODC的壁必须能够承受井底的内压和外压的差。
起动：实施例B
在以ODC的双层管将ODC下放到井底后，DCT井泵的起动，就相对简单。循环泵3以来自独立的水库的载液来起动。泵驱动载液向下穿过双层管4的内层管13到达ODC单元的孔45。孔45的截面比内层管的截面小的多，这样流体将比它到达下面的管慢的多的速度漏出而进入井内。一旦静压(流体的体积)和泵压的混合达到一个合适的水平，载液将通过间隙22喷射到出口锥。同时入口区35开始抽吸。当载液充满弹性管的外层管15后就沿着表面上升，ODC 7的背压上升。这个结果有助于ODC内压降下降，释放更多压力以增加载液的流速。
从启动开始到循环稳定，这段时间通常待续的很短。在浅井中这段时间的数量级是秒，在深井中是几分钟。
停机：实施例B
DCT井泵的停机只需要关掉循环泵3。弹性双层管4的内的载液将趋向于向下流向井内，但在大多数情况下不会导致任何不适当新增的问题。在分离机9的区域内在供应管和返回管中引入阀能减少载液的损失。
除去ODC单元的障碍物
吸入ODC 7内的物体周期性的阻塞单元，一个可能是使供给ODC7的液流反向流动。这将在入口区29内产生一个高压将阻塞物体吹走。一旦传送压力得到充分地降低，供给物就会返回到它的正常方向。由ODC7的液流反向产生的高压由如图2所示的对称几何形状来保证。
DCT井泵：实施例C
实施例C 60，如图5所示，允许从很深处来持续地抽吸流体62。这种特殊的安装非常有效，并且能使用相对小尺寸的ODC单元7来抽吸大量的流体。
如上面所提到的，***和应用的入口压力越高，在穿过ODC单元7的一个给定的压降下就有越多的循环液流过。在动态情况、加有100巴的入口压力下，地面1000m以下的***压力将远远大于100巴。在这种情况下，可以设计有非常有效的ODC 7。
这样的泵在瑞士的Thun湖(Lake Thun)40m的深度进行了实验。这个实验不但证实了其工作原理，而且还证实了其工业实用性。
实施例C：浮选助剂
单独的小孔管可以放低并连接到沉没的物体上。使用实施例C，DCT井泵能够被放低并连接到沉没的物体上，沉没物体与小孔管连接，以将水从中抽出。在运行井泵中，空气将逐渐从小孔管中下降，逐渐填充被抽干的沉没物体。之后，置换物增加的体积将使沉没物以一种可控的方式移向地面。
事实停机，所有实施例
通过简单地降低循环泵的动力和/或关闭输出阀36，可以在循环液漏出最小或不漏的情况下实现事实停机。当然，如果只是输出阀36关闭，在循环内会逐渐形成一个相当大的过压直至到达平衡。
ODC的一般外形和典型尺寸
ODC，当从外看，是圆柱形的，在其圆柱轴线一半的长度的外圆周上上分布有多个孔。一端上有一个为了与管4相连的附件，另一端是封闭的。一个小孔井ODC的典型尺寸是150cm长，外径是100mm。
优选的是，双锥单元7的下部的封闭只是一个平面圆盘。可以发现，支撑循环流偏转的形状使其性能退化。但，这个发现对于关闭ODC单元没有严格地将其它方式排除在外。
小型DCT井泵的喷射性能
对于一个110mm直径的钻孔，深为400米的井，使用一个外径为100mm，长度为150cm的ODC是合理的。在这样一个ODC外壳中，可以设想有多个完全不同的内部几何形状。在表1中列出了三种不同L/d值的几何形状的理论性能。
| ODC的几何形状 | 从400m深的井传送到地面的流体 | 载液流速 | 所需的泵传送压力 | DCT井泵液压效率 | |
| 类型 | 升/秒 | 桶/天 | 升/秒 | 巴 | ％ |
| 1 | 1.05 | 571 | 15.6 | 11.2 | 24.2 |
| 1 | 1.54 | 838 | 17.2 | 12.2 | 29.4 |
| 1 | 2.13 | 1157 | 20.2 | 13.8 | 30.6 |
| 2 | 1.05 | 571 | 16.5 | 8.4 | 30.4 |
| 2 | 1.56 | 847 | 18.6 | 9.3 | 35.9 |
| 2 | 2.01 | 1092 | 21.3 | 10.4 | 36.2 |
| 3 | 1.14 | 619 | 17.5 | 8.5 | 30.6 |
| 3 | 1.56 | 847 | 18.4 | 9.0 | 37.4 |
| 3 | 2.03 | 1104 | 20.1 | 9.8 | 41.3 |
表1：不同的L/d值的三个ODC单元的对比性能，这些ODC单元适用于相同的圆柱外壳(外部尺寸：150cm长，直径100mm)。
这些理论结果并不代表最佳情况。它们只是包括在：典型，小孔，DCT井泵的性能范围内。液压效率可以增加超过表1中所列的最佳值。但，当出现困难情况时，其它的标准就会使效率相形见绌。对于上面所引证的最低的效率的情况，驱动循环泵的所需的能量相当于每天少于1桶油。实际上，上面所显示的效率比既使使用最好的喷射泵的效率还要好。
以上面所描述的为基础，本领域的技术人员可以在本发明的权利要求所保护的范围内做出不同的变化。如可以如下所想：
作为改进的双锥装置的替代，可以使用一个简单的安装在最窄处的带有入口22的双锥装置。
单独的管可以用以供应和排出循环液，例如，通过倾斜或在极端情况下通过将双锥单元水平放置。
出锥实际上的延伸可能不能严格满足双锥装置的孔45的性能，但可以将更小直径或更大直径来剖出平面31。
Claims (8)
1.用于在流体中产生压差的双锥装置(7)，该流体可渗入到该装置中渗透，所述的设备大致由一个入口单元(29)和一个出口单元(47)组成，每一个大体为空的截头锥形，入口单元(29)和出口单元(47)由各自的小径的第一端相连形成一个孔(45)，其特征在于：出口单元的至少一个第一入口(22)位于距其第一端的一段距离处，从而位于入口(22)和出口单元的第一端之间有一个降低噪音和/或降低双锥装置的磨损的截面积和有效长度L为递增的扩散体部分(49)，所述扩散体部分的锥度比出口锥的锥度小。
2.根据权利要求1所述的双锥装置(7)，其特征在于：出口锥的锥度大于0°，并且最大为10°，优选的是小于8°，更优选的是位于3°到6°之间。
3.根据权利要求1或2所述的双锥装置(7)，其特征在于：扩散部分(49)的锥度大于0°，优选是在1°到5°之间。
4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的双锥装置(7)，其特征在于：双锥装置的壁包括至少一个通道(37)，并且双锥装置的第一端封闭，通道(37)在双锥装置的第一端和另一端有一个开口，所以流体可以通过通道(37)流向或从封闭端流出，排水和供应管与双锥装置的第二端相连，其中一个与通道(37)相连，另一个与双锥装置的进入或出口单元的第二端相连。
5.一种泵装置(1，60)，其从深井，优选是从如油井的井底抽吸包括天然气在内的流体，其特征在于：通过工作液的环路，此处的环路包括一个供应管，一个排水管，一个循环泵装置(3)，一个双锥单元(7)和排出被抽吸流体的装置(36)，这些装置是相连的，使得循环液通过泵装置(3)来循环；供应管，双锥装置，排出管和泵装置(3)，和排出装置(36)排列安装在所述的一个管中，所以通过双锥装置注射进循环流中的抽吸液能通过排出设备(36)来恢复。
6.根据权利要求5所述的带有一个双锥装置(7)的泵装置(1，60)，在这里双锥装置(7)大体上由一个入口单元(29)和一个排出单元(47)组成，每一个大体为空的截头锥形，入口单元(29)和出口单元(47)由各自的小径的第一端相连形成一个孔(45)，其特征在于：出口单元的至少一个第一入口(22)位于距其第一端的一段距离处，从而位于入口(22)和出口单元的第一端之间有一个降低噪音和/或降低双锥装置的磨损的截面积和有效长度L为递增的部分(49)。
7.根据权利要求6所述的泵装置(1，60)，其特征在于：所述泵装置包括权利要求1到4中的任意一项所述的一个双锥装置(7)。
8.根据权利要求5到7中的任意一项所述的用于提升沉在流体下的物体的泵装置(1，60)，其特征在于：流体由泵设备从物体中抽出，并且小比重的媒质，优选的是气体，由一个的额外的导管引导入物体，所以媒质占据了抽出的流体的体积，提高了对物体的置换效果。
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