泵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種泵，包括泵入口、泵出口、至少兩個帶螺紋轉子和壓力控制閥，壓力控制閥能夠控制流體從泵出口再循環(huán)到泵入口。壓力控制閥可為控制閥。本發(fā)明還提供一種多級泵組件，包括串聯(lián)布置的至少兩個泵，其中，泵中的至少一個是前面提到的泵。
【專利說明】泵
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及特別是用于在諸如油氣井的井中使用的多級旋轉螺桿泵組件。
【背景技術】
[0002]在油氣生產行業(yè)中，有時使用泵來協(xié)助從井中產生流體是合乎需要的。例如，在舊井周圍的地層中的壓力可能不足以將地層流體提升到表面。在另一種情形中，可將重流體引入到井中，以使地層流體停止在井中向上流動。為了使井恢復生產，必須使用泵來從井中提升“壓井”重流體。
[0003]諸如雙螺桿泵或三螺桿泵的旋轉螺桿泵是正移位泵，其使用旋轉螺桿來對流體加壓。旋轉螺桿泵因其泵送多相流體的能力而聞名。
[0004]另外，已知為了產生高壓差，可對泵構造多個泵送級。總的泵壓差是單獨的級壓差的總和。類似地，可對壓縮機構造多個壓縮機級，以便在氣體中產生高壓。多級泵一般具有掃過體積相等的泵送級，然而多級壓縮機一般具有掃過體積減小的壓縮級。掃過體積表示在例如多個螺桿泵的情況下，在螺桿完整地旋轉一次期間從級排出口排出的流體的體積。多級泵和多級壓縮機之間存在區(qū)別，這是因為液體是幾乎不可壓縮的，然而氣體是可壓縮的。
[0005]在US 6413065中公開了一種多級雙螺桿泵。該文獻提出了多級井下泵，其具有串聯(lián)連接的多個雙螺桿泵送模塊。
[0006]US 7093665公開了另一種井下多級雙螺桿泵。該文獻討論了關于US 6413065中描述的泵組件的問題。據(jù)說，在流體中的液體含量低，氣體含量高的情況下，存在的液體量不足以有效地密封螺桿螺紋和轉子殼體之間的間隙。因此，泵無法保持橫跨泵的壓差，并且泵損失效率。
[0007]接著，US 7093665公開了一種使諸如US 6413065中描述的井下泵的井下泵適合在氣體含量高的井中使用的方法。在一個實施例中，提供液阱和補充液體通道，以捕捉多級雙螺桿泵的出口附近的液體的一部分，并且使其回到多級雙螺桿泵的進口。照這樣，可加強雙重泵送螺桿周圍的液體密封。
[0008]在我們的未決的國際專利申請WO 2010/092320中還描述了一種多級泵組件。在該組件中，提供了多個構件，其包括多個預組裝泵模塊，該多個預組裝泵模塊包括至少一個雙螺桿泵模塊。還提供了用于容納構件的伸長套管，以及可與伸長套管的一部分附連或接合的固定器件。固定器件能夠操作來將構件不動地固持在套管內。
[0009]這些泵布置未解決當使用該類型的泵在多相流體中產生高壓(這在油氣井泵送應用中通常是合乎需要的)時引起的又一個問題。由于氣體的可壓縮性，流體從多級泵組件中的一個泵級輸送到隨后的泵級所處的速率小于隨后的泵試圖將流體抽吸到其進口中所處的速率。因此，最后的泵級開始“吸”前面的泵級，并且橫跨最后的泵級的壓差增大。實際上，橫跨泵級的壓差從第一泵到最后的泵增大。
[0010]在泵的最后一級中發(fā)生高比例的壓力生產。因此，泵的該區(qū)域可變得極其熱，從而縮小運行間隙，并且有卡住的風險。因此，當泵送流體中的氣體百分比高時，多級旋轉螺桿泵變得效率非常低。
[0011]現(xiàn)有技術的泵不解決該問題，并且因此可遭受當泵送流體為多相流體時，最后的泵級執(zhí)行功中的大部分所引起的過熱和卡住的問題。
[0012]多級泵可設計得更像壓縮機，其級的掃過體積逐漸減少。這種多級泵將針對特定的氣體-液體比來修整其級。為了說明這一點，考慮在100°c下產生流體且具有以下成分的油井:
油:2000 bbls/ 天(318 m3/ 天)
水:2000 bbls/ 天(318 m3/ 天)
氣體:1000 bbls/ 天(159 m3/ 天)。
[0013]考慮四級泵組件，其具有以下壓力要求:
進口壓力:1000 psig(6.89 MPa)
排出口壓力:3000 psig(20.7 MPa)。
[0014]為了在泵組件的四個級之間分攤功，各個級將必須對流體加壓500 psig(3.45MPa)(忽略液壓馬力的流體收縮作用)。為此，多級泵將必須具有掃過體積為下者的級:
級I
總進口體積:5000 bbls/ 天(795 m`3/ 天)
假設通過泵有可忽略的溫升，液體是不可壓縮的，并且氣體相當于理想氣體。因此，對于氣體分數(shù):
進口壓力=1000 psig(6.89 MPa) =1014.7 psia (LOO MPa 絕對壓力)
進入氣體體積=1000 bbls/天(159 m3/天)
排出口壓力=1500 psig(10.3 MPa) =1514.7 psia(10.4 MPa 絕對壓力)，
排出氣體體積=1014.7X1000/1514.7=669.9 bbls/天(107 m3/天)
總排出體積=4669.9 bbls/天(742 m3/天)(即，液體加排出氣體)
級2
總進口體積=4669.6 bbls/ 天(742 m3/ 天)
進口壓力=1500 psig(10.3 MPa) =1514.7 psia(10.4 MPa)
進入氣體體積=669.9 bbls/天(107 m3/天)
排出口壓力=2000 psig(13.8 MPa) =2014.7 psia(13.9 MPa)
排出氣體體積=1514.7X669.9/2014.7=503.6 bbls/ 天(80.1 m3/ 天)
總排出體積=4503.6 bbls/天(716 m3/天)
級3
總進口體積=4503.6 bbls/ 天(716 m3/ 天)
進口壓力=2000 psig(13.8 MPa) =2014.7 psia(13.9 MPa)
進入氣體體積=503.6 bbls/天(80.1 m3/天)
排出口壓力=2500 psig(17.2 MPa) =2514.7 psia(17.3 MPa)
排出氣體體積=2014.7X503.6/2514.7=403.5 bbls/天(64.2 m3/天)
總排出體積=4403.5 bbls/天(700 m3/天)
級4總進口體積=4403.5 bbls/ 天(700 m3/ 天)
進口壓力=2500 psig(17.2 MPa) =2514.7 psia(17.3 MPa)
進入氣體體積=403.5 bbls/天(64.2 m3/天)
排出口壓力=3000 psig(20.7 MPa)
排出氣體體積=2514.7X403.5/3014.7=336.6 bbls/ 天(53.5 m3/ 天)
總排出體積=4336.6 bbls/天(689 m3/天)
因此，對于這些井流體和泵送條件，完全匹配的泵將需要掃過體積為下者的轉子組:
第一級:5000.0 bbls/ 天(795 m3/ 天)
第二級:4669.6 bbls/ 天(742 m3/ 天)
第三級:4503.6 bbls/ 天(716 m3/ 天)
第四級:4403.5 bbls/ 天(700 m3/ 天)
在該示例中，氣體僅構成進入泵進口中的總流體體積的20%，并且壓力升高較適中，但理想掃過轉子體積差大于第一級與最后的級之間的10%。這突出了氣體-液體比可具有的
顯著影響。
[0015]但是，關于針對泵級具有減少的掃過體積的多級泵組件，存在重要問題，這是因為如果井流體氣體-液體比改變，則泵級快速變`得與氣體-液體比失配。如果氣體的體積增加，則遍及泵的各個級試圖抽吸比前面的級可輸送的更多的流體。后面的級有效地吸前面的級，并且前面的級因此可貢獻較少有效功。這與上面針對恒定體積多級泵所描述的情形相同。另一方面，如果氣體的體積減小，則從最初的級排出的流體體積將高于隨后的級提取的流體體積。在級之間的流體的壓力將快速上升，從而使泵以液壓的方式鎖定或釋放殼體或密封件。
[0016]當從含有地下烴的地層中泵出流體時，與用來對多相流體加壓的多級泵相關聯(lián)的該問題特別難以解決，這是因為烴液體是揮發(fā)性的，其包含處于溶解狀態(tài)的氣體，并且取決于存貯器的壓力，該烴液體可進一步包含一定比例的游離氣體。實際上，烴存貯器可最初產生作為液體的油，但隨著生產繼續(xù)，以及存貯器的壓力低到“起泡點”之下，該烴存貯器后來將使油氣混合物流動。每個油田以及油田內的每個井將具有獨特的屬性，這取決于烴流體本身和存貯器中的空間點和序時點處的流體壓力。為了使泵中連續(xù)的級的掃過體積與給定時間點處的單獨的井的流體屬性匹配，將需要幾乎無限數(shù)量的轉子大小，以及不切實際的次數(shù)的井干預，以使泵變成更適合當前條件的泵。
[0017]US 5779451描述了當使用常規(guī)的單個旋轉螺桿泵來泵送具有高氣體分數(shù)的流體時遇到的問題。其解釋了可由于缺乏冷卻液體，以及橫跨螺桿的最后螺紋產生較大量的熱而發(fā)生了過熱和卡住。該文獻教導了一種改進的雙螺桿泵，其用于對高氣體分數(shù)的入口流提供大量增壓。泵包括殼體，該殼體具有內部轉子封罩和多個轉子，轉子封罩具有入口和出口，該多個轉子可操作地包含在封罩中。各個轉子具有軸和附于其上的多個螺紋，轉子在形狀上設置成沿著各個轉子的長度提供不均勻的體積輸送速率。在一個實施例中，轉子具有多個帶螺紋泵送級，該多個帶螺紋泵送級被無螺紋的非泵送室分開。各個泵送級的螺紋可具有不同的螺桿輪廓，以提供從轉子封罩的入口到出口逐漸降低的入口體積輸送速率。據(jù)說，該布置可以以改進的功率效率且在沒有卡住的情況下泵送氣體-液體比高的流體。
[0018]該文獻進一步教導了用以允許泵泵送不可壓縮的流體的修改。為了容納不可壓縮的流體，級間室中的各個可連接到泵的出口上，并且可連接到蓄壓器上。因此，過剩液體可泄放到出口或蓄壓器。止回閥阻止從出口到室的逆流。室和出口之間的連接可使它們中的泵將流體推送到出口。
[0019]GB 2299832教導了一種類似于US 5779451中描述的布置的布置。在單個泵殼體中的單個轉子上提供兩組螺紋。在兩組螺紋之間提供具有卸壓閥的泄放端口，以減輕只要泵送流體的空隙分數(shù)變成零就出現(xiàn)的液體體積和壓力的尖峰。泄放流體可被丟棄，排到貯槽進行重復利用，直接再循環(huán)到泵的入口，或者以別的方式處理。
[0020]這些公開都沒有解決上面討論的多級旋轉螺桿泵中的功分配不均勻的問題。
[0021]因此存在矛盾，這是因為雖然單個級旋轉螺桿泵可用于泵送多相流體是眾所周知的，但多級螺桿泵不適合泵送多相流體，這是因為無法在泵的各種級之間均勻地分配功。
[0022]出于這些原因，用于提取烴的泵典型地是不固定各個級的體積容量的多級離心泵，或者具有單個級的正移位泵。該方法避免了需要在遍及泵的各個級處遇到的條件下使泵的掃過體積與泵送流體體積匹配。
[0023]但是，離心泵和單級泵不是沒有問題。特別地，離心泵不能夠處理游離氣體百分比高的流體，這是因為氣體在它們的葉輪的轂內積聚，從而使泵失去原動力且形成氣穴，這種狀況通常被描述成氣鎖。單級旋轉螺桿泵無法高效地形成從深處的含烴地層中泵送流體所需的高壓。因此，至今，大多數(shù)雙螺桿多相泵用于需要僅相對低增壓的表面應用中。
[0024]仍然需要可用來更可靠且高效地泵送多相流體的泵組件。

【發(fā)明內容】

[0025]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種泵包括泵入口、泵出口、至少兩個帶螺紋轉子和壓力控制閥，壓力控制閥能夠控制流體從泵出口再循環(huán)到泵入口。帶螺紋轉子可使流體從泵入口移動到泵出口。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種多級泵組件包括串聯(lián)布置的至少兩個泵，泵中的至少一個是本發(fā)明的第一方面的泵。
[0027]對于給定的泵，經由通過壓力控制閥使流體(即，泵送通過泵的流體的一部分)從泵出口再循環(huán)到泵入口，可控制橫跨泵的壓差。根據(jù)公式:
液壓功率=質量流率X壓力增加量(公式I)，
可看到，可從而控制那個泵產生的功率，這是因為質量流率是固定的(假設典型的雙螺桿泵具有不可彎曲的實心互相配合轉子)。
[0028]在泵是多級泵組件的一部分的情況下，通過使流體從其出口再循環(huán)到其入口來控制泵產生的功率可使橫跨前面的泵的壓差增大。因此，由前面的那個泵產生的功率從而增加。
[0029]因此，通過使流體從多級泵組件中的泵中的一些或所有的泵出口再循環(huán)到泵入口，多級泵組件所做的功可橫跨泵更均勻地分配。
[0030]使加壓流體從泵出口再循環(huán)到泵入口導致犧牲一些能量，并且因此，從表面上看，多級泵組件似乎不那么高效。因此，本發(fā)明的泵和多級泵組件看起來可能是倒退步驟。但是，已經發(fā)現(xiàn)，通過如上面描述地使流體再循環(huán)，可完成改進的多級泵組件，這是因為可在不使組件中的最后的泵超載的情況下產生較高的壓力。而且，多級泵組件的可靠性明顯提高。這是因為前面的泵被迫對多級泵組件所做的總功作出更多貢獻(并且可能同樣取決于流體成分)，其中，常規(guī)上它們所做的貢獻較少。因而，在多級泵組件中的所有泵之間分攤功的負擔。
[0031]另外，可針對對它們施加的負載來優(yōu)化單獨的構件的設計，這是因為功和負載由閥的壓力設定控制。
[0032]優(yōu)選地，壓力控制閥能夠控制流體流過其中的速率。壓力控制閥適于控制流體流的速率，使該速率與流體的氣體-液體比成比例。
[0033]壓力控制閥優(yōu)選為控制閥。如本領域中眾所周知的，控制閥是設計成通過調節(jié)閥從100%閉合到100%開啟的任何地方開啟的程度來控制流體的流的閥。控制閥可逐漸和不斷地調節(jié)閥的開啟程度。相比之下，隔離閥(諸如菌形閥、閘門閥、球形閥和舌形閥)基本上設計成卸壓閥，由此閥完全閉合或完全開啟。在完全開啟位置，隔離閥可使壓力快速降低到期望水平，在該點處，它們回到完全閉合位置。隔離閥未設計成控制閥開啟到100%閉合和100%開啟之間的任何程度。
[0034]控制閥的示例是針閥、套管閥和蝶形閥。針閥具有漸縮針/錐形針，該漸縮針/錐形針位于漸縮閥座/錐形閥座內部，并且與其配合，以閉合閥。在針從閥座退出時，流徑開啟。流徑的寬度在針從閥座退出時增加。套管閥具有可相對于彼此沿軸向移動的兩個同心套管。各個套管具有孔口，并且孔口的交迭程度可通過套管的相對軸向移動而改變?？卓谥械囊粋€可具有增大的寬度，以便對于給定量的相對軸向移動，對孔口交迭提供增大的速率。
[0035]在圖3中描繪適當?shù)奶坠荛y的示例。外部套管具有長方形孔口。內部套管(以虛線顯示)位于外部套管內部，并且具有彎曲孔口，從而導致流率非線性地提高，如圖4所示。換句話說，在孔口最初交迭時容許有低流率，但流率在壓差和因此交迭增大時快速增大。
[0036]控制閥可避免閥顫動，并且促進形成的泵級間壓力的穩(wěn)定性。因此，通過使用控制閥，根據(jù)本發(fā)明的包括多個泵的多級泵組件可快速響應，并且可迅速達到均衡狀態(tài)，在該均衡狀態(tài)中，各個閥開啟到適當?shù)某潭?，以?yōu)化各種泵之中的功分配。因而對被泵送的流體的氣體-液體比實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。
[0037]套管閥具有另外的好處:它們可為自潔式，這可在可包含固體顆粒(諸如砂)的井環(huán)境中特別有用。
[0038]本發(fā)明的第一方面的泵可進一步包括將泵出口連接到泵入口上的管道。再循環(huán)流體可流過管道。壓力控制閥可與管道相關聯(lián)，以便選擇性地允許流體通過管道從泵出口流到泵入口。壓力控制閥可完全或部分地位于管道內，或者位于管道的一端或另一端附近。
[0039]在一個實施例中，多級泵組件中的至少第二泵和各個隨后的泵根據(jù)本發(fā)明的第一方面。在該情況下，第一泵可或可不根據(jù)本發(fā)明的第一方面。認為第一泵在多級泵組件的進口端(即，最低壓力側)處。之后認為最后的泵在多級泵組件的排出端(即，最高壓力側)處。
[0040]這種多級泵組件可有利地用來泵送成分從100%液體到高氣體-液體比改變的流體，這是因為液體可從各種泵的泵出口再循環(huán)到泵入口，從而使功更均勻地分配在泵之間。
[0041]上面描述的多級泵組件的泵中的各個可具有相同掃過體積。
[0042]備選地，各個泵的掃過體積可從串聯(lián)的第一泵到最后的泵(即，從多級泵組件的進口端到排出端)減少。該布置也被稱為“漸縮”泵組件，并且類似于上面描述的用于壓縮氣體的布置。掃過體積沿著一系列泵減少允許針對具有預計多級泵組件將遇到的特定流體成分(即，特定的氣體-液體比)的最佳操作來修整多級泵組件。但是，通過如上面陳述地對再循環(huán)流體提供閥，漸縮多級泵組件也可高效地處理與預計的特定成分有所不同的流體成分。
[0043]例如，通過對串聯(lián)的至少第二泵和各個隨后的泵提供根據(jù)本發(fā)明的第一方面的泵，對于大于針對其來修整錐度的氣體-液體比的氣體-液體比，漸縮多級泵組件可有效地操作。預期串聯(lián)的第一泵可為常規(guī)泵，諸如常規(guī)旋轉螺桿泵。但是，其還可為根據(jù)本發(fā)明的第一方面的泵。
[0044]在另一個示例中，多級泵組件中的至少倒數(shù)第二個泵和各個前面的泵根據(jù)本發(fā)明的第一方面。這在掃過體積從串聯(lián)的第一泵到最后的泵減少的情況下特別有用。串聯(lián)的最后的泵可或可不根據(jù)本發(fā)明的第一方面。在該示例中，可處理如下氣體-液體比:其小于針對其來修整多級泵組件的掃過體積的氣體-液體比。
[0045]本發(fā)明的第二方面的特別有用的實施例是如下實施例:其中，多級泵組件的所有泵根據(jù)本發(fā)明的第一方面，并且其中，各個泵的掃過體積從串聯(lián)的第一泵到最后的泵減少。可針對在使用中很可能遇到的流體成分來修整/優(yōu)化這種泵的錐度，但在流體成分改變(永久或短期)的情況下，泵也可非常有效地處理具有較高和較低的氣體-液體比的流體成分。
[0046]壓力控制閥可為如下壓力控制閥:其對應于泵出口與泵入口之間的絕對壓差。換句話說，當泵出口與泵入口之間的絕對壓差達到閾值水平時，閥容許流體流過其中。用于啟動閥的閾值水平典型地近似相同，但其對于多級泵組件中的各個泵可為不同的。在優(yōu)選示例中，閾值水平可近似等于或正好大于待由多級泵組件獲得的總增壓除以多級泵組件中的泵數(shù)量(即，“級”的數(shù)量)。總增壓表示橫跨多級泵組件的壓差。
[0047]在多級泵組件中的各個泵包括這種閥的情況下，可由多級泵組件實現(xiàn)的總泵送壓力將必然被所有壓力控制閥的操作限制?？赏ㄟ^使用常規(guī)泵作為串聯(lián)的第一泵來防止這一點。因為流體不圍繞第一泵再循環(huán)，所以第一泵將在氣體-液體比增大時僅僅做更多功，從而容許獲得較大的總泵送壓力。
[0048]備選地，壓力控制閥可為如下壓力控制閥:其對應于泵出口處的壓力與泵入口處的壓力之間的比。換句話說，當泵出口處的壓力與泵入口處的壓力之間的比達到閾值時，閥容許流體流過其中。可使用閥來實現(xiàn)這一點，該閥包括具有入口面和出口面的活塞。在使用中，入口面暴露于泵入口壓力，而出口面暴露于泵出口壓力。入口面的表面積大于出口面的表面積，并且入口面的面積與出口面的面積之間的比規(guī)定泵出口處的壓力與泵入口處的壓力之間的閾值比。利用這種布置，可實現(xiàn)橫跨多級泵組件中的泵的功均勻分配，而不限制可由組件獲得的總泵送壓力。
[0049]泵出口處的壓力與泵入口處的壓力之間的閾值比對于組件中的各個泵可為不同的。典型地，為了在泵之間均勻地分配功，多級泵組件中的泵的閾值比從多級泵組件的進口到多級泵組件的排出口減小。
[0050]例如，考慮具有四個泵級的多級泵組件。對于進口壓力“4P”，為了對每級實現(xiàn)升壓“P”，級的壓力比必須是:1.25:1(第一級)；1.2:1(第二級)；1.17:1(第三級)；1.14:1(第四級)(基于進口壓力4P、來自第一泵的出口壓力5P、來自第二泵的出口壓力6P、來自第三泵的出口壓力7P，以及來自第四泵的出口壓力8P)。
[0051]該布置可適合以合理精度了解底部孔壓力(即，井底處的壓力)和井生產力的情況，這是因為泵/各個泵的比隨流體屬性和絕對泵進口壓力(進而與流動的底部孔壓力有關)改變。
[0052]在特別有用的實施例中，壓力控制閥可為如下壓力控制閥:其對應于泵級的出口和入口之間的壓差(dPstage)與整個多級泵組件的排出口和進口之間的壓差(dPassembly)之間的比，換句話說，當ClPstagJP dPassembly2間的比達到閾值時，閥容許流體流過其中?？墒褂瞄y來實現(xiàn)這一點，該閥包括活塞，該活塞具有在使用中暴露于泵入口壓力的入口面和在使用中暴露于泵出口壓力的出口面，以及兩個室，一個室與多級泵組件的進口流體連通，而另一個室與多級泵組件的排出口連通，使得室中的對應于多級泵組件的進口壓力和排出口壓力的壓力分別對抗泵的入口壓力和出口壓力。入口面或出口面的表面積與室中的一個的橫截面面積的比規(guī)定閥將容許流體以其流動的閾值。
[0053]利用這種布置，在不知道底部孔壓力如何的情況下橫跨所有泵均勻地分配功是可行的。
[0054]閥可包括促動器和閥元件，閥元件是閥的提供流體流徑的那部分，由此促動器可促動閥元件，以控制通過閥元件的流體流。促動器和閥元件可集成，或者可在遠處。上面描述的實施例中的活塞可形成促動器的至少一部分。
[0055]多級泵組件的閥可為雙向閥，以使泵組件可在兩個方向上操作。這在管線泵送或水氣交替(WAG)噴射操作中可為有用的，該水氣交替噴射操作是高級油回收技術，其中，水噴射和氣體噴射是交替的。
[0056]閥不必完全匹配預期流體屬性，這是因為通過使閥開啟壓力靈敏，再循環(huán)流體的體積可不斷改變。
[0057]泵或各個泵優(yōu)選適合優(yōu)先地在使用中允許液體而非氣體傳送通過壓力控制閥。照這樣，從泵出口再循環(huán)到泵入口的流體主要或全部是液體，然而流體中存在的氣體中的大部分或全部傳送到串聯(lián)的下一個泵級。已經發(fā)現(xiàn)，如果與液體和氣體的混合物相反，再循環(huán)流體是液體，則最小化已經被一個或多個泵加壓的再循環(huán)流體引起的效率降低。
[0058]優(yōu)先地，允許液體而非氣體傳送通過使用中的閥可經由凹部來實現(xiàn)，液體在重力作用下流到該凹部中。例如，凹部可將轉子封罩的出口連接到管道上，用于使流體再循環(huán)，旋轉螺桿位于該轉子封罩中。
[0059]管道可形成為泵的一部分。例如，管道可延伸通過泵的本體，或者沿著泵的外部延伸。備選地，管道可與泵分開，使得管道可以可移除地連接成與泵的入口和出口流體連通。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種將流體從第一位置泵送到第二位置的方法包括:提供多級泵組件，其具有串聯(lián)的兩個或更多個泵，其中，泵中的至少一個適于使流體從其出口再循環(huán)到其入口 ；將多級泵組件的進口端定位在第一位置處或其附近；啟動多級泵組件，以將流體從第一位置泵送到第二位置；以及使流體從所述至少一個泵的出口再循環(huán)到入口。可控制流體的再循環(huán)，使其與流體的氣體-液體比成比例。泵可為本發(fā)明的第一方面的泵。
【專利附圖】

【附圖說明】[0061]現(xiàn)在將參照附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明，其中:
圖1是多級雙螺桿泵組件的示意圖；
圖2是從形成圖1的多級泵組件的泵中的一個的上面的視圖；
圖3是套管閥的示意圖；
圖4是顯示圖3中顯示的典型套管閥的流率-壓差的圖表；
圖5是可在圖1中顯示的泵中使用的另一個閥的示意圖；
圖6是可在圖1中顯示的泵中使用的又一個閥的示意圖；
圖7是本發(fā)明的第二實施例的示意圖；
圖8是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖；
圖9是本發(fā)明的另一個實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0062]可在圖1中看到根據(jù)本發(fā)明的第二方面的多級泵組件I。多級泵組件I適合沿箭頭“A”標記的方向泵送多相流體?？衫斫獾氖牵摱嗉壉媒M件可用來提升來自井的流體。
[0063]多級泵組件I包括串聯(lián)的四個泵2、3。串聯(lián)的第一泵2 ( “第一”，因為其在多級泵組件的進口端4處)是本領域中已知的常規(guī)旋轉螺桿泵。第二、第三和第四泵3根據(jù)本發(fā)明的第一方面。第四泵被稱為串聯(lián)的最后的泵，這是因為其在多級泵組件I的排出端5處。
[0064]各個泵2、3具有兩個帶螺紋轉子6，兩個帶螺紋轉子6位于轉子室15中，用于將流體從特定的泵的入口 7推送到出口 8。雖然圖1中描繪了兩個轉子(即，雙螺桿布置)，但可改為使用其它數(shù)量的轉子，諸如三個(三螺桿布置)或更多。而且，雖然圖1(和后面的圖)描繪了一對轉子沿一個方向推送流體，但可行的是，各個泵包括相對的成對轉子，使得被吸到各個泵的入口中的流體分成兩個流，各個流被推送通過成對轉子中的一個，并且接著在泵的出口前面重新結合，如US 6413065中描述的。
[0065]已知在多級旋轉螺桿泵組件中包括一個或多個額外的單元，諸如與泵級中的各個相關聯(lián)的單元(例如在泵級之間)。例如，這些單元可包括齒輪模塊、間隔件單元、密封單元或氣室等。在該示例中，描繪了單個間隔件單元9在各個泵之間，單個間隔件單元9將推送力(drive)從一個泵傳送到下一個泵，并且齒輪模塊10位于多級泵組件的排出端5處。雖然未詳細顯示，但間隔件單元9和齒輪模塊10當然具有通過其中的管道16，以允許流體從一個泵傳送到下一個泵。但是，可不必在泵級之間提供任何單元，這取決于旋轉螺桿泵的性質。旋轉螺桿泵的確切設計以及是否需要任何相關聯(lián)的單元對本領域技術人員將是顯而易見的，并且不是本發(fā)明的主題。
[0066]根據(jù)本發(fā)明的各個泵包括與泵入口 7和泵出口 8流體連通的管道11。特別地，管道11的一端12開向泵入口 7，而管道11的另一端13開向泵出口 8。如圖1中描繪以及圖2中的俯視圖顯示的，泵的端面中的通道17將泵入口 7和泵出口 8連接到管道11上。
[0067]壓力控制閥14定位在管道11中，但閥14實際上可位于管道11的任一端12、13處或其附近。理想地，以及如顯示的，當多級泵組件I如使用時沿豎向布置時，閥14的入口布置在泵出口 8下面。
[0068]閥14是圖3中顯示的套管閥。套管閥包括外部套管18和同軸地定位在外部套管18內的內部套管19。外部套管18形成有通過其中的長方形(忽略套管的曲率作用)孔口20。內部套管19也形成有孔口 21，孔口 21具有彎曲邊緣22。如本領域中已知的，在遍及彈簧(未顯示)的壓差不足時，彈簧將閥偏置到閉合位置。
[0069]在遍及閥14的壓力增大時，內部套管19進一步移動到外部套管18中，并且孔口20、21在更大程度上交迭。利用套管的交迭增加，更大的流體體積可流過閥。在圖4中描繪了體積流率(V)與遍及閥的壓差(dP)的比較。
[0070]在使用中，在多級泵組件安裝在井中之前，用多級泵組件待獲得的總增壓除以串聯(lián)的泵的數(shù)量，以獲得壓力控制閥14的閾值壓力。接著，將閥的閾值壓力設定成該值。備選地，將閾值壓力設定成略微高于計算出的值。例如，如果該多級泵組件(包括四個泵級)需要的增壓為2000psi(13.8MPa)，則可將各個壓力控制閥14的閾值壓力設定成550psi (3.79MPa) ( S卩，略微高于2000/4)。接著，可將泵安裝在井中。
[0071 ] 在井中的流體全部是液體的情況下，泵如常規(guī)雙螺桿多級泵組件操作。特別地，在各個級處相等地對液體加壓，并且因此，橫跨各個泵級的壓差為大約500psi (3.45MPa)。因此，閥不開啟。
[0072]但是，在流體包括氣體的情況下，串聯(lián)的最后的泵開始比其它泵執(zhí)行更多功，并且橫跨該泵的壓差增大。如果橫跨最后的泵的壓差大于壓力控制閥14的閾值壓力，則閥14將開啟，并且流體(主要是液體)將通過管道11從泵的出口 8再循環(huán)到最后的泵的入口 7。
[0073]通過使液體再循環(huán)回到最后的泵的入口，橫跨第三泵的壓差增大。由于第三泵的流率不變，故可從上面的公式I看出，這意味著使第三泵組件做更多功(功率提高)。另外，橫跨第三泵的壓差增大使第三泵的閥開啟，從而容許液體再循環(huán)回到第三泵的入口。
[0074]進而，使第二泵的閥開啟，以及使液體再循環(huán)到第二泵的入口。
[0075]因此，第三泵、第二泵和第一泵中的各個被迫做更多功，并且更有效地有助于多級泵組件獲得增壓。
[0076]將理解的是，橫跨第一泵2的壓差也將增大。但是，在該實施例中，由于第一泵2是常規(guī)雙螺桿泵，故泵將只是被迫做更多功。
[0077]在實踐中，最后的泵、第三泵和第二泵3中的各個的閥14 一個接一個地快速開啟到不同程度，以允許液體橫跨或繞著泵再循環(huán)，從而建立均衡的壓力分布。如果氣體與液體的比隨著時間的推移增大，則泵3之間所需的體積差將增大，從而使閥14進一步開啟，容許更大體積的液體再循環(huán)(參見圖2)。
[0078]因此，可看到，本發(fā)明的泵組件自動調整閥的開啟，以均勻地分配組件中的各個泵所做的功。另外，泵組件自動且不斷地響應于被泵送的流體成分的變化。
[0079]在另一個實施例中，串聯(lián)的第一泵也可根據(jù)本發(fā)明的第一方面。在該情況下，液體可從第一泵的出口再循環(huán)到入口，從而控制橫跨第一泵的壓差，并且因此控制第一泵所做的功。雖然這可確保第一泵的壽命，但其將控制多級泵組件可實現(xiàn)的最大功率。
[0080]圖5示出可在本發(fā)明中使用的另一個閥。圖5的閥14包括具有入口面24和出口面25的活塞23。入口面24是在使用中暴露于泵入口壓力的面，而出口面25是在使用中暴露于泵出口壓力的面。入口面24的表面積大于出口面25的表面積。通道26延伸通過活塞，以容許流體流過閥。通道26的出口 27可在形狀上設置成容許變化的流體流率，這類似于圖2中的孔口 21。
[0081]將認識到的是，圖5中的活塞23用作用以控制通道26的開啟的促動器。由于通道延伸通過活塞，故促動器與閥的提供流體流徑的那個部分(閥元件)集成。但是，促動器在閥的提供流體流徑的那個部分遠處的同時仍然促動和控制其是可行的。
[0082]壓力控制閥14響應于泵出口(其在活塞的出口面25上起作用)處的壓力和泵入口(其在活塞的入口面24上起作用)處的壓力之間的比。當泵出口處的壓力和泵入口處的壓力之間的比達到閾值時，閥容許流體流過其中。閾值對應于入口面24的表面積和出口面25的表面積之間的比。
[0083]入口面24的表面積和出口面25的表面積之間的比從串聯(lián)的第一泵到最后的泵減小，以使各個泵級可添加近似相同的壓力。例如，如果期望各個泵級應使流體壓力增大大約500psi (3.45MPa)，以及認為應使底部孔壓力增大大約750psi (5.17MPa)，則第一泵級的入口面24的表面積和出口面25的表面積之間的比為大約1.67 ;對于第二泵級，比為大約
1.4 ;對于第三泵級，比為大約1.29 ;并且對于最后的泵級，比為大約1.22。
[0084]使用該類型的閥，多級泵組件可獲得的總泵送壓力不以當各個泵包括圖2中描繪的類型的閥時的上面提到的方式受限制。
[0085]在圖6中描繪可在本發(fā)明中使用的閥14的又一個示例。該閥包括活塞28，活塞28具有端面29、軸30和兩個室31、32。室中的一個31與多級泵組件I的進口 4流體連通，而另一個室32與多級泵組件I的排出口 5連通。通過閥側壁的端口 34允許室31、32與多級泵組件I的進口 4和排出口 5流體連通。
[0086]可從圖中理解的是，室31、32是圍繞活塞28的軸33的環(huán)形。將進一步理解的是，室31中的對應于多級泵組件的進口壓力的壓力對抗泵級的入口壓力。類似地，室32中的對應于多級泵組件的排出口壓力的壓力對抗泵級的出口壓力。
[0087]如同圖5中顯示的閥一樣，閥可備選地在結構上設置成使得活塞在流體流徑遠處。
[0088]活塞的端面29的表面積與室31、32的橫截面面積的比規(guī)定閾值比。當泵級的出口和入口之間的壓差(dPstage)與整個多級泵組件的排出口和進口之間的壓差(dPassembly)的比達到閾值比時，閥將容許流體流過其中。
[0089]為了設定多級泵組件(包括“η”個泵)的比，端面29的表面積與室31、32的橫截面面積的比為η:1。因此，在多級泵組件(諸如圖1中顯示的具有4個泵級的多級泵組件)中，活塞28的端面29的表面積應當大約四倍于室31、32的橫截面面積。
[0090]對于具有給定活塞端面29表面積的閥,端面29表面積和室31、32橫截面面積之間的比可通過改變活塞的軸30的直徑而改變。
[0091]利用這種布置，在不知道底部孔壓力的情況下橫跨所有泵分配功是可行的。雖然已經描述了室31、32為環(huán)形，并且這是有利的，但也可使用其它形狀的室。室31、32的功能是使得能夠在整體上基于橫跨單獨的泵的壓差與多泵組件的壓差的比來促動圖6的閥。例如，在包括串聯(lián)布置的多個單獨的泵的多級泵組件中，單獨的泵的入口可通過流體旁路聯(lián)接到那個單獨的泵的出口上，該流體旁路布置成使得流體能夠從那個單獨的泵的出口再循環(huán)到其入口。流體旁路典型地包括控制閥，該控制閥構造成基于橫跨單獨的泵的壓降(例如單獨的泵的出口與其入口之間的壓差)來控制再循環(huán)。還可基于多級泵的入口和多級泵的出口之間的壓力來控制控制閥。這使得例如控制閥能夠通過單獨的泵的流體旁路基于橫跨單獨的泵的壓降與橫跨多級泵組件的壓降的比來控制再循環(huán)。可通過提供從多級泵組件的出口 /入口進入控制閥中的流體聯(lián)接件，或者通過其它手段，例如通過控制閥的電子控制器，來如上面描述地實現(xiàn)這一點。
[0092]圖7顯示類似于圖1中顯示的多級雙螺桿泵組件的多級雙螺桿泵組件的另一個示例，并且因此，相同標記指示相同部件。圖7中顯示的多級雙螺桿泵組件由四個泵組成。各個泵都是常規(guī)雙螺桿泵2。第二泵、第三泵和第四泵均進一步包括入口轉接器40和出口轉接器41，它們經由管道42 (諸如管)彼此相連?？煽吹焦艿?2在常規(guī)雙螺桿泵2的外部。壓力控制閥14定位在各個管道42中，但其還可定位在管道42的入口或出口處。
[0093]因此，可看到常規(guī)雙螺桿泵可用來產生根據(jù)本發(fā)明的泵。
[0094]入口 /出口轉接器40、41是可連接到常規(guī)雙螺桿泵的入口 7/出口 8上且具有用于容納流體的室的單元。流體從常規(guī)泵2的出口排到相鄰出口轉接器41中，以使流體可傳遞到串聯(lián)中的下一個泵組件。根據(jù)本發(fā)明，當橫跨常規(guī)雙螺桿泵2的壓力使閥開啟時，流體中的一些可再循環(huán)到入口轉接器40。閥可為上面描述的閥中的任一個。管道42在底部附近連接到相應的出口轉接器41內部的室上，以使室可用作小型隔箱，從而使得液體能夠優(yōu)選地再循環(huán)到入口轉接器40。
[0095]照這樣，可使用常規(guī)旋轉螺桿泵來構建多級泵組件。
[0096]圖8顯示本發(fā)明的另一個實施例，其中，常規(guī)旋轉螺桿泵用來形成根據(jù)本發(fā)明的泵和多級泵組件。再次，相同附圖標記指示相同部件。
[0097]在該實施例中，不是在常規(guī)的第二泵、第三泵和第四泵的入口和出口附近對常規(guī)泵提供入口和出口轉接器，而是僅提供出口轉接器45。出口轉接器45聯(lián)接到常規(guī)雙螺桿泵2中的各個的出口 8上，以使流體從泵輸送到出口轉接器內部的室。
[0098]各個出口轉接器45還經由管道46連接到相鄰泵組件的出口轉接器45上。如可從圖中看到的，管道46是具有用于各個出口轉接器45的連接點47的單個管道。壓力控制閥14定位在管道46中，以分開各個連接點。
[0099]在被泵送的流體是100%的液體時，閥14保持閉合。
[0100]但是，如在上面關于圖1所描述的第一示例中，如果流體中存在氣體，則橫跨最后的泵的壓差將增大，從而使位于第四泵組件和第三泵組件的出口轉接器45之間的閥14開啟。流體將從最后的泵組件的出口轉接器45流動，并且進入管道46中。由于第三泵組件的出口轉接器45與第四泵組件的入口流體連通，故那個出口轉接器中的壓力低于在管道46中再循環(huán)的流體的壓力，并且因此，流體將流到第三泵組件的出口轉接器中。
[0101]進而，橫跨串聯(lián)的第三泵的壓差增大，并且對應的閥開啟，以使液體再循環(huán)，對于第二泵和第一泵也是如此。在實踐中，閥開啟，并且?guī)缀趿⒖踢_到均衡。
[0102]可理解的是，出口轉接器45、閥14和管道46的該布置可與常規(guī)雙螺桿泵一起使用，以形成根據(jù)本發(fā)明的泵和多級泵組件。
[0103]在備選布置中，管道46可不是單個管道。相反地，可存在連接相鄰出口轉接器45的獨立管道。在該情況下，出口轉接器連接到第二泵組件和第三泵組件的出口上，第二泵組件和第三泵組件均具有連接到其上的兩個管道；一個管道將加壓流體饋送到出口轉接器中，而另一個管道使流體停止再循環(huán)。
[0104]圖9顯示漸縮的多級雙螺桿泵組件。泵組件包括掃過體積從進口端4到排出端5減少的四個泵。可如本領域中眾所周知地實現(xiàn)掃過體積減少。例如，轉子上的螺紋的節(jié)距可從進口端到排出端減小。
[0105]各個泵根據(jù)本發(fā)明的第一方面構建，這是因為泵具有管道11和壓力控制閥14，以選擇性地允許流體從相應的泵的出口再循環(huán)到入口。因此，這些泵類似于上面關于圖1所描述的那些泵，除了它們形成漸縮泵組件。因此，相同附圖標記指示相同部件。
[0106]在使用中，在本行業(yè)中眾所周知的是，可針對特定的氣體-液體比特別地設計漸縮泵。因此，如本領域技術人員已知地選擇四個泵中的各個的掃過體積，以使多級泵可處理預先限定的氣體-液體比。如果在使用中，遇到的流體的氣體-液體比增大到預先限定的比之上，則泵以與上面參照圖1所描述的相同的方式操作。特別地，閥開啟，并且使流體再循環(huán)到相應的泵入口。
[0107]如果氣體-液體比降低到預先限定的比之下，則第一泵將過多流體輸送到第二泵，第二泵將過多流體輸送到第三組件等。橫跨泵的壓差因此增大，并且因此閥開啟，并且使液體從相應的出口再循環(huán)到相應的入口。但是，與上面討論的相反，在該情況下，第一泵的閥首先反應，接著是隨后的泵的閥。但是再次，實際上，閥隨后相對快地開啟。
[0108]該實施例可為有用的示例是通過將重“壓井流體”(主要是液體)噴射到井中來壓井的情況。可了解到，井典型地產生具有特定的氣體-液體比的流體?？舍槍δ莻€氣體-液體比來修整根據(jù)本發(fā)明的漸縮多級泵組件。雖然針對井流體的普通成分來優(yōu)化泵，但當期望使井重新操作時，泵仍然能夠從井中泵出重壓井流體，這是因為流體可如上面描述地再循環(huán)。特別地，對于當壓井流體將被泵出時的時期，氣體-液體比低于泵被修整的比。過多流體被輸送到隨后的泵。液體將首先從第一泵的出口再循環(huán)到入口，接著再循環(huán)到串聯(lián)的隨后的泵。
[0109]可看到上面描述的漸縮泵可高效地泵送多種多樣的氣體-液體比。
[0110]將理解的是，上面參照實施例中的一個所描述的特征可與其它實施例結合起來使用。而且，變型對本領域技術人員將是顯而易見的，例如圖9中顯示的漸縮泵可包括第一級或最后一級中的常規(guī)雙螺桿泵，而非本發(fā)明的泵，以便處理分別比針對其來設計漸縮泵的氣體-液體比更多或更少的氣體。而且，可在泵組件的實施例中的任一個中使用描述的閥中的任一個。
【權利要求】
1.一種泵，包括泵入口、泵出口、至少兩個帶螺紋轉子和壓力控制閥，所述壓力控制閥能夠控制流體從所述泵出口再循環(huán)到所述泵入口。
2.根據(jù)權利要求1所述的泵，其特征在于，所述壓力控制閥適于控制通過其中的流體流的速率，使所述速率與由使用中的泵所泵送的流體的氣體-液體比成比例。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的泵，其特征在于，所述壓力控制閥是控制閥。
4.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的泵，其特征在于，進一步包括將所述泵出口連接到所述泵入口上的管道，并且再循環(huán)流體可在使用中流過所述管道。
5.根據(jù)權利要求4所述的泵，其特征在于，所述壓力控制閥完全或部分地位于所述管道內，或者在所述管道的一端或另一端附近。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的泵，其特征在于，進一步包括在所述泵出口中的凹部，以優(yōu)選地允許液體而非氣體在使用中從所述帶螺紋轉子位于其中的封罩流到所述管道。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的泵，其特征在于，所述壓力控制閥是如下壓力控制閥:其對應于所述泵出口和所述泵入口之間的絕對壓差，使得當所述泵出口和所述泵入口之間的所述絕對壓差達到閾值水平時，所述閥容許流體流過其中。
8.根據(jù)權利要求1至6中的任一項所述的泵，其特征在于，所述壓力控制閥是如下壓力控制閥:其對應于所述泵出口處的壓力與所述泵入口處的壓力之間的比，使得當所述泵出口處的壓力與所述泵入口處的壓力之間的所述比達到閾值時，所述閥容許流體流過其中。
9.根據(jù)權利要求8所述的泵，其特征在于，所述閥包括具有入口面和出口面的活塞，所述入口面的表面積大于所述出口面的表面積,并且所述入口面的面積與所述出口面的面積之間的比規(guī)定所述泵出口處的壓力與所述泵入口處的壓力之間的閾值比。
10.根據(jù)權利要求1至6中的任一項所述的泵，其特征在于，所述壓力控制閥是如下壓力控制閥:其對應于所述泵的出口和入口之間的壓差(dPstage)與第一壓力和第二壓力之間的壓差(ClPassailbly)之間的比，在使用中，所述第一壓力和所述第二壓力傳送到所述閥，使得當dPstage和dPassembly之間的所述比達到閾值時，所述閥容許流體流過其中。
11.根據(jù)權利要求10所述的泵，其特征在于，所述閥包括具有端面和兩個室的活塞，一個室適于與多級泵組件的進口流體連通，所述進口處于所述第二壓力，而另一個室適于與所述多級泵組件的排出口流體連通，所述排出口處于所述第一壓力，使得在使用中，對應于所述多級泵組件的進口壓力和排出口壓力的所述室中的壓力分別對抗所述泵的入口壓力和出口壓力，其中，所述端面的表面積與所述室的橫截面面積的比規(guī)定所述閥將容許流體以其流動的閾值比。
12.—種多級泵組件，包括串聯(lián)布置的至少兩個泵，其中，所述泵中的至少一個是根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的泵。
13.根據(jù)權利要求12所述的多級泵組件，其特征在于，各個泵具有相同掃過體積。
14.根據(jù)權利要求12所述的多級泵組件，其特征在于，從串聯(lián)的第一泵到最后的泵的各個泵的掃過體積減小。
15.根據(jù)權利要求12至14中的任一項所述的多級泵組件，其特征在于，至少第二泵和各個隨后的泵是根據(jù)權利要求1至11中的任一項所述的泵。
16.根據(jù)權利要求12至14中的任一項所述的多級泵組件，其特征在于，至少倒數(shù)第二個泵和各個前面的泵是根據(jù)權利要求1至11中的任一項所述的泵。
17.一種將流體從第一位置泵送到第二位置的方法，包括:提供多級泵組件，所述多級泵組件具有串聯(lián)的兩個或更多個泵，其中，所述泵中的至少一個適于使流體從其出口再循環(huán)到其入口 ；將所述多級泵組件的進口端定位在所述第一位置處或所述第一位置附近；啟動所述多級泵組件，以將所述流體從所述第一位置泵送到所述第二位置；以及使流體從所述至少一個泵的出口再循環(huán)到·入口。
【文檔編號】F04C28/12GK103857914SQ201280035580
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年5月18日 優(yōu)先權日:2011年5月20日
【發(fā)明者】M.J.丹尼 申請人:英國石油勘探運作有限公司