螺桿泵及其在井孔中的操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及一種螺桿栗和一種用于在井孔諸如在石油和天然氣井筒中操作該螺桿栗的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—種螺桿栗，通常又被稱(chēng)為Moineau栗，包括兩個(gè)接口螺旋部件即一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子。典型地，該定子包括可附接到一根油管柱上的一個(gè)圓柱形金屬外殼以及被安裝到該金屬外殼的內(nèi)部上的一個(gè)彈性體的螺旋和縱向延伸的空腔。典型地，該轉(zhuǎn)子包括可附接到一根桿柱上的一根金屬螺旋桿。作為一般原理，該轉(zhuǎn)子具有比該定子少一個(gè)螺旋級(jí)(helical order)的螺旋，S卩，該轉(zhuǎn)子具有螺旋級(jí)η并且該定子具有n+1的螺旋級(jí)。例如，當(dāng)該轉(zhuǎn)子是螺旋級(jí)η = 1的單螺旋時(shí)，該定子具有螺旋級(jí)η = 2的雙螺旋，并且當(dāng)該轉(zhuǎn)子是具有η = 2的雙螺旋時(shí)，該定子是具有η = 3的三螺旋，等等。在這類(lèi)配置中，開(kāi)腔存在于該栗內(nèi)。在該定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子將會(huì)致使這些空腔前進(jìn)并且作為栗來(lái)操作。旋轉(zhuǎn)裝置典型地由一個(gè)電機(jī)提供，該電機(jī)通過(guò)一根桿柱驅(qū)動(dòng)該轉(zhuǎn)子。螺桿栗對(duì)抗大于進(jìn)入壓力的排放壓力而操作的能力與該栗內(nèi)的級(jí)數(shù)成比例。一個(gè)級(jí)等于該定子的一個(gè)節(jié)距，并且由該定子螺旋的一個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)限定。對(duì)于給定的螺旋幾何結(jié)構(gòu)，該栗的加壓能力隨著級(jí)增加而增加，并且該栗的長(zhǎng)度成比例地增加。然而，隨著栗中的級(jí)數(shù)增加，要驅(qū)動(dòng)該轉(zhuǎn)子所要求的轉(zhuǎn)矩由于該栗變得更長(zhǎng)而同樣增加。
[0003]由于螺桿栗能夠處理載有粘性和固體微粒的流體，它們是特別有用的，并且已經(jīng)在多種應(yīng)用包括運(yùn)輸食物、泥漿、污水和乳液中得以采用。乳液可以由多種不同的流體組成，包括但不限于石油、水、沙和烴氣體的一種混合物。當(dāng)栗送通常地‘粗糙’流體時(shí)，該栗趨向于隨著時(shí)間磨損直到它不再有效的時(shí)刻。一旦螺桿栗不再有效，就必須替換它。在一些應(yīng)用中，由于栗零件的成本以及檢修該栗(并且具體地該定子)所做出的努力，替換螺桿栗的成本可能是過(guò)高的。
[0004]其中檢修該定子是特別具有挑戰(zhàn)性的和成本高的一個(gè)應(yīng)用是在石油或水井筒中栗送。在井筒應(yīng)用中，該栗通常被安裝在地平面以下高達(dá)幾千英尺。用于安裝這一栗的現(xiàn)行做法涉及將該定子附接到該井筒的油管柱上，并且在該定子上方或下方在該油管柱中提供向內(nèi)突出的一個(gè)限制器，該限制器被用來(lái)相對(duì)于該定子定位該轉(zhuǎn)子(對(duì)應(yīng)地稱(chēng)為“頂部定位”或“底部定位”)；接著使用一個(gè)維修鉆塔將具有該限制器和該定子的該油管插入該井孔之中。該轉(zhuǎn)子被附接到一根桿柱上，使用該維修鉆塔將該桿柱插入該油管柱中；使該桿柱和該轉(zhuǎn)子下降直到與該限制器相接觸，在此刻該轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子的位置是已知的并且可以完成一個(gè)轉(zhuǎn)子隔開(kāi)程序。在不與該向內(nèi)突出的限制器或栗部件沖突的情況下，可以將多種其他工具附接到該桿柱或該油管柱之上。
[0005]總體上，井筒中所使用的螺桿栗以提供將流體帶入表面所要求的加壓能力或者升力的長(zhǎng)度制造和出售。如果一位鉆井操作者對(duì)一個(gè)具體的栗的加壓能力和幾何結(jié)構(gòu)滿(mǎn)意，他也許典型地只會(huì)關(guān)心該栗的長(zhǎng)度是否達(dá)到或者超過(guò)用于安裝所要求的極限，或者轉(zhuǎn)矩是否是一個(gè)潛在的問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō)，該桿柱和該轉(zhuǎn)子能夠被一個(gè)比稱(chēng)為旁沖單元(flush-byunit)的維修鉆塔更小、更便宜的單元取回并重新安裝。然而，該旁沖單元通常不能夠取回或者安裝該油管柱和該定子，因此當(dāng)該栗已磨損并且需要維修/修理/替換時(shí)，再次需要該維修鉆塔。該維修鉆塔被部署成拉出該桿柱和該轉(zhuǎn)子，并且接著拉出該油管柱和該定子。接著使用一個(gè)新的定子來(lái)替換該磨損的定子，并且該維修鉆塔將具有新定子的該油管柱插入回到該井筒之中。同樣可替換該磨損的轉(zhuǎn)子，并且該維修鉆塔將具有新轉(zhuǎn)子的該桿柱插入回到該油管柱之中。這類(lèi)工作趨向于在巨大開(kāi)銷(xiāo)和生產(chǎn)損失下花費(fèi)操作者若干小時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于在井孔中操作螺桿栗的方法，該方法包括:將一個(gè)定子安裝到一根油管柱上并且將該定子和該油管柱插入一個(gè)井孔中，其中該定子具有在該定子上的不同位置處的至少第一有效定子區(qū)段和第二有效定子區(qū)段。該方法還包括一個(gè)第一操作階段，該第一操作階段涉及將一個(gè)第一轉(zhuǎn)子插入該油管柱中直到該第一轉(zhuǎn)子被定位在一個(gè)選定的井下位置處，其中該第一轉(zhuǎn)子具有一個(gè)第一有效轉(zhuǎn)子區(qū)段，當(dāng)該第一轉(zhuǎn)子是在該選定的井下位置中時(shí)，該第一有效轉(zhuǎn)子區(qū)段與該第一有效定子區(qū)段對(duì)準(zhǔn)，并且相對(duì)于該定子旋轉(zhuǎn)該第一轉(zhuǎn)子，使得這些對(duì)準(zhǔn)的第一有效轉(zhuǎn)子區(qū)段和第一有效定子區(qū)段產(chǎn)生一個(gè)栗送力。該方法還包括一個(gè)第二操作階段，該第二操作階段涉及從該井孔中移除該第一轉(zhuǎn)子，并且將一個(gè)第二轉(zhuǎn)子插入該油管柱中直到該第二轉(zhuǎn)子被定位在一個(gè)選定的井下位置處，其中該第二轉(zhuǎn)子具有一個(gè)第二有效轉(zhuǎn)子區(qū)段，當(dāng)該第二轉(zhuǎn)子是在該選定的井下位置中時(shí)，該第二有效轉(zhuǎn)子區(qū)段與該第二有效定子區(qū)段對(duì)準(zhǔn)，并且相對(duì)于該定子旋轉(zhuǎn)該第二轉(zhuǎn)子，使得這些對(duì)準(zhǔn)的第二有效轉(zhuǎn)子區(qū)段和第二有效定子區(qū)段產(chǎn)生一個(gè)栗送力。
[0007]該第一轉(zhuǎn)子和該第二轉(zhuǎn)子可以通過(guò)一個(gè)頂部定位步驟、或者通過(guò)一個(gè)底部定位步驟而被定位在該選定的井下位置中。
[0008]為了確定該方法應(yīng)該何時(shí)從該第一操作階段移至該第二操作階段，該方法可以進(jìn)一步包括確定該栗的栗送性能并且當(dāng)該確定的性能減小到一個(gè)選定的閾值時(shí)執(zhí)行該第二操作階段。
[0009]該第一轉(zhuǎn)子在被插入該油管柱之前可以被安裝到一根桿柱上，并且該方法可以進(jìn)一步包括使用芳沖設(shè)備將該第一轉(zhuǎn)子和該桿柱從該井孔中移除。在將該第一轉(zhuǎn)子和該桿柱從該井孔中移除后，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)抽油桿或連續(xù)桿已達(dá)到一個(gè)選定的磨損狀態(tài)時(shí)，可以從該桿柱中替換該一個(gè)或多個(gè)抽油桿或連續(xù)桿。
[0010]該定子可以包括一個(gè)第三有效定子區(qū)段，該第三有效定子區(qū)段是在該定子上的與該第一有效定子區(qū)段和該第二有效定子區(qū)段不同的一個(gè)位置處，并且該方法可以進(jìn)一步包括將該第二轉(zhuǎn)子從該井孔中移除并且將一個(gè)第三轉(zhuǎn)子插入該油管柱中直到該第三轉(zhuǎn)子被定位在一個(gè)選定的井下位置處，接著相對(duì)于該定子旋轉(zhuǎn)該第三轉(zhuǎn)子，使得這些對(duì)準(zhǔn)的第三有效轉(zhuǎn)子區(qū)段和第三有效定子區(qū)段產(chǎn)生一個(gè)栗送力。該第三轉(zhuǎn)子具有一個(gè)第三有效轉(zhuǎn)子區(qū)段，當(dāng)該第三轉(zhuǎn)子是在該選定的井下位置中時(shí)，該第三有效轉(zhuǎn)子區(qū)段與該第三有效定子區(qū)段對(duì)準(zhǔn)。
[0011]該定子可以包括一個(gè)第四有效定子區(qū)段，該第四有效定子區(qū)段是在該定子上的與該第一有效定子區(qū)段、該第二有效定子區(qū)段和該第三有效定子區(qū)段不同的一個(gè)位置處，并且該方法可以進(jìn)一步包括將該第三轉(zhuǎn)子從該井孔中移除并且將一個(gè)第四轉(zhuǎn)子插入該油管柱中直到該第四轉(zhuǎn)子被定位在一個(gè)選定的井下位置處，接著相對(duì)于該定子旋轉(zhuǎn)該第四轉(zhuǎn)子，使得這些對(duì)準(zhǔn)的第四有效轉(zhuǎn)子區(qū)段和第四有效定子區(qū)段產(chǎn)生一個(gè)栗送力。該第四轉(zhuǎn)子具有一個(gè)第四有效轉(zhuǎn)子區(qū)段，當(dāng)該第四轉(zhuǎn)子是在該選定的井下位置中時(shí)，該第四有效轉(zhuǎn)子區(qū)段與該第四有效定子區(qū)段對(duì)準(zhǔn)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于在井孔中操作的螺桿栗組件，該螺桿栗組件包括:一個(gè)定子，該定子包括在該定子上的不同位置處的至少第一有效定子區(qū)段和第二有效定子區(qū)段；一個(gè)第一轉(zhuǎn)子，該第一轉(zhuǎn)子具有一個(gè)第一有效轉(zhuǎn)子區(qū)段，當(dāng)該第一轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子被安裝在一個(gè)選定的位置處時(shí)，該第一有效轉(zhuǎn)子區(qū)段與該第一有效定子區(qū)段對(duì)準(zhǔn)；以及一個(gè)第二轉(zhuǎn)子，該第二轉(zhuǎn)子具有一個(gè)第二有效轉(zhuǎn)子區(qū)段，當(dāng)該第二轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子被安裝在一個(gè)選定的位置處時(shí)，該第二有效轉(zhuǎn)子區(qū)段與該第二有效定子區(qū)段對(duì)準(zhǔn)。
[0013]該栗組件可以進(jìn)一步包括一個(gè)油管接頭，該油管接頭具有可安裝到該定子的一個(gè)底部端部上的一根標(biāo)記棒。
[0014]該第一轉(zhuǎn)子可以包括一根細(xì)長(zhǎng)桿，該細(xì)長(zhǎng)桿具有聯(lián)接到該第一有效轉(zhuǎn)子區(qū)段上的一個(gè)底部端部，以及可連接到一根桿柱上的一個(gè)頂部端部。該第二轉(zhuǎn)子可以包括在該有效轉(zhuǎn)子區(qū)段下方延伸的一個(gè)下部區(qū)段，該下部區(qū)段具有一個(gè)螺旋表面，當(dāng)該第二轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子被定位在該選定的位置中時(shí)，該螺旋表面與該定子的一個(gè)螺旋空腔接合。該第二轉(zhuǎn)子的該下部區(qū)段可以包括一個(gè)槳葉，當(dāng)該第二轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子被定位在該選定的位置中時(shí)，該槳葉在該定子的該底部下方延伸。
[0015]該第一轉(zhuǎn)子和該第二轉(zhuǎn)子可以具有一個(gè)轉(zhuǎn)子頭部，并且該組件可以進(jìn)一步包括可安裝到每個(gè)轉(zhuǎn)子頭部上的一個(gè)桿盒，以及可通過(guò)一個(gè)小型接頭直接或間接地安裝到該定子的一個(gè)頂部端部上的一個(gè)套環(huán)。該套環(huán)可以具有一個(gè)環(huán)形肩臺(tái)，該環(huán)形肩臺(tái)向內(nèi)突出到該套環(huán)中足以接合該桿盒，但是允許延伸穿過(guò)其中的該第一轉(zhuǎn)子和該第二轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。該第一轉(zhuǎn)子可以具有一個(gè)長(zhǎng)度，當(dāng)該第一轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子被定位在該選定的位置中時(shí)，該長(zhǎng)度在該第一有效定子區(qū)段的底部處終止。該第二轉(zhuǎn)子可以具有一個(gè)長(zhǎng)度，當(dāng)該第二轉(zhuǎn)子相對(duì)于該定子被定位在該選定的位置中時(shí)，該長(zhǎng)度在該第二有效定子區(qū)段的底部處或下方終止，并且具有在該第二有效轉(zhuǎn)子區(qū)段上方延伸的一個(gè)部分，該部分具有被配置成與該定子的一個(gè)螺旋空腔配對(duì)的