用於泵送氣態流體的設備、系統和方法
2023-07-20 10:08:41
用於泵送氣態流體的設備、系統和方法
【專利摘要】描述一種用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。本發明的離心泵均勻化產生的井產流體中包含的氣體和液體的至少一部分，因此改善電動潛水泵（ESP）應用中的泵的效率，並且減小ESP系統的停工時間。本發明的葉輪包括增大的入口區域。本發明的離心泵包括位於葉輪的底側上的單個護罩、葉輪的增大的入口區域以及葉輪和擴散器之間的增大的間隙。一個或更多個被截斷的葉片基本上在單個護罩上遊延伸，其中每一個被截斷的葉片位於從葉輪的底側開始的未被截斷的葉片之間的中間節距部位。
【專利說明】用於泵送氣態流體的設備、系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年7月25日提交的並且題為「APPARATUS, SYSTEM AND METHODFOR PUMPING GASEOUS FLUID」 的 Jayaram 等人的美國臨時申請 N0.61/675，578 的權益，該美國臨時申請特此通過引用整體併入。
【技術領域】
[0003]這裡描述的本發明的實施例涉及電動潛水泵領域。更具體地，但不是通過限制的方式，本發明的一個或更多個實施例實現在電動潛水泵井下應用中用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。
【背景技術】
[0004]諸如氣體、油或水的流體經常位於地下巖層中。在這種情況下，流體必須被泵送到表面使得它可以被收集、分離、提煉、分配和/或出售。離心泵典型地用於電動潛水泵應用以便將井產流體提升到表面。離心泵通過與靜止的擴散器成對的旋轉的葉輪加速流體而賦予流體能量。該旋轉給予穿過泵的流體角動量。角動量將動能轉化為壓力，因此提高流體上的壓力並且將它提升到該表面。多級的葉輪和擴散器對可以用於進一步增大該壓力。
[0005]常規離心泵被設計用於搬運主要由液體組成的流體。然而，除了液體外，井產流體經常包含氣體。目前可用的潛水泵系統不適合於泵送具有高的氣體對液體比率的流體。具體地,潛水泵系統需要更好地適合於應對井產流體中包含的氣體。當泵送帶有氣體的流體時，由於當泵處於操作中時產生的壓力差，氣體可以與其它流體分離。如果存在充分高的含氣率(典型地大約10%到15%)，泵可能經受效率的降低和容量或壓頭降低(打滑)。如果氣體繼續積聚在葉輪的抽吸側上，它可能完全堵塞其它流體通過葉輪的通路。當這發生時，該泵被說成是「氣鎖的」，這是由於泵的正確操作被氣體的積聚阻礙。結果，需要小心關注潛水泵系統中的氣體管理以便改善從地下巖層的帶有氣體的流體的生產。
[0006]圖1A和IB中示出離心泵的典型的葉輪。在圖1A中，封閉式葉輪100被示出為具有六個均勻間隔的常規葉片105。僅僅為了說明目的，上部常規護罩110和下部常規護罩115在圖1B中被示出，但在圖1A中沒有被示出。圖1B示出封閉式葉輪100的剖視圖，該封閉式葉輪具有兩個常規護罩(上部常規護罩110和下部常規護罩115)。在圖1B中，常規的轂125是長的且空心的並且連接到下部常規護罩115、上部常規護罩110和常規葉片105。常規的轂125在常規的軸130上滑動並且鍵接到常規的軸130，這引起封閉式葉輪100與常規的軸130 —起旋轉。封閉式葉輪100與軸130 —起逆時針或順時針旋轉。孔120 (在圖1A中被示出)平衡封閉式葉輪100的每一側上的壓力。常規封閉式葉輪100具有大約6000的抽吸比速度。
[0007]封閉式葉輪100與常規的靜止擴散器(諸如圖2中示出的擴散器)成對，使得每一個葉輪在與其成對的擴散器內(內側)旋轉。擴散器不旋轉，但與葉輪共軸地安裝並且套接在前級的擴散器上。典型地，在擴散器和與其成對的葉輪之間存在間隙。對於常規半開式葉輪，這種常規間隙在寬度上典型地為大約0.015英寸到大約0.02英寸。
[0008]目前，有時使用氣體分離器試圖解決產生的流體中的氣體引起的問題。氣體分離器試圖在流體進入泵之前從產生的流體移除氣體。然而，這經常是不可行的，因為確定可能對特定的井有效的正確類型的泵和分離器組合是高成本的或太費時，並且即使確定正確的布置，但是分離器可能不能移除足夠的氣體以防止效率損失和/或防止氣鎖。
[0009]在電動潛水泵(ESP)的情況下，泵組件中的泵或任何支撐部件的故障可能是災難性的，這是由於它意味著井生產的耽擱並且必須從井移除泵以便維修。在所有類型的潛水組件中，能夠均勻化產生的氣態流體的潛水泵系統將是有利的。
[0010]目前可用的泵組件不包含用於令人滿意地均勻化帶有氣體的流體並且防止氣鎖的部件。這個缺點降低了泵組件的效率和總體效能。因此，在電動潛水泵應用中需要用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。
【發明內容】
[0011]本發明的一個或更多個實施例實現一種用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。
[0012]描述一種用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。說明性實施例的葉輪包括增大的入口區域。在一些實施例中，增大的入口區域為常規葉輪的入口區域的尺寸的大約1.75倍至大約2.5倍之間。在一些實施例中，葉輪包括位於葉輪的底側上的單個護罩。在一些實施例中，至少兩個未被截斷的葉片基本上在單個護罩上遊延伸，並且至少兩個被截斷的葉片基本上在單個護罩上遊延伸，其中每一個被截斷的葉片位於從葉輪的底側開始的未被截斷的葉片之間的中間節距部位。在一些實施例中，被截斷的葉片為未被截斷的葉片的弦長的大約50%至大約75%之間。在一些實施例中，單個護罩在轂周圍沿徑向延伸。在某些實施例中，葉輪的抽吸比速度在大約8000到大約12000之間。
[0013]說明性實施例的離心泵包括擴散器內部的葉輪以及葉輪和擴散器之間的增大的間隙，葉輪包括頂側和底側，其中頂側朝擴散器打開，並且其中葉輪還包括:位於葉輪的底側上並且徑向地布置在轂周圍的單個護罩、基本上在單個護罩上遊延伸的未被截斷的葉片以及基本上在單個護罩上遊延伸的被截斷的葉片。在一些實施例中，存在至少兩個未被截斷的葉片，其中被截斷的葉片位於從葉輪的底側開始的至少兩個未被截斷的葉片之間的中間節距部位。在某些實施例中，增大的間隙的寬度在大約0.060英寸至大約0.180英寸之間。
[0014]說明性實施例的方法可以包括用來泵送氣態流體的方法，該方法包括:將離心泵布置到包含氣態流體的井中，操作該泵以引起流體流向井的表面，使流體的至少一部分流過葉輪和擴散器之間的增大的間隙，和通過減小葉輪葉片的壓力側和抽吸側之間的壓力差最小化流體的相分離。在一些實施例中，流體的相分離被具有增大的入口區域的葉輪最小化。在一些實施例中，通過用被截斷的葉片代替葉輪葉片，增大入口區域。
[0015]在另外的實施例中，來自特定實施例的特徵可以與來自其它實施例的特徵組合。例如，來自一個實施例的特徵可以與來自任何其它實施例的特徵組合。在另外的實施例中，另外的特徵可以被添加到這裡描述的具體實施例。
【專利附圖】
【附圖說明】[0016]根據結合以下附圖給出的以下更具體的描述，說明性實施例的上述和其它方面、特徵和優點將更明了，其中:
[0017]圖1A示出現有技術的葉輪的平面圖；
[0018]圖1B示出現有技術的葉輪的剖視圖；
[0019]圖2示出現有技術的擴散器的透視圖；
[0020]圖3是示出示例性電動潛水泵(ESP)系統的一個實施例；
[0021]圖4A示出半開式葉輪的一個實施例的透視圖；
[0022]圖4B示出半開式葉輪的一個實施例的透視圖；
[0023]圖5是葉輪的一個實施例的沿圖3的線5-5截取的部分剖視圖；
[0024]圖6是離心泵的一個實施例的沿圖3的線6-6截取的剖視圖；
[0025]圖6A是離心泵的入口區域的一個實施例的放大視圖；
[0026]圖7是示出泵送氣態流體的示例性方法的流程圖。
[0027]雖然本發明能容許各種改進型和替代形式，但其具體實施例通過例子的方式在圖中被示出並且在這裡可以被詳細地描述。附圖可以不按比例。然而，應當理解，在這裡被描述的並且在圖中被描繪的實施例不意圖將本發明限制到公開的特定形式，而是相反，本發明將涵蓋落在如所附權利要求限定的本發明的精神和範圍內的所有改進型、等同物和替代物。
【具體實施方式】
[0028]現在將描述用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。在以下示例性描述中，闡述許多具體細節以便提供本發明的實施例的更徹底的理解。然而，對於本領域技術人員來說將顯然的是，可以實施本發明而不包括這裡描述的具體細節的所有方面。在其它情況中，本領域技術人員熟知的具體的特徵、量或度量沒有被詳細描述以便不模糊本發明。讀者應當注意，雖然這裡闡述本發明的例子，權利要求和任何等同物的全範圍用於限定本發明的界限。
[0029]如本說明書和所述權利要求中使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」包括複數所指對象，除非上下文另外清楚地規定。因此，例如，所提及的葉片包括一個或更多個葉片。
[0030]「聯接」指的是一個或更多個物體或部件之間的直接連接或間接連接(例如，至少一個中間連接)。短語「直接連接」意指物體或部件之間的直接連接。
[0031]葉輪的「底」或「下」側指的是葉輪的大致下遊側。
[0032]葉輪的「頂」或「上」側指的是葉輪的大致上遊側。
[0033]「下遊」指的是當離心泵處於操作中時與流體的主要流動基本上一致的方向。
[0034]「上遊」指的是當離心泵處於操作中時與流體的主要流動基本上相反的方向。
[0035]本發明的一個或更多個實施例提供一種用於電動潛水泵應用的用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。雖然按照油或水生產實施例描述了本發明，但這裡不意圖將本發明限制到那個實施例。
[0036]這裡公開的本發明包括用來泵送氣態流體的設備、系統和方法。在一些實施例中，在進入到泵組件中之後，帶有氣體的流體可以被包括半開式葉輪的離心泵旋轉。在一些實施例中，半開式葉輪包括僅僅單個護罩，該護罩徑向地布置在轂周圍。在一些實施例中，可以圓周地布置在轂周圍的被截斷的葉片和未被截斷的葉片可以從單個護罩基本上向上遊延伸。在一些實施例中，被截斷的葉片可以位於從葉輪的底側開始的兩個未被截斷的葉片之間的中間節距部位。在某些實施例中，葉輪可以包括繞轂交替布置的被截斷的和未被截斷的葉片，每一種葉片均為兩個、三個或四個。在一些實施例中，葉輪可以包括增大的入口區域。在一些實施例中，在葉輪和擴散器之間可能存在增大的間隙，流體可以流過該間隙。通過減小葉輪葉片的壓力側和抽吸側之間的壓力差，本發明的特徵可以最小化流體的相分離。這可以均勻化流體中的液體和氣體，提高了泵的效率和性能，防止氣鎖並且減少生產井的停工時間。
[0037]在一些實施例中，本公開的葉片被布置成使得存在比常規葉輪設計中更大的葉輪入口區域。具體地，未被截斷的葉片的數量的減小和添加本公開的一個或更多個被截斷的葉片在葉輪的入口區域中提供另外的打開空間。說明性實施例的葉輪的入口區域的尺寸是常規葉輪的入口區域的尺寸的大約1.75倍至2.5倍之間。另外的打開空間可以減小穿過葉輪的流體的速度，這有助於在葉輪入口維持高的正壓力。與常規葉輪相比，本公開的葉輪能夠在較高的抽吸比速度下操作。在一些實施例中，本公開的葉輪可以在大約8000到大約1200抽吸比速度下操作。
[0038]本發明包括用於電動潛水泵(ESP)系統的離心泵。圖3示出用於本發明的系統的示例性ESP組件的一個實施例。在操作期間，這個組件可以位於地下井中。在圖3中，說明性實施例的離心泵包括ESP進料泵200，該ESP進料泵位於ESP進口 210的下遊。如圖3中所示，流體通過ESP進口 210上的流體進口 215進入ESP組件。ESP進料泵200可以在流體進入ESP主泵220之前均勻化流體。
[0039]在一些實施例中，氣體分離器(未示出)可以位於ESP進口 210和ESP進料泵200之間以在流體進入ESP主泵220之前減小流體的氣體含量。當使用時，氣體分離器可以是ESP泵系統的進口表面。在某些實施例中，本公開的離心泵消除對氣體分離器的需要。在一些實施例中，說明性實施例的離心泵可以結合氣體分離器使用。
[0040]ESP主泵220和生產管柱225在ESP進料泵200下遊。在一些實施例中，馬達引線延伸230可以在一個端部插入到ESP馬達250中並且可以疊接到另一較大電纜，該較大電纜延伸井身的長度到達井場的表面上的接線盒和/控制面板。生產管柱225可以是管道，該管道用來使產生的井流體從貯器流向表面。ESP密封件240位於ESP馬達250和ESP進口 210之間並且可以保護ESP馬達250免受井產流體的影響。
[0041]圖4A和4B示出說明性實施例的半開式葉輪的一個示例性實施例的透視圖。葉輪30可以包括徑向地布置在轂310周圍的單個護罩300。被截斷的葉片320和未被截斷的葉片330可以基本上在單個護罩300的上遊延伸。在一些實施例中，被截斷的葉片320位於從葉輪30的底側開始的兩個未被截斷的葉片330之間的中間節距部位。在某些實施例中，被截斷的葉片320與未被截斷的葉片330交替，該葉片320、330沿圓周布置在轂310周圍。在一些實施例中，存在布置在轂310周圍的被截斷的葉片320和未被截斷的葉片330，每一種葉片均為兩個、三個或四個。也可以使用更大或更小數量的葉片320、330。在某些實施例中，被截斷的葉片320的數量不同於未被截斷的葉片330的數量和/或葉片320、330可以不嚴格地交替。在圖4B中，平衡孔340也被示出在葉輪30上並且幫助平衡葉輪30的每一側上的壓力。在一些實施例中，葉輪30可以在大約8000到大約12000抽吸比速度下操作。在一些實施例中，被截斷的葉片320可以提高泵的頭部流動的性能和效率，並且維持高的淨正抽吸壓力，而不犧牲抽吸性能。
[0042]圖5是用於離心泵的葉輪的一個說明性實施例的沿圖3的線5-5截取的部分剖視圖。圖5示出單個護罩300的一個實施例和布置在葉輪30的轂310周圍的葉片320、330的布置。在一些實施例中，被截斷的葉片320是未被截斷的葉片330的弦長的大約50%至75% (如根據轂310判斷並且從單個護罩300的外周邊延伸)。在某些實施例中，被截斷的葉片320可以更短或更長，但在弦長上總是短於未被截斷的葉片330。在一些實施例中，說明性實施例的離心泵可以包括諸如襯套560和帶凸緣的套管570 (在圖6中被示出)的耐磨鑲邊，以在固體也存在於產生的井產流體中的情況下延長離心泵的壽命。
[0043]在一些實施例中，葉片320、330的布置產生的葉輪30的入口區域610的尺寸在常規葉輪的入口區域的尺寸的大約1.75至大約2.5倍之間。在圖6A中示出入口區域610的一個實施例。如圖6A中所示，入口區域610的尺寸可以使用以下公式被計算:
[0044]入口面積=2 RH-B
[0045]其中R是從中心線640測量的平均入口半徑620，H是入口葉片高度630並且B是
葉片阻塞係數。葉片阻塞係數可以如下被計算:
[0046]
【權利要求】
1.一種用於電動潛水泵組件的葉輪，所述葉輪包括增大的入口區域。
2.根據權利要求1所述的葉輪，其中，所述增大的入口區域是常規葉輪的入口區域的大約1.75倍至大約2.5倍之間。
3.根據權利要求1所述的葉輪，還包括位於葉輪的底側上的單個護罩。
4.根據權利要求3所述的葉輪，其中，所述單個護罩在轂周圍沿徑向延伸。
5.根據權利要求3所述的葉輪，還包括基本上在所述單個護罩上遊延伸的至少兩個未被截斷的葉片和基本上在所述單個護罩上遊延伸的至少兩個被截斷的葉片，其中每一個被截斷的葉片位於從所述葉輪的底側開始的、未被截斷的葉片之間的中間節距部位。
6.根據權利要求5所述的葉輪，其中，所述被截斷的葉片在所述未被截斷的葉片的弦長的大約50%至大約75%之間。
7.根據權利要求5所述的葉輪，其中，所述被截斷的葉片未被分開。
8.根據權利要求5所述的葉輪，包括三個被截斷的葉片和三個未被截斷的葉片。
9.根據權利要求5所述的葉輪，包括兩個被截斷的葉片和兩個未被截斷的葉片。
10.根據權利要求5所述的葉輪，包括四個被截斷的葉片和四個未被截斷的葉片。
11.根據權利要求1所述的葉輪，還包括在葉輪和擴散器之間的增大的間隙。
12.根據權利要求11所述的葉輪，其中，所述增大的間隙的寬度在大約0.060英寸至大約0.180英寸之間。·
13.根據權利要求1所述的葉輪，其中，葉輪構造成在大約8000到大約12000抽吸比速度下操作。
14.一種離心泵，所述離心泵包括: 擴散器內部的葉輪，所述葉輪包括頂側和底側，所述頂側朝所述擴散器打開，並且其中所述葉輪還包括: 位於所述葉輪的底側上並且徑向地布置在轂周圍的單個護罩； 基本上在所述單個護罩上遊延伸的未被截斷的葉片；和 基本上在所述單個護罩上遊延伸的被截斷的葉片；和 位於所述葉輪和所述擴散器之間的增大的間隙。
15.根據權利要求14所述的離心泵，其中，存在至少兩個未被截斷的葉片，並且其中所述被截斷的葉片位於所述至少兩個未被截斷的葉片之間的中間節距部位。
16.根據權利要求15所述的離心泵，其中，存在三個未被截斷的葉片和三個被截斷的葉片，並且其中每一個被截斷的葉片位於所述未被截斷的葉片之間的中間節距部位。
17.根據權利要求14所述的離心泵，其中，所述增大的間隙的寬度在大約0.060英寸至大約0.180英寸之間。
18.根據權利要求14所述的離心泵，其中，所述被截斷的葉片在所述未被截斷的葉片的弦長的大約50%至大約75%之間。
19.根據權利要求14所述的離心泵，還包括直接位於所述轂的上遊的襯套和帶凸緣的套管。
20.根據權利要求14所述的離心泵，還包括直接位於所述轂的下遊的襯套和帶凸緣的套管。
21.根據權利要求14所述的離心泵，還包括:第一襯套和第一帶凸緣的套管，其中所述第一襯套和所述第一帶凸緣的套管直接位於所述轂的上遊；和第二襯套和第二帶凸緣的套管，其中所述第二襯套和第二帶凸緣的套管直接位於所述轂的下遊。
22.根據權利要求21所述的離心泵，其中，所述襯套和帶凸緣的套管包括碳化鎢。
23.一種用來泵送氣態流體的方法，所述方法包括: 將離心泵布置到包含氣態流體的井中； 操作所述泵以引起所述流體流向所述井的表面； 使所述流體的至少一部分流過葉輪和擴散器之間的增大的間隙；和 通過減小葉輪葉片的壓力側和抽吸側之間的壓力差，最小化所述流體的相分離。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，通過增大所述葉輪的入口區域來使所述壓力差減小。
25.根據權利要求24所述的 方法，其中，通過用被截斷的葉片替代所述葉輪葉片增大所述入口區域。
26.根據權利要求25所述的方法，其中，所述葉輪包括至少兩個未被截斷的葉片，並且其中所述被截斷的葉片被布置在從所述葉輪的底側開始的、所述至少兩個未被截斷的葉片之間的中間節距部位。
27.根據權利要求23所述的方法，還包括以下步驟:藉助直接位於所述葉輪上遊的帶凸緣的套管和襯套來承載所述離心泵上的軸向推力的至少一部分。
【文檔編號】F04D29/24GK103573673SQ201310136481
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年4月19日 優先權日:2012年7月25日
【發明者】S·賈亞拉姆, S·K·特策拉夫 申請人:顛峰Esp有限責任公司