[发明专利]泵

说明书

本发明涉及用于提升流体的泵，特别是用于包括液体相和气体相的多相流体。本发明尤其涉及用于碳氢化合物井中的井下作业用途的诸如电动潜水泵的泵。

在油气工业中，通常必须部署和操作在井下作业的泵以便帮助从井中的碳氢化合物生产。

来自这种井的碳氢化合物通常会是以多相流体的形式生产的，例如，包括一种或以上的液体，如水和/或原油，以及一种或以上的气体，如天然气的流体。

因而，优选地要被用来井下作业的泵应该能够：（ⅰ）可靠地处理多相流体；（ⅱ）产生足够的压力以将流体从深处含碳氢化合物的地层提升到地表面；以及（ⅲ）经受苛刻的井下作业环境并且在该环境中可靠地操作。

为了产生足够的压力以将流体从深处含碳氢化合物的地层提升到地表面，已知的是使用多级泵，即包含多个泵级或模块的泵组件或多个泵，这其中，通常地，第一泵级排入第二泵级的入口，其进而排入第三泵级，以此类推。

如果单个泵级能够以给定流速，比如说y升/小时，产生给定差压，比如说x psi，那么可以构造具有串联布置的两个泵级的泵，其能够以y升/小时的流速产生2x psi的差压。如果两个泵级并列布置，那么该泵将能够以2y升/小时的流速产生x psi的压差。

油井电动潜水泵使用这个原理产生极高差压，例如2000-3000 psi（13.8-20.7MPa），是已知的。这种泵可以包括串联布置的100或以上个泵级。

使用多级离心泵将流体从深处的含碳氢化合物的地层提升到地表面是已知的。离心泵的工作方式是通过重复地加速和减速流体来向被泵送的流体添加逐步的压力增加。当被用来泵送包含液体和气体的混合相流体时，作为液体与气体之间的密度明显差异的结果，液体在离心泵的第一级中被优先加速。由于流体中自由气体的比例增加，所以气体趋于累积在泵叶轮的毂中，从而导致泵失去原动力，称为“气锁”的情况。因而，离心泵不能完全适于使用在泵送混合相流体中。

其他已知泵类型包括柱塞型正排量泵和腔式泵。

柱塞型泵相似地受到包含在被泵送的流体中的自由气体的影响。在这种情况下，气体和液体会在泵筒内分离，这会导致当柱塞下降并且接触液体表面时的冲击载荷，称为“液面撞击”的情况。

腔式泵通常的工作方式是旋转在弹性体定子中的金属螺旋形转子，转子的动作导致分离的容积腔从泵入口前进到排出口。虽然这种泵的操作模式使它适于泵送液体和气体，但实际上气体趋于扩散到弹性体定子的基体中，从而导致它膨胀和变软。结果，转子可能由于降低的运行容差和增加的摩擦而趋于撕裂定子和/或过热。

已知双螺杆正排量泵可以可靠地被用来生产多相流体。构造双螺杆泵和这种泵的重要元件的方法对于本领域的技术人员来说是已知的。

通常，双螺杆泵可以包括单个对的互相啮合的转子，从而具有相对手旋的螺杆螺纹，并且在使用中转子沿着相对方向旋转。当流体被泵送通过该泵时该对转子所产生的推力可以由合适的止推轴承来承受。可替代地或附加地，双螺杆泵可以是推力平衡的，即它包括相对的两对互相啮合的转子，从而由一对转子产生的推力由相对的转子对的相等且相反的推力来平衡。

无论泵的构造如何，每对转子的螺杆必须被同步地旋转，通常通过使一个转子的轴通过齿轮连接到另一个转子的平行轴，以便互相啮合转子的面保持紧密间隙但不会撞击。通常，会需要一些轴向的轴调节部件来简化转子螺纹的起始部相对于彼此的对齐。

相对简单的螺杆机构已经被使用来调节在被计划使用在地面上的双螺杆泵中的轴对齐。然而，这种机构完全不适于井下作业泵或海底泵，因为这些泵通常极其难以接近以进行维护。因此，更优选的是当装配泵时，对齐和固定用于井下作业用途的双螺杆泵的转子和轴，以便在泵的服务寿命期间将不需要进一步的调节。

过去，已经生产的大多数双螺杆泵仅具有少量（通常仅一个）泵级；因此，它们总体上通常不能产生极高的差压，该压差对于提升在碳氢化合物井中的流体是必须的。

在更近的时间中，已经开发出一些多级双螺杆泵。

US5,779,451公开了一种泵，其包括具有内部转子罩的壳体，该罩具有入口和出口以及可操作地容纳在该罩中的多个转子。每个转子具有轴和附接到其上的多个向外延伸的螺纹，转子被成形为沿着每个转子的长度提供非一致的体积输送速率。在一个实施例中，转子具有通过无螺纹的非泵送腔分隔的多个带螺纹的泵送级。虽然是多级泵，但是壳体设计排除了它被用于井内水下。