[发明专利]螺旋式泵或马达

说明书

本发明涉及流体泵和马达的领域。更具体地，本发明涉及泵组件，或在反向操作方式下的马达，其具有用于在烃探测(hydrocarbon exploration)的领域中普遍地发现的高粘度和/或多相流体的特别应用。

当探测烃时，经常需要向流体提供人工提升，例如当从油床抽出油时，当油藏的压力不足以把油带至地表时，可能需要的是采用泵的辅助。多种泵设计是本领域中已知的并且所采用的最普遍的类型的简要概述在下文提供。

螺杆泵(PCP)或正排量泵作为在转子和定子之间形成的当转子被在定子内旋转时沿着泵前进的分立的空室的结果操作。这样的泵和它们的应用的实例可以在美国专利第US4,386,654号和第US5,097,902号中发现。

这些泵的容积容量是空室容积乘以这些空室以其沿着泵的长度前进的速率的直接函数。泵水力学遵循与应用于活塞泵的原理相似的原理。典型地，PCP的定子由使它们易受热、原油中的芳香族物质的损害的弹性体制造，并且也限制可以被施加的动力(由于废热生成等等)。PCP还较不适合于使用含有固体的气体或流体的操作。然而，已知的是，逆转PCP的操作，使得其可以作为马达操作。

离心泵通过多个叶轮以高速度的旋转来操作，从而向流体赋予很大的径向速度(动能)。流体被通过扩散器朝向旋转的毂或轴再导向回去，使得扩散器作用以把被叶轮产生的动能转化为势能(压力/压头)，同时把流体朝向中心轴线导向回去并且导向入下一个叶轮的入口中。这种过程可以在多级离心泵中重复。这样的泵和它们的应用的实例可以在美国专利第US7,094,016号和第US5,573,063号中发现。

由于离心机构的固有的设计，离心泵将把流体在同一个方向泵送，与叶轮的旋转的方向无关。离心泵易受气锁的损害。气锁在轮叶内具有高百分比的自由气体时发生，其使正在被泵送的流体的液体和气体分离，具有所导致的能量转移效率的降低。当足够的气体已经积聚时，泵进行气锁并且阻止进一步的流体运动。由于对于“离心”泵送液压机理是基本的弯路径和突然加速，离心泵还易受固体和侵蚀破坏的损害。

轴流泵或压缩泵的工作，以它们的最简单的形式，相似于轮船或飞行器上的推进器。在更精密的设计中，它们以与在现代飞行器涡轮风扇发动机的前部端部或感应端部处的风扇相似的方式被使用。通常，它们包括被容纳在具有实质上平滑的内表面的圆柱形壳体内的具有在其外表面上形成的一个或多个螺旋状轮叶或叶片的转子。作为这种设计的结果，这些泵经常被称为单螺旋线泵，并且这样的泵和它们的应用的实例可以在美国专利第US5,375,976号；第US5,163,827号；第US5,026,264号；第US4,997,352号；第US4,365,932号；第US2,106,600号；和第US1,624,466号；英国专利第GB2,239,675号和第GB804,289号；和法国专利第FR719,967号中发现。轴流泵或压缩泵的操作可以被逆转，从而允许其作为马达操作。

双螺旋线轴流泵或压缩泵与上文描述的轴流泵或压缩泵共有多个共同的特征。这些泵设计的主要差异是，除了转子具有被形成在其的外表面上的一个或多个螺旋状轮叶之外，定子还包括被形成在其的内表面上的互补的螺旋状轮叶。这样的泵和它们的应用的实例可以在美国专利第US5,275,238号和第US551,853号；德国专利公布第DE2,311,461号；和PCT公布第WO99/27256号中发现。

定子上的螺旋状轮叶的存在引入当与轴流泵或压缩泵相比时的多个操作的差异。在第一个例子中，双螺旋线轴流泵展示当与单螺旋线轴流泵相比时的改进的泵性能。作为双螺旋线布置的结果，在转子和定子之间可以容许比用于具有可比较的尺寸的单螺旋线轴流泵大的工作间隙。双螺旋线轴流泵还提供在它们的理论操作范围的前60％范围上更高的数量级的性能和效率，其中前60％(top60％)被定义为在任何具体的操作速度下流速范围的前60％。

通常需要在烃探测期间被人工地提升的流体经常在本质上具有高粘度或多相。多相流体是包含至少一个气相或一个液相或以下的成分中的两个或更多个的宽范围的混合物的流体：

(a)气相；

(b)液相；

(c)高度粘性相；

(d)蒸汽相；

(e)夹带的固体，例如砂、锈或有机沉积物(潜在地高至60％)。

气相可以是烃气和非烃杂质例如氮气和二氧化碳的混合物。

液相可以是正常的原油和水的混合物，水可以是采出水或由于其他的原因被引入井中的水。