[发明专利]多级泵组件和将流体从第一位置泵送到第二位置的方法

说明书

技术领域

本发明涉及特别是用于在诸如油气井的井中使用的多级旋转螺杆泵组件。

背景技术

在油气生产行业中，有时使用泵来协助从井中产生流体是合乎需要的。例如，在旧井周围的地层中的压力可能不足以将地层流体提升到表面。在另一种情形中，可将重流体引入到井中，以使地层流体停止在井中向上流动。为了使井恢复生产，必须使用泵来从井中提升“压井”重流体。

诸如双螺杆泵或三螺杆泵的旋转螺杆泵是正移位泵，其使用旋转螺杆来对流体加压。旋转螺杆泵因其泵送多相流体的能力而闻名。

另外，已知为了产生高压差，可对泵构造多个泵送级。总的泵压差是单独的级压差的总和。类似地，可对压缩机构造多个压缩机级，以便在气体中产生高压。多级泵一般具有扫过体积相等的泵送级，然而多级压缩机一般具有扫过体积减小的压缩级。扫过体积表示在例如多个螺杆泵的情况下，在螺杆完整地旋转一次期间从级排出口排出的流体的体积。多级泵和多级压缩机之间存在区别，这是因为液体是几乎不可压缩的，然而气体是可压缩的。

在US 6413065中公开了一种多级双螺杆泵。该文献提出了多级井下泵，其具有串联连接的多个双螺杆泵送模块。

US 7093665公开了另一种井下多级双螺杆泵。该文献讨论了关于US 6413065中描述的泵组件的问题。据说，在流体中的液体含量低，气体含量高的情况下，存在的液体量不足以有效地密封螺杆螺纹和转子壳体之间的间隙。因此，泵无法保持横跨泵的压差，并且泵损失效率。

接着，US 7093665公开了一种使诸如US 6413065中描述的井下泵的井下泵适合在气体含量高的井中使用的方法。在一个实施例中，提供液阱和补充液体通道，以捕捉多级双螺杆泵的出口附近的液体的一部分，并且使其回到多级双螺杆泵的进口。照这样，可加强双重泵送螺杆周围的液体密封。

在我们的未决的国际专利申请WO 2010/092320中还描述了一种多级泵组件。在该组件中，提供了多个构件，其包括多个预组装泵模块，该多个预组装泵模块包括至少一个双螺杆泵模块。还提供了用于容纳构件的伸长套管，以及可与伸长套管的一部分附连或接合的固定器件。固定器件能够操作来将构件不动地固持在套管内。

这些泵布置未解决当使用该类型的泵在多相流体中产生高压(这在油气井泵送应用中通常是合乎需要的)时引起的又一个问题。由于气体的可压缩性，流体从多级泵组件中的一个泵级输送到随后的泵级所处的速率小于随后的泵试图将流体抽吸到其进口中所处的速率。因此，最后的泵级开始“吸”前面的泵级，并且横跨最后的泵级的压差增大。实际上，横跨泵级的压差从第一泵到最后的泵增大。

在泵的最后一级中发生高比例的压力生产。因此，泵的该区域可变得极其热，从而缩小运行间隙，并且有卡住的风险。因此，当泵送流体中的气体百分比高时，多级旋转螺杆泵变得效率非常低。

现有技术的泵不解决该问题，并且因此可遭受当泵送流体为多相流体时，最后的泵级执行功中的大部分所引起的过热和卡住的问题。

多级泵可设计得更像压缩机，其级的扫过体积逐渐减少。这种多级泵将针对特定的气体-液体比来修整其级。为了说明这一点，考虑在100℃下产生流体且具有以下成分的油井：

油：2000 bbls/天(318 m³/天)

水：2000 bbls/天(318 m³/天)

气体：1000 bbls/天(159 m³/天)。

考虑四级泵组件，其具有以下压力要求：

进口压力：1000 psig(6.89 MPa)

排出口压力：3000 psig(20.7 MPa)。

为了在泵组件的四个级之间分摊功，各个级将必须对流体加压500 psig(3.45 MPa)(忽略液压马力的流体收缩作用)。为此，多级泵将必须具有扫过体积为下者的级：

级1

总进口体积：5000 bbls/天(795 m³/天)

假设通过泵有可忽略的温升，液体是不可压缩的，并且气体相当于理想气体。因此，对于气体分数：

进口压力=1000 psig(6.89 MPa)=1014.7 psia(7.00 MPa绝对压力)

进入气体体积=1000 bbls/天(159 m³/天)

排出口压力=1500 psig(10.3 MPa)=1514.7 psia(10.4 MPa绝对压力)，