专利名称：一种泵送流体的方法
技术领域：
本发明涉及泵送流体的方法，具体地，涉及从钻井中泵送流体的方法。
背景技术：
水、油和天然气通常从钻井中生产。钻井是通过在岩层中钻孔钻至储存流体的深度而形成。钻孔后将井筒插入孔中。如果井中有天然气，由于天然气的自然浮力很容易将其回收，而大多数情况下水和油必须泵送到地面。
采用各种类型的泵送系统从钻井中生产流体。这些系统包括抽吸杆系统、柱塞提升系统、连续或间歇举气系统、液压往复泵、螺杆泵和电潜水泵(ESP)。电潜水泵带有用来驱动潜水泵的电动机，其中流体在潜水泵的作用下从储存处流到地面上。
电潜水泵通常工作在环境条件很恶劣的很深的井下，远距离进行操作。使用电潜水泵的一个难题是有效散热。电动机工作时绕组电阻产生大量废热，机械摩擦和流体摩擦也产生大量废热。如果不能将废热充分除去，电动机温度会显著上升。电动机温度的升高将引起很多问题。电动机使用寿命会由于温度升高而大大缩短。电动机绕组的绝缘、支承、密封和润滑也都会受到高温的不利影响。因此，不得不经常将电潜水泵从钻井中取出进行更换或修理电动机。尤其是在油市场中，这将导致很高的维修费用并因停产而造成非常大的经济损失。或者，为了使电动机温度保持在合理范围内，有时不得不降低产量，或使用超大或额外的设备，从而降低了油井的效率和效益。当使用额外的设备如气体分离器或辅助密封时，由于温度上升和需要增加马力也会使电效率降低。这将增大能源成本，因为完成一定的工作量必须有更多的电力。
有时这一问题还会因特定的井下条件和操作人员的选择而变得更加严重。井下条件如高气体含量、生产的流体的高粘性、乳状液的形成、低流速、多相流、蒸汽喷出量、偏斜和水平井、井深增大等以及其它因素都会使电动机温度升高。其中有一些条件使操作人员很难适当地选择和操作井下电潜水泵。
生产的流体通常可带走一些废热而提供某种程度的温度控制。在传统的电潜水泵装置中，抽取或泵送的生产的流体通过电动机带走一些热量。这一效果在图1和1A中示出，图中分别显示了传统的电潜水泵和所谓的“倒置电潜水泵”泵送系统。在图1中，钻井1带有套筒2，生产的流体通过套筒2的孔7进入钻井中。电潜水泵系统包括泵3、电动机4和密封部分5。生产的流体在低于或靠近电动机4底部的位置进入钻井，沿箭头8的方向经过电动机4，然后在泵吸入口6进入泵3。生产的流体在泵3的作用下离开泵3的顶部向上流动，然后沿箭头9的方向流动到地面上。电缆10从地表提供电力给电动机4。如图所示，封隔器16可以用于该装置中。
在图1A所示的“倒置电潜水泵”系统中，泵和电动机的相对位置是倒过来的。钻井11与前面一样带有套筒12和孔17。生产的流体沿箭头18所示方向进入泵入口22。生产的流体在泵13的作用下离开出口21向上流动，然后沿箭头19所示方向向上流经密封部分15和电动机14。如前所述，电缆20从地面提供电力。在这种装置中同样有封隔器16。
在图1和1A所示的系统中，生产的流体流经电动机时带走一些热量。然而，所带走的热量往往不足以使电动机性能和使用寿命优化。因此，操作人员尝试用各种方法来提高电动机性能和使用寿命。一种方法是在电动机中使用特殊的耐高温绕组，这样就能更好地耐受高温。然而，这种方法不能降低轴承、密封和润滑方面的热量，而且还会大大增加电动机成本。另外，在高温下运行使设备更容易生锈和腐蚀，从而降低电效率。另一种方法是在电动机周围增加一个管罩来增大流体速度。除了设置在流体不流经电动机外壳的装置中，否则管罩不会显著改变流动特性(层流或紊流)，其价格十分高，而且很难或不可能安装在偏斜井和小孔井中。
使用电潜水泵来提高产量的另一种方法在刊登在“J.of Petrol.Thechn.”1997年7月第742页的文章“在孔下面操作的电潜水泵”，和Sison刊登在2000年2月28日该杂志的文章“在电潜水泵中使用电动机冷却旁路系统以提高气井的开采期限”中进行了介绍。在这些方法中，电潜水泵系统安装在钻井的孔的下面。生产的流体进入钻井和泵吸入口不与电动机流体接触。由于没有对流冷却，必须将生产的流体的一部分从泵中抽出并向下循环到电动机底部释放，以带走热量。这通常要求使用另一个循环泵和专门的再循环管道，因此十分复杂、昂贵，而且效率较低。另外还很难使足够多的流体有效地进行再循环以提供足够的散热作用。另一种方法是所谓的Framco电潜水泵系统，其也涉及使冷却流体从井口循环通过电动机。这在1990年4月30日到5月2日德克萨斯州休斯顿电潜水泵研讨会上由Jon A.Svaeren和Frank Mohn提出的“Framco电潜水泵系统井下电潜水泵送的新方法”一文中作了介绍。同样，这种系统的复杂程度和费用开支也不能符合要求。
在授予Hartman的美国专利No.5,951,262和6,000,915中介绍了另一种方法。哈特曼的专利介绍了带有空心转子轴的泵用电动机，可驱动独立泵送单元。泵送单元与空心转子轴流体相通，使生产的流体通过电动机的空心转子轴泵送，从而对电动机内部起到冷却作用并使电动机能够更加有效地工作。
因此，迫切需要有一种改进的电潜水泵系统，尤其是能够更加有效地带走电动机的热量，且不会增加额外元件的费用或不必要性能的电潜水泵系统。
许多钻井涉及的另一个问题是液体和气体的分离。这一问题通常发生在生产天然气和石油的钻井中。如果在液体进入泵吸入口之前能够顺利地将气体和液体分开，就可以避免因泵送气体/液体混合物而引起的效率低下问题。因此，要求提供这样一种方法，使得气液态流体能够在液态流体进入泵送系统之前顺利和经济地分离。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统泵送流体的方法，其中，所述电动机带有空心转子轴，所述泵送系统可泵送至少一部分所述流体通过所述空心转子轴，且至少有一部分所述流体以流体接触方式通过电动机外部，从电动机带走热量。
根据本发明的第二方面，提供了一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统泵送流体的方法，其中(a)所述电动机带有空心转子轴，而所述泵送系统可通过所述空心转子轴泵送流体，和(b)泵送系统潜下流体中，使得进入泵送系统的生产的流体在进入流体吸入口之前以流体接触方式通过电动机外部而带走热量，接着所述生产的流体穿过电动机的空心转子轴泵送，从电动机带走更多的热量。
根据本发明的第三方面，提供了一种从带套筒的钻井泵送流体的方法，生产的流体通过套筒的孔进入钻井，该方法包括以下步骤(a)将包括电动机的电潜水泵送系统放置到套筒内，使得电动机位于至少一些孔处或以下，和(b)泵送系统从钻井中泵送生产的流体，其中，(i)泵送系统包括泵、带有空心转子轴的电动机和位于电动机以下的流体吸入口，所述泵送系统可通过所述电动机的空心转子轴泵送生产的流体，
(ii)通过井筒的至少一些孔进入钻井的液态流体在进入流体吸入口之前以流体接触方式通过电动机的外部而带走热量，和(iii)生产的液态流体穿过电动机的空心转子轴向井口移动，从而带走更多的电动机热量。
根据本发明的第四方面，提供了一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统泵送流体的方法，其中，(a)电动机带有空心转子轴，而泵送系统带有在电动机下面并与所述空心转子轴液体相通的流体吸入口；(b)泵送系统带有位于所述电动机处或以下的至少一个出口，所述出口与流体吸入口液体相通；(c)泵送系统潜下带井筒的钻井中；(d)电动机的横断面可使电动机能够安装在井筒中并在井筒和电动机外表面之间形成空隙；和所述泵送系统在工作时，进入流体吸入口的一部分流体通过空心转子轴泵送，而进入流体吸入口的另一部分流体经由所述出口泵出，并向上以流体接触方式通过位于井筒和电动机外表面之间空隙中的电动机的外侧。
根据本发明的第五方面，提供了一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统从带有井口和井筒的钻井泵送流体的方法，该方法包括以下步骤(I)将泵送系统放置到钻井中，使泵位于电动机和井口之间；其中，(a)电动机带有与泵液体相通的空心转子轴；(b)电动机的横断面可使电动机能够安装在井筒中，并在井筒和电动机之间形成空隙；(c)泵送系统带有与所述空心转子轴液体相通的第一流体吸入口；(d)泵送系统带有在电动机以上的第二流体吸入口，该第二流体吸入口与井筒和电动机之间形成的空隙液体相通，至少有一个出口位于电动机处或以下，所述出口与流体吸入口液体相通；和(II)使所述泵送系统在这样条件下工作，流体的第一部分进入所述第一流体吸入口并通过电动机的空心转子轴泵送，而流体的第二部分通过井筒和电动机之间形成的空隙泵送，并以流体接触的方式流经电动机外部而进入第二流体吸入口，然后将流体的所述第一和第二部分泵送到井口。
本发明这些方面的方法具有一些显著的优点。以层流或紊流流动的生产流体以流体接触方式通过电动机外部能够提供散热效果。在产气井中，由于电潜水泵在孔下面工作而增大的流动速率会在电动机外壳和井筒之间的环形空间中形成紊流而显著提高热传导效率。当生产的流体穿过空心转子轴时还可以提供额外的冷却效果。因此，在本发明中生产的流体两次用于散热，一次是通过电动机外侧时，另一次是穿过空心转子轴时。这种综合冷却效果有助于使电动机保持在最佳的或所要求的温度范围内。这可以延长电动机的使用寿命并减少维护成本和其它因电动机过早发生故障而引起的费用。使得操作人员能够在不升高温度的情况下通过增大现有设备的功率来提高产量。如果将泵和/或空心转子轴设计成在生产的流体穿过空心转子轴时形成紊流，可以进一步提高冷却效果。井中流体通过电动机外侧和穿过电动机空心转子轴的综合冷却效果提供了如延长电动机使用寿命、提高功率密度和/或增大电效率这样的优点。而且通常提供组合的优点。
令人惊讶的是，虽然生产的流体在穿过电动机的空心转子轴时被迫通过直径减小的区域，但是仍能实现这些优点。因为这么做必须有更多的能量，一般来说会提高生产成本和使温度额外上升。出乎意料的是，已经发现通过带走更多的热量可以显著消除这一缺点，带走更多的热量是通过使生产的流体以流体接触方式通过电动机外部和穿过电动机的空心转子轴来实现的。
根据本发明的第六方面，提供了一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统泵送流体的方法，其中，泵送系统潜下所述流体中，使得进入泵送系统的生产流体在进入流体吸入口之前以流体接触方式通过电动机外部而带走热量，电动机的外部或环绕的管罩的内部带有涡流发生器，可使以流体接触方式通过电动机外部的生产流体产生顺流方向的旋涡。本发明的这方面提供了可极大提高电动机散热效率的非常经济的方法。本发明的这一方面可以结合到本发明的第一和第二方面。
根据本发明的第七方面，提供了一种提供原动力的机构，该机构包括(I)动力单元，包括(a)带有外壁的壳体；(b)具有纵轴线和两端的空心转子轴，该空心转子轴可转动地安装在所述壳体中而能绕其纵轴线相对于壳体转动；和(c)安装在所述壳体的驱动系统，该驱动系统与空心转子轴相连可使空心转子轴相对于壳体转动，其中，该驱动系统包括若干个安装在壳体并位于空心转子轴周围的磁铁，这些磁铁产生使空心转子轴相对于壳体转动的磁力；和(II)位于动力单元以下的泵送单元，其中，(i)该泵送单元包括与动力单元的空心转子轴流体相通的纵向空心驱动轴，当空心转子轴转动时，空心驱动轴绕其纵轴线转动；(ii)空心驱动轴带有紧靠其底部的轴入口，使流体能够泵入空心驱动轴中；(iii)空心驱动轴的外表面安装有至少一个叶轮，使得当空心驱动轴转动时，安装在空心驱动轴上的叶轮向下泵送流体至空心驱动轴的入口；和(iv)泵送单元带有紧靠其顶部的流体吸入口，流体通过流体吸入口进入泵送单元中；流体吸入口、空心驱动轴、转轴入口和叶轮设置成，当空心驱动轴绕其纵轴线转动时，流体通过所述流体吸入口进入泵送单元，在泵送单元中向下移动到空心驱动轴的轴入口，然后穿过泵送单元的空心驱动轴和动力单元的空心转子轴。
根据本发明的第八方面，提供了一种从井中取出气液态流体混合物的方法，所述气液态流体混合物在至少一个位置进入钻井，该方法包括以下步骤(I)将泵送系统放置到井中，使泵送系统位于气液态流体混合物进入钻井位置的上方，其中，(a)该泵送系统包括至少一动力单元、至少一泵送单元和至少一个吸入口，流体通过所述吸入口泵入泵送系统中；(b)动力单元包括带有空心转子轴的电动机，空心转子轴与所述吸入口流体相通，且泵送系统能够将进入吸入口的流体通过动力单元的空心转子轴泵送；(c)动力单元和泵送单元的直径小于钻井的直径；(d)吸入口位于泵送系统的至少一部分以下，且吸入口的直径至少小于其上面的泵送系统一部分的直径；(e)吸入口设置成由泵送系统泵送的液态流体能够向下流经吸入口的一部分而进入泵送系统；和(II)操作泵送系统，使(i)气态流体和液态流体在靠近吸入口的位置分离，该位置处于吸入口上面的泵送系统一部分的下面，(ii)气态流体绕过泵送系统上升到钻井的表面，和(iii)液态流体向上泵送至吸入口，接着向下流经吸入口的一部分，然后通过电动机的空心转子轴离开钻井。
图1是两种传统电潜水泵系统的示意图；图2和2A是本发明实施例的剖视图；图3和3A示出了本发明优选的带有涡流发生器的电动机实施例的示意图和细部图；图4到6是根据本发明各方面的实施例的剖视图。
具体实施例方式
在本发明中，使用潜水泵送系统来泵送流体。该系统包括泵和电动机。电动机带有空心转子轴，而所述泵送系统通过所述空心转子轴泵送所述流体。生产的流体还可提供外部冷却。在某些实施例中，泵送系统潜下流体中，使得进入泵送系统的生产的流体在进入生产的流体吸入口之前以流体接触方式通过电动机外部而带走热量，接着所述生产的流体穿过电动机的空心转子轴泵送，从电动机带走更多的热量。流体的流动状态最好使得流体通过电动机外部时产生紊流并带有顺流方向的旋涡，而在穿过空心转子轴时形成紊流。在其它实施例中，生产的流体在泵送时被分开，一些通过空心转子轴泵送，而其余部分通过电动机的外表面泵送。
一般地，泵送系统安装在井中，或者还带有用来引导流体以流体接触方式通过电动机外部的机械装置。这种机械装置的实例是局部覆盖泵送系统的管罩，管罩在泵送系统的另一端带有与泵送流体相通的开口，生产的流体吸入口位于另一端。这种管罩使得流体能够以流体接触方式通过电动机的外部而进入生产的流体吸入口。管罩和电动机外部之间的空隙最好使流体在以流体接触方式通过电动机外部时能够产生紊流，而且不会损害钻井中的装置或造成严重的压头损失。可用涡流发生器替代管罩或另外设置涡流发生器，当生产的流体流经管罩和电动机外部之间的空隙时，涡流发生器使生产的流体产生顺流方向的涡流。
在本发明的优选实施例中，泵送系统安装在井中。钻井可以是竖直的、水平的、或所谓的“转向”型。钻井带有套筒，生产的流体通过套筒的孔进入钻井。泵送系统包括带有空心转子轴的电动机。泵送系统带有生产的流体吸入口，生产的流体通过生产的流体吸入口进入泵送系统。这些生产的流体吸入口位于所述电动机的下面(对于水平井来说，与井口相对)。泵送系统可通过电动机的空心转子轴来泵送所述生产的流体到达井口。
“生产的流体”是指任何从钻井中抽出的流体。这种流体的实例包括水、油、天然气和类似物质，其中液体尤其是油具有特殊的重要性。
“孔”只是指井筒的孔，生产的流体通过孔进入钻井中。这些孔的具体构造或形成方法对于本发明不是很重要。泵送系统位于套筒的至少一些孔的下面。因此，在重力和/或泵送系统的作用下，进入泵送系统以上那些孔的生产流体以流体接触方式通过电动机外部而进入流体吸入口。一般地，泵送系统应当在足够多孔的下面，使得有足够的生产流体通过电动机外部以提供冷却效果。最好至少一半的生产流体在进入流体吸入口之前通过电动机的外部。更可取的是，泵送系统位于几乎所有孔的下面，因而几乎所有生产的流体以流体接触方式通过电动机的外部。这样可以达到所需要的最大冷却效果。使泵送系统位于几乎所有孔的下面还有助于气液态流体在液态流体进入泵送系统之前进行分离。当井中产生气体和液体混合物时，这将提高生产率。使气体绕过泵可以避免各种相关的问题，比如因夹带气体而引起的气锁或低的泵送效率问题。由于气体具有比液体更低的热容量，所以使气体以这种方式绕过电动机可进一步提高热传导和电动机冷却效果。另外，由于这种泵送单元不需要传统系统中通常使用的安装在孔以上的超大型设备或气体分离器，所以不会显著增加电力消耗。
这种泵送系统包括电动机和由电动机驱动的潜水泵。电动机和泵可以具有整体结构(即共用一个外壳)，但通常最好是独立单元，这些独立单元当安装在钻井中时直接或间接地连接起来。
图2中示出了本发明方法的两个实施例。在图2中，井筒210沿井201的周边延伸，孔已经钻过生产性地下岩层440而钻入非生产性地下岩层441。生产层440含有要泵送到钻井顶部的生产流体。套筒210带有孔211，生产的流体通过孔211进入钻井并泵送到地面。
位于套筒210中的是包括电动机220和泵230的泵送系统。电动机220和泵230都位于孔211下面。以剖面示出的电动机220固定在生产管道250上。如果需要的话，生产管道250可以采取盘管的形式。以剖面形式示出的电动机220显示出空心转子轴221，当电动机220工作时空心转子轴221转动提供动力给泵230。生产的流体通过空心转子轴和生产管道250流向井口。空心转子轴221用某种机械方法直接或间接地连接到泵230上，当空心转子轴221转动时，泵230处于工作状态。如图所示，泵230的驱动轴直接与空心转子轴221相连，没有中间装置。然而，可能需要包括各种类型的中间装置，比如在电动机220和泵230之间的密封部分。电动机220通过何种方式固定在生产管道250和泵230上并不是关键性的；可以使用各种紧固件、联锁装置和类似机构。电力通过电缆或类似的机构(未示出)从井口提供给电动机。
吸入口260设置在泵230上。当启动泵送系统时，空心转子轴221基本上绕其纵轴线转动驱动泵230。生产的流体通过吸入口260进入泵230和泵送系统。空心转子轴221与生产管道250及泵230液体连通，因此在泵230的作用下流体穿过空心转子轴221向上流动，然后进入生产管道250，接着被输送到井口。
因为电动机220在孔211下面，所以进入钻井201的生产的流体在进入吸入口260之前流经电动机220表面时与其流体接触。这可以由单一的重力作用、泵230的泵送作用或这些作用的组合而引起。箭头290指出了生产的流体的流动方向。由于生产的流体朝吸入口移动时必须在井筒210和电动机220之间流过，所以电动机的直径略微小于井筒210的直径，从而形成可使生产的流体通过的环状通路。当生产的流体以流体接触方式通过电动机220外表部分时，可消除废热而起到冷却作用。
由于生产的流体接着又经由电动机220的空心转子轴221被泵出，所以可消除更多的废热而提供额外的冷却效果。图2中的实施例是所谓的“倒置”泵送系统，其中电动机在泵的上方。虽然电动机最好在泵的上面，但这对于本发明来说并不是关键性的，图2A中示出了电动机在泵下面的实施例。在图2A中，钻井201A带有套筒210A。泵送系统包括生产管道250A、泵230A、电动机220A和吸入口260A。电动机220A包括生产的流体通过的空心转子轴221A。如前所述，空心转子轴221A用机械方法连接到泵230A上，因此当电动机220A工作时，空心转子轴221A可使泵230A工作而将生产的流体通过空心转子轴221A泵入生产管道250A中并向上到达井口。在图2A所示的实施例中，生产的流体通过孔211A进入钻井，流过电动机220A的外表面，进入吸入口260A，通过空心转子轴221A向上流动并进入泵230A内，然后通过生产管道250A到达井口。电动机220A被生产的流体冷却了两次；一次在生产的流体以流体接触方式通过电动机220A的外表面时，还有一次在生产的流体穿过电动机220A的空心转子轴221A时。
在图4中，包括电动机402和泵411的泵送系统位于带有套筒401和孔415的井中。流体吸入口420位于电动机402和封隔器414的下面。在所示实施例中，流体吸入口420直接通向位于电动机402下面的泵411。不过，在这种潜水泵送系统中可以采用多个泵和多个电动机，只要吸入口位于至少一个带有空心转子轴的电动机的下面。
在所示优选实施例中，当电动机402工作时，电动机402的空心转子轴403绕其纵轴线转动。这可以通过将磁铁404固定到空心转子轴403上并将定子405安装在电动机402的外壳410上方便地实现。空心转子轴403直接或间接地连接到泵411的驱动轴412上，因此当空心转子轴403转动时，驱动轴412转动，从而将机械能传送给泵411。叶轮413固定在驱动轴412上，因此当驱动轴412转动时可提供动力给叶轮413。
图4中所示的实施例包括作为可选特征的推力轴承和密封圈416以及封隔器414。推力轴承和密封圈416将电动机402与泵411连接起来，并形成可防止生产的流体渗漏的密封。封隔器414有助于支承泵送系统的重量并可防止泵里面的带压流体向下流动到泵吸入口。这些部件在本技术领域中是已知的。
吸入口420与电动机402的空心转子轴403流体相通。在所示实施例中，流体沿箭头408指示的大致方向进入吸入口420而流经泵411。流体的第一部分沿箭头406指示的大致方向通过孔421进入空心转子轴403中并向上流动到达井口。流体的第二部分沿箭头407指示的大致方向通过孔417流到泵壳409的外面，然后在井筒401与电动机402的外壳410之间的空间内向上流动。
图4中所示的实施例使得电动机能够被生产的流体内部冷却(即，当流体穿过空心转子轴时)和外部冷却(即，当流体在电动机外表面和井筒之间通过时)，而不必使用管罩、使流体进行再循环、或是将泵送系统设置在井下的孔的下面。这避免了必须将井钻到孔的下面，即本发明的这一实施例不需要有“深孔(rathole)”来实现本发明的优点。这一实施例还可以避免将泵送系统暴露于孔下面经常存在的多砂结构中。
在图5中，泵送系统包括电动机502和泵511，位于带有套筒501和孔515的井中。如图所示，孔515最好位于泵吸入口517的上方，但是孔也可以与泵吸入口517同高或是位于泵吸入口517的下面。电动机502带有空心转子轴503。在所示优选实施例中，电动机502包括一驱动系统，该驱动系统由位于空心转子轴503周围的磁铁504和位于外壳510内面上的定子505构成。当工作时，空心转子轴503绕其纵轴线转动。
泵511包括与电动机502的空心转子轴503流体相通的空心驱动轴512。当电动机502工作使空心转子轴503绕其纵轴线转动时，泵511的空心驱动轴512同样也绕其自身的纵轴线转动。空心驱动轴512带有外(相对于转轴)叶轮513，当泵送系统工作时可泵送生产的流体。空心驱动轴512带有轴入口522，当泵送系统工作时流体通过轴入口522进入空心驱动轴512。泵511包括带有流体吸入口517的外壳509。流体吸入口517位于轴入口522的上面和孔515的下面。
工作时，生产的流体通过孔515进入井中，然后向下流过电动机外壳510的外表面进入吸入口517内。接着流体在叶轮513的作用下在泵511中向下流动，进入转轴入口522并通过泵511的空心驱动轴512向上流动，穿过电动机502的空心转子轴503，整个过程沿着箭头506表示的方向。
图5中所示的实施例包括可优先选用的推力轴承和密封圈516。在本发明中，流体在进入轴入口522之前通过泵511向下流动可降低泵511产生的向下压力。这反过来可以减轻由推力轴承和密封圈516承受的泵推力，从而延长其使用寿命并减少对维修的需要。而且，本发明的这方面使电动机的外面和里面都能够被生产的流体冷却。
在图6中，包括泵611和电动机602的泵送系统位于带有套筒601和孔615的井中，生产的流体通过孔615进入钻井。孔615位于泵送系统的下面。生产的流体是至少一种液体和至少一种气体的混合物。在本实施例中，吸入口620位于泵送系统其余部分的下面，不过一个或多个泵或电动机也可以位于吸入口的下面。吸入口620的直径D小于紧靠其上面的电动机602的直径D′(而且如图所示，也小于泵611的直径)。
电动机609带有空心转子轴603。在所示优选实施例中，电动机602包括一驱动系统，该驱动系统由位于空心转子轴603周围的磁铁604和位于外壳610内面上的定子605构成。当工作时，空心转子轴603绕其纵轴线转动。空心转子轴603与吸入口620流体相通。在所示实施例中，电动机602正好位于吸入口620上面，且空心转子轴603直接与吸入口620连通。不过，一个或多个泵也可以位于电动机602和吸入口620之间，只要空心转子轴603通过中间的泵与吸入口620间接流体相通就可以。
工作时，气液态流体的混合物通过孔615进入井中。这些流体沿箭头606所指方向向上移动到图6中数字622表示的涡流区中。涡流区622的产生部分由于吸入口620的直径小于电动机602的直径。在涡流区622中，液体和气体有效地分开。气体沿箭头608所指方向在套筒602与电动机602的外壳610及泵611的外壳609之间向上移动。液体进入吸入口620，向下流经吸入口620的一部分，接着进入空心转子轴603，然后被向上泵送到井口。图6中的箭头607指出了液体的流动方向。
本发明的这一方面很容易与本发明的其它方面如第五方面结合，以获得两者结合的优点。
在本发明的任何一个实施例中，泵送系统可以包括任何一种具体应用中所必需或要求的附件。比如，对于深孔井，常常在泵送系统中设有密封腔。如Brookbank在2000年4月26-28日休斯顿电潜水泵研讨会论文“倒置泵系统设计及应用”中所介绍的，这种密封部分还可以承受泵推力以及实现附加功能。如Brookbank所述，如果需要的话，可以将密封腔部分所实现的功能分到若干个装置上。在本发明中，密封腔部分或用来承受泵推力的其它装置最好是泵送系统的一部分。在所谓的“倒置”实施例中，用来承受泵推力的一些装置最好包括在泵或电动机中，或是作为一个独立装置位于泵的上面或下面。如果需要的话，密封部分可以位于泵送系统的上面，或者位于电动机和泵之间。位于电动机和泵之间的任何装置必须能够使动力通过该装置从电动机传递到泵上，因此生产的流体可穿过电动机的空心转子轴，如上面介绍的那样。
同样地，如砂裙(sand skirts)、封隔器、各种类型的连接器和类似装置可以结合在到泵送系统中或是与泵送系统一起使用。泵送系统可以带有防气穴装置，如起动灌注泵，以防止空心转子轴或泵中的流体产生气穴。这些装置对于泵在电动机上方的结构方式尤其有用。
在开采深孔井时，通常的做法是使用较短的独立部件构成的泵送系统。这种方法也可以用于本发明中。电动机、泵、吸入口、密封部分以及其它装置可以形成两个或更多个独立部分，这些部分连接在一起形成整个泵送系统。
各种电动机的设计都可用于本发明的泵送系统中，只要这种电动机带有空心转子轴，生产的流体流过空心转子轴以提供冷却作用；和/或涡流发生器，其设置在电动机与井筒或管罩之间的环形空间。感应电动机和无刷直流电动机是其中最适合的。在Hartman的美国专利No.5,951,262和6,000,915中介绍了这些适用电动机的类型，在此引用参考其内容。除了以下条件之外，并不需要对电动机进行特殊设计(1)电动机是潜水型的；(2)带有上述空心转子轴；(3)电动机的尺寸和形状适合装配在井筒中并使生产的流体能够以流体接触方式通过电动机的外表面。传统电动机如通常用于井下泵送系统的电动机也可以使用，只要设有可使泵送生产流体通过的空心转子轴。在最简单的情况下，电动机可以是任何一种带有纵向转子轴的潜水电动机，其中转子轴带有纵向孔。带有纵向转子轴的传统电动机在某些情况下只须通过在转子轴中钻孔而改造成空心转子轴就可以用于本发明中。
电动机可以是单件或串联结构。可以使用多个电动机，如果需要的话，泵可以布置在电动机的上面和下面。密封部分和其它部件可以安装在电动机和泵之间。
由于电动机将潜入生产的流体中，所以应使其适合于工作在这种条件下。电动机中最好含有可提供润滑作用的电动机流体，但电动机流体更重要的作用是阻止生产的流体进入电动机。电动机流体还可以含有各种钻井处理材料如防绣剂、乳化剂、防乳化剂、表面活性剂、水和类似的物质。可以将各种类型的密封件设置到电动机中以阻止生产的流体渗入电动机，而且如上面所提到的，密封腔部分可用来调适电动机流体的热膨胀并有助于电动机内部与外部之间的压力平衡。
在一种优选的电动机中，电动机流体相对电动机的空心转子轴处于正压状态并带有渗漏密封件，因此电动机流体缓慢地从电动机渗漏到生产的流体。可以从泵送系统中的储液器或者通过管子或毛细系统从井口输送新的电动机流体。通过将电动机流体保持在正压状态下，可以减少或避免电动机流体被生产流体置换，从而可延长电动机的使用寿命。与压力无关的流量调节控制阀如SkoFloTM或SubSeaTM阀门适合用来保持适当的正压并使新的润滑液流入电动机。
一种更为优选的电动机的外表面带有涡流发生器，或用管罩围起来，在内表面上设置涡流发生器。当生产的流体通过电动机外表面时，涡流发生器使生产的流体产生顺流方向的涡流。涡流发生器最好是固定装置，其形状和尺寸可使生产的流体在流经涡流发生器时产生旋涡。顺流方向的涡流可以大大提高从电动机外表面到生产流体的热传导，从而更进一步提高了本发明的优越性。
图3中示出了装有涡流发生器的电动机的一个实例。井300带有套筒310和孔311。井300的内径为D。每个直径都为d的电动机320和泵330布置在井中。电动机320固定在延伸到井口的生产管道350上。空心转子轴321用与图2相同方式连接电动机320和泵330。泵330带有吸入口360，生产的流体通过吸入口360进入泵送系统。在所示实施例中，生产的流体在孔311处进入钻井，流过电动机320的外表面，进入吸入口360内，穿过泵330，穿过电动机320的空心转子轴321，然后向上通过生产管道350到达井口，如箭头390所示。
在图3所示实施例中，电动机320的外表面带有涡流发生器。另一可选择的方式是将电动机320布置在内表面上带有涡流发生器的管罩中。在图3和3A的实施例中，涡流发生器采具有若干个翅片366的形式。翅片366相对于生产的流体的流动方向略微偏斜，且相邻翅片366向相反方向偏斜。因此，每一对翅片366构成沿流动方向变窄的通道。翅片366的尺寸和偏斜角足以在生产的流体流过翅片时，使生产的流体中产生顺流方向的涡流。
适当的偏斜角通常位于偏离生产流体流动方向±10-30度的范围内，且最好在10-20度的范围内。翅片366的适当尺寸在图3A中示出。在图3A中，电动机320和井筒310之间的间隙由(D-d)/2确定，其中D和d如上面所介绍。适当的翅片366从电动机320外表面向外延伸(或是从围绕电动机的管罩向内延伸)的距离为电动机和井筒之间间隙宽度的大约1/3-3/4，或者，当使用管罩时，延伸距离为电动机和管罩内表面之间间隙宽度的大约1/3-3/4。在图3A中显示了更加优选的间隙宽度的尺寸1/2。在图3A中，数字325表示电动机的外表面或围绕电动机的管罩内表面。如图3A所示，翅片366最好带有宽度沿流动方向增大的斜角，斜角宽度在向下1/3-3/4翅片长度处达到最大。不过，如果需要的话，翅片前缘399可以采取其它形状，包括在图3A中用轮廓线示出的那些形状。翅片的全长尽可能为所述间隙宽度的大约1至4倍，最好为大约1.5至3倍。在图3A中，翅片长度与间隙宽度相等。
在图3所示实施例中，使用两排翅片366。也可以使用一排或多排翅片。当使用多排翅片时，各排之间的距离最好为翅片间隙距离的大约10-30倍。不过，可以调整该距离以协调压力损失和热传导。
也可以使用其它适当的涡流发生器结构，如Paulie和Eaton在1988年8月的报告#MD51“嵌入紊流边界层的顺流旋涡的流体动力学和换热效应”中所介绍的那些涡流发生器。
对泵本身没有特殊的设计要求，除了要求可通过电动机的空心转子轴来泵送生产的流体。一般地，要选择泵设计的特点以符合具体应用。泵与电动机的空心转子轴液体相通，这可通过把泵和电动机制成一个单元或将泵结合到电动机来实现，如美国专利No.5,951,262和6,000,915中所介绍的，将泵设计成与电动机的空心转子轴紧密配合，或以其它某种方法使泵结合到电动机中。通过对泵出口(或入口)和电动机之间连接的设计，传统上用于电潜水泵的各种泵也是完全适用的，而且能够很容易地用于本发明中。可优先选用螺杆泵。泵可以是单件的或串接起来的。可以使用多个泵。如果需要的话，可以将独立的泵设在电动机的上面和下面。
本发明的方法可用于各种井，包括水井、油井和天然气井。这种泵送方法对于使用传统电潜水泵的井尤其有利，在这些钻井中，流经电动机外壳和井筒之间环形空间的任何生产的流体都是层流。这种类型的井的井下条件可包括高粘度生产流体、形成乳状液、低流动速率、多相流、偏斜和水平井、大型电动机和/或大直径井孔，尤其是石油业中的井。井操作人员可通过许多方式来利用增强的热传导和提高的电动机冷却效果。在使用相同电力的情况下，能够更加有效地冷却电动机，从而使工作温度更低。操作人员可以选择利用这种较低的工作温度来延长电动机的使用寿命。较低的温度还可以减小电阻，从而降低能耗。与此相反，操作人员也可以选择加大输送到电动机的电力，使电动机工作在与现有技术类似的高温下。这种情况下，操作人员选择了用高生产率来代替较长的电动机使用寿命，这种高生产率是由于使用了额外的电力而达到。
为了提高生产的流体流经电动机空心转子轴时的冷却效率，最好能够在空心转子轴中产生紊流。更可取的是，不光在空心电动机轴内有紊流，而且在电动机外壳和井筒之间的环状空间中有紊流或顺流方向的涡流，其中生产的流体流经所述环状空间时与电动机外表面接触。紊流可以用雷诺数(无量纲参数)来表示，雷诺数是流体平均流动速度、动粘滞度以及空心转子轴直径的函数。一般来说，雷诺数大约2300或更高表示有紊流。通过电动机空心转子轴的生产的流体的雷诺数最好至少为大约3000。雷诺数超过5000至10000就更好。
努塞尔特数是另一个测量热传导的无量纲参数。努塞尔特数是雷诺数、普兰托数、以及大流体和器壁处流体绝对粘度的函数。对于紊流来说，高努塞尔特数(超过10)表示对于给定温差具有高传热率。紊流越强，雷诺数和努塞尔特数越高。对于层流来说，低努塞尔特数(低于5)表示对流传热较差。当努塞尔特数至少为10，最好至少为50时，电动机与生产的流体可以有较好的热传导，而本发明的方法最好在能够达到这种努塞尔特数的条件下工作。
所选定的工作条件最好还能使布林克曼数(另一个无量纲参数)小于2，最好小于0.5。布林克曼数表示粘性流体中热传导的方向，是流体平均速度、流体绝对粘度、流体热传导率、以及流体与空心转子轴内壁之间温差的函数。当布林克曼数小于2时，热量将从热的电动机转移到较冷的生产流体中，而且流体摩擦不会给电动机增加额外的热量。当布林克曼数小于0.5时，粘性耗散效果可以忽略。
由于空心转子轴是电动机的传动轴，所以可以根据罗斯比数(另一个无量纲参数)来进一步描述工作条件。罗斯比数表示在空心转子轴中是旋流还是轴流起主导作用。所选定的工作条件应使罗斯比数至少为大约0.5，最好至少为大约1.0。罗斯比数是平均流动速度、流体角速度和空心转子轴内径的函数。
本发明的另一个优点是气态的生产流体在进入泵送系统之前能够与液体分离。由于气体的自然浮力，通过泵送系统上面的孔进入钻井的气体会直接向上移动到井口而不会流经泵送系统。液体将向下流动而进入泵送系统以输送到井口，液体中不会有大量夹带气体。因此，很容易使生产的气体与生产的液体分离。由于泵送系统所处理的气体较少，所以可以大大减轻泵送气液混合物所涉及的泵送问题和低效率问题。而且，由于不需要安装在孔以上的普通系统使用的大型设备或气体分离器，所以不会带来其它故障或功率损耗。
权利要求
1.一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统泵送流体的方法，其中，所述电动机带有空心转子轴，所述泵送系统可通过所述空心转子轴泵送至少一部分流体，在工作时至少一部分流体以流体接触方式通过所述电动机的外部，带走电动机的热量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵送系统潜下流体中，使生产的流体在进入所述泵送系统之前以流体接触方式通过所述电动机的外部而带走热量，接着生产的液态流体在泵送时穿过所述电动机的所述空心转子轴从所述电动机带走更多热量。
3.一种从带有套筒的钻井生产流体的方法，生产的流体通过所述套筒的孔进入所述钻井，所述方法包括以下步骤(a)将包括电动机的电潜水泵送系统放置到所述套筒内，使得所述电动机位于至少一些所述孔处或以下，和(b)用所述泵送系统从所述钻井中泵送生产的流体，其中，(1)所述泵送系统包括泵、带有空心转子轴的电动机和位于所述电动机以下的流体吸入口，所述泵送系统通过所述电动机的所述空心转子轴泵送所述生产的流体，(2)通过至少一些所述孔进入所述钻井的生产流体在进入所述流体吸入口之前以流体接触方式通过所述电动机的外部而带走热量，和(3)生产的流体穿过所述电动机的所述空心转子轴向井口移动时，从所述电动机带走更多的热量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述生产的流体在紊流的情况下穿过所述电动机的所述空心转子轴。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电动机位于所述井口和所述泵之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述套筒的所述孔进入所述钻井的生产流体以流体接触方式向下流过所述电动机的外部到达吸入口，接着穿过所述电动机的所述空心转子轴向上泵送所述生产的液态流体到达所述井口。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，流经所述空心转子轴的生产流体的雷诺数至少为2300。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电动机含有相对所述电动机外部处于正压状态的电动机流体，并带有允许电动机流体渗入所述生产的流体的密封件。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，选择条件使得从所述空心转子轴和所述电动机外表面其中至少一个传导到所述生产流体的热量的努塞尔特数至少为10。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，选择条件使得布林克曼数小于2。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，选择条件使得罗斯比数大于0.5。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述泵位于所述井口和所述电动机之间。
13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电潜水泵送系统包括两个泵，一个位于所述电动机以上，另一个位于所述电动机以下。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(a)所述电动机带有空心转子轴，而所述泵送系统带有在所述电动机下面并与所述空心转子轴液体相通的流体吸入口；(b)所述泵送系统带有位于所述电动机处或以下的至少一个出口，所述出口与所述流体吸入口液体相通；(c)所述泵送系统潜下带有井筒的钻井中；(d)所述电动机的横断面使所述电动机能够安装在所述井筒中并在所述井筒和所述电动机之间形成空隙；和(e)所述泵送系统工作时，进入所述流体吸入口的一部分流体通过所述电动机的所述空心转子轴泵送，而进入所述流体吸入口的另一部分流体经由所述出口泵出，并向上以流体接触的方式通过所述电动机的外面。
15.一种泵送流体的方法，包括以下步骤(I)将泵送系统放置到钻井中，使所述泵位于所述电动机和所述井口之间；其中，(a)所述电动机带有与所述泵液体相通的空心转子轴；(b)所述电动机的横断面使所述电动机能够安装在所述井筒中并在所述井筒和所述电动机之间形成空隙；(c)所述泵送系统带有与所述空心转子轴液体相通的第一流体吸入口；(d)所述泵送系统带有在所述电动机以上的第二流体吸入口，所述第二流体吸入口与所述井筒和所述电动机之间形成的所述空隙液体相通，至少有一个出口位于所述电动机处或以下，所述出口与所述流体吸入口液体相通；和(II)使所述泵送系统在这样条件下工作，所述流体的第一部分进入所述第一流体吸入口并通过所述电动机的所述空心转子轴泵送，而所述流体的第二部分通过所述井筒和所述电动机之间形成的所述空隙泵送，并以流体接触的方式流经所述电动机的外部而进入所述第二流体吸入口，然后将所述流体的所述第一和第二部分泵送到所述井口。
16.一种提供原动力的机构，所述机构包括(I)动力单元，包括(a)带有外壁的壳体；(b)具有纵轴线和两端的空心转子轴，所述空心转子轴可转动地安装在所述壳体中，能绕其纵轴线相对于所述壳体转动；和(c)安装在所述壳体中的驱动系统，所述驱动系统与所述空心转子轴相连，而使所述空心转子轴相对于所述壳体转动，其中，所述驱动系统包括若干个安装在所述壳体并位于所述空心转子轴周围的磁铁，所述磁铁产生使所述空心转子轴相对于所述壳体转动的磁力；和(II)位于所述动力单元以下的泵送单元，其中，(i)所述泵送单元包括与所述动力单元的所述空心转子轴流体相通的纵向空心驱动轴，当所述动力单元的所述空心转子轴转动时，所述空心驱动轴绕其纵轴线转动；(ii)所述泵送单元的所述空心驱动轴带有紧靠其底部的轴入口，使流体能够泵入所述空心驱动轴中；(iii)所述空心驱动轴的外表面上安装有至少一个叶轮，使得当所述空心驱动轴转动时，所述叶轮向下泵送流体至所述空心驱动轴的所述入口；和(iv)所述泵送单元带有紧靠其顶部的流体吸入口，流体通过所述流体吸入口泵入所述泵送单元中；所述流体吸入口、空心驱动轴、轴入口和叶轮设置成，当所述空心驱动轴绕其纵轴线转动时，流体通过所述流体吸入口泵入所述泵送单元，在所述泵送单元中向下移动到所述转轴入口，然后穿过所述泵送单元的所述空心驱动轴和所述动力单元的所述空心转子轴。
17.一种从钻井中得到气液态流体混合物的方法，所述气液态流体混合物在至少一个位置进入所述钻井，所述方法包括以下步骤(I)将泵送系统放置到所述钻井中，使所述泵送系统位于所述气液态流体混合物进入所述钻井的位置以上，其中，(a)所述泵送系统包括至少一动力单元、至少一泵送单元和至少一个吸入口，流体通过所述吸入口泵入所述泵送系统中；(b)所述动力单元带有与所述吸入口流体相通的空心转子轴，且所述泵送系统能够将进入所述吸入口的流体通过所述电动机的所述空心转子轴泵送；(c)所述动力单元和泵送单元的直径小于所述钻井的直径；(d)所述吸入口位于所述泵送系统的至少一部分以下，且所述吸入口的直径至少小于其上面的所述泵送系统一部分的直径；(e)所述吸入口设置成使由所述泵送系统泵送的液态流体能够向下流经所述吸入口的一部分而进入所述泵送系统中；和(II)操作所述泵送系统，使(i)所述气态流体和所述液态流体在靠近所述吸入口的位置分离，所述位置位于所述吸入口上面的所述泵送系统一部分的下面，(ii)所述气态流体绕过所述泵送系统上升到所述钻井的表面，和(iii)所述液态流体向上泵送至所述吸入口，接着向下流经所述吸入口的一部分，然后通过所述电动机的所述空心转子轴离开所述钻井。
18.一种用包括泵和电动机的潜水泵送系统泵送流体的方法，其中，所述泵送系统潜下生产的流体中，使得当所述流体以流体接触方式通过所述电动机外部时，所述流体流经涡流发生器，使生产的流体产生顺流方向的旋涡。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述涡流发生器安装在所述电动机的外部。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述涡流发生器安装在电动机管罩的内表面。
全文摘要
电潜水泵送系统(ESP)的生产效率、使用寿命和工作效率可通过使生产的流体经两个通道来冷却电动机(220、320)而改进。生产的流体以流体接触方式通过电动机(220、320)外部，从电动机(220、320)带走废热。改进的冷却效率使得电动机能够在较低的温度下工作，可提高使用寿命和工作效率，和/或使电动机能够在同样的温度下以较高功率工作。另外，不需要超大和额外的设备，从而进一步提高工作性能和经济效益。另一方面，本发明还提供了用电动机泵送流体的方法，这种电动机的外表面或围绕电动机的管罩内表面上带有涡流发生器(366)。
文档编号E21B43/12GK1507531SQ02809753
公开日2004年6月23日 申请日期2002年3月11日 优先权日2001年3月12日
发明者M·G·哈特曼, E·M·莫, R·布雷登塔尔, J·S·雷尔, M G 哈特曼, 椎撬 , 莫, 雷尔 申请人:中心流动有限公司