用于电缆悬浮的排水泵送系统的扩散器的制造方法
【专利摘要】泵(65)包括一级或更多级，每个级包括管状外壳(150)和布置在外壳中的心轴(155)。该心轴包括转子(160)，该转子能够相对于外壳旋转并且具有叶轮(160i)、轴(160s)和位于所述叶轮的外表面上的一个或更多个螺旋形桨叶(160a至160c)。该心轴还包括扩散器(165)，该扩散器连接至外壳，并且所述转子的轴延伸贯穿所述扩散器，并且该扩散器具有位于其外表面上的多个叶片(165v)。每个叶片具有弧形部分和纵向部分。该扩散器还具有形成于相邻的一对叶片之间的通道(165c)。该泵还包括形成于外壳和心轴之间的流体通路。
【专利说明】用于电缆悬浮的排水泵送系统的扩散器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年6月25日提交的序列号为61/663，956的美国临时专利申请，其在此通过引用并入全文。
【背景技术】
[0003]本公开内容的领域
[0004]本公开内容的实施方式总体上涉及用于电缆悬浮的排水泵送系统的扩散器。
[0005]相关技术的说明
[0006]随着天然气井的充分发展，由于水的积聚在储层上产生了背压，许多天然气井遭遇减产。天然气工业已经利用不同技术来缓解这个问题，然而，这些技术中的大多数由于它们需要干预比如拉动管柱而没有跨过经济障碍。
【发明内容】
[0007]本公开内容的实施方式总体上涉及用于电缆悬浮的排水泵送系统的扩散器。在一种实施方式中，泵包括以及或更多级，每级包括管状外壳和布置在外壳中的心轴。该心轴包括能够相对于外壳旋转的转子，并且该转子具有:叶轮、轴以及位于叶轮的外表面上的一个或更多个螺旋形桨叶。该心轴还包括扩散器:该扩散器连接至外壳并具有延伸穿过扩散器的转子轴，并且该扩散器在其外表面上具有多个叶片。每个叶片具有弧形部分和纵向部分。该扩散器还具有形成于相邻的一对叶片之间的通道。该泵还包括形成于外壳和心轴之间的流体通路。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]因此，可以通过参考实施方式一其中一些实施方式在附图中图示一获得可以详细地理解本公开内容的以上列举特征的方式以及以上简要总结的本公开内容的详细说明。然而，应当注意的是，附图仅仅示出了本公开内容的典型实施方式，并且因此不应认为限制了其范围，因为本公开内容可以容许其他同样有效的实施方式。
[0009]图1示出了根据本公开内容的一个实施方式的配置在井筒中的人工提升系统(ALS)。
[0010]图2A为ALS的电力电缆的分层视图。图2B为电力电缆的端部视图。
[0011]图3A为除去外壳的ALS的多部段电动机的外部视图。图3B为图3A的一部分的放大图。图3C为多相电动机的多部段电动机模拟操作的示意图。图3D为电动机的定子的横截面图。图3E为电动机的转子的横截面图。
[0012]图4A为ALS的泵级的横截面图。图4B为泵级的心轴的外部视图。图4C为心轴的扩散器的放大视图。图4D示出了扩散器的叶片的几何形状。
【具体实施方式】
[0013]图1示出根据本公开内容的一个实施方式的配置在井筒5中的人工提升系统(ALS) I。井筒5从陆地的表面20钻入含油气(即，天然气或煤层甲烷10g)的储层25。一组壳体1c插入井筒5并且通过水泥(未示出)安置在其中。壳体1c被穿有孔30以提供储层25与壳体10的孔之间的流体连通。井口装置15安装在壳体组1c的端部。生产管柱1t延伸至井筒5中并且从井口装置15处悬挂。设置有生产封隔器85以将在管柱1t与壳体1c之间的环隙与储层25隔离。生产树35安装在井口装置35上并且生产线(未示出)可以从树的节流阀延伸至比如分离器之类的生产设备(未示出)。储层25可以自生产直到气体10g的压力不再足以将比如水10w之类的液体输送至表面。水10w可以为淡水或盐水。在生产管柱1t中积聚一定高度的水100w，从而对储层25施加液体静压力并且减弱气体10g从储层25的流动。
[0014]替代性地，井筒5可以为海底的井筒。替代性地，可以使用壳体1c从储层25中生产出气体10g来替代安装生产管柱lot。
[0015]ALS I可以包括表面控制器45、电力电缆80和电动潜水泵(ESP)40。为了将ESP40配置在井筒5中，可以将防喷器36和润滑器37连接至生产树35。该ESP 40可以包括电动机50、功率转换模块(PCM) 55、密封部段60、入口 641、多相泵65、出口 64ο、着陆器70和电缆头75。ESP部件的外壳可以比如通过凸缘或者螺纹连接而纵向地和扭转地连接。电动机50、密封部段60和泵65的轴可以比如通过花键联接扭转地连接。ESP的外壳可以由耐腐蚀金属或者合金比如镀锌钢、不锈钢或者镍基合金制成。由于ESP 40可以配置在生产管柱1t内，ESP可以是紧凑的，比如具有小于或者等于二英寸或一又四分之三英寸的最大外径(根据管柱1t的内径)。
[0016]生产管柱1t可以具有形成在其下端处的坐放短节11。坐放短节11可以具有密封孔、比如自动定向城堡形槽口(castellat1n)之类的扭转联接件、和止推肩。着陆器70可以具有管密封件、诸如自动定向城堡形槽口之类的扭转联接件、和止推肩。着陆器70与坐放短节11的接合可以使管密封件与密封孔接合、使花键对准并且使止推肩接合，从而从生产管柱1t纵向地支承ESP 40，将ESP扭转地连接至生产管柱，并且将入口 64i与出口64ο隔离。
[0017]替代性地，ESP可以包括具有锚状物和封隔器的隔离装置来代替着陆器70。
[0018]表面控制器45可以与交流(AC)电源38——比如试井车(未示出)上的发电机一电气通信。该表面控制器45可以包括变压器(未示出)，该变压器用于将来自电源38的AC功率信号的电压步进至中压(V)信号。该中压可以大于或者等于lkV，例如5kV至10kV。该表面控制器45还可以包括整流器，该整流器用于将中压AC信号转换成中压直流(DC)功率信号以经由电力电缆80传输井下。该表面控制器45还可以包括使用DC功率信号对去往/来自PCM55的数据信号进行调制和复用的数据调制解调器(未示出)和多路复用器(未示出)。该表面控制器45还可以包括操作员界面(未示出)，比如视频显示器、触摸屏和/或USB端口。
[0019]电缆80可以从试井车的绞盘通过润滑器37、B0P 36、生产树35、井口装置15和生产管柱1t延伸至电缆头75。该电缆80可以经由导线电连接至表面控制器45。因为功率信号可以为DC，该电缆80可以仅包括两个同轴地布置的导体。由于同轴布置，该电缆80可以具有小于或者等于一又四分之一英寸、一英寸或者四分之三英寸的外径250。
[0020]图2A为电力电缆80的分层视图。图2B为电力电缆80的端部视图。电缆80可以包括内芯205、内护套210、屏蔽层215、外护套230和铠装235、240。该内芯205可以为第一导体并且由导电材料比如铝、铜、铝合金或铜合金制成。该内芯205可以为实心的或者绞合的。该内护套210可以将芯205与屏蔽层215电隔离并且可以由介电材料比如聚合物(即弹性体或热塑性塑料)制成。屏蔽层215可以用作第二导体并且可以由导电材料制成。该屏蔽层215可以为是管状的、编织的或由编织物覆盖的箔。外护套230可以将屏蔽层215与铠装235、240电隔离并且可以由耐油介电材料制成。该铠装可以由一个或者更多个层235、240制成，该一个或者更多个层235、240由高强度材料(即，拉伸强度大于或等于200kpsi)制成以支承ESP的配置重量(电缆80的重量和ESP 40的重量)，使得电缆80可以用来将ESP 40配置于井筒5中和从井筒5移除。该高强度材料取决于气体10g的腐蚀性可以为金属或合金并且抗腐蚀，比如镀锌钢、不锈钢或镍合金。该铠装可以包括两个反向绕成螺旋状的丝或带的层235、240。
[0021]此外，电缆80可以包括布置在屏蔽层215与外护套230之间的包皮层225。该包皮层225可以由润滑性材料比如聚四氟乙烯(PTFE)或导线制成并且可以是绕屏蔽层215成螺旋状缠绕的带。如果导线用于包皮层，则一层衬垫220可以使屏蔽层215与包皮层绝缘并且可以由介电材料制成。此外，在铠装层235与铠装层240之间可以布置有缓冲层245。缓冲层245可以为带并且可以由润滑性材料制成。
[0022]此外，电缆80还可以包括压力容纳层(未示出)，该压力容纳层由下述材料制成:该材料具有足够的强度以遏制介电层的径向热膨胀并且缠绕成以允许其纵向膨胀。该材料可以为不锈钢并且可以为条或丝。替代性地，电缆80可以只包括一个导体并且管柱1t可以用于其他的导体。
[0023]电缆80可以纵向地连接至电缆头75。该电缆头75也可以包括贯穿其延伸的导线。该导线可以提供电缆80的导体205、215与PCM 55之间的电气通信。
[0024]图3A为除去外壳的电动机50的外部视图。图3B为图3A的一部分的放大视图。图3C为模拟多相电动机的操作的多部段电动机50的示意图。图3D为定子IlOs的横截面图。图3E转子IlOr的横截面图。
[0025]电动机50可以填充有介电的导热液体润滑剂，例如电动机油。该电动机50可以通过与储层水10w的热连通而被冷却。该电动机50可以包括用于支承驱动轴135的推力轴承(未示出)。在操作中，电动机50可以使轴135旋转，从而驱动多相泵65。该电动机轴135可以经由电动机密封件60的轴直接地(无变速箱)连接至泵的转子160 (图4A)。如上所述，由于电动机50可以是紧凑的，因此电动机可以以高速操作使得泵可以产生必要的水头(head)以将水10w泵送至表面20。高速可以为大于或等于10000、15000或20000转/分钟(RPM)。
[0026]该电动机50可以包括两个或更多个部段105a至105c、106a至106c。每个部段105a至105c、106a至106c可以包括转子IlOr和定子110s。该定子IlOs可以包括外壳115、芯120s、绕组125和导线130。该外壳115可以为管状的并且具有贯穿其中的孔。每个部段105a至105c、106a至106c的外壳可以比如通过凸缘或者螺纹(未示出)而纵向地和扭转地连接。该芯120s可以包括一个或更多个凸起121 (示出为两个)。每个凸起121可以被缠绕并且相对的凸起121的绕组125可以串联或者并联连接(未示出)以限定相位。该电动机50还可以包括一个或更多个组，比如部段105a至105c的第一组105 (未示出)和部段106a至106c的第二组106 (未示出)。每个部段105a至105c、106a至106c的定子IlOs可以基于三百六十度总和相对于相应的组105、106的其他定子递增地定向。例如，对于三个部段来说，每个部段105a至105c、106a至106c可以相对于相应的组105、106的其他部段以一百二十度偏移。替代性地，每个部段105a至105c、106a至106c的每个转子IlOr可以偏移以替代定子IlOs偏移。
[0027]每个部段105a至105c、106a至106c可以通过导线130电连接至PCM 55。每个组105、106的相应部段(S卩，105a、106a)可以对应，从而作为单相操作。该组105、106的对应部段可以以串联或并联的方式电连接至PCM 55。每个组105、106的偏移部段(即，105a、105b)可以并联连接至PCM 55。每个组105、106可以通过PCM 55控制以模拟一个或者更多个多相电动机(可以看作单个电动机或者串联的两个电动机)，例如三相(六个定子凸起)电动机。除了定向，部段105a至105c、106a至106c中的每一者可以是相同的,从而形成模块化电动机50。
[0028]电动机50可以为开关磁阻电动机(SRM)。每个转子IlOr可以包括轴135和芯120r。该轴135由金属或者合金比如普通碳钢和低合金钢、不锈钢、或镍基合金制成。该芯1201■可以具有两个或者更多个凸起122，比如四个凸起122，每个凸起以90度的增量间隔开。芯120s、芯120r中的每一者可以为层压材料。层压材料中的每一层可以由金属或者合金比如硅钢制成。可以使这些层对准并且然后按压在一起以形成芯120r、芯120s中的一者。然后，绕组125可以绕每个凸起121卷绕。定子芯120s可以比如通过键和键槽(未示出)和紧固件而纵向地和旋转地连接至外壳115。外壳115可以包括比如凹槽或突起之类的外部指示器(未示出)，以便部段105a至105c、106a至106c相对于彼此的定向。该转子芯120r可以比如通过键、键槽和紧固件或者过盈配合而纵向地和扭转地连接至轴135。导线130和绕组125中的每一者可以包括由如上述的导电材料制成的芯，并且可以装有如上述介电材料的套。
[0029]每个部段105a至105c、106a至106c还可以包括轴承140——比如径向轴承——用于支持轴135相对于外壳115的旋转。该轴承140可以为滚动轴承，比如滚珠轴承。该轴承140可以包括压盖141，该压盖141容纳外座圈142s。该压盖141可以连接至外壳115 (未示出)并且该外座圈142s连接至压盖141。该轴承140还可以包括连接至轴135的内座圈142r。滚珠143(示例性地示出)可以布置在内座圈142r与外座圈142s之间并且润滑剂可以密封在座圈中。替代性地，轴承140可以为流体动力轴承，如下所述。
[0030]该PCM 55可以包括电动机控制器(未示出)、调制解调器和多路分配器。该调制解调器和多路分配器可以将来自DC功率信号的数据信号进行多路分用，解调该信号，并且将该数据信号传送至电动机控制器。该电动机50可以还包括一个或者更多个转子位置传感器，比如嵌入转子芯120r中的一个或者更多个目标和一个或者更多个接近传感器，该一个或者更多个接近传感器布置在定子IlOs中，用于响应于目标的检测而产生霍尔效应输出。该电动机控制器可以包括与接近传感器和开关电路通信的微控制器。该电动机控制器可以接收来自电缆80的中压DC信号并且顺序地激励电动机50的偏移部段105a至105c (和106a至106c)，从而提供输出信号以驱动电动机的特定部段以及协调每组部段作为多相电动机的操作。该输出信号可以是阶梯形、梯形或正弦形的。电动机控制器可以使用一相或两相励磁，可以为单极或者双极，并且可以使用接近传感器控制电动机的速度。该电动机控制器可以包括非对称桥或者半桥。
[0031 ] 替代性地，该电动机控制器可以监控来自电动机的反EMF (电动势)从而以无传感器的方式确定转子位置。替代性地，电动机50可以为永磁电动机，比如以类似的多部段方式制造的无刷直流电动机(BLDC)。
[0032]替代性地，PCM 55可以包括电源(未示出)。该电源可以包括一个或者更多个DC/DC转换器，每个转换器包括逆变器、变压器以及整流器，以将DC功率信号转换为AC功率信号以及将该电压从中值步进至低值，例如小于或者等于lkV。该电源可以包括多个串联的DC/DC转换器以将DC电压从中值逐渐地步进至低值。该低压DC信号则可以供给至电动机控制器以驱动电动机50。
[0033]该电动机控制器可以与遍及ESP 50分布的一个或者更多个传感器(未示出)数据通信。压力和/或温度(PT)传感器可以与进入入口 64i的水10w流体连通。气液比(GLR)传感器可以与进入入口 64i的水10w流体连通。第二 PT传感器可以与从出口 65ο排出的水10w流体连通。温度传感器(或PT传感器)可与润滑剂流体连通以确保电动机和井下控制器被充分冷却。多个温度传感器可以包括在PCM 55中以监控和记录各种电子部件的温度。电压计和电流(VAMP)传感器可以与电缆80电气通信以监控电缆的功率损耗。第二 VAMP传感器可以与电动机控制器输出电气通信以监控电动机控制器的性能。此外，一个或者更多个振动传感器可以监控电动机50、多向泵65和/或密封部段60的操作。流量计可以与出口 65ο流体连通，以监控泵65的流速。通过利用来自传感器的数据，电动机控制器可以监控不利条件例如停泵、气锁或异常功率性能并且在发生对泵65和/或电动机50的损害之前采取补救行动。
[0034]密封部段60可以通过使水10w的压力与润滑剂压力均衡来将正通过泵65泵送的水10w与电动机50中的润滑剂隔离。密封部段60的轴可以将电动机轴135扭转地连接至泵轴。该密封部段60可以容纳能够支承来自泵65的推力载荷的止推轴承。该密封部段60可以为正型(positive type)或者迷宫型。该正型可以包括弹性的、流体屏障的袋以允许电动机润滑剂在操作期间的热膨胀。该迷宫型可以包括在润滑剂腔室与水腔室之间延伸的管道路径，从而提供两个腔室之间的限制的流体连通。
[0035]该入口 64i可以包括多个端口，从而允许水10w和气体10g的多相混合物10m(图4A)从穿孔30进入泵65。该多相混合物10m也可以具有溶解于水10w中的气体100g。该入口 64i可以包括筛以从多相混合物10m过滤微粒。该出口 64ο可以包括多个端口，从而允许多相混合物10m从泵65排入形成于ESP 40或电缆80与生产管柱1t之间的环隙。
[0036]图4Α为泵65的级65s的横截面。图4B为泵级65s的心轴155的外部视图。图4C为心轴155的扩散器165的放大视图。图4D示出了扩散器的叶片165v的几何形状。泵65可以包括一个或更多个级65s,比如两个至六个级。每个级65s的外壳可以例如通过螺纹联接件或凸缘(未示出)纵向地和扭转地连接。每个级65s可以包括外壳150、心轴155和形成于外壳与心轴之间的环形通路170。该外壳150可以为管状的并且具有贯穿其中的孔。该心轴155可以布置在外壳150中。该心轴155可以包括转子160和扩散器165。该转子160、外壳155和扩散器165可以均由抗生产流体腐蚀和侵蚀的金属、合金或金属陶瓷制成，比如钢、不锈钢或诸如铬-镍-钥之类的特种合金。替代性地，转子、外壳和扩散器可以是表面硬化的或涂覆的以抗侵蚀。
[0037]转子160可以包括轴部分160s和叶轮部分160i。叶轮部分160i和轴部分160s可以一体地形成。替代性地，叶轮部分160i和轴部分160s可以分别形成并且比如通过螺纹联接件而纵向地和扭转地连接。该转子160可以从扩散器165通过形成于扩散器的内表面与轴部分160s的外表面之间的流体动力径向轴承(未示出)支承以相对于扩散器和外壳150旋转。该径向轴承可以利用泵送的多相混合物10m或可以通过一个或者更多个动态密封件——比如机械密封件、受控制的间隙密封件或者迷宫式密封件——而与泵送的混合物隔离。
[0038]替代性地，扩散器可以具有形成于其壁中与流体动力轴承流体连通的润滑剂储存腔室。替代性地，一个或者更多个滚动元件轴承比如滚珠轴承(参见以上讨论的轴承140)可以布置在扩散器165与轴部分160s之间来代替流体动力轴承。
[0039]转子160在叶轮部分160i的外表面上具有一个或者更多个螺旋形桨叶160a至160c。该转子桨叶160a至160c可以在转子160的制造期间形成或者在转子形成之后比如通过喷涂或者焊接成形安置于叶轮部分160i的外表面上。转子桨叶160a至160c可以交织以在其之间形成泵送腔室。该转子160可以纵向地和扭转地联接至电动机驱动轴并且通过电动机50的操作来旋转。当转子160旋转时，多相混合物10m可以沿着腔从入口 170i朝向出口 170ο泵送。
[0040]对于多级泵，扩散器165可以具有下部圆筒形部分165s和上部弧形部分165b。对于单级泵或者对于多级泵的最终级，可以省略该弧形部分165b。叶轮160i的外径可以从入口 170i朝向出口 170ο以弯曲的方式增大直到叶轮外径对应于扩散器圆筒形部分165s(不含叶片165v)的外径为止。外壳150的面向叶轮部分160i的内径可以从入口 170i至出口170ο增加并且外壳内表面可以朝向叶轮外表面会聚，从而减小通路170的面积并且形成会聚喷嘴170η。由于多相混合物10m通过转子桨叶160a至160c被迫压穿过会聚喷嘴170η，可以增大混合物的速度。
[0041]定子可以包括外壳150和扩散器165。该扩散器165可以为管状的并且具有贯穿其的孔。该转子160可以具有在叶轮160i与轴160s之间的面向扩散器165的下端部的肩部。该轴部160s可以延伸通过扩散器孔。该扩散器165可以纵向地和扭转地连接至外壳150。
[0042]扩散器圆筒形部分165s (不含叶片165v)的外径和外壳150的内径可以保持不变，从而形成通路170的喉部170t。扩散器165的外径可以从入口 170i离开至出口 170ο以弯曲的方式减小直至到达扩散器165的一个端部并且轴部160s的外表面暴露于通道170为止。外壳150的面向扩散器165的内径可以从入口 170i离开至出口 170ο减小并且外壳内表面可以背离扩散器外表面，从而增大通路170的面积并且形成扩散喷嘴170d。由于多相混合物10m流动通过扩散喷嘴170d，可以减小混合物的速度。包括文氏管170n、170t、170d也可以使从转子桨叶160a至160c排出的多相混合物10m中的流体能量损失最小化。
[0043]扩散器165在圆筒部分165s的外表面上具有多个叶片165v。该扩散器叶片165v可以在扩散器165的制造期间形成或者在扩散器形成之后比如通过喷涂或者焊接成形而安置于圆筒形部分165s的外表面上。每个扩散器叶片165v可以具有上部纵向平直部分166b和下部弧形部分166a (也可以参见图4D中的角度168i)，从而赋予扩散器165混合的径向和纵向流动特性。该扩散器叶片165v可以绕圆筒部分165s以递增的方式间隔开，从而在相邻的叶片之间形成通道165c。扩散器叶片165v的下部166a可以在与转子桨叶160a至160c的方向相反的方向上弯曲，从而消除多相混合物10m的流动中的由转子桨叶160a至160c所产生的涡流以及使由混合物的湍流所引起的能量损失最小化。
[0044]当多相混合物10m离开会聚喷嘴170η进入喉部170t时，叶片165v的弧形部分166a可以将混合物的方向重新定向为通过通道165c朝向纵向方向流动。通道165c的在弯曲部分166a中的部分可以具有几乎恒定的面积，该面积由于边界层的增长只有轻微的增加。每个叶片165v的前边缘167a可以具有非常小的半径以使输入流的阻塞最小化。叶片165v的倾斜角168可以适用于叶轮叶片160a至160c的流动角度从而以设计的质量流动速率和压差排出流量。
[0045]当多相混合物10m沿着通道165c从叶片165v的弧形部分166a流入叶片165v的纵向部分166b时,流量可以均衡。通道165c的进入纵向部分166b中的部分可以具有恒定的面积以及基本小于纵向部分166b的长度169g的宽度，该宽度比如为纵向部分166b的长度169g的七分之一至五分之一，从而使通道的吸入侧与排出侧之间的压力梯度最小化以阻碍多相混合物10m的分离。
[0046]该多相混合物10m可以从叶片165v的弧形部分166a离开通道165c而进入再循环区域166c。每个叶片165v的上端部可以具有两个倒圆的边缘167c，该倒圆的边缘具有小的半径169r。这些小的半径1691■可以在再循环区域166c中产生逆向旋转的混合涡流167b以进一步防止流动分离。
[0047]该多相混合物10m可以离开再循环区域166c并且流入扩散区域166d。在扩散区域166d中，该流动可以向外混合并且流动面积的增加可以导致附加的压力上升。形成于外壳150与弧形部分166d之间的扩散喷嘴170d也可以用于将多相混合物10d的流动引导至出口 170ο和后续级的入口。
[0048]为了形成通道165c，每个叶片的宽度169w可以从前缘167a至纵向部分166b增大。纵向部分166b处的增大的宽度可以用作联接区域167d。该联接区域167d可以提供通向心轴155的入口以用于泵65的运行。该联接区域167d也可以用于扩散器165至外壳155的连接(和轴承负荷从转子160至外壳150的传递)和/或润滑剂和/或缓冲流体的供给。
[0049]有利地，扩散器165可以具有小的外径并且同时能够在没有流动分离的情况下对于流动角度的大的改变重新定向流动。该特征可以便于转子160以高的旋转速度转动，从而形成具有高的压力增大并且同时具有小的外径的泵65。这些品质可以使所提出的扩散器设计适用于具有有限空间的应用，例如用于气井排水的潜水泵。扩散器的流动动态策略可以使流动重定向和流动扩散的区域分开。在装有叶片的通道165c的下部中，可以发生流动重定向，而在装有叶片的通道的上部和无叶片的纵向部166c中，可以发生流体的扩散和混合。从而，该设计可以对多相混合物10m的分离不太敏感。
[0050]有利地，扩散器165的设计可以在很宽的操作范围内确保稳定和无涡流的出口流动。在扩散器165的装有叶片的部分的出口处的无涡流流动可以便于扩散区域166d的使用。该扩散区域166d可以减小平均流动通道半径。如果流动为涡旋状的，该扩散区域166d将会影响周向部件的加速，圆周部件将会减少系统的压力增大。同样对于涡旋状的流动，扩散区域166d将会由于较长的流动路径而增大流量损失并且对下面的叶轮入口引起不希望的预涡流。在装有叶片的部分的出口处的无涡流流动的积极影响可以使得扩散器适用于在能够实现任意的压力比的多级重复泵系统中的使用。
[0051]有利地，两个设计特征可以有利于扩散器165的多相能力。由于扩散器入口流动可以具有高的周向速度(叶轮165i的高旋转速度)，扩散器叶片的重新定向可以需要是大的。这将会通过任何类型的常规纵向桨叶导致流动分离。首先，通过避免流动分离，相分离也可以被限制。这可以通过保持穿过的流动面积接近恒定来实现。此外，在带有叶片的扩散器部分内侧的流动速度可以保持为高的，从而实现多相流的高剪切和均匀性。其次，在再循环区域166c中在每个叶片165v的厚的后边缘处受控的突然膨胀和所引起的反向旋转漩涡可以额外地支持流动的混合。
[0052]此外，扩散器165可以根据组件和机械负载而提供优势。与薄的纵向桨叶相比，联接区域167d的固体材料可以允许心轴155至外壳150的简单的和牢固的连接。从而，轴承的反作用可以通过简单和坚固的结构元件如紧固件而被转移。这消除了通常为非可拆卸并且昂贵的更复杂的接合技术(例如焊接)的使用。同时，至心轴155的简单入口也可以有助于传感器、供油、或其它支持系统。
[0053]在操作中，为了安装ESP 40，ALS I可以被配置到井场(well site)。BOP可以连接至树35。该ESP 40可以插入润滑器，并且电缆连接至电缆头75。然后，该润滑器37则可以连接至树35。然后，该电缆80则可以被展开从而将ESP 40在井筒5中降低到在生产管柱1t内部。一旦该ESP 40到达坐放短节11，然后，电动机50则可以启动以驱动泵65。当操作泵65时，电动机控制器可以将数据从传感器发送至地面，使得操作者可以监控泵的性能。如果电动机控制器是可变的，电动机50的速度可以被调节以优化泵65的性能。该泵65可以通过生产管柱1t和井口装置15将混合物10m泵送入生产线，从而降低水10w的高度并且减少水在层位(format1n) 25上的液体静压力。该泵65可以被操作直到水位降低至坐放短节11位置，从而允许储层25中的自然生产。然后，操作者可以发送指令至电动机控制器以关闭泵65或者简单地切断电缆80的电力供应。该电缆80可以缠绕，从而将ESP 40从井筒5中提升。因而，ALS I可以配置至另一个井场。
[0054]有利地，使用电缆80在生产管柱1t内部对ESP 40进行配置而不是用永久安装的人工提升系统移除生产管柱以及重新配置生产管柱，从而减少了对井的资本承担。ALS I至井场的配置以及ASL I从井场的移除可以在数小时内完成，从而允许在一天内对多个井排水。通过电缆80传送DC功率信号减小了电缆的所需直径，从而允许较长长度(即，5000英尺至8000英尺)的电缆80缠绕在卷筒上，并且使电缆80的配置变得容易。
[0055]尽管前述是针对本公开内容的实施方式，但在不背离本公开内容的基本范围的情况下作出本公开内容的其他和进一步的实施方式，并且本发明的范围通过所附的权利要求来确定。
【权利要求】
1.一种包括一级或更多级的泵，每个级包括: 管状的外壳；心轴；以及形成于所述外壳与所述心轴之间的流体通路， 所述心轴布置在所述外壳中并且所述心轴包括转子和扩散器，所述转子能够相对于所述外壳旋转并且所述转子具有叶轮、轴以及位于所述叶轮的外表面上的一个或更多个螺旋形桨叶；所述扩散器连接至所述外壳，所述转子的轴延伸贯穿所述扩散器，所述扩散器具有位于所述扩散器的外表面上的多个叶片，每个叶片具有弧形部分以及纵向部分，并且所述扩散器具有形成于相邻的一对叶片之间的通道。
2.根据权利要求1所述的泵，其中，每个叶片还包括沿着所述弧形部分朝向所述纵向部分增大的宽度。
3.根据权利要求1所述的泵，其中: 所述扩散器具有圆筒形部分，以及 所述叶片形成于所述圆筒形部分的外表面上。
4.根据权利要求3所述的泵，其中: 所述圆筒形部分具有与所述纵向部分的一个端部相邻的无叶片部分，以及 每个叶片在所述端部处具有弯曲边缘。
5.根据权利要求1所述的泵，其中: 所述流体通路具有会聚喷嘴部段、喉部段以及扩散喷嘴部段， 所述桨叶位于所述会聚喷嘴部段中，以及 所述叶片位于所述喉部段中。
6.根据权利要求5所述的泵，其中: 所述级为第一级，以及 所述泵还包括第二级，所述第二级仅具有会聚喷嘴部段和喉部段。
7.根据权利要求1所述的泵，其中，所述通道的纵向部分具有恒定的面积。
8.根据权利要求7所述的泵，其中，所述通道的弧形部分具有几乎恒定的面积。
9.根据权利要求7所述的泵，其中，所述通道的纵向部分的宽度基本上小于所述叶片的纵向部分的长度。
10.根据权利要求9所述的泵，其中，所述通道的纵向部分的宽度为所述叶片的纵向部分的长度的七分之一至五分之一。
11.根据权利要求1所述的泵，其中，所述叶片的弯曲与所述桨叶的弯曲相反。
12.—种泵送系统,包括: 潜水式多部段电动机，所述潜水式多部段电动机能够操作成使驱动轴转动，其中，每个部段以递增的方式定向使得多个部段能够操作成模拟多相电动机；以及根据权利要求1所述的泵，其中，所述转子扭转地连接至所述驱动轴。
13.根据权利要求12所述的泵送系统，其中，所述电动机和所述泵的最大外径小于或等于两英寸。
14.根据权利要求12所述的泵送系统，还包括潜水式功率转换模块，所述潜水式功率转换模块能够操作成: 接收直流功率信号，以及 顺序地操作所述电动机的每个部段。
15.根据权利要求14所述的井下系统，还包括电缆，所述电缆具有两个或更少的导体并且具有足够的强度以支承所述电动机、所述泵和所述潜水式功率转换模块，并且所述电缆与所述潜水式功率转换模块电气通信。
16.根据权利要求15所述的泵送系统，还包括: 传感器；以及 调制解调器，所述调制解调器能够操作成沿着所述电缆发送来自所述传感器的测量结果O
17.根据权利要求12所述的泵送系统，其中，所述电动机为开关磁阻电动机或无刷直流电动机。
18.根据权利要求12所述的泵送系统，其中，所述电动机和所述泵能够以大于或等于10000转/分钟操作。
19.根据权利要求12所述的泵送系统，其中，每个部段包括: 潜水式管状外壳； 定子芯，所述定子芯布置在所述外壳中并且具有一个或更多个凸起，每个凸起具有绕其缠绕的绕组；以及 转子，所述转子布置在所述外壳中并且包括轴和转子芯，所述转子芯具有两个或更多个凸起。
20.一种对气体储层排水的方法，包括: 使用电缆将根据权利要求12中所述的泵送系统配置在井筒中并且配置至接近所述储层的位置；以及 经由所述电缆将功率信号从表面提供至所述电动机以及顺序地操作所述电动机的每个部段，从而驱动所述泵并且通过泵送水和储层气体的多相混合物来将所述井筒中的水位降低至接近所述储层的高度。
【文档编号】E21B43/12GK104411975SQ201380034044
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月25日 优先权日:2012年6月25日
【发明者】克里斯蒂安·卡斯滕森, 里克·德东克尔, 黑尔格·布罗埃, 霍尔格·弗朗茨, 约翰内斯·施米特, 本亚明·爱德华·维尔科什 申请人:泽泰克斯有限公司