用于防止井筒泵的结垢的被诱发的气蚀的制作方法

本申请要求2016年12月14日提出申请的题为“inducedcavitationtopreventscalingonwellborepumps”的美国申请no.62/434,158和于2017年11月30日提出申请的题为“inducedcavitationtopreventscalingonwellborepumps”的美国申请no.15/827,733的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

本说明书涉及例如使用诸如井筒泵等辅助装置来开采井筒。

背景技术：

在烃开采中，烃从钻入到地质地层中的井筒被开采。有时，储层的自然压力不能使烃从井筒流出。当发生这种情况时，通常在井筒中安装人工升举设备和系统，例如电潜泵(esp)。

技术实现要素：

本说明书描述了与防止井筒泵上的结垢有关的技术。

在第一示例性实施方式中，井下开采组件包括井下泵，该井下泵被配置成在井筒中被定位在井下位置处。该系统包括在井筒中位于井下泵的入口的上游的气蚀室。

在可与第一示例性实施方式结合的方面中，气蚀室被配置成在流动通过井下泵的流体中诱发气蚀。流体包括结垢产物，气蚀使结垢产物从流体中沉淀析出。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室附接到井下泵的入口。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室的内表面被配置成防止被沉淀析出的结垢产物堵塞。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括化学涂层，该化学涂层被配置成防止被沉淀析出的结垢产物堵塞。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括机械清洁器，该机械清洁器被配置成防止被沉淀析出的结垢产物堵塞。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括超声波清洁器，该超声波清洁器被配置成防止被沉淀析出的结垢产物堵塞。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括旋转气蚀器，该旋转气蚀器被配置成通过在流体内旋转而在流体中诱发气蚀。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，旋转气蚀器被配置成联接到井下泵的旋转轴。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，旋转气蚀器被配置成被动地自由转动，其中流体流导致所述自由转动。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括超声波换能器，该超声波换能器被配置成通过向流体中发射超声频率而在流体中诱发气蚀。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，超声波换能器被配置成产生从40khz至10mhz的频率。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，超声波换能器具有20kw的最大功率输出。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括激光发射器，该激光发射器被配置成通过将激光发射到流体内而在流体中诱发气蚀。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，激光发射器发射脉冲激光。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，激光发射器发射连续激光。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，激光发射器表面包括表面涂层或超声波换能器，该表面涂层或超声波换能器被配置成防止沉淀析出的结垢产物附着到激光发射器表面。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括电弧发射器。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电弧发射器被配置成在流体的流动路径中产生电弧。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电弧发射器具有9000v的最大额定电压。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电弧发射器被配置成产生脉冲电弧。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电弧发射器被配置成产生连续电弧。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，该系统包括被配置成向气蚀室提供电力的电力供给系统。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电力供给系统被配置成为井下泵提供电力。

在第二示例性实施方式中，井流体被容纳在位于井下泵的井下泵入口上游的气蚀室中。井流体包括结垢产物。在气蚀室内的井流体内诱发气蚀以在气蚀室内沉淀析出结垢产物。

在可与第二示例性实施方式结合的方面中，气蚀室被定位在井流体的流动路径内。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，沉淀析出的结垢产物被摄取到井下泵入口中。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，气蚀室包括旋转气蚀器。为了在流体内诱发气蚀，旋转气蚀器在气蚀室内转动。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，旋转气蚀器联接到井下泵的井下泵轴。井下泵轴旋转以使旋转气蚀器旋转。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，井筒流体流使旋转气蚀器旋转。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，超声波换能器被配置成在流体中诱发气蚀。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，超声波换能器被配置成产生具有40khz-10mhz频率的声波。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，超声波换能器具有20kw的最大额定功率。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，激光发射器被配置成通过利用激光发射器产生激光束来在流体内诱发气蚀。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，激光束是脉冲激光。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电弧被配置成在流体内诱发气蚀。

在可与任何其他方面结合的另一方面中，电弧具有9000v的最大电压。

在第三示例性实施方式中，井筒开采系统包括被配置成位于井筒内的电潜泵。该系统包括气蚀室，该气蚀室被配置成被定位在电潜泵的入口的上游的井筒流动路径内。气蚀室被配置成在流体中诱发气蚀并在泵的上游沉淀析出结垢产物。

在附图和以下具体实施方式中阐述了本说明书中所述的主题的一个或多个实施方式的细节。本主题的其他特征、方面和优点将从具体实施方式、说明书附图和权利要求书变得显而易见。

附图说明

图1示出了示例性井下开采组件的示意图；

图2示出了具有旋转气蚀器的示例性气蚀室的示意图；

图3示出了具有换能器的示例性气蚀室的示意图；

图4示出了具有电极的示例性气蚀室的示意图；

图5a和5b示出了具有激光发射器的示例性气蚀室的示意图；以及

图6示出了用于在井下泵入口的上游造成井下气蚀的示例性方法的流程图。

各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

存在与烃开采相关联的井下积垢的挑战。结垢问题是三阶段处理的结果：成核、沉淀析出和附着到设备。当结垢离子的浓度超过开采流体中的矿物垢的溶解度极限时，可能发生成核。成核是由几个带相反电荷的结垢离子对组成的子颗粒或离子簇的生成物。这些簇形成于在大体积流体中或形成于诸如沙粒、粘土、金属表面或其他结垢晶体的基底上。一旦形成，则随着更多离子或更多离子簇变得附着到生长的晶体表面，簇可以沿着明确定义的晶面生长。一旦晶体足够大，则晶体就不能保持悬浮状态并且将从流体中脱落。从流体中掉出的晶体与在金属表面上形成和生长的晶体结合，可以导致积垢。垢增长可以继续，从而逐渐从溶液中去除结垢离子，直到结垢离子的浓度降至饱和以下。

通常在开采流体中与烃一起被开采出的采出液含有作为溶解离子的溶解的矿物质。操作条件(例如，压力、温度、ph值、流动搅拌或流动限制)的变化可能会影响溶解固体的溶解度。操作压力可能会影响碳酸钙矿物的溶解度，该碳酸钙矿物可以使垢形成为鳞片、霰石和球霰石-具有相同化学成分(caco3)的不同晶体结构，特别是在开采流体中存在co2和h2s的情况下。随着压力下降，采出液中的co2浓度可能由于co2蒸发或向烃相的迁移而降低。这增加了水的ph值，降低了矿物质的溶解度，并导致有利于碳酸盐垢的形成的热力学平衡变化。大多数矿物质(例如硫酸钙(caso4)、硫酸锶(srso4)和硫酸钡(brso4))的溶解度还随压力降低而降低。

在esp操作中，当流体移动经过叶轮时，可发生局部压力降低和气蚀。这种压力变化可以促进垢形成，并且可以降低人工升举系统的可靠性和运行寿命。在esp操作期间，可能会发生esp串上和esp柱内的固体沉淀和沉积，其中该esp串包括马达壳体、泵吸入口、级(叶轮&扩散器)和排放装置(discharge)。固体组成物可包括一种或多种类型的垢，例如caco3、caso4、srso4或camg(co3)2，以及腐蚀产物。由于马达高温、电流过载或两者，固体物质的沉积可能会导致esp跳闸(关闭)的增加。由于泵中的结垢和腐蚀物堆积，在马达中可能会发生电气短路，其中所述结垢和腐蚀物堆积可能会迫使马达更加努力地工作并超过马达的额定设计。由于需要充分的开采流体流过马达以进行冷却，因此泵流动路径的堵塞或固体物的马达外部周围的积聚可能会导致马达内的热量的快速内部增加、绝缘击穿以及电气短路。由于轴与径向轴承之间的固体堆积导致井下泵轴旋转受限，一些esp井筒在停产之后无法重新启动。这样的故障导致更换esp的漫长且昂贵的修井作业。

抑制结垢的一些技术包括注入结垢抑制剂，所述结垢抑制剂通过化学干扰垢的成核、晶体生长或两者来操作。然而，连续的化学注入来处理垢以增加esp可靠性和运行寿命可能需要利用这样的系统改造现有的esp井，从而导致高资金和运营费用。这种改造还可能给开采设施引入新的安全问题。

气蚀是液体中蒸汽气泡的形成、生长和内破。气蚀可以用于促进开采流体中碳酸钙的沉淀析出和去除。换句话说，气蚀可能会导致沉淀析出，并且沉淀析出降低流体的离子饱和度。通过沉淀析出结垢产物并降低流体的饱和度，可降低下游的沉淀析出和结垢。

本说明书论述了将气蚀室与井下开采组件(特别是esp压力生成级的井下(上游))的集成。当开采流体流动通过气蚀室时，可以在开采流体内诱导水力气蚀。气蚀的诱导将热力学平衡向垢沉淀析出转移。垢沉淀析出从采出液中带走离子。结垢物的减少有效地消除了水在气蚀室下游在esp系统的其余部分内形成生长的离子簇的倾向。

在井流体进入压力生成阶段的入口之前在井流体中诱导气蚀可以提早沉淀析出结垢产物，从而防止结垢产物在压力生成阶段内形成并降低效率。通过防止结垢，esp的可靠性提高了esp的运行寿命并降低了干预成本和生产延期。

图1示出了示例性井下开采组件100的示意图，该井下开采组件100可以被定位在井筒内的井底位置处。井下开采组件100包括开采管102、位于开采管102下方的井下泵104(例如，esp或其他井下马达)、位于井下泵104下方(即，在其上游)的气蚀室106、位于气蚀室106下方的井筒泵吸入口108、位于井筒泵吸入口108下方的井下马达-密封件110、位于井下马达-密封件110下方的井下马达112、以及位于井下开采组件100的井底端部处的一组井下传感器114。

通常，井下泵(有时称为井下式泵)被设计和制造成在井下环境中操作。例如，井下泵104的尺寸可以被设计成装配在井筒内或被加固以承受井下环境中不同深度处的井下环境(例如，压力、温度和其他条件)。当被，井下泵104还可以被设计成当设置在井下时操作流体，即泵送流体。在一些实施方式中，井下泵104可以是螺杆泵(pcp)。通常，因为驱动人工升举系统的马达还可以驱动旋转气蚀室，所以旋转气蚀室可以被实施用于具有人工升举系统的井。在一些实施方式中，气蚀室106可以被添加到不实施人工升举系统但遭受垢沉积或累积的井中。在这样的实施方式中，可以实施非旋转气蚀室。参考下面的附图描述旋转型气蚀室和非旋转型气蚀室的示例。

除了先前列出的部件之外，封隔器116可以用于隔离井下泵104上游的井筒环空。封隔器116还可以用于为井下开采组件100提供悬挂支撑。电力线缆118可以从电力供给系统(未示出)向井下马达112提供电力。在一些实施方式中，电力线缆118还可以从相同或不同的电力供给系统向气蚀室106提供电力。电力供给系统(或多个系统)例如可以位于地面设施或其他位置处。

流体从组件100的下方的储层通过井筒泵吸入口108流入到井下开采组件100。井筒流体从井筒泵吸入口108流动通过气蚀室106并进入到井下泵104中。井下泵104使井筒流体经由开采管102沿井身上行方向送到地面设施。井下马达112旋转井下泵104。电力线118为井下马达112提供电力。马达-密封件110通过防止开采流体进入井下马达112来保护井下马达112。在井下马达112的表面上流动的井筒流体在井下开采组件100的操作期间冷却井下马达112。所述一组井下传感器114将关于井下马达112(例如，esp系统)和井流体的信息实时地传递给地面设施。传感器线缆可以集成到电力线118中。

电力线118(或不同的电力线(未示出))可以向气蚀室106提供电力，这在流入到气蚀室106中的井筒流体中诱发气蚀。被诱发的气蚀在井筒流体进入井下泵104之前使井筒流体中的垢产物沉淀析出。在没有气蚀室106的情况下，垢产物可以向下游流动进入到井下泵104中并降低井下泵104的可靠性和运行寿命，如上所述。气蚀室106在井下泵104入口之前诱发气蚀。

气蚀可以被限制到气蚀室106。也就是说，在气蚀室106中产生的所有气泡在到达井下泵104的入口之前都会破裂。因为气蚀泡产生于气蚀室106内非常局部的区域，且由于高于流体泡点压力的高体积流体压力，气蚀泡寿命较短，所以气蚀泡快速破裂。气蚀室106和该气蚀室106内的部件可以由耐气蚀损坏的任何一种材料或多种材料(例如，不锈钢)制成。

气蚀室106和该气蚀室106内的部件也可以被涂覆有特定涂层，例如疏水涂层或其他涂层，以防止垢产物附着到所述气蚀室106和该气蚀室106内的部件。通过防止垢产物粘附到气蚀室106的表面，可以最小化或避免在气蚀室106内累积垢产物以在井下开采组件100内产生堵塞。在一些实施方式中，气蚀室106可以包括超声波换能器122，该超声波换能器能够清洁气蚀室106内的表面以防止结垢。

沉淀析出的结垢产物悬浮在井流体中并通过井下泵104到达地面设施。地面设施可以被配备成处理由井筒开采的固体物。气蚀室106沉淀析出足够小的垢颗粒，以便通过入口容易地摄取到井下泵104。颗粒尺寸是流速、气蚀强度和流体饱和度的函数。这样，气蚀室106被设计成沉淀析出可以由泵104入口摄取的一定尺寸范围的颗粒。

图2示出了可以在井下开采组件100中使用的旋转气蚀器组件200的示意图。可以放置在气蚀室106内的旋转气蚀器组件200包括旋转气蚀器206，该旋转气蚀器206居中地位于气蚀室106中并且附接到可旋转轴204。开采流体202流过气蚀室106和旋转气蚀器206，当所述旋转气蚀器206横向于流体流动路径200旋转时诱发气蚀。旋转气蚀器206在旋转期间产生导致气蚀的局部压降。结垢产物的沉淀析出由于压降而发生，其中微米尺寸的泡由于流体流动路径中的低压区域而形成并生长。在一些实施方式中，旋转气蚀器206被动地自由转动。换句话说，流体流200诱发旋转气蚀器206的旋转。在一些实施方式中，旋转气蚀器206联接到旋转马达或泵轴并且通过井下泵104或井下马达旋转。在一些实施方式中，可以使用固定式气蚀器。当开采流体202流经固定式气蚀器的表面以在流体中产生气蚀时，固定式气蚀器通过产生压降而诱发气蚀。固定式气蚀器的示例可以包括孔型、喷嘴型或文丘里型气蚀器。特定涂层208防止垢累积在气蚀室106的内壁上。特定涂层可以包括不粘材料或疏水材料(例如，聚四氟乙烯(teflon^tm))或其他不粘或疏水材料。

图3示出了可以在井下开采组件100中使用的换能器组件300的示意图。换能器组件300包括附接到气蚀室106的壁的一组换能器302。所述一组换能器302在开采流体202中诱发气蚀。在一些实施方式中，所述一组换能器302可以由电力线缆118提供电力。例如，所述一组换能器302可以诱发如下所述的基于超声波的气蚀。所述一组换能器302比用于清洁气蚀室106的超声波换能器122更强大。在一些实施方式中，所述一组换能器302可用于超声波清洁，或超声波换能器122可以用于气蚀。

声波是一种当压力和位移的机械波通过材料(气体、液体和固体)时传播的振动。超声波是一种频率高于超出典型的人类可听范围的20khz的声音。在任何超声波装置内有两个部件：电脉冲发生器和换能器(例如，换能器302a)。脉冲发生器产生施加到换能器302a的电脉冲。脉冲发生器(未示出)可以位于井下或位于地面设施处。在一些实施方式中，所述一组换能器302可以由电力线118供电。所述一组换能器302可以具有一个或多个压电元件或其他声音产生元件。当来自脉冲发生器的电脉冲被施加到压电元件时，压电元件振动并产生超声波。电脉冲的大小可以改变超声波的强度和能量。超声波产生超声波气蚀，其中微米尺寸的气泡由于流体中的正负压力波交替而形成并生长。在一些实施方式中，使流体流202充分气蚀所需的电力可以高达20kw。不同的超声频率可以影响穿透深度(进入各种垢产物)，并且可能对垢的尺寸和类型产生不同的影响。一些应用需要特定频率，而其他应用需要多个频率或一定范围的频率。这样的频率范围可以通过使用装置中的所述一组换能器302或能够通过施加到其上的电脉冲产生不同频率的一个换能器302a来实现。例如，在一些实施方式中，可以使用已知造成气蚀和清洁的从40khz到10mhz的声频率。

在气蚀室106上，所述一组换能器302被安装(例如，焊接或用环氧树脂胶合)到位于气蚀室106的壁上的辐射隔膜304。当施加电脉冲时，所述一组换能器302中的位移导致隔膜304的移动，这又使压力波被传递通过气蚀室106内的开采流体流202。压力波产生超声波气蚀，其中微米尺寸的气泡由于流体中的正负压力波交替而形成并生长。

图4示出了安装在气蚀室106内的电极组件400的示意图，该电极组件可以用在井下开采组件100中。电极组件400包括正电极402和负电极404。电极可以产生能够在流体流202中诱发气蚀的电弧406。在一些实施方式中，电极组件400可以由电力线缆118提供电力。

图4的气蚀室106实现了称作电液气蚀的过程。电极组件400在电弧发射器(例如，浸没在流体流202中的正电极402和负电极404)之间产生高压放电(例如，电弧406)，以在流体流202中产生等离子体气泡。气泡继续膨胀，直到气泡的直径增加超过表面张力可承受的极限，此时气泡迅速破裂，从而产生传播通过流体的冲击波。为压力阶梯函数形式的冲击波产生高功率超声波，该高功率超声波又可以产生二次气蚀。

初级(电液)和二次(超声波)气蚀两者都可以促进垢沉淀析出。在一些实施方式中，电容器408被充电到高电压并且放电电路410用振荡开关(未示出)激活。电容器和开关可以位于井下或地面设施处。在一些实施方式中，可使用连续充电代替脉冲式充电以产生连续电弧。在一些实施方式中，正电极402与负电极404之间的电位差可高达9000伏以产生气蚀。正电极402和负电极404可以具有各种几何形状。例如，正电极402和负电极404可以被定位在开采流体流202的任一侧，以产生横跨(即，大致垂直于)流体流202的方向的电弧406。可选地，正电极402和负电极404可以被定位在开采流体流202的同一侧，以产生大致平行于流体流202的方向的电弧406。

图5a示出了安装在气蚀室106内的激光器组件500a的示意图，该激光器组件500a可以用在井下开采组件100中。激光器组件500包括激光发射器502。激光发射器502发射激光束506，该激光束被从地面部设施沿井身向下引导通过光纤电缆508。激光束506在流体流202中诱发气蚀。激光束506在流体流202中产生等离子体气泡。气泡将继续膨胀，直到气泡的直径增加超过表面张力可承受的极限，并且此时气泡快速破裂，从而产生传播通过流体的冲击波。为压力阶梯函数形式的冲击波具有产生高功率超声波的潜力，而高功率超声波又可以产生二次气蚀。在一些实施方式中，激光可以由激光发射器502在井下产生。在这样的实施方式中，电力线缆118可以用于为激光发射器502供电。

当激光束506聚焦到液体中时，在大体积液体中通过光学击穿产生激光诱发的气泡。在所示的实施方式中，激光束506从地面设施沿井身向下被输送通过光纤电缆508。当被引入到气蚀室106中时，激光束506可以辐射通过流体。在其他实施方式中，例如图5b中所示的可选激光器组件500b，反射器或反射涂层504可以用于将光束捕获在室106内以进行更彻底的气蚀。激光束506可以是脉冲式激光或连续激光，并且具有使得能量以热量的形式被流体吸收的波长。激光发射器502表面可以配备有化学涂层、超声波清洁器或两者，以防止在发射器上结垢。

图6示出了用于利用井下开采系统100的过程600的示例的流程图。井下开采系统100包括气蚀室106，该气蚀室位于井流体的流动路径中。在602处，井筒流体被容纳到气蚀室106中。在604处，在气蚀室106中的井流体内诱发气蚀。在606处，气蚀使得结垢产物从开采流体中沉淀析出。通过井下泵104的入口摄取被沉淀析出的垢。在608处，通过位于地面处理设施处的过滤系统将垢产物从流体流202中滤出。

因此，已经描述了主题的具体实施方式。其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，示例性实施方式描述了一种类型的气蚀室。在一些实施方式中，这里公开的不同类型的气蚀室可以以任何组合使用。