专利名称：深井泵抽装置的改进的制作方法
技术领域：
本发明总的来讲是涉及从地下矿床中泵抽液体，更特别地是涉及从较深的油井，即具有距地表1000英尺以下矿床的油井中实现高生产率开采的装置。
发明的背景发明的领域本发明特别针对地下矿床，尤其是1000英尺以下矿床中石油的生产。与低粘度液体，例如水开采回收所用的系统不同，油的开采回收需要在较深的矿床中，用直径小得多的套管来完成。
例如水的泵抽系统，借助于使用直径为12英寸或以上的套管，能够在实际中采用本身直径即较大的高转速泵。另外，由于这类井的较浅的特性，这种泵可以容易地用位于地面的电源驱动。这是因为将动力传递给高转速泵的传动轴相应地较短，且所需支撑轴承的数量是处于实际操作的极限范围之内的。很明显，传动轴越长，所需的支撑轴承越多，建设和维修费用同等数量地增加。
油井和水井的另一个显著区别是在油沉积层中不可避免地存在着天然气，而在水的沉积层中则没有。油井通过使用套管内的导管来处理气体，释放压力和回收这些气体。别忘记油井套管一般直径较小，使用直径在12英寸和以上的农用和其它水类开采回收系统来适应石油的生产将是极其困难的。
石油自地下矿床中的机械提升对于生产世界上的碳氢能源是一种普通的、也确实是必须的手段。完成这项所必须的工作的设备主要有五类或称五种对策。杆式泵抽、气体提升、液体泵抽、电动潜水泵抽和多段空腔泵抽。每种均有其优缺点。
杆式泵抽是最普通的人工提升装置，其包括位于井底的活塞式泵，在该处它是沉没在油井内的矿床之中的。此技术是利用一根自井底泵延伸到地面一泵抽装置的往复式抽油杆柱来驱动该泵。这种系统运行可靠、易于维修，对于大多数油井是令人满意的。但是，杆式泵不是特别适合于深的、多气的、或磨蚀性液体，即在矿藏中有砂子、盐类和类似的颗粒物质的应用场合，而且由于抽油杆柱抗拉强度的限制，在生产率和深度上也有局限性。
如果抽油杆柱折断，那么这种系统的另一个问题也显现出来，而这也不是不经常发生的。将泵从井底钓出来修理或更换该杆柱，且将泵放回到合适的深度，从时间和所付出努力两方面讲成本都是高的，而且在实际操作中还必须经常承受，因为没有其它办法。当然，井越深，杆柱则越长，而且当它往复操纵泵时，施加在杆柱上的负载也就越大。毫不奇怪，这种杆柱损坏的比率也明显地高。
另一种广泛采用的液体开采回收系统一般统称为气体提升系统，其包括将高压气体射入在一定深度下的充满液体的管道中，使液体柱变轻，且使液体流到地表。气体提升系统在中等生产率、中等深度的应用场合中工作良好。因为该设备机械结构简单且廉价，所以它对于多气的或磨蚀性液体是不敏感的，而且该系统工作非常可靠。气体提升需要气源，能效不高，运转费用高，因为需要有气体压缩过程，且在低生产率的应用场合不是一种好的选择方案。
对于深的、生产率在中等以下的井，目前比较好的选择方案简称为液力泵抽。一类典型的系统包括一个与井底活塞液压马达相联的活塞泵。该马达通过沿管道柱向下射入到井底泵-马达组件的高压液体来驱动。马达的往复运动驱动泵，泵将液体从矿床提升到地表。
采用液力泵抽的不足之处是液压泵的安装和操作费用高，而且不能用于处理磨蚀性或多气的液体井。它们需要处于地表的高压液力泵、用于液体(通常是原油)存贮和处理的设施，以及至少两根管道。
液压射流泵采用与上述液压泵系统相同的地面设备和管道，但是将活塞泵/马达组件更换为文丘里式射流组件，该组件利用伯努利原理，将所生产的液体“吸”入经过该射流的液压液体流中。液压液和所生产液体原液的混合物随后流到地面上。液压射流泵处理多气液体是好的，但是在其所能产生的效率方面有局限性，而且能效不高。
在地下油田生产中最近已有工业应用的方法是多级空腔泵。
多级空腔泵(PCP)包括一个Moyno式井底泵，它由一个由地面马达转动的抽油杆柱来驱动。PCP特别适合于输送高粘度、磨蚀性液体。地面和井下设备简单可靠，且能效也高。多级空腔泵处理气体也令人满意，但该系统在深度和生产率方面有局限性，且如果进入该泵的液体量少于该泵所能提升的量则会产生机械故障，井也将“停抽”。
相关先有技术概述前述是试图就在众多产油国中已经使用并将继续采用的多种生产系统提供一个概貌。但是本发明则更加具体到其焦点上，而因此相关技术则更具体到实际存在的技术的程度。
例如，对于高生产率到超高生产率的应用场合，即每天1000桶以上，对于大多数的油田作用，目前只有一种各方面均可接受的选择方案，即电动潜水泵(ESP)，ESP系统包括由井下电机直接驱动的多级井下离心泵。
供给电机的电源通过一根固定在管道上的铠装电缆从地面传递给该电机。ESP提供的生产率和泵抽深度的范围非常宽，要求的地面设备少(如果有中央电源的话)，且能效合理。它用来处理多气或磨蚀性液体不是很好，而且在改变已安装设备的生产能力方面则非常不灵活的。如果在井场没有电源，就需要有一台煤气或柴油发动机驱动的发电机。
另一方面，ESP的购买、维修和运转费用一般是较高的，在原油价格不断变化的情况下，任何一种具有较好的成本效益的系统都是很有价值的。ESP运转费用高的根本原因是潜水电机。因为该电机必须在热盐水环境下以高速和高电压运转，它们是国外产品，因此购买和大修都很昂贵。ESP还对电源中断非常敏感，有严格的电源中断要求，有严格的温度限制。除了这个弱点，ESP就是一种极好的大流量提升系统。
如果矿井环境多砂，或含有研磨或腐蚀性盐类，泵的摩擦显著增大，伴随着泵的负载同样增大。如果在井区有气田，而这在深井中是经常有的情况，泵，特别是常用的排液泵变得效率很低，相应地使用起来比较昂贵。
齿轮传动离心泵抽系统将ESP提升能力大和多级空腔泵系统的传动简单结合在一起。该系统基本上包括位于地面的电机和减速机，它使一根连接到增速传动系统/井下潜水泵组件的抽油杆柱转动(见
图1)。在地面上需要减速机是因为对于抽油杆柱能以多快速度稳定转动有一个限制。采用多级空腔泵的经验表明，抽油杆柱的转速在500转/分大约是能够可靠保持的最高转速。传动系统将抽油杆柱的转速从输入的大约500转/分提高到运转潜水泵所需的3000至3500转/分，该泵是固定在井底、传动系统的输出端的(见图1)。产物进入离心泵的入口，通过泵的各级向上流动，流过传动系统，进入管道，上达地表面。
GCP在概念上与普通的农用潜水泵类似，它也用一台地面马达驱动，转动一根向下延伸到井底多级离心泵的轴。在农用情况下，没有井下传动系统，因为电机、轴和泵都以约1600转/分的相同速度转动。能以如此快的速度转动该组件是因为轴在管道柱内转动，每间隔10英尺均有起稳定作用的轴承，这对于更深的油井是一种不实用的结构。
农用泵仅以1600转/分运转，借助泵的较大直径的特性，能够产生足够的每级间压头，将水提升到数百英尺，由于水井的直径大，这是可能的(压头，或各级之间产生的压力与泵转子的直径成正比)。因为油井的内径一般在6英寸至8英寸范围，且油井通常比水井深得多，所以ESP一般在3000至3500转/分范围内运转，以产生足够的各级间压头，使级的数目减少到一易于控制的数目范围内(级间压头还与转速的平方成正比)。即使在如此高的转速下，为了能将液体从数千英尺下提升上来，ESP通常也有200多级。
本发明所要解决的问题是如何将众所周知的设备的最佳特性结合起来，组成一个产量高、维修量少的系统。
专利技术概述在本技术领域有一些获得专利的和许多未获得专利的装置，它们代表了在本技术方面人们为寻求一种可靠、生产能力大的深井泵抽系统所做出的努力。最普通的方法仍然是采用一种由抽油杆柱驱动的井下排液泵，杆柱是由一地面动力源转动或往复驱动的。
Ortiz的专利第3,891,031号是特别针对深井和深井套管密封装置的，它能使套管成为输出系统的一部分。
Justice的专利第4,291,588号提出一种用于孔径约4英寸的低产油井的系统。这个具体的专利提出一种置于电机和正排液泵之间的减速传动系统。它认为原始申请的其它分案申请总体上讲都运用此系统。
Garrison的专利第4,108,023号提出一种用于钻机的减速传动系统，其中钻井泥浆能够从旁路通过传动系统润滑钻头，而不侵入系统本身。
Weber的专利第5,209,294号给出一种多级空腔泵。但是这种泵在300至1200转/分的速度下操作，对于深井其生产率不是最佳的。一种类似的泵示于Cameron的专利第5,275,238号中，尽管该专利的本质所瞄准的目标不是泵本身。
可以看到，在农用领域也有一些高速的应用场合，即在1200至1600转/分左右，而且典型情况下是驱动一台涡轮泵。但是与本发明不同，这些系统要求联至泵的传动轴是封闭的，且在套管和传动轴之间提供有轴承，以防止传动轴在操作过程中损坏。
正如通过阅读下述就本发明优选实施例的说明将明显看到的，先有技术的努力还没有哪一个能完全解决长期困扰生产者的有关高产深井方面的实际问题。
本发明的概要本发明通过一种创新的泵抽系统解决了在深油井中从本质讲比较困难的诸如生产效率的问题，该系统允许在深油井环境中使用产量高的泵，例如多级离心泵，而且没有现在所用系统的缺点。
相应地，已经发明出采用新的齿轮机构来驱动离心泵的装置，在此有时简称为齿轮传动离心泵(GCP)系统。正如后面将详细公开的，一个GCP系统是一种液体人工提升系统，其基本目的是能再次利用ESP的优点，而没有潜水电机在成本和操作方面的问题。
本发明的再一个目的是为深井生产者提供一种泵抽系统，它能使其产量最佳化而在成本上没有明显的增加。
本发明的另一个目的是提供一种泵抽系统，它允许在深井环境下使用高速离心泵，而没有在其它情况下由于井下潜水电机的操作所伴随的高成本问题。
本发明又一个目的是使泵在不需要用特殊的轴承支撑泵抽杆柱的前提下运转，同时还使整个系统保持高度可靠。
另外，本发明的又一个目的是为深井生产者提供一种高效率的输出系统，它输出量大且维修少，因此使这样的井更经济且同时生产率更高。
当结合附图阅读本发明优选实施例的详细说明后，本发明的前述及其它的目的、益处和优点将变得更加明显，其中附图的简要描述图1是一深井部分剖开和局部的侧视图，表示处于典型环境下的本发明的泵抽系统；图2是一置于井头、用于转动抽油杆柱的传动组件的示意性侧视图；图3表示可用于本发明系统的数种增速传动系统之一；图4是由图3中4-4线所圈部分的截面图，表示本系统的特性；图5是由图3中5-5线所圈部分的截面图6是沿图3中6-6线所截取的、图3中传动装置的一部分的横截面图；及图7是表示如果用行星齿轮组代替图6中的齿轮和小齿轮机构，那么图6的横截面图将如何的图示。
优选实施例的详细描述现在参见附图，首先参见图1，一套依照本发明而构成的深井、高产能泵抽系统以标记10表示，其处于一典型的深井环境中。
系统10是由几个单元组成的，其包括一高产能离心泵12。依照本发明，泵12是一种多级泵，选择它是因为它的生产能力，能在有效的井头压力下输出较大量的液体，这在深井环境中是经常经历到的。
使用多级离心泵或任何类似结构的优点在于它是一种高产能的输出装置。但是为了达到该设备所能达到的输出能力，现有的这类泵要以高达3500转/分的速度运转，而诸如图中以标记14表示的地面动力装置，只能以约500转/分高效运转。
为了提供使泵高效率运转所需要的驱动力，已有的工业应用的方法是在井下设置一或与泵邻接或与其紧密靠近的高速电机，并且从位于地面的电源将电能引至该电机。
这种结构的起始费用异常地高，同时维修成本也高，这两者没有一项是与市场的多变性相适应的，而且两者均损害了由于使用高产能泵所带来的效益。
诸如前述电动潜水泵(ESP)系统的这类系统的折中方案已经集中在需要研究探索在深井中采用高产能泵的方式。进入到本发明，涉及使用成本较低、维修较少的地面驱动装置14，它设置于井头H，具有众所周知的结构且易于获得。地面驱动装置14可以根据现有条件采用任何合适的能源，它与抽油杆柱21接合使其转动，抽油杆柱向下延伸到油井套管23，在该处最终与构成传动装置25的多个齿轮中的一个相联，传动装置25是用于驱动泵12的。
如图所示，抽油杆柱封闭在一个管状部件24内，其原因随着讨论的继续将更加明显。
但是，当试图从井的地面以所要求的速度驱动该泵时，产生了其它的问题。抽油杆柱21一般是由一系列或实心杆或管以例如焊接或是已知其他方法相互联接在一起的部段制成的，很明显，当在约1000转/分以上速度下操作时，抽油杆柱21上的扭矩会造成有破坏力施加到杆柱上，能很快使其性能减弱。
在通常情况下，抽油杆柱的部件不是动态平衡的，且当以较高速度转动时，必将趋于振动。在油井套管内，这种振动的幅度很容易造成套管的某些部分与抽油杆柱的某些部分相接触，使两者均造成严重损坏。另外，抽油杆柱的扭转运动随其长度而增大，会提前产生扭断。
本发明通过提供设置在驱动装置14和泵12之间的传动装置25解决了这个难以两全的问题。传动装置25的设置最好是靠近泵12，甚至可以联接到其外壳上，目的是使抽油杆柱受驱动装置14施与它的转动的影响最小，并且提供1∶3或更高的转速提升比、特别参见图2，由于抽油杆柱的损害可被加重，因此如图所示，驱动装置14采用的是一电动机，它能以任何满足要求的速度旋转，输出转动抽油杆柱所需要的力。驱动装置14将电动机的转速(典型情况下1600转/分)降低到抽油杆柱能稳定旋转的速度，约500转/分。
如图所示，一部分抽油杆柱向上伸出，穿过填料函32，到达其上34处。一皮带轮36固定在抽油杆柱34的端部，皮带38与电动机30互联，电动机30亦有一皮带轮40，固定在其传动轴43上。尽管采用齿轮传动也能达到同样的目的，可使用皮带传动所获得的一定的阻尼效果能够延长系统的寿命。
皮带轮36和40的规格的确定是要起到减速的效果，这是通过使皮带轮36的有效直径大于皮带轮40的直径来实现的。用这种方式，可以得到减速的效果，在此例中为2.5比1，从而能以例如500转/分的安全速度驱动抽油杆柱。
为了从浸入到井中的泵上获得最高的效率，传动装置25必须将抽油杆柱传到该传动装置的速度提高数倍。如图3、4、5和6所示，为了实现这一点，采用了一种逐级升速传动装置，例如如图3所示的齿轮和小齿轮式传动装置。
传动装置25包括一个套管45，它通过管24与油井相联并保持在位。该套管因此可以起到一反冲元件的作用，碰到它套管内的操作元件可以回复原状。更具体地，该传动装置采用了一系列小齿轮和齿轮组47。齿轮G通过一个或多个具有众所周知结构的恒速联轴节49驱动，目的是保证来自抽油杆柱21的动力平稳均匀地传递。通过使用设置在就处于传递装置上方的抽油杆柱上的一安全联轴节52，以及刚好位于安全联轴节下的一轴承54，系统的刚性得到进一步加强。这种布置保证了与传动装置有合适的对中，而且防止了可能产生振动的抽油杆柱不平衡的影响。
尽管图中所示为齿轮和小齿轮结构，可以意识到，例如图7的行星系统也是处于本发明范围之内的，而且实际上这种系统可以免除对CV联轴节49的需要。在这种情况下，一个太阳轮S与一系列行星齿轮PG和一个环形齿轮R相啮合。与本发明的根本前提一致，为了得到实现泵的最佳输出所需要的转速提高，该环形齿轮是固定的，行星齿轮组是主动的，而太阳轮组是从动的。
虽已经就本发明的优选实施例进行了说明，而在其某些方面也会有所变化，其中，权利要求是
权利要求
1.一种用于从较深的地下矿床中生产油和水的液体开采回收系统，其总的包括一台高产能泵，上述泵浸入到上述矿床中；一根自矿床上方的地表延伸到该矿床内的矿井套管；一个动力源，其设置于地面上，用于产生旋转运动；在上述井套管内使上述动力源与上述泵互联的动力传递装置，上述动力传递装置包括一套升速传动装置，一根抽油杆柱，上述抽油杆柱将上述动力源与上述传动装置联接在一起，以将旋转运动输出到上述传动装置，而且上述传动装置与上述泵相联接，从而将较高速度的旋转动力传递给上述泵。
2.如权利要求1所述的新型液体开采回收系统，其中，上述泵包括一高产能离心泵。
3.如权利要求1所述的装置，其中，上述动力传递装置包括一个齿轮、一个与上述齿轮相啮合的小齿轮，且上述齿轮和小齿轮共同构成一齿轮组，上述齿轮组以轴承固定在一套管内，上述套管处于上述泵和上述动力源之间的上述矿井套管内。
4.如权利要求1所述的新型液体开采回收系统，其中，上述动力传递装置包括一行星齿轮组，上述行星齿轮组以轴承固定在一套管内，上述套管处于上述泵和上述动力源之间的上述矿井套管内。
5.如权利要求1所述的新型液体开采回收系统，其包括一根抽油杆柱，上述抽油杆柱将上述动力源和上述传动装置联接在一起，且由上述动力源转动以驱动上述传动装置；一管状件，上述抽油杆柱封闭在上述管状件内；一些轴承，它们布置在上述抽油杆柱和上述管状件之间，为上述抽油杆柱提供轴承支撑作用。
6.如权利要求2所述的新型液体开采回收系统，其中，上述动力传递装置包括一个齿轮、一个与上述齿轮相啮合的小齿轮，且上述齿轮和小齿轮共同构成一齿轮组，上述齿轮组以轴承固定在一套管内，上述套管处于上述泵和上述动力源之间的上述矿井套管内。
7.如权利要求2所述的新型液体开采回收系统，其中，上述动力传递装置包括一行星齿轮组，上述行星齿轮组以轴承固定在一套管内，上述套管处于上述泵和上述动力源之间的上述矿井套管内。
8.如权利要求3所述的新型液体开采回收系统，其中，上述传动装置的套管与上述泵是联接在一起的。
9.如权利要求4所述的新型液体开采回收系统，其中，上述传动装置的套管与上述泵是联接在一起的。
10.如权利要求2所述的新型液体开采回收系统，其中，上述离心泵在超过3000转/分的最佳速度下工作。
11.如权利要求1所述的新型液体开采回收系统，其中，上述矿井套管的内径小于12英寸。
12.如权利要求1所述的新型液体开采回收系统，其中，液体矿床的深度大于1000英尺。
13.如权利要求1所述的新型液体开采回收系统，其中，上述传动装置具有至少1∶3或更大的增速比。
14.如权利要求11所述的新型液体开采回收系统，其中，液体矿床的深度大于1000英尺。
全文摘要
一种用于生产地下油、水矿藏的液体开采回收系统,其包括一高产能泵,例如浸入到矿床中的高产能离心泵(12),一根自地面延伸到矿床中的矿井套管(23),一个旋转动力源(14),以及联接该动力源(14)和矿井套管(23)内的泵(12)的动力传递装置(25)。该动力传递装置(25)包括一升速传动装置(47)和一根抽油杆柱(21),后者使动力源(14)与传动装置(25)相联,以将旋转运动传递给传动装置(25)。泵(12)与该传动装置(25)相联,以将高速旋转动力传递给泵(12)。
文档编号F04B47/00GK1195388SQ96196750
公开日1998年10月7日 申请日期1996年7月1日 优先权日1995年7月5日
发明者W·B·莫罗 申请人:哈里埃技术有限公司