提供ESP级间顺序接合的方法和设备与流程

本发明总体涉及用于地下井的人工提升系统，并且更具体而言涉及电潜泵中各泵级之间的联接。

背景技术：

电潜泵(esp)用于人工提升方法，该人工提升方法用于将井流体(井液)从地下井中的井下提升到地面，或在地面上用于将流体从井场(wellsite)输送到其它装备或设施以进行进一步加工。esp系统可以包括泵(可以是离心泵)、密封件或保护器、电机和监测子部分(monitoringsub)。泵用于将流体提升到地面。电机提供驱动泵所需的能量。保护器从泵吸收轴向载荷、将电能从电机传输给泵并防止井液进入电机。监测子部分提供与井液特性有关的信息，井液特性诸如为泵入口和出口压力、泵入口温度、电机内部温度、振动和其它期望的参数等。在某些esp系统中，泵由多级组成，所述级由叶轮和扩散器构成。正在旋转的叶轮增加流体的能量以提供压头(head)，而静态的扩散器将来自叶轮的流体的动能转换为压头。泵级通常串联堆叠以形成多级系统。由每个单独的级产生的压头的总和是累加的；因此，由多级系统形成的总压头增加了。

esp运行的一个普遍的挑战在于esp串上的固相沉淀和沉积，esp串包括电机壳体、泵入口、级(叶轮和扩散器)以及排出口。主要固体成分是一种或多种类型的结垢(caco3、caso4、srso4camg(co3)2)和腐蚀产物。由于电机大电流脉冲(currentspikes)、高温或过载，固体沉积可能导致esp跳闸增加。由于泵中的结垢和腐蚀物的积聚使电机工作更困难并处于过载(较高温度)状态，因此可能发生电机烧毁。由于轴被锁定，一些esp井在被关闭之后用常规程序不能重启。可以使用若干方法释放被锁定的泵；这些方法中包括被称为摇摆启动(rockingstart)的方法，摇摆启动利用变速驱动(vsd)、酸注入、流体再循环和直接在线启动。当摇摆启动程序未能解除泵的锁定时，将尝试循环流体或制取酸和溶剂的组合液以溶解固体并将固体移出泵。即使精心设计酸浓度，也可能会发生对管道和esp的腐蚀损坏。另外，该方法并不总是有效的。在所有尝试都无法重新启动esp之后，最后的办法是在井上工作并拔出并更换无效的esp。为了提高esp的可靠性和使用寿命，考虑连续的化学剂注入。然而，用连续化学剂注入改造油田是一项重大作业。

在常规esp系统中，全部泵级在同一轴上并且在启动系统的同时开始旋转。如果存在积聚在泵级中的碎屑或固体，则电机可能不能提供足够的扭矩以克服初始系统惯性或者轴可能由于所施加的高扭矩而断裂。

技术实现要素：

本文所披露的各实施例提供了避免或降低由于卡住泵的情形导致的轴损坏的可能性的解决方案。本发明的系统和方法还降低了在使用直接在线启动器来启动esp以替代变速驱动时，轴断裂的可能性。本文披露的各实施例描述了在电潜泵系统中使各泵级联接的系统和方法，电潜泵系统允许泵子部分与传动机构的顺序(sequential)接合。顺序接合降低esp的启动时所需的系统惯性，因此降低了当子部分中的一个插入时由于机械损坏、沙子、结垢或任何其它异物而导致的轴损坏的可能性。

在本发明的实施例中，提供人工提升的方法包括提供电潜泵系统，所述电潜泵系统具有：电机；泵组件；密封组件，其沿轴向定位在所述电机和所述泵组件之间；以及轴组件，其沿从所述电机到所述泵组件的中心轴线延伸，其中，所述泵组件包括：两个或更多个泵部分；以及具有传动机构的联轴器，其位于所述两个或更多个泵部分之间。将电潜泵系统下将到地下井中。向所述电机提供电能以使所述轴组件的电机轴段旋转，所述电机轴段与所述两个或更多个泵部分中的第一泵部分接合，使得所述电机轴段的旋转启动了所述第一泵部分。将所述传动机构从脱离位置移动到接合位置，其中，在所述脱离位置处所述联轴器防止所述电机轴段的旋转传递到相邻轴段，在所述接合位置处所述联轴器将所述电机轴段的旋转传递到所述相邻轴段并且启动所述两个或更多个泵部分中的另一泵部分。

在替换性实施例中，所述传动机构在所述电机轴段正在旋转时可以从所述脱离位置移动到所述接合位置，并且在所述电机轴段为静态时可以从所述接合位置移动到所述脱离位置。被移动到所述接合位置的每个传动机构在所述电机轴段正在旋转时可以保持在所述接合位置。

在其它替换性实施例中，所述传动机构可以包括同步离合器组件(synchromeshclutch)，并且将所述传动机构从所述脱离位置移动到所述接合位置可以包括：利用所述同步离合器组件将所述相邻轴段的转速升高至所述电机轴段的速度。可替换性地，所述传动机构可以具有惯性组件，从而将所述传动机构从所述脱离位置移动到所述接合位置可以包括：使电机轴段的速度足够大以利用所述惯性组件使所述传动机构从所述脱离位置移动到所述接合位置。将所述传动机构从所述脱离位置移动到所述接合位置可以包括：利用选自手动离合器、液压控制线路和电动致动器中的一者的组件来致动所述传动机构。可以使用所述电潜泵系统在井眼内人工提升流体，并且所述两个或更多个泵部分可以串联地人工提升所述流体。所述第一泵部分可以具有流体出口，所述流体出口与所述两个或更多个泵部分中与所述第一泵部分相邻的一个泵部分的流体入口流体连通，并且串联地人工提升所述流体可以包括：使所述流体泵送通过所述流体出口并进入所述流体入口。

在本发明的替换性实施例中，利用电潜泵系统提供人工提升的方法包括：提供电潜泵系统，所述电潜泵系统具有：电机；泵组件；密封组件，其沿轴向定位在所述电机和所述泵组件之间；以及轴组件，其沿从所述电机到所述泵组件的中心轴线延伸，其中，所述泵组件包括：两个或更多个泵部分；以及具有传动机构的联轴器，其位于所述两个或更多个泵部分之间。将电潜泵系统下将到地下井中。向所述电机提供电能以使所述轴组件的电机轴段旋转，所述电机轴段与所述两个或更多个泵部分中的第一泵部分接合，使得所述电机轴段的旋转启动所述第一泵部分。可以将所述第一泵部分和所述第二泵部分之间的所述传动机构从脱离位置移动到接合位置，其中，在所述脱离位置处所述联轴器防止所述电机轴段的旋转传递到第二轴段，在所述接合位置处所述联轴器将所述电机轴段的旋转传递到所述第二轴段并且启动所述第二泵部分。

在替换性实施例中，所述两个或更多个泵部分还可以包括定位为顺序地与所述第二泵部分相邻的顺序(sequential)泵部分，每个顺序泵部分包括顺序轴段，所述顺序轴段在顺序联轴器处于所述接合位置时与所述电机轴段一起旋转，所述方法还可以包括使与所述顺序泵部分中的一个相连的传动机构从所述脱离位置移动到所述接合位置，在所述脱离位置处所述联轴器防止所述电机轴段的旋转传递到所述顺序轴段，在所述接合位置处所述联轴器将所述电机轴段的旋转传递到所述顺序轴段，并且启动所述顺序泵部分。

在其它替换性实施例中，已被移动到所述接合位置的每个传动机构在所述电机轴段正在旋转时可以保持在所述接合位置。所述传动机构中可以包括同步离合器组件，并且将在所述第一泵部分和所述第二泵部分之间的所述传动机构从所述脱离位置移动到所述接合位置可以包括：利用所述同步离合器组件将所述第二轴段的转速升高至所述电机轴段的速度。可以使用所述电潜泵系统在井眼内人工提升流体，其中所述两个或更多个泵部分串联地人工提升所述流体。

在本发明的另一替换性实施例中，用于提供人工提升的电潜泵系统包括：电机；泵组件；以及密封组件，其沿轴向定位在所述电机和所述泵组件之间。轴组件沿从所述电机到所述泵组件的中心轴线延伸。所述泵组件包括两个或更多个泵部分以及位于所述两个或更多个泵部分之间的联轴器。所述轴组件包括一串轴段，每个轴段具有位于所述联轴器处的端部。至少一个联轴器具有传动机构，所述传动机构能在脱离位置与接合位置之间移动，在所述脱离位置处所述联轴器防止所述轴段中的一个的旋转传递到相邻轴段，在所述接合位置处所述联轴器将所述轴段中的一个的旋转传递到所述相邻轴段。

在替换性实施例中，所述两个或更多个泵部分中的一个可以是最接近所述电机的第一泵部分，所述第一泵部分能旋转地与所述轴组件的电机轴段接合，使得所述第一泵部分与所述电机接合。所述两个或更多个泵部分中的一个可以是与所述第一泵部分相邻的第二泵部分，所述第二泵部分包括能旋转地与所述电机轴段接合的第二轴段，使得当所述第一联轴器处于所述接合位置时所述第二轴段与所述电机轴段一起旋转。所述两个或更多个泵部分可以包括定位为顺序地与所述第二泵部分相邻的顺序泵部分，每个顺序泵部分包括顺序轴段，所述顺序轴段在所述顺序联轴器处于所述接合位置时与所述电机轴段一起旋转。

在其它替换性实施例中，在任何传动机构处于所述脱离位置时以及任何传动机构处于所述接合位置时，每个泵部分都可以与所述轴段接合。所述两个或更多个泵部分中的一个可以是最接近所述电机的第一泵部分，所述第一泵部分具有流体出口，所述第一泵部分的流体出口与邻接于所述第一泵部分的第二泵部分的流体入口流体连通。每个传动机构在轴组件正在旋转时可以是能够从所述脱离位置移动到所述接合位置，并且每个传动机构在轴组件为静态时可以是能够从所述接合位置移动到所述脱离位置。

附图说明

为了达到并且可以详细理解本发明的实施例的上述特性、方面和优点以及其它显而易见的内容的方式，通过参考在形成本说明书的一部分的附图中示出的本发明的实施例，可以对上文简要概括的本发明作出更加具体的描述。然而，应注意，附图仅示出本发明的优选实施例，并且由于本发明可以允许其它等效实施例，因此附图不被认为是对本发明范围的限制。

图1是根据本发明的实施例的具有人工提升系统的地下井的示意性剖视图。

图2是示出为处于接合位置的根据本发明的实施例的联轴器的示意性剖视图。

图3是示出为处于脱离位置的图2的联轴器的剖视图。

图4是示出为处于脱离位置与接合位置之间的图2的联轴器的透视图。

图5是示出为处于脱离位置的根据本发明的实施例的联轴器的侧视图。

图6是示出为处于脱离位置与接合位置之间的图5的联轴器的剖视图。

图7是示出为处于脱离位置与接合位置之间的图5的联轴器的剖视图。

图8是示出为处于接合位置的图5的联轴器的剖视图。

具体实施方式

现在，在下文中将参考示出本发明的实施例的附图更加充分地描述本发明。然而，本发明的系统和方法可以被实施为许多不同形式并且不应当被解释为限制于本文中所列举的示例性实施例。反而，提供这些实施例使得本发明是彻底和完全的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的数字始终表示相同的元件，并且带上撇的符号(如果使用了的话)表示替换性实施例或位置中的类似元件。

在以下讨论中，列举了许多具体细节以提供对本发明的全面理解。然而，对本领域的技术人员显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实践本发明的实施例。另外，在大多数情况下，省略了关于钻井、储层测试、完井等的细节，因为为获得对本发明的完全理解，这些细节不被认为是必要的，并且被认为是在相关领域的技术人员的技能范围内。

观看图1，地下井10包括井眼12。esp14位于井眼12内。图1的esp14包括电机16，电机16用于驱动在esp14的上部分处的泵组件18。电机16例如可以是交流感应电机或直流感应电机，或者是永磁式电机。电机16与泵组件18之间是密封部分20。密封部分20可以防止电机16受到井眼流体污染，使esp14内的压力与井眼12的压力平衡，并且吸收由泵组件18产生的轴向推力。esp14还可以包括用于监测井眼12内的状况的传感器22。作为实例，传感器22可以测量诸如泵入口和出口压力、泵入口温度、电机内部温度、振动以及其它期望的参数等特性。电缆23可以用于向电机16提供电能以及与传感器22通信。

井眼12内的流体可以在泵组件18的下端处进入esp，并且通过管24进行到地面。封隔器26可以密封在管24的外径与井眼12的内径之间，从而制取到地面的流体来自井眼12的选定区间。

泵组件18包括多个泵部分28。在某些实施例中，可以有两个或更多个泵部分28，并且在图1的实例中，泵组件18包括三个泵部分28。泵部分28串联构造，使得从井眼12制取到地面的流体连续进行穿过泵部分28中的每一个。为了允许流体行进穿过泵部分28，流体可以进行穿过泵部分28中的一个的出口30、进入相邻泵部分28的入口32。

每个泵部分28由轴组件34驱动。轴组件34沿中心轴线ax延伸。轴组件34包括一串轴段36。轴段36可以通过联轴器38连接在一起。联轴器38位于每个泵部分28之间。在图1的实例中，每个轴段36的至少一端具有位于联轴器38处的端部。联轴器38可以将轴段36中的每一个连接在一起，使得它们一起旋转，并且使得它们用作在电机16和每个泵部分28之间沿中心轴线ax延伸的单个轴。两个或更多个泵部分28包括顺序泵部分，并且每个顺序泵部分具有顺序轴段36，当顺序联轴器38处于接合位置时顺序轴段36与电机轴段36a一起旋转。

联轴器38包括传动机构40。传动机构40可以在脱离位置与接合位置之间移动，其中，在脱离位置处联轴器38不传递相邻两轴段36之间的旋转，并且在接合位置处联轴器38传递相邻两轴段36之间的旋转。每个传动机构40在轴组件34的至少一部分正在旋转时能够从脱离位置移动到接合位置，从而允许连续泵部分28的顺序启动。当电机16被供电并且esp14正在运行时，传动机构40可以保持在接合位置。在电机16停止、esp14不运行或者轴组件34为静态时，每个传动机构40可以移动到脱离位置，使得传动机构40可以再次顺序移动到接合位置以顺序重新启动泵部分28。

在esp14的整个运行过程中(包括当任何传动机构40处于脱离位置时以及当任何传动机构40处于接合位置时)，每个泵部分28与轴段36中的一个接合。因此，当联轴器38与相邻两轴段36的端部接合时，这些轴段将一起旋转并且使两个相连的泵部分28运行。

观看图1，作为实例，当电机16运转时电机轴段36a可以旋转。电机轴段36a可以与第一泵部分28a接合，并且当向电机16供电时可以使第一泵部分28a运行。第一泵部分28a可以是最靠近电机16的泵部分。这样，电机轴段36a的旋转可以启动第一泵部分28a。

当第一泵部分28a已启动且正在旋转时，如果在第一泵部分28a与诸如第二泵部分28b等相邻泵部分之间的第一联轴器38a具有处于脱离位置的传动机构40(图2至图8)，则第一联轴器38a阻止电机轴段36a的旋转传递到相邻轴段或第二轴段36b。第二轴段36b与第二泵部分28b接合，并且因此当第一联轴器38a的传动机构40移动到接合位置时，第一联轴器38a将电机轴段36a的旋转传递给相邻的第二轴段36b，并且启动相邻的第二泵部分28b。

类似地，当第二泵部分28b已启动且正在旋转时，如果在第二泵部分28b与诸如第三泵部分28c等相邻泵部分之间的第二联轴器38b具有处于脱离位置的传动机构40(图2至图8)，则第二联轴器38b阻止第二轴段36b的旋转传递到相邻轴段或第三轴段36c。第三轴段36c与第三泵部分28c接合，并且因此当第二联轴器38b的传动机构40移动到接合位置时，第二联轴器38b将电机轴段36a的旋转经由第二轴段36b传递给第三轴段36c，并且启动第三泵部分28c。在实施例中，具有三个以上泵部分28，可以重复该过程以启动每个泵部分28。通过顺序地启动每个泵部分28，可以减小启动esp14所需的扭矩和电能，可以避免电机16被烧坏以及对轴组件34的损害，并且可以解除轴组件34的任何锁定。

传动机构40可以以机械地、液压地、电动地、电磁地方式启动。在其它实施例中，传动机构40是机械离合器。可以通过传输线路42向传动机构40供电、检测传动机构40和控制传动机构40。作为实例，传输线路42可以是液压线路、电线或控制线路，或者适用的其它类型的通信线路。传输线路42可以从地面延伸到每个联轴器38的传动机构40。

观看图2至图4，在示例性实施例中，传动机构40可以是惯性组件(inertialassembly)。在惯性组件中，当与传动机构40相连的轴段36中的一个轴段的旋转速度到达给定值时，传动机构40可以从脱离位置(图3)移动到接合位置(图2)。在图2至图4的实例中，传动机构40包括配重44。作为传动机构40的旋转结果，配重44可以从径向向内位置向径向向外位置移动。当配重44向外旋转地移动时，配重44可以与配重槽45接合，并且风扇52和54缓慢地彼此靠近但永不接触，以形成允许风扇52和54一起旋转的非接触式流体联轴器(non-contactfluidcoupling)。

观看图3，传动机构40包括铰链46上的配重44。铰链46可以从伸出位置(图3)移动到缩回位置(图2)。铰链46的一端可以固定至环部47，环部47外接于套圈50并独立于套圈50旋转。环部47可以由套圈50的径向肩部49支撑。套圈50可旋转地固定于轴段36中的一个轴段(示出为作为上轴的实例)以及风扇52。套圈50和风扇52可以沿轴段36中的一个轴段(示出为作为上轴的实例)轴向移动。

弹簧48将铰链46偏压到伸出位置，此时配重44位于在径向上更靠近轴段36的外径的位置。套圈50和风扇52独立于铰链46旋转。铰链46在伸出位置和缩回位置之间移动，环部47可以拉动(pullon)套圈50的径向肩部49。套圈50可以是环形部件，并且在内径表面上具有凹槽，内径表面可以与上轴段36的外齿接合。

配重44可旋转地固定于轴段36中的一个轴段，该一个轴段在图3中示出为作为下轴段36的实例。随着该轴段36旋转，配重44也会旋转。风扇54也会随着该轴段36旋转。风扇52、54与联轴器是一体的，因为它们在加速期间形成允许滑动的非接触式流体联轴器，并且在两个轴段36以相同速度旋转时形成刚性联轴器。这种类型的联轴器还允许在高载荷下脱离而不发生机械损坏。

观看图4，随着配重44旋转，配重44将在离心力的作用下克服弹簧48的偏压力径向向外移动。随着配重44径向向外移动，铰链46从伸出位置朝向缩回位置移动，使得配重44、套圈50和风扇52也朝向正在旋转的风扇54沿轴向移动。配重44沿轴向靠近配重槽45和套圈50移动，并且风扇52靠近风扇54移动，从而缓慢形成流体联轴器。

观看图2，当配重44以足够速度旋转从而使得铰链46处于缩回位置时，风扇54将在第二风扇52上施加拖拽力使第二风扇52以与第一风扇54相同的速度旋转，从而形成相邻的轴段36之间的旋转联接，使得相邻两轴段36一起旋转。在该构造中，传动机构40处于接合位置，并且与先前未移动或慢速移动的轴段36相关联的泵部分28被启动。只要轴段36继续以足够的速度旋转，传动机构40将保持在接合位置。当电机16停止或轴段36停止以足够的速度旋转时，传动机构40可以返回到脱离位置。

观看图5至图8，在传动机构40的替换性实例中，传动机构40可以包括同步离合器组件。在图5至图8的同步离合器组件中，当将传动机构40从脱离位置移动到接合位置时，在构成相邻两轴段36之间的连接之前，相邻两轴段36的速度将达到相似的速度，该相似的速度将是电机轴段36a的速度。

观看图5，相邻两轴段36中的一个轴段的一端具有凸锥56，并且相邻两轴段36中的另一轴段的一端具有凹锥58。相邻两轴段36的(各轴段的)各端具有外齿60。并且套圈62具有凹槽，该凹槽可以同时地将相邻两轴段36中的每个轴段的齿接合起来，以可旋转地连接相邻两轴段36，使得相邻两轴段36一起旋转。

观看图6，当使相邻两轴段36并到一起时，凸锥56与凹锥58之间的摩擦力将导致未移动或较慢速移动的轴段36旋转并且到达旋转的轴段36的旋转速度。观看图7，一旦相邻两轴段36以相同速度旋转，则套圈62可以沿两轴段36中的一个轴段的齿60朝向两轴段36中的另一轴段的齿60轴向移动。轴段36中的另一轴段的齿60的尖端可有助于使该齿60与套圈62的凹槽对准，使得套圈62可以桥接相邻两轴段36中的每个轴段的齿、可旋转地将相邻两轴段36连接起来。在该构造中，传动机构40处于接合位置，并且与先前未移动或慢速移动的轴段36相关联的泵部分28被启动。

尽管已在图2至图8中示出了示例性传动机构40，但还可以使用满足根据本发明的实施例的esp14的操作要求的可替代传动机构40。

在操作的实例中，为了利用esp提供人工提升，可以将具有电机16、泵组件18、密封部分20和轴组件34的esp14下降到地下井10的井眼12中。可以向电机16供电以使与第一泵部分28a接合的电机轴段36a旋转，以启动第一泵部分28a。在轴组件34的电机轴段36a旋转之后，在第一泵部分28a和第二泵部分28b之间的传动机构40从脱离位置到达接合位置，在接合位置处联轴器38a传递电机轴段36a的旋转以使第二轴段36b旋转并启动第二泵部分28b。其它相邻传动机构40可以类似地移动到接合位置以启动其它泵部分28。传动机构40中的每一个可以在esp正运行的同时保持在接合位置。当esp14停止时，联轴器38的每个传动机构40可以移动返回脱离位置，使得仅第一泵部分28a与电机16接合。

因此，在本文中描述的本发明的实施例非常适于达成目标，并且实现所提到的目的和优点以及系统和方法中固有的其它目的和优点。尽管出于公开的目的已给定本发明的当前优选实施例，但在用于实现所期望的结果的过程的细节中还存在许多变化。本领域的技术人员将容易想到这些或其它类似的修改，并且这些或其它类似的修改意在被包括本发明的要旨和所附权利要求的范围内。