专利名称:一种带有双锥单元的泵装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种泵装置，尤其是涉及一种用于从深处抽吸材料的泵装置，本发明还涉及所述泵装置的使用方法。
背景技术：
人们广泛对从距地面10米以下或更深的井底抽吸材料的问题感兴趣。许多地下水位于地面20米到150米以下区域，因此，需要正压抽吸技术。在石油工业中，因为一些有石油井和天然气井可能深于1000米，这种情况就更成为问题。
除了井深问题，还有另一个问题。这个新问题涉及从很深的井里向上提水。这样的水已经证明有很特殊的性质，几千米深的水包含很大百分比的重水。这种自然资源是用于喷融工艺的最主要原燃料。
目前在市场上有多种可选的井抽技术。在这些技术中，有三种占明显优势，它们是降至井底的电泵。
降至井底的喷射泵。
气-举技术。
使电子泵位置下降有许多缺点，大多数井的截面积相对较小，特别如果是深井，泵转子的直径必须小。这个事实严重限制了泵能够产生的转矩，只有通过使用特殊的贵重材料才能部分地克服。还有，所抽吸的媒质不得不流经转子，否则就没有冷却效果。目前，唯一的办法是通过电缆给泵提供电源，电缆不得不下降到井的整个深度。结果，这种类型的泵极少能应用在石油工业的井区中，这样的井底环境可能包括高温多相酸混合物。
喷射泵是一种众所周知的效率很低的设备，它不能在高的背压下工作。然而，其具有优点机械泵位于安全地带——地面上。在下方，泵不得不传送所需的全部压力来克服由于井深导致的静压降和动压降。为了试图减少这种高压传送的需要，经常使用气-举技术。这需要在井底喷射气体，从而气体沿排气管上升时，气体在某种程度上抵消所述背压。
所有这些技术在理论上都可行，但已证明在实际操作中是非常困难的和成本大的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种泵设备，以克服以上所提到缺点中的至少一个缺点。
所述目的是通过提供一种泵装置而实现的。该泵装置用于从深处抽吸包括气体在内的流体，其工作流体的环路包括下列部分一个供应管、一个排出管、一个循环泵、一个双锥单元和用于排出被抽吸流体的排出装置，这些部分连接成使得循环流体循环通过循环泵、供应管、双锥单元、排出管和循环泵，并且排出装置设置在所述管之一中，从而由双锥单元注入循环流中的被抽吸液能由排出设备采出，双锥单元包括一个入口单元和一个出口单元，每一个单元为中空的截头锥形，入口单元和出口单元由各自的小直径的第一端相连，从而形成一个孔，其中满足下列条件中的至少一个间隙宽度h与孔直径d的比h/d0＜h/d＜6入口直径Din与孔直径d(124)的比Din/d2＜Din/d；出口直径Dout与孔直径d(124)的比Dout/d2＜Dout/d；入口锥体的锥度θ10＜θ1＜10°；以及出口锥体的锥度θ2θ2≤θ1。
图1是使用一个双锥单元的泵装置的示意图；图2是一个双锥单元的纵向剖面放大示意图；图3是沿图1中的线III-III的剖面图；图4是与图2类似的且具有特征参数的双锥单元纵向剖面放大示意图；图5是第三个泵装置(C实施例)的示意图。
具体实施方式
本发明中所使用的双锥单元是几个早期专利的主题，这几个早期专利例如是CH-A-669 823，CH-A-671 810，US-A-4 729 284，EP-B-0 232391和申请号是PCT/CH 99/0403国际专利申请，在此引用作为参考。
从这些文献中，已知双锥单元(DCT)可形成一种用于产生过压的有效装置以及一种抽吸装置。
然而，对于井泵的要求，存在起动问题，起动时所抽吸的流体从设备中喷出喷入井中。令人惊讶的是，注意到抽吸开始后一小段时间，这种喷射会停止。在其它阶段中，双锥单元迅速产生一种超过背压的抽吸效果。
参照图1，一种双锥井泵装置主要包括一个循环泵3，一个双层管4，一个开口双锥(ODC)单元7和一个可选分离机9。所述循环泵3位于地面11上的一个安全的位置处。循环泵3为双层管4的内腔13或外腔15(外腔管)供液，双层管4连接循环泵3和开口双锥单元7。双层管4可以是刚性的、半刚性的或柔性的。双层管4是柔性的例子是在灭火水龙带内套着的灭火水龙带。位于井19的底部17的开口双锥单元7，将待抽吸的流体20和/或气体通过入口22抽入循环流21。所得到的混合物直接进入所述双层管的排出部分23并且上升到地面11，如向上的箭头25所示。这些混合物进入位于地面的分离机9，在此处载液被分流并返回到循环泵3(箭头27)。
开口双锥单元7不包括任何可移动部件。只有载液和将要引入的物质(例如，待抽吸的流体20)处于动态。在开口双锥中没有阀，该开口双锥可以随意启动和停止。唯一的特殊要求是必须具有特殊的几何形状，以及开口双锥由一种耐受环境的材料制成，该材料需要在这种环境中发挥作用。
开口双锥单元的特殊机械特性包括很好地抗高背压的能力。实际上，开口双锥几何形状可选择成在高背压的情况下该形状的开口双锥比没有同样的单元更有效地发挥作用。开口双锥在这一方面的优点如下面引用的例子中所示。
在一个1000米深的井中，流体媒质的背压可望达到100巴以上。借助于双锥单元井泵，循环泵不需要产生100巴的压强，但假设输出传送保持在一个特定的水平之下，这个压强大约为10到20巴。不足的压力由开口双锥单元来供给，开口双锥单元具有将高流速低压的流体转成低流速高压流体的能力。
双锥单元井泵的特殊性质根据前面引用的专利和专利申请等其它的资料，双锥单元井泵是对于已知双锥单元高压泵的意想不到和惊人的发展。高压泵的许多特征也延至到井泵。井泵多种的特征和潜在的应用在下面的列表中列出。
双锥单元井泵特征技术特征1.能单独地抽吸气体，流体和悬浮液或它们的混合物。
2.使用一种载液。
3.该载液优选用于任何给定的应用。
4.载液由一个循环泵来驱动，循环泵所传送的压力可以比根据井深的静压所示的压力低得多。
5.如果出现任何下面的情形，泵都不会损坏出口关闭。
入口关闭。
出口和入口都关闭。
6.井下开口双锥可以在施加于其入口22负压或正压下工作。
7.所述泵无脉动。
8.所述泵可在高压下工作。
9.所述泵可以用于连续生产和间歇生产。。
双锥单元井泵的外观和安装特征10.开口双锥单元7可以位于远离循环泵3的一定距离处。
11.循环泵3可以位于邻近电源的一个安全的地方，而开口双锥单元7位于所预期的吸入点处。
12.泵的总功效是开口双锥单元7的附近的环境压力和系统压力的递增函数。
13.将开口双锥单元7置于地面以下的深井中，如图1，双锥单元泵显示出远远高于地面上的开口双锥单元所获得的水力学功率。
14.可以运送各种各样的多相混合物，包括含有如下成份的任何混合物小固态微粒；
低粘度软泥；流体；气体。
15.可以将整个泵设置在灭菌条件下运行。
双锥单元井泵在多相抽吸中的优点16.可以抽吸危险混合物。
17.危险物不需要通过循环泵3，因为危险物可以在分离机9中分离出去，只有载液返回到循环泵3。
18.载液可以选择成“中和”或选择性地传送所选择的部分。
双锥单元井泵工作原理第一个实施例A图1是双锥单元井泵的工作原理示意图。循环泵3向通向开口双锥单元7的入口单元29(图1和图2的箭头30)的双层管的外腔供应流体。在该流体通过开口双锥单元7的中间部分31(参照图2)时，产生一个低压，该低压将井液抽入载液流中(箭头33)。该混合物就上升到双层管4的内腔13并进入分离机9。分离后，载液返回到循环泵3并重复循环。
进入到开口双锥单元7的输入区35的循环内即通过入口22的物质引起系统压力升高，使得在分离机9的出口阀处可以实现增压传送。出口阀将用来控制整个系统的运行。
通过输入区35的载液设置经由通道37穿过输入区，如图3所示，输入区沿开口双锥单元7的外壳39延伸。从井中抽出的流体和/或气体通过位于开口双锥单元的外壳39内的四个开口41进入到吸入腔43中，并且当流体和/或气体通过输入区35的间隙(入口22)时，流体和/或气体被载液带走，入口22位于双锥单元的最窄通道45之后的很短距离处。
为了简化视图，在图3所示的截面图中，只显示了一种有四个开口的设置。可根据际应用调整开口的实际数量和类型。
任何抽入开口双锥单元7中的气体将在主要的循环过程中被压缩。当气体上升时，液压下降并且气-举效果将会起作用。在到达分离机9时，气体和任何外来物将在返回到循环泵3之前从载液中被分离出去。固态物质也在分离机处移除。
特殊细节开口双锥的几个有效的特征之一是在高速流下，随着系统压力达到一个特定的界限，开口双锥的压降要求减小。系统压力的上限本身是载液流的一个函数，假设考虑到特定的几何值，系统压力可以增加到很高的值。特别是，对连接到锥形入口的小型出口扩散管的选择是重要的。在正确地选择了几何形状后，当一定深度下的开口双锥的运转与在地面上的开口双锥的运转相比较时，我们发现开口双锥在深度下工作输入能量更少。
中央孔区对于双锥单元井泵的功能是至关重要的。在专利申请PCT/CH 99/00403中，提出了一种原始双锥的新的变化。这个修改大大提高了在恶劣工况下的双锥的可用寿命，所以我们把它包括在了双锥单元井泵的设计中。图2和图4是开口双锥单元的孔区的纵向截面示意图。
带有扩散管的双锥单元的优选特征值；d代表孔直径124，L代表小型扩散管的长度125。L和d的比值对于开口双锥单元7的性能是至关重要的。L/d的值大于0.1表示提高了期望寿命和整体性能。随着L/d的比值增加，经过修改后的开口双锥单元7的总压降降低。与此相反，对于给定的进给流速所获得的压缩机的最大压力降低。最佳折衷值接近于对于可达到的进给流速该值刚好产生充足的压缩机压力的L/d值。
主要根据PCT/CH 99/00403得来的，用于双锥单元的特别优选布置的其它参数在下面列出(≤表示小于或等于)间隙宽度h 126与孔的直径d 124的比h/d0＜h/d＜6，优选的是0.5＜h/d＜4；入口直径Din27与孔直径d的比Din/d2＜Din/d，优选的是5＜Din/d＜20；出口直径Dout与孔直径d的比Dout/d2＜Dout/d，优选的是5＜Dout/d＜20；入口锥体的锥度θ11080＜θ1＜10°(度)，优选的是θ1＜8°，更优选的是θ1≤6°。
出口锥体的锥度θ2109θ2≤θ1。
根据本发明特别优选的值是3°≤θ1≤6°，和/或θ2位于3°到6°的范围内。
将不带有扩散管的基本双锥单元1和带有如图4所示的扩散管的开口双锥单元7进行直接比较，在基本双锥单元1中入口22(输入间隙)位于孔45处，可以得出以下结论工作状况进给液流速8m3/h流入液流速1m3/h系统压力P 35巴观察报告不带有扩散管在工作仅20分钟后就严重损坏有扩散管在工作40小时后没有出现损坏除了增加工作寿命外，提供有扩散管还能降低工作噪音。
根据本发明，特别是用作一个深井泵时，已有一个惊人的发现通过改变扩散管的锥度，可以实现很大的改进。因此，将扩散管的锥度θ355选择在大于0，小于θ2的范围内，特别是在0.5°到小于6°的范围内，即0＜θ3＜θ2。优选的是θ2位于3°到6°的范围内，θ3位于1°到5°的范围内。
如上面所提到的，通过改变扩散管的锥度θ355，双锥单元的性能得以提高，即循环泵所需的能量降低。
一个小双锥单元井泵运转说明从一深为400m的模拟井中的输出性能为0.5m3/hr(立方米/小时)。这个实验是在大气压下通过入口从容器抽水来进行的。双锥单元井泵的尺寸和性能都取决于井深、所抽吸的多相混合物、井下液位、所需的输出传送量和压力、以及载液流速。
在实施例A中，如图1所示，液流设置上升到双层管的内腔中(箭头25)。对于一定的应用中，这种装置优于根据下面说明的实施例B的装置，在实施例B中工作循环液的流向是反向的。但实施例A不易于使用软管。
实施例B除了泵的连接进行了交换已使工作流体的循环方向反向，实施例B的结构与实施例A的结构完全相同。因此，为了描述的目的，参照图1且将循环反向。因此，流体沿着内腔13向下运行然后上升到外腔15。当有外压加到双层管4上，如果软的双层管4不能支撑一个开口横截面，这种安排是必须的。
拿设在弹性软管内的弹性软管做例子，可以看到如果经过外腔15为开口双锥供液，几乎不可能进行起动。在压力下，内腔13将关闭，并且可能开口不足以使载液和其携带物返回到循环泵3。
双层管4的大部分长度可以由柔性材料制成，在其一端连接有刚性开口双锥单元7。整个的双层管4绕在一个卷轮上以方便操作。只要条件允许，软管都可以沿井壁延伸其长度。
然而，开口双锥的壁必须能够承受井底的内压和外压之差。
起动实施例B双层软管上悬的开口双锥向下放到井底后，双锥单元井泵的起动就相对简单了。循环泵3通过供应来自独立容器的载液来起动。泵驱动载液向下穿过软的双层管4的内腔13(即内层管)到达开口双锥单元的孔45。孔45的截面比内腔的截面小的得多，这样流体以比其到达下面的管慢得多的速度漏入井内。一旦静压(液柱)和泵压的合成达到一个合适的水平，载液将通过所述间隙(入口22)喷入出口锥。同时输入区35开始抽吸。当载液充满软管的外腔15后就沿着表面上升，开口双锥单元7的背压上升。这个结果有助于开口双锥单元内压降减少，释放更多压力以增加载液的流速。
从启动开始到循环稳定，这段时间通常很短。在浅井中这段时间的数量级是秒，在深井中是几分钟。
停机实施例B双锥单元井泵的停机只需要关掉循环泵3。软的双层管4内的载液将会向下流入井内，但在大多数情况下不会导致任何不适当的新增问题。通过将阀引入分离机9的区域内的供应管和返回管中能减少载液的损失。
疏通开口双锥单元吸入开口双锥单元7内的物体周期性地阻塞开口双锥单元，一种方法可以使供给开口双锥单元7的液流反向流动。这将在输入区35内产生一个高压以将阻塞物吹走。一旦传送压力大大地降低，供给液就会返回到其正常方向。通过图2所示的对称几何形状保证了经过开口双锥单元7的液流反向产生的高压。
双锥单元井泵实施例C实施例C 60，如图5所示，允许从极深处连续地抽吸流体62。这种特殊的设置非常有效，并且因而能使用相对小尺寸的开口双锥单元7来抽吸大量的流体。
如上面所提到的，系统压力和外加入口压力越高，在通过开口双锥单元7的一个给定的压降下就有越多的循环液流过。在100巴的外加入口压力的动态条件下，地面1000m以下的系统压力将远远大于100巴。在这种情况下，可以设计有非常有效的开口双锥单元7。
该泵的实施例在瑞士的Thun湖(Lake Thun)40m的深度处进行了实验。该实验不但证实了该泵的工作原理，而且还证实了其工业实用性。
实施例C上浮辅助单独的小口径管可以下降并连接到沉于水下的物体上。使用实施例C，双锥单元井泵能够下降并连接到沉没物体上，该沉没物体携带有小口径管，以将水从该沉没物体中抽出。在运行井泵时，空气将逐渐在小口径管中下降，逐渐填充被抽空的沉没物体。不久，增大的置换容积将使沉没物以一种可控的方式朝水面上升。
准停机，所有实施例通过简单地降低循环泵的动力和/或关闭输出阀36，可以在循环液漏出最小或不漏的情况下实现准停机。当然，如果只是输出阀36关闭，在循环内会逐渐形成一个相当大的过压直至到达平衡。
ODC的一般外形和典型尺寸ODC当从外看时是圆柱形的，在绕其圆柱体轴线一半长度的外圆周上分布有多个孔。在一端处有一个用于与双层管4相连的附件，圆柱体的另一端是封闭的。一个小孔井ODC的典型尺寸是150cm长，外径是100mm。
优选的是，开口双锥单元7的封闭下端只是一个圆盘平面。可以发现，支撑循环流偏转的形状仅仅是使双锥单元的性能变差。然而，这个结果不严格排除其它用于封闭开口双锥单元的其它装置。
小型双锥单元井泵的喷射性能对于一个110mm直径的钻孔，深为400米的井，使用一个外径为100mm，长度为150cm的ODC是合理的。在这样一个开口双锥外壳中，可以设想有多个完全不同的内部几何形状。在表1中列出了三种不同L/d值的几何形状的理论性能。
表1具有不同的L/d值的三种ODC单元的对比性能，这些ODC单元适用于相同的圆柱外壳(外部尺寸150cm长，直径100mm)。
这些理论结果并不代表最佳情况。它们只是包括在典型、小孔DCT井泵的性能范围内。水力学效率可以增加到超过表1中所列的最佳值。但，当出现困难情况时，其它的标准就会使效率显得不那么重要。对于上面所引证的最低效率的情况，驱动循环泵的所需能量相当于每天少于1桶油。实际上，上面所显示的效率比甚至最好喷射泵的效率还要好。
以上面所描述的为基础，本领域的技术人员可以在本发明的权利要求
所保护的范围内做出不同的变化。如可以作下述变化作为改进的双锥单元的替代，可以使用一个简单的双锥单元，即在最窄处带有入口22的双锥单元。
可以用分离的管来供应和排出循环液，例如，通过倾斜或在极端情况下将双锥单元水平放置。
出口锥的虚拟延长段可能不是严格地会合双锥单元的孔45的周边，而可能与平面31剖切出更小直径或更大直径。
权利要求
1.一种泵装置(1，60)，其用于从深处抽吸包括气体在内的流体，其工作流体的环路包括下列部分一个供应管、一个排出管、一个循环泵(3)、一个双锥单元、和用于排出被抽吸流体的排出装置，这些部分连接成使得循环流体循环通过循环泵(3)、供应管、双锥单元、排出管和循环泵(3)，并且排出装置设置在所述管之一中，从而由双锥单元注入循环流中的被抽吸液能由排出装置采出，其特征在于双锥单元包括一个入口单元(29)和一个出口单元(47)，每一个单元为中空的截头锥形，入口单元(29)和出口单元(47)由各自的小直径的第一端相连，从而形成一个孔(45)，其中设在出口单元内的至少一个入口(22)位于距出口单元第一端一段距离处，从而在入口(22)和出口单元的第一端之间存在一个截面积递增且有效长度为L的扩散管部分(49)，所述扩散管部分(49)的锥度比出口单元(47)的锥度小，并且满足下列条件中的至少一个间隙宽度h(126)与孔直径d(124)的比h/d0＜h/d＜6；入口直径Din(27)与孔直径d(124)的比Din/d2＜Din/d；出口直径Dout(128)与孔直径d(124)的比Dout/d2＜Dout/d；入口锥体的锥度θ1(108)0＜θ1＜10°；以及出口锥体(4)的锥度θ2(109)θ2≤θ1。
2.根据权利要求
1所述的泵装置(1，60)，其特征在于满足下列条件中的至少一个间隙宽度h(126)与孔直径d(124)的比h/d0.5＜h/d＜4；入口直径Din(27)与孔直径d(124)的比Din/d5＜Din/d＜20；出口直径Dout(128)与孔直径d(124)的比Dout/d5＜Dout/d＜20；以及入口锥体的锥度θ1(108)0＜θ1≤6°。
3.根据权利要求
1所述的泵装置(1，60)，其特征在于出口单元的锥度大于0°，并且最大为10°。
4.根据权利要求
3所述的泵装置(1，60)，其特征在于出口单元的锥度在3°到6°的范围内。
5.根据权利要求
1所述的泵装置(1，60)，其特征在于扩散管部分(49)的锥度大于0°。
6.根据权利要求
5所述的泵装置(1，60)，其特征在于扩散管部分(49)的锥度在1°到5°的范围内。
7.根据权利要求
1-6中任一项所述的泵装置(1，60)，其特征在于双锥单元的壁包括至少一个通道(37)，并且双锥单元在其第一端封闭，通道(37)在双锥单元的第一端和第二端处有开口，所以流体可以通过通道(37)流动至封闭端或从封闭端流走，排出管和供应管可连接在双锥单元的第二端处，其中一个连接至通道(37)，另一个连接至双锥单元的入口单元或出口单元的第二端。
8.一种使用根据权利要求
1到7中任一项所述的泵装置(1，60)来提升沉在液体中物体的方法，其特征在于所述液体由所述循环泵从所述物体中泵出，并且比重小的介质由一个附加的导管导入物体，从而所述介质占据被泵出液体的容积。
专利摘要
本发明公开了一种泵装置，该泵装置工作流体的环路包括下列部分供应管、排出管、循环泵、双锥单元和用于排出被抽吸流体的排出装置，所述双锥单元包括入口单元和出口单元，各单元为中空截头锥形，入口单元和出口单元由各自小直径的第一端相连，从而形成一个孔，其中满足下列条件中的至少一个间隙宽度h与孔直径d的比h/d0＜h/d＜6；入口直径D
文档编号E21B43/12GKCN1292146SQ02806727
公开日2006年12月27日 申请日期2002年3月5日
发明者约翰·思达克, 汉森·沃巴克, 乔·山 申请人:Dct双锥技术有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan