专利名称：井下油井泵的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种从下套管井即井眼中取出天然碳氢化合物或其他流体的泵系统，特别涉及一种特别适合于从气体开采井中取出流体的受气体驱动的新型井下泵。
背景技术：
日益增长的产量需求和延长油井和气井的经济寿命的要求长久以来提出了许多难题。例如，在从储集层开采天然气时，储集层中的压力随着时间推移下降，夹杂在气流中的压力较高的某些流体由于储集层压力的下降喷涌、累积在井眼中。最终，底孔压力下降到该压力不足以把累积的流体提升到地面上的程度。然后，累积流体的静水压力造成由“生产层”开采的天然气大大减少甚至完全静态，从而气体/流体无法流入打有孔眼的井眼，造成该井眼暂时不能使用，并且可能由于经济原因而过早关闭。
油气工业使用各种方法提升井眼中的流体。最常用的方法是使用抽油架(往复泵)，但该抽油架带来了其他问题。抽油架需要在地面上安装大量钢材，它包括若干活动部件，包括起平衡作用的配重，从而操作者受伤害的风险大大增加。此外，这种人造提升系统由于泵轴在油管中不断作上下运动而造成油管磨损。因此，抽油架的维护成本很高，从而不利地影响到油井的经济可用性。
另一种提升油井中流体的公知系统为柱塞提升系统。柱塞提升系统需要借助底孔压力举起活塞，该活塞把流体提升到地面。与抽油架一样，柱塞提升系统包括许多必需定期维护和更换才能有效工作的设备支撑件，造成从该油井开采碳氢化合物的成本大大提高，最终由于储集层压力低于把活塞提升到地面以排空累积液体所需压力而变得无效。
因此，需要有一种更安全、寿命更长、性价比更高的抽油系统有效地从其底孔压力不足以把液体提升到地面上的井眼中取出液体。
发明内容
现在发现，上述需要可由受气体、最好是由该油井开采的气体驱动的井下泵系统满足。确切说，该泵系统包括有引擎端和泵端的泵壳体。该泵壳体的引擎端中有一“引擎”，该引擎包括固定连接在所述壳体中的轴上的推进器型或涡轮机型叶片。一旦把高压气体供应给引擎端叶片则可造成该轴转动。该壳体的泵端中设有“泵”，该泵包括固定连接在同一轴上的叶片(最好是推进器型)。随着该轴的转动，泵端叶片提升该油井中的井液。
在本发明一优选实施例中，通过装在该泵壳体的引擎端附近、位于更大直径的开采油管柱中的油管柱提供驱动该泵的气体。在该结构中，通过形成在该开采油管柱与支撑该泵的较小直径油管柱之间的环形空间开采井液。
在本发明另一优选实施例中，该泵壳体的外径至少为3.25英寸。
在本发明另一实施例中，提供一种从油井开采流体的方法，该方法把气体(最好是该井中的气体)供应给井中的泵，该泵包括(1)受所述高压气体驱动、造成所述泵中垂直轴转动的引擎部和(2)泵部，该泵部用所述泵部中、固定在所述转轴上的叶片提升所述井中的流体。在这一方法的优选实施例中，用压缩机控制该气体的压力，位于该压缩机上游的分离器分离流体与该气体。
从以下结合附图的说明中可更充分理解本发明及其他优点，附图中图1为本发明泵系统的井下泵优选实施例的剖面图；图2为本发明井下泵和系统的优选实施例的示意图；图3为本发明井下泵和系统的另一优选实施例的示意图；图4为本发明井下泵另一优选实施例的示意图；和图5为本发明井下泵另一优选实施例的示意图。
具体实施例方式
本发明为一种用来取出油井、特别是但不限于其底孔压力不足以把井中液体从井眼提升到地面上的油井中的液体的新型泵和泵系统。下面结合图1和2说明本发明第一优选实施例。图1和2示出普通碳氢化合物完井的一部分，包括在碳氢化合物开采岩层附近的有孔眼102的套管柱100和带有孔眼106的开采油管柱104。该开采油管104在该井眼中装有井下固定阀或止回阀120。最好是，该止回/固定阀120用螺纹连接在开采油管104底部上，在带孔眼油管接头122正上方。这一结构可在取出泵10和1英寸油管110时不把岩层暴露给在开采油管104与1英寸油管110之间的环形空间108内截获的任何开采的流体和/或材料。在需要释放该流体时，可敲开固定阀(单流阀)120的底部后用“滑线”工具拆除固定阀。此外，操作者也可在拆除固定阀120前通过使强迫通风或任何其他类型的压力穿过排空该油管中的液体或材料的环形空间中，从而选择地从油管中取出流体。
本发明泵10位于开采油管柱104中深及套管100的孔眼102旁。开采油管柱104和套管100这样的导管，其使用、结构和实施在气体和石油开采领域中公知。泵10包括都装在桶16中的引擎端12和泵端14。该泵如图1和2实施例所示，设计成可装在该井的开采油管中，其大小决定于一系列因素，如井下温度、开采油管大小、套管大小和要取出的液体和/或粒子(例如砂和煤粉)的数量。
在图1和2所示本发明的优选实施例中，泵10装在一1英寸直径(外径)的油管柱110的端部上。最好是，该泵用螺纹连接在该1英寸油管的底部上并插入开采油管104中，从而该泵座落在标准API座节130中，而该1英寸直径油管110的顶部悬挂在作为地面上井口一部分的一组油管卡瓦中。如图所示，油管柱110和泵10位于开采油管柱104中，而该开采油管柱位于套管100中。就本发明的目的来说，泵10不必整个位于开采油管柱中，而是在所示实施例中可伸展到开采油管柱底端下方。
尽管示出为1英寸油管，但支撑泵10的油管柱110不限于1英寸油管，而是根据该井的特殊需要确定其大小。例如，如要由该油井开采、提升大量流体，则油管柱110可包括直径更大的油管。在确定油管柱110大小时，考虑若干因素，包括驱动该泵的引擎端所需给进压力/气体体积、操作者希望油管在井眼中的抗拉强度、开采油管的大小、油井套管的大小和计算从该井眼中取出的流体的数量。
泵10也可不装在位于开采油管柱中的1英寸油管柱的端部上，而是装在(用螺纹连接)开采油管柱104或最靠近该层岩的油管柱的端部上(见图3)。此时，泵10顶部设有密封组件，油管柱或管子可插入该密封组件中，从而把合适气压供给该泵的引擎端。
下面结合图1和2说明泵10和泵系统。与公知的杆式泵完全一样，泵10的各部件装在圆柱形钢制壳体(泵桶)16中。泵及其部件可用任何合适材料制成，包括不锈钢，使得它可使用在严劣或腐蚀环境中。泵筒上设有外部密封皮碗132，在小直径油管中使用时把引擎端气体与所开采的碳氢化合物隔开。密封皮碗132座落在安装在开采油管柱104中的座节130上。
如前所述，该泵包括位于该壳体16中的引擎端12和泵端14(图1)。引擎端和泵端可用永久密封轴承、免维护滚针或金属或金属类型轴承40(最好是高温)隔开并由伸入泵10的引擎端和泵端中的共同杆或轴42连接。此外，泵的两端最好包括永久密封稳定装置或免维护轴承44和46，轴承44和46有用于流体和/或气体流入的孔45和47。这一结构使得该泵可以直角或任何角度工作，包括在水平位置工作，而没有效率损耗或不必要的泵磨损。在轴42上装有在泵的引擎端12中的叶片50，叶片50的节距设置成使得流体流体(特别是气体)移离引擎端中的带孔轴承44。尽管所示叶片50为推进器型叶片，但在优选实施例中叶片50不限于推进器型叶片，而是例如作为参考材料包括在此的美国专利No.4,931,026所述涡轮机型叶片(见标号14)。
如图1和2所示，在轴承40上的泵的引擎端中设有允许驱动气体从泵的引擎端排出的排气口60。这些排气口中有止回球阀62，该止回球阀在驱动流体的压力作用下打开，在泵停止工作时关闭而防止流体经排气口流入引擎端(见图3止回球阀结构的标号60、62、64和66)。轴上装有在泵的泵端14中的叶片52(轴向推进型叶片)，其节距设置成使得流体向着泵端14中的排气口64向上流动。这些排气口64中设有止回球阀66，该止回球阀在泵端中的转动叶片52提升流体时打开，在泵停止工作时关闭而防止流体经排气口64流入泵端。如图1-3所示，引擎端中的轴向涡轮机受高压(气体)的驱动生成轴的正确数量的转矩和/或每分钟转数(RPM)，从而经泵端中的轴向推进器使得泵进口处的压力大大减小。
在本发明一优选实施例中，泵10由用该井开采的天然气驱动。一般来说，开采岩层中的天然气沿开采油管或开采油管与套管100之间的环形空间109向上流动到地面上的分离器200后由分离器传送给压缩机210。最好是，地面上的压缩机210设计有足够的引擎马力(HP)、引擎和气体水冷却和压缩机设计，从而当该泵停止工作时超过移动静态流体柱所需压力。此外，该压缩机最好适用于较大的进口和排放压力范围，从而承载压缩机或具有引擎铸件的杆不会因HP不足而停止运转。这一通用性使得操作者可调节传给泵引擎的排放压力或气体量，从而进一步使得操作者可调节从地面分离器200传给压缩机210的地面压力，从而使得操作者实现最佳井眼保护和/或油/气流。
在所示结构(见图2)中，可使用地面分离器上的进口控制阀202控制开采岩层释放的压力，从而可防止开采砂/油页岩遭到破坏。在压缩机210的排放管线上装有“T”接头212，从而一管线214返回井眼连接到与泵10相连的1英寸直径(或更大直径)油管(“驱动管线”)，第二管线216从该T接头伸展到销售管线。此时，可把开采该井所需的任何化学物如石蜡、防水合和腐蚀的甲醇注入1英寸油管110后压到泵10的引擎端12。为此可使用一种标准的连续注入化学泵(例如天然气或电)装在该管子上用作注入点的螺纹连接或焊接的1/2英寸套管。这可使得化学物与所生成流体接触实现其功能，同时尽可能防止开采岩层与这些化学物发生接触。
下面继续说明该优选操作过程/方法，从压缩机210输出的高压气体的一部分经T接头212排入1英寸驱动管线110中，其余高压气体排入销售管线216中连续出售。可用调节阀218调节驱动泵10所需气体量。例如，可使用可锁定在不同位置上的手动节气门或可单独用气压控制器或使用遥控技术控制的机动阀调节气体量。开动泵10所需气体量决定于叶片的节距、泵桶中“轴向涡轮机”的长度和提升环形流体所需压力以及其他因素。
如图1和2(气体路径由箭头表示)所示，排入油管柱110的驱动气体经引擎端12上的带孔轴承44流入泵中。流入引擎端的高压气体然后作用在叶片50上，造成叶片和轴42转动。然后，高压驱动气体(流体)从该引擎经隔离轴承40上方的排放口60排入1英寸油管柱与开采油管之间的环形空间108中。泵端14中的叶片52随着共同轴的转动而转动，造成真空(或抽吸)效应把井中的流体抽过泵端上的带孔轴承46。抽入泵端14中的井液然后经隔离轴承40下方的排放口64流入1英寸油管110与开采油管104之间的环形空间108中。井液然后与该环形空间中的驱动流体一起向地面流到分离器200。所开采的流体和用作动力的天然气的混合物在开采油管与1英寸油管之间的环形空间108中生成重力较轻的流体，从而把它们提升到地面进行分离所需的力(压力)较小。图2示出气体在该泵系统的优选实施例中的流动(箭头表示的流动)。
从上述说明可显然看出，该优选过程反复进行，使得井眼远离所开采的流体和砂，同时作用在采掘面岩石上的背压较小。由于在套管环形空间中进行开采的同时不生成回压或一般由自由液体生成的摩擦损耗，因此采掘面岩石或开采地层开采出额外数量的气体和/或石油。这使得井的寿命延长，从而使得操作者可恢复使用现有公知人造提升方法开采不经济的潜在增加的油气储备。
此外，尽管使用在泵的引擎端和泵端中的排放口上的止回球阀的主要作用是防止/减小流体回流入泵中，但它们还具有次要优点，即通过测试开采油管离地面的压力来检查是否存在任何机械故障。为此，可使用泵车进行，该泵车用中性液体、通常为所开采的水或盐水充满1英寸油管与开采油管之间的环形空间后加压到一经计算的压力。如有很大压力泄漏，则表明1英寸油管发生机械故障。随着环形空间压力的下降而在1英寸油管中的压力的增加即可确定这一点。止回球阀防止测试流体(和任何岩屑或其他外来物质)进入该泵。如1英寸油管未表明发生机械故障，则操作者可决定是否需要使用钻机取出或提起泵后重新对开采油管加压以检查是否发生泄漏。这可确定开采油管中是否存在机械故障。此时装在开采油管104底部上的止回阀120使得这一测试程序得以进行。
上述系统还有其他优点。例如，上述系统便于从所开采气体中取出液体。上述过程还提供一种在气体销售或保护性传送前从压缩机排放气体中取出液体的有效方法。这是因为用来驱动泵引擎的气体压力减小到现存销售管线压力。压缩机排放的不用作开动泵的高热气体在受到分离器进口控制器的控制或压力降时冷却，从而造成所夹杂的水和/或油冷凝物通过使用地面设备从销售气流中分离出来后得以回收。因此，在本发明该优选实施例中，主(三相)分离器200在把该压力传到压缩机210进口前取出原来在井眼中取出的所有自由液体。然后，所有所开采的流体和不用来开动该泵的任何过量气体将通过使用装在取出所开采液体和由于压力降从气流中掉出的流体的第二(两相)分离器230上的进口控制阀222控制或节气下降到销售管线压力，使得较不饱和的“更清洁”气体在管线压力和温度下继续向销售管线216流动。
图3示出本发明泵和泵系统的另一实施例。图3中与图1和2中相同的部件和过程用同一标号表示。在图3所示结构中，泵10直接装在开采油管柱104上而不是装在一1英寸油管柱上。如图所示，在该实施例中，泵不座落在座节上。此外，在该实施例中，开采油管104用封隔器300固定到位。在该实施例中，过程和系统的功能如上所述；但是，泵10经在开采油管104和套管100之间的环形空间109提升流体。这些流体提升后在地面上结合图1和2所述进行处理。
在该泵系统的另一实施例中，可使用有分配管道系统(具有一组压力)的中央压缩机。这一结构的效果与使用一个井口压缩机的结构相同，类似于这样一个气体提升系统，其中，作为动力的天然气从一个中央位置分配给若干井(例如100-200口井)。在该实施例中，气体的流动与图2所示、结合图1和2所述的情况相同，不同在于只需要使用一个地面分离器。
图4示出本发明另一实施例。图4中与图1-3相同的部件和过程用同一标号表示。因此，结合图1-3所作上述说明适用于图4所示实施例，将不再赘述。与图1和2相同，图4所示结构用来在油管柱110与更大直径开采油管柱104之间环形空间108中开采井液。图4示出碳氢化合物完井的一部分，包括在碳氢化合物开采岩层旁有孔眼102的套管柱100和有孔眼106的开采油管柱104。开采油管装在该下套管井或井眼中。在图4实施例中，止回阀/固定阀120是装入油管柱104的座节或“O形环”组件130中的活动固定阀或垂直止回阀。座节130在开采油管柱的底部或从该底部向上管子的一个(1)接头处设置成，使得它位于下面。这一结构使得拆除泵10和1英寸油管时不向岩层暴露任何在开采油管104与1英寸油管110之间环形空间中截获的所开采流体和/或物质。需要释放这一流体时，使用“滑线”工具取出固定阀120。此外，操作者也可用强迫通风空气或任何其他种类的压向该环形空间下面的压力，从该油管中取出流体的任何流体或物质，从而在取出固定阀120前使得油管排空任何流体或材料。
图4还示出泵10引擎部中的涡轮机叶片或涡轮机装置50。合适的泵引擎涡轮机装置参见作为参见参考材料包括在此的美国专利No.4,931,026(见标号14)。由于该涡轮机结构所生成的高转速(例如20,000-30,000rpm)，因此最好使用如图所示垂直稳定轴承140。
图5示出本发明另一实施例。图5中与图1-4相同的部件和过程用同一标号表示。因此，结合图1-4所作上述说明适用于图5所示实施例，将不再赘述。如图5所示，更大直径泵10用螺纹连接在比图1和4所示油管柱(1英寸油管)更大的油管柱110(例如外径为23/8英寸的油管)上。在该结构中，泵10位于形成在更大直径套管100中的孔眼102上方，例如衬套顶部。在本发明该实施例的一个优选方面中，泵10装在外径至少为3.25英寸的壳体或桶16中。如图5所示，泵10位于3.25英寸(外径)油管的一部分中，该油管在泵10上方用螺纹连接在23/8英寸油管110上。如图所示，泵10用把泵固定在其位置上、隔开泵的引擎端12与泵端14的座节或密封皮碗132固定在41/2英寸开采油管104中。3.25英寸油管104在泵下方用螺纹连接在23/8英寸油管(尾管)114上。在本发明该实施例的一个优选方面中，泵的底下设置封隔器而不是井下固定阀。此外，如图5所示，“尾管”114柱或若干油管接头伸展在泵10下方，该尾管座落在孔眼中最佳位置上。在一最优选结构中，尾管的直径比把高压气体传送给泵的引擎的油管柱110(例如2 3/8英寸)小(例如1 1/2英寸)。这一优选结构可提高流入尾管的流体的速度和增加固定和释放该封隔器的转矩压力。此外，这一结构可提高引擎端的气体量、减小引擎端的摩擦损耗，并提高装在较大套管中的较小直径油管中的速度。
以上说明了本发明各实施例，使得本领域普通技术人员可实施和使用本发明。应该指出，本领域普通技术人员完全知道如何选择实施本发明的合适部件和材料，例如，如何选择能承受油井或气井的严酷工作压力和温度环境的部件如轴承、密封和阀。
尽管以上结合优选实施例说明了本发明，但本领域普通技术人员可对本发明作出种种改动、替代和修正，本发明包括所有这些改动、替代和修正。
权利要求
1.一种井下油井泵系统，包括有引擎端和泵端的泵壳体；所述壳体的所述引擎端中的引擎，所述引擎包括至少一个固定连接在轴上的引擎端叶片，所述轴垂直地位于所述壳体中，所述至少一个引擎端叶片在高压气体流过所述至少一个引擎端叶片时造成所述轴转动；所述壳体的所述泵端中设置的泵，所述泵包括至少一个固定连接在所述轴上的泵端叶片，所述至少一个泵端叶片在所述轴转动时提升井液。
2.按权利要求1所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述至少一个引擎端叶片包括多个叶片。
3.按权利要求2所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述多个叶片包括推进器型叶片。
4.按权利要求2所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述多个叶片包括涡轮机型叶片。
5.按权利要求1所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述至少一个泵端叶片包括多个叶片。
6.按权利要求5所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述多个叶片包括推进型叶片。
7.按权利要求1所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述泵壳体装在位于井眼中的油管柱上，所述油管柱有外径和内径，所述油管柱用作把所述高压气体供应给所述引擎的导管。
8.按权利要求7所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述泵壳体的外径大于所述油管柱的内径。
9.按权利要求7所述的井下油井泵系统，其特征在于，所述泵壳体的外径至少为3.25英寸。
10，一种用于从井开采流体的方法，包括把气体供应给位于井中的泵，所述泵包括(1)由所述高压气体驱动、造成位于所述泵中的垂直轴转动的引擎部和(2)泵部，该泵部用位于所述泵部中固定在所述轴上的叶片提升所述井中的流体。
11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，所述气体包括从所述井开采的气体。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括控制所述气体的压力的压缩机和位于所述压缩机上游、分离流体与所述气体的分离器。
全文摘要
本发明的泵和泵系统(10)用来取出气井和/或油井中接近岩石表面的液体、气体、砂和煤粉。该新型泵使用用于地表天然气压缩机的“引擎”的能量，把可调节的天然气量(相当于压力或Psig)压入一轴向涡轮机(50)或一系列涡轮机中而建立在泵进口(102)处生成吸力所需的正确数量的转矩和/或每分钟转数(RPM)，或把可调节的天然气量压入反向轴向涡轮机中。该过程使得该泵由于反向轴向涡轮机(50)的旋转生成的真空而取出该井眼中的液体、砂、煤粉和气体。
文档编号F04D25/04GK1602387SQ02824563
公开日2005年3月30日 申请日期2002年10月9日 优先权日2001年10月9日
发明者K·G·约翰森 申请人:伯林顿石油及天然气资源公司