油田泵组件和井维护作业的方法

油田泵组件和井维护作业的方法
【专利摘要】本发明公开了一种油田泵组件和井维护作业的方法。本发明的一种油田泵组件包括：柱塞，相对于腔体往复运动，以引导流体离开腔体；和直线电机，联接到柱塞，用于所述往复运动。本发明用直线电机代替了常规的曲轴或液压技术，以驱动泵的柱塞。这可降低设备部件的数量，并降低与油田泵作业相关的维护费用。此外，使用直线电机还可增加由泵组件供给的流体的输送的精度和控制。
【专利说明】油田泵组件和井维护作业的方法
[0001]本申请是申请日为2008年4月28日，申请号为200810094822.5的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本申请所描述的实施例涉及用于向油田中的井输送各种油田流体的油田泵。尤其是，这里描述了采用直线电机(LEM)的油田泵的实施例。用LEM代替曲轴或液压驱动技术的出现可以降低设备部件的数量，从而降低用于油田中的泵组件的维护费用。LEM的出现还可提高由泵组件提供的流体输送的精度以及对该流体输送的控制。
【背景技术】
[0003]钻井、完井和操作油气井要使用各种大型设备。因此，井作业可能在主要设备费用和设备维护方面的花费自然较高。此外，在许多情况下，不管花多少费用，常规的大型设备都可能会提供很不精确的输出。
[0004]作为大型油田设备的示例，油田常常应用到许多曲轴驱动的容积泵。容积泵可以是非常大的设备，其具有在曲轴的驱动下朝向腔体和远离腔体移动的柱塞，以在腔体上显著产生高压或低压。对于高压场合这是一种好的选择。实际上，在要产生超过几千英镑每平方英寸(PSi)的流体压力的情况下，一般要使用曲轴驱动的容积泵。曲轴驱动的容积泵可用于大型作业中，例如固井、挠性管作业、水射流切割或地下岩石的水力压裂等。地下岩石的水力压裂例如常常需要在10，000到15，000PSI的压力下泵入含有磨料的流体，以在地下岩石中产生“裂缝”，从而促进油气从岩石孔隙中释放出来以进行开采。上述曲轴驱动的容积泵易于满足这种压力和大型应用场合。
[0005]如上所述，曲轴驱动的容积泵可包括各种设备部件，这些设备部件必须得到维护以确保所进行的油田作业的连续效果。这些设备部件可包括相关的发动机、传动系统(transmission)、曲轴、传动线路(driveline)和其它部件,这些部件工作在约1，500Hp到约4，OOOHp之间。不幸的是，由于这种大型设备具有许多在泵结构中发挥作用的设备部件，因此从泵获得可靠精度的输出水平可能是困难的。可以采用补偿这种不精确性的技术。例如，曲轴驱动泵的作业可以在比所需要的更高的输出水平下进行，且比所需要的持续更长的时间，以确保为给定的作业提供最小的输出水平。然而，以这种方式补偿这种泵的不精确输出会导致泵输出的浪费和泵部件的过早磨损。
[0006]为了解决曲轴驱动泵输出的固有不精确性，在油田应用允许的情况下，在油田可由液压驱动泵代替曲轴驱动泵。这种泵的液压性质可以提供上述曲轴驱动泵所不能获得的精确度的泵输出。例如，代替采用大曲轴可旋转地致动柱塞的直线运动，液压驱动泵可包括由更严密被控的水力驱动的柱塞，其中水力直接作用于柱塞。因此，可更为精确地控制液压驱动泵的输出。
[0007]不幸的是，采用液压驱动泵可能会显著地增加泵送应用中所用的设备和部件的种类。也就是说，在曲轴驱动泵的情况下，原动机(prime mover)可联接到引导上述曲轴运动的传动系统(transmission)。然而，在液压驱动泵的情况下，原动机可能要联接到多个液压泵，采用所述多个液压泵驱动液压驱动泵或增压器。其它的泵可在它们之间设置它们自己的液压管线。此外，所有这些设备和部件(例如，液压管线和另外的阀)必须要得到维护，以实现通过使用液压驱动泵而获得的输出精度得以改进的好处。也就是说，为了获得改进的输出精度，可能需要主要设备费用和设备维护方面的额外花费。

【发明内容】

[0008]在一个实施例中，本发明是一种油田泵组件，所述泵组件设置于油田，并包括相对于腔体往复运动的柱塞。往复运动可用于引导油田流体离开泵组件并进入油田的井。柱塞可联接到直线电机，从而为往复运动供给动力。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1为使用曲轴泵组件的油田固井作业现有技术应用的局部概略透视图；
[0010]图2为使用直线电机(LEM)的泵组件的图1所示油田固井作业的局部概略透视图；
[0011]图3为具有联接到LEM的流体端的LEM泵组件的实施例的侧透视图；
[0012]图4为图3所示LEM泵组件的侧截面图；
[0013]图5为采用图3所示流体端的叠加LEM泵组件的实施例的侧透视图；
[0014]图6为采用图3所示流体端的多输出LEM泵组件的实施例的侧透视图。
【具体实施方式】
[0015]参照某些直线电机(LEM)泵组件、尤其是用于油田固井作业的直线电机(LEM)泵组件描述了实施例。然而，油田其它作业也可使用这里所描述的LEM泵组件的实施例。例如，这里所述的LEM泵组件可用在压裂、钻井、药剂注入(dosing)和其它油田流体输送作业中。无论如何，这里所述的实施例包括使用LEM来驱动油田泵组件，这与曲轴或液压驱动技术不同，因此，与常规的曲轴或液压驱动泵组件相比，其潜在地减少了设备部件数量和维护费用，并增加了流体输送的精度和控制。
[0016]现在参照图1和图2，分别示出了现有技术的曲轴泵组件100和直线电机(LEM)泵组件200，曲轴泵组件100使用了多种用于作业的设备，LEM泵组件200可以直接插上动力电源105以进行作业。可对LEM泵组件200供电尤其能够使用于向LEM泵组件200提供动力的设备最小化。例如，利用传动线路120的用于将动力传递到曲轴泵组件100的曲轴129的传动系统115的发动机110对于从LEM泵组件200的LEM225获得有效功率来讲是不需要的。类似地，LEM泵组件200不需要像在常规液压泵组件(未示出)的情况那样的用于在组件内或组件之间传递动力的各种易于泄漏的阀或液压管线。
[0017]在所示的实施例中，将使用泵组件100、200进行油田101的固井作业。尽管图1和图2中的每幅图仅示出了一个泵组件100、200，但是多个泵组件100、200可以进行同时作业,用于穿过油田101的地层190对井180进行固井作业。例如，在一个实施例中，可以以约10到20英尺的间距设置约4到约20个泵组件100、200，并且这些泵组件用于在油田101同时作业以进行固井作业。在可替换的实施例中，约4到约20个这样的泵组件还可以通过这种方式联接到井180并指向井180以进行压裂作业。
[0018]继续参照图1和图2，可利用水泥注入管186进行固井作业，水泥注入管186在井口 160的下方朝向井眼套管段184的末端前进。可在井眼套管段184的末端预先定位堵塞器188以便封堵井眼套管段184。因此可以引导水泥注入管186穿透堵塞器188。一旦堵塞器188被穿透，由于泵组件100、200提供的动力，水泥浆170就可通过水泥注入管186向井下输送。水泥浆170以受压的方式被向井下引导，使得其可在井眼套管186的外部附近被迫向上返回并抵靠在井180的壁182 —侧。这样，井眼套管186可被水泥浆170牢固地稳定在适当位置。
[0019]上述的固井可利用工作在约200Hp和约800Hp之间、优选工作在约300Hp的泵组件100,200获得。以这种方式，可以产生约I, 500PSI到约15，000PSI之间的压力，从而如上所述在压力下驱动水泥浆170。还显示出，这种固井可通过使用多个泵组件100、200获得，所述多个泵组件100、200通过最终联接到井口 160的共同输送歧管(例如，通过传送管线150)联接在一起。以这种方式，可以由泵组件100、200驱动水泥浆170。
[0020]现在继续具体参照图1中的现有技术的曲轴泵组件100，其与图2中的LEM泵组件200相对照，它们的显著差别是显而易见的。例如，虽然两个泵组件100、200都可用于固井或其它油田应用中，但是，曲轴泵组件100可能需要多种设备部件，而这些设备部件对于LEM泵组件200的作业来讲是不必要的。此外，不论何种使用泵组件100、200进行的作业，曲轴泵组件100都可能不能使用常常在油田101可获得的动力电源105。
[0021]如图1所示，现有技术的曲轴泵组件100的实施例装配有曲轴驱动泵125，用于将水泥浆170泵送到排出管130并最终泵送到井180，如上所述。曲轴驱动泵125包括大型曲轴129，该大型曲轴129用于驱动三重流体端127，以进行所示的水泥浆170的泵送。曲轴129是一相当大的可旋转机构，其由发动机110供给动力，发动机110与曲轴驱动泵125共用一曲轴组件垫板(skid) 140。然而，与许多常规的发动机一样，发动机110向曲轴129的动力供给需要传动系统115和传动线路120的中介机构。因此，如上所述，曲轴泵组件100使用位于动力源(即，发动机110)与曲轴129之间的额外的设备部件115、120。这些部件115、120必须保持作业状态。此外，这些设备部件115、120的中介性质自然会导致流体端127输出的一定程度的不精确性。另外，正如所指出的，曲轴驱动泵125不能利用通常在油田101已经可以获得的动力源105。
[0022]现在结合图1参照图2，图2示出了 LEM泵组件200的实施例。LEM泵组件200包括直线电机(LEM) 225，该直线电机225联接到相同类型的三重流体端127，结合曲轴泵组件100已经在上面对三重流体端127进行了描述。然而，正如下面进一步详细描述的，LEM225以电的方式直接被供给动力。也就是说，不像曲轴泵组件100的曲轴129那样，通过传动系统115和传动线路120传送而从发动机110获得动力，LEM225可直接联接到动力电源105。因此，它们的动力和控制不会在动力源105与LEM225之间的传送过程中损失。即，不存在介于其间的传动系统115、传动线路120或其它设备部件。而是仅提供动力线220，用于将LEM225联结到动力电源105。此外，LEM225的电子性质允许相对于LEM泵组件200的操作对信息同步响应或反馈，例如，来自监测作业中的LEM泵组件200的声学性质的换能器。
[0023]继续参照图2，动力电源105可以是油田101中常见的常规电源(仍参照图1)。对于所示的应用来说，动力源105可以向LEM225提供约150KW与约600KW之间的电力以泵送水泥浆170，如图所示。通过利用这种易于获得的动力源，由于减少了动力设备部件，LEM泵组件200的模块化可以得到加强。实际上，根据作业的要求，安放在油田101上的LEM组件垫板240甚至可具有更为有限的尺寸。无论如何，设备部件的减少降低了设备维护的费用。
[0024]现在参照图3，示出了 LEM泵组件300的实施例。为了易于说明和描述，LEM泵组件300具有单一流体端327的构造，这与图1和图2所示的三重类型不同(参见三重流体端127)。LEM泵组件300包括上述的LEM325，LEM325通过柱塞壳体350联接到流体端327。正如下面参照图4所描述的，LEM325构造成用于驱动柱塞450，使其朝向和远离流体端327内的腔体475，以实现那里的压力变化。以这种方式，可以进行流体(例如，水泥浆170)相对于流体端327的吸入和排出(参见图1和2)。
[0025]继续参照图3和图4，其中详细地示出了处于作业状态下的LEM泵组件300的机械结构。即，上述的柱塞450可以具有往复运动的性质，如图所示，从而通过LEM泵组件300实现流体的泵送。如图4所示，柱塞450包括主体460，该主体460具有与上述腔体475相互作用的头部470和在LEM缸体425内滑动的尾部435。特别地，尾部435可构造成与LEM缸体425周围的定子400相互作用，以实现上述的柱塞450的往复运动。
[0026]如图4所示，柱塞450的尾部435邻近定子400位于LEM缸体425内。定子400可响应于来自动力源的电输入，驱动尾部435的运动。在所示的实施例中，定子400包括磁体和散热片的阵列。所述磁体可以是电磁定子绕组，例如缠绕成线圈的线。无论如何，定子400在受到电致动时可借助常规的电动方式驱动柱塞450的尾部435。例如，柱塞450的尾部435可包括铁芯，响应于这种电磁驱动力的交替的铜带和铁带围绕所述铁芯。类似地，在可替换的实施例中，尾部435可包括由铁质材料制成的内芯和围绕内芯的由导电材料制成的外层，以提供对定子400的响应。
[0027]无论所采用的定子400和柱塞尾部435的具体构造如何，定子400都以多相方式实现(例如，从磁体到磁体)，以驱动柱塞尾部435沿一个方向运动然后再返回的直线运动。柱塞450的这种往复运动以如下方式实现，即，在柱塞尾部435与缸体425的壁之间基本上没有摩擦。即，柱塞尾部435与定子400之间的界面的磁性质可以是自定心的，使得柱塞尾部435在往复运动期间不与缸体425的壁接触。
[0028]除了往复运动的自定心无摩擦的性质之外，定子400还能够以相当精确的方式驱动柱塞450从其尾部435运动。也就是说，如上所述，供应给定子400的动力是直接的，因此不需要通过其它的设备部件进行转换来作用于流体端327。而是，动力通过定子400的可精确控制的磁体被直接传送到柱塞尾部435，如这里所述的。这种控制的程度还可获得更大范围的柱塞往复运动速度。例如，与具有不大精确的较大可控动力传输设备部件的常规曲轴驱动泵125可以获得的速度相比，LEM泵组件300可获得低很多和高很多的受控速度。
[0029]继续参照图4，柱塞450构造成朝向和远离腔体475进行往复运动。以这种方式，柱塞450向腔体475作用高压和低压，如上所述。例如，当柱塞450被推向腔体475时，腔体475内的压力增加。某些时候，压力的增加将足以使排放阀485打开，以允许释放腔体475内的流体和压力并离开排出通道479。因此，柱塞450的这种运动常常被称为排放冲程。打开排放阀485所需的压力大小可以由排放机构486 (例如，弹簧)确定，该排放机构486使排放阀485保持在关闭位置直到腔体475中达到所需压力。如上所述，在LEM泵组件300用于固井作业的实施例中，以上述方式可以获得约1，500PSI到约15，000PSI之间的压力，以泵送水泥浆170(参照图2)。
[0030]如上所述，柱塞450还向腔体475作用低压。也就是说，当柱塞450后退而远离腔体475附近的前面的排放位置时，腔体内的压力降低。随着腔体475内的压力降低，排放阀480将关闭，使腔体475返回封闭状态。随着柱塞450继续离开腔体475，腔体475内的压力将继续下降，最终在腔体475内获得低压或负压。与上述排放阀485的动作相似，压力降低最终将足以使吸入阀480打开。因此，柱塞450的这一运动常常被称为吸入冲程。吸入阀155的打开允许流体从邻近的吸入通道477吸入腔体475中。使吸入阀480打开所需的压力大小可由吸入机构481 (例如，弹簧)确定，吸入机构481使吸入阀480保持在关闭位置直到腔体475中达到所需低压。
[0031]LEM泵组件300的上述机械结构可在如图1和2所示的油田101中用于在压力下输送各种流体。此外，如果给定LEM泵组件300的电磁机构，则可以容易地获得应用于油田中同一井180的多个这种组件的同步。例如，LEM泵组件300可以是多柱塞构造，例如，如图2所示的三重构造(参见LEM泵组件200)。
[0032]在这种构造中，本发明的LEM泵组件包括多个类似于图4所示柱塞450的柱塞。在多柱塞泵中，常常期望使这些柱塞同步，以使它们相对于彼此异相。例如，一般期望使三重流体端的柱塞以相对于彼此180度的相位同步。这可通过为每一柱塞450提供具有单独定子(例如，图4的定子400)的LEM而在本发明的LEM泵组件中实现。因此，每一柱塞450可被单独激励。
[0033]此外，本发明的LEM泵组件(例如，组件200和300)的机械结构有利于成为用于增加动力、压力或总输出的叠加输出结构或多输出结构。
[0034]现在继续参照图5和图6，其中示出了 LEM组件500、600的替换实施例。这些实施例包括例如对上述LEM组件200、300的改进，以解决可从它们获得的输出。
[0035]具体参照图5，次级LEM525联接到图3和图4所示的初级LEM325。也就是说，额外的或次级的LEM525通过联接壳体550直接联接到初级LEM325的后面。以这种方式采用具有额外定子和动力供给能力(powering capacity)的次级LEM525增加可用于使例如图4所示的柱塞450往复运动的动力。因而，可增加LEM泵组件500的增压能力。
[0036]例如通过使用图5所示的LEM泵组件500增加增压能力可以对油田101中的某些应用场合具有益处(参照图1和图2)。例如，上面结合图2描述了固井应用，其中LEM泵组件200用于提供约1，500PSI到约15，000PSI之间的压力，以将水泥浆170驱入井180中。然而，在图5所示的实施例中，LEM泵组件500可用于提供大于15，000PSI的压力，例如用于将压裂液驱入井中以进行压裂作业。因此，单个初级LEM325可能要具有相当大的尺寸才能实现这种增压，而直线电机的性质允许它们以所示的叠加或串联构造联接起来。因此，可以建立并利用标准模块化直线电机的尺寸。其实，由于直线电机的电驱动性质，可以容易地获得这种置加或串联构造的同步。
[0037]如图6所示，LEM泵组件600的输出还可在体积方面得到解决。也就是说，如图6所示，提供一个LEM625，其通过次级壳体650联接到次级流体端627。也就是说，除了从初级流体端327和柱塞壳体350获得输出之外，还从次级流体端627获得输出。以这种方式，与可从图3和图4所示的LEM泵组件300获得的输出相比，对于柱塞450的每个冲程，LEM泵组件600可泵送两倍体积或数量的流体。[0038]如上所述，每个柱塞冲程的输出量的增加是效率方面的改进。此外，以这种方式增加的输出对油田101(参见图1和2)中的某些应用场合可能具有特别的好处。例如，可进行钻井应用，其中，不超过约5，000PSI的泥浆将被导入诸如图1和2所示的井180。然而，与上述的固井和压裂作业不同，钻井作业期间可能要使用更大量的流体(例如，泥浆)。因此，将次级流体端627添加到LEM泵组件600可能在进行钻井作业方面具有特别的好处。
[0039]借助油田泵组件，上述实施例对供应到油田的流体的输送曲线(deliveryprofile)提供了改善的控制和精度。这是在不依赖液压驱动泵的情况下实现的。因此，可避免设备部件(例如，液压管线和额外的阀)的增加，从而降低维护费用。
[0040]已经结合本发明的优选实施例进行了前面的描述。这些实施例所属【技术领域】的技术人员可以理解，在不实质脱离这些实施例的原理和范围的情况下，可以对所描述的作业的结构和方法作出替换和改变。例如，这里所述的实施例主要针对的是固井、压裂和钻井作业，其中，直线电机在约150KW到约600KW之间被驱动。然而，其它作业(例如，药剂注入)可使用这里所描述的油田泵组件，所述泵组件在约5KW到约IOKW之间被驱动。此外，前面的描述不应看作仅仅是附图所述和所示的精确结构。
【权利要求】
1.一种油田泵组件,包括: 柱塞，相对于腔体往复运动，以引导流体离开腔体；和 直线电机，联接到柱塞，用于所述往复运动。
2.如权利要求1所述的油田泵组件，还包括用于容纳所述腔体的流体端，所述腔体联接到直线电机的缸体以容纳所述柱塞的尾部。
3.如权利要求2所述的油田泵组件，其中，所述直线电机包括定子，该定子邻近缸体，从而电磁地致动所述柱塞的尾部的直线运动。
4.如权利要求3 所述的油田泵组件，其中，所述定子包括磁体和散热片的阵列。
5.如权利要求3所述的油田泵组件，其中，所述尾部包括: 铁芯；和 由带构成的外层，所述带从由铜和铁构成的组中选出。
6.如权利要求3所述的油田泵组件，其中，所述运动基本上是无摩擦的。
7.如权利要求1所述的油田泵组件，其中，所述往复运动用于将流体导入油田的井，以在那里进行井维护作业。
8.如权利要求7所述的油田泵组件，其中，所述井维护作业是钻井、压裂、固井和药剂注入中的一种。
9.如权利要求7所述的油田泵组件，其中，油田泵组件是联接到井的第一油田泵组件，所述井联接到第二油田泵组件，用于从该第二油田泵组件获得流体。
10.如权利要求2所述的油田泵组件，其中，所述流体端为三重构造和单一构造中的一种。
11.一种油田泵组件，包括: 柱塞，相对于腔体往复运动，从而引导流体离开腔体； 初级直线电机，联接到柱塞，用于所述往复运动；和 次级直线电机，联接到所述初级直线电机，以增加往复运动的动力。
12.如权利要求11所述的油田泵组件，其中，增加后的往复运动的动力使流体在大于约15，000PSI的压力下被引导。
13.如权利要求12所述的油田泵组件，其中，往复运动将流体导入井，以在那里进行压裂作业。
14.一种油田泵组件，包括: 初级泵流体端； 次级泵流体端； 柱塞，在所述初级泵流体端的腔体与所述次级泵流体端的腔体之间往复运动，以引导流体离开腔体；和 直线电机，设置在所述初级泵流体端与所述次级泵流体端之间，并联接到柱塞，用于所述往复运动。
15.如权利要求14所述的油田泵组件，其中，往复运动用于将流体导入井，以在那里进行钻井作业。
16.—种在油田的井中进行井维护作业的方法，所述方法包括: 利用油田处的动力电源向直线电机供给动力，所述直线电机联接到柱塞；以及利用直线电机使柱塞相对于腔体往复运动，以引导井维护流体离开腔体并进入井中。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述井维护作业是钻井、压裂、固井和药剂注入中的一种。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述井维护作业包括用水泥固结井眼套管，并且其中，所述井维护流体包括水泥浆。
19.如权利要求18所述的方法，还包括: 通过水泥注入管驱使水泥浆进入井眼套管中，所述水泥注入管终止于井眼套管内；和 迫使水泥浆进入井眼套管与井壁之间的空间中，以便稳固井眼套管。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述驱使步骤和所述迫使步骤是在约1，500PSI到约15，000PSI之间的增压下进行的。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述动力供给在约150KW到约600KW之间输送到直线电机。
22.如权利要求18所述的方法，其中，所述直线电机工作在约200Hp到800Hp之间。
23.如权利要求 18所述的方法，其中，所述直线电机以电磁多相的方式工作。
【文档编号】F04B23/04GK103967738SQ201410231037
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2008年4月28日 优先权日:2007年4月26日
【发明者】布赖恩.奥乔亚 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司