CN101086250A - 用于双井下泵模块的封壳 - Google Patents

Abstract

上游和下游泵组件安装在封壳中，所述封壳具有位于上游和下游泵组件之间的隔板，从而将封壳分成彼此密封的上游和下游腔室。在双运转模式下，井流体通过封壳入口流入上游腔室，其中所述井流体由上游泵组件泵压至第一压力级并且排入下游腔室。下游泵组件随后将井流体泵压至第二压力级并且将井流体从封壳出口排出。所述组件还具有上游泵组件单独运转模式和下游泵组单独运转模式。

Description

用于双井下泵模块的封壳

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2006年5月23日的临时申请60/802,626的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及电动潜泵(ESP)，更特别地涉及容纳两个ESP模块的井下封壳(capsule)。

背景技术

井用电动潜泵(″ESP″)组件典型地包括用于驱动泵的潜水电机，所述泵通常为离心泵。泵组件通常悬挂在井内的管子的管柱上。电机的电力电缆用带捆扎在管子旁边。必须定期取出泵组件以进行保养或修理，并且该步骤需要拉出管子。尤其是对于海洋钻井设备而言，拉出管子需要修井设备并且耗费时间。

有时候使用双串式泵组件以提供更大的扬程。通常来讲，两个泵连接在一起并且由单个电机驱动。因此，泵彼此同步操作。各个泵的修理或更换需要拉出管子及整个组件。

通常来讲，压力和温度传感器安装到电机底座上，用以感应电机内介质液体的压力和温度。电机流体传感器的电能和信号加载于ESP电力电缆上。另一测量工具包括储层(reservoir)传感器，该传感器是感应电机外部的井储层的各种特征的电气装置。这些工具典型地沿延伸至地面的专用通信线路向上发送信号。

发明内容

在本发明中，具有上端的封壳降至井套管(casing)中，所述上端用于连接至生产管的管柱上。电动潜泵组件位于封壳上端内并由封壳上端悬挂。隔板(bulkhead)位于封壳内且位于泵组件下方。电力装置用隔板悬挂并位于其下方。电力线从电力装置延伸穿过隔板、横靠封壳内的泵组件且密封地穿过封壳上端。电力装置可以悬挂在封壳下方或者容纳于封壳内。

电力装置可以是用于感应储层特性的传感器或者是第二潜泵组件。在一个具有  ESP的实施例中，隔板将封壳分成上游和下游腔室，每个腔室容纳泵组件之一。每个电机的动力电缆穿过横靠出口的封壳。两个潜泵组件可以同时运转或者一个可以在另一个停止时运转。

储层传感器单元可以悬挂在吊架或隔板下面。储层传感器单元的电能和信号可以通过专用传感器线路提供给地面，或者传感器线路可以只延伸至电机传感器。在后一种情况下，储层传感器和电机传感器可以安装在ESP电力电缆上。

附图说明

图1A和1B包括容纳两个根据本发明的ESP模块的封壳的纵向剖视图。

图2是容纳在图1所示封壳内的下部吊架的放大剖视图。

图3是容纳于图1所示封壳内的下部吊架的可选实施例。

图4是显示了图1所示封壳的两个ESP全部运转的示意图。

图5是显示了图1所示封壳的上部ESP运转，而下部ESP不运转的示意图。

图6是显示了图1所示封壳的下部ESP运转，而上部ESP不运转的示意图。

图7是封壳的可选实施例的纵向剖视图，其中封壳的ESP模块之一是井下传感器组件。

具体实施方式

参考图1，显示了具有套管11的井。套管11在其下端穿孔以允许井流体进入。生产管子13组成的管柱悬挂在套管11内。封壳15固定到管子13的下端。

封壳15为圆柱形构件，其外径略小于套管11的内径，使得管子13上的封壳能够降至套管11中。封壳15具有带吊架17的上端或下游端，所述吊架刚性固定至管子13的下端。

任选的上部或下游套阀19固定到位于上部吊架17下方的下游管道18中。上部套阀19内部与管子13内部连通，用以向上排放井流体。上部套阀19具有打开位置，其中位于所述套阀侧壁上的端口21暴露给封壳15的内部。上部套阀19具有闭合位置，其中端口21对封壳15的内部封闭。

上部或下游ESP 23悬挂在上部套阀19上。上部套阀19为可从市场上获得的类型，当下游ESP 23运转时，所述上部套阀可以使其端口21对封壳15的内部封闭。当ESP 23不运转时，上部套阀19自动打开其通向封壳15内部的端口21。称作环形换向阀的这类阀门通常在重要的出砂开采应用中的潜泵上方的管子中使用。可选地，上部套阀19可以利用经由液压管路(未显示)供自地面的压力在打开和关闭位置之间液压致动或抽动，所述液压管路横靠管子13并且密封地穿过上部吊架17延伸。

如果不使用上部套阀19的话，上部ESP 23将直接连接到上部吊架17上。上部ESP 23为常规电动潜泵组件，包括离心泵25，其显示位于该组件的上端。泵25具有位于其下端处的入口并且由多级或叶轮和扩散器组成。一个或多个密封段27连接至泵25的下端。电动机29连接至密封段27的下端。电机29最好为三相交流电动机。电机29装满润滑剂，并且密封段27平衡电机29内润滑剂的内压力和封壳15内的压力。

电机29具有电力线31，所述电力线31横靠封壳15内的密封段27和泵25向上延伸。电机导线31延伸穿过上部吊架17内的上部穿透器或导向器33。上部穿透器33密封上部吊架17中的电机导线31。在封壳15上方，电机导线31连接电力电缆(未显示)，所述电力电缆横靠管子13用带捆扎并延伸至地面。

下部延伸管35从电机29的下端伸至位于封壳15内的下部吊架或者隔板37。下部吊架37密封到封壳15的侧壁上，从而界定了位于下部吊架37上面的上部腔室或下游腔室36和位于下部吊架37下面的下部腔室或上游腔室38。图1B显示了固定到下部吊架37下侧的下游管道或支撑管39。任选的滑动套阀41连接至支撑管39的下端。滑动套阀41具有通向封壳15内部的端口43，并且该套阀可以是与上部滑动套阀19类型相同的阀。

在该实施例中，下部或上游ESP 45固定到下部滑动套阀41的下端，并且其重量由上部吊架17通过上部ESP 23支撑。套阀41还可以是环形换向器类型，其在下部ESP 45运转时自动关闭端口43，并且在ESP 45不运转时打开端口43。可选地，套阀41可以响应于供自延伸至地面的管线的液压力打开和关闭端口43。如果需要的话，下部滑动套阀41可以通过与导向上部套阀19的液压管路分开的液压管路独立于上部套阀19运转。可选地，单个液压管路可以控制套阀19、41两者。例如，如果下部ESP 45作为备用只在上部ESP 23故障后运转的话，套阀41可以连接到与上部套阀19相同的液压管路上并且反向于上部套阀19运转。即，当只有上部ESP 23运转时，如图5所示，液压管路中提供给套阀19、41的液压力使套阀19保持关闭，使套阀41保持打开。当上部ESP 23停止并且下部ESP 45启动时，管路中提供给阀19、41的液压力通过地面上的操作人员实现反向，从而打开上部套阀19并且关闭下部套阀41，如图6所示。

如果不使用下部套阀41的话，下部ESP 45将直接固定到支撑管39上。下部ESP 45可以是与上部ESP 23相同的类型，但是如果需要的话，也可以具有不同的长度。下部ESP 45包括带有入口48的离心泵47。下部ESP 45的排放口50位于上部腔室36中的延伸管35内。一个或多个密封段49将泵47连接至电动机51。电机导线53从电机51的上端穿过下部吊架37中的下部吊架穿透器55延伸。穿透器55密封下部吊架37内的电机导线53。下部ESP电机导线53横靠上部ESP 23、穿过位于上部吊架17中的上部穿透器56延伸至电力电缆(未显示)，该电力电缆延伸至地面。封壳15具有入口59，该入口位于下部ESP 45下端的下面。入口59使套管11中的井流体与围绕下部ESP45的下部腔室38连通。任选地，入口59包括插入器(stinger)，该插入器刺入封隔器(packer)(未显示)。封隔器使位于其下方的井流体与围绕封壳15和生产管子13的套管11内的流体隔离。

图2显示了隔板或下部吊架37的第一实施例。在该实施例中，下部吊架37具有密封61，其密封封壳15内径上的抛光孔63。与密封61一起的吊架37能够沿抛光孔63轴向滑动，如箭头所示。下部吊架37的这一轴向运动适应运转期间上部ESP 23(图1A)的热膨胀。下部ESP 45能够热膨胀，这是因为其下端在封壳入口 59上方隔开一段距离并且能够自由移动。在图2所示实施例中，上下ESP 23、ESP45的全部重量由上部吊架17支撑。

在图3所示实施例中，封壳65与第一实施例中的封壳15的不同之处在于，它具有位于内径上的负载肩部67。下部吊架69靠在负载肩部67上，从而支撑下部ESP 45(图1B)的重量。下部吊架69具有密封71，其静止地接合位于负载肩部67上方的封壳65内径上的密封表面。

为了适应图3所示实施例中的上部ESP 23(图1A)的热膨胀，可以使用伸缩节，其连接在下部吊架69和ESP 23(图1A)的组件之间。在该实施例中，该伸缩节包括面向上的容器73。容器73在其上端敞开并且滑动接收管状心轴75，所述管状心轴75刚性固定至上部ESP 23(图1A)的下端。心轴75具有密封77，其滑动接合容器73内的密封表面。在ESP 23安装于封壳65中期间，上下止动件79、81限制心轴75相对于容器73的行程。容器73和心轴75可以颠倒安装，其中心轴75安装到吊架69上，并且容器73安装到上部ESP 23的下端。下部ESP 45(图1B)的排放82位于心轴75上。

在第三实施例(未显示)中，代替下部吊架37(图2)或69(图3)，隔板为封隔器，所述封隔器按按照传统方式被致动从而膨胀、夹紧和密封到封壳15的内表面上。在该实施例中，封隔器支撑下部ESP45的重量并且不会在封壳15中向上或向下移动。

实施中，当在地面上时，上下ESP 23、ESP 45安装于封壳15内。随后，整个组件随管子13降至井中。电机导线31、53的上端连接至动力电缆(未显示)，所述动力电缆横靠管子13用带捆扎。当下降时，封壳15保护电机导线31和53，以防止它们在横靠上部密封段27和上泵25而穿过的区域受损。因为电机导线31、53横靠这些部件穿过，套管11中的间隙可以相当小。

当封壳15处于预定深度时，操作人员可选择如图4所示同时操作上下ESP 23、ESP45、如图5所示只操作上部ESP 23，或者如图6所示只操作下部ESP 45。为了同时操作ESP 23、ESP45，操作人员给电机29、51(图1)提供电力，并且上下套阀19、41自动关闭或通过供自地面的液压力关闭。事实上，如果操作人员想始终同时操作ESP 23、ESP45的话，则不需要套阀19、41。

在图4所示的增压器模式下，井流体通过封壳入口59流入下部腔室38和下部泵入口48。下部ESP 45增大井流体压力并且将其从下部泵排放口50排入封壳15的上部腔室36。上部腔室36中的高压通过下部吊架37与下部腔室38中的进气压力隔离。较高压力的流体进入上泵入口26，从而增大压力并且将井流体排入生产管子13中。在该模式下，ESP 23、ESP 45串联运转。

如图5所示，在该模式下，只有上部ESP 23运转。为了避免井流体流过下部ESP 45的非运转泵级，下部套阀41打开。开启下部套阀41可以由液压完成。可选地，如果使用自动套阀19、41的话，只给上部ESP 23提供电力而不给下部ESP 45提供电力将导致下部套阀41打开，同时上部套阀19保持关闭。在该模式下，井流体绕过下部ESP45的泵，从下部腔室38流入下部套阀41的端口，并且从下泵排放口50排入封壳15的上部腔室36。上部腔室36中的压力大体上与封壳入口59处的压力相同。井流体流入上泵入口26，该泵入口将较高压力下的井流体排入管子13。

参考图6，在该模式下，上部ESP 23不运转，而只是下部ESP 45运转。该模式可以在上部ESP 23故障后进行，在该情况下，下部ESP45作为备用设备被启动。上部滑阀19打开，下部滑阀41关闭，如上文所述，上述动作通过液压或自动阀完成。井流体从下部腔室38流入下泵入口48并且在较高压力下从上部腔室36中的下泵排放口50排出。井流体流入上部套阀19的开口，而不流过上部ESP 23的泵级。井流体以与从下部ESP排放口50排出时大体上相同的压力排入管子13。

在另一个实施例中(未显示)，封壳15的下端终止于下部吊架37。下部ESP 45不在封壳15内，而是由下部吊架37悬挂。下部ESP 45在这种情况下可以具有刺入封隔器(未显示)中的尾管或插入器。

参考图7，其显示了可选实施例，其中只使用一个ESP。在该实施例中，封壳83悬挂在套管87中的生产管子85的管柱上。ESP 89由上部吊架88支撑，该上部吊架继而连接至管子85。电机导线91密封地延伸穿过上部吊架88中的穿透器93并且向下延伸至ESP 89的电机。ESP 89具有泵入口95，其位于封壳83中。吊架或隔板97位于ESP 89的下端。吊架97可以构造为图2所示第一实施例或图3所示第二实施例，或者该吊架可以是封隔器。

在该实施例中，封壳83的下端终止于下部吊架97。在该实例中，井下传感器99悬挂在安装于下部吊架97上的管形构件或插入器100上。传感器99为常规电气装置，其感应储层的各种特征，例如压力和水/油接触，并且在此称作储层传感器。管形构件100具有一长度，其选择为靠近储层的射孔102放置储层传感器99。井流体通过管形构件100向上流入封壳83内部并且流入泵入口95。如果需要的话，管形构件100可以刺入封隔器。

任选地，ESP 89还具有安装在其底座上的常规ESP电机传感器103。ESP传感器103测量封壳83内部的井流体参数，例如入口和出口压力、电机温度和振动。ESP传感器103电连接至ESP 89的电机，并且ESP传感器103的信号可以通过ESP电机导线91和电力电缆发送至地面。在地面上，电路将ESP传感器103的信号与电能分开并且提供显示。

如果使用这种ESP传感器103的话，优选地，传感器导线101从储层传感器99横靠管道100并密封地穿过下部吊架97而导向ESP传感器103。这样，来自储层传感器99的信号也加载到电机导线91和电力电缆上以便在地面上接收。可选地，储层传感器导线101可穿过上部吊架88并横靠管子85延伸至地面，并且ESP传感器103可将其信号以传统方式传送到电力电缆上。如果不使用ESP传感器103的话，用于储层传感器99的信号最好通过储层传感器导线101与地面通信。

尽管没有显示，但是可以使用双ESP系统，其中下部ESP不在封壳中，而是悬挂在容纳上部ESP的封壳下面。该系统尤其可以在不需要封隔器时使用。另外，封壳可以位于海底出油管内而不是井内，在该情况下，ESP大致水平定向。

本发明具有显著的优点。在双ESP环境下，操作人员可以使用一个ESP，直至其失灵，随后操作第二ESP。这种替换延长了管子必须拉出之前的时间。封壳支撑下部ESP或井下储层传感器的重量，而不是给上部ESP施加负载。如果需要的话，可以取消通常用于井下储层传感器的专用线路，并且信号加载到ESP电力电缆上。

尽管本发明已经显示了其一些形式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明不限于此，并且在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种改变。

Claims (20)

1.一种井泵送设备，包括：

封壳，其具有上端，所述上端用于连接到降至井套管中的生产管子的管柱上；

电动潜泵组件，其包括泵和电机，所述组件位于所述封壳上端内并用其悬挂；

电机导线，其从电机横靠封壳内的泵并密封地穿过封壳上端延伸；

隔板，其位于封壳内且处于泵组件下面；

电动装置，其用封壳悬挂在隔板下；和

电力线，其从电动装置穿过隔板伸出以便给该电动装置提供电力。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述隔板连接到所述泵组件并由其支撑。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：

所述隔板具有外径部分，其密封地接合所述封壳的内径部分，并且

所述隔板可在运转期间响应于泵组件的热膨胀相对于所述封壳轴向移动。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述隔板安装在所述封壳内以防止相对于所述封壳的向下运动；并且

伸缩节将泵组件下端连接至隔板以允许泵组件相对于隔板的热膨胀。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述电动装置包括第二电动潜泵组件。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于：

所述隔板密封地接合所述封壳，从而界定上部腔室和下部腔室；

所述第一泵组件具有位于上部腔室中的入口和连接至封壳上端的排出管道；并且

第二电动潜泵组件具有位于下部腔室中的入口和连接至隔板的排出管道，所述排出管道通过隔板导入上部腔室；并且

排放口位于第二电动潜泵组件的排出管道和上部腔室中。

7.如权利要求6所述的设备，还包括：

上部套阀，其位于上部腔室中的第一泵组件的排出管道内，用于选择性地打开和关闭第一泵组件的排出管道与上部腔室的连通；和

下部套阀，其位于第二电动潜泵组件的排出管道中并位于隔板下面，用于选择性地打开和关闭第二电动潜泵组件的排出管道与下部腔室的连通。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：

所述设备具有第一运转模式，其中两个泵组件运转并且两个套阀关闭；

所述设备具有第二运转模式，其中只有第一泵组件运转，所述上部套阀关闭，并且下部套阀打开；并且

所述设备具有第三运转模式，其中只有第二电动潜泵组件运转，所述下部套阀关闭，并且上部套阀打开。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电动装置包括用于感应井储层特征的传感器。

10.如权利要求9所述的设备，还包括安装于所述封壳中并位于所述隔板上方的传感器，用于监测泵组件电机内的流体压力和电机温度。

11.一种井流体泵送设备，包括：

封壳，其具有接收井流体的入口和排放井流体的出口；

位于所述封壳内的上游和下游泵组件，每个泵组件具有泵和下潜式电动机；

隔板，其位于封壳内且位于上游和下游泵组件之间，从而将封壳分成彼此密封的上游腔室和下游腔室，上游泵组件的入口位于上游腔室中，下游泵组件的入口位于下游腔室中，所述封壳入口与上游腔室连通；

上游管道，其从上游泵组件出口穿过隔板伸入下游腔室；

下游管道，其连接在下游泵组件的出口和封壳出口之间；并且

所述上游和下游泵组件具有双运转模式，其中，井流体通过封壳入口流入上游腔室，通过上游泵组件泵送至第一压力级并且通过上游管道排入下游腔室，随后通过下游泵组件泵送至第二压力级并且通过下游管道从封壳出口排出。

12.如权利要求11所述的设备，还包括：

上游端口，其位于上游管道中的上游腔室内；

上游阀，其选择性地打开和关闭上游端口，所述上游阀在所述上游和下游泵组件处于双模式时关闭；并且

所述上游和下游泵组件具有下游泵组件单独运转模式，其中所述上游泵组件停止运转，所述上游阀打开，并且井流体通过封壳入口流入上游腔室，通过上游端口和上游管道流入下游腔室，随后通过下游泵组件从封壳出口排出。

13.如权利要求11所述的设备，还包括：

下游端口，其位于下游管道中的下游腔室内；

下游阀，其选择性地打开和关闭下游端口，所述下游阀在所述上游和下游泵组件处于双模式时关闭；并且

所述上游和下游泵组件具有上游泵组件单独运转模式，其中下游泵组件停止运转，下游阀打开，并且井流体通过封壳入口流入上游腔室，由下游泵输送穿过上游管道流入下游腔室，随后通过下游端口流入下游管道并从封壳出口排出。

14.如权利要求11所述的设备，还包括：

上游端口，其位于上游管道中的上游腔室内；

上游阀，其选择性地打开和关闭上游端口，所述上游阀在所述上游和下游泵组件处于双模式时关闭；

下游端口，其位于下游管道中的下游腔室内；

下游阀，其选择性地打开和关闭下游端口，所述下游阀在所述上游和下游泵组件处于双模式时关闭；

所述上游和下游泵组件具有下游泵组件单独运转模式，其中上游泵组件停止运转，上游阀打开并且下游阀关闭，井流体通过封壳入口流入上游腔室，通过上游端口和上游管道流入下游腔室，随后通过下游泵组件从封壳出口排出；并且

所述上游和下游泵组件具有上游泵组件单独运转模式，其中下游泵组件停止运转，下游阀打开并且上游阀关闭，井流体通过封壳入口流入上游腔室，通过上游泵输送穿过上游管道进入下游腔室，随后通过下游端口流入下游管道并从封壳出口排出。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于：

所述上游和下游阀偏压至打开位置；

上游泵的运转导致上游阀关闭；并且

下游泵的运转导致下游阀关闭。

16.如权利要求11所述的设备，其特征在于：

所述隔板具有外径部分，其密封地接合所述封壳的内径部分，并且

所述隔板可在运转期间响应于泵组件的热膨胀相对于所述封壳轴向移动。

17.如权利要求11所述的设备，其特征在于：

所述隔板固定在封壳内以防止该隔板相对于封壳的向下运动；并且

一伸缩节将下游泵组件的端部连接至隔板以允许下游泵组件相对于隔板的热膨胀。

18.一种泵送井流体的方法，包括：

(a)将上游和下游泵组件安装在封壳内，每个泵组件具有泵和下潜式电动机，所述封壳具有位于所述上游和下游泵组件之间的隔板，从而将封壳分成彼此密封的上游腔室和下游腔室，上游泵组件的入口位于上游腔室内，下游泵组件的入口位于下游腔室内；和

(b)以双运转模式操作所述上游和下游泵组件，使井流体通过封壳入口流入上游腔室，其中井流体由上游泵组件泵送并通过隔板排入下游腔室，其中所述井流体由下游泵组件泵送并从封壳出口排出。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤(b)还包括：

通过使上游泵停止运转而以下游泵组件单独运转模式运转，井流体从封壳入口直接流入下游腔室，从而绕过上游泵组件。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤(b)还包括：

通过使下游泵停止运转而以上游泵组件单独运转模式运转，井流体从封壳入口和从上游泵组件直接流入下游腔室并且由封壳出口排出，从而绕过下游泵组件。

Images