缆式悬载泵送系统 【技术领域】
本发明的实施方式主要涉及一种缆式悬载泵送系统。背景技术 石油工业数十年来已利用电动潜油泵 (ESPs) 生产高流速油井， 这些泵的材料和 设计已提高了系统的性能以在没有干涉的情况下使用更长的时间。 这些系统通常配置在油 管柱上， 电力线缆通过诸如金属带或金属线缆保护器之类的机械装置固定于油管。用于更 换装置的油井干涉要求操作者需要利用修井机和专用线轴拉动该油管柱和电力线缆以将 该线缆安全地缠绕在线轴上。 该工业已试图特别是在成本显著增加的近海和偏远地区中找 到对于这种配置方法的可行的替代方案。 已经存在对于插入在挠性油管中的线缆的有限配 置， 其中， 该挠性油管用于支承装置和线缆的重量， 尽管该系统被视为是有缝油管方面的一 种改进， 但挠性油管单元的成本、 可靠性和有效性已经在更为广泛的基础上抑制了用途。
发明内容 本发明的实施方式主要涉及一种悬索式泵送系统。在一个实施方式中， 一种从储 层生产流体的方法包括利用线缆将泵送系统配置到井眼中、 处于邻近储层的位置。泵组件 包括电机、 隔离装置、 泵和电力转换模块 (PCM)。该方法还包括设定隔离装置， 从而将泵送 系统可旋转地固定于布置在井眼中的管状柱并将泵的入口与泵的出口隔离开 ； 经由线缆将 DC 电力信号从地面供给至 PCM ； 以及将第二电力信号供给至电机， 从而操作泵并将储层流 体从储层泵送至地面。
在另一实施方式中， 泵送系统包括 ： 潜入式电动电机， 其可操作用于斯旋转驱动 轴； 泵， 其可旋转地固定于驱动轴 ； 隔离装置， 其可操作用于扩张成与套管柱接合， 从而将 泵的入口与泵的出口流体地隔离并将电机和泵可旋转地固定于套管柱 ； 线缆， 其具有两个 或更少个导体并具有足以支承电机、 泵、 隔离装置和电力转换模块 (PCM) 的强度 ； 以及 PCM 可操作用于接收来自线缆的 DC 电力信号， 并将第二电力信号供给至电机。
附图说明 为了能够详细地理解本发明的上述特征的方式， 可参照实施方式对在上文中简要 总结的本发明进行更具体的说明， 这些实施方式中的一些示于附图中。 但是， 将会注意到的 是， 附图仅示出了本发明的典型实施方式， 并且由于本发明可允许具有其它等效的实施方 式， 因此附图并不被认为是限制本发明的范围。
图 1 示出了根据本发明的一个实施方式的配置在井眼中的 ESP 系统。
图 2A 是电力线缆的分层视图。图 2B 是电力线缆的端视图。
具体实施方式
图 1 示出了根据本发明的一个实施方式的配置在井眼 5 中的 ESP 系统 1。 井眼 5 已从地球的地表 20 或海洋的海底 ( 未示出 ) 钻入到油气 ( 即， 原油和 / 或天然气 ) 储层 25。 套管柱 10 已被延伸到井眼 5 中并且其中设定有水泥 ( 未示出 )。套管 10 已被穿孔 30， 以 在储层 25 与套管 10 的镗孔之间提供流体连通。井口装置 15 已被安装在套管柱 10 的端部 上。出口管线 35 从井口装置 15 延伸至生产装置 ( 未示出 )， 诸如分离器。作为选择， 套管 10 可由可拆卸的生产衬管 ( 未示出 ) 填塞以保护已注水泥的套管不回受到储层流体 100 的 腐蚀。
ESP 系统 1 可包括地面控制器 45、 电动电机 50、 电力转换模块 (PCM)55、 密封段 60、 泵 65、 隔离装置 70、 线缆头 75 和电力线缆 80r。部件 50-75 中的每个的壳体可诸如通过法 兰连接或螺纹连接纵向地且可旋转地固定。
地面控制器 45 可与诸如输电管线之类的交流 (AC) 电源 40 电气通信。地面控制 器 45 可包括变压器 ( 未示出 ) 和整流器， 该变压器用于使来自电源 40 的 AC 电力信号的 电压步进至中压 (V) 信号， 例如 5kV 到 10kV， 该整流器用于将中压 AC 信号转换成中压直流 (DC) 电力信号， 用于经由电力线缆 80r 的井下传递。 地面控制器 45 还可包括数据调制解调 器 ( 未示出 ) 和多路转换器 ( 未示出 )， 其用于利用 DC 电力信号调节和多路转换通向 / 来 自井下控制器的数据信号。地面控制器 45 还可包括用于与远程办公室 ( 未示出 ) 数据通 信的收发器 ( 未示出 )， 例如卫星收发器。 地面控制器 45 还可包括诸如视频显示器、 触摸屏 和 / 或 USB 端口之类的操作界面 ( 未示出 )。
线缆 80r 可从地面控制器 45 延伸通过井口装置 15， 或者连接于贯穿井口装置 15 的引线并连接于地面控制器 45。线缆 80r 可被布置在井口装置 15 中或邻近井口装置 15 布 置的卡瓦或夹具 ( 未示出 ) 所接收， 用于在 ESP 系统 1 的运行期间将线缆 80r 纵向地固定 于井口装置 15。线缆 80r 可延伸到井眼 5 中以延伸至线缆头 75。由于电力信号可以是 DC， 因此线缆 80r 可仅包括同轴布置的两个导体。
图 2A 是电力线缆 80r 的分层视图。图 2B 是电力线缆 80r 的端视图。线缆可包括 内芯 205、 内部护套 210、 屏蔽件 215、 外部护套 230 和外皮 235、 240。
内芯 205 可以是第一导体并由诸如铝、 铜、 铝合金、 铜合金或钢之类的导电材料制 成。内芯 205 可为实心的或绞合的。内部护套 210 可使芯 205 与外部导体 215 电气隔离， 并由诸如聚合物 ( 即， 合成橡胶或热塑塑料 ) 之类的介电材料制成。屏蔽件 215 可用作第 二导体并由导电材料制成。屏蔽件 215 可为管状的、 麻花状的或由编织物覆盖的薄片。外 部护套 230 可使屏蔽件 215 与外皮 235、 240 电气隔离， 并由耐油的介电材料制成。外皮可 由一层或更多层 235、 240 的高强度材料 ( 即， 抗拉强度大于或等于二百 kpsi) 制成以支承 配置重量 ( 线缆的重量和部件 50-75、 80f 的重量 )， 使得线缆 80r 可被用于将部件 50-75 配 置到井眼 5 中 / 将部件 50-75 从井眼 5 中拆除。取决于储层流体 100 的腐蚀性， 高强度材 料可为金属或合金并且是耐腐蚀的， 例如镀锌钢或镍合金。外皮可包括线或带的两个反螺 旋地缠绕的层 235、 240。
另外， 线缆 80r 可包括布置在屏蔽件 215 与外部护套 230 之间的护皮 225。护皮 225 可由诸如聚四氟乙烯 (PTFE) 或铅之类的润滑材料制成， 并可为围绕屏蔽件 215 螺旋地 缠绕的带。如果将铅用于护皮， 则一层衬垫 220 可使屏蔽件 215 与护皮隔离开， 该衬垫 220 可由介电材料制成。另外， 在外皮层 235、 240 之间可布置缓冲件 245。缓冲件可为带并可由 润滑材料制成。由于同轴布置， 因此线缆 80r 的外径 250 可小于或等于一又四分之一英寸、 一英寸 或四分之三英寸。
另外， 线缆 80r 还可包括压力安全层 ( 未示出 )， 该压力安全层由具有足够大的强 度以承受介电层的径向热膨胀并被缠绕成允许其纵向膨胀的材料制成。 该材料可以是不锈 钢并可为带或线。作为选择， 线缆 80r 可仅包括一个导体， 套管 10 可用于另一个导体。
线缆 80r 可由可剪断的连接 ( 未示出 ) 纵向地联接于线缆头 75。该线缆 80r 可以 是足够坚固的， 以使得在配置重量与线缆的强度之间存在余量。 例如， 如果配置重量为一万 磅， 则该可剪断的连接可被设定为在一万五千磅时失效， 并且该线缆可定级为二万磅。 该线 缆头 75 还可包括捞颈 (fishneck)， 以致如果部件 50-75、 80f 变得陷在该井眼中， 例如由于 隔离装置 70 的回收或沙子的累积， 线缆 80r 可通过操作该可剪断的连接与其余部件断开， 诸如打捞筒之类的打捞工具 ( 未示出 ) 可被配置成用于回收部件 50-75、 80f。
线缆头 75 还可包括延伸穿过线缆头 75、 穿过出口 65o 并穿过隔离装置 70 的引线 ( 未示出 )。该引线可在线缆 80r 的导体与带状线缆 80f 的导体之间提供电气通信。带状 线缆 80f 可沿泵 65、 入口 65i 和密封段 60 延伸至井下控制器 55。 带状线缆 80f 可具有低的 型面以占据部件 60、 65、 65i 与套管 10 之间的受限的环状间隙。由于带状线缆 80f 可传导 DC 信号， 因此带状线缆可仅需两个导体 ( 未示出 ) 并可只需支承其自重。该带状线缆 80f 可由金属或合金形成外皮。 电机 50 可为二极、 三相、 鼠笼感应式的。电机 50 可以在 60Hz 下以 3500rpm 的额 定速度运转。该电机可填充介电、 热传导液体润滑剂， 诸如润滑油。电机 50 可通过与储层 流体 100 热连通而被冷却。电机 50 可包括用于支承驱动轴 ( 未示出 ) 的止推轴承 ( 未示 出 )。电机 50 可定位在穿孔 30 上方的足够远的距离处以确保适当的冷却， 或者电机 50 可 改为被罩住。在操作中， 电机可旋转轴， 从而驱动泵 65。作为选择， 电机 50 可以是开关磁阻 电机 (SRM)。作为选择， 电机 50 可为任意它类型的感应电机、 任意其它类型的同步电机、 或 DC 电机。
PCM 55 可具有贯穿该 PCM 55 的纵向孔， 用于使电机轴能够延伸至密封段 60 并将 润滑剂引导至轴封。 PCM 55 可包括电源 ( 未示出 )、 电机控制器 ( 未示出 )、 调制解调器 ( 未 示出 ) 和分路转换器 ( 未示出 )。调制解调器和分路转换器器可从 DC 电力信号中分路转换 出数据信号、 解调信号、 并将数据信号传输至电机控制器。
电源可包括用于将中压 DC 电力信号转换成三相中压 AC 电力信号的一个或更多个 换流器。作为选择， 电源还可包括一个或更多个 DC/DC 转换器， 每个 DC/DC 转换器均包括换 流器、 变压器、 和整流器， 该整流器用于将 DC 电力信号转换成 AC 电力信号并将电压从中压 步进为诸如小于或等于 1kV 的低压。另外， 电源可包括串联的多个 DC/DC 转换器， 以将 DC 电压从中压逐渐地步进至低压。根据所采用的电机控制器的类型， AC 电力信号的频率可以 是固定的或可调的。
电机控制器可为配电盘或变速驱动器 (VSD)。电机控制器可与遍及部件 50-75 分 布的一个或更多个传感器 ( 未示出 ) 数据通信。压力和温度 (PT) 传感器可与进入入口 65i 的储层流体 100 流体连通。油气比 (GOR) 传感器可与进入入口 65i 的储层流体流体连通。 第二 PT 传感器可与从出口 65o 排出的储层流体流体连通。温度传感器 ( 或 PT 传感器 ) 可 与润滑剂流体连通以确保电机和井下控制器被充分地冷却。多个温度传感器可包括在 PCM
中， 用于监控和记录各种电子部件的温度。电压表和电流 (VAMP) 传感器可与线缆 80r 电气 通信以监控线缆的电力损失。第二 VAMP 传感器可与电源输出电气通信以监控电源的性能。 另外， 一个或更多个振动传感器可监控电机 50、 泵 65 和 / 或密封段 60 的运行。流量计可与 排出口 65o 流体连通， 用于监控泵 65 的流速。利用来自传感器的数据， 电机控制器可监控 诸如抽空、 气栓或异常电力性能之类的不利状况， 并在对泵 65 和 / 电机 50 造成损坏之前采 取补救措施。
作为选择， 如果电机为 SRM， 则电机控制器可接收来自线缆的中压 DC 信号或来自 电源的低压 DC 信号， 并继而将 DC 信号切换至电机的一个或更多个相位 ( 即， 一相或两相激 励 )。 电机控制器可通过控制切换频率来控制电机的速度。 电机控制器可为单极或双极的。 电机控制器可包括非对称桥或半桥。
配电盘控制器可为机电或实心状态， 并可以以预定速度操作电机。 VSD 控制器可改 变电机速度 ( 并由此改变泵 65 的排量 ) 以实现用于给定状况的最适宜条件。VSD 还可逐渐 地或软起动泵 65， 从而降低了轴和电源上的起动应变并使不利的油井状况的影响最小化。
密封段 60 可通过使润滑剂压力与储层流体 100 的压力相等来使正被泵送通过泵 65 的储层流体 100 与电机 50 中的润滑剂隔离开。密封段 60 可将电机轴可旋转地联接于泵 的驱动轴。轴封可容置能够支承来自泵的推力载荷的止推轴承。密封段 60 可为正类型或 迷宫式的。该正类型可包括弹性、 流体障碍袋， 以允许电机润滑剂在运行期间的热膨胀。该 迷宫式可包括在润滑剂腔与储层流体腔之间延伸的管路径， 其在腔之间提供受限的流体连 通。 泵可包括入口 65i。根据储层流体的 GOR， 该入口 65i 可为标准型、 静态气体分离 器型或旋转气体分离器型。标准型入口可包括使储层流体 100 能够进入泵 65 的下级或第 一级的多个端口。标准进口可包括筛网以从储层流体中过滤颗粒。静态气体分离器型可包 括反向流动路径以将储层流体的气体部分与储层流体的液体部分分离开。
泵 65 可为动态或正排量。动态泵可为离心的， 诸如径流式或者轴流 / 径流混合 式。正排量泵可为螺杆式。泵 65 可包括一级或更多级 ( 未示出 )。离心泵的的每一级均可 包括叶轮和导向叶片。叶轮可例如通过键旋转地且纵向地联接于泵轴。导向叶片可例如通 过在头部与旋入壳体中的基部之间的压缩纵向地且可旋转地联接于泵的壳体。 叶轮的旋转 可将速度基于储层流体 100， 并且经过固定的导向叶片的流动可将一部分速度转换成压力。 泵可将加压的储层流体输送至隔离装置 70 的出口 65o。 另外， 两个泵可串联使用， 例如第一 离心泵 ( 一级或更多级 ) 和第二螺杆泵 ( 一级或更多级 )。
ESP 系统 1 还可包括用于设定和 / 或复位隔离装置 70 的致动器 ( 未示出 )。该致 动器可包括膨胀工具、 止回阀和收缩工具。 止回阀可为独立的构件或与膨胀工具一体化。 该 膨胀工具可为电动泵并可与电机控制器电气通信或者包括与电力线缆 80r 直接通信的独 立的电源。 一旦起动， 膨胀工具就可吸入储层流体、 加压该储层流体并将加压的储层流体通 过止回阀喷射到隔离装置中。作为选择， 膨胀工具可包括填充有用于使隔离装置 70 膨胀的 诸如油之类的清洁的膨胀流体的箱。
隔离装置 70 可包括囊 ( 未示出 )、 心轴 ( 未示出 )、 锚定带 ( 未示出 )、 和密封盖 ( 未示出 )。心轴可包括贯穿其中的第一流体路径和第二流体路径， 该第一流体路径用于使 来自泵 65 的储层流体 100 流至出口 65o， 该第二流体路径用于将来自膨胀工具的储层流体
引导至囊。心轴还可包括贯穿其中的用于将线缆 80r 经由引线电气联接于带状线缆 80f 或 用于物理贯穿线缆 80r 的路径。囊可由合成橡胶制成并沿着和围绕心轴的外表面布置。锚 定带可沿着和围绕囊的外表面布置。锚定带可由金属或合金制成， 并且一旦囊膨胀就可接 合套管 10 的内表面， 从而将心轴 ( 以及部件 50-75) 可旋转地固定于套管 10。锚定带还可 将心轴纵向地联接于套管， 从而使得线缆 80r 在泵 65 的运行期间不必支承部件 50-75 的重 量。万一隔离装置 70 失效， 线缆 80r 就可随后转变为备用支承件。
密封盖可沿一个部分并围绕锚定带布置， 并且一旦囊膨胀就接合套管， 从而将出 口 65o 与进口 65i 流体隔离。收缩工具可包括机械或电动阀。收缩工具可与囊流体路径流 体连通， 以使打开该阀允许来自囊的加压流体流到井眼中， 从而使囊收缩。 机械收缩工具可 包括朝向关闭位置偏压阀构件的弹簧。阀构件可由线缆 80r 中的超过弹簧的偏置力的张力 打开。电动膨胀工具可包括操作阀构件的电动电机。该电动电机可与电机控制器电气通信 或者与线缆直接通信。电机利用电压的第一极性的操作可打开阀， 并且电机利用第二反向 极性的操作可关闭阀。
作为选择， 替代囊上的锚定带， 隔离装置可包括一组或更多组卡瓦、 一个或更多个 相应的锥体、 和布置在心轴上的活塞。活塞可与用于接合卡瓦的膨胀工具流体连通。卡瓦 可接合套管 10， 从而将部件 50-75 可旋转地固定于套管。卡瓦还可纵向地支承部件 50-75。 可利用收缩工具使卡瓦脱离接合。 作为选择， 替代致动器， 液压油管 ( 未示出 ) 可与部件 50-75 一起插入并延伸至隔 离装置 70。液压流体可通过液压油管被泵送到囊中以设定隔离装置 70， 并经由该油管从囊 释放以复位隔离装置 70。作为选择， 隔离装置 70 可包括一组或更多组卡瓦 ( 未示出 )、 一 个或更多个相应的锥体 ( 未示出 )、 和固体密封元件 ( 未示出 )。致动器可包括充电电源 (power charge)、 活塞、 和可剪断的棘轮机构。 该充电电源可与电机控制器电气通信或与线 缆 80r 直接电气通信。充电电源的爆震 (detonation) 可沿棘轮机构操作活塞以设定卡瓦 和密封元件。线缆 80r 中的张力可用于剪断棘齿并复位密封元件。作为选择， 液压油管可 代替充电电源使用。作为选择， 第二液压油管可替代棘轮机构使用以复位密封元件。作为 选择， 隔离装置 70 可包括由形状记忆合金或聚合物制成的可扩张元件并包括电热元件， 以 使得该可扩张元件可通过操作该加热元件而扩张并通过停用该加热元件而收缩 ( 或反之 亦然 )。
另外， 隔离装置 70 可包括旁通口 ( 未示出 )， 其用于释放由入口 65i 分离的可在隔 离装置下方收集的气体并且用于防止泵 65 的气栓。释压阀 ( 未示出 ) 可布置在旁通口中。
在操作中， 为了安装 ESP 系统 1， 修井机 ( 未示出 ) 和 ESP 系统 1 可配置于井位。 由于线缆 80r 可仅包括两个导体， 因此线缆 80r 可被以缠绕在鼓轮 ( 未示出 ) 上的方式输 送。可隔离储层 25， 并且可打开井口装置 15。部件 50-75 可从修井机上悬挂在井眼 5 的上 方， 并且线缆 80r 的端部可连接于线缆头 75。线缆 80r 可从鼓轮上松开， 从而将部件 50-75 降到井眼中。一旦部件 50-75 已到达接近储层 25 的所需深度， 就可将线缆 80r 的地面端紧 固于井口装置 15， 关闭该井口装置， 并且线缆 80r 的导体可连接于地面控制器 45。随后可 将修井机从井位转运。作为选择， 修井机可继续支承部件 50-75， 直到设定隔离装置 70， 使 得线缆 80r 可在泵 65 的运转期间消除张力。
另外， 井下牵引器 ( 未示出 ) 可被集成到线缆中以有助于泵送系统的输送， 特别是
有助于用于大斜度井泵送系统的输送， 例如倾度大于 45 度或狗腿严重度超过每 100 英尺 5 度的大斜度井。 牵引器的驱动器和轮可相对于线缆折叠并在需要时通过来自地面的信号展 开。
随后可设定隔离装置 70。如果隔离装置 70 是电动操作的， 则可致动地面控制器 45， 从而将 DC 电力信号输送至井下控制器 55 并致动该井下控制器 55。指令可经由操作界 面给予地面控制器 45， 指导隔离装置 70 的设定。指令可经由线缆分程传递至 PCM 55。该 PCM 55 可随后操作该致动器。 作为选择， 如上所述， 致动器可直接连接于线缆。 在该替代方 案中， 可通过发送不同于电机的工作电压的电压来操作该致动器。 例如， 由于电机可通过中 压操作， 因此膨胀工具可在低压下操作， 并且收缩工具 ( 如果是电动的 ) 可通过使低压的极 性翻转来操作。
一旦设定隔离装置 70， 可随后起动电机 50。如果电机控制器是可调的， 则电机控 制器可软起动电机 50。当泵 65 运转时， 电机控制器可将来自传感器的数据发送至地面， 以 使操作者可监控泵的性能。如果电机控制器是可调的， 则可调整电机 50 的速度以优化泵的 性能。作为选择， 地面操作者可指示电机控制器来改变电机的运转。一旦井下部件 50-75 中的一个达到使用寿命的终点和 / 或传感器检测到井下部件 50-75 中的一个的老化， 就可 将修井机重新配置于井位。 操作者可将指令发送至电机控制器以关闭泵或仅切断通向线缆 80r 的电力。线缆 80r 可从井口装置 15 上松开并连接于鼓轮。操作者可将指令发送至井下 控制器 55 以复位隔离装置 70( 如果是电动操作的 )， 或者可缠绕鼓轮以在线缆 80r 中施加 足够大的张力以复位该隔离装置 70。如果隔离装置 70 是非响应性的， 则可施加足够大的 张力以从线缆头 75 上剪断该线缆 80r， 并可拆除线缆 80r。随后可将打捞工具配置成用与 回收部件 50-75。如果隔离装置被成功地复位， 可缠绕该线缆 80r， 从而将部件 50-75 从井 眼 5 升起。随后可利用线缆 80r 替换并重新配置部件 50-75， 或者如果需要， 也可更换线缆 80r。
作为选择， 如果隔离装置 70 是可重复设定的， 则可重新配置修井机， 用于调整部 件 50-75 在井眼中的位置， 以补偿储层 25 的变化状态。
有利地， 部件 50-75 利用线缆 80r 代替油管柱的配置缩小了修井机所需的尺寸， 并 降低了将部件 50-75 配置到井眼内以及从井眼中拆除部件 50-75 所需的人力。 利用套管 10 代替生产油管将储层流体 100 引导至地面 20 降低了流体的摩擦压力损失， 从而减少了用于 给定流速的电机和泵的所需排量。通过线缆 80r 传递 DC 电力信号减小了线缆的所需直径， 从而使得能够将更长长度的线缆 80r( 即， 五千到八千英尺 ) 缠绕到鼓轮上， 并易于配置线 缆 80r。
尽管上文涉及本发明的实施方式， 但在不脱离本发明的基本范围的情况下可设想 出本发明的其它和另外的实施方式， 并且本发明的范围由所附权利要求来确定。