用于井眼清洗或用于使流体在井眼中移动的井下工具技术领域
本发明涉及一种用于井眼清洗或用于使流体在井眼中移动的井下工
具。该工具包括工具壳体、腔室入口和腔室出口，并且该工具壳体包括布
置在泵壳体中的泵和用于驱动泵的由导电装置供电的驱动单元。
背景技术
已知用于执行井下技术操作的不同操作工具，例如用于研磨和过滤的
工具。这些操作可以发生在水平井或竖井或这两者之间的斜井（deviation）
中。
从US 5,447,200获知一种用于使用盘管技术除砂的装置。该专利中公
开的装置用于除去高粘度材料，诸如砂和与砂混合的流体以及流体中的其
它固体成分。砂或与砂混合的高粘度流体从井被泵送到水面（surface，地
面）以便将砂从井洗出。这是非常耗能的过程。此外，该专利中记载的装
置和方法不适合于与过滤器单元结合以便从液体分离固体，因为该装置仅
构造成用于将整个物质泵送至水面。
发明内容
本发明的一方面至少部分地在于克服上述装置的缺点并且提供一种适
合于使低粘度液体从一个区域流动到另一个井底的工具，以及适合于与过
滤器单元结合以使砂和其它碎屑能与低粘度流体分离的装置，并且过滤器
单元中的碎屑由此在液体从泵单元排出的同时被收集并且保持在井眼中。
将从下文的描述变得显而易见的上述目的以及众多其它目的、优点和
特征由根据本发明的方案通过一种用于井眼清洗或用于使流体在井眼中移
动的井下工具来完成，该流体包含诸如井眼中存在的固体或液体物料及其
混合物之类的成分，该工具包括：
-工具壳体，
-用于允许流体进入工具的腔室入口，以及
-用于排出固体或液体或其混合物的腔室出口，
该工具壳体包括：
-布置在泵壳体中的泵，以及
-用于驱动泵的由导电装置供电的驱动单元，
该泵布置在腔室入口与腔室出口之间，
其中泵包括相对于至少一个定子单元旋转的至少一个转子单元并且泵
与驱动单元连接以便使转子单元旋转，从而使流体从腔室入口移向腔室出
口。
泵单元和用于驱动泵的驱动单元在井眼中布置成彼此靠近使得不需要
昂贵和耗能的将操作能量向操作泵的输送。此外，由于入口和出口布置在
转子/定子装置（即，涡轮泵或轴向压缩泵）的任一侧，所以带或不带砂和
/或碎屑的液体在井眼中移动一定的合适距离。最后，由于泵根据转子/定子
原理构成，所以蓄积的压力与其它泵例如螺杆泵相比受到限制，并且泵在
泵壳体的内侧形成抽吸作用。同样由于该原因，需要比已知的相当技术少
得多的电力来驱动泵。
在一个实施例中，转子单元可以包括具有流体动力学轮廓的至少一个
转子叶片，该流体动力学轮廓具有前缘和后缘。
这引起沿该轮廓的整个长度的更均匀的流动，从而使泵更有效。
此外，转子单元可以包括具有增大或减小的截面厚度的至少一个转子
叶片。
此外，定子单元可以包括具有流体动力学轮廓的至少一个定子叶片，
该流体动力学轮廓具有前缘和后缘。
在一个实施例中，该轮廓可以朝前缘和后缘渐缩。
此外，该轮廓可以具有弯曲的弧线。
此外，该轮廓可以具有朝后缘减小的厚度。
此外，该轮廓可以是翼面轮廓。
该翼面轮廓可以具有NACA轮廓的形状。
在一个实施例中，转子单元可以包括至少一个转子叶片，该转子叶片
具有第一转子表面和第二转子表面，第一转子表面是凸起的。
此外，转子单元可以包括至少一个转子叶片，该转子叶片具有第一转
子表面和第二转子表面，第二转子表面是凹陷的。
此外，定子单元可以包括至少一个定子叶片，该定子叶片具有第一定
子表面和第二定子表面，第一定子表面是凸起的。
此外，定子单元可以包括至少一个定子叶片，该定子叶片具有第一定
子表面和第二定子表面，第二定子表面是凹陷的。
在另一个实施例中，转子单元可以包括至少一个转子叶片，该转子叶
片具有第一转子表面和第二转子表面，第一转子表面是指向腔室入口的方
向的凸起表面。
定子单元可以包括至少一个定子叶片，该定子叶片具有第一定子表面
和第二定子表面，第一定子表面是指向腔室入口的方向的凸起表面。
此外，转子单元可以包括至少一个转子叶片，该转子叶片具有第一转
子表面和第二转子表面，第二转子表面是指向腔室出口的方向的凹陷表面。
这样，保证了流体的平顺引导并且避免了湍流。
此外，工具可以具有工具轴线，转子单元可以包括至少一个转子叶片，
并且定子单元可以包括至少一个定子叶片，转子叶片可以相对于工具轴线
成一定角度倾斜（angled）。
在本发明的一个实施例中，工具可以具有工具轴线，转子单元可以包
括至少一个转子叶片，定子单元可以包括至少一个定子叶片，转子叶片可
以在旋转方向的相反方向上相对于工具轴线成一定角度倾斜，并且定子叶
片可以在旋转方向上相对于工具轴线成一定角度倾斜。
流体被捕获在转子叶片的一端中并且被迫沿转子表面流动并由定子叶
片捕获，并且流体因此被迫以之字形图案向前流动。
泵可以具有泵入口端，该泵入口端与腔室入口流体连通并且成形为转
向到周向环形通道内的中央通道。
此外，各定子单元和各转子单元中的叶片数量可以相同。
此外，定子单元可以连接到泵壳体并且相对于轴保持静止。
泵壳体可以具有至少一个开口，定子单元的一部分突出到该至少一个
开口内。
此外，转子单元和定子单元可以布置在可旋转的轴上，轴在第一端与
驱动单元连接并由驱动单元驱动且在第二端与驱动单元断开并从驱动单元
悬置。
在一个实施例中，入口可以连接到包括用于从液体分离物料如碎屑和
地层片块的装置的流体清洗器装置。
在另一个实施例中，流体清洗装置可以包括连接到工具壳体的清洗器
壳体，该清洗器壳体包括收集腔室，并且用于从液体分离物料的装置如过
滤器布置在该收集腔室内。
清洗器壳体可以包括第二入口和第二出口，第二出口将流体引入收集
腔室内并且与环形通道流体连通。
在又另一个实施例中，定子单元可以包括至少一个定子叶片，该定子
叶片具有第一V形表面和第二V形表面，第二定子表面是指向腔室出口的
方向的凹陷表面。
叶片可以朝入口和/或出口渐缩。
该工具可以包括多个转子叶片和多个定子叶片。
此外，该工具可以包括多个转子单元和多个定子单元。
在一个实施例中，定子单元与轴之间可以设置有轴颈轴承。
在另一个实施例中，叶片可以朝泵壳体沿径向向外延伸。
在又另一个实施例中，周向环形通道可以小于中央通道。
转子单元的凸起表面和定子单元的凸起表面指向彼此。
壳体可以不透液体并且耐受至少2bar的压力。
此外，可旋转的轴可以在靠近驱动单元的一端由支承单元支撑。
根据本发明的工具还可以包括用于捕捉成分的阀单元和用于将成分和
液体引导到流体清洗器装置的引导装置，该阀单元相对于流体清洗器装置
布置。
在另一个实施例中，泵可以是涡轮泵。
此外，该工具还可以包括用于使工具在套管中向前移动的驱动工具，
诸如井下牵引机。
本发明还涉及结合驱动单元如井下牵引机使用工具。
最后，本发明涉及在水平井眼和其在+/-45°的范围内的斜井中使用工
具。
附图说明
下文将参照所附示意图更详细地描述本发明及其诸多优点，附图为了
说明的目的而示出了一些非限制性的实施例，并且其中
图1示出了根据本发明的工具的外侧视图，
图1a示出了沿图1的线A-A穿过工具的截面，
图2示出了根据本发明的泵的一部分以及定子与转子之间的关系，
图3示出了可以有利地使用并且连接到根据本发明的泵的过滤器的剖
视图，
图4示出了图3所示的过滤器的一部分并且指示了固体物料如何由于
泵的抽吸而定位，
图5示出了根据本发明的工具的示意图，该工具连接到支承一工具例
如过滤器并且布置在井下的牵引机，
图6示出了从一端看的转子叶片，以及
图7示出了从一端看的定子叶片。
具体实施方式
图1和1a示出了包括工具壳体29的井下工具1，转子/定子泵8布置
在工具壳体29内部。转子/定子泵8可以是涡轮泵或压缩泵。在工具壳体
29中，设置有多个开口7’，以允许流体在泵8的使用期间进入工具1或排
出。可旋转的轴12居中地布置在工具壳体29与泵8之间，并且借助于轴
连接到驱动单元9。驱动单元可以是由导电装置5如钢丝绳供电的电动机。
通过带有由潜入式驱动单元9驱动的转子和定子单元的泵8，提供了
能够使流体在井的水平部分中移动的非常节能的泵。驱动单元9和泵8易
于下潜到井内并且易于通过拉动钢丝绳而取回。
在井下工具1的与电机9相反的另一端，连接部31布置成用于将工具
1连接到帮助工具，诸如流体清洗器装置21或研磨装置。由泵8处理的包
含成分的流体被吸入腔室入口6内并且继续进入转子单元10和定子单元
11，这将在下文中明确地参照图1a进行说明。
图1a示出了布置在该结构中间的可旋转的轴12，该轴12提供了中心
轴线，并且在一端中连接到联接套筒32。该套筒32提供了驱动单元与泵8
之间的连接。轴12在套筒32所布置的一端中由支承单元20如滚珠轴承支
承。轴12也可以在相对端由又一个滚珠轴承或轴颈轴承支承，以避免不平
衡。
在可旋转的轴12的与套筒32相对的一端，布置有泵8。泵8包括泵
壳体4以及由泵壳体4包围的至少一个定子单元11和一个转子单元10，
并且转子单元10连接到可旋转的轴12，随着轴旋转。转子单元10包括同
心地布置在轴12周围并且朝泵壳体4径向向外延伸的若干个转子叶片13。
定子单元11还包括布置在轴12周围的若干定子叶片16。
有利地，可以存在三个转子单元10，每个转子单元均连同一个定子单
元11一起工作，使得定子单元11的数量与转子单元10的数量相同。然而，
也可以存在更多的定子单元10/转子单元11，取决于要使流体移动的距离
并因此取决于需要多大的泵作用。，定子单元11固定不动——在轴12旋
转期间它们相对于泵壳体4维持相同的静止关系。定子叶片16通过它们在
径向向外指向的一端与泵壳体4的连接而保持静止。优选地，定子叶片16
以这样的方式构成：指向轴心的一端被固定在环绕轴12的滑环39上。各
定子叶片16均优选在径向上配置有与泵壳体4中的开口40接合的小鳍片
38。鳍片38与开口40之间的相互作用防止了鳍片移动，并且由于滑环39，
轴12相对于保持固定不动并且静止的定子叶片16旋转。
定子单元11以与转子单元10相同的方式安置使得它们相对于可旋转
的轴12同心地定位，并且叶片16朝泵壳体4径向向外延伸。
在定子单元11和转子单元10与周向泵壳体4之间，形成有环形腔室
19。该环形腔室19充当用于流体经腔室入口6被吸入泵4并且进一步吸入
泵入口36的通路。流体从入口被引入中央通道37内。该中央通路37构成
泵入口36与环形通道19之间的流体连接。中央通道37的外壁优选朝环形
腔室19发散，并且通过轴12的悬置形成内壁。
中央通道37的截面积小于中央腔室的截面积，优选在20：1至2：1
的关系区间内。通过减小截面积，泵4产生的压力增大。
转子叶片13的旋转使流体沿环形腔室19的侧壁输送，直到它通过工
具壳体29的腔室出口7和开口7’排出。
图2详细示出了转子单元10和定子单元11。每一个单个的定子单元
11和转子单元10均包括20-25个叶片13、16。然而，该数量也可以更大
或更小。叶片13、16以这样的方式构成和布置：转子叶片13和定子叶片
16两者的第一表面14是凸起的，这些凸起的表面全部指向工具1的入口
开口6。转子单元10的凸起表面指向与轴12的旋转方向相反的方向。该
旋转方向在图2中由箭头示出。定子单元11的凸起表面指向与轴12的旋
转方向相同的方向。
各叶片13、16均具有指向输出开口7的与第一表面14、17相反的第
二表面15、18。转子叶片13的第二表面15是凹陷的，并且随着轴12逆
时针方向旋转，流体被凹陷表面推向输出开口7并且通过定子叶片16的通
道。在定子叶片16的第一表面17与相邻的定子叶片的第二表面18之间形
成有通道。定子叶片16的第二表面18也是凹陷的。
也是轴12的旋转轴线的工具轴线与定子叶片的凸起表面中间的切线
之间的角度b介于20°与60°之间。工具轴线/旋转轴线与转子叶片的凸起
表面中间的切线之间的角度a为25°-65°，优选35°-55°。
典型地，需要三个定子单元11和三个转子单元10来形成充分的通过
转子腔室的流量。然而，该数量可以更大或更小。泵4中的压力通常低于
2bar，并且泵和工具1因此对泵送和除去水平井眼及其斜井中的流体尤其
有利。然而，也可以为竖直井眼及其斜井（典型地10°-30°）使用工具1。
图3示出了流体清洗器装置21，该流体清洗器装置21是可以连接到
泵8的连接部31的工具。该装置21包括环绕收集腔室23的清洗器壳体
22，并且在该收集腔室23的中间布置有过滤器24。流体或碎屑或其它物
质如砂、管道涂料、前次爆炸的残留物、井内套管的锈迹或从井剥离的分
离物通过布置在清洗器壳体22前面的第二入口25被吸入腔室23内。由于
通过其入口开口6连接到过滤器24的泵8的抽吸，流体通过过滤器24的
开口被吸入流体清洗器装置21的第二出口26内并进一步吸入入口6内。
流体从这里继续流向泵入口36并且来到中央通道37，并且进一步进入环
形通道19，从而通过开口7从井下工具1排出。
这种泵送和抽吸由于转子单元10的旋转——形成使砂和其它固体成
分聚集在过滤器24外部和连接腔室内部的低压——而发生，意味着仅流体
由此被吸入过滤器24内并且通过转子和定子单元装置。从以引用的方式并
入的WO 2008/104177获知这种过滤器装置24。
在这种结构中，过滤器24设计为长形部件并且布置成使得它沿腔室的
中心轴线延伸。已由过滤器24从流体分离的碎屑和地层片块由腔室收集并
且如图4所示安置在过滤器与腔室内侧之间的空腔中。
接着该流体清洗器21，可以布置有一种搅拌器34。该搅拌器34确保
流体被引入流体清洗器装置21的开口内并且进一步进入泵4。通过出口开
口7’离开泵4的流体被清洗掉固体材料，从而使水和其它液体留在井下。
这具有不必将更多的液体/水充入井下以获得并维持正确压力的优点。当清
洗单元充满时，能够将整个装置21拉到水面，并且能够清空工具1。
根据本发明的工具1典型地由用于使工具在井内向前移动的驱动工具
如井下牵引机来操作。
图5示出了这种布置的原理图，示出了安置在井眼2中的根据本发明
的工具1。在安置前，连接流体清洗器装置21，并且安置阀单元27和搅拌
器34以便将与碎屑等混合的流体引入泵4内。与流体清洗器装置21相对，
泵4连接到驱动单元9，诸如电机，并且所有这些单元均由牵引机30驱动。
该牵引机30被供给来自钢丝绳的能量。该钢丝绳连接到位于水面之上的动
力供给源，例如石油钻塔33。该动力供给源还供给根据本发明的工具1。
图6示出了具有流体动力学轮廓41的转子叶片13。流体动力学轮廓
41具有前缘42和后缘43。该轮廓是从图2的工具侧看去的并且朝工具1
的中心沿径向延伸。如可见的，轮廓41分别朝前缘42和后缘43渐缩，从
而引起泵中的流体受到线冲击而不是被平面或面冲击。因此，转子叶片13
具有从前缘42朝叶片的中间部分增大的截面厚度和从中间部分朝后缘43
减小的截面厚度t。轮廓41具有使该轮廓在其第一表面14凸起并且在其第
二表面15凹陷的弯曲弧线。轮廓41的形状使流体跨轮廓的整个长度更均
匀地流动，这使得泵更有效。
在图7中，示出了定子叶片16具有与图6的转子叶片相同的流体动力
学轮廓41。轮廓41也具有使该轮廓在其第一表面17凸起并且在其第二表
面18凹陷的弯曲弧线。轮廓41的形状使流体跨轮廓的整个长度更均匀地
流动，这使得泵更有效。定子叶片16具有从叶片延伸到工具1或泵壳体4
中的开口内以便妨碍它旋转的小鳍片38。
图6和7的轮廓是翼面轮廓。在另一实施例中，翼面轮廓具有NACA
轮廓的形状。
在根据本发明的工具不可一直潜入套管内的情况下，能够使用井下牵
引力来将泵系统拖曳或推动到阀中的适当位置。井下牵引机是任何类型能
够在井下阀中推动或拉动工具的驱动工具，诸如Well![]()
在本发明的范围内，流体和成分3可以是任何类型的井下流体，诸如
油、水、油和水气的混合物等。
1 井下工具 22 清洗器壳体
2 井眼 23 收集腔室
3 成分 24 过滤器
4 泵壳体 25 第二入口
5 导电装置/钢丝绳 26 第二出口
6 腔室入口 27 阀单元
7 腔室出口 28 引导装置
7’ 开口 29 工具壳体
8 泵 30 牵引机
9 驱动单元 31 连接部
10 转子单元 32 联接套筒
11 定子单元 33 钻塔
12 旋转轴 34 搅拌器
13 转子叶片 35 工具轴线
14 第一转子表面 36 泵入口
15 第二转子表面 37 中央通道
16 定子叶片 38 小鳍片
17 第一定子表面 39 滑环
18 第二定子表面 40 开口
19 环形通道 41 轮廓
20 支承单元 42 前缘
21 流体清洗器装置 43 后缘