在井下和地面生产多相井流体的组合式泵和压缩机及方法相关申请的交叉参照
本申请依据35U.S.C.119,120要求申请人2013年6月24日提交
的美国临时申请No.61/838,761的优先权，所述美国临时申请通过引用
结合到本文中。
技术领域
本发明涉及一种采用人工举升方法在井下或地面生产多相流体
(即，油、气和水)的系统和方法，所述人工举升方法例如是使用电潜
泵(ESP)、湿气压缩机(WGC)以及多相泵(MPP)。
背景技术
人们常需要井下人工举升或表面增压用于增加烃类的生产和回
收。产出流体通常为气、油和水的混合物。在油井的情况下，井下工
作压力可能低于泡点压力，否则油井会具有与油一道从气顶产出的气
体。对气井而言，气体常与冷凝物和水一起产出。
电潜泵(ESP)是用于高产油井的人工举升方法。ESP是具有密
闭联接到泵体上的电动机的装置。整个组件浸没在待泵送的流体中。
ESP泵通常是可以有数百级的多级离心泵，每一级由叶轮和扩散器组
成。叶轮将轴的机械能转化为流体的动能，扩散器将流体的动能转化
为流体压头或压力。泵的性能取决于流体类型、密度和粘度。当游离
气与油和水一道产出时，气体作为气泡会积聚在叶轮叶片的低压侧。
气体的存在降低了由泵产生的压头。此外，由于气体磨琢叶轮叶片，
泵的容积效率降低。当游离气量超过一定限度时，会发生气锁，并且
泵将不会产生任何压头/压力。
为了改善ESP性能，已经开发了许多技术。可将这些解决方案分
为气体分离/避免方案和气体处理方案。分离和避免涉及分离游离气并
且阻止其进入泵中。分离可通过重力结合特殊的完井设计(如使用套
罩)完成，或者由安装并且附接到泵的吸入部的气体分离器完成。通
常通过套管环带将分离的气体产出到地面上。然而，在需要通过用深
置封隔器将环带与游动烃隔开来进行防腐保护的井中，这可能并不总
是可行的选择。在这样的情况下，井将需要借助用于气体的单独导管
来完成。为了利用气举效益，可在管道和气体导管之间达到压力平衡
后将气体引回到与泵的排出口相隔一定距离的管道。为了缩短距离，
喷射泵可以安装在ESP之上以方便“吸”入气体。所有这些选项增加
了完井和井控的复杂度。
气体处理是改变泵级设计，从而可承受较高比例的游离气。基于
叶轮叶片的设计，泵可分为以下三种类型：径向流泵、混流泵和轴向
流泵。径向流泵的几何形状更可能捕集多个级叶片中的气体并且其通
常可以处理气体体积百分率(GVF)高达10％的情况。在混流泵级中，
由于流体混合物要行经更复杂的流动路径，因此混流泵通常可以处理
高达25％的游离气，据称有些混流泵能处理高达45％的游离气。在轴
向流泵中，流动方向平行于泵的轴。该几何形状减小了气体在多个级
中受困从而形成气锁的可能性。轴向流泵级可以处理高达75％的游离
气，但效率比混流泵级差。
对气井而言，随着气田成熟和压力下降，将需要人工举升来维持
产气。采用ESP、螺杆泵(PCP)和杆式泵的传统人工举升都要求将
气体与液体分离。液体将由泵处理，气体将自然流动到地面。井下湿
气压缩机(WGC)是被设计成以便处理气液混合物的新技术。然而，
在目前的阶段，它处理液体的能力仍然有限。
在地面上，传统方法是将产出产品分成气体和液体，并且将泵用
于液体而将压缩机用于气体。该方法需要两台电动机，这导致系统复
杂。地面MPP和WGC昂贵、复杂并且很多时候还有可靠性问题。
目前需要开发一种用于井下人工举升或表面增压的紧凑系统，其
可良好地在较宽范围的气体体积百分率(GVF)的情况下工作。我们
发明了在井下和地面生产所述多相流体的系统和方法，并且提高了总
效率。
发明内容
本发明公开了一种处理油、气和水组成的多相流体的生产的组合
系统。采出流首先分成两股流：液基流(例如GVF<5％)和气基流
(例如GVF>95％)。分离可通过重力、套罩、或圆柱形旋风分离技
术来完成。两股流然后分别取径至液体泵和气体压缩机，并随后重组。
可替代地，对井下应用情况而言，必要时可以将分离的流动流分别带
到地面。系统可用于在井下或地面上实现人工举升或表面增压。
泵和压缩机都由单一电动机轴驱动，该轴包括内部通道，该通道
与接收来自另一机器的流体的机器中的一者相关联，从而提供更好的
冷却效果，并且提高与其相关联的所有系统的效率。
泵和压缩机均被设计成以便最佳地单独处理液体和气体，因此该
组合系统可以具有更高的总效率。本发明紧凑并可实现井下人工举升
和表面增压，特别可以用于海上油气田的应用情况。此外，基于所采
用的具体分离技术，可以将产出流体布置成以便直接冷却所述电动机，
如在传统的ESP应用情况中那样。
本发明的显著特征是，泵和压缩机共享由同一电动机驱动的共用
轴。对地面应用情况而言，驱动装置也可为同一柴油发动机或汽油发
动机。在一个实施例中，轴的压缩机部分是中空的，以便为从泵排出
的液体提供流动路径。在另一实施例中，轴的泵部分是中空的，以便
为从压缩机排出的气体提供流动路径。可选地，可将变速箱加在压缩
机或泵之间，这样二者可以不同速度运行。
本发明的混合型同轴式泵和压缩机系统紧凑，特别适用于瓦斯油
井或湿天然气生产井的井下人工举升。它还可用于地面增压，尤其是
在空间总是有限并且成本高的海上平台上使用。
本发明将成熟的泵及压缩机技术结合，并以创新的方式将它们组
合，用于多相生产应用，在多相生产应用中，单一装置在被用于处理
油、气和水的混合物时是不适用的。
本发明不需要特定类型的泵或压缩机。将现有的成熟的泵和压缩
机的技术组合到所述结构和顺序布置中是有效的，由此有助于在宽范
围的游离气百分率的情况下进行独特的多相生产。泵和压缩机被联接
到同一轴上，使得单一电动机可用于驱动两台设备。在一个实施例中，
压缩机轴的一部分是中空的，以允许流体通过。
在另一个实施例中，与泵相关联的轴的一部分可以是中空的以便
接收气体，为从压缩机排出的气体提供流动路径。
在任一实施例中，会发生一定量的有益并且稳定的热传递。
本发明利用单一电动机同时驱动泵和压缩机，具有沿不同方向引
导液体和气体的特定特征。如上所述，泵和压缩机可以是本发明范围
内的任何设计，并且每个实施例可在其关于气体或液体容差的效率最
佳的工况下操作。去除了第二个电动机、以及本发明的独特结构布置，
使本系统对于井下和井场地面应用而言十分理想。
从下文的描述可以看到，总产出流首先分为液基流和气基流。如
所述的，分离可以以数种方式实现，例如利用重力、离心式气体分离
器或旋转式气体分离器、气液圆柱形旋风分离器、联机分离器实现。
泵用于为液基流提供人工举升或增压，而压缩机用于为气基流提供增
压。泵和压缩机可为径向流型、混流型或轴向流型。两个装置在同一
轴上，该轴由同一电动机或燃料发动机驱动，如地面应用的情况那样。
本发明还公开了一种用于在井下或地面上生产多相流体(油、气
和水)的方法。所述系统将用于处理液基流的泵与处理气基流的压缩
机组合起来。泵和压缩机共享共用轴，在地面应用的情况下所述轴由
同一电动机或燃料发动机驱动。所述轴用于压缩机的部分是中空的，
其充当从泵排出的液体的流动路径。可使产出流体穿过冷却套以使电
动机冷却，并且分离的液体也使压缩机冷却，这提高了压缩机的效率。
基于单一系统的组件的优选顺序布置，压缩气体和泵送的液体在压缩
机出口处汇合，或在泵出口处汇合。系统具有宽的气体体积百分率
(GVF)工作范围，并且在井下和陆上/海上井口使用时是紧凑的。
本发明的方法在以下的情况下也是有效的：与泵相关联的轴的部
分是中空的，以便为从压缩机排出的气体提供流动路径，从而有利于
稳定遍及系统组件的热传递。
附图说明
下文参照附图公开了本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明构成的组合式液体泵/气体压缩机布置的局部剖
面立视图，该布置以竖直取向示出，并且适合于从井下的井位使流体
向上流动；
图2是类似于图1的液体泵和气体压缩机的放大剖面立视图，所
述布置以水平取向示出，为方便阐述，单一的电动机以示意性形式示
出；
图3是类似于图1和图2的液体泵/气体压缩机布置的可替代实施
例的放大剖面立视图，液体泵和气体压缩机的位置分别交换，轴的泵
部分是中空的，以便为从压缩机排出的气体提供流动路径；
图4是类似于前面各图特别是图1的组合式液体泵/气体压缩机的
剖面立视图，但包括可选的变速箱，所述变速箱布置在液体泵和气体
压缩机之间，以有助于每个单元分别以不同的速度运转。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例示于图1，该图是以竖直取向示出的在
井下的组合式液体泵/气体压缩机10的部分剖面立视图。井12的典型
部分包括液体/气体混合物14，并设置有合适的套管套筒16，所述套
管套筒在井下伸至液体/气体混合物14所在处。
气体/液体供给的下游是液体/气体分离器18，其示意性地示于图
1，并且所述液体/气体分离器可以是若干公知类型的分离器中的任何
一种，如那些利用重力、套罩、离心式或旋转式气体分离或气液圆柱
形旋风分离、联机分离技术等的分离器。
分离器18的下游是驱动电动机20，其容纳在冷却套22中。电动
机20可用公知的装置从地面供电，该装置包括通过电力电缆24送电
以便驱动电动机20的电源等。产出流体从分离器18经输送管线19(必
要时)引到冷却套22。
在图1中，密封件26形成驱动电动机20与液体泵28之间的界面，
所述液体泵供有液体介质，所述液体介质由分离器18从液体/气体混
合物14中分离，并经送液管线30引到泵进口27，然后引到液体泵32。
送气管线34将由分离器18从液体/气体混合物14中分离的气体直接
引到压缩机进口36，然后到气体压缩机38，如图所示。两条输送管线
30和34都是可选的。
驱动电动机20的驱动轴40延伸穿过液体泵和气体压缩机二者并
且驱动液体泵和气体压缩机，如下文将显示和描述的。
轴40的部分40A与液体泵28相关联，而轴40的部分40B与压
缩机38相关联。轴40通常整体由电动机22驱动。
在图1中，轴40的与液体泵28相关联的部分40A如所示的是实
心的，与气体压缩机38相关联的部分40B是中空的，以便接收从泵
28排出的液体流，从而使气体压缩机38冷却。此冷却作用提高了压
缩机的效率，降低了对压缩机运转的功率要求。来自气体压缩机38
的气体流37被排入出口管42，在出口管处所述气体流可以与液体组
分如图所示进行汇合。可见，出口管42由深置封隔器41围绕，该深
置封隔器布置在出口管42和套管16形成的环带43内。特别地，图1
示出了本发明如何能有效地在井下部署以便提供人工举升。
在图1中，液体泵叶片44和气体压缩机叶片46以单级形式示出
以实现说明的目的。在实践中，这类叶片可以设置成多级，有时这类
叶片的级数为数千级。
现在参看图2，以水平取向示出了图1的液体泵28和气体压缩机
38的放大剖面立视图。
分离器18在图2中示意性地显示，但所述分离器可以是上述的任
何期望的类型，即，可以是圆柱形旋风分离器、重力分离器、联机分
离器等。电动机在图2中示意性地显示，并被布置成以便驱动共用轴
40，所述共用轴部分地包括液体泵部分40A和气体压缩机部分40B，
类似于图1所示的布置。
在分离器18处进行的分离过程之后，如图所示，液基流48通过
送液管线30引到液体泵28的泵进口27，然后从液体泵28引到轴40
的与气体压缩机38相关联的中空部分40B。
气基流50转而从分离器18经送气管线34直接引到压缩机进口
36，然后到气体压缩机38，所述气基流在气体压缩机处被压缩、泵送
并且引导到出口管42，以便与流经气体压缩机38的中空轴部分40B
的液基流组合。
在图1和图2中，送液管线30和送气管线34是示意性示出的，
但已能够代表将相应的液基介质或气基介质从一处传送到另一处的任
何公知的系统。可见，液基介质和气基介质可以从一处转移到另一处，
以有助于使系统组件间的热传递更好。
现在参看图3，该图示出了图1和图2的液体泵/气体压缩机布置
的可替代实施例51的放大的剖面立视图，其中气体压缩机52和液体
泵54的相应位置分别处于交换的位置和构造。显示了液体泵叶片31
和气体压缩机叶片33。
在图3中，电动机56被示意性示出为可转动地操作驱动轴58，
所述驱动轴是气体压缩机52和液体泵54二者所共用的。在本实施例
中，与气体压缩机52相关联的轴部分58A是实心的，气体在围绕实
心的轴部分58A的环状区中通过气体压缩机52泵送。气基流61从分
离器60经示意性示出的送气管线62引到压缩机进口64，然后到气体
压缩机52。
液基流69从分离器60经送液管线66引到液体泵进口68，然后
到液体泵54，在液体泵处所述液基流作为液基流69朝出口管65泵送，
以便与来自与液体泵54相关联的中空轴部分58B的气基流61汇合。
可见，通过中空轴部分58B的气基流61和通过液体泵54的液基流69
的同时流动提供了通常由单一电动机56驱动的各种组件之间稳定的
热交换。此特征显著提高了所有工作组件的效率。各股流汇合于图3
的出口管65中。
如前所述，为了便于说明，各图中所示的泵和压缩机系统分别表
示为单级的叶片。实际上，本发明的泵和压缩机系统结合有多级的这
类叶片系统，间或叶片级数为数千级，所述叶片系统有时包括叶轮和
扩散器。
现在参看图4，示出了可替代的实施例71，其类似于图1的结构
布置，加有变速箱70，所述变速箱位于液体泵28和气体压缩机38之
间，以有助于每个组件分别以不同的速度运转，以便适应任何特定环
境中的特定条件，如井况、流体粘度和其它流况。
在所有其他方面，图4中的结构和功能布置与图1中所示的布置
相同。
虽然已结合若干实施例对本发明进行了描述，但应该理解的是，
在上述描述的教导下，许多替换、修改和变化对本领域技术人员而言
是显而易见的。因此，本发明意在包括落入所附权利要求的精神和范
围内的所有这些替代、修改和变化。
附图标记对照表
10组合式液体泵/气体压缩机
12井
14液体/气体混合物
16套管套筒
18液体/气体分离器
19输送管线
20驱动电动机
22冷却套
24电力电缆
26密封件
27液体泵进口
28液体泵
30送液管线
31液体泵叶片
32液体泵
33气体压缩机叶片
34送气管线
36压缩机进口
37来自压缩机38的气体流
38气体压缩机
40驱动轴
40A驱动轴的液体泵部分
40B中空轴部分
41深置封隔器
42出口管
43环带
44液体泵叶片
45来自泵28的液体流
46气体压缩机叶片
48液基流
50气基流
51可替代实施例
52气体压缩机
54液体泵
56电动机
58驱动轴
58A压缩机的实心轴部分
58B压缩机的空心轴部分
60分离器
61气基流，图3
62送气管线
64压缩机进口
65出口管
66送液管线
68液体泵进口
69液基流，图3
70变速箱
71可替代实施例