随着浅海岸油气井贮量的逐步枯竭，许多国家和/或公司对深海油气田 产生了浓厚兴趣，正采用海底多相泵系统从这些油气田中提取和抽取石油 和/或天然气。
海底多相泵系统将一般由石油、天然气和水混合物组成的多相流体， 从海底泵站经输油管长距离输送到远处的处理工厂，在进一步处理之前， 多相流体在该处理工厂被分离成各自的流体组分，这种处理工厂可以在海 面漂浮平台上，也可以是在岸上。
就全球而言，现在正在发展几种不同的海底多相泵系统，每种多相泵 系统都包含以下几种相同的基本构件：多相泵，多相泵驱动器，供电系统， 控制系统，压力补偿和维持系统，以及多相泵/驱动器所用的辅助润滑和冷 却回路。海底多相泵系统一般包括一个或多个上述基本构件，它们组装在 基板上，然后沉下安装在海底井架(sub-sea trees)中，将这些构件在该处 连在深海井口上。
现在多相泵系统中所用泵要么是旋翼式泵要么是容积式泵，因为上述 泵一般能够处理多相流体。在更深海处最好采用后一种泵，因为它对密度 不太敏感，因而对所抽多相流体的压力变化敏感度低。然而不管井压的高 低，要求海底泵系统都能保持或提高多相流体的产出率。
多相泵的驱动器可以是液压涡轮机或是可调速电机，人们认为后一种 动力效率更高，操作更灵活，而且对电源远距离作用敏感度低。
液压涡轮机可用压缩水或压缩油驱动。压缩水或压缩油系统安装在海 面浮式平台上，压缩系统与海底元件由多个供给管线联结。此外，含有通 常与所处理流体和涡轮机流体不同的阻挡流体系统，用来冷却和润滑多相 泵/驱动装置中的轴承以及补偿系统中压力的变化。阻挡流体流到海面浮式 平台上进行冷却，然后流回海底装置，水上平台维持阻挡流体压力大于所 处理流体的压力，这样发生泄漏的是阻挡流体，它或者是流入海中，或者 是通过机械密封装置进入所处理流体中。
当用压缩水驱动液压涡轮机时，可以省去涡轮机和多相泵间的轴密 封，使涡轮机中的水可以通过涡轮机与多相泵间的轴系中的小轴向间隙， 进入产品或所处理流体中，也即上述所抽的多相流体中。这时，阻挡流体 也可以是在多相泵与涡轮机腔间循环的水。当阻挡流体从涡轮机中泄漏 出，流入多相泵系统，再进入泵中所处理或加工的流体中，最后流入海水 中时，就产生了压力补偿。阻挡流体实际上对密封件润滑侧产生背压力， 确保泄漏流体流入所处理流体或密封件的涡轮机流体侧。
当用油驱动液压涡轮机时，用密封件将涡轮机流体室与所抽多相流体 分开。一般说来，油也用作阻挡流体，用于冷却和润滑多相泵/驱动装置中 的轴承，以及补偿多相泵入口处的压力变化。尽管这种阻挡流体与涡轮机 中流体和所抽取的多相流体均可混溶，但是这种系统的一个缺陷是少量油 流入周围海水中，产生环境问题。
尽管一些人认为液压涡轮机多相泵系统在机械和液压设计方面都简 单，并且维修简便，但是要求这些泵系统有水上设施，用作电源、液压源 和阻挡流体系统的附加支持系统。
这种设施的问题是随着供应管缆的增长，压降增大，电力消耗猛增。 就是说，当海底泵站深度加大，远离海面浮式平台时，驱动多相泵的液压 涡轮机的液压管路损耗增大。一般来说，能源与海底泵站距离越远，循环 供应管缆越复杂，从深海油井中提取多相泵流体的这种提升系统费用也越 昂贵。
一些系统设计者认识到，对于深井，水下电机比液压涡轮机驱动更经 济，在这种系统中，电动潜水泵自带电机，有时在海底泵站上还设有变压 器。电机/泵装置可以都是用油冷却，也可以是用水冷却电机而用油冷却泵。 在第一种系统中，油是唯一的冷却剂和润滑剂，油路系统还给该系统提供 压力，以阻止流体从所抽取的流体中回渗漏，这些油送到海面浮式平台的 气冷冷却器中。即使这种系统是较简单的电驱动系统，它仍然要求有供应 管缆和回流管缆，以便将冷却介质循环到海面浮式平台上的冷却器中，再 回到海底泵站。
在第二种系统中，电机用水冷却而泵用油冷却，它有一个用于多相泵 轴承系和密封件的油冷循环和一个用于水下电机和密封的水-甘醇循环。 每个润滑循环中轴密封泄漏液进入位于电机与泵之间用来容纳电机和泵联 结器的腔室。油和水-甘醇混合物收集在泄漏罐中。水-甘醇和油溶液定 期抽到海面浮式平台上，在此分离后再循环到它们相应的海底供应罐中。 每一个供应罐都有一个球胆式膜与供油罐相连，而供油罐又与泵吸口相连 并可调节其它罐中的压力，这样不管外部压力和水深如何，在系统的任何 工作状态下，三个罐的压力都与泵吸口压力相同。油的海底热交换器和水 -甘醇的海底热交换器将它们的热负荷传给周围海水，电机运转时，主驱 动器上的辅助驱动器使这两种冷却剂液体在电机和泵中循环。海底泵站和 海面浮式平台间的供应管缆联结包括一个三相供电系统，一个通向供油罐 的闭合油路，一个通向水-甘醇供应罐的水-甘醇闭合管路，和一个通往 油/水-甘醇分离器的泄漏液管路。因此供应管联结尺寸加大，也就使这两 个流体系统的设计变得复杂。一般说来，以海底电机为特征的当前技术选 用湿线圈电机，它的线圈由一般为油的液体冷却循环介质直接冷却。采用 湿线圈电机的一个缺点是，即使用特殊的绝缘材料，线圈与冷却剂的接触 也使电机的长期可靠性降低。电机的损坏导致生产的巨大损失，也使维修 费用加大，因为要恢复工作需要拆卸和替换海底泵站。
对深海油井来说，人们一直对用水下电机驱动的泵抽取流体(可能是 多相流体)很感兴趣。然而，现有的各种系统费用高而且复杂，需要大量 的维护和人工海面支援才能工作。
这样，对现有技术仍需要简化海底单相或多相泵系统的设计，降低提 供海底单相或多相泵系统相关的费用，并提供一种技术先进、经济实惠的 单相或多相泵系统。
所提供的海底单相或多相泵系统还要求：基本上无需维护，需要很少 或不需要人参与操作，预期寿命比现有系统长。

本发明满足了以上要求。本发明提供了一种单相或多相的海底泵系 统，以及用于抽取单相或多相流体的相关方法。本系统采用单一介质流体 作为冷却剂和润滑剂，本系统包括一个密封电机，一个与密封电机相连的 单相或多相泵，以及一个位于海底组件中的热交换器与压力补偿器的联合 体。压力补偿器最好是一个与泵压相对应的膜盒，它维持单一流体介质压 力大于吸入口压力在电机/泵装置中流动以便冷却和润滑电机/泵装置中的 轴承和密封组件。海面浮式平台上的水面舱中有一个供电源和一个单一介 质源。第一供应管缆由一套三相导线组成，将电源与密封电机相连，第二 供应管缆由液压管线组成，将单一介质源与密封电机相连。单一介质流体 与深海油井中抽取的流体相混溶，如果所抽多相流体是多相并且是由油、 气、水混合物时，最好用油作单一介质流体。这种单一介质流体最好也用 于压力补偿器中。通过调整该系统中循环的单一介质流体的压力至泵的吸 入口压力，并维持系统中循环的单一介质流体的压力大于泵吸入口压力， 压力补偿器自动使水下泵送系统运作。独立于主电机驱动的辅助泵对电机/ 泵系统中轴承和密封件进行内部冷却和润滑，这样形成无源工作辅助液压 循环，使得海底泵站舱不需维护。海面浮式平台上的海面组件无人操作， 它不仅达到而且超过了深海油井泵站的预期不需要维护的寿命。单一介质 流体流入到泵内所抽取的流体中，系统消耗的单一介质流体量很小，根据 海面组件的供给源的能力，要求大约一年左右更换一次单一介质流体。
这样，本发明的一个目的在于提供一种海底泵系统及相关方法，用于 从深海油井抽取流体，它是一种采用单一介质流体的液力固相泵系统，压 力补偿器将单一介质流体压入泵入口并使电机和泵装置中完全充满流体冷 却和润滑循环。
更具体地说，本发明的系统采用单一介质流体作冷却剂、润滑剂、以 及压力补偿器中流体，它与所抽取流体可相混溶。
本发明的进一步目的在于提供一种海底泵系统，它元件数目少、设计 简单、造价低、体积小、结构紧凑，比现有设计效率高，能够在任何水深 中长期自动无人操作。
本发明的另一个目的在于提供一种压力补偿器，它采用的是膜盒组 件。
下面将参照附图详细描述本发明的以上和其它目的。
附图简介
图1是本发明海底泵系统的透视图。
图2是图1中本发明海底组件主要部件的剖面图。
图3是图1中所示海底组件中在泵和压力补偿器之间的液压流体的部分 液体循环回路的简图。
图4是图1所示海面组件各部件和海面组件与泵系统的海底组件间联结 简图。
实施例
先参看图1，图中显示的是本发明的海底泵系统1，它包括：总体标注 为3的海面组件，总体标注为5的海底组件，以及总体标注为7的供给管缆联 结件，该联结件将海面组件3和海底组件5的一些部件液力和电气地分别连 在一起。海面组件3可以由海面浮式平台(未显示)支撑，该平台还可支承 加工站。图1所示泵系统1，其操作和维护人员一般在岸上或在生活平台上， 泵系统1设计为无人操作型。
海底组件5有一装配座9，它由一般位于海床上的井口构架(未显示) 支承。装配座9有几个位于角部的漏斗形导向墩，其中一些在图中以11、13、 15标注，用以调整海底组件在井口构架上的位置。在将图1所示系统1最终 安装在井口构架上的操作时，装配座9提供一个对系统1进行实体保护的结 构框架。结构框架是经过平衡的，以保证海底组件5可以大致水平地降到井 口导向墩上。
仍然参看图1，海底组件5的装配座9支承着装置17和19。装置17内安装 有由过渡腔25连为一体的电机21和多相泵23，过渡腔25在电机21和泵23间 形成柔性联结。装置19由液压管29与过渡腔25液路连通。
供给管缆7从海面组件3向海底组件5的电机21提供液力和电力供应。
现参考图2详述海底组件的几个部件，图中显示装置19内有一个热交换 器27和一个压力补偿器28，这些标号在图1中也有显示。
参看图2，电机21最好是一个不需水下变压器或分级变速器的电动可调 速高压电机。众所周知的西屋(Westinghouse)公司的密封电机可以到达 这一要求，在美国专利5101128，5185545，5220231和5252875中有详细披 露。电机21工作速度范围选择在25％到100％，提供一恒定的轴输出力矩。 电机21基本包括壳体31、定子罩33、带有轴37的密封转子35，上密封和轴 承组件39以及下密封和轴承组件40。
过渡腔25中的柔性联结43将电机21的轴37与多相泵23的轴41机械联 结，而过渡腔25螺栓连接在电机21的腔31和多相泵23的腔45上。多相泵23 与电机21相连，多相泵应选择为特别适合传输可能由石油、天然气、水混 合物组成的多相流体。多相泵23可以是双螺旋泵、螺旋轴泵或其它任何适 合抽取油气混合物达到95％GVF(气体体积比)或更高的多相流体的泵。
多相泵23有一个上密封和轴承组件51以及一个下密封和轴承组件53。
本发明所用多相泵可以在市场购得，并且为本领域技术人员所熟知， 因此，不需要对多相泵23作进一步描述也可完全理解本发明。
仍然参看图2，多相泵23通过吸入口47与支承装配座9的井口构架(未 显示)的阀门联结，抽取泵出井口的多相流体，并通过流出口49送出所抽 取的流体，用一种众所周知的方式将多相流体从流出口通过管线送入到加 工站中。
参看图1和2，图1中的液压供给管路7将最好是油的液压流体送入到电 机21基座中，以公知方式安装在电机21的轴37上的辅助推进器(未显示) 将液压流体循环到密封定子33和密封转子35间的下密封和轴承组件40中， 通过上密封和轴承组件39对其进行冷却和润滑，进入过渡腔25，液压流体 再由此通过导管29送入内装有热交换器27和压力补偿器28的装置19中。在 通过电机21泵取液压流体的同时，液压流体也被送入多相泵23的密封和轴 承组件51和53中。尽管未在图2中显示，由箭头59、61和63所代表的液压流 体管路系统，将由图1中海底组件供给到电机21的液压流体送入多相泵23， 以便将液压流体送入泵23的上、下密封和轴承组件51和53中，对它们进行 冷却和润滑。在液压流体流过电机21通过液压管线29从过渡腔25中流出的 同时，由箭头65和67所表示的液压流体输出管线系统将液压流体从多相泵 23中送入装置19中。在装置19中，热交换器27将液压流体冷却，用压力补 偿器28来维持泵系统1中的压力，下面将进一步讨论这一过程。因为辅助推 进器(未显示)安装在电机轴37上，当电机21启动时，液压流体才可通过 电机21和多相泵23而被抽取，因而不需再加泵和另外的电源。
本发明中最好用单一介质流体(如油)作液压流体，来润滑和冷却电 机21的密封和轴承组件39、40和泵23的密封和轴承组件51、53，这是因为 多相流体由油类混合物组成时，单一介质流体与所抽取的多相流体可混 溶。在冷却和润滑过程中，从电机21和泵23对应的密封和轴承组件39、40 和51、53的密封处泄漏的任何油都将流入多相泵23，从而不需要单独的泄 漏液压管路或分离器，而在使用水、水-甘醇、油气系统的组合来进行冷 却、润滑和压力控制的泵系统中则需要他们。
仍然参看图2，连接泵23和电机21管路内的液压流体，循环通过热交换 器27，将液压流体中由电机21和泵23产生的热负荷传给周围海水。热交换 器27可以是单道型或多道型，后一种需要油量少，因而减小了图1所示的海 底组件5的重量、体积和费用。热交换器类型决定于热负荷及设计安装空 间。
现在参看图3，如上所述，装置19包括一个压力补偿器28。压力补偿器 28通过一个吸入液压控制管路69与泵23相连。压力补偿器28最好包括一个 标注为71的金属膜盒组件，膜盒组件71包括焊接的不锈钢隔板73、拉紧弹 簧75和77和多个叶片，其中一个标示为79。拉紧弹簧75和77与隔板73相连， 设计成使膜盒组件71能每分钟至少将2加仑的液压流体排入电机21和泵23 相应的密封和轴承组件39、40和51、53中。叶片79与隔板73联结，位于拉 紧弹簧75和77的相对侧。
隔板73最好是由厚薄不一的不锈钢组成，相互焊接在一起。薄材料使 膜盒组件71具有良好的轴向顺从性和柔韧性，厚材料提供一定强度，防止 周围环境和水深产生的较大外压破坏膜盒组件71。
仍然参看图3，吸入液压控制管69使从流出口(图2)抽取的多相流体 的压力与膜盒组件71连通。泵23与膜盒组件71的吸入液压控制管69包括一 个多孔板81，多孔板81与通过泵吸入区83颗粒流向不在一直线上。板81用 于减少从图1中装置17所抽出的多相流体中的颗粒堵塞压力补偿器28与泵 吸入区83间的压力联结管的可能性。吸入液压控制管69可传导在图2中海底 组件5中所抽多相流体静压的任何可能变化，而不对膜盒组件71不产生衰 耗，也就是说，膜盒组件71的压力无损失。这样，膜盒组件71的内壁承受 泵吸入压力，标注为85的膜盒组件71的外侧与电机21和泵23的压力相通， 并用下面将要讨论的方法将系统中用于冷却和润滑电机21和泵23对应的密 封和轴承组件39、40和51、53的液压流体的内压调整到泵吸入压力。
压力补偿器28最好与泵23尽可能地近，这样通向密封和轴承组件51和 53的液压联结61、63(图2)相对较短，从而提高了膜盒组件71的电机泵侧 压力对膜盒组件71的泵吸入侧瞬间变化的反应性能。
参看图4，图中更详细地显示了图1中海面组件3的各构件。这些构件 是：补给液压供应罐87，电源，控制系统91，和监视系统93。系统91和93 最好在岸上或在生产平台上，其中控制系统91是可选择的，可以系在生产 平台上图1所示系统1的出口处。
供应罐87和电源89由图1中海面组件3支承，如上所述，供应联结管缆7 从该处将液压流体和电力送入海底组件5中，而海底组件5又连在图4所示的 井架95上。箭头97表示多相流体从油井中流向海底组件5，箭头99表示从海 底组件5流向生产平台(未显示)的多相流。
对于图4中海面组件3的构件89来说，电源最好是三相变频驱动电机， 并用一种已知的方式电气联结在生产平台上的发电设备上。液压流体供应 罐89组成的补给系统向海底多相泵系统1提供恒定压力，定期补充海底组件 5中的液压油量。除了供应罐87，油补给系统最好包括一个活塞泵(未显 示)，平台维护人员对它加压，使供应罐87的流出端压力恒定。这种压力 与平台相对于海底组件5的静高差一起共同给补给管线7适宜压力来充满海 底组件5。当海底组件5中液压流体量降得低于填充阀(fill valve，未显示) 对海底组件5的压力调节器设定值时，液压流体就自动流入海底组件5。填 充循环预期每三天一次。
补给液压供应罐87最好盛100加仑，这样当液压流体从泵轴密封和系统 溢流阀按预期速度向图3中泵吸入区83泄漏时，大约要求每年补充满两次液 压流体。这种补充操作由操作员进行，这将是图1-4所示系统1的操作周 期中唯一的人工维护要求。除此之外，图1所示多相泵系统1基本上是自控 的。
参看图1到图4，膜盒组件71作为一个压力补偿器利用弹簧75和77给压 力补偿器加载，从而给泵23提供一个高于井口压力的正压。这种泵压大于 井口压的压力差被称为“密封压力偏差”。弹簧75、77的刚性加上膜盒组 件71的位移，使得系统能依据“密封压力偏差”，从图4中补给液压供应管 87向海底组件5中的电机21和23进行液压流体供应。当电机21和泵23的液压 流体比预定极限低时，控制管69中的吸入压力使得膜盒组件71扩张，弹簧 75和77压缩，这时密封压力偏差可以认为是很少或很低，这种低密封压力 偏差用在系统中给液压系统传递信号，通过一系列阀门(图3)开始向电机 21和泵23对应的密封和轴承组件39、40和51、53输送液压流体，直到达到 海底组件5的液压流体预定极限。当从图4中供应罐87中流出的液压流体将 电机21和泵23充到预定极限时，膜盒组件71压缩更紧，而弹簧75和77拉伸。 随着弹簧75和77的拉伸，电机21和泵23压力上升，液压流体继续流入，直 到电机21和泵23的压力达到高于泵吸入压力的预定压力值。在液压系统中 测量弹簧75和77的拉伸，作为中止从补给供应罐87向内装电机21和泵23的 装置17中输送液压流体的信号。
再参看图3，它是一个用于润滑和冷却电机21和泵23对应的密封和轴承 组件39、40和51、53的液压流体的液压系统简图。图3中用于液压联结的阀 以99、101、103、105和107标注。
图3中液压系统用一对与节流孔113、115相连的背压调节阀109和111 形成一对压力传感中继站。阀109和111中每一个都装有感受活塞，一面感 受泵吸入压力，另一面感受泵/电机内压，这样阀109、111就显示了电机21 和泵23中液压流体与泵吸入压间的压力差。阀109、111都有一个调整弹簧 用于设置设定值。阀109的特征是当压力低于设定值时关闭，高于设定值时 打开。因为它们对应于吸入压力，这些设定值压力大于泵吸入压。
阀109、111分别与节流孔113、115串连。当阀109、111都关闭时，基 本没有流体流动，节流孔113、115的流出端压力等于液压泵117的出口压力 (比电机21和泵23中液压流体压力高400-600磅/平方英寸，表压)。同样， 当阀109、111都打开时，通过节流孔113、115的流体使每一节流孔的流出 端压力基本上降到电机21和泵23中的压力。阀119、112是常闭阀，要求比 电机21和泵23中液压流体压力更大的压力作用在它们的隔板或活塞上时， 它们才打开。与之相似阀123是常开阀，只有比电机21和泵23中液压流体压 力更大的压力才可以使它关闭。当主电机21使泵117运作时，阀123和节流 孔113、115的入口承受高压。当电机21和泵23的液压流体压力低于泵吸入 压力与30磅/平方英寸(表压)之和时，阀109打开，在阀123的操作件(活 塞或隔板)上将没有压力。电机21和泵23的液压流体压力也低于阀111的设 定值，阀111也打开。这时，节流孔115两侧有一个压力降。节流孔115与阀 109间的低压使阀119的操作件不受压。阀119是常闭阀，它关闭时使阀121 的操作件供应线受压。高压从泵117通过阀123压迫阀121的操作件(活塞或 隔板)。阀121打开，液压流体流出供给管缆7(图4)。供给管缆7受压， 确保产生足够压力，使液压流体流入电机21和泵23中。当液压流体流入电 机21和泵23中时，膜盒组件71被压缩，膜盒组件71的压缩动作使偏压弹簧 75、73拉伸，并且电机21和泵23中的液压流体压力相对于吸收泵压力升高。 当电机21和泵23中的液压流体压力升高到大于阀109设定值时，阀109关 闭。闭阀109关掉了通过节流孔113的流体，阀123关闭。当阀123关闭时， 压力被封闭在阀121的操作件中，液压流体继续从供给管缆7流入到电机21 和泵23中。
液压流体继续流入电机21和泵23直到压力超过阀111的设定值。这时阀 111关闭，通过节流孔111的流动停止。节流孔115流出端压力升高到泵117 出口处压力值。与节流孔115流出端相连的阀119打开。这样排掉阀121压力 使它关闭，停止从供应管缆7供应液压流体。
在某些操作环境下设置溢流阀125。通常是在油田管理中，关闭部分油 田，而抽取其它地区的场合。当图1所示海底系统1关闭很长时间重新启动 时，很可能是从装置39、41、51、53中泄漏的液压流体将预存量降到几乎 为零。这时，只要电机有足够的速度对阀121加压，系统就会充满。系统将 在很短时间内，比如，约1到2分钟充满。在充入流体时，电机21和泵23的 温度也就升高，直到热交换器27与周围海水达到热平衡，电机21和泵23中 的液压流体膨胀。
当图1-4中的系统运作时，从电机21和泵23对应的密封和轴承组件 39、40和51、53中泄漏的液压流体将流入泵23中所抽的多相流体中，导致 电机21和泵23中压力下降，膜盒组件71扩张，弹簧75和77压缩。因为弹簧 75和77长度减小，电机21和泵23中液压流体压力相对于泵吸入压力降低。 当电机21和泵23的压力降到一般高于泵吸入压力的预定最小值时，图3所示 液压系统重新开始循环，这样，液压流体从补给供应罐87送入电机21和泵 23对应的密封和轴承组件39、40和51、53。图3中液压系统中的溢流阀125 避免了使电机21和泵23对应的密封和轴承组件39、40和51、53的过大压力 和过早磨损。
在图1中系统1连续操作时，预期从补给供应罐87到海底组件5的液压流 体估计每天以2.5升的速度损耗。海面组件3预期通过液压系统每三天向海底 组件5输入2加仑的液压流体，而补给供应罐87由操作人员每年一次、两次 或三次加满。特别要说明的一点是，来自供应罐87的液压流体泄漏入工艺 流体中并且被回收，泄漏流体并未进入周围环境中。
再参看图4，在生产平台的控制室内对系统1的操作进行监控。电机21 的电力以及所抽多相流体的井口和流动状态将在抽取生产过程中进行监 控。环境水温足以充分冷却海底组件5的部件。
本发明海底多相系统1是一个液力固相(solid)泵送系统，因为它是一 个完全充满或封闭“固相”(无气体压力)的液压系统。系统1采用单介质 流体，利用压力补偿器28将它压入泵入口，维持电机21和泵23中完全充满 液压流体来冷却和润滑循环。
可以理解，尽管本发明在此被称为多相泵系统，它也可用于单相泵系 统。
在此详述了本发明的一些具体实施例，在本发明的全部技术指导下， 可以理解本领域的专业人员可以对那些细节进行各种修改和改变。因此所 披露的具体方案只是示意性的，而不作为本发明的限定，本发明的范围由 附加权利要求的全部内容和所有的等同置换来确定。