泵送流体的方法、用于该方法的脉冲发生器、以及包括该脉冲发生器的泵系统 |
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| 申请号 | CN201380019011.8 | 申请日 | 2013-03-28 | 公开(公告)号 | CN104379933A | 公开(公告)日 | 2015-02-25 |
| 申请人 | 维尔京群岛SPP有限公司; | 发明人 | 穆罕默德·萨戈夫; 彼得·格鲁比耶; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了通过在管子(200)的一端操作脉冲发生器(100)来通过管子(200) 泵 送 流体 的方法，脉冲发生器(100)使移动构件以小于3Hz的 频率 往复运动以在流体中产生压波，这使得在管子(200)的另一端的脉冲转换器(300)允许流体流入到管子(200)中。此外，公开了用于在泵送方法中使用的脉冲发生器(100)，以及包括此脉冲发生器(100)的泵系统。所述脉冲发生器(100)包括：连接器(10)，其用于使脉冲发生器(100)与管子(200)连接，其中，将通过管子(200)泵送流体；往复运动地可操作的移动构件(30，32，34)，其用于在待泵送的流体中产生压 力 波，所述移动构件(30，32，34)布置在腔体(20)中；排放端口(42)，其用于排放泵送的流体；以及传送通道(40)，其用于将泵送的流体从连接器(10)传送到排放端口(42)；以及，返回通道(50)，其用于使通过传送通道(40)传送的流体返回到腔体(20)移动构件(30，32，34)靠近连接器(10)布置在腔体(20)中使得面向连接器(10)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种通过操作脉冲发生器(100)通过管子(200)泵送流体的方法，其中，所述脉冲发生器(100)具有移动构件(30，32，34)，所述移动构件设置在所述管子(200)的一端处并且往复运动以在流体中产生压力波，压力波使得设置在所述管子(200)的另一端的脉冲转换器(300)允许流体流动到管子(200)中，其特征在于所述移动构件(30，32，34)在小于3Hz的频率下往复运动。 |
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| 说明书全文 | 泵送流体的方法、用于该方法的脉冲发生器、以及包括该脉冲发生器的泵系统 技术领域[0001] 本本发明涉及泵送流体的方法，在此方法中使用的脉冲发生器，以及包括此脉冲发生器的泵系统。 背景技术[0002] US2009/0000790A1公开了包括连接到柔性驱动杆的一端的电机与连接到柔性驱动杆的另一端的活塞的短冲程活塞泵。活塞与柔性驱动杆布置在管子中，并且当活塞在管子中上下移动时活塞适于向管子上方传送流体。 [0003] 为了通过柔性驱动杆分配，已知利用脉冲发生器来在包含流体的管子的一端产生压力波，其前进到在管子的另一端的脉冲转换器以使脉冲转换器允许流体流动到管子中。脉冲转换器可以包括弹簧加载的止回阀，当压力波在管子的另一端处反射时该止回阀打开，并且然后再次关闭。由此，每次脉冲转换器被压力波致动，流动通过脉冲转换器进入到管子中的增量流体体积，被朝向其中安装脉冲发生器的管子的端部泵送，并且经由排放端口排放。 [0004] US2355618A利用具有振动活塞的声学发生器来产生压力波与致动脉冲转换器。活塞的振动频率被调节为保持管子内的液柱中的基本共振的情形，并且相对于在活塞振动中的活塞的状态调节排放阀的打开的时间间隔与定时以确保最佳结果。为了防止“气锁”建议弯曲管子的上部并且将排放管连接到弯曲部分的最上端，由此随着排放的流体从主要流体柱移除可能已经从其中分离的任何气体。 [0005] US4460320A试图通过共振定时解决此问题，这些问题如同在US2355618A中公开的泵那样使现有技术泵保持远离在一般泵送应用中在商业上变得成功。US4460320A提出利用声压波发生器，其具有通过在环状构造中冲击液体在液体中产生声压波的特定活塞。除了产生声压波以外，活塞的往复运动交替地打开与关闭排放端口。 [0006] WO2006/062413A公开了具有带有止回阀的活塞的波发生器，所述活塞在管子内部以5mm范围内的小幅度以及100Hz的范围内的高频率振荡，以致使在活塞的下游侧的流体将被供给以来自活塞的高能脉冲。在另一个实施方式中，通过将振荡隔膜附接到管子的周边而产生压力波。 发明内容[0007] 将要通过本发明解决的问题是提供利用压力波泵送流体的方法，这对于使流体从水井与油井的人工提升以及用于气井中以便气井疏水是实用的。另一个目的是提供用于此方法中的脉冲发生器，以及包括该脉冲发生器的泵系统。 [0008] 在本发明的第一方面，提供了通过操作脉冲发生器通过管子泵送流体的方法，其中，脉冲发生器具有移动构件，该移动构件设置在管子的一端并且往复运动以在流体中产生压力波，压力波使得设置在管子的另一端的脉冲转换器允许流体流入到管子中。移动构件以小于3Hz的频率往复运动。该频率优选地在2.5到0.5Hz的范围内，更优选地对于具有50到500m的深度的浅井来说在2.0到0.6Hz的范围内。例如，对于具有约750m的深度的井来说该频率可以是0.8到0.4Hz。期望的是对于甚至更深的井来说优选的频率0.1Hz。 [0009] 就关于随着深度的增加频率降低的原因来说，对此的简要解释是波长随着深度的增加而增加，并且要求达到脉冲转换器的波传播时间成比例地增加。理论上，流体是不可压缩的并且其应该不能在流体中形成压缩波。然而，在实际生活中，流体含有一定量的空气或气体这使得液体足够弹性以形成压缩波。在流体中的空气或气体量对于每个井来说都是独特的。多个参数如管子长度、在泵送操作开始以前填充在管子中的流体中的空气量、当泵在操作中时通过脉冲转换器进入管子中的空气量、井产生的气体量、流体粘度、以及流体温度起作用。 [0010] 低至上面限定的频率通过避免摩擦损失以及由振动、噪音等造成的损失增加了总泵送效率。频率如此低以至于将不存在共振。 [0011] 由于摩擦损失低并且不存在关于共振、振动、噪音等的特定问题，根据本发明的方法允许使用具有比由人工提升的其它已知泵要求的直径更小的管子，例如具有不大于2英寸(5.1cm)、1.5英寸(3.8cm)、1英寸(2.5cm)或者更小的内径的管子。这降低了钻取的成本以及由于较小执行的全井设施成本以及壳体与管子的成本。然而，本发明的应用不限于更小的管子尺寸。在当需要较大的流速时的情形中可以使用较大的管子尺寸。 [0012] 管子可以分支成多个管柱，每个管柱都具有设置在其另一端处并且安装在相应井中的脉冲转换器。在此情形中，能够通过一个并且相同的脉冲发生器从不同井泵送流体从而进一步增加了总泵送效率。此布置被认为是不能通过现今使用中的任何已知泵实现的本发明的特定特征。 [0013] 此外，多个脉冲发生器中的每个都可以连接到相应的管子。在此情形中，如果通过一个并且相同的驱动装置同步地操作脉冲发生器，可以进一步增加总的泵送效率。 [0014] 本发明的方法可以有利地用于从水井或油井泵送流体，或者在气井中用于气井疏水。 [0015] 当根据本发明的方法被用于将流体从诸如水井、油井、或者气井的地下源泵送到表面高度时，进行钻孔并且将表面壳体插入到钻孔中直到到达地下源，管子插入到在前端具有脉冲转换器的封装孔中，并且表面定位的脉冲发生器连接到管子的后端并且操作。由于管子尺寸可以较小，因此可以降低钻取成本。这使得根据本发明的方法有益，但是不限于以低速率钻井并且通过使流速下降延长了现有井的使用寿命，这是不能通过现有技术方法经济地利用的。另一个应用本发明的领域是从气井泵送水，即气井疏水。后者尤其地相关因为在大多数情形中需要将低流速的水向上泵送并且使用较小的管子直径可以降低泵送操作的成本，因为利用具有较小内径的管子，例如1英寸(2.5cm)、3/4英寸(1.9cm)或者1/2(1.3cm)。 [0016] 如果此方法利用多个管柱或管子，便能够从不同的井泵送流体。 [0017] 在本发明的第二方面中，提供了用于在本发明的方法中使用的脉冲发生器。脉冲发生器包括：用于使脉冲发生器与将通过其泵送流体的管子连接的连接器；用于在将要泵送的流体中产生压力波的可往复运动地操作的移动构件，其被靠近连接器布置在腔体中使得面向连接器；用于排放泵送的流体的排放端口；用于将泵送的流体从连接器传送到排放端口的传送通道；用于使通过传送通道传送的流体返回到腔体的返回通道。 [0018] 在本发明的脉冲发生器中，脉冲发生器的移动构件靠近连接器布置在腔体中使得面向连接器。当产生压力波时这使损失最小化。此外，脉冲发生器具有允许流体从腔体循环通过传送通道返回到腔体的返回通道。这补偿了在抽吸冲程过程中移动构件的移动，由此减小了用于操作与避免气蚀需要的能量。除了降低能量消耗与避免气蚀以外，利用产生的流体循环通过传送通道降低了操作成本，由于这不需要特别地用于此目的的用于供给流体的其它流体箱体。 [0019] 流体循环通过传送与返回通道的另一个方面是通过提供压力调节阀(控制阀)能够在两个通道中保持较高的压力(反压)。压力调节阀布置在传送通道中以便控制通过传送通道泵送的流体的流速与压力。控制通过传送通道的流速与压力在由移动构件产生的压力波的幅度以及降低能量消耗上具有积极效果。此外，减少了气体到脉冲转换器中的流入。 [0020] 可以通过使传送通道与移动构件中的每个都设有止回阀(第一止回阀与第二止回阀)来确保流体从腔体通过传送通道与返回通道返回到腔体的循环。在此情形中，移动构件可以是经由隔膜密封到腔体的壁的圆盘状构件或活塞。在另选构造中，移动构件是柱塞并且传送通道与返回通道的每个都设有止回阀(第一止回阀与第二止回阀)。 [0021] 另一个止回阀(第三止回阀)可以设置在腔体的出口处以便在抽吸冲程过程中降低压降。 [0022] 脉冲发生器还可以包括与排放端口联通的箱体、传送通道与返回通道、以及用于调节箱体中的反压的过压阀。此布置对于根据流体的气体含量调节反压是有用的。 [0023] 在本发明的第三方面中，提供了用于泵送流体的泵系统，包括：通过其泵送流体的管子；设置在管子的一端的脉冲转换器；以及本发明的脉冲发生器，其连接到管子的另一端并且具有往复地可操作的移动构件以便在流体中产生压力波，这使得在管子的一端处的脉冲转换器允许流体流入到管子中。 [0024] 在本发明的泵系统中，摩擦损失很低并且没有共振、振动、噪音等特定问题。因此，能够使用比由用于人工提升的其它已知泵要求的直径更小的管子，例如具有不大于2英寸(5.1cm)、1.5英寸(3.8cm)、1英寸(2.5cm)或者更小的内径的管子。如上所述，这降低了钻取的成本以及由于较小执行的全井设施成本以及壳体与管子的成本。 [0025] 管子可以分支成每个都具有设置在其另一端处的脉冲转换器的多个管柱。在此情形中，能够通过一个并且相同的脉冲发生器从不同位置泵送流体从而进一步增加了总泵送效率。 [0027] 将参照在附图中描述的优选实施方式更加详细地描述本发明。 [0028] 图1示出了用于在本发明中使用的第一泵系统的示意图。 [0029] 图2A是示出根据第一实施方式的脉冲发生器的主要部分的平面图，并且图2B是示出根据第一实施方式的脉冲发生器的移动构件的横截面视图。 [0030] 图3A是示出根据第一实施方式的变型的脉冲发生器的主要部分的平面图，并且图3B是示出根据第一实施方式的变型的脉冲发生器的移动构件的横截面视图。 [0031] 图4A是示出根据第二实施方式的脉冲发生器的主要部分的平面图，并且图4B是示出根据第二实施方式的脉冲发生器的移动构件的横截面视图。 [0032] 图5A是示出根据第三实施方式的脉冲发生器的主要部分的平面图，并且图5B是示出根据第三实施方式的脉冲发生器的移动构件的横截面视图。 [0033] 图6A-图6C示出了对于不同操作频率来说在脉冲转换器处的实时压力的实验结果。 [0034] 图7A是示出用于本发明的第二泵系统的示意图，并且图7B示出了第二泵系统的细节A。 [0035] 图8A是示出用于本发明的第三泵系统的示意图，并且图8B示出了第三泵系统的细节A。 [0036] 图9示出了用于在本发明中使用的第四泵系统的示意图。 具体实施方式[0037] 图1是示出了用于在本发明中使用的泵系统(第一泵系统)的典型实例的示意图。第一泵系统包括插入到封装钻孔400中的管子200、在管子200的一端的表面定位的脉冲发生器100、包括在管子200另一端的止回阀310与过滤器320的脉冲转换器300。钻孔400的底部填充有来自地下源的流体，包括诸如水、油等液体或者液体与气体的混合物。 [0038] 为了将流体从钻孔400的底部通过管子200泵送到表面高度，操作脉冲发生器100，使得移动构件在脉冲发生器中以小于3Hz的低频率往复运动。该频率优选地在2.5到 0.5Hz的范围内，更优选地对于具有50到500m的深度的浅井来说在2.0到0.6Hz的范围内。例如，对于具有约750m的深度的井来说该频率可以是0.8到0.4Hz。期望的是对于甚至更深的井来说优选的频率约0.1Hz。 [0039] 移动构件的往复运动在管子200的内部的流体中产生压力脉冲，该压力脉冲前进到其中止回阀310布置在那里的管子200的下端。压力波在止回阀310处被反射使得止回阀310被反复地打开短的时间期间并且允许增量流体体积从钻孔400的底部通过过滤器320进入到管子200中。其它流体体积被通过在管子200的上端处的排放端口从管子200取出。 [0040] 发明人发现通过将往复运动构件的频率设为小于3Hz，总的泵效率显著地增加。增加的泵效率意味着泵送一定量流体所需的能量减小。 [0041] 在本发明的泵送方法中使用的频率范围在声学波的范围以下并且由此防止了共振、振动、噪音等的发生。通过将往复运动构件的频率设为小于3Hz，总的泵效率增加。井越深频率应该是越低以使操作的效率与流速最大化。 [0042] 本发明的泵送方法使得从极端浅的井中泵送重油是有益的，这不能通过现有技术方法经济地开采。通常来说，“极端”浅表示该井不深于600m。 [0043] 此外，本发明的泵送方法的使用不限于从此超级浅井泵送重油。实际上，只要流体使得当通过压力波致动脉冲转换器300时进入管子200，无论将要泵送的液体是高粘度流体、低粘度流体、或者气体都没有多大区别。只要钻孔400中的流体的压力使得压力转换器300在通过压力波致动脉冲转换器300以前保持关闭，那么深度也不是问题。 [0044] 此外，本发明的泵送方法的使用不限于通过竖井从地下泵送流体。可以通过诸如倾斜井或水平井的定向钻井泵送流体，或者可以通过具有作为管线的管子的管线泵送流体。 [0045] 在下面，描述了脉冲发生器的几个实施方式，其特别地适于本发明的泵送方法并且其可以被用于替代图1中示出的脉冲发生器100。 [0046] 图2A与图2B示出了脉冲发生器的第一实施方式。 [0047] 根据第一实施方式的脉冲连接器具有用于与通过其泵送流体的例如1英寸(2.5cm)的管子连接的连接器10。靠近连接器10，设有容纳作为用于在待泵送流体中产生压力波的移动构件的可往复运动地操作的活塞30的腔体20。活塞30以面向连接器10的方式如此布置在腔体20中。当产生压力波时这使损失最小化。活塞30具有例如通过线性电机或旋转电动机驱动的活塞轴以及其间(驱动装置)的凸轮机构。 [0048] 连接器10与腔体20之间的位置处，传送通道40分支这使泵送的流体传送到箱体48中。传送通道40设有用于防止流体回流的第一止回阀60。传送到箱体48的流体可以经由排放端口42排放。通过排放阀(第二控制阀)46来控制排放流量。 [0049] 箱体48与使流体从箱体48返回到腔体20中的活塞30的后部的返回通道50联通。活塞30具有使腔体20的后部与靠近连接器10的前部连接的内部通道。第二止回阀62相应地布置在活塞30的内部通道中以便在活塞30的抽吸冲程过程中允许流体流入到腔体20的前部中并且在压缩冲程过程中关闭内部通道。 [0050] 返回通道50允许流体从腔体20通过传送通道40循环到箱体48并且返回到腔体20。这补偿了在抽吸冲程过程中活塞的移动，由此减小了用于驱动活塞与避免气蚀需要的能量。除了减小能量消耗与避免气蚀以外，使得活塞30的移动独立于从连接器10或管道泵送到传送通道40中的流体的流动。 [0051] 压力调节阀(第一控制阀)44布置在传送通道40中以便控制通过传送通道40的流体的压力与流速。控制通过传送通道40的流体的压力与流速对保持流体柱中的反压具有效果，这对于减少到脉冲转换器中的气体的流入是尤其有用的。 [0052] 图3A与图3B示出了第一实施方式的变型。 [0053] 图3A和图3B中示出的变型的脉冲发生器与第一实施方式的脉冲发生器区别在于第三止回阀64设置在腔体20与其中传送通道40在那里分支的活塞之间的腔体20的出口处。在抽吸冲程过程中第三止回阀64减小了压降。此外，在箱体48处设有过压阀(第三控制阀)66以便根据钻孔中的流体的气体含量调节箱体48中的反压。对于其它来说，变型的脉冲发生器的效果与第一实施方式中的这些基本上相同。 [0054] 应该指出的是无需将第三止回阀64与过压阀66结合使用。脉冲发生器可以具有第三止回阀64，但是没有过压阀66，并且反之亦然。 [0055] 图4A与图4B示出了脉冲发生器的第二实施方式。 [0056] 在根据第二实施方式的脉冲发生器中，连接器10打开到腔体20中，腔体20容纳作为用于产生压力波的移动构件的可往复运动操作柱塞32。柱塞32以面向连接器10的方式如此布置在腔体20中。 [0057] 在腔体20的中心位置，传送通道40分支，其将泵送的流体传送到箱体48。传送通道40设有用于防止流体的反流的第一止回阀60，以及用于控制通过传送通道40的流体的压力与流速的压力调节阀(第一控制阀)44。传送到箱体48的流体经由排放端口42排放，通过排放阀(第二控制阀)46控制排放流量。 [0058] 箱体48与返回通道50联通，返回通道使返回流体从箱体48经由第二止回阀62到与传送通道40的入口相对的腔体20的中心位置。返回通道50允许流体在柱塞32的抽吸冲程过程中从腔体20循环通过传送通道40到箱体48并且返回到腔体50。 [0059] 第三止回阀(未示出)可以设置在腔体20与连接器10之间的腔体20的出口处以便在抽吸冲程过程中减小压降。箱体48可以设有过压阀(未示出)以便根据钻孔中的流体的气体含量调节反压。 [0060] 第二实施方式的效果与第一实施方式的效果基本上是相同的。 [0061] 图5A与图5B示出了脉冲发生器的第三实施方式。 [0062] 在根据第三实施方式的脉冲发生器中，连接器10打开到到腔体20中，腔体20容纳作为用于产生压力波的移动构件的可往复运动地操作的圆盘状构件34。圆盘状构件34如此布置在腔体20中使得面向连接器10并且经由隔膜36密封到腔体20的周边壁。 [0063] 在靠近连接器10的腔体20的前部，分支将泵送的流体传送到箱体48的传送通道40。传送通道40设有用于防止流体的反流的第一止回阀60，以及用于控制通过传送通道 40的流体的压力与流速的压力调节阀(第一控制阀)44。传送到箱体48的流体经由排放端口42排放，通过排放阀(第二控制阀)46控制排放流量。 [0064] 箱体48与使流体从箱体48返回到腔体20的后部的返回通道50联通。圆盘状构件34具有使腔体20的后部与靠近连接器10的前部连接在一起的内部通道。第二止回阀62相应地布置在圆盘状构件34的内部通道中以便在圆盘状构件34的抽吸冲程过程中允许流体流入到腔体20的前部中并且在压缩冲程过程中关闭内部通道。这允许流体的循环从腔体20通过传送通道40循环到箱体48并且返回到腔体20。 [0065] 第三止回阀(未示出)可以设置在腔体20与连接器10之间的腔体20的出口处以便在抽吸冲程过程中减小压降。箱体48可以设有过压阀(未示出)以便根据钻孔中的流体的气体含量调节反压。 [0066] 第三实施方式的效果与第一实施方式和第二实施方式的效果基本上是相同的。 [0067] 图6A至图6C示出了在与图2A和图2B中示出的一个类似的在油井处的脉冲发生器的操作过程中获得的实验结果。在此测试中，脉冲发生器连接到1英寸(2.5cm)管子并且脉冲转换器在1200英尺(366m)深度安装在管子的下端。 [0068] 脉冲发生器以三种不同的频率操作。图6A至图6C相应地示出了在脉冲转换器的1Hz、1.4Hz、和1.5Hz处探测到的实时压力。尽管压力波大约具有1.4Hz与1.5Hz的频率的相同幅度与宽度，立即显而易见的是对于1Hz的频率来说幅度与宽度更大。因此，脉冲转换器的止回阀打开更多并且更长时间并且由此每次活塞冲程更多的流体被通过脉冲转换器泵送到管子中。如与1.4Hz和1.5Hz的频率相比，对于泵送相同量的流体来说在1Hz的频率下需要较少的能量，从而增加了总的泵送效率。 [0069] 在2500英尺(763m)的深井上执行的其它测试显示0.4Hz的操作频率具有良好的效率与流速。 [0070] 图7A和图7B示出了用于在本发明中使用的泵系统(第二泵系统)的第二实例。在第二泵系统中，多达三个管柱210从与脉冲发生器100连接的管子200的端部分支。每个管柱210都具有设置在其另一端的脉冲转换器300。钻孔400是水平钻孔，并且管柱210具有不同长度以泵送来自水平钻孔的不同位置的流体。 [0071] 通过此第二泵系统，能够利用一个并且相同的脉冲发生器100跨越流体储存器的较大长度泵送较大量的流体从而进一步增加总泵送效率。 [0072] 图8A和图8B示出了用于在本发明中使用的泵系统(第三泵系统)的第三实例。在第三泵系统中，多个三个脉冲发生器100连接到三个管子200中的相应一个。每个管子 200都具有设置在其另一端的脉冲转换器300。钻孔400是水平钻孔，并且管子200具有不同长度以泵送来自水平钻孔的不同位置的流体。脉冲发生器100的移动构件通过一个与相同的驱动装置驱动使得移动构件同步地往复运动。驱动装置例如包括，上述线性电机或旋转电动机与凸轮机构。 [0073] 通过此第三泵系统，能够利用一个并且相同的驱动装置跨越流体储存器的较大长度泵送较大量的流体从而进一步增加总泵送效率。 [0074] 图9示出了用于在本发明中使用的泵系统(第四泵系统)的第四实例。在第四泵系统中，多个三个管柱210从与脉冲发生器100连接的管子的端部分支。每个管柱210都具有设置在其另一端的脉冲转换器300。管子200被插入分离例如100m的距离的不同的竖直钻孔400中。 [0075] 通过第四泵系统，能够通过一个并且相同的脉冲发生器100从相邻井泵送流体。这增加了总泵送效率并且降低了装置成本。 [0076] 附图标记列表 [0077] 100 脉冲发生器 [0078] 200 管子 [0079] 210 管柱 [0080] 300 脉冲转换器 [0081] 310 止回阀 [0082] 320 过滤器 [0083] 400 钻孔 [0084] 10 连接器 [0085] 20 腔体 [0086] 30 活塞 [0087] 32 柱塞 [0088] 34 圆盘状构件 [0089] 36 隔膜 [0090] 40 传送通道 [0091] 42 排放端口 [0092] 44 压力调节阀(第一控制阀) [0093] 46 排放阀(第二控制阀) [0094] 48 箱体 [0095] 50 返回通道 [0096] 60 第一止回阀 [0097] 62 第二止回阀 [0098] 64 第三止回阀 [0099] 66 过压阀(第三控制阀) |
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