本發(fā)明大體上涉及可潛泵送系統(tǒng)的領(lǐng)域，并且更具體地但非經(jīng)由限制，涉及包括馬達(dá)冷卻系統(tǒng)的可潛泵送系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

可潛泵送系統(tǒng)通常配置到井中來從地下儲層重獲石油流體。典型的可潛泵送系統(tǒng)包括一定數(shù)量的構(gòu)件，其包括聯(lián)接于位于馬達(dá)上方的一個或更多個高性能泵的一個或更多個流體填充的電動機(jī)。在激勵時，馬達(dá)提供轉(zhuǎn)矩至泵，該泵通過開采管路將井孔流體推動至地面?？蓾摫盟拖到y(tǒng)中的構(gòu)件中的各個必須設(shè)計成耐受惡劣的井下環(huán)境。

大多數(shù)井包括井管，其沿井孔內(nèi)側(cè)延伸以保持井孔的結(jié)構(gòu)完整性，并且隔離流體到井中的引入。"穿孔"在期望位置處形成穿過井管，以容許流體從開采層進(jìn)入到井管中。在許多情況下，可潛泵送系統(tǒng)定位在井孔中的穿孔上方。通過將可潛泵送系統(tǒng)定位在穿孔上方，在吸入泵中的流體經(jīng)過馬達(dá)時，實現(xiàn)冷卻效果。在其中不足的流體可用于提供該冷卻效果的設(shè)備中，電動機(jī)可過熱并失效。

然而，將可潛泵送系統(tǒng)的至少一部分安裝在穿孔下方(這有時稱為"深挖"位置)存在公認(rèn)的益處。通過至少將泵的入口置于穿孔下方，操作者能夠最大化井孔水位降低，這可增加來自井的流體的產(chǎn)量。在某些井中，將入口置于穿孔下方還降低至泵的流入物中存在的氣體含量。兩相流體通過穿孔進(jìn)入井，較輕的氣態(tài)成分趨于在較重的液體成分下降時上升。將泵的入口置于穿孔下方加強(qiáng)了重力分離，并且減少了泵流入物中的氣體含量。減少流入物中的氣體含量降低了氣體鎖定的風(fēng)險，并且大體上改進(jìn)了可潛泵送系統(tǒng)的效率。

與將可潛泵送系統(tǒng)置于穿孔下方相關(guān)聯(lián)的主要問題在于缺少由電動機(jī)上方的流體移動提供的冷卻。當(dāng)可潛泵送系統(tǒng)置于穿孔下方時，通過穿孔進(jìn)入井的流體可吸入泵入口中而不越過馬達(dá)。以該方式，馬達(dá)周圍的流體可變得相對停滯，并且不能夠提供足夠的熱消散。

制造者使用了若干方法來克服該問題。用于增大電動機(jī)周圍的流的最常見方法是通過使用帶護(hù)罩的入口。入口護(hù)罩典型地包括泵入口上方的閉合端部，以及鄰近馬達(dá)的底部的開啟端部。在流體通過穿孔吸入井孔中時，流體由護(hù)罩在馬達(dá)的外部周圍引導(dǎo)。盡管大體上在提供馬達(dá)周圍的流體流方面有效，但護(hù)罩需要可潛泵送系統(tǒng)與井管之間的附加空間，并且可在某些條件下帶來不合乎需要的壓降。此外，由護(hù)罩提供的冷卻效果取決于到井孔中的適當(dāng)液體開采的可得性。在具有大氣體部分的邊際井或井中，缺少足夠量的液體將降低由帶護(hù)罩的解決方案提供的冷卻效果。因此，需要克服現(xiàn)有技術(shù)的不足的改進(jìn)的馬達(dá)冷卻系統(tǒng)。優(yōu)選實施例針對該需要和其它需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括一種用于調(diào)節(jié)可潛泵送系統(tǒng)中的電動機(jī)的溫度的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)?？蓾摫盟拖到y(tǒng)優(yōu)選包括馬達(dá)、由馬達(dá)驅(qū)動的開采泵、鄰近開采泵的換熱器，以及連接于馬達(dá)的油循環(huán)泵。開采泵使流體從井孔移動穿過換熱器。油循環(huán)泵使油在馬達(dá)與換熱器之間循環(huán)，以調(diào)節(jié)馬達(dá)的操作溫度。由移動穿過馬達(dá)的油吸收的熱傳遞至移動穿過換熱器的開采流體。

在另一方面，優(yōu)選實施例包括一種用于在可潛泵送系統(tǒng)中使用的冷卻系統(tǒng)，該可潛泵送系統(tǒng)包括油填充的電動機(jī)和由油填充的電動機(jī)驅(qū)動的開采泵。冷卻系統(tǒng)包括具有與開采泵流體連通的中心通路、鄰近中心通路的換熱管的換熱器，以及由馬達(dá)驅(qū)動的油循環(huán)泵。油循環(huán)泵與油填充的電動機(jī)和換熱器的換熱管流體連通。

在又一方面，優(yōu)選實施例包括一種用于控制設(shè)置在井孔中的可潛泵送系統(tǒng)中的電動機(jī)的操作溫度的方法，其中泵送系統(tǒng)包括由電動機(jī)驅(qū)動的開采泵以從井孔開采流體。該方法包括提供連接于電動機(jī)的油循環(huán)泵和提供連接于開采泵的換熱器的步驟。該方法以觸動油循環(huán)泵來將初始溫度下的馬達(dá)潤滑劑移動穿過電動機(jī)的步驟繼續(xù)，其中馬達(dá)潤滑劑從操作的電動機(jī)吸收熱。接下來，該方法以以下步驟繼續(xù)：使加熱的馬達(dá)潤滑劑從電動機(jī)移動到換熱器，以及觸動開采泵來使開采的流體從井孔移動穿過換熱器。加熱的馬達(dá)潤滑劑將熱傳遞到換熱器中的開采流體。最后，該方法提供了使冷卻的馬達(dá)潤滑劑從換熱器移回至操作馬達(dá)以重新開始循環(huán)。

附圖說明

圖1為根據(jù)優(yōu)選實施例構(gòu)造的可潛泵送系統(tǒng)的立面視圖。

圖2a為第一優(yōu)選實施例中的圖1的泵送系統(tǒng)的馬達(dá)的截面圖。

圖2b為第二優(yōu)選實施例中的圖1的泵送系統(tǒng)的馬達(dá)和密封區(qū)段的截面圖。

圖3為圖2a和圖2b的馬達(dá)的俯視截面視圖。

圖4a為根據(jù)第一優(yōu)選實施例構(gòu)造的圖1的泵送系統(tǒng)的油循環(huán)泵的截面視圖。

圖4b為根據(jù)備選的優(yōu)選實施例構(gòu)造的圖1的泵送系統(tǒng)的油循環(huán)泵的截面視圖。

圖5為圖1的泵送系統(tǒng)的換熱器模塊的截面視圖。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，圖1示出了附接于開采管路102的泵送系統(tǒng)100的立面視圖。泵送系統(tǒng)100和采油管路102設(shè)置在加井管的井孔104中，其鉆取用于開采流體如水或石油。如本文中使用的，用語"石油"廣泛表示所有礦物烴，如，粗油、氣體以及油和氣體的組合。開采管路102將泵送系統(tǒng)100連接于位于地面上的井口106。

泵送系統(tǒng)100優(yōu)選包括開采泵108、馬達(dá)110、密封區(qū)段112、氣體分離器114、換熱器116和油循環(huán)泵118。在優(yōu)選實施例中，馬達(dá)組件110為電動機(jī)，其從基于地面的電源通過電力線纜120接收其功率。馬達(dá)組件110將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其由一個或更多個軸122傳送至開采泵108。開采泵108接著將該機(jī)械能的一部分傳遞至井孔內(nèi)的流體，引起井孔流體移動穿過開采管路102至地面。在特別優(yōu)選的實施例中，開采泵108為渦輪機(jī)，其使用一個或更多個葉輪和擴(kuò)散器來將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓頭。在備選實施例中，開采泵108為推進(jìn)腔(pc)或正排量泵，其利用一個或更多個螺桿或活塞移動井孔流體。盡管在垂直井孔104中展示，但將認(rèn)識到的是，泵送系統(tǒng)100還可在水平和非垂直井孔中實施。泵送系統(tǒng)100的優(yōu)選實施例還可在地面泵送應(yīng)用中和在從地?zé)豳Y源開采能量中得到應(yīng)用。

密封區(qū)段112防護(hù)馬達(dá)110免受由開采泵108產(chǎn)生的軸向推力負(fù)載，并且防止井孔流體進(jìn)入到馬達(dá)110中。密封區(qū)段112還可適應(yīng)潤滑劑在馬達(dá)110內(nèi)的膨脹和收縮。氣體分離器114連接于密封區(qū)段112。氣體分離器114包括入口124、排放頭126和氣體排放端口128。流體吸入氣體分離器114中，在該處，液體和氣體使用本領(lǐng)域中已知的機(jī)構(gòu)分離。液體從氣體分離器114進(jìn)入換熱器116，并且氣體通過氣體排放端口128排入井孔104中。將認(rèn)識到的是，氣體分離器114可不從由泵送系統(tǒng)100處理的開采流體除去所有氣體，并且一些氣體可進(jìn)入換熱器116。盡管密封區(qū)段112在圖1中描繪成在馬達(dá)110上方，但備選實施例包括將密封區(qū)段112置于馬達(dá)110下方。如果密封區(qū)段112置于馬達(dá)110下方，則可合乎需要的是將推力室從密封區(qū)段112并入到馬達(dá)110中。在又一個附加備選實施例中，合乎需要的是除馬達(dá)110上方的密封區(qū)段112之外，使用馬達(dá)110下方的專用的馬達(dá)油膨脹室。

大體上，換熱器116和油循環(huán)泵118構(gòu)造成從馬達(dá)110協(xié)作地除去熱。馬達(dá)潤滑劑由油循環(huán)泵118通過第一油管線130a和第二油管線130b泵送穿過馬達(dá)110和換熱器116。馬達(dá)潤滑劑從馬達(dá)110吸收熱，并且將熱排入穿過換熱器116的開采流體中。換熱器116和油循環(huán)泵118的使用帶來了馬達(dá)溫度保持中的顯著進(jìn)步。由于優(yōu)選實施例的馬達(dá)冷卻系統(tǒng)并未取決于外部對流冷卻，故馬達(dá)110可在馬達(dá)110周圍的流體流減少的環(huán)境中操作。具體而言，優(yōu)選實施例的新穎馬達(dá)冷卻系統(tǒng)將在如下情形中得到具體應(yīng)用，其中馬達(dá)110置于井孔104(如圖1中所示)中或并未產(chǎn)生足夠的流體體積用于外部對流冷卻的邊際井中的穿孔下方。

盡管圖1中示出了僅一個開采泵108、馬達(dá)110、密封區(qū)段112、氣體分離器114、換熱器116和油循環(huán)泵118，但將理解的是，這些構(gòu)件中的各個中的多于一個可在適當(dāng)時在泵送系統(tǒng)100內(nèi)利用。此外，氣體分離器114的使用是可選的，并且可在某些應(yīng)用中省略。例如，可合乎需要的是在展出低氣體部分的井中省略氣體分離器。在其中氣體分離器114從泵送系統(tǒng)100省略的那些應(yīng)用中，入口124用于將流體引導(dǎo)至開采泵108，并且換熱器116可置于開采泵108與開采管路102之間(如果入口124與開采泵108集成)或入口124與開采泵108之間(如果入口124與開采泵108分離)。

盡管換熱器116在圖1中描繪成在開采泵108與氣體分離器114之間，但附加實施例構(gòu)想出在泵送系統(tǒng)100內(nèi)的其它位置的換熱器116的放置。例如，可合乎需要的是將換熱器116置于入口124上方和開采泵108下方，開采泵108上方，或相鄰的開采泵108之間(如果使用多個開采泵108)。

作為備選，換熱器116可置于馬達(dá)110下方或開采泵108的入口124下方。將換熱器116置于馬達(dá)110或入口124下方可在其中泵送系統(tǒng)100置于井孔104中的穿孔上方的應(yīng)用中得到具體應(yīng)用。在該構(gòu)造中，吸入井孔104中的流體在其由馬達(dá)110加熱之前在換熱器116的外部之上經(jīng)過。

現(xiàn)在參照圖2a，其中示出了馬達(dá)110和密封區(qū)段112的側(cè)視截面視圖。馬達(dá)110包括馬達(dá)殼體132、軸134、定子組件136和轉(zhuǎn)子138。馬達(dá)殼體132包圍和保護(hù)馬達(dá)110的內(nèi)部分，并且優(yōu)選密封來減少到馬達(dá)110中的井孔流體的進(jìn)入。馬達(dá)110的底部連接于油循環(huán)泵118并且與其流體連通。

密封區(qū)段112附接于馬達(dá)110的上端部，并且提供用于適應(yīng)開采泵108的推力負(fù)載的系統(tǒng)。密封區(qū)段112包括推力室200，其收納止推軸承組件202和一個或更多個機(jī)械密封件204。止推軸承組件202包括一對靜止軸承206和附接于軸134的推力頭208。推力頭208捕獲在靜止軸承206之間，靜止軸承206限制推力頭208和軸134的軸向位移。密封區(qū)段112優(yōu)選還包括流體隔離組件210。在圖2b中描繪的實施例中，流體隔離組件210包括袋密封件212。袋密封件212將開采泵108中的井孔流體與密封區(qū)段212和馬達(dá)110中的清潔潤滑劑隔離。

第一油管線130a連接在密封區(qū)段212的推力室200下游，并且與推力室200的內(nèi)部流體連通。在許多應(yīng)用中，止推軸承組件202在推力頭208與靜止軸承206接觸時生成熱。第一油管線130a在推力室200下游的放置有助于調(diào)節(jié)推力室200內(nèi)的溫度。在圖2b中描繪的備選實施例中，第一油管線130a直接地連接于馬達(dá)110，并且延伸穿過馬達(dá)殼體132到馬達(dá)110的內(nèi)部中。盡管第一油管線130a和第二油管線130b描繪為在馬達(dá)110、密封區(qū)段112和換熱器116外部，但管線130a,130b可作為備選構(gòu)造為泵送系統(tǒng)100內(nèi)的內(nèi)部構(gòu)件。

保持關(guān)于馬達(dá)殼體132固定的靜止定子組件136鄰近馬達(dá)殼體132的內(nèi)表面。定子組件136包繞內(nèi)轉(zhuǎn)子138。定子組件136的內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子138的外徑之間的差異限定沿轉(zhuǎn)子138的長度延伸的定子轉(zhuǎn)子間隙140。

如圖3中的馬達(dá)的截面視圖中描繪的，定子組件136包括延伸穿過定子芯部144的定子線圈142。定子芯部144通過堆疊和壓制一定數(shù)量的薄疊層146來產(chǎn)生有效的實心芯部來形成。定子線圈142通過使磁線148延伸穿過定子芯部144的各個疊層146中的槽口150來形成。磁線148由槽口襯里152與疊層146絕緣。槽口襯里優(yōu)選由耐用的電隔離材料(如，全氟烷氧基(pfa)聚合物)制造。在優(yōu)選實施例中，定子襯里152中的各個的內(nèi)部的截面面積大于各個襯里152內(nèi)的磁線148的多匝(pass)的組合截面面積。定子襯里152的截面面積與磁線的集合截面面積之間的差異限定定子槽口油通路154，其填充有介電馬達(dá)潤滑油。

轉(zhuǎn)到圖4a，其中示出了油循環(huán)泵118和馬達(dá)110的一部分的優(yōu)選實施例的截面圖。油循環(huán)泵118包括循環(huán)泵殼體156，其連接于馬達(dá)殼體132和第二油管線130b。油循環(huán)泵118優(yōu)選包括一個或更多個泵級158和馬達(dá)潤滑劑儲存器160。在特別優(yōu)選的實施例中，一個或更多個泵級158中的各個為包括靜止擴(kuò)散器162和連接于馬達(dá)軸134的可旋轉(zhuǎn)葉輪164的渦輪機(jī)。當(dāng)由馬達(dá)110旋轉(zhuǎn)時，泵級158將馬達(dá)潤滑劑推過油循環(huán)泵118。在備選實施例中，油循環(huán)泵118包括旋轉(zhuǎn)或往復(fù)正排量泵級。

在圖4b中描繪的附加備選實施例中，油循環(huán)泵118由單獨的油循環(huán)泵馬達(dá)214驅(qū)動。不同的油循環(huán)泵馬達(dá)214的使用允許開采泵108和油循環(huán)泵118的獨立控制。在高度優(yōu)選的實施例中，泵送系統(tǒng)100還包括控制系統(tǒng)216，其測量馬達(dá)110的溫度，并且調(diào)整油循環(huán)泵馬達(dá)214的操作，以按需要增加或減少穿過油循環(huán)泵118的馬達(dá)潤滑劑的流。如果系統(tǒng)溫度升高，則可使油循環(huán)泵118增大循環(huán)穿過馬達(dá)110和換熱器116的馬達(dá)潤滑劑的流速。相反地，如果馬達(dá)潤滑劑的溫度降低，則穿過油循環(huán)泵118的流可減少，而不使穿過開采泵108的流節(jié)流。

轉(zhuǎn)到圖5，其中示出了換熱器116的截面圖。換熱器116包括連接于氣體分離器114的排放頭126和開采泵108的入口側(cè)的換熱器殼體166。換熱器116包括中心通路168，其將開采泵108放置成與氣體分離器114流體連通。盡管圖5中未示出，但中心通路168可包括擋板或螺旋段，其延長穿過中心通路168的流體的駐留時間。軸122延伸穿過中心通路168，并且將轉(zhuǎn)矩從氣體分離器114傳遞至開采泵108。

換熱器116還包括換熱器殼體166內(nèi)的一系列換熱管170。在圖5中描繪的優(yōu)選實施例中，換熱管170沿?fù)Q熱器殼體166的內(nèi)部構(gòu)造成卷繞構(gòu)造。在特別優(yōu)選的實施例中，換熱管170位于導(dǎo)熱夾套172內(nèi)，導(dǎo)熱夾套172防止換熱管170與中心通路168中的開采流體接觸。換熱管170通過換熱器殼體166連接于第一油管線130a和第二油管線130b。以該方式，泵送穿過第一油管線130a和第二油管線130b的馬達(dá)潤滑劑穿過換熱管170，并且通過夾套172與移動穿過中心通路168的開采流體交換熱。在備選的優(yōu)選實施例中，換熱管170構(gòu)造為一個直管，或沿?fù)Q熱器殼體166的長度延伸的由端部彎頭連接的多個直管。在又一個備選實施例中，泵送的過程流體移動穿過換熱器內(nèi)的相鄰的管，并且馬達(dá)潤滑劑穿過相鄰管之間的空隙。將認(rèn)識到的是，換熱器的其它形式和構(gòu)造可在優(yōu)選實施例內(nèi)得到應(yīng)用。

在第一優(yōu)選實施例中，介電馬達(dá)潤滑劑向下游泵送穿過密封區(qū)段112到馬達(dá)110中，在該處，潤滑劑穿過定子轉(zhuǎn)子間隙140和定子槽口油通路154。在馬達(dá)潤滑劑穿過密封區(qū)段的推力室200和馬達(dá)110時，潤滑劑吸收一定量的熱。熱傳遞通過使?jié)櫥瑒┚o鄰?fù)ǔＪ潜盟拖到y(tǒng)100的最熱部分的推力室200和定子芯部144經(jīng)過來優(yōu)化。油循環(huán)泵118接著將熱馬達(dá)潤滑劑推動穿過第二油管線130b到換熱器116的頂部中。熱馬達(dá)潤滑劑與穿過中心通路168的開采流體流成逆流構(gòu)造向下游移動穿過換熱管。馬達(dá)潤滑劑將熱傳遞到開采流體中來冷卻馬達(dá)潤滑劑。冷卻的馬達(dá)潤滑劑通過第一油管線130a返回至馬達(dá)110的頂部，并且換熱循環(huán)重復(fù)。以該方式，馬達(dá)110、密封區(qū)段112、油循環(huán)泵118和換熱器116在閉環(huán)換熱循環(huán)中協(xié)作，該閉環(huán)換熱循環(huán)將來自密封區(qū)段112和馬達(dá)110的熱傳遞至移動穿過換熱器116的開采流體。除控制密封區(qū)段112和馬達(dá)110的操作溫度之外，優(yōu)選實施例的冷卻系統(tǒng)還可通過升高開采流體的溫度來降低開采流體的粘性。減小開采流體的粘性可便于泵送操作，特別是對于高粘性的石油流體而言。

在第二優(yōu)選實施例中，馬達(dá)潤滑劑通過馬達(dá)110向上泵送到推力室200中并且通過第一油管線130a向上泵送到換熱器116中。熱馬達(dá)潤滑劑接著進(jìn)入換熱器116的底部，并且與穿過中心通路168的開采流體成同流構(gòu)造穿過換熱管170。冷卻的馬達(dá)潤滑劑接著通過第二油管線130b返回至油循環(huán)泵108。

將認(rèn)識到的是，附加的實施例包括如通過將第一油管線130a連接于油循環(huán)泵118并且將第二油管線130b連接于推力室200或馬達(dá)110的頂部而進(jìn)一步修改的、上文論述的逆流和同流流構(gòu)造。應(yīng)用特有的設(shè)計參數(shù)將告知關(guān)于是否利用同流或逆流流構(gòu)造和是否將油循環(huán)泵118構(gòu)造成將馬達(dá)潤滑劑排放到推力室200、馬達(dá)110或換熱器116中的決定。

因此，優(yōu)選實施例公開了用于控制用于驅(qū)動開采泵108的馬達(dá)110的操作溫度的改進(jìn)的系統(tǒng)。油循環(huán)泵118和換熱器116的使用允許在其中實際產(chǎn)生熱的馬達(dá)110的最熱部分中從泵送系統(tǒng)100除去熱。熱由用作熱傳遞流體的馬達(dá)潤滑劑以受控方式傳遞。油循環(huán)泵118可構(gòu)造成由馬達(dá)110直接地驅(qū)動或通過單獨的油循環(huán)泵馬達(dá)214驅(qū)動?？刂葡到y(tǒng)可用于響應(yīng)于馬達(dá)110的溫度的變化來調(diào)整油循環(huán)泵118的性能。在優(yōu)選實施例中，從馬達(dá)110除去的熱在換熱器116中排出，在該處，泵送的過程流體的速度為最高的。

將理解的是，即使本發(fā)明的各種實施例的許多特征和優(yōu)點在前述描述中連同本發(fā)明的各種實施例的結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)闡述，本公開仍僅為示范性的，并且可詳細(xì)作出改變，尤其是在由表達(dá)所附權(quán)利要求的用語的寬泛總體意義指示的最大可能的范圍內(nèi)，關(guān)于本發(fā)明的原理內(nèi)的部分的結(jié)構(gòu)和布置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的是，本發(fā)明的教導(dǎo)可應(yīng)用于其它系統(tǒng)，而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。