利用超声波进行固体堆积物去除的电动潜油泵

摘要

一种用于为井筒流体提供人工举升且具有固体堆积物去除能力的系统，包括：泵(18)，其浸没在井筒流体中且与在井筒内延伸的管状构件(20)流体连通。泵被定向为选择性地增加从井筒朝向地表行进的井筒流体的压力。电机(22)位于井筒内，用于为泵(18)提供动力。密封组件具有连接到电机的第一侧和连接到泵的第二侧，其中泵、电机和密封组件一起形成潜油泵管柱。超声波装置(40，42)连接到潜油泵管柱且能用于产生压力波。

说明书

发明人：J·肖

拉斐尔·阿道弗·拉斯特拉

兰德尔·谢普勒

技术领域

本公开涉及油气开发作业中使用的电动潜油泵，并且更具体地涉及具有超声波清洁能力的电动潜油泵。

背景技术

在油气开发中，常见的做法是使用电动潜油泵浦系统(ESP)作为人工举升的主要形式。ESP操作面临的挑战是在ESP管柱(string)上(包括在电机外壳、泵进口、诸如叶轮和扩散器等的泵级以及泵排出口上)的固体沉淀和沉积。固体组合物可能包括诸如CaCO3、CaSO4、SrSO4和CaMg(CO3)2等的一种或更多种水垢，以及锈蚀产物。固体的沉积可能会造成由电机高温和过载引起的ESP跳闸增加。由于泵中堆积的水垢和锈蚀物迫使电机更加努力地工作并超过其设计额定值，可能会发生电机电短路。此外，因为需要足够流量的采出流体经过电机以进行冷却，所以泵流路的固体堵塞以及围绕电机外部堆积的固体导致电机内部热量快速上升、绝缘击穿以及电短路。由于轴的转动受到堆积在轴与径向轴承之间的固体的限制，所以一些ESP井在关闭之后无法重启，因此需要油井维修来换掉ESP。为了增加ESP的可靠性和运行寿命，通常使用连续的化学剂注入来处理CaCo3垢，但是用这种系统改造现有的ESP井需要高的资金支出以及运营费用上的增加，再加上引入了对于无人平台的新的安全性担忧。

发明内容

本文所公开的系统和方法描述了一种电动潜油泵系统，其与相关联的超声波组件一起被输送到井下，以防止、去除或至少减少在潜油泵管柱中(包括在泵进口、泵级和泵排出口中以及在电机的外部和诸如Y形工具等的可选流路中)的固体堆积物。超声波组件可以延长ESP的运行寿命并增加烃产量。

在本公开的实施例中，一种用于为井筒流体提供人工举升且具有固体堆积物去除能力的系统包括：泵，其浸没在井筒流体中且与在井筒内延伸的管状构件流体连通。泵被定向为选择性地增加从井筒朝向地表行进的井筒流体的压力。电机位于井筒内，用于为泵提供动力。密封组件具有连接到电机的第一侧和连接到泵的第二侧，其中泵、电机和密封组件一起形成潜油泵管柱。超声波装置连接到潜油泵管柱且能用于产生压力波。

在可选实施例中，超声波装置包括超声波发生器和超声波换能器。超声波换能器可以被固定到潜油泵管柱的外径处或者可以位于潜油泵管柱的内部空间内。超声波发生器和超声波换能器可以是超声波装置的一部分，超声波装置与潜油泵管柱串联连接。Y形工具可以连接到潜油泵管柱，并且超声波换能器可以与潜油泵管柱一起集成在Y形工具上。

在其它可选实施例中，电力电缆可以从地表延伸、连接到潜油泵管柱并且与超声波装置电连接。电力电缆也可以与电机电连接。作为可选方案，系统可以包括连接到超声波装置的发电机，发电机从如下源产生超声波装置的电力供应：所述源选自井筒内的热量、井筒内的压力以及井筒内的振动所构成的组。

在本公开的可选实施例中，一种用于为井筒流体提供人工举升且具有固体堆积物去除能力的系统包括：潜油泵管柱，其被定向为选择性地增加从井筒穿过在井筒内延伸的管状构件朝向地表行进的井筒流体的压力。潜油泵管柱包括：泵，其浸没在井筒内的井筒流体中；电机，其机械连接到泵；和密封组件，其位于泵与电机之间。超声波发生器连接到潜油泵管柱。超声波换能器连接到超声波发生器。超声波换能器能用于在系统内生成压力波，从而利用超声空化选择性地轰击潜油泵管柱。

在可选实施例中，超声波换能器可以以20kHz至400kHz的频率操作。超声波换能器可以包括沿着潜油泵管柱间隔开的各换能器的网络。超声波换能器可以被定向为将压力波引向如下部分：所述部分选自所述泵的进口、所述泵的级、所述泵的排出口、所述电机的外部、Y形工具或其组合所构成的组。控制系统可以与超声波发生器通信并且使超声波发生器在操作状态与非操作状态之间选择性地切换。

在本公开的又一可选实施例中，一种用于为井筒流体提供人工举升且提供固体堆积物去除的方法包括：提供泵、电机和密封组件，电机为泵提供动力，并且密封组件具有连接到电机的第一侧和连接到泵的第二侧，其中，泵、电机和密封组件一起形成潜油泵管柱。将超声波发生器和超声波换能器连接到潜油泵管柱。将泵浸没在井筒流体中，以增加从井筒穿过在井筒内延伸的管状构件朝向地表行进的井筒流体的压力。利用超声波发生器生成电脉冲，并将电脉冲提供给超声波换能器。利用超声波换能器将压力波在井筒流体内引向潜油泵管柱。

在可选实施例中，将超声波换能器连接到潜油泵管柱的步骤可以包括将超声波换能器固定到潜油泵管柱的外径处，或者将超声波换能器固定到潜油泵管柱的内部空间。作为可选方案，将超声波发生器和超声波换能器连接到潜油泵管柱的步骤可以包括将超声波装置与潜油泵管柱串联连接。利用超声波换能器将压力波在井筒流体内引向潜油泵管柱的步骤可以包括将压力波引向如下部分：所述部分选自泵的进口、泵的级、泵的排出口、电机的外部、Y形工具或其组合所构成的组。可以利用发电机产生超声波发生器的电力供应，发电机从如下源产生电力：所述源选自井筒内的热量、井筒内的压力以及井筒内的振动所构成的组。作为可选方案，可以利用电力电缆为超声波发生器提供电力，电力电缆从地表延伸、连接到潜油泵管柱并且与超声波发生器电连接。

附图说明

为了可以详细地理解获得本公开的上述特征、方面和优点以及将变得明显的其它方面的方式，可以参考在形成本说明书的一部分的附图中示出的本公开的实施例对上面简要概括的本公开的更具体的描述。然而，需要注意的是，附图仅示出了本公开的优选实施例，并且因此不应被视为限制本公开的范围，因为本公开可以允许其它等效实施例。

图1是根据本公开实施例的具有模块化超声波组件的电动潜油泵系统的示意性正视图。

图2是根据本公开实施例的具有集成化超声波组件的电动潜油泵系统的示意性正视图。

图3是根据本公开实施例的具有Y形工具与超声波组件的电动潜油泵系统的示意性正视图。

具体实施方式

现在将参考示出本公开的实施例的附图更全面地描述本公开的实施例。然而，本公开的系统和方法可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于在本公开中阐述的所示实施例。而是，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。相似的数字始终指代相似的元件，并且如果使用了撇号标记，则其表示备选实施例或位置中的类似元件。

在以下讨论中，阐述了很多具体细节来提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。另外，对于绝大部分来说，关于井钻、储层测试、完井等的细节已被省略，因为这样的细节对于获得对本公开的完整理解而言并不认为是必需的，并且被认为是在相关领域的技术人员的技能之内。

参见图1，井10可以具有延伸到地表14的井筒12。井10可以是海上井或陆基井，并且可以用于从地下油气储层中采出烃。可以将潜油泵管柱16置于井筒12内。如本文所讨论的，潜油泵管柱16可以为井筒流体提供人工举升并且具有固体堆积物去除能力。潜油泵管柱16可以是电动潜油泵组件并且可以包括泵18。泵18例如可以是旋转泵，诸如离心泵。泵18可选地可以是具有在弹性定子内旋转的螺旋转子的螺杆泵，或者是用于与电动潜油泵组件一起使用的本领域已知的其它类型的泵。在图1的实例中，使用一个泵18，并且在图2的实例中，使用两个泵18。在可选实施例中，潜油泵管柱16可包括多于两个的泵18。

泵18浸没在井筒流体中并与管状构件20流体连通，该管状构件20在井筒12内延伸以将井筒流体从井下运送到地表14。泵18被定向为增加从井筒朝向地表14行进的井筒流体的压力，使得井筒流体可以更高效地行进到地表14。泵18可以包括流体入口21，该流体入口21形成了供井筒流体进入泵18且沿管状构件20向上输送到地表14的通道。

潜油泵管柱16包括电机22，该电机22也位于井筒12内并为泵18提供动力。参见图1至图2，可以为每个泵18提供单个电机22。在可选实施例中，单个电机22可以为多个泵18提供动力。潜油泵管柱16进一步包括密封组件24，该密封组件24位于电机22与泵18之间且具有连接到电机22的第一侧和连接到泵18的第二侧。密封组件24将井筒流体密封，以避免井筒流体进入电机22内。在某些实施例中，传感器26也可以是潜油泵管柱16的一部分。传感器26可以测量例如各种压力、温度和振动。传感器26可以获得测量结果并将测量的信息发送到地表14。

在示例性实施例中，电力电缆28在管状构件20的旁边延伸。电力电缆28从地表14开始延伸并且连接到潜油泵管柱16的电机22。电力电缆28可以提供使电机22运行的电力。

封隔器30可以用于将井筒12的上部与井筒12的包含潜油泵管柱16的部分隔离。封隔器30可以是例如标准工业密封孔封隔器。

转到图3，在某些实施例中，Y形工具32可以具有连接到管状构件20的上端。Y形工具32的第一分支34可以在封隔器30下方向下延伸并与潜油泵管柱16流体连通。Y形工具32的第二分支36可以沿着侧部在封隔器30下方向下延伸，但不与潜油泵管柱16直接连接。因此，Y形工具32的第二分支36可以用于提供在封隔器30下方的对井筒12的接入，而不用穿过潜油泵管柱16或拉动潜油泵管柱16。

超声波装置38可以与潜油泵管柱16一起被降到井筒12内，并且可以在潜油泵管柱16位于井筒12内时被部署在井筒12中。参见图1和图3的实例，超声波装置可以包括超声波发生器40和超声波换能器42，它们是沿着潜油泵管柱16连接在不同位置处的分开的模块化部件。参见图2的实例，超声波发生器可以是超声波装置38的一部分并与潜油泵管柱16串联连接，并且超声波换能器也可以位于超声波装置38内或可以位于潜油泵管柱16的内部空间内。在图1至图3的实例中，超声波发生器40连接到潜油泵管柱16，超声波换能器42连接到超声波发生器40使得超声波换能器42与超声波发生器40通信，并且超声波换能器42连接到潜油泵管柱16。

超声波发生器40生成电脉冲，该电脉冲被发送给超声波换能器42。超声波换能器42可以是例如压电元件，当施加电流时该压电元件振动并产生超声波。潜油泵管柱16的壁可以传输压力波。超声波是一种通过井筒流体作为压力和位移的机械波传播的振动。超声波是一种频率高于20KHz的声音，超出典型的人类可听范围。由超声波发生器40发送并传递到超声波换能器42的电脉冲的大小可以改变由超声波换能器42产生的超声波的强度和能量。超声波频率影响穿透深度和其它特性。为了改变超声波频率，可以使用各具有不同操作频率的多个超声波换能器42，或者可选地可以使用能够产生不同频率的一个超声波换能器42。

在本公开的实施例中，一个或多个超声波发生器40沿着潜油泵管柱16定位，并且每个超声波发生器40连接到沿着潜油泵管柱16策略性地定位的一个或多个超声波换能器42的网络。超声波换能器42可以固定到潜油泵管柱16的外径处(图1和图3)。作为可选方案，超声波换能器42可以位于潜油泵管柱16的内部空间内。

在可选实施例中，参见图2的实例，超声波装置38可以代替地通过在超声波装置38的一对电极之间启动高压放电而产生高功率声波。高安培电流从阳极流到阴极，这使与火花隙相邻的流体蒸发并形成快速膨胀的等离子体气泡。这些气泡将继续膨胀，直到气泡直径增加至超过表面张力可承受的极限，此时气泡将迅速崩溃，从而产生通过流体传播的冲击波。压力阶跃函数的形式的冲击波可以产生高功率超声波。

在其它实施例中，超声波装置38可以是磁致伸缩的，或者可以包括电磁超声换能器。

超声波装置38可以电连接到电力电缆28，使得电力电缆28向超声波发生器40或超声波装置38的其它超声波源提供电力。作为可选方案，超声波装置38可以是电池供电的、利用电感耦合或者具有与电力电缆28分开的专用电力电缆。在其它可选实施例中，超声波装置38可以包括发电机，该发电机通过将现有的能量力转换成超声波装置38的电力源来产生超声波装置38的电力供应。作为实例，超声波装置38可以将井筒内的热量、井筒内的压力或井筒内的振动转换成供超声波装置38使用的电力。所提供的电力可以具有AC、调制AC或调制DC的电流。

本文所公开的系统和方法可以使用一个或多个超声波装置38，该一个或多个超声波装置38沿着潜油泵管柱16策略性地定位，以消除或减少潜油泵管柱16中的籽晶沉积。超声波装置38可以被定向为在井筒流体内引导压力波，从而利用超声空化(ultrasoniccavitation)来选择性地轰击潜油泵管柱16。作为实例，压力波可以被引向泵18的进口、泵18的级、泵18的排出口、电机22的外部、Y形工具32或其组合。

在某些实施例中，位于井下或地表的控制系统可以与超声波装置38通信，并且可以根据需要或按需使超声波装置38在操作状态与非操作状态之间选择性地切换。在可选实施例中，超声波装置38可以在潜油泵管柱16位于井筒12内的同时实时地连续操作。

在某些实施例中，超声波装置38以20kHz至400kHz的频率操作。由超声波装置38产生的超声波产生压力波，该压力波产生超声空化，其中由于井筒流体中的交替的正压波和负压波而形成并生长微米尺寸的气泡。气泡生长直到它们达到共振尺寸。恰在气泡内爆之前，就高压和高温而言，在气泡内存储了极大量的能量。当在硬表面附近发生气泡内爆时，气泡内爆将气泡变成朝向硬表面高速行进的射流。在高压、高温和高速的组合下，射流可以清除附着于基体的污染物。另外，与在没有超声波的情况下堆积在潜油泵管柱16的表面上的致密且硬的水垢相比，在超声波的影响下形成的任何水垢都可以是松散且柔软的。

水垢形成的量可取决于温度或压力的变化，尽管有许多其它因素可能引发水垢沉积，包括湍流、PH位移以及与水不相容性。水垢形成的机制之一被称为均匀成核，其由于离子对的结合而导致原子或原子核的团簇的发展。原子团簇形成小籽晶，这些小籽晶通过将附加的离子吸收到晶体结构的缺陷中而生长。另一方面，异质成核倾向于在包括表面缺陷、接头和接缝的成核部位中开始。异质成核通常是电动潜油泵和井下设备中的水垢沉积的主要机制，但也可能发生均匀成核。晶体的尺寸影响水垢沉积的速度；晶体越大，生长越快，相反，较小的晶体可能被溶解。

在一个操作实例中，为了向井筒流体提供人工举升并且还去除人工举升组件的固体堆积物，潜油泵管柱16可以设置有超声波装置38。超声波装置38可以将压力波在井筒流体内引向潜油泵管柱16的元件。在一个实施例中，超声波装置30可以包括均连接到潜油泵管柱16的超声波发生器40和超声波换能器42。泵18可以浸没在井筒流体中以增加从井筒12穿过管状构件20朝向地表14行进的井筒流体的压力。可以利用超声波发生器40生成电脉冲并将电脉冲提供给超声波换能器42。

由超声波装置38生成的压力波可以产生超声空化，其中由于井筒流体中的交替的正压波和负压波而形成并生长微米尺寸的气泡。气泡生长直到它们达到共振尺寸并且气泡内爆可以将气泡变成朝向潜油泵管柱16的表面高速行进的射流，从而去除并防止在潜油泵管柱16的元件的固体与液体界面处的在固体表面上的水垢堆积。被去除的元素可以是例如无机物质，诸如水垢和锈蚀产物，并且可以位于例如潜油泵管柱16的进口、叶轮、扩散器、泵外壳或电机外壳上。

本文所描述的系统和方法可以适用于包括未部署钻机的系统在内的任何类型的电动潜油泵。本公开的实施例允许增加满负荷使用潜油泵管柱16的时间，从而增加了烃的生产量。另外，本发明的实施例允许增加在必须维护或更换潜油泵管柱16之前使用潜油泵管柱16的时间。

因此，本文所描述的本公开的实施例非常适于实现所述目的并获得所提到的目标和优点，以及其中固有的其它目的和优点。虽然出于公开的目的给出了本公开的当前优选实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包含在本公开内容和所附权利要求的范围内。