用于电动潜水泵的安全系统的制作方法

1.本公开涉及转子式电动潜水泵(electric submersible pump，esp)领域。更具体而言，本公开涉及一种防止此类电动潜水泵在断电时发生流动所致转动的装置，以避免因意外产生电压而对与此类泵相关的人员和设备造成危害。


背景技术：

2.转子式电动潜水泵用于将液体从地下井提升至地面。提升的目的可在于向因地下压力不足而无法自然升至地面的流体添加能量，并同时缓解井内高密度流体(如水)的流体静压，以使得低密度流体(如气体)能够升至地面。
3.转子式电动潜水泵包括电动发动机，保护器/驱动轴以及转子泵，如设于在轴向上呈细长形的外壳内的单级或多级离心泵。一些电动潜水泵采用单相或多相感应发动机，此类发动机具有用于为发动机引发磁场的定子励磁绕组。此类励磁绕组在通入电流时引发磁场，从而使得磁场内的电枢(转子)开始转动。在此类发动机断电后，发动机内基本上不存在静态磁场，因此电枢的转动不产生任何效果。
4.最近，已开发出用于电动潜水泵的永磁发动机(pmm)。与感应发动机相比，永磁发动机允许设计出能够装入更小直径外壳内的电动潜水泵，而且采用此类发动机的电动潜水泵可部署于油井生产管内。此类永磁发动机式电动潜水泵的制造商之一为本公开的专利权人齐立富有限公司(zilift ltd.)，地址为苏格兰阿伯丁市(aberdeen)戴斯区(dyce)豪莫斯路(howe moss drive)格林罗贸易园区(greenrole trading estate)17～19单元(邮编：ab210gl)。
5.本领域中已知，电动潜水泵的泵体部分会因非泵所致井内流体流动而发生转动，从而使得发动机也相应转动。流体流动可例如由泵关闭后的流体回流，地层流体意外流入井内(“井涌”)以及流体意外逸入井附近的岩层中引起。流动所致发动机转动可能会使发动机，尤其永磁发动机产生电压，而该电压随后可能施加至从电动潜水泵延伸至地面的电缆上。此类施加电压对于与电缆相连的设备以及电动潜水泵的工作人员而言为一种危害。目前已知有数起此类施加电压导致的死亡事故。
6.为了减小电动发动机意外产生电压的可能性，需要一种用于电动潜水泵的安全装置。


技术实现要素：

7.本公开的一个方面为一种电动潜水泵(esp)系统。该系统包括与泵旋转连接的发动机。该系统具有(1)用于在该电动潜水泵关断时使所述泵的转动停止传递至所述发动机的止转件以及(2)用于在该电动潜水泵关断时在两个流动方向上使流动停止经过所述泵的流动控制阀当中的至少一者。
8.所述止转件可包括设于所述泵与所述发动机之间的离合器。
9.所述止转件可包括锁转件。
10.所述锁转件可包括旋转连接于由所述发动机驱动旋转的驱动轴与电动潜水泵外壳之间的卡止件。
11.所述锁转件可包括能够在解锁位置与锁定位置之间移动的螺线管驱动式锁定销，其中，在所述锁定位置上，该锁定销延伸穿过以可转动方式连接至与所述泵旋转连接的轴且具有用于容纳所述锁定销的贯穿锁定销的至少一个锁定盘。
12.该电动潜水泵系统可进一步包括以流体连通方式设于所述泵的出口与油井油管之间的泵排阀，在该电动潜水泵的操作过程中，该电动潜水泵设于所述油井油管内。
13.所述泵排阀可包括至少一个球型止回阀。
14.所述泵排阀可包括梭阀。
15.所述泵排阀可包括旋转盘阀。
16.该电动潜水泵系统可进一步包括以流体连通方式设于所述泵的入口与该泵的入口下方的所述电动潜水泵的入口之间的泵入控制阀。
17.所述泵入控制阀可包括用于阻断沿从泵出口至所述泵的入口方向流经所述泵的流动的球型止回阀。
18.所述泵入控制阀可包括将所述泵的入口以流体连通方式连接至该电动潜水泵与油井油管之间的环形空间的泄压阀，该电动潜水泵在操作过程中设于所述油井油管内，所述泄压阀用于在预定压力下打开。
19.所述泵入控制阀可包括：止回阀，该止回阀用于阻断沿从泵出口至所述泵的入口方向流经所述泵的流动；以及止回阀，该止回阀用于阻断沿从该电动潜水泵与油井油管之间的环形空间至该止回阀下方方向的流动，该电动潜水泵在操作过程中设于所述油井油管内。
20.用于在两个流动方向上使流动停止经过所述泵的所述流动控制阀可包括旋转盘阀。
21.所述旋转盘阀可包括设于驱动轴上的至少一个磁体，所述驱动轴穿过其上设有至少一个磁体的阀盘，所述驱动轴上以及所述阀盘上的所述至少一个磁体用于向所述阀盘施加与所述驱动轴的转动相应的扭矩。
22.根据以下描述及权利要求书，其他方面及可能的优点将变得显而易见。
附图说明
23.图1所示为包含一个或多个本公开电气安全构件的电动潜水泵系统。
24.图2a和图2b所示为单向离合器(卡止件)形式的锁转件。
25.图3a，图3b及图3c所示为泵排阀。
26.图4a和图4b所示为一种替代泵排阀。
27.图5a，图5b及图5c所示为泵入控制阀。
28.图6a和图6b所示为一种替代泵入控制阀。
29.图7a，图7b及图7c所示为一种替代泵入控制阀。
30.图8a，图8b及图8c所示为螺线管驱动式锁转件。
31.图9a至图9d所示为旋转驱动式泵排阀。
具体实施方式
32.图1所示为电动潜水泵(esp)10，该泵可包括一个或多个本公开安全构件。总体而言，所述一个或多个安全构件用于(1)防止泵因非电动潜水泵10在电力驱动下工作导致(即在电动潜水泵关断状态下产生)的井筒内流动(流过泵的流动)而发生转动，或(2)双向停止流经泵的流动，以防止流动所致泵的转动。通过防止泵的转动，可防止其所导致的发动机转动，从而防止由此产生的电压。图1所示电动潜水泵可部署于电缆末端，如油管封装电缆末端。例如，参见专利号为us10036210，发明人为麦克林(maclean)等人，专利权人为本公开专利权人的美国专利。需要清楚理解的是，含本公开安全构件的电动潜水泵可通过本领域已知的任何其他装置输送至井内，此类装置包括，但不限于，生产油管、连续油管、杆管或其他已知输送装置。此外，所提及的封隔器等密封元件旨在说明本公开各种安全构件的原理，因此不应解释为对本公开范围的限制。还需要清楚理解的是，含本公开安全构件的电动潜水泵可具有任何类型的电动发动机，但此类安全构件对于采用永磁发动机的电动潜水泵可尤为重要。
33.如上所述，电动潜水泵10可通过电缆12部署。电缆12可通过电缆(尤其旨在承载电缆末端所附工具重量的电缆)连接领域中已知类型的电缆接头14连接至电动潜水泵10。电缆接头14可连接至电动潜水泵系统的外壳。电缆所连接的外壳端部可包含一个或多个电动发动机16。该一个或多个电动发动机16可以为永磁发动机。在电动潜水泵10内的20处，可在轴向上，将止转件设于电动发动机16和一个或多个保护器/密封部分36之间。在本公开所给出的任何实施例中，止转件20的轴向位置均出于方便目的，并且可理解的是，在其他实施例中，止转件20的轴向位置可以为电动潜水泵内的其他位置。出于本公开的目的，止转件20仅需防止电动潜水泵10的电动发动机16在流动所致泵的转动的作用下而发生转动，以下将对此进行进一步描述。
34.本领域技术人员应该理解的是，所述一个或多个保护器/密封部分36内封有驱动轴(图2a和图2b中的40)，该驱动轴将电动发动机16的旋转输出轴与泵(图中的30)连接。与保护器/密封部分36相比，泵30在电动潜水泵10的轴线上设于距电动发动机16更远处。在电动潜水泵10中，与泵30相比，电动发动机16在轴向上设于距电缆接头14更近处，也就是说，在电动潜水泵10所部署的井的地面方向上，电动发动机16位于泵30的上方。应该理解的是，泵位于发动机上方的电动潜水泵其他已知设置方式也处于本公开的范围之内。泵30可包括一级或多级转子泵，如离心泵或螺杆泵等容积泵。泵的类型及泵的级数不构成对本公开范围的限制。
35.在电动潜水泵10内，监测系统18可设于电动发动机16的下方以及所述一个或多个密封部分/保护器36的上方，并可包括用于测量工作参数以及对电动潜水泵10进行控制的一个或多个传感器和控制器(未另行示出)。止转件20可包括锁转件，如螺线管操作式锁转件22，以下将对此进行进一步描述。螺线管操作式锁转件22可在轴向上设于监测系统18的下方以及泵30的上方。以下将对螺线管操作式锁转件22进行进一步详细说明，但是应该理解的是，此类锁转件可设于电动潜水泵10的任何轴向位置上，只要锁定销或类似装置在其内的螺线管的致动作用下以防止电动发动机16转动的方式实现部署即可。只要电动发动机始终与从发动机16至泵30范围内的所有旋转部件旋转连接，则在电动潜水泵10关断时，螺线管操作式锁转件22可通过施加作用而使得电动潜水泵10的任何旋转部件停止转动，从而
使得电动发动机16停止转动。就本公开中的使用而言，“锁转件”一词是指任何装置，无论是螺线管操作式锁转件22等有源装置，还是以下以举例方式进一步说明的无源装置。就本文中的使用而言，“止转件”是指通过施加作用而防止泵30内所引发的转动传递至电动发动机16(无论所引发的泵的转动是否停止)。止转件例如但不限于为离合器，如磁性离合器或离心离合器，其可在电动潜水泵10关断时，在旋转上将电动发动机16与泵30断开。出于限定本公开范围的目的，“锁转件”处于“止转件”的范围内，这是因为虽然锁转件采用防止电动潜水泵内所有转动的方式，但是其执行使所引发的泵的转动停止传递至电动发动机的功能。
36.保护器/密封部分36与泵30之间可设置泵排阀34，其中，从泵出口(未图示)流出的流体被引导至电动潜水泵10与设置电动潜水泵的油井生产管(如生产油管(未图示))之间的环形空间内。以下将对泵排阀34的各种实施例进行进一步详细说明。从泵排阀34排出的泵流体在图中标注为32。
37.在26处，可设置泵入控制阀，以对进入、通过或绕过泵30入口(未另行示出)的流动进行控制。虽然以下进一步说明了泵入控制阀26的各种实施例的功能，但是总体而言，泵入控制阀26可执行以下两种功能当中的一种功能或同时执行这两种功能：防止电动潜水泵关断后发生的流经泵30的回流；当来自泵30下方的流量超出泵30的流量容量且使得流体发生移动时，使泵30周围的流量绕过泵30进入所述环形空间(未图示)。后一情形可例如在因处于流体连接状态的地下地层的流体静压得到释放而使得从此类地层流入井内的流体超出泵30流量容量时发生。该状况即所谓的“井涌”，其可能会造成安全危害，尤其可能在此类井涌能够通过泵30且导致泵发生过速转动时造成安全危害。
38.电动潜水泵10可在其纵向下端附近设置封隔器插管24b以及用于以密封方式与环形密封元件(未图示)接合且锁定至其内的闩锁部件24a，此两者例如构成“封隔器”，用于对源自于电动潜水泵10下方且流入井内的流体进行限制，以使得其在电动潜水泵所设置的油井油管(如生产油管(未图示))内移动。
39.参考图2a和图2b，可更好地理解图1中的止转件20。止转件20可以为锁转件，尤其为无源锁转件，如卡止件。该卡止件可包括卡止件滚子框46，该滚子框具有沿卡止件滚子框46周向设于周向间隔位置的卡止件滚子保持件46a。卡止件滚子框46可例如通过卡止键50b旋转连接至驱动轴40(如以上结合图1所述)。卡止件外圈44可在图1所示电动潜水泵外壳的纵向部分内的42处，例如通过卡止键50a旋转连接至电动潜水泵外壳。如图所示，卡止件滚子48可设于卡止件滚子保持件46a之间。图示的各卡止件部件允许驱动轴40在外壳44内沿箭头所示方向自由转动，且使得其沿相反方向停止转动。箭头所示方向对应于电动潜水泵(图1中的10)在电力驱动下工作时泵和电动发动机的正常旋转方向(见图1)。通过将驱动轴40锁定，使其无法沿上述反向转动，井中向下流动的流体无法通过使泵(图1中的30)发生转动而导致电动发动机(图1中的16)发生相应转动，从而使电动发动机(图1中的16)无法产生电压。
40.图3a，图3b及图3c所示分别为泵排阀34的侧视图和剖视图。阀壳34c可具有适于按照如图1所示方式在电动潜水泵(图1中的10)内进行连接的纵向端部连接结构。阀壳34c可包括一个或多个排放口34a，排放口34a与外壳入口34d之间形成流体连接。外壳34c的上述部件可围绕外壳34c中心沿周向设置，其中，驱动轴40可自由穿设其中。阀球34b可按照图3a和图3b所示方式设置，以使得当泵(图1中的30)处于工作状态时，相应流通口34a打开，以供
流通，并且在泵处于停止工作状态时，相应流通口34a关闭。通过泵排阀34的这一工作方式，可阻止流经泵(图1中的30)的反向流动，从而防止流动所致泵(图1中的30)的转动，并防止发动机(图1中的16)发生相应转动。图3a和图3b所示为泵排阀34分别处于关闭位置和打开位置时的情形。
41.图4a和图4b所示为一种替代泵排阀34，其中，泵排阀34为梭阀。当泵(图1中的30)停止工作时，弹簧等偏置装置34g可沿图4a所示方向推动阀梭34e，以使得梭34e堵塞阀壳34c的排放口34a。在泵(图1中的30)启动后，泵入的流体将梭34e朝弹簧34g方向推顶，从而使得梭34e发生移位，以打开流通口34a。通过泵排阀34的这一工作方式，可阻止流经泵(图1中的30)的反向流动，从而防止流动所致泵(图1中的30)的转动，并防止发动机(图1中的16)发生相应转动。图4a和图4b所示为泵排阀34分别处于关闭位置和打开位置时的情形。
42.配置泵排阀的电动潜水泵可具有提供一种减少或消除电动潜水泵关断期间所发生的泵内固体沉降的机制的优点。本领域技术人员应该理解的是，在泵关闭时，泵上方的井内流体柱(如生产油管内的流体柱)中的沙等固体可能会发生沉降。通过限制流体回流至泵中，泵排阀可通过泵的排放而限制固体引入泵内，并防止流动所致泵的转动。
43.图5a，图5b及图5c所示分别为泵入控制阀26的侧视图和剖视图。泵入控制阀可包括球/座止回阀，该球座止回阀包括设于阀壳26a内的止回球26b，而且该设置方式使得在泵(图1中的30)的工作的作用下流动的流体使得止回球26b移离球座，从而打开阀26，以供流通。当泵(图1中的30)停止工作后，止回球26b移向球座26c，从而防止任何流经泵(图1中的30)的流动。通过这一方式，可以防止流经泵(图1中的30)的回流，从而防止如此所导致的泵的转动，并且防止发动机(图1中的16)因此而产生电压。图5a和图5b所示为泵入控制阀26分别处于关闭位置和打开位置时的情形。为了说明如何在保持止回球26b的同时，允许流体完全流过泵入控制阀26，图5c截面图中示出了设有一个或多个流通口26d的止回球保持件26e。
44.图6a和图6b所示为一种替代泵入控制阀26分别处于关闭位置和打开位置时的情形。泵入控制阀26作为旁路引流装置，用于使来自泵(图1中的30)下方的井内过量流体绕流至泵的排放口(图1中的32)。泵入控制阀的外壳26a可包括贯穿外壳26a侧壁形成的一个或多个绕流口26g1，以在当弹簧等偏置装置26h的压力被克服而使得一个或多个相应锥阀26f被推离相应阀座26g时，使得流体能够从外壳26a内部流至其外部。在操作过程中，当流入阀壳26a内的流体所产生的压力超出所述一个或多个锥阀26f的开启压力时，将使得流体沿泵(图1中的30)的四周流入泵(图1中的30)与生产油管(未图示)之间的环形空间内。
45.图7a至图7c所示为另一种替代泵入控制阀26。该泵入控制阀可包括泵入止回球26b，该泵入止回球可因流体从泵(图1中的30)的下方流向地面(见图7b中的箭头)而提离球座26c。此类流体流动可在泵(图1中的30)工作时，或来自泵下方的流体超出泵的流量容量时(如井涌情形)，或将泵下方至井内时发生。在正常操作过程中，流体经泵入控制阀26流入泵入口，并经泵的排放口(图1中的32)排出。如上所述，如此排出的流体进入泵(图1中的30)与生产油管之间的环形空间。泵入控制阀的外壳26a包括将环形空间连接至泵入口下方及止回球座26c下方空间的一个或多个绕流口26g1。如此，在泵的正常操作过程中，环形空间内的压力高于止回球座26c下方的压力，从而将每一绕流口26g1内的相应绕流止回球26g2推抵相应的绕流球座26g3，以分别将各个绕流口26g1封闭。如此，在允许流体进入泵入口的
同时，防止流体经泵的排放口回流至泵入口。当从泵(图1中的30)的下方流入的流体超出泵的流量容量时，绕流球座26g3下方环形空间内的压力可能会超出上述环形空间内的压力。在这一情形中，从图7b可以看出，止回球26b可脱离其球座26c，且绕流止回球26g2可分别脱离其相应球座26g3，从而同时实现流经泵的流动以及旁绕流动。这一流动情形如图7b中的流向箭头所示。这一流动情形的原因可在于，流体流入井内(井涌)，或在将泵(图1中的30)经生产油管下放至井中时发生的流体驱替。
46.图8a，图8b及图8c所示为结合图1所述的螺线管驱动式锁转件22的各种视图。螺线管驱动式锁转件22可基本上按图1所示方式设于电动潜水泵(图1中的10)内，但螺线管驱动式锁转件22的具体设置位置并不构成对本公开范围的限制。具有一个或多个锁定销孔54的锁定盘40a可形成于、附接至或以其他方式旋转连接至驱动轴40上或与驱动轴40旋转连接的任何其他电动潜水泵部件上。当需要电动潜水泵(图1中的10)进入工作状态时，可向螺线管50通电。在该情形中，通过向螺线管50通电，可使得锁定销52在磁力作用下被抬起，并抬起至提离其中的一个锁定销孔54。图8a所示为，通过将锁定销52插通其中的一个锁定销孔54，使得驱动轴40(或电动潜水泵的任何其他可转动部件)锁定至外壳(图1中的任何外壳部件)上，无法转动。图8b所示为，锁定销52提离锁定销孔54，从而使得驱动轴40能够自由转动。虽然此处所述实施例考虑通过向螺线管50通电而提离且解锁锁定销52，但也可采用通过将螺线管断电而释放锁定销并进而通过由偏置装置(如弹簧)所施加的力驱动锁定销而释放锁定盘的实施例，以达到同等效果。图8c为螺线管驱动式锁转件22的截面图，用于说明其相对横向布置方式。此处结合图8a，图8b及图8c所述的螺线管驱动式锁转件22的一项可能的优点在于，在正反两方向上防止发生转动，即既防止井涌等流经泵(图1中的30)的正向流动，又以同等效果防止回流等从上向下的反向流动。如此，无论流动方向如何，均能防止发动机随泵发生意外转动。
47.图9a至图9d所示为另一泵排阀34。该排放阀的外壳34c可包括将外壳34c内部与其外部流体连接的一个或多个流通口34a。外壳34c内可以以可转动方式安装阀盘64，而且该阀盘可包括一个或多个阀孔64a，以使得阀盘64在外壳34c内转动时，将使得所述一个或多个阀孔64a分别与相应的流通口34a轴向对准。驱动轴40的外表面上可固定一个或多个磁体60，而且这些磁体可在阀盘64的开口内转动。阀盘64可包括一个或多个相应磁体62，这些磁体的安装方式使得驱动轴40转动时所引发的磁场在阀盘64上产生相应的磁扭力。外壳34c与阀盘64之间可设置弹簧66，用于驱动阀盘64转动，以使其转动至阀孔64a不与外壳34c上的流通口34a轴向对准的图9c所示位置，从而使排放阀34关闭。当转动驱动轴40时，磁扭矩将克服弹簧66的作用力驱动阀盘64，以使得阀盘64转动至图9d所示位置。在该位置上，阀孔64a与流通口34a对准，从而打开阀34，以供流通。图9a至图9d所示泵排阀34的一项可能的优点在于，在正反两方向上防止流动。通过使用图9a至图9d所示阀，可以在无需使用锁转件的情形下实现电动潜水泵(图1中的10)，而且同样能够防止因流动所致泵的转动而意外产生电压。
48.本领域技术人员应该理解的是，以上结合图9a至图9d所述的旋转驱动式泵排阀可以与以上结合图3a，图3b，图3c，图4a及图4b所述的阀一致，具有限制沉降固体进入泵中的益处。在一些电动潜水泵，如发动机沿纵向设于泵下方的电动潜水泵中，可利用以上结合图9a至图9d所述的旋转驱动式阀，控制泵的泵入状况。因此，根据本公开，旋转驱动式阀的使
用位置并不限于泵的排放口。
49.应该意识到的是，在不脱离本文描述和说明的原理的情况下，可以根据这些原理，对例示实施方式的安排和细节进行修改。虽然上文着重于具体实施例，但其他构造方式可在考虑范围之内。具体而言，即使本文中使用了“在一种实施例中”等表达方式，但这些措辞旨在概括性地指实施例的各种可能性，而不是旨在将本公开限制于具体实施例的构造方式。就本文中的使用而言，此类词语可指能够组合形成其他实施例的相同或不同实施例。原则上，除非另有说明，否则本文给出的任何实施例能够与本文给出的任何一个或多个其他实施例自由组合，而且不同实施例的任意数量的特征亦能相互组合。虽然以上仅详细描述了数个实施例，但本领域技术人员容易理解的是，在所描述的实施例的范围内还可按照多种方式进行修改。相应地，所有的此类修改均旨在含于下附权利要求书所限定的本公开范围之内。