(57)【要約】ダウンホール生産組立体は、坑井内のダウンホールの場所に位置し得るダウンホールポンプと、坑井内のダウンホールポンプの入口の上流に位置するキャビテーション室とを含む。キャビテーション室は、ダウンホールポンプによって上方孔方向に送液された坑井流体内でキャビテーションを誘起することができ、ダウンホールポンプにおけるスケールを防ぐ。
2020502400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑井内のダウンホールの場所に位置するように構成されたダウンホールポンプと；
前記坑井内の前記ダウンホールポンプの入口の上流に位置するキャビテーション室と；を備える、
ダウンホール生産組立体。
【請求項２】
前記キャビテーション室は、前記ダウンホールポンプを通って流れる流体内においてキャビテーションを誘起するように構成され、前記流体はスケール生成物を備え、前記キャビテーションはスケール生成物を前記流体から析出させる、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項３】
前記キャビテーション室は、前記ダウンホールポンプの入口に取り付けられている、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項４】
前記キャビテーション室の内面は、前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成されている、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項５】
前記キャビテーション室は化学コーティングを備え、前記化学コーティングは前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成されている、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項６】
前記キャビテーション室は機械式洗浄器を備え、前記機械式洗浄器は前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成されている、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項７】
前記キャビテーション室は超音波洗浄器を備え、前記超音波洗浄器は前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成されている、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項８】
前記キャビテーション室は、前記流体内で回転することによって前記流体内に前記キャビテーションを誘起するように構成された回転キャビテータを備える、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項９】
前記回転キャビテータは、前記ダウンホールポンプの回転軸に連結されるように構成されている、
請求項８に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１０】
前記回転キャビテータは受動的に自由回転するように構成され、前記流体流は前記自由回転を引き起こす、
請求項８に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１１】
前記キャビテーション室は、前記流体内に超音波周波数を放射することによって前記流体内に前記キャビテーションを誘起するように構成された超音波振動子を備える、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１２】
前記超音波振動子は、４０ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚの周波数を生成するように構成されている、
請求項１１に記載のダウンホール生成組立体。
【請求項１３】
前記超音波振動子の最大電力出力は２０ｋＷである、
請求項１１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１４】
前記キャビテーション室は、前記流体内にレーザを放射することによって前記流体内に前記キャビテーションを誘起するように構成されたレーザエミッタを備える、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１５】
前記レーザエミッタはパルスレーザを放射する、
請求項１４に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１６】
前記レーザエミッタは連続レーザを放射する、
請求項１４に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１７】
前記レーザエミッタの表面は、表面コーティング又は超音波振動子を備え、前記表面コーティング又は前記超音波振動子は前記析出したスケール生成物が前記レーザエミッタの表面に付着することを防止するように構成されている、
請求項１４に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１８】
前記キャビテーション室は、電気アークエミッタを備える、
請求項１記載のダウンホール生産組立体。
【請求項１９】
前記電気アークエミッタは、前記流体の流路内に電気アークを発生させるように構成されている、
請求項１８に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項２０】
前記電気アークエミッタは、９０００Ｖの最大電圧定格を有する、
請求項１８に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項２１】
前記電気アークエミッタは、パルス電気アークを発生するように構成されている、
請求項１８に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項２２】
前記電気アークエミッタは、連続電気アークを発生するように構成されている、
請求項１８に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項２３】
前記キャビテーション室に電力を供給するように構成されている電力供給システムを更に備える、
請求項１に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項２４】
前記電力供給システムは、前記ダウンホールポンプに電力を供給するように構成されている、
請求項２３に記載のダウンホール生産組立体。
【請求項２５】
ダウンホールポンプのダウンホールポンプ入口の上流に位置するキャビテーション室内で、スケール生成物を備える坑井流体を受け入れるステップと；
前記キャビテーション室内の前記坑井流体内にキャビテーションを誘起して前記キャビテーション室内で前記スケール生成物を析出させるステップと；を備える、
方法。
【請求項２６】
前記キャビテーション室を前記坑井流体の流路内に配置するステップを更に備える、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記析出したスケール生成物を前記ダウンホールポンプ入口に取り込むステップを更に備える、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記キャビテーション室は回転キャビテータを備え、キャビテーションを前記流体内に誘起するステップは、前記キャビテーション室内で前記回転キャビテータを回転させるステップを備える、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記回転キャビテータを前記ダウンホールポンプのダウンホールポンプ軸に連結するステップと；
前記ダウンホールポンプ軸を回転させて前記回転キャビテータを回転させるステップと；を更に備える、
請求項２５の記載の方法。
【請求項３０】
前記坑井流体流は、前記回転キャビテータを回転させる、
請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
超音波振動子が、キャビテーションを前記流体内に誘起するように構成されている、
請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記超音波振動子は、４０ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚの周波数の音波を発生するように構成されている、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記超音波振動子の最大電力定格は２０ｋＷである、
請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
レーザエミッタが、レーザビームを生成することによって前記流体内にキャビテーションを誘起するように構成されている、
請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
前記レーザビームはパルスレーザである、
請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
電気アークが、前記流体内にキャビテーションを誘起するように構成されている、
請求項２５に記載の方法。
【請求項３７】
前記電気アークの最大電圧は９０００Ｖである、
請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
坑井内に配置されるように構成された電動水中ポンプと；
前記電動水中ポンプの入口の上流の坑井流路内に位置するように構成されたキャビテーション室と；を備え、
前記キャビテーション室は、前記流体内にキャビテーションを誘起し、前記電動水中ポンプの上流でスケール生成物を析出させるように構成されている；
坑井生産システム。
【請求項３９】
坑井流体を坑井から地上施設に導くように構成された産出管と；
前記坑井流体を、前記産出管を介して移動させるように構成され、前記産出管のダウンホール端に位置する、坑井ポンプと；
前記坑井流体を前記坑井ポンプ内に導くように構成された坑井ポンプ吸込口と；
前記坑井ポンプ吸込口の上流の前記坑井流体内に、スケール生成物を前記流体から析出させるキャビテーションを誘起するように構成されたキャビテーション室と；
前記坑井ポンプを回転させるように構成されたモータと；
前記モータを前記坑井流体から分離するように構成されたシールと；
前記坑井内の流体特性に関する情報を提供するように構成されたセンサモジュールと；
前記析出したスケール生成物を前記坑井流体から除去するように構成され、前記坑井ポンプの上方孔に配置されている、フィルタシステムと；を備える、
坑井生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１６年１２月１４日に出願された「坑井ポンプ上のスケール発生防止のための誘起キャビテーション」という名称の米国特許出願第６２／４３４，１５６号及び２０１７年１１月３０日に出願された「坑井ポンプ上のスケール発生防止のための誘起キャビテーション」という名称の米国特許出願第１５／８２７，７３３号に基づく優先権を主張し、当該米国特許出願のすべての記載内容を援用する。
【０００２】
本明細書は、坑井を作ることに関し、例えば坑井ポンプなどの補助装置を使用することに関する。
【背景技術】
【０００３】
炭化水素資源産出では、炭化水素類は地層に掘削された坑井から産出される。時に、貯留槽の自然圧力では坑井から炭化水素類を流し出せないことがある。このような場合、電動水中（液中）ポンプ（ＥＳＰ）のような人工採油装置及びシステムを坑井に設置することが多い。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書では、坑井ポンプ上のスケール堆積防止に関する技術について述べる。
【０００５】
第１の例示の実施の態様では、ダウンホール生産組立体が坑井内のダウンホールの場所に位置するよう構成されたダウンホールポンプを含む。このシステムは、前記坑井内の前記ダウンホールポンプの入口の上流に位置するキャビテーション室を含む。
【０００６】
上記の第１の例示の実施の態様に組み合わせ可能な態様は、前記キャビテーション室は、前記ダウンホールポンプを通って流れる流体内においてキャビテーションを誘起するように構成されている。この流体はスケール生成物を備え、前記キャビテーションはスケール生成物を前記流体から析出させる。
【０００７】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、前記ダウンホールポンプの入口に取り付けられている。
【０００８】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室の内面は、前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成されている。
【０００９】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成された化学コーティングを含む。
【００１０】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成された機械式洗浄器を含む。
【００１１】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は超音波洗浄器を含み、前記超音波洗浄器は前記析出したスケール生成物による閉塞を防止するように構成されている。
【００１２】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、前記流体内で回転することによって前記流体内に前記キャビテーションを誘起するように構成された回転キャビテータを含む。
【００１３】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記回転キャビテータは、前記ダウンホールポンプの回転軸に連結されるように構成されている。
【００１４】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記回転キャビテータは受動的に自由回転するように構成され、前記流体流は前記自由回転を引き起こす。
【００１５】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、前記流体内に超音波周波数を放射することによって前記流体内に前記キャビテーションを誘起するように構成された超音波振動子を含む。
【００１６】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記超音波振動子は、４０ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚの周波数を生成するように構成されている。
【００１７】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記超音波振動子の最大電力出力は２０ｋＷである。
【００１８】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、前記流体内にレーザを放射することによって前記流体内に前記キャビテーションを誘起するように構成されたレーザエミッタを含む。
【００１９】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記レーザエミッタはパルスレーザを放射する。
【００２０】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記レーザエミッタは連続レーザを放射する。
【００２１】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記レーザエミッタの表面は、表面コーティング又は超音波振動子を含み、これらは前記析出したスケール生成物が前記レーザエミッタの表面に付着することを防止するように構成されている。
【００２２】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は、電気アークエミッタを含む。
【００２３】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記電気アークエミッタは、前記流体の流路内に電気アークを発生させるように構成されている。
【００２４】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記電気アークエミッタは、９０００Ｖの最大電圧定格を有する。
【００２５】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記電気アークエミッタは、パルス電気アークを発生するように構成されている。
【００２６】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記電気アークエミッタは、連続電気アークを発生するように構成されている。
【００２７】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室に電力を供給するように構成されている電力供給システムを含む。
【００２８】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記電力供給システムは、前記ダウンホールポンプに電力を供給するように構成されている。
【００２９】
第２の例示の実施の態様では、ダウンホールポンプのダウンホールポンプ入口の上流に位置するキャビテーション室内で坑井流体を受け入れる。坑井流体はスケール生成物を含む。前記キャビテーション室内の前記坑井流体内にキャビテーションを誘起して前記キャビテーション室内で前記スケール生成物を析出させる。
【００３０】
上記の第２の例示の実施の態様に組み合わせ可能な態様は、キャビテーション室を前記坑井流体の流路内に配置する。
【００３１】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記析出したスケール生成物を前記ダウンホールポンプ入口に取り込む。
【００３２】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記キャビテーション室は回転キャビテータを含む。前記流体内にキャビテーションを誘起するために、前記キャビテーション室内で前記回転キャビテータを回転させる。
【００３３】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記回転キャビテータを前記ダウンホールポンプのダウンホールポンプ軸に連結する。前記ダウンホールポンプ軸を回転させて前記回転キャビテータを回転させる。
【００３４】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記坑井流体流は、前記回転キャビテータを回転させる。
【００３５】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、超音波振動子が、前記流体内にキャビテーションを誘起するように構成されている。
【００３６】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記超音波振動子は、４０ｋＨｚ乃至１０ＭＨｚの周波数の音波を発生するように構成されている。
【００３７】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記超音波振動子の最大電力定格は２０ｋＷである。
【００３８】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、レーザエミッタが、レーザビームを生成することによって前記流体内にキャビテーションを誘起するように構成されている。
【００３９】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記レーザビームはパルスレーザである。
【００４０】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、電気アークが、前記流体内にキャビテーションを誘起するように構成されている。
【００４１】
前述の態様のいずれかに組み合わせ可能な別の態様は、前記電気アークの最大電圧は９０００Ｖである。
【００４２】
第３の例示の実施の態様では、坑井生産システムは、坑井内に配置されるように構成された電動水中ポンプを含む。このシステムは、前記電動水中ポンプの入口の上流の坑井流路内に位置するように構成されたキャビテーション室を含む。前記キャビテーション室は、前記流体内にキャビテーションを誘起し、前記電動水中ポンプの上流でスケール生成物を析出させるように構成されている。
【００４３】
本明細書に記載された主題の１つ以上の実装の詳細を、添付図面及び以下の説明において述べる。主題の他の特徴、側面、及び利点は、明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】例示的なダウンホール生産組立体の概略図である。
【００４５】
【図２】例示的な回転キャビテータ付キャビテーション室の概略図である。
【００４６】
【図３】例示的な振動子付キャビテーション室の概略図である。
【００４７】
【図４】例示的な電極付キャビテーション室の概略図である。
【００４８】
【図５Ａ】例示的なレーザエミッタ付キャビテーション室の概略図である。
【図５Ｂ】例示的なレーザエミッタ付キャビテーション室の概略図である。
【００４９】
【図６】ダウンホールポンプ入口の上流におけるダウンホールキャビテーションを発生させる例示の方法のフローチャートである。
【００５０】
種々の図面における同様の参照番号及び符号は、同様の構成要素を示している。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
炭化水素資源産出に関連して、ダウンホールスケール堆積という課題がある。スケールの問題は、核形成、析出、及び装置への付着という３段のプロセスの結果である。核形成は、スケールイオン（スケールを発生するイオン）の濃度が産出流体中の鉱物スケールの溶解限度を超えると生ずる可能性がある。核形成は、いくつかの正反対の荷電スケールイオン対からなるサブ粒子又はイオンクラスタの生成である。クラスタ（群）は、バルク流体中又は基質（砂粒、粘土、金属表面、若しくは他のスケールの結晶など）の上に形成される。クラスタは、一旦形成されると、より多くのイオン又はより多くのイオンクラスタが成長する結晶表面に付着するにつれて、形のはっきりした結晶面に沿って成長することができる。一旦結晶が十分に大きくなると、それは懸濁状態（浮遊状態）に保持することができず、流体から落下していく。結晶が液体から脱落し、結晶が金属表面に形成されて成長すると、スケール堆積物が発生する可能性がある。スケールの成長は、溶液からスケールイオンを徐々に除去しながら、スケールイオンの濃度が飽和未満となるまで継続する可能性がある。
【００５２】
産出水は、産出流体中の炭化水素類で産出されることが多いのだが、溶解イオンとして溶解ミネラルが含まれている。圧力、温度、ｐＨ値、流れの攪拌、流れの制限などの作動条件の変化は、溶解した固体の溶解度に影響を与える可能性がある。作動圧は、特に産出流体中のＣＯ２及びＨ２Ｓの存在下で、異なる結晶構造であるが同じ化学成分（ＣａＣＯ３）である方解石、アラゴナイト及びバテライトとして、スケールを形成し得る炭酸カルシウム鉱物の溶解度に影響を及ぼす可能性がある。圧力が低下するにつれて、産出水中のＣＯ２濃度は、ＣＯ２の気化又は炭化水素相への移行のいずれかにより、減少する可能性がある。これは水のｐＨ値を増加させ、ミネラル溶解度を減少させ、そして熱力学的平衡を炭酸塩スケールの形成に有利にシフトさせる。硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４））、硫酸ストロンチウム（ＳｒＳＯ４）、硫酸バリウム（ＢｒＳＯ４）などのほとんどの鉱物の溶解度も、圧力減少とともに低下する。
【００５３】
ＥＳＰ運転では、流体がインペラを通過すると、局所的な減圧とキャビテーションとが発生する可能性がある。そのような圧力変化は、スケール形成を促進し、人工採油システムの信頼性及び運転寿命を低下させる可能性がある。ＥＳＰ運転中に、モーターハウジング、ポンプの吸込口、各ステージ（インペラとディフューザ）及び吐出口を含むＥＳＰ一連部品の内部及び表面上に固体の析出及び堆積が発生する可能性がある。固体組成物は、ＣａＣＯ３、ＣａＳＯ４、ＳｒＳＯ４、又はＣａＭｇ（ＣＯ３）２、及び腐食生成物のような１種以上のスケールを含む可能性がある。固体の堆積は、モータの高温、電流過負荷、又はその両方に起因するＥＳＰトリップ（シャットダウン）の増加をもたらす可能性がある。ポンプ内のスケール堆積及び腐食進行により、モータに電気的短絡が発生し、モータの作動が激しくなり、モータの定格設計を超える可能性がある。モータを通過する産出流体の十分な流れが冷却のために必要とされるので、ポンプ流路の閉塞又はモータの外側の固体の堆積は、モータ内の熱の急激な内部増加、絶縁破壊、及び電気的短絡を引き起こす可能性がある。ＥＳＰ坑井によっては、軸とラジアル軸受との間の固体の堆積により、ダウンホールポンプ軸の回転が制限されるため、シャットダウン後に再起動できないものがある。そのような不具合は、ＥＳＰを交換するために長期にわたる高価な改修を行うことになる。
【００５４】
スケール発生を防止する技術には、スケール核形成、結晶成長、又はその両方を、化学的に妨げるように作用するスケール抑制剤を注入するものがある。しかし、ＥＳＰの信頼性及び運転寿命を高めるためにスケールを処理する連続的な化学薬品注入は、既存のＥＳＰ坑井をそのようなシステムを用いて改造しなければならず、高い資本及び運転費用を招く。そのような改造は、生産施設に新たな安全上の懸念をもたらす可能性もある。
【００５５】
キャビテーションは、液体中の気泡の形成、成長、破裂である。キャビテーションは、産出流体中の炭酸カルシウムの析出及び除去を促進するために用いることができる。言い換えれば、キャビテーションは析出を引き起こす可能性があり、析出は流体のイオン飽和度を低下させる。スケール生成物を析出させ、流体の飽和レベルを下げることによって、析出及びスケール発生は下流で減少する。
【００５６】
本明細書は、キャビテーション室を、ダウンホール生産組立体、具体的にはＥＳＰ圧力発生段階のダウンホール（上流側）と一体化することを論じる。流体力学的キャビテーションは、産出流体がキャビテーション室を流れる時に産出流体内に誘起される可能性がある。キャビテーションの誘起は、熱力学的平衡バランスをスケール析出へとシフトさせる。スケール析出は、産出水からスケールイオンを取り除く。スケール発生の種類の減少は、キャビテーション室の下流にあるＥＳＰシステムの残りの部分で、成長に必要なイオンクラスタを形成する水の性質を効果的に取り除く。
【００５７】
坑井流体が圧力生成段階の入口に入る前に坑井流体内にキャビテーションを誘起することは、スケール生成物を早期に析出させることができ、それによって圧力生成段階でスケール生成物が生成されて効率が低下することを防止する。スケール発生を防止することによって、ＥＳＰの信頼性は高まり、ＥＳＰの運転寿命が延び、調整作業コストと生産中断を減らすことができる。
【００５８】
図１は、坑井内のダウンホールの場所に位置することができる例示的なダウンホール生産組立体１００の概略図を示す。ダウンホール生産組立体１００は、産出管１０２と、産出管１０２の下方孔に位置するダウンホールポンプ１０４（例えば、ＥＳＰ又は他のダウンホールモータ）と、ダウンホールポンプ１０４の下方孔（すなわち上流側）に位置するキャビテーション室１０６と、キャビテーション室１０６の下方孔に位置する坑井ポンプ吸込口１０８と、坑井ポンプ吸込口１０８の下方孔に位置するダウンホールモータシール１１０と、ダウンホールモータシール１１０の下方孔に位置するダウンホールモータ１１２と、ダウンホール生産組立体１００のダウンホール端部に位置する１組のダウンホールセンサ１１４とを含む。
【００５９】
一般に、ダウンホールポンプ（ダウンホール型ポンプとも呼ばれる）は、ダウンホール環境で作動するように設計及び製造されている。例えば、ダウンホールポンプ１０４は、坑井内に収まるように寸法を決めることができる、又は、ダウンホール環境の様々な深さでダウンホール環境（圧力、温度、及び他の条件など）に耐えるように頑丈にすることもできる。ダウンホールポンプ１０４は、ダウンホールに配置された時に作動するように、すなわち流体を送るように設計することもできる。実施によっては、ダウンホールポンプ１０４は、プログレッシブキャビティポンプ（ＰＣＰ）であってもよい。一般に、人工採油システムを駆動するモータが回転キャビテーション室を駆動することもできるので、回転キャビテーション室を、人工採油システムを有する坑井に装備することができる。実施によっては、キャビテーション室１０６を、人工採油システムを装備しないがスケール付着又は堆積を被る坑井に追加することができる。そのような実施では、非回転キャビテーション室を装備できる。回転及び非回転キャビテーション室の実施例については、以下の図を参照して説明する。
【００６０】
先に挙げた構成要素に加えて、パッカ１１６を、ダウンホールポンプ１０４の上流の坑井のアニュラス（環部）を区分けするために用いることができる。パッカ１１６は、ダウンホール生産組立体１００に吊り下げ支持を与えるためにも使用できる。電力ケーブル１１８は、電力供給システム（不図示）からダウンホールモータ１１２へ電力を供給することができる。実施によっては、電力ケーブル１１８は、同じ又は異なる電力供給システムからキャビテーション室１０６へ電力を供給することもできる。電力供給システム（単数又は複数）は、例えば地上施設又は他の場所に配置できる。
【００６１】
流体は、組立体１００の下方孔にある貯留槽から坑井ポンプ吸込口１０８を通ってダウンホール生産組立体１００へ流入する。坑井流体は、坑井ポンプ吸込口１０８から、キャビテーション室１０６を通って流れ、ダウンホールポンプ１０４内に流入する。ダウンホールポンプ１０４は、坑井流体の流れを、上方孔の方向に、産出管１０２を介して、例えば地上施設へ送る。ダウンホールモータ１１２は、ダウンホールポンプ１０４を回転させる。電力線１１８は、ダウンホールモータ１１２に電力を供給する。モータシール１１０は、産出流体がダウンホールモータ１１２に入るのを防止することによってダウンホールモータ１１２を保護する。ダウンホールモータ１１２の表面上を流れる坑井流体は、ダウンホール生産組立体１００の作動中にダウンホールモータ１１２を冷却する。一組のダウンホールセンサ１１４は、ダウンホールモータ１１２（例えば、ＥＳＰシステム）及び坑井流体に関する情報をリアルタイムで地上施設に伝達する。センサケーブルは、電力線１１８に一体化することができる。
【００６２】
電力線１１８（又は別の電力線（不図示））は、キャビテーション室１０６へ電力を供給することができ、キャビテーション室１０６へ流入した坑井流体内にキャビテーションを誘起する。誘起されたキャビテーションは、坑井流体がダウンホールポンプ１０４に入る前に、坑井流体内にスケール生成物を析出させる。キャビテーション室１０６がないと、スケール生成物は下流に流れてダウンホールポンプ１０４に入り、上述のようにダウンホールポンプ１０４の信頼性及び運転寿命を低下させる可能性がある。キャビテーション室１０６は、ダウンホールポンプ１０４の入口より前にキャビテーションを誘起する。
【００６３】
キャビテーションはキャビテーション室１０６内に閉じ込めることができる。すなわち、キャビテーション室１０６内で発生したすべての気泡は、ダウンホールポンプ１０４の入口に到達する前に崩壊する。キャビテーション気泡は、キャビテーション室１０６内の非常に局所的な領域で発生し、流体バブルポイント圧力より高いバルク流体圧力のために短命であり、キャビテーション気泡は急速に崩壊する。キャビテーション室１０６及びその中の構成要素は、ステンレス鋼などのキャビテーション損傷に耐性のある任意の１つ又は複数の材料から作製できる。
【００６４】
キャビテーション室１０６及びその中の構成要素は、スケール生成物がそれらのいずれかに付着するのを防止するために、特殊なコーティング、例えば、疎水性コーティング又は他のコーティングでコーティングすることもできる。スケール生成物がキャビテーション室１０６の表面に付着するのを防止することによって、キャビテーション室１０６内にスケール生成物が堆積してダウンホール生産組立体１００内に閉塞を生じさせることを最小限にとどめることができる、又は、回避できる。実施によっては、キャビテーション室１０６は、スケールの堆積を防止するためにキャビテーション室１０６内の表面を洗浄できる超音波振動子１２２を含むことができる。
【００６５】
析出したスケール生成物は、坑井流体内に懸濁（あるいは浮遊）し、ダウンホールポンプ１０４を通過して地上施設へ到達する。地上施設は、坑井によって生成された固体を処理するように装備することができる。キャビテーション室１０６は、ダウンホールポンプ１０４に至る入口が容易に取り込むのに十分に小さいスケール微粒子を析出させる。粒径は、流速、キャビテーション強度、及び流体飽和度の関数である。このように、キャビテーション室１０６は、ポンプ１０４の入口が取り込むことができる特定のサイズ範囲の粒子を析出させるように設計されている。
【００６６】
図２は、ダウンホール生産組立体１００に利用できる回転キャビテータ組立体２００の概略図である。回転キャビテータ組立体２００は、キャビテーション室１０６内に配置することができ、キャビテーション室１０６内の中央に配置されると共に回転軸２０４に取り付けられた回転キャビテータ（キャビティ（空洞）を発生させるもの）２０６を含む。産出流体２０２は、キャビテーション室１０６を通り過ぎて回転キャビテータ２０６を越えて流れるが、そのキャビテータが流体流路２００の横断面で回転する時にキャビテーションを誘起する。回転キャビテータ２０６は、回転中にキャビテーションをもたらす局所的な圧力降下を生じさせる。スケール生成物の析出は、圧力降下によって生じ、この圧力降下では流体流路内の低圧領域によってミクロンサイズの気泡が形成されて成長する。実施によっては、回転キャビテータ２０６は受動的にフリースピン（自由回転）する。言い換えれば、流体流２００は、回転キャビテータ２０６の回転を誘起する。実施によっては、回転キャビテータ２０６は、回転モータ又はポンプ軸に結合され、ダウンホールポンプ１０４又はダウンホールモータ１１２のいずれかによって回転させられる。実施によっては、静止キャビテータを使用できる。静止キャビテータは、産出流体２０２が静止キャビテータの表面を横切って流れる時に圧力降下を生じさせることによってキャビテーションを誘起して、流体内にキャビテーションを発生させる。静止キャビテータの例として、オリフィス型、ノズル型、又はベンチュリ型のキャビテータを含むことができる。特殊コーティング２０８は、キャビテーション室１０６の内壁へのスケールの堆積を防ぐ。特殊コーティングは、非粘着性材料又は疎水性材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））又は他の非粘着性若しくは疎水性材料を含むことができる。
【００６７】
図３は、ダウンホール生産組立体１００に利用できる振動子組立体３００の概略図を示す。振動子組立体３００は、キャビテーション室１０６の壁に取り付けられた一群の振動子３０２を含む。一群の振動子３０２は、産出流体２０２内にキャビテーションを誘起する。実施によっては、一群の振動子３０２は、電力ケーブル１１８によって電力の供給を受けることができる。例えば、一群の振動子３０２は、後述するように超音波に基づくキャビテーションを誘起できる。一群の振動子３０２は、キャビテーション室１０６を洗浄するために使用される超音波振動子１２２よりも強力である。実施によっては、一群の振動子３０２を超音波洗浄に使用でき、あるいは、超音波振動子１２２をキャビテーションに使用できる。
【００６８】
音波は、圧力と変位の機械的な波として材料（気体、液体、及び固体）を通って伝播する振動である。超音波は、一般的な人間の可聴範囲を超える、２０ｋＨｚより高い周波数の音である。あらゆる超音波装置内には、２つの構成要素があり、それは、電気パルス発生器と、振動子３０２ａのような振動子である。パルス発生器は、振動子３０２ａに印加される電気パルスを生成する。パルス発生器（不図示）は、ダウンホール又は地上施設に配置することができる。実施によっては、一群のトランスデューサ３０２は、電力線１１８によって電力の供給を受けることができる。一群のトランスデューサ３０２は、１つ以上の圧電素子又は他の音発生素子を有することができる。パルス発生器からの電気パルスが圧電素子に印加されると、圧電素子は振動して超音波を発生する。電気パルスの大きさは、超音波の強度及びエネルギーを変えることができる。超音波は、超音波キャビテーションを作り出し、そこではミクロンサイズの気泡が流体内の交互の正と負の圧力波によって形成されて成長する。実施によっては、流体流２０２にキャビテーションを十分に起こすために必要とされる電力は、最大２０ｋＷの可能性がある。異なる超音波周波数は、（様々なスケール生成物への）侵入の深さに影響を及ぼすことができ、スケールのサイズ及び種類に対して異なる影響を及ぼすことができる。特定の周波数を必要とする応用例（適用例）もあれば、複数又は一定範囲の周波数を必要とする応用例もある。このような周波数範囲は、装置内の一群の振動子３０２又は印加される電気パルスを介して異なる周波数を生成できる１つの振動子３０２ａを用いて達成することができる。例えば、実施によっては、キャビテーション及び洗浄を引き起こすことが知られている４０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの音周波数を使用することができる。
【００６９】
キャビテーション室１０６に接して、一群の振動子３０２が、キャビテーション室１０６の壁上にある放射ダイヤフラム（振動板）３０４に取り付けられている（例えば、溶接又はエポキシ接着されている）。電気パルスが印加されると、一群の振動子３０２内の変位がダイヤフラム３０４の運動を引き起こし、それが次にキャビテーション室１０６内の産出流体流２０２を通して伝達される圧力波を生じさせる。圧力波は、超音波キャビテーションを作り出し、そこではミクロンサイズの気泡が流体内の交互の正と負の圧力波によって形成されて成長する。
【００７０】
図４は、キャビテーション室１０６内に設置された電極組立体４００の概略図である。これは、ダウンホール生産組立体１００で利用できる。電極組立体４００は、陽極４０２と陰極４０４とを含む。両電極は、流体流２０２内にキャビテーションを誘起できる電気アーク４０６を作り出すことができる。実施によっては、電極組立体４００に、電力ケーブル１１８によって電力を供給することができる。
【００７１】
図４のキャビテーション室１０６は、電気油圧キャビテーションと呼ばれるプロセスを実行する。電極組立体４００は、流体流２０２に浸漬された陽極４０２及び陰極４０４のような電気アークエミッタ（放出源）間に、電気アーク４０６のような高電圧放電を発生させて、流体流２０２中にプラズマ気泡を発生させる。気泡は、その直径が表面張力によって持続可能な限界を超えて増大するまで膨張し続け、その時点で気泡は急速に崩壊し、流体を通って伝播する衝撃波を生成する。圧力ステップ関数の形をした衝撃波は、高出力の超音波を発生させ、それが次に二次キャビテーションを発生させる可能性がある。
【００７２】
一次（電気油圧）キャビテーションと二次（超音波）キャビテーションの両方がスケール析出を促進することができる。実施によっては、コンデンサ４０８が高電圧に充電され、放電回路４１０が発振スイッチ（不図示）で起動される。コンデンサとスイッチとは、ダウンホール又は地上施設に設置することができる。実施によっては、連続的な電気アークを生成するために、パルス状の電荷の代わりに連続的な電荷を使用することができる。実施によっては、キャビテーションを生じさせるためには、陽極４０２と陰極４０４との間の電位差は最大９０００ボルトであるかもしれない。陽極４０２及び陰極４０４の形状は様々であってよい。例えば、陽極４０２及び陰極４０４を産出流体２０２の流れの両側に配置して、流体流２０２の方向を横切って（すなわち、実質的に垂直に）電気アーク４０６を生成することができる。あるいは、陽極４０２及び陰極４０４を産出流体２０２の流れの同じ側に配置して、流体流２０２の方向と実質的に平行な電気アーク４０６を生成することができる。
【００７３】
図５Ａは、ダウンホール生産組立体１００において利用できるキャビテーション室１０６内に設置されたレーザ組立体５００ａの概略図である。レーザ組立体５００は、レーザエミッタ５０２を含む。レーザエミッタ５０２は、光ファイバケーブル５０８を介して地上施設からダウンホール方向に向けられるレーザビーム５０６を放射する。レーザビーム５０６は、流体流２０２内にキャビテーションを誘起する。レーザビーム５０６は、流体流２０２内にプラズマ気泡を生成する。気泡は、その直径が表面張力によって持続可能な限界を超えて増大するまで膨張し続け、その時点で気泡は急速に崩壊し、流体を通って伝播する衝撃波を生成する。圧力ステップ関数の形をした衝撃波は、高出力の超音波を発生させる可能性がある。超音波は次に、二次キャビテーションを生成することがある。実施によっては、レーザを、レーザエミッタ５０２によってダウンホールで生成することができる。そのような実施では、電力ケーブル１１８を用いてレーザエミッタ５０２に電力を供給することができる。
【００７４】
レーザビーム５０６が液体に集束されると、レーザ誘起気泡が、液体の大部分における光学的破壊によって発生する。図示の実施では、レーザビーム５０６は、光ファイバケーブル５０８を介して地上施設からダウンホールへ送られる。レーザビーム５０６は、キャビテーション室１０６内に導入されると、流体を通して放射できる。図５Ｂに示す代替のレーザ組立体５００ｂのような他の実施では、反射器又は反射コーティング５０４を使って、より徹底的なキャビテーションのために室１０６内にビームを閉じ込めることができる。レーザビーム５０６は、パルスレーザ又は連続レーザのいずれでもよく、エネルギーが熱の形で流体によって吸収されるような波長を有する。レーザエミッタ５０２の表面は、エミッタ上にスケールが堆積するのを防ぐために、化学コーティング、超音波洗浄器、又はその両方を備えることができる。
【００７５】
図６は、ダウンホール生産システム１００を利用するための工程６００の例のフローチャートを示す。ダウンホール生産システム１００は、坑井流体の流路内に配置されたキャビテーション室１０６を含む。ステップ６０２では、坑井流体がキャビテーション室１０６内に受け入れられる。ステップ６０４では、キャビテーション室１０６内の坑井流体内にキャビテーションが誘起される。ステップ６０６では、キャビテーションはスケール生成物を産出流体から析出させる。析出スケールは、ダウンホールポンプ１０４の入口によって取り込まれる。ステップ６０８では、スケール生成物が、地上処理施設のいずれかに配置された濾過システムによって流体流２０２から濾過される。
【００７６】
以上、主題の特定の実施を説明した。他の実施は添付の特許請求の範囲内にある。例えば、実施の例は１種類のキャビテーション室を説明している。実施によっては、本明細書に開示されている異なる種類のキャビテーション室を任意の組み合わせで用いてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１００  ダウンホール生産組立体
１０２  産出管
１０４  ダウンホールポンプ
１０６  キャビテーション室
１０８  坑井ポンプ吸込口
１１０  ダウンホールモータシール
１１２  ダウンホールモータ
１１４  ダウンホールセンサ
１２２  超音波振動子
２０４  回転軸
２０６  回転キャビテータ
２０８  特殊コーティング
３００  振動子組立体
３０２  振動子
４００  電極組立体
４０２  陽極
４０４  陰極
４０６  電気アーク
５０２  レーザエミッタ
５０４  反射コーティング
５０６  レーザビーム
【図１】
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【図２】
2020502400.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020502400.tif 000006
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2020502400.tif 000008
【図６】
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【国際調査報告】
2020502400.tif 000010
2020502400.tif 000011