ПОГРУЖНОЙ НАСОС С ПАРОВЫМ ПРИВОДОМ
SUBMERGED PUMP WITH STEAM DRIVE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится в общем к погружным насосным системам для подъема текучих сред в подземной скважине и, в частности, к использованию пара для приведения в действие таких погружных насосных систем.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Современный способ добычи углеводородной текучей среды из подземной скважины, которой недостает достаточного внутреннего давления для естественной добычи, заключается в использовании способа искусственного подъема, такого как электрический погружной насос (ЭПН). ЭПН может сообщать более высокое давление добываемой текучей среде для подъема столба текучей среды в стволе скважины так, что скважинный флюид поднимается по направлению к поверхности. ЭПН может быть полезным, например, в работах с высоким газовым фактором и в старых месторождениях, где имеется потеря энергии, и углеводороды больше не могут достигать поверхности естественным образом.
[0003] Причиной выхода из строя современных ЭПН обычно являются короткие замыкания системы ЭПН или неисправность в кабелях питания, которые продолжаются от поверхности до двигателя ЭПН для приведения в действие насоса. В дополнение, работа ЭПН может быть дорогостоящей, поскольку они требуют внешнего источника электропитания для непрерывной работы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Варианты осуществления этого изобретения обеспечивают системы и способы улучшения надежности и уменьшения операционных затрат на подъем скважинных флюидов на поверхность. Высокие температуры внутри ствола скважины используются для добычи газа из замкнутой флюидной системы, при этом газ, в свою очередь, используется для приведения в действие погружной насосной системы. Высокие температуры могут быть сгенерированы теплом двигателя погружной насосной системы или могут быть результатом геотермальной энергии. В вариантах осуществления, где избыточное электропитание генерируется системами или способами, избыточное электропитание может быть подано в приемник питания снаружи подземной скважины.
[0005] В варианте осуществления этого изобретения способ подъема скважинных флюидов в подземной скважине по направлению к поверхности включает в себя этап, на котором обеспечивают замкнутую водяную систему без сообщения по текучей среде со скважинными флюидами, причем замкнутая водяная система имеет резервуар для хранения воды, расположенный снаружи высокотемпературной зоны подземной скважины. Воду из резервуара для хранения воды осуществляют циркуляцию в высокотемпературную зону подземной скважины для образования пара. Скважинную паровую турбину вращают посредством пара для приведения в действие погружной насосной системы, которая находится в сообщении по текучей среде со скважинными флюидами, и скважинные флюиды поднимают по направлению к поверхности посредством погружной насосной системы. Пар, выходящий из паровой турбины, направляют к резервуару для хранения воды.
[0006] В альтернативных вариантах осуществления резервуар для хранения воды может быть расположен внутри подземной скважины. Замкнутая водяная система может быть расположена полностью внутри подземной скважины. Высокотемпературная зона может быть нагрета посредством геотермальной энергии или альтернативно погружной насосной системой.
[0007] В других альтернативных вариантах осуществления паровая турбина может передавать механическое вращение паровой турбины на вал погружной насосной системы. Узел зубчатой передачи может быть расположен между паровой турбиной и погружной насосной системой так, что скорость вращения вала погружной насосной системы может быть изменена относительно скорости вращения паровой турбины.
[0008] В еще других альтернативных вариантах осуществления паровая турбина может приводить в действие электрический генератор для питания погружной насосной системы. Узел питания может быть расположен между паровой турбиной и погружной насосной системой, причем узел питания принимает питание посредством электрического кабеля для запуска работы погружной насосной системы. Узел питания может альтернативно работать в качестве электрического генератора для питания погружной насосной системы.
[0009] В альтернативном варианте осуществления этого изобретения способ подъема скважинных флюидов в подземной скважине по направлению к поверхности включает в себя этап, на котором опускают погружную насосную систему в подземную скважину как часть заканчивания скважины. Замкнутую текучую среду осуществляют циркуляцию по замкнутой флюидной системе, которая не имеет сообщения со скважинными флюидами. Замкнутая текучая среда представляет собой жидкость внутри резервуара для хранения текучей среды, расположенного снаружи высокотемпературной зоны подземной скважины. Замкнутую текучую среду нагревают до газа внутри высокотемпературной зоны подземной скважины. Газ используют для вращения турбины, которая приводит в действие погружную насосную систему для подъема скважинных флюидов по направлению к поверхности. Замкнутая текучая среда возвращается в резервуар для хранения текучей среды.
[0010] В альтернативных вариантах осуществления поток газа в турбину может регулироваться посредством клапанов регулирования температуры. Циркуляция замкнутой текучей среды может включать в себя этап, на котором осуществляют циркуляцию замкнутой текучей среды по замкнутой флюидной системе полностью внутри подземной скважины. Избыточное электропитание, сгенерированное турбиной, может быть подано в приемник питания снаружи подземной скважины. Замкнутая текучая среда может возвращаться в резервуар для хранения текучей среды в виде жидкости, причем замкнутая текучая среда охлаждается, когда замкнутая текучая среда выходит из высокотемпературный зоны подземной скважины.
[0011] В другом альтернативном варианте осуществления система для подъема скважинных флюидов в подземной скважине по направлению к поверхности включает в себя замкнутую водяную систему, которая не имеет сообщения по текучей среде со скважинными флюидами, причем замкнутая водяная система имеет резервуар для хранения воды, расположенный снаружи высокотемпературной зоны подземной скважины. Система циркуляции продолжается от резервуара для хранения воды в высокотемпературную зону подземной скважины, причем система циркуляции выполнена с возможностью поглощения достаточного тепла из высокотемпературной зоны для преобразования воды замкнутой водяной системы в пар. Скважинная паровая турбина является вращаемой паром для приведения в действие погружной насосной системы в сообщении по текучей среде со скважинными флюидами и подъема скважинных флюидов по направлению к поверхности посредством погружной насосной системы. Система циркуляции продолжается от паровой турбины по направлению к резервуару для хранения воды.
[0012] В альтернативных вариантах осуществления замкнутая водяная система может быть расположена полностью внутри подземной скважины. Паровая турбина может быть выполнена с возможностью передачи механического вращения паровой турбины на вал погружной насосной системы.
[0013] В других альтернативных вариантах осуществления узел зубчатой передачи может быть расположен между паровой турбиной и погружной насосной системой, причем узел зубчатой передачи выполнен с возможностью изменения скорости вращения вала погружной насосной системы относительно скорости вращения паровой турбины. Альтернативно система может включать в себя электрический генератор, выполненный с возможностью приведения в действие паровой турбиной и питания погружной насосной системы. Узел питания может быть расположен между паровой турбиной и погружной насосной системой, причем узел питания выполнен с возможностью приема питания посредством электрического кабеля для запуска работы погружной насосной системы и альтернативно выполнен с возможностью работы в качестве электрического генератора для питания погружной насосной системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Для того, чтобы образ, которым вышеизложенные признаки, аспекты и преимущества изобретения, а также другие, которые будут ясны, достигались и могли быть поняты подробно, более конкретное описание вариантов осуществления изобретения, кратко обобщенных выше, может быть выполнено со ссылкой на его варианты осуществления, которые проиллюстрированы на чертежах, которые образуют часть этого описания. Следует отметить, однако, что приложенные чертежи иллюстрируют только определенные варианты осуществления изобретения и в связи с этим не должны считаться ограничивающими объем изобретения, поскольку изобретение может допускать другие, в равной степени эффективные, варианты осуществления.
[0015] Фигура 1 представляет собой схематический вид в разрезе системы для подъема скважинных флюидов в подземной скважине посредством погружного насоса с паровым приводом в соответствии с вариантом осуществления этого изобретения.
[0016] Фигура 2 представляет собой схематический вид в разрезе системы для подъема скважинных флюидов в подземной скважине посредством погружного насоса с паровым приводом в соответствии с альтернативным вариантом осуществления этого изобретения.
[0017] Фигура 3 представляет собой схематический вид в разрезе системы для подъема скважинных флюидов в подземной скважине посредством погружного насоса с паровым приводом в соответствии с альтернативным вариантом осуществления этого изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Описание, которое включает в себя сущность изобретения, краткое описание чертежей и подробное описание, и приложенная формула изобретения ссылаются на особые признаки (включающие в себя этапы процесса или способа) изобретения. Специалисты в данной области техники понимают, что изобретение включает в себя все возможные сочетания и использования особых признаков, описанных в описании. Специалисты в данной области техники понимают, что изобретение не ограничено описанием вариантов осуществления, приведенных в описании.
[0019] Специалисты в данной области техники также понимают, что терминология, используемая для описания особых вариантов осуществления, не ограничивает объем или охват изобретения. При интерпретации описания и приложенной формулы изобретения все термины должны быть интерпретированы наиболее широким возможным образом, совместимым с контекстом каждого термина. Все технические и научные термины, используемые в описании и приложенной формуле изобретения, имеют значение, обычно понимаемое специалистом в данной области техники, к которой относится это изобретение, если не определено иное.
[0020] Используемые в описании и приложенной формуле изобретения формы единственного числа включают в себя ссылки на множественное число, если контекст явно не указывает иное. Каждое из используемых слов «содержит», «имеет», «включает в себя» и всех других грамматических вариантов предназначено иметь открытое неограничивающее значение, которое не исключает дополнительные элементы, компоненты или этапы. Варианты осуществления настоящего изобретения могут подходящим образом «содержать», «состоять» или «состоять по существу из» описанных ограничивающих признаков и могут быть осуществлены на практике при отсутствии не описанного ограничивающего признака. Например, специалистами в данной области техники может быть признано, что определенные этапы могут быть объединены в один этап.
[0021] Пространственные термины описывают относительное положение предмета или группы предметов относительно другого предмета или группы предметов. Пространственные отношения применяются вдоль вертикальной и горизонтальной осей. Ориентация и связанные слова, включающие в себя «восходящий» и «нисходящий», «выше» и «ниже» и другие подобные термины, представлены для удобства описания и не являются ограничивающими, если не указано иное.
[0022] Там, где описание или приложенная формула изобретения обеспечивают диапазон значений, понятно, что интервал охватывает каждое промежуточное значение между верхним пределом и нижним пределом, а также верхний предел и нижний предел. Изобретение охватывает и ограничивает меньшие диапазоны интервала с учетом любого конкретного обеспеченного исключения.
[0023] Там, где в описании и приложенной формуле изобретения сделана ссылка на способ, содержащий два или более определенных этапов, определенные этапы могут быть выполнены в любом порядке или одновременно, за исключением случаев, когда контекст исключает эту возможность.
[0024] Как показано на Фигурах 1–3, подземная скважина 10 продолжается от поверхности 12 и может быть использована, например, для или в связи с деятельностями по разработке углеводородов. Подземная скважина может быть закончена образом, известным специалистам в данной области техники, с использованием традиционных способов заканчивания скважин. Используемый здесь термин «заканчивание скважины» ссылается на процесс подготовки подземной скважины к добыче или нагнетанию и может включать в себя, например, установку скважинных трубчатых элементов, таких как обсадная колонна и облицовка, а также установку оборудования, требуемого для добычи текучих сред из или нагнетания текучих сред в подземную скважину.
[0025] В примерных вариантах осуществления на Фигурах 1–3 подземная скважина 10 включает в себя кондукторную обсадную колонну 14, промежуточную обсадную колонну 16 и эксплуатационную обсадную колонну 18. Показана погружная насосная система 20, опущенная на трубчатый элемент 22, такой как гибкая труба или трубные соединения. Пакер 24 уплотняет кольцеобразное пространство между внешним диаметром трубчатого элемента 22 и внутренним диаметром эксплуатационной обсадной колонны 18. В альтернативных вариантах осуществления погружная насосная система 20 могла быть опущена посредством троса. Погружная насосная система 20 может включать в себя секцию 26 насоса, которая обеспечивает подъем для скважинных флюидов. Секция 26 насоса может представлять собой многоступенчатый центробежный насос с расположенными друг над другом ступенями рабочих колес и направляющих аппаратов.
[0026] Впуск может направлять скважинные флюиды в секцию 26 насоса. В зависимости от конфигурации заканчивания скважины скважинные флюиды могут выходить из выпуска погружной насосной системы 20 в трубчатый элемент 22 или в эксплуатационную обсадную колонну 18 для подачи на поверхность. Погружная насосная система 20 может, в определенных вариантах осуществления, также включать в себя двигатель 28 и защитное устройство 30, которое расположено между секцией 26 насоса и двигателем 28 (Фигуры 1–2). Защитное устройство 30 может быть использовано для уравнивания давления в погружной насосной системе 20 с давлением ствола скважины, для обеспечения уплотнения, для содержания масляного резервуара для двигателя 28 и для помощи в сообщении тяговой нагрузки секции 26 насоса. Двигатель 28 может быть использован в определенных вариантах осуществления для приведения в действие или вращения секции 26 насоса. В альтернативных вариантах осуществления, которые описаны здесь, погружная насосная система 20 не имеет двигателя.
[0027] Описанные способы и системы для подъема скважинных флюидов в подземной скважине 10 включают в себя замкнутую флюидную систему 32. Замкнутая флюидная система 32 может представлять собой замкнутую водяную систему, которая использует воду в жидкой форме и в газообразной форме в виде пара. В определенных вариантах осуществления замкнутая флюидная система 32 использует деминерализованную воду. Деминерализованная вода обеспечивает соотношение воды и пара приблизительно 1:1, является недорогой и простой для обнаружения, является простой и безопасной для работы и не имеет минералов или других элементов, которые было бы необходимо обрабатывать. В альтернативных вариантах осуществления замкнутая флюидная система 32 может использовать альтернативную текучую среду и в жидкой, и в газообразной форме, которая может работать с соблюдением требований температуры, давления и энергии системы вариантов осуществления этого изобретения. Используемый здесь термин «замкнутая текучая среда» ссылается на текучую среду, используемую в замкнутой флюидной системе 32 независимо от типа или состояния такой текучей среды.
[0028] Замкнутая флюидная система 32 полностью отделена от скважинных флюидов так, что замкнутая текучая среда замкнутой флюидной системы 32 не имеет сообщения по текучей среде со скважинными флюидами. Таким образом, замкнутая текучая среда замкнутой флюидной системы 32 не может смешиваться со скважинными флюидами. Замкнутая флюидная система 32 включает в себя резервуар 34 для хранения текучей среды, расположенный снаружи высокотемпературной зоны подземной скважины 10. В примерном варианте осуществления на Фигурах 2–3 резервуар 34 для хранения текучей среды расположен на поверхности 12. Поверхностный насос 36 может быть использован для вкачивания замкнутой текучей среды замкнутой флюидной системы 32 в подземную скважину 10.
[0029] В альтернативном примере на Фигуре 1 резервуар 34 для хранения текучей среды расположен внутри подземной скважины 10. В таком варианте осуществления замкнутая флюидная система 32 может быть расположена полностью внутри подземной скважины 10. Резервуар 34 для хранения текучей среды может быть установлен в кольцевом пространстве между внешним диаметром трубчатого элемента 22 и внутренним диаметром эксплуатационной обсадной колонны 18. Расстояние, на котором резервуар 34 для хранения текучей среды размещен от поверхности 12, определено местоположением высокотемпературной зоны 40. Линия 37 подачи текучей среды продолжается от резервуара 34 для хранения текучей среды в турбину 38 для подачи воды из резервуара 34 для хранения текучей среды в турбину 38. Когда вода и пар используются в качестве замкнутой текучей среды, турбина 38 может включать в себя одну или более традиционных паровых турбин. Сила тяжести может заставлять замкнутую текучую среду перемещаться из резервуара 34 для хранения текучей среды в турбину 38, и энергия, генерируемая, когда замкнутая текучая среда передается в виде пара, может поднимать пар обратно в резервуар 34 для хранения текучей среды после того, как замкнутая текучая среда прошла через турбину 38.
[0030] Когда замкнутая текучая среда в форме жидкости, такой как вода, циркулируется из резервуара 34 для хранения текучей среды по направлению к турбине 38, замкнутая текучая среда проходит через высокотемпературную зону 40 подземной скважины 10 для образования газа, такого как пар. В примерном варианте осуществления на Фигурах 1–2 высокотемпературная зона 40 показана в виде области вблизи погружной насосной системы 20. Погружная насосная система 20 может генерировать высокие температуры из–за нагрузки на двигателе 28. Высокая температура, генерируемая погружной насосной системой 20 в области, окружающей погружную насосную систему 20, может превышать 100°С, что является точкой кипения воды, для образования высокотемпературной зоны 40. Когда замкнутая текучая среда проходит через высокотемпературную зону 40, замкнутая текучая среда нагревается высокой температурой, генерируемой погружной насосной системой 20, для испарения и образования газа, такого как пар. В вариантах осуществления, где замкнутая текучая среда представляет собой текучую среду, отличную от воды, высокая температура, генерируемая погружной насосной системой 20 в высокотемпературной зоне 40, может превышать температуру, требуемую для преобразования такой замкнутой текучей среды в газ.
[0031] В примерном варианте осуществления на Фигуре 3 высокотемпературная зона 40 расположена на глубине ниже поверхности 12 в результате геотермального тепла. В местоположениях геотермальная энергия может нагревать области подземной скважины 10 для образования высокотемпературной зоны 40, которая может иметь температуру свыше 100°С. В вариантах осуществления, где замкнутая текучая среда представляет собой текучую среду, отличную от воды, высокая температура, генерируемая геотермальной энергией в высокотемпературной зоне 40, может превышать температуру, требуемую для преобразования такой замкнутой текучей среды в газ. Когда замкнутая текучая среда проходит через высокотемпературную зону 40, замкнутая текучая среда нагревается посредством геотермальной энергии для испарения и образования газа, такого как пар. Хотя не показано, геотермальная энергия может быть использована для образования высокотемпературной зоны 40 в вариантах осуществления с резервуаром 34 для хранения текучей среды, расположенным внутри подземной скважины 10 снаружи высокотемпературной зоны 40.
[0032] Замкнутая текучая среда в форме газа вращает турбину 38. Турбина 38 может приводить в действие погружную насосную систему 20, которая находится в сообщении по текучей среде со скважинными флюидами, и может затем поднимать скважинные флюиды по направлению к поверхности 12. Хотя турбина 38 показана схематически на нижнем конце трубчатого элемента 22, турбина 38 не находится в сообщении по текучей среде со скважинными флюидами. Только текучая среда замкнутой флюидной системы 32 вращает турбину 38. Скважинный флюид вместо этого поступает на впуск погружной насосной системы 20, которая отделена от и не находится в сообщении по текучей среде с турбиной 38.
[0033] Как показано на Фигурах 1–3, промежуточный элемент 42 расположен между турбиной 38 и погружной насосной системой 20. В примере на Фигурах 1–2 промежуточный элемент 42 может представлять собой узел питания. Узел питания может действовать в качестве и электрического генератора, и электрического приемника. Узел питания может обеспечивать электропитание в двигатель 28 погружной насосной системы 20 для приведения в действие погружной насосной системы 20.
[0034] В вариантах осуществления, где высокая температура, генерируемая погружной насосной системой 20 в области, окружающей погружную насосную систему 20, образует высокотемпературную зону 40, узел питания может принимать электропитание посредством электрического кабеля 44 источника (Фигура 2) для запуска работы погружной насосной системы 20. После того, как погружная насосная система 20 проработала в течение некоторого времени и достигла достаточной температуры, при которой высокотемпературная зона 40 может превращать замкнутую текучую среду в пар, турбина 38, которая вращается паром, может приводить в действие узел питания так, что узел питания работает в качестве электрического генератора для генерации электричества для питания погружной насосной системы 20. В связи с этим после первоначального запуска погружной насосной системы 20 дополнительное электропитание с поверхности не требуется для непрерывной работы погружной насосной системы 20. В то время, как турбина 38 приводит в действие узел питания для генерации электричества, любое электропитание свыше того, что необходимо для работы погружной насосной системы 20, может быть подано на поверхность через дополнительный электрический кабель 46 (Фигура 2) в приемник питания снаружи подземной скважины 10. Приемник питания может представлять собой, например, устройство для хранения питания или другие инструменты или оборудование, используемое для разработки углеводородов.
[0035] В альтернативных вариантах осуществления, таких как примерный вариант осуществления на Фигуре 3, где геотермальная энергия может нагревать области подземной скважины 10 для образования высокотемпературной зоны 40, не требуется электрической связи между поверхностью и системами для подъема скважинных флюидов в подземной скважине 10. Погружная насосная система может приводиться в действие полностью турбиной 38, передающей механическое вращение турбины 38 на вал 48 погружной насосной системы 20. В таком варианте осуществления промежуточный элемент 42 может представлять собой узел зубчатой передачи так, что скорость вращения вала 48 погружной насосной системы 20 может быть изменена относительно скорости вращения турбины 38.
[0036] После выхода из турбины 38 замкнутая текучая среда может быть направлена обратно в резервуар 34 для хранения текучей среды посредством линии 52 возвращения текучей среды. Когда замкнутая текучая среда возвращается в резервуар 34 для хранения текучей среды, замкнутая текучая среда выходит из высокотемпературной зоны 40 и может охлаждаться для возвращения в резервуар для хранения текучей среды в виде жидкости или в виде сочетания жидкости и газа. Клапаны 50 регулирования температуры могут быть расположены между резервуаром 34 для хранения текучей среды и турбиной 38 и могут быть использованы для управления количеством пара и воды, идущих в и из турбины 38. Даже с клапанами 50 регулирования температуры весь пар в системе используется непрерывно, что более эффективно, чем использование пара частично или выборочно.
[0037] В примере работы подземную скважину 10 заканчивают традиционным образом, при этом погружную насосную систему 20 и замкнутую флюидную систему 32 опускают в подземную скважину 10 как часть заканчивания скважины. Текучую среду из резервуара 34 для хранения текучей среды осуществляют циркуляцию в высокотемпературную зону 40 подземной скважины 10 для образования газа. Газ используют для вращения скважинной турбины 38 посредством газа для приведения в действие погружной насосной системы 20. Погружная насосная система 20 находится в сообщении по текучей среде со скважинными флюидами и поднимает скважинные флюиды по направлению к поверхности 12 для добычи скважинных флюидов. Замкнутую текучую среду, выходящую из турбины 38, направляют обратно к резервуару 34 для хранения текучей среды. В определенных вариантах осуществления внешнее электропитание может быть использовано только при запуске погружной насосной системы 20, но не используется во время непрерывной работы погружной насосной системы 20.
[0038] Варианты осуществления этого изобретения в связи с этим обеспечивают системы и способы для подъема текучих сред внутри ствола скважины посредством погружных насосных систем, которые являются более надежными и менее дорогостоящими для работы, чем некоторые современные способы и системы. Многие выходы из строя современных электрических погружных насосов происходят из–за короткого замыкания и неисправностей кабелей от поверхности до скважинного местоположения, где установлен насос. Системы и способы, описанные здесь, будут уменьшать или исключать такие выходы из строя. В дополнение, современные электрические погружные насосы потребляют большие количества электроэнергии для непрерывной работы. Системы и способы, описанные здесь, будут уменьшать операционные затраты, связанные с подъемом скважинных флюидов, поскольку варианты осуществления этого изобретения не требуют постоянного внешнего источника электропитания. Определенные варианты осуществления, описанные здесь, требуют внешнего источника электропитания только для запуска работы погружной насосной системы 20.
[0039] Варианты осуществления, описанные здесь, в связи с этим хорошо адаптированы для выполнения задач и достижения отмеченных целей и преимуществ, а также других, присущих им. Несмотря на то, что определенные варианты осуществления были описаны в целях изобретения, существуют многочисленные изменения в деталях процедур для достижения желаемых результатов. Эти и другие аналогичные модификации будут легко предлагаться специалистам в данной области техники и предназначены для охвата объемом настоящего изобретения, описанного здесь, и объемом приложенной формулы изобретения.