NO983468L - FremgangsmÕte og apparat for for°kelse av pumperegulatoryteevne - Google Patents

Abstract

Et system for styring av pumpetakten ved en produserende brønn som bruker en stangpumpe der en vibrasjonssensor (95) er festet til den pumpekonstruksjon som befinner seg over marken. En prosessor (96) analyserer signalene fra vibrasjonssystemsensoren (95) for å identifisere vibrasjoner som angir forekomst av væskeslag og for å styre hastigheten på stangpumpen i overensstemmelse med dette.

Description

Denne oppfinnelse angår styring av fluidumproduksjonen i produserende brønner som gjør bruk av sugende stangpumper. Mer bestemt går oppfinnelsen ut på fremgangsmåter og anordninger som skal frembringe og utnytte tilbakemeldte styresignaler til styring av pumpehastighet og på/av-tilstand ved en produserende brønn som bruker et sugende stangpumpesystem.

Mange tusen produserende oljebrønner har sugende stangpumpesystemer for å løfte produserte brønnfluider til overflaten i grunne, lavtrykks formasjonsbrønner. Arbeidsparametrene for hver enkelt brønn vil i alminnelighet bestemme de samlede parametre for pumpesystemet. F.eks. blir lengden av arbeidsslaget, diameteren på produksjonsrøret og pumpehastigheten i arbeidsslag pr. minutt i alminnelighet bestemt basert på brønnens dybde, formasjonstrykket og den ønskede produksjonstakt for fluidet. Hvis fluidet strømmer inn i den produserende brønn for hurtig til at pumpen kan følge med kan et høyt fluidum "trykk" samle seg i brønnboringen og kan skape tilstrekkelig hydrostatisk mottrykk på den produserende formasjon til å forsinke eller stanse innkommende fluider fra formasjonen. På den annen side, hvis pumpekapasiteten blir stilt høyere enn strømmen av fluidum inn i brønnen vil dette til slutt resultere i en tilstand som kalles "væskeslag".

"Væskeslag" kan beskrives som den støtkraft som frembringes med en stangpumpe når dens pumpestempel treffer grensesnittet fluidum/damp ved sitt arbeidsslag ned. Dette "slag" eller "slamrende" vibrerende kraft er forbundet med den lastbærende stangstreng og blir overført av denne til komponentene i pumpesystemet som befinner seg på overflaten. Skade på pumpeenheten og andre komponenter i pumpesystemet kan oppstå, og kraftforbruket blir for høyt. Styreanordninger for avstengning av pumpen blir i stor utstrekning benyttet i oljeindustrien for å styre pumpenes på/av-tilstand og særlig i et forsøk på å redusere mengden av "væskeslag". Standard styreanordninger for pumpeavstengning som innbefatter lastceller (lastmålende strekktransdusere) er blitt festet til polerstangen (den øvre stang i strengen av stenger) for å måle den dynamiske last på stangstrengen mens denne løper gjennom sin pumpesyklus. Informasjon fra lastcellen blir benyttet til å frembringe det som kalles et pumpe-"kort" (en opptegning av last i forhold til syklusposisjon). Vanligvis, der væskeslag blir alvorlig, vil styreanordningen for avstengning av pumpen føle tilstanden ved å tolke kortet og ganske enkelt stenge av pumpeenhetens motor. Istedenfor å stenge av motoren fullstendig kan den i noen systemer kjøres saktere for å få til en bedre tilpasning mellom fluidumproduksjonen og fluiduminntrengningen i den produserende brønnboring.

Problemer har oppstått ved tolkningen av pumpekortene på grunn av andre faktorer enn væskeslag som kan innvirke på formen av "kortet". F.eks. kan bevegelse av rør i brønner der rørene ikke er forankret, forstyrrelse fra produsert gass, slitte eller dårlige stempelpumper, friksjon, slitt standventil eller slitt kjøreventil eller bøyde eller sprukne pumpeløp innvirker på den samlede form på "kortet" som er målt med lastcellen på polerstangen. Disse virkninger kan føre til at tolkningen av kortet blir tvetydig i beste tilfelle eller fullstendig dekke over det væskeslag som kortet søker å påvise. Det ville derfor være høyst ønskelig å frembringe et tilbakemeldende styresignal som utvetydig kan benyttes til å påvise væskeslagtilstand i en brønn som drives med en sugende stangpumpestreng. Det ville også være høyst ønskelig å frembringe et signal til styring av pumpen der signalet tydelig angir væskeslag og graden av væskeslaget kvantitativt. Det ville også være ønskelig å frembringe et styresignal fra en fast transduser istedenfor fra en bevegelig transduser som er festet til polerstangen i et pumpesystem. En slik fast transduser ville ha faste elektriske forbindelser istedenfor bevegelige forbindelser slik tilfellet er for en lastcelle som er forbundet med polerstangen og ville derfor være langt mer pålitelig.

I systemet ifølge foreliggende oppfinnelse er en billig akselerometertransduser av den magnetostriktive eller piezoelektriske type fast anbrakt på pumpeenhetens bærestruktur fortrinnsvis på samsonposten. Utgangen fra akselerometeret blir digitalisert og overført til en liten behandlende datamaskin eller mikroprosessor. Prosessoren bruker en mønstergjenkjennelsesteknikk som feks. digital signalbehandling og/eller Fourier-rekkeanalyse når det gjelder akselerometersignalet for å påvise tilstedeværelse av væskeslag. Utgangssignalet fra prosessoren benyttes til å styre pumpehastigheten med drivanordningen i pumpesystemet eller til å stenge denne av. De kvantitative akselerometersignaler kan behandles for å påvise en meget svak væskeslagtilstand. Siden væskeslagvibrasjoner blir mekanisk koblet direkte fra sugestangstrengen til bærekonstruksjonen på overflaten innbefattende samsonposten blir tvetydigheter o målingen som skyldes sugestangtilstanden eliminert.

Oppfinnelsen blir best forstått under henvisning til den følgende detaljerte beskrivelse og tegningene. Det skal påpekes at tegningene bare er illustrasjoner på oppfinnelsen og ikke begrenser denne på noen måte.

Fig. 1 viser i perspektiv et typisk pumpesystem på overflaten.

Fig. 2A og 2B viser geometrien i pumpesystemet på fig. 1 ved oppslag (fig. 2A) og

nedslag (fig. 2B).

Fig. 3 er en skjematisk grafisk gjengivelse av et "pumpekort" som består av lasten på stangstrengen i forhold til pumpesyklusposisjonen for et pumpesystem av den type som er vist på figurene 1 og 2. Fig. 4A-4E er skjematiske snitt som viser den nedsenkede teleskoperende rørformede pumpedel av systemet på fig. 1 i forskjellige stillinger under pumpesyklusen og viser virkemåten for standventilen og den bevegelige ventil i dette system. Fig. 5A-5B er skjematiske pumpekort for tilstandene nede i hullet og på overflaten

ved full væskefylling i et system av den type som er vist på fig. 1.

Fig. 6A og 6B er skjematiske pumpekort for forholdene nede i borehullet og på

overflaten, der kortene viser "væskeslag"-tilstanden.

Fig. 7A-7E er skjematiske pumpekort som viser hvorledes formen på overflatekortet

kan bli påvirket av stang- eller pumpetilstandene, og

fig. 8 viser skjematisk det forbedrede styresystem til avstengning av pumpen

ifølge oppfinnelsen.

Det vises først til fig. 1 der den del av et sugestang-brønnpumpesystem som befinner seg på overflaten er vist skjematisk og i perspektiv. Systemet hviler på en stålslede eller fotdel 11 som de andre komponenter er sveiset fast på eller festet på annen måte. En kraftkilde 12 som kan omfatte en bensinmotor eller elektrisk motor driver en rem (ikke vist under remdekselet 13) som på sin side driver en girkasse 15, og denne er utstyrt med en brems 14. Girkassen 15 driver to veivarmer 15A, og til disse er det festet to forbind el ses arm er 16. Forbindelsesarmene 16 er festet til veivarmene 15A ved hjelp av et par veivtapplagre 25. Dessuten er det til veivarmene 15A festet et par stillbare motvekter 26 som kan settes i forskjellige stillinger langs veivarmene 15A for å balansere vekten av stangstrengen og den nedsenkede pumpe avhengig av brønnens dybde. Ved deres øvre ender er forbindelsesarmene 16 forbundet med en utligningsstav 18 som på sin side er svingbart forbundet ved hjelp av et utligningslag 19 til vippearmen 21.

Vippearmen 21 og i virkeligheten hele vekten av pumpeanordningene på overflaten og ned i borehullet bæres av en trebenet samsonpost 17 som er sveiset til foten 11 ved sin nedre ende og bære vippearmen 21 ved sin øvre ende via et sentrumlager 20. Vippearmen 21 har et hestehode 22 festet ved den ende som vender fra utligningslageret 19. Hestehodet 22 er formet for å kunne la en dobbelt eller flerstrenget vaierhenger 23 gli over sin omkrets under den frem- og tilbakegående bevegelse opp og ned av vippearmen 21 om sentrumlageret 20. En bærestav 24 strekker seg ned fra vaierhengeren 23 og bærer hele sugestangstrengen (ikke vist i brønnen) via en polerstang 27 som er den øvre stang i stangstrengen. Polerstangen 27 går inn i produksjonsrøret 28 og overfører den frem- og tilbakegående bevegelse opp og ned av vippearmen 21 og hestehodet 22 til stangstrengen.

På fig. 2A og 2B er bevegelsen av overflatekomponentene i pumpesystemet vist geometrisk på en skjematisk måte. Fig. 2A viser oppslaget med stangpumpen og fig. 2B viser nedslaget med stangpumpen. Det skal minnes om at vippearmen 21 svinger om sentrumlageret 20. Kraftkilden 2 på fig. 1 driver veivarmen 15A i urviserretningen om girkasseakselen 15B (fig. 2A). Forbindelsesarmen 16 er forskjøvet et stykke R fra 15B til det stedet den er festet via veivtappen 25 til veivarmen 15 A. I den stilling som er vist på fig. 2A er således veivtapplageret 25 i bevegelse nedad noe som fører utligningslageret 19 nedad via forbindelsesarmene 16 og dermed beveges hestehodet 22 opp og trekker den opphengte stangstreng oppad. Omvendt, i den stilling som er vist på fig. 2B driver forbindelsesarmene 16 utligningslageret 19 oppad og skyver dermed hestehodet 22 ned slik at den opphengte stangstreng kan senkes. Motvektene 26 er festet til veivarmen 15A og deres verdi (vekt) og avstand fra svingepunktet 15B er valgt for å holde enheten i balanse så nær som mulig under driften ved å utbalansere vekten av den opphengte stangstreng og væskesøylen som løftes med den nedsenkede pumpe.

På fig. 3 er det vist et "pumpekort" eller en graf over last (ordinat) mot pumpesyklusposisjon (abscisse). Dette representerer det en lastcelle som er festet til polerstangen ville måle når vinkelen 0 går fra 0° til 360° som vist på figurene 2A og 2B. Teta (9) representerer vinkelen fra det øvre dødpunkt (vertikal forbindelsesarmen 16) til linjen R som forbinder svingepunktet 15B med aksen for veivtapplageret 25. Den horisontale linjen CB på fig. 3 representerer balansevekten 26. Ved oppslaget viser "kortet" den ytterligere vekt av stangstrengen og fluidum som løftes. På nedslaget 180°

- 360° er stangstrengens vekt fritt fallende og blir derfor subtrahert fra CB vekten.

På figurene 4A-4E vises den nedsenkede pumpedel av systemet med en rekke skjematiske snitt. En produksjonsrørstreng 41 strekker seg fra overflaten ned til den nedsenkede pumpe som er vist generelt ved 45. Produksjonsrøret 41 er i alminnelighet forankret ved sin nedre ende (ikke vist) til brønnforingen som er sementert på plass i borehullet. Fluidum kommer inn i foringen fra en produksjonssone via perforeringer (som vist på fig. 8 senere) som foretas ved klargjøringen av brønnen.

Sugestangstrengen 42 strekker seg til overflaten og for den bevegelse opp og ned som tidligere er beskrevet. Den nedsenkede pumpeanordning 45 har en standventil 43 som er en kuleventil og en vandreventil 44 som også er en kuleventil. Standventilen 43 befinner seg ved den nedre ende av den teleskoperende rørformede pumpeanordning 45 som er festet til rørstrengen med en jigg 47. Et pumpestempel 48 er festet til stangstrengen 42 og beveger seg opp og ned inne i anordningen 45 når den drives av stangstrengen 42. Vandreventilen beveger seg sammen med pumpestempel et 48. På toppen av pumpeanordningen 45 er det anordnet en produksjons ventil 46 som lar fluidum som løftes ved bevegelse av pumpestempelet komme over i produksjonsrøret og bli løftet til overflaten.

Under oppslaget som vist på fig. 4A er standventilen 43 og produksjonsventilen 46 åpne samtidig. Vandreventilen lukker. Pumpestempelet 48 løfter fluidum over seg over i produksjonsrøret via produksjonsventilen 46. På fig. 4B vil ved begynnelsen av nedslaget produksjonsventilen 46 lukke og vandreventilen 44 åpner. Stempelet 48 beveger seg nedad og lar gass og produserte fluider flyte forbi stempelet når stempelet beveger seg gjennom fluidet som på forhånd hadde kommet inn i anordningen 45 via ventilen 43 ved oppslaget. På fig. 4C og 4D fortsetter stempelet 48 å bevege seg nedad med produksjonsventilen 46 åpen (på fig. 4D) nær bunnen av stempelets 48 arbeidslag for at de produserte fluider skal komme inn i produksjonsrøret.

Sluttelig, på fig. 4E, ved begynnelsen av stempelets 48 oppslag vil standventilen 43 åpne mens vandreventilen 44 igjen lukker og produksjonsventilen 46 forblir åpen. Dette fullfører en hel pumpesyklus.

På figurene 5A og 5B er det vist to pumpekort som gjelder en pumpe med full væskefylling. Fig. 5A viser det det virkelige overflatekort har målt med en lastcelle som er festet til polerstangen, mens fig. 5B viser hva kortet ideelt skulle se ut som hvis det ikke var for forstyrrelser som innføres med stangstrengen. Ved punkt A lukker vandreventilen og lasten begynner å bli overført fra produksjonsrørstrengen til stangstrengen. Ved punkt B blir hele fluidumlasten båret av stengene og standventilen åpner. Mellom punktene B og C blir fluidum løftet mot overflaten og pumpekammeret under vandreventilen lar fluidum komme inn i pumpehuset via standventilen. Ved punkt C er toppen av slaget nådd og standventilen lukker. Mellom punktene C og D blir lasten overført fra stangstrengen tilbake til produksjonsrøret. Ved punkt D åpner vandreventilen og pumpestempelet begynner å synke ned gjennom det fluidum som har kommet inn. Mellom punktene D og A synker stempelet med vandreventilen åpen og standventilen lukket inntil, vandreventilen ved punkt A lukker og stempelet begynner sin bevegelse oppad for neste syklus. Forskjellen mellom det idealiserte pumpekort på fig. 5B og det målte på 5A skyldes hysteresevirkninger og avvikelser som oppstår med stangstrengen. Slakk og stramning i stangstrengen er ikke øyeblikkelig. Det er også strekk i stangstrengen.

På figurene 6A og 6B er det vist et pumpekort som er idealisert (fig. 6B) og den målte lastcelle ved polerstangen (fig. 6A) i det tilfellet der væskeslag finner sted under pumpesyklusen. Væskeslag oppstår når det synkende pumpestempel treffer grensesnittet gass/fluidum på sitt slag nedad med standventilen lukket. På figurene 6A og 6B vil vandreventilen lukke ved punkt A og lasten begynner å bli overført fra røret til stengene. Mellom A og B vil spenningen i strekkstengene øke og stengene løfter fluidum inn i produksjonsrøret. Ved B ligger all last på stengene og standventilen åpner. Mellom B og C blir fluidum løftet til overflaten. Samtidig blir pumpekammeret under stempelet delvis fylt med væske. Denne væskefylling vil i alminnelighet være mindre enn volumet på pumpekammeret i nærheten av tilstanden med pumpen avstengt. Ved punkt C lukker standventilen og mellom punktene C og D blir fluidumlasten overført fra stengene til røret. Stempelet synker hurtig gjennom lavtrykksgassen med vandreventilen lukket inntil det treffer overflaten av den ukomprimerbare væske. Ved dette punkt blir lasten meget hurtig frigjort fra stengene og pumpestempelet sies å "slå væske". Dette skaper en vibrasjon som blir koblet til stangstrengen og rørstrengen og dermed til samsonposten via stangstrengen. Ved punkt D åpner vandreventilen og pumpestempelet synker gjennom væsken til punkt A. Ved punkt A lukker vandreventilen og en annen pumpesyklus begynner.

Avvikelsene i pumpekortet fra idealtilstanden (fig. 6B) til den målte tilstand (fig. 6A) skyldes virkninger fra stangstrengen. Det vises nå til figurene 7A, rørbevegelse, fig. 7B forstyrrelse fra gasskomprimering, fig. 7C som viser stempel eller vandreventil, fig. 7D en slitt standventil og fig. 7E et slitt eller sprukket pumpehus eller løp. De målte pumpekart fra hver av disse virkninger ved overflaten vil likeledes være utsatt for hystereseavvik på figurene 5A og 6A fra de idealiserte forhold på figurene 5B og 5C. Dessuten, siden det er mulig at flere av disse tilstander som finnes i pumpekortene på figurene 7A-7E kunne finnes samtidig er det mulig at en overlagring av noen eller alle disse virkninger ville bli målt på overflatekortet. Slike kort ville være fylt med tvetydigheter og ville være veldig vanskelig, om ikke umulig, å tolke når det gjelder væskeslag.

Fig. 8 viser nå skjematisk et pumpesystem ifølge trekkene ved foreliggende oppfinnelse. En overflatedel av systemet omfatter en kraftkilde eller motor 81 som driver en veivarm 82 der denne på sin side driver en forbindelsesarm 83 som via et utligningslager 84 er forbundet med en vippearm 85 der denne har et hestehode 86. Vippearmen 85 er svingbart lagret med et sentrumlager 87 til en samsonpost 88. Den nedsenkede foring 89 er sementert på plass og fluidum kommer inn via perforeringer 90. En produksjonsrørstreng 97 er forankret i foringen 89 via et røranker 99. En stangstreng 93 som bæres av en polerstang 98 er rettet ned mot en pumpe 92 ved den nedre ende av produksjonsrøret 97. En piezoelektrisk eller magnetostriktiv akselerometertransduser 95 er festet til samsonposten 88. Vibrasjoner som skyldes væskeslag blir ledet via stangstrengen 93 og produksjonsrørstrengen 97 til utstyret på overflaten og kan her bli vist som elektriske utganger fra transduseren 95. Transduseren 95 kan også inneholde digitaliseringskretser av vanlig type for å omforme analoge spenninger som måles til en tidsrekke av digitale amplitudeverdier.

Signaler fra transduseren 95 ledes til en prosessor 96 som kan omfatte en liten vanlig datamaskin som en Packard Bell Model 20 CD utstyrt med et digitalt inngangsmodem eller, om det ønskes, kunne være en dedikert mikroprosessor som feks. INTEL 80486 eller PENTIUM prosessor.

Prosessoren 96 foretar analyse av inngangssignalene fra en (eller flere om det ønskes) akselerometertransduser 95 for å påvise væskeslagtilstand ved den nedsenkede pumpe. F.eks. vil en væskeslagtilstand inneholde mange høyfrekvens vibrasjonsenergi-komponenter sammenlignet med jevn, full fluidumpumping. Hvis inngangssignalene spaltes opp i deres frekvenskomponenter feks. ved Fourier transform analyse av inngangssignalene vil derfor eksistens og amplitude på høyfrekvenskomponenter som skyldes "væskeslag" kunne påvises. Prosessoren 96 gir da et tilbakemeldingsstyresignal via linjen 100 på fig. 8 til kraftkilden eller motoren 81 i systemet. Dette styresignal kan være et signal som kan sette ned hastigheten på, eller stenge av motoren 81 slik at mer fluidum kan bygges opp i borehullet 91.

Om det ønskes kan andre analyser av inngangssignalet fra akselerometertransduseren 95 utføres av prosessoren. F.eks. kunne prosessoren omfatte et program til gjenkjennelse av nevralt nettmønster. Nevrale nettmønstre av kjente typer kan bli "trenet" av virkelige eller syntetiserte data til å gjenkjenne visse karakteristiske bølgeformer som frembringes av kjente tilstander. De kan da bli benyttet til å påvise slike tilstander i ukjente bølgeformer. Siden den direkte påvisning av vibrasjonsenergi fra væskeslag i borehullet benyttes vil ikke i noe tilfelle ukjente forstyrrelser på grunn av pumpe-, rør-eller ventiltilstander komme inn i analysen for å innføre tvetydighet som tidligere forklart når det gjelder tolkningen av pumpekort av vanlig lastcelletype.

Den foregående beskrivelse kan anvise endringer og modifikasjoner for fagfolk på området. Formålet med de vedføyde krav er å dekke alle slike endringer og modifikasjoner som faller innenfor den sanne ånd og omfanget av oppfinnelsen.

Claims (11)

1. System for styring av pumpetakten ved en produserende brønn der det benyttes en stangpumpe til å løfte produserte fluider fra en produserende formasjon til jordoverflaten, karakterisert ved at det omfatter: et stangpumpesystem som har en overflatedel og en nedsenket del der overflatedelen har en kraftkilde for bevegelse opp og ned; en stangstreng som strekker seg fra overflatedelen til den nedsenkede del av stangpumpesystemet, hvilken nedsenkede del har en vandreventil montert i et pumpestempel på en standventil montert i et pumpelegeme; anordning for påvisning av vibrasjoner ved overflaten, frembrakt av pumpestempelet ved sin bevegelse nedad når det støter på et grensesnitt gass/væske og for frembringelse av elektriske signaler som representerer disse; og prosessoranordning til frembringelse av et hastighetsstyresignal til kraftkilden som reaksjon på de nevnte representative signaler.

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at overflatedelen videre omfatter en monteringsfot, en vippearm og et hestehode som drives av kraftkilden og bæres av en samsonpost festet til monteringsfoten og der stangstrengen strekker seg fra hestehodet.

3. System som angitt i krav 2, karakterisert ved at anordningen til påvisning av vibrasjoner ved overflaten omfatter et akselerometer som er mekanisk koblet til overflatedelen av stangpumpesystemet.

4. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at akselerometertransduseren er mekanisk koblet til samsonposten.

5. System som angitt i krav 4, karakterisert ved at akselerometertransduseren frembringer digitale utgangssignaler til prosessoranordn i ngen.

6. System som angitt i krav 5, karakterisert ved at prosessoranordningen bruker teknikker til behandling av det representative signal for å påvise at pumpestempelet støter på et gass/væskegrensesnitt under sin bevegelse nedad.

7. System som angitt i krav 6, karakterisert ved at de nevnte teknikker innbefatter Fourier transformanalyse av de representative signaler.

8. System som angitt i krav 7, karakterisert ved at de hastighetsstyresignaler til kraftkilden som prosessoren frembringer innbefatter på/av-signaler såvel som absolutte hastighetsstyresignaler.

9. Fremgangsmåte til styring av pumpetakten ved en produserende brønn som benytter en stangpumpe til å løfte produserte fluider fra en produserende formasjon til jordoverflaten, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: frembringelse av et stangpumpesystem med en overflatede! og en nedsenket del der overflatedelen har en kraftkilde til bevegelse opp og ned av en stangstreng som strekker seg fra overflatedelen til den nedsenkede del av stangpumpesystemet, hvilken nedsenkede del har en vandreventil montert i et pumpestempel og en stangventil som er montert i et pumpelegeme; påvisning av vibrasjoner ved overflaten frembrakt av pumpestempelet ved sin bevegelse nedad hvis det støter på et gass/væskegrensesnitt og frembringelse av elektriske signaler som representerer vibrasjonene, og frembringelse av et hastighetsstyresignal til kraftkilden som reaksjon på de representative signaler.

10. System som angitt i krav 9, karakterisert ved at overflatedelen videre omfatter en monteringsfot, en vippearm og et hestehode som drives av kraftkilden og bæres av en samsonpost festet til monteringsfoten og der stangstrengen strekker seg fra hestehodet.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert v e d at trinnet med påvisning av vibrasjon utføres ved mekanisk kobling av en akselerometertransduser til overflatedelen av stangpumpesystemet.