井中活塞的位置的检测的制作方法

井中活塞的位置的检测的制作方法
【专利摘要】一种用于检测活塞到达井底部的时间的系统，包括构造成测量井压和提供测量的压力输出的压力传感器。导数计算电路计算测量的压力输出的导数。检测电路基于计算的导数检测活塞到达井底部的时间。
【专利说明】井中活塞的位置的检测

【背景技术】
[0001] 本发明涉及用于从天然气井或者类似物移除流体的活塞类型。更特别地，本发明 涉及当活塞沿着天然气井的长度移动时，检测活塞的位置。
[0002] 深井用于从土地里面抽取气体和流体。例如，这种井被用于从地下的气穴抽取天 然气。该井包括长管，所述长管被放置在已经钻入土地的孔中。当该井到达天然气穴时，气 体可以被抽取到表面。
[0003] 当天然气井变老时，诸如水的流体趋于聚集在井的底部处。该水缓行，并且最后防 止天然气流动到表面。已经用于延长井的寿命的一个技术是基于活塞的抬升系统，所述抬 升系统用于从井底部移除流体。井里面的活塞位置通过打开和关闭在井顶部处的阀控制。 在阀关闭时，排出井外的气体流动停止，并且活塞通过水落下到井的底部。当活塞到达井的 底部时，阀可以打开，借此来自井中的压力推动活塞到表面。当活塞上升时，该活塞抬升其 上面的任何流体达到表面，因而从井中移除大部分流体。
[0004] 为有效地操作活塞，理想的是识别活塞到达井的底部的时间。各种技术已经用于 确定活塞到达井的底部的时间，例如，2011年6月21日发行的授权给Giacomino的名称为 "Method and Apparatus for Utilizing Pressure Signature in Conjunction with Fall Times as Indicator in Oil and Gas Wells"的美国专利No. 7, 963, 326 中描述一种技术。


【发明内容】

[0005] -种用于检测活塞到达井底部的时间的系统，包括构造成用于测量井压和提供测 量的压力输出的压力传感器。导数计算电路计算测量的压力输出的导数。检测电路基于计 算的导数检测活塞到达井底部的时间。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1是使用根据本发明的用于识别活塞位置的系统的井的简化视图。
[0007] 图2是用于示例的井的压力对时间的曲线图。
[0008] 图3示出从图2的曲线图获得的压力以及所述压力的一阶和二阶导数对时间的曲 线图。
[0009] 图4和5从图2的曲线图获得的压力以及所述压力的一阶和二阶导数对时间的更 详细的视图。
[0010] 图6是显示在另一个示例的井中的许多循环的压力对时间的曲线图。
[0011] 图7、8、9和10是从图6的曲线图获得的压力以及所述压力的一阶和二阶导数对 时间的曲线图。
[0012] 图11是根据一个示例实施例的变化计算电路的速度的简化方块图。
[0013] 图12是用于确定活塞已经到达井底部的时间的压力传送器和井控制器系统的简 化方块图。
[0014] 图13是压力传送器和井控制器的另一个示例实施例。
[0015] 图14是在图13中图示的事件探测器的简化方块图。

【具体实施方式】
[0016] 本发明提供用于识别活塞到达井（诸如天然气井）的底部的时间的系统。更特别 地，提供在其中测量井的压力的方法和设备。测量的压力被分析并且用于识别活塞到达井 底部的时间。不是单独地使用压力异常以识别活塞位置，本发明使用压力传感器信号导数 信息。在具体的示例中，监测测量的压力的一阶导数和/或二阶导数。一阶和/或二阶导 数中的改变被用于识别活塞到达井底部的时间。
[0017] 当天然气井首先开始其操作时，通过通常存在于贮存器中的高压辅助，气体一般 从地下自由地流到表面。然而，在井的寿命期间，水开始流进气体井的底部。结果的水柱的 背压，加上贮存器压力的减少，导致天然气的流动缓慢，并且最后完全地停止。
[0018] 该问题的一个解决方案是关闭井（关闭井口处的阀），以允许贮存器中的压力再 次增强。当压力足够增强时，再次打开阀，并且增强的压力推动水到顶部。然而，该方法的 缺点是，大量水落回到井的底部，并且最后，井没有获得许多额外的气体产生。
[0019] 较好的解决方案，和在气体井中最通常使用的一个，是使用活塞以抬升水到井外。 图1图示具有活塞抬升系统的一般的气体井100。活塞110是与井100的中心管道112具有 约相同的直径的装置，所述活塞110在井中自由地向上和向下移动。如下所述，马达阀120 用于打开和关闭井，促使活塞110移动到井的顶部116或底部118。在井的底部118处是缓 冲器弹簧124,防止活塞110撞击底部118时，损害活塞110。在井口处是捕捉器和到达传 感器130,当活塞110来到井的顶部116时，抓住活塞110并且产生指示活塞110到达的电 子信号。捕捉器的上面是润滑器140,施加油、或其他的润滑剂到活塞110,确保活塞110自 由地移动通过管道。电子控制器144通过接收可获得的测量信号（例如管道压力和活塞到 达），并且通过发送命令到马达阀120以在适当的时间打开和关闭来操作井。
[0020] 用于抬升井的流体产品到表面的活塞组件操作作为非常长的冲程泵。设计活塞 110以充当流体柱和抬升气体之间的固体界面。当活塞110移动时，存在跨越活塞110的压 力差，将抑制任何流体退却。因此，运送到表面的总量应该与原始的负荷实际上相同。活塞 110从底部118移动到顶部116,起擦拭器的作用，移除在管道柱中的流体。存在可获得的 许多类型的活塞。
[0021] 活塞110本身可以采取各种形式。一些活塞包括装载展开的叶片的弹簧，所述叶 片靠着井的管道壁密封，以产生用于上冲程的压力差。其他的类型的活塞包括具有汽封环 以设置密封的活塞、具有允许活塞更快下降的内部旁通管的活塞等等。
[0022] 因为气体产生器可以操作数千的井，任何特定的井上的仪表和控制一般是非常极 少的。在一些示例中，可以在井上进行的仅有的测量用两个压力传送器进行，一个测量管 道压力（活塞落下通过所述中心管，并且气体通常流过所述中心管），并且另一个测量壳体 压力（也称为环形结构-包含管道的外部空位）。马达阀120打开和关闭，以控制下降到 井1〇〇的底部118或来到顶部116的活塞110、和电动控制器144,通常是可编程逻辑控制 器（PLC)或远程操作员控制台（R0C)。控制器144接收可获得的测量信号，并且在适当的时 间打开和关闭马达阀120,以保持井的最佳操作。在一些构造中，也可以有活塞到达传感器 (所述活塞到达传感器检测活塞到达井口的时间）、温度测量传感器或流量传感器。
[0023] 具有活塞抬升的气体控制的重要一个方面是井必须关闭适当长度的时间。特别 地，井必须关闭足够长时间，用于活塞到达底部。如果活塞一直没有到达底部，那么在打开 马达阀时，不是所有的水将被移除，并且井将不返回到最优的生产。如果这种情况出现，活 塞下降和返回所花费的时间（所述时间可能是30分钟或更长）将已经浪费。甚至更关键 的是，如果马达阀在活塞撞击任何水之前打开，然后没有水使活塞慢下来，升起的活塞的速 度（通过井中的巨大压力引起）可能非常大，从而这将损害活塞或润滑器/捕捉器，或甚至 吹动捕捉器完全地尚开井口。
[0024] 因为促使活塞后退太早的危险，大部分的井控制策略将具有内置的"安全系数"。 他们将在足够长的时间内关闭井，用于活塞到达底部，以及一些额外的时间，仅保证活塞确 实到达底部。这里的缺点是，活塞坐落在底部上的时间是气体井不生产的时间。活塞不得 不坐落在底部上的时间越长，在气体井可以返回到全能力生产之前的时间将越长。
[0025] 各种技术用以检测活塞到达井的底部的时间。例如，压力和声学信号可以被监测， 然而，由于背景噪声的总额、井的延伸长度和当该信号流过井中的流体和气体时的信号的 损耗，这些信号经常相对地小和难以识别。虽然压力传送器一般存在于大部分井上，简单地 监测压力和检测压力异常可能引起在确定活塞位置中的误差。进一步，基于声学的装置要 求规定、购买、安装、构造和维持额外的设备。如在下面更详细地讨论，在一个实施例中，压 力传送器150连接到井100中的压力，并且用于基于测量的压力的导数，确定活塞110到达 井1〇〇的底部118的时间。该信息可以传送到控制器144,并且用于控制井100的操作。例 如，该信息可以使用任何适当的技术被传送到控制器144,诸如，例如，过程控制回路152。 过程控制回路152可以根据用于井操作中的标准通信技术操作，例如，有线和无线通信技 术二者。由传送器150测量的具体压力一般是井的中心柱中的压力，然而，包括井壳体的各 层中的压力的其他的压力也可以被监测。
[0026] 如下所述，井压力的测量可以用于确定井中的活塞已经到达井的底部的时间。图2 示出来自第一示例井的井管道压力与时间的关系曲线。示出全部的三个活塞循环。阴影方 块强调用于每个循环的井关闭的时间，开始于马达阀关闭并且活塞开始其降落的时间，并 且结束于马达阀再次打开并且活塞开始上升到表面的时间。虚线示出最小的管道恢复压力 (418psi)。在该示例中，井工程师已经确定，在关闭之后，管道压力需要增强到至少418psi， 从而具有足够的背压以促使活塞后退到顶部。
[0027] 如图2中所示，这个具体的井还具有60分钟的最低关闭时间。这保证活塞在被提 升之前，活塞达到井的底部。如以前所述，马达阀不应该太快打开。活塞被提升得太快的另 一个危险是，如果活塞完全干燥地升起，井中的压力可能导致活塞增加足够的速度，以吹动 捕捉器/润滑器组件完全地离开井口。因此，一般具有内建安全系数，要求井关闭最短的时 间。在该示例井上，最短的关闭时间是60分钟。
[0028] 因此，在该井上，PLC或井控制器具有关闭逻辑，所述关闭的逻辑可以规定为：如 果管道压力大于418psi，并且关闭时间大于60分钟，那么打开马达阀，其中，管道压力是井 管道中的压力。
[0029] 图3示出用于图2的周期1的关闭期间的放大部分。注意该曲线图的时间期间从 11 :17(在关闭之后约11分钟），直到约12 :05(就在马达阀打开之前）为止。在绘图上具 有可见的三个趋势。顶部的趋势是管道压力，一般通过井控制器看到。中间和底部曲线图 分别是管道压力的一阶和二阶导数。一阶导数指示压力信号的斜率。二阶导数提供压力信 号的曲率的指示。
[0030] 在11 :33处，管道压力已经超过418psi的最小需要的管道压力。在11 :52处，清 楚的导数事件在管道压力的一阶和二阶导数二者中是可见的。可以推断该事件对应于活塞 到达井的底部的时间。相似的事件出现在循环2(图4)和循环3(图5)的一阶和二阶导数 中的大约相同的时间处。这意味着，活塞花费46分钟下降到底部，并且具有每分钟206英 尺的平均下降速度。
[0031] 如图3中所示，在导数事件（在12 :06处）之后的14分钟，60分钟关闭时间达 至IJ，并且马达阀打开。假设这些事件确实对应于活塞到达底部，这些14分钟是浪费的循环 时间。提升活塞更快14分钟将允许井返回到更加快速地生产。
[0032] 图4和5示出用于来自相同井的循环2和循环3的相同的曲线图。导数事件在井 关闭之后分别是42分钟和45分钟。
[0033] 不同的井可以示出导数事件的不同模式。图6使用从第二井获得的管道数据示出 压力对时间的曲线图。数据被收集用于总共4个活塞循环。图7示出用于一个活塞循环 (循环4)的压力以及一阶和二阶导数与时间的曲线图。在这种情况下，该事件通过评估二 阶导数计算曲线图最容易识别。数据示出通常在关闭之后的大约相同的时间处的、用于其 他活塞循环（1、2、和3)的相似的事件。该导数事件还对应活塞撞击井的底部。
[0034] 如上所示，改变的速度（一阶和二阶导数）可以用于推断和识别活塞事件。然而， 困难的将是单独地基于这些压力信号导数实施井控制。这是因为在活塞循环中的期间而不 是活塞下降期间的过程中，管道或壳体压力信号的一阶和二阶导数可以比活塞撞击水（或 井底部）时大幅提高。因此，必要的是为活塞位置确定提供一些计时环境，从而这些活塞事 件仅在具体的时间窗中被检测。
[0035] 图8图示在另一个示例井中的多个活塞循环上的管道压力以及一阶和二阶导数 对时间的曲线图。管道压力中最突变的改变仅发生在活塞返回到井顶部之前（当活塞推动 多块水通过井口时）。作为这些突变的管道压力改变的结果，一阶和二阶导数是不稳定的， 并且成为正的和负的。一般地，在井中，可能的是使用许多不同的检测技术，检测活塞到达 井的顶部的时间。在活塞到达井的底部的时间的确定中应该排除这些导数事件。
[0036] 图9示出管道压力以及一阶和二阶导数的相同的曲线图，用于图8的活塞下降循 环之一。图9图示在马达阀关闭并且活塞最初开始下降之后立即地，具有管道压力的迅速 增加，并且结果，一阶和二阶导数的非常大幅地增加。这比活塞撞击井底部时看到的一阶和 二阶导数的改变更大许多。再次，系统不应该在马达阀关闭之后立即检测活塞事件。
[0037] 图10示出相同变量的进一步放大的部分，在井关闭之后的约10分钟开始。这里， 一阶和二阶导数非常清楚地示出活塞事件的检测，诸如活塞撞击井底部。该事件提供用于 最优化井的额外的值，因为其可以被井控制器使用以识别活塞到达井底部的时间。因此，活 塞事件检测算法应该包括一些类型的计时和逻辑，使得活塞事件仅在井循环期间的适当的 时间处被检测。例如，图1中示出的压力传送器150可以在马达阀关闭之后从PLC接收命 令。计时函数可以使用，使得压力传送器150仅在开始命令之后的某个数量的分钟（例如， 10分钟）已经过去之后，检测导数事件。
[0038] 图11是变化速率计算电路300的简单的方块图。变化速率计算电路接收由阻尼 电路302处理的来自压力传感器的压力测量。阻尼电路302接收可调节阻尼时间常数，并 且可以用作高频滤波器，以减少压力测量信号中的变化量，并且因而减少计算一阶和二阶 导数所需要的计算量。下采样电路304还设置有能够调节下采样间隔。这个下采样减少压 力测量信号中的数据量，因而也减少计算一阶和二阶导数所需要的计算量。图11还分别图 示一阶和二阶导数计算电路306和308。第一和第二采样期间可以被调节作为滚动采样时 间窗，具体的导数在所述时间窗上评估。这些电路操作使用可调节的第一和第二采样期间 操作，并且分别地提供一阶和二阶导数输出。图11中图示的各种方块可以一般在微处理器 中实施，所述微处理器根据软件指令操作。然而，还可能的是作为单个的电路元件实施这些 方块。各各变化速率参数可以是用户能够配置的参数或在制造过程中被配置。例如，这些 参数可以被调节用于具体的井特性。
[0039] 图12是简化的示意图，说明通过连接152连接到井控制器144的压力传送器 150。压力传送器150包括压力传感器320,所述压力传感器320提供压力测量信息到变化 速率计算电路300以及控制器144。来自变化速率计算电路300的一阶和二阶导数输出 也被提供到井控制器144。通过连接器152的通信可以根据任何适当的技术。示例包括 HART、y见场总线（Fieldbus)、Modbus、Profibus，以及其他的通信技术。另夕卜，可以包括诸 如WirdcssHART^^^无线通信技术。在这个配置中，井控制器144可以基于一阶和/或 二阶导数以及基于涉及活塞开始其下降进入井100的时间的计时信息，实施活塞事件检测 算法。例如，井控制器144可以在某个期间已经过去之后，例如10分钟，在井关闭事件已经 发生之后，观察一阶和/或二阶导数中的事件。如果一阶和/或二阶导数在这个时间周期 已经过去之后超过预先配置的极限，这可以用作井控制器144的指示，指示活塞已经达到 井的底部，并且井控制器144可以命令马达阀打开。
[0040] 图13图示另一个示例实施例，其中压力传送器本身包括事件探测器330,所述事 件探测器330基于一阶和/或二阶导数以及额外的信息识别活塞事件。例如，计时信息可 以通过井控制器144设置到事件探测器330,所述计时信息涉及活塞开始其下降进入井的 时间。事件配置参数可以提供到事件探测器330。例如，这些可以包括涉及一阶和/或二 阶导数的阈值水平，以及在事件检测算法被应用到一阶和/或二阶导数之前实施的计时延 迟。计时信息可以使用连接器152从井控制器144被通信到事件探测器330。再次，这个 通信可以根据监测通信协议的标准过程控制器。当然，还可以使用适当的技术。当检测活 塞到达井底部时，传送器150将状态信息（例如，状态位）通过连接器152通信到井控制器 144。井控制器144然后可以根据存储在其中的逻辑操作，以开始抬升活塞。
[0041] 图14是简化方块图，显示事件检测电路330的更详细的视图。在方块340处，可 以选择一阶和二阶导数中的一个或两个，用于识别活塞已经到达井的底部的时间。基于该 选择，输出被提供到方块342，其中确定在开始检测算法之前的等待时间。例如，这可以是在 任何导数事件已经过去的过程的时间，所述导数事件不涉及活塞到达井的底部。如果适当 的时间周期已经过去，在方块344处，特别的是一阶和/或二阶导数与阈值相比。如果阈值 已经超过事件，提供宣告输出。注意可以使用其他的比较技术，例如，一阶和/或二阶导数 中的特别的标记或波形可以被观察，一阶和二阶导数的相对值可以被监测，一阶和/或二 阶导数已经超过阈值期间的持续时间可以被观察，等等。当使用一阶和/或二阶导数识别 事件时，提供事件宣告输出。在另一个示例中，事件宣告基于一阶导数与第一阈值的比较和 二阶导数与第二阈值的比较。输出可以被提供到井控制器，用于井的控制操作中。
[0042] 虽然本发明已经参照优选的实施例进行描述，在本领域熟练的技术人员将认识 至IJ，可以在没有违背本发明的精神和范围的情况下进行形式和细节上的改变。虽然一阶和 二阶导数在上面得到讨论，可以使用任何阶导数。于此讨论的各种元件或电路可以在软件、 硬件、或它们的结合中实施。可以使用模拟和/或数字电路二者。
【权利要求】
1. 一种用于检测活塞到达井的底部的时间的系统，包括： 压力传感器，所述压力传感器构造成用于测量井的压力并且提供测量的压力输出； 导数计算电路，所述导数计算电路构造成用于计算测量的压力输出的导数；和 检测电路，所述检测电路基于导数输出检测活塞到达井的底部的时间。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述导数包括斜率指示。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述导数包括曲率指示。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述导数包括一阶导数。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中所述导数包括二阶导数。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中所述导数计算电路计算采样窗口上的导数。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中所述采样窗口是可配置的。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中所述检测电路基于测量的压力输出的一阶导数和 二阶导数，检测活塞到达井的底部的时间。
9. 根据权利要求1所述的系统，其中所述压力传感器、所述导数计算电路和所述检测 电路在压力传送器中实施。
10. 根据权利要求1所述的系统，包括实施导数计算电路的压力传送器。
11. 根据权利要求1所述的系统，包括实施检测电路的井控制器。
12. 根据权利要求1所述的系统，其中检测电路进一步接收涉及活塞开始下降进入井 中的时间的计时输入，并且其中检测电路基于导数和计时输入检测活塞到达井的底部的时 间。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中计时输入通过井控制器提供。
14. 根据权利要求1所述的系统，包括构造成用于衰减测量的压力输出的阻尼电路。
15. 根据权利要求1所述的系统，包括构造成用于下采样测量的压力输出的下采样电 路。
16. 根据权利要求1所述的系统，其中所述检测电路根据最小的等待时间参数操作。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中所述最小的等待时间参数是能够配置的。
18. 根据权利要求1所述的系统，其中所述检测电路根据检测阈值极限操作。
19. 根据权利要求17所述的系统，其中所述检测阈值极限是能够配置的。
20. 根据权利要求1所述的系统，其中所述检测电路根据包括一阶导数和二阶导数中 的一个的选择的变量来操作。
21. 根据权利要求19所述的系统，其中所述选择的变量是能够配置的。
22. -种检测活塞已经到达井的底部的时间的方法，包括： 测量井的压力并且提供测量的压力输出； 计算测量的压力输出的导数； 基于计算的导数检测活塞到达井的底部的时间。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述导数包括斜率指示。
24. 根据权利要求22所述的方法，其中所述导数包括曲率指示。
25. 根据权利要求22所述的方法，其中所述导数包括一阶导数。
26. 根据权利要求22所述的方法，其中所述导数包括二阶导数。
27. 根据权利要求22所述的方法，其中所述导数在采样窗口上计算。
28. 根据权利要求27所述的方法，其中所述采样窗口是能够配置的。
29. 根据权利要求22所述的方法，其中所述检测基于一阶导数和二阶导数。
30. 根据权利要求22所述的方法，其中所述检测进一步基于涉及活塞开始下降进入井 的时间的计时信息。
31. 根据权利要求30所述的方法，其中计时信息通过井控制器提供。
32. 根据权利要求22所述的方法，包括衰减测量的压力输出。
33. 根据权利要求22所述的方法，包括下采样测量的压力输出。
34. 根据权利要求22所述的方法，其中所述检测基于最小的等待时间参数。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中所述最小的等待时间参数是能够配置的。
36. 根据权利要求22所述的方法，其中所述检测基于检测阈值极限。
37. 根据权利要求22所述的方法，其中所述检测阈值极限是能够配置的。
38. 根据权利要求22所述的方法，其中所述检测基于包括一阶导数和二阶导数中的一 个的选择的变量。
39. 根据权利要求38所述的方法，其中所述选择的变量是能够配置的。
【文档编号】E21B47/09GK104514546SQ201410336401
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】约翰·菲利普·米勒, 大卫·莱尔·韦斯 申请人:罗斯蒙特公司