实时泵诊断算法及其应用
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请要求2012年11月19日提交的美国临时专利申请序号61/727894的优先权益， 通过引用将其内容完整地结合到本文中。
[0002] 关于联邦资助研发声明 不适用。
[0003] 附录参考 不适用。
技术领域
[0004] 发明领域一般来说，本文所公开和讲授的本发明涉及泵诊断方法，以及更具体来 说，涉及供与杆式泵（rod pump)及类似井泵唧（well pumping)系统配合使用的实时和近实 时泵诊断技术和方式。
【背景技术】
[0005] 用于直油井的现代泵诊断技术于1966年源于Gibbs[Gibbs S. G等人，Journal of Petroleum Technology，Vol. 18 (1)，第 91-98 页（1966)]。Gibbs 使用变量分离的方法来 生成泵位置的显解（explicit solution)，其满足所测量的悬点位置和载荷（polished rod position and load)的限制。在1987年，Jennings将有限差方法应用于直井的波动方程， 并且得到与通过变量分离的方法相似的一些泵卡（pump card) [Everitt Τ. A.等人，SPE Production Engineering，第 121-127 页（1992年2月）]。在 1991 年，Lukasiewicz 通过考虑 轴向和横向运动，经过有限元方法来得到对一些斜井的杆柱的波动方程的解[Lukasiewicz S. A.，Journal of Canadian Petroleum Technology，Vol. 29 (6)，第 76-79 页（1990); Lukasiewicz S. A. ,Proc. Of Production Operations Symposium，1991 年4月，Oklahoma City，Oklahoma，第313-321页]。在1992年，Gibbs通过将库仑摩擦包含在波动方程中 提出对斜井的诊断解决方案[Gibbs S. G.，Journal of Petroleum Technology，Vol. 44 (7)第774-781页（1992)]。在2001年，Xu增强对斜井的Gibbs的诊断方式[Xu J.等人， Proc. Southwestern Petroleum Short Course，第 133-140 页（2001)]。在 2003年和 2010 年，Shardakov和Vasserman通过变分不等式研宄斜井的粘滑现象[Shardakov I. N.等人， Journal of Sound and Vibrations，Vol. 329,第317-327页（2010) ;Vassserman I. N.等 人，Journal of Mechanics and Technical Physics，Vol. 44 (3)，第406-414页（2003)] 〇 在2012年，Pons-Ehimeakhe通过在对波动方程的有限差方法的上下行程中包括库仑摩擦 或者考虑不同黏性阻尼值来研宄直井和斜井[Pons-Ehimeakhe V.，Proc. Southwestern Petroleum Short Course，Lubbock，TX (2012 年 4月）]〇
[0006] 在上述方式中，首先获取和显示行程循环的悬点位置和载荷的数据点。然后运行 诊断算法，以得到泵位置和载荷。在显示泵卡与显示表面卡之间存在时间延迟。一般来说， 泵卡的第一数据点的显示与表面卡的第一数据点的显示之间的时间延迟处于一个行程循 环与两个行程循环之间。延迟时间是悬点行程循环、对悬点数据的滤波和内插所花费的时 间以及对运行诊断算法所花费的时间的累积。在石油行业中存在对实时或者近实时地显示 泵卡的需求。本公开使用若干实时或者近实时诊断技术和方法（包括对井中的杆柱的波动 方程的有限差和傅立叶级数解）来解决在实时或者近实时模式显示泵卡的问题。实时泵诊 断技术具有三个主要有益效果：1)它提供实时或者近实时泵信息；2)它将抽空控制动作 提前大约泵唧循环的一半；3)它对油泵的主动速度控制是有用的。
[0007] 通过有限差方法，开发用于实时计算泵卡的技术，并且报告模拟结果。通过傅立叶 级数方法，通过使用信号的周期性，得到在任何时间点的泵数据点（泵位置和泵载荷），并 且表面和泵数据点能够同步显示和擦除。应用波传播延迟定律，使得泵运动相对于悬点运 动以适当时间来延迟。
[0008] 本文所公开和讲授的发明针对用于与表面卡实时或者近实时同步显示泵卡的技 术以及这类方法和技术的实现。
【发明内容】
[0009] 本发明的上述目的及其他优点和特征结合在如本文以及关联附录和附图所提出 的、与用于特别是实时或者近实时地分析、诊断和显示（在表面卡、泵卡或者两者）来自泵 唧单元等的系统相关的应用中。
[0010] 按照本公开的第一实施例，描述用于分析和显示泵卡和表面卡的实时和近实时方 法，包括有限差和傅立叶级数分析的两种方法。
[0011] 按照本发明的另一个实施例，悬点载荷能够从经过称重传感器的直接测量或者从 经过电动机转矩的计算来得出。
[0012] 按照本发明的另一个实施例，第一表面行程可表示启动泵唧之后的任何稳定表面 行程，并且不一定表示紧接启动泵唧单元之后发生的第一表面行程。
[0013] 按照本发明的另一个实施例，任何表面数据点一旦在测量时则被显示，以及任何 泵卡数据点一旦在计算时则被显示。
[0014] 按照本发明的另一个实施例，表面卡仅在其循环完成之后被擦除，泵卡仅在其循 环完成之后被擦除，表面卡及其对应泵卡能够同时地或者以某个延迟依次地擦除。
[0015] 按照本发明的另一个实施例，提供一种用于实时计算泵数据点的方法，这些方法 在上一个表面数据点与当前表面数据点之间的时间间隔中计算和显示当前泵数据点，以及 这些方法计算第一表面行程完成时或之前计算第一泵卡的数据点。
[0016] 按照本发明的另一个实施例，第一表面行程的数据点的部分或完全集合用来计算 第一泵数据点。数据点可包括但不限于可测量、得出或推断的数据点，例如位置、载荷、压 力、电动机转矩或电动机电流。
[0017] 按照本发明的另一个实施例，实时泵卡点能够每隔几个表面数据点来得到，以给 予更多时间来运行实时泵诊断算法，以及实时泵诊断算法适合于具有可变数量的数据点的 行程。
[0018] 按照本发明的另一个实施例，实时泵诊断方法可适用于具有单或者多锥杆柱的直 井、平井和斜井。
[0019] 按照本发明的另一个实施例，实时泵诊断方法具有泵条件的迅速诊断以及泵的迅 速控制的优点。
[0020] 通过以下为了便于公开所提供并且结合附图对本发明的当前优选实施例的描述， 其他及进一步目的、特征和优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0021] 以下附图形成本说明书的部分，并且被包含以进一步示范本发明的某些方面。通 过结合本文所提供的具体实施例的详细描述参照这些附图的一个或多个，可更好地了解本 发明。
[0022] 图1示出具有三锥杆柱（three-taper rod string)的直井的悬点位置和载荷的 图形表示。
[0023] 图2示出作为用于实现本文所述的本发明的方法的示范实施例、以某个时间延迟 来显示和擦除表面和泵卡的图形表示。
[0024] 图3示出在得到和显示第一泵数据点时的井1的表面和泵卡。
[0025] 图4示出在得到和显示数十个泵数据点时的井1的表面和泵卡。
[0026] 图5示出在得到和显示泵循环的数据点的大多数时的井1的表面和泵卡。
[0027] 图6不出井1的完整第一泵卡和第二表面的部分开始点。
[0028] 图7示出采用作为用于实现本文所述的本发明的方法的示范实施例的傅立叶级 数方法的悬点位置和相干泵位置的序列。
[0029] 图8示出在井1的行程循环的第68个时间点的表面和泵卡。
[0030] 图9示出在井1的行程循环的第136个时间点的表面和泵卡。
[0031] 图10不出在井1的行程循环