专利名称：气升式石油生产中使用压力变送器的环形空间堵塞检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及气升式石油生产操作，特别地，本发明涉及在这种操作中改良的环形空间堵塞检测。
背景技术：
提升原油的气升方法使用在很多世界的油井中。的确，在其中存在相当数量的伴随气体和含有相当数量的产生固体的油田中，优选的是增大自然储积层的压力并从而增加产量的方法。
因为此技术在井口包括相对紧凑的设备，在诸如海面上的空间很短缺的地方以及在维修的通路受到限制的地方，此技术特别有吸引力。
图1是典型的气升油井的简图。中心管道10限定通道12，原油通过通道12在箭头14的方向上流动直到地面并最终到达一个或多个收集站。中间部分包括中间导管16，优选地，所述中间导管16同心地设置在管道10的周围以限定导管16和管道10之间的内环形空间17。加压气体注入到内环形空间17内并在箭头18的方向上向下行进到管道系统的底部。然后加压气体通过特别部分进入包含原油的中间部分。这产生了原油经管道10上升到表面的升力。依据此过程的性质，内环形空间17被加高压并经常具有超出外界的温度。外壳20限定外壳20和导管16之间的外环形空间22。外环形空间22和外壳20有助于保护环境以防止泄漏和抽吸操作的任何热影响。在理想的情况下，外环形空间22内的压力略低于大气压，并且不会具有设置在其中的诸如石油或气体的任何物质。然而，在实际操作中，外环形空间22由于自内环形空间12的泄漏或限定内环形空间17和外环形空间22之间的阻挡层的导管16内的破裂可以变得被加压。外环形空间22内的压力有时可以达到每平方英寸2000磅的等级的水平。在这些情况下，为操作油井，也许需要来自政府或其他合适的管理机关的特别许可。在此情况下，为遵守规定，必须监测外环形空间22内的压力。
使监测外环形空间22内的压力复杂的一个因素是设置在外环形空间22内的物质，所述外环形空间22也许会(部分或全部)充满诸如来自周围或储积层的水、泥、石油的物质。因为这些物质由于具有相当高的压力在相对高的温度下会凝固，这些物质的存在对压力测量能够产生相当大的问题。如图1中所示，为了监测外环形空间22内的压力，诸如变送器24的压力变送器有时可操作地连接到外环形空间22上。
在正常的石油抽吸操作期间，油井温度可为约160，此温度是由相对高压的气体注入到系统中引起的。因为多种原因，油井偶尔会停止操作。在此情况下，靠近地面和高出地面的井口的温度会降到外界温度。在这些情况下，在外环形空间22内的物质可以凝固，并在外环形空间22内和/或仪器管道26内产生堵塞。当此发生时，通过使用变送器24获得的压力测量值将不再反映外环形空间22内的实际压力。当油井又开始操作时，油井中的温度开始上升。这种温度上升会导致外环形空间22底部的物质膨胀。因为在顶部可能有凝固堵塞，在堵塞下面的环形空间22内会出现相当的压力增加。在此过程中，已经观察到超出每平方英寸4000磅的外环形空间压力。由于在环形空间22顶部的凝固堵塞，通过使用变送器24测量到的压力将不会指示此剧烈的压力升高。因此，在井口处常规的压力监控也许无助于检测到此问题。如果油井内的压力上升太多，可能会在顶部引起爆炸且引起对环境的泄漏和潜在的严重伤害甚至死亡。
因此，确定外环形空间是否正在变得堵塞或已经堵塞极端重要。而且，为了保证在此监测过程中不需要额外的成本，如果在不增加重要的硬件或技术人员时间的情况下此监测可以完成，此监测过程将是有益的。
发明内容
对于气升油井提出了外环形空间堵塞检测。使用压力变送器实现外环形空间检测。压力变送器提供油井的外环形空间内的压力的指示。与多个外环形空间压力读数有关的参数用来提供环形空间堵塞的指示。统计参数的示例包括平均值和标准偏差。
图1是典型的气升油井的简图；图2是压力变送器的简图，所述压力变送器可操作地连接到根据本发明的实施例的外环形空间；图3显示了根据本发明的实施例执行的试验的结果；图4显示了与图3的试验情形相同的作为时间的函数的标准偏差。
具体实施例方式
图2是可操作地连接到外环形空间22的压力变送器100的简图。变送器100的压力传感器102流体连接到环形空间22，并且具有随环形空间22内的压力变化的电特性。压力传感器102可以是电容类型的压力传感器、基于电阻的应变计式压力传感器或任何其他合适的传感器。压力传感器102电连接到模数转换器104。转换器104将来自传感器102的模拟信号转换成数字数值，所述数字数值由转换器104经线路106提供给控制器108。另外，根据此发明的一个实施例，转换器104可以提供用虚线表示的辅助输出110，所述辅助输出110仅反映指示模拟读数的数字位流。数字位流的使用允许更高的分辨率，这对一些类型的统计处理有用。例如，当传统的模数转换器可以在线路106上提供每秒大约22次的数字转换时，在线路110上的数字位流的频率可以超过100kHz。
电源模块112可以包括任何合适的用来接收电力和传输电力到变送器100的元件的电路。如线路114指示的，模块112连接到所有需要电力的元件。模块112可以包括储能电池或可以包括连接到能源的合适的电路。众所周知，一些过程工业标准协议提供了操作功率。这些协议的例子包括HART，和FOUNDATIONTM现场总线。电源模块112还可以包括一个或多个合适的换能器，所述换能器用来将电势能转变为用于变送器100的电能。从而，模块112可以包括一个或多个例如太阳能电池。
通信模块116连接到控制器108并使变送器100与一个或多个外部装置通信。在预期变送器100通过使用工业标准过程通信协议进行通信的实施例中，模块116将作适当地修改。例如，如果变送器100将通过使用FOUNDATIONTM现场总线协议进行通信，模块116可以包括任何适当的已知现场总线通信电路。在一些实施例中，变送器100可以提供指示环形空间22内压力的第一信号和表示环形空间堵塞的第二信号。已知的协议允许经由同样的通信线路供给这样的信号。例如，一个信号可以模拟格式提供，而第二个信号可以是叠加数字信号。
优选地，控制器108为微处理器。控制器108可以是变送器100的部件，或放置在远离变送器100的地方。控制器108可以包括内存储器(没有分别示出)和/或可以连接到外存储器120。通过使用内存储器、外存储器120或它们的组合，控制器108将存储压力测量数据，所述压力测量数据与时间上的、来自压力传感器102的读数有关。根据本发明的实施例，已经确定基于与压力传感器102有关的多个时间上间隔开的读数能够揭示环形空间22的堵塞。说明书剩下的大部分将集中在统计参数的使用上。然而，通过使用其他的诸如模糊逻辑、神经网络、学习技术、趋势分析的分析技术以及任何其他合适的方法，或它们的任何组合，能够实施本发明的实施例。
为了了解堵塞的效果，在实际的油井和模拟的实验室钻井装置上都执行了各种模拟。在这些模拟中，通过将测量装置与过程隔离，使用仪器管道上的各种阀以人工引发环形空间堵塞的条件。市场上买得到的压力变送器(商业牌号3051 ST，可从Rosmount，Inc.，of Eden Prairie，Minnesota得到)用作压力测量装置。此变送器配备有用来为统计计算提供快速更新诊断的辅助数据通道110。使用在模拟中的两个统计计算是压力测量值的平均偏差和标准偏差。然而，不应认为本发明的实施例限于这些统计计算。
图3显示执行的试验中的一个的结果。此曲线代表作为时间的函数的平均参数。在此特殊情况下，外环形空间22内的正常操作压力大约为每平方英寸426磅。每次关闭阀以促使环形空间堵塞时，相较于正常的操作压力，平均参数压力读数显示了数值的大幅下降。试验已经得出的结论为温度变化和管道/阀泄漏有助于作为堵塞的结果的这种变化。因此，压力变送器100可以特征化为，或者另外校准为已知的非堵塞状态。然后，如果压力传感器读数的平均值与“好”状态基线偏离超出允许的阈值，自指示环形空间堵塞的压力变送器100提供警报或者其他合适的指示。
图4显示了与图3的试验情形相同的作为时间的函数的标准偏差。标准偏差参数代表更加与众不同的用于堵塞指示的信号。每次系统堵塞时，在标准偏差中可以观察到峰值。因为从图4中所示的结果看标准偏差显而易见，因此，标准偏差可以单独使用，或者与平均值共同使用，以提供环形空间堵塞检测。
对环形空间堵塞检测而言，另一挑战性的情形是当油井停止和启动的时候。在此情况下，外环形空间22内的压力将不高于正常操作期间的压力。然而，在此情况下，仍然可以使用统计过程监控。如果在抽吸操作停止运转之前在压力变送器上已经执行了训练，那么，外环形空间平均压力和其标准偏差能够作为基线记录。当油井再次启动时，如果没有堵塞，预期压力测量值会从其停止运转水平上升。如果有堵塞，压力测量值将不会显著地上升，从而表示环形空间堵塞。因此，根据本发明的一个实施例，压力变送器100设置有关于抽吸操作或者停止和启动，或者关于抽吸操作、停止和启动的通知。从而，当压力变送器100收到抽吸再次启动的通知时，在预期测量值可接受之前，可以等待预先选定的持续时间。
尽管优选地，关于外环形空间压力的统计参数的监测连续地进行，但通过在选定的时间间隔获取外环形空间压力，或者甚至响应技术人员的请求，本发明的实施例能够得到实施。然而，为了提供统计计算，足够的压力测量值的数值必须由压力传感器102采集。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，本领域的熟练的工人将承认在不偏离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上可以做出改变。
权利要求
1.一种用来检测气升油井内的外环形空间堵塞的系统，所述系统包括压力变送器，所述压力变送器能够可操作地连接到气升油井的外环形空间，所述压力变送器适于提供与外环形空间内的压力有关的信号；以及控制器，所述控制器构造为接收所述信号和获取与外环形空间有关的多个压力测量值，所述测量值时间上间隔开，基于多个压力测量值，所述控制器构造为计算表示环形空间堵塞的参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器是压力变送器的元件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力变送器适于提供第一信号和第二信号，所述第一信号指示外环形空间内的压力，所述第二信号指示堵塞。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述压力变送器通过数字处理通信环通信。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力变送器通过数字处理通信环被提供电能。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力变送器还包括模数转换器，所述模数转换器将数字转换提供给控制器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压力变送器还包括模数转换器，所述模数转换器将高速位流提供给控制器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参数是统计参数。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述统计参数是平均值。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述统计参数是标准偏差。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述统计参数是平均值和标准偏差的组合。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参数通过使用模糊逻辑计算。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述参数通过使用神经网络计算。
14.一种确定气升油井的外环形空间是否至少部分堵塞的方法，所述方法包括获取外环形空间内的多个时间上间隔开的压力测量值；通过使用所述多个测量值计算统计参数；以及基于所述统计参数提供堵塞的指示。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法供给压力变送器执行。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述统计参数是平均值。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述统计参数是标准偏差。
18.一种气升油井，包括第一管道，所述第一管道具有限定适于输送加压原油的内部的第一管壁；第二管道，所述第二管道具有与第一管壁限定内环形空间的第二管壁；外壳，所述外壳与第二管壁限定外环形空间；以及用于检测外环形空间堵塞的装置。
全文摘要
对于气升油井提出了外环形空间堵塞检测。通过使用压力变送器(100)实现外环形空间检测。压力变送器(100)提供油井的外环形空间(20)内的压力的指示。与多个外环形空间压力读数有关的统计参数用来提供环形空间堵塞的指示。统计参数的示例包括平均值和标准偏差。
文档编号E21B47/00GK1910338SQ200580002366
公开日2007年2月7日 申请日期2005年2月3日 优先权日2004年2月5日
发明者卡迪尔·卡瓦克里格鲁, 马考斯·佩卢索 申请人:罗斯蒙德公司