提高泵关断控制器性能的方法和装置的制作方法

专利名称：提高泵关断控制器性能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在使用活塞杆式泵的生产井中的流体生产控制技术。更具体地说，本发明涉及在使用活塞杆式泵的生产井中，产生和利用反馈控制信号来控制泵速及开关状态的方法和装置。
成千上万的生产油井都使用活塞杆式泵系统，以把较浅的、低压形成井中的井产液提升到地面。每个特定井的工作参数通常决定了整个泵送系统的参数。例如，行程长度、生产管直径以及每分钟泵行程的泵速度通常是根据井深、地层压力以及期望的流体开采速度来确定的。如果流入生产井中的流体流量远远大于泵的流量，将在井孔中积聚成一个大的流体“压头”，并可能在生产层上产生相当大的静液背压，使从生产结构层流入的流体流量减小或停止。另一方面，如果泵的排量比流入井中的流体大得多，这将最终导致一种叫做“流体锤击”的状态。
“流体锤击”可以说成是在活塞杆式泵下行程的泵送活塞撞击液体或气体表面产生的冲压力。这种“锤击”或“拍击”的振动力作用在载荷支撑活塞杆系上并由其传送到泵送系统的地面元件上。结果将损坏泵送装置及泵送系统的其它元件，并消耗过多的能量。泵关断控制器在石油工业中被广泛用于控制泵的开/关状态，特别是用来尝试把“流体锤击”量减到最小。包括负载传感器(应变仪负荷传感器)的标准泵关断控制器固定在抛光杆(杆系最上部的杆)上以测量作用在杆系上随着泵送循环变化而变化的动态负载。从负载传感器得到的数据用来制作所谓的泵“图”(载荷与循环位置的关系曲线)。通常，当流体锤击变得严重时，泵关断控制器将感受由图描述的工况并简单地关断泵送装置的电机。在一些系统中，它仅仅缓慢降低电机转速而不是完全关断电机，以便使流体产量与流入生产井孔中的流量更接近匹配。
在泵图分析中，产生的问题归因于除流体锤击以外的可以影响“图”的形状的因素。例如，未锚定的管系井的管系移动、生成的气体干扰、磨损或不起作用的柱塞泵、牵引摩擦力、磨损的固定阀或磨损的游动阀、弯曲或裂缝的泵筒都能影响在抛光杆上的负载传感器测量的整个“图”的形状。这些因素在最好的情况下也将使图的分析变得含糊不清，或者完全遮掩了在图上应检测到的流体锤击状态。因此，非常需要产生一个清晰的反馈控制信号，用来检测在活塞杆式泵系统工作的油井中的流体锤击。还非常需要产生一个泵控制信号，用来明确指示流体锤击及定量的流体锤击程度。还非常需要产生一个从固定传感器产生的控制信号，而不是来自泵系统中固定在抛光杆上的移动传感器的信号，这样的固定传感器将有固定的电路连接，而不是作为连接在抛光杆上的负载传感器的移动传感器，因此更加可靠。
在本发明的系统中，一个不昂贵的磁致伸缩的或压电类型的过载传感器被固定在泵送装置的支承结构上，最好是承重支柱上。过载传感器的输出被数字化并传送到一个小的处理计算机或微处理机内。处理机使用模式识别技术，像数字信号处理和/或者傅立叶级数分析法，根据过载传感器信号来检测流体锤击的存在。从处理机产生的输出信号被用来控制泵送系统的原动机的泵送速度或将其关掉。量化的过载传感器信号可以被处理用来检测非常轻微的流体锤击状态。由于流体锤击振动由机械作用直接从活塞杆系传递到地面上包括承重支柱在内的支承结构上，所以由活塞杆状态导致的测量的不精确性被消除了。
参照附图结合以下详细的描述将会更好的理解本发明。应该明确附图是用来说明本发明而不是限制本发明的。


图1是典型的地面泵送系统的透视图；图2A和2B表示图1所示的泵送系统处于上行程(图2A)和下行程(图2B)位置时的几何尺寸；图3是“泵图”的曲线示意图，表示作用在杆系上的负载与图1和图2所示泵送系统的泵循环位置之间的关系；图4A-4E所示为图1所示系统中的井下伸缩式套管泵部分处于泵送循环的不同位置及该系统中的固定阀和游动阀的工作的剖面示意图；图5A-5B示意表示图1所示系统充满流体期间井下和地面的泵图6A和6B示意表示“流体锤击”状态下井下和地面泵图；图7A-7E为说明杆或泵的状态如何影响地面图的形状的泵图；及图8表示本发明的提高泵关断能力控制器的示意图。
首先参照图1所示的活塞杆式井泵送系统的地面部分的透视示意图。该系统安装在钢轨或底座11上，其它元件焊在或固定在其上。可以包括一个汽油机或电动机的原动机12驱动皮带(位于皮带罩13下面未示出)运动，皮带又依次驱动装有制动器14的齿轮箱15。齿轮箱15驱动有两个连杆臂16连接其上的两个曲柄15A，连杆臂16是借助于一对曲柄销轴承25与曲柄15A相连接的。一对可调的配重26也与曲柄15A相连，配重26可沿曲柄15A移至不同的位置以平衡随井深而定的杆系及井下泵的重量。连杆臂16的上端与平衡梁18相连接，平衡梁18通过平衡梁轴承19又可转动地与摇梁21相连接。
摇梁21及地面和井下泵送装置的全部重量由三根支柱17承受，支柱下端焊接到底座11上，其上端又通过中央轴承21支承摇梁21。摇梁21有一个安装到与平衡梁轴承19相对的一端的驴头(horsehead)22。驴头22要加工成这样的形状当摇梁21绕中央轴承20上、下往复运动时，要使双股或多股钢丝悬挂器23能通过驴头的边缘擦过。悬挂板24从钢丝悬挂器23向下伸出，并通过抛光杆27支承整个活塞杆系(井内部分未示出)，其中抛光杆27为杆系中最上部的杆件，抛光杆27伸进产油管28并将摇梁21和驴头22的上下往复运动传递到杆系。
现在参照图2A和2B所示的泵送系统的地面元件运动的几何示意图。图2A表示活塞杆式泵的上行程，图2B表示活塞杆式泵的下行程。摇梁21绕中央轴承20转动。图1中的原动机2驱动曲柄15A绕齿轮箱轴15B(图2A)顺时针转动，连杆臂16偏离15B的距离为R，在那一点连杆16通过曲柄销轴承25与曲柄15A相连。因此，在图2A所示的位置，曲柄销轴承25是向下运动的，这又使平衡梁轴承19通过连杆臂16向下运动，从而使驴头22向上运动并牵引悬挂的杆系向上运动。相反的位置情况在图2B中示出，连杆臂16向上施力于平衡梁轴承19，因而驱动驴头22向下运动，使得悬挂杆系下降。配重26连接在曲柄15A上，通过与悬挂杆系和井下泵泵上的流体柱的重量相平衡来选择配重的数值(重量)和离开支枢点15B的距离，以便在工作过程中尽量保持元件处于平衡状态。
现在参照图3所示的“泵图”或负载(纵坐标)与泵循环位置(横坐标)关系曲线的示意图。它表示固定在抛光杆上的负载传感器在如图2A和图2B所示的角θ从0°旋转到360°时测量的值。角θ表示从上止点(垂直的连杆臂16)到连接转轴点15B与曲柄销轴承轴线25的连线R的角度。图3中的水平线CB表示平衡配重26。在上行程时“图”表示杆系及正在泵上的流体增加的重量。在180°～360°的下行程时，杆系自由下落，因而从CB重量中减去其相应的重量。
现在参照图4A-4E所示的系统的井下泵部分的系列剖视图。生产管系41通常其下部(未表示)锚定在钻井中水泥浇注成形的井筒上。流体通过在井形成过程中制造的孔洞(如其后的图8所示)从生产区域进入套管。
活塞杆系42延伸到地面并获得前述的上下运动。井下泵组件45装有一个球阀固定阀43和一个球阀游动阀44。固定阀43位于通过一个夹具47固定到管系上的伸缩式套管泵组件的下端。一个泵柱塞48连接在杆系42上，并且在杆系42的驱动下在组件45中上下运动。游动阀44和泵柱塞48一起运动。在泵组件45顶部装有一个允许被泵柱塞运动所泵上的流体进入生产管并泵上地面的生产阀46。
在图4A所示工作过程的上行程时，固定阀43和生产阀46同时打开。游动阀关闭。泵柱塞48通过生产阀46泵送其上的流体到生产管。在图4B所示的下行程开始时，生产阀46关闭且游动阀44开启。柱塞48向下移动并在柱塞穿过以前在上行程中通过阀43进入组件45的流体过程中允许气体和产生的流体流过柱塞。在图4C和4D中，柱塞48在生产阀46打开的情况下(图4D)继续向下运动到接近柱塞48的行程最低点，并允许生成的流体进入生产管。
最后如图4E所示，在柱塞48的上行程刚刚开始时，固定阀43打开，游动阀44又一次关闭，生产阀46保持打开。这样就完成了一个完整的泵送循环。
现在参照图5A及5B表示泵中充满流体的情况的两张泵图。图5A示出了由连接在抛光杆上的负载传感器测量的实际地面图所测量的图，而图5B示出了在没有杆系引起的变形的理想情况下的图的样子。在点A游动阀关闭并且载荷开始从生产管系传递到杆系。在B点，所有流体载荷由活塞杆承受，并且固定阀打开。在点B和点C之间，向地面泵送流体并且在游动阀下的泵室允许流体通过固定阀进入泵体。在C点达到行程上止点并且固定阀关闭。在C和D点之间，负载从活塞杆系传递回生产管。在D点游动阀打开并且泵柱塞开始下降穿过允许流入的流体。在点D和A之间，柱塞在游动阀打开和固定阀关闭的情况下下降，直到A点时游动阀关闭且柱塞开始下一循环的向上运动。图5B的理想泵图和5A的测量图的差别是由杆系引起的滞后效应和变形引起的。杆系的张弛不是同时发生的，杆系还存在着伸缩现象。
现在参照图6A和6B所示，泵图6B表示理想状况，图6A表示是由抛光杆上负载传感器在泵送循环产生流体锤击状况时测得的。流体锤击是当下降中的泵柱塞在固定阀关闭时的下行程中碰撞气体/流体表面时发生的。在图6A和6B中的A点时，游动阀关闭且负载开始从管传递到杆上。当杆系将流体泵入生产管时，在点A和B之间表示上拉杆系的张力增加。在点B时所有负载都在杆系上，并且固定阀打开。在点B和C之间表示流体被泵送到地面。同时在柱塞下的泵室部分地充入流体。流体充入量通常将少于接近泵关断条件的泵室容量。在C点固定阀关闭，在C和D之间流体负载从杆系传递到管系。在游动阀关闭情况下，柱塞迅速降入低压气体中直到碰撞不可压缩流体表面。在这点时，载荷从杆系迅速释放并且说泵柱塞，“锤击流体”。这将产生传递到杆系、管系的振动并由此通过杆系传递到地面的承重支柱上。在点D游动阀打开，泵柱塞下降穿过流体到达点A。在点A游动阀关闭，新的泵送循环开始。
在泵图中从理想状况(图6B)到测量状况(图6A)所产生的失真是由于杆系的影响。现在参照图7A的管系运动；图7B的气体压缩干扰；图7C表示柱塞或游动阀；图7D表示一个磨损的固定阀；及图7E示出一个磨损的或裂缝泵壳或泵筒。在地面上由每个这些影响产生的实际测量泵图都同样遭受从图5B和6B的理想情况到图5A和6A的滞后失真。而且，由于有可能多于一个的如图7A-7E泵图中的条件将同时出现，而且，由于有可能多于一个的如图7A-7E泵图中的条件将同时出现，将可能在地面图中测量到任何或全部的影响的叠加。这样的图将充满模糊性，并且即使不是不可能，根据流体锤击去理解也是十分困难的。
现在参照图8示意表示的结合本发明思想的泵送系统。系统的地面部分包括一个原动机或电动机81驱动曲柄82，曲柄82又驱动通过平衡梁轴承84连接到摇梁85上的连杆臂83，摇梁85装有驴头86。摇梁通过中心轴承87可旋转地安装在承重支柱88上。井筒89由水泥浇注成型，流体通过孔洞90进入井筒。生产管系97通过锚定管道99锚定在井筒89上。由抛光杆98支撑的杆系93往下调到泵92中生产管97的较低端。一个压电的或磁致伸缩的过载传感器95固定在承重支柱88上。由流体锤击产生的振动通过杆系93和生产管系97传导到地面装置，并可以由此作为传感器95的电输出被检测到。传感器95还可以包括传统形式的数字电路，将其测量到的模拟电压转换成的数字式幅值时序。
传感器95的信号传递到处理器96，处理器96可以包括一个例如装有数字输入调制解调器的Packard Bell Model 20CD的小的通用目的计算机或者如果需要，可以是一个例如INTEL 80486或PENTIUM处理器的专用的微处理器。处理器96完成对来自一个(或如果需要为更多个)用于检测在井下泵中的流体锤击状态的过载传感器95的输入信号的分析。例如，与平稳满流体泵送状态比较，流体锤击状态包含许多高频振动能量成分。因此如果将输入信号用傅立叶变换分析法分解成各频率组分，由“流体锤击”产生的高频组分的存在和振幅将被检测到。然后处理机96通过图8所示的线路100提供一个反馈控制信号到系统的原动机或电动机81。这个控制信号可以是一个能够降低或关断电动机81的信号以便使井孔91中积聚更多的流体。
如果需要的话，来自过载传感器95的输入信号的其它分析也可以由处理器完成。例如，处理机组可以包括一个神经网络模式识别程序。已知类型的神经网络可以通过真实的或假想的数据进行“训练”而使其识别由已知条件产生的波形的特定特性。他们然后可以被用来识别同样条件的未知波形。在任何情况下，由于对井下流体锤击产生的振动能量使用直接检测，没有由泵、管系或者阀状态造成的失真混入分析而导致的前述的关于传统的负载传感器泵图分析的模糊状态。
对前面描述的改变和改进对本领域专业技术人员是显而易见的。附加的权利要求书的目的是为了包含所有在本发明的实质和范围内的改变和改进。
权利要求
1．一种控制产油井泵送流量的系统，该系统使用活塞杆泵从产油层将所生产的流体泵送至地面，包括具有地面部分和井下部分的活塞杆泵系统，所述地面部分有一台用于产生上、下运动的原动机；从所述地面部分伸至所述活塞杆泵系统井下部分的杆系，所述井下部分具有一个安装在泵柱塞内的游动阀和安装在泵体内的固定阀；检测所述泵柱塞下行程碰撞气体和/或液体界面时引起的地面振动并产生表示它的电信号的装置；及用于产生速度控制信号的处理机装置，该控制信号响应所述表示信号并发送给所述原动机。
2．按照权利要求1所述的系统，其特征在于所述地面部分还包括安装底座，由所述原动机驱动并由固定在所述安装底座上的承重支柱支承的摇梁和驴头，其中所述杆系自所述驴头伸出。
3．按照权利要求2所述的系统，其特征在于所述检测地面振动的装置包括一个与所述活塞杆泵系统地面部分机械连接的过载传感器。
4．按照权利要求3所述的系统，其特征在于所述过载传感器与所述承重支柱机械地连接。
5．按照权利要求4所述的系统，其特征在于所述过载传感器产生数字输出信号传输给处理机装置。
6．按照权利要求5所述的系统，其特征在于所述处理机装置采用处理所述表示信号的技术检测所述泵柱塞下行程时碰撞气体和/或液体界面的出现。
7．按照权利要求6所述的系统，其特征在于所述技术包括所述表示信号的傅立叶变换分析。
8．按照权利要求7所述的系统，其特征在于所述处理机装置产生的输送给所述原动机的速度控制信号包括开/关信号及绝对速度控制信号。
9．一种控制产油井泵送流量的方法，该产油井采用活塞杆泵将所生产的流体从产油层提升至地面，包括步骤提供具有地面部分和井下部分的活塞杆泵系统，所述地面部分有一台原动机，该原动机使自所述地面部分伸至所述活塞杆泵系统的井下部分的杆系作上下运动，所述井下部分有一个安装在泵柱塞内的游动阀和一个安装在泵体内的固定阀，检测所述泵柱塞下行程碰撞气体和/或液体界面时引起的地面振动并产生表示它的电信号的装置，和响应所述表示信号产生速度信号并发送给所述原动机。
10．按照权利要求9所述的方法，其特征在于所述的地面部分还包括安装底座，由所述原动机驱动并由固定到所述安装底座上的承重支柱支承的摇梁和驴头，其中所述杆系自所述驴头伸出。
11．按照权利要求10所述的方法，其特征在于检测振动的步骤是由过载传感器与所述活塞杆泵系统的地面部分机械连接进行的。
全文摘要
一种控制利用活塞杆泵的产油井的泵送流量的系统,其中一个振动传感器95固定在上述地面泵结构上。处理机96分析来自振动系统传感器95的信号从而分辨出指示流体锤击发生的振动信号,并从而控制活塞杆泵的速度。
文档编号E21B47/00GK1213043SQ98118530
公开日1999年4月7日 申请日期1998年8月31日 优先权日1997年9月2日
发明者詹姆斯·克莱格·鲍利, 埃里克·李·伯格, 迈克尔·凯里·霍格顿 申请人:德士古发展公司