泵空控制器的制作方法

专利名称：泵空控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于从地面以下岩层提取油井采出油液的抽油机的控制系统领域。更为具体地说，此控制系统是一种用于游梁式抽油机的控制器，当井孔中的采出油液作得有害时停止采油。
现有问题的描述石油是从井孔孔眼中突出的，而井孔孔眼抵达地面以下深处可从形成的油层中或岩层油捕结构中的采出油液。油层的特征在于具有孔隙性(岩石中的孔洞间隙)和渗透性(液体流动的能力)。在一特定油井中油层处的压力在本技术领域中称作井底压力。原始油层一般具有的初始井底压力在每英尺深约0.4到0.5平方英寸磅(psi)的范围之内；不过，已知也有一些变化超出这一范围。井底压力在一口生产油井的寿命过程中会继续下降，因为从油层中不断地取出采出油液。采出油液一般包含油、水和天然气。
生产油井井底压力由于涉及许多变数而难以预测和控制。压力下降的一种非常普遍的解释是，一口油井的井底压力根据称作达面定律的一定数字流量关系式、油层几何状况、物料平衡考虑事项、采出油流特性(比如可压缩性和粘性)和岩石特性(比如，可压缩性、孔隙性和渗透性)，油井的井底压力不同于油层平均压力。一种非线性压力梯度存在于沿着从井孔向外所取而进入油层的一条半径上。此压力梯度随着自油井的采油速度而增大。在邻近其他各油井和邻近形成油层边界的地质地形处也会增大一特定油井的压降速率。
一油层的压力递减往往是一项重大的问题，必须仔细安排以优化一油层的节约开发。此问题发生在可供利用的井底压力下落到一需要克服的井孔中静水压头以下的时候。比如，一口8千英尺深的油井可以具有一3000psi的井底压力。在源出于油井的产生油液具有的密度可产生一综合压力梯度为0.4每英尺深每平方英寸磅的地方，会需要一3200psi(8000英寸乘以0.4每英尺psi)的井底压力把产出油液带至地面。另一方面，可供利用的油层能量或压力只能够提升油液至7500英尺(3000psi除以0.4每英尺psi)。此油井不能产出天然形成的油流，而必须予以废弃，除非可以装设一种人工提取装置以便把产出油液带向地面。人工提取装置装设得可恢复下落的采油速度，并允许从部分贫化的油层中补充采收大量的储油。
游梁式抽油机是人工提取装置的最为通用的类型。在游梁式抽油机中，一游梁连接于一驱动机构、一支点和一配重系统，以及一通向开采油层的地下抽油杆和柱塞组件。抽油杆和柱塞组件配装在用以把采出油液送至地面的一条采油油管柱。游梁在支点处的摇动可使地下抽油杆和柱塞组件上下移动一段一般地距离高达大约8英尺或以上的路径。在井孔的底部附近，柱塞中的一阀门系统在上行程的关闭，以便向地面提升一油液液柱。此阀门系统在下行程时打开，以便允许补充的油液进入油管柱中液柱而用于提升，并在随后的上行程时重新关闭，以便在提升时把采出油液密封在油管柱之中。这些协同实现这种开启和密封功能的阀门在本技术领域中分别称作一固定阀、一游动阀和一止回阀。
一种称作“泵空”的问题往往在游梁式抽油机装设在基本上采竭的油层的时候。压力递减的油层和具有很低渗透性的油层往往不能以一种足以符合或超过一放游梁式抽油机从井孔抽走采出油液的速度的速度来提供采出油液。因而，井孔之中的油液体积不断下降，直至在本身的上行程中的柱塞向上升起而超过油层能够向井孔提供的液位为止。在此状态下，此油井至少叫做部分地“泵空”，因为柱塞只能够通过在下行程时穿过一油液液柱才能重新使自己充满。泵空的柱塞在其下行程时不能使自己充满，直至它再次行至井孔液位以下。因此，由于使一液柱往复运动而在地面处油液采收速度降低，能量被浪费了，亦即，作为泵空的一种后果，泵的提升效率下降了。柱塞在其下行程时还会以一种沿抽油杆组件上行而达到地面游梁式抽油机的水锤或液面撞击效应而冲击油液。撞击效应会随着液位继续下落而逐步变槽，因为柱塞速度在冲击点处增大了。如果长时间地重复下去，撞击效应会引起系统零部件的疲劳和相应的破坏。抽油杆和柱塞组件之中各抽油杆之间的螺纹联接装置尤其易于受到由泵空引起的疲劳破坏。
检测一种泵空状况是很困难的，因为抽油杆和柱塞组件向下伸展很大的距离，比如5至9千英尺。在这些距离处，由于制成抽油杆材料的弹性模量，在抽油杆柱中发生了很大的弹性伸长。因此，地面往复运动的速度必须予以定时以给予抽油杆一种机会来随着抽油杆伸长很大的距离而提供一最佳的往复行程。实践中，由富有经验的现场人员用试凑法对这种定时过程作出细调。抽油杆还会接触采油油管柱的两侧。因此，只凭地面振动并不总是能够检测出泵空情况的。
由泵空情况产生的各种问题的解决办法是，暂时中断从油井采油而断停泵空现象，亦即按照行话来说，“关断”或“停用”油井。关断的油井可随着油液在油层内流动而聚集井底压力以显著地降低平均油层压力与油井井底压力之间的压力梯度。采油最理想地在增大了的井底压力把油井中的液位提高到柱塞组件行走最上点以上的某一位置之后的某一时刻上开始。一段时间之后，油井再次关断以避免形成一泵空情况。通过以下措施可以获得采油速度方面的很大区别，即改变关断循环和采油循环的参数，亦改变动抽油游紧往复运动的速度、变动抽油操作时间长度和变动关断或停用时间。
确定泵空情况的一种传统的方法是，在称作游梁的、抽油机上一部分上安置一应变计。另外，在称作光杆改最上面抽油杆的、抽油杆组件的一部分上安置一测压仪。测量结果标在在铅直轴上画出光杆负荷而在水平轴上画出光杆位置的图片上。这些图片在本技术领域中称作示功图。

图1描述了一通常的这类示功图。图1有所变动，其中数据是作为一组无量纲数字而标出的。图1曲线具有一充分演变的基本上的菱形形状，其上下界限之间很好地分离开来，表明抽油机运行很好。图2描述了一第二个示功图，表明由于在井孔中形成一泵空情况所造成的液面撞击效应。上和下部曲线不再是充分地分离开来的。下部曲线具有一90°弯折，在下行程的70％处，表面液面撞击。
许多问题关联于使用示功仪来检测液面撞击。好几种变数会影响光杆或游梁的负荷，而它们的效应可以彼此抵消或累加。这些效应由于抽油杆组件的伸长而随时间变换。因此，示功仪读数有时无法予以解释以确定何时泵空已经发生。此外，应变计、测压仪和支持它们的电子装置有时会失效而使示功装置无用。
曾经试图通过使用体积测定法来检测泵空问题。这需要极为复杂的设备，而在目前体积测量法还没有普遍用于真实生产情势下的泵空控制。柔兹(Rhoads)在美国专利4854164中说明一种双罐结构，其中由转向管线把双罐连接起来。两罐之间的流动由以电子方式控制的气动阀予以支配。各个缸器中的电子液位指示器或浮动开关可提供两罐中体积的信号。一电子控制器利用一些阀门一次一个地充灌各个罐器。两罐各自蓄积来自一部抽油机多次行程的采出体积。电子控制器随着罐器被充灌而接受来自罐器之内液位指示器的信号，并使转向管线之中的、以电子方式控制的气动阀切换各个罐器之间的流入油液供应，以便在适当的时间上排空已充灌的罐器。一导管连接两罐以允许采出气体通行于两罐之间，但这种交流的原因并不清楚。电子一气动阀和液位指示器都会蒙受故障，而如果故障出现，电子控制器会接受指令而开启所有的阀门，以便油井可继续生产。即使如此，这种补救行动当阀门已经失效时可能是不行的。
留下来的是，真正需要一种可靠的测量体积的方法和设备，用于控制一游梁式抽油机以避免在生产油井中形成一种泵空情况。
解决方案本发明克服以上判明的各项问题的办法是，提供用于通过使用一种哥氏流量计来控制一游梁式抽油机的方法和设备以避免在一生产油井中形成一种泵空情况。此哥氏流量计特别良好地适合于这种任务，因为它对流率具有格外的敏性，用以检测一对应于井孔中泵空情况的抽油行程体积效率方面的降落。
本发明涉及一种抽油控制系统，用于当一井孔中的液位低得有害时避免一抽油机的驱动。此控制系统包括一流量计(最好是一哥氏流量计)，用于测定由一游梁式抽油机每一上行程到生产的一采出油液体积，或通过随时间平均这些体积。流量计可提供代表着对应于由抽油机采出的体积的采出油液数量的采出信号，并把这些采出信号传送给一中心处理器。此中心处理器接受这些采出信号并使它们的对应的代表性采出数量彼此对比以确定由于在井孔中形成一种泵空情况而引起的在采油上行程体积效率方面的降低。泵空情况出现在井孔中采出油液的上限已经下落到装接于一游梁式抽空机的一柱塞组件以下的时候。同样，中心处理器也发送一信号，表明泵空情况存在。一系统控制器，一当收到来自中心处理器的信号，就发挥作用以终日游梁式抽油机的地面生产并允许在井孔内聚集井底压力。
在各项优先实施例中，控制系统可选定两种方案之一来终止抽油机的生产。作为一种优先方案，控制系统可停止驱动抽油机。在另一些情况下，当油井结合采出油液将产出大量沉积物时，停止驱动抽油机有时是不切实际的，因为沉积物趋向于从产出油液中沉淀出来并沉落在导致抽油系统损伤的部位上。一种昂贵的油井大修作业可能需要用来克服从产生油液中沉淀出来的沉积物的后果，因为这些沉积物可能导致井下抽油系统零部件的粘合或擦伤。在后一种情况下，控制系统最好是继续允许驱动抽油机，但将地面生产转向井孔里面。因而，油液重新循环可保持沉积物悬浮在产出油液之中，直至油液可以采出而供向市场。
特别可取的是，采用一哥氏流量计来进行流量测定。哥氏流量到既可以检测顺流，也可以检测逆流。逆流表明某些阀门，亦即止回阀和固定阀已经失效了。此外，在正常操作条件下由每一抽油行程所采出的体积(针对温度和压力变动作过校正)应当等于采油油管柱的直径乘以抽油柱塞的表面面积。如果采出的油液体积少于这一大小，则体积减少表明或是油管泄漏，或是游动阀泄漏。采用一哥氏流量计允许这些测定结果被编程而送入中心处理器。相反，一简单的示功仪抽油系统，需要非常复杂的、抽油设备的操纵来达到很容易从哥氏流量计数据取得的同样测定结果。正规透平流量计和正排量流量计也将不能代替哥氏流量计的工作，因为排量流量计趋向于堵塞(特别在逆流时)并且缺少哥氏流量计的灵敏度和可靠性。一些透平流量计在逆流时趋向于堵塞，而且这类流量计在现场操作条件下也是很脆弱易损的。透平流量计也依赖于对于假定为常数的油液密度的估计。这种假定会生成固有的差误，因为实际油液密度从抽油行程到抽油行程是有变化的，取决于产出油液中油和水的混合状况。
其他一些突出的特点、目的和优点，对于本技术领域的熟练人员来说，在结合所附各图读过以下说明之后，将是显而易见的。
附图简要说明图1描述一示功图，表示现有技术一游梁式抽油机的操作监测方法；图2描述一现有技术中的示功图，显示出的液面撞击效果，表明井眼中已经形成泵空条件；图3描述一抽油机控制系统，包括根据本发明的一哥氏流量计和计算机化抽油控制装置；
图4描述一井底泵组，其中已经形成泵空条件；图5描述许多由图3的哥氏流量计供给计算机化抽油控制装置的电压信号，使得计算机化控制装置能够检测图4的泵空条件；图6描述图3的计算机化抽油控制装置可检测图4的泵空条件的另一方法；图7描述根据本发明的另一抽油控制系统，用于开采重沉积采出油液的油井；图8描述根据本发明的又一油抽控制系统，用于开采油液以通向具有中心测量系统的中心采油站；以及图9描述一简化的过程控制流程图，控制根据本发明的抽油控制系统的运作。
优选实施例的详细描述抽油控制系统的表面特性图3描述符合本发明的一种抽油控制系统20，控制系统20包括一通常的游梁式抽油机22；一井口装置24，抽油机22通过它提取采出油液；一除气器26，用于分离从采出油液中产出的气体；一哥氏流量计28；以及一自动控制中心30，响应于由哥氏流量计28进行的测量结果而控制控制系统20的各项操作。
游梁式抽油机22是一种常用的抽油机，它被简略地描述以代表任何类型的往复式地面抽油机。按照企业上的说明，抽油机22的主要构件包括一连接驴头34的游梁32和一均衡轴承36。一对游连杆(Pitmanarm)38把均衡轴承36与一配重式曲柄40连接起来。一A字架结构，称作游梁支柱(Sampson post)，把游梁32支承在中心枢轴48处。一钢丝悬挂器和承载杆总成50把驴头34与光杆52联接起来。一磁铁54安装在曲柄40上，而传感器56用以检测或计数磁铁54的转动。加速度计58用以检测游梁支柱46中的低频振动。
在运转中，曲柄46转动而造成游梁连杆38的相应转动。游梁连杆38的转动使游梁32利用中心枢转48作为一支点而上下往复。在均衡轴承36处给予游梁32的运动可由越过游梁32在驴头34处的对应相反的运动反映出来。驴头34本身又通过钢丝悬挂器和承载杆总成50把铅点往复运动给予光杆52。
井口装置24是通常的一种井口装置，包括一套筒64，可容放用于密封光杆52的材料以消除光杆52与套筒60之间的泄漏。套筒60位于通向除气器26的油流转向器62的上方。井口装置24用螺栓连接于一采油油管和套管悬挂器64，后者用来以拉力悬吊插进井眼的很长的长串管状物件(图3中未画出)。
除气器26包括一折流板式直立圆筒66，具有把油流转向器62连接于计量液体流入管线68和上部气体回路70的内部流动空间。液体计量输出管线和上部气体回路70汇合而在哥氏流量计28以上的某一高度处构成一T形接合部74。采油管线70把采出油液从T形接合74沿箭头78的方向带到一采出油液分离装置(未画出)。止回阀79可确保经过采油管线76的油流只出现在箭头78的方向上。因而，气体由于折流板式直立圆筒66的作用从流经转向管线的采出油液中被分离出来。液体通过计量液体流入管线流向哥氏流量计28，而气体则经过上部气体回路70分流出去。
哥氏流量计28装设在计量液体输入管线68与液体输出管线72之间。哥氏流量计28最好是市场上有售的哥氏流量计，诸如可从科罗拉多州布德市微动公司(Micro Motion of Boulder,Colorade)购得的ELITE CMF100 M329 NU型和CMF100 H531NU型。这种流量计还可能用作密度计。因而，一体积流率可以通过总质量流率除以总密度测量值而计算出来。哥氏充量计28利用电信号经过导线82与哥氏发送器80连通。发送器80本身又利用电信号经过导线84与自动控制中心30连通。发送器80的一种最佳型式是ELITE RFT9739型，可从MicroMation of Boulder,Colorado购得。流量计28可连续测定通过计量液体流入管线68的液体液流量，并把代表液流量的信号通过发送器80发送给自动控制中心30。
自动控制中心30包括一高压电源86和一操作控制装置88，后者包括一连同程序存储器和各驱动器的中心处理器，用于以电子方式控制远控系统的操作。控制装置88最好是出自依阿华州玛沙市的费舍工业公司(Fisher Indnsties of Marshallfown,Iowa)的ROC306型。控制装置的中心处理器和程序存储器经过编程以便于通过控制装置88执行控制指令，控制装置88把采油数据信号发送给在导线92上的一中心现场数据收集系统(未画出)。高压电源86通过电源线91接受电力，并在需要时把这一电力分配给系统20的各部分，比如给导线92上的哥氏发送器80。应当避免的泵空条件的详细说明图4描述了一井底装置100，连接于控制系统20。一井孔102已经钻穿几千英尺的、构成一部分地壳的地质岩层。其中之一的这种岩层包括一产油油层104，具有充满包含油、水和气在内的采出油液的孔隙。金属套管106是由许多以螺纹联接起来的、下入井眼102的管子构成的。套管106上升至地面，并且在张力下从油管和套管悬挂器64处悬吊下来(见图3)。套管106与井眼102之间的空隙充满水泥110以防止采出油液在套管106的后面窜槽，并隔绝油层104。采油油管108在套管106以内从油管和套管悬挂器64上自由地悬吊下来。成形的炸药先已用来炸开许多射孔，比如射孔112和114，穿过套管106和水泥110而使采出油液116从油层104流进套管106。一封隔器118在射孔112和114以下把采出油液116封在套管106以内。
许多以螺纹相互连接的、细长的圆柱件构成一抽油杆柱120，把光杆52(见图3)与柱塞122连接起来。空心圆筒状柱塞122由许多弹性密封件，比如密封件124，予以拖住而压紧采油油管108的内径，力量大到足以提起采油油管108之内的采出油液的液柱。柱塞122的下部包括一球阀和阀座组件128(改流动阀)，在采出油液液柱126重量作用下是密封的。在柱塞122上部的各排孔130允许采出油液在柱塞122的空心内部与液柱126之间流动。采油油管108的大致包括一球阀和阀座组件132(即固定阀)，在由柱塞122下行程所产生的压力作用下是密封的，并在由柱塞122上行程所产生的相对真空作用下打开而允许采出油液116进入采油油管108。
如图4中所示，泵空条件业已形成在井底装置100之内。平均压力P存在于油层104之内。采出油液流进套管106在围绕井眼102的油层104部分之中造成沿着箭头134的一压降梯度，以致通过射孔112和114流进套管106的采出油液的体积不足以符合柱塞122的往复正在从套管106之内提出的油液的速度。因此，采出油液126具有一上部液位136。柱塞122由于驴头34(见图3)作用在光杆52上且通过抽油杆柱120，沿箭头138的方向往复运动。柱塞122被表示出在它上行的整个范围。柱塞122的上行对采出油液126施加相对真空以打开球阀和阀座组件132，从而把采出油液116传输到采油油管108里面。由柱塞122施加在采出油液126上的真空导致采出油液释放或闪蒸气体，这就在柱塞122与液位136间造成一充气空间139。当柱塞122的上行程导致最上面的液位136下落到球阀和阀座组件132组件以下时气体进入采油油管108而形成充气空间139。
柱塞122将开始通过充气空间139朝着在液位136处的采出油液下降。球阀和阀座组件128在液柱126重量作用下被密封以防止液柱126之中的采出油液漏入充气空间139。柱塞122向下行走，直至球阀和阀座组件128闯进在液位136处的采出油液126里面而产生液面撞击效应为止，此效应通过抽油杆柱120被向上传输到抽油机22(见图3)。球阀和阀座组件132在由于柱塞122在液位136处撞击于采出油液116而产生的压挤力作用下密封起来。柱塞122继续向下行走会通过对于球阀和阀座组件132的压挤液力而打开球阀和阀座组件128，允许采出油液116流过球阀和阀座组件128，通过柱塞122的空心内部，通过各排孔130，而流进采出油液液柱126。随后，柱塞122的上行程会密封球阀和阀座组件128并打开球阀和阀座组件132，以便重复抽油循环。
柱塞122在液位136处对采出油液116的液面撞击由于几方面原因而极其不希望出现。随着时间的推移，这种类型的重复的液面冲击效应会使抽油杆柱120疲劳而造成机械故障。这种机械故障是代价很大的，因为断落的抽油杆柱必须从井眼102中打捞出来并予以更换。抽油杆柱断开的各种后果可能彼此结合起来，以致油井必须被废弃，因为修复工作在经济上不再是可行的了。比如，屈曲后的抽油杆柱120可能导致采油油管108方面的相应故障，或者沉积物会从采出油液液柱126之中沉降到柱塞122上面，使其不可能在修复作业期间拔出屈曲后的抽油杆柱。此外，需要修复会引起生产停顿，在此期间，从油井取不到任何收益。
其次，抽油机22(见图3)的操作随着采油油管108之间气体空间139的增加而变得效率越来越低。在每次抽油上行程中应当排出的采出油液116的体积等于在垂直于采油油管108细长轴线的方向上沿着内径所取的采油油管108表面面积乘以柱塞122上行程的长度。不过，充气空间139的存在只允许采出油液116在液位136处开始进入柱塞122。当充气空间139占据了应当在柱塞122下行程上进入柱塞122的采出油液116的大约一半体积时，体积泵效落至其设计输出量的大约一半。能量耗费保持不变，因为抽油机22需要大约同样的能量使采出油液液柱126和抽油杆柱120沿着箭头138往复运动。因而，在产量下落时能量耗费保持不变，而单位采油体积所消耗的能量增加了。在接近采完的油井中，如果不采取纠正行动，由于经济上的原因，所造成的效率不佳和成本提高可使油井废弃成为必需。避免泵空情况对于图4所描述的泵空情况的解决办法是，停止提升，采出油液116一段足够的时间，允许降低或消除油层104之内沿着箭头134的压力下降梯度，亦即，油井需要暂时关断。当采油恢复时，井眼102处提高后的井底压力足以把液位136举高到柱塞122行走最高点以上的位置上。即使如此，采油最终还是必须再次关断，因为可供利用的油层能量不足以满足柱塞122在给定抽油往复速度之下的采油速度需求。本技术领域中的熟练人员知道，井眼102的总采油速度可以通过以下方式予以优化，即试图通过使抽油机22的操作速度在套管106之内形成一个非常接近一泵空情况而实际上并未形成这种情况的液位136而细调抽油机22的操作。这类对抽油机操作参数的调节的确切实质通常是由现场熟练人员通过调节包括柱塞122往复速度、关断的持续时间和抽油持续时间等在内的各种参数来确定的。抽油机的设计和操作考虑事项一直是大量文献的主题，比如，API Specification forPumping Units,12th edition,API Specification IIE,API,Dallas(Ian.1982)(一种美国石油学会出版物)。在传统的作法中，最佳关断或停用时间是没有净产量的最短时间，它允许抽油机以大体相等的间隔时间采油，而大体相等的间隔时间是在每一停用期之间并在非泵空条件下交替间隔。
通过实例说明，操作员可以编制控制器88的程序以改变各抽油间隔之间的停用时间，从30分钟到15分钟。随着这一程序改变，油井可能在它泵空并必须再次停用以允许油层压力聚集之前在第一采油间隔之间采出50桶的油和水。第二抽油间隔可能在油井必须关掉之前采出40桶，而第三间隔可能采出30桶。在此实例中，产量的持续下降是一项指示信号，即停用时间需要增加，或抽油往复速度需要放慢。实践中，这些改变是根据现场经验作出的，而最初的估计是根据对于邻近各油井的类比而作出的。在没有邻近油井可供利用的情况下，操作员可以根据他或她的经验作出一种估计，或者操作员可以遵循由API或其他标准工程计算所建议的准则。
图5描述了一种最佳方法，控制装置88用来监测或对比由柱塞122的每一往复循环提升到地面的各次采出体积，目的在于确定，何时抽油作业已经形成了类似于图4中所画出的一种泵空情况。哥氏流量计28(见图3)可测出已经由柱塞122的往复动作提升到地面的质量流率和采出油液密度。哥氏流量计28把代表这些质量流率和密度的信号传送到导线82上的哥氏发送器80。哥氏发送器80又加工从哥氏流量计接收来的信号，以便通过使质量流率除以相应的密度值而获得以体积表明的计算结果，并且把计算结果作为电压脉冲通过导线84发送给控制装置88。
图5表示许多接续的抽油循环150、151和152的这种电压脉冲。每一抽油循环包括柱塞122(见图4)的相应的抽油上行程153、155或157，以及相应的下行程154、156、158。每一上行程关联于最大采油体积，由许多均匀的电压脉冲比如脉冲159表示。还累起起来表明由磁铁54和检测器56(见图1)向控制器88所表明的、每一抽油往复循环之中采出的体积。哥氏流量计28和发送器80可记录即使在各下行程期间的体积产量，诸如下行程154的脉冲160，因为折流板式圆筒66在各上行程期间(比如上行程153)起到一种蓄积器的作用，以便在高流率情况下保持最终会在低流量情况下行经哥氏流量计28的额外体积。比如，图5表示出在上行程153中所数出的37次脉冲，在下行程154期间三次脉冲随后，以构成在往复循环150之中总共40次脉冲。类似地，往复循环151共计29次脉冲，而往复循环152共计23次。每一脉冲代表一预定的体积大小，比如0.2加仑。因而，控制器88对比了对应于初始上行程153的、关于体积流量的效率方面的依次下降，比如从循环150至循环151的28％的下降，以及从循环158至循环152的43％的下降。
控制装置88经过编程以便当抽油效率下落到监阈级或数值以下停止对抽油机22的驱动。操作员可选定这一位级，并将其作为由控制器88贮存的截止数值输入。在图5中，此截止数值是50％效率。因而，向50％或更低的提升效率的递减可导致控制装置通过不向原动机42提供动力而关断井孔102。控制装置88具有定时器，并在一可接受的关断时段之后重新向原动机42提供动力。关断的持续时间可以利用作为程序信息贮存在控制装置88之中的常用数学算法予以计算，或者操作员可以输入一人控补偿量以图优化采油速度。类似地，控制装置88接受抽油机22的往复速度作为一项控制输入特性。
图6描述了另一方式，控制装置88可以借助于它对比和监测由许多柱塞122的往复循环提升到地面的按时间平均的采出体积，目的在于确定，抽油作业在何时形成了类似于图4描述的一种泵空情况。控制器88接受类似于图5中描述的那些电压脉冲，并把许多往复循环的各相应采出体积按时间予以平均。比如，在曲线162上的单独一点161可以是往复循环150、151和152(见图5)的采出体积除以3。另外，各个循环的采出体积可以径直按时间累积而不加平均。这种按时间平均方法有效地避免了一些其中控制器80由于可能得自各种异常采油条件的虚假读数而可能使油井停用的情况，诸如一气泡在采油油管之中的膨胀就是这样的一种条件(见图4)。因而，控制器88不对比各个行程的体积，而对比经过许多往复循环的、由磁铁54和传感器56检测出来的各平均体积或累积体积。采油时段164、166、180和170(即此时抽油机22正在往复)穿插于油井被关断或停用以便聚集压力的时段172、174和176(即此时抽油机22不在往复)。如同在采油循环166中那样，每一采油循环以最高平均速度开始，而控制器88当平均采油速度不落在低于一选定的在速度180处的门槛数值，比如速度178的95％。用于生产重沉积油液的油井的另一实施例图7描述抽油控制系统20的另一实施例，此系统亦即用于不希望停止抽油机22往复运动的油井的抽油控制系统200。对于图7系统200中相同于图3和4中抽油控制系统20的各零部件，保留相同的编号。控制系统20与控制系统200之间的主要区别是在转向管线62上添加了三向阀202。三向阀202具有两种可供代换的状态。在正常的采油作业中，三向阀202接受来自液流转向管线62的采出油流，并把如此接受的所有的油液通过管子205传送到除气器26。三向阀202的第二种状态是接受来自液流转向管线62的采出油液并把如此接受的所有的油液通过返回管线204传送到套管106与采油油管108之间的环形空间。因此，从井孔102产出的全部油液予以重新循环，以致从井孔102中没有净采油。另外，如果从油井中的净采出速度仍然允许充足的压力聚集起来以克服泵空问题，可以只是重新循环一部分采出油液。
在采出油液中形成连续运动的同时不获得任何净采油的优点是，此连续运动可保持产出油液116里面的沉积物处于悬浮状态而不给沉积物以沉淀机会。没有连续运动，沙子或其他矿物颗粒就可能围绕油管108之内的柱塞密封件124(见图4)沉淀下来。在这种情况下，沉放下来的矿物颗粒可能由于锁定柱塞122就位或由于擦伤密封件124以及靠近密封件124的部分的采油油管108而使昂贵的修理成为必需。另一实施例-管汇控制系统油田经常位于偏僻荒凉地区，并具有遍及几十平方英里的面积范围。油田内管道系统往往予以装设以收集出自许多广为分散的井位的采出油液。在集油系统中，条管柱把生产油井连接于管汇。其他各油井也由其他各条管柱连接于管汇。管汇用以任由选择地混合出自不同油井的产油，并把此产油送向售前的处理设施，诸如油-气分离装置。因而，管汇位于由作业人员按时维护和巡视的一集中销售设施处。另一方面，远处的井位很少受到关照，因为，要是在每一井位处都必需雇用作业人员，成本就会大为增加。从成本方面看，在靠近管汇的集中化售前处理中心处从事尽可能多的作业是较好的。
图8描述本发明的一第三实施例，亦即控制系统300，可部分地关闭管汇阀以形成开始关断选定油井的压力信号。在图8中，对于完全等同于图3控制系统20的系统零部件保留了完全相同的编号。
控制系统300的操作始自管汇302，此管汇包括许多以电子方式控制的和以气动方式致动的阀门304、306和308。控制装置88通过传送在导线310上的电气信号来控制各阀门304-308的操作。与每一阀门304-308相关联，相应的地面油管柱316、318或320把管汇302连接于各自的游梁抽油机22。每一油管柱配有相应的压力传送器322、324和326。信号传送导线328、330或332把每一压力传送器322、324或326连接于相应的定时器334、336或338。管汇302最好是可通过管线330以采出油液供给一两相检验分离器328。管汇302还可通过一条集油轨道334供给主产油分离器332，它包括许多对应于管汇上每一阀门的管线(比如管线336)。
检验分离器328最好是包括放气管线338和一排液管线340。哥氏流量计28安装在排液管线340上，用于流经排液管线340的包括油和水在内的液态采出油液的体积测定。放气管线338和排液管线340并合成管线342以供给通向主产油分离器332的集油轨道334。主产油分离器332是通常的三相(气、油和水)分离器，它发送可销售的油液至一销售和分发系统344。
在系统300的运作中，控制装置88控制管汇302从使来自对应于单独一个阀门(比如阀门306)的单个口油井的全部采出油液通过管线330流向检验分离器328。不流向检验分离器328的来自阀门304-308的其余各个油流则或是被关断，或是被控制流入采油轨道334而进入主产油分离器。
如同在其他各实施例中那样，哥氏流量计28向导线350上的哥氏发送器80提供质量流率和密度测量值信号。控制装置88接受来自导线352上哥氏发送器80的体积信号。控制装置28监测和对比这些信号以便可检验中的油井确定适当的关断时间，并进而在需要时关停各台抽油机22中所选定的一台。
控制系统300不同于其他实施例之处在于，控制装置88可实现各个抽油机的关断。当哥氏测量结果表明对应于油管柱316的油井已经形成一泵空情况时，控制装置88使阀门304部分关闭。阀门304的关闭动作在油管柱316中激起一压力升高或骤增。压力传送器322检测出这一压力升高，并把测量结果传送给定时器334。定时器334经过编程，以便当传送器322处的压力超过一最大门槛值或者最大压力升高额比如200psi时，不给相应原动机42电力。因而，由于阀门304的约制而造成的压力增高就起到一种信号作用，使定时器334关断采油生产。定时器334在一预定大小的井底压力聚集时间之后通过向原动机42提供电力而重新形成采油生产。控制装置88把因关断而耗用的抽油时间作为程序控制数据贮存起来，将在所选定的油井不再经受检验时操作此油井。使用哥氏流量计的其他优点系统泄漏有时会造成抽油作业中的各种问题。使用哥氏流量计可有效地便于这些问题的诊明。具体地说，地面止回阀29(见图3)和球阀与阀座组件132(固定阀)之中的复合失效或泄漏会导致采出油液在重力作用下从地面回流到油层104。哥氏流量计28可测出采出油液的这种回流，一般出现在柱塞122的下行程上或关井期间。因而，控制装置88经过编程以便每当回流存在时警示操作员。
其他泄漏可以发生在油管或球阀与阀座组件128(游动阀)之中。在此情况下，泵效可能不随行程到行程而改变(这或许表明一种泵空情况)，但泵效低于最佳值。如前所提出，由一抽油上行程所传送的采出油液的体积应当等于遍及采油油管108内径的横截面积乘以在柱塞122上行程上的行走长度(见图4)。油液发送量少于这一体积表明在采油油管108在球阀与阀座组件128中有泄漏。因此，控制装置88经过编程，每当这种类型的效率降低从哥氏流量计所提供的测量结果中推演出来时，向操作员警示一种潜在的泄漏。加速度计除了利用图5和6的泵空检测方法以外，控制装置88还可接受来自加速度计58(见图3)的信息。加速度计58可检测与泵空情况下抽油机22的往复运动相关的液面撞击所引起的低频振动。因而，加速度计数据可供用作一种备用标示，指出在万一油管泄漏或其他机械问题妨碍在确定泵空情况的存在方面采用来自哥氏流量计28的流量测量信息时需要关断采油生产。控制装置80的程序特性图9简略地描述了控制装置88的程序控制特性。这些特性支配着控制系统20、202和300的操作。在步骤P400中，控制装置88使抽油机22(见图3)开始柱塞122的往复运动。这种往复运动可以以各种往复式抽油机的惯常方式把采出油液提升到地面。哥氏流量计28可测定与由磁性传感器56检测出来的每一行程循环相关的采出体积。哥氏发送器80可处理这些测量信号，并随后传送给控制装置88。
在步骤P402中，控制装置88计算由受自哥氏传送器80的信号所表示的体积抽油行程效率。这种计算最好是以前面结合图5或图6所述的方式作为一种百分差别计算来予以进行。百分差别使用一初始或最大抽油行程体积作为对比的基础。初始体积可以选定作为第一体积，但更为可取的是作为几次循环，比如开始5次行程循环的均值而予以计算。另外，初始值可以选定为每一抽油期间的最大值。这种平均方法或最大值的选定是很有用的，在采油系统中有规则的泄漏可能必需在可以获得一最大抽油体积之前用采出油液充灌抽油系统。在步骤P404中，控制装置88使最新行程循环(比如一上行程和一下行程，或者最后三个上行程和三个下行程的一平均值)的行程效率与最好是作为由操作员输入的程序数据而给予控制装置88的一门槛值作对比。如果此效率尚未下落到此门槛值以下，抽油往复运动继续下去，而步骤P402计算出新的效率。行程效率的下降表明已在油井中形成了泵空条件。因此，当步骤P404诊明这一条件属于效率低于门槛值时，控制装置88就在步骤406中使抽油机22终止往复运动，就即使油井关断。
在步骤P408中，哥氏流量计28继续测定产油质量流率，即使没有任何正流量的采出油液出自抽油机22的往复运动。步骤P408提醒操作员，如果哥氏流量计28在关断期间测出采出油液的回流，则存在着止回阀和固定阀泄漏。
在步骤P410中，控制装置88中的定时器(或与控制装置88相关的定时器)可确定是否已经经过可使油层104中聚集起充分压力的一段时间。聚集时间可以按照多种不同的常用工程方法，包括幂积分计算、典型曲线分析、美国石油学会制定的各种方法，或者操作员输入的数据。如果定时器表明，压力聚集时间不充分，则哥氏流量计在步骤408中继续监测回流。当聚集时间已经过去，控制装置则在步骤P400中又使抽油机22往复运动。
本技术领域中的熟练人员将会理解，如上所述的各优先实施例可以接受各种明显的修改而不偏离本发明的实际范畴和精神。因此，本发明人依靠等同原则主张本发明，以便保护它们在本发明中的充分权利。
权利要求
1．一种抽油控制系统(20)，用于当井孔(102)中的液位(136)低得有害时终止抽油机(22)的驱动，所述系统包括对应于往复式抽油机的往复运动测定采出油液体积的测定装置(28)，所述测定装置包括哥氏流量计；以及用于生成表示对应于每一所述行程循环的所述采出油液体积的电子信号的装置(28,80,82)，其中所述抽油控制系统的特征在于回应所接受的上述信号、对比所述各采出油液体积以确定抽油行程提升效率降低的对比装置(30)；用于生成表示上述抽油行程效率降低的信号的装置(88)；以及回应上述所产生的表示上述抽油行程效率降低的信号，用于终止从所述抽油机作地面采油的装置(42)。
2．按照权利要求1所述的系统，其中，所述终止装置包括用于延迟所述抽油机在一充分时段内驱动，以允许在所述井孔中聚集井底压力的装置(334、336或338)。
3．按照权利要求1所述的系统，其中，所述终止装置包括用于对所述井孔重新造成地面采油以防止沉积物落在井下采油系统零部件上的装置(200)。
4．按照权利要求1所述的系统，其中，所述终止装置包括管汇(302)，它提供提高所述油井出油管上压力的装置。
5．按照权利要求4所述的系统，其中，所述终止装置包括回应所述压力增高以停止驱动所述抽油机的装置(88、322、324、326)。
6．按照权利要求1所述的系统，包括调节从由每单位时间抽油行程数、关断时间和抽油时间组成的一组参数中所选择的各个抽油操作参数的装置(30)。
7．按照权利要求1所述的系统，包括检测问题的装置(28,88)，该问题从由止回阀泄漏和固定阀泄漏组成的一组问题中选择。
8．按照权利要求7所述的系统，其中，所述检测装置包括用于生成表示产出油液回流到所述井孔里面的信号的装置(28、88)。
9．按照权利要求1所述的系统，包括用于分析所述信号以便确定从由油管泄漏和游动阀泄漏组成的一组问题中选择的问题的装置(88)。
10．按照权利要求1所述的系统，其中，所述测定装置包括用于通过使一质量流率除以对应于所述质量流率的密度值来计算所述采油体积的装置(28、80)。
11．按照权利要求1所述的系统，其中所述对比装置包括用于计算接续的各个所述信号之间的差别的装置(88)。
12．一种控制抽油机(22)以避免在井孔中的液位低得有害时驱动抽油机的方法，所述方法包括以下各步骤通过使用哥氏流量计(28)测定由抽油机采出的采出油液体积；以及生成代表对应于所述抽油机每一上行程(150、152、154、155)的所述采出油液体积的信号，其中，所述方法其特征在于对比彼此之间的所述信号以确定由已经下落到一装接于所述抽油机的柱塞组件之下的、所述井孔中的采出油液上限所导出的抽油上行程体积效率的降低；发送代表所述条件的信号；以及终止所述抽油机的地面采油生产以允许在所述井孔中聚集井底压力。
13．按照权利要求12所述的方法，其中，所述终止步骤包括延迟驱动所述抽油机一段充分的时间以允许在所述井孔中聚集井底压力的一个步骤。
14．按照权利要求12所述的方法，其中，所述终止步骤包括重新对所述井孔造成地面采油以防止沉积物沉落在井下抽油系统零部件上的一个步骤。
15．按照权利要求12所述的方法，其中，所述终止步骤包括采用管汇以增高所述油井出油管上的压力的一个步骤。
16．按照权利要求15所述的方法，其中，所述终止步骤包括通过停止驱动所述抽油机以回应于所述压力增高的一个步骤。
17．按照权利要求12所述的方法，包括调节从由每单位时间抽油上行程数、关断时间和抽油时间组成的一组参数中所选择的各个抽油操作参数的一个步骤。
18．按照权利要求12所述的方法，包括检测从由止回阀泄漏和固定阀泄漏构成的一组问题中所选择的问题的一个步骤。
19．按照权利要求18所述的方法，其中，所述检测步骤包括生成代表产出油液回流到所述井孔里面的信号的一个步骤。
20．按照权利要求12所述的方法，包括分析所述信号以确定从由油管泄漏和游动阀泄漏构成的一组问题中所选择的问题的一个步骤。
21．按照权利要求12所述的方法，其中，所述测定步骤包括通过质量流率除以对应于所述质量流率的密度值来计算体积流率。
22．按照权利要求12所述的方法，其中，所述对比步骤包括计算接续的各个所述信号之间的差别的一个步骤。
全文摘要
一油井抽油机控制系统(20、200)的操作由一接受来自一哥氏流量计(28)的流率测量结果的计算机化控制装置(88)予以支配。控制装置,当来自哥氏流量计的测量结果表明抽油效率的某一下降时,可使由一游梁式抽油机(22)从事的采油生产停止。采油效率下降表明采油油管(108)中的一采出油液液位(136)已经下落到抽油柱塞(122)行走的最上点以下。因此,油井生产被关断以赋予油层充分的时间来形成重新开始采油作业所需的压力和相应的液位。
文档编号F04B47/02GK1221470SQ97195421
公开日1999年6月30日 申请日期1997年4月4日 优先权日1996年4月10日
发明者R·E·杜顿 申请人:微动公司