BR112014010986B1

BR112014010986B1 - dispositivo para atuar uma haste e método de bombeamento de um fluido

Info

Publication number: BR112014010986B1
Application number: BR112014010986-9A
Authority: BR
Inventors: David Doyle
Original assignee: Lufkin Industries, Inc
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2021-05-25
Also published as: US10422205B2; EP2776715A2; BR112014010986A2; CA2854557C; US9115574B2; WO2013070979A3; CN104136778A; EP2776715B1; CA2854557A1; US20130306326A1; WO2013070979A2; CN104136778B; US20160131128A1

Abstract

UNIDADE DE BOMBEAMENTO, DISPOSITIVO E MÉTODO DE BOMBEAMENTO DE UM FLUIDO. Trata-se de sistemas adaptáveis para uma unidade de bombeamento de superfície que inclui um mecanismo de unidade de bombeamento de inércia baixa que tem um conjunto contrabalanço pneumático, bem como métodos para uso de tais sistemas para recuperação de fluido subterrâneo. O sistema tem a capacidade de ser integrado a sistemas de automação de gerenciamento de poço permitindo, dessa forma, uma resposta para comandos de controle ativo, e alterando automaticamente e/ou mantendo uma força de contrabalanço na unidade de bombeamento adicionando-se ou removendo-se massa de ar de um vaso de contenção associado à unidade de bombeamento.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido de Patente Provisório de Número de série US 61/557.269, depositado em 8 de novembro de 2011, em que o conteúdo do mesmo é incorporado no presente documento a título de referência em sua totalidade.

DECLARAÇÃO A RESPEITO DA PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADO FEDERALMENTE

[0002] Não aplicável.REFERÊNCIA AO APÊNDICE

[0003] Não aplicável.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOCAMPO DA INVENÇÃO

[0004] As invenções reveladas e ensinadas no presente documento referem-se geralmente a contrabalanços mecânicos e, mais especificamente, se referem a contrabalanços pneumáticos adequados para uso em maquinário, tal como unidades de bombeamento com haste linear.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[0005] Unidades de bombeamento com balancim e seus componentes de acionamento a montante são expostos a uma faixa ampla de condições de carregamento. Essas variam por aplicação de poço, o tipo e as proporções do mecanismo de ligação da unidade de bombeamento e compatibilidade de contrabalanço. A função primária da unidade de bombeamento é converter o movimento giratório do movedor primário (motor elétrico ou de mecanismo motor) em movimento recíproco acima da cabeça de poço. Esse movimento é, por sua vez, utilizado para acionar uma bomba no fundo do poço recíproca por meio de conexão através de uma coluna de haste de bombeio. Um exemplo de uma disposição de unidade de bombeamento convencional é ilustrado geralmente na Figura 1 e será discutido comais detalhes no presente documento.

[0006] A “ligação de 4 barras” que compreende o balancim de articulação, Pitman, manivelas e mancais de conexão processa a carga de haste polida do poço em um componente do torque de caixa de engrenagens (torque do poço). O outro componente, torque de contrabalanço, é ajustado na unidade de bombeamento para render o torque final mais baixo na caixa de engrenagens. O torque de contrabalanço pode ser ajustado em magnitude, porém tipicamente não em fase (temporização) em relação ao torque de carga de poço. Em máquinas equilibradas por manivela, o torque de contrabalanço irá aparecer sinusoidal viste que é efetivamente uma massa que recebe a atuação da gravidade enquanto gira ao redor de um eixo geométrico horizontal fixo. A computação básica para o torque de eixo de manivelas de unidade de bombeamento é:Tfinal = Tpoço - Tebal

[0007] O contrabalanço pode ser fornecido de inúmeras formas na faixa de contrapesos montados em balancim, a contrapesos montados em manivela, a molas a gás comprimidas montadas entre o balancim e a estrutura de base, para citar apenas alguns. O objetivo primário na incorporação de contrabalanço é desviar uma porção da carga de poço aproximadamente igual à média das cargas de haste polida de pico e mínima encontrada no ciclo de bombeamento. Essa técnica tipicamente minimiza o torque e forças em trabalho nos componentes de linha de acionamento a montante reduzindo suas exigências de capacidade de carga e maximizando a eficiência de energia.

[0008] As cargas de poço na haste polida são processadas pela ligação de 4 barras no torque de eixo de manivelas em razões variantes dependendo dos ângulos relativos dos membros de ligação de 4 barras (isto é, posição de curso). Simultaneamente, o torque de contrabalanço produzido por um dos vários métodos acima interage com o torque de carga de poço, negando uma grande porcentagem do mesmo. O torque final resultante exposto ao eixo de manivela é geralmente somente uma pequena fração do torque original de carga de poço. Observe no diagrama à direita que o torque de poço (o componente de torque final resulta da carga de haste polida) é altamente variável, tanto em magnitude e quanto em ângulo de fase (temporização). Em contraste, o torque de contrabalanço é suave e sinusoidal. Seu ângulo de fase é estabelecido como um atributo do projeto de unidade de bombeamento selecionado para a aplicabilidade mais ampla - e geralmente não é ajustável. As incompatibilidades de ângulo de fase e magnitude entre poço e torque de contrabalanço curves são a fonte de "moleza" no torque final transmitido através do redutor de engrenagem e elementos de linha de acionamento a montante. Esses elementos precisam ser selecionados com capacidade suficiente para sobreviver as condições de carga de pico encontradas durante a ciclo de bombeamento. Dado que o trabalho de bombeamento real realizado durante o ciclo é equivalente a:

é evidente que a “moleza” na curva de torque final curve resultana utilização ineficiente desses elementos de linha de acionamento. De fato, a curva de torque final no exemplo acima imerge nos valores negativos (regenerativos) nos múltiplos locais durante o ciclo, reduzindo adicionalmente o trabalho final realizado.

[0009] A principal fonte de variabilidade na curva de torque depoço é a resposta elástica da coluna de haste de bombeio a cargas dinâmicas transmitidas através da mesma da bomba de fundo de poço e da unidade de bombeamento de superfície. A coluna de haste, às vezes com quilômetros de extensão, se comporta em distâncias longas de modo muito similar a uma mola. A mesma se alonga quando exposta à tensão interna resistente à tração e quando a tensão é variável, a resposta é frequentemente oscilatória em natureza. O sistema é amortecido de alguma forma devido à sua submersão em um fluido viscoso (água e óleo), porém o perfil de movimento da unidade de bombeamento de acionamento combinada com o carregamento de função de etapa da bomba geralmente deixa pouco tempo para as oscilações deteriorarem antes de a próxima perturbação for encontrada.

[0010] O diagrama mostrado na Figura 3 ilustra de modo geral algumas das interações em trabalho em uma típica cadeia de bombeamento com haste. A unidade de bombeamento de superfície confere movimento continuamente variante à haste polida. A coluna de haste de bombeio de conexão, modelada como uma série de molas, massas e amortecedores, responde às acelerações na velocidade de som, enviando ondas de tensão variáveis descendentes em sua extensão para alterar seu próprio movimento. A mesma também se estica conforme acumula a força necessária para mover a bomba de fundo de poço e fluido. A bomba, se libertando dos efeitos de fricção e inércia de fluido tende a se recuperar sob a força elástica das hastes de bombeio, iniciando uma resposta oscilatória adicional no interior da coluna. As ondas de tensão de percurso de múltiplas fontes interferem uma com a outra ao longo da coluna de haste (algumas de modo construtivo, outras de modo desconstrutivo) conforme as mesmas atravessam sua extensão e refletem variações de carga de volta para a unidade de bombeamento de superfície onde as mesmas podem ser medidas e transformadas em gráfico como parte do cartão de dinamômetro de superfície. O cartão de dinamômetro de superfície resultante, tal como o exemplo geral na Figura 4, mostra indicadores sobrepostos de esticamento de haste em grande escala, oscilações amortecidas, fricção, bem como efeitos de inércia, todos em quantidades variadas dependendo da aplicação do poço e da geometria da unidade de bombeamento.

[0011] Problema abordado: as geometrias de ligação de 4 barras de proporção fixa observadas em unidades de bombeamento com balancim típicas exibem preferências de aplicação para uma banda relativamente estreita de condições de operação (isto é, unidades convencionais para cartões de dinamômetro de inclinação ascendente, Mark II para cartões de inclinação descendente, Reverse Mark para cartões de nível, etc.). Essas preferências são fundamentais para uma geometria de ligação particular e são muito difíceis de mudar. Isso não quer dizer que uma unidade de bombeamento de Mark II (indústrias Lufkin, Inc.) não possa operar com um cartão de inclinação ascendente, meramente que uma preferência de eficiência ideal existe e que as consequências de desempenho são criadas quando as mesmas não são obedecidas. Os diagramas nas Figuras 5 e 6 fornecem alguma ilustração desse ponto. Os diagramas de carga permissíveis (PLD) para unidades de balanceamento Convencionais e Mark II contrabalanceadas e dimensionadas de modo similar (indústrias Lufkin, Lufkin, TX) são mostradas junto com um cartão de dinamômetro de superfície para comparação na Figura 5. Os diagramas de carga permissíveis exibem a carga de haste polida que seria necessária para criar torque de eixo de manivelas equivalente à taxa de torque de redutor de engrenagem para um dado projeto de unidade de bombeamento e ajustes de contrabalanço. Pode-se observar a partir do formato dos diagramas de carga permissíveis na Figura 5 que a unidade de bombeamento convencional exibe uma preferência para cartões de dinamômetro com uma tendência de inclinação ascendente (se movendo da esquerda para direta). Em contrapartida, conforme mostrado em ambas a Figura 5 e a Figura 6, a unidade de Mark II mostra uma preferência para cartões de inclinação descendente. O cartão de dinamômetro, nessa instância, também mostra uma leve tendência ascendente, o que faz com que o mesmo se conforme um pouco melhor ao PLD da unidade convencional. Observe que ambas as unidades de bombeamento operariam próximo de suas capacidades de linha de acionamento a montante, dado a proximidade relativa da carga de haste polida de pico e mínima aos seus PLDs respectivos. No entanto, a área do PLD de unidade de Mark II é substancialmente maior que aquela da unidade Convencional, o que indica que a mesma tem a capacidade de realizar mais trabalho durante seu ciclo de bombeamento. A capacidade de trabalho disponível extra da unidade de bombeamento de Mark II seria pouco utilizada nessa aplicação particular.

[0012] Uma realidade infeliz é que cartões de dinamômetro de bombeamento com haste quase nunca têm o formato vagamente de ampulheta que poderia maximizar o potencial de trabalho da maioria das unidades de bombeamento com balancim, pelo menos não sob condições de velocidade de rotação quase constante sob as quais os mesmos foram designados para operar.

[0013] Os conjuntos de tecnologia de automação para aplicações de bombeamento com haste existem há vários anos. Os poços de operação podem ser monitorados por uma variedade de métodos para coletar informações de movimento e carga na superfície, então, por simulação de computador, fazer o diagnóstico de tais coisas como condições de sobrecarga ou o surgimento de questões de fundo de poço na faixa de pump-off (preenchimento de bomba incompleto) a flambagem de haste a equipamento desgastado ou danificado. As simulações preditivas realizadas por muitos desses sistemas de controle de bomba com haste (RPC) são adequados para modelar de modo exato o comportamento elástico-dinâmico da cadeia de bombeamento com haste (bomba, hastes e unidade de bombeamento) com entrada de dados de programa relativamente mínima.

[0014] Mais recentemente, acionamentos de velocidade variável (VSD) foram integrados em aplicações de unidade de bombeamento com haste e, em conjunto com a tecnologia RPC, aprimoraram marcadamente a longevidade e eficiência de muitos sistemas de bombeamento com haste. Hoje, é relativamente comum ver unidades de bombeamento de operação sendo monitoradas por RPCs que podem detectar anomalias de sistema e detectar comandos de ação corretiva para um VSD para, por exemplo, ajustar a velocidade de bombeamento para diminuir em resposta a condições de pump- off detectadas ou possivelmente para desligar em resposta a um carregamento excessivo. Se utilizado em conjunto com a tecnologia de aquisição de dados e controle de supervisão (SCADA), um sistema de bombeamento com haste e poço pode ser monitorado e controlado remotamente, fazendo com que seja possível identificar e responder a questões de manutenção de equipamento potenciais ou alterar objetivos de produção a partir de um centro de controle a quilômetros ou, talvez, a continentes de distâncias.

[0015] A capacidade da unidade de bombeamento relativamente pobre retratada no caso acima pode ser pelo menos parcialmente remediada através de controle de velocidade ativo. Os cartões de dinamômetro de unidade de bombeamento tendem a ser bastante repetitivos de ciclo a ciclo e acelerar e desacelerar em pontos estratégicos no ciclo poderia o formato do cartão de dinamômetro para ou truncar adições de carga, aprimorar utilização de capacidade de linha de acionamento, aumentar a produção ou aprimorar a eficiência do sistema. O controle ativo do perfil de força/movimento da unidade de bombeamento poderia render, também, benefício significativo em termos de vida de haste, tubulação e bomba de fundo de poço. Em certas instâncias, tal como o uso de hastes de bombeio de fibra de vídeo, as tecnologias de RPC e VSD podem ser utilizadas junto com algoritmos de busca, controlando ativamente o perfil de movimento para produzir deslocamentos grandes de bomba de fundo de poço enquanto protege simultaneamente a coluna de haste do surgimento de flambagem, como um exemplo.

[0016] Infelizmente, o efeito de volante produzido por componentes de rotação massivos na unidade de bombeamento resiste a mudanças rápidas de velocidade. Manivelas, contrapesos, engrenagens, polias, tambores de freio e outros componentes de rotação no sistema contribuem para o efeito de volante geral e exigem esforço significativo de torque para alterar sua velocidade de rotação. Isso apresenta um impedimento substancial para cenários de controle ativo tais como aqueles mencionados acima. Tentativas de alterar substancialmente a velocidade no ciclo de bombeamento com um VSD até o presente momento geralmente consumiram desproporcionalmente mais potência, o que afeta negativamente o custo de operação. Os projetos de unidade de bombeamento com momentos de inércia de massa substancialmente reduzidos parecem ser um pré-requisito para implantar completamente controle de velocidade ativo em bombeamento com haste.

[0017] Sistemas de contrabalanço com base em massa apresentam problemas em manter continuamente contrabalanço ideal conforme as condições de poço mudam. O nível de fluido no anular de revestimento do poço tende a declinar com produção com o tempo. Conforme o nível de fluido cai, o sistema de bombeamento com haste precisa erguer o fluido de grande profundidade, aumentando a quantidade de contrabalanço necessária. Em contrapartida, se o poço for fechado por um período estendido de tempo, o nível de fluido irá se elevar tipicamente, reduzindo o contrabalanço necessário proporcionalmente. A falha em manter contrabalanço apropriado pode levar, na melhor das hipóteses, a uso ineficiente de potência e, na pior das hipóteses, a falhas de equipamento a montante devido à sobrecarga. Geralmente, os ajustes de contrabalanço em projetos de unidade de balancim existentes são realizados manualmente por reposicionamento, adição ou remoção de contrapesos em um equipamento e processo de trabalho intensivo que exige desligar e restringir a unidade, entrada em uma área perigosa, uso de equipamentos e guindastes caros e perda temporária de produção para o operador.

[0018] Mudar a extensão de curso também é um processo manual que envolve as mesmas etapas que aquelas acima (a unidade precisa ser reequilibrada em seguida a uma mudança de curso) com as adições notáveis de que a unidade de bombeamento precisa ser desacoplada da carga de poço, pinos de manivela precisam ser retirados e deslocados para outro furo no braço da manivela, os braços de manivela precisam ser reposicionados por guindaste durante a repetição de curso e a bomba de fundo de poço precisa ser espaçadas novamente, também por guindaste, antes de reestabelecer o serviço.

[0019] A testagem de válvula de bomba de fundo de poço (checagem de válvula) é geralmente realizada interrompendo-se o movimento da unidade de bombeamento no curso ascendente ou no curso descendente e medindo-se a taxa em que a carga da haste polida declina ou se eleva como um meio de avaliar taxas de vazamento nas válvulas da bomba. O método de testagem tipicamente exige o uso de um dinamômetro portátil e a inserção de uma célula de carga calibrada entre a barra transportadora e braçadeira de haste.

[0020] Partes em movimento pesadas e grandes próximas ao nível do solo exigem vigilância de segurança relativamente extensiva para impedir contato inadvertido com pessoal enquanto a unidade de bombeamento está em movimento.

[0021] As invenções reveladas e ensinadas no presente documento são direcionadas a unidades de bombeamento de superfície adaptáveis que incluam e combinem tecnologia de automação com um mecanismo de unidade de bombeamento de inércia baixa com a capacidade de responder a comandos de controle ativo de um sistema de automação de gerenciamento de poço, permitindo, dessa forma, a unidade de bombeamento de superfície a mudar em reação a condições de poço que estão mudando, em que a unidade de bombeamento tem a capacidade de auto-otimização, autoproteção e salvaguardar equipamentos de dentro do poço, enquanto apresenta, ao mesmo tempo, uma marca no ambiente pequena projetada de modo que perigos de segurança típicos sejam eliminados ou reduzidos, minimizando a necessidade de sinalização de alerta. Tais sistemas de unidade de bombeamento podem adicional e alterar e manter automaticamente a força de contrabalanço controlando-se a adição ou eliminação de massa de fluido (por exemplo, ar) de um vaso de contenção associado à unidade de bombeamento.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0022] Os objetivos descritos acima e outras vantagens e recursos da invenção são incorporados na aplicação conforme apresentado no presente documento e nos apêndices e desenhos associados, relacionados a sistemas e métodos para unidades de bombeamento aprimorado para uso com um poço de produção de hidrocarboneto, em que a unidade de bombeamento inclui um conjunto para alterar e manter automaticamente a força de contrabalanços na operação de unidade durante de modo a controlar ativamente o movimento e/ou força da coluna de haste, em que o sistema exibe inércia baixa.

[0023] De acordo com aspectos selecionados da revelação, uma unidade de bombeamento de superfície adaptável que combina tecnologia de automação com um mecanismo de unidade de bombeamento de inércia baixa com a capacidade de responder a comandos de controle ativo do sistema de automação de gerenciamento de poço, adaptando-se, dessa forma, a condições de poço que mudam. Tal unidade de bombeamento tem a capacidade de auto-otimização, autoprodução e de salvaguardar equipamentos de dentro de poço caros. Adicionalmente, tal unidade de bombeamento tem uma marca ambiental pequena em que a mesma é projetada de tal maneira que perigos de segurança sejam eliminados ou reduzidos ao ponte em que exigências de sinalização de alerta e vigilância sejam mínimas

[0024] Também descrito é um dispositivo e método associado de operação para alterar e manter automaticamente a força de contrabalanço adicionando-se ou removendo-se massa de ar do vaso de contenção da unidade de bombeamento. O método para desenvolver pressão de ar de contrabalanço alvo é baseado na análise de regressão linear de dados de posição e carga de poço medida junto com as cargas de poço de pico e mínimas. Tal método pode incluir, também, um sistema e método para corrigir a pressão de contrabalanço de ar por métodos de redução ao erro recursivo comparando-se valores de pressão de ar medidos e alvo. Uma variante alternativa, no entanto igualmente viável, do método para correção de pressão de contrabalanço de ar por correção de erro recursivo pode incluir a comparação de torque de motor de curso ascendente e descendente de magnitude de pico e valores atuais e equilibrar os mesmos.

[0025] De acordo com aspectos adicionais da presente revelação, um dispositivo e método para alterar automaticamente o volume compressível dentro de um vaso de pressão pneumático para contrabalancear uma unidade de bombeamento é descrito, sendo que o método inclui deslocar uma porção do volume compressível com uma substância incompressível (ou mistura de substâncias incompressíveis), mudando-se dessa forma, o envelope do formato da carga permissível para a unidade de bombeamento. Tais substâncias incompressíveis adequadas para uso incluem fluidos e líquidos não corrosivos, sendo que a tal substância incompressível é contida em uma bolsa inflável, diafragma ou conjunto de coletor independente. De acordo adicional com esse aspecto, os métodos de transferir líquido incompressível entre o reservatório e o vaso de pressão são descritos, sendo que os métodos incluem o uso de uma bomba e/ou válvula atuada elétrica e automaticamente em resposta a comandos emitidos por um controlador de bomba com haste (RPC).

[0026] Em aspectos adicionais da presente revelação, um dispositivo e método para alterar automaticamente o volume compressível dentro de um vaso de pressão pneumático para contrabalancear uma unidade de bombeamento são descritos, sendo que os métodos incluem deslocar uma porção do volume compressível com um pistão móvel, mudando, dessa foram, o formato do envelope de carga permissível para a unidade de bombeamento.

[0027] Em ainda outro da presente revelação, um sistema e método para controlar ativamente o movimento de uma unidade de bombeamento com haste para aprimorar o volume de produção de fluido aumentando-se com incremento o trabalho realizado no ciclo de bombeamento, em que o método inclui analisar dados de dinamômetro de poço, comparando- se os dados do dinamômetro a um ou mais envelopes de carga permissível de unidade de bombeamento e variando-se a velocidade de bombeamento da unidade de bombeamento com haste através das regiões do dinamômetro para reduzir carga e torque onde necessário, e/ou expandir a faixa de carga vertical no cartão de dinamômetro através de seções pouco utilizadas do envelope de carregamento permissível para maximizar o trabalho (produção) de ciclo protegendo, dessa forma, a coluna de haste do surgimento de condições tais como flambagem ou níveis de tensão excessivos.

[0028] De acordo com uma primeira revelação da presente revelação, unidades de bombeamento de superfície para obter fluidos de uma formação subterrânea são descritas, bem como métodos para seu uso, sendo que as unidades incluem um vaso de pressão pneumático em comunicação operativa com a unidade de bombeamento, em que o vaso de pressão tem a capacidade de alterar automaticamente o volume compressível dentro do vaso de pressão para contrabalancear a unidade de bombeamento deslocando-se uma porção do volume compressível com uma substância incompressível.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0029] As seguintes figuras fazem parte do presente relatório descritivo e são incluídos para demonstrar adicionalmente certos aspectos da presente invenção. A invenção pode ser melhor compreendida com referência a uma ou mais dessas figuras em combinação com a descrição detalhada das revelações específicas apresentadas no presente documento.

[0030] A Figura 1 ilustra uma vista elevada lateral diagramática de uma unidade de bomba de balanceiro exemplificativa.

[0031] A Figura 2A ilustra cartões de bomba esquemáticos gerais no furo ou na superfície.

[0032] A Figura 2B ilustra uma ilustração esquemática de torque de carga de poço versus ângulo de manivela.

[0033] A Figura 3 ilustra um esquema geral do processo de análise preditivo de bombeamento com haste.

[0034] A Figura 4 ilustra cartões de bomba esquemáticos para posições diferentes no ciclo de bombeamento e mostra a operação de válvulas em um sistema de bombeamento típico.

[0035] A Figura 5 ilustra um esquema geral de cargas permissíveis e um cartão de dinamômetro associado para uma unidade de bombeamento convencional e de Mark II.

[0036] A Figura 6 ilustra uma apresentação alternativa dos dados da Figura 5, destacando as áreas de trabalho não utilizadas para as duas unidades de bombeamento.

[0037] A Figura 7 ilustra uma vista cortada parcial em perspectiva de um sistema exemplificativo de acordo com aspectos da presente revelação.

[0038] A Figura 8 ilustra uma vista em corte transversal frontal do conjunto da Figura 7.

[0039] A Figura 9 ilustra uma vista em corte transversal de cima para baixo do conjunto da Figura 7.

[0040] As Figuras 10A e 10B ilustram o sistema exemplificativo da Figura 7 nas posições completamente retraída (10A) e completamente estendida (10B).

[0041] A Figura 11 ilustra um diagrama de carga permissível exemplificativo e gráfico de dados de dinamômetro de um sistema de acordo com a presente revelação.

[0042] A Figura 12 ilustra uma vista esquemática de um conjunto de atuação em pressão de acordo com a presente revelação.

[0043] A Figura 13 ilustra um gráfico que apresenta carga permissível e contrabalanço exemplificativos efetuando mudanças de inclinação que resultam de um vaso de pressão auxiliar parcialmente preenchido com um fluido incompressível.

[0044] A Figura 14 ilustra um gráfico de dados de dinamômetro inicial derivado de um controlador de bomba com haste em associação com um sistema da presente revelação.

[0045] A Figura 15 ilustra um modelo de regressão linear exemplificativo de dados de gráfico de dados de dinamômetro de acordo com aspectos da presente revelação.

[0046] A Figura 16 ilustra um gráfico de dados de dinamômetro exemplificativo após uma sequência de equilíbrio de sistema exemplificativa de acordo com a presente revelação.

[0047] A Figura 17 ilustra um gráfico geral que corresponde inclinação de PLD (diagrama de inclinação permissível) a um valor alvo, de acordo com aspectos da presente revelação.

[0048] A Figura 18 ilustra um intervalo de tempo de ciclo exemplificativo de acordo com a presente revelação.

[0049] A Figura 19 ilustra um fluxograma geral de etapas para métodos de controle de movimento e/ou força de coluna de haste que utiliza os sistemas da presente revelação.

[0050] Embora as invenções reveladas no presente documento sejam suscetíveis a várias modificações e formas alternativas, somente algumas revelações específicas foram mostradas a título de exemplo nos desenhos e são descritas em detalhes abaixo. As figuras e descrições detalhadas das revelações específicas não são destinadas a limitarem a amplitude ou o escopo dos conceitos da invenção ou das reivindicações em anexo de qualquer maneira. Ao contrário, as figuras e as descrições escritas detalhas são fornecidas para ilustrar os conceitos da invenção para um indivíduo de habilidade comum na técnica e para habilitar tal indivíduo a produzir e utilizar os conceitos da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0051] As figuras descritas acima e a descrição escrita de estruturas e funções específicas abaixo não são apresentadas para limitar o escopo do que os Requerentes inventaram ou o escopo das reivindicações em anexo. Ao contrário, as Figura e a descrição escrita são fornecidas para ensinar um indivíduo versado na técnica a produzir e utilizar as invenções para as quais a proteção de patente é procurada. Aqueles versados na técnica podem observar que nem todos os recursos de uma revelação comercial das invenções são descritos ou mostrados por uma questão de clareza e compreensão. Os indivíduos versados na técnica podem observar, também, que o desenvolvimento de uma revelação comercial real que incorpora aspectos das presentes invenções irá precisar de inúmeras decisões específicas à implantação para alcançar o objetivo final do desenvolvedor para a revelação comercial. Tais decisões específicas a implantações podem incluir, e provavelmente sem limitação, compatibilidade com restrições relacionadas ao sistema, relacionadas a negócios, relacionadas ao governo e outras restrições, que podem variar por implantação especifica, local e de tempo em tempo. Embora os esforços de um desenvolvedor possam ser complexos e consumir tempo em um sentido absoluto, tais esforços seriam, não obstante, uma tarefa de rotina para aqueles versados na técnica que têm o benefício dessa revelação. Deve-se compreender que as invenções reveladas e ensinadas no presente documento são suscetíveis a inúmeras e várias modificações e formas alternativas. Por último, o uso de um termo singular, tal como, porém sem limitação, “um”, não é destinado a limitar o número de itens. Além disso, o uso de termos de relação, tais como, porém sem limitação, “topo”, “fundo”, “esquerda”, “direita”, “superior”, “inferior”, “baixo”, “cima”, “lateral” e similares são utilizados na descrição escrita para clareza na referência específica às Figuras e não são destinados a limitar o escopo da invenção ou das reivindicações em anexo.

[0052] As revelações particulares da invenção podem ser descritas abaixo com referências a diagramas de bloco e/ou ilustrações operacionais de métodos. Deve-se compreender que cada bloco dos diagramas de bloco e/ou das ilustrações operacionais e combinações de blocos nos diagramas de bloco e/ou nas ilustrações operacionais podem ser implantados por hardware analógico e/ou digital, e/ou instruções de programa de computador. Tais instruções de programa de computador podem ser fornecidas a um processador de um computador de propósito geral, computador de propósito especial, ASIC e/ou outro sistema de dados programável. As instruções executadas podem criar estruturas e funções para implantação de ações especificadas nos diagramas de bloco e/ou ilustrações operacionais. Em algumas implantações alternativas, asfunções/ações/estruturas citadas nas figuras podem ocorrer fora da ordem citadas nos diagramas de bloco e/ou ilustrações operacionais. Por exemplo, duas operações mostradas como ocorrendo em sucessão, na verdade, podem ser executadas substancialmente simultaneamente ou as operações podem ser executadas na ordem reversa, dependendo da funcionalidade/ações/estruturas envolvidas.

[0053] Os requerentes criaram sistemas de unidade de bombeamento e métodos de uso dos mesmos que exibem uma inércia baixa durante o uso e têm a capacidade de fazer interface com e responder a controles ativos e comandos de um sistema de automação de gerenciamento de poço de modo a se adaptar a condições de poço que mudam durante a operação da unidade. Tais sistemas de unidade de bombeamento incluem um ou mais vasos de pressão de fluido em comunicação de pressão de fluido entre si e a unidade de bombeamento, para permitir a alteração e manutenção automática de forças de contrabalanço da unidade de bombeamento, tal como adicionando-se ou removendo-se massa de fluido de um ou mais vasos de pressão.

[0054] Para que a estrutura, a operação e as vantagens dos sistemas de unidade de bombeamento da presente invenção possam ser melhor compreendidas, um sistema de unidade de bombeamento típico 10 é mostrado na Figura 1. De acordo com a revelação retratada, o sistema 10 é uma bomba de recuperação de poço de óleo para recuperar fluido debaixo da superfície da terra 9. A unidade de bombeamento é indicada geralmente em 10 e inclui uma base 11 que é colocada em uma fundação adjacente ao furo de um poço. Uma pluralidade de postes de suporte 14 integrados, em que cada um dos mesmos é conhecido na técnica como um poste Samson, são montados na base 11 e se estende para cima para um mancal de centro ou conexão de pivô 20. Um balancim 18 é montado em mancal de centro 20 de modo que o mancal de centro seja o ponto de pivô para a oscilação do balancim. Uma cabeça de balancim 16 é presa em uma extremidade dianteira de balancim 18, e um cabo de aço 22 é preso na e se estende entre a cabeça de balancim e uma barra transportadora 15. A barra transportadora 15, por sua vez, é presa em uma coluna de haste 26, que se estende no poço através da cabeça de poço 12 (referida alternativamente como um caixa de engaxetamento, tê, etc.). Conforme descrito acima, o cabo de aço 22 segue a curva de cabeça de balancim 20 conforme a extremidade dianteira de balancim 18 se eleva e baixa, o que habilita a unidade de bombeamento 10 a fornecer um curso vertical de coluna de haste 26. O sistema 10 compreende a cabeça de balancim 16 posicionada em uma extremidade do balancim 18, que é atuado entre uma primeira posição, por exemplo, ponto morto de topo (TDC), e uma segunda posição, por exemplo, ponto morto de fundo (BDC) como parte da operação do sistema 10 para recuperar fluido de uma formação subterrânea. Com essa finalidade, conforme o balancim 18 é atuado entre sua posição de topo e de fundo, a cabeça de balancim 16 sofre um movimento para cima e para baixo. Consequentemente, cabo de linha de freio 19, que se estende entre a cabeça de balancim 16 e a haste polida 24, faz com que a haste polida 24 reciproque na cabeça de poço 12. Essa ação finalmente faz com que o fluido seja bombeado para a superfície.

[0055] Conforme descrito acima, um movedor primário ou uma unidade de acionamento 22 aciona a oscilação do balancim 18 ao redor do mancal de centro ou da conexão de pivô 20. A unidade de acionamento 30 tipicamente é um motor elétrico ou um mecanismo motor de combustão e é mostrada no presente documento como um motor elétrico com o propósito de conveniência. O motor 30 é conectado por correias de transmissão (tal como correia trapezoidal 32) e polias (não são mostradas) a um redutor de engrenagem 34. O redutor de engrenagem 34 é localizado entre e é articuladamente conectado a um ou mais braços de manivela 36, e cada um dos braços de manivela é, por sua vez, articuladamente conectado a um respectivo braço de um par de braços Pitman 38. Cada braço Pitman 38, por sua vez, é conectado a uma barra equalizadora (não é mostrada) que se estende entre os braços Pitman.

[0056] Essa conexão do motor 30 ao redutor de engrenagem 34, aos braços de manivela 36, aos braços Pitman 38 e ao balancim 18 habilita o balancim a ser acionado de uma maneira oscilada ao redor do mancal de centro 20. O uso de dois braços de manivela 36 e dois braços Pitman 38 é conhecido como um sistema de alavanca de quatro barras, que converte movimento rotacional do motor 30 em movimento recíproco na cabeça de balancim 16. Quando o motor 30 é desativado e deseja-se interromper o movimento do balancim 18, uma alavanca de freio é atuada por um operador, conforme conhecido na técnica.

[0057] O sistema 10 na Figura 1 é preferencialmente equipado com um controlador 40 acoplado a um acionamento de frequência variável (VFD) 42 por meio de uma trajetória de comunicação 44. O controlador 40, às vezes referido equivalentemente como um gerenciador de poço no local, preferencialmente inclui um microprocessador e software controlador. O VFD 42 também inclui um microprocessador e tem seu próprio software de VFD. O VFD 42 controla a velocidade do movedor primário 30 como uma função de sinais de controle a partir de controlador 40. A saída de potência rotacional do movedor primário 30 é transmitida por uma correia de transmissão 32 para uma unidade de caixa de engrenagens. A unidade de caixa de engrenagens 34 reduz a velocidade rotacional gerada pelo movedor primário 30 e confere movimento giratório a uma extremidade de eixo de manivela, a um braço de manivela 36 e a um peso de unidade de bombeamento contrabalanço 28. O movimento giratório de braço de manivela 36 é convertido em movimento recíproco por meio do balancim 18.

[0058] A Figura 1 mostra adicionalmente um poço nominalmente vertical que tem o revestimento de poço normal 50 que se estende da superfície 9 ao fundo do mesmo. Posicionada no revestimento de poço 50 está uma tubagem de produção 51 que tem uma bomba 52 localizada na extremidade inferior. O barril de bomba 53 contém uma válvula em pé 54 e um êmbolo ou pistão 55 que, por sua vez, contém uma válvula rolante 56. O êmbolo 55 é atuado por uma haste de bombeio com junta 57 que se estende do pistão 55 para cima através da tubagem de produção à superfície e é conectado em sua extremidade superior por um acoplamento 58 a uma haste polida 24 que se estende através de uma junta de engaxetamento 59 na cabeça de poço.

[0059] A revelação retratada na Figura 1 fornece várias vantagens sobre outros sistemas conhecidos na técnica. Essas vantagens são fornecidas por inúmeros subsistemas que, independentes e trabalhando em combinação entre si, permitem que o sistema 10 forneça, dentre outras coisas, torque de operação baixo, alta eficiência de operação, inércia baixa, movimento e/ou força de coluna de haste controlado e menos energia de trabalho necessária. Esses subsistemas, conforme serão descritos agora em grandes detalhes, serão geralmente referidos como um Subsistema de Contrabalanço.

SUBSISTEMA DE CONTRABALANÇO.

[0060] De acordo com a revelação preferencial retratada na Figura 1, uma combinação de métodos de contrabalanço são utilizados para fornecer o que é referido, às vezes, no presente documento, como um efeito de contrabalanço (CBE), que serve para reduzir, ou eficientemente contrabalancear, o torque de poço exercido no sistema. Conforme conhecido por aqueles versados na técnica, o torque de poço geralmente se refere ao torque colocado no sistema que resulta da força de fluido recuperado e de componentes de trabalho erguidos pelo sistema durante a recuperação. Esse efeito de contrabalanço maximiza a eficiência de energia. Referindo-se novamente à Figura 1, pesos de contrabalanço 28 são posicionados na extremidade do braço Pitman 38 no lado oposto do mancal de centro/conexão de pivô 20 a partir da cabeça de balancim 16. Durante operação do sistema 10, o torque exercido no balancim 18 no centro de mancais Sampson 20 pelo contrapeso serve para contrabalancear o torque exercido no balancim 18 no centro de mancais 20 pelo fluido recuperado em combinação com componentes de trabalho que se estendem da cabeça de balancim 16 (por exemplo, haste polida 14 e cabo de linha de freio 19). Esse torque pode ser considerado “torque oposto”. De acordo com revelações da presente revelação, o torque exercido pelo contrapeso 28 é mudado em resposta ao torque oposto exercido no balancim 18. Por exemplo, é tipicamente desejável que o CBE seja aumentado conforme o torque oposto aumenta, por exemplo, durante o curso ascendente, e seja diminuído conforme o torque oposto diminui, por exemplo, durante o curso descendente.

INVENÇÃO ATUAL

[0061] Em uma revelação da presente revelação, a invenção atual compreende uma unidade de bombeamento com haste verticalmente orientada que tem um vetor de movimento linear 100 situada adjacente à cabeça de poço com o propósito de reciprocar uma bomba de fundo de poço por meio de conexão através de uma coluna de haste de bombeio. Um propósito da invenção é facilitar a elevação de líquidos de um poço subterrâneo. Nessa revelação, e com referência às Figuras 7, 8 e 9, a invenção atual compreende um vaso de pressão 101 estaticamente conectado a uma estrutura de base de montagem 126. Essa estrutura de base pode ser ancorada em uma fundação estável situada adjacente ao poço subterrâneo que produz fluido. O vaso de pressão 101 pode ser composto de um corpo de invólucro cilíndrico ou de outro formato adequado 148 construído de fundição ou placa conformada ou flanges de extremidades usinadas. Presas nos flanges de extremidades são as cabeças de pressão superior e inferior 150 e 130, respectivamente. Vedações estáticas 132 são incorporadas na junta de flange/cabeça para conter a pressão de ar interna dentro do vaso 101.

[0062] Penetrando as cabeças vaso de pressão superior e inferior é um conjunto atuador linear. Esse conjunto atuador é compreendido de um parafuso roscado orientado verticalmente 118, uma porca de rolamento planetária 122, um êmbolo percutor premente 108 em um tubo de êmbolo percutor premente 109, um conjunto de mancais de empuxo 141, um mancal centralizador de parafuso 151, um tubo de guia 146, mancais de guia êmbolo percutor, um mecanismo de antirrotação 160, um conjunto de freios, um motor 134, e vedações 132 e anéis em O (133, 143) para contensão de fluido de pressão no vaso de pressão.

[0063] O parafuso de rolamento 118 é sustentado em um conjunto de mancais de empuxo montado na superfície interior da cabeça de vaso de pressão inferior 130. A porção inferior do parafuso é usinada para fazer interface com o mancal de empuxo 145 e vedação giratória 132 conforme a mesma passa através da cabeça de vaso de pressão inferior 130. A extensão do eixo do parafuso de rolamento continua abaixo da cabeça de vaso de pressão que faz interface com o mecanismo de freio e então segue para se conectar com o acoplamento de compressão do motor 134. A reação de torque para o motor 134 é fornecido através de uma conexão de montagem de flange entre o alojamento do motor e a cabeça de vaso de pressão inferior 130. O motor é conectado a um acionamento de velocidade variável (VSD) 204 configurado de modo que sua velocidade de rotação possa ser ajustada continuamente. Com referência à Figura 12, o VSD 204 pode reverter, também a direção de rotação do motor de modo que sua faixa de torque e velocidade possam ser efetivamente dobrada. O parafuso pode, portanto, ser operado na direção do sentido horário para o curso ascendente e na direção de sentido anti-horário para o curso descendente.

[0064] No vaso de pressão, a porção roscada do parafuso faz interface com um conjunto de porca de parafuso de rolamento planetário 122. A conjunto de porca 122 é presa de modo fixo no segmento inferior do êmbolo percutor premente 108 de modo que, conforme o parafuso gira na direção de sentido horário, o êmbolo percutor premente se mova para cima. Mediante rotação de sentido anti-horário, o êmbolo percutor premente 108 move para baixo. Isso é mostrado geralmente nas Figuras 10A e 10B. O êmbolo percutor premente 108 é sustentado radialmente durante seu movimento axial por mancais de guia 147 (por exemplo, cintas de vedação) situados na área anular entre o êmbolo percutor premente 108 e o tubo de guia 146. O tubo de guia 146 é situado circundante de modo coaxial o tubo premente 109 e estaticamente montado na cabeça de pressão inferior. O mesmo se estende para cima através do invólucro para deslizar em um recurso de furo rebaixado receptor na cabeça de vaso de pressão superior 150. O suporte radial é fornecido ao tubo de guia superior através de um anel espaçador entre o tubo de guia e as paredes de furo rebaixado da cabeça de vaso de pressão superior.

[0065] Um mecanismo de antirrotação 160 é necessário para impedir que o êmbolo percutor premente 108 gire em conjunto com o torque fornecido pelo parafuso 118. A revelação atual pede por um componente de grampo de antirrotação 160’ preso de modo fixo a uma parte lateral 111 do êmbolo percutor premente 108 e situado de modo que o mesmo deslize para dentro de uma fenda usinada na parede lateral do tubo de guia 146. A interface entre o grampo de antirrotação 160’ e o tubo de guia 146 fornece uma restrição de rotação para o êmbolo percutor 108 enquanto permite, ainda, a translação livre na direção axial vertical.

[0066] Lubrificação é fornecida a partes que se movimento dentro do mecanismo por meio de uma bomba de óleo elétrica 162 situada na superfície superior da cabeça de vaso de pressão inferior 130. A cabeça de vaso de pressão inferior 130 também serve como uma área coletora de óleo onde uma entrada de bomba filtrada é submersa, permitindo que óleo limpo seja circulado novamente através da bomba e do sistema de distribuição. O êmbolo percutor, o parafuso, a porca, e o mecanismo de antirrotação são todos preferencialmente lubrificados a partir de um ponto no topo da fenda de antirrotação no tubo de guia.

[0067] Preso de modo fixo e vedado à extremidade superior do êmbolo percutor premente é um conjunto de tambor de cabo de aço e êmbolo percutor superior. Os dois tambores de cabo de aço são afixados às extremidades de um eixo que passa lateralmente através de um furo na seção de too do êmbolo percutor superior. O eixo é sustentado em mancais radiais vedados no interior do furo do êmbolo percutor superior. Um cabo de aço passa sobre os tambores que repousam nas ranhuras usinadas em seu diâmetro externo. O cabo de aço é fixado a ancoras na base de montagem na parte posterior do vaso de pressão. No lado dianteiro do vaso de pressão, o cabo de aço é preso em uma barra transportadora que é, por sua vez, acoplada à haste polida que se estende da cabeça de poço.

PRINCÍPIO DE TRABALHO DA INVENÇÃO

[0068] O princípio de trabalho da invenção é baseado natransmissão de movimento e força linear através de um mecanismo de parafuso de rolamento planetário. Um motor pode ser acoplado ao elemento de rotação de um mecanismo de parafuso de rolamento planetário. Mediante rotação na direção ou de sentido horário ou de sentido anti-horário, o motor pode efetuar movimento de translação da porca de rolamento planetária (e por conexão, o êmbolo percutor premente) ao longo da extensão do membro de parafuso. O mecanismo de parafuso linear é aumentado por contrabalanço de mola a ar que é integrado no mecanismo do atuador de parafuso de rolamento. As passagens de ar são estrategicamente colocaras dentro do tubo de guia, do êmbolo percutor premente e dos membros de parafuso de modo que o ar pressurizado tenha a capacidade de migrar continuamente por todo sistema e efetuar desequilíbrio de força na área protegida do êmbolo percutor premente. O efeito é aquele de uma força de elevação relativamente consistente e é exercida no êmbolo percutor para desviar a carga média de poço encontrada pela unidade de bombeamento além do peso de qualquer componente superior pelo êmbolo percutor em movimento tal como cabo de aço, barra transportadora, tambores, eixo, mancais e o próprio conjunto de êmbolo percutor conjunto. A magnitude da força de elevação é uma função da pressão dentro do vaso de pressão circundante que varia primariamente de acordo com a quantidade de ar compressível contido pelo mesmo.

[0069] A quantidade de força de contrabalanço pode ser ajustada e controlada adicionando-se ou removendo-se a massa de ar do vaso de contenção através da ativação de um compressor de ar de compensação ou compressor de ar ou válvula de purgação eletricamente atuada respectivamente. Tais ajustes de contrabalanço podem ser feitos automaticamente mediante comando de um controlador de bomba com haste. Monitorando-se o torque de motor (inferido a partir da corrente do motor, por exemplo), os valores de torque de motor de curso ascendente e curso descendente de magnitude de pico podem ser comparados e equilibrados por um algoritmo de computador de redução ao erro recursivo com uso desses métodos.

[0070] Uma revelação da atual invenção é indicada na Figura 10A e na Figura 10B. Essa revelação é derivada para produzir um curso de 254 cm (100 polegadas) de haste polida. Nessa revelação, o cabo de aço conjunto é ancorado em um local fixo da estrutura de unidade de bombeamento na parte posterior do vaso de pressão. Passando-se o cabo de aço sobre os tambores montados no topo do êmbolo percutor premente na rota para sua ligação com a barra transportadora acima da cabeça de poço, um curso de 254 cm (100 polegadas) da haste polida pode ser afetada com somente 127 cm (50 polegadas) de movimento de êmbolo percutor premente. Isso fornece um atributo desejável em compacidade de projeto e operação de velocidade relativamente baixa do dispositivo de atuação linear. Isso se prova ser vantajoso na redução de desgaste relacionados à velocidade em componentes tais como vedações, guias, etc. Consequentemente, as forças que precisam ser transmitidas pelo êmbolo percutor premente são aproximadamente o dobro daquelas na cabeça do poço.

[0071] O diagrama de carga permissível para a invenção de unidade de bombeamento linear é definido como:

[0072] Observe que a equação de carga permissível acima inclui termos de inércia que não são tipicamente relatados para unidades de bombeamento de massa equilibrada com balancim apesar de seus efeitos estarem certamente presentes naquelas máquinas também. A massa da bomba de haste, da bomba e de cargas de fluido é caracterizado como sendo equivalente a

e representa o volume da resistência de inércia à aceleração ^αssynesse sistema. Em contrapartida, o terceiro termo de inércia, :/ , representaa inércia interna da invenção de unidade de bombeamento e é muito pequena em comparação. Negligenciados nessa equação são os termos de inércia de rotação relacionados primariamente ao parafuso e elementos de rotação do motor, apesar de os mesmos poderem ser incluídos se as circunstâncias e dinâmicas da situação se beneficiassem de tal inclusão. Novamente, esses termos são relativamente pequenos devido ao diâmetro pequeno (e, assim, momento de massa pequeno de inércia) do parafuso. A tendência geral do diagrama de carga permissível para a unidade de bombeamento invenção se inclina um pouco para baixo, movendo-se da esquerda para direita devido à variação inerente no efeito de contrabalanço (mudanças no volume compressível) testemunhado conforme o êmbolo percutor se estende e se retrai. A inclinação para baixo tenderá a fazer com que a invenção atual mostre uma leve preferência por aplicações de poço que exibem características de “percurso sobrecarregado” de êmbolo de bomba de fundo de poço. Isso é ilustrado de modo geral na Figura 11.

CONFORMIDADE DE DIAGRAMA DE CARGA PERMISSÍVEL

[0073] Visto que o efeito de contrabalanço (CBE) da unidade de bombeamento é relacionado à pressão de ar que atua no êmbolo percutor e que a pressão irá variar de acordo com o volume de ar compressível capturado dentro do vaso de contenção, uma melhora no envelope de desempenho da invenção atual que não está geralmente disponível para outros projetos de unidade de bombeamento com haste surge. Ou seja, um dispositivo e método para alterar a inclinação do envelope de carga permissível da unidade de bombeamento para aprimorar a conformidade a dados de carga de dinamômetro. Tal dispositivo exemplificativo, de acordo com a presente revelação, é ilustrado de modo geral na Figura 12.

[0074] Conforme pode ser visto a partir de conjunto de bombeamento 200 da Figura 12, a unidade de bombeamento 201 da invenção descrita previamente é aumentada por um vaso de pressão 210 auxiliar disposto de modo a estar em comunicação de fluxo de ar e pressão direta com o vaso de pressão primário 220 da unidade de bombeamento. Um fluido incompressível (tal como um óleo similar a líquido ou um fluido oleoso similar, gás ou mistura de líquidos ou gases) ocupa uma porção do volume interno do vaso de pressão auxiliar 210 que é suprido a partir de um reservatório de armazenamento 208 em condições de ambiente por meio de uma bomba 207. O fluido pode ser transferido indo e voltando entre o vaso de pressão auxiliar 210 e o reservatório 208 pela bomba mencionada anteriormente ou por uma válvula atuada eletricamente 212, cada uma controlada pelo controlador de bomba com haste (RPC). O propósito do líquido é deslocar uma porção do volume interno dentro do vaso de pressão sistema 220, tornando, dessa forma, o volume compressível uma variável que pode ser controlada através de automação. A adição de mais líquido ao vaso de pressão 220 diminui o volume compressível contido dentro do sistema e vice versa. A pressão dentro do sistema de vaso varia de acordo com a relação como um processo politrópico que envolve um gás ideal em que:

P = a pressão dentro do vaso em um ponto de interesse;P0 = a pressão dentro do vaso em uma condição conhecida tal como no fundo do curso;V0 = o volume compressível dentro do vaso em uma condição conhecida tal como no fundo do curso; V = o volume compressível dentro do vaso em um ponto de interesse; e,k = a razão de calor específica do gás em questão (aproximadamente 1,4 no caso de ar; no contrário, geralmente um valor predeterminado).

[0075] Conforme será compreendido, gases, particularmente um gás natural, nem sempre tem a mesma composição molecular e, assim, a razão de calor específica k pode variar.

ALTERAR AUTOMATICAMENTE A INCLINAÇÃO DO ENVELOPE DE CARGA PERMISSÍVEL DE UNIDADE DE BOMBEAMENTO

[0076] A equação acima indica que a pressão dentro do sistema de vaso irá cair conforme o volume compressível aumenta, como irá ocorrer conforme o êmbolo percutor premente da unidade de bombeamento se estende. A razão V0/V também sugere que variar o volume compressível geral irá alterar a taxa de mudança de pressão conforme o êmbolo percutor se estende e retrai. Isso terá um efeito no grau da força do efeito de contrabalanço e irá alterar consequentemente o envelope de carregamento permissível da unidade de bombeamento. O diagrama mostrado na Figura 13 ilustra alterações na inclinação do diagrama de carga permissível que resulta de um vaso de pressão auxiliar parcialmente preenchido com quantidades variáveis de um líquido incompressível destinado a controlar a quantidade de volume compressível que resta dentro do sistema de contenção.

[0077] Um sistema automatizado em que o controlador de bomba com haste lê dados de dinamômetro de poço medidos, compara esses dados com o envelope de carregamento permissível da unidade de bombeamento em sua presente configuração e então faz comandos corretivos para controlar a bomba ou a válvula entre o reservatório de líquido e o vaso de pressão auxiliar para elevar ou baixar o nível de líquido no vaso, tem o potencial de aprimorar a conformidade e, portanto, aprimorar a utilização e eficiência do sistema de bombeamento com haste. Essa melhora, junto com um meio automatizado para manter continuamente um contrabalanço apropriado (mantendo pressão de ar dentro dos limites apropriados), fornece meios aprimorados de adaptação do sistema de unidade de bombeamento a condições de poço que mudam e protegendo componentes de sistema.

CORRIGINDO CONTRABALANÇO AUTOMATICAMENTE

[0078] A prática de monitorar a corrente do motor (para inferir o torque) como um meio de determinação de ação corretiva em relação ao ajuste de contrabalanço foi utilizada durante muitos anos em manutenção de unidade de bombeamento. No entanto, devido do processo em grande parte manual de fazer ajustes físicos (adicionar, remover ou ajustar contrapesos) em unidades de bombeamento com balancim tradicionais, um método automatizado de ação corretiva demorou a se materializar. O contrabalanço de mola a gás ou pneumático oferece uma oportunidade de fazer essas correções de equilíbrio de uma maneira automatizada de última hora.

[0079] Referindo-se novamente à Figura 12 acima, o motor da unidade de bombeamento da invenção atual pode ser controlado e monitorado por um acionamento de velocidade variável (VSD) que, por sua vez, troca dados com o controlador de bomba com haste (RPC). O torque ou a corrente de motor podem ser monitorados e os valores de curso crescente e curso decrescente de magnitude de pico comparados a fim de determinar se o carregamento de unidade de bombeamento está equilibrado dentro dos limites aceitáveis. Se a magnitude de torque de curso ascendente estiver significativamente maior que aquele do curso descendente, digamos, por exemplo:

então a unidade está aquém do equilíbrio. Nesse caos, o RPC pode ativar o compressor de ar de compensação para injetar massa de ar adicional no sistema de vaso de pressão até que a condição fora de equilíbrio seja aliviada. Se o contrário for detectado, ou seja

e a unidade está acima do equilíbrio, o RPC pode ativar uma válvula de purgação atuada eletricamente e retirar massa de ar do vaso de pressão até que o equilíbrio apropriado seja reestabelecido.

SEQUÊNCIA DE CONTROLE BÁSICA

[0080] O exemplo abaixo, e mostrado esquematicamente na Figura 19, ilustra um cenário potencial em que um sistema de bombeamento com haste da presente revelação que incorpora da invenção de unidade de bombeamento invenção atual junto com as melhoras para controlar o contrabalanço e a inclinação de envelope de carregamento permissível é utilizado para controlar ativamente o movimento e/ou força de coluna de haste, em que a unidade de bombeamento é caracterizada como tendo inércia baixa. Nesse cenário, a unidade de bombeamento é inicialmente colocada em funcionamento fazendo interface com uma aplicação de e é ajustada somente grosseiramente para satisfazer suas necessidades de otimização. Através do monitoramento de posição giratória de motor e torque ou, alternativamente, a carga e posição de haste polida, o controlador de bomba com haste (RPC) pode derivar um gráfico de dados de dinamômetro conforme ilustrado de modo geral na Figura 14.

[0081] A tendência linearizada dos dados de dinamômetro pode ser desenvolvida, então, através de métodos de regressão linear, tal como “mínimos quadrados”, ou aplicações matemáticas similares. A inclinação dessa linha pode ser adotada, então, como um valor alvo para a inclinação do efeito de contrabalanço da unidade. A "interceptação y" da linha de regressa, no entanto, pode não refletir consistentemente o efeito de contrabalanço de “ponto morto de fundo” necessário para o equilíbrio em relação às cargas mínimas e de pico. Uma interceptação y corrigida pode ser computada projetando-se uma linha de média das cargas mínimas e de pico ao longo da inclinação a partir da análise de regressão ao eixo geométrico zero da haste polida de acordo com:

[0082] Com a linha de efeito de contrabalanço (CBE) alvodefinida, uma sequência de etapas de controle pode ser, então, executada para afetar os ajustes apropriados. A primeira dessas é para configurar a pressão máxima dentro do vaso de pressão sistema. A interceptação y na linha de CBE alvo serve para esse propósito. A pressão máxima dentro do sistema irá ocorrer no fundo do curso do êmbolo percutor, que coincide com a posição zero de haste polida. O uso do valor da interceptação y para calcular a pressão de sistema máxima de acordo com

o controlador de bomba com haste (RPC) pode comparar pressãode pico medido com a pressão de pico “desejada” recentemente calculada e ou ativar o compressor de ar do sistema ou a válvula de purgação eletricamente controlada para trazer a pressão do sistema para dentro de limites aceitáveis.

[0083] Tendo ajustado a pressão de pico no sistema, a inclinaçãodo envelope de carga permissível da unidade de bombeamento pode ser ajustada para ser compatível com a inclinação do contrabalanço alvo estimado (ECB) adicionando-se ou removendo-se líquido do vaso de pressão. O volume compressível necessário no tanque auxiliar para estabelecer essa inclinação pode ser calculado a partir de

em que:Vb = Volume compressível no vaso de pressão primário no fundo do curso.Wconjunto = Peso de componentes superiores tais como cabo de aço, êmbolo percutor, tambores, etc. sustentados pelas forças de contrabalanço e de parafuso.b = Interceptação y de linha de ECB alvo (contrabalanço estimado).Mreg= Inclinação de linha de ECB alvo (contrabalanço estimado).PRP = Posição de haste polidatd = Intervalo de tempo para completar curso ascendente.Pmáx = Pressão máxima no sistema de vaso de contenção. Ocorre no fundo do curso.doram = Diâmetro externo do tubo de êmbolo percutor premente.diram = Diâmetro interno do tubo de êmbolo percutor premente.Iram = extensão do tubo de êmbolo percutor premente.digt = Diâmetro do lado interno do tubo de guia.htanque = Altura vertical do volume cilíndrico contido no vaso de pressão primário.dogt = Diâmetro do lado externo do tubo de guia.dittanque = Diâmetro do lado interno do invólucro do vaso de pressão.Dparafuso = Diâmetro de passo da rosca do parafuso de rolamento.dtb = Diâmetro do mancal de empuxo. Itb = Extensão do mancal de empuxo.Dporca = Diâmetro da porca de rolamento.Iporca = Extensão da porca de rolamento.yb = Face interior do local do êmbolo percutor no fundo do curso.SL = Extensão do curso de haste polida..

[0084] Dependendo do volume deslocado do atuador e outros componentes dentro do vaso de pressão primário, o volume de líquido necessário pode ser calculado subtraindo-se a quantidade acima do volume de vaso auxiliar total.

[0085] Claro, conforme o líquido é adicionado ou removido do sistema, a pressão dentro do vaso irá variar de modo um pouco inverso ao volume compressível restante. O RPC (controlador de bomba com haste) irá monitorar e controlar continuamente a pressão de ar para manter a mesma dentro dos limites durante a adição ou remoção de líquido.

CONTROLE ATIVO DA VELOCIDADE DE UNIDADE DE BOMBEAMENTO

[0086] O trabalho realizado pela unidade de bombeamento em um ciclo pode ser quase aproximado pela área capturada dentro do cartão de dinamômetro de acordo com:

[0087] Mesmo compatibilização de inclinação de envelope de carga permissível e contrabalanço apropriada, o cartão de dinamômetro produzido em uma aplicação de bombeamento com haste ainda é muito um produto das interações de movimento e força entre a unidade de bombeamento, a bomba de fundo de poço e a coluna de haste de bombeio de conexão. O diagrama de carregamento permissível mostrado acima pode não conformar ainda particularmente o poço ao cartão de dinamômetro apesar dos esforços de correção de inclinação de contrabalanço e CBE. Deve-se observar, no entanto, que o perfil de movimento utilizado para derivar o PLD acima compreendeu muito simplesmente 2 períodos de aceleração constante para aumentar ou diminuir a velocidade da haste polida em aproximadamente 30% do intervalo de tempo de ciclo. Os 70% restantes do intervalo de tempo de ciclo são gastados em velocidade constate. Isso explica as etapas em carga permissível próximo do topo e do fundo do curso. No entanto, a duração do aumento e redução de acelerações não precisa ocorrer em um intervalo de tempo fixo. As mesmas não precisam nem ser restringidas como períodos de aceleração. O benefício de um mecanismo de unidade de bombeamento de inércia baixa, tal como aquele da presente invenção, é que mudanças de velocidade podem ser feitas dentro de um ciclo de bombeamento sem gastar quantidades excessivas de energia. A diminuição ou o aumento lento para uma velocidade um pouco mais alta de haste polida pode permitir, ainda, um ciclo para ser concluído nos 6 segundos necessários para operar a máquina em 10 SPM (cursos por minuto).

[0088] A manipulação de velocidade pode ter um efeito no formato do cartão de dinamômetro também. Quando se compara os dados de dinamômetro ao diagrama de carga permissível, se for observado que a carga aplicada se afasta do valor de carga permissível de modo que a capacidade da unidade esteja sendo pouco utilizada, pode-se provar benéfico que o RPC comande um leve aumento de velocidade por aquela região. Ou seja, contanto que o aumento de velocidade não instigue uma questão tal como famblagem de haste ou outro problema. As capacidades de simulação preditivas de muitos controladores de bomba com haste atualmente permite que cenários de teste sejam derivados e modelados antes da implantação dos mesmos de modo que a maior parte das questões possa ser evitadas.

[0089] Os benefícios dos sistemas e métodos da presente invenção são claros em vista da presente revelação. Ou seja, o mecanismo da unidade de bombeamento da presente invenção combina um gás comprimido ou uma mola pneumática para contrabalanço com um conjunto de parafuso de rolamento linear para criar e controlar movimentos e forças de elevação necessários para operar a bomba de fundo de poço de uma unidade de bombeamento. Adicionalmente, as porções de movimento do mecanismo da unidade de bombeamento possuem massa e movimentos de massa relativamente baixos em comparação com projetos de unidade de balancim tradicionais e, como tal, fornecem pouca resistência de inércia a mudanças de velocidade conforme necessário para otimização de poço. Com tal inércia baixa, o perfil de movimento do êmbolo percutor pode ser variado rapidamente, com uso de um poço controlador ou similares, para reduzir o carregamento de haste, aprimorar utilização de capacidade de trabalho, aprimorar preenchimento de bomba ou mitigar questões de queda de haste associados à produção de óleo pesado.

[0090] O conjunto de unidade de bombeamento da presente revelação também alcança um perfil de altura vertical baixo através de um método de multiplicação de extensão de curso que envolve tambores empregados na extremidade do êmbolo percutor premente e um cabo de aço ancorado em um ponto no solo fixo em uma extremidade, enquanto é enrolado nas polias e conectado ao poço haste polida (por meio da barra transportadora) no lado oposto. O impacto ambiental no local da máquina é consequentemente muito leve. Ou seja, o sistema de unidade de bombeamento atual tem um tamanho pequeno em relação às unidades de bombeamento com balancim tradicionais com capacidade de elevação equivalente. O sistema exibe adicionalmente uma aparência geralmente ‘monolítica’ com poucas partes moveis observáveis, particularmente no nível do solo, o que resulta em uma redução significativa de perigos de segurança, e pode exigir pouca ou nenhuma vigilância exceto ao redor da cabeça de poço.

[0091] Adicionalmente, conforme descrito em detalhes no presente documento, o contrabalanço para o sistema de unidade de bombeamento da presente invenção é fornecido por um tipo de mola a gás de conjunto, que oferece inúmeras vantagens sobre conjuntos típicos de unidade de contrabalanço com base em massa, incluindo, porém sem limitação, permitir ajuste de contrabalanço automaticamente controlando-se a pressão de gás; permitir que um controlador de bomba com haste monitore o torque de motor da unidade de bombeamento e forneça comandos de correção de pressão para equilíbrio a um compressor de gás ou válvula de purgação dependendo da otimização necessária; e permitir uma redução no peso e consumo de material relacionado à fabricação e ao transporte da unidade de bombeamento. Além disso, visto que a extensão de curso do conjunto de unidade de bombeamento descrita no presente documento não é restringida por um sistema de ligação de geometria estendida tal como aquele observado em unidades típicas de bombeamento do tipo balancim, a extensão de curso pode ser ajustada ou variada na hora. Ou seja, o espaçamento de bomba de fundo de poço pode ser monitorado para evidência de bloqueio de gás ou marcação, e correções podem ser feitas automaticamente. Os autodiagnósticos do sistema tal como checagem de válvula podem ser prontamente realizados automaticamente, também, por meio da integração de controlador de bomba com haste.

[0092] Ainda outro benefício dos sistemas e métodos de uso de unidade de bomba da presente invenção é a aplicação pronta de cancelamento de ruído adaptável. Conforme é bem compreendido na técnica, a haste de bombeio oscila em uma certa frequência harmônica durante a operação, resultando em questões de fadiga de haste fatigue diretamente associadas ao ruído. Com o sistema de unidade de bomba descrito neste momento, uma ou mais mudanças de fase podem ser incluídas, tal como dentro do poço controlador, para atenuar e cancelar as frequências de oscilação de haste de bombeio.

[0093] Outras e adicionais revelações que utilizam um ou mais aspectos das invenções descritas acima podem ser derivadas sem se separar do escopo da invenção dos Requerentes. Por exemplo, uma série de vasos de pressão auxiliares em comunicação fluida entre si podem ser utilizados em uma unidade de bombeamento de acordo com a presente revelação. Adicionalmente, os vários métodos e revelações dos métodos de fabricação e conjunto do sistema, bem como especificações de local, podem ser incluídos em combinação entre si para produzir variações dos métodos e revelações revelados. A discussão de elementos singulares pode incluir elementos plurais e vice-versa.

[0094] A ordem das etapas pode ocorrer em uma variedade de sequências a não ser que seja especificamente limitado de outra forma. As várias etapas descritas no presente documento podem ser combinadas com outras etapas, intercaladas com as etapas citadas e/ou se dividirem em múltiplas etapas. De modo similar, os elementos foram descritos de modo funcional e podem ser incorporados como componentes separados ou podem ser combinados em componentes que têm múltiplas funções.

[0095] As invenções foram descritas no contexto de revelações preferenciais e outras revelações e nem toda revelação da invenção foi descrita. Modificações e alterações óbvias às revelações descritas estão disponíveis para aqueles de habilidade comum na técnica. As revelações reveladas e não reveladas não são destinadas a limitar ou restringir o escopo ou a aplicabilidade da invenção concebida pelos Requerentes, e sim, em conformidade com as leis de patente, os Requerentes pretendem proteger completamente todas essas modificações e aprimoramentos que se encontram dentro do escopo ou faixa de equivalência das seguintes reivindicações.

Claims

1. DISPOSITIVO PARA ATUAR UMA HASTE de um conjuntode bombeamento com haste de bombeio, caracterizado por compreender:uma haste (24);um motor (134);um conjunto de contrabalanço em comunicação com o motor (134),em que o conjunto de contrabalanço inclui um cilindro de contenção pneumático com a capacidade de alterar e manter uma força de contrabalanço adicionando-se ou removendo-se uma massa de fluido do cilindro de contenção; eum conjunto atuador linear operativamente conectado ao motor (134) e configurado para fornecer um curso da haste (24), em que o conjunto atuador linear penetra em cabeças superior e inferior (150,130) no cilindro de contenção, em que o conjunto atuador linear é composto de um parafuso roscado orientado verticalmente (118) e uma porca de rolamento planetária (122), e em que o motor (134) é configurado para efetuar movimento de translação da porca de rolamento planetária (122) ao longo da extensão do parafuso roscado (118).

2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por uma massa de ar ser adicionada ou removida do cilindro de contenção através da ativação de um compressor de ar de compensação ou válvula de purgação eletricamente atuada, respectivamente.

3. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 2, caracterizado pelo conjunto atuador linear compreender adicionalmente um êmbolo percutor premente (108), em que a porca de rolamento planetária (122) é presa de modo fixo em um segmento inferior do êmbolo percutor premente (108), de tal modo que o parafuso roscado orientado verticalmente (118) opera no sentido horário e anti-horário, o êmbolo percutor premente (108) operando de modo ascendente e descendente.

4. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo conjunto atuador linear compreender adicionalmente um mecanismo de anti-rotação (160) configurado para impedir que o êmbolo percutor premente (108) gire em conjunto com o torque fornecido pelo parafuso (118).

5. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 3 a 4, caracterizado pelo conjunto atuador linear compreender adicionalmente tambores montados no topo do êmbolo percutor premente (108), e um cabo de aço que passa sobre os tambores que repousam nas ranhuras usinadas em seu diâmetro externo.

6. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 3 a 5, caracterizado pelo conjunto de contrabalanço compreender passagens de ar que são colocadas de tal modo que o ar pressurizado efetua um desequilíbrio de força na área protegida do êmbolo percutor premente (108).

7. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender um controlador para ajustar a quantidade de força de contrabalanço através da adição ou remoção de massa de fluido a partir do cilindro de contenção.

8. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizado pela velocidade do motor (134) ser controlada como uma função de controle de sinais a partir de um controlador (40).

9. MÉTODO DE BOMBEAMENTO DE UM FLUIDO, queutiliza um conjunto de bombeamento com haste de bombeio, caracterizado pelo conjunto de bombeamento com haste de bombeio compreender o dispositivo, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, sendo que o método compreende:posicionar o conjunto de bombeamento com haste de bombeio de modo que a bomba entre em contato com um reservatório de fluido;posicionar o conjunto atuador linear do dispositivo de modo que seu eixo geométrico de operação seja o mesmo que o eixo geométrico de movimento da haste de bombeio;fornecer um conjunto de contrabalanço do dispositivo que inclua pelo menos um vaso de pressão pneumática posicionado de modo que o mesmo alivie automaticamente a carga imposta ao motor (134) pela haste de bombeio e a coluna de fluido a ser bombeado; eoperar o motor (134) de modo que a bomba adquira fluido em seu curso descendente e transporte fluido em seu curso ascendente,em que pelo menos um vaso de pressão pneumática contém uma substância incompressível com a capacidade de comunicação de fluido entre um reservatório separado e o vaso de pressão.