BR112015010330B1 - "Método para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio e sistema de controle de bomba" - Google Patents

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Abstract

resumo "aparelho e método de referenciar uma bomba de haste de bombeio" é fornecido um método e sistema para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio sem um dispositivo de detecção de posição durante bombeamento de produção. um sistema de controle de bomba do sistema de bombeamento de haste de bombeio inclui um controlador acoplado a um banco de dados, com o controlador configurado para acessar um valor de torque rxless no banco de dados. com o valor de torque rxless armazenado representativo de pontos e articulação do braço de manivela durante um ciclo de bombeamento de calibragem inicial, o controlador é adicionalmente configurado para amostrar continuamente o valor de torque rxless do sistema e determinar a posição de braço de manivela em relação ao valor de torque rxless de amostra. o controlador ajusta o sistema de bombeamento para operações ótimas, sem um sensor de posição de braço de manivela durante bombeamento de produção por identificar um ponto de articulação e ajustar a estimativa de posição de braço de manivela igual ao valor correspondendo à posição de manivela no ponto de articulação identificado.

Description

(54) Título: MÉTODO PARA DETERMINAR A POSIÇÃO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE HASTE DE BOMBEIO E SISTEMA DE CONTROLE DE BOMBA (73) Titular: UNICO, INC.. Endereço: 3745 NICHOLSON ROAD, FRANKSVILLE, ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA (US), 531260505 (72) Inventor: RONALD G. PETERSON
Prazo de Validade: 20 (vinte) anos contados a partir de 04/11/2013, observadas as condições legais
Expedida em: 03/04/2018
Assinado digitalmente por:
Júlio César Castelo Branco Reis Moreira
Diretor de Patente
1/21
MÉTODO PARA DETERMINAR A POSIÇÃO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE HASTE DE BOMBEIO E SISTEMA DE CONTROLE DE BOMBA
REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDOS DE PATENTE RELACIONADOS [001 ]O presente pedido é um pedido não provisional reivindicando prioridade ao pedido provisional número de série 61/722.8844 depositado em 6 de novembro de 2012, que é incorporado aqui, na íntegra, por essa referência.
CAMPO DA INVENÇÃO [002]A presente revelação se refere genericamente ao controle de bombas de haste de bombeio para poços de óleo, gás e água, e mais particularmente a um aparelho e métodos para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio sem um dispositivo de detecção de posição durante bombeamento de produção para otimizar a operação da bomba de haste.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [003]Uma unidade de bombeamento de haste de bombeio recíproca uma coluna de haste para acionar uma bomba subterrânea para fins de levantar líquidos para a superfície. Uma modalidade exemplar é mostrada na figura 1. Tais unidades são frequentemente instrumentadas com vários sensores afixados à unidade de bombeamento para fins de rastrear o desempenho de poço e bomba. Historicamente, essa instrumentação incluiu sensores como (porém não limitados a) célula de carga de haste, sensor de posição de manivela, sensor de posição de motor, sensores de voltagem/corrente de motor e inclinômetro de viga.
[004]Além do desempenho do sistema de rastreamento, esses sensores também podem ser usados para aperfeiçoar ou otimizar a operação do sistema de bombeamento, maximizar taxas de produção e/ou proteger equipamento de bombeamento. Por exemplo, informações de realimentação a partir de sensores permitem a geração de “gráficos de dinamômetro” (carga de bomba versus dados de posição) que
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2/21 podem ser usados para inferir condições de fundo de poço valiosas como carga de bomba, taxa de fluxo de bomba, influxo de poço, e saúde da bomba, que podem, por sua vez, ser usadas para aperfeiçoar ou otimizar a operação do sistema de bombeamento.
[005]Sensores externamente afixados a uma unidade de bombeamento acrescentam custo adicional, representam um modo de falha em potencial, exigem manutenção freqüente, e frequentemente não são funcionais devido à manutenção ruim ou negligência. A falha desses dispositivos, especialmente em áreas remotamente localizadas, pode fazer com que o sistema de bombeamento opere abaixo de ótimo, possivelmente prejudicando as taxas de produção e/ou causando dano ao sistema de bombeamento.
[006]A patente US 7.168.924 descreve um método pelo qual o sensor de célula de carga de haste pode ser eliminado, desse modo fornecendo um sistema mais barato e mais confiável. A patente ‘924 é cedida à cessionária desse pedido e é incorporada aqui, integralmente, como se totalmente exposta aqui. Entretanto, um sensor de posicionamento de algum tipo é ainda exigido para referenciamento da posição absoluta da unidade de bombeamento. Isso pode incluir um sensor de posição de manivela (um sensor discretamente ativado ou comutador afixado ao braço de manivela de unidade de bombeamento), um inclinômetro afixado à viga principal d unidade de bombeamento (também mencionado como um balancim), ou qualquer outro tal método de determinar a posição de manivela com um dispositivo de “referência” externamente montado.
[007]O aparelho da presente revelação deve ser também de construção que seja tanto durável como de duração longa, e deve também exigir que pouca ou nenhuma manutenção seja fornecida pelo usuário durante todo seu tempo de vida operacional. Para aumentar o atrativo de mercado do aparelho da presente revelação, deve ser também de construção barata para desse modo fornecer o mercado mais amplo
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3/21 possível. Finalmente, também é um objetivo que todas as vantagens e objetivos acima mencionados sejam obtidos sem incorrer em qualquer desvantagem relativa substancial.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [008]As desvantagens e limitações da técnica antecedente discutida acima são superadas pela presente revelação.
[009]É fornecido um método e sistema para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio sem um dispositivo detector de posição durante bombeamento de produção. O sistema de bombeamento inclui uma coluna de haste portando uma bomba de fundo de poço, um acionamento variável acoplado à coluna de haste para movimento alternado da coluna de haste em um furo de poço e operação da bomba. Um braço de manivela, com um contrapeso, é acoplado a uma viga principal com uma alavanca de direção e motor. O motor é acoplado a um controlador.
[010]O método inclui executar um procedimento de incorporação inicial para determinar um valor de torque rxless em pontos de articulação do braço de manivela durante um ciclo de bombeamento de calibragem inicial. O valor de torque rxless é medido e armazenado em um banco de dados acoplado ao controlador. Durante operação de bombeamento de produção normal o controlador continuamente amostra o torque rxless e determina a posição de braço de manivela em relação ao valor de torque rxless de amostra. O controlador compara o valor de torque rxless de amostra com o valor de torque rxless armazenado e determina dois dos valores de torque rxless amostrados que correspondem aos valores de torque rxless armazenados pelos pontos de articulação de braço de manivela.
[011]O controlador ajusta o sistema de bombeamento para operação ótima do sistema de bombeamento sem um sensor de posição de braço de manivela durante bombeamento de produção por identificar um ponto de articulação e ajustar a estiPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 8/33
4/21 mativa de posição de braço de manivela igual ao valor correspondendo à posição de manivela naquele ponto de articulação.
[012]Em uma modalidade, o método inclui definir um ponto de articulação como um de um ponto morto superior e posição de ponto morto inferior da viga principal quando a coluna de haste está em, respetivamente, uma posição estendida máxima e mínima. Em outra modalidade, o método inclui determinar o derivado de forque rxless e armazenar o derivado no banco de dados. Cada ponto de articulação tem um derivado de torque rxless associado ao mesmo.
[013]É fornecido ainda um sistema de controle de bomba para controlar o desempenho de um sistema de bomba de haste de bombeio durante bombeamento de produção de um poço. O sistema de bombeamento de haste de bombeio inclui uma coluna de haste portando uma bomba de fundo de poço, um acionamento variável acoplado a coluna de haste para movimento alternado da coluna de haste em um furo de poço e operação da bomba. Um braço de manivela, com um contrapeso, é acoplado a uma viga principal com uma alavanca de direção.
[014]Um sistema de controle de bomba do sistema de bombeamento de haste de bombeio inclui um controlador acoplado a um banco de dados, com o controlador configurado para acessar um valor de torque rxless no banco de dados. Com o valor de torque rxless armazenado representativo de pontos de articulação do braço de manivela durante um ciclo de bombeamento de calibragem inicial, o controlador é configurado ainda para continuamente amostrar o valor de torque rxless do sistema e determinar a posição de braço de manivela em relação ao valor de torque rxless de amostra. O sistema também inclui um motor acoplado à alavanca de direção e o braço de manivela, com o desempenho do motor controlado pelo controlador baseado em uma comparação, pelo controlador, do valor de troque rxless amostrado com o valor de torque rxless armazenado. Uma identificação é feita de dois dos valores de torque rxless amostrados que correspondem aos valores de torque rxless armaPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 9/33
5/21 zenados espaçados pelos pontos de articulação de braço de manivela. O controlador então ajusta o motor, velocidade ou torque pelo controlador para ajustar a posição de braço de manivela em um ponto de articulação para operação ótima do sistema e bombeamento sem um sensor de posição de braço de manivela durante bombeamento de produção. Em outra modalidade, o sistema de controle de bomba inclui configurar o controlador para definir um ponto de articulação como um de um ponto morto superior e posição de ponto morto inferior da viga principal quando a coluna de haste está em, respectivamente, posição estendida máxima e mínima. Em uma modalidade adicional, o sistema de controle de bomba é configurado de tal modo que a relação entre o contrapeso de braço de manivela e o pivô de alavanca de direção seja assimétrica.
[015]O aparelho da presente invenção é de uma construção que seja tanto durável como de longa duração, e que exigirá que pouca ou nenhuma manutenção seja fornecida pelo usuário durante todo seu tempo de vida operacional. Finalmente, todas as vantagens e objetivos acima mencionados são obtidos sem incorrer em qualquer desvantagem relativa substancial.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [016]Essas e outras vantagens da presente revelação são entendidas melhor com referência aos desenhos nos quais:
[017]A figura 1 é uma representação de um sistema de bomba de haste de bombeio incluindo um controlador, computador e banco de ados configurado para executar o método revelado para otimizar a operação do sistema de bomba para bombeamento de produção sem uma posição de braço de manivela.
[018]A figura 2 é uma ilustração esquemática do sistema de bomba ilustrado na figura 1 e identificar várias relações geométricas.
[019]A figura 3 é uma equação, usando a relação geométrica identificada na figura 2, para determinar, no computador de controlador ilustrado na figura 1, um ângulo
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6/21 de braço de manivela onde uma posição máxima e mínima da viga principal do sistema de bombeamento, correspondendo a um ponto de articulação de uma posição de braço de manivela em uma posição de curso ascendente e curso descendente da viga principal.
[020]A figura 4 é um fluxograma de um processo de incorporação inicial para o sistema de bombeamento de acordo com essa revelação.
[021 ]A figura 5 é um fluxograma de um modo de bombeamento de produção (normal) do sistema e bomba de haste de bombeio ilustrado na figura 1, sem um sensor de posição de braço de manivela.
[022]A figura 6 é um gráfico exemplar de identificação de ponto de articulação ao traçar a velocidade de haste contra o ângulo de braço de manivela.
[023]A figura 7 é um gráfico exemplar de identificação de ponto de articulação ao traçar a posição de haste contra o ângulo de braço de manivela.
[024]A figura 8 é um gráfico exemplar identificando um valor de torque rxless durante um curso ascendente e curso descendente da viga principal do sistema de bomba durante bombeamento de produção.
[025]A figura 9 é um gráfico exemplar ilustrando um valor de torque rxless e a regra FALL que correspondem à posição de braço de manivela absoluta determinada pelo método revelado aqui.
[026]A figura 10 é um gráfico exemplar de um gráfico de dinamômetro, gerado pelo método revelado aqui sem sensores montados externos afixados ao sistema de bombeamento ilustrado na figura 1, e usado para controlar o sistema de bomba para operação de produção ótima.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES EXEMPLARES [027]Unidades de bombeamento de haste de bombeio são tipicamente acionadas por um motor elétrico como o motor principal. De acordo com a presente revelação um usuário é capaz de determinar a posição de manivela da unidade de bombeaPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 11/33
7/21 mento (e, portanto, a referência de posição absoluta) diretamente a partir do torque de motor de motor principal e velocidade (derivada a partir da corrente de motor e voltagem). Após a posição absoluta da manivela e viga principal serem determinadas, a posição da haste de bombeio pode ser subsequentemente determinada utilizando informações sobre a unidade de bomba específica (como descrito abaixo), onde a posição de haste é proporcional ao ângulo de viga principal vezes o curso de haste total.
[028]A modalidade preferida utiliza uma rotina de identificação de sistema durante calibragem inicial (também mencionada como incorporação) para identificar a inércia rotativa do sistema, compreendendo o braço de manivela, caixa de engrenagem, roldanas e induzido de motor de motor principal. Essa rotina é inicialmente executada durante incorporação de bomba com um inclinômetro (ou algum outro dispositivo de posicionamento absoluto) temporariamente afixado à unidade de bombeamento. Tal incorporação do sistema é feito em um ciclo de bomba de calibragem. O procedimento de calibragem inicial identifica e caracteriza parâmetros do sistema. Durante essa rotina, a inércia rotativa da unidade de bombeamento é caracterizada e níveis de torques de “ponto de articulação” de mecanismo de curso ascendente e curso descendente normalizado são armazenados, como descrito abaixo. Alternativamente, a inércia rotativa pode ser preestabelecida ou calculada por algum meio diferente da rotina de identificação de sistema. O dispositivo de inclinômetro é subsequentemente removido e o sistema é operado em um ciclo de bomba de produção sem sensores na estrutura de bomba ou fundo de poço no furo de poço.
[029]Com referência à figura 1, é mostrado um sistema de bomba de haste de bombeio 104, cuja operação é controlada por um sistema de controle de bomba de haste e método incluindo um estimador de parâmetro de acordo com a presente invenção. Para fins de ilustração, o sistema de controle de bomba de haste 122 é descrito com referência a uma aplicação em um sistema de bomba de haste 104 que
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8/21 inclui uma bomba de viga convencional. A bomba de viga tem um balancim 138 que recíproca uma coluna de haste 144 que inclui uma porção de haste polida 146. A coluna de haste 144 é suspensa a partir da viga para acionar uma bomba de fundo de poço 110 que é disposta no fundo de um poço 112. Entretanto, o sistema de controle de bomba de haste e o método fornecidos pela invenção são aplicáveis a qualquer sistema que utiliza um motor elétrico para reciprocar uma coluna de haste, incluindo aqueles que acionam a haste através de acionamentos de correia ou corrente. Por exemplo, uma unidade de bombeamento acionada por correia inclui uma correia que é acoplada a uma coluna de haste para reciprocar a coluna de haste verticalmente em um poço à medida que a correia é acionada por um motor.
[030]O balancim 138, por sua vez, é acionado pela alavanca de direção 31 que é reciprocado por um braço de manivela 134 acionado por um motor elétrico 130 que é acoplado ao braço de manivela 134 através de um mecanismo de redução de macha, como uma caixa de engrenagem 132. O motor típico 130 pode ser um motor de indução de CA trifásico operável a 460 VAC e desenvolvendo 10 125 horse-power, dependendo da capacidade e profundidade da bomba. Outros tipos de Motors como motores síncronos podem ser usados para acionar a unidade de bombeamento. A caixa de engrenagem 132 converter torque de motor em uma velocidade baixa, porém saída de torque elevado para acionar o braço de manivela 134. O braço de manivela 134 é dotado de um contrapeso 142 que serve para equilibrar a coluna de haste 144 suspensa a partir a viga 138 no modo conhecido na técnica. Contrabalanço pode ser também fornecido por um cilindro de ar como aqueles encontrados em unidades equilibradas a ar. Unidades e bombeamento com correia podem utilizar um contrapeso que estende na direção oposta do curso de haste.
[031 ]A bomba de fundo de poço 110 é uma bomba do tipo de movimento alternado tendo um êmbolo 116 fixado à extremidade da coluna de haste 144 e um cilindro de bomba 114 que é fixado à extremidade de tubagem no poço 100. O êmbolo 116
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9/21 inclui uma válvula de deslocamento 118 e uma válvula estacionária 120 posicionadas no fundo do cilindro 114. No curso ascendente da bomba, a válvula de deslocamento 118 fecha e eleva fluido, como óleo e/ou água, acima do êmbolo 116 até o topo do poço e a válvula estacionária 120 abre e permite que fluido adicional a partir do reservatório flua para dentro do cilindro de bomba 114. No curso descendente, a válvula de deslocamento 118 abre e a válvula estacionária 120 fecha em preparação do ciclo seguinte. A operação da bomba 100 é controlada de modo que o nível e fluido mantido no cilindro de bomba 114 sejam suficientes para manter a extremidade inferior da coluna de haste 144 no fluido sobre seu curso inteiro.
[032]Em uma modalidade, correntes e voltagens instantâneas do motor juntamente com parâmetros de bomba são usados na determinação da posição de haste e carga sem a necessidade de medidores de tensão, células de carga ou sensores de posição bem como determinar pressão de bomba e fluxo de bomba sem a necessidade de sensores de superfície ou fundo de poço adicionais. A posição de haste e carga pode ser usada para controlar a operação da bomba 110 para otimizar a operação da bomba 110. Além disso, especificações do American Petroleum Institute (API) foram usadas para definir a geometria de bomba que permite o uso de dados prontamente disponíveis a partir dos fabricantes e bomba. Rotinas de identificação de sistema são usadas para estabelecer parâmetros dependentes de instalação específicos para a bomba específica usada no cálculo de parâmetros de desempenho que são usados em controle de loop fechado em tempo real da operação da bomba e haste, evitando a necessidade de criar tabelas de consulta grandes para valores de parâmetro usados no cálculo de parâmetros de desempenho.
[033]O sistema de controle de bomba 104 inclui transdutores, como sensores de voltagem e corrente, para detectar variáveis dinâmicas associadas a torque de motor e velocidade. Sensores de corrente são acoplados a um número suficiente dos cabos de motor para o tipo de motor usado. Os sensores de corrente fornecem voltaPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 14/33
10/21 gens proporcionais às correntes de estator instantâneas no motor 130. Sensores de voltagem são conectados através a um número suficiente dos enrolamentos do motor para o tipo de motor usado e fornecem voltagens proporcionais às voltagens instantâneas através dos enrolamentos do motor. Os sinais de corrente e voltagem produzidos por sensores são fornecidos a um processador 124 através de dispositivos de entrada/saída adequados. O processador 124 inclui ainda uma unidade de processamento 126 e dispositivos de armazenagem 128 que armazenam programas e arquivos de ados usados no cálculo de parâmetros operacionais e produção de sinais de controle para controlar a operação do sistema de bomba de haste 104. Esse arranjo de controle fornece leituras quase instantâneas e velocidade de motor de torque que podem ser usados para monitoramento e controle de loop fechado em tempo real da bomba de haste. Por exemplo, em uma modalidade, computações de velocidade de motor e torque usadas aporá controle de loop fechado em tempo real são fornecidas na taxa de 1000 vezes por segundo.
[034]Correntes e voltagens de motor são detectadas para determinar o nível e energia elétrica instantânea extraída da fonte de energia pelo motor elétrico operando a bomba de poço. À medida que a coluna de haste 144 que aciona a bomba de fundo de poço 110 é elevada e abaixada durante cada ciclo, o motor 130 é ciclicamente carregado. Dependendo da configuração específica de instalação de bomba, o balancim 139 está em uma posição conhecida durante cargas máxima e mínima de motor. O timing desses mínimos e máximos pode definir a frequência de bombeamento operacional e, por integração da velocidade do motor à luz do motor para engrenagens de manivela, é possível estimar a posição de fase da manivela de bomba a qualquer momento. Por monitorar as variâncias das correntes e voltagens de motor como uma função de ângulo de manivela de bomba, as variâncias de voltagem e corrente podem ser usadas juntamente com parâmetros relacionados à geometria de bomba para calcular estimativas de posição de haste e carga de haste.
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11/21 [035]O aparelho e método descrito acima aplicam ao controle de “macacos de bomba” de haste de bombeio tradicionais com mecanismo de contrabalanço de “braço de manivela” com mostrado na figura 1. O aspecto de “balanço de manivela” se refere ao contrapeso rotativo 142 montado no braço de manivela 134. Em algumas configurações pode haver dois braços de manivela e contrapesos.
[036]Essa revelação permite que um controlador de bombear e haste de bombeio 124 para gerar “gráficos de dinamômetro”, como mostrado na figura 10, sem a necessidade de sensores externamente montados afixados à unidade de bombeamento. O controlador 124 pode, por sua vez, usar os gráficos de dinamômetro para ajustar automaticamente algum parâmetro do sistema de bombeamento como velocidade de motor principal, torque ou potência para aperfeiçoar ou otimizar a operação do sistema de bombeamento. Por exemplo, a produção de óleo pode ser aumentada, o reservatório de óleo melhor controlado para promover recuperação final mais elevada, e/ou vida de equipamento de bombeamento aumentada por eliminação de empenamento de haste de bombeio e lago de fluido, por sua vez reduzindo desgaste de tubagem e custos de manutenção associados e perdas de produção de paralisação.
[037]O controlador 124 deve gerar um valor representativo da posição de unidade de bombeamento, como o ângulo do braço de manivela 134. De acordo com a revelação, o ângulo do braço de manivela pode ser periodicamente determinado pela análise do torque de motor acoplado ao conhecimento da geometria de unidade de bombeamento, especificamente os “pontos de articulação” de unidade de bombeamento. Os pontos de articulação são definidos como posições de “ponto morto superior” e “ponto morto inferior” da unidade de bombeamento 104 viga principal 138, onde a haste está em suas posições estendidas máxima e mínima, como o “fator de torque” (como conhecido na técnica) passa através de zero. As figuras 6 e 7 ilustram os pontos de articulação. A figura 6 é um gráfico ilustrando os pontos de articulação
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12/21 ao traçar velocidade de haste contra ângulo de manivela. A figura 7 é um gráfico ilustrando os pontos de articulação ao traçar a posição de haste contra o ângulo de manivela.
[038]Os pontos de articulação representam singularidades exclusivas durante o curso de haste polida 146, fornecendo pequenas “janelas” que o controlador 124 pode utilizar para identificar a posição do braço de manivela 134 a partir do valor de torque de manivela. À medida que a unidade de bombeamento passa através de seus pontos de articulação, o torque de manivela (e, portanto, torque de motor) é totalmente desacoplado a partir dos efeitos complexos da carga de haste. Nos pontos de articulação, o torque de motor é influenciado unicamente pelos efeitos de motor 130 e inércia rotativa da unidade de bombeamento, efeito de contrapeso da unidade de bombeamento, e fricção rotativa, todos os quais podem ser adequadamente estimados e, portanto previstos ou medidos após incorporação inicial. Além disso, essas “janelas” ocorrem em intervalos regulares, e a distância relativa entre os intervalos pode ser analiticamente predeterminada dada a geometria da unidade de bombeamento.
[039]Durante porções do ciclo de unidade de bombeamento diferente de seus pontos de articulação, o torque de motor é influenciado por vários fatores que confundem. Se uma pessoa tentasse determinar a posição de manivela (referência à unidade de bombeamento) com base na análise do torque de motor durante qualquer porção do ciclo diferente dos pontos de articulação, a complexidade das influências acima mencionadas tornaria a técnica insustentável. Como tal, é extremamente difícil correlacionar o torque de motor com a posição de motor em qualquer ponto durante o ciclo diferente dos pontos de articulação de unidade (onde o torque esperado é mais altamente previsível).
[040]Explicando sobre esse ponto segue uma lista das várias forças que contribuem para o torque observado no motor principal 130, compreendendo:
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13/21 [041]. carga de líquido de bomba de fundo de poço (o peso da coluna de líquido atuando sobre o êmbolo da bomba) [042]. peso de haste (o peso das hastes de bombeio) [043]. torque de contrabalanço de unidade de bombeamento [044]. inércia rotativa de unidade de bombeamento [045]. inércia de articulação de unidade de bombeamento [046]. fricção (bomba, haste, caixa de vedação, unidade de bombeamento, caixa de engrenagem, etc.).
[047]As várias forças listadas acima são traduzidas de volta para o motor 130, como um torque, através da geometria da unidade de bombeamento. A geometria do mecanismo de unidade de bombeamento (vide a figura 2) afeta a magnitude dessas forças como uma função da posição do mecanismo de unidade de bombeamento, especificamente a relação dos ângulos da viga principal 138 para o braço de manivela 134 como determinado pela equação na figura 3, resultando em uma assinatura de torque de motor compósito que é difícil de decifrar, especificamente difícil de correlacionar com uma posição específica. As forças dinâmicas de haste de bombeio e geometrias de unidade de bombeamento complexas confundem adicionalmente a assinatura de torque de motor.
[048]O torque de carga observado no motor 130 é também afetado pelas seguintes influências variáveis:
[049]. nível de fluido [050]. enchimento de bomba [051]. velocidade de bombeamento [052]. modo de controle (perfilamento de velocidade, velocidade dual, controle de carga de haste, etc.).
[053]Teor de gás de fluido [054]Outro
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14/21 [055]O torque de carga altamente variável resultando a partir da haste 148, bomba 110, fluido, dinâmica, etc., são desacoplados a partir do motor 130 nos dois pontos de articulação de mecanismo, tornando possível a interpretação do torque nesses pontos, finalmente permitindo que a posição do braço de manivela 134 seja identificada. Três efeitos de torque persistem nos pontos de articulação, entretanto, que devem ser identificados. Os efeitos de torque incluem: efeitos de inércia rotativa, fricção de caixa de engrenagem, e algum efeito de contrapeso. O efeito de torque de contrapeso (nos pontos de articulação) resulta a partir de uma relação assíncrona entre o contrapeso rotativo (que se comporta como um torque senoidal) e o “fator de torque” de manivela de unidade de bombeamento (que se comporta como um sinusoidal distorcido). A distorção no “fator de torque” de manivela é causada pelo pivô de manivela de unidade de bombeamento sendo deslocado a partir do pivô de alavanca de direção 136, bem como o movimento de pivotar da viga principal 138, ambos os quais criam uma assimetria entre o braço de manivela 134 e o efeito de contrapeso. A unidade de bombeamento se comporta como uma “ligação de quatro barras,” (vide a figura 2) ao passo que o contrapeso se comporta como um sinusoidal puro. Essas diferenças em comportamento criam uma assimetria leve nos pontos de articulação, bem como o que é mencionado como um “ângulo de fase” de contrapeso na técnica. Consequentemente, os dois pontos de articulação de mecanismo não ocorrem exatamente em 0 e 180 graus da manivela, nem são todos separados em exatamente 180 graus, resultando em algum momento de contrabalanço rotativo nos pontos de articulação (dado que os contrapesos rotativos exercem um torque puramente senoidal à medida que giram em torno do braço de manivela). A invenção tira proveito da diferença entre o contrapeso senoidal, simétrico versus a natureza não simétrica do ponto de articulação no mecanismo - permite que os pontos de articulação sejam identificados.
[056]Nos pontos de articulação, a carga observada pelo motor 130 é compreendiPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 19/33
15/21 da unicamente de inércia rotativa, momento de contrabalanço e fricção rotativa. O momento de contrabalanço em cada ponto de articulação é tipicamente um valor exclusivo, diferente. Os pontos de articulação são assimétricos e, portanto, identificáveis. O algoritmo da invenção tira proveito do fato de que o momento de contrabalanço é um valor exclusivo em cada ponto de articulação, e que os pontos de articulação são assimétricos e separados em uma distância conhecida. Essa revelação utiliza o fato de que os efeitos de inércia rotativa podem ser calculados (uma vez que são previsíveis) ou podem ser automaticamente identificados na rotina de ID Well estabelecida acima mencionada revelada na USPN 7.168.924 para caracterizar o sistema de unidade de bombeamento. Essa revelação configura o controlador para identificar a assinatura de torque exclusiva associada com os pontos de articulação, desse modo permitindo que a posição do braço de manivela 134 seja identificada durante a operação normal (também mencionado como bombeamento de produção) do sistema de bombeamento 104.
[057]Para identificar a assinatura de torque exclusiva acima mencionada, o controlador 124 deve primeiramente desacoplar os efeitos da inércia rotativa e fricção rotativa a partir do torque de manivela (torque de manivela é torque de motor vezes razão de engrenagem vezes eficiência de caixa de engrenagem). O valor resultante é mencionado como o “torque rxless,” e compreende somente torque de carga e torque de contrabalanço. Inércia rotativa e efeitos friccionais rotativos foram desacoplados. Caso essas influências não desacoplassem, os níveis de torque de articulação estariam sujeitos a alterações em velocidade de bombeamento. Com os efeitos desacoplados, os níveis de torque de articulação rxless são insensíveis a alterações de velocidade, permitindo que o sistema 104 funcione em relação a várias velocidades.
[058]Durante a incorporação inicial do sistema de bombeamento, a modalidade preferida da invenção usa uma rotina de identificação para armazenar o valor de “torque rxless” em cada dos pontos de articulação. Um inclinômetro (ou outro dispoPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 20/33
16/21 sitivo de referência de posição) é afixado à unidade de bombeamento no momento. As posições do ponto de articulação da manivela são pré-calculadas com base na geometria da unidade de bombeamento. Como tal, o sistema pode “aprender” os níveis de torque rxless nos pontos de articulação (enquanto a unidade de bombeamento está operando em um modo de calibragem). Além disso, a modalidade preferida da revelação também trava (armazena) o derivado do torque rxless, fornecendo ainda outra característica de cada ponto de articulação (quer aumentando ou diminuindo monitor rxlss à medida que a manivela passas através do ponto de articulação). Essa característica adicional (conhecida como “regra” RISE ou FALL) estreitará o potencial para um casamento errôneo durante operação normal (produção) do sistema, tornando o mesmo mais robusto (vide a figura 9). A incorporação inicial é então concluída, e o inclinômetro temporário pode ser removido.
[059]Subsequentemente, durante a operação normal (produção) da bomba 110, o “torque rxless” é continuamente amostrado, juntamente com a posição relativa do braço de manivela 134. O sistema compara o valor de torque rxless com os dados de valor de torque rxless “aprendidos” (armazenados) (travados durante incorporação) para o melhor casamento, procurando dois valores de torque rxless que igualam os valores rxless travados conhecidos (nos pontos de articulação) espaçados pela distância de braço de manivela conhecida, 134, entre pontos de articulação, e também obedecendo à regra RISE ou FALL do derivado de torque rxless. Quando um casamento é encontrado, posição de manivela relativa pode ser subsequentemente referenciada (corrigida) com a posição associada ao casamento, desse modo referenciando absolutamente a posição do braço de manivela 134. Essa parte pode ser imaginada como um reconhecimento de padrão. A referência de manivela está agora completa, e o sistema será capaz de traçar gráficos de dinamômetro e controlar o sistema de bombeamento no bombeamento de produção, por conseguinte em combinação com o sistema revelado na patente US 7.168.924.
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17/21 [060]A figura 4 é um fluxograma representativo do processo de incorporação inicial. Cada etapa é executada pelo computador 126 no controlador 124.
[061]1. As posições de ângulo de manivela do ponto de articulação de unidade e bombeamento de curso ascendente e curso descendente são determinados a partir da geometria de unidade de bombeamento, ilustradas na figura 2. Isso é realizado no computador do controlador por processar a equação na figura 3 para encontrar os ângulos de Braço de manivela onde o ângulo de Vida superior é tanto maximizado como minimizado, correspondendo às posições de ângulo de manivela de ponto de articulação de curso ascendente e curso descendente, respectivamente.
[062]2. A distância de ângulo de manivela entre as posições de ponto de articulação identificadas na etapa 1 é computada.
[063]3. Um dispositivo de inclinômetro temporário é afixado à viga superior da unidade de bombeamento.
[064]4. O torque de manivela é determinado a partir do torque de motor de acordo com a patente US no. 7.168.924. Torque de manivela é igual ao torque de motor dividido pela razão de engrenagem entre o motor e manivela.
[065]5. Enquanto a unidade de bombeamento está operando, a velocidade de manivela é derivada a partir da velocidade do motor como descrito na patente US no. 7.168.924. A velocidade de manivela é igual à velocidade do motor dividida pela razão de engrenagem entre o motor e manivela.
[066]6. A aceleração de manivela é determinada por diferenciar a velocidade de manivela.
[067]7. O controlador identifica a inércia rotativa total (na manivela) por acelerar a manivela de unidade de bombeamento através de um dos pontos de articulação de mecanismo em duas taxas de aceleração diferentes enquanto trava (armazena) os valores de torque de manivela resultantes precisamente à medida que o mecanismo passa através do ponto de articulação. A inércia rotativa pode ser subsequentemenPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 22/33
18/21 te resolvida por aplicar a seguinte equação:
[068]lnércia rotativa = (torquel -torque2) / (accel ratei - accel rate2) [069]8. Um valor de torque normalizado é derivado por subtrair a inércia rotativa multiplicada pelo torque de manivela.
[070]9. O valor de “torque rxless” é gerado por subtrair um termo de fricção a partir de torque inercialmente normalizado. O termo de fricção é um valor predefinido constante (fricção Coulomb) mais um ganho predefinido vezes a velocidade de manivela (fricção viscosa). Um sinal de torque rxless de exemplo é mostrado na figura 8 juntamente com um traço ilustrando curso ascendente versus status de curso descendente. As unidades de coordenadas x e y não são pertinentes.
[071] 10. O ângulo de manivela é monitorado como descrito n patente US 7.168.924, e o valor de torque rxless é travado e armazenado no instante preciso em que o ângulo de manivela passa através dos ângulos de articulação calculados na etapa 1, desse modo resultando nos valores de torque de ponto de articulação de curso ascendente e curso descendente armazenados.
[072]11. O inclinômetro temporário é removido a partir da unidade de bombeamento visto que não mais é necessário. Incorporação inicial é concluída.
[073]A figura 5 é um fluxograma representativo do modo de operação normal (bombeamento de produção) do sistema de bombeamento (como o sistema de bombeamento produz fluidos para a superfície durante sua operação normal). Cada etapa é executada no computador 126 no controlador 124.
[074]A. o valor de torque de manivela é determinado a partir do torque de motor de acordo com a patente US 7.168.924.
[075]B. a velocidade de motor é derivada da velocidade de motor como descrito na patente US 7.168.924. A velocidade de manivela é igual à velocidade de motor dividida pela razão de engrenagem entre o motor e anivela. A razão de engrenagem é determinada pelo usuário.
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19/21 [076]C. a aceleração de manivela é determinada por diferenciar a velocidade de manivela.
[077]D. um sinal de torque normalizado é derivado por subtrair a inércia rotativa multiplicada pelo torque de manivela.
[078]E. o sinal de “torque rxless” é gerado por subtrair um termo de fricção a partir do torque inercialmente normalizado. O termo de fricção é um valor predefinido constante (fricção Coulomb) mais um ganho predefinido vezes a velocidade de manivela (fricção viscosa). Um valor de torque rxless de exemplo é mostrado na figura 8 juntamente com um traço ilustrando curso ascendente versus status de curso descendente. As unidades de coordenada x e y não são pertinentes.
[079]F. a posição de manivela relativa é determinada a partir da posição de motor de acordo com a patente US 7.168.924. A posição de manivela relativa representa a posição da manivela, porém sua posição absoluta é desconhecida. Consequentemente, à medida que a manivela gira, a posição de manivela relativa segue, porém é deslocada a partir da posição de manivela efetiva. O deslocamento é desconhecido nesse momento.
[080]G. o valor de torque rxless é monitorado à medida que a unidade de bombeamento está operando. Se o valor de torque rxless for compreendido em uma tolerância do torque de ponto de articulação de curso ascendente armazenado (travado), a seguir continuar:
[081 ]H. se o sinal do derivado do mesmo sinal rxless casar com o sinal da regra de ponto de articulação de curso ascendente armazenado (RISE ou FALL) (vide a figura 9), então é possível que a posição correspondendo a esse ponto represente o ponto e articulação de curso ascendente (posição de articulação candidata), e, portanto continuar:
[082]l. armazenar a posição de manivela relativa atual em um conjunto [x], e incrementar x. como tal, o controlador pode armazenar e rastrear várias posições de
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20/21 articulação candidatas.
[083]J. rastrear a posição de manivela relativa.
[084]K. verificar para ver se a posição de manivela relativa incrementou até um valor igual à distância de ângulo de manivela calculada entre os pontos de articulação para toda posição de manivela armazenada [x]. em caso positivo, continuar:
[085]L. o valor de torque rxless é monitorado. Se o valor de torque rxless estiver compreendido em uma tolerância do torque de ponto de articulação de curso descendente armazenado (travado), então continuar:
[086]M. se o sinal do derivado do mesmo valor rxless casar com o sinal da regra de ponto de articulação de curso ascendente armazenado (RISE ou FALL), então a posição correspondendo a esse ponto representa o ponto de articulação de curso descendente, e, portanto a posição absoluta da manivela foi identificada. Continuar:
[087]N. ajustar a estimativa de posição de manivela relativa para o ângulo de manivela de ponto de articulação de curso descendente. A posição de manivela é agora absolutamente referenciada. Retornar para a etapa A e referenciar novamente a posição de manivela absoluta com cada curso de unidade de bombeamento (uma vez que a posição pode desviar).
[088]A figura 9 mostra como os níveis de valor de torque rxless e regras RISE ou FALL correspondem à posição de manivela absoluta, ilustrando como o método pode funcionar. As alterações de estado do sinal de Direção de bomba (rotulado curso ascendente e curso descendente) ocorrem nos pontos de articulação do mecanismo de unidade de bombeamento. O controlador reconhece os dois níveis nos pontos de articulação separados pela distância de ângulo de manivela correta e obedecendo as regras (RISE ou FALL). Quando o padrão é reconhecido, o ponto de articulação é identificado e o controlador referencia a posição de manivela.
[089]Para fins dessa revelação, o termo “acoplado” significa a junção de dois componentes (elétrico ou mecânico) direta ou indiretamente entre si. tal junção pode
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21/21 ser de natureza estacionária ou de natureza móvel. Tal junção pode ser obtida com os dois componentes (elétrico ou mecânico) e quaisquer elementos intermediários adicionais sendo integralmente formados como um corpo unitário único entre si ou os dois componentes e qualquer elemento adicional sendo fixado entre si. Tal união pode ser de natureza permanente ou alternativamente ser de natureza removível ou liberável.
[090]Embora a descrição acima do presente mecanismo tenha sido mostrada e descrita com referência a modalidades específicas e aplicações do mesmo, foi apresentado para fins de ilustração e descrição e não pretende ser exaustiva ou limiar a revelação às modalidades específicas e aplicações reveladas. Será evidente para aqueles tendo conhecimentos comuns na técnica que diversas alterações, modificações, variações ou alterações no mecanismo como descrito aqui podem ser feitas, nenhuma das quais se afasta do espírito ou escopo da presente revelação. As modalidades específicas e aplicações foram escolhidas e descritas para fornecer a melhor ilustração dos princípios do mecanismo e sua aplicação prática para desse modo permitir que uma pessoa com conhecimentos comuns na técnica utilize a revelação em várias modalidades e com várias modificações como são adequadas ao uso específico considerado. Todas essas alterações, modificações, variações e alterações devem ser, portanto, vistas como estando compreendidas no escopo da presente revelação como determinado pelas reivindicações apensas quando interpretado de acordo com a amplitude a qual têm direito razoavelmente, legalmente e equitativamente.
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Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) sem um dispositivo detector de posição durante bombeamento de produção, o sistema de bombeamento incluindo uma coluna de haste (144) portando uma bomba de fundo de poço (110), um acionamento variável acoplado à coluna de haste (144) para movimento alternado da coluna de haste (144) em um furo de poço (112) e para a operação da bomba, e um braço de manivela (134) com um contrapeso (142) acoplado a uma viga principal (138) com uma alavanca de direção (136) e motor (130), com o motor acoplado a um controlador (122), o método CARACTERIZADO pelo fato de compreender:
    - executar um procedimento de incorporação inicial para determinar (8, 9) um sinal de torque rxless em pontos de articulação do braço de manivela (134) durante um ciclo de bombeamento não de produção inicial;
    - medir (D, Ε) o sinal de torque rxless;
    - armazenar o sinal de torque rxless em um banco de aos acoplado ao controlador (122);
    - continuamente amostrar o torque rxless;
    - determinar (F) a posição de braço de manivela (134) em relação ao torque rxless amostrado;
    - comparar, (G, H, L, M) com o controlador (122), o torque rxless amostrado com o sinal de torque rxless armazenado;
    - determinar dois dos sinais de torque rxless amostrados que correspondem aos sinais de torque rxless armazenados espaçados pelos pontos de articulação de braço de manivela (134); e
    - ajustar, com o controlador (122), o sistema de bombeamento para operação ótima do sistema de bombeamento sem um sensor de posição de braço de manivela (134) durante bombeamento de produção por identificar um ponto de articulaPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 27/33
  2. 2/4 ção e ajustar (I, N) o sinal de estimativa de posição de braço de manivela (134) igual ao valor correspondendo à posição de manivela naquele ponto de articulação.
    2. Método para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) sem um dispositivo de detecção de posição durante bombeamento de produção, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda: definir um ponto de articulação como um de um ponto morto superior e posição de ponto morto inferior da viga principal (138) quando a coluna de haste (144) está respetivamente, em uma posição estendida máxima e mínima.
  3. 3. Método para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) sem um dispositivo de detecção de posição durante bombeamento de produção, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a relação entre o contrapeso (142) de braço de manivela (134) e o pivô de alavanca de direção (136) é assimétrica.
  4. 4. Método para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) sem um dispositivo de detecção de posição durante bombeamento de produção, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o ponto de articulação é um de um curso descendente e um curso ascendente.
  5. 5. Método para determinar a posição de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) sem um dispositivo de detecção de posição durante bombeamento de produção, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda: determinar (10) o derivado de torque rxless e armazenar o derivado no banco de dados, com um derivado de torque rxless associado a cada ponto de articulação.
  6. 6. Sistema de controle de bomba para controlar o desempenho de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) durante bombeamento de produPetição 870180011356, de 09/02/2018, pág. 28/33
    3/4 ção de um poço, o sistema de bombeamento de haste de bombeio incluindo uma coluna de haste (144) portando uma bomba de fundo de poço (110), um acionamento variável acoplado à coluna de haste (144) para movimento alternado da coluna de haste (144) em um furo de poço (112) e operando a bomba, e um braço de manivela (134) com um contrapeso (142) acoplado a uma viga principal (138) com uma alavanca de direção (136), o sistema de controle de bomba CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
    - controlador (122) acoplado a um banco de dados (128), com o controlador (122) configurado para acessar um torque rxless no banco de dados, com o torque rxless armazenado representativo de pontos de articulação do braço de manivela (134) durante um ciclo de bombeamento de calibragem inicial, o controlador (122) configurado adicionalmente para amostrar continuamente o torque rxless do sistema e determinar a posição do braço de manivela (134) em relação ao torque rxless amostrado; e
    - motor (130) acoplado à alavanca de direção (136) e braço de manivela (134), com o desempenho do motor controlado pelo controlador (122) baseado em uma comparação (G, L) pelo controlador do valor de torque rxless amostrado com o valor de torque rxless armazenado, uma identificação de dois dos valores de torque rxless amostrados que correspondem ao valor de torque rxless armazenado espaçado pelos pontos de articulação de braço de manivela (134), e um ajuste da estimativa de posição de motor pelo controlador (122) para ajustar a posição de braço de manivela (134) para um ponto de articulação para operação ótima do sistema de bombeamento (104) sem um sensor de posição de braço de manivela (134) durante bombeamento de produção.
  7. 7. Sistema de controle de bomba para controlar o desempenho de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) durante bombeamento de produção de um poço, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de
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    4/4 que compreende ainda configurar o controlador (122) para definir um ponto de articulação como um de um ponto morto superior e posição de ponto morto inferior da viga principal (138) quando a coluna de haste (144) está, respectivamente, em uma posição estendida máxima e mínima.
  8. 8. Sistema de controle de bomba para controlar o desempenho de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) durante bombeamento de produção de um poço, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a relação entre o contrapeso (142) de braço de manivela (134) e o pivô de alavanca de direção (136) é assimétrica.
  9. 9. Sistema de controle de bomba para controlar o desempenho de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) durante bombeamento de produção de um poço, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o ponto de articulação é um de um curso descendente e um curso ascendente.
  10. 10.Sistema de controle de bomba para controlar o desempenho de um sistema de bombeamento de haste de bombeio (104) durante bombeamento de produção de um poço, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o controlador (122) configurado para determinar (10) o derivado de torque rxless e armazenar o derivado no banco de dados, com um derivado de torque rxless associado a cada ponto de articulação.
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    1/8
    2/8
    R5sin
    Rj si π (Ψ| — Φθ)
    R6-ψοϊ^-Φθ) + (ZRjRgCOSWj-.ígl + Rg+Rg - R,2- Rg 2 ΜΊ
    COS tan1 <
    2R5R3 R3” R5 /2R1R6cost*1-*6)+R5 2+R32-R12-R6 2 λ >-φ£
    2R5 R3
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