BR112016022984B1 - Método para avaliação de uma operação de um sistema de bombeamento, método, e método para melhoria de uma expectativa de vida de um sistema de bombeamento - Google Patents
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Abstract
MÉTODO PARA AVALIAÇÃO DE UMA OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO, MÉTODO, E MÉTODO PARA MELHORIA DE UMA EXPECTATIVA DE VIDA DE UM SISTEMA DE BOMBEAMENTO. A técnica facilita a formulação de previsões sobre a vida útil de um sistema de bombeamento. Baseado na vida útil prevista e nos fatores que afetam tal vida útil prevista, ações corretivas podem ser selecionadas e implementadas. As ações corretivas podem envolver ajuste de parâmetros operacionais em relação ao sistema de bombeamento de modo a prolongar a vida útil real do sistema de bombeamento. A técnica utiliza um algoritmo que combina vários modelos, por exemplo modelos físicos e modelos de degradação para fornecer várias previsões de falha/vida útil. Os vários modelos podem utilizar uma variedade de dados de sensores, como dados de sensor reais e dados de sensor virtuais, tanto para avaliar o estado do sistema de bombeamento e a vida útil prevista do sistema de bombeamento.
Description
[0001] Os sistemas de bombeamento submersíveis elétricos são usados em uma variedade de aplicações de bombeamento, incluindo aplicações em poços. Por exemplo, sistemas de bombeamento submersíveis elétricos podem ser utilizados para bombear fluidos de produção de hidrocarbonetos a uma superfície ou local para injetar fluidos em torno de uma formação de um poço de exploração. A reparação ou substituição de um sistema de bombeamento submersível elétrico localizado no fundo do poço em um poço de exploração é cara e demorada. No entanto, a previsão de vida útil e/ou falha do sistema submersível de bombeamento elétrico é difícil e isso limita a capacidade de um operador de fazer ações corretivas que poderiam prolongar a vida útil do sistema de bombeamento.
[0002] Em geral, uma técnica é fornecida para ajudar a prever a vida útil de um sistema de bombeamento, por exemplo, um sistema de bombeamento submersível elétrico. O conhecimento sobre a vida útil prevista e fatores que afetam a vida útil prevista possibilitam a seleção de ações corretivas. As ações corretivas podem envolver ajuste dos parâmetros operacionais relacionados com o sistema de bombeamento, de modo a prolongar a vida útil real do sistema de bombeamento. A técnica utiliza um algoritmo que combina vários modelos, por exemplo modelos físicos e modelos de degradação para fornecer várias previsões de falha/vida útil. Os vários modelos utilizam uma variedade de dados de sensor, que podem incluir dados de sensor reais e os dados de sensor virtuais, tanto para avaliar o estado do sistema de bombeamento quanto a vida útil prevista do sistema de bombeamento.
[0003] No entanto, muitas modificações são possíveis sem materialmente se afastar dos ensinamentos da presente divulgação. Portanto, tais modificações devem ser incluídas dentro do escopo desta divulgação, conforme definido nas reivindicações.
[0004] Certas modalidades da presente divulgação serão, a seguir, descritas com referência aos desenhos em anexos, em que números de referência semelhantes indicam elementos semelhantes. Deve ser entendido, no entanto, que as figuras anexas ilustram as várias implementações descritas neste documento e não se destinam a limitar o escopo das diversas tecnologias descritas neste documento, e: A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um sistema de poço que compreende um exemplo de um sistema de bombeamento, de acordo com uma modalidade da divulgação; A Figura 2 é uma ilustração esquemática de um sistema de processamento de execução de uma modalidade de um algoritmo para a previsão de vida útil de um sistema de bombeamento, de acordo com uma modalidade da divulgação; A Figura 3 é uma ilustração de um exemplo de um algoritmo para a previsão de vida útil de um sistema de bombeamento global ou componente do sistema de bombeamento, antes da instalação, de acordo com uma modalidade da divulgação; A Figura 4 é uma ilustração de um exemplo de um algoritmo para a previsão de vida útil de um sistema de bombeamento global ou componente do sistema de bombeamento no qual o algoritmo utiliza dados de sensor reais, de acordo com uma modalidade da divulgação; A Figura 5 é uma ilustração de um exemplo de um algoritmo para a previsão de vida útil de um sistema de bombeamento global ou um componente do sistema de bombeamento no qual o algoritmo utiliza dados de sensores reais e sensores virtuais, de acordo com uma modalidade da divulgação; e A Figura 6 é uma ilustração de um método para controlar um sistema de bombeamento com a finalidade de atingir um estado de sistema desejado com base em dados relativos a um estado real do sistema, tal como determinado a partir de dados de sensor reais e os dados de sensor virtuais, de acordo com uma modalidade da divulgação.
[0005] Na descrição a seguir, inúmeros detalhes são estabelecidos a fim de fornecer uma compreensão de algumas modalidades da presente divulgação. No entanto, será entendido por aqueles peritos na arte que o sistema e/ou metodologia pode ser praticado sem estes detalhes e que numerosas variações e modificações das modalidades descritas podem ser possíveis.
[0006] A presente invenção se refere, em geral, a uma técnica que permite melhorar a capacidade de prever a vida útil de um sistema de bombeamento, por exemplo, um sistema de bombeamento submersível elétrico. Dependendo do pedido, a previsão de vida útil pode ser baseada na avaliação do sistema submersível de bombeamento elétrico global, componentes selecionados do sistema de bombeamento submersível elétrico, ou ambos o sistema global e os componentes selecionados. O conhecimento sobre a vida útil prevista e fatores que afetam a vida útil prevista possibilitam a seleção de ações corretivas.
[0007] As ações corretivas selecionadas para prolongar a vida útil de um sistema de bombeamento, por exemplo, um sistema de bombeamento submersível elétrico, podem variar substancialmente, dependendo das especificidades de, por exemplo, uma mudança ambiental, a indicação de falha de um componente, objetivos de uma produção ou funcionamento de injeção, e/ou outro sistema ou considerações operacionais. Por exemplo, as ações corretivas podem envolver o ajuste de parâmetros operacionais sobre o sistema de bombeamento submersível elétrico, incluindo a abrandar o ritmo de bombeamento, ajustando um afogador, ou parar temporariamente o sistema de bombeamento.
[0008] A técnica para previsão de falha/vida útil do sistema de bombeamento utiliza um algoritmo que combina vários modelos, por exemplo, modelos físicos e modelos de degradação, para fornecer previsões de falha/vida útil. Os vários modelos podem utilizar uma variedade de dados de sensor, incluindo dados de sensor reais e dados de sensor virtuais, tanto para avaliar o estado do sistema de bombeamento e a vida útil prevista do sistema de bombeamento. O algoritmo global pode ser ajustado para acomodar considerações específicas do sistema, considerações ambientais, considerações operacionais, e/ou outras considerações de aplicação específica.
[0009] Referindo-se em geral à Figura 1, um exemplo de um sistema de poço 20 que compreende um sistema de bombeamento 22, tal como um sistema de bombeamento submersível elétrico ou outro sistema de bombeamento no fundo do poço, é ilustrado. Nesta modalidade, o sistema de bombeamento 22 está disposto em um poço de exploração 24 ou de outro modo formado em uma formação geológica 26. O sistema de bombeamento 22 está localizado abaixo do equipamento de poço 28, por exemplo uma cabeça de poço, que pode ser disposta em um solo ou uma superfície 30 da terra. O sistema de bombeamento 22 pode ser implantado em uma variedade de poços de exploração 24, incluindo poços de exploração verticais ou poços de exploração, por exemplo horizontais, desviados. No exemplo ilustrado, o sistema de bombeamento 22 está suspenso por um sistema de implementação 32, tal como tubagem de produção, tubulação enrolada em bobina, ou outro sistema de implementação. Em algumas aplicações, o sistema de implementação 32 compreende um tubo 34 através do qual o fluido também é produzido na cabeça do poço 28.
[00010] Tal como ilustrado, o poço de exploração 24 se encontra alinhado com um invólucro de poço de exploração 36 que tem perfurações 38 através da qual o fluido flui entre a formação 26 e poço de exploração 24. Por exemplo, um fluido à base de hidrocarbonetos pode fluir a partir da formação 26 através de perfurações 38 e para dentro do poço de exploração 24, adjacente ao sistema de bombeamento 22. Na entrada do poço de exploração 24, o sistema de bombeamento 22 é capaz de produzir o fluido para cima através da tubagem 34 para a cabeça do poço 28 e em um ponto de coleta desejado.
[00011] Embora o sistema de bombeamento 22 possa compreender uma grande variedade de componentes, o exemplo na Figura 1 é ilustrado como um sistema de bombeamento submersível elétrico 22 que tem uma bomba submersível 40, uma entrada de bomba 42, e um motor submersível elétrico 44 que alimenta a bomba submersível 40. A bomba submersível 40 pode compreender uma única bomba ou múltiplas bombas acopladas diretamente entre si ou dispostas em locais separados ao longo da coluna de sistema de bombeamento submersível. Dependendo da aplicação, vários números de bombas submersíveis 40, motores submersíveis 44, outros componentes submersíveis ou até sistemas de bombeamento adicionais 22 podem ser combinados para uma determinada aplicação de bombeamento no fundo do poço.
[00012] Na modalidade ilustrada, o motor submersível elétrico 44 recebe energia elétrica através de um cabo de alimentação 46 e sua pressão é equilibrada e o mesmo é protegido de fluido de poço de exploração por um protetor de motor 48. Além disso, o sistema de bombeamento 22 pode compreender outros componentes, incluindo um conector 50 para ligar os componentes de sistema de implementação 32. Outro componente ilustrado é uma unidade de sensor 52 utilizada na detecção de uma variedade de parâmetros de poço de exploração. Deve-se notar que, no entanto, a unidade de sensor 52 pode compreender uma variedade de sensores e sistemas de sensores implementados ao longo do sistema de bombeamento submersível elétrico 22, ao longo do invólucro 36, ou ao longo de outras regiões do poço de exploração 24 para obter dados para a determinação de um ou mais parâmetros desejados, tal como descrito mais completamente abaixo. Além disso, uma variedade de sistemas de sensor 52 pode compreender sensores localizados na superfície 30 para obter os dados desejados úteis no processo de determinação de parâmetros medidos referentes à previsão de falhas/vida útil do sistema de bombeamento submersível elétrica 22 ou componentes específicos do sistema de bombeamento 22.
[00013] Os dados dos sensores de sistema de sensor 52 podem ser transmitidos para um sistema de processamento 54, por exemplo, um sistema de controle baseado em computador, que pode estar localizado na superfície 30, ou em outros locais apropriados próximos ou afastados do poço de exploração 24. O sistema de processamento 54 pode ser usado para processar dados provenientes dos sensores e/ou outros dados de acordo com um algoritmo desejado, o qual facilita previsão geral de vida útil do sistema. Em algumas aplicações, o sistema de processamento 54 encontra-se sob a forma de um sistema de controle baseado em computador que pode ser utilizado para controlar, por exemplo, um sistema de energia de superfície 56, que é operado para fornecer energia elétrica ao sistema de bombeamento 22 através do cabo de alimentação 46. O sistema de energia de superfície 56 pode ser controlado de uma maneira que permite o controle sobre o funcionamento do motor submersível 44, por exemplo, o controle sobre a velocidade do motor, e assim um controle sobre a taxa de bombeamento ou outros aspectos do funcionamento do sistema de bombeamento.
[00014] Referindo-se em geral à Figura 2, um exemplo de sistema de processamento 54 está ilustrado esquematicamente. Nesta modalidade, o sistema de processamento 54 pode ser um sistema baseado em computador que tem uma unidade de processamento central (CPU) 58. A CPU 58 se encontra operacionalmente acoplada a uma memória 60, assim como um dispositivo de entrada 62 e um dispositivo de saída 64. O dispositivo de entrada 62 pode compreender uma variedade de dispositivos, tais como um teclado, mouse, unidade de reconhecimento de voz, touchscreen, outros dispositivos de entrada, ou combinações de tais dispositivos. O dispositivo de saída 64 pode compreender um dispositivo de saída visual e/ou áudio, tal como um monitor com uma interface de usuário gráfica. Além disso, o processamento pode ser feito num único dispositivo ou vários dispositivos para a localização do poço, para longe do local do poço, ou com alguns dispositivos localizados no poço e outros dispositivos localizados remotamente.
[00015] No exemplo ilustrado, A CPU 58 pode ser utilizada para processar dados de acordo com um algoritmo global 66. Como discutido em maior detalhe abaixo, o algoritmo 66 pode utilizar uma variedade de modelos, como modelos físicos 68, modelos de degradação 70, e modelos otimizadores 72, por exemplo, motores otimizadores para avaliar os dados e prever a vida útil/falha com relação ao sistema de bombeamento submersível elétrico 22. Além disso, o sistema de processamento 54 pode ser usado para processar dados recebidos a partir de sensores reais 74 que fazem parte do sistema de sensor 52. O sistema de processamento 54 também pode ser utilizado para processar os dados de sensor virtuais de sensores virtuais 76. A título de exemplo, os dados de sensores reais 74 e de sensores virtuais 76 podem ser processados na CPU 58 de acordo com os modelos desejados ou outras técnicas de processamento incorporadas no algoritmo global 66.
[00016] Tal como ilustrado, o sistema de processamento 54 também pode ser utilizado para controlar o funcionamento do sistema de bombeamento, por exemplo, controlando o sistema de energia de superfície 56. Isto permite que o sistema de processamento 54 seja utilizado como um sistema de controle para ajustar o funcionamento do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 em resposta às previsões de vida útil ou falha de um componente. Em algumas aplicações, os aspectos do sistema de processamento de controle 54 podem ser automatizados de modo que os ajustes automáticos para o funcionamento do sistema de bombeamento 22 podem ser implementados em resposta às previsões de vida útil/ falha de componentes resultantes de dados processados de acordo com o algoritmo 66.
[00017] Referindo-se em geral à Figura 3, um exemplo de algoritmo global 66 é ilustrado como uma técnica para a avaliação de dados relacionados com o sistema de bombeamento submersível elétrico 22 de forma a facilitar a previsão de vida útil. Neste exemplo, um perfil de missão 78 é usado em cooperação com o modelo físico 68 que, por sua vez, é usado em cooperação com o modelo de degradação 70 para prever o tempo de vida útil de pelo menos um componente do sistema de bombeamento submersível elétrico 22. Nesta modalidade, a previsão é estabelecida antes da instalação do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 para dentro do poço 24 e baseia-se no perfil de missão 78 previsto para ser utilizado no decurso do futuro funcionamento do sistema de bomba submersível elétrico 22.
[00018] De acordo com este método, o perfil da missão 78 fornece entradas para o sistema de processamento de 54 como uma função do tempo de vida útil. Por exemplo, o perfil da missão 78 pode fazer o input de "cargas", tais como o aumento da pressão, vibração, parada/início do sistema de bombeamento 22, e/ou outros fatores de produção como uma função do tempo. Estas cargas são, então, a entrada para o modelo físico 68 do sistema de bombeamento submersível elétrico específico 22 ou de um componente específico do sistema de bombeamento submersível elétrico 22. O modelo físico 68 é então usado para prever "tensões" ou saídas do sistema em função do tempo de vida útil. A título de exemplo, tais saídas do sistema podem compreender a tensão de ciclo eixo, velocidade de vedação de vazamento de bomba frontal, temperatura do enrolamento do motor, e/ou outras saídas de sistema. As saídas do sistema são, em seguida, entradas para o modelo de degradação 70.
[00019] O modelo de degradação 70 prevê a vida útil do sistema de bombeamento submersível elétrico global 22 ou um componente do sistema de bombeamento submersível elétrico 22. O modelo de degradação 70 é configurado para processar os dados de sensores 74 de acordo com, por exemplo, análise de fadiga de eixo, estágio de modelos de erosão de vedação frontal, análise de dados de degradação de temperatura de insulamento de motor, e/ou outras técnicas de análise de dados adequadas selecionadas para determinar uma vida prevista de um determinado componente ou do sistema de bombeamento submersível elétrico global 22.
[00020] Dependendo da aplicação, o modelo físico 68 pode incluir, por exemplo, os dados relacionados com a tensão mecânica de componente, tensão térmica, vibração, desgaste e/ou vazamento. Vários modelos de degradação 70 podem ser selecionados para processar os dados do modelo físico 68 através do sistema de processamento 54. Por exemplo, o modelo ou modelos de degradação 70 podem ainda compreender os modelos de desgaste, dados de teste empírico, e/ou modelos de fadiga para melhorar a previsão da vida útil do componente ou sistema baseado em dados de modelo físico 68.
[00021] Referindo-se em geral à Figura 4, um outro exemplo de um algoritmo global 66 é ilustrado como uma técnica para avaliação de dados relacionados com o sistema de bombeamento submersível elétrico 22 de forma a facilitar a previsão de vida útil. O exemplo ilustrado na Figura 4 pode ser utilizado de forma independente ou em combinação com outras técnicas de previsão, tal como a técnica de previsão descrita com referência à Figura 3. No exemplo ilustrado na Figura 4, os dados de medição 80 são obtidos e apresentados ao modelo de degradação 70. Os dados de medição 80 são obtidos a partir dos sensores, tais como sensores 74 que monitoram, pelo menos, um componente do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 durante o funcionamento. Estes dados são fornecidos para o modelo de degradação de componente/sistema 70 de modo que os dados podem ser processados de forma adequada através do sistema de processamento 54 para prever uma vida útil restante do componente (ou sistema de bombeamento global 22) durante o funcionamento do sistema de bombeamento submersível elétrico 22.
[00022] Neste exemplo, as "tensões" são medidas em tempo real por meio de sensores reais 74 que podem ser dispostos ao longo do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 e/ou em outros locais adequados. Por exemplo, os sensores reais 74 podem ser localizados ao longo do sistema de bombeamento 22 para monitorar os parâmetros referentes a um componente individual ou de combinações de componentes. Em algumas aplicações, os sensores reais 74 podem ser localizados para monitorizar a temperatura de enrolamento de motor do motor submersível 44. As temperaturas de enrolamento de motor medidas são então utilizadas no modelo de degradação correspondente 70 para prever em tempo real a vida útil restante do componente de coluna de bombeamento, por exemplo, o motor submersível 44. Neste exemplo específico, o modelo de degradação 70 pode ser programado ou configurado de modo a prever a vida útil restante do fio magnético de motor baseado nas temperaturas de enrolamento de motor de acordo com relações predeterminadas entre a vida útil e temperaturas.
[00023] No entanto, o uso de dados de sensor reais em combinação com o modelo de degradação 70 pode ser aplicado a uma variedade de componentes de acordo com esta modalidade do algoritmo global 66. Por exemplo, os sensores 74 podem ser utilizados para monitorar as temperaturas de motor específicas e estes dados podem ser fornecidos para o modelo de degradação 70 para prever o envelhecimento de um fio de cabo do motor, um fio magnético, e/ou um sistema de retenção de bobina. De acordo com um outro exemplo, os sensores 74 podem ser posicionados para monitorar a entrada de água, por exemplo, no protetor de motor 48 e no motor submersível 44. Esses dados são então usados por modelo de degradação 70 para prever quando a frente de água vai chegar ao motor submersível 44 de uma forma que corrompa o funcionamento do motor submersível 44.
[00024] Em um outro exemplo, os sensores reais 74 são utilizados para monitorar as temperaturas ao longo do sistema de poço 20, por exemplo, ao longo do sistema de bombeamento submersível elétrico 22. Esses dados de temperatura são usados pelo modelo de degradação de 70 para prever o envelhecimento e relaxamento de tensão (vedabilidade) de selos elastoméricos ao longo do sistema de bombeamento submersível elétrico 22. Os sensores reais 74 também podem ser posicionados em locais apropriados ao longo do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 para medir a vibração. Os dados de vibração são então analisados de acordo com o modelo de degradação 70 para prever a falha de rolamentos dentro do sistema de bombeamento submersível elétrico 22.
[00025] Uma variedade de sensores pode ser utilizada para recolher os dados relacionados com vários aspectos do funcionamento do sistema de bombeamento, e modelos de degradação 70 selecionados podem ser utilizados para análise de dados no sistema de processamento 54. Em muitas aplicações, a saída do modelo de degradação 70 sobre a vida útil remanescente de um determinado componente pode ser usada para fazer os ajustes necessários ao funcionamento do sistema de bombeamento submersível elétrico 22. Em algumas aplicações, os ajustes adequados podem ser realizados automaticamente através do sistema de processamento/controle 54.
[00026] Referindo-se em geral à Figura 5, um outro exemplo de um algoritmo global 66 é ilustrado como uma técnica para avaliação de dados relacionados com o sistema de bombeamento submersível elétrico 22 de forma a facilitar a previsão de vida útil. O exemplo ilustrado na Figura 5 pode ser usado de forma independente ou em combinação com outras técnicas de previsão, tais como as técnicas de previsão acima descritas. No exemplo ilustrado na Figura 5, os dados medidos 80 são obtidos a partir dos sensores reais 74 utilizados para monitorar o sistema de bombeamento submersível elétrico 22 durante o funcionamento. Em combinação com os dados medidos 80, um modelo físico 68 do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 e um modelo de degradação de componentes 70 são usados para prever a vida restante dos componentes do sistema de bombeamento ou do sistema de bombeamento global 22.
[00027] De acordo com este método, "cargas" medidas em tempo real por meio de sensores reais 74 posicionados ao longo do sistema de bombeamento submersível elétrico 22 são utilizadas por modelo ou modelos físicos 68 para prever "tensões virtuais" no sistema de bombeamento submersível elétrico 22 ou componentes do sistema de bombeamento 22 em tempo real. Além disso, os esforços reais, medidos pelos sensores 74 podem ser utilizados em conjunto com o(s) modelo(s) físico(s) 68 e mecanismo otimizador 72 para determinar um conjunto de cargas de sistema medidas e cargas de sistema virtual. O sistema de cargas virtuais são cargas de sistema não medidas por sensores reais 74, mas que fornecem uma correlação desejada entre os esforços reais, medidos por sensores reais 74 e as mesmas tensões virtuais previstas pelo(s) modelo(s) físico(s) 68. O conjunto de cargas virtuais e cargas virtuais medidas, bem como o conjunto de tensões virtuais e tensões medidas, determinados de acordo com este método de fornecer uma descrição melhorada do "estado de sistema" do sistema de bombeamento 22, como uma função do tempo de funcionamento. O conjunto de tensões reais medidas e tensões virtuais são então utilizadas pelo modelo de degradação 70 para prever a vida útil remanescente dos componentes do sistema de bombeamento ou coluna de bombeamento submersível elétrica global 22.
[00028] Em várias aplicações, um processo de "identificação de sistema" pode ser empregado para determinar as cargas virtuais, como representado pelo módulo 81 na Figura 5. O módulo/processo de identificação de sistema 81 pode abranger, por exemplo, modelos físicos 68 e mecanismo otimizador 72. Identificação de sistema refere-se a um processo que utiliza modelos físicos que podem variar a partir de processos de "caixa preta" em que nenhum modelo físico é empregado para processos de "caixa branca", em que um modelo físico completo é conhecido e empregado. Em processos de identificação do sistema, a terminologia "caixa cinza" às vezes também é utilizada para representar a modelagem semifísica. Os aspectos de caixa preta, cinza e branca do processo de identificação do sistema são representados pelo número de referência 82 na Figura 5.
[00029] Em geral, o processo de identificação do sistema emprega métodos estatísticos para a construção de modelos matemáticos de sistemas dinâmicos a partir de dados medidos, por exemplo, os dados obtidos a partir de sensores reais 74. O processo de identificação do sistema também pode compreender a geração de dados informativos utilizados para montar tais modelos e facilitar a redução do modelo. A título de exemplo, um tal processo de identificação do sistema pode utilizar as medições do comportamento do sistema de bombeamento submersível elétrico e/ou influências externas sobre o sistema de bombeamento 22 com base em dados obtidos a partir dos sensores reais 74.
[00030] Os dados são então utilizados para determinar uma relação matemática entre os dados e um estado ou ocorrência, por exemplo, uma carga virtual ou até mesmo uma vida útil ou falha de componente. Este tipo de abordagem "de identificação do sistema" permite a determinação de tais relações matemáticas sem obter necessariamente detalhes sobre o que realmente ocorre dentro do sistema de interesse, por exemplo no sistema de bombeamento submersível elétrico 22. As metodologias de caixa branca podem ser utilizadas quando as atividades no sistema de bombeamento 22 e sua relação com a vida útil forem conhecidas, enquanto metodologias de caixa cinza podem ser utilizadas quando as atividades e/ou relações forem parcialmente compreendidas. As metodologias de caixa preta podem incluir algoritmos de identificação do sistema e podem ser empregadas quando nenhum modelo anterior para a compreensão das atividades/relações for conhecido. Uma variedade de técnicas de identificação do sistema está disponível e pode ser utilizada para estabelecer as cargas virtuais e/ou para desenvolver previsões de falha/vida útil.
[00031] A utilização de tais tensões virtuais pode ser útil em uma variedade de aplicações para prever o período de vida útil restante. Por exemplo, a utilização de dados de temperatura de motor virtuais de locais que não outros locais em que os dados de temperatura são medidos por sensores reais 74 podem ser úteis na previsão do envelhecimento de, por exemplo, fios condutores de motor, fio magnético, e sistemas de retenção de bobina. Da mesma forma, os dados de temperatura de motor virtuais provenientes de outros locais monitorados por sensores reais 74 podem ser úteis na previsão de envelhecimento e relaxamento de tensão (vedabilidade) de selos elastoméricos na cadeia de bombeamento submersível elétrica 22. Além disso, o uso de dados de frente de água virtuais pode ser utilizados para prever de forma eficaz quando uma frente de água vai chegar ao motor submersível 44.
[00032] Em várias aplicações, dados de rolamento virtuais, por exemplo, a tensão do contato de rolamento, espessura da película lubrificante, vibração, podem ser utilizados para prever a vida útil restante de rolamentos de sistema de bombeamento. Do mesmo modo, a arruela de impulso de bomba virtual pode ser utilizada para prever a vida da arruela. Os dados de desgaste virtuais, como dados virtuais de desgaste abrasivo e erosivo de bomba virtual, podem ser usados para prever a vida do rolamento e degradação do desempenho do estágio de bomba. Além disso, os dados do eixo de torque virtual podem ser utilizados para prever danos de vida de fadiga de torção e vida de fadiga restante de vários eixos em sistema de bombeamento submersível 22. Os dados de vedação de eixo virtuais, por exemplo, a tensão de contato, desalinhamento, vibração, podem ser usados para prever a vida útil restante de vários selos. Os dados virtuais podem ser combinados com dados reais em muitas maneiras para melhorar a capacidade de prever a vida útil de um determinado componente ou sistema. Como descrito acima, os dados virtuais podem ser sob a forma de tensões virtuais previstas pelo(s) modelo(s) físico(s) 68 e os dados reais podem ser sob a forma de tensões reais medidas pelos sensores 74.
[00033] Referindo-se em geral à Figura 6, um outro exemplo de um algoritmo global 66 é ilustrado como uma técnica para avaliação de dados relacionados com o sistema de bombeamento submersível elétrico 22 de forma a facilitar a previsão de vida útil. O exemplo ilustrado na Figura 6 pode ser usado de forma independente ou em combinação com outras técnicas de previsão, tal como a técnica de previsão descrita acima. No exemplo ilustrado na Figura 6, o "estado do sistema" de parâmetros medidos e parâmetros virtuais determinados em tempo real pode ser obtido por um método adequado, tal como o método descrito acima com referência à Figura 5.
[00034] O estado do sistema de parâmetros medidos e parâmetros virtuais é, então, utilizado para identificar eventos, tais como condições de funcionamento indesejáveis ou não ótimas. Exemplos de tais condições incluem gás de bloqueio ou outras condições que limitam ou impedem o funcionamento do sistema de bomba submersível elétrico 22. O estado do sistema de parâmetros medidos e parâmetros virtuais pode ainda ser utilizado para controlar a cadeia de bombeamento submersível elétrica 22, por exemplo, sistema de processador/controle 54. Por exemplo, o sistema de processador/controle 54 pode utilizar o algoritmo global 66 para corrigir as condições do estado do sistema real para atingir um novo estado do sistema desejado 84, conforme ilustrado na Figura 6.
[00035] Neste método, o sistema de processador/controle 54 pode ser programado de acordo com uma variedade de modelos, algoritmos ou outras técnicas para ajustar automaticamente o funcionamento do sistema de bomba submersível elétrico 22 a partir de um estado do sistema real detectado para um estado de sistema desejado. Dependendo da aplicação, o estado de sistema real pode ser determinado por dados reais de sensor, os dados de sensores virtuais, ou uma combinação de dados de sensor reais e virtuais. Em algumas aplicações, tanto dados de medição real e dados virtuais podem ser utilizados como descritos acima com respeito à modalidade ilustrada na Figura 5 para determinar o estado real do sistema de funcionamento em relação ao sistema de bombeamento submersível elétrico 22. O sistema de processador/controle 54, em seguida, ajusta automaticamente o funcionamento do sistema de bomba submersível elétrico 22 de acordo com o algoritmo, modelo, ou outra técnica programados para mover o funcionamento do sistema de bombeamento 22 para o estado de sistema desejado. A título de exemplo, o sistema de processador/controle 54 pode implementar uma mudança na velocidade do motor e/ou mudança de um ajuste de superfície de afogador para ajustar o funcionamento para o estado de sistema desejado.
[00036] Dependendo da aplicação, o sistema de bombeamento submersível elétrico 22 pode ter uma variedade de configurações e/ou componentes. Além disso, o algoritmo global 66 pode ser configurado para detectar e controlar uma variedade de dados reais e os dados virtuais para monitorar estados reais de componentes específicos ou do sistema de bombeamento global 22. Os dados reais e virtuais de dados também podem estar relacionados com as várias combinações de componentes e/ou parâmetros operacionais. Além disso, os dados reais e os dados virtuais podem ser processados através de várias técnicas selecionadas de acordo com o tipo de dados e os tipos de condições a serem monitorizadas. Com base em previsões da vida útil determinadas a partir dos dados reais e/ou de dados virtuais, vários ajustes operacionais podem ser feitos manualmente ou automaticamente para atingir estados de sistema desejados de modo a aumentar a longevidade e/ou outros aspectos operacionais relacionados com a vida corrida do sistema de bombeamento submersível elétrico.
[00037] Dependendo da aplicação, as metodologias aqui descritas podem ser utilizadas para prever uma vida útil de uma coluna de bombeamento, por exemplo, sistema de bombeamento submersível elétrico, antes da instalação com base em um perfil da missão prevista. As metodologias também podem ser utilizadas para prever a vida útil restante durante o funcionamento do sistema de bombeamento. Por exemplo, os métodos podem ser utilizados para prever não simplesmente uma falha potencial iminente, mas também o tempo até a falha ao longo da vida útil do sistema de bombeamento. Em aplicações do sistema de bombeamento submersível elétrico, por exemplo, as metodologias fornecem um operador ou um sistema de controle automatizado com um período de aviso anterior à falha do sistema de bombeamento.
[00038] As metodologias aqui descritas facilitam ainda mais respostas melhoradas para mudanças dinâmicas em, por exemplo, uma coluna de sistema de bombeamento submersível elétrica devido a condições de funcionamento variáveis. As respostas melhoradas aumentam a produção e/ou estendem a vida útil do sistema de bombeamento submersível elétrico antes de sua falha. Em várias aplicações, os dados virtuais são calculados de acordo com um modelo físico para parâmetros que não aqueles aos quais dados medidos reais estão disponíveis. Os dados virtuais podem ser utilizados sozinhos ou em combinação com os dados medidos reais para permitir uma avaliação mais completa do potencial de falha do sistema de bombeamento. A avaliação mais abrangente permite respostas de controle melhoradas para mitigar tais modos de falha.
[00039] Embora algumas modalidades da presente descrição tenham sido descritas em detalhes acima, os peritos na arte compreenderão facilmente que são possíveis muitas modificações sem se afastar materialmente dos ensinamentos da presente divulgação. Portanto, tais modificações devem ser incluídas dentro do escopo desta divulgação, conforme definido nas reivindicações.
Claims (14)
1. Método para avaliação de uma operação de um sistema de bombeamento submersível elétrico caracterizado por compreender: obter dados de sensor real (80) a partir da operação de monitoramento dos sensores (74) do sistema de bombeamento submersível elétrico (22), em que os dados de sensor real (80) compreendem dados de temperatura real de um sensor de temperatura do motor em uma localização do motor; utilizar um modelo físico (68) do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) para determinar os dados de sensor virtual, em que os dados de sensor virtual compreendem dados virtuais de temperatura de um sensor virtual (76) em uma localização diferente da localização do motor; processar os dados de sensor real (80) e os dados de sensor virtual para determinar um estado do sistema real como uma função do tempo de operação; gerar um modelo de degradação (70) com base em dados processados de sensor real e dados de sensor virtual, em que o modelo de degradação (70) compreende ainda dados de testes empíricos; aplicar o modelo de degradação (70) aos dados de sensor real (80) e aos dados de sensor virtual para fornecer uma predição, por um preditor, de um tempo para falha dos componentes do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) com base no modelo de degradação (70), em que os componentes compreendem um componente elétrico e uma vedação elastomérica; e ajustar a operação do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) em resposta à predição do tempo para falha dos componentes.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a utilização compreende a utilização de um motor optimizador (72) para ajudar a determinar os dados de sensor virtual.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processamento compreende a utilização dos dados de sensor real (80) e os dados de sensor virtual na entrada de água para prever quando uma frente de água irá prejudicialmente atingir um motor submersível (44) do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processamento compreende a utilização de ambos os dados de sensor real (80) e os dados de sensor virtual na temperatura para prever o envelhecimento e o relaxamento de tensão de vedações elastoméricas do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processamento compreende a utilização dos dados de sensor real (80) e dos dados de sensor virtual em rolamentos para prever a falha do rolamento no interior do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
6. Método caracterizado por compreender: obter os dados de sensor real (80) dos parâmetros de monitoramento de sensores reais (74) de um sistema de bombeamento submersível elétrico (22) em tempo real; obter dados de sensor virtual de sensores virtuais (76) monitorando parâmetros do sistema de bombeamento submersível elétrico (22); processar os dados de sensor real (80) e os dados de sensor virtual para determinar um estado do sistema real como uma função do tempo de operação; gerar um modelo de degradação (70) com base em dados processados de sensor real e processar dados de sensor virtual, em que o modelo de degradação (70) compreende ainda dados de testes empíricos; e utilizar uma saída do modelo de degradação (70) para prever em tempo real uma vida útil restante de pelo menos um componente do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a obtenção compreende a obtenção de dados de sensor real (80) em relação ao sistema de bombeamento submersível elétrico (22), em que os dados de sensor real (80) compreendem dados de temperatura reais de um sensor de temperatura do motor em uma localização do motor.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a obtenção compreende ainda a obtenção de dados de sensor virtual (76) a partir de sensores virtuais em relação a parâmetros do sistema de bombeamento submersível elétrico (22), em que os dados de sensor virtual compreendem dados de temperatura virtual em uma localização diferente da localização do motor.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 8, caracterizado pelo fato de que o processamento compreende processar os dados de sensor real (80) e os dados de sensor virtual na temperatura para prever o envelhecimento de pelo menos uma parte de um motor submersível (44) do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender ainda ajustar a operação do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) para um estado de sistema desejado (84) para prolongar a vida útil restante.
11. Método para melhoria de uma expectativa de vida de um sistema de bombeamento submersível elétrico, caracterizado por compreender: obter dados de sensor reais (80) a partir da operação de monitoramento de sensores (74) do sistema de bombeamento submersível elétrico (22), em que os dados de sensor real (80) compreendem dados de temperatura real de um sensor de temperatura do motor em uma localização do motor; utilizar um modelo físico (68) do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) para determinar os dados de sensor virtual, em que os dados de sensor virtual compreendem dados virtuais de temperatura de um sensor virtual (76) em uma localização diferente da localização do motor; gerar um modelo de degradação (70) com base em dados processados de sensor real e dados de sensor virtual, em que o modelo de degradação (70) compreende ainda dados de testes empíricos; aplicar o modelo de degradação (70) aos dados de sensor real (80) e aos dados de sensor virtual para fornecer uma predição, por um preditor, de um tempo para falha dos componentes do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) com base no modelo de degradação (70), em que os componentes compreendem um componente elétrico e uma vedação elastomérica; processar os dados de sensor reais e os dados de sensor virtuais para determinar um estado de sistema real do sistema de bombeamento submersível elétrico (22) como uma função do tempo de operação; e ajustar a operação do sistema de bombeamento (22) do estado do sistema real para um estado do sistema desejado (84) que, com base no preditor, aumenta a vida útil do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender ainda aplicar um modelo de degradação (70) aos dados de sensor real (80) e aos dados de sensor virtual para fornecer um preditor da vida útil restante de pelo menos um componente do sistema de bombeamento submersível elétrico (22).
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, 8 ou 11, caracterizado pelo fato de que ajustar a operação compreende o ajuste automático por meio de um sistema de controle (54).
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o ajuste automático compreende mudar uma velocidade do motor, mudar uma configuração de superfície de estrangulamento, ou mudar uma configuração da velocidade e configuração da superfície de estrangulamento de um motor submersível (44) do sistema de bombeamento (22).
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