BR112019010541B1 - Sistema para otimizar a operação de um motor de bomba elétrica submersível, meio legível por computador, motor de bomba elétrica submersível e acionamento de velocidade variável, e, método de otimização de energia implementado por computador para um motor elétrico submersível. - Google Patents

Abstract

Sistema de otimização de energia dinâmica e método para motores elétricos submersíveis. Um sistema para otimizar a operação de um motor elétrico submersível eletricamente acoplado a um acionamento de velocidade variável controlado por um computador executando dinamicamente em um circuito as etapas de obtenção de uma variável de desempenho da bomba e corrente do motor para estabelecer um primeiro conjunto de dados ajuste de um primeiro tipo incluindo um aumento ou uma diminuição, estabelecendo um segundo conjunto de dados após o ajuste, diferenciando o primeiro conjunto de dados com o segundo conjunto de dados e fazendo um segundo ajuste na voltagem do motor do primeiro tipo de ajuste se a corrente cair e a variável de desempenho da bomba for mantida dentro dos limiares, ou oposta ao primeiro tipo de ajuste se a corrente aumentar e a variável de desempenho da bomba for mantida, ou se a corrente cair e a variável de desempenho da bomba se desviar para fora dos limiares.

Description

FUNDAMENTOS 1. CAMPO DA INVENÇÃO

[001] As modalidades da invenção aqui descritas referem-se ao campo dos motores submersíveis elétricos acionados por uma unidade de velocidade variável. Mais particularmente, mas não como limitação, uma ou mais modalidades da invenção permitem um sistema e método de otimização de energia dinâmica para motores elétricos submersíveis.

2. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

[002] Fluidos, como gás natural, óleo ou água, geralmente estão localizados em formações subterrâneas. Quando a pressão dentro do poço não é suficiente para forçar o fluido para fora do poço, o fluido deve ser bombeado para a superfície, para que possa ser coletado, separado, refinado, distribuído e/ou vendido. Bombas centrífugas são normalmente usadas em aplicações de bombas submersíveis elétricas (ESP) para elevar fluido de poço para a superfície. Bombas centrífugas aceleram um fluido de trabalho através de um impelidor rotativo, que é acionado por um eixo de bomba rotativa e pareado com um difusor estacionário. Em bombas centrífugas de múltiplos estágios, múltiplos estágios de impelidor e difusor são empilhados em torno do eixo da bomba, com cada impelidor sucessivo sentado em um difusor do estágio anterior. O eixo da bomba percorre longitudinalmente o centro dos estágios da bomba empilhada.

[003] Normalmente, a rotação do eixo da bomba é acionada por um motor elétrico localizado no lado a montante do conjunto da bomba. O motor é tipicamente um motor de indução de gaiola de esquilo trifásico de dois polos que inclui um eixo de motor rotativo. A fonte de energia ESP é convencionalmente localizada na superfície do poço e é conectada ao motor por condutores elétricos isolados, que se estendem ao longo do conjunto ESP para dentro do furo de poço. Esses cabos de energia geralmente têm milhares de metros de comprimento em poços profundos, por exemplo, de até 5.000 a 8.000 pés.

[004] O motor é tipicamente acionado por um acionamento de velocidade variável (VSD) próximo à superfície do poço no qual a coluna ESP reside. A VSD varia a velocidade do motor ajustando a frequência de alimentação. Em geral, a velocidade do motor é controlada convencionalmente ajustando a saída de frequência da VSD, frequentemente medida em rotações por minuto (rpm), para acomodar diferentes requisitos de desempenho. Os VSDs convencionais ajustam a voltagem e a frequência proporcionalmente, de modo que a razão entre os dois, frequentemente expressa como volts por Hertz (V/Hz), permanece constante, apesar das alterações na velocidade do motor. Quando a voltagem muda, a potência de saída da VSD e, portanto, a energia consumida para operar o motor durante a operação, também é alterada. A potência é proporcional à velocidade do motor, bem como à voltagem de saída, de tal forma que mesmo que a razão V/Hz permaneça constante, a energia consumida pelo motor mudará dinamicamente sempre que a VSD alterar a velocidade do motor. A energia necessária como resultado de tais alterações é de particular interesse no campo de motores elétricos submersíveis, já que o uso de energia é frequentemente o custo operacional primário em aplicações ESP.

[005] Durante o processo de fabricação, os motores usados em ESP e outras aplicações de bombas centrífugas recebem uma classificação de potência e especificações de operação para acomodar as condições ambientais e operacionais esperadas para o motor e fornecer uma base para uso eficiente por um operador no campo. Isso geralmente é feito usando um dinamômetro e permite uma classificação, que geralmente é expressa como uma porcentagem da potência da placa de identificação, por exemplo, porcentagem de potência (HP) ou porcentagem de carga. Condições de alta temperatura, por exemplo, podem exigir uma redução do motor para evitar superaquecimento, o que requer que o motor opere abaixo da potência da placa de identificação. Além disso, esses testes geralmente incluem um melhor ponto de eficiência (BEP) do motor em uma determinada carga, bem como curvas de eficiência operacional, que fornecem, por exemplo, valores de voltagem que podem minimizar a corrente consumida pelo motor. Esses testes podem fornecer aos operadores diretrizes operacionais para um determinado motor que proporcionam uma operação mais eficiente sob diferentes condições de operação.

[006] Um problema que surge é devido a discrepâncias entre as diretrizes de operação para a eficiência ideal de um motor, que são obtidas em um laboratório, e as condições reais de funcionamento do fundo de poço. Uma vez que o motor tenha sido aplicado no campo, as condições ambientais como temperaturas e conteúdo de gás no poço - mudam ao longo da operação. Como a classificação do motor e o BEP não levam em consideração essas alterações inesperadas, o motor normalmente opera ineficientemente, o que pode contribuir para maiores custos operacionais. Além disso, é provável que ocorra uma queda de voltagem em todo o comprimento do cabo elétrico extremamente longo que conecta o motor à VSD. Esta queda de voltagem é igualmente imprevisível, uma vez que é uma função do comprimento, da idade, do fabricante e dos gradientes de temperatura do cabo ao longo do comprimento do cabo. Essa imprevisibilidade impede que um operador saiba quanto da saída de energia da VSD realmente atingirá o motor, o que aumenta a probabilidade de uso ineficiente de energia do motor e da VSD.

[007] Além disso, os motores ESP convencionais são propensos a sobrevoltagem que ocorre quando a VSD está fornecendo mais voltagem e, portanto, mais potência do que o motor realmente requer. Isso resulta no desenho do motor somente com a quantidade de corrente necessária, e fazendo com que o restante da saída de energia da VSD seja usada de forma ineficiente ou desperdiçada. Operar sob tais as condições podem contribuir ainda mais para o uso de energia do sistema e aumentar os custos operacionais do conjunto ESP. Os testes realizados pelo fabricante para determinar a classificação e o BEP de um motor muitas vezes não são capazes de prever algumas ou algumas das condições ambientais e operacionais experimentadas por um motor que esteja operando no fundo de poço em um poço, como um poço de petróleo. Além disso, como o sistema é dinâmico e difícil de prever, a alteração da velocidade da VSD geralmente resultará em uso ineficiente de energia, já que a energia necessária para ser enviada ao motor provavelmente divergirá do modelo preditivo do fabricante.

[008] Tem sido proposto para explicar o efeito das variações nas condições ambientais e operacionais do motor ESP, monitorando manualmente o motor da VSD. No entanto, isso exigiria a atenção de vinte e quatro horas, sete dias por semana, de um operador, a fim de acomodar condições variáveis (como temperatura e/ou composição do gás) e atualizar os modelos operacionais. Tal procedimento não seria apenas inviável devido às horas-homem exigidas de um operador e à frequência com que as entradas operacionais podem precisar de atualização, mas também pode exigir que o sistema seja desligado regularmente para monitorar e alterar certas variáveis em um processo de erro e teste, o que contribuiria ainda mais para o custo de executar o conjunto ESP.

[009] Como é evidente do acima exposto, os motores ESP atualmente disponíveis sofrem de uso ineficiente de energia. Portanto, existe a necessidade de um sistema melhorado e método de otimização dinâmica do uso de energia para um motor elétrico submersível durante a operação de fundo de poço.

SUMÁRIO

[0010] Uma ou mais modalidades da invenção permitem um sistema e método de otimização de energia dinâmica para motores elétricos submersíveis.

[0011] Um sistema dinâmico de otimização de energia e método para motores elétricos submersíveis é descrito. Uma modalidade ilustrativa de um sistema para otimizar a operação de um motor de uma bomba elétrica submersível (ESP) inclui o motor ESP acoplado eletricamente a um acionamento de velocidade variável (VSD) que emite voltagem para o motor ESP, o VSD controlado por um controlador VSD incluindo um computador com armazenamento de memória não transitória, e em que o armazenamento de memória não transitória armazena instruções que, quando executadas pelo computador, fazem com que as seguintes etapas sejam executadas dinamicamente em um circuito durante a operação do motor VSD e ESP: obter uma medição de pelo menos uma variável de desempenho da bomba e uma corrente do motor por um primeiro período de tempo para estabelecer um primeiro conjunto de dados, fazer um primeiro ajuste para uma saída de voltagem do VSD para o motor ESP, o primeiro ajuste tendo um primeiro tipo de ajuste, em que o primeiro tipo de ajuste é um de aumentar ou diminuir a saída de voltagem, detectar a pelo menos uma variável de desempenho da bomba e a corrente do motor por um segundo período de tempo, após o ajuste de voltagem do motor, para estabelecer um segundo conjunto de dados, diferenciar o primeiro conjunto de dados com o segundo conjunto de dados para determinar uma alteração na corrente do motor do primeiro conjunto de dados para o segundo conjunto de dados, e fazer um segundo ajuste na saída de voltagem do VSD para o motor ESP em resposta à alteração na corrente do motor e uma alteração na pelo menos uma variável de desempenho da bomba, o segundo ajuste incluindo um de: um ajuste do primeiro tipo de ajuste se a alteração de corrente for uma queda e a pelo menos uma variável de desempenho da bomba no segundo conjunto de dados for mantida entre um limiar superior e um limiar inferior ou um ajuste oposto ao primeiro tipo de ajuste se um de: a alteração na corrente é uma elevação e a variável de desempenho, pelo menos, uma bomba no segundo conjunto de dados é mantida entre o limiar superior e o limiar inferior, ou se a alteração na corrente for uma queda e a pelo menos uma variável de desempenho de bombeamento no segundo conjunto de dados se desviar de uma acima do limiar superior ou abaixo do limiar inferior. Em algumas modalidades, o sistema inclui ainda um ímã num eixo do motor ESP e um sensor de fundo acoplado ao ímã, em que o sensor de fundo mede um fluxo magnético do ímã, em que a variável de desempenho de pelo menos uma bomba inclui uma taxa de revolução do eixo do motor ESP. Em certas modalidades, a pelo menos uma variável de desempenho da bomba inclui pressão de descarga e o limiar superior e o limiar inferior são pelo menos parcialmente definidos com base numa curva de fluxo da cabeça da bomba. Em algumas modalidades, a pelo menos uma variável de desempenho da bomba inclui uma pressão de descarga da bomba ESP, pressão de entrada da bomba ESP, taxa de revolução do motor ESP, ou uma combinação dos mesmos. Em certas modalidades, o motor ESP está no fundo de um poço e o VSD está próximo de uma superfície do poço. Em algumas modalidades, a corrente do motor é medida utilizando um amperímetro um no motor ESP, na saída do VSD, de modo intermediário ao longo de um cabo de alimentação ESP que se estende entre o motor ESP e o VSD, ou uma combinação dos mesmos. Em certas modalidades, a saída de voltagem do VSD para o motor ESP é ajustada num incremento variável determinado pelo computador do controlador de VSD. Em algumas modalidades, o incremento do ajuste de voltagem está entre 0,5 Volt e 20,0 Volts inclusive e um tamanho de etapa do incremento é dinâmico. Em algumas modalidades, o computador é um controlador lógico programável, incluindo software em lógica de escada e inclui uma interface de usuário. Em certas modalidades, o circuito continua de forma iterativa até que a operação do motor ESP cesse. Em algumas modalidades, um meio legível por computador que armazena instruções que, quando executadas por um processador, fazem com que o circuito seja realizado. Em certas modalidades, um motor de bomba elétrica submersível (ESP) e um acionamento de velocidade variável (VSD) em combinação com um dispositivo de armazenamento de memória que armazena instruções de programa operativas, quando implementadas por um processador, fazem com que o processador execute as etapas do circuito.

[0012] Uma modalidade ilustrativa de um método de otimização de energia implementado por computador para um motor elétrico submersível (ESP) inclui operar o motor ESP no fundo de poço de um motor ESP, o motor ESP conectado eletricamente a um acionamento de velocidade variável (VSD) próxima ao poço, a voltagem de saída da acionamento de velocidade variável para o motor ESP e pelo menos parcialmente controlado por um controlador lógico programável (PLC) com armazenamento de memória não transitória, armazenar instruções que, quando executadas pelo computador, fazem com que as seguintes etapas sejam executadas dinamicamente em um circuito: ler uma taxa de revolução do motor ESP usando um ímã ligado a um eixo do motor ESP e medir uma corrente do motor, por um primeiro período de tempo para estabelecer um primeiro conjunto de dados, fazer um primeiro ajuste para uma saída de voltagem da VSD para o motor de ESP, o primeiro ajuste tendo um primeiro tipo de ajuste, em que o primeiro tipo de ajuste é um de aumentar ou diminuir a saída de voltagem, detectar a taxa de revolução e a corrente do motor por um segundo período de tempo, após o ajuste de voltagem do motor, para estabelecer um segundo conjunto de dados, diferenciar o primeiro conjunto de dados com o segundo conjunto de dados para determinar uma alteração na corrente do motor do primeiro conjunto de dados para o segundo conjunto de dados, e fazer um segundo ajuste na saída de voltagem da VSD para o motor ESP em resposta à alteração na corrente do motor e uma alteração na taxa de revolução, o segundo ajuste incluindo um de: um ajuste do primeiro tipo de ajuste se a alteração na corrente for uma queda e a taxa de revolução no segundo conjunto de dados for mantida entre um limiar superior e um limiar inferior, ou um ajuste oposto ao primeiro tipo de ajuste se um de: a alteração na corrente for uma elevação e a taxa de revolução no segundo conjunto de dados for mantida entre o limiar superior e o limiar inferior, ou se a alteração na corrente for uma queda e a taxa de revolução no segundo conjunto de dados desvia um dos acima do limiar superior ou abaixo do limiar inferior. Em algumas modalidades, a detecção da taxa de revolução do motor ESP inclui a medição de um fluxo magnético do eixo do motor à medida que ele gira. Em certas modalidades, o fluxo magnético do eixo é medido usando um sensor de fundo de poço acoplado abaixo do motor, o sensor de fundo de poço medindo o fluxo magnético do ímã ligado ao eixo. Em algumas modalidades, o método inclui ainda calcular o uso de energia do motor ESP a partir da corrente medida do motor e a saída de voltagem para o motor e registrar o uso de energia assim calculado. Em certas modalidades, o circuito é repetido iterativamente durante a operação do motor ESP. Em algumas modalidades, a saída de voltagem para o motor é ajustada e alterada em incrementos entre 0,5 Volts e 20,0 Volts inclusive. Em certas modalidades, a saída de voltagem para o motor é ajustada a cada cinco minutos. Em certas modalidades, um tamanho do incremento é alterado dinamicamente durante as iterações do circuito. Em algumas modalidades, o método inclui ainda registrar os ajustes na direção da saída de voltagem do motor para o motor ESP. Em certas modalidades, um meio legível por computador que armazena instruções que, quando executadas por um processador, fazem com que o método seja realizado. Em algumas modalidades, um motor de bomba elétrica submersível (ESP) e um acionamento de velocidade variável (VSD) em combinação com um dispositivo de armazenamento de memória que armazena instruções de programa operativas, quando implementadas por um processador, fazem com que o processador execute as etapas do método.

[0013] Em outras modalidades, as características de modalidades específicas podem ser combinadas com características de outras modalidades. Por exemplo, as características de uma modalidade podem ser combinadas com características de qualquer uma das outras modalidades. Em outras modalidades, características adicionais podem ser adicionadas às modalidades específicas aqui descritas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0014] Vantagens da presente invenção podem tornar-se evidentes para os versados na técnica, com o benefício da seguinte descrição detalhada e com referência aos desenhos em anexo, nos quais: As FIGs. 1A-1B são vistas em perspectiva de um conjunto de bomba submersível elétrico de uma modalidade ilustrativa controlado por um acionamento de velocidade (VSD) do sistema de uma modalidade ilustrativa.

[0015] A FIG. 2 é um diagrama de fluxograma de um método de otimização de energia de modalidades ilustrativas para uso com um motor elétrico submersível exemplificativo controlado por um controlador de acionamento de velocidade variável de modalidades ilustrativas.

[0016] A FIG. 3 é um diagrama de fluxo de dados de um sistema de otimização de energia de modalidades ilustrativas para um motor elétrico submersível exemplificativo.

[0017] Embora a invenção seja suscetível a várias modificações e formas alternativas, modalidades específicas dos mesmos são mostradas a título de exemplo nos desenhos e podem ser aqui descritas em detalhes. Os desenhos podem não estar em escala. Deve ser entendido, no entanto, que as modalidades aqui descritas e mostradas nos desenhos não pretendem limitar a invenção à forma particular divulgada, mas pelo contrário, a intenção é para abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas abrangidas pelo âmbito da presente invenção como definido pelas reivindicações anexas.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0018] Um sistema dinâmico de otimização de energia e método para motores elétricos submersíveis descrito. Na descrição exemplificativa que se segue, são apresentados numerosos detalhes específicos de modo a proporcionar uma compreensão mais completa das modalidades da invenção. Será, no entanto, evidente para um versado comum na técnica que a presente invenção pode ser praticada sem incorporar todos os aspectos dos detalhes específicos aqui descritos. Em outros casos, características específicas, quantidades ou medições bem conhecidas pelos versados na técnica não foram descritas em detalhes para não obscurecer a invenção. Os leitores devem notar que, embora os exemplos da invenção sejam aqui apresentados, as reivindicações, e o escopo completo de quaisquer equivalentes, são o que define os metes e limites da invenção.

[0019] Tal como utilizado neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as formas singulares “um”, “uma” e “o/a” incluem referentes plurais, a menos que o contexto indique claramente o contrário. Assim, por exemplo, a referência a um sensor inclui um ou mais sensores.

[0020] “A jusante” refere-se à direção longitudinal substancialmente com o fluxo principal do fluido elevado quando o conjunto da bomba está em operação. A título de exemplo, mas não de limitação, num conjunto vertical de bomba submersível elétrica de fundo de poço (ESP), a direção a jusante pode estar na direção da superfície do poço.

[0021] “A montante” refere-se à direção longitudinal substancialmente oposta ao fluxo principal do fluido elevado quando o conjunto da bomba está em operação. A título de exemplo, mas não de limitação, num conjunto vertical de ESP fundo de poço, a direção a montante pode estar oposta à superfície do poço.

[0022] Tal como utilizado neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, “aumentar” ou “elevar” em relação à taxa de revolução de um eixo de motor refere-se à alteração na magnitude da taxa de revolução, e no interesse de não obscurecer a invenção, presume que a direção de rotação do eixo do motor não se altera durante os ajustes de voltagem de modalidades ilustrativas.

[0023] “Aumentar” ou “elevar” em relação à corrente se refere à alteração na magnitude do valor absoluto da corrente.

[0024] Tal como utilizado neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, “diminuir” ou “abaixar” em relação à taxa de revolução de um eixo de motor refere-se à alteração na magnitude da taxa de revolução, e no interesse de não obscurecer a invenção, presume que a direção de rotação do eixo do motor não se altera durante os ajustes de voltagem de modalidades ilustrativas.

[0025] “Diminuir” ou “abaixar” em relação à corrente se refere à alteração na magnitude do valor absoluto da corrente.

[0026] Tal como utilizado neste relatório descritivo e nas reivindicações anexas, uma alteração na corrente é “insignificante”, conforme determinado pelo parâmetro do limiar de convergência de um algoritmo de otimização de modalidades ilustrativas.

[0027] Tal como aqui utilizado, um ajuste de voltagem refere-se a aumentar ou diminuir a magnitude da voltagem sem alterar a polaridade da voltagem.

[0028] Tal como aqui utilizado, a corrente é algumas vezes usada como um proxy para energia, uma vez que em circuitos elétricos, a energia é proporcional à corrente. A potência do motor também pode ser calculada usando leituras elétricas e/ou mecânicas do motor e as características de fator de potência e eficiência do motor.

[0029] As modalidades ilustrativas são descritas em termos de um motor elétrico submersível utilizado num conjunto ESP instalado no fundo do poço num poço, o motor acionado por um acionamento de velocidade variável (VSD) incluindo uma interface de usuário do controlador de VSD. No entanto, a invenção não é tão limitada e pode ser aplicada a qualquer motor elétrico operado por VSD usando energia de uma maneira que varia da potência esperada, por exemplo motores operando sob altas temperaturas ou empregando cabos de energia de centenas ou milhares de metros de comprimento. A título de exemplo, mas não limitativo, o método de modalidade ilustrativo pode ser aplicado a um motor de bomba horizontal e motores que impulsionam bombas de fluxo axial, bombas de fluxo horizontal, bombas de fluxo misto ou máquinas diferentes de bombas.

[0030] As modalidades ilustrativas podem melhorar o funcionamento de uma coluna ESP minimizando o consumo de energia do motor ESP de uma maneira que não afete significativamente o desempenho da bomba, por exemplo sem afetar a quantidade de fluido que pode ser bombeada e/ou a quantidade de elevação gerada. As modalidades ilustrativas podem utilizar uma ou mais métricas de desempenho da bomba, tais como velocidade de operação do motor (taxa de revolução do eixo do motor), taxa de fluxo através da bomba, pressão de descarga e/ou pressão de entrada como um medidor para o desempenho da bomba. O método de modalidades ilustrativas pode melhorar a operação do conjunto do motor submersível e/ou da ESP como um todo, minimizando o consumo de energia do motor ESP durante o funcionamento, o que pode proporcionar um motor ESP “verde”. Em alguns casos, a economia de energia pode ser de até 25%, o que pode reduzir o custo de operação do conjunto ESP e ser ambientalmente mais amigável do que a operação convencional do motor ESP. O método de modalidades ilustrativas pode permitir que o computador VSD e/ou o motor submersível adapte dinamicamente a utilização de energia do sistema às alterações nas condições ambientais e/ou operacionais no fundo de poço. O método de modalidades ilustrativas pode melhorar em relação aos sistemas convencionais, impedindo a necessidade de desligamento do sistema para ajustar o uso de energia do sistema, o que pode economizar tempo e/ou reduzir as despesas operacionais da operação do conjunto ESP. As modalidades ilustrativas podem também melhorar o funcionamento do próprio sistema VSD, melhorando a capacidade de o VSD de controlar dinamicamente e eficientemente o motor ESP.

[0031] O método implementado por computador de modalidades ilustrativas pode ser executado por software de interface de usuário do controlador VSD e/ou software executado por um PLC de controlador de VSD ou computador tendo um processador e dispositivo de armazenamento de memória. As modalidades ilustrativas podem criar conjuntos de dados atualizados em iterações, cujos conjuntos de dados podem originar de medições no fundo do poço, medições indicativas do desempenho da bomba, alteração na corrente e/ou medições da voltagem de saída do VSD, armazenadas pelo sistema informático para análise. O sistema de computador de modalidades ilustrativas pode comparar e/ou diferenciar os dados antes e depois de um ajuste da saída de voltagem da unidade para o motor. Com base na diferenciação entre conjuntos de dados e/ou comparação dos conjuntos de dados com os limites de limiar, as modalidades ilustrativas podem determinar o tipo de ajuste adicional que pode ser necessário (aumentar ou diminuir) para minimizar a corrente e otimizar o uso de energia do motor ESP, mantendo o desempenho do conjunto ESP. O método de modalidades ilustrativas pode ser repetido em intervalos em um circuito de realimentação para assegurar o uso ideal de energia, apesar das alterações nas condições ambientais experimentadas pelo motor ESP.

[0032] VSDs, também chamados de acionamentos de frequência variável, acionamentos de frequência ajustável, acionamentos CA, acionamentos micro ou acionamentos inversores, são tipos de acionamentos de velocidade ajustável, bem conhecidos dos técnicos, usados em sistemas de acionamento eletromecânico para controlar a velocidade do motor CA e o torque variando a frequência e a voltagem de entrada do motor. Os VSDs são usados em muitas aplicações diferentes, desde pequenos dispositivos até aplicações de bombeamento, incluindo bombas submersíveis elétricas. Referindo-se à FIG. 1B, um sistema VSD de modalidades ilustrativas pode incluir três subsistemas principais: motor CA 110, VSD (acionamento principal ou fatia) 300 e controlador 305. O motor CA 110 pode ser um motor de indução trifásico. A unidade principal VSD 300 pode ser um sistema de conversão de eletrônicos de energia de estado sólido. Um sistema de controle de microprocessador embutido, como a interface de painel de porção 315, pode ser implementado como firmware e pode fornecer configuração e controle de baixo nível. O controlador 305 pode ser um controlador lógico programável (PLC) que pode ser escrito em lógica de escada e inclui interface de usuário 160 (mostrada na Fig. 1A). O controlador 305 pode gerar informações e exibir as informações na interface do usuário 160. A interface de usuário 160 pode fornecer e/ou receber e transmitir instruções para o controlador 305 do VSD e pode também proporcionar opções de controle a um usuário ou operador da unidade principal de VSD 300. A interface do usuário 160 pode ser usada para revisar e rever configurações e parâmetros operacionais para a VSD 300. A interface de usuário do controlador de VSD 160 pode incluir uma exibição de saída colorida e/ou monocromática, bem como uma interface de entrada do usuário, como uma tela de toque, teclado, comutadores, botões e/ou mouse para permitir que o usuário ou o computador seja programado, para entrada de parâmetros de operação. Os sistemas de computador de modalidades ilustrativas podem incluir hardware, software, um processador, memória e/ou armazenamento não transitório, como é bem conhecido dos versados na técnica.

[0033] A FIG. 1 A e FIG. 1B ilustram o gabinete VSD 140 de uma modalidade ilustrativa que pode abrigar o sistema de VSD 150 na, perto e/ou próximo à superfície 60 de uma formação subterrânea. Como mostrado na FIG. 1B, o VSD 300 pode incluir interface de painel de porção 315 e quando uma extremidade frontal ativa (AFE) está incluída, o AFE 325 pode incluir a interface de painel AFE 310. Interface de painel de porção 315 e/ou interfaces de painel AFE 310 podem fornecer configuração e controle de nível inferior. O controlador 305 pode ter o caminho de comunicações de rede 320 no VSD 300 para fornecer funções de monitoração, comando e controle da operação global de VSD 300 a um nível elevado. O controlador 305 pode incluir interface gráfica do usuário 160 que é acessível a partir do exterior do armário 140 quando a porta do armário 140 está fechada. A FIG. 1A ilustra a interface gráfica de usuário 160 do controlador 305, acessível a partir do armário exterior 140.

[0034] O sistema de VSD 150 pode ser acoplado de maneira informativa ao cabo de alimentação ESP 130 que, além de fornecer energia ao motor ESP 110, também pode ser acoplado ao sistema de VSD 150 e transportar informações dos medidores de fundo de poço 120 (sensores) para o sistema de VSD 150. Em algumas modalidades, a informação dos medidores de fundo de poço 120 pode ser transmitida num cabo dedicado separado e/ou empacotado com o cabo de potência ESP 130. O conjunto ESP 100 pode estar localizado num poço no fundo de poço e incluir a bomba ESP 195, que pode ser, por exemplo, uma bomba centrífuga de vários andares que eleva óleo, gás natural e/ou água à superfície da formação subterrânea utilizando os estágios empilhados de impelidor e difusor. O motor 110 pode ser um motor de indução de gaiola de esquilo trifásico de dois polo abaixo e/ou a montante da bomba de ESP 195 que opera para girar a bomba 195. O conjunto ESP 100 pode também incluir a seção de vedação 115 que pode proteger o motor 110 contra a entrada de fluido e também pode igualar a pressão dentro do motor 110. A entrada 125 pode servir como a entrada para fluido na bomba ESP 115. A tubulação de produção 135 pode transportar fluido de poço elevado para a superfície 60 do poço através da cabeça de poço 145.

[0035] O medidor de fundo de poço 120 pode medir, por exemplo, informações como taxa de revolução do motor, pressão de descarga, vibração em um, dois ou três eixos, pressão de entrada, temperatura do medidor e/ou outras variáveis indicativas do desempenho da bomba, uso de energia e/ou de outra forma de interesse. A taxa de fluxo da bomba pode ser inferida a partir de pressões diferenciais quando o transdutor de pressão de descarga 335 (mostrado na FIG. 3) está incluído. As tensões do motor e o consumo de energia podem ser medidos na superfície 60 pelo sistema de VSD 150 e as eficiências do motor 110 podem ser calculadas a partir das medições obtidas. O armário 140 pode alojar o VSD (acionamento principal) 300 e o controlador 305, cujo controlador 305 pode ser um PLC e/ou um computador. O controlador 305 pode ser escrito em lógica de escada e incluir a interface do usuário 160. Funções de software para a interface de usuário 160 podem ser integradas no programa de computador de modalidades ilustrativas e podem, por exemplo, ser empregadas para ligar e desligar o motor ESP 110.

[0036] Ajustes à voltagem de energia transmitida ao longo do cabo de energia 130 para o motor 110 podem ter o efeito de alterar a taxa de revolução do eixo do motor 180 e/ou do motor 110. O cabo 130 ou outro cabo ou fio dedicado pode também retransmitir medições dos sensores de fundo de poço 120 e/ou do sensor de eixo 190 para o sistema de VSD 150 na superfície do poço 60. O sensor de eixo de motor 190 pode ser colocado no eixo do motor 180 e pode medir diretamente a taxa de revolução do motor 110. Em algumas modalidades, o sensor de eixo 190 pode ser um ímã ligado à parte inferior do eixo de motor 180 A porção do eixo do motor 180, incluindo o sensor de imã 190, pode se estender para o medidor de fundo do poço (sensor) 120. Os sensores de fundo de poço 120 podem medir o fluxo magnético do ímã do sensor de eixo 180, proporcionando dados de taxa de revolução do eixo do motor 180, que podem ser medidos em rotações por minuto (rpm). As medições enviadas a partir do sensor de eixo 190 e/ou dos sensores de fundo de poço 120 podem ser transmitidas ao longo do cabo de potência 130 e/ou de um fio dedicado e fornecidas ao controlador 305 como uma entrada. Tais medições podem incluir a taxa de revolução do motor, corrente do motor, velocidade do motor, pressão de descarga, pressão de entrada, taxa de fluxo da bomba e/ou outras variáveis que são indicativas do consumo de energia do motor 110 e desempenho do conjunto ESP 100. O controlador 305 pode ajustar e rastrear a voltagem que o VSD 300 fornece ao motor 110. O amperímetro 330 (mostrado na FIG. 3) pode medir a corrente ao longo do cabo de potência 130, na superfície 60 do VSD 300 próximo, do motor 110, no motor 110 e/ou intermediariamente ao longo do comprimento do cabo de potência 130. A pressão de descarga e/ou a pressão de entrada podem ser medidas usando o transdutor de pressão 335. Quando a pressão é medida na entrada da bomba, podem ser utilizados sensores de fundo de poço 120, incluindo um transdutor de pressão submersível 335 na parte inferior do motor 110. Quando a pressão de descarga é medida, pode ser utilizado um transdutor de pressão 335 na cabeça de poço 145.

[0037] Um método de otimização de energia de modalidades ilustrativas, incluir ajustar e monitorar a saída de voltagem da VSD 300 para o motor 110 enquanto rastreia a alteração resultante na taxa de revolução do eixo de motor 180 e/ou outras variáveis indicativas de potência do motor e/ou eficiência de energia. O consumo de energia do motor ESP 110 pode, assim, ser otimizado ajustando dinamicamente a frequência de saída e/ou a voltagem do VSD 300 na direção determinada para otimizar o uso de potência do motor ESP 110. No exemplo mostrado nas FIGs. 1A-1B, isto pode incluir ajustar a voltagem fornecida pelo sistema de VSD 150 ao motor de fundo de poço 110, enquanto monitora a alteração resultante na taxa de revolução do motor 110, corrente e/ou outras variáveis indicativas de eficiência de energia do motor ESP 110 e/ou desempenho da bomba 195, por exemplo, pressão de descarga, pressão de entrada e/ou taxa de fluxo. As modalidades ilustrativas proporcionam o ajuste dinâmico de variáveis de saída de VSD 300 na direção determinada para otimizar o consumo de energia a uma dada velocidade do motor. O método de modalidades ilustrativas pode usar entradas tiradas dos amperímetros 330, sensores de fundo de poço 120, sensores na cabeça de poço 145 e/ou sensor de eixo 190, que podem fornecer informações relativas à potência do motor de 110 cavalos e/ou desempenho da bomba. Modalidades ilustrativas podem utilizar conjuntos de dados de tais informações recolhidas para calcular a voltagem do motor apropriada para otimizar a utilização da energia em condições ambientais e de cabo, na verdade, experimentados pelo motor ESP 110 durante o funcionamento. O método de modalidades ilustrativas pode ser implementado durante a duração do funcionamento do motor 110.

[0038] A FIG. 2 ilustra um circuito de otimização de energia dinâmica de modalidades ilustrativas, que pode ser empregado como um método de otimização de energia para um motor elétrico submersível de fundo de poço exemplificativo operando para girar uma bomba centrífuga de múltiplos estágios. O método pode ser implementado por um computador e/ou PLC incluído no controlador de VSD 305, que pode incluir a interface de usuário 160 e ser acoplado ao motor 110, como descrito aqui. Na etapa de operação do motor 200, a operação do motor 110 pode ser iniciada, por exemplo, por um operador selecionando o botão apropriado na interface de usuário 160 do controlador de VSD. O motor 110 pode ser operado no fundo de poço em um poço e controlado pelo controlador de VSD 305 acoplado operativamente à interface de usuário do controlador de VSD 160.

[0039] Na etapa de inicialização 210, as variáveis de interesse para o consumo de energia do motor 110 e/ou o desempenho da bomba podem ser determinadas, avaliadas, medidas e/ou armazenadas num conjunto de dados inicial. Em um exemplo, a taxa de revolução do motor 110 pode ser avaliada como uma função da voltagem de saída de VSD 300 enviada ao motor 110. As leituras podem incluir uma ou mais variáveis de saída de VSD 300, tais como voltagem, frequência, corrente ao longo do cabo de potência ESP 130, bem como variáveis tiradas dos sensores 120 (seja no fundo de poço ou não) e/ou sensor de eixo 190, como a corrente do motor, velocidade do motor e/ou pressão de descarga. A informação recolhida pode ser transmitida para o controlador de VSD 305 com o cabo de alimentação 130 e/ou com outros cabos de transmissão de dados e/ou fios. As medições tomadas durante a etapa de inicialização 210 podem ser usadas para compilar um conjunto de dados inicial de variáveis de interesse. Durante a etapa de inicialização 210, os dados podem ser consolidados, montados, armazenados em uma planilha, estrutura de dados ou banco de dados e/ou combinados para formar um conjunto de dados indicativos da potência do motor ESP 110 em uma voltagem inicial ou primeira saída de VSD 300, bem como os dados de desempenho da bomba associados à configuração de voltagem inicial. Em algumas modalidades, isso pode incluir medições diretas da voltagem de saída de VSD, corrente do cabo de alimentação 130 e ou taxa de revolução do motor 110. Em outras modalidades, informações desejadas podem ser calculadas e/ou extrapoladas a partir de dados medidos durante a etapa de inicialização 210. Os valores de inicialização podem ser coletados por um período de tempo definido, como por trinta segundos, um minuto ou dez minutos.

[0040] Após o conjunto de dados inicial ter sido estabelecido na etapa de inicialização 210, a saída de voltagem do VSD 300 para o motor 110 pode ser ajustada fazendo um primeiro ajuste de voltagem de um primeiro tipo, na etapa de ajuste 220. A primeira etapa de ajuste 220 pode incluir qualquer um de aumentar ou diminuir a voltagem de saída do sistema de VSD 150. Se a voltagem é aumentada ou diminuída na etapa de ajuste de voltagem 220 pode ser selecionada aleatoriamente, pseudoaleatoriamente, ou o controlador 305 pode ser programado para começar inicialmente com um aumento, ou inicialmente começar com uma diminuição. Durante a etapa de ajuste de voltagem 220, a voltagem pode por exemplo ser aumentada ou diminuída com um incremento de 0,5 Volt, 5,0 Volts, 20,0 Volts, ou outro incremento de voltagem semelhante, ou com um incremento entre 0,5 Volt e 20,0 Volts, em incrementos entre 10,0 Volts e 50,0 Volts, ou outro intervalo de incremento similar. Os tamanhos da etapa de voltagem podem ser feitos em incrementos ajustáveis e/ou os incrementos podem se tornar menores à medida que o algoritmo se aproxima da corrente ideal e/ou do ajuste de potência do motor ESP 110.

[0041] Em algumas modalidades, a voltagem pode ser ajustada sem modificar diretamente a frequência e/ou sem considerar se a razão Volts/Hz muda. Em certas modalidades, as voltagens podem ser ajustadas, mantendo a relação Volts/Hz. Em ambos os casos, alterações na voltagem podem ter o efeito de alterar o desempenho da bomba.

[0042] Alterando a voltagem de saída de VSD 300 durante a etapa de ajuste 220, certas variáveis da bomba 195 do ESP e/ou do motor 110 podem mudar de modo correspondente. Durante a etapa de detecção 230, as mesmas variáveis medidas na etapa de inicialização 210 podem ser novamente medidas. A etapa de detecção 230 pode permitir a coleta de dados de variáveis que podem ter mudado como resultado do ajuste de voltagem na etapa de ajuste 220 e/ou pode incluir informação de outro modo de interesse. Por exemplo, uma alteração na voltagem de saída de VSD 300 durante a primeira etapa de ajuste 220 pode resultar numa taxa de revolução mais rápida ou mais lenta do eixo do motor 180, cuja taxa de revolução pode ser medida pelo sensor de haste 190 e/ou medidores de fundo de poço 120, e a informação transmitida para o controlador 305 durante a etapa de detecção 230. Durante a etapa de detecção 230, os dados podem ser coletados por um determinado período de tempo, como por cinco segundos, trinta segundos ou dois minutos e/ou podem ser coletados até que as variáveis de desempenho da bomba atinjam o equilíbrio. As informações coletadas durante a etapa de detecção 230 podem ser montadas, calculadas, armazenadas numa planilha, estrutura de dados ou base de dados e/ou combinadas de modo a criar um segundo conjunto de dados durante a etapa de estabelecimento do conjunto de dados ajustado 240.

[0043] Na etapa de diferenciação 250, na primeira iteração, o conjunto de dados inicial da etapa de inicialização 210 pode ser comparado com o conjunto de dados ajustado da etapa 240 pelo controlador 305. O conjunto de dados ajustado também pode ser comparado com os valores limite de limiar de entrada e/ou armazenados, tais como a taxa mínima e/ou máxima permitida, a taxa de fluxo e/ou a taxa de revolução. Nas iterações subsequentes, o conjunto de dados mais recente pode ser comparado ao conjunto de dados imediatamente coletado anteriormente (próximo ao mais recente). Os conjuntos de dados podem ser utilizados na etapa de diferenciação 250 para determinar o tipo de ajuste (um aumento ou uma diminuição na voltagem) que deve ser aplicado durante a etapa de ajuste de voltagem subsequente 260. A etapa de ajuste de voltagem subsequente 260 pode resultar em potência aumentada, constante (diminuída de modo insignificante) ou diminuída do motor 110. Num exemplo, a etapa de ajuste 220 pode incluir o aumento da voltagem de saída de VSD 300. Esta alteração pode levar a uma queda na corrente enquanto a taxa de revolução do motor 110 é mantida, o que pode ser indicativo de uma melhor configuração de voltagem para se mover em direção ao melhor ponto de eficiência (BEP) do motor 110. Em algumas modalidades, a pressão de descarga e/ou a pressão de entrada podem ser utilizadas com ou em vez da taxa de revolução do motor para identificar uma alteração no motor de 110 cavalos de potência correspondente ao ajuste da voltagem.

[0044] Na etapa de diferenciação 250, o software implementado por computador do controlador 305 pode implementar uma interrogação e a determinação resultante num circuito de feedback negativo dinâmico de acordo com o seguinte algoritmo: Se a corrente tiver caído e o desempenho da bomba for mantido entre os limiares superior e inferior, ajuste ainda mais a voltagem do motor na mesma direção que a direção selecionada no ajuste anterior mais recente para otimizar ainda mais a potência do motor 110; ou Se a corrente aumentar e o desempenho da bomba for mantido entre os limiares superior e inferior, reajuste dinamicamente a voltagem do motor na direção oposta à direção selecionada no ajuste anterior mais recente para otimizar a potência do motor 110; ou Se as quedas de corrente e o desempenho da bomba não forem mantidos entre (se move para fora de) um limite de limiar, então reajuste dinamicamente a voltagem do motor na direção oposta à direção selecionada no ajuste anterior mais recente para otimizar a potência do motor 110.

[0045] Como os versados na técnica apreciarão, para fins do algoritmo de circuito de modalidades ilustrativas, o segundo conjunto de dados pode ser comparado com o conjunto de dados inicial, o terceiro conjunto de dados comparado com o segundo conjunto de dados, o quarto conjunto de dados comparado com o terceiro e assim por diante.

[0046] Um delta de corrente (por exemplo, amperagem) grande o suficiente para ser considerado um aumento ou uma queda significativa pelo algoritmo da modalidade ilustrativa pode ser um parâmetro definido pelo usuário com base em um limiar de convergência de um algoritmo de busca de meta. O algoritmo de modalidades ilustrativas pode procurar encontrar uma corrente mínima na qual o desempenho da bomba não é adversamente afetado e converge para esse limiar.

[0047] O desempenho da bomba pode ser verificado através de uma ou mais taxas de revolução do motor ESP 110, por exemplo como em rotações por minuto (rpm) ou outra medição similar da taxa de revolução do eixo do motor ESP 180, pressão de descarga da bomba ESP 195 e/ou pressão de entrada da bomba ESP 195. Onde é utilizada a taxa de revolução dos dados do motor 110 e/ou do eixo 180 do motor no circuito de algoritmo de modalidades ilustrativas, pode ser determinado que o desempenho da bomba é mantido onde a alteração na velocidade do eixo está dentro da precisão mínima do sensor de velocidade. A taxa de revolução também pode ser usada em conjunto com a pressão de descarga para determinar um delta de taxa de revolução onde uma alteração na pressão de descarga é observada ou se torna significativa. Em algumas modalidades, os limiares superior e inferior para a taxa de revolução, quando usados como uma métrica para o desempenho da bomba, podem ser valores introduzidos pelo usuário.

[0048] O desempenho da bomba medido usando a pressão de descarga e/ou a pressão de admissão pode ser dependente da aplicação com base nos detalhes da sequência de ESP 100, profundidade do poço e o tipo de bomba 195 empregada na coluna de ESP 100. Cada conjunto de ESP 100 pode incluir limites de taxa de fluxo superior e inferior com base na curva da bomba que pode ser otimizada, bem como valores admissíveis superiores e inferiores para a pressão de descarga (cabeça). Por exemplo, limites de pressão de descarga podem ser empregados em conjunto com a curva de fluxo de cabeça da bomba 195 para formar uma forma fechada em uma seção da curva da bomba dentro da qual otimizar. Essa informação pode ser empregada para calcular os limiares superior e inferior usando a curva da bomba e os valores específicos da aplicação, como pressão de entrada para determinar uma faixa limitada pelos limiares superior e inferior (limites) que definem se o desempenho da bomba é mantido para a particular aplicação e montagem de ESP. A pressão de descarga superior e inferior pode ser parâmetros definíveis na interface do usuário 160. Se não estiver disponível uma curva de fluxo de cabeça, os limites de fluxo podem ser empregados em conjunto com a pressão de descarga para obter os limiares superior e inferior.

[0049] Em algumas modalidades, um ou mais dos seguintes podem ser empregados para definir os limites de limiar superior e inferior determinantes de se o desempenho da bomba é ou não mantido para propósitos do algoritmo e/ou circuito de modalidades ilustrativas: um conjunto de parâmetros e limiares definidos e/ou calculados pelo usuário, incluindo limites de pressão de descarga (com base no desempenho do sistema desejado), limites de taxa de fluxo (com base no desempenho do sistema desejado), limitações de alteração de velocidade do eixo (com base na precisão da medição ou definido pelo usuário) e limites de pressão de entrada (com base em restrições de reservatório ou de poço) que são usados para restringir o algoritmo de otimização. Estes parâmetros podem ser definidos na interface do usuário 160 e/ou no controlador 305.

[0050] Após o tipo de ajuste (aumentar ou diminuir) resultando na otimização da potência do motor ter sido determinada de acordo com o algoritmo de software estabelecido na etapa de diferenciação 250, a voltagem de saída de VSD 300 pode ser alterada durante a etapa de alteração de voltagem 260 na direção indicada pelo algoritmo de etapa de diferenciação 250. O tipo de ajuste de voltagem, seja um aumento ou diminuição, durante a etapa de alteração de voltagem 260 pode ser determinado seguindo o algoritmo da etapa de diferenciação 250 de tal modo que o ajuste selecionado resulte e/ou avance para a minimização e/ou otimização de potência enviada para o motor 110 na velocidade requerida (ou desejada) do motor 110. Depois da etapa de alteração de voltagem 260 ter sido completada, se a operação do motor continuar na consulta 265, então o controlador 305 pode retornar à etapa de detecção 230 e repetir as etapas 230-260 como aqui descritos durante o funcionamento do motor 110. Em cada iteração, o conjunto de dados ajustado obtido na etapa 240 pode ser comparado com o conjunto de dados anterior mais recente durante a etapa de diferenciação 250. O método de modalidades ilustrativas pode ser repetido iterativamente, de tal modo que a etapa de alteração de voltagem 260 é seguida sucessivamente pela etapa de detecção 230, de tal modo que cada ajuste sucessivo de voltagem é seguido por uma determinação dos valores das variáveis que foram modificadas como resultado do ajuste de voltagem, como taxa de revolução, pressão de descarga e/ou corrente (por exemplo, corrente do motor ou corrente do motor ao longo do cabo de alimentação 130). Dessa forma, cada iteração é executada comparando o conjunto de dados atual com o conjunto de dados anterior. Por exemplo, as etapas 230 a 260 podem ser realizadas repetidamente, de tal modo que o conjunto de dados inicial é comparado com um segundo conjunto de dados, cujo segundo conjunto de dados é comparado a um terceiro conjunto de dados, e assim por diante. Deste modo, a potência do motor 110 pode ser continuamente otimizada durante a operação do motor 110 para encontrar a voltagem de operação ideal para o motor 110, apesar da alteração das temperaturas do motor e condições ambientais e resistência significativa e/ou variável ao longo do cabo de potência 130. Em algumas modalidades, o controlador 305 pode cessar a implementação após um número predeterminado de iterações e/ou pode reduzir a frequência de iterações se as alterações entre os conjuntos de dados subsequentes se tornarem insignificantes.

[0051] Se na consulta 265, o motor 110 e/ou o VSD 300 estiver em pausa ou desligado, ou um operador intervir para terminar as iterações e/ou o circuito dinâmico, então a operação do motor 110 e/ou circuito pode ser completada na etapa de completação 270 tendo operado com uma melhor eficiência energética e operação do motor 110.

[0052] Os dados incluídos no primeiro, segundo e subsequente conjuntos de dados podem ser medidos diretamente ou podem ser deduzidos, calculados e/ou extrapolados a partir de outros dados medidos. Num exemplo, as medições do fundo de poço podem incluir a taxa de rotação do eixo 190 para o motor 110 durante a operação. Nesse exemplo, a taxa de revoluções do eixo do motor 180 pode ser medida durante a etapa de inicialização 210 e a etapa de detecção 230 utilizando sensores do motor 120 para medir o fluxo magnético que resulta do movimento do ímã 190 ligado ao eixo do motor 180. O controlador 305 pode então armazenar e/ou calcular a velocidade e/ou a potência do motor 110. Em algumas modalidade, as perdas de voltagem, corrente, frequência e/ou de energia ao longo do cabo de energia podem ser fornecidas ou calculadas pelo controlador 305. Por exemplo, a voltagem e corrente de saída do VSD podem ser usadas para calcular a extensão em que a energia é perdida ou dissipada ao longo do comprimento do cabo de potência 130 e/ou o amperímetro 330 (mostrado na FIG. 3) pode medir corrente ao longo do cabo 130 a várias localizações ao longo do longo cabo 130, que pode ter até alguns milhares de pés de comprimento. Uma curva de fluxo da cabeça da bomba e outros dados semelhantes também podem ser armazenados.

[0053] Em algumas modalidades, a etapa de alteração de voltagem 260 pode ocorrer a cada cinco segundos, a cada dez segundos, a cada trinta segundos, numa faixa entre cada cinco segundos e a cada trinta segundos e/ou numa faixa entre cada cinco segundos e cada dois minutos, ou outra faixa similar. O período de tempo entre ajustes pode depender do período de tempo necessário para que a coluna ESP 100 particular atinja o equilíbrio, e uma bomba 195 ESP pode demorar entre alguns segundos a alguns minutos para chegar ao equilíbrio após uma alteração no estado operacional. O tempo entre alterações de voltagem e/ou ajustes pode ser ajustado por um operador através da interface de usuário 160 ou determinado dinamicamente pelo algoritmo.

[0054] O algoritmo de modalidades ilustrativas pode ser implementado como parte do algoritmo de controle proporcional-derivativo integral (PID) ou pode ser implementado separadamente dos controles PID. As modalidades ilustrativas podem ser implementadas no seu próprio modo de otimização de energia e/ou podem ser uma sub-rotina em outro modo de controle, tal como PID.

[0055] A FIG. 3 ilustra um diagrama de fluxo de dados de um sistema de otimização de energia de modalidades ilustrativas. A VSD 300 pode fornecer voltagem para o motor ESP 110. A magnitude da voltagem enviada do motor VSD 300 para o motor ESP 110 pode ser instruída pelo controlador 305. A voltagem fornecida ao motor ESP 110 pode afetar a taxa de revolução (ou potência) e/ou a corrente do motor ESP 110. A taxa de revolução pode ser medida por medidores, tais como o ímã 190 e/ou os sensores de fundo de poço 120, e estes dados podem ser enviados para o controlador 305 para armazenamento e/ou inclusão nos conjuntos de dados de modalidades ilustrativas. De modo semelhante, o amperímetro 330 ou outros sensores 120 podem enviar informação sobre a corrente do motor 110 para o controlador 305 VSD e/ou um ou mais transdutores de pressão 335 podem enviar dados de descarga e/ou pressão de entrada para o controlador 305 VSD. Uma vez que a saída de voltagem tenha sido ajustada, o controlador 305 pode então comparar os novos dados compilados com o conjunto de dados anterior e alterar as instruções de voltagem para o VSD 300 de acordo com o algoritmo das modalidades ilustrativas aqui descritas. O controlador 305 também pode criar e armazenar um registro de ações tomadas pelo software de controlador 305 para que um operador possa rever as ações tomadas pelo controlador 305 e/ou os dados coletados, por exemplo, por meio da interface do usuário 160. Os versados na técnica apreciarão que se outras variáveis forem medidas (como pressão de descarga em vez de taxa de revolução), ou se variáveis como corrente forem medidas em outro local (como em uma seção intermediária do cabo de energia 130), então a posição dos sensores 120 pode ser ajustada em conformidade, tal como a descarga da bomba 195, de modo que os dados desejados possam ser obtidos.

[0056] Um sistema dinâmico de otimização de energia e método para motores elétricos submersíveis foi descrito. As modalidade ilustrativas pode melhorar um computador controlador de VSD e/ou melhorar a operação de um motor ESP fornecendo recursos para otimizar o consumo de energia de um motor elétrico submersível durante toda a sua vida útil, mantendo o desempenho da bomba, que pode alimentar a eficiência do uso e pode fornecer um motor ESP mais ecológico ou “verde”. As modalidades ilustrativas podem permitir que um motor elétrico submersível otimize a utilização de energia durante o funcionamento, apesar das alterações das condições ambientais e/ou operacionais, tais como temperatura e/ou composição do poço. As modalidades ilustrativas podem reduzir os custos de operação de um projeto, minimizando contínua e dinamicamente a energia consumida pelo sistema ESP, evitando ao mesmo tempo a necessidade de desligar o motor ESP para o fazer. As modalidades ilustrativas podem fornecer um método para receber, analisar, calcular, diferenciar e/ou combinar medições (dados) de variáveis indicativas de uso de energia, que podem originar de sensores de fundo, sensores de superfície, um sistema de VSD, entradas de usuário ou uma combinação destas. Modalidades ilustrativas podem incluir empregar tais dados analisados para determinar uma direção na qual mover a saída de voltagem enviada para o motor de ESP de modo a minimizar e/ou otimizar o consumo de energia do sistema. As modalidades ilustrativas podem ajustar a voltagem de saída de VSD em uma determinada direção determinada pelo programa de software de modalidades ilustrativas que resultam na otimização de energia de VSD, do motor submersível e/ou do conjunto ESP.

[0057] Outras modificações e modalidades alternativas de vários aspectos da invenção podem ser evidentes para aqueles versados na técnica em vista desta descrição. Por conseguinte, esta descrição será interpretada como ilustrativa apenas e é para fins de ensinar aqueles versados na técnica a forma geral de realizar a invenção. É para ser entendido que as formas da invenção mostradas e descritas neste documento serão tomadas como as modalidades presentemente preferidas. Elementos e materiais podem ser usados em lugar daqueles ilustrados e descritos neste documento, peças e processos podem ser invertidos e certas características da invenção podem ser utilizadas de forma independente, tudo como será evidente para alguém versado na técnica tendo o benefício desta descrição da invenção. Podem ser feitas alterações nos elementos aqui descritos sem se afastar do âmbito e faixa de equivalentes como descrito nas reivindicações seguintes. Além disso, deve ser entendido que as características aqui descritas independentemente podem, em certas modalidades, ser combinadas.

Claims (14)

1. Sistema para otimizar a operação de um motor de bomba elétrica submersível (ESP), caracterizado pelo fato de que compreende: o motor ESP acoplado eletricamente a um acionamento de velocidade variável (VSD) que produz voltagem para o motor ESP (110), o VSD (300) controlado por um controlador de VSD (305) compreendendo um computador com armazenamento de memória não transitória; e em que o armazenamento de memória não transitória armazena instruções que, quando executadas pelo computador, fazem com que as seguintes etapas sejam executadas dinamicamente em um circuito durante a operação do motor VSD e ESP: obter uma medição de pelo menos uma variável de desempenho da bomba e uma corrente do motor por um primeiro período de tempo para estabelecer um primeiro conjunto de dados; fazer um primeiro ajuste para uma saída de voltagem do VSD (300) para o motor ESP (110), o primeiro ajuste tendo um primeiro tipo de ajuste, em que o primeiro tipo de ajuste é um de aumentar ou diminuir a saída de voltagem; detectar a pelo menos uma variável de desempenho da bomba e a corrente do motor por um segundo período de tempo, após o primeiro ajuste, para estabelecer um segundo conjunto de dados; diferenciar o primeiro conjunto de dados com o segundo conjunto de dados para determinar uma alteração na corrente do motor do primeiro conjunto de dados para o segundo conjunto de dados; e fazer um segundo ajuste na saída de voltagem do VSD (300) para o motor ESP (110) em resposta à alteração na corrente do motor e uma alteração na pelo menos uma variável de desempenho da bomba, o segundo ajuste compreendendo um de: um ajuste do primeiro tipo de ajuste se a alteração na corrente for uma queda e a pelo menos uma variável de desempenho da bomba no segundo conjunto de dados for mantida entre um limiar superior e um limiar inferior; ou um ajuste oposto ao primeiro tipo de ajuste se um de: a alteração na corrente for um aumento e pelo menos uma bomba a variável de desempenho no segundo conjunto de dados é mantida entre o limiar superior e o limiar inferior; ou se a alteração na corrente for uma queda e a pelo menos uma variável de desempenho da bomba no segundo conjunto de dados se desviar de um de acima do limiar superior ou abaixo do limiar inferior.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma variável de desempenho da bomba compreende uma pressão de descarga da bomba ESP, pressão de entrada da bomba ESP, taxa de revolução do motor ESP (110), ou uma combinação dos mesmos.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor ESP (110) está no fundo de um poço e o VSD (300) está próximo de uma superfície do poço.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente do motor é medida utilizando um amperímetro (330) um no motor ESP (110), na saída do VSD (300), de modo intermediário ao longo de um cabo de alimentação ESP que se estende entre o motor ESP (110) e o VSD (300), ou uma combinação dos mesmos.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a saída de voltagem do VSD (300) para o motor ESP (110) é ajustada num incremento variável determinado pelo computador do controlador de VSD (305); e, em que o incremento de pelo menos um do primeiro ajuste e do segundo ajuste está entre 0,5 Volt e 20,0 Volts inclusive e um tamanho de etapa do incremento é dinâmico.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o computador é um controlador lógico programável que compreende instruções legíveis em lógica de escada e compreende uma interface de usuário.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito continua iterativamente até cessar o funcionamento do motor ESP (110).

8. Método implementado por computador de otimização de energia para um motor submersível elétrico (ESP), caracterizado pelo fato de que compreende: operar o motor ESP (110) em um fundo de poço, o motor ESP (110) conectado eletricamente a um acionamento de velocidade variável (VSD) (300) próximo ao poço, a voltagem de saída do acionamento de velocidade variável para o motor ESP (110) e pelo menos parcialmente controlada por um controlador lógico programável (PLC) com armazenamento de memória não transitória, armazenar instruções que, quando executadas por um computador, fazem com que as seguintes etapas sejam executadas dinamicamente em um circuito: obter uma medida de pelo menos uma variável de desempenho de bomba e uma corrente do motor, para um primeiro período de tempo para estabelecer um primeiro conjunto de dados; fazer um primeiro ajuste a uma saída de voltagem do VSD (300) para o motor ESP (110), o primeiro ajuste tendo um primeiro tipo de ajuste, em que o primeiro tipo de ajuste é um de aumentar ou diminuir a saída de voltagem; detectar a pelo menos uma variável de desempenho de bomba e a corrente do motor por um segundo período de tempo, após o primeiro ajuste, para estabelecer um segundo conjunto de dados; diferenciar o primeiro conjunto de dados com o segundo conjunto de dados para determinar uma alteração na corrente do motor do primeiro conjunto de dados para o segundo conjunto de dados; e fazer um segundo ajuste na saída de voltagem do VSD (110) para o motor ESP (300) em resposta à alteração na corrente do motor e uma alteração na pelo menos uma variável de desempenho de bomba, o segundo ajuste compreendendo um de: um ajuste do primeiro tipo de ajuste se a alteração na corrente for uma queda e a pelo menos uma variável de desempenho de bomba no segundo conjunto de dados for mantida entre um limiar superior e um limiar inferior; ou um ajuste oposto ao primeiro tipo de ajuste se um de: a alteração na corrente for um aumento e a pelo menos uma variável de desempenho de bomba no segundo conjunto de dados for mantida entre o limiar superior e o limiar inferior; ou se a alteração na corrente for uma queda e a pelo menos uma variável de desempenho de bomba no segundo conjunto de dados se desviar de um acima do limiar superior ou abaixo do limiar inferior.

9. Método implementado por computador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma variável de desempenho de bomba compreende uma dentre uma pressão de descarga de bomba ESP, uma pressão de admissão de bomba ESP, uma taxa de revolução do motor ESP (110), ou uma combinação das mesmas.

10. Método implementado por computador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o motor ESP (110) está no fundo de um poço e o VSD (300) está próximo de uma superfície do poço.

11. Método implementado por computador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a corrente do motor é medida utilizando um amperímetro (330) em um dentre o motor ESP (110), a saída do VSD (300), de modo intermediário ao longo de um cabo de alimentação ESP que se estende entre o motor ESP (110) e o VSD (300), ou uma combinação dos mesmos.

12. Método implementado por computador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a saída de voltagem do VSD (300) para o motor ESP (110) é ajustada em um incremento variável determinado pelo computador do controlador de VSD (305); e, em que o incremento de pelo menos um do primeiro ajuste e do segundo ajuste está entre 0,5 Volt e 20,0 Volts inclusive e um tamanho de etapa do incremento é dinâmico.

13. Método implementado por computador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o computador é um controlador lógico programável que compreende instruções legíveis em lógica de escada e compreende uma interface de usuário.

14. Método implementado por computador de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o circuito continua iterativamente até cessar o funcionamento do motor ESP (110).