CN108386349B - 控制杆泵送单元的控制器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于以一定泵速度操作杆泵送单元的控制器。控制器包括这样的处理器，其构造成以第一速度操作杆泵送单元的泵活塞。处理器另外构造成基于位置信号和负载信号确定对于泵行程的泵填充水平。处理器另外构造成基于用于泵行程的泵填充水平减少泵速度到第二速度。

Description

控制杆泵送单元的控制器和方法
优先权文件
本申请是在2015年11月18号提交的美国申请14/945,163，标题为“控制杆泵送单元的控制器和方法”的部分连续案且要求享有其权益，该美国申请14/945,163通过引用以其整体并入在本文中。
技术领域
本公开的领域大体涉及杆泵送单元(rod pumping unit)，并且更具体地涉及杆泵送单元控制系统和控制杆泵送单元的方法。
背景技术
大多数已知的杆泵送单元(也已知为表面泵送单元)被使用在井中以导引流体流、例如油和水。杆泵送单元的示例例如但无限制地包括线性泵送单元(linear pumpingunit)和梁式泵送单元(beam pumping unit)。杆泵送单元将旋转运动从原动机例如引擎或电马达转换成在井口上方的往复运动。该运动继而用于经由通过抽吸杆柱(sucker rodstring，有时也称为抽油杆柱)的连接而驱动往复井下泵(down-hole pump)。可在长度上延伸较长距离(miles)的抽吸杆柱将往复运动从在表面处的井口(well head)传输到地下活塞、或柱塞、以及在井的流体轴承区域(fluid bearing zone)中的阀。活塞阀的往复运动导引流体向上流动抽吸杆柱的长度到井口。
部件包括(例如但无限制地)经受较宽范围的应力的杆泵送单元的马达、杆和齿轮箱。这样的应力使得杆泵送单元的各种部件疲劳并且减少了设备的服务寿命。此外，这样的应力增加了杆泵送单元或者杆泵送单元部件失效的可能性。减少的服务寿命和失效引进了对于杆泵送单元的操作者的成本。这些成本可包括例如维修成本、部件更换成本、和停机时间与生产损耗成本。
大多数常见的杆泵送单元包括杆泵送单元控制器，其以倾向于使部件失效最小化且延长杆泵送单元的服务寿命的方式驱动杆泵送单元。例如，杆泵送单元控制器可以以一定的在制造者操作说明书的限度内的速度操作杆泵送单元。这样的杆泵送单元控制器不移除来自操作杆泵送单元的所有应力。一些应力以及引起那些应力的条件在杆泵送单元操作时随时间变化。一个这样的应力是由流体撞击(fluid pound)引起的。流体撞击在泵活塞打击泵中的流体的表面时出现。流体撞击的出现和它在杆泵送单元的杆、马达和齿轮箱上所产生的应力在操作过程期间变化。例如，在贮存器入流、压力、和泵填充中的变化在活塞行程中的某个点影响活塞打击流体表面。
发明内容
在一方面，提供了用于杆泵送单元的控制器。控制器以一定泵速度操作杆泵送单元。控制器包括这样的处理器，其构造成以第一速度操作杆泵送单元的泵活塞。处理器另外构造成基于位置信号和负载信号确定对于泵行程的泵填充水平。处理器另外构造成基于对于泵行程的泵填充水平减少泵速度到第二速度。
在另一方面，提供了控制杆泵送单元的方法。该方法包括确定泵活塞位置和泵活塞负载。该方法还包括基于泵活塞位置和泵活塞负载计算泵填充水平。该方法进一步包括以等于第一速度的预定的泵速度操作杆泵送单元。该方法还包括基于泵填充水平和泵活塞位置减少预定的泵速度到第二速度。该方法进一步包括在泵活塞接触在杆泵送单元的桶内的流体表面后增加预定的泵速度到第三速度。
在还另一方面，提供了杆泵送单元。该杆泵送单元包括泵、杆、和控制器。该地面下的泵包括可在桶内操作的泵活塞。该杆联接于马达和泵，且构造成以预定的泵速度操作泵。该控制器联接于马达并且构造成在下行程上以预定泵速度驱动泵活塞。该预定的泵速度等于第一速度。控制器进一步构造成在下行程上使泵活塞减速，以使预定的泵速度等于第二速度。控制器进一步构造成在泵活塞接触在桶内的流体表面之后使在下行程上的泵活塞加速。
在还另一方面，本发明提供了用于以一定泵速度操作杆泵送单元的控制器，所述控制器包括处理器，其构造成：在泵行程内以第一泵活塞速度操作杆泵送单元的泵活塞；基于位置信号和负载信号确定对于泵行程的泵填充水平；在泵行程内预料到流体撞击事件时基于对于泵行程的泵填充水平减少第一泵活塞速度到第二泵活塞速度；并且在泵行程内在流体撞击事件后增加第二泵活塞速度到第三泵活塞速度。
在还另一方面，本发明提供了控制杆泵送单元的方法，所述方法包括：确定泵活塞位置和泵活塞负载；基于泵活塞位置和泵活塞负载计算泵填充水平；以第一速度操作杆泵送单元；在预料到流体撞击事件时基于泵填充水平和泵活塞位置减少第一泵活塞速度到第二泵活塞速度；并且在流体撞击事件后增加第二泵速度到第三泵速度；其中，所述确定、计算、操作、减少和增加在单个泵行程内被执行。
在还另一方面，本发明提供了杆泵送单元，其包括：包括泵活塞和桶的泵，所述泵活塞在所述桶内可操作；联接至马达和所述泵的杆，所述杆构造成以一定泵速度操作所述泵；和联接至所述马达的控制器，且其构造成：在下行程上以第一速度驱动所述泵活塞；在下行程上使所述泵活塞减速以使得泵速度等于第二速度；在所述泵活塞接触在所述桶内的流体表面后在下行程上加速所述泵活塞。
实施方案1. 一种用于以一定泵速度操作杆泵送单元的控制器，所述控制器包括处理器，其构造成：
以第一泵活塞速度在泵行程内操作所述杆泵送单元的泵活塞;
基于位置信号和负载信号确定对于所述泵行程的泵填充水平；
在所述泵行程内在预料到流体撞击事件时基于对于所述泵行程的泵填充水平减少所述第一泵活塞速度至第二泵活塞速度；并且
在所述流体撞击事件后在所述泵行程内增加所述第二泵活塞速度至第三泵活塞速度，
在单个泵行程内。
实施方案2. 根据实施方案1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述位置信号和所述负载信号计算实时泵卡，所述泵卡包括由所述位置信号所代表的所述泵活塞的井下位置和由所述负载信号所代表的所述泵活塞的井下负载。
实施方案3. 根据实施方案1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于在上一泵行程期间的流体接触位置确定所述泵填充水平。
实施方案4. 根据实施方案3所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于对于所述上一泵行程的所述泵活塞的位置和所述泵活塞的负载确定所述流体接触位置。
实施方案5. 根据实施方案1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成在所述泵行程内减少所述第三泵活塞速度至所述第一泵。
实施方案6. 根据实施方案1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述泵填充水平计算所述第一泵活塞速度。
实施方案7. 根据实施方案1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述位置信号和所述负载信号使用杆泵送单元动态模型计算在所述杆泵送单元上的实时应力。
实施方案8. 根据实施方案7所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述计算的实时应力调整所述泵速度，以控制在所述杆泵送单元上的峰值应力并在所述泵行程上保持平均泵速度。
实施方案9. 一种控制杆泵送单元的方法，所述方法包括：
确定泵活塞位置和泵活塞负载；
基于所述泵活塞位置和所述泵活塞负载计算泵填充水平；
以第一速度操作所述杆泵送单元；
在预料到流体撞击事件时基于所述泵填充水平和所述泵活塞位置减少所述第一泵速度至第二速度；并且
在所述流体撞击事件后增加所述第二泵速度至第三泵速度；
其中，所述确定、计算、操作、减少和增加在单一泵行程内实施。
实施方案10. 根据实施方案9所述的方法，其特征在于，所述第二泵速度是预定值。
实施方案11. 根据实施方案10所述的方法，其特征在于，所述第三泵速度是在多个泵行程上提供了恒定平均泵速度的预定值。
实施方案12. 根据实施方案9所述的方法，其特征在于，所述第二泵速度由所述控制器实时计算。
实施方案13. 根据实施方案9所述的方法，其特征在于，所述第三泵速度由所述控制器实时计算，以产生在多个泵行程上的恒定平均。
实施方案14. 根据实施方案9所述的方法进一步包括基于所述泵填充水平计算所述第一速度，所述第一速度包括目标平均每分钟行程数(SPM)。
实施方案15. 根据实施方案9所述的方法，其特征在于，计算所述泵填充水平包括确定上一泵活塞位置，在该处所述泵活塞在上一行程期间接触所述流体表面。
实施方案16. 根据实施方案9所述的方法进一步包括基于所述泵活塞位置和所述泵活塞负载使用杆泵送单元动态模型计算在所述杆泵送单元上的实时应力。
实施方案17. 根据实施方案16所述的方法进一步包括基于所述计算的实时应力调整所述泵速度，以控制在所述杆泵送单元上的峰值应力并保持第一速度在平均上。
实施方案18. 一种杆泵送单元，包括：
泵，其包括泵活塞和桶，所述泵活塞在所述桶内可操作；
杆，其联接于马达和所述泵，所述杆构造成以泵速度操作所述泵；和
控制器，其联接于所述马达并构造成：
在下行程上以第一速度驱动所述泵活塞；
在所述下行程上减速所述泵活塞以使所述泵速度等于第二速度；并且
在所述泵活塞接触在所述桶内的流体表面之后在所述下行程上加速所述泵活塞。
实施方案19. 根据实施方案18所述的杆泵送单元进一步包括位置传感器和负载传感器，其构造成在用于所述杆泵送单元的井口处测量所述杆的位置和负载。
实施方案20. 根据实施方案19所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器联接于所述位置传感器和所述负载传感器，所述控制器进一步构造成：
基于所述位置和所述负载使用杆泵送单元动态模型计算在所述杆泵送单元上的实时应力；并且
根据所述实时应力调整所述预定的泵速度。
实施方案21. 根据实施方案19所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器联接于所述位置传感器和所述负载传感器，所述控制器进一步构造成计算代表泵活塞位置和泵活塞负载的实时泵卡。
实施方案22. 根据实施方案18所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器进一步构造成基于上一位置计算泵填充水平，在所述位置处所述流体表面在上一下行程上被接触，所述泵填充水平对应于这样的位置，在该位置处所述流体表面将在所述下行程上被接触。
实施方案23. 根据实施方案22所述的杆泵送单元，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述泵填充水平计算所述第一速度。
附图说明
当参考附图阅读接下来详细的说明书时，将更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，在这些附图中相似的符号代表了贯穿附图的相似的零件，其中：
图1是在完全收回的位置中示例性的杆泵送单元的横截面视图；
图2是在图1中所显示的杆泵送单元在完全伸展的位置中的横截面视图；
图3是用于在图1和2中所显示的杆泵送单元的示例性的井下井的横截面视图；
图4是在图1和2中所显示的杆泵送单元的框形图；
图5是用于在图1和2中所显示的杆泵送单元的示例性的速度分布的图表；
图6是控制在图1和2中所显示的杆泵送单元的示例性方法的流程图；
图7是示例性的梁型杆泵送单元的图表；并且
图8图示了估计流体撞击事件的严重度的方法。
除非另外指出，在本文中所提供的附图意在图示本公开的实施例的特征。相信这些特征可在包括本公开的一个或多个实施例的多种系统中应用。因此，附图不意图包括本文公开的实施例的实践要求的由本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将对多个用语进行参照，其具有以下意思。
单数形式“一个”、“一种”、和“该”包括复数参照，除非上下文另外清楚地指出。
“可选”或“可选地”意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如贯穿说明书和权利要求使用的近似语言可应用于修饰可许可地修改而不造成其相关的基本功能的改变的任何数量表达。因此，由诸如“大约”、“近似”和“大致”的一个或多个用语修饰的值不限于说明的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此范围是相等的且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
如本文使用，用语“处理器”和“计算机”及相关用语(例如，“处理装置”和“计算装置”和“控制器”)不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是宽泛地指微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路以及其他可编程电路，且这些用语在本文中可互换地使用。在本文描述的实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)、和计算机可读非易失性介质，诸如闪速存储器。备选地，也可使用软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能盘(DVD)。同样，在本文描述的实施例中，额外输入通道可为但不限于与操作者界面相关联的计算机外围设备，诸如鼠标和键盘。备选地，也可使用其他计算机外围设备，其可包括例如但不限于扫描器。此外，在示例性实施例中，额外输出通道可包括但不限于操作者界面显示器。
另外，如本文中所使用的，用语“软件”和“固件”是可互换的，且包括储存在存储器中用于由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。
如本文使用，用语“非暂时性计算机可读介质”意在代表以任何方法或技术实施的用于短期和长期存储信息的任何有形的基于计算机的装置，诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块，或任何装置中的其他数据。因此，本文描述的方法可编码成可执行指令，其体现在有形的非暂时性计算机可读介质中，包括但不限于存储装置和/或存储器装置。此指令，在由处理器执行时，引起处理器执行本文描述的方法的至少一部分。此外，如本文使用，用语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储装置，包括但不限于易失和非易失介质，以及可移除和非可移除介质，诸如固件、物理和虚拟存储、CD-ROM、DVD以及其他数字源，诸如网络或因特网，以及要开发的数字器件，仅除了暂时性传播信号。
此外，如本文使用，用语“实时”指以下中的至少一者：相关联事件发生的时间、测量和收集预定数据的时间、处理数据的时间、系统响应事件和环境的时间。在本文描述的实施例中，这些活动和事件大致瞬间发生。
本公开的实施例涉及控制杆泵送单元。本文描述的杆泵送单元和杆泵送单元控制器提供了实时监控在泵行程内的应力，包括例如但非限制地,来自流体撞击的应力。本文描述的控制器在泵行程内使用可变的泵速度来减慢泵活塞，逐渐引导至与在泵的桶中的流体表面接触。一旦泵活塞接触流体表面，就增加泵速度以保持用于泵行程的总体平均泵速度。本文描述的控制器进一步构造成监控在泵行程内出现的应力，作为使用在泵行程内可变的泵速度的结果。本文描述的控制器进一步调整在泵行程内的可变泵速度，以在过应力出现时减缓过应力。
图1和2分别是示例性的杆泵送单元100在完全收回(1)和完全伸展(2)的位置中的横截面视图。在示例性的实施例中，杆泵送单元100(也已知为线性泵送单元)是竖直指向的杆泵送单元，其具有临近井口102定位的线性运动竖直向量。杆泵送单元100构造成经由抽吸杆柱(未示出)输送竖直线性运动到地下井(未示出)中，用于导引流体的流。杆泵送单元100包括压力容器104，其联接至安装基础结构106。在一些实施例中，安装基础结构106锚固至临近于流体生产地下井定位的稳定的底座(foundation)。压力容器104可由柱状的或其他适当成型的壳体108构成，其由成形的板和铸件或机加工端部凸缘110建造。附接于端部凸缘110分别是上压力头112和下压力头114。
穿透上压力容器头112和下压力容器头114分别是线性促动器组件116。该线性促动器组件116包括竖直指向的带螺纹的螺纹件118(也已知为滚柱螺纹件)、行星滚柱螺帽120(也已知为滚柱螺纹螺帽组件)、在压迫撞锤管124中的压迫撞锤122、和导向管126。
滚柱螺纹件118安装到下压力容器头114的内表面128并且向上延伸到上压力容器头112。滚柱螺纹件118的轴延伸部向下继续下压力容器头114，以连接马达130的压缩联接件(未示出)。马达130联接至可变速驱动装置(VSD)131，其构造成使得马达130的旋转速度持续可调节。VSD131也反转了马达130的旋转方向，使其扭矩和速度的范围可被有效地加倍。滚柱螺纹件118对于上行程在顺时针方向上被操作并且对于下行程在逆时针方向上被操作。马达130与杆泵送单元控制器132接通。在示例性的实施例中，泵送单元控制器132传输命令至马达130和VSD131以控制滚柱螺纹件118的速度、方向和扭矩。
在压力容器104内，滚柱螺纹件118的带螺纹的部分联结于行星滚柱螺纹螺帽组件120。螺帽组件120固定地附接于压迫撞锤122的下部段，使得当滚柱螺纹件118在顺时针方向上旋转时，压迫撞锤122向上运动。当滚柱螺纹件118逆时针旋转时，压迫撞锤122向下运动。这大体在图1和2中示出。导向管126同轴地围绕压迫管124地定位，且静止地安装至下压力头114。导向管126向上延伸穿过壳体108，以滑行到上压力容器头112中。
上撞锤134和缆线鼓组件136被固定地联接和密封至压迫撞锤122的上端。缆线鼓组件136包括横向地穿过上撞锤134的顶部部分的轴线138。缆线140经过缆线鼓组件136，其搁置在机加工到缆线鼓组件136的外直径中的沟槽中。缆线140联接至相反于井口102在压力容器104的侧部在安装基础结构106上的锚固件142。在压力容器104的井口侧处，缆线140联接于承载棒144，其继而联接至从井口102延伸的抛光杆146。
杆泵送单元100经由行星滚柱螺纹螺帽组件120传输线性力和运动。马达130联接至行星滚柱螺纹螺帽组件120的旋转元件。通过要么在顺时针方向上要么在逆时针方向上的旋转，马达130可影响行星滚柱螺帽120(且通过压迫撞锤122的连接)沿着滚柱螺纹件118的长度的转化运动。
图3是用于在图1和2中所显示的杆泵送单元100的示例性的井下井300的横截面视图。井下井300包括在表面304下的泵302。井下井300包括沿井排列的罩套306。罩套306包括在流体轴承区域310中的穿孔308。穿孔308促进流体(诸如例如且无限制地，油或水)到井下井300中的流。
井下井300包括管道系统314，其促进流体312从井下井300到表面304的提取。泵302在井下井300内产生压力，其推动流体312经由管道系统314向上到表面304。泵302联接至杆316，有时称为抽吸杆柱。杆316进一步联接至在表面304处的井口102(在图1和2中示出)，通过其杆316联接至马达130(也在图1和2中示出)。
泵302包括桶318，在该桶内泵活塞320上下转化。泵活塞320通过杆316上下转化，其由马达130驱动，产生在井下井300内的压力。当泵活塞320在下行程上向下转化时，活塞320接触流体312的表面322。该表面接触产生在杆316和马达130上以及任何齿轮机构或齿轮箱(未示出)上的应力，通过该齿轮机构或齿轮箱所述杆316和马达130相连接。该应力称为流体撞击。泵活塞320在上行程上向上转化。一个下行程和一个上行程定义泵行程。在泵行程期间，加速和减速应力作用于杆316、马达130和杆泵送单元100的其他部件。
图4是(在图1和2中所显示的)杆泵送单元100的框形图，该杆泵送单元包括控制器132和马达130(都在图1和2中示出)。控制器132包括处理器410。杆泵送单元100进一步包括位置传感器420和负载传感器430。位置传感器420和负载传感器430布置在表面处且构造成测量抛光杆146(在图1和2中所显示)的位置以及在抛光杆146上的负载。位置和负载的表面测量涉及在杆316(在图3中示出)上的井下位置和负载。
控制器132使用马达130通过齿轮箱440在以每分钟行程数(SPM)所测量的泵速度下驱动泵302。控制器132基于泵填充计算用于泵行程的平均泵速度。泵填充指的是流体312填充泵302的桶318的水平(全部显示在图3中)。控制器132控制平均泵速度以保持可能的最高泵填充水平。如果泵填充是低的，则控制器132更慢地驱动马达130、齿轮箱440和泵302。如果泵填充是高的，则控制器132自由地与其他在杆泵送单元100上的限制所允许的一样快地驱动马达130、齿轮箱440和泵302。
在操作杆泵送单元100期间，处理器410构造成从位置传感器420接收位置信号且从负载传感器430接收负载信号。处理器410实时计算泵卡，其包括泵活塞(在图3中示出)的井下位置和杆316上的井下负载。实时泵卡代表了表面位置和负载测量到井下位置和负载的转化。
处理器410另外构造成基于实时泵卡计算泵填充水平。在实时泵卡中的位置和负载信息指示了泵活塞320接触流体表面322的位置，例如通过负载高峰的出现。处理器410设置了基于泵填充水平对于行程的目标平均泵速度，其假设贯穿泵行程是恒定。处理器410使用从上一行程与流体表面322接触的位置作为在当前下行程中与流体表面322接触的预测位置。
在下行程期间，处理器410另外构造成当泵活塞320接近流体表面322时，从初始目标泵速度减少泵速度。通过在与流体表面322接触前减慢泵活塞320，流体撞击的应力被减小。一旦实现与流体表面322的接触，泵活塞320被加速。基于流体撞击应力的可接受水平，该泵速度的减少是可配置的。例如，控制器132的使用者(在某些实施例中)规定了在泵速度中的百分比减少。在备选的实施例中，使用者规定了在泵速度中的绝对的减少或绝对泵速度，以该泵速度泵活塞320应接触流体表面322。在另外的实施例中，控制器132可基于泵送系统的操作条件自动地计算泵速度的最佳的百分比减少。最佳的减少泵速度在一个或多个实施例中允许控制器减少作为流体撞击事件的结果而发生的系统震动。典型地，最佳减少对应于泵活塞速度，在该速度下进一步的减少将仅产生在由流体撞击事件产生的震动中的有限的对应减少。本文中有时简单地称为泵速度的泵活塞速度的该减少在预料到流体撞击事件时被执行，其是在泵行程期间在流体撞击事件发生之前。
在一个或多个实施例中，包含在泵控制器的处理器内的一个或多个算法可用于自动地确定在泵速度使用中的最佳减少。这样的算法可包括但不限于，操作条件诸如井下特性(流体撞击的严重度、泵填充水平、泵进气压力)和每个行程的平均泵送速度(pumpingspeed)。该流体撞击事件的严重度指的是刚好在游动阀(traveling valve)在泵的下行程上打开之前负载的输送从抽吸杆到固定阀(standing valve)是如何地突然。下面的方程图示了一种计算最佳泵速度减少的方式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，A是在50%泵填充时的最佳速度减少并且FPs是在0和1之间的代表了流体撞击严重度的系数，其基于在图8中图示的下行程期间井下泵卡的斜度(slope)而计算。
处理器410构造成基于泵填充水平减速泵活塞320，以获取使用者需要的、或自动计算的泵速度的减少。一旦实现与流体表面322的接触，处理器410加速泵活塞320以保持初始目标平均泵速度。因此，控制器132在一行程内以可变速度驱动泵302，但冲程至冲程(stroke-to-stroke)以目标平均速度。
处理器410进一步构造成实时使用杆泵送单元动态模型计算和监控在杆泵送单元100上的应力。更具体地，处理器410使用来自位置传感器420和负载传感器430的表面测量来评估在杆316上的应力、在马达130上的功率、和在齿轮箱440上的扭矩。该应力作为可变泵速度的结果在泵行程内变化，在该可变泵速度下控制器132驱动马达130、齿轮箱440和杆316。杆泵送单元动态模型包括应力的惯性方面并且促进实时监控。
在操作期间，处理器410可探测在杆316、马达130和齿轮箱440中的任一者中的过应力。在过应力的事件中，处理器410构造成减少施加到马达130、齿轮箱440和杆316的加速度。例如，在下行程期间，泵活塞320以第一速度向下朝向流体表面322平移。处理器410构造成减少泵速度到第二速度，逐渐引导至与流体表面322接触。处理器410减速泵302以将泵速度降至第二速度。传感器410使用杆泵送单元动态模型探测当泵302减速时在马达130、齿轮箱440和杆316中的至少一者中的过应力。处理器410构造成通过减少施加到马达130、齿轮箱440和杆316的减速度而减缓探测的过应力。在该示例中，泵速度不完全地从第一速度减少到第二速度，并且泵活塞320以比初始计划的更高的速度接触流体表面322。因此，一旦泵活塞320接触流体表面322，则加速泵302至第三速度以保持用于泵行程的目标平均速度。处理器410构造成基于在那个时间在泵行程中的泵速度和目标平均泵速度实时计算第三速度。该第三速度(在该示例中)低于使泵活塞320在计划的第二速度下与流体表面322接触所必要的。探测的过应力导致了未达到的第二速度。因此，第三速度不需要如此高来保持用于行程的目标平均泵速度。
图5图示了用于(在图1和2中所显示的)杆泵送单元100的两个示例性的速度分布500和550。速度分布500和550作为时间的函数来表达。此外，在由控制器132所使用以驱动马达130和泵302之前，速度分布500和550将经历进一步的至平滑的速度转变的处理。参考图3、4和5，速度分布500包括第一速度502，在该速度下泵302可操作。速度分布500图示了接触点504，在该处泵活塞320接触流体表面322。接触点504基于上一泵行程被确定，并且假设为用于当前泵行程的接触点。尽管速度分布500根据时间来表达，接触点504作为在泵行程中的位置来表达。
速度分布500包括减速度506，来减少第一速度502至在接触点504处的第二速度。减速度506的斜度由控制器132确定。当泵活塞320接触流体表面322时，泵速度从第二速度增加到第三速度508。第三速度508高于第一速度502来保持用于泵行程的初始目标平均泵速度。
速度分布550包括第一速度552，在该速度下泵302可操作。速度分布550图示了接触点554，在该处泵活塞320接触流体表面322。当泵活塞320接触流体表面322时，泵速度从第一速度减少到第二速度。然而，在下行程期间在泵活塞320的减速期间探测到过应力。因而，速度分布550经历了调整556，以减少减速度并减缓探测的过应力。因此，泵速度不完全地从第一速度减少到第二速度接触点554。而是，泵活塞320以调整的速度558接触流体表面。
一旦泵活塞320接触流体表面322，泵速度增加到第三速度560。计算第三速度560以保持用于泵行程的目标平均泵速度。
当在泵行程期间泵302以第三速度560被操作时探测到另一过应力。因而，速度分布550经历了调整562，以将泵速度从第三速度560减少到第四速度564。该减少的速度减缓了过应力。
图6是控制(在图1和2中所显示的)杆泵送单元100的示例性方法600的流程图。该方法起于开始步骤610。在测量步骤620，位置传感器420和负载传感器430测量转化至泵活塞位置和泵活塞负载的表面位置和表面负载。这些井下值由控制器132在实时泵卡上计算。
在泵填充恢复步骤630处，控制器132基于泵活塞位置和泵活塞负载确定泵填充水平。泵填充水平是用于计算对于泵行程的平均泵速度的基础。泵填充水平也是用于确定接触点的基础，在该接触点处泵活塞320将接触流体表面322。
在下行程步骤640处，在等于第一速度的泵速度下操作杆泵送单元100。当泵活塞320接近流体表面322时(在速度减少步骤650处)，泵速度被从第一速度减少到第二速度，从而泵活塞320在更低的速度下接触流体表面322以减少流体撞击的应力。
在泵活塞320接触流体表面322以后(在加速步骤660处)，泵速度被增加至第三速度以保持对于泵行程的平均泵速度。该方法结束于结束步骤670。
图7是示例性的梁型杆泵送单元的图表，梁式泵送单元700用于使用在为了生产气体和流体的目的在表面之下延伸的井的井口702处，诸如井下井300(在图3中示出)。井口702包括管道系统706和罩套704的上部分。罩套704和管道系统706延伸到井中来促进井下泵，诸如泵302(在图3中示出)，其由杆708促动以生产气体和流体。
梁式泵送单元700包括表面支撑单元710，其使杆708悬挂在井中。表面支撑单元710包括步进梁712，其由销716枢转地联接至吊杆柱714。杆708包括抛光杆708，其延伸到罩套704和管道系统706中通过井口702。杆708还包括缆绳720，其在马头(horsehead)722处柔性地联接杆708至步进梁712。
梁式泵送单元700由马达724通过齿轮箱726驱动。共同地，马达724和齿轮箱726形成驱动系统728，其在某些实施例中可包括一个或多个带、曲柄、或其他部件。经由齿轮箱726、马达724转动具有曲柄臂732的曲柄730。曲柄臂732由转向臂734在相反于马头722的端部处联接至步进梁712。转向臂734通过销736枢转地联接至曲柄臂732，并且另外通过销738枢转地联接至步进梁712。转向臂734构造成将曲柄臂732的角运动转化到步进梁712的线性运动中。步进梁712的线性运动提供了用于操作井下泵的杆708的往复运动。
在梁式泵送单元700的上行程上，悬挂自步进梁712的杆708的重量被输送到曲柄730和驱动系统728。曲柄臂732包括平衡重量740，其构造成在上行程期间减少在驱动系统728上的负载。
上文描述的杆泵送单元和杆泵送单元控制器提供了在泵行程内的应力的实时监控，包括例如但非限制地，来自流体撞击的应力。本文描述的控制器使用在泵行程内可变的泵速度来减慢泵活塞，逐渐引导至与在泵的桶中的流体表面接触。一旦泵活塞接触流体表面，则增加泵速度以保持对于泵行程的总体平均泵速度。本文描述的控制器进一步构造成监控在泵行程内出现的应力，作为使用在泵行程内可变的泵速度的结果。本文描述的控制器进一步调整在泵行程内的可变泵速度，以在过应力出现时减缓该过应力。
本文描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)实时监控在泵行程内的应力；(b)通过减慢泵速度减少流体撞击的应力，逐渐引导至流体表面接触；(c)调整在泵行程内的泵速度，以减缓在泵行程内由流体撞击和加速度所引起的应力；(d)在制造者和操作者说明书内促进杆泵送单元的操作；(e)改进杆泵送单元部件的服务寿命；和(f)减少用于杆泵送单元的维护时间和停机时间。
用于杆泵送单元控制器的方法、系统和设备的示例性实施例不限制于本文描述的特定实施例，而是，方法的步骤和/或系统的部件可与本文描述的其他步骤和/或部件独立地和单独地使用。例如，这些方法也可与其他非传统的杆泵送单元控制器组合来使用，且不限于利用仅本文描述的系统和方法的实践。而是，示例性的实施例可结合许多其他可得益于减少的成本、减少的复杂性、商业可用性、在高温下改进的可靠性和增加的存储能力的应用、装备和系统来实施和使用。
尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些附图中示出且在其他附图中未示出，这仅为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可与任何其他附图的任何特征组合来参照和/或请求保护。
此书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种用于以一定泵活塞速度操作杆泵送单元的控制器，所述控制器包括处理器，其构造成：
以第一泵活塞速度在泵行程期间操作所述杆泵送单元的泵活塞;
基于位置信号和负载信号确定对于所述泵行程的泵填充水平；
在所述泵行程内在预料到流体撞击事件时基于对于所述泵行程的泵填充水平和所述流体撞击事件的严重度减少所述第一泵活塞速度至第二泵活塞速度，其中所述流体撞击事件的严重度基于从杆到固定阀的负载的输送；并且
在所述流体撞击事件后在所述泵行程内将所述第二泵活塞速度增加至第三泵活塞速度。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述位置信号和所述负载信号计算实时泵卡，所述泵卡包括由所述位置信号所代表的所述泵活塞的井下位置和由所述负载信号所代表的所述泵活塞的井下负载。
3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于在上一泵行程期间的流体接触位置确定所述泵填充水平。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于对于所述上一泵行程的所述泵活塞的位置和所述泵活塞的负载确定所述流体接触位置。
5.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成在所述泵行程内减少所述第三泵活塞速度至所述第一泵活塞速度。
6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述泵填充水平计算所述第一泵活塞速度。
7.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述位置信号和所述负载信号使用杆泵送单元动态模型计算在所述杆泵送单元上的实时应力。
8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述处理器进一步构造成基于所述计算的实时应力调整所述泵活塞速度，以控制在所述杆泵送单元上的峰值应力并在所述泵行程上保持平均泵活塞速度。
9.一种控制杆泵送单元的方法，所述方法包括：
确定泵活塞位置和泵活塞负载；
基于所述泵活塞位置和所述泵活塞负载计算泵填充水平；
以第一泵活塞速度操作所述杆泵送单元；
在预料到流体撞击事件时基于所述泵填充水平、所述流体撞击事件的严重度和所述泵活塞位置减少所述第一泵活塞速度至第二泵活塞速度；并且
在所述流体撞击事件后增加所述第二泵活塞速度至第三泵活塞速度；
其中，所述确定、计算、操作、减少和增加在单一泵行程内实施。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二泵活塞速度是预定值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第三泵活塞速度是在多个泵行程上提供了恒定平均泵活塞速度的预定值。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二泵活塞速度由控制器实时计算。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第三泵活塞速度由控制器实时计算，以产生在多个泵行程上的恒定平均。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述泵填充水平计算所述第一泵活塞速度，所述第一泵活塞速度包括目标平均每分钟行程数(SPM)。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，计算所述泵填充水平包括确定上一泵活塞位置，在该处所述泵活塞在上一行程期间接触所述流体表面。
16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述泵活塞位置和所述泵活塞负载使用杆泵送单元动态模型计算在所述杆泵送单元上的实时应力。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所述计算的实时应力调整所述泵活塞速度，以控制在所述杆泵送单元上的峰值应力并保持第一泵活塞速度为平均泵活塞速度。
18.一种杆泵送单元，包括：
泵，其包括泵活塞和桶，所述泵活塞在所述桶内可操作；
杆，其联接于马达和所述泵，所述杆构造成在具有下行程和上行程的泵行程期间以泵活塞速度操作所述泵；和
控制器，其联接于所述马达并构造成：
在下行程上以第一泵活塞速度驱动所述泵活塞；
在所述下行程上减速所述泵活塞以使所述泵活塞速度等于第二泵活塞速度，其中第二泵活塞速度基于流体撞击事件的严重度，其中所述流体撞击事件的严重度基于从杆到固定阀的负载的输送；并且
在所述泵活塞接触在所述桶内的流体表面之后在所述下行程上加速所述泵活塞。
19.根据权利要求18所述的杆泵送单元，其特征在于，进一步包括位置传感器和负载传感器，其构造成在用于所述杆泵送单元的井口处测量所述杆的位置和负载。
20.根据权利要求19所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器联接于所述位置传感器和所述负载传感器，所述控制器进一步构造成：
基于所述位置和所述负载使用杆泵送单元动态模型计算在所述杆泵送单元上的实时应力；并且
根据所述实时应力调整预定的泵活塞速度。
21.根据权利要求19所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器联接于所述位置传感器和所述负载传感器，所述控制器进一步构造成计算代表泵活塞位置和泵活塞负载的实时泵卡。
22.根据权利要求18所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器进一步构造成基于上一位置计算泵填充水平，在所述位置处所述流体表面在上一下行程上被接触，所述泵填充水平对应于这样的位置，在该位置处所述流体表面将在所述下行程上被接触。
23.根据权利要求22所述的杆泵送单元，其特征在于，所述控制器包括处理器，所述处理器进一步构造成基于所述泵填充水平计算所述第一泵活塞速度。
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