CN117178105A - 用于管理生产井中环形气体的自动化系统 - Google Patents

Abstract

一种用于管理井场处的生产井的环空中的气体的自动化系统，自动化系统包括：电控制阀，流体地联接到生产井的环空，其中，阀位于井场处的地面处或地面附近；至少一个井传感器，被配置为测量在地面处或地面附近的生产井的操作特性；以及网关设备，位于所述井场处并且可操作地联接到阀和至少一个井传感器，其中网关设备被配置为收集从至少一个井传感器传送的第一传感器数据，并且在自主控制操作中处理第一传感器数据，自主控制操作自动产生并发出命令，命令从网关设备传送到阀，以调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出。

Description

用于管理生产井中环形气体的自动化系统

相关申请的交叉引用

本公开要求美国临时专利申请公开的优先权。本申请要求于2021年2月4日提交的美国临时专利申请第63/199,940号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于管理生产井中的环形气体(annular gas)的系统和方法。

背景技术

许多生产井采用人工举升系统(ALS)，其被操作以将生产的流体举升到地面(surface)。常见的人工举升系统的示例包括电潜泵(ESP)、螺杆泵(PCP)和杆式泵。采用ALS的生产井可以在没有井下封隔器(downhole packer)的情况下完成，该井下封隔器将生产井的井底部分和储层与地面处的井口隔离。这种类型的完井允许气体与井下产出流体的液相分离，这提高了ALS的效率，因为ALS的生产率可能随着ALS入口处气体体积分数(GVF)的增加而劣化。然后，生产管和井的套管之间的生产井的环形空间(或环空)成为巨大的垂直分离器，其允许气体流过该环形空间直到井口。流过该环形空间的气体在本文中称为环形气体。

气体在生产井的环形空间中的积聚随着时间增加了环形空间中的压力。这种现象可以在储层中在井下产生背压，降低储层流体到地面的输送能力，并影响ALS的效率。具体地，生产井的环形空间中的气体积聚可以产生储层背压，该储层背压对井的生产产生负面影响，并且由于次优的进气压力而潜在地降低ALS的效率。取决于体积和相关联的气体，生产井的环形空间中的气体积聚也可能导致生产系统问题(诸如气锁)。

例如，气体在生产井的环形空间中的积聚可以增加地面处或附近的积聚的气体的压力(其在本文中称为套管头压力或CHP)和ALS的进气区段处的井下压力(其在本文中称为泵进气压力或PIP)。CHP和/或PIP的增加可能导致生产问题，包括生产损失和气锁。

关于生产损失，PIP的增加可以成比例地降低井的生产率。此外，PIP的增加可以增加ALS的进气区段处的气体体积分数(GVF)，因此降低ALS的效率和井生产率。为了解决环形气体积聚并减轻与其相关联的生产损失，现场技术人员通常需要前往井场并打开手动致动的闸阀以释放积聚在生产井的环形空间中的气体。该过程可能导致重复干预，从而增加与驾驶和人员暴露相关联的响应时间、生产损失和成本以及健康和安全问题。而且，闸阀的手动致动可能是不一致的，这导致几次迭代操作，以便在没有找到正确的阀位置的情况下控制生产井，特别是在生产井的自然不稳定性需要变化的控制条件，因此需要恒定的控制和操作的情况下。

关于气锁，CHP的突然变化推断ALS的液体浸没水平的变化，这导致PIP的突然变化。大多数ALS安装配置有警报，该警报将随着下降的PIP而触发。当警报被触发时，ALS(即，泵)停止以避免气体进入ALS并且生产停止。当ALS设备未配置有警报器时，可能发生气锁事件，导致生产停止。在气体锁定事件中，气体干扰ALS的正常操作，从而防止流体进入和离开ALS，使得ALS被锁定。为了解决和减轻环形气体积聚和与其相关联的气锁问题，现场技术人员需要前往井场并使ALS恢复在线。此外，现场技术人员通常打开手动致动的闸阀以释放积聚在生产井的环形空间中的气体。该过程还可能导致重复干预，从而增加与驾驶和人员暴露相关联的响应时间、生产损失和成本以及健康和安全问题。而且，闸阀的手动操纵可能是不一致的，这导致几次迭代操纵，以便在没有找到正确的阀位置的情况下控制生产井，特别是在生产井的自然不稳定性需要变化的控制条件，因此需要恒定的控制和操纵的情况下。

发明内容

在实施例中，提供了用于管理生产井中的环空气体的自动化系统和方法。该系统包括自动压力控制系统，该自动压力控制系统流体地联接到生产井的环空，以便管理通过环空的压力和气流。

在实施例中，自动压力控制系统包括电控制阀、至少一个井传感器和边缘网关设备。阀流体地联接到生产井的环空。阀可以位于井场处的地面处或附近。至少一个井传感器被配置为测量地面处或地面附近的生产井的操作特性。网关设备位于井场处并且可操作地联接到阀和至少一个井传感器。网关设备被配置为收集从至少一个井传感器传送的第一传感器数据，并且在自主控制操作中处理第一传感器数据，该自主控制操作自动产生并发出命令，该命令从网关设备传送到阀，以调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出。

在实施例中，至少一个井传感器可以包括压力传感器，压力传感器被配置为测量地面处或地面附近的生产井的套管头压力。在该配置中，第一传感器数据可以包括表示由压力传感器测量的套管头压力的传感器数据。

在实施例中，网关设备还可以被配置为在自主控制操作中使用用于套管头压力的设定点值。

在实施例中，生产井可以采用人工举升系统(ALS)来将流体通过生产井举升到地面。ALS可以包括测量ALS的操作特性的至少一个ALS传感器。网关设备可以可操作地联接到至少一个ALS传感器。网关设备可以被配置为收集从至少一个ALS传感器传送的第二传感器数据，并且在自主控制操作中处理第一传感器数据和第二传感器数据两者，该自主控制操作自动产生并发出命令，该命令从网关设备传送到阀，以调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出。

在实施例中，至少一个ALS传感器可包括被配置为测量泵吸入压力的井下传感器。在这种情况下，第二传感器数据可以包括表示由井下传感器测量的泵吸入压力的传感器数据。

在实施例中，网关设备还可以被配置为在自主控制操作中使用泵吸入压力的设定点值。

在实施例中，网关设备可被配置为执行计算模型，计算模型基于第一传感器数据和第二传感器数据来计算ALS的液体浸没水平。网关设备还可以被配置为在自主控制操作中使用液体浸没水平。

在实施例中，计算模型可以被配置为基于表示套管头压力数据的第一传感器数据和表示泵吸入压力和泵排出压力的第二传感器数据来计算ALS的液体浸没水平。

在实施例中，计算模型还可以被配置为基于特定于生产井的其他输入来计算ALS的液体浸没水平。

在实施例中，网关设备还可以被配置为在自主控制操作中使用液体浸没水平的设定点值。

在实施例中，网关设备还可以被配置为执行计算模型，该计算模型基于第一传感器数据和第二传感器数据来计算所生产的流体的虚拟流速。网关设备还可以被配置为将由网关设备随时间计算的生产流体的虚拟流速传送到远程系统。

在实施例中，网关设备还可以被配置为将ALS和自动化系统的时间序列操作数据传送到用于监测和可视化ALS和自动化系统的操作条件和状态的远程系统。

在实施例中，时间序列操作数据可以包括由网关设备基于第一传感器数据和第二传感器数据计算的生产流体的虚拟流速。

在实施例中，远程系统可以由云计算环境体现。

在实施例中，网关可以被配置为从远程系统接收通信以用于远程控制阀。

在实施例中，阀和至少一个井传感器可以安装在位于井场处的滑撬上。

在实施例中，网关设备可以包括至少一个通信接口，其提供网关设备与阀和至少一个井传感器之间的直接或间接通信。

在实施例中，生产井的ALS可以采用电潜泵、螺杆泵和有杆泵中的一种。

在实施例中，自主控制操作可以被配置为执行以下中的至少一个：(a)稳定和优化ALS的液体浸没水平；(b)在不稳定井中随机发生的动态变化下控制生产井；(c)控制生产井的环空上的压力增进(build up)和压力损失；(d)间接控制生产井的液体速率和生产率；(e)提高泵效率和流体GVF；和(f)改善ALS的运行寿命。

提供本发明内容以介绍下面在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

通过本主题公开的非限制性示例，参考所述多个附图，在下面的详细描述中进一步描述了本主题公开，其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示相似的部分，并且其中：

图1和图2共同是描绘本主题公开的实施例的示意图；

图3是示出由图1和图2的设备的边缘网关实施例实施的自主控制功能的示意性框图；

图4是示出本主题公开的第二实施例的示意图；

图5描绘了图形，其示出了由图1和图2的实施例执行的环形气体的自主管理和控制，该环形气体的自主管理和控制集成到示例性生产井中持续覆盖三天的时间段；

图6描绘了条形图，其示出了与基线场景(没有环形气体的释放)和通过人工干预管理环形气体积聚和相关联的CHP的场景相比，由集成到示例生产井中的图1和图2的实施例执行的环形气体的自主管理和控制提供的改进的生产；以及

图7是示例计算系统的示意图。

具体实施方式

本文示出的细节是作为示例并且仅用于说明性讨论本主题公开的实施例的目的，并且是为了提供被认为是对本主题公开的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而呈现的。在这方面，没有试图比基本理解本公开所需的更详细地示出结构细节，结合附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何在实践中体现本公开的几种形式。此外，各个附图中相同的附图标记和名称指示相同的元件。

本公开涉及一种自主环形气体处理系统(AGHS)，其通过自动控制电控制阀以调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出来优化生产，并避免随时间影响ALS的操作和性能的气体相关问题。电控制阀的自动控制可以减少随着时间的人工干预和生产井的相关成本。在实施例中，电控制阀的自动控制可以被配置为优化ALS的吸入压力和ALS的液体浸没水平，并最小化ALS的气锁的可能性，所有这些都有助于优化从井中生产流体。

在实施例中，自动化环形气体处理系统(AGHS)可以采用基于软件的控制逻辑(例如，自动化、智能控制功能)，其在位于井场处或附近的网关设备上实现。基于软件的控制逻辑可以被配置为自动发出控制电控制阀的命令，以调节随时间的积聚的气体从生产井的环形空间的流出。这种控制逻辑可以评估实时ALS传感器数据(诸如表示由井下压力传感器测量的PIP的传感器数据，和/或表示由井下压力传感器测量的ALS的排放区段处的井下压力(泵排放压力)的传感器数据)、实时井传感器数据(诸如表示由位于地面处或地面附近的压力传感器测量的CHP的传感器数据，以及表示由位于地面处或地面附近的压力传感器测量的地面处的生产流体(生产流)的压力(井口压力)的传感器数据)以及可能的其他数据，以自动产生和发出控制电控制阀的命令，以调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出。在实施例中，命令可以指定阀的打开百分比。可替代地，命令可以调整阀的开度以保持特定的设定点值(诸如设定点CHP或设定点PIP或设定点液体浸没水平)。在该模式中，阀被自动调整以保持特定的设定点值。

基于软件的控制逻辑可以采用计算模型，所述计算模型基于预定义的一组输入来计算生产的流体的实时虚拟流速和ALS的液体浸没水平，所述预定义的一组输入包括实时传感器数据(诸如表示PIP的实时传感器数据和表示泵排放压力的实时传感器数据)、实时井传感器数据(诸如表示CHP的实时传感器数据和表示井口压力的实时传感器数据)以及井特定的其他信息(诸如井信息和流体性质)。由计算模型计算的ALS的实时虚拟流速和/或液体浸没水平可以由控制逻辑(可能与实时ALS传感器数据和/或实时井传感器数据组合)评估，以自动产生和发出控制电控制阀的命令，以随着时间调节积聚的气体从井的环空的流出。由计算模型计算的ALS的实时虚拟流速和液体浸没水平可以用其他参数可视化，以确保AGHS对井优化的适当实施方式。

在实施例中，在网关设备上执行的基于软件的控制逻辑的自主操作可以被配置为控制阀，以便以解决环形气体积聚并减轻生产损失和与其相关联的气锁问题的方式调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出。此外，基于软件的控制逻辑的自主操作可以改善响应时间、精度、井的生产率以及ALS的运行寿命。它还可以避免与驾驶和人员暴露相关联的成本以及健康和安全问题，所述驾驶和人员暴露与现场人员对环形气体积聚的手动干预相关联。

在实施例中，AGHS的部件(诸如测量CHP的压力传感器、电控制阀、通向电控制阀的入口软管、从电控制阀引出的出口软管、孔板流量计、用于与网关设备进行数据通信的无线电、太阳能电池板和用于向AGHS的局部电气部件供应电力的电池以及可能的其他部件)可以集成到位于井场处的滑撬(skid)中。

在图1和图2所示的示例实施例中，AGHS200包括位于井场223处或附近的边缘网关设备221。网关设备221是加固的计算设备，其可以被配置为提供性能边缘计算和安全数据摄取。网关设备221可以被配置为实现对井场223处的物理资产的实时监测和控制。

网关设备221可以被配置为接收、收集和聚集来自井场223处的各种操作设备(诸如传感器、控制器、致动器、可编程逻辑控制器、远程终端单元以及监督控制和数据采集(SCADA)系统)的数据，准备这些数据以传输到远程系统225，并通过数据通信网络224将数据从网关设备221传输到远程系统225，如图1所示。数据通信网络224可以是蜂窝数据网络、卫星链路、互联网或其他可用数据通信模式。远程系统225可以由云计算环境或其他基于处理器的系统实现。

在实施例中，网关设备221可以采用紧凑且坚固的NEMA/IP级外壳用于室外使用，使其适合于井场和设施处的环境。整个包装也可以是环境合格的。

在实施例中，网关设备221可以配置有双向通信接口(称为南向接口(SouthboundInterface))，用于使用有线通信协议(诸如串行、以太网、Modbus或开放平台通信(OPC)协议)或无线通信协议(诸如IEEE 802.11Wi-Fi协议、高速公路可寻址远程换能器协议(HART)、LoraWAN、WiFi或消息队列遥测传输(MQTT))与井场223处的物理资产进行数据通信。南向接口可以提供到井场223处的物理资产的直接数据通信。可替代地，南向接口可以经由局域网或其他本地通信设备提供到井场223处的物理资产的间接数据通信。

在实施例中，网关设备221可以配置有使用无线通信协议到数据通信网络224的双向通信接口(称为北向接口(Northbound Interface))。在实施例中，无线通信协议可以采用蜂窝数据通信，诸如4G LTE数据传输能力(或者可能用于回退能力的3G数据传输)。对于没有蜂窝信号的设施(例如井场)，到数据通信网络224的北向接口可以由双向卫星链路(例如BGAN调制解调器)提供。可替代地，北向接口可以实现其他无线通信协议或有线通信协议。

在实施例中，网关设备221可以采用托管和执行如本文所述的操作系统和应用或模块的嵌入式处理环境(例如，数据处理器和存储器系统)。

在实施例中，网关设备221可以采用基于硬件和基于软件的安全措施。基于硬件的安全措施可以涉及使用工业标准可信平台模块(TPM)v2.0加密芯片建立的硬件信任根。基于软件的安全措施可以包括操作系统强化以及缓冲和传输数据的加密。

在实施例中，网关设备221可以支持容器化的基于微服务的架构。该架构使得能够扩展到用于边缘处的不同环境和应用的若干不同且不同的解决方案中，同时仍然使用相同的基础设施组件。在实施例中，网关设备221可以采用一个或多个容器来实现在网关设备221上执行的一个或多个应用或模块，诸如本文描述的(一个或多个)AGHS模块。容器是软件的标准单元，其打包代码及其所有依赖性(诸如运行时环境、系统工具、系统库和设置)，使得应用或模块在网关设备221的计算环境中快速且可靠地运行。容器将软件与其环境隔离，并确保其在网关设备221的计算环境中均匀且可靠地工作。

在实施例中，网关设备221的南向接口连接到ESP控制器219，所述ESP控制器219控制部署在井场223(图2)处的生产井203中的ESP 210的操作。ESP 210提供人工举升的装置件(mean)，以从地下地层(储层(reservoir))231通过生产井203生产储层流体(例如石油流体)到地面。

在图2所示的示例性实施例中，ESP 210包括一个或多个电缆211、泵212、气体处理特征213、泵入口214、马达215、一个或多个ESP传感器216以及可选的保护器217。ESP传感器216被配置为实时测量ESP 210的操作参数或条件，诸如温度、泵入口214或PIP处的压力、泵212的排放区段处的压力、应变、电流泄漏、振动等。电缆211将电力供应信号承载到马达215以用于操作ESP 210。电源信号可以从主电源(例如，电网)、现场发电机(例如，天然气驱动的涡轮机)或其他电源导出。电缆211还提供由ESP传感器216测量的传感器数据到ESP控制器219的数据通信。

生产井203包括井口，该井口提供从生产井203的环形空间到通向电控制阀222的流送管线(flowline)226的流动路径。在ESP 210的操作期间，气体可以如本文所述积聚在生产井203的环形空间中。电控制阀222可以通过与其通信的命令来控制，以控制气体从生产井203的环空流出到气体出口227。气体从生产井203的环形空间的流出由虚线箭头229标记。在实施例中，电控制阀222可以是压力释放阀、针阀、节流阀或其他阀类型。阀通常由马达或其他致动装置件致动，马达或其他致动装置件的操作根据传送到阀组件的命令来控制。气体出口227可流体联接到下游系统(未示出)。下游系统可以是排气口、气体火炬、将气体注入生产流送管线228的系统，或适合于客户指定的任何特定布局和要求的其他系统。注意，如果阀222下游的压力高于阀222的入口压力，则可以在系统中引入包括但不限于气体压缩机、表面喷射泵和喷射器的组件，从而允许将气流适当地布置到下游系统中。

生产井203的井口还可以包括节流或节流阀，其被操作以控制各种井操作，诸如控制井口压力以控制从生产井到生产流送管线228的生产流体的流速。来自井的生产的流体的流动由虚线箭头230标记。井口还可以包括一个或多个传感器或仪表，诸如温度传感器、用于测量井口压力的压力传感器、固体传感器、流量计等。

返回参考图1，ESP控制器219接口到ESP传感器216。网关设备221与ESP控制器219之间的南向接口携载由ESP传感器216随时间测量的实时传感器数据。网关设备221可实时收集和/或聚集和/或以其它方式处理由ESP传感器216产生且从ESP控制器219实时传送的传感器数据。

网关设备221的南向接口还被配置为接收从一个或多个井传感器220传送的实时传感器数据，所述一个或多个井传感器220测量生产井的操作参数或条件，诸如CHP和/或井口压力。实时传感器数据可以直接从井传感器220传送到网关设备221的南向接口。可替代地，实时传感器数据可以间接地从井传感器220传送到一个或多个中间设备，该一个或多个中间设备将传感器数据转发到网关设备221的南向接口。网关设备221可以实时收集和/或聚集和/或以其他方式处理由井传感器220产生并传送到网关设备221的传感器数据。

网关设备221的南向接口还被配置为与阀222接口连接，以使得网关设备221能够向阀222发出并传送命令，该命令控制阀222以调节随时间的积聚的气体从生产井203的环空流出，如本文所述。

在实施例中，网关设备221采用基于软件的控制逻辑，其作为应用或模块在网关设备221上执行。基于软件的控制逻辑(在图1中标记为AGHS模型)被配置为自动地(即，在没有人工输入的情况下)产生并发出控制电控制阀222的命令，以调节随时间的积聚的气体从生产井203的环空的流出。这种控制逻辑可以评估从ESP传感器216传送的实时ESP传感器数据(诸如表示PIP的传感器数据和/或表示泵排出压力的传感器数据)、从井传感器220传送的实时井传感器数据(诸如表示CHP的传感器数据和表示井口压力的传感器数据)以及可能的其他数据，以自动产生和发出控制阀222的命令，以调节随时间的积聚的气体从生产井203的环空的流出。在实施例中，命令可以指定阀222的打开百分比。可替代地，命令可以调整阀222的开度以维持特定的设定点值(诸如设定点CHP或设定点PIP或设定点液体浸没水平)。在该模式中，阀被自动调整以保持特定的设定点值。

在实施例中，基于软件的控制逻辑可以采用计算模型，所述计算模型基于预定义的一组输入来计算所生产的流体的实时虚拟流量和ESP的液体浸没水平，所述预定义的一组输入包括从ESP传感器216传送的实时ESP传感器数据(诸如表示PIP的传感器数据和表示泵排出压力的传感器数据)、从井传感器220传送的实时井传感器数据(诸如表示CHP的传感器数据和表示井口压力的传感器数据)以及生产井203特定的其他信息(诸如井信息和流体性质)。由计算模型计算的ESP的实时虚拟流量和/或液体浸没水平可以由控制逻辑(可能与实时ESP传感器数据和/或实时井传感器数据组合)评估，以自动产生和发出控制阀222的命令，以调节随时间的积聚的气体从生产井203的环空的流出。如由AGHS的计算模型计算的ESP的实时虚拟流率和液体浸没水平以及来自井传感器220和/或ESP传感器的实时数据可以作为时间序列数据传送到远程系统225，在远程系统225中，此类数据可以与其它参数一起收集、存储和可视化以确保AGHS对井优化的适当实施方式。

在实施例中，AGHS的部分，诸如测量CHP的井传感器220、阀222、通向阀222的入口软管、从阀222引出的出口软管、孔板流量计、用于与网关设备221进行数据通信的无线电、用于向AGHS的本地电气部件供应电力的太阳能电池板和电池、以及可能的其他部分，可以集成到位于井场223处的滑撬中。

由网关设备221收集和/或聚集和/或以其他方式处理的实时传感器数据以及由网关设备计算的操作数据(诸如计算的流速和液体浸没水平)可以通过网关设备221的北向接口传送到数据网络224，以传送到远程系统225。远程系统225可以由云计算环境体现，在所述云计算环境中，可以用其它参数收集、存储和可视化此类数据，以确保AGHS对井优化的适当实施方式以及ESP 210的适当操作。

远程系统225可以包括提供AGHS的操作条件和状态的监测和可视化的服务，这被称为AGHS的操作监视。这样的服务通常由在计算环境(诸如云计算环境)中执行的软件来体现。在该环境中，网关设备221收集或产生表征AGHS的操作的时间序列数据(例如，高频实时操作数据)，并将这种时间序列数据转发到远程系统225。远程系统225可以采用一个或多个机器学习系统或计算模型来检测或预测AGHS的操作中的异常并且规划操作以解决这种异常。这样的操作可以涉及将来自远程系统225的命令传送到网关设备221，以用于AGHS的远程控制(包括阀222的远程控制)或者在必要的情况下调度AGHS在井场223处的手动干预。

远程系统225可以包括提供ESP 210的操作条件和状态的监测和可视化的服务，其被称为ESP的操作监视。这样的服务通常由在计算环境(诸如云计算环境)中执行的软件来体现。在此环境中，网关设备221收集或产生表征ESP 210的操作的时间序列数据(例如，高频实时操作数据)且将此时间序列数据转发到远程系统225。远程系统225可以采用一个或多个机器学习系统或计算模型来检测或预测ESP 210的操作中的异常并规划操作以解决这种异常。这样的操作可以涉及将命令从远程系统225传送到网关设备221，以用于远程控制ESP 210或调度ESP 210在井场223处的手动干预。

在实施例中，在网关设备221上执行的基于软件的控制逻辑的自主操作可以被配置为控制阀222以解决环形气体积聚并减轻生产损失和与其相关联的气锁问题的方式，调节随时间的积聚的气体从生产井203的环空的流出。此外，基于软件的控制逻辑的自主操作可以改善生产井的响应时间、精度、生产率以及ESP的运行寿命。它还可以避免与驾驶和人员暴露相关联的成本以及健康和安全问题，所述驾驶和人员暴露与现场人员对环形气体积聚的手动干预相关联。

图3是示出作为网关实施例221上的应用执行的基于软件的控制逻辑(标记为AGHS模块)的设备的示意性框图。控制逻辑包括计算模型301A，所述计算模型301A基于预定义的一组输入来计算所生产的流体的实时虚拟流量，所述预定义的一组输入包括从ESP传感器216传送的实时ESP传感器数据(诸如表示PIP的传感器数据和表示泵排出压力的传感器数据)、从井传感器220传送的实时井传感器数据(诸如表示CHP的传感器数据)以及特定于生产井203的其他信息(诸如井信息和流体性质)。控制逻辑还包含计算模型301B，所述计算模型301B基于预定义的一组输入计算ESP的实时液体浸没水平，所述预定义的一组输入包含从ESP传感器216传送的实时ESP传感器数据(诸如表示PIP的传感器数据和表示泵排出压力的传感器数据)、从井传感器220传送的实时井传感器数据(诸如表示CHP的传感器数据)以及特定于生产井203的其它信息(诸如井信息和流体性质)。控制逻辑303评估由计算模型301A、301B计算的ESP的实时虚拟流量和/或液体浸没水平以及实时ESP传感器数据和/或实时井传感器数据以及CHP、PIP和液体浸没水平的设定点，以自动(无需人工输入)产生并发出控制阀222的命令，以调节随时间的积聚的气体从生产井203的环空的流出。在实施例中，CHP设定点可以通过手动人类输入(或自动处理)来定义，并且以电子形式存储以供控制逻辑303使用。PIP设定点可以由对应于最低可能PIP的警报设置来定义。ESP的PIP由液体浸没水平驱动，因此如果液体浸没水平变化，则液体浸没水平的设定点被限定为提供良好的缓冲区，以避免液体浸没水平下降到ESP的进气区段以下的水平。控制逻辑被配置为管理液体浸没水平的设定点以使其稳定，以便提供对液体浸没水平的严格控制，并因此提供对PIP的严格控制。

此外，控制逻辑可以配置为调整ESP的操作频率(速度)，因为该参数也影响PIP压力。在其它实施例中，可经由ESP控制器219的用户配置或通过从远程系统225发出的命令手动调整ESP的操作频率(速度)，以控制系统的优化点。

图4是示出根据本公开的另一个实施例的AGHS的部分的示意图。在该实施例中，网关设备221经由中间可编程逻辑控制器(PLC)设备218与ESP控制器219通信。此外，网关设备221经由同一PLC设备218与电控制阀222和测量CHP的压力传感器220两者通信。井口包括节流阀235，节流阀235调节从生产井203到通向下游生产分离器的生产流送管线的生产流体的流动。AGHS还包括手动致动阀236以及手动致动阀237，手动致动阀236与生产井203的环空与阀222之间的流送管线成一体，手动致动阀237与阀222的出口与下游系统之间的流送管线成一体，下游系统用于释放环形气体，下游系统诸如是排气口、火炬或如本文所述的其他下游系统。其他组件以与如本文所述的图1和图2的实施例类似的方式起作用。

图5包括这些图形，示出了由图1和图2的AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制，该AGHS系统集成到示例性生产井中持续覆盖三天的时间段。图5的顶部图形示出了在该时间段内CHP和PIP(以psi计)的自主控制。图5的中间图形示出了在该时间段内对液体浸没水平(以ft计)的自主控制。图5的底部图形示出了在该时间段内生产的流体的流速(以每天的流体的桶(barrel)或BFPD计)。注意，随着液体浸没水平下降，自主管理和控制自动控制电控制阀以释放环形气体和CHP液滴。这导致液体浸没水平快速增加，然后在液体浸没水平设定点处变平，该液体浸没水平设定点降低PIP压力并随时间增加所生产的流体的流速。

利用如本文所期望的本主题公开的实施例能够实现以下内容。

自主CHP控制：通过执行控制逻辑，可以确定或获得CHP设定点。这允许控制逻辑执行自主操作，该自主操作：(a)在不稳定井中随机发生的动态变化下控制生产井；(b)控制井环空中的压力增进和减压；(c)使环空中的压力变化最小化，从而允许气体恒定且稳定地流动通过环空；以及(d)间接地稳定和优化泵的液体浸没水平。

自主PIP控制：通过执行控制逻辑，可以确定或获得PIP设定点。在这样的实施例中，井下压力传感器用于测量PIP以提供对PIP的控制。这允许控制逻辑执行自主操作，该自主操作：(a)在不稳定井中随机发生的动态变化下控制生产井；(b)控制井环空中的压力增进和减压；(c)使环空中的压力变化最小化，从而允许气体恒定且稳定地流动通过环空；(d)间接地稳定和优化泵的液体浸没水平；(e)提高泵效率和流体GVF；以及(f)改善泵运行寿命(通过优化温度、驱动频率等)。

泵浸没：基于PIP和CHP，计算模型可以用于以流动方式计算液体浸没水平(泵上方的液位)。这允许控制逻辑执行自主操作，该自主操作：(a)使泵浸没最小化；(b)提高泵效率；以及(c)允许泵的驱动控制的优化

泵浸没控制：通过执行控制逻辑，可以确定或获得液体浸没水平设定点。这允许控制逻辑执行自主操作，该自主操作：(a)稳定和优化泵浸没；(b)在不稳定井中随机发生的动态变化下控制井；(c)控制环空上的压力增进和压力损失；(d)间接控制井的液体速率和生产率；(e)提高泵效率和流体GVF；以及(f)改善泵运行寿命(通过优化温度、驱动频率等)。

由本主题公开的AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制可以减轻或减少现场技术人员前往井场并手动地对环空减压的需要。由AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制可以代替这些行程，从而允许远程且自主地操纵环形阀。这不仅允许井的稳定性，而且还推动井整个系统的操作包络。

在实施例中，由本主题公开的AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制提供：自主CHP控制；自主PIP控制；自动泵浸没控制；泵启动溶液的控制；泵效率的优化；以及延长运行寿命。

在实施例中，本文描述的系统的优点包括以下：提高井生产率；减少生产损失；减少人为干预；提供远程控制；减少或响应时间；以及对生产井的操作的准确知识和控制。

图6是条形图，其示出了与基线场景(没有环形气体的释放)和通过人工干预管理环形气体积聚和相关联的CHP的场景相比，由集成到示例生产井中的图1和图2的AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制提供的改进的生产。图6左侧的两个条形图示出了在基线场景中来自示例生产井的流体和油的每日生产。图6中间的两个条形图示出了在通过人工干预管理环形气体积聚和相关联的CHP的情况下，来自示例生产井的流体和油的每日生产。图6右侧的两个条形图示出了由图1和图2的AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制产生的来自示例性生产井的流体和油的每日生产。注意，与基线情况和通过人工干预管理环形气体积聚和相关联的CHP的情况相比，由AGHS系统执行的环形气体的自主管理和控制导致来自示例生产井的流体和油的每日产量增加。

注意，在如上所述的AGHS系统的描述中，ESP用于人工举升。在其它实施例中，AGHS系统可适于采用另一形式的ALS，诸如螺杆泵(PCP)或杆式泵。在这些替代实施例中，如上所述的ESP、ESP控制器和ESP传感器由具有合适的ALS控制和ALS传感器的其它形式的ALS代替。

在一些实施例中，本公开的方法和系统可以涉及计算系统。图7示出了根据一些实施例的这种计算系统400的示例。计算系统400可以包括计算机或计算机系统401A，其可以是单独的计算机系统401A或分布式计算机系统的布置。计算机系统401A包括一个或多个分析模块402，例如，AGHS模块，其被配置为根据一些实施例执行各种任务，例如本文公开的一种或多种方法或其部分。为了执行这些各种任务，分析模块402独立地或与连接到一个或多个存储介质406的一个或多个处理器404协调地执行。处理器404还连接到网络接口407，以允许计算机系统401A通过数据网络409与一个或多个附加计算机系统和/或计算系统(诸如401B、401C和/或401D)通信(注意，计算机系统401B、401C和/或401D可以或可以不与计算机系统401A共享相同的架构，并且可以位于不同的物理位置，例如，计算机系统401A和401B可以位于处理设施中，同时与位于一个或多个数据中心和/或位于不同大陆的不同国家的一个或多个计算机系统(诸如401C和/或401D)通信)。

处理器可以包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程门阵列或另一控制或计算设备。

存储介质406可以被实现为一个或多个计算机可读或机器可读存储介质。注意，虽然在图7的示例实施例中，存储介质406被描绘为在计算机系统401A内，但是在一些实施例中，存储介质406可以分布在计算系统401A和/或附加计算系统的多个内部和/或外部外壳内和/或跨计算系统401A和/或附加计算系统的多个内部和/或外部外壳分布。存储介质406可以包括一种或多种不同形式的存储器，包括半导体存储器设备(诸如动态或静态随机接入存储器(DRAM或SRAM)、可擦除和可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)和闪存)、磁盘(诸如固定磁盘、软盘和可移动磁盘)、其他磁介质(包括磁带)、光学介质(诸如压缩盘(CD)或数字视频盘(DVD))、其他类型的光学存储装置或其他类型的存储设备。注意，上面讨论的指令可以在一个计算机可读或机器可读存储介质上提供，或者替代地，可以在分布在具有多个节点的大型系统中的多个计算机可读或机器可读存储介质上提供。这样的一个或多个计算机可读或机器可读存储介质被认为是物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指任何制造的单个部件或多个部件。一个或多个存储介质可以位于运行机器可读指令的机器中，或者位于可以通过网络从其下载机器可读指令以供执行的远程站点。

应当理解，计算系统400仅是计算系统的一个示例，并且计算系统400可以具有比所示更多或更少的组件，可以组合图7的示例实施例中未描绘的附加组件，和/或计算系统400可以具有图7中描绘的组件的不同配置或布置。图7中所示的各种组件可以以硬件、软件或硬件和软件两者的组合来实现，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。

此外，本文描述的处理方法和工作流程中的步骤可以通过运行信息处理装置(诸如通用处理器或专用芯片，诸如ASIC、FPGA、PLD或其他适当的设备)中的一个或多个功能模块来实现。这些模块、这些模块的组合和/或它们与通用硬件的组合都包括在本发明的保护范围内。

出于解释的目的，已经参考具体实施例描述了前述描述。然而，上面的说明性讨论并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。此外，示出和描述本文描述的方法的元素的顺序可以重新布置，和/或两个或更多个元素可以同时发生。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。

尽管上面仅详细描述了几个示例实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本发明的情况下，在示例实施例中可以进行许多修改。因此，所有这些修改旨在包括在如所附权利要求中限定的本公开的范围内。在权利要求中，装置件加功能条款旨在覆盖本文描述为执行所述功能的结构，并且不仅覆盖结构等同物，而且覆盖等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面将木质部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面，但是在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。申请人的明确意图是不援引35U.S.C.112，第6段对本文的任何权利要求进行任何限制，除了权利要求明确使用词语“用于……装置件”以及相关功能的那些限制。

Claims (20)

1.一种用于管理井场处的生产井的环空中的气体的自动化系统，所述自动化系统包括：

电控制阀，流体地联接到所述生产井的所述环空，其中，所述阀位于所述井场处的地面处或地面附近；

至少一个井传感器，被配置为测量所述地面处或所述地面附近的所述生产井的操作特性；以及

网关设备，位于所述井场处并且可操作地联接到所述阀和所述至少一个井传感器，其中所述网关设备被配置为收集从所述至少一个井传感器传送的第一传感器数据，并且在自主控制操作中处理所述第一传感器数据，所述自主控制操作自动产生并发出命令，所述命令从所述网关设备传送到所述阀，以调节随时间的积聚的气体从所述生产井的环空的流出。

2.根据权利要求1所述的自动化系统，其中：

所述至少一个井传感器包括压力传感器，所述压力传感器被配置为测量所述生产井在所述地面处或所述地面附近的套管头压力；以及

第一传感器数据包括表示由所述压力传感器测量的套管头压力的传感器数据。

3.根据权利要求2所述的自动化系统，其中：

所述网关设备还被配置为在所述自主控制操作中使用用于套管头压力的设定点值。

4.根据权利要求1所述的自动化系统，其中：

所述生产井采用人工举升系统(ALS)通过所述生产井将流体举升到地面，其中至少一个ALS传感器测量所述ALS的操作特性，并且

所述网关设备可操作地联接到所述至少一个ALS传感器，其中所述网关设备被配置为收集从所述至少一个ALS传感器传送的第二传感器数据，并且在自主控制操作中处理第一传感器数据和第二传感器数据两者，所述自主控制操作自动产生并发出命令，所述命令从所述网关设备传送到所述阀，以调节随时间的积聚的气体从生产井的环空的流出。

5.根据权利要求4所述的自动化系统，其中：

所述至少一个ALS传感器包括井下传感器，所述井下传感器被配置为测量泵吸入压力；以及

第二传感器数据包括表示由井下传感器测量的泵吸入压力的传感器数据。

6.根据权利要求4所述的自动化系统，其中：

所述网关设备还被配置为在所述自主控制操作中使用泵吸入压力的设定点值。

7.根据权利要求4所述的自动化系统，其中：

所述网关设备被配置为执行计算模型，所述计算模型基于所述第一传感器数据和所述第二传感器数据来计算所述ALS的液体浸没水平；以及

所述网关设备还被配置为在所述自主控制操作中使用所述液体浸没水平。

8.根据权利要求7所述的自动化系统，其中：

所述计算模型被配置为基于表示套管压头压力数据的第一传感器数据和表示泵吸入压力和泵排出压力的第二传感器数据来计算所述ALS的液体浸没水平。

9.根据权利要求8所述的自动化系统，其中：

所述计算模型还被配置为基于特定于所述生产井的其他输入来计算所述ALS的所述液体浸没水平。

10.根据权利要求7所述的自动化系统，其中：

所述网关设备还被配置为在所述自主控制操作中使用液体浸没水平的设定点值。

11.根据权利要求4所述的自动化系统，其中：

所述网关设备还被配置为执行计算模型，所述计算模型基于所述第一传感器数据和所述第二传感器数据来计算所生产的流体的虚拟流速；以及

所述网关设备还被配置为将由所述网关设备随时间计算的所生产的流体的虚拟流速传送到远程系统。

12.根据权利要求4所述的自动化系统，其中：

所述网关设备还被配置为将所述ALS和所述自动化系统的时间序列操作数据传送到用于监测和可视化所述ALS和所述自动化系统的操作条件和状态的远程系统。

13.根据权利要求12所述的自动化系统，其中：

所述时间序列操作数据包括由所述网关设备基于所述第一传感器数据和所述第二传感器数据计算的所生产的流体的虚拟流速。

14.根据权利要求12所述的自动化系统，其中：

所述远程系统由云计算环境体现。

15.根据权利要求12所述的自动化系统，其中：

所述网关被配置为从所述远程系统接收通信以用于远程控制所述阀。

16.根据权利要求1所述的自动化系统，其中：

所述阀和所述至少一个井传感器安装在位于井场处的滑撬上。

17.根据权利要求1所述的自动化系统，其中：

所述网关设备包括至少一个通信接口，所述至少一个通信接口提供所述网关设备与所述阀和所述至少一个井传感器之间的直接或间接通信。

18.根据权利要求1所述的自动化系统，其中：

所述生产井采用人工举升系统(ALS)通过所述生产井将流体举升到所述地面，其中至少一个ALS传感器测量所述ALS的操作特性。

19.根据权利要求18所述的自动化系统，其中：

所述ALS采用电潜泵、螺杆泵和杆式泵中的一个。

20.根据权利要求18所述的自动化系统，其中：

自主控制操作被配置为执行以下中的至少一个：(a)稳定和优化所述ALS的所述液体浸没水平；(b)在不稳定井中随机发生的动态变化下控制所述生产井；(c)控制所述生产井的环空上的压力增进和压力损失；(d)间接控制所述生产井的液体速率和生产率；(e)提高泵效率和流体GVF；和(f)改善所述ALS的运行寿命。