DE4409820A1 - Erfassung des Füllzustands einer Stangenpumpe aus der Motorleistung - Google Patents

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Steuerungs- und Überwachungseinrich­ tungen für Ölquellen-Stangenpumpen und ähnliche zyklische Lasten. Insbesondere wird die Geschwindigkeit, mit der sich der unterirdische Schöpfraum in der Zeitspanne zwischen Arbeitshüben einer Stangenpumpe füllt, indirekt durch Über­ wachen von Änderungen der elektrischen Belastung des Pum­ penmotors in besonderen Phasenabschnitten des Pumpzyklus überwacht. Die Phasenlage des Pumpzyklus wird durch Lei­ stungsspitzen oder Nulldurchgänge der zyklischen Belastung bestimmt. Eine Steuereinrichtung mit einem digitalen Pro­ zessor tastet die elektrische Belastung während des Pumpzy­ klus ab. Änderungen im Füllzustand des Schöpfraums werden bevorzugt durch Untersuchen der Leistungspegel-Unterschiede der Pumpe zwischen einzelnen Zyklen während des Abwärts­ hubs, in dem die sich Pumpenstange bis zum Auftreffen auf Flüssigkeit frei durch Luft bewegt, ermittelt.

2. Stand der Technik

Ölquellen-Schwingbalkenpumpen entnehmen Flüssigkeit aus einem lochabwärts befindlichen Schöpfraum durch wiederhol­ tes Heben und Senken einer Reihe von Stahlstangen, die die lochabwärts befindliche Pumpe mit dem Auslegerbalken des Pumpenaufbaus an der Oberfläche verbinden. Das wiederholte Heben und Senken der Stahlstangen veranlaßt einen Kolben im lochabwärtigen Pumpenaufbau, das Fördermedium an die Ober­ fläche zu befördern.

Der Auslegerbalken des oberflächenseitigen Pumpenaufbaus umfaßt typischerweise einen Schwingbalken, dessen eines Ende über einen Kurbelaufbau mit einem Pumpenmotor verbun­ den ist. Der Kurbelaufbau weist ein Gegengewicht auf, mit dem ein Ausgleichen der Motorbelastung durch Kompensieren zumindest eines Teils des Gewichts der Verbindungsstangen der Pumpe, die auf der entgegengesetzten Seite des Schwing­ balkens freitragend sind, beabsichtigt ist. Nichts­ destotrotz durchläuft die Belastung des Motors mit dem He­ ben und Senken der zur lochabwärtigen Pumpe führenden Stan­ gen einen Zyklus, während dem potentielle Energie bei dem Aufwärtsbewegen der Pumpenstangen gespeichert und bei dem Senken der Pumpenstangen freigesetzt wird.

Der Motor ist typischerweise als Elektromotor ausgeführt, der zur Anpassung an die vergleichsweise niedrige Frequenz des Pumpentakts ins Langsame übersetzt ist. Ein Dreiphasen­ motor ist beispielhaft. Schützeinrichtungen sind typischer­ weise zum Schutz von Motor und Schaltungsanordnung vorgese­ hen, um den Motorkreis im Falle eines Kurzschlusses oder einer Motorüberlastung zu unterbrechen. Darüber hinaus kann eine von den Bedingungen in dem Bohrloch bzw. der Quelle abhängige Steuereinrichtung mit den Schützeinrichtungen verbunden sein, um beispielsweise die Pumpe intermittierend mit einer Fördermenge, die durch die geologische Formation unterstützt wird, zu betreiben. Die Steuereinrichtung oder die Schützeinrichtung selbst kann eine Einrichtung zum Mes­ sen des Stromes im Motorkreis und/oder der Leiterspannung mittels analoger oder digitaler Schaltkreise beinhalten, die Teil der Schaltkreis-Schutzfunktion ist, oder um den Betriebsablauf der Pumpe zur Anpassung an Betriebszustände mit bestem Wirkungsgrad zu variieren.

Bekannt ist, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 4,220,440 (Taylor et al.) offenbart, eine Schützeinrichtung für ein Tiefbohrloch mit Relaiskontakten zu versehen, die die Leiterverbindungen eines Dreiphasenmotors neu anordnen, wenn gegenwärtige Lastbedingungen anzeigen, daß die Pumpe ineffizient arbeitet. Die US-Patentschrift 4,695,779 (Yates) offenbart eine vergleichbare Steuereinrichtung, die einen Prozessor und eine Anzahl von Zeitgebern, die bei dem Auftreten bestimmter Anhaltebedingungen zwischen Betriebs­ arten umschalten, aufweist.

Ein Prozessor mit einer Reihe von Fluß- und Energiever­ brauchssensoren zum Bewerten des Betriebs der Quelle ist in der US-Patentschrift 4,767,280 (Markuson), und ein Prozes­ sor, der weitere Faktoren wie die Anteile von Öl und Wasser in der gesammelten Flüssigkeit integriert, ist in der US- Patentschrift 5,070,725 (Cox et al.) offenbart.

Obwohl die Erfindung hierin in der Hauptsache bezugnehmend auf eine Schwingbalkenpumpe beschrieben wird, ist es eben­ falls möglich, die Ideen bzw. Begriffe einer Schwingbalken­ pumpe auf andere Formen periodischer Lasten anzuwenden. Die US-Patentschriften 4,601,640 und 4,493,613 (beide Sommer) offenbaren beispielsweise eine kompakte Pumpenanordnung, die einen Kolben hin- und herbewegt, die jedoch keinen Aus­ legerbalken verwendet. Anstelle dessen betätigt ein Umsteu­ ermotor den Kolben über ein Kabel. Auf diese sowie die vor­ stehend genannten US-Patentveröffentlichungen wird hiermit aus Gründen ihrer Lehre betreffend die Steuerung von Bohr­ quellenmotoren und Meßanordnungen Bezug genommen.

Quellen sind häufig aus Gründen der Bewertung von Betriebs­ parametern mit Instrumenten ausgerüstet. Die von der Quelle abgegebene Flüssigkeits-Ausflußmenge ist ein für die Mes­ sung vorteilhafter Parameter, der unter Verwendung von Durchflußmengensensoren an beliebiger Stelle entlang der Rohrleitung, durch die die Flüssigkeit gepumpt wird, gemes­ sen werden kann. Die durch die Pumpe im Bohrloch erzeugten Flüssigkeitsdrücke können ebenfalls überwacht und zur Er­ zeugung weiterer Informationen, wie beispielsweise die Ge­ schwindigkeit, mit-der die geologische Formation die Pumpe befüllen kann, und anderer Gesichtspunkte der Leistung der Quelle verwendet werden. Ein Mittel zum indirekten Erfassen des Flüssigkeitsdrucks der Quelle ist das Erfassen der Spannungs- und Druckbelastung der sich bewegenden Pumpenan­ ordnungen, beispielsweise unter Verwendung von an derarti­ gen Anordnungen befestigten Dehnungsmeßvorrichtungen oder zwischen diese eingekoppelte Meßdosen.

Eine Anzahl von Gesichtspunkten der Quellen- und/oder Pum­ pleistung sind sachdienlich für Fragen des Wirkungsgrades, der Instandhaltung, der Leistungsfähigkeit, des Umschaltens zwischen Betriebsarten und dergleichen. Die Aufgabe der Quelle ist natürlich, die maximal mögliche Menge an Flüs­ sigkeit zu fördern, sowie vorzugsweise den prozentualen Anteil an in der Flüssigkeit enthaltenem Öl gegenüber Was­ ser oder Schlamm zu maximieren, während der Energiever­ brauch der Pumpe minimiert wird. Ein Optimieren des Pumpen­ betriebs erfordert jedoch, daß der Betrieb der Pumpe zur Anpassung an Betriebszustände variierbar ist. Eine Überwa­ chungsanlage und eine Steuereinrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen und zur Einstellung von Betriebsparame­ tern, wie die Wiederholrate des zyklischen Betriebs, die Art und Weise, in der Leistung den Motorwindungen zugeführt wird und so weiter, können zur Verfügung gestellt werden.

Der Betrag an Nutzarbeit, den eine Flüssigkeitstranspor­ teinrichtung leistet, ist das Produkt aus der Massenrate der Flüssigkeitsströmung und dem Differential des Druckes oder der Druckhöhe. Der gesamte von der Pumpe erzeugte Druck beinhaltet statische und dynamische Faktoren wie die Höhe der Ausströmmenge und die aufrechterhaltene Hubhöhe, die Höhe der Geschwindigkeit, Reibungswiderstände, etc. Die Schwankungen in einer Reihe dieser Faktoren, insbesondere des Flüssigkeitsdrucks und der Flüssigkeitsströmung, sind periodisch aufgrund der periodischen Arbeitsweise der Pumpe. Es ist deshalb erforderlich, die Flüssigkeitsdruck- und Flüssigkeitsströmungsinformation als Funktion des Punk­ tes, an dem derartige Daten im periodischen Zyklus der Pumpe abgetastet werden, zu bewerten. Die Überwachungs- und Steueranlage der Pumpe erfordert folglich die Eingabe von Informationen über den gegenwärtigen Phasenwinkel der Pumpe.

Der Phasenwinkel der Pumpe kann mittels mehr oder weniger hochentwickelten Einrichtungen gemessen werden. Beispiels­ weise kann ein Grenzschalter für wiederholte Betätigung durch Kontakt mit dem Auslegerbalken der Pumpe angebracht sein, der zur Triggerung des Abtastens von Prozeßdaten am selben Punkt jedes Zyklus oder in Abständen gezählter Zy­ klen verwendet wird. Ein Wellenwinkelkodierer kann zur Er­ zeugung von Impulsen mit Winkelversatz zum Auslegerbalken oder zur Motorkurbel bzw. Motorwelle etc. angebracht sein, der es erlaubt, Messungen an festgelegten Punkten im Zyklus durchzuführen. Diese Einrichtungen erfordern eine geeignete Anfangseinstellung und Wartung und sind von mechanischem Ausfall bedroht. Die bekannten Anordnungen sind folglich sowohl anfänglich als auch bei fortlaufender Instandhaltung kostenintensiv.

Es ist während des Betriebs einer Stangenpumpe oder der­ gleichen möglich, die Pumpe mit einer Frequenz zu betrei­ ben, die die Geschwindigkeit übersteigt, mit der die geolo­ gische Formation den Schöpfraum der Pumpe füllen kann. Sollte die Pumpe mit einer zu großen Geschwindigkeit be­ trieben werden, so wird ein Teil der für die Hin- und Her­ bewegung der Pumpe auf gewendeten elektrischen Energie ver­ geudet, da jeder Hub nur einen Teil der vollen Hubkapazität der Pumpe nach oben fördert. Der ineffiziente Betrieb der Pumpe ist auf diese Weise gekennzeichnet durch einen größe­ ren Aufwand an Reibungsenergie pro gepumpte Flüssigkeits­ einheit im Vergleich zu dem Aufwand, der benötigt würde, wenn der Schöpfraum zwischen den Hüben gefüllt und jeder Hub ein der vollen Hubkapazität entsprechendes Volumen för­ dern würde.

Wenn die Pumpenstange einen Abwärtshub beginnt, so muß der Pumpenmotor die Gegengewichte unter Verwendung elektrischer Energie heben, wenn das Bohrloch gefüllt ist. Ist das Bohr­ loch abgepumpt (noch nicht aufgefüllt), so bewegt sich die Pumpenstange während des Abwärtshubs durch Luft, bis der Flüssigkeitspegel erreicht wird. Die Schwerkraft und das zusammengesetzte Gewicht der Pumpenstange und der in der Pumpenstange beförderten Flüssigkeit leisten während dieses freien Falls der Pumpenstange bei dem Heben der Gegenge­ wichte Unterstützung. Erreicht die Pumpenstange die Flüs­ sigkeitsoberfläche, so ist die Motorleistung größer. Zum Ermitteln, daß die Pumpe nicht mit derselben Geschwindig­ keit aufgefüllt wird, mit der die Flüssigkeit herausgepumpt wird, können Dehnungsmeßvorrichtungen oder Meßdosen und Stangenpositionssensoren angebracht werden. Derartige Mes­ sungen sind jedoch komplex, und die Sensoren und Anschlüsse sind mechanischer Belastung ausgesetzt.

Vorteilhaft wäre es, eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, die die zur Bewertung oder Steuerung dieses Ge­ sichtspunktes des Pumpenbetriebs notwendigen Informationen ohne derartige Baugruppen ermitteln kann. Die vorliegende Erfindung ist zur Entwicklung von Information über die Füll- bzw. Auffüllgeschwindigkeit einer Stangenpumpe indi­ rekt aus Änderungen der Belastung des Pumpenmotors angeord­ net. Es wurde erkannt, daß die Aufnahme elektrischer Lei­ stung durch den Pumpenmotor in dem für unvollständige Pum­ penfüllung charakteristischen Zustand des freien Falls auf etwa die Hälfte der Leistungsaufnahme unter Normalbedingun­ gen bei gefüllter Pumpe herabgesetzt ist. Durch Aufnehmen und untersuchen abgetasteter, elektrischen Leistungsver­ brauch repräsentierender Daten, die in Bezug zu einem wäh­ rend jedes Pumpzyklus aus dem Punkt der minimalen Momen­ tanleistungsaufnahme ermittelten Phasenwinkel stehen, er­ faßt die Erfindung den Füllzustand der Pumpe. Die Füllzu­ standsdaten können weitergegeben oder dazu verwendet wer­ den, eine Pumpen-Abschaltsteuereinrichtung anzuweisen, die Arbeitsgeschwindigkeit der Pumpe herabzusetzen oder einen inaktiven Zustand einzunehmen, um der geologischen Forma­ tion eine Erholungszeit einzuräumen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Betriebsparameter einer periodischen Last wie beispielsweise einer Bohrquel­ lenpumpe aus der elektrischen Belastung eines die Pumpe betätigenden Motors zu bewerten.

Darüber hinaus soll mit der Erfindung eine Pumpensteuerein­ richtung zur Verfügung gestellt werden, die Informationen zum Bewerten des Betriebs einer Quelle und einer Quellen­ pumpe mit kleinstem Vertrauen auf Sensoren entwickelt, und die anstelle dessen die durch die Pumpensteuereinrichtung erfaßten Änderungen in der Leistungsaufnahme des Pumpenmo­ tors verwendet.

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist die Integration der Lösung der vorstehenden Aufgaben in eine modulare Lei­ stungsschutzeinrichtung, die als eine Zusatzeinrichtung für eine Schützeinrichtung oder einen Auslöser verwendbar ist, und die über eine Einrichtung zum Überwachen der Leistungs­ aufnahme einer mit ihr verbundenen Last sowie bevorzugter­ weise zum Erfassen sowohl des zwischen einen Pumpenmotor und ein Stromversorgungsnetz gekoppelten Leistungspegels als auch der Polarität einer solchen Leistung verfügt.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst unter Verwendung einer Pumpensteuereinrichtung, die den Elektromotor einer periodisch arbeitenden Bohrquellenpumpe mit einer Kraftleitung verbindet. Das Maß, bis zu welchem sich eine sich hin- und herbewegende Pumpe für eine Ölquel­ le zwischen aufeinanderfolgenden Pumphüben füllt, wird in­ direkt aus Änderungen in der Leistungsaufnahme eines die Pumpe antreibenden Elektromotors ermittelt. Die Leistungs­ aufnahme wird numerisch abgetastet, und eine Verarbeitungs­ einrichtung ermittelt die Phase von Daten in den Abtastwer­ ten aus Phasenreferenzen, die durch einen spitzenwert und/oder einen Nulldurchgang in dem periodischen Betriebs­ ablauf von Pumpe und Motor festgelegt sind. Füllt sich die Pumpe unvollständig zwischen Hüben, beispielsweise, wenn die Pumpe mit einer zu hohen Frequenz betrieben wird, so bewegt sich die Bohrlochstange während des Abwärtshubs ge­ gen einen verminderten Widerstand. Die Verarbeitungsein­ richtung ermittelt den Punkt im Pumpzyklus, an dem die Bohrlochstange auf Flüssigkeit trifft, aus der erhöhten Leistungsaufnahme, und erhält somit eine indirekte Füllzu­ standsanzeige. Die Momentanleistungsaufnahme wird vorzugs­ weise mittels einem Watt-Meßwandlermodul wie beispielsweise der Westinghouse Electric Energy Sentinel (TM) Watt-Meß­ wandler, in Verbindung mit einem elektrischen Schütz oder Abschalter, wie beispielsweise der Westinghouse Advantage (TM) Dreiphasenschütz, gemessen. Die Einrichtung ist in einer verbesserten Pumpensteuereinrichtung oder "Pumpen Bedienpult" enthalten, die eine programmierbare, die Funk­ tionen der Verarbeitungseinrichtung bewirkende und ferner als Pumpenabschaltsteuerung zur Regelung der Ingangsetzung der Pumpe arbeitende Steuereinrichtung aufweist.

Die in Übereinstimmung mit der Erfindung erzeugten Signale können darüber hinaus in Abhängigkeit von einer Anzahl von Pumpen in Multiplexbetrieb einer zentralisierten Steuerein­ richtung zugeführt werden, beispielsweise unter Verwendung multiplexender oder entfernter Datenübermittlungseinrich­ tungen.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vertikalansicht einer erfindungsgemäßen peri­ odisch betriebenen Pumpenanordnung;

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm, welches die funk­ tionellen Elemente der Erfindung darstellt;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Meß- und Verarbeitungsschritte gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Anordnung, bei der die momentane Leistungsaufnahme aus dem effektiven Mittelwert des Stromes ermittelt wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Wie in Fig. 1 dargestellt, weist eine Quellen-Pumpenanord­ nung 20 eine Reihe von Verbindungsstangen 22 auf, die eine lochabwärts angeordnete Kolben-/Kammerpumpe 24 mit einer Oberflächen-Schwingbalkenpumpe 30 verbinden. Die Oberflä­ chenpumpe 30 weist einen Schwingbalken 32 auf, dessen eines Ende 34 mit den lochabwärtigen Stangen 22 und dessen entge­ gengesetztes Ende 36 mittels exzentrischen Verbindungsglie­ dern mit einem rotierenden Gegengewichtelement 38 verbunden ist. Das Gegengewichtelement 38 ist durch einen Riemen- oder Kettenantrieb und/oder über einen Getriebezug mit ei­ nem Elektromotor 40 verbunden und wird durch diesen in Drehbewegung versetzt. Wenn der Motor 40 das Gegengewichte­ lement 38 dreht, wird der Balken 32 in eine Schwingbewegung versetzt, um die lochabwärtigen Stangen zu heben und zu senken, wodurch die Pumpe 24 auf eine periodische Art und Weise mit einer vergleichbar niedrigen Frequenz betrieben wird. Der Motor 40 kann als Dreiphasen Mehrwicklungs-Wech­ selspannungsmotor ausgeführt sein, der beispielsweise bei 440 V Wechselspannung betreibbar ist und der, in Abhängig­ keit von der Tiefe und der Leistungsfähigkeit der Pumpe, 10 bis 125 Pferdestärken entwickelt. Wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, kann in der Pumpenanordnung 20 ein Schütz 44 vor­ gesehen sein zum Wechseln der Wicklungskonfiguration zwi­ schen ,L, ΔY und Δ gemäß den US-Patentschriften 4,220,440 (Taylor) und 4,695,779 (Yates), mit dem das Pumpen in Gang gesetzt oder unterbunden wird werden kann, und der mit ei­ ner Über-/Unterlast-Steuereinrichtung, die eine Verarbei­ tungseinrichtung bzw. einen Prozessor und Zeitgebereinrich­ tungen gemäß der US-Patentschrift 4,767,280 (Markuson) be­ inhaltet, verbunden werden kann.

Eine Steuereinrichtung 50 dieses allgemeinen Typs ist zum Berechnen der Werte von Prozeßvariablen aus der an den Pum­ penmotor 40 angelegten elektrischen Leistung vorgesehen. Als Ergebnis werden Quellen- und Pumpleistungs-Überwa­ chungsdaten erhalten, und es können Entscheidungen für die Steuerung des Betriebs der Pumpe 20 gefällt werden, ohne oder mit minimalem Vertrauen auf Sensoren zur Erfassung von Spannung, Verdichtung, Durchflußmenge, Druck und anderer ähnlicher Variablen, die anderweitig zur Bewertung des Pum­ penbetriebs herangezogen werden könnten.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist die Steuereinrichtung 50 mit einem Meßwandler 54 verbunden, der zum Erfassen der momen­ tanen, der Kraftleitung 66 durch den die Quellenpumpe 24 betätigenden Motor 40 entnommenen elektrischen Leistung dient. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Steuereinrichtung 50 einen digitalen Prozessor 56, und der Meßwandler 54 weist einen Watt-Meßwandler auf, der eine Ausgangsspannung proportional zur Momentanleistung erzeugt. Der Watt-Meßwandler kann ein Energy Sentinel Meßwandler sein, der als modularer Abschnitt eines Abschalters oder Schützes vorgesehen ist, und der ein die Amplitude der zwi­ schen dem Pumpenmotor und dem Stromversorgungsnetz einge­ koppelten Leistung repräsentierendes Ausgangssignal sowie die Polarität erzeugt, die sich typischerweise während ei­ ner regenerativen Phase des Pumpzyklus im oberen Totpunkt umkehrt, wenn die Bewegungsenergie der Pumpe Leistung in das Netz zurückspeist. Dementsprechend sollte der hier ver­ wendete Begriff "Leistungs- oder Stromaufnahme" so ausge­ legt werden, daß er die Wiedergewinnung von Leistung oder eine negative Leistungsaufnahme einschließt. Ein in jedem Zyklus auftretender Spitzenwert oder Nulldurchgang, wie beispielsweise das Minimum der Leistungsaufnahme, wird zur Festlegung eines Referenzpunktes oder einer Referenzphase in der periodischen Leistungsänderung der Pumpe verwendet, wobei Änderungen in der Leistung über der Zeit unter Bezug­ nahme auf ihren Phasenwinkel im Zyklus der Pumpe untersucht werden können.

Die von dem Watt-Meßwandler abgegebene Spannung wird unter Verwendung eines Analog-Digital-Umsetzers 58 abgetastet, der durch die Steuereinrichtung 50 mit einer Frequenz we­ sentlich höher als die Frequenz des zyklischen Pumpbe­ triebs, beispielsweise mehrere Male pro Sekunde, getaktet wird. Der Watt-Meßwandler 54 mittelt die Wechselspannungs- Leistungsaufnahme des Motors 40 über die Frequenz der Kraftleitung, erzeugt jedoch ein im wesentlichen sinusför­ miges Ausgangssignal mit der Frequenz der Pumpe 24. Dies tritt auf, weil der Motor 40 periodisch belastet wird, wenn die Pumpe 24 die lochabwärtigen Pumpenstangen 22 während jedes Pumpzyklus hebt und senkt. Die Pumpenanordnung durch­ läuft einen Arbeitshub und daraufhin mit fortsetzender Be­ wegungsenergie einen Wiedergewinnungshub, wobei jeder Zy­ klus die Arbeits- und Wiedergewinnungsabschnitte beinhal­ tet.

Die Motorbelastung hat ein Minimum während der Zeiten, zu denen sich der Balken 32 im Höchstpunkt und im Tiefstpunkt seiner Hubbewegung befindet. Ein absolutes Minimum tritt unmittelbar vor dem Abschnitt des Abwärtshubs des Zyklus auf. An diesem Punkt kehrt sich die Leistung um und wird negativ, da die Bewegungsenergie der Pumpe 24 und die ver­ bindenden Stangenanordnungen 22 die Wiedergewinnung durch den Motor 40 verursacht.

Der Watt-Meßwandler mißt wirkungsvoll den Effektivwert des Stroms in den Motorwicklungen 64 und den Effektivwert der Spannung an der Kraftleitung 66 und multipliziert diese Werte, um das an den Analog-Digital-Umsetzer 58 übergebene, den Momentanleistungspegel darstellende Ausgangssignal zu erzeugen. Es ist ebenso möglich, den Momentanleistungspegel durch Messen lediglich des Stroms anzunähern, womit folg­ lich angenommen wird, daß der Pegel der Spannung gleich der Nennspannung des Stromversorgungsnetzes bleibt. Um jedoch Information betreffend den Wiedergewinnungsabschnitt des Zyklus zu erhalten, darf nicht nur die Stromamplitude ge­ messen werden, sondern es muß ebenfalls die Polarität der zwischen das Stromversorgungsnetz und den Motor eingekop­ pelten Leistung ermittelt werden, d. h., ob das Netz dem Motor Leistung zuführt oder umgekehrt. Das Energy Sentinel spricht sowohl auf Strom als auch auf Spannung an, und ebenso auf die Polarität der Leistung. Ein Vertrauen auf eine Strommessung allein bietet eine Näherung, ist jedoch aufgrund der reaktiven Natur der elektrischen Last weniger genau als die die Berücksichtigung von Strom und Spannung, insbesondere, wenn der Motor 40 periodisch belastet und entlastet wird.

Vorzugsweise wird die Erfindung als verbesserte Ausführung einer Pumpensteuereinrichtung des in der Industrie als "Pumpen-Bedienpult" bekannten Typs ausgestaltet, jedoch mit zusätzlichen Rechenfähigkeiten versehen, um die Ziele der Erfindung zu erreichen. Das intelligente Pumpen-Bedienpult gemäß der Erfindung kann auf einem elektromechanischen Schütz-Motoranlasser oder einer Auslöseranordnung wie bei­ spielsweise dem durch die Westinghouse Electric Corporation angebotenen Advantage (TM) Dreiphasen-Abschalter basieren, der bevorzugter weise das Energy Sentinel (TM)-Modul bein­ haltet, welches auf dem Anlasser angebracht ist und Strom- und Spannungsmeßkreise aufweist, ferner eine Filter- und Multipliziereranordnung sowie einen Analog-Digital-Umsetzer zum Erzeugen eines Digitalen Ausgangssignals, das die zwi­ schen der Kraftleitung und der mit dieser verbundenen Last, wie beispielsweise der Motor 40, eingekoppelte Momentane­ nergie darstellt. Die digitalen Daten werden einer program­ mierbaren Steuereinrichtung zugeführt, die den Prozessor 56 der Steuereinrichtung 50 bildet, und beispielsweise alle 150 bis 200 ms eingelesen, um momentane Leistungsaufnahme­ daten zu ermitteln. Die programmierbare Steuereinrichtung ist mit Eingabe-/Ausgabemodulen verbunden, wobei die Abta­ stdaten und die durch Berechnung aus den Abtastdaten und/oder von weiteren Sensoreingangssignalen erzeugten Da­ ten zu Aufzeichnungs- oder Übertragungseinrichtungen über­ mittelt werden können. Die durch die Steuereinrichtung 50 ermittelten Ausgangsdaten werden bevorzugt mittels Funkmo­ dem, Leitungstreibern, telefonischem Modem oder dergleichen an einen entfernten Ort übertragen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Daten lediglich lokal in Verbindung mit einer Pumpen-Abschaltsteuereinrichtung (zum Bestimmen, wann und für wie lange die Pumpe in Betrieb sein soll), die die hier erörterten zusätzlichen Fähigkeiten besitzt, zu verwenden.

Ebenso ist es möglich, eine geteilte Kommunikation zwischen den Watt-Meßwandlern einer Vielzahl von Pumpenmotoren und einer einzelnen Steuereinrichtung vorzusehen, beispielswei­ se unter Einsatz eines Zeit- oder Frequenzmultiplexverfah­ rens. Die von einer Vielzahl von Steuereinrichtungen, von denen jede eine einzelne Pumpe oder eine Gruppe von Pumpen bedient, erzeugten Daten können an eine zentralisiertere Steuerung oder Datenaufzeichnungssteuereinrichtung übermit­ telt werden.

Wie in dem Ablaufdiagramm gemäß Fig. 3 dargestellt, spei­ chert der Prozessor 56 der Steuereinrichtung 50 die den abgetasteten Leistungspegel darstellenden Daten und verar­ beitet diese, um die Zeiten zu ermitteln, zu denen aufein­ anderfolgende Minima auftreten. Diese Zeiten definieren die Betriebspumpfrequenz. Die Steuereinrichtung 50 integriert sodann den erfaßten Momentanleistungspegel durch Addieren der abgetastenen Datenwerte über einen vollständigen Pump­ zyklus. Das Ergebnis ist ein der ausgeübten hydraulischen Kraft proportionaler Wert plus einem Wert, der die gesamten Reibungsverluste der Pumpenanordnung 20 und des Motors 40 darstellt.

Der über den Pumpzyklus integrierte Leistungspegel wird gespeichert oder aufgezeichnet, um eine Analyse oder einen Vergleich der Leistungspegel über eine Anzahl von Zyklen zu ermöglichen. Die Steuereinrichtung 50 kann zum Speichern der Daten in einem lokalen Speicher 72 und/oder zum Auf­ zeichnen der Daten für eine Langzeitspeicherung auf einem Band oder einer Platte, zum Drucken von Berichten oder gra­ phischen Darstellungen, oder zum Berichten der Daten über Fernübertragung, beispielsweise über ein Modem ausgebildet sein.

Die ausgeübte hydraulische Kraft und die Reibungsverluste schwanken über die Zeit und für aufeinanderfolgende Pumpzy­ klen. Reibungsverluste jedoch neigen dazu, im Vergleich zu Änderungen der hydraulischen Kraft oder durch die Pumpe 24 verrichteter Nutzarbeit sehr langsam zu schwanken. Die Lei­ stungsschwankungen über eine relativ kurze Zeitspanne (z. B. kürzer als ein Tag) sind hauptsächlich auf Änderungen der hydraulischen Kraft zurückzuführen. Gemäß der Erfindung sind diese Leistungsschwankungen zu der durch die Pumpe geleisteten Nutzarbeit, d. h. zu dem aus der Quelle geför­ derten Volumen korreliert.

Die Schwankungen der hydraulischen Leistung (d. h., die Än­ derungen über Zeitspannen länger als die Pumpzyklusfre­ quenz) können analysiert und in einer Anzahl von Arten ver­ wendet werden. Über das Melden des näherungsweise gepumpten Flüssigkeitsvolumens hinaus können die Schwankungen dazu verwendet werden, Betriebs- und Instandhaltungsentscheidun­ gen zu treffen. Der Schütz 44, der durch Ausgangssignale der Steuereinrichtung 50 betätigt wird, kann die Pumpe ak­ tivieren und deaktivieren, die Verschaltung der Pumpenmo­ torwicklungen 64 ändern, Alarme oder Signale für die In­ standhaltung abgeben und die Pumpenanordnung anderweitig für einen effektiven Betrieb steuern, und sich dabei im wesentlichen auf die für die Steuereinrichtung 50 durch Überwachen der elektrischen Leistungsaufnahme des Pumpenmo­ tors 40 erhältliche Information stützen.

Erfindungsgemäß kann die Steuereinrichtung das Ausmaß, in dem die Pumpe zwischen Pumphüben mit Flüssigkeit gefüllt wird, abschätzen. Bei dem Betrieb einer Stangenpumpe oder dergleichen kann die Pumpe mit einer Pumpfrequenz betrieben werden, die größer ist als die Geschwindigkeit, mit der die geologische Formation den Schöpfraum befüllt. Dies ist ineffizient. Sollte die Pumpe mit einer zu großen Geschwin­ digkeit betrieben werden, so wird ein Teil der für die Hin- und Herbewegung der Pumpe auf gewendeten elektrischen Ener­ gie vergeudet, da jeder Hub nur einen Teil der vollen Hub­ kapazität der Pumpe nach oben fördert.

Wenn die Pumpenstange einen Abwärtshub beginnt, muß der Pumpenmotor die Gegengewichte unter Einsatz elektrischer Leistung heben, falls das Bohrloch gefüllt ist. Falls das Bohrloch abgepumpt (noch nicht wieder gefüllt) ist, so be­ wegt sich die Pumpenstange während des Abwärtshubs durch Luft, bis der Flüssigkeitspegel erreicht ist. Die Schwer­ kraft und das zusammengesetzte Gewicht der Pumpenstange und der in der Pumpenstange beförderten Flüssigkeit unterstüt­ zen das Heben der Gegengewichte während dieses freien Falls der Pumpenstange. Die Motorleistung ist größer, wenn die Pumpenstange die Oberfläche der Flüssigkeit erreicht.

Erfindungsgemäß werden die abgetasteten Leistungsaufnahme­ pegel durch die Steuereinrichtung analysiert, um zwischen den Zuständen einer gefüllten und einer leeren Pumpe zu unterscheiden, und um bevorzugter weise den Grad der Pumpen­ füllung zwischen diesen Extremen zu ermitteln. Die Lei­ stungsaufnahme in einem Zustand freien Falls der Pumpen­ stangen ist näherungsweise die Hälfte der Leistungsaufnahme des Normalzustands, in dem die Pumpe gefüllt ist. Durch Erfassen und Untersuchen abgetasteter, die elektrische Lei­ stungsaufnahme repräsentierender Daten, die in Bezug zu einem während jedes Pumpzyklus aus dem Punkt der minimalen Momentanleistungsaufnahme ermittelten Phasenwinkel stehen, erfaßt die Erfindung den Füllzustand der Pumpe.

Wie in dem Ablaufdiagramm gemäß Fig. 3 dargestellt, sind aufeinanderfolgende Pumpzyklen definiert durch die Suche nach wiederholten Spitzenwerten oder Nulldurchgängen in dem über den Watt-Meßwandler abgetasteten Leistungspegel. Diese Daten können dazu verwendet werden, verschiedene zusätzli­ che Berechnungen wie beispielsweise das Abschätzen des ge­ pumpten Gesamtvolumens oder die Reibungsbelastung der Pumpe durchzuführen. Erfindungsgemäß wird der Abschnitt des Ab­ wärtshubs des Pumpzyklus in den Abtastwerten durch interpo­ lieren zwischen den Spitzenwerten oder den Nulldurchgängen aufgefunden. Eine unvollständige Pumpenfüllung erzeugt eine Schwankung in der Pumpenleistung in diesem Phasenbereich, wie in Fig. 3 durch unterbrochene Linien im unteren Lei­ stungs-Zeit-Diagramm dargestellt. Die Steuereinrichtung soll den Grad abschätzen, zu dem sich die Pumpe nicht er­ holt bzw. gefüllt hat, und insbesondere die Phasenlage er­ mitteln, an der der Leistungspegel von einem (aufgrund des freien Fallens der Pumpe) herabgesetzten Pegel auf den Nennpegel (wenn die Pumpe auf Flüssigkeit auftrifft) an­ steigt. Der Zeitpunkt der Rückkehr auf den Nennleistungspe­ gel steht dann in Beziehung zu dem teilweisen Füllzustand der Pumpe zwischen Hüben. Die Füllzustandsdaten können wei­ tergegeben oder dazu verwendet werden, einer Pumpenab­ schaltsteuereinrichtung anzuzeigen, die Arbeitsgeschwindig­ keit der Pumpe zu verringern oder einen inaktiven Zustand einzunehmen, um der geologischen Formation zu erlauben, sich zu erholen.

Fig. 4 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbei­ spiel, bei dem der Leistungspegel aus der Momentanstrom­ stärke ermittelt wird, wodurch eine näherungsweise Bestim­ mung der Leistungsaufnahme ermöglicht wird. Diese Näherung sollte, wie vorstehend erörtert, die Polarität der Lei­ stungskopplung zwischen der Kraftleitung und der Last bein­ halten. Darüber hinaus sind bei dem gezeigten Ausführungs­ beispiel zur präziseren Verarbeitung des abgetasteten Lei­ stungspegels Sensoren 82 und 86 vorgesehen, um die durch die Pumpe 24 verrichtete Nutzarbeit von Reibungsverlusten und anderem Ballast zu unterscheiden. Zumindest ein Durch­ flußmengensensor 82 ist entlang einer Auslaßrohrleitung 84 der Pumpe 24 befestigt und mit dem Prozessor 56 zum Erfas­ sen der Daten durch direkte Messung verbunden. Der Durch­ flußmengensensor 82 ist zumindest intermittierend betreib­ bar, um zum Kalibrieren der durch den Prozessor 56 durchge­ führten Berechnungen die Flüssigkeits-Durchflußmenge zu messen. Momentandurchflußmengendaten werden ebenfalls über einen Pumpzyklus integriert. Die tatsächliche Flüssigkeits- Durchflußmenge während eines Zyklus oder, vorzugsweise, die über eine Anzahl von Zyklen gemittelte Flüssigkeits-Durch­ flußmenge wird zur Umsetzung von Einheiten hydraulischer Arbeit (beispielsweise wird das Produkt aus der geförderten Flüssigkeits-Druckhöhe mal dem integrierten Ausflußvolumen und dem gemittelten Gewicht in Einheiten elektrischer Lei­ stung, z. B. Wattstunden, umgesetzt) im Maßstab festgelegt und von der gemessenen elektrischen Gesamtbelastung subtra­ hiert, um den Anteil der durch Reibung verlorenen Leistung zu ermitteln. Die Reibungsverluste können zeitlich fortge­ setzt überwacht werden, um zu bestimmen, zu welchem Zeit­ punkt eine Wartung der Pumpe erforderlich ist. Der in die integrierten elektrischen Leistungsdaten einbezogene Aus­ gleichsfaktor kann aktualisiert werden, wobei ein gleich­ bleibender Betrieb des Durchflußmengensensors nicht erfor­ derlich ist.

Wie ebenfalls in Fig. 4 gezeigt, ist ein Dichtesensor 86 ebenso vorzugsweise entlang der Auslaßrohrleitung 84 der Pumpe 24 angebracht und mit dem Steuerprozessor 56 zur Er­ zielung einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit verbun­ den. Der Dichtesensor 86 dient zur Messung der Dichte der gepumpten Flüssigkeit, welche charakteristischerweise Öl, Wasser und Schlamm enthält. Die Anteile von Wasser und Schlamm beeinträchtigen die zur Förderung der Flüssigkeit erforderliche Arbeit. Der Prozessor 56 ist derart betreib­ bar, daß die betrachtete Dichte bei der Berechnung eines Flüssigkeits-Ausflußvolumens der Pumpe 24 als Funktion der integrierten Arbeitsdaten und der Dichte gewichtet wird, wobei diese Daten ebenfalls aufgezeichnet und weitergegeben werden. Die Durchflußmengen- und Dichtesensoren können ana­ loge oder digitale Ausgangssignale in einer bekannten Art und Weise erzeugen. Analoge Werte werden an den Prozessor 56 über einen Analog-Digital-Umsetzer übergeben. Digitale numerische Werte können an Prozessoreingänge angelegt wer­ den. Impulsförmige digitale Signale können dem Prozessor 56 über einen Zähler zugeführt werden oder zur Triggerung ei­ ner Unterbrechungsanforderung des Prozessors verwendet wer­ den.

Die Durchflußmengen- und Dichtedaten sind nützlich zum Ent­ fernen der verwirrenden Einflüsse der Schwankungen der Rei­ bung und der Eigenschaften der gepumpten Flüssigkeit. Dem­ entsprechend entsprechen die zyklischen Leistungspegeldaten präziser dem praktischen Betrieb der Pumpe bei dem Fördern der Flüssigkeit und, erfindungsgemäß, bei dem ermitteln des Grades, zu dem die Pumpe zwischen Hüben befüllt wird. Der­ artige Daten sind durch das Zulassen einer Nachkalibrierung von zur Umsetzung von elektrischen Leistungsdaten in Ein­ heiten hydraulischer Arbeit verwendeter Maßstabs- und Aus­ gleichsfaktoren ferner nützlich zum Einstellen von Schätz­ werten der Flüssigkeits-Ausflußmenge und von Reibungsverlu­ sten.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit den vorstehend be­ schriebenen Beispielen und Modifikationen offenbart. Weite­ re Modifikationen werden für den Fachmann nun offensicht­ lich sein. Die Erfindung soll nicht auf die im Einzelnen erwähnten Modifikationen beschränkt sein, und es soll dem­ gemäß zur Bewertung des Schutzbereichs der Erfindung, in­ nerhalb dessen Exklusivrechte beansprucht werden, anstelle auf die vorstehende Erörterung bevorzugter Beispiele auf die anliegenden Patentansprüche Bezug genommen werden.

Claims (7)

1 Pumpensteuereinrichtung für eine Quellenpumpe mit einer Pumpeinrichtung, die zyklisch mittels durch einen mit einer Kraftleitung verbundenen Elektromotor zugeführter Leistung betrieben wird- wobei die Quelle eine maximale Belastbar­ keit pro Pumphub aufweist, gekennzeichnet durch
eine Meßvorrichtung zum Messen einer dem Motor durch die Kraftleitung zugeführten Momentanstromstärke und einer Mo­ mentanspannung der Kraftleitung, die ein die elektrische Momentanleistungsaufnahme repräsentierendes Ausgangssignal als Funktion des Produktes des Momentanstromes und der Mo­ mentanspannung erzeugt,
eine Zeitvorrichtung, die einen Zeitpunkt des Durchlaufens der Quellenpumpe durch einen Bezugspunkt innerhalb periodi­ scher Zyklen der Quellenpumpe ermittelt, und
eine Verarbeitungseinrichtung, mit der das Ausgangssignal der Meßvorrichtung für aufeinanderfolgende periodische Zy­ klen bei zumindest einem vorbestimmten Phasenabschnitt be­ zogen auf den Bezugspunkt vergleichbar ist zum Erkennen von für den Betrieb mit einer geringeren als der maximalen Lei­ stungsfähigkeit pro Pumphub charakteristischen Schwankungen der Leistungsaufnahme der Quellenpumpe.

2. Pumpensteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Durchlaufen der Pumpe durch den Bezugs­ punkt durch die Verarbeitungseinrichtung mittels einem re­ lativen Spitzenwert oder einem Nulldurchgang in der elek­ trischen Momentanleistungsaufnahme ermittelt wird.

3. Pumpensteuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bezugspunkt ein Punkt minimaler Lei­ stungsaufnahme ist, der zwischen einem Arbeitshub in den Zyklen und einer durch die Bewegungsenergie der Pumpe be­ dingte Rückkopplung durch den Motor auftritt.

4. Pumpensteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zumindest eine vorbestimmte Phasenab­ schnitt einen Abwärtshub der Pumpe beinhaltet, und daß die Verarbeitungseinrichtung derart betreibbar ist, daß eine Verringerung der Leistungsaufnahme während des Abwärthubs, die kennzeichnend ist für ein Fallen eines Teils der Pumpe auf ein Flüssigkeitsniveau in einem Schöpfraum der Pumpe, erfaßt wird.

5. Pumpensteuereinrichtung nach Anspruch l, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung derart betreib­ bar ist, daß die Leistungsaufnahme während des Abwärtshubs jedes der aufeinanderfolgenden Zyklen der Pumpe integriert und eine Gesamtleistungsaufnahme während des Abwärtstakts mit einem vorbestimmten minimalen Wert verglichen werden, und daß die Verarbeitungseinrichtung eine Gesamtleistungs­ aufnahme-Einrichtung umfaßt zum Abgeben eines Signals, wenn die Gesamtleistungsaufnahme während des Abwärtshubs den vorbestimmten minimalen Wert nicht übersteigt.

6. Pumpensteuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der vorbestimmte minimale Wert näherungsweise die Hälfte einer für den Betrieb mit der maximalen Lei­ stungsfähigkeit pro Pumphub kennzeichnenden Nennleistungs­ aufnahme ist.

7. Pumpensteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine elektrische Schützeinrichtung vorgesehen ist, die den Motor mit der Kraftleitung verbindet, und daß die Meßeinrichtung durch einen Watt-Meßwandler der elektri­ schen Schützeinrichtung ausgezeichnet ist.