EP3816444A1 - Verfahren zur bestimmung von betriebseigenschaften einer gestänge-tiefpumpe sowie pumpsystem hierfür - Google Patents

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EP3816444A1
EP3816444A1 EP19206209.9A EP19206209A EP3816444A1 EP 3816444 A1 EP3816444 A1 EP 3816444A1 EP 19206209 A EP19206209 A EP 19206209A EP 3816444 A1 EP3816444 A1 EP 3816444A1
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EP
European Patent Office
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pump
determined
power consumption
motor
determining
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19206209.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Gschiel
Helmut Wimmer
Dietmar Schmidt
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Siemens Energy Austria GmbH
Original Assignee
Siemens Energy Austria GmbH
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Publication date
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Priority to EP20804455.2A priority patent/EP4025788A1/de
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Priority to CA3159532A priority patent/CA3159532A1/en
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    • F04B49/06—Control using electricity
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the operating properties of a rod pump, comprising a pump head which is connected to a kinematics converter via a rod and the kinematics converter is driven by an electric motor.
  • the invention also relates to a pumping system with a rod pump, comprising a pump head, which is connected to a kinematic converter via a rod, and the kinematic converter is driven by an electric motor.
  • Deep pumps are used as conveying devices for the extraction of liquids stored underground when the reservoir pressure is not sufficient for them to reach the surface independently or in sufficient quantities. Most of them are used to produce crude oil. Other areas of application are the promotion of brine and medicinal waters.
  • the image of most oil fields is dominated by rod pumps, which because of their appearance and their movement are also called horsehead pumps, nickers or nickers.
  • the actual pumping mechanism - a piston with check valves - is located in a separate pipe string in the borehole near the oil-bearing layer.
  • the piston is set in a continuous up and down movement by means of a screwable rod from a pump bracket located on the earth's surface. This is done by what is known as the horse's head. This consists of a segment of a circular arc arranged as a balancer, to which a pair of steel cables or chains is clamped at the top.
  • the drive is mostly electric.
  • some of these gases can be separated from the material to be conveyed on the spot by means of a degasser and fed to a gas engine that drives the pump.
  • the working stroke is 1 to 5 m. Two and a half to twelve strokes per minute are common.
  • the rod-type deep pump can be used economically up to a delivery depth of around 2500 m. For greater depths, other pump systems are better suited due to the great weight of the liquid column to be lifted.
  • the "Mark II" pump type from the Texan manufacturer Lufkin Industries is particularly suitable for high pumping rates from great depths thanks to its special movement geometry.
  • the "Sucker Rod” type of pump has a sucker rod, a steel rod typically between 25 and 30 feet in length and threaded at both ends, used in the oil industry to support the surface and downhole components of a reciprocating pump installed in an oil well to connect with each other.
  • An extremely valuable tool for analyzing downhole performance is a downhole test rig, which measures the load on the polished rod relative to the position of the polished rod.
  • the rod position and rod load can be recorded over time.
  • the load measuring part of the dynamometer is attached to the polished rod so that the load can be recorded and sent to a recorder.
  • An accompanying part of the dynamometer attached to the walking beam records the position of the polished rod and sends it to the same recorder.
  • the generated graphic is referred to as a Dynagraph or more often as a dynamometer or Dynagraph map and corresponds to a load-displacement diagram.
  • Dynamometer cards taken from the surface can rarely be used directly to record the operating conditions of the downhole pump, as they also reflect all forces (static and dynamic) that occur from the pump to the wellhead. However, if there is a dynamometer directly above the pump, the recorded map is a real indicator of the pump's operation.
  • Gilbert's Dynagraph (a mechanical dynamometer) succeeded in doing this in the 1930s. Rod loads immediately above the pump, recorded as a function of pump position, give Dynagraph maps a name that distinguishes them from surface maps.
  • sensors have been used to record the operating conditions of a rod pump, which record the forces acting or the current position (inclination) of the beam (English “beam” or “cranck arm”), for example by force sensors, Hall sensors or Proximity sensors.
  • the position of the boom is calculated from this.
  • it is time-consuming to calibrate the respective sensors with one another.
  • inaccurate calibration can lead to errors which can adversely affect the evaluation of the measurement data.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for determining the operating properties of a rod pump, which simplifies the detection of the operating conditions and at the same time the measurement data are recorded more precisely than is known in the prior art.
  • the accuracy in determining the operating characteristics of the feed pump can be increased.
  • the discrete measuring points of the current consumption of the motor are recorded with a sufficiently high sampling frequency.
  • the operating voltage supply for the motor can have one or more phases.
  • the period duration is determined with the aid of an approximated polynomial through the power values of the measuring points.
  • the period duration is determined with the aid of a polynomial which takes into account statistical mean values of the power values of the respective measuring points over at least five, preferably at least ten, particularly preferably at least fifty pump cycles for support points of the polynomial.
  • a reference value is determined for the measuring points, at which a maximum is present for the change in the respective power value between two immediately successive measuring points, and the period duration is determined with the aid of the reference value.
  • the determination of the operating properties of the delivery pump takes place with the aid of a load-displacement diagram, which is derived from the torque curve determined in step d) using the period duration determined in step b) and the im Step c) determined reference phase angle is determined.
  • the reference phase angle is determined with respect to the absolute maximum of the power values of the measuring points within a pump cycle.
  • the object according to the invention is also achieved by a pumping system of the type mentioned at the outset, wherein a detection means is also provided which is set up to detect the power consumption of the motor during its operation, and a computing device with a memory is also provided, which is set up to to carry out the method according to the invention with the aid of the detection means.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a pumping system 100 according to the invention with a rod pump 1 of the type of a sucker rod pump.
  • the pump system 100 comprises a pump head 110 which is connected to a kinematic converter 120 via a linkage 5, 10.
  • the rod 5, 10 forms a so-called “rod cord” and runs through a borehole head 6, to which a flow line 7 for discharging a conveyed medium 14 is connected.
  • a jacket 8 adjoins the wellhead 6, in which a tube 9 runs which guides the rods 5 and 10, respectively.
  • the pump head 110 which contains a piston 11 in a barrel 12, is attached to the lower end of the rod 10. A movement of the piston 11 leads to the pumped medium 14 being pumped out.
  • the jacket 8 is formed in a borehole 13.
  • the kinematic converter 120 is driven, for example, by a drive machine in the form of an electric motor 3 via a reduction gear 4.
  • the kinematic converter 120 can additionally include a hydraulic booster.
  • the mechanical connection of the kinematic converter 120 takes place in this example via a running bar 2, but can vary depending on the type of pump used.
  • Such kinematic converters are familiar to the person skilled in the art, as is their description in the form of "properties of a kinematic converter” through the transformation function of mechanical movements and forces.
  • the kinematic converter 120 converts a rotary movement of the motor 3 into a linear movement of the linkage 5, 10.
  • the properties of the kinematic converter 120 can be described, for example, via leverage and gear ratios, as well as via the electrical drive power and moving masses. It should be noted that the position of a centrifugal mass along a rotary movement and the corresponding force acting on the linkage 10 is related to time, which is referred to as the reference phase angle. A reference phase angle can be determined for a respective pump arrangement using the kinematic principles of mechanics, as is known to the person skilled in the art.
  • a detection means 110 is provided which is set up to detect the current consumption and the operating voltage of the individual phases of the motor 3 during its operation. This can be done, for example, by an ammeter or voltmeter which, in particular, detects discrete measuring points with current or voltage values with high temporal resolution.
  • the recorded current and operating voltage values can be used to determine the effective power consumption and the apparent power consumption.
  • a computing device 140 with a memory 150 is provided, which is set up to carry out the method according to the invention with the aid of the detection means 130.
  • FIG. 2 Figure 11 shows another, more detailed example of a prior art pump head 111.
  • the rod cord or the linkage 10 is according to the
  • Fig. 1 driven and set in an up and down linear movement.
  • a cover tube 15 with vertical grooves is arranged in the borehole 13, which guides a rotating tube 18 with spiral grooves within the cover tube 15 via a holding device 16 and a self-aligning bearing 17.
  • a receiving tube 19 is connected via a wing nut 20 to a piston assembly 21, which is located in a pump liner 22.
  • a calibrated rod 23 is connected to the rod 10 via a pin 24 and a holding device 25, which drives the piston arrangement by the linear movement.
  • the power values can be determined by the product of the discrete current values and the operating voltage.
  • the period 85 can be determined, for example, with the aid of an approximated polynomial 80 through the power values of the measuring points.
  • the period 85 can, for example, also be determined with the aid of a polynomial 80 which takes into account statistical mean values of the power values of the respective measuring points over at least five, preferably at least ten, particularly preferably at least fifty pump cycles for support points of the polynomial.
  • a reference value 81 can be determined for the measuring points, at which for the change in the respective power value between two immediately successive measuring points a maximum is present, and the period 85 is determined with the aid of the reference value 81.
  • the operating properties of the delivery pump 1 can be determined with the aid of a load-displacement diagram 30, 50, 54, 57, 60-65, which is derived from the torque curve determined in step d) using the period duration determined in step b) and the reference phase angle determined in step c) is determined.
  • the reference phase angle can be determined with respect to the absolute maximum of the power values of the measuring points within a pump cycle.
  • FIGS. 4 to 6 show examples of load-displacement diagrams, which are often used to determine the operating characteristics of rod-type deep pumps.
  • Fig. 4 a load-displacement diagram 30 is shown.
  • the position 31 of the polished rod is plotted on the x-axis, and the load 32 of the polished rod is plotted on the y-axis.
  • a lowest point of the pump stroke 33 and a highest point of the pump stroke 34 can be seen.
  • PPRI tip of the polished rod 35
  • a map 36 of the polished rod for a pumping speed equal to zero is shown in dashed lines.
  • a polished rod map 37 is greater than zero for pumping speed
  • a minimum load on the polished rod 38 (MPRL) is shown.
  • a gross piston load 39 can also be read off.
  • a weight of the rods in the fluid 40 can be determined, as well as forces 41 and 42, and a pump stroke or pump path 43.
  • Load-displacement diagrams 50 are shown with the rod load at the setpoint value as a function of the load 32 of the polished rod over the respective position 31 of the polished rod.
  • a load-displacement diagram 51 shows operation at full pump output.
  • a load-displacement diagram 52 shows operation when the conveying medium has been pumped empty.
  • a respective nominal value 53 can be seen.
  • load-displacement diagrams 54 are shown with the rod load in the event of a change in operation as a function of the load 32 of the polished rod over the respective position 31 of the polished rod, with respective angles 55, 56 being readable.
  • Diagram 60 shows load-displacement diagrams in normal operation.
  • Diagram 61 shows load-displacement diagrams for a fluid store
  • Diagram 62 shows load-displacement diagrams with exposure to gas in the underground store.
  • Diagram 63 shows a load-displacement diagram for a stuck piston.
  • Diagram 64 shows the load-displacement diagram in the event of a leak through a stationary valve.
  • a diagram 65 shows a load-displacement diagram in the event of a leak through a moving valve.
  • Fig. 7 shows an example of a time representation of a power curve of an electric drive motor for a rod pump, which was determined from the power consumption and operating voltage of the motor 3.
  • the illustration has a time axis 70 and an axis 71 for the amplitude of the current or power consumption.
  • a power consumption 72 is shown for which a zero point or zero axis 80 and a polynomial for averaged power consumption 81 can be determined.
  • a maximum value of the averaged power consumption 82 and zero crossings of the averaged power consumption 83, 84 can be determined for the polynomial 80.
  • a period 85 of the averaged power consumption can be determined for the polynomial 80.
  • phase angle 86 of the averaged power consumption can be determined, which describes the relationship between the rotary movement of the motor 3 and the linkage 10 of the pump 1.
  • a corresponding load-displacement diagram can be determined from the determined values in order to derive the operating properties of the rod pump 1 in a simple manner.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe (1), umfassend einen Pump-Kopf (110), welcher über ein Gestänge (5, 10) mit einem Kinematik-Wandler (120) verbunden ist, und der Kinematik-Wandler (120) von einem elektrischen Motor (3) angetrieben wird, und ferner ein Erfassungsmittel (130) vorgesehen ist, die Leistungsaufnahme des Motors (3) während dessen Betrieb zu erfassen, umfassend die Schritte:a) Erfassen der Stromaufnahme und der Betriebsspannung des Motors (3) über zumindest einen Pumpzyklus, welchem jeweils vier Betriebsphasen der Tiefpumpe (1) zugeordnet werden können und daraus Bestimmen der Leistungsaufnahme des Motors (3),b) Bestimmen für einen Pumpzyklus einer Periodendauer und eines Maximums der Leistungsaufnahme, welches dem Drehmoment-Maximum der Tiefpumpe (1) entspricht,c) Bestimmen eines Bezugsphasenwinkels für den Kinematik-Wandler (120) mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers (120) und der Leistungsaufnahme des Motors (3),d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungsaufnahme des Motors (3) mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers (120),e) Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe (1) aus dem Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der Periodendauer und Bezugsphasenwinkel.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe, umfassend einen Pump-Kopf, welcher über ein Gestänge mit einem Kinematik-Wandler verbunden ist, und der Kinematik-Wandler von einem elektrischen Motor angetrieben wird.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Pumpsystem mit einer Gestänge-Tiefpumpe, umfassend einen Pump-Kopf, welcher über ein Gestänge mit einem Kinematik-Wandler verbunden ist, und der Kinematik-Wandler von einem elektrischen Motor angetrieben wird.
  • Tiefpumpen werden als Fördereinrichtungen zur Gewinnung von unterirdisch lagernden Flüssigkeiten eingesetzt, wenn der Lagerstättendruck nicht ausreicht, dass sie selbständig bzw. in ausreichender Menge an die Oberfläche gelangen. Zumeist wird mit ihnen Erdöl gefördert. Weitere Einsatzgebiete sind die Förderung von Sole und Heilwässern.
  • Das Bild der meisten Ölfelder wird von Gestänge-Tiefpumpen geprägt, die wegen ihres Aussehens und ihrer Bewegung auch Pferdekopfpumpen, Nickesel oder Nicker genannt werden. Dabei befindet sich der eigentliche Pumpmechanismus - ein Kolben mit Rückschlagventilen - in einem eigenen Rohrstrang im Bohrloch nahe der ölführenden Schicht. Der Kolben wird mittels einer verschraubbaren Stange von einem an der Erdoberfläche befindlichen Pumpenbock in eine kontinuierliche Auf- und Abbewegung versetzt. Dies wird durch den sogenannten Pferdekopf bewerkstelligt. Dieser besteht aus einem am Ende eines als Balancier angeordneten Kreisbogensegments, an dem ein Stahlseil- oder Kettenpaar oben angeklemmt ist.
  • Der Antrieb erfolgt zumeist elektrisch. Beim Vorhandensein von ausreichend im Erdöl gelösten energiehaltigen Gasen kann jedoch ein Teil dieser Gase an Ort und Stelle mittels eines Degasers vom Fördergut abgetrennt und einem Gasmotor, der die Pumpe antreibt, zugeführt werden.
  • Je nach Pumpenbauart und -größe beträgt der Arbeitshub 1 bis 5 m. Pro Minute sind zweieinhalb bis zwölf Hübe üblich. Die Gestänge-Tiefpumpe kann bis zu Fördertiefen von etwa 2500 m wirtschaftlich eingesetzt werden. Für größere Tiefen sind aufgrund des großen Gewichts der zu hebenden Flüssigkeitssäule andere Pumpensysteme besser geeignet.
  • Der Pumpentyp "Mark II" des texanischen Herstellers Lufkin Industries eignet sich durch seine spezielle Bewegungsgeometrie besonders für hohe Förderraten aus großen Tiefen.
  • Der Pumpentyp "Sucker Rod" weist eine Saugstange auf, das heißt eine Stahlstange mit einer typischen Länge zwischen 25 und 30 Fuß und einem Gewinde an beiden Enden, die in der Ölindustrie verwendet wird, um die Oberflächen- und Bohrlochkomponenten einer in einer Ölquelle installierten Hubkolbenpumpe miteinander zu verbinden.
  • Ein äußerst wertvolles Instrument zur Analyse der Bohrlochleistung ist ein Bohrlochprüfstand, welcher die Belastung der polierten Stange im Verhältnis zur Position der polierten Stange misst.
  • Mit Dynamometern können Stangenposition und Stangenlast über der Zeit aufgezeichnet werden. Der lastmessende Teil des Dynamometers ist an der polierten Stange angebracht, damit die Last erfasst und an einen Rekorder gesendet werden kann. Ein Begleitteil des am Hubbalken angebrachten Leistungsprüfstands erfasst die Position der polierten Stange und sendet sie an denselben Rekorder. Die erzeugte Grafik wird als Dynagraph oder häufiger als Dynamometer oder Dynagraph-Karte bezeichnet und entspricht einem Last-Weg-Diagramm.
  • An der Oberfläche entnommene Dynamometerkarten können selten direkt zur Erfassung der Betriebsbedingungen der Bohrlochpumpe verwendet werden, da sie auch alle Kräfte (statisch und dynamisch) widerspiegeln, die von der Pumpe bis zum Bohrlochkopf auftreten. Befindet sich jedoch ein Dynamometer direkt über der Pumpe, ist die aufgezeichnete Karte ein echter Indikator für den Pumpenbetrieb. Dies gelang Gilberts Dynagraph (ein mechanisches Dynamometer) in den 1930er Jahren. Stablasten unmittelbar über der Pumpe, die als Funktion der Pumpenposition aufgezeichnet werden, geben Dynagraph-Karten einen Namen, mit dem sie von Oberflächenkarten unterschieden werden. Obwohl die Anwendung von Gilberts Dynagraph eine direkte Untersuchung von Pumpproblemen ermöglichte, hatten die praktischen Auswirkungen, die mit der Notwendigkeit verbunden waren, das Instrument im Bohrloch laufen zu lassen, seine Vorteile bei weitem überwogen.
  • Bisher werden zur Erfassung der Betriebsbedingungen einer Gestänge-Tiefpumpe Sensoren eingesetzt, welche die wirkenden Kräfte beziehungsweise die aktuelle Lage (Inklination) des Laufbalkens (englisch "beam" bzw. "cranck arm") erfassen, beispielsweise durch Kraft-Sensoren, Hall-Sensoren oder Näherungssensoren. Daraus wird die Position des Gestänges berechnet. Dabei ist es jedoch aufwändig, die jeweiligen Sensoren miteinander zu kalibrieren. Außerdem können durch eine ungenaue Kalibrierung Fehler entstehen, welche die Messdatenauswertung ungünstig beeinflussen können.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe bereitzustellen, welche die Erfassung der Betriebsbedingungen vereinfacht und gleichzeitig die Messdaten genauer erfasst werden, als im Stand der Technik bekannt.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren eingangs genannter Art gelöst, wobei ferner ein Erfassungsmittel vorgesehen ist, die Leistungsaufnahme des Motors während dessen Betrieb zu erfassen, umfassend die Schritte:
    1. a) Erfassen der Stromaufnahme und der Betriebsspannung des Motors in Form von diskreten Messpunkten über zumindest einen Pumpzyklus, welchem jeweils vier Betriebsphasen der Tiefpumpe zugeordnet werden können, und daraus Bestimmen der Leistungsaufnahme des Motors,
    2. b) Bestimmen für einen Pumpzyklus einer Periodendauer und eines Maximums der Leistungsaufnahme, welches dem Drehmoment-Maximum der Tiefpumpe entspricht,
    3. c) Bestimmen eines Bezugsphasenwinkels für den Kinematik-Wandler mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers und der Leistungsaufnahme des Motors, welcher den Zusammenhang zwischen dem Maximum der Leistungsaufnahme und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpumpe wirkenden Kraft beschreibt,
    4. d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungsaufnahme des Motors mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers,
    5. e) Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwinkel.
  • Dadurch wird erreicht, dass für die Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe keine weiteren Sensoren, welche an der Pumpe angebracht werden müssen, benötigt werden.
  • Ferner kann auf eine aufwändige Kalibrierung solcher Sensoren untereinander verzichtet werden.
  • Außerdem kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe erhöht werden.
  • Die diskreten Messpunkte der Stromaufnahme des Motors werden mit einer hinreichend hohen Abtastfrequenz erfasst.
  • Die Betriebsspannungsversorgung des Motors kann eine oder mehrere Phasen aufweisen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Periodendauer mithilfe eines approximierten Polynoms durch die Leistungswerte der Messpunkte ermittelt wird.
  • Dadurch ist auf eine einfache Weise eine präzise Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe möglich.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Periodendauer mithilfe eines Polynoms ermittelt wird, welches für Stützpunkte des Polynoms statistische Mittelwerte der Leistungswerte der jeweiligen Messpunkte über zumindest fünf, bevorzugt zumindest zehn, besonders bevorzugt zumindest fünfzig Pumpzyklen berücksichtigt.
  • Dadurch ist auf eine einfache Weise eine präzise Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe möglich.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass für die Messpunkte ein Referenzwert ermittelt wird, bei welchem für die Änderung des jeweiligen Leistungswerts zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Messpunkten ein Maximum vorliegt, und die Periodendauer mithilfe des Referenzwerts ermittelt wird.
  • Dadurch ist auf eine einfache Weise eine präzise Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe möglich.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe mithilfe eines Last-Weg-Diagramms erfolgt, welches aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwinkel ermittelt wird.
  • Dadurch ist auf eine einfache Weise eine präzise Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe möglich.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bezugsphasenwinkel bezüglich des absoluten Maximums der Leistungswerte der Messpunkte innerhalb eines Pumpzyklus bestimmt wird.
  • Dadurch ist auf eine einfache Weise eine präzise Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe möglich.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Pumpsystem eingangs genannter Art gelöst, wobei ferner ein Erfassungsmittel vorgesehen ist, das dazu eingerichtet ist, die Leistungsaufnahme des Motors während dessen Betrieb zu erfassen, und ferner eine Rechenvorrichtung mit einem Speicher vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren mithilfe des Erfassungsmittels auszuführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Gestänge-Tiefpumpe,
    Fig. 2
    ein Ausführungsbeispiel für einen Pump-Kopf einer Gestänge-Tiefpumpe,
    Fig. 3
    ein Ausführungsbeispiel für ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Fig. 4
    ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Last-Weg-Diagramm,
    Fig. 5
    Last-Weg-Diagramme für eine Pumpe bei verschiedenen Leistungen,
    Fig. 6
    Last-Weg-Diagramme für eine Pumpe bei verschiedenen Lasten und Betriebsmodi,
    Fig. 7
    eine zeitliche Darstellung eines Stromverlaufs eines elektrischen Antriebsmotors für eine Gestänge-Tiefpumpe.
  • Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pumpsystems 100 mit einer Gestänge-Tiefpumpe 1 vom Typ einer Sucker-Rod-Pumpe.
  • Das Pumpsystem 100 umfasst einen Pump-Kopf 110, welcher über ein Gestänge 5, 10 mit einem Kinematik-Wandler 120 verbunden ist.
  • Das Gestänge 5, 10 bildet eine sogenannte "Stabschnur" und verläuft durch einen Bohrlochkopf 6, mit welchen eine Durchflussleitung 7 zur Ableitung eines geförderten Mediums 14 verbunden ist.
  • An den Bohrlochkopf 6 grenzt ein Mantel 8 an, in welchem eine Röhre 9 verläuft, die das Gestänge 5 bzw. 10 führt.
  • Am unteren Ende des Gestänges 10 ist der Pump-Kopf 110 befestigt, der einen Kolben 11 in einem Lauf 12 beinhaltet. Eine Bewegung des Kolbens 11 führt zu einem Abpumpen des Fördermediums 14.
  • Der Mantel 8 ist in einem Bohrloch 13 gebildet.
  • Der Kinematik-Wandler 120 wird beispielsweise von einer Antriebsmaschine in Form eines elektrischen Motors 3 über ein Untersetzungsgetriebe 4 angetrieben. Der Kinematik-Wandler 120 kann zusätzlich einen hydraulischen Kraftverstärker umfassen.
  • Die mechanische Anbindung des Kinematik-Wandler 120 erfolgt in diesem Beispiel über einen Laufbalken 2, kann je nach verwendetem Pumpentyp aber variieren.
  • Dem Fachmann sind derartige Kinematik-Wandler geläufig, ebenso deren Beschreibung in Form von "Eigenschaften eines Kinematik-Wandlers" durch die Transformations-Funktion von mechanischen Bewegungen und Kräften.
  • Der Kinematik-Wandler 120 konvertiert eine Drehbewegung des Motors 3 in eine Linearbewegung des Gestänges 5, 10.
  • Die Eigenschaften des Kinematik-Wandler 120 können beispielsweise über Hebelwirkungen und Übersetzungen, sowie über die elektrische Antriebsleistung und bewegte Massen beschrieben werden. Dabei ist zu beachten, dass die Position einer Schwungmasse entlang einer Drehbewegung und die korrespondierende Krafteinwirkung am Gestänge 10 in einem zeitlichen Zusammenhang steht, welche als Bezugsphasenwinkel bezeichnet wird. Für eine jeweilige Pumpenanordnung kann ein Bezugsphasenwinkel unter Anwendung der Kinematik-Prinzipien der Mechanik bestimmt werden, wie dem Fachmann bekannt.
  • Ferner ist ein Erfassungsmittel 110 vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, die Stromaufnahme und die Betriebsspannung der einzelnen Phasen des Motors 3 während dessen Betrieb zu erfassen. Dies kann beispielsweise durch ein Amperemeter beziehungsweise Voltmeter erfolgen, welches insbesondere zeitlich hochauflösend diskrete Messpunkte mit Strom- beziehungsweise Spannungswerten erfasst.
  • Durch die erfassten Strom- und Betriebsspannungswerte kann die effektive Leistungsaufnahme und die Schein-Leistungsaufnahme bestimmt werden.
  • Ferner ist eine Rechenvorrichtung 140 mit einem Speicher 150 vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren mithilfe des Erfassungsmittels 130 auszuführen.
  • Es ist dem Fachmann bekannt, wie ein Bezugsphasenwinkel für den Kinematik-Wandler 120 mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers 120 und der Leistungsaufnahme 72 des Motors 3, welcher den Zusammenhang zwischen dem Maximum 83 der Leistungsaufnahme 72 und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpumpe 1 wirkenden Kraft beschreibt, ermittelt werden kann.
  • Es ist dem Fachmann auch bekannt, wie ein Drehmoment-Verlauf aus der Leistungsaufnahme 72 des Motors 3 mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers 120 ermittelt werden kann.
  • Fig. 2 zeigt ein weiteres, detaillierteres Beispiel für einen Pump-Kopf 111 nach dem Stand der Technik.
  • Die Stabschnur bzw. das Gestänge 10 wird entsprechend der
  • Fig. 1 angetrieben und in eine Auf- und Ab-Linearbewegung versetzt.
  • In der gezeigten Variante des Pumpkopfs 111 ist im Bohrloch 13 eine Deckröhre 15 mit vertikalen Rillen angeordnet, welche innerhalb der Deckröhre 15 über eine Haltevorrichtung 16 und ein selbstausrichtendes Lager 17 eine drehende Röhre 18 mit Spiralrillen führt.
  • Eine Aufnahmeröhre 19 ist über eine Flügelmutter 20 mit einer Kolbenanordnung 21 verbunden, welche in einer Pumpenauskleidung 22 gelegen ist.
  • Eine kalibrierte Stange 23 ist über einen Stift 24 und eine Haltevorrichtung 25 mit dem Gestänge 10 verbunden, welche die Kolbenanordnung durch die Linearbewegung antreibt.
  • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens mit folgenden Schritten:
    1. a) Erfassen der Stromaufnahme und der Betriebsspannung des Motors 3 mit einer Abtastfrequenz über zumindest einen Pumpzyklus, welcher jeweils vier Betriebsphasen der Tiefpumpe 1 zugeordnet werden kann, in Form von diskreten Messpunkten mit Stromwerten, und daraus Bestimmen der Leistungsaufnahme 72 des Motors 3 mit Leistungswerten,
    2. b) Bestimmen für einen Pumpzyklus einer Periodendauer 85 und eines Maximums 82 der Leistungsaufnahme 72, welches dem Drehmoment-Maximum der Tiefpumpe 1 entspricht,
    3. c) Bestimmen eines Bezugsphasenwinkels für den Kinematik-Wandler 120 mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers 120 und der Leistungsaufnahme des Motors 3, welcher den Zusammenhang zwischen dem Maximum 82 der Leistungsaufnahme und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpumpe 1 wirkenden Kraft beschreibt,
    4. d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungsaufnahme des Motors 3 mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers 120,
    5. e) Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe 1 aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwinkel.
  • Die Leistungswerte können durch das Produkt von den diskreten Stromwerten und der Betriebsspannung bestimmt werden.
  • Die Periodendauer 85 kann beispielsweise mithilfe eines approximierten Polynoms 80 durch die Leistungswerte der Messpunkte ermittelt werden.
  • Die Periodendauer 85 kann beispielsweise aber auch mithilfe eines Polynoms 80 ermittelt werden, welches für Stützpunkte des Polynoms statistische Mittelwerte der Leistungswerte der jeweiligen Messpunkte über zumindest fünf, bevorzugt zumindest zehn, besonders bevorzugt zumindest fünfzig Pumpzyklen berücksichtigt.
  • Für die Messpunkte kann ein Referenzwert 81 ermittelt werden, bei welchem für die Änderung des jeweiligen Leistungswerts zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Messpunkten ein Maximum vorliegt, und die Periodendauer 85 mithilfe des Referenzwerts 81 ermittelt wird.
  • Das Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe 1 kann mithilfe eines Last-Weg-Diagramms 30, 50, 54, 57, 60-65 erfolgen, welches aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwinkel ermittelt wird.
  • Der Bezugsphasenwinkel kann bezüglich des absoluten Maximums der Leistungswerte der Messpunkte innerhalb eines Pumpzyklus bestimmt werden.
  • Fig. 4 bis Fig. 6 zeigen Beispiele für Last-Weg-Diagramme, welche häufig dazu verwendet werden, um die Betriebseigenschaften von Gestänge-Tiefpumpen zu bestimmen.
  • In Fig. 4 ist ein Last-Weg-Diagramm 30 dargestellt.
  • Auf der x-Achse ist die Position 31 der polierten Stange aufgetragen, und auf der y-Achse die Last 32 der polierten Stange.
  • Es ist ein tiefster Punkt des Pumpenhubs 33 und ein höchster Punkt des Pumpenhubs 34 erkennbar.
  • Ferner ist eine Spitze der polierten Stange 35 (PPRI) dargestellt.
  • Strichliert ist eine Karte 36 der polierten Stange für Pumpgeschwindigkeit gleich Null eingezeichnet.
  • Ferner ist ein Karte 37 der polierten Stange für Pumpgeschwindigkeit größer als Null
  • Es ist eine minimale Last der polierten Stange 38 (MPRL) dargestellt.
  • Es kann auch eine Bruttokolbenlast 39 abgelesen werden.
  • Außerdem kann ein Gewicht der Stangen im Fluid 40 bestimmt werden, sowie Kräfte 41 und 42, und ein Pump-Hub bzw. Pump-Weg 43.
  • In Fig. 5 sind Last-Weg-Diagramme 50 mit Stangenlast bei Sollwert als Funktion der Last 32 der polierten Stange über die jeweilige Position 31 der polierten Stange gezeigt.
  • Ein Last-Weg-Diagramm 51 zeigt den Betrieb bei voller PumpenLeistung.
  • Ein Last-Weg-Diagramm 52 zeigt den Betrieb bei leergepumpten Fördermedium.
  • Ein jeweiliger Sollwert 53 ist erkennbar.
  • Ferner sind Last-Weg-Diagramme 54 mit Stangenlast bei einem Betriebswechsel als Funktion der Last 32 der polierten Stange über die jeweilige Position 31 der polierten Stange gezeigt, wobei jeweilige Winkel 55, 56 ablesbar sind.
  • Ferner sind Last-Weg-Diagramme 57 mit Stangenlast mit der jeweiligen mechanischen Arbeit der Stangen dargestellt.
  • In Fig. 6 sind Last-Weg-Diagramme 60-65 für verschiedene Betriebszustände dargestellt.
  • Diagramm 60 zeigt Last-Weg-Diagramme bei einem normalen Betrieb.
  • Diagramm 61 zeigt Last-Weg-Diagramme bei einem Fluid-Lager Diagramm 62 zeigt Last-Weg-Diagramme bei Gas-Einwirkung im unterirdischen Lager.
  • Diagramm 63 zeigt ein Last-Weg-Diagramm bei einem feststeckenden Kolben.
  • Diagramm 64 zeigt Last-Weg-Diagramm bei einem Leck durch ein stehendes Ventil.
  • Ein Diagramm 65 zeigt ein Last-Weg-Diagramm bei einem Leck durch ein bewegtes Ventil.
  • Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine zeitliche Darstellung eines Leistungsverlaufs eines elektrischen Antriebsmotors für eine Gestänge-Tiefpumpe, welche aus der Stromaufnahme und Betriebsspannung des Motors 3 ermittelt wurde.
  • Die Darstellung weist eine Zeitachse 70 und eine Achse 71 für Amplitude der Strom- bzw. Leistungsaufnahme auf.
  • Es ist eine Leistungsaufnahme 72 gezeigt, für welche ein Nullpunkt bzw. Nullachse 80, sowie ein Polynom für gemittelte Leistungsaufnahme 81 bestimmt werden kann.
  • Für das Polynom 80 können ein Maximalwert der gemittelten Leistungsaufnahme 82, sowie Nulldurchgänge der gemittelten Leistungsaufnahme 83, 84 ermittelt werden.
  • Ferner kann für das Polynom 80 eine Periodendauer 85 der gemittelten Leistungsaufnahme bestimmt werden.
  • Daraus kann ein Phasenwinkel 86 der gemittelten Leistungsaufnahme ermittelt werden, welcher den Zusammenhang zwischen der Drehbewegung des Motors 3 und dem Gestänge 10 der Pumpe 1 beschreibt.
  • Aus der ermittelten Werten kann ein entsprechendes Last-Weg-Diagramm ermittelt werden, um daraus auf einfache Weise die Betriebseigenschaften der Gestänge-Tiefpumpe 1 abzuleiten.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Gestänge-Tiefpumpe
    2
    Laufbalken
    3
    Antriebsmaschine, Motor
    4
    Untersetzungsgetriebe
    5
    polierte Stange
    6
    Bohrlochkopf
    7
    Durchflussleitung
    8
    Mantel
    9
    Röhre
    10
    Stabschnur
    11
    Kolben
    12
    Lauf
    13
    Bohrloch
    14
    Fördermedium
    15
    Deckröhre mit vertikalen Rillen
    16, 25
    Haltevorrichtung
    17
    selbstausrichtendes Lager
    18
    drehende Röhre mit Spiralrillen
    19
    Aufnahmeröhre
    20
    Flügelmutter
    21
    Kolbenanordnung
    22
    Pumpenauskleidung
    23
    kalibrierte Stange
    24
    Stift
    30
    Last-Weg-Diagramm
    31
    Position der polierten Stange
    32
    Last der polierten Stange
    33
    Tiefster Punkt des Pumpenhubs
    34
    Höchster Punkt des Pumpenhubs
    35
    Spitze der polierten Stange, PPRI
    36
    Karte der polierten Stange für Pumpgeschwindigkeit gleich Null
    37
    Karte der polierten Stange für Pumpgeschwindigkeit größer als Null
    38
    Minimale Last der polierten Stange, MPRL
    39
    Bruttokolbenlast
    40
    Gewicht der Stangen im Fluid
    41, 42
    Kraft
    43
    Weg
    50
    Last-Weg-Diagramm mit Stangenlast bei Sollwert
    51
    Pumpe, volle Leistung
    52
    leergepumpt
    53
    Sollwert
    54
    Last-Weg-Diagramm mit Stangenlast beim Betriebswechsel
    55, 56
    Winkel
    57
    Last-Weg-Diagramm mit mechanischer Arbeit der Stangen
    60
    Last-Weg-Diagramm im normalen Betrieb
    61
    Last-Weg-Diagramm bei einem Fluid-Lager
    62
    Last-Weg-Diagramm bei Gas-Einwirkung
    63
    Last-Weg-Diagramm bei feststeckendem Kolben
    64
    Last-Weg-Diagramm bei einem Leck durch ein stehendes Ventil
    65
    Last-Weg-Diagramm bei einem Leck durch ein bewegtes Ventil
    70
    Zeitachse
    71
    Achse für Amplitude der Strom- bzw. Leistungsaufnahme
    72
    Leistungsaufnahme
    80
    gewählter Nullpunkt bzw. Nullachse
    81
    Polynom für gemittelte Leistungsaufnahme
    82
    Maximalwert der gemittelten Leistungsaufnahme
    83, 84
    Nulldurchgang der gemittelten Leistungsaufnahme
    85
    Periodendauer der gemittelten Leistungsaufnahme
    86
    ermittelter Phasenwinkel der gemittelten Leistungsaufnahme
    100
    Pumpsystem
    110, 111
    Pumpkopf
    120
    Kinematik-Wandler
    130
    Erfassungsmittel
    140
    Rechenvorrichtung
    150
    Speicher

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe (1), umfassend einen Pump-Kopf (110, 111), welcher über ein Gestänge (5, 10) mit einem Kinematik-Wandler (120) verbunden ist, und der Kinematik-Wandler (120) von einem elektrischen Motor (3) angetrieben wird, und ferner ein Erfassungsmittel (130) vorgesehen ist, die Leistungsaufnahme des Motors (3) während dessen Betrieb zu erfassen, umfassend die Schritte:
    a) Erfassen der Stromaufnahme und der Betriebsspannung des Motors (3) über zumindest einen Pumpzyklus, welchem jeweils vier Betriebsphasen der Tiefpumpe (1) zugeordnet werden können, in Form von diskreten Messpunkten, und daraus Bestimmen der Leistungsaufnahme mit Leistungswerten,
    b) Bestimmen für einen Pumpzyklus einer Periodendauer (85) und eines Maximums (82) der Leistungsaufnahme, welches dem Drehmoment-Maximum der Tiefpumpe (1) entspricht,
    c) Bestimmen eines Bezugsphasenwinkels für den Kinematik-Wandler (120) mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers (120) und der Stromaufnahme des Motors (3), welcher den Zusammenhang zwischen dem Maximum (83) der Leistungsaufnahme und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpumpe (1) wirkenden Kraft beschreibt,
    d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungsaufnahme des Motors (3) mithilfe der Eigenschaften des Kinematik-Wandlers (120),
    e) Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe (1) aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwinkel.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Periodendauer (85) mithilfe eines approximierten Polynoms (80) durch die Leistungswerte der Messpunkte ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Periodendauer (85) mithilfe eines Polynoms (80) ermittelt wird, welches für Stützpunkte des Polynoms statistische Mittelwerte der Leistungswerte der jeweiligen Messpunkte über zumindest fünf, bevorzugt zumindest zehn, besonders bevorzugt zumindest fünfzig Pumpzyklen berücksichtigt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei für die Messpunkte ein Referenzwert (81) ermittelt wird, bei welchem für die Änderung des jeweiligen Leistungswerts zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Messpunkten ein Maximum vorliegt, und die Periodendauer (85) mithilfe des Referenzwerts (81) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe (1) mithilfe eines Last-Weg-Diagramms (30, 50, 54, 57, 60-65) erfolgt, welches aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwinkel ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bezugsphasenwinkel bezüglich des absoluten Maximums der Leistungswerte der Messpunkte innerhalb eines Pumpzyklus bestimmt wird.
  7. Pumpsystem (100) mit einer Gestänge-Tiefpumpe (1), umfassend einen Pump-Kopf (110, 111), welcher über ein Gestänge (10) mit einem Kinematik-Wandler (120) verbunden ist, und der Kinematik-Wandler (120) von einem elektrischen Motor (3) angetrieben wird, und ferner ein Erfassungsmittel (110) vorgesehen ist, das dazu eingerichtet ist, die Leistungsaufnahme des Motors (3) während dessen Betrieb zu erfassen, und ferner eine Rechenvorrichtung (140) mit einem Speicher (150) vorgesehen ist, welche dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen mithilfe des Erfassungsmittels (130) auszuführen.
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