EP4025788A1 - Verfahren zur bestimmung von betriebseigenschaften einer gestänge-tiefpumpe sowie pumpsystem hierfür - Google Patents

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

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EP4025788A1
EP4025788A1 EP20804455.2A EP20804455A EP4025788A1 EP 4025788 A1 EP4025788 A1 EP 4025788A1 EP 20804455 A EP20804455 A EP 20804455A EP 4025788 A1 EP4025788 A1 EP 4025788A1
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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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Application number
EP20804455.2A
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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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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Austria GmbH filed Critical Siemens Energy Austria GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • F04B47/022—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps the driving mechanisms being situated at ground level driving of the walking beam
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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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 operating properties of 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.
  • the invention relates to a pumping system with 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 computer-implemented method for determining operating properties of a rod pump.
  • Deep pumps are used as conveying devices for the extraction of liquids stored underground if the storage 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 movement are also known as horse head 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 one at the end of an as Balancing arranged circular arc segment to which a steel cable or chain pair is clamped at the top.
  • the drive is mostly electric. In the presence of sufficient energy-containing gases dissolved in the petroleum, however, some of these gases can be separated from the material to be conveyed on site 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 long and threaded at both ends, used in the oil industry to move the surface and downhole components of an oil well installed reciprocating pump 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 in relation 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 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 the 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-type deep pump, which record the forces acting or the current position (inclination) of the beam (English “beam” or “cranck arm”), for example by means of 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 that can adversely affect the measurement data evaluation.
  • the object of the invention is achieved by a method of the type mentioned above, wherein a detection means is also provided to detect the power consumption of the motor during its operation, comprising the steps: a) Detection of the current consumption and the operating voltage of the motor in the form of discrete measuring points over at least one pumping cycle, to which four operating phases of the deep pump can be assigned, and from this Be agreeing the power consumption of the motor, b) determining for a pumping cycle a period and a maximum of the power consumption, which corresponds to the maximum torque of the deep pump, c) Determination of a reference phase angle for the kinematic converter using the properties of the kinematic converter and the power consumption of the motor, which describes the relationship between the maximum power consumption and the maximum force acting on the linkage of the low pump
  • the invention recognizes that the operating properties of the feed pump can also be determined without taking into account the motor speed.
  • the invention is based on the surprising finding that the operating properties of the feed pump can also be determined by means of the torque curve, the period duration and the reference phase angle.
  • the invention makes it possible to determine the operating properties of feed pumps much more easily, flexibly and robustly. In addition, 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 value for the change in the respective power value between two immediately successive measuring points mum is present and the period is determined using 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 is determined in step c) certain reference phase angle.
  • 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 of the invention is also achieved by a pumping system of the type mentioned at the outset, with a detection means also being provided which is configured to detect the power consumption of the motor during its operation, and a computing device with a memory is provided which is used for this purpose is set up to carry out the method according to the invention with the aid of the detection means.
  • a further object of the invention is to specify a computer implemented method.
  • the object of the invention which is directed to a computer-implemented method, is achieved by the features of claim 8.
  • the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the accompanying drawings. In the drawings shows
  • Fig. 1 shows an embodiment of a Sys system according to the invention with a rod deep pump
  • Fig. 2 shows an embodiment of a pump head of a Ge rod deep pump
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment for a flow chart of the method according to the invention
  • FIG. 7 shows a time representation of a current curve of an electric drive motor for a rod pump.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a pump 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 linkage 5, 10 forms a so-called "rod cord” and runs through a borehole head 6, with which a through-flow line 7 is connected for discharging a conveyed medium 14.
  • 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 includes a piston 11 in a barrel 12, is fastened to the lower end of the rod 10. A movement of the piston 11 leads to the conveying 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 comprise a hydraulic power amplifier.
  • 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 those 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, for example, be described using leverage and gear ratios, as well as the electrical drive power and moving masses. It should be noted that the position of a flywheel along a rotary movement and the corresponding force on the linkage 10 is related to time, which is referred to as the reference phase angle. A reference phase can be used for each pump arrangement. senwinkel be determined using the kinematics principles of mechanics, as known to those skilled in the art.
  • a detection means 110 is provided, which is directed to the current consumption and the operating voltage of the individual phases of the motor 3 during its operation to he grasp. This can be done, for example, by an ammeter or voltmeter which, in particular, detects discrete measuring points with current or voltage values with a high resolution in terms of time.
  • 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 shows a further, more detailed example of a prior art pump head 111.
  • the rod cord or the linkage 10 is driven according to FIG. 1 and set in an up and down linear movement.
  • a cover tube 15 with vertical grooves is arranged in the borehole 13, which leads within the cover tube 15 via a Garvorrich device 16 and a self-aligning bearing 17, a rotating tube 18 with spiral grooves.
  • a receiving tube 19 is connected via a wing nut 20 to a piston assembly 21 which is located in a pump lining 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.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a flowchart of the method according to the invention with the following steps: a) Detection of the current consumption and the operating voltage of the motor 3 with a sampling frequency over at least one pump cycle, which can be assigned to four operating phases of the deep pump 1, in the form of diskre th measurement points with current values, and from this determining the power consumption 72 of the motor 3 with power values, b) determining a period 85 and a maximum 82 of the power consumption 72 for a pump cycle, which corresponds to the maximum torque of the deep pump 1, c) determining a reference phase angle for the kinematic converter 120 with the aid of the properties of the kinematic converter 120 and the power consumption of the motor 3, which describes the relationship between the maximum 82 of the power consumption and the maximum of the force acting on the linkage of the deep pump 1, d) determining a torque Progress from the power consumption d es motor 3 with the help of the properties of the kinematic converter 120, e) determining the operating properties of the feed pump
  • 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 ap proximated polynomial 80 through the power values of the measurement 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 measurement points, at which there is a maximum for the change in the respective power value between two immediately successive measurement points, and the period 85 is determined with the aid of the reference value 81.
  • the operating properties of the feed 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 curve determined in step b) Period duration 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.
  • FIG. 4 shows examples of load-displacement diagrams, which are often used to determine the operating properties of rod pumps.
  • a load-displacement diagram 30 is shown in FIG. 4.
  • a lowest point of the pump stroke 33 and a highest point of the pump stroke 34 can be seen.
  • a tip of the polished rod 35 is Darge provides.
  • a map 36 of the polished rod for pumping speed equal to zero is shown in dashed lines.
  • a map 37 of the polished rod for Pumpge speed is greater than zero.
  • 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.
  • FIG. 5 shows load-displacement diagrams 50 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 with the rod load in the event of a change of operation are shown 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 able to be read off.
  • load-displacement diagrams 57 are shown with rod load with the respective mechanical work of the rods.
  • load-travel diagrams 60-65 are shown operating states for different loading.
  • 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 Be.
  • 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 mean 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 rotational movement of the motor 3 and the linkage 10 of the pump 1.
  • a corresponding load-path 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 Ge¬ stänge-Tiefpumpe (1), umfassend einen Pump-Kopf (110), wel¬ cher 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 Leistungsauf¬ nahme des Motors (3) während dessen Betrieb zu erfassen, um¬ fassend die Schritte: a) Erfassen der Stromaufnahme und der Betriebsspannung des Motors (3) über zumindest einen Pumpzyklus, welchem je¬ weils 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 Drehmo¬ ment-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 Leistungsauf¬ nahme des Motors (3) mithilfe der Eigenschaften des Kine¬ matik-Wandlers (120), e) Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe (1) aus dem Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der Perioden¬ dauer und Bezugsphasenwinkel.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe sowie Pumpsystem hierfür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Be triebseigenschaften 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 Ge- stänge-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.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Ge- stänge-Tiefpumpe .
Tiefpumpen werden als Fördereinrichtungen zur Gewinnung von unterirdisch lagernden Flüssigkeiten eingesetzt, wenn der La gerstättendruck 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 Bohr loch nahe der ölführenden Schicht. Der Kolben wird mittels einer verschraubbaren Stange von einem an der Erdoberfläche befindlichen Pumpenbock in eine kontinuierliche Auf- und Ab bewegung versetzt. Dies wird durch den sogenannten Pferdekopf bewerkstelligt. Dieser besteht aus einem am Ende eines als Balancier angeordneten Kreisbogensegments, an dem ein Stahl seil- 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 -große 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 Flüssigkeitssäu le andere Pumpensysteme besser geeignet.
Der Pumpentyp „Mark II" des texanischen Herstellers Lufkin Industries eignet sich durch seine spezielle Bewegungsgeomet rie 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 Öl industrie verwendet wird, um die Oberflächen- und Bohrloch komponenten einer in einer Ölquelle installierten Hubkolben pumpe miteinander zu verbinden.
Ein äußerst wertvolles Instrument zur Analyse der Bohrloch leistung 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 Dy namometers 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 Bohrlochpum pe verwendet werden, da sie auch alle Kräfte (statisch und dynamisch) widerspiegeln, die von der Pumpe bis zum Bohrloch kopf auftreten. Befindet sich jedoch ein Dynamometer direkt über der Pumpe, ist die aufgezeichnete Karte ein echter Indi kator für den Pumpenbetrieb. Dies gelang Gilberts Dynagraph (ein mechanisches Dynamometer) in den 1930er Jahren. Stablas ten unmittelbar über der Pumpe, die als Funktion der Pumpen position aufgezeichnet werden, geben Dynagraph-Karten einen Namen, mit dem sie von Oberflächenkarten unterschieden wer den. Obwohl die Anwendung von Gilberts Dynagraph eine direkte Untersuchung von Pumpproblemen ermöglichte, hatten die prak tischen Auswirkungen, die mit der Notwendigkeit verbunden wa ren, das Instrument im Bohrloch laufen zu lassen, seine Vor teile bei weitem überwogen.
Bisher werden zur Erfassung der Betriebsbedingungen einer Ge- stänge-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 Nähe rungssensoren. Daraus wird die Position des Gestänges berech net. Dabei ist es jedoch aufwändig, die jeweiligen Sensoren miteinander zu kalibrieren. Außerdem können durch eine unge naue Kalibrierung Fehler entstehen, welche die Messdatenaus wertung ungünstig beeinflussen können.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge- Tiefpumpe bereitzustellen, welche die Erfassung der Betriebs bedingungen vereinfacht und gleichzeitig die Messdaten genau er erfasst werden, als im Stand der Technik bekannt. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren ein gangs genannter Art gelöst, wobei ferner ein Erfassungsmittel vorgesehen ist, die Leistungsaufnahme des Motors während des sen Betrieb zu erfassen, umfassend die Schritte: 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 Be stimmen der Leistungsaufnahme des Motors, b) Bestimmen für einen Pumpzyklus einer Periodendauer und eines Maximums der Leistungsaufnahme, welches dem Dreh moment-Maximum der Tiefpumpe entspricht, 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 Leistungsauf nahme und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpum pe wirkenden Kraft beschreibt, d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungs aufnahme des Motors mithilfe der Eigenschaften des Ki nematik-Wandlers, e) Bestimmen der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe aus dem im Schritt d) ermittelten Drehmoment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Perioden dauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwin kel.
Die Erfindung erkennt, dass sich die Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe auch ohne Berücksichtigung der Motorge schwindigkeit ermitteln lassen. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis aus, dass sich die Betriebsei genschaften der Förder-Pumpe auch durch den Drehmoment- Verlauf, der Periodendauer und dem Bezugsphasenwinkel ermit teln lassen.
Dadurch wird erreicht, dass für die Bestimmung der Betriebs eigenschaften der Förder-Pumpe keine weiteren Sensoren, wel che an der Pumpe angebracht werden müssen, benötigt werden. Ferner kann auf eine aufwändige Kalibrierung solcher Sensoren untereinander verzichtet werden.
Durch die Erfindung ist es möglich, die Betriebseigenschaften von Förder-Pumpen wesentlich einfacher, flexibler und robus ter bestimmen zu können. Außerdem kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Betriebseigenschaften der Förder-Pumpe er höht 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 wel chem für die Änderung des jeweiligen Leistungswerts zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Messpunkten ein Maxi- mum vorliegt, und die Periodendauer mithilfe des Referenz werts 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 mit hilfe 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 be stimmt 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 Erfassungs mittel vorgesehen ist, das dazu eingerichtet ist, die Leis tungsaufnahme des Motors während dessen Betrieb zu erfassen, und ferner eine Rechenvorrichtung mit einem Speicher vorgese hen ist, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren mithilfe des Erfassungsmittels auszuführen.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Computerimplementier tes Verfahren anzugeben. Die auf ein Computerimplementiertes Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung ist gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beige schlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sys tems mit einer Gestänge-Tiefpumpe,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für einen Pump-Kopf einer Ge stänge-Tiefpumpe,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Flussdiagramm des er findungsgemäßen 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 Durch flussleitung 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 befes tigt, der einen Kolben 11 in einem Lauf 12 beinhaltet. Eine Bewegung des Kolbens 11 führt zu einem Abpumpen des Förderme diums 14.
Der Mantel 8 ist in einem Bohrloch 13 gebildet.
Der Kinematik-Wandler 120 wird beispielsweise von einer An triebsmaschine in Form eines elektrischen Motors 3 über ein Untersetzungsgetriebe 4 angetrieben. Der Kinematik- Wandler 120 kann zusätzlich einen hydraulischen Kraftverstär ker umfassen.
Die mechanische Anbindung des Kinematik-Wandler 120 erfolgt in diesem Beispiel über einen Laufbalken 2, kann je nach ver wendetem Pumpentyp aber variieren.
Dem Fachmann sind derartige Kinematik-Wandler geläufig, eben so deren Beschreibung in Form von „Eigenschaften eines Kine matik-Wandlers" durch die Transformations-Funktion von mecha nischen 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 beispiels weise 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 korrespondie rende Krafteinwirkung am Gestänge 10 in einem zeitlichen Zu sammenhang steht, welche als Bezugsphasenwinkel bezeichnet wird. Für eine jeweilige Pumpenanordnung kann ein Bezugspha- senwinkel unter Anwendung der Kinematik-Prinzipien der Mecha nik bestimmt werden, wie dem Fachmann bekannt.
Ferner ist ein Erfassungsmittel 110 vorgesehen, das dazu ein gerichtet ist, die Stromaufnahme und die Betriebsspannung der einzelnen Phasen des Motors 3 während dessen Betrieb zu er fassen. Dies kann beispielsweise durch ein Amperemeter bezie hungsweise 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 erfindungsgemä ße Verfahren mithilfe des Erfassungsmittels 130 auszuführen.
Es ist dem Fachmann bekannt, wie ein Bezugsphasenwinkel für den Kinematik-Wandler 120 mithilfe der Eigenschaften des Ki nematik-Wandlers 120 und der Leistungsaufnahme 72 des Mo tors 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 Eigen schaften 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 Bohr loch 13 eine Deckröhre 15 mit vertikalen Rillen angeordnet, welche innerhalb der Deckröhre 15 über eine Haltevorrich tung 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 Pumpenausklei dung 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: 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 diskre ten Messpunkten mit Stromwerten, und daraus Bestimmen der Leistungsaufnahme 72 des Motors 3 mit Leistungswer ten, b) Bestimmen für einen Pumpzyklus einer Periodendauer 85 und eines Maximums 82 der Leistungsaufnahme 72, 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, welcher den Zusammenhang zwischen dem Maximum 82 der Leistungsaufnahme und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpumpe 1 wirkenden Kraft beschreibt, d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungs aufnahme 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 Perioden- dauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasenwin kel.
Die Leistungswerte können durch das Produkt von den diskreten Stromwerten und der Betriebsspannung bestimmt werden.
Die Periodendauer 85 kann beispielsweise mithilfe eines ap proximierten Polynoms 80 durch die Leistungswerte der Mess punkte 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 zumin dest 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 Drehmo ment-Verlauf unter Verwendung der im Schritt b) bestimmten Periodendauer und dem im Schritt c) bestimmten Bezugsphasen winkel 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 Betriebseigen schaften 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 auf getragen, und auf der y-Achse die Last 32 der polierten Stan ge.
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) darge stellt.
Strichliert ist eine Karte 36 der polierten Stange für Pump geschwindigkeit gleich Null eingezeichnet.
Ferner ist ein Karte 37 der polierten Stange für Pumpge schwindigkeit größer als Null.
Es ist eine minimale Last der polierten Stange 38 (MPRL) dar gestellt.
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 Pumpen- Leistung.
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 je weiligen mechanischen Arbeit der Stangen dargestellt.
In Fig. 6 sind Last-Weg-Diagramme 60-65 für verschiedene Be triebszustände dargestellt.
Diagramm 60 zeigt Last-Weg-Diagramme bei einem normalen Be trieb.
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 festste ckenden 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 ei nes Leistungsverlaufs eines elektrischen Antriebsmotors für eine Gestänge-Tiefpumpe, welche aus der Stromaufnahme und Be triebsspannung 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 ge mittelten Leistungsaufnahme bestimmt werden.
Daraus kann ein Phasenwinkel 86 der gemittelten Leistungsauf nahme ermittelt werden, welcher den Zusammenhang zwischen der Drehbewegung des Motors 3 und dem Gestänge 10 der Pumpe 1 be schreibt.
Aus der ermittelten Werten kann ein entsprechendes Last-Weg- Diagramm ermittelt werden, um daraus auf einfache Weise die Betriebseigenschaften der Gestänge-Tiefpumpe 1 abzuleiten.
BezugsZeichen :
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 Halte orrichtung 17 selbstausrichtendes Lager
18 drehende Röhre mit Spiralrillen
19 Aufnähmeröhre
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 Pumpgeschwindig keit gleich Null
37 Karte der polierten Stange für Pumpgeschwindig keit größer als Null
38 Minimale Last der polierten Stange, MPRL
39 BruttokoIbenlast
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 Betriebs wechsel
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 ste hendes Ventil 65 Last-Weg-Diagramm bei einem Leck durch ein beweg tes Ventil
70 Zeitachse
71 Achse für Amplitude der Strom- bzw. Leistungsauf nahme
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 Leis tungsaufnahme
100 Pumpsystem 110, 111 Pumpköpf
120 Kinematik-Wandler 130 Erfassungsmittel 140 Rechenvorrichtung 150 Speicher

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Betriebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe (1), umfassend einen Pump-Kopf (110, 111), welcher über ein Gestänge (5, 10) mit einem Kinema tik-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 Be stimmen 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), wel cher den Zusammenhang zwischen dem Maximum (83) der Leis tungsaufnahme und dem Maximum der auf das Gestänge der Tiefpumpe (1) wirkenden Kraft beschreibt, d) Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs aus der Leistungs aufnahme des Motors (3) mithilfe der Eigenschaften des Ki nematik-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 er mittelt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Periodendauer (85) mithilfe eines Polynoms (80) ermittelt wird, welches für Stützpunkte des Polynoms sta tistische Mittelwerte der Leistungswerte der jeweiligen Messpunkte über zumindest fünf, bevorzugt zumindest zehn, besonders bevorzugt zumindest fünfzig Pumpzyklen berück sichtigt.
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 Leis tungswerts 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) ermittel ten 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 Maxi mums 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 Ge stänge (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 Leis tungsaufnahme des Motors (3) während dessen Betrieb zu er fassen, 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.
8. Computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung von Be triebseigenschaften einer Gestänge-Tiefpumpe (1) nach An- spruch 1.
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