FR2703109A1 - Dispositif de commande de pompe de puits. - Google Patents

Abstract

Ce dispositif de commande comporte un moyen de pompage actionné cycliquement par un moteur électrique (40) couplé à une ligne d'alimentation, le puits ayant une capacité maximale par course de pompe. Un appareil de mesure (54) mesure le niveau instantané du courant fourni au moteur par la ligne d'alimentation et le niveau instantané de tension dans la ligne d'alimentation et fournit un signal de sortie en fonction du produit du courant instantané par la tension, ce produit représentant la consommation de puissance électrique instantanée du moteur; un appareil de chronométrage détermine le moment du passage de la pompe du puits par un point de référence au cours des cycles périodiques de la pompe du puits; et un processeur (56) compare le signal de sortie de l'appareil de mesure, pendant les cycles périodiques successifs, au moins dans une région de phase prédéterminée par rapport au point de référence, afin d'identifier dans la consommation d'énergie, les variations caractéristiques d'un fonctionnement de la pompe à une valeur inférieure à la capacité maximale par course de la pompe.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE DE POMPE DE PUITS

La présente invention concerne le domaine des dispositifs de commande et des dispositifs de surveillance pour des pompes à tiges ou pompes de fond de puits pétroliers et des charges cycliques similaires En particulier, la vitesse à laquelle la chambre souterraine de la pompe se remplie pendant l'intervalle compris entre les courses motrices d'une pompe à tiges est déterminée indirectement par surveillance des variations de la charge électrique du moteur de la pompe et des régions particulières de la phase du cycle de la pompe La position de phase du cycle de la pompe est déterminée en prenant pour référence les crêtes de puissance ou le passage par le point zéro de la charge cyclique Un dispositif de commande comportant un processeur ou dispositif de traitement numérique échantillonne la charge électrique pendant le cycle de pompage Les variations dans le degré de remplissage de la chambre de la pompe sont, de préférence, déterminées par examen des différences de cycle à cycle dans le niveau de puissance de la pompe pendant la course descendante lorsque la tige de la pompe se déplace librement dans l'air jusqu'à ce qu'elle rencontre le fluide. Les pompes à balancier pour puits de pétrole extraient un fluide d'une chambre de pompe de fond de puits en soulevant et en abaissant de façon répétée une série de tiges d'acier accouplant la pompe de fond de puits et le système de pompe à balancier situé en surface Le soulèvement et l'abaissement répétés des tiges d'acier amènent un piston se trouvant dans le système de pompe de fond de puits à tirer jusqu'à la surface les fluides se

trouvant dans le puits.

Le système de pompage à balancier situé en surface comprend, de façon typique, un balancier dont une des extrémités est couplée à un moteur de pompe par un système de manivelle Le système de manivelle comporte un contrepoids destiné à équilibrer la charge du moteur par compensation d'au moins une partie du poids des tiges de raccordement de pompe qui se trouvent en porte-à-faux sur l'extrémité opposée du balancier Néanmoins, lorsque les tiges reliées à la pompe de fond de puits sont soulevées et abaissées, la charge du moteur passe par un cycle durant lequel de l'énergie potentielle est emmagasinée lorsque les tiges de la pompe sont soulevées et qui est libérée lorsque

les tiges de la pompe sont abaissées.

Le moteur est, de façon typique, un moteur électrique comportant un dispositif réducteur pour s'adapter à la fréquence relativement faible de la course de la pompe Ce moteur est, de façon typique, un moteur triphasé Le moteur et des dispositifs à contacteurs de protection de circuit sont prévus, de façon typique, pour ouvrir le circuit du moteur dans le cas d'un court-circuit ou d'une surcharge de moteur En outre, un dispositif de commande qui est sensible aux conditions régnant dans le puits peut être couplé aux dispositifs à contacteurs, par exemple pour faire fonctionner la pompe de façon intermittente à une vitesse qui peut être supportée par la formation géologique Le dispositif de commande ou le dispositif à contacteur lui-même peut comprendre un moyen pour mesurer le courant dans le circuit du moteur et/ou la tension de ligne à l'aide de circuits analogiques ou numériques, en tant que partie de la fonction de protection de circuits ainsi que pour modifier le fonctionnement de la pompe afin de l'adapter aux conditions permettant d'obtenir

le meilleur rendement.

On sait équiper un contacteur destiné à un puits pétrolier avec des contacts de relais qui réorganisent les couplages de ligne d'un moteur triphasé quand les conditions de charge en courant indiquent que la pompe fonctionne de façon inefficace, par exemple comme décrit dans le brevet U S 4 220 440 et dans le brevet U S. 4.695 779 Ce dernier brevet décrit un dispositif de commande similaire qui comprend un dispositif de traitement, ou processeur, et plusieurs dispositifs de chrono-déclenchement qui effectuent une commutation entre des modes de fonctionnement lors de l'apparition de

conditions distinctes de blocage ou calage.

Un processeur comportant une série de capteurs de débit et de consommation d'énergie destinés à évaluer le fonctionnement du puits est décrit dans le brevet U S. 4.767 280 et un processeur qui intègre des facteurs supplémentaires, tels que les proportions d'huile et d'eau dans le fluide récupéré est décrit dans le brevet U S.

5 070 725.

Bien que l'invention soit décrite dans le présent exposé principalement en se référant à une pompe à balancier, il est également possible d'appliquer les concepts d'une pompe à balancier à d'autres formes de charges cycliques Les brevets U S 4 601 640 et 4 493 613, par exemple, décrivent un agencement compact de pompe qui fait effectuer un mouvement de va-et-vient à un piston mais n'utilise pas un balancier Un moteur réversible actionne le piston par l'intermédiaire d'un câble Ces deux brevets, ainsi que les brevets mentionnés précédemment sont cités ici en tant que référence pour leurs enseignements concernant les agencements de détection et de commande de

moteur de puits.

Les puits sont fréquemment pourvus d'instruments de

mesure ayant pour but d'établir des paramètres opératoires.

Le débit du fluide produit par le puits est un paramètre avantageux à mesurer et on peut le mesurer en utilisant des capteurs de débit placés en un point quelconque le long des conduits à travers lesquels le fluide est pompé Les pressions de fluide engendrées dans le puits par la pompe peuvent aussi être surveillées et utilisées pour engendrer des informations supplémentaires telles que la vitesse à laquelle la formation géologique réapprovisionne la pompe, ainsi que d'autres aspects du comportement du puits Un des moyens utilisés pour détecter indirectement la pression du fluide dans le puits consiste à détecter les forces de traction et de compression dans les structures en mouvement de la pompe, par exemple en utilisant des jauges de contrainte montées sur de telles structures ou des cellules

dynamométriques montées entre ces structures.

Il existe un grand nombre d'aspects du comportement d'un puits et/ou d'une pompe qui sont appropriés pour déduire le rendement, l'entretien, la capacité, la commutation entre les modes de fonctionnement, etc Le but du puits est, bien entendu, de fournir le plus de fluide possible et, de préférence, d'augmenter au maximum dans le fluide le pourcentage de pétrole par rapport à l'eau ou à la boue tout en réduisant à un minimum la consommation d'énergie de la pompe Toutefois, l'optimisation du fonctionnement de la pompe exige que ce fonctionnement puisse être modifié pour être adapté aux conditions Un système de surveillance et un dispositif de commande peuvent être prévus pour détecter les conditions et pour ajuster les paramètres opératoires, tels que la fréquence du fonctionnement cyclique, la façon selon laquelle l'énergie électrique est fournie aux enroulements du moteur, etc. La quantité de travail utile que fournit un dispositif de transport de fluide est le produit du débit massique de fluide par la différence de pression ou hauteur manométrique La charge de pression totale que supporte la pompe comprend des facteurs statiques et dynamiques, tels que la charge de refoulement et la charge d'aspiration maintenues, la charge dynamique, la résistance engendrée par le frottement, etc Les variations d'un certain nombre de ces facteurs, spécialement la pression du fluide et le débit du fluide, sont cycliques en raison du fonctionnement cyclique de la pompe Il est par conséquent nécessaire d'évaluer la pression du fluide et d'obtenir des informations de débit en fonction du point o de telles données sont échantillonnées dans le cycle périodique de la pompe Le système de surveillance et de commande de la pompe nécessite donc l'introduction d'informations

concernant l'angle de phase actuel de la pompe.

On peut mesurer l'angle de phase de la pompe à l'aide de moyens plus ou moins compliqués Par exemple, on peut monter un interrupteur de fin de course destiné à être actionné de façon répétitive par contact avec le balancier de la pompe et l'utiliser pour déclencher un échantillonnage de données opératoires au même point pendant chaque cycle, ou entre des cycles comptés On peut monter un codeur d'angle d'arbre pour fournir des impulsions avec le déplacement angulaire du balancier ou de la manivelle du moteur, etc, ce codeur permettant d'effectuer des mesures en des points définis du cycle Ces dispositifs exigent un montage et un entretien appropriés et peuvent être sujets à des pannes mécaniques De ce fait, les agencements connus sont coûteux à la fois initialement

ainsi qu'au cours de leur entretien ou de leur utilisation.

Il est possible, au cours du fonctionnement d'une pompe à tige, ou d'une charge analogue, de faire fonctionner la pompe à une fréquence qui dépasse la vitesse à laquelle la formation géologique peut réapprovisionner la chambre de la pompe Si la pompe fonctionne à une vitesse trop élevée, une partie de l'énergie électrique dépensée pour communiquer un mouvement de va-et-vient à la pompe est perdue, car chaque course ne couvre qu'une partie de la capacité totale de course de la pompe Un fonctionnement inefficace de la pompe de cette manière est caractérisé par une dépense d'énergie due au frottement, qui est plus grande, par unité de fluide pompé, qu'elle ne le serait si la chambre de la pompe était réapprovisionnée entre les courses et si chaque course élevait un volume de fluide

correspondant à la capacité totale pour une course.

Quand la tige de la pompe commence une course descendante, le moteur de la pompe doit soulever les contrepoids en utilisant de l'énergie électrique si le puits est plein Si le puits est vide (non encore réapprovisionné), la tige de la pompe se déplace dans l'air au cours de sa course descendante jusqu'à ce que le niveau du fluide soit atteint La pesanteur et le poids combiné de la tige de la pompe et du fluide transporté par la tige de la pompe contribuent à soulever les contrepoids pendant cette descente libre de la tige de la pompe Quand la surface du fluide est atteinte par la tige de la pompe, la puissance du moteur est plus grande Il est possible de monter des jauges de contrainte ou des cellules dynamométriques ainsi que des capteurs de position de tige pour déterminer le moment o la pompe n'est pas réapprovisionnée, c'est-à-dire ne se remplit pas, à la même vitesse que celle o le f luide est extrait Toutefois, de telles mesures sont compliquées et les capteurs ainsi que

les connexions sont soumis à des contraintes mécaniques.

Il serait avantageux de disposer d'un dispositif qui puisse fournir les informations nécessaires pour déterminer ou commander cet aspect de fonctionnement de la pompe sans de tels composants La présente invention est conçue pour fournir de telles informations concernant la vitesse de remplissage d'une pompe à tige indirectement à

partir des variations de la charge du moteur de la pompe.

on s'est aperçu que la consommation d'énergie électrique du moteur de la pompe au cours de la caractéristique de condition de chute libre d'un remplissage incomplet de la pompe est d'environ la moitié de la consommation d'énergie dans les conditions normales o la pompe est pleine En recueillant et en examinant les données échantillonnées représentant la consommation en énergie électrique, cela en prenant pour référence un angle de phase déterminé pendant chaque cycle de pompe à partir du point de consommation d'énergie instantanée minimale, le système selon la présente invention détecte le remplissage de la pompe Les données concernant le remplissage peuvent être communiquées ou utilisées pour ordonner à un dispositif de commande d'arrêt de pompe de réduire la vitesse de fonctionnement de la pompe ou d'arrêter le fonctionnement de cette dernière pour donner à la formation géologique le temps de rétablir

le réapprovisionne-ment.

Conformément à l'invention le dispositif de commande de pompe pour une pompe de puits comportant un moyen de pompage actionné de façon cyclique par la force motrice d'un moteur électrique couplé à une ligne d'alimentation, le puits ayant une capacité maximale par course de pompe, comprend un appareil de mesure destiné à mesurer un niveau instantané du courant fourni au moteur par la ligne d'alimentation et un niveau instantané de tension dans la ligne d'alimentation, ledit appareil de mesure produisant un signal de sortie en fonction du produit de l'intensité instantanée par la tension, ce produit représentant la consommation de puissance électrique instantanée du moteur; un appareil de chronométrage pour déterminer le moment du passage de la pompe du puits par un point de référence au cours des cycles périodiques de la pompe du puits; et un processeur fonctionnant de manière à soumettre à une comparaison le signal de sortie de l'appareil de mesure précité, pendant les cycles périodiques successifs, au moins dans une région de phase prédéterminée relative au point de référence, afin d'identifier dans la consommation d'énergie les variations caractéristiques d'un fonctionnement de la pompe du puits à une valeur inférieure à la capacité maximale par course de

la pompe.

Le dispositif de commande selon l'invention

présente également les caractéristiques ci-après.

Le passage de la pompe par le point de référence est déterminé par le processeur à l'aide d'une crête ou d'un croisement par un point zéro de la consommation d'énergie électrique instantanée; le point de référence est un point de consommation d'énergie minimale apparaissant entre une course motrice desdits cycles et une régénération par le moteur due à l'énergie cinétique de la pompe; au moins une des régions de phase prédéterminée comprend une course descendante de la pompe et le processeur fonctionne de manière à détecter une diminution dans la consommation d'énergie pendant la caractéristique de course vers le bas de la chute d'une partie de la pompe jusqu'au niveau du fluide dans la chambre de la pompe; le processeur fonctionne de manière à intégrer la consommation d'énergie pendant la course descendante de chaque cycle successif de la pompe et à comparer la consommation totale d'énergie pendant la course descendante avec une valeur minimale prédéterminée, le processeur comprenant un dispositif de consommation d'énergie totale pour émettre un signal lorsque la consommation d'énergie totale pendant la course descendante ne parvient pas à dépasser la valeur minimale prédéterminée; la valeur minimale prédéterminée est égale à environ la moitié de la valeur nominale de consommation d'énergie caractéristique du fonctionnement à la capacité maximale par course de la pompe; et en outre, un contacteur électrique couple le moteur à la ligne d'alimentation et le dispositif de mesure précité comprend un transducteur de puissance du contacteur électrique. La présente invention a donc pour objet d'évaluer les paramètres opératoires d'une charge cyclique, telle qu'une pompe de puits, à partir de la charge électrique

d'un moteur actionnant la pompe.

La présente invention a encore pour objet de déterminer le remplissage d'une pompe par examen de la puissance instantanée du moteur de la pompe à des position de phase particulières au cours des cycles successifs de

fonctionnement de la pompe.

La présente invention a pour objet supplémentaire de fournir un dispositif de commande de pompe qui engendre des informations permettant d'évaluer le fonctionnement d'un puits ou d'une pompe de puits en se fiant le moins possible à des capteurs mais en utilisant, par contre, les variations de la consommation d'énergie du moteur de la pompe, telles que détectées par le dispositif de commande

de pompe.

La présente invention a encore pour autre objet d'intégrer la solution des objets mentionnés ci-dessus dans un dispositif modulaire de protection de courant, en tant qu'accessoire d'un contacteur ou d'un disjoncteur disposant d'un moyen pour surveiller la consommation d'énergie d'une charge qui y est couplée, de préférence, pour détecter à la fois le niveau du courant ou de l'énergie qui circule entre le moteur d'une pompe et un réseau de fourniture d'électricité et la polarité de ce courant. Ces objets ainsi que d'autres objets sont atteints conformément à la présente invention par utilisation d'un dispositif de commande de pompe couplant le moteur électrique d'une pompe de puits pétroliers fonctionnant cycliquement à une ligne d'alimentation électrique La mesure selon laquelle une pompe alternative pour un puits pétrolier se remplit entre les courses successives de la pompe est déterminée indirectement à partir des variations de la consommation d'énergie d'un moteur électrique entraînant la pompe La consommation d'énergie est échantillonnée de façon numérique et un processeur détermine la phase des données dans les échantillons à partir de références de phase définie par une crête et/ou un passage au point de croisement zéro dans le fonctionnement cyclique de la pompe et du moteur Quand la pompe se remplit de façon incomplète entre les courses, par exemple lorsque la pompe fonctionne à une fréquence trop élevée, la résistance s'opposant aux déplacements de la tige du puits diminue pendant la course descendante Le processeur détermine le point du cycle de la pompe o la tige rencontre le fluide à partir de l'augmentation de la consommation d'énergie, en obtenant ainsi une indication indirecte du remplissage La consommation instantanée en énergie est, de préférence, mesurée à l'aide d'un module transducteur de puissance, tel que le transducteur de puissance Westinghouse Electric Energy Sentinel (marque déposée) associé au contacteur ou au disjoncteur électrique tel que le contacteur triphasé Westinghouse Advantage (marque déposée) Le dispositif est inclus dans un dispositif de commande perfectionné de pompe ou "pupitre de il pompe" qui comprend un dispositif de commande programmable remplissant les fonctions du processeur et fonctionnant également comme un dispositif de commande d'arrêt de pompe pour régler l'actionnement de la pompe Les signaux engendrés, conformément à la présente invention, peuvent aussi être multiplexés vers un dispositif de commande centralisé sensible à plusieurs pompes, par exemple en utilisant un moyen de multiplexage ou un moyen de transfert

de données à distance.

On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés qui représentent des modes de réalisation donnés à titre d'exemple, et sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation montrant un agencement de pompe actionné de façon cyclique conformément à la présente invention; la figure 2 est un schéma synoptique montrant les éléments fonctionnels de l'invention; la figure 3 est un organigramme représentant les étapes de mesure et de traitement selon l'invention; et la figure 4 est un schéma synoptique représentant une variante d'agencement dans laquelle la consommation d'énergie instantanée est déterminée à partir du niveau de

courant ou intensité efficace.

Comme on peut le voir sur la figure 1, un agencement 20 de pompe de puits pétrolier selon la présente invention comporte une série de tiges 22 accouplant une pompe "piston/chambre" 24 de fond de puits à un système de pompage 30 à balancier, disposé en surface Le système de pompe 30 placé en surface comporte un balancier 32 dont une ( 34) des extrémités est reliée aux tiges 22 de fond de puits et dont l'extrémité opposée 36 est reliée par un système d'excentrique à un contrepoids rotatif 38 Le contrepoids 38 est entraîné en rotation par un moteur électrique 40, lequel est couplé par un entraînement à courroie ou à chaîne, et/ou est couplé au moteur 40 par l'intermédiaire d'un train d'engrenages Lorsque le moteur fait tourner le contrepoids 38, le balancier 32 oscille pour soulever et abaisser les tiges 22 de fond de puits, en actionnant la pompe 24 d'une manière périodique à une fréquence relativement basse. Le moteur 40 peut être un moteur à courant alternatif triphasé et à enroulements multiples, pouvant fonctionner par exemple, sous 440 VAC et développant une puissance de 7 360 watts ( 10 CV) à 92 kilowatts ( 125 CV), selon la capacité et la profondeur de la pompe 24 Comme représenté schématiquement sur la figure 2, l'agencement de pompe 20 peut être pourvu d'un contacteur 44 pouvant être actionné pour effectuer et pour arrêter le pompage, modifier la configuration des enroulements en Y, en AY, et en A, comme décrits dans les brevets U S 4 220 440 et 4.695 679 et/ou peut être couplé à un dispositif de commande d'état "au-dessus de la charge/en dessous de la charge", ce dispositif comprenant un processeur et un moyen de chronométrage comme indiqué dans le brevet U S.

4 767 280.

Selon la présente invention, un dispositif de commande 50 est couplé à un transducteur 54 pouvant fonctionner de manière à détecter le niveau d'énergie électrique ou intensité instantanée demandé à la ligne d'alimentation 66 par le moteur électrique 40 actionnant la pompe 24 de puits Dans le mode de réalisation représenté, le dispositif de commande 50 comprend un processeur numérique 56 et le transducteur 54 comprend un transducteur de puissance qui fournit une tension de sortie proportionnelle au niveau de puissance instantanée Le transducteur de puissance peut être un transducteur Energy Sentinel couplé à une partie modulaire d'un disjoncteur ou d'un contacteur et engendre une sortie représentant l'amplitude de l'énergie ou courant transporté entre le moteur de la pompe et le secteur électrique, ainsi que la polarité qui s'inverse de façon caractéristique pendant une phase de fonctionnement en régénération du cycle de la pompe au point mort haut, lorsque l'énergie cinétique de la pompe renvoie du courant au secteur Par conséquent, l'expression "consommation" d'énergie ou de courant, telle qu'elle est utilisée ici, doit être interprétée comme comprenant la consommation d'énergie en regénération ou négative Une crête ou un passage au point de croisement zéro se produisant durant chaque cycle, un tel point minimal de consommation d'énergie est utilisé pour définir un point de référence ou phase dans la variation d'énergie ou de puissance cyclique de la pompe, grâce à quoi il est possible d'examiner les variations de l'énergie en fonction du temps en se référant à leur angle de phase au cours du

cycle de la pompe.

On échantillonne la tension de sortie du transducteur de puissance en utilisant un convertisseur analogique/numérique 58 déclenché périodiquement par le dispositif de commande 50 à une fréquence notablement plus élevée que la fréquence de fonctionnement cyclique de la pompe, par exemple plusieurs fois par seconde Le transducteur de puissance 54 fait la moyenne de la consommation d'énergie en courant alternatif du moteur 40 en fonction de la fréquence de la ligne d'alimentation mais produit un signal de sortie sensiblement sinusoïdal à la fréquence de la pompe 24 Il en est ainsi en raison du fait qu'à mesure que la pompe 24 soulève et abaisse les tiges 22 de pompe de fond de puits pendant chaque cycle de pompage, le moteur 40 est chargé de façon cyclique L'agencement de pompe 20 effectue une course motrice et, ensuite, sous l'effet du moment d'inertie ou énergie cinétique, effectue une course regénératrice, chaque cycle de la pompe

comprenant les parties motrice et regénératrice.

La charge du moteur est minimale pendant les périodes de temps durant lesquelles le balancier 32 se trouve au sommet ou à la base de sa course Un minimum absolu a lieu immédiatement avant la partie course descendante du cycle La puissance, à ce point, s'inverse de façon typique et devient négative à mesure que la force vive de la pompe 24 et des structures 22 de tiges de liaison entraînent un fonctionnement en régénération du

moteur 40.

Le transducteur de puissance 54 mesure, en fait, l'intensité efficace du courant dans les enroulements 64 du moteur ainsi que la tension efficace dans la ligne d'alimentation 66, et multiplie ces valeurs pour engendrer le signal de sortie qui est présenté au convertisseur analogique/numérique 58 et qui représente le niveau de puissance instantanée Il est également possible d'obtenir approximativement le niveau de puissance instantanée en ne mesurant que l'intensité, en supposant ainsi que le niveau de tension se maintient à la tension nominale du réseau d'alimentation, c'est-à-dire du secteur Toutefois, pour obtenir des informations concernant la partie régénératrice du cycle, il est nécessaire non seulement de mesurer l'amplitude du courant mais également de déterminer la polarité du courant circulant entre le secteur et le moteur, c'est-à-dire de déterminer si oui ou non le secteur fournit du courant au moteur, ou vice versa Le dispositif Energy Sentinel est sensible à la fois au courant et à la tension et réagit à la polarité du courant Se fier à une mesure du courant seule donne une précision plus faible que si l'on tient compte de l'intensité et de la tension en raison de la nature réactive de la charge électrique, particulièrement lorsque le moteur 40 fonctionne sous

charge et en régénération, de façon cyclique.

De préférence, l'invention est mise en oeuvre sous une forme perfectionnée de dispositif de commande de pompe du type connu sous la désignation de "pupitre de pompe" dans l'industrie mais est pourvu de moyens de calcul supplémentaires pour atteindre les objets de la présente invention Le pupitre de pompe intelligent selon la présente invention peut être basé sur un ensemble de

dispositifs de démarrage de moteur-contacteur électro-

mécanique, tels que le contacteur triphasé Advantage (marque déposée) vendu par la Compagnie Westinghouse Electric Corporation, comprenant de préférence le module Energy Sentinel (marque déposée) qui est monté sur le démarreur et comprend des circuits de détection de courant et de tension, un filtre et un agencement de multiplication, et un convertisseur analogique/numérique pour produire une sortie numérique représentant l'énergie instantanée transférée entre la ligne d'alimentation et la charge couplée à cette dernière, comme par exemple un moteur 40 Les données numériques sont appliquées à un dispositif de commande programmable formant le processeur 56 du dispositif de commande 50 et sont extraites, par exemple, toutes les 150 à 200 ms pour recueillir des

données relatives à la consommation d'énergie instantanée.

Le dispositif de commande programmable est couplé aux modules d'entrée/sortie grâce auxquels les données échantillonnées et les données engendrées par calcul à partir des données échantillonnées et/ou à partir des entrées des capteurs supplémentaires peuvent être communiquées à des dispositifs d'enregistrement ou de communication De préférence, les données de sortie engendrées par le dispositif de commande 50 sont communiquées à l'aide d'un modem radioélectrique, d'amplificateurs de ligne, d'un modem téléphonique, ou analogue, à un endroit distant Toutefois, il est également possible d'utiliser les données uniquement de façon locale en liaison avec un dispositif de commande du type pompe hors-circuit (pour déterminer le moment o la pompe doit fonctionner et la durée pendant laquelle la pompe doit fonctionner) qui comporte les moyens supplémentaires

décrits dans le présent exposé.

Il est également possible d'avoir recours à des communications partagéesentre les transducteurs de puissance d'une pluralité de moteurs de pompe et un seul dispositif de commande, par exemple en utilisant un multiplexage dans le temps ou par division de fréquence De façon similaire, les données engendrées par une pluralité de dispositifs de commande, dont chacun sert de pompe unique ou d'un groupe de pompes, peuvent être communiquées à un dispositif de commande plus centralisé ou à un moyen

de commande de consignation de données.

Comme on peut le voir sur l'organigramme de la figure 3, le processeur 56 du dispositif de commande 50 stocke les données représentant le niveau d'énergie échantillonnée et traite les données pour déterminer les moments o se produisent les minima successifs Ces minima définissent la fréquence opératoire de pompage Le dispositif de commande 50 intègre alors le niveau de puissance instantanée détecté par addition des valeurs de

données échantillonnées sur un cycle complet de la pompe.

Le résultat est une valeur proportionnelle à la puissance hydraulique exercée plus une valeur représentant les pertes par frottement de l'agencement de pompe 20 et du moteur 40

pris comme un tout.

Le niveau de puissance ou d'énergie intégrée sur le cycle de la pompe est stocké ou consigné pour permettre une analyse et une comparaison des niveaux de puissance et d'énergie sur un grand nombre de cycles Le dispositif de commande 50 peut être conçu pour stocker les données dans une mémoire locale 72 et/ou pour enregistrer les données pendant une période de stockage plus longue sur un ruban ou un disque, fournir un compte rendu imprimé ou des tracés graphiques, ou bien pour donner un compte rendu des données par l'intermédiaire d'une communication à distance, par

exemple par l'intermédiaire d'un modem.

La puissance hydraulique exercée et les pertes dues au frottement peuvent toutes deux varier dans le temps et pendant des cycles successifs de la pompe Toutefois, les pertes dues au frottement ont tendance à varier très lentement en comparaison de la variation de la puissance hydraulique ou du travail utile exercé par la pompe 24 Les variations de la puissance sur une période de temps relativement courte (par exemple moins d'un jour) sont dues principalement à des variations de la puissance hydraulique Selon la présente invention les variations de puissance sont soumises à une corrélation avec le travail utile accompli par la pompe, c'est-à-dire avec le volume de

fluide extrait du puits.

Les variations apparaissant dans la puissance hydraulique (c'est-à-dire les variations sur des périodes plus longues que celles correspondant à la fréquence de cycles de la pompe) peuvent être analysées et utilisées de nombreuses façons En plus de rendre compte du volume approximatif de fluide pompé, les variations peuvent être utilisées pour prendre des décisions concernant le fonctionnement et l'entretien Le contacteur 44, actionné par les signaux de sortie du dispositif de commande 50, peut mettre en fonction et hors fonction la pompe 24, modifier la configuration des enroulements 64 du moteur de pompe, faire fonctionner des alarmes ou donner des instructions pour l'entretien, et gérer de toute autre manière l'agencement de pompe 20 en vue d'un fonctionnement efficace, en se fiant essentiellement aux informations ue peut obtenir le dispositif de commande 50 en surveillant la

consommation d'énergie électrique du moteur 40 de la pompe.

Selon la présente invention, le dispositif de commande peut fonctionner de manière à évaluer dans quelle mesure la pompe se remplit de fluide entre les courses de cette pompe Il est possible, au cours du fonctionnement d'une pompe à tige, ou d'une pompe analogue, de faire fonctionner la pompe à une fréquence de pompage supérieure à la vitesse à laquelle la formation géologique réapprovisionne la chambre de la pompe, ce qui est inefficace Si la pompe est actionnée à une vitesse trop élevée, une partie de l'énergie électrique dépensée dans le mouvement de va-et-vient de la pompe est perdue parce que chaque course n'élève qu'une partie de la capacité de

pleine course de la pompe.

Quand la tige de la pompe commence une course descendante, le moteur de la pompe doit soulever les contrepoids en utilisant l'énergie électrique si le puits est plein Si le puits est vide (pas encore rempli), la tige de la pompe se déplace dans l'air lors de la course descendante jusqu'à ce que le niveau du fluide soit atteint La pesanteur et le poids combinés de la tige de pompe et du fluide transporté par la tige de la pompe contribuent à soulever les contrepoids pendant cette chute libre de la tige de la pompe Lorsque la surface du fluide est atteinte par la tige de la pompe, l'énergie demandée

par le moteur est plus grande.

Selon la présente invention, les niveaux de consommation d'énergie échantillonnée sont analysés par le dispositif de commande pour effectuer une distinction entre les conditions de pompe pleine et les conditions de pompe vide et, de préférence, pour déterminer le degré de remplissage de la pompe entre ces conditions extrêmes La consommation en énergie dans une condition de chute libre des tiges de la pompe est égale à peu près à la moitié de la consommation d'énergie dans la condition normale lorsque la pompe est pleine En recueillant et en examinant les données échantillonnées représentant la consommation en énergie électrique, cela en prenant pour référence un angle de phase déterminé pendant chaque cycle de pompe à partir du point de consommation minimale d'énergie instantanée, le dispositif selon la présente invention détecte le

remplissage de la pompe.

Comme on peut le voir sur l'organigramme de la figure 3, les cycles de pompage successifs sont définis par recherche des crêtes ou des croisements au point zéro répétitifs dans le niveau d'énergie échantillonné à partir du transducteur de puissance On peut utiliser ces données pour effectuer divers calculs supplémentaires, tels que l'évaluation du volume total pompé ou de la charge de la pompe due au frottement Selon la présente invention, on détermine l'emplacement de la partie de course descendante du cycle de la pompe dans les échantillons en effectuant une interpolation entre les crêtes et les croisements au point zéro Un remplissage incomplet de la pompe produit une variation de la puissance demandée par la pompe dans la zone de phase représentée en traits interrompus dans le graphique inférieur de puissance en fonction du temps illustré sur la figure 3 Le dispositif de commande est conçu pour évaluer la mesure dans laquelle la pompe n'a pas été réapprovisionnée, spécifiquement pour déterminer la position de phase à laquelle le niveau de puissance ou d'énergie s'élève depuis un niveau réduit (du à la chute libre de la pompe) jusqu'à une valeur nominale (lorsque la pompe rencontre le fluide) Le temps entre le niveau de puissance de retour et le niveau de puissance nominal est ensuite rapporté au remplissage proportionnel de la pompe entre les courses Les données concernant le remplissage peuvent être signalées ou utilisées pour ordonner au dispositif de commande d'arrêt de pompe de réduire la vitesse de fonctionnement de la pompe afin de laisser à la

formation géologique le temps de réapprovisionner la pompe.

La figure 4 montre une variante de mode de réalisation dans laquelle le niveau d'énergie ou de puissance est détecté à partir du niveau de courant instantané, ce qui donne une approximation de la consommation d'énergie Cette approximation doit comprendre la polarité du couplage de courant entre la ligne et la charge comme décrit ci- dessus De plus, le mode de réalisation représenté est pourvu de capteurs 82, 86 en vue d'un traitement plus précis du niveau de puissance échantillonné pour distinguer le travail utile exercé par la pompe 24 des pertes dues au frottement et autres charges Au moins un capteur 82 de débit est monté le long du conduit de sortie 84 de la pompe 24 et est couplé au processeur 56 pour recueillir des données de débit par mesure directe Le capteur de débit 82 sert à mesurer au moins de façon intermittente le débit du fluide pour étalonner les calculs entrepris par le processeur 56 Les données de débit instantané sont également intégrées sur un cycle de pompe Le débit réel pendant un cycle, ou de préférence le débit réel dont la moyenne a été calculée sur un certain nombre de cycles, est mis à l'échelle pour conversion d'unité de travail hydraulique (par exemple le produit de la pression manométrique du fluide soulevé multiplié par le débit intégré et le poids moyen, est transformé en unités de puissance électrique, par exemple en watts-heures) et est soustrait de la charge électrique totale mesurée pour déterminer la proportion de puissance perdue par frottement Les pertes par frottement peuvent être surveillées dans le temps pour déterminer le moment o l'entretien de la pompe est nécessaire Le facteur de compensation appliqué aux données de puissance électrique intégrées peut être mis à jour, grâce à quoi il n'est pas

nécessaire que le capteur de débit fonctionne constamment.

Comme représenté également sur la figure 4, un capteur de densité 86 est également monté de préférence le long d'un conduit de sortie 84 de la pompe 24 et est couplé au processeur 56 de dispositif de commande pour améliorer encore la précision Le capteur de densité 86 sert à mesurer la densité du fluide pompé qui, de façon caractéristique, comprend de l'huile, de l'eau et de la boue Les proportions d'huile et de boue influencent le travail nécessaire pour soulever le fluide Le processeur 56 fonctionne, de préférence, de manière à prendre en compte le facteur de densité dans le calcul du volume de sortie de fluide de la pompe 24 en fonction des données de travail intégrées et de la densité, ces données étant également enregistrées et communiquées Les capteurs de débit et de densité peuvent, de cette manière, fournir des signaux de sortie analogiques ou numériques Les valeurs analogiques sont fournies au processeur 56 par

l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique.

Les valeurs numériques peuvent être appliquées aux entrées du processeur Les signaux numériques pulsés peuvent être appliqués au processeur 56 par l'intermédiaire d'un compteur ou bien utilisés pour déclencher une interruption

de programme de processeur.

Les données concernant le débit et la densité sont utiles pour éliminer les facteurs de confusion de la variation due au frottement et au caractère du fluide pompé Par conséquent, les données relatives au niveau de puissance cyclique correspondent de façon plus précise au fonctionnement pratique de la pompe pour élever le fluide et, selon l'invention, pour déterminer la mesure dans

laquelle la pompe est réapprovisionnée entre les courses.

Ces données sont également utiles pour ajuster les évaluations de sortie du fluide et de la perte par frottement en permettant un réétalonnage des facteurs d'échelle et de compensation utilisés pour convertir les données de puissance électrique en unités de travail hydraulique.

Il est bien entendu que la description qui précède

n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent

y être apportées dans le cadre de la présente invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de commande de pompe pour une pompe ( 20) de puits comportant un moyen de pompage actionné de façon cyclique par la force motrice d'un moteur électrique ( 40) couplé à une ligne d'alimentation, le puits ayant une capacité maximale par course de pompe, caractérisé par un appareil de mesure ( 54) destiné à mesurer un niveau instantané du courant fourni au moteur par la ligne d'alimentation et un niveau instantané de tension dans la ligne d'alimentation, ledit appareil de mesure produisant un signal de sortie en fonction du produit de l'intensité instantanée par la tension, ce produit représentant la consommation de puissance électrique instantanée du moteur un appareil de chronométrage pour déterminer le moment du passage de la pompe du puits par un point de référence au cours des cycles périodiques de la pompe du puits; et un processeur ( 56) fonctionnant de manière à soumettre à une comparaison le signal de sortie de l'appareil de mesure précité, pendant les cycles périodiques successifs, au moins dans une région de phase prédéterminée relative au point de référence, afin d'identifier dans la consommation

d'énergie les variations caractéristiques d'un fonction-

nement de la pompe du puits à une valeur inférieure à la

capacité maximale par course de la pompe.

2 Dispositif de commande de pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le passage de la pompe par le point de référence est déterminé par le processeur à l'aide d'une crête ou d'un croisement par un point zéro de la consommation d'énergie électrique instantanée.

3 Dispositif de commande de pompe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de référence est un point de consommation d'énergie minimale apparaissant entre une course motrice desdits cycles et une régénération par le moteur due à l'énergie cinétique de la pompe.

4 Dispositif de commande de pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des régions de phase prédéterminée comprend une course descendante de la pompe et le processeur fonctionne de manière à détecter une diminution dans la consommation d'énergie pendant la caractéristique de course vers le bas de la chute d'une partie de la pompe jusqu'au niveau du

fluide dans la chambre de la pompe.

Dispositif de commande de pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le processeur fonctionne de manière à intégrer la consommation d'énergie pendant la course descendante de chaque cycle successif de la pompe et à comparer la consommation totale d'énergie pendant la course descendante avec une valeur minimale prédéterminée, le processeur comprenant un dispositif de consommation d'énergie totale pour émettre un signal lorsque la consommation d'énergie totale pendant la course descendante ne parvient pas à dépasser la valeur minimale prédéterminée. 6 Dispositif de commande de pompe selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur minimale prédéterminée est égale à environ la moitié de la valeur nominale de consommation d'énergie caractéristique du fonctionnement à la capacité maximale par course de la pompe. 7 Dispositif de commande de pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un contacteur électrique ( 44) couplant le moteur à la ligne d'alimentation et le dispositif de mesure précité comprend un transducteur de puissance du contacteur électrique.