JP2735228B2 - 水中電気ポンプの不足負荷を検出するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水中電気ポンプ（ESP）の不足負荷を検出
するための方法及び装置に関する。

数年前から水中電気ポンプにソフトスタータが使用さ
れるようになり、これに従って、ESPのポンプオフによ
る採油量の増加、即ち油井から最大採油量を得るために
坑底圧力を下げることによってポンプ取り入れ口のレベ
ルまで油井の流体を汲上げることが可能になった。ESP
のこのような動作モードでは、ユニットがポンプオフに
なるとポンプが短時間停止してこの間に油井が一部充填
されその後に作動が再開するようにESPが周期的にオン
とオフとを繰り返す。ESPの故障は作動再開の際に最も
生じ易いため、ソフトスタータが使用される前はこのよ
うな動作モードは不可能であった。

作動再開の際の故障を最大限阻止し、同時に、ガスロ
ックした後にESPが作動することを阻止するために、ポ
ンプオフ動作においては、ポンプオフの確実な検出及び
制御が必要である。ガスロックされたESPを停止させな
いでおくと過熱による早期破損が生じる。流体が表面ま
で汲出されることを阻止するような多量のガスがESPに
吸入されたときにガスロックが生じる。ガスロックの原
因には、油井流体中の大気泡の存在、又はポンプオフ中
のポンプオフ取り入れ口の露出がある。既存のESPモー
タ制御装置はこれらの臨界条件下に適当な制御を行なう
ことができないことが判明した。従って本発明は、ガス
ロック又はポンプオフされたESPを確実に検出し停止す
るという要求を充たすESPのポンプオフ制御装置を開発
した。

既存のESPモータ制御装置は、モータ動作がより安定
でモータ制御がより臨界的でない水面モータ制御パッケ
ージを改造することにより得られている。例えば、水面
遠心ポンプは空運転（running dry）されても該ポンプ
またはモータに損傷を生じないのでこのようなポンプの
場合モータ制御装置はポンプの空運転を必ずしも阻止し
なくてもよいが、坑底のESPは水面に向かって汲上げら
れる流体流がないときに運転されると急激に損傷を生じ
る。これらのモータの制御装置は、モータ通過電流（又
は電力消費量）をモニタしこれを手動調整自在な固定設
定値と比較する。電流がこの不足負荷設定値を下回る値
を規定時間より長い間維持するとモータが停止する。

経験によれば、この既存のモータ制御方法では、作動
中のESPが不足負荷下で尚早に停止したりまたは全く停
止しなかったりするので信頼性に欠ける。この信頼性欠
如の理由は、手動で導入された設定値がしばしば予想値
であるかまたは最善の場合でも坑底の状態と相関関係を
もたない変わり易い目分量に基づいて設定されているか
らである。その結果、設定値が高すぎて尚早な停止が生
じて採油量の低下を招くか、または設定値が低すぎてES
Pが停止せずこのためESPが損傷しその結果として採油量
の低下を招く。

本発明の主目的は、例えばポンプオフまたはガスロッ
クによってモータの不足負荷が生じたことを検出し、ポ
ンプモータを停止する方法及び装置を提供することであ
る。本発明によれば、ガスロック及びポンプオフは、ガ
スがポンプに流入したときのモータ負荷及び流体出力の
急激な低下によって検出される。

本発明方法は、 （ａ）モータ負荷を定期的に測定する段階と、 （ｂ）測定値から最新のモータ負荷を決定する段階と、 （ｃ）測定値からその前のモータ負荷を決定する段階
と、 （ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｃ）の値との差を計算す
る段階と、 （ｅ）前記差が所定量を上回るときにこの差をポンプモ
ータの不足負荷を表すものとして示す段階と、 （ｆ）無ガス下での汲み上げ作業にあっては、前記不足
負荷が検出されるとポンプモータを停止し、有ガス下で
の汲み上げ作業にあっては、前記不足負荷が所定の長さ
の時間を超過することが検出されるとポンプモータを停
止する段階とから成る。

本発明装置は、 （ａ）モータ負荷を定期的に測定するための手段と、 （ｂ）測定値から最新のモータ負荷を決定するための手
段と、 （ｃ）測定値からその前のモータ負荷を決定するための
手段と、 （ｄ）最新のモータ負荷とその前のモータ負荷の差を計
算するための手段と、 （ｅ）前記差が所定量を上回るときにこの差をポンプモ
ータの不足負荷を表すものとして示すための手段と、 （ｆ）無ガス下での汲み上げ作業にあっては、前記不足
負荷が検出されるとポンプモータを停止し、有ガス下で
の汲み上げ作業にあっては、前記不足負荷が所定の長さ
の時間を超過することが検出されるとポンプモータを停
止するための手段とから成る。

本発明の方法及び装置は、水面でポンプの動作パラメ
ータを測定することによってガスロックまたはポンプオ
フが発生したことを確実に検出するために使用できる。
本発明方法においては、以下の論理を使用する。

（１）モータ負荷の低下が発生したか否かを決定するた
めに測定したモータ負荷に関する計算を実行する。

（２）無ガス下の汲上げ作業ではモータ負荷の低下が最
初に表示されたときにESPを停止する。即ちこの場合に
はモータ負荷の低下がポンプオフによって生じるからで
ある。ポンプに流入するガスが存在しないので、汲上げ
作用によって油井の流体レベルが低下してポンプの取り
入れ口が露出するまではモータ負荷の低下が生じない。

（３）有ガス下の汲上げ作業ではガスロックが生じたと
きにのみESPが停止する。ガスがポンプに流入する度毎
にモータ負荷は低下するが、ガスが汲上げられた流体と
共に流出するとモータ負荷が回復する。多量のガスがポ
ンプに流入しガスがポンプにトラップされると、ポンプ
がガスロックされ、モータ負荷が低下して回復しない。
従ってこの作業の場合には、モータ負荷が低下して適当
な時間内に回復しないときにESPが停止する。

方法（及び方法の実施装置）は、不足負荷が検出され
るかもしくは所定の長さの時間よりも持続する不足負荷
が検出されたときポンプモータが停止するようになって
いる。

本発明の別の目的及び従来技術と比較した本発明の利
点及び特徴は添付図面に基づく以下の記載より当業者に
明らかであろう。

本発明によれば、水中電気ポンプ（ESP）のモータ負
荷の変化が発生したか否かを決定するために、複数のパ
ラメータが別々に又は任意の組み合わせでモニタされ
る。これらのパラメータは例えば、見掛け電力、実効電
力、無効電力、力率及び電流（電圧は常に定数であるた
め）である。ESPのモータ負荷が低下するとこれらのパ
ラメータはいずれも低下する。モータ負荷が低下すると
パラメータの組み合わせの比も変化する。従ってパラメ
ータの組み合わせの比もモニタする。モータ負荷をモニ
タするために電流を使用する場合、電流はモータ負荷以
外の理由で変動することもあるので、電流の変動が電圧
のスパイク又はサグの結果でないことを確認するために
二次パラメータとして電圧も測定する必要がある。例え
ば、電力会社が均一電圧を給電していないこともあり、
または暴風雨によって電圧の変動が生じることもある。

モータ負荷のパラメータは種々の方法で測定できる。
パラメータを直接測定してもよく、または測定以前に二
乗平均の平方根法または平均法によって濾過してもよく
または平滑化してもよい。アナログ的に測定し、アナロ
グ回路で数学演算を行なってもよい。または、アナログ
測定値をディジタル測定値に変換しマイクロプロセッサ
のごときディジタルハードウェア又はソフトウェアで数
学演算を行なってもよい。ディジタルサンプリングレー
ト、演算で評価される時間の長さ及びデータ記憶に関す
る要件は相互に関連するが広い範囲で調整できる。本発
明の好適具体例においては、4Hzのアナログ−ディジタ
ルサンプリングレートを使用したが、15分毎に１回より
少ない割合のサンプリングレートを異なる周期で使用し
てもよくまたは後述するごとき計算で使用してもよい。

モータ動力又は電流を設定値に比較する既存のモータ
制御方法と違って本発明の制御方法は、ポンプオフが発
生したことを検出するために後述のごとき種々の方法を
使用する。モータ負荷の低下を決定するために、モータ
負荷の最新の測定値をそれまでのモータ負荷の平均に比
較してもよい。この場合、モータ負荷の最新の測定値
は、１つのデータ点でもよく又は最新の多数のデータ点
の平均でもよい。平均の計算に用いるデータ点の個数又
は時間の長さに制限はない。本発明の試験では、最後の
１秒間の電流の平均または最後の一点の電流読取の使用
によって好結果が得られた。その前のモータ負荷の平均
は、ESPの始動から最新の平均で使用された最初のデー
タ点までの任意の時間間隔にわたって計算されるのが好
ましい。該その前のモータ負荷を決定する１つの方法で
は、最新の平均データ以前の任意の長さに設定した時間
中のモータの運転平均を連続的に再計算する。平均の計
算に用いるデータ点の個数及び時間の長さに制限はな
い。本発明の試験では、５秒間の電流の運転平均を使用
すると好結果が得られた。潜在的なガスロック又はポン
プオフの状態を認識するためにはモータ負荷パラメータ
のどの程度の低下が必要であるかを確認しておく必要が
ある。この必要なパラメータ低下の程度は、どのパラメ
ータをモニタするかに依存するが十分に融通性がある。
本発明によれば、５％を上回る電流低下を判定基準とし
て用いると好結果が得られる。しかしながら実験によれ
ば、１〜20％の範囲のどの値を判定基準として用いても
好結果を得ることができ、また1/4〜30％というより広
い範囲を判定基準として用いても好結果が得られること
が判明した。但し、広い範囲になるほどエラーは発生し
易い。有ガス下の汲上げ作業では、ガスロックによるES
P停止の前に、モータ負荷が低下したこと及びこの低下
状態が所定時間より長く維持されたことを検出する必要
がある。モータ負荷低下の必要な維持時間は、前の段階
の平均値計算に使用された時間の長さに依存する。本発
明によれば、１つの時間基準として10秒を用いて試験し
て好結果を得たが、２秒以上であれば好結果が得られ
る。しかしながら、モータ負荷の２つの平均値計算のた
めにより長い時間を使用したときは、この時間制限を零
にすることも可能である。最大制限時間は、停止以前に
ESPに生じ得る損傷の危険の程度に左右される（例えば
極限値は１時間またはそれ以上である）。

モータ負荷の低下を決定する方法の１つの変形例で
は、時間に関するモータ負荷の微分を計算する。

上記のごとくモータ負荷を定期的にサンプリングし、
最新のモータ負荷からその前のモータ負荷を減算するこ
とによってモータ負荷の差を計算し、この差を２つの測
定値間の時間で除算する。最新のモータ負荷の値とその
前のモータ負荷の値との各々は単一点の測定値でもよく
又は複数の測定値の平均でもよい。有意な負の結果は、
ESPがガスロック又はポンプオフするようなモータ負荷
の低下を示す。微分がどの程度まで負であることが必要
であるかは、微分の計算に用いるサンプリングレート及
び時間の長さに依存する。微分が有意に負になるとESP
がポンプオフし有意に正にならない。微分による制御計
算方法はディジタル計算でもよく又はアナログ計算でも
よい。

平均モータ負荷を計算する方法の別の変形例では、所
与の時間にわたるモータ負荷の積分を計算する。

前記のごとくモータ負荷を定期的にサンプリングしデ
ータアレイに記憶する。積分法を使用し、最新の時間周
期についてモータ負荷対時間のグラフの面積（area）を
計算する。最新の時間周期は、所望の感度に基づいてユ
ーザーが任意の長さに特定できる（時間周期が短いほど
モータ負荷の変化に対する計算の感度が高い）。

積分による制御計算方法はディジタル計算でもよく又
はアナログ計算でもよい。モータ負荷の最新の積分がそ
の前の積分を所定量だけ下回るとこれがガスロック又は
ポンプオフの指標となる。積分計算に用いる時間の長
さ、基準積分を時間的に固定した一点で計算するかまた
は移動軸で計算するか、有意な結果であると判断するた
めに必要な低下の程度、及び、有ガス下の作業において
必要な低下維持時間の長さ等は前記の最初の方法と同様
に調整できる。

モータ負荷の低下を決定する方法の最後の変形例で
は、モータ負荷の統計的分析を行なう。この方法もその
他の方法と同様に、モータ負荷を定期的にサンプリング
しデータアレイに記憶する。所与の長さの時間にわたっ
て採取したそれまでのモータ負荷のサンプルからサンプ
ルの分布統計量を計算しこれを最新のモータ負荷のサン
プルと比較する。モータ負荷が、それまでのモータ負荷
サンプル分布と所望のサンプル信頼区間とから計算した
制御限度を超過して低下していると、これはモータ負荷
の有意な低下が発生したことを示す。使用される信頼区
間は、許容できる誤差の確率に依存し、従って調整可能
である。モータ負荷の最新サンプルが、計算された制御
下限値を所定の長さの時間にわたって下回っているとき
は、ESPがガスロック又はポンプオフによって停止す
る。更に、モータ負荷の分散または標準偏差の統計的計
算によってもモータ負荷の変動が表示され、これもまた
ガスがポンプに流入したことまたはポンプオフが発生し
たことを示す指標となる。

本発明によって開発されたポンプオフ／ガスロック制
御は種々の方法で利用され得る。即ち、制御サブアセン
ブリとして使用されてもよい。本発明の制御装置を既存
のモータ制御装置に直列に接続し既存の制御装置の不足
負荷機能の増強／代替を行なわせてもよい。または、装
置を単一モータ制御パッケージに組み込んでもよい。こ
の場合にはモータ制御装置の不足負荷機能をガスロック
／ポンプオフ制御機能に代える必要がある。または、本
発明装置をインテリジェント遠隔端末装置に組み込んで
もよい。この装置はポンプオフ／ガスロック制御を含む
データ制御機能を実行し、更にESPの動作をモニタし、
動作データを記憶し、中央コンピュータと交信するため
の付加的能力をもつ。

以上では本発明の方法と装置及び従来技術に比較した
多数の利点について概略的に説明した。次に本発明の特
定具体例を図面に基づいてより詳細に説明する。

ステップ1:電流を25秒毎に連続的にサンプリングする
（アナログ−ディジタル変換）。

ステップ2:電流が1/2ampを超過すると制御装置が作動を
開始する（この状態はESP始動と同時に発生する）。

ステップ3:ESP始動時の電流スパイクが終了した後に制
御装置の作動を開始させる。

ステップ4:最新の電流サンプルを採取し後で制御計算で
使用すべくこれをデータアレイの第一位置に記憶する。

ステップ5:ESPの始動後データアレイが充填されてから
計算を開始する（６秒間の電流サンプル）。

ステップ6:データアレイの最初の４つの値を平均化する
ことによって最新の１秒の電流の平均を計算する。

ステップ7:ポンプオフカウンタが零でないとき最後に計
算された差が５％を上回る低下を示すとき、これはESP
にガスが入りESPがポンプオフされ得ることを示す指標
となる。

ステップ8:ESPが潜在的にポンプオフでないときはデー
タアレイの最終20サンプルを平均してそれまでの電流の
基準５秒平均を計算する。

ステップ9:ESPが潜在的にポンプオフのときはそれまで
の電流の５秒平均を計算しない。最新電流を初期レベル
に比較するために電流の最初の低下のときに計算したそ
れまでの電流平均を使用する。

ステップ10:最新１秒の電流平均をその前の５秒の電流
平均から減算する。

ステップ11:計算した差が５％を上回る低下を示すとき
はガスがポンプに流入しており、ESPは潜在的にポンプ
オフ可能である。

ステップ12:無ガス下汲上げ作業では５％を上回る電流
低下はポンプオフのときにのみ生じるのでESPを停止す
る。

ステップ13:ESPが潜在的にポンプオフになり得る時間の
長さをカウントする（１カウントは25秒に等しい）。

ステップ14:有ガス下汲上げ作業では電流が10秒以内に
（電流低下が生じる前の）初期５秒平均に回復しないと
きにESPがポンプオフし停止する。

ステップ15:アレイのデータを１つ押出して（bumpdow
n）次の電流サンプル用データアレイを準備する。この
結果、最も古い電流サンプルが消去されて空き場所がで
き新しい電流サンプルがアレイの頂部（第一位置）に付
加される。

上記では主として、本発明がガスロック又はポンプオ
フの指標となる電動ポンプモータの不足負荷を検出する
ために使用された場合について説明したが、本発明自体
は、ポンプ入力の変化を測定することによってポンプ動
作をモニタし制御する方法及び関連装置に広く使用され
得る。例えば、（ａ）モータ負荷を測定し現在のモータ
負荷とそれまでのモータ負荷とを比較することによって
電動ポンプで使用でき、また、（ｂ）油圧動力消費量
（入力圧力と流量−出力圧力と流量）を測定し前記同様
に現在のモータ負荷とそれまでのモータ負荷とを比較す
ることによって油圧駆動ポンプで使用できる。ポンプ／
モータの可能な組み合わせとしては、（１）遠心ポンプ
と電動モータ、（２）遠心ポンプと油圧モータ、（３）
容積形ポンプと電動モータ及び（４）容積形ポンプと油
圧モータがある。

本発明の代表的実施態様に基づいて上記に説明した
が、記載の方法及び装置の細部に関しては本発明の範囲
及び要旨の範囲内で多様な変更が可能であることが理解
されよう。

【図面の簡単な説明】

図は本発明により開発された好ましい順次制御段階の流
れ図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨー・ヘンリー・ホース アメリカ合衆国、テキサス・77469、リ ツチモンド、プリムローズ・コート・ 2307 (56)参考文献 実公 昭61−63491（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭62−133023（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭62−34182（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水中電気ポンプの不足負荷を検出するため
   の方法であって、 （ａ）モータ負荷を定期的に測定する段階と、 （ｂ）測定値から最新のモータ負荷を決定する段階と、 （ｃ）測定値からその前のモータ負荷を決定する段階
   と、 （ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｃ）の値との差を計算す
   る段階と、 （ｅ）前記差が所定量を上回るときにこの差をポンプモ
   ータの不足負荷を表すものとして示す段階と、 （ｆ）無ガス下での汲み上げ作業にあっては、前記不足
   負荷が検出されるとポンプモータを停止し、有ガス下で
   の汲み上げ作業にあっては、前記不足負荷が所定の長さ
   の時間を超過することが検出されるとポンプモータを停
   止する段階とを具備して成る、水中電気ポンプの低負荷
   を検出するための方法。
2. 【請求項２】前記モータ負荷が前記ポンプモータによっ
   て利用された見掛け電力からモニタされる請求項１に記
   載の方法。
3. 【請求項３】前記モータ負荷が前記ポンプモータによっ
   て利用された実効電力からモニタされる請求項１に記載
   の方法。
4. 【請求項４】前記モータ負荷が前記ポンプモータによっ
   て利用された無効電力からモニタされる請求項１に記載
   の方法。
5. 【請求項５】前記モータ負荷が前記ポンプモータによっ
   て利用された電流からモニタされる請求項１に記載の方
   法。
6. 【請求項６】ポンプオフ又はガスロックによってでなく
   電圧のスパイクまたはサグの結果として発生した対応す
   る電流の変動を遮蔽するために前記電流に伴う電圧が利
   用される請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】前記最新のモータ負荷が、選択された時間
   間隔にわたって計算された測定値の平均であり、前記そ
   の前のモータ負荷も、選択された時間間隔にわたって計
   算された測定値の平均である請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】段階（ｄ）が前記差を２つの測定値の間の
   時間で除算してモータ負荷の時間に関する微分を得、得
   られた結果を所与の値と比較することを含む請求項１に
   記載の方法。
9. 【請求項９】段階（ｄ）が積分法を使用して所与の時間
   周期についてモータ負荷対時間のグラフの面積を計算し
   てモータ負荷の時間に関する積分を得、最新の積分値と
   その前の積分値とを比較することを含む請求項１に記載
   の方法。
10. 【請求項１０】段階（ｄ）が所与の長さの時間にわたっ
    て採取した前のモータ負荷のサンプルからサンプルの分
    布統計量を計算し、最新のモータ負荷のサンプルと得ら
    れたサンプルの分布統計量とを比較することを含む請求
    項１に記載の方法。
11. 【請求項１１】水中電気ポンプの不足負荷を検出するた
    めの装置であって、 （ａ）モータ負荷を定期的に測定するための手段と、 （ｂ）測定値から最新のモータ負荷を決定するための手
    段と、 （ｃ）測定値からその前のモータ負荷を決定するための
    手段と、 （ｄ）最新のモータ負荷とその前のモータ負荷の差を計
    算するための手段と、 （ｅ）前記差が所定量を上回るときにこの差をポンプモ
    ータの不足負荷を表すものとして示すための手段と、 （ｆ）無ガス下での汲み上げ作業にあっては、前記不足
    負荷が検出されるとポンプモータを停止し、有ガス下で
    の汲み上げ作業にあっては、前記不足負荷が所定の長さ
    の時間を超過することが検出されるとポンプモータを停
    止するための手段とを具備して成る、水中電気ポンプの
    低負荷を検出するための装置。
12. 【請求項１２】モータ制御装置に直列に接続された制御
    サブアセンブリとして使用され、前記制御サブアセンブ
    リが前記モータ制御装置の不足負荷機能を増強または代
    替することを特徴とする請求項11に記載の装置。
13. 【請求項１３】モータ制御装置の不足負荷機能をガスロ
    ック及び／またはポンプオフ制御機能に置換すべく構成
    された集積モータ制御パッケージとして使用されること
    を特徴とする請求項11に記載の装置。
14. 【請求項１４】ポンプオフ／ガスロック制御を含むモー
    タ制御機能を実行すべく構成され、水中電気ポンプの動
    作パラメータをモニタし、動作データを記憶し、中央コ
    ンピュータと交信する能力をもつことを特徴とする集積
    インテリジェント遠隔端末装置として使用されることを
    特徴とする請求項11に記載の装置。