JPH0245692A

JPH0245692A - 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

Info

Publication number: JPH0245692A
Application number: JP18954188A
Authority: JP
Inventors: Richard Snyder Dale Jr; デイル・リチヤード・スナイダー・ジユニア; Henry Horse Joe; ジヨー・ヘンリー・ホース
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1988-07-28
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1990-02-15
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JP2735228B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】数年前から水中電気ポンプ（ＥＳＰ）にソフトスタータ
が使用されるようになり、これに伴って、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ＥＳ
Ｐが周期的にオンとオフとを編り返す。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が停止しな
い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モータ制御装置は水面のモータ制御パッケ
ージから制御されるように構成されており、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０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ＥＳＰ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ときにポンプモータ
を停止する方法及び装置を提供することであるや本発明
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）ポンプ動力消費量を定期的に測定し、（ｂ）測定
値から最新のポンプモータ電力消費量を決定し、（ｃ）Ｗ定値からその前のモータ電力消費量を決定し、（ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｅ）の値との差を計算し
、（ｅ）この差をポンプ流体出力、差として表示する段
階を含む。

本発明装置は、Ｃａ＞ポンプ動力消費量を定期的に測定する手段と、（
ｂ）測定値から最新のポンプモータ動力消費量を決定す
る手段と、（ｃ）測定値からその前のポンプモータ動力消費量を決
定する手段と、（ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｃ）の値との差を計算す
る手段と、（ｅ）前記差が所定量を超過したときにこの差をポンプ
流体出力差の指標として表示する手段とを含む。

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
発明方法の好ましい実施態様においては、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。

好ましくは、方法（及び方法の実施装置）は、ポンプ流
体出力差が所定の長さの時間より長い開所定量を超過し
ているとき（又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、見掛は電力、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
ラメータはいす、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
七二り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Ｐ通してもよくま
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０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１７４〜３０％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ＥＳＰ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０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・夕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、Ｅ
ＳＰ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ＥＳ
Ｐ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（時間周期が短いは
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、
基準覆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
モ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０次に本発明の特定
具体例な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１７２ａｓ＋ｐを超過するとＭ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く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；ボンフ゛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、ｉ断電流を初期
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９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ニアレイのデータを１つ押出して（ｂｕｍ
ｐｄｏｗｎ）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０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間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術の流
れ図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（ａ）ポンプ動力消費量を定期的に測定し、（ｂ）測定値から最新のポンプ動力消費量を決定し、（ｃ）測定値からその前のポンプ動力消費量を決定し、（ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｃ）の値との差を計算し
、（ｅ）この差をポンプ流体出力差として表示することを
特徴とするポンプ流体出力差の測定方法。
（２）前記ポンプ流体出力差が所定の長さの時間にわた
って所定量を超過したときにポンプを停止することを特
徴とする請求項１に記載の方法。
（３）ポンプが電気モータで駆動され、ポンプ動力消費
量がモータ負荷の測定によって測定される方法であって
、方法が更に、（ａ）モータ負荷を定期的に測定し、（ｂ）測定値から最新のモータ負荷を決定し、（ｃ）測定値からその前のモータ負荷を決定し、（ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｃ）の値との差を計算し
、（ｅ）前記差が所定量を上回るときにこの差をポンプモ
ータ不足負荷の指標として表示し、（ｆ）ポンプモータ不足負荷をポンプ流体出力差の指標
として表示することを含むことを特徴とする請求項１に
記載の方法。
（４）前記不足負荷が検出されるとポンプモータを停止
することを特徴とする請求項３に記載の方法。
（５）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ことを特徴とす
る請求項３に記載の方法。
（６）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ことを特徴とする請
求項３に記載の方法。
（７）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ことを特徴とする請求
項３に記載の方法。
（８）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ことを特徴とする請求
項３に記載の方法。
（９）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ことを特徴とする請求項３
に記載の方法。
（１０）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
れることを特徴とする請求項９に記載の方法。
（１１）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ることを特徴とする請求項３に記
載の方法。
（１２）段階（ｄ）が時間に関するモータ負荷の微分の
計算に基づくことを特徴とする請求項３に記載の方法。
（１３）段階（ｄ）が時間に関するモータ負荷の積分に
基づくことを特徴とする請求項３に記載の方法。
（１４）段階（ｄ）が統計的分析に基づくことを特徴と
する請求項３に記載の方法。
（１５）（ａ）ポンプ動力消費量を定期的に測定する手
段と、（ｂ）測定値から最新のポンプモータ動力消費量を決定
する手段と、（ｃ）測定値からその前のポンプモータ動力消費量を決
定する手段と、（ｄ）段階（ｂ）の値と段階（ｃ）の値との差を計算す
る手段と、（ｅ）前記差が所定量を超過したときにこの差をポンプ
流体出力差の指標として表示する手段とを含むことを特
徴とするポンプ流体出力差測定装置。
（１６）ポンプが電気ポンプモータによって駆動され、
装置が更に、 −モータ負荷を定期的に測定する手段と、 −モータ負荷をポンプ流体動力消費量の指標として表示
する手段と、 −最新のモータ負荷とその前のモータ負荷との差が所定
量を上回るときにこの差をポンプモータ不足負荷の指標
として表示する手段とを含むことを特徴とする請求項１
５に記載の装置。
（１７）前記不足負荷が検出されるとポンプモータを停
止することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
（１８）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１７に記載の装置。
（１９）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１７に記載の装置。
（２０）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１７に記載の装置。