KR100382208B1 - 펌프오프(Pump-Off)제어시스템 - Google Patents

Abstract

유정 펌프유니트 제어장치(20, 200)의 작동이 코리올리 유량계(28)로부터 유속측정값을 받아들이는 컴퓨터화된 자동제어유니트(88)에 의해 제어된다. 제어유니트는 콜리올리유량계의 측정값이 펌프효율감소를 나타낼 때 펌프유니트(22)의 생산이 멈추게 한다. 펌프효율의 감소는 배관(108)의 생산유체 레벨(136)이 펌프플런저(122)의 최대 이동지점이하로 떨어지는 것을 나타낸다. 따라서 유정으로부터의 생산이 중단되어 유층이 압을 증가시키도록 충분한 시간 및 그에 따른 생산작업 재개에 필요한 유체레벨을 부여한다.

Description

펌프오프(Pump - Off) 제어시스템

발명의 배경

1. 발명 분야

본 발명은 지표면 아래의 암반층으로부터 유정 생산유체(production fluids)를 끌어올리는 펌프장치용 제어시스템에 관한 것으로, 특히 이러한 제어시스템이 유정공(油井孔)내의 생산유체가 매우 적을 경우 생산을 중지시키도록 하는 빔타입 펌핑오프 제어시스템에 관한 것이다.

2. 종래의 문제점

석유는 암반층에 자연적으로 생긴 저유층(reservoirs) 또는 구조트랩(structural traps) 으로부터 생산유체를 끌어올리기 위해 지표면 아래 깊이 도달하는 유정공(油井孔)으로 부터 채취된다. 저유층의 특징은 다공성(암반내공극)과 투과성(유체 유동력)을 갖고있는 것이다. 특정 유정의 저유층 압력을 당업계에서는 항저압(沆底壓)으로 부른다. 새로운 저유층은 일반적으로 피트당 깊이로 약 0.4 - 0.5 psi(19 - 24 Pa) 범위의 초기 항저압을 가지고 있지만, 이 범위를 벗어나는 경우도 있다. 항저압은, 생산유체가 저유층으로부터 지속적으로 감소되기 때문에, 유정의 수명에 따라 계속 저하된다. 생산유체는 통상 석유, 물 및 천연가스를 포함한다.

유정의 항저압은 많은 변수와 관련되므로 예측 및 제어가 힘들다. 압력저하의 일반적인 설명에 따르면, 유정의 항저압은 Darcy 법칙으로 알려진 수학적 유속(flow)관계, 저유층의 기하학적 형상, 물질수지의 요건, 생산유체 특성(예를 들면, 압축성 및 점성) 및 암반특성(예를 들면, 압축성, 다공성 및 투과성)에 따라 저유층의 평균압력과 다르다는 것이다. 비선형 압력기울기가 유정공으로부터 저유층내로 취한 반경을 따라 존재한다. 압력기울기는 유정으로부터의 산출량이 증가함에 따라 증가한다. 유정 경계를 규정하는 지질학적 특성 및 다른 유정과의 근접성 역시 유정에서의 압력저하 속도를 증가시킨다.

저유층의 압력저하는 저유층의 경제성을 최적화하기 위해 신중하게 다루어야 될 중요한 문제이다. 유효항저압이 유정공 정수압헤드를 극복하는데 요구되는 값이하로 떨어지면 문제가 발생한다. 예를 들면, 팔천피트 깊이(2438 m)의 유정은 3000 psi(144 KPa)의 항저압을 가질 수 있다. 유정으로부터 나오는 생산유체가 깊이로 피트당 0.4 psi(63 Pa/m)의 복합 압력기울기를 나타내는 밀도를 가질 때, 3200 psi(153 KPa ; 깊이×기울기)의 항저압이 지표로 생산유체를 끌어올리는데 필요하다. 반면에 유효 저유층에너지 또는 압력은 7500 피트(2286 m)까지만 유체를 끌어올릴 수 있다. 이와 같은 유정은 유체가 자연적으로 유정공으로 흐르는 것을 불가능하게 하며, 생산유체를 지표로 끌어올리기 위해 양정장치가 설치되지 않는 한 포기해야 한다. 양정장치는 감소하는 생산율을 증가시키기 위해 설치되며 부분적으로 고갈된 저유층으로부터 상당량의 석유자원의 부가적인 회수를 가능케 한다.

빔타입 펌프장치는 양정장치중 가장 흔히 사용되는 타입이다. 빔타입 펌프장치에서, 빔은 채취유정까지 도달하는 지하의 로드 및 플런저 뿐만아니라 구동장치,지주(fulcrum) 및 평형추에 연결된다.

로드와 플런저는 생산유체를 지표까지 수송하는데 사용되는 배관에 설치된다. 지주의 빔진동은 지하의 로드 및 플런저가 약 8 피트(2.4 m) 이상 범위의 통로를 따라 상승 및 하강케 한다.

유공정 하부 주위에는, 플런저의 밸브장치가 상승행정시 밀폐되어 지표를 향해 유체칼럼(column)을 상승시키고, 하강행정시 개방되어서 또다른 유체가 상승을 위해 배관으로 유입되며, 상승중 배관의 생산유체를 밀봉시키기 위해 후속 상승행정시 다시 밀폐된다.

이 개방 및 밀폐기능을 수행하기 위해 작동되는 밸브들은 당업계에서 스탠딩 밸브, 트래블링밸브 및 체크밸브로 알려져 있다.

"펌프오프(pump - off)" 로 알려진 문제점은 빔타입 펌프장치가 사실상 고갈된 저유층에 설치되어 있을때 일어난다. 압력이 고갈되고 매우 낮은 투과성을 가진 저유층은 펌프장치가 저유층으로부터 생산유체를 채취하는 속도에 상당하거나 그 이상의 속도로 생산유체를 공급할 수 없다. 따라서, 유정공의 유체부피는 상승행정시의 플런저가 유정공으로 공급할 수 있는 유체레벨 이상으로 상승할때까지, 지속적으로 감소한다. 이때 유정은 적어도 부분적으로 "펌프오프" 되었다고 하는데, 이는 플런저가 하강행정 중 유체칼럼을 관통함으로써 자체 재충전될 수 있기 때문이다. 하강행정중 펌프오프 플런저는 유정공 유체레벨이하로 플런저가 다시 통과할 때까지 자체적으로는 충전될 수 없다. 따라서, 유체칼럼을 왕복운동시킴으로써 에너지가 소실되어 지표에서의 유체회수율이 감소된다. 즉 펌프오프의 결과로 펌프의양정효율이 감소한다. 하강행정중의 플런저 역시 유체와 충돌하여 워터해머 또는 유체파운딩 효과가 로드 조립체 및 지표의 펌프장치까지 도달된다. 파운딩 효과(pounding effect)는 충돌점에서 플런저 속도가 증가하므로 유체 레벨이 계속 강하할 경우 점차 악화된다. 장기간에 걸쳐 반복될 때, 파운딩효과는 피로를 유발시켜서 장치부품의 파손이 있게 된다. 로드와 플런저의 펌프로드들사이의 나사 연결부는 펌프오프에 의한 피로파괴를 받기 쉽다.

로드와 플런저는 상당한 거리, 예를 들면 5 내지 9000 피트(1524 - 2743 m)까지 하강하므로 펌프오프 상태의 검출은 어렵다. 이러한 거리에서는 펌프로드를 형성하는 재료의 탄성계수에 따른 상당한 탄성신장이 펌프로드스트링에 발생한다. 따라서 표면에서 일어나는 왕복운동 속도는 로드가 상당한 거리에 걸쳐 신장되어 있을 경우, 펌프로드에 최적의 왕복운동 행정을 주도록 시간조절되어야 한다. 실제로는 이 시간조율은 당업계의 경험자에 의해 시행착오를 거친후에야 정밀하게 조정된다. 펌프로드 역시 배관의 측부와 접촉하므로 표면진동만으로는 펌프오프 상태를 항상 검출할 수 있는 것은 아니다.

펌프오프 상태로부터 발생하는 문제점은 유정으로부터 생산의 잠정적인 중단, 당업계 용어로 유정의 "정지 또는 휴지(shut - in 또는 idle)" 를 위해 펌프작동을 중단시켜서 해결된다. 유체가 저유층내로 흐름에 따라 정지된 유정은 항저압이 증가하여 유정의 항저압과 저유층 평균압력간 압력기울기가 감소된다. 증가된 항저압이 유정의 유체레벨을 플런저의 최상 이동점 이상의 레벨은 상승시킨 후에 생산을 개시하는 것이 이상적이다. 유정은 펌프오프 상태가 발생되는 것을 피하기위해 일정시간후에 다시 정지된다. 정지 및 생산 사이클의 변수들, 즉 펌프빔의 왕복운동 속도, 펌프작동 시간길이 및 휴지시간을 변경함으로써 생산율의 상당한 차이가 얻어질 수 있다.

펌프오프 상태를 알아내는 종래 방법은 워킹빔(walking beam)으로 알려진 펌프장치의 일부에 스트레인게이지를 위치시키거나, 연마로드로 알려진 펌프로드 조립체의 일부, 즉 펌프 최상로드에 로드셀을 위치시키는 것이다. 수직축에 연마로드 하중을, 수평축에 연마로드 위치를 표시한 카드에 측정치를 기록하며, 이들 카드는 다이나노메터 카드(dynamometer cards)로 알려져 있다. 도 1 은 이런 형태의 종래 다이나모메터 카드를 보여주며, 도 1 에는 무차원 수치의 자료가 표시되어 있다. 도 1 의 곡선은 펌프작동이 원활한 것을 보여주는 상하 한계사이의 양호한 이격을 갖는 장사방향(rhomboid shape)을 나타내고 있다. 도 2 는 유정의 펌프오프 발생에 따른 유체파운딩 효과를 보여주는 또 다른 다이나모메터 카드를 보여준다. 상하곡선은 잘 이격되어 있지 않으며, 하부곡선은 유체파운딩을 보여주는 하강행정의 70 % 지점에서 가파른 90 °정도의 기울기를 갖는다.

유체파운딩을 검출하기 위해 다이나모메터를 사용하는 것은 많은 문제점이 있다. 몇 개의 변수가 연마로드 또는 워킹빔의 하중에 영향을 미치며 그 영향은 상호 가중 또는 상쇄될 수 있다. 또한 이 효과는 펌프로드 조립체의 신장으로 인해 시간을 따라 변화될 수 있다. 따라서, 다이나모메터 판독은 때때로 펌프오프 발생시 이를 간과할 수 있으며, 또한 스트레인게이지, 로드셀 및 이들을 지원하는 전자장치들이 때때로 망가져서 다이나모메터 시스템을 쓸모없게 한다.

부피측정을 통해 펌프오프를 검출하려는 시도가 있어 왔다. 이는 극히 복잡한 장치를 필요로하며, 현대 부피측정은 펌프오프 제어를 위해 많이 사용되지는 않는다. 로즈의 미국특허 제 4.854.164 호는 전환선(diverter lines)에 의해 연결된 이중탱크 구조물을 개시하고 있는 바, 탱크간 유체흐름을 전기적으로 제어되는 유압작동 밸브에 의해 조절된다. 각 탱크의 레벨지시자 또는 플로트 스위치가 탱크내의 유체부피를 알려주는 신호를 발생시키며 전자 제어기가 밸브를 이용하여 한 번에 한 탱크를 충전한다.

각 탱크는 펌프장치의 여러 행정의 생산부피를 적산한다.

전자 제어기는 탱크 충전시 탱크내의 레벨지시자로부터 신호를 받아서 전환선의 전기제어에 의해 유압작동되는 밸브에 의해서 유입되는 액체를 각각의 탱크로 전환하고, 이에 따라 충전된 탱크를 적당한 시간에 퍼지(purge)한다. 도관으로 두 탱크를 연결하여 생산가스가 두 탱크간에 통과되나 이 교환의 이유는 불분명한다.전기유압 밸브와 레벨지시자는 고장이 발생되기 쉬우며, 고장이 발생될 경우 전자 제어기는 모든 밸브를 개방시키도록 지시 받아서 유정이 생산을 속행하도록 할 수 있다. 이러한 경우에도, 밸브파손시 그 시정조치는 할 수 없다. 미국특허 제 4,859,151 호는 스프링 장치된 유량계를 가진 펌프오프 제어장치를 기술하고 있으며, 유량계와 측정기가 기계적으로 연결되어 있다. 측정기의 바늘은 최소 유체부피를 나타낸다. 유량계가 측정기에 의해 나타낸 최소 유체부피를 나타내지 않을 경우 제어기는 유정을 정지시킨다.

채취하고 있는 유정에 펌프오프상태가 발생되는 것을 피하기 위해 빔타입 펌프장치를 제어하는 신뢰성 있는 부피측정장치 및 방법이 여전히 필요하게 된다.

해결책

본 발명은 채취 유정에서 펌프오프 상태가 발생되는 것을 피하기 위해 코리올리 유량계를 사용하여 빔타입 펌프장치를 제어하는 방법 및 장치를 제공하여 상기 문제점을 극복한다. 코리올리 유량계는 유정공에서의 펌프오프 상태에 따른 펌프의 행정효율의 저하를 검출하는데 사용되는 것으로 유량에 대해 매우 민감한 감도를 가지고 있다.

본 발명은 유정공의 유체레벨이 부적합할 정도로 낮을 경우 빔타입 펌프장치의 작동을 중단시키는 데 사용되는 제어유니트를 포함한다. 제어유니트는 펌프장치의 각 행정에 의해 채취된 유체의 부피를 측정하거나 이들 부피를 일정시간동안 평균화함으로써 생기는 생산유체부피를 측정하는 유량계(바람직하게는 코리올리 유량계)를 포함한다. 유량계는 펌프장치에 의해 채취된 부피상당 생산유체량을 나타내는 생산신호를 발생시키며 이들 생산신호를 중앙연산장치로 전송한다. 중앙연산장치는 생산신호를 받아서, 이러한 신호가 나타내는 생산량을 상호비교하여 유정공내의 펌프오프 발생에 따른 펌프행정효율의 저하를 검출한다. 펌프오프 상태는 유정공의 생산유체의 상한이 빔타입 펌프장치에 부착된 플런저 이하로 떨어질 때 발생한다. 제어유니트는 중앙연산장치로부터 이 신호를 받아서 펌프장치를 중단시키고 유정공의 항저압을 발생시킨다.

바람직한 실시예로서, 제어유니트는 두 옵션중 하나를 선택하여 펌프장치로부터의 생산을 정지한다. 바람직한 옵션으로는, 제어유니트가 펌프장치 작동을 중단하는 것이며, 경우에 따라서는 유정이 생산유체와 함께 상당량의 침전물을 포함할 때 침전물이 펌프장치에 손상을 초래하는 여러 위치에서의 퇴적으로 인해 펌프장치 작동의 중단이 실제적으로는 일어나지 않는 경우가 있다. 값비싸나 개수작업이 침전물의 부작용을 없애기 위해 필요한 바, 이는 침전물이 땅속의 펌프장치 부품에 부착되거나 스크래칭을 초래할 수 있기 때문이다. 이런 경우, 제어유니트는 계속 펌프를 작동시키되 생산유체를 유정공으로 복귀시키는 것이 바람직하다. 이처럼, 유체 재순환은 유체가 판매를 위해 채취될 수 있을 때까지 침전물을 생산유체에 현탁시킨다.

유량측정을 위해 코리올리 유량계를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 코리올리 유량계는 순류 및 역류 모두를 검출할 수 있으며, 역류는 특정 밸브, 즉 체크밸브와 스탠딩밸브가 파손됨을 나타낸다. 또한, 정상 작동상태하의 각 펌프행정에 의해 얻어지는(온도와 압력변수에 대해 보정된) 부피는 펌프 플런저의 생산 배관스트링 표면적 직경과 같아야 한다. 채취된 유체부피가 이보다 작은 경우, 감소된 부피는 배관누출 또는 트래블링밸브에서의 누출을 의미한다. 코리올리 유량계 사용은 중앙연산장치에서 이런 결정이 프로그램될 수 있게 한다. 반대로, 간단한 다이나모메터 형태의 펌프장치에 있어서 코리올리 유량계로부터 용이하게 얻을 수 있는 동일한 결정사항을 얻기 위해서는 매우 복잡한 조작을 요구한다. 터빈유량계나 용적유량계는 코리올리유량계 경우처럼 잘 작동하지 않는바, 이는 용적유량계가 막히기 쉽고(특히 역류시) 코리올리 유량계의 민감도와 신뢰성을 결하고 있기 때문이다. 일부 터빈유량계 역시 역류시 막히는 경향이 있으며 이런 종류의 유량계 역시 현장의 작동환경에서는 매우 취약하며 파손되기 쉽다. 또한 터빈유량계는 유체밀도가 일정하다는 가정을 하나, 이 가정은 실제의 유체밀도가 생성유체에 물과 기름의 혼합시 펌프행정마다 변하기 때문에 고유의 오차를 갖는다.

다른 뛰어난 특성, 목적 및 장점들이 첨부도면을 참조로하여 이하 상세한 설명에서 기술된다.

도 1 은 빔타입 펌프장치의 작동을 모니터링하는 선행기술에 의한 방법을 나타내는 다이나모메터 카드의 예시도,

도 2 는 펌프오프 상태가 유정공에 생겼음을 보여주는 유체파운딩 효과를 나타내는 선행기술에 의한 다이나모메터 카드의 예시도,

도 3 는 본 발명에 따른 컴퓨터화된 펌프 제어유니트와 코리올리 유량계를 포함하고 있는 제어시스템의 개략도,

도 4 는 펌프오프 상태가 발생된 유정공하부 펌프장치의 개략도,

도 5 는 컴퓨터화된 제어유니트가 도 4 의 펌프오프 상태를 검출하도록 도 3 의 코리올리 유량계에 의해 제어유니트로 공급된 다수의 전압신호 예시도,

도 6 은 도 3 의 컴퓨터화된 제어유니트가 도 4 의 펌프오프 상태를 검출할 수 있는 다른 방법의 예시도,

도 7 는 침전물이 많은 생산유체를 생산하는 유정에 사용하기 위한 본 발명의 또다른 펌프 제어시스템 개략도,

도 8 는 중앙측정장치를 갖는 중앙집중 스테이션으로 유체를 채취하는 유정에 사용하기 위한 본 발명의 또다른 제어시스템 개략도,

도 9 는 본 발명의 제어시스템 작동을 통제하는 개략적인 공정흐름도이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

도 3 은 본 발명에 따른 펌프 제어장치(20)를 나타낸 것으로, 이 시스템(20)는 종래의 빔타입 펌프장치(22), 펌프장치가 생산유체를 체취하도록 하는 유정헤드(well head)(24), 생산유체로부터 가스를 분리하는 가스분리기(26), 코리올리 유량계(28) 및 이 유량계(28)에 의해 도출된 측정치에 따라 시스템(20) 작동을 통제하는 자동화된 제어센터(30)를 구비하고 있다.

펌프장치(22)는 공지된 것으로 지표면의 왕복운동 펌프장치의 임의적인 타입을 나타낸다. 펌프장치(22)의 주요 구성요소로는 호스헤드(horse head)(34)와 평형베어링(36)을 연결하는 워킹빔(32)이 있다. 한쌍의 피트맨(Pitman) 암(38)에 의해서 평형베어링(36)이 균형추 크랭크(40)에 연결되어 있다. 샘슨포스트로 알려진 A - 프래임 구조물(46)이 중앙피벗(48)으로서 워킹빔(32)을 지지하고 있다. 전선행거/캐리어봉 조립체(50)에 의해서 호스헤드(34)를 연마로드(52)에 연결되어 있다. 자석(54)이 크랭크(40)에 설치되고 자기센서(56)가 자석(54)의 회전을 검출 및 연산하는데 사용된다. 가속도(58)가 구조물(46)의 저주파 진동을 검출하는데 사용된다.

작동시, 크랭크(40)가 회전하고 상응하는 피트맨 암(38)의 회전이 발생된다. 피트맨 암(38)의 회전은 중앙피벗(48)을 받침대로 사용하여 워킹빔(32)을 상하왕복 운동시킨다. 평형베어링(36)에서의 워킹빔(32)에 부여된 운동은 워킹빔(32)을 가로질러 호스헤드(34)에 대응하는 반대방향의 운동을 발생시킨다. 또한, 호스헤드(34)는 수직 왕복운동을 전선행거/캐리어봉 조립체(50)를 통해서 연마로드(52)에 부여한다.

유정헤드(24)는 공지된 것으로, 연마로드(52)과 슬리브(60)간의 유체누설 방지를 위해, 연마로드(52)를 패킹하는 물질을 수용하고 있는 슬리브(60)를 포함하며, 슬리브(60)는 가스분리기(26)로 이끄는 유체분류기(62) 위에 위치된다. 유정헤드(24)는 유정공(제 3 도에는 도시되지 않음)으로 삽입된 관상부품의 긴 열을 신장한 상태에서 거는데 사용되는 행거(64)에 볼트연결된다.

가스분리기(26)는 내측의 유동공간을 가진 저류판이 장착된 직립실린더(66)를 구비하고 있고, 유동공간은 분류기(62)를 유량계의 액체유입라인(68) 및 상측 가스루프에 접속되어 있다. 유량계의 액체유출라인과 상측 가스루프(70)는 코리올리 유량계(28) 위의 위치에 T라인(74)을 형성하도록 합류된다. 생산라인(76)은 생산유체를 T라인(74)에서 화살표(78)방향으로 생산유체 분리장치(도시되지 않음)로 수송한다. 체크밸브(79)는 생산라인(76)을 지나는 유체가 화살표(78) 방향으로만 흐르게 한다. 이렇게하여, 가스는 직립실린더(66)의 작용으로 분류기의 라인(62)을 지나는 생산유체로부터 분리된다. 액체는 유량계의 액체유립라인을 통해 유량계(28)로 이동하며 가스는 가스루프(70)를 통해 유량계(28)를 우회한다.

코리올리 유량계(28)는 액체유입라인(68)과 액체유출라인(72)사이에 설치되며, 콜로라도주, 보울더 소재 마이크로 모션사의 ELITE Model CMF100M329NU 및 Model CMF100H531NU 와 같은 상업적으로 입수가능한 코리올리 유량계가 바람직하다. 이들 유량계 역시 밀도계로도 사용할 수 있어서, 전체 질량유속(mass flow rate)을 전체 밀도 측정값으로 나누어서 용적을 계산할 수 있다. 코리올리 유량계(28)는 전기신호를 사용하여 라인(82)을 거쳐 코리올리 발신기(80)와 교신한다. 발신기(80)는 전기신호를 사용하여 라인(84)을 걸쳐 제어센터(30)와 교신한다. 바람직한 발신기(80)는 콜로라도주 보울더 소재 마이크로 모션으로부터 구할 수 있는 ELITE Model RFT9739 이다. 유량계(28)는 라인(68)을 통과하는 액체의 유량을 연속측정하여, 그 유량을 나타내는 신호를 발신기(80)를 통해 제어센터(30)에 송신한다.

자동화된 제어센터(30)는 고전압 전원(86)과 운전 제어유니트(88)를 구비하고 있으며, 운전 제어유니트는 중앙연산장치 및 원격장치의 운전을 전기적으로 제어하는 프로그램 기억장치 및 드라이버를 구비하고 있다. 제어유니트(88)는 아이오와주 마샬타운 소재, 피셔 인더스트리즈의 Model ROC306 이 바람직 하며, 중앙연산장치 및 프로그램 기억장치는 라인(91)을 통해 중앙자료취합 장치(도시되지 않음)로 생산자료신호를 전송하는 제어유니트(88)를 통해 제어명령실행을 용이하게 하도록 프로그램된다. 고전압 전원(86)은 전원라인(91)을 통해 전력을 공급받으며, 필요시 이 전력을 장치(20)의 각 구성요소, 예를 들면 라인(92)을 통한 코리올리 발신기(80)로 분배한다.

방지해야 할 펌프오프 상태에 대한 상세한 설명

도 4 는 제어시스템(20)에 연결된 유정공 하부조립체(100)를 나타내며, 유정공(102)은 지표일부를 형성하는 지질층의 수천피드에 걸쳐 관통되어 있다. 이들 지층의 하나는 석유, 물 및 가스를 포함하는 생산유체로 충만된 다공성을 가진 채취 저유층(104)을 포함한다. 금속케이싱(106)은 유정(102)으로 삽입된 다수의 나사식 연결배관으로 만들어 지며, 표면까지 상승되어 있고 배관/케이싱 행거(64)(도 3 참조)로 부터 신장된 상태로 걸려 있다. 케이싱(106)과 유정공(102)사이의 공간은 생산유체가 케이싱(106)뒤로 통과되는 것을 방지하며 저유층(104)을 고립시키기위해 시멘트(110)로 충전된다. 배관(108)은 행거(64)로부터 케이싱(106)내에 자유롭게 걸려 있다. 성형된 폭약을 사용하여 케이싱(106)과 시멘트(110)를 폭파하여 여러 구멍(112, 114)이 형성되고, 생산유체(116)는 저유층(104)으로 부터 케이싱(106) 내부로 흐르도록 되어 있다. 패커(packer)(118)가 구멍(112, 144)아래의 케이싱(106)내 생산유체(116)를 밀봉하고 있다.

나사식으로 상호 연결된 세장형인 다수의 원통부재가 연마로드(52)(도 3 참조)을 플런저(122)에 접속시키고 있는 서커로드스트링(sucker rod string)(120)을 형성하고 있다. 중공의 원통 플런저(122)가 다수의 엘라스토머 실링, 예를 들면 배관의 내경에 압축결합하여 배관(108)내 생산유체의 칼럼(126)을 상승시키기에 충분한 힘을 부여하고 있는 실링(124)에 의해 둘러싸여 있다. 플런저(122) 하부는 생산유체 칼럼(126)의 무게를 받아 밀봉되는 볼밸브/시트 조립체(128)(즉 트래블링밸브)를 구비하고 있다. 플런저(122) 상부의 구멍(130)은 플런저(122)의 중공내부와 유체 칼럼(126)사이에 생산유체가 흐르는 것을 허용한다. 배관(108)의 하부는 플런저(122)의 하강행정에 의한 압축력하에 밀봉되고 플런저(122)의 상승행정에 의해 생긴 상대진공하에 배관(108)으로 생산유체(116)를 유입시키도록 개방되는 볼밸브/시트 조립체(132)(즉 스탠딩 밸브)를 구비하고 있다.

도 4 에 나타낸 바와 같이, 펌프오프 상태가 유공정 하부조립체(100)내에 형성되어 있다. 저유층(104)의 평균압력은 P 이고, 케이싱(106)으로 생산유체가 흐름에 따라 유정공(102)을 둘러싸고 있는 저유층(104) 부분에 화살표(134)를 따라 압력저하의 기울기가 발생되고 구멍(112, 114)을 통해 케이싱(106)으로 유입되는 생산유체의 부피는 플런저(122)의 왕복운동이 케이싱(106) 내부로부터 액체를 제거하는 속도를 맞추기에는 불충분하다. 따라서, 생산유체(116)는 상부 유체레벨(136)을 가지며, 플런저(122)는 서커로드스트링(120)을 통하여 연마로드(52)에 작용되는 호스헤드(34)(제 3 도 참조)의 작용으로 화살표(138) 방향으로 왕복운동한다. 상승행정은 생산유체(116)에 상대진공을 만들어서 볼밸브/시트 조립체(132)를 개방시키고, 이에 따라 생산유체(116)를 배관(108) 내부로 전달한다. 플런저(122)에 의해 생산유체(116)에 가해진 진공은 생산유체로부터 가스를 제거하여 플런저(122)와 유체레벨(136)사이에 가스충전공간(139)을 만든다. 또한 플런저(122)의 상승행정시 유체레벨(136)이 볼밸브/시트 조립체(132) 밑으로 떨어질 때 가스는 배관(108)에 흡입되어 가스충전공간(139)을 형성한다.

플런저(122)는 가스충전공간(139)을 통해 유체레벨(136)에 있는 생산유체(116)를 향해 하강하기 시작하며, 볼밸브/시트 조립체(128)는 가스충전공간(139)으로 칼럼(126)의 생산유체 누출을 방지하기 위해 칼럼(126)의 무게를 받아 밀봉된다. 플런저(122)는 볼밸브/시트 조립체(128)가 유체레벨(136)에 있는 생산유체(116)의 가운데에서 닫혀질때까지 하강하여서 유체파운딩효과를 일으키고, 이는서커로드스트링(120)을 통해 펌프장치(22)(도 3 참조)까지 전달된다. 조립체(132)는 유체레벨(136)에 있는 생산유체(116)에 대한 플런저(122)의 충격으로 생긴 압축력에 의해서 밀봉된다. 계속적인 플런저(122)의 하강은 조립체(128)에 작용하는 유체 압축력에 의해서 조립체(128)가 개방되고, 생산유체(116)는 조립체(128)를 지나 플런저(122)의 뒤이은 상승행정은 조립체(128)를 밀봉하고 또한 조립체(132)를 개방하여 펌프행정을 반복한다.

유체레벨(136)에서의 생산유체(116)에 대한 플런저(122)의 유체파운딩은 여러이유로 극히 바람직스럽지 않다. 이런 형태의 반복되는 유치파운딩 효과는 시간이 경과함에 따라 서커로드스트링(120)을 피로케하여 파손시킨다. 이러한 파손된 서커로드스트링을 유정공(102)에서 끄집어내어 교환할 필요가 있으므로 비용이 많이든다. 서커로드스트링 파손의 결과는 매우 중대하여 수리를 행하는 것은 경제적으로 불가능하기 때문에 유정을 포기해야만 한다. 예를 들면, 파손된 서커로드스트링(120)은 이것에 대응하는 배관(108)에 파손을 초래할 수 있거나 침전물이 칼럼(126)으로부터 플런저(122)상에 침전되어서, 수선중에 파손된 서커로드스트링을 취출할 수 없게 만들 수도 있다. 또한, 수선의 필요성은 이러한 유정으로부터 어떠한 수익도 얻을 수 없을 만큼 긴 생산 휴지시간을 필요로 한다.

더욱이, 펌프장치(22)(도 3 참조) 작동은 배관(108)내 가스공간(139)이 증가함에 따라 점점 더 효율성이 떨어진다. 매 펌프상승행정으로 지나치게 배출되는 생산유체(116)의 부피는 배관(108)의 세로방향 축에 대하여 직각방향으로 그 내경을 가로지르는 배관 표면적에 플런저(122)의 상승행정 길이를 곱한 것과 같다. 그러나, 가스충전공간(139)의 존재하기 때문에, 레벨(136)에서 시작되는 생산유체(116)만이 플런저(122)로 유입된다.

가스충전공간(139)이 하강행정시 플런저(122)로 들어가야 하는 생산유체의 부피의 약 반을 차지할 때, 용적식 펌프효율은 설계 토출량의 약 반으로 떨어진다. 화살표(138)를 따라 서커로드스트링(120)과 생산유체 칼럼(126)을 왕복운동시키기 위해서는 펌프장치(22)에 대한 에너지량과 거의 동일량의 에너지가 필요하므로 에너지 비용은 일정하다. 따라서, 생산량이 저하되도 에너지 비용은 일정하게 유지되므로 단위생산체적당 소비되는 에너지량은 증가한다. 한계에 따른 유정에 있어서는 효율이 저하되고 비용이 증가되기 대문에 적당한 조치를 취하지 않으면 경제적인 이유로 그 유정을 포기하지 않으면 안된다.

펌프오프 상태의 방지

도 4 에 나타낸 펌프오프 상태의 해결책은 화살표(134) 방향으로 저유층(104) 내의 압력저하기울기를 감소시키거나 제거하기에 충분한 시간동안 생산유체(116)의 양정 작업을 멈추는 것, 즉 잠정적으로 휴지하는 것이다. 생산작업을 재개할때는 유정공(102)의 항저압증가는 레벨(136)을 플런저(122) 최상 이동점 위의 위치로 증가시키는데 충분하다. 그럴 경우에도, 유효 저유층에너지는 주어진 펌프왕복운동 속도로 플런저(122)의 생산속도 요건을 맞출수 없으므로 궁극적으로는 생산을 다시 중단해야 할 필요가 있다.

펌프오프 상태를 실제적으로 발생시키지 않고 펌프오프 상태에 매우 근접한 레벨(136)이 케이싱(106) 내에 발생되는 속도로 펌프장치(22)를 작동시키고, 펌프장치(22)의 작동을 미세조절하는 시험을 통해 유정공(102)으로부터 전체적인 생산속도를 최적화할 수 있다는 것은 당업자에게는 알려져 있다. 펌프장치 작동변수에 대한 조절은 플런저(122) 왕복운동 속도, 휴지시간, 및 펌핑시간을 포함하는 변수들을 조절하여 통상적으로 결정한다는 것은 당업자에게 알려져 있다. 펌프장치의 설계 및 작동시 고려사항에 대해서는 많은 문헌, 예를 들면 API 출판물 1982 년 1 월호의 API Specification IIE, 제 12 판 API Specification for Pumping units(미국 정유협회 출판물)의 주제였다. 전통적인 실시방법에 있어서, 최적의 정지 또는 휴지시간은, 펌프작동을 정지하지 않고 각 휴지시간 사이에 존재하는 등간격으로 펌프장치를 작동시키는, 실제 생산량이 없는 최소의 시간이다.

예를 들면, 작동자는 펌핑시간간격의 휴지시간을 30 분에서 15 분으로 변경시키도록 제어유니트(88)를 프로그램할 수 있다. 프로그램 변경후에 유정은 펌프작업을 정지하여 저유층 압력을 다시 발생시키기 위해 휴지상태로 되기전의 처음 생산기에, 50 배럴의 석유 및 물을 생산할 수 있다. 두 번째 펌핑간격은 유정 휴식기 전 40 배럴(6400 ℓ)을 생산할 수 있고 세 번째는 30 배럴(4700 ℓ)을 생산할 수 있다. 이 예에서, 생산량의 일정한 감소는 휴식기를 증가시키거나 펌프의 왕복운동 속도를 늦출 필요가 있다는 것을 의미한다. 실제로 이들 변화는 현장 경험에 의해 행해지며 근처 유정의 유추로부터 처음의 추측이 행해진다.

근처 유정의 유추를 행할 수 없는 경우, 경험에 기초하여 최초의 추측을 행하거나 API 또는 다른 표준공학계산에 의한 가이드라인을 따른다.

제 5 도는 제어유니트(88)를 사용해서, 플런저(122)의 각 왕복운동 사이클에의해 지표까지 양정되는 생산유체의 부피를 감시 또는 비교하여, 펌핑작업이 도 4 에 나타낸 펌프오프 상태와 동일한 상태를 발생시키는 시점을 결정하는 바람직한 방법을 나타내고 있다. 코리올리 유량계(28)(제 3 도 참조)는 질량유속 및 밀도를 측정하고 이들 값을 나타내는 신호를 라인(82)을 통해 코리올리 발신기(80)로 전송한다. 또한 코리올리 발신기(80)는 코리올리 유량계(28)로부터 수신한 신호를 처리하여 질량유속을 대응하는 밀도로 나누어서 부피값을 얻은 후 이 계산결과를 전압펄스 신호로 라인(84)을 통해 제어유니트(88)로 전송한다.

도 5 는 연이은 펌프사이클(150, 151, 152)에 대한 전압펄스를 나타내고 있다. 각 펌프사이클은 플런저(122)(제 4 도 참조)의 상승행정(153, 155, 157) 및 대응하는 하강행정(154, 156, 158)을 포함한다. 각 상승행정에는 최대 생산부피와 관련되고, 이 최대 생산부피는 다수의 균일한 전압펄스 예를 들어 펄스(159)에 의해서 표시되며, 이러한 전압펄스는 누적하여 펌프의 각 왕복운동 사이클에서 생산된 부피를 나타내며, 이 부피는 자석(54) 및 검출기(56)(도 1 참조)에 의해서 제어유니트(88)로 보내진다. 코리올리 유량계(28) 및 발신기(80)는 하강행정(154) 중에도 [예를 들어 하강행정(154)의 펄스(160)] 생산부피를 기록하는데, 이는 저류판이 부착된 실린더(66)가 상승행정[예를 들어, 상승행정(153))] 중에 축압기로 작용하여, 최종적으로는 저유체량 조건하에서 코리올리 유량계(28)를 통과하는 고유체량 조건하의 추가적인 부피를 유지하기 때문이다. 예를들면, 제 5 도는 상승행정(153)에서의 37 개 펄스와 그 후 하강행정(154) 중의 3개 펄스를 나타내어, 결국 1 회의 왕복운동 사이클에 있어서 총 40 개의 펄스를 나타내고 있다. 유사하게 왕복운동 사이클(151)은 29 개 펄스, 왕복운동 사이클(152)에서는 23 개 펄스를 카운트한다.

각 펄스는 소정된 부피 예를 들면, 0.2 갤런(0.8 ℓ)를 나타내고 있다. 따라서, 제어유니트(88)는 연속적인 효율의 저하를 최초의 상승행정(153)에 대응하는 유체부피와 비교한다. 즉, 사이클(150)에 대한 사이클(151)간에는 28% 저하를 나타내고 사이클(150)과 사이클(152)간에는 43 % 의 저하를 나타내고 있다.

제어유니트(88)는 펌프효율이 임계값이하로 떨어질 때 펌프장치(22) 작동을 중단시키도록 프로그램되어 있다. 관리자는 이 값을 선택하여 제어유니트(88)에 기억되는 정지값으로 입력된다. 도 5 에서, 정지값은 50 % 효율이다. 따라서, 50 % 이하로 효율이 감소하면 제어유니트 원동기(42)의 동력을 제거하여 유정공(102)을 정지시킨다. 정지시간은 제어유니트(88)에 프로그램정보로서 기억된 통상의 수학적 알고리즘에 의해서 계산될 수 있거나, 관리자가 생산속도를 최적화하는 수동작동을 입력할 수 있다. 유사하게, 제어유니트(88)는 펌프장치(22)의 왕복운동 속도를 제어입력 특성값으로 받는다.

도 6 은 제어유니트(88)가 여러 플런저(122)의 왕복운동 사이클에 의해서 지표까지 양정된 각각의 시간평균 생산량을 비교하거나 감시하여, 펌프작업이 도 4 에 나타낸 펌프오프 상태와 같은 상태를 발생시키는 시점을 결정하는 다른 방법을 나타내고 있다. 제어유니트(88)는 도 5 에 나타낸 것과 유사한 전압펄스를 받아서 다수의 왕복운동 사이클에 대한 생산량을 시간 평균화한다. 예를 들면, 곡선(162)에서의 일점(161)은 왕복운동 사이클(150, 151, 152)(도 5 참조)에서의 생산량을 3으로 나눈 것일 수 있다. 또는, 각 사이클의 생산부피는 평균대신 단순히 적산될수 있다. 상기 시간 평균화 방법은 배관(108)(도 4 참조)의 가스기포 팽창같은 그릇된 생산상태로부터 올수 있는 오류값에 의해 제어유니트(80)가 유정을 휴식상태로 하는 것을 효과적으로 방지한다. 따라서, 코리올리 발신기(80)는 각 행정의 부피를 비교하지 않고 자석(54)과 자기센서(56)에 의해 검출된 다수의 왕복운동 사이클에 있어서의 평균부피 또는 적산부피를 비교한다. 생산기간(164, 166, 168, 170)[즉, 펌프장치(22)가 왕복운동 할 때]은 유정이 정지상태나 휴식상태에서 압증가를 행하는 기간(172, 174, 176)[즉, 펌프장치(22)가 왕복운동하지 않을때]와 분산된다. 생산사이클(166)에서 처럼, 각 생산사이클은 최대 평균속도에서 시작하며, 제어유니트(88)는 평균생산속도가 임계값[속도(178)의 95 %]이하로 떨어질 때 휴식을 시작한다.

침전물이 많은 유체를 양정하는 유정에 사용되는 다른 실시예

도 7 은 펌프 제어장치(20)의 다른 실시예, 즉 펌프장치(22)의 왕복운동을 멈추는 것이 바람직하지 않은 유정에 사용되는 제어장치(200)를 나타내고 있다. 도 3, 4 의 제어장치(20)의 특징부와 동일한 도 7 의 장치(200) 특징부에는 동일 참조번호가 사용되었다. 양 제어장치(20, 200)간의 주된 차이점은 분기라인(62)에 삼방향 밸브(202)가 추가된 것이다. 이 밸브(202)는 두 형태를 가지고 있다. 보통의 생산작업에 있어서는 밸브(202)는 분기라인(62)으로부터 생산유체를 받고, 이 받은 유체 전부를 관(205)을 통해 가스분리기(26)로 보낸다. 삼방향 밸브(202)의 두 번째 형태는 분기라인(62)으로부터 생산유체를 받아서 받은 유체 모두를 반송라인(204)을 통해 케이싱(106)과 배관(108) 사이의 환상부로 보내는 것이다.이렇게 하여, 유정공(102)으로부터 생산된 모든 유체는 재순환 되어서 유정으로부터 실질적인 생산은 발생되지 않는다. 또한, 유정으로부터의 실질 생산속도가 펌프오프 문제를 극복하기에 충분한 압력을 허용하는 경우 생산유체의 일부만이 재순환될 수 있다.

실질 생산없이 생산유체에 연속적인 작동을 행하는 장점은 연속작동이 생산유체의 침전물을 침전없이 생산유체(116)에 부유상태로 유지시키는 것이다. 연속작동없이는, 모래나 다른 광물입자들이 배관(108)내 플런저 밀봉부(124)(도 4 참조)주위에 침전될 수 있다. 이런 상태에서 침전된 광물입자는 플런저(122)를 일정한 곳에 로킹시키거나 밀봉부(124) 근방의 배관(108)부 뿐만 아니라 밀봉부(124)를 스코링(Scoring)하여 고가의 수리를 필요케 할 수 있다.

또 다른 실시예 .... 분기관(manifold) 제어장치

유정은 흔히 멀리 떨어진 한적한 지역에 위치하며 수십평방마일(킬로미터)에 걸쳐 있다. 현장 배관장치는 다수의 널리 분산된 유정으로부터 생산가스를 모으기 위해 설치된다. 이러한 취합장치에는 배관스트링을 통해 유정이 분기관에 연결된다.

다른 유정 역시 다른 배관스트링에 의해 분기관에 연결된다. 이러한 분기관은 여러 유정의 생산유체를 선택적으로 취합하고 가스 기름 분리 공장같은 전처리 시설로 이들을 분배한다. 따라서, 분기관은 종업원이 정기적으로 방문하여 보수를 행하는 중앙판매시설이 위치된다. 한편, 멀리 떨어진 유정은 이런 각각의 유정현장에 조업인력을 배치하면 비용이 급증하므로 별 주의를 받지 못한다. 비용면에서,분기관에 인접한 중앙 전처리 시설에서 가능한 한 많은 작업을 하는 것이 바람직하다.

도 8 은 본 발명의 제 3 실시예, 즉 분기관 밸브를 부분적으로 밀폐시켜서 선택된 유정의 정지를 개시하는 압력 신호를 발생시키는 제어시스템(300)을 나타내고 있다. 도 8 에 있어서는 도 3 의 제어시스템(20)의 구성요소와 동일한 곳은 동일한 참조번호를 사용하였다.

제어시스템(300)은 전자적으로 제어되고 여러 유압밸브(304, 306, 308)를 포함하고 있는 분기관(302)으로부터 작동된다. 제어유니트(88)는 라인(310)을 통해 전송되는 신호를 통해 밸브(304 - 308) 작동을 통제한다. 밸브(304 - 308)의 각각과 관련하여 대응하는 지표 배관스트링(316, 318, 320)은 분기관(302)을 각 펌프유니트(22)에 연결한다. 각 배관스트링에는 압력발신기(322, 324, 326)가 설치되어 있으며, 신호전송라인(358, 330, 332)은 각 발신기(322, 324, 326)를 해당 타이머 유니트(334, 336, 338)에 연결한다. 분기관(302)은 2 상 시험분리기(328)에 라인(330)을 통해 생산유체를 공급하는 것이 바람직하다. 분기관(302) 역시 분기관의 각 밸브의 라인(즉 라인 336)을 포함하는 취합레일(334)을 통해 주 생산유체를 분리기(332)로 공급한다.

시험분리기(328)는 가스유출라인(338)과 배액(排液)라인(340)을 구비하고 있는 것이 바람직하며, 코리올리 유량계(28)는 배액라인(340)을 지나는 기름과 물을 포함한 생산유체의 부피측정을 위해 라인(340)에 설치되어 있다. 가스유출라인(338)과 배액라인(340)은 라인(342)으로 집합되고, 주분리기(332)로이어지는 취합레일(334)로 공급된다. 주분리기(332)는 통상의 3 상식(가스, 석유 및 물) 분리기로서, 판매가능한 액체를 판매/출하 시스템(344)으로 공급한다.

시스템(300)의 작동에 있어서, 제어유니트(88)는 하나의 밸브[예를 들어, 밸브(306)]에 대응하는 하나의 유정으로부터 받은 생산유체(기체를 포함) 전체를 라인(330)을 통해 시험분리기(328)로 흐르도록, 분기관(302)을 구성한다. 시험분리기(328)로 흐르지 않는 밸브(304 - 308)의 잔여 유체는 정지되거나 취합레일(334)로 흘러서 주분리기로 유입되도록 구성된다.

다른 실시예에서 처럼, 코리올리 유량계(28)는 라인(350)의 위치한 코리올리 발신기(80)로 질량유속 및 밀도의 측정신호를 공급하며, 제어유니트(88)는 라인(352)의 코리올리 발신기(80)로부터 부피신호를 받고, 제어유니트(88)는 이러한 신호를 감시 및 비교하여 시험중인 유정에 대한 적당한 정지시간을 정하고 각각의 펌프장치(22) 가운데 선택된 하나의 펌프장치를 필요에 따라 정지시킨다.

제어시스템(300)는 제어유니트(88)가 각 펌프장치를 정지시킨다는 점에서 다른 실시예와 상이하다. 코리올리 측정치가 배관스트링(316)에 해당하는 유정에 펌프오프상태가 발생하였음을 나타내면, 제어유니트(88)는 밸브(304)를 부분적으로 밀폐시킨다. 이러한 밸브(304)의 밀폐작동은 배관스트링(316)에 압상승을 발생시키고, 압력발신기(322)는 이 압력상승을 검출하여 그 측정값을 타이머(334)로 전송한다. 타이머(334)는 발신기(322)의 압력이 임계값 또는 최대 압력상승속도 예를 들면 200 psi(9.5 Kpa)를 초과할 때 해당 원동기(42)로의 전원을 차단하도록 프로그램되어 있다.

따라서, 밸브(304)에 의한 제한으로 상승된 압력은 타이머(334)에 생산을 정지토록 하는 신호로 작용한다. 타이머(334)는 소정의 항저압 상승시간 경과 후 원동기(42)에 전력을 공급함으로서 생산을 재개한다. 제어유니트(88)는 정지까지의 경과된 펌프시간을 프로그램제어데이타로 기억하여서, 이러한 데이터를, 처음시험에 제공되지 않도록 선택된 유정을 작동시키기 위해 사용된다.

코리올리유량계 사용의 부가적인 장점.

장치누설은 때때로 펌프작동에 문제를 초래하며, 코리올리 유량계를 사용하여 이들 문제의 진단을 용이하게 한다. 특히, 지표의 체크밸브(79)(도 3)와 볼밸브/시트 조립체(132)(스탠딩밸브)가 복합된 파손 또는 누설은 중력의 작용으로 생산유체를 지표로부터 저유층(104)으로 역류시키며, 코리올리 유량계(28)는 플런저(122)의 하강행정 또는 휴식중 통상 일어나는 생산유체 역류를 검출한다. 그리고, 제어유니트(88)는 역류가 발생할 때마다 작동자에게 경고를 부여하도록 프로그램되어 있다.

다른 누설이 배관 또는 볼밸브/시트 조립체(128)(트래블링밸브)에서 일어날 수 있으며, 이 경우 펌프효율은 행정간에 변화(펌프오프 상태를 지시하는 것처럼)를 나타내지는 않지만 펌프효율은 최적치보다도 낮다. 상술한 것처럼, 펌프의 상승행정에 의해서 공급되는 생산유체의 부피는 배관(108)의 직경을 가로지른 단면적에 플런저(122)(도 4) 상승행정의 이동거리를 곱한 것과 같으며, 이 부피보다 작은 양의 유체가 공급될 경우 배관(108) 또는 볼밸브/시트조립체(128)에 누설이 있음을 나타낸다. 따라서, 제어유니트(88)는 유량계(28)에 의해 부여된 측정치로부터 상기의 효율감소가 추정될 경우에는 작업자에게 누설가능성을 경고하도록 프로그램화 되어 있다.

가속도계.

도 5, 6 의 펌프오프 검출방법을 사용하는 것에 부가하여, 제어유니트(88)는 가속도계(58)(도 3 참조)로부터도 정보를 받으며, 가속도계(58)는 펌프오프 상태시 펌프장치(22)의 왕복운동과 연관된 유체파운딩으로부터 발생하는 저주파 진동을 검출한다. 따라서, 배관의 누설이나 다른 기계적 문제들로 인해, 코리올리 유량계(28)로 부터의 유량측정 정보를 사용하여 펌프오프 상태의 존재를 인식할 수 없는 경우에는, 상기 가속도계의 데이터는 생산을 정지시킬 필요가 있음을 나타내는 백업수단으로 이용될 수 있다.

제어유니트(88)의 프로그램 특징부

도 9 는 제어유니트(88)의 프로그램제어 특징부를 도시한 것으로, 이들 특징부는 제어시스템(20, 200, 300) 작동을 통제한다. 단계(P400)에서, 제어유니트(88)는 펌프장치(22)(도 3)에 플런저(122)의 왕복운동을 개시시킨다. 이 왕복운동은 생산유체를 지표로 양정시키며, 코리올리 유량계(28)는 자기센서(56)에 의해 검출된 각 행정에 따른 생산부피를 측정한다. 코리올리 발신기(80)는 이 측정신호를 처리하여 제어유니트(88)로 전송한다.

단계(P402)에서, 제어유니트(88)는 코리올리 발신기(80)로부터 받은 신호가 나타내는 펌프행정효율을 계산하되 이 계산은 도 5, 6 과 관련하여 상술된 방식으로 % 차이값으로 실행되는 것이 바람직하다. 이 % 차이는 초기 또는 최대 펌프행정부피를 비교의 기준으로 이용한다. 초기부피가 최초의 부피로 선택될 수 있으나, 몇 사이클(예를 들어, 처음 5회의 사이클)의 평균치로서 계산되는 것이 바람직하다. 또한, 초기값이 각 펌핑기간의 최대값으로 선택될 수 있다. 이러한 평균화 기술 또는 최대값의 선택은 유용한 바, 그 이유는 생산시스템에서의 체계적인 누설은 최대의 펌핑부피를 얻기전에 펌프장치를 생산유체로 충전할 필요가 있기 때문이다. 단계(P404)에서, 제어유니트(88)는 최초의 행정사이클(예를 들면, 일회의 상승행정 및 일회의 하강행정, 또는 최후의 3회의 상승행정 및 하강행정의 평균치)의 행정효율을, 관리자에 의해서 프로그램데이타 입력으로 제어유니트(88)에 주어진 임계값과 비교한다. 효율이 임계값 이하로 떨어지지 않는 경우 펌프왕복동은 계속되고 단계(P402)는 새 효율을 계산한다. 행정효율감소는 그 유정에 펌프오프 상태가 발생했다는 것을 나타낸다. 따라서 단계(P404)에 의해서 이 상태가 임계값이하인가를 진단하고, 단계(P406)에서 제어유니트(88)는 펌프장치(22)의 왕복운동을 종료시킨다. 즉 유정이 정지된다.

단계(P408)에서, 코리올리 유량계(28)는 펌프장치(22)의 왕복운동에 따른 생산유체의 적극적인 유입이 없어도 생산유체의 유체질량을 계속 측정하며, 단계(P408)는 코리올리 유량계(28)가 정지기간중 생산유체의 역류를 검출한 경우 체크밸브와 스탠딩밸브의 누설이 있음을 작업자에게 경고한다.

단계(P410)에서, 제어유니트(88)의 타이머[또는 제어유니트(88)와 연관되어 설치된 타이머 장치)는 저유층(104)에 충분한 압력이 발생되게 하는 시간이 경과됐는지를 판정하며, 이시간은 지수적분계산, 형식곡선분석, 미국정유협회에 의해 수립된 방법, 및 관리자 입력데이타를 포함하는 통상의 여러 공학적인 방법에 의해서 계산될 수 있다. 타이머가 압력형성 시간이 충분하지 않다고 지시하는 경우, 코리올리 유량계는 단계(P408)에서 역류를 계속 감시하며, 압력형성기간이 지나면, 제어유니트는 다시 펌프장치(22)에 단계(P400)에서 왕복운동케 한다.

Claims (20)

1. 유정공(102)에서 유체레벨(136)이 양정하기에 부적합할 정도로 낮을 경우 펌프장치(22)의 작동을 종료시키기 위해 사용되는 펌프오프 제어시스템에 있어서;

   코리올리 유량계(28) 및 생산유체의 질량유속을 이의 밀도로 나누어서 생산유체의 부피를 계산하기 위한 계산수단(80)을 포함하고 있으며, 계산수단(80)이 왕복운동하는 펌프장치(22)의 각 행정사이클에 대응하는 생산유체의 부피를 나타내는 전기적 신호를 발생시키도록 되어 있는, 펌프장치(22)의 왕복운동에 따른 생산유체의 부피를 측정하는 측정수단 ;

   펌프행정 양정효율에 대한 효율감소를 검출하기 위해서 계산수단(80)으로부터 수신한 전기적 신호를 받아서 생산유체 부피와 비교하도록 하고, 펌프행정 양정효율의 효율감소를 나타내는 신호를 발생시키도록 한 제어수단(88) ; 및

   펌프행정 양정효율에서의 감소를 나타내는 신호에 응답하여 펌프장치(22)로부터 지표의 생산유체 양정을 정지하도록 하는 정지수단(42)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 펌프오프 제어시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 정지수단(42)은 유공정(102)의 항저압을 형성시키기에 충분한 시간동안 펌프장치(22) 작동을 지연시키는 수단(334)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 정지수단(42)은 유정공하부의 펌프장치 구성요소에 침전물이 퇴적되는 것을 방지키위해 지표의 생산유체를 유정공(102)으로 재도입시키는 수단(202)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 정지수단(42)은 유정의 유체라인(316, 318, 320)에 작용하는 압력을 증가시키는 수단을 제공하는 분기관(分岐管)(302)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 정지수단(42)은 상기 증가된 압력에 응답하여 펌프장치(22)의 작동을 중단시키는 수단(322)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 단위시간당 펌프행정, 휴지시간 및 펌핑시간으로 구성된 리스트로부터 선택된 펌프작동 변수를 조절하는 수단(30)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 체크밸브 누설과 스탠딩밸브 누설로 구성된 군으로부터 선택된 문제를 검출하는 검출수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 검출수단이 유정공(102)으로의 생산유체 역류를 나타내는신호를 발생시키는 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제 1 항에 있어서, 제어수단(88)은 배관 누설과 트래블링밸브 누설로 구성된 군으로부터 선택된 문제점을 검출하도록 측정수단으로부터의 전기적 신호를 분석하는 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제 1 항에 있어서, 제어수단(88)은 신호발생중에 측정수단으로부터의 연속되는 전기적 신호간의 차이를 계산하는 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 유정공에서의 유체레벨(136)이 양정하기에 부적합할 정도로 낮은 경우 펌프작동이 발생되지 않도록 펌프장치(22)를 제어하는 방법에 있어서 ;

    질량유속을 이것의 밀도로 나누어서 부피를 계산하는 단계를 포함하여, 코리올리 유량계(28)를 이용하여 펌프작동에 의해 생산된 생산유체 부피를 측정하고 ;

    펌프장치(22)의 각 행정에 대응하는 생산유체 부피를 나타내는 전기적 신호를 발생시키며 ;

    전기적 신호를 상호 비교하여 유정공에서의 생산유체 상한(limit)에 따라 발생된 용적식 펌프행정효율의 감소가 펌프장치에 부착된 플런저 밑으로 떨어지는 지를 것을 검출하고 ;

    이러한 상태를 나타내는 신호를 전송하고 ; 그리고

    펌프장치로부터 지표로의 생산을 정지하여 유정공에 항저압을 발생시키는 것을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 제어방법.
12. 제 11 항에 있어서, 정지단계는 유정공에 항저압을 형성시키기에 충분한 시간동안 펌프장치 작동을 지연시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 11 항에 있어서, 정지단계는 유정공 하부의 펌프장치 구성요소에 침전물이 퇴적되는 것을 방지키위해 지표의 생산유체를 유정공으로 제도입시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 11 항에 있어서, 정지단계는 분기관을 이용하여 유정의 유체라인에 작용하는 압력을 증가시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 정지단계는 펌프장치의 작동을 중단시킴에 따라 증가된 압력에 반응하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 11 항에 있어서, 단위시간당 펌프행정, 휴지시간 및 펌핑시간으로 구성된 리스트로부터 선택된 펌프작동변수를 조절하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 11 항에 있어서, 체크밸브 누설과 스탠딩밸브 누설로 구성된 군으로부터 선택된 문제점를 검출하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 검출단계는 유정공으로의 생산유체 역류를 나타내는 신호를 발생시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 11 항에 있어서, 신호를 분석하여 배관 누설과 트래블링밸브 누설로 구성된 군으로부터 선택된 문제점를 검출하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 11 항에 있어서, 비교단계는 연속되는 신호간의 차이를 계산하는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.