MXPA04005322A

MXPA04005322A - Metodo y aparato de control de velocidad con biela economizadora.

Info

Publication number: MXPA04005322A
Application number: MXPA04005322A
Authority: MX
Inventors: G Boren Steven
Original assignee: Abb Inc
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2005-03-31
Also published as: US20050095140A1; WO2003048578A1; AU2002351167A1; CA2469059A1; AR038804A1

Abstract

La presente invencion se refiere a un controlador (100) de velocidad de motor que identifica la posicion de una biela (14) de bomba. En una o mas posiciones criticas de la biela el controlador (100) de velocidad del motor ajusta la velocidad del motor para cambiar el movimiento de la biela (14) de bomba. Las posiciones criticas y el regimen de cambio de velocidad en cada posicion critica pueden ser especificadas por el usuario.

Description

METODO Y APARATO DE CONTROL DE VELOCIDAD CON BIELA ECONOMIZADORIA Reclamo de Prioridad Esta solicitud reclama ¡el bene: icio de acuerdo con 35 U.S.C. 119(e) de la Solicituá de Patente Provisional de los Estados Unidos No. 60/319,022 presentada el 3 de diciembre del 2001.

Campo de la Invención Esta invención se refiere a controles de bomba varilla y de manera más particular, método y aparato para cambiar de forma exacta la; velocidad de movimiento de una bomba de varilla durante su ciclo de repetición.

Descripción de la Técnica Anterior Se han usado por mucho tiempjo bombas de varilla para remover petróleo de los pozos, La bomba de sub-superficie se conecta a un sistema de impulsión en superficie o fuerza motriz por una cadena de varillas. La cadena de varillas es una colección de varillas que conectan ! mecánicamente la fuerza motriz a la bomba.de sub-superficie . La cadena de varillas permite que la bonba de sub-superficie se baje (carrera descendente) hacia un pozo y se levante (carrera ascendente) desde el ?????.

Durante la operación ¡de bomba, la varilla limpiadora y las varillas de tiro de cadena de varillas se mueven hacia arriba y hacia abajo. cadena de varillas alarga durante la carrera ascendente y se comprime durante la carrera descendente.1 Los movimientos hacia arriba y hacia debajo de la cadena de varillas se representan gráficamente como: una curva sinusoidal . Históricamente, el motor de la bomba1 se opera a una velocidad única, para mover la ¡ cadena de varillas hacia arriba y hacia abajo. Debido a cjue la carga cambia conforme se levanta y desciende la cadenajde varillas, el esfuerzo o tensión en la cadena de varillas! varía en puntos diferentes durante el ciclo. | Un dispositivo conocjido como un dinamómetro produce una gráfica (dinagráfica)j que registra el movimiento y las fuerzas que se presentan jdurante operación de bomba. La dinagráfica indica ! la carga de la varilla limpiadora contra la posición de: la varilla limpiadora. De la dinagráfica, se pueden observar varios fenómenos. De manera ideal, el sistema de bomba de varillas de extracción se operará para bombear la cantidad máxima de petróleo sin sobretensar el sistema de varillas y provocar de este modo su falla prematura. ! La sobrecarrera se presenta cuando la longitud de carrera de la varilla de tiro es más larga que la longitud de carrera de la varilla limpiadora. Cuando la longitud de carrera de la varilla de tiro es' más corta que la longitud de carrera de la varilla limpiadora, se presenta la sub-carrera. En cualquier caso, ¾as varillas se alargan o comprimen en forma innecesaria, y esto se provoca principalmente debido a que la armonía natural de la cadena de varillas no está correspondida con la armonía natural de la fuerza motriz de la bomba. ' La sobrecarrera, la sub-carrera y el choque del fluido afectan de manera adversa la i eficiencia de operación de la bonjiba y dajian las partes de la bomba, provocando un costoso tiempo inactivo. De esta manera, existe la necesidad de j ajustar automáticamente la velocidad del motor de la bomba para mejorar su operación í eficiente y para reducir al mínimo el daño a las varillas de la bomba, que no sólo resulta del choque de fluido, sino también de la carga y descarga natural de la cadena de varillas de la acción de vaivén de la Ifuerza motriz en la superficie.

Breve Descripción de la Invención De acuerdo con las Modalidades descritas en la presente, se describe un ¦ aparato para controlar automáticamente la velocidad de un motor de bomba que comprende un medio para percibir una posición real de la j varilla limpiadora, un medio para compdrar la posición real percibida como una pluralidad] de posiciones críticas predeterminadas, y un medio parei ajustar la velocidad del motor de la bomba en la pluralidad de posiciones críticas predeterminadas para hacer corresponder a armónica mecánica natural del sistema de bomba de varilla, que opera de forma apropiada. La presente invención j también incluye un método para controlar automáticamente la velocidad de un motor de bomba, que se describe que comprende: detectar una posición real de una varilla limpiadora! en un ciclo de carrera; comparar la posición real con una posición seleccionable por el usuario; asociar un cambio de velocidad con la posición seleccionable por el usuario; y ajustar la velocidad del motor de la bomba por una proporción de cambio del usuario/operador en la posición seleccionable por el usuario cuando la posición seleccionablej por el usuario es igual la posición real . Llegarán a ser evidentes la-s ventajas y otras características de la invención! a partir de la siguiente descripción, las figuras y las reivindicaciones.

Detección de las Figuras La Figura 1 es un diagrama de bloques de un controlador de velocidad de motor de prqtector de varilla de acuerdo a una modalidad de la invención; La Figura 2 es un diagrama j de una bomba que incluye un medio de detección de1 la posición de la varilla i de acuerdo a una modalidad de la invención; La Figura 3 es una gráfica que muestra el cambio de velocidad de la bomba con relación a la posición de la varilla de la bomba de acuerdo a unía modalidad de la invención; La Figura 4 es una gráfica que muestra la posición de la varilla de la bomba tanto antes como después de que el i controlador de velocidad de motor de protector de varilla esté comprendido de acuerdo a unat modalidad de la invención. La Figura 5A-5C son diagramas esquemáticos del controlador de velocidad de motor de protector de varilla de acuerdo a una modalidad de la invención; i La Figura 6 es una gráfica que muestra la posición de la carrera de la bomba y la vélocidad del motor cuando no se opera el controlador de velocidad de motor de protector de varilla de acuerdo a una modalidad de la invención; La Figura 7 es una gráfica que muestra la posición de carrera de la bomba, el cambio en la velocidad del motor de la bomba, y la fuerza de torsión del motor de acuerdo a una modalidad de la invención; La Figura 8 es una gráfica qué muestra la posición de la carrera de la bomba, el ! cambio en la velocidad del motor de la bomba, y la tensión !de la varilla de la bomba de acuerdo a una modalidad de la invénción; La Figura 9 es una segunda gráfica que muestra la posición de carrera de la bomba, j el cambio en la velocidad del motor de la bomba, y la tensión de; la varilla de la j bomba de acuerdo a una modalidad de la invención; y La Figura 10 es una! gráfica que muestra la ¡ posición de carrera de la bomba; la fuerza de torsión del motor, y la tensión de la varilla de la bomba de acuerdo a una modalidad de la invención.

Descripción de las Modalidades Preferidas, De acuerdo con las módalidadss descritas en la presente, se describe un método ? y controlador de velocidad de motor de protector de varillaj que identifica la posición de una varilla de bomba y, en las posiciones críticas seleccionadas por el usuario Jde la varilla, ajusta la velocidad del motor para cambiar i el movimiento de la varilla de la bomba. Se usa un motor eléctrico de frecuencia variable y se puede a ustar lá velocidad hacia arriba o hacia abajo. Sin embargo, esta técnica de control de velocidad se puede adaptar para el uso con los sistemas de equilibrio de aire para cambiar i la velo¡cidad del movimiento de vaivén de la varilla de la bomba (al variar la presión de aire en estos sistemas) , o a través de otros medios mecánicos.

En los siguientes párrafos y en las figuras, se hace referencia a un motor de frecuencia variable. El motor de frecuencia variable puede ser cualquier tipo de motor, incluyendo de manera enunciativa ¦ y sin limitación, un motor eléctrico, mecánico o hidráulico;. Ademas, la invención se puede practicar usando cualquier medio para cambiar la velocidad de la varilla de la bomba, incluyendo cambios en las relaciones de engranes, camb'ios en la presión de aire, en las unidades de balastro de aire, motores de impulsión de frecuencia variable, motores de impulsión de corriente directa, y así sucesivamente, sin apartarse el espíritu de la invención. ¡ i En la Figura 1, de acuerdo ai una modalidad, un diagrama de bloques representa un controlador 100 de velocidad de motor de protector de varilla. La representación esquemática muestra que ep¡L controlador 100 de I velocidad de motor de protector ide vari, la recibe tanto una posición 40 de varilla de bomba, una b más posiciones 50 críticas seleccionadas por el Usuario y una velocidad de cambio 90 definida por el usuario, del ajuste de la velocidad. Con esta información, el controlador 100 de velocidad de motor de protectorj de varilla ajusta el motor 30 de la varilla de la bomba. ! La información 40 de la posición de la varilla de la bomba se puede obtener de varias maneras, familiares para aquellos expertos en la técnica. I Se pueden colocar sensores en los componentes de la bomba, por ejemplo, como se representa en la Figura 2. En ¡una modalidad, la bomba incluye un inclinómetro 12 colocado en l|a; parte superior de una viga andante de la bomba. La viga andante provoca que la varilla 14 de bomba se mueva hacia arriba y hacia abajo, de acuerdo a los principios bien conocidos. Al leer el inclinómetro 12, el controlador 100 de velocidad de motor de protector de varilla puede averiguar la posición de la varilla 14 de la bomba. Se puede sustituir cualquier medio para detectar la posición relativa de la varilla limpiadora en el presente protector de varillas apartarse del espíritu de la invención. I También se pueden colocar otjros sensores en la bomba 60 en varias ubicaciones, para proporcionar información adicional acerca de la posición de la velocidad, tal como dispositivos de cierre de contacto de conmutador, u otra información tal como medidores de fluido o medidores de t la fuerza de torsión del motor, nuevamente sin apartarse del i alcance de la presente invención1 del protector de varilla. De manera alternativa, la posición 40 de la varilla de bomba se puede calcular, en base al movimiento mínimo y máximo de la varilla 14 de bomba y la velocidad del motor 30 de bomba. Puesto que la varilla 14 de bomba se mueve de una manera hacia 'arriba |y hacia abajo, es sinusoidal la gráfica de la posición 40 de la varilla de bomba. El controlador 100 de velocidad de motor de protector de varilla puede usar cualquiera o todos estos métodos para averiguar la posición 40 de la varilla de| la bomba. Regresando a la Figura! 1/ el controlador 100 de velocidad de motor de protector d¡e varilla; incluye además un dispositivo 70 de entrada, de acuerdo a una modalidad. El j dispositivo 70 de entrada es ! cualquier dispositivo que permita que se introduzcan por un usuario la(s) posición(es) 50 crítica (s) seleccionada ( s) por el usuario, tal como un operación de bomba. El dispositivo de entrada puede ser un teclado numérico u otro teclado,' una pantalla táctil, o una computadora personal, como ejemplos. Las posiciones criticas 50 son posiciones de la varilla 14 de bomba que se seleccionan en base la observación empírica, comportamiento conocido de la varilla de bomba, u otros criterios. Las posiciones 50 críticas seleccionadas por el usuario son puntos de activación que provocan que el controlador 100 de velocidad |de motor de protector de varilla ajuste la velocidad del motor 80 de bomba por j ajustes 90 de velocidad detenidos por el usuario/operador En una modalidad, el controlador 100 de velocidad i de motor de protector de varilla también recibe datos 80 de proporción de cambio de velocidad, seleccionados por el i usuario, a partir del usuario. ¡Cada posición 50 crítica se velocidad del motor, como se muestra, Una vez que se alcanza el cambio de la velocidad objetivo del motor, el I cambio de la velocidad del motor permanece constante hasta que se alcanza el cambio de velocidad de motor de la segunda posición crítica, en ¿2 ¦ En una modalidad, la Velocidad de motor continúa cayendo hasta que se alcanza la posición | de la velocidad del motor, en tv. Antes de alcanzar! el fondo de la carrera, se disminuyen las paradas de la velocidad del motor y no se inicia un cambio de la velocidad ¡del motor hasta la posición de la velocidad de motor, en !tv, quej es subsecuente al i comienzo de la carrera ascendente', Durante la carrera ascendente, se define una posición crítica individual, en 1 la posición de tiempo, tu, de acuerdo a una modalidad. De¡ la posición de tiempo, tw, hasta la posición crítica seleccionada por el usuario, la velocidad del motor acelera ijegularménte a una velocidad constante. Después del tiempo (tu, nuevamente disminuye la proporción de cambio de velocidad, entonces se regresa a su velocidad original El efecto del ajuste del nivel de la velocidad de motor es evidente en la Figura 4, de acuerdo a una modalidad. ¡ Tanto la posición original de carrera como la posición ajustada de carrera se ¡muestran. Entre la primera las Figuras 5A-5C se representa! una modalidad. Como se muestra en la Figura 5A, la jposición real de carrera (STRKEPOS) se compara a cada una de 1 as tres posiciones críticas seleccionadas por el usjiario (UPSPDPOS, DNSP1P0S y DNSP2POS) . I Durante la carrera ascendente, se compara el valor i (UPSPDPOS) de la posición crítica (en tu en la Figura 3) de carrera ascendente a la posición real de la varilla, su salida se establece activa (en tanto que están activas otras permisivas) cuando son aproximadamente ijgual y se alimentan para activar el conmutador 42 (Figura 5B) . La salida del conmutador 42 se alimenta a un segundo conmutador 44. El segundo conmutador 44 se activa ¡solo cuando el primer valor (DNSP1P0S) de la posición crítica (en tdi en la Figura 3) de carrera descendente es aproximadamente igual a la posición real de la varilla. Entonces,! se transfiere el valor de í velocidad descendente (DNSP1ADJ) ; de otro modo, se i transfiere la salida del conmutador 42. Igualmente, la salida del segundo conmutador 44 se a¡llimenta a un tercer conmutador 46. El tercer corimutador 46 se activa solo I cuando el segundo valor (DNSP2POS) de la posición crítica (en td2 en la Figura 3) de carrera descendente es aproximadamente igual a la posición ::eal de la varilla.

Entonces, se transfiere el valor de ajuste (DNSP2ADJ) de la velocidad descendente 2; de otro modo, se transfiere la salida del conmutador 44. En la Figura 6, una gráfica representa la posición de carrera de la bomba (línea delgada) y la velocidad del motor (línea gruesa) cuando no se opera el controlador 100 de velocidad de motor de protector de varilla. Como se espera, es una curva sinusoidal la posicilón de la carrera de la bomba. Se señala que la velocidad no cambia durante la carrera descendente de la varilla1 14 de la bomba. También, durante la carrera ascendente, la velocidad cae a un punto, tL, debido a un incremento agudo en la carga, es decir, levantamiento del petróleo y no al ajuste de la velocidad. En la Figura 7, una gráfica representa la posición de carrera de la bomba (línea me'dia) . En este tiempo, sin embargo, se activa el controlador 100 de velocidad de motor de protector de varilla. Tanto' el cambio de la velocidad del motor (línea gruesa) como lia fuerza de torsión (línea delgada) del motor también se representan. La fuerza de torsión es negativa debido a que el controlador 100 de I velocidad de motor de protector de varilla se disminuye a la velocidad del motor de la bomba curante la carrera descendente de la varilla 14 de l;a bomba. La Figura 8, una gráfica muestra de forma similar la posición de carrera de la bomba (línea media) y el cambio de velocidad del motor (línea gruesa), como en la Figura 7. Sin embargo, en lugar de la fuerza de torsión del motor, la gráfica muestra la tensión (línea delgada) de la varilla de la bomba. La tensión de la varilla es mínima en la parte superior de la posición de la carrera, pero se incrementa conforme casi está completa J la car]rera descendente, Aproximadamente a la mitad de lla carrecra ascendente, la tensión de la varilla empieza a disminuir nuevamente . Como en la Figura 8, ¡la gráfica de la Figura 9 muestra la posición de la carrera, de la bomba (línea media) , el cambio en la velocidad del motor (1:ínea gruesa) , y la tensión (línea delgada) de la jvarilla de la bomba. La pendiente de la carrera descendente no es una imagen en el espejo de la pendiente de la carrera ascendente. Aunque el cambio en la línea de velocidad' del motor es diferente de aquella en la Figura 8, la tensijSn de la varilla es similar a la gráfica previa. ! En la Figura 10, una gráfica representa la posición de la carrera de la bomba (línea media) sinusoidal, familiar. En lugar de mostrar la velocidad del motor (Figura 6) o cambio en la velocidad del motor (Figuras 7-9) , la gráfica muestra la tensión de [la variflla de la bomba y la i fuerza de torsión del motor. En tanto que la invención se ha descrito con respecto al número limitado de modalidades, aquellos expertos en la técnica apreciarán numerosas modificaciones y variaciones de la misma. Se propone que las reivindicaciones anexas cubran todas estas modificaciones variaciones como caigan dentro del espíritu y alcance ampl de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un aparato de protector] de varilla para controlar automáticamente la velocidad de una varilla de bomba, a todo lo largo de su ciclo normal de operación, que comprende: un medio para determinar la posición real de la varilla de la bomba; un medio para comparar la posición real percibida con una pluralidad de posiciones criticas predeterminadas; y un medio para i aj ustar la velocidad de la varilla de la bomba a la pluralidad de Iposiciones críticas predeterminadas durante cada cijclo de la varilla de la bomba .
2. El aparato de protector ele varilla según la reivindicación 1, en donde un motor de bomba mueve la varilla de la bomba y el medio para ajus]tar la velocidad de la varilla de la bomba a la velocidad del motor de la bomba. I
3. El aparato de protector de varilla según la reivindicación 2, en donde el motor de bomba es un motor de frecuencia variable. |
4. El aparato de protector de varilla según la reivindicación 3, en donde el motor de frecuencia variable se selecciona de un motor eléctrico, mecánico o hidráulico.
5. El aparato de protector de varilla según la reivindicación 1, en donde se seleccionan una pluralidad de posiciones críticas predeterminadas por un usuario del aparato de protector de varilla, i
6. El aparato de protector de varilla según la reivindicación 1, en donde el medio para determinar la posición real de la varilla de la bomba es un medio para percibir la posición real de la varilla de la bomba.
7. El aparato de protector de varilla según la reivindicación 6, en donde el' medio para percib' posición real de la varilla de la bomba es un sensor situado en una bomba unida a la varilla de la bomba.
8. El aparato de protector ce varilla según la reivindicación 2, en donde el medio para determinar la ; I posición real de la varilla de : la bomba se determina el ? movimiento mínimo y máximo de la varilla de la bomba y la velocidad del motor de la bomba. Un método de protector de varilla para controlar automáticamente la velocidad de la varilla de la bomba a través de su ciclo normal de operación que comprende: determinar una posición real de la varilla de la bomba en un ciclo de carrera; comparar la posición real con una. posición seleccionable por elj usuario; asociar un cambio de la velocidad con la posición seleccionable por el usuario; y ajustar la velocidad de la varilla de la bomba por la proporción de cambio en la posición seleccionable por el usuario cuando la posición seleccionada por el usuario es igual a la posición real . 10. El método de protector de varilla según la reivindicación 9, en donde un ¡motor de bomba mueve la varilla de la bomba y la velocidad de la varilla de la bomba se ajusta al ajustar la velocidad ;del motor de la bomba. 11. El método de protector de varilla según la reivindicación 10, en donde el motor de bomba es un motor de frecuencia variable. 12. El método de protector de varilla según la reivindicación 12, en donde el mótor de frecuencia variable se selecciona de motor eléctrico, mecánico o hidráulico 13. El método de protector de varilla según la reivindicación 9, en donde la posición real de la varilla de la bomba se determina al detectar! la posición real 14. El método de protector de varilla según la reivindicación 13, en donde la posición real de la varilla de la bomba se detecta por un sensor situado en una bomba unida a la varilla de la bomba. 15. El método de protector dk varilla según la reivindicación 10, en donde la pjosición real de la varilla de la bomba se determina en movimientos mínimo y máximo de la varilla de la bomba y la velocidad del motor de la bomba.