NO301855B1 - Fremgangsmåte ved styring av en pumpe - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved styring av en pumpe.

Bruken av mykstartere for elektriske nedsenkbare pumper (ESP) i løpet av de siste få år har gitt anledning til å øke produksjonen ved hjelp av "utpumping", dvs at brønnens fluidnivå pumpes ned til pumpeinnløpet for å oppnå maksimal produksjon fra en brønn ved å minske trykket nede i hullet. En ESP som drives på denne måte innebærer at ESP blir kontinuerlig slått på og av ettersom enheten blir utpumpet, stengt i en kort tid slik at brønnen delvis kan fylles og deretter startes igjen. Dette kunne ikke ha blitt gjort før mykstartere ble tatt i bruk siden feil ved ESP vanligvis oppsto ved gjenstart.

Ved siden av å minimere feil ved gjenstart kreves det også ved en utpumpingsoperasjon, en pålitelig påvisning av utpumpingen og styring slik at en ESP ikke blir drevet etter at den har blitt tilstoppet av gass. Hvis ikke en ESP blir avstengt i en slik situasjon kan feil oppstå på grunn av over oppvarming. Gasstilstopping oppstår når en ESP inntar så mye gass at den ikke lenger kan pumpe fluid til overflaten enten som følge av store gassbobler i brønnfluidet eller ved at pumpeinnløpet avdekkes ved utpumping. Ifølge oppfinnelsen har en styreinnretning for en ESP utpumping blitt utviklet for å møte behovet for pålitelig påvisning og avstenging av en ESP under gasstilstopping eller utpumping siden eksisterende ESP motorregulatorer har vist seg utilstrekkelige under disse kritiske forhold.

Eksisterende ESP motorregulatorer har blitt tilpasset fra motorreguleringsinnretninger fra overflaten hvor motordriften er mer stabil og motorstyring er mindre kritisk. F.eks. er det ikke kritisk for en motorregulator å hindre en sentrifugalpumpe på overflaten fra å gå tørr siden dette ikke vil ødelegge pumpen eller motoren, men en ESP i brønnen vil hurtig svikte hvis den drives etter at fluidet er tømt til overflaten. Disse motorregulatorer overvåker driftsstrømmen (eller effektforbruket) for motoren og sammenlikner denne med et manuelt justerbart, fast innstillingspunkt. Når strømmen faller under dette innstillingspunkt for underbelastning i tilstrekkelig lang tid vil motoren avstenges.

Erfaring har vist at denne eksisterende fremgangsmåte for motorstyring, er upålitelig siden ESP-pumping ofte vil avstenges for tidlig ved underbelastning eller ikke i det hele tatt. Grunnen til denne upålitelighet er at de manuelt innstilte innstillingspunkter ofte blir antatt eller basert på forskjellige tommelfingerregler som ikke står i forhold til det som skjer nede i hullet. Følgelig blir innstillingspunktene ofte satt for høyt og forårsaker for tidlig avstenging og produksjonstap eller for lav innstilling slik at ESP ikke vil bli avstengt og forårsake svikt i ESP og stopp i produksjonen.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å frembringe en fremgangsmåte for å avstenge en pumpemotor når en underbelastning av motoren har oppstått f.eks. på grunn av utpumping eller gasstilstopping. Gasstilstopping og utpumping er antatt å værekarakterisertav et plutselig fall i motorbelastningen og fluidutstrømmingen når gass trenger inn i pumpen.

De foran beskrevne mål oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen med de i kravene anførte trekk.

Andre formål og fordeler samt egenskaper vil fremgå for fagmannen ved gjennomgåelse av den følgende beskrivelse sammen med den medfølgende tegning hvor: figur 1 viser et flytdiagram av en foretrukket rekkefølge for regulatoren i samsvar med oppfinnelsen.

Ifølge oppfinnelsen blir flere parametere overvåket uavhengig av hverandre eller i en hvilken som helst kombinasjon for å bestemme om en forandring har oppstått i belastningen for en elektrisk nedsenkbar pumpemotor (ESP). Disse er: tilsynelatende effekt, faktisk effekt, reaktiv effekt, effektfaktor og strøm (siden spenningen er generelt konstant). Hver av disse parametere vil falle når ESP-motorens belastning faller. Forhold mellom disse parametere eller kombinasjoner av disse kan også overvåkes siden forholdene vil forandres når motorbelastningen faller. Hvis strøm blir brukt for å overvåke motorbelastningen, kan spenningen også måles som en sekundær parameter for å sikre at strømvariasjoner ikke forårsakes av spenningsspisser eller fall, dvs at strømmen kan variere av andre grunner enn motorbelastning. F.eks. kan spenningen på nettet ikke være helt jevn, eller uvær kan forårsake variasjoner etc. Motorbelastnings-parametere kan måles på flere måter. Parametere kan måles direkte eller kan først filtreres eller glattes ut ved å bruke en rot-middel-kvadrat eller gjennomsnittsberegning før målingen utføres. Målingen kan utføres analogt med matematiske beregninger utført med analoge kretser. Alternativt kan analoge målinger konverteres til digital form og matematiske beregninger utført enten med digitale maskiner eller med programvare, f.eks. i en mikroprosessor. Den digitale prøvetaknings hastighet, bereg-ningstiden og kravene for datalagring henger sammen, men kan variere meget. I en foretrukket utførelse bruker oppfinnelsen en prøvetakningshastighet på 4 Hz fra analog til digital, selv om prøvetakningshastigheter på mindre enn en gang hvert 15 minutt kan brukes ved andre tidsrom eller brukes ved beregningene som beskrevet heretter.

I motsetning til eksisterende motorreguleringsteknologi som sammenlikner motoreffekt eller strøm med et innstillingspunkt, anvender reguleringsfremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen seg av forskjellige teknikker for å bestemme om utpumping har oppstått slik som beskrevet nedenfor. For å bestemme om en motorbelastning har falt, kan målingene fra de seneste motorbelastninger, sammenliknes med en hvilken som helst tidligere gjennomsnittlig motorbelastning. Således kan den mest nylige motorbelastningsmåling være et enkelt datapunkt eller gjennomsnittet av mange datapunkter som senest har fremkommet. Det er ikke noen grense for antallet datapunkter eller tidslengden som gjennomsnittet kan beregnes over. Prøvinger av oppfinnelsen var vellykket når gjennomsnittet av det siste strømsekund ble brukt og også når bare den siste punktavlesning av strømmen ble brukt. Den tidligere gjennomsnittlige motorbelastning beregnes fortrinnsvis ved hvilket som helst tidsintervall fra ESP-start til det første datapunkt for det seneste gjennomsnitt. En fremgangsmåte for å bestemme den tidligere motorbelastning, er å kontinuerlig beregne motorbelastningens bevegelige gjennomsnitt i en hvilken som helst tidslengde før de siste gjennomsnittsdata. Det finnes ingen grense for antallet datapunkter eller tidslengden som gjennomsnittet kan beregnes over. Prøving av oppfinnelsen har tilfredsstillende brukt et bevegelig 5-sekund strømgjen-nomsnitt. Det nødvendige fall i motorbelastningsparameteret må etableres for å identifisere en potensiell gasstilstopping eller utpumping. Denne fallgrad er avhengig av hvilket parameter som overvåkes men allikevel ganske fleksibel. Kriteriet at strømfal- let må være større enn 5 % ble tilfredsstillende vist, men prøving har også vist at et vellykket kriterium kan oppnås hvor som helst fra 1 % til 20 % og et større område mellom 1/4 % og 30 % er også mulig selv om det er større sannsynlighet for at feil kan oppstå i det større område. Ved gassholdig pumping må motorbelastningen minske og forbli lav i en viss tid før ESP blir avstengt på grunn av gasstilstopping. Tiden som motorbelastningen må være lav er avhengig av tidslengden som brukes ved gjen-nomsnittsberegningene i de ovennevnte trinn. Ifølge oppfinnelsen ble 10 sekunder prøvet tilfredsstillende som et kriterium men det var lett å bruke alt over 2 sekunder. Imidlertid kunne denne tidsgrense bli satt til 0 hvis det var nødvendig å bruke lengre tid for å beregne de to gjennomsnitt for motorbelastningen. Den maksimale tidsgrense er bare en funksjon av hvor stor risiko for å skade det er mulig å ta med ESP før avstenging (f.eks. ville 1 time eller mer være ekstremt).

Beregning av motorbelastningens differensiale i forhold til tiden er en annen måte å bestemme om motorbelastningen har falt.

Målinger av motorbelastningen gjøres ved regelmessige intervaller som nevnt ovenfor, og den differensiale motorbelastning beregnes ved å subtrahere den foregående motorbelastning fra den seneste motorbelastning og dividere forskjel-len med tiden mellom de to målinger. Den foregående og siste motorbelastningsverdi kan være enkle punktmålinger eller gjennomsnittet av flere målinger. Et tydelig negativt resultat indikerer et fall i motorbelastningen slik som når ESP blir tilstoppet av gass eller utpumpet. Hvor mye differensialet må være negativt, avhenger av antallet målinger og tidsintervallet som differensialet beregnes over. ESP blir utpumpet hvis differensialet blir betydelig negativt og ikke deretter blir betydelig positivt. Differensialmetoden for regulatorberegning kan utføres digitalt eller analogt.

Integrasjon av motorbelastningen i en gitt tidsperiode er en annen måte å beregne den gjennomsnittlige motorbelastning på.

Motorbelastning blir målt ved regelmessig intervaller slik som ovenfor og lagret i en datarekke. Området under motorbelastningen blir beregnet mot tidskurven for den seneste tidsperiode ved å bruke en integrasjons beregning. Den siste tidsperiode kan ha en hvilken som helst lengde angitt av brukeren, avhengig av kravene til følsomhet (jo kortere lengde, jo mer følsom blir beregningen for forandringer i motorbelastningen).

Integrasjonsmetoden for regulatoren kan også utføres digitalt eller analogt. Gasstilstopping eller utpumping blir indikert hvis den seneste integrasjon av motorbelastningen er mindre enn den foregående intergrasjon for en bestemt mengde. Tidslengden som integrasjonen foretas over, enten hvis referanse-integrasjonen blir beregnet ved fast tidspunkt eller på en bevegelig basis, vil innebære at fallet som anses for å være betydelig og tiden som er nødvendig for å holde fallet nede ved gassholdige anvendelser, alle vil variere som i den første fremgangsmåte beskrevet ovenfor.

Enda en måte å bestemme om motorbelastningen har falt på, er å lage en statistisk analyse av motorbelastningen. Som i de andre fremgangsmåter blir motorbelastningen målt ved regelmessige intervaller og lagret i en datarekke. Statistikk over prøvetakningsfordelingen beregnes fra de foregående motor-belastningsprøver tatt i en gitt tidslengde og den seneste motorbelastningsprøven blir sammenliknet med den. Fall i motorbelastningen som faller på utsiden av kontrollgrensene beregnes fra den foregående fordeling av motorbelastningsprøven og det ønskede, pålitelige prøveintervall viser at et betydelig fall i motorbelastningen har oppstått. Det pålitelige intervall som brukes er avhengig av feilsannsynligheten som det er mulig å akseptere og kan variere tilsvarende. Hvis siste måling av motorbelastningen faller under den beregnede nedre kontrollgrense i en bestemt tid, da har ESP blitt tilstoppet av gass eller utpumpet og blir avstengt. Dessuten kan en statistisk beregning av motorbelastningsvariansen eller standardavviket indikerer at motorbelastningen har blitt mer variabel, en annen indikasjon på at gassen har trengt inn i pumpen eller at utpumping har oppstått.

Kontrollen med utpumpingen/gasstilstoppingen fra oppfinnelsen, kan brukes på flere måter. Således kan dette brukes i forbindelse med en regulatorsammenstilling. Den utviklede regulator er koplet i serie med en eksisterende motorregulator for åøke/erstatte underbelastningsfunksjonene i den eksisterende regulator. Alternativt kan utstyres integreres til en enkelt motorregulator. Således er det nødvendig å erstatte under-belastningsf unksj onene i en motorregulator med kontrollfunksjon-ene for gasstilstopping/utpumping. Alternativt kan også utstyres fra oppfinnelsen integreres til en intelligent fjernstyrt terminalenhet. Denne enhet utøver motorkontrollfunksjoner, inkludert utpumping/gasstilstoppingskontroll, og har dessuten mulighet for å overvåke ESP-driften, lagre data og kommunisere med en sentral datamaskin.

Etter således å ha beskrevet fremgangsmåten generelt, liksom fordelene, vil det følgende være en mer detaljert beskrivelse av en foretrukket utførelse med henvisning til tegningen.

Trinn 1: måle strømmen (analog til digital) hvert 0,25 sekund. Trinn 2: starte regulatoren når strømmen overskrider 0,5 A (oppstår når ESP startes). Trinn 3: starte regulatorfunksjonene når strømtoppen etter ESP-starten er over. Trinn 4: ta siste strømmåling og lagre den i den første stilling i datarekken for senere bruk ved regulatorberegningene. Trinn 5: etter at ESP er startet, begynn beregningene bare etter at datarekken er full (6 sekunder med strømmålinger). Trinn 6: beregne det siste gjennom-snittssekund for strømmen ved å gj ennomsnittsberegne de fire første verdier i datarekken. Trinn 7: hvis utpumpingstelleren ikke er lik null, vil den sist beregnede forskjell være mer enn 5 % fall og indikere at gass allerede har trengt inn i ESP, og kan være utpumpet. Trinn 8: hvis ESP ikke allerede er ved en potensiell utpumping, beregne det normale tidligere 5 sekunders strømgjennomsnitt ved å beregne gjennomsnittet for de siste 20 målinger i datarekken. Trinn 9: hvis ESP allerede er ved en potensiell utpumping skal ikke de tidligere 5 sekunders gjennomsnitt av strømmen beregnes igjen. Istedenfor brukes det tidligere strømgjennomsnitt som ble beregnet når strømmen først falt, for å sammenlikne den siste strøm med dens opprinnelige nivå. Trinn 10: subtraher det siste 1-sekunds gjennomsnitt fra det foregående 5-sekunders strømgjennomsnitt. Trinn 11: hvis den beregnede forskjell er større enn et 5 % fall har gass trengt inn i pumpen og ESP blir potensielt utpumpet. Trinn 12: steng ESP av ved ikke-gassholdig pumping siden et strømfall som er større enn 5 % bare vil oppstå ved utpumping. Trinn 13: beregne tidslengden når ESP er potensielt utpumpet (en telling er lik 25 sekunder). Trinn 14: ved gassholdig pumping har ESP blitt utpumpet og blir avstengt hvis strømmen ikke returnerer til sitt opprinnelige 5-sekunders gjennomsnitt (før strømfallet har oppstått) i løpet av 10 sekunder eller mindre. Trinn 15: bearbeid datarekken for neste strømmåling ved å skyve dataene i rekken ned med en. Dette sletter den eldste strømmåling på en effektiv måte og gjør plass for den neste strømmåling på toppen av rekken (første stilling).

Selv om den ovennevnte beskrivelse primært er rettet mot påvisning av underbelastning i en elektrisk pumpemotor som viser gasstilstopping eller utpumping, er grunnidéen med oppfinnelsen mer rettet mot fremgangsmåter for å overvåke og styre pumpedriften ved å måle forandringer i pumpens inngangsef-fekt. Dette gjøres (a) i pumper med elektrisk motordrift ved å måle motorbelastningen og sammenlikne siste motorbelastning med tidligere motorbelastninger, (b) i pumper med hydraulisk motordrift ved å måle det hydrauliske effektforbruk (inn-gangstrykk og strømningshastighet - utgangstrykk og strøm-ningshastighet) og ved å sammenlikne de siste motorbelastninger med tidligere motorbelastninger. Potensielle pumpe-/motorkombina-sjoner inkluderer (1) sentrifugalpumpe med elektrisk motordrift, (2) sentrifugalpumpe med hydraulisk motordrift, (3) positiv fortrengningspumpe med elektrisk motordrift, (4) positiv fortrengningspumpe med hydraulisk motordrift.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte ved styring av en pumpe, KARAKTERISERT VED (a) med regelmessige mellomrom å avlese pumpens effektforbruk, (b) på grunnlag av målingene å beregne nytt effektforbruk for pumpen, (c) å beregne et tidligere effektforbruk for pumpen på grunnlag av tidligere målinger, (d) å beregne differansen mellom det nye og det tidligere effektforbruk, (e) å definere differansen som pumpens effektforbrukdifferansen, og (f) å avstenge pumpen når ef fektforbrukdif feransen når en fastlagt

verdi over en fastlagt tidsperiode.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1 hvor pumpen drives av en elektrisk motor, KARAKTERISERT VED (a) å måle motorens effektforbruk over gitte tidsintervaller, (b) å beregne nytt effektforbruk på grunnlag av målingene, (c) å beregne motorens tidligere effektforbruk fra målingene, (d) å beregne differansen mellom det nye effektforbruk og det tidligere effektforbruk, (e) å definere differansen som indikasjon på pumpemotorens underbelastning når differansen overstiger en fastlagt verdi, og (f) å fastlegge hvilken tid underbelastning foreligger og å avstenge pumpen dersom denne tid overstiger en fastlagt tidsperiode.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å bestemme motorens effektforbruk på grunnlag av pumpemotorens tilførte tilsynelatende effekt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å bestemme motorens effektforbruk på grunnlag av pumpemotorens tilførte aktive effekt.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å bestemme motorens effektforbruk på grunnlag av pumpemotorens tilførte reaktive effekt.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å bestemme motorens effektforbruk på grunnlag av den strømstyrke som er tilført pumpemotoren.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED å variere spenningen for å utlikne strømfluktuasjoner på grunn av spenningsspisser eller spenningsfall for å unngå utpumping eller gasstilstopping.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å definere det nyeste effektforbruk som et gjennomsnitt av målinger som er beregnet over en valgt tidsperiode og hvor også det tidligere effektforbruk er et gjennomsnitt av målinger beregnet over tid.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED over tid å beregne differansen mellom pumpemotorens nye og tidligere effektforbruk.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å beregne differansen mellom det nye effektforbruk og det tidligere effektforbruk ved over en tidsperiode å inkludere motorens lastopptak.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED å beregne differansen mellom det nye effektforbruk og det tidligere effektforbruk ved å analysere statistiske verdier.