BRPI0916085B1 - sistemas de instrumentação para avaliar a operação de um sistema de bomba alternada - Google Patents

Abstract

sistemas de instrumentação para avaliar a operação de um sistema de bomba alternada a invenção refere-se a um sistema de instrumentação para avaliar a operação de um sistema de bomba alternada (200) que produz hidrocarbonetos a partir de um poço não-vertical que se estende desde a superfície até a terra, sendo que o sistema compreende: um sistema de coleta de dados (300, 304) que fornece sinais representativos da superfície que opera as características do sistema de bombeamento e características do sistema não vertical, um processador (306) que recebe as características de operação com as características do poço não vertical e gera um cartão de superfície representativo da carga de haste polida de superfície, como uma função da posição de haste polida da superfície; o processador determina uma função de lei de atrito com base nas características do poço não vertical; e o processador periodicamente gera um cartão de bomba de fundo de poço como uma função do cartão de superfície e função da lei de atrito para a equação de onda que descreve as vibrações lineares em uma haste delgada longa; a equação de onda para um poço desviado é da forma, em que..

Description

“SISTEMAS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA AVALIAR A OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE BOMBA ALTERNADA” Campo da Invenção [001] Esta invenção refere-se a aparelhos que determinam as características de desempenho de um poço de bombeamento. Mais particularmente, a invenção é direcionada ao aparelho para determinar as condições de fundo de poço de uma bomba de haste de bombeio em uma perfuração vertical ou desviou a perfuração de dados que são recebidos, medidos e manipulados na superfície do poço. A invenção também diz respeito à análise dos problemas de bombeamento, na operação dos sistemas de bomba de haste de bombeio em tais perfurações. Uma perfuração vertical é aquela que é substancialmente vertical dentro da terra, mas uma perfuração desviada é aquela que não é vertical para a terra da superfície. Uma perfuração desviada pode ser uma perfuração horizontal que se estende desde uma parte vertical do mesmo.

[002] Ainda mais particularmente, a invenção trata de um controlador para análise de desempenho da bomba no fundo poço aperfeiçoado de uma perfuração desviada sobre os métodos descritos em métodos anteriores desenvolvidos para perfuração nominalmente vertical, conforme descrito na patente de Gibbs U.S.3.343.405 de 26 de setembro de 1967.

Antecedentes da Invenção [003] Para bombeamento de poços profundos, tais como poços de petróleo, uma prática comum é empregar uma série de hastes interligadas para acoplamento de um dispositivo de atuação na superfície com uma bomba no fundo do poço. Esta série de hastes, geralmente referida como a seqüência de haste ou hastes de bombeio, tem a haste superior estendendo-se para cima através do topo do revestimento do poço para conexão com um dispositivo de atuação, como um balancim da bomba embutida do tipo feixe móvel, através de um dispositivo de acoplamento geralmente referido como suspensor de haste. O topo de revestimento do poço inclui meios para permitir o movimento deslizante da haste superior que é geralmente referida como a "haste polida".

[004] A Figura 1 retrata um poço de bombeamento de haste da técnica anterior, ilustrado para uma perfuração nominalmente vertical. A Figura 2 retrata um arranjo de medição de superfície da técnica anterior, pelo qual um dinamômetro de superfície ("cartão") é medido.

[005] A figura 1 mostra um poço nominalmente vertical com o habitual revestimento de poço 10 estendendo-se desde a superfície até o fundo da mesma.Posicionada dentro do revestimento do poço 10, está uma produção de tubulação 11 que possui uma bomba 12, localizada na extremidade inferior. O barril da bomba 13 contém uma válvula de retenção 14 e um êmbolo ou pistão 15 que por sua vez, contém uma válvula de transporte 16. O êmbolo 15 é acionado por uma haste de bombeio articulada 17 que se estende do pistão 15 em direção para cima através da tubulação de produção para a superfície e é conectado em sua extremidade superior por um acoplamento 18 a uma haste polida 19 que estende-se através de uma junta de embalagem 20 no topo do poço.

[006] A figura 2 mostra que a extremidade superior da haste polida 19 está conectada a uma barra de suspensão 23 suspensos a partir de um feixe de bombeamento 24 por dois cabos de fio 25. A barra de suspensão 23 possui uma fenda em forma de U 26 para receber a haste polida 19. Um portão de travamento 27 previne a haste polida de mover para fora da fenda 26. Uma plataforma em forma de U 28 é detida no lugar no topo da barra de suspensão 23 por meio de uma braçadeira 29. Uma braçadeira 30 semelhante é localizada abaixo da barra de suspensão 23. Uma célula de carga de extensômetro 33 é ligada à plataforma 28. Um cabo elétrico 34 leva da célula de carga 33 para um gerenciador de poço no local 50. Uma linha de fio tensa 36 leva da barra de suspensão 23 para um transdutor de deslocamento 37 (Ver figura 1). O transdutor de deslocamento 37 está conectado também ao gerenciador do poço 50 através da ligação elétrica 36'.

[007] A célula de carga de extensômetro 33 é um dispositivo convencional e opera de uma maneira bem conhecida por aqueles habilitados na técnica.Quando a plataforma 28 é carregada, torna-se mais curta e mais pesada devido a uma combinação de tensão axial e transversal.Uma vez que o fio do extensômetro 28 é ligado à plataforma 28, também é tenso em um modo similar.Como resultado, uma corrente passada através do fio do extensômetro possui agora uma maior seção transversal do fio para a qual a mesma flui, e diz-se que o fio tem menos resistência.Como a barra de suspensão 23 move para cima e para baixo, um sinal elétrico que relaciona a resistência do extensômetro para a carga da haste polida é transmitido da célula de carga 33 ao gerenciador do poço 50 através do cabo elétrico 34.

[008] O transdutor de deslocamento 37 é um dispositivo convencional e opera de uma maneira bem conhecida daqueles de habilidade na arte da instrumentação. A unidade de transdutor de deslocamento 37 é um potenciômetro de resolução infinita, conduzido por cabo-e-bobina que está equipado com uma montagem de rebobinar ("negador" conduzido por mola) de tensão constante. Como a barra de suspensão 23 move para cima e para baixo, a linha de fio tensionado 36 aciona o potenciômetro conduzido por bobina e um sinal de tensão variável é produzido. Este sinal, relaciona a tensão ao deslocamento da haste polida, é também transmitido ao gerenciador do poço 50. Outros meios de obter um sinal de deslocamento são bem conhecidos na técnica de determinar características de desempenho de um poço de bombeamento.

[009] O gerenciador do poço 50 registra o sinal de deslocamento como uma função de tempo, juntamente com o sinal da carga da haste como uma função de tempo.

[010] Em poços profundos a haste de bombeio longa possui alcance considerável, massa distribuída, etc., e o movimento na extremidade da bomba pode ser radicalmente diferente daquele transmitido na extremidade superior.Nos primeiros anos da produção de bombeamento da haste, o dinamômetro da haste polida, forneceu o meio principal para analisar o desempenho dos poços bombeados por haste.Um dinamômetro é um instrumento que registra uma curva, geralmente chamado de "cartão", de carga de haste polida versus deslocamento.A forma da curva ou "cartão" reflete as condições que prevalecem no fundo do poço.Esperançosamente as condições de fundo de poço podem ser deduzidas por inspeção visual do cartão de haste polida ou "cartão de superfície."Devido à diversidade de formas de cartão, no entanto, foi frequentemente impossível fazer um diagnóstico das condições da bomba do fundo do poço apenas com base na interpretação visual.Além de ser altamente dependente da habilidade do analista do dinamômetro, o método de interpretação visual fornece apenas dados de fundo de poços, que são de natureza qualitativa.Como resultado era frequentemente necessário recorrer a aparelhos complicados e procedimentos para fazer medições diretamente no fundo do poço, a fim de determinar com precisão as características de desempenho em vários níveis de profundidade dentro do poço.

[011] Em 1936 W.E. Gilbert e SB Sargent revelaram um instrumento que, literalmente, mediu diretamente um cartão de dinamômetro de subsuperfície. Era um dispositivo mecânico que foi executado pela primeira vez acima da bomba na sequência de haste.Isso permitiu que um pequeno número de cartões de dinamômetro fosse coletado antes de ser recuperado por puxar as hastes para a superfície.Isto marcou o cartão de bomba em um tubo em rotação, a posição angular do que foi feito proporcional à posição do êmbolo em relação à tubulação. A carga da bomba foi medida como proporcional à extensão de uma haste calibrada dentro do instrumento. Porque a haste de bombeamento teve de ser puxada para registrar os cartões de bomba, o instrumento era caro e complicado de usar. Mas isto forneceu informações valiosas relacionadas à forma dos cartões de bomba para várias condições de funcionamento conhecidas em bombeamento de poços, tal como enchimento completo, interferência de gases, libras de fluido, mau funcionamento da bomba, etc. Os dados quantitativos que isto forneceu permitiram aperfeiçoamento dos métodos para prevenção de golpe de bomba e a capacidade volumétrica da bomba. O dispositivo dinamômetro da bomba foi um desenvolvimento que abriu o caminho na história da tecnologia de bombeamento da haste.

[012] Com o estabelecimento do computador digital, S.G. Gibbs, um co-inventor da presente invenção, patenteada em 1967 (U.S. 3.343.409) um método para determinar o desempenho do fundo de poços de um poço bombeado por haste através da medição de dados de superfície, (o cartão de superfície) e computar uma carga versus curva de deslocamento (um "cartão de bomba" para a seqüência de hastes de bombeio em qualquer profundidade selecionada no poço). Como resultado, o sistema forneceu um método, quantitativos, econômico e racional para determinar as condições de fundo de poço que é independente da habilidade e experiência do analista.Não era mais necessário adivinhar nas condições de funcionamento de fundo de poço, com base em registros tomados de vários milhares de pés acima da bomba no fundo do poço na haste polida na superfície, ou para realizar a operação cara e demorada de executar um instrumento para o fundo do poço com objetivo de medir tais condiçõesCom o uso do método, foi possível determinar diretamente as condições de subsuperfície a partir dos dados recebidos no topo do poço.

[013] A patente U.S. N° 3.343.409 de 1967 de Gibbs revelou que uma análise do desempenho de bombeamento da haste começa com um cálculo preciso do cartão da bomba no fundo do poço.Gibbs mostrou que o cálculo é baseado em um problema limite - valor que compreende uma equação diferencial parcial e um conjunto de condições de limite.

[014] A haste de bombeio é análoga matematicamente a uma transmissão elétrica ou linha de comunicação, cujo comportamento é descrito pela equação de onda amortecida viscosamente onde: v = velocidade do som no aço em pés/segundo; c = coeficiente de amortecimento, 1/segundo; t = tempo em segundos; x = distância de um ponto sobre a haste livre medido a partir da haste polida em pés, e, u(x, t) = deslocamento da posição de equilíbrio da haste polida em pés, g = peso da montagem da haste da bomba.

[015] Na realidade, amortecimento em um sistema de hastes de bombeio é uma mistura complexa de muitos efeitos. A lei de amortecimento viscoso postulada na Equação 1 agrupa todos estes efeitos de amortecimento em um prazo de amortecimento viscoso equivalente. O critério de equivalência é que a força equivalente retira do sistema tanta energia por ciclo, que aquela retirada pelas forças de amortecimento reais [016] A Figura 1 mostra uma bomba 200 pode ser controlado com base em um cartão de "bomba" no fundo do poço. A patente U.S N° 5.252.031 para S.G Gibbs ilustra a geração de sinais de controle baseado na determinação do cartão de bomba. A patente U.S. 6.857.474 por Bramlett et al descreve o controle de uma bomba baseado no reconhecimento de padrão de um cartão de bomba para analisar a operação da bomba e o controle da mesma. Tais patentes são incorporados por referência no presente.

[017] A equação de onda, uma segunda ordem de equações diferenciais parciais em duas variáveis independentes (distância x e tempo t), molda o comportamento elástico de uma haste longa e delgada, tal como usado na haste de bombeamento. Como discutido no documento 108762 SPE, intitulado "Modelagem de uma haste de bombeio de comprimento finito usando a equação de onda semi-infinita e, como prova para a Conjectura de Gibbs," Conferência Técnica Anual de SPE de 2007, Anaheim, CA, 11 a 14 de novembro de 2007, JJ DaCunha e S.G GibbsNormalmente, o problema a ser resolvido com a equação de onda envolve condições de limite especificando a posição no topo, e a tensão na parte superior e inferior da conjunto de hastes, (2) junto com duas condições especificando posição inicial e velocidade (3) ao longo da haste. Para o problema de hastes de bombeio a lei de amortecimento na equação de onda foi escolhida principalmente para tratabilidade matemática, embora não tenha rigorosamente imitado os efeitos de dissipação reais ao longo da haste de bombeio.

[018] O problema do valor limite que levou ao cálculo de cartões da bomba do fundo do poço é incompletamente atestado. As condições iniciais na Equação (3) acima são ignoradas. Presume-se que o atrito umedece os transientes iniciais, e o comportamento em estado estável do conjunto de hastes é o mesmo independentemente de como o sistema de bombeamento é iniciado. Não são feitas suposições sobre as condições da bomba no fundo do poço. Afinal de contas, a determinação dessas condições é o objetivo da solução. Portanto, não há condições de limite análogas à equação (2) acima são especificados na bomba. Em vez disso, duas condições de limite são aplicadas na superfície, (4) onde E e A são o módulo de Young e a área de seção transversal do conjunto de hastes, respectivamente. Utilizando métodos digitais, o tempo de histórias P(t) e L(t) são mostrados em incrementos de tempo igual e expressos em série de Fourier truncada (5) (6) [019] Usando separação de variáveis, as soluções para a equação de onda pretendem satisfazer as histórias tempo medidas da posição da superfície e cargas soluções resultantes para a posição da haste e carga da haste, isto é, (7) respectivamente, são avaliados em uma profundidade específica e em uma sucessão de momentos para produzir o cartão de bomba de fundo do poço. Veja por exemplo o cartão computado em um poço de 1.577,34 metros (5175 pés) mostrado na Figura 3. A ilustração também mostra os dados de superfície medida (na forma de cartão de dinamômetro convencional) do qual o cartão de bomba é deduzido. O método de computação de cartões da bomba do fundo do poço com a equação de onda é descrito na patente de Gibbs acima referenciada. A Figura 3 mostra a superfície da técnica anterior e plotagens de cartão de bomba para um poço vertical utilizando o método de Gibbs de cálculo do cartão de bomba com base nos dados medidos do cartão de superfície [020] Usando dados empíricos, a solução da equação da onda descrita acima foi conjecturada para ser válida, apesar de questões teóricas que envolvem o problema atestado de forma incompleta de onde veioPoderia ser usada para determinar as condições da bomba, se a lei de atrito incorporada a equação de onda foi correta. A conjectura é formalmente declarada como Conjectura de Gibbs.

[021] Soluções da equação de onda que correspondem o histórico de tempo medido de carga de superfície e posição produzirão o cartão de bomba de fundo do poço exato, se a lei de atrito na equação da onda for perfeita. Na computação do cartão de bomba, nenhum conhecimento das condições da bomba é necessário. Qualquer erro na lei de atrito irá causar erro no cartão de bomba computado.

[022] O documento (SPE 108.762), mencionado acima mostra uma prova matemática não construtiva que as condições de fundo de poço em uma seqüência de haste finita podem ser inferidas a partir de medições na parte superior de uma haste semi-infinita. A prova é desenvolvida por perceber que as leis da física demandam aquela informação sobre as condições da bomba de fundo de poço se propagam para a superfície sob a forma de ondas de tensão. Um elemento-chave na prova, (e agora o Teorema de Gibbs) é que a lei exata de atrito da haste deve ser conhecida. Mesmo que a prova não-construtiva, não revele a lei exata, a prova não mostra como o processo pode ser usado para refinar a lei de atrito para atingir uma maior precisão em computação condições do fundo do poço. c—--- [023] O termo 3t - é o termo de atrito fluido que representa a força de oposição fluida contra o movimento axial da bomba. Na sua forma mais simples, prescreve uma força de atrito que é proporcional à velocidade. Nenhuma outra força de atrito da haste se presume existir. O termo g representa o peso da haste. Em outras palavras, a modelagem matemática de uma bomba de haste, como descrito pela equação (1) pressupõe um poço nominalmente vertical onde as forças de arraste de tubulação são assumidas por não existir.

[024] A palavra de qualificação nominalmente é usada porque é impossível a perfuração de um poço vertical perfeitamente. Como o peso é aplicado sobre a broca para conseguir a penetração, a sequência de perfuração flamba razoavelmente e se afasta um pouco do poço vertical que está sendo perfurado. Quando um poço destinado a ser vertical, o produtor de petróleo inclui uma cláusula de desvio no contrato firmado com a contratada de perfuração, que estipula que o poço seja vertical dentro de limites estreitos.

[025] Os poços verticais são mais fáceis de produzir com equipamento de bombeamento de haste porque o atrito da haste é menor. O conjunto de hastes transmite energia da unidade de superfície para a bomba da perfuração que levanta fluido para a superfície. O atrito provoca uma perda de curso da bomba e como resultado diminui a capacidade de elevação. Também causa o desgaste e rompimento nas hastes e tubulação.

[026] A prática da inclusão de cláusulas de desvio nos contratos de perfuração e a tecnologia de medição da trajetória da perfuração surgiram por causa dos escândalos na indústria do petróleo. Produtores de petróleo sem escrúpulos foram intencionalmente exaurir as reservas de petróleo detidas pelos posseiros vizinhos usando poços inclinados.

[027] Poços desviados estão se tornando mais comum. Nesses poços, o ponto onde (em vista plana) fluido do reservatório entra na perfuração pode ser consideravelmente deslocado lateralmente a partir da localização de superfície. O desvio pode ser acidental ou intencional, como descrito acima.

[028] As razões para poços intencionalmente desviado são muitas e variadas. A maioria dos motivos segue considerações ambientais ou sociais. Ao longo de uma linha de costa, poços com localizações da superfície terrestre podem ser desviados para drenar os reservatórios abaixo de corpos de água. Da mesma forma petróleo sob áreas residenciais ou metropolitanas podem ser produzidos com desvio de poços que possui seus locais de superfície fora das áreas sensíveis. Produção de petróleo e gás exige o tráfego de veículos ao serviço dos poços. Poços desviados podem diminuir o tráfego indesejado em áreas residenciais, pois apenas os locais de superfície precisam ser atendidos. O alcance de poços desviados podem ser milhares de pés (em vista plana) do local da superfície. Vários poços verticais exigem estradas de superfície múltiplas para cada localidade. Um caso em questão poderia ser Anwar (Artie National Wildlife Refuge). Usando poços desviados, estradas de acesso a cada poço, não seria necessário.Vinte ou mais poços desviados podem ser agrupados em uma pequena área de forma a produzir um impacto ambiental mínimo. Uma estrada de acesso único para a localização de superfície pequena seria então suficiente. Vinte hastes de acesso diferentes para cada poço (se perfurado verticalmente) não seria necessário. Devido a estas diversas razões, o número de poços desviados possui (e continuará a) aumentar rapidamente.

[029] Medir e controlar a trajetória da perfuração se tornou muito sofisticado. Vários métodos de telemetria são usados para transmitir dados de tripleto (azimute, profundidade e inclinação) para a superfície. Estes são os itens necessários para produzir um levantamento de desvio IDENTIFICAÇÃO DOS OBJETIVOS DA INVENÇÃO.

[030] Um objetivo primário desta invenção é proporcionar um controlador aperfeiçoado que determina um cartão de bomba de fundo do poço para um poço desviado a partir de medições de superfície.

[031] Outro objetivo da invenção é proporcionar um controlador de poço que utiliza um cartão de bomba de fundo de poço para um poço desviado para o controle de uma bomba de haste.

[032] Outro objetivo desta invenção é proporcionar um controlador aperfeiçoado que pode ser usado para determinar um cartão de bomba de fundo de poço para um poço desviado e para um poço vertical a partir de medições de superfície.

Descrição Resumida Da Invenção, [033] Os objetivos da invenção, juntamente com outros aspectos e vantagens são incorporadas em um sistema para monitorar um sistema de bomba alternada, que produz hidrocarbonetos a partir de uma profundidade de poço não vertical ou uma profundidade de poço vertical que se estende desde a superfície para a terraUm sistema de coleta de dados é parte do sistema que fornece sinais representativos das características de operação da superfície do sistema de bombeamento e as características de uma profundidade de poço não-vertical, tais características incluindo azimute, profundidade e inclinação. É fornecido um processador que recebe as características de funcionamento com as características da profundidade do poço não-vertical e gera um cartão superfície representativo da haste polida como uma função da posição da haste polida da superfície. O processador gera uma função da lei de atrito com base nas características da perfuração de poços não verticais. O processador gera um cartão de bomba dentro do poço como uma função do cartão de superfície e da função lei de atrito para uma equação de onda que descreve as vibrações lineares em uma haste longa e delgada.

[034] O processador inclui ainda a análise do cartão da bomba para controle do sistema da bomba.

[035] A equação de onda para um poço não vertical é da forma (8) na qual (9) (10) onde C(x) representa a força de arrasto de tubulação ou haste.

[036] O controlador também pode ser usado para um poço nominalmente vertical por meio das equações (8) a (10), onde C(x) é modificada para corresponder a tal poço vertical.

Breve Descrição dos Desenhos [037] A invenção é descrita abaixo com referência aos desenhos de acompanhamento, dos quais: A figura 1 é um diagrama esquemático parcialmente em seção longitudinal, mostrando o arranjo geral dos aparelhos da técnica anterior em um poço vertical nominalmente; A figura 2 é uma vista em elevação lateral ampliada mostrando o arranjo geral de uma parte do aparelho no suspensor da haste. A figura 3 é um gráfico da técnica anterior que mostra um cartão de superfície e um cartão de bomba de fundo de poço computado para um poço vertical nominalmente. A figura 4 ilustra uma boca de poço desviada com um gerenciador de poço aperfeiçoado para a determinação de um cartão de fundo do poço para um poço desviado de acordo com a invenção. A figura 4A ilustra componentes de vetor em uma seção de poço desviado. A figura 5A ilustra um cartão de bomba computado em um poço desviado usando os métodos desta invenção, e por comparação, a figura 5B ilustra um cartão de bomba do mesmo poço desviado computado com os métodos da técnica anterior assumindo um poço vertical.

As figuras 6A, 6B e 6C ilustram graficamente um procedimento para reverter a engenharia da lei de atrito para um poço desviado.

As figuras 7A, 7B e 7C mostram diagramas de fluxo de computações e funções realizadas em um gerenciador de poço aperfeiçoado para controle de uma bomba em um poço desviado, e A figura 8 ilustra etapas para cálculo do coeficiente de atrito para molde de um poço desviado Descrição Detalhada da Invenção [038] A figura 4 ilustra uma bomba de haste de bombeio operando em uma perfuração desviada 100. Os números de referência para revestimento, bomba, hastes de bombeio, etc. da figura 4 são os mesmos que para a ilustração da figura 1 para uma perfuração vertical, mas sinais de carga 34 e sinais de deslocamento 36’ são aplicados (tanto através de fiação quanto sem fio) para um gerenciador de poço aperfeiçoado 55 para determinação de um cartão de superfície e um cartão de fundo do poço para a perfuração desviada 100. Um sinal de controle 65 é gerado no gerenciador de poço aperfeiçoado 55 e aplicado à bomba 200, por fiação ou sem fio.

[039] Um poço desviado como este da figura 4 requer uma versão diferente da equação de onda que modela a haste mais complicada em forças de arrasto de tubulação, (8) Na qual (9) (10) onde v =velocidade do som no aço em pés/segundo C = coeficiente de amortecimento, 1/segundo t = tempo em segundos; x = distância de um ponto na haste livre medido a partir da haste polida em pés, u(x, t) = deslocamento da posição de equilíbrio da haste polida em pés no momento e, g(x) = componente de peso da haste na direção x.

[040] O termo C(x) representa a haste 17 na força de arrasto da tubulação 11. O termo de peso da haste g(x) é generalizado para o caso não-vertical, onde apenas o componente de peso da haste contribui para a força axial nas hastes. A direção das forças axiais na haste é determinada a partir do azimute, profundidade e sinais de inclinação a partir do levantamento do desvio, obtido onde o poço é perfurado. Em poços desviados, guias da haste são utilizadas de forma sacrifical para absorver o desgaste que seria causado nas hastes e tubos. A função p(x) permite variação de atrito ao longo das hastes 17 dependendo se as guias de haste ou hastes descobertas estão em contato com a tubulação 11. O operador δ assegura que as forças de atrito atuem opostas ao movimento da haste. Forças laterais em partes curvas de conjunto de hastes são moldadas pela função Q(x). Uma função dependente de cepa também atua em uma direção oposta a direção do movimento e é representado por: [041] O atrito do fluido é representado pelo termo c du(x^^ da mesma maneira como em um poço vertical.

[042] O coeficiente de atrito μ é definido como: (10.1) [043] O coeficiente de atrito varia com a lubricidade e materiais de contato (ex.: guia de haste, aço base, etc.). Ele pode ser estimado, medido ou determinado por correspondência desempenho.

[044] Nas equações (8), (9), (10), o coeficiente de atrito μ é permitido para variar ao longo do conjunto de hastes de acordo com as superfícies de contato Determinação de μ(χ), Q(x) e T(x) pela modelagem matemática de um conjunto de hastes;

[045] A função μ^), e as funções Q(x) e T(x) são primeiramente determinadas nos modelos matemáticos de uma simulação de computadorEm partes retas da perfuração, Q(x) # 0, e T(x) = 0. Em partes curvas, Q(x) = 0 e T(x) # 0. A simulação segue oito etapas, como delineado em caixas lógicas computacionais 308, 310 da Figura 8 e descritas como segue: [046] Etapa 1. Iniciar com uma pesquisa de desvio comercial (da caixa lógica 308) compreendida de profundidade medida (pés ao longo da profundidade da perfuração), inclinação de vertical (grau) e azimute do norte (grau). Esta pesquisa contém um número de estações de medição. Calcule as coordenadas espaciais em 3D (x, y, z) de cada estação usando qualquer método. Um raio (vetor) do método da curvatura é preferencial. Ver Figura 4A. Calcular (unidade) vetores de tangente, a profundidade vertical verdadeira e centros de curvatura para cada estação de medição e um par de estações de medição.

[047] Etapa 2. Adicionar estações de medição em pontos de atarraxamento no conjunto de hastes e na bomba. As novas estações devem cair no arco definido pelo centro da curvatura da estação acima e abaixo da nova estação. Calcule as mesmas quantidades descritas no Etapa 1 [048] Etapa 3; Adicione ainda mais estações de medição em pontos intermediários entre pares de estações de medição descritos na Etapa 2. As estações de pontos intermediários devem cair no arco definido pelo centro de curvatura das estações acima e abaixo. Calcular (unidade) vetores que definem a direção da força lateral S, a força de peso da haste W e força de arrasto C, conforme ilustrado na figura 4A.

[049] Etapa 4 Aplique uma força de atuação para baixo no nodo da bomba (dizer 5000 Libras) cuja direção é definida pelo vetor de tangente de unidade na bomba. Na fig. 4A este é o vetor D. Calcular a força lateral S, a força de arrasto C e a força axial U atuando para cima das equações de vetor U + W + D + S + C = 0 (10.2) (10.3) [050] O símbolo | | denota a magnitude absoluta do vetor dentro. O peso do vetor W sempre atua para baixo e possui uma magnitude w Δχ onde w é o peso de unidade das hastes (lb./pés) e Δx é o comprimento das hastes entre as estações de medição.

[051] Etapa 5 Continue o processo movendo para cima para a próxima estação de ponto médio. A negativa do vetor U de força axial para cima na etapa 4 se torna o vetor de força axial para baixo D. Retorne para a Etapa 4 até que o topo do conjunto de hastes seja atingido. Registre os resultados apurados em cada estação do ponto intermediário. Em seguida, vá para a Etapa 6.

[052] Etapa 6. Retorne à etapa 4 e repita o processo (etapas 4 e 5) exceto iniciar com uma carga maior na bomba, por exemplo, 10000 (lbf). Este segundo experimento ajuda a determinar a sensibilidade da carga lateral (daí o arrasto) com carga axial nas hastes.

[053] Etapa 7 Usando a informação registrada, construa as funções Q(x) e T(x) mostradas na Equação 10 [054] Etapa 8 a informação registrada, construa a função de peso de haste g(x) da Equação. 8 Projetando ou diagnosticando um poço de haste de bombeamento desviado [055] A equação de onda (Ex. 8, com Ex 9 e Ex 10. é usado para projetar ou diagnosticar poços desviados. Quando usado para projetar, suposições sobre as condições do fundo do poço são feitos para permitir a predição do desempenho de uma instalação de bombeamento de haste. No sentido de diagnóstico, a equação de onda é utilizada para inferir as condições do fundo do poço usando dados de dinamômetro colhidos na superfície. Grande preditivo ou resultado de erros de diagnóstico se o atrito da haste não é modelado corretamente. Isso é ilustrado pela referência à Figura 5A e 5B.O objetivo é calcular o cartão de bomba do fundo do poço com dados de superfície (isto é, o problema do diagnóstico). A figura 5A mostra o cartão de bomba calculado em um poço desviado usando eq. 8. Figura 5B mostra o cartão de bomba calculada com a eq.1, como se o poço fosse vertical. O cartão de bomba na Figura 5B está incorreto. O curso da bomba indicada é muito longo e cargas de bomba são muito grandes. Além disso, o formato do cartão de bomba é distorcido. O cartão de bomba na Figura 5B é uma indicação gráfica do teorema de Gibi como descrito acima.

[056] Uma maneira de determinar um cartão bomba preciso para o poço desviado da Figura 4 é o segmento do poço e fornecer cartões superiores e inferiores para cada segmento. O cartão mais baixo para um segmento superior serve como cartão superior para o segmento inferior, e assim por diante até que o cartão na bomba (ou ponto desejado no poço) seja determinado. Cada segmento é caracterizado por uma função Q(x) da força lateral diferente correspondente a um segmento curvo do conjunto de hastes.

[057] Usando dados hipotéticos, é possível mostrar como a engenharia reversa uma lei de atrito mais complicada para o poço desviado.O exemplo apresentado a seguir aplica-se aos poços rasos em que velocidade local é essencialmente a mesma em todas as profundidades ao longo do conjunto de hastes. A última frase do Teorema de Gibi, "Qualquer erro na lei de atrito irá causar erro no cartão de bomba computado”, descreve o procedimento. O maior erro possível é deliberadamente feito no cartão de bomba calculado através da criação de atrito zero em um poço hipotético com uma bomba de (6,35 cm) 2,50 polegadas fixado em (1.028,70 metros) 3.375 pés Uma unidade C640-305-144 unidade de bomba de balancim está operando a instalação em 8,81 golpes por minuto. O atrito linear ao longo do conjunto de hastes é fixado a (0,07 kg) 0,158 libras por pés de comprimento da haste por pés/s de velocidade de haste. Assim, se o poço é raso de modo que essa velocidade de haste é aproximadamente a mesma ao longo de toda a haste, o atrito dependente da velocidade total de 5 pés/s será (1.209,28 kg) 2.666 Libras [0,158 (3.375) (5) = 2.666]Além disso, um componente de Coulomb (independente da velocidade, mas sempre oposto ao sentido do movimento) de 0,3 lb./pés (0,14kg/pés) de comprimento da haste é prescrito. Assim, o arrasto de Coulomb ao longo de toda a conjunto de hastes será 1.013 £ [0,3 (3375) = 1013].Quando as hastes estão se movendo para baixo de 5 pés/seg. uma forçar de atrito de 3.679 Libras ( 1.668,77 kg) será aplicada. A lei de atrito utilizado para criar os dados hipotéticos pode ser escrita F = -0, 158 (3375) V - 0,3 (3375) ^. (11) [058] A figura 6A mostra dois cartões de bomba plotados para a mesma carga e escalas de posição e com uma origem de tempo comum. Sessenta pontos são usados para plotar cada cartão com um intervalo de tempo constante entre os pontos.Uma função de erro é definida por, Δι= La - (ti)- L0 (ti), (12) sendo que o La(ti) é carga de bomba (verdadeira) atual criada pelo programa preditivo completamente atestado e L0(ti) é carga de bomba calculada com a Técnica de Diagnóstico com atrito zero. O Δι (mede o erro causado pelo uso de uma lei de atrito incorreta (zero atrito) de acordo com o Teorema de Gibbs. Uma vez que o atrito da haste foi fixado em zero e velocidade ao longo das hastes é essencialmente o mesmo em um dado momento (poço raso), Δι, representa o atrito total ao longo do comprimento do conjunto de hastes.

[059] A figura 6b mostra uma história do tempo da velocidade da bomba que é levado para ser representativa da velocidade local em todos os lugares ao longo do conjunto de hastes.

[060] Finalmente figura 6c mostra um histórico de tempo Δι e um histórico do tempo da lei de atrito; Equação (12) usada para criar o exemplo hipotético. O acordo entre os dois históricos de tempo é próximo, mas não perfeito. As imperfeições são causadas pelo fato de que mesmo em um poço raso a conjunto de hastes se estende de tal modo que uma idealização de velocidades iguais ao longo do próprio comprimento não é estritamente verdadeira. Ainda assim, o acordo está perto o suficiente para indicar que o Teorema de Gibbs pode ser usado para definir mais leis de atrito complicadas.

[061] As figuras 7A e 7B ilustram esquematicamente na forma de fluxograma as funções do dispositivo de gerenciador de poço aperfeiçoado 55 A figura 7A mostra na caixa de lógica 300 que dados de posição e carga que são diretamente medidos (ex.: dados de carga por dados de célula e dados de posição por potenciômetro de sequência, inclinômetro, laser, RF, distância do Radar/ sensor de medição de posição, etc.) ou indiretamente medido (isto é, calculado com base em outras entradas). Tais dados são aplicadas a caixa de lógica 304 onde os dados de carga e posição são gerenciados e configurados. Os dados são passados para um gerador de cartão de superfície de 306, onde dados de posição e carga são correlacionados para cada ciclo de reciprocidade da bomba de haste.

[062] A caixa de lógica 302 ilustra essa entrada de dados a partir de vários dispositivos que são transferidos para a caixa de lógica 308 onde os dados sobre a bomba e poço também são armazenados. O levantamento de desvio inclui profundidade, azimute e dados de inclinação em cada ponto ao longo do poço. A informação de projeto de diminuição de haste e levantamento de desvio é usada para calcular o coeficiente de atrito, como descrito acima por referência para a Figura 8 para o cálculo de um cartão de bomba de um poço desviado ou de um poço horizontal. A informação de projeto de diminuição de haste é utilizada na caixa de lógica 312 para determinar o fator H útil na geração de cartão de bomba da caixa de lógica 314.

Determinação dos fatores H usada para fornecer uma solução numérica DA EQUAÇÃO DE ONDA.

[063] Os fatores H são os coeficientes adimensionais, para as posições de haste nodais utilizado na solução numérica da equação de onda. Não variam com o tempo e podem assim ser pré-computados antes que a solução em tempo real começa. Isso economiza tempo de computador e ajuda a viabilizar a implantação do processo de microcomputadores no local do poço. (8) repetido [064] Os fatores H são obtidos através da substituição das derivativas parciais na equação (8) por aproximações de diferença parcial como segue: (10.4) (10.5) [065] A seguinte diferença de forma de equação 10.5 é da forma: u(x + Δχ,ί) - //, u(x,t + Δί)~ H2 u(x,t) + H3 u(x,t - Δΐ) - u(x — Δχ,ί) na qual (10.8) (10.9) (10.10) [066] Conjunto de hastes pode ser feitas de várias seções chamadas de cone. Um cone é definido pelo material, comprimento e diâmetro da haste. Assim, as quantidades de H devem ser pré-computadas para cada cone. Quando mais definições completas das quantidades utilizadas nos valores H são substituídas, [067] Velocidade da propagação: (10.11) [068] Coeficiente de atrito de fluido da haste: (10.12) (10.13) as quantidades de H são obtidas para cada cone.

[069] Os valores H não envolvem os termos C(x) e g(x) da equação (8). Estes são tratados separadamente como discutido abaixo.

[070] Os problemas de previsão e diagnóstico são resolvidos com fórmulas de diferença parcial diferentes. Para o problema de previsão (SROD desviado), é necessário dar um passo adiante no tempo. Assim a equação (8) é resolvida para u (x, t +At). Isso produz um conjunto diferente de valores de H que os discutidos acima. Condições na bomba do fundo do poço são conhecidas a partir de uma condição de contorno para o problema de previsão. Para o problema de diagnóstico (DIAG desviado), é necessário calcular as condições da bomba que são desconhecidas. Como mostrado acima, a equação (8) é resolvida para u (χ +Δ, t). A partir de uma primeira condição de contorno, a posição do nodo da haste de superfície (at x = 0) é conhecida por todo o tempo t. A partir de uma segunda condição de contorno e da lei de Hooke, as posições da haste no segundo nodo (χ=Δχ) podem ser calculadas também para todos os tempos t. Isso dá início à solução e as posições de nodo até que sejam bombeadas de modo que possam ser calculadas. Isso estabelece carga de bomba e posição que compreende o cartão de bomba de fundo do poço.

[071] Outra função Η, H4, não está envolvido no formato da solução da equação da onda. Isso também é um valor pré-computado que só é envolvido na aplicação da carga de arrasto de tubulação da haste.

[072] Os dados sobre o Cartão de Superfície da caixa 306, o coeficiente de fricção do poço da caixa 310, o fator-X da caixa 312 e os dados de parâmetro de poço são aplicados ao gerador de cartão de bomba 314. A modelagem de computador é usada para construir as funções Q(x) e T(x). Essas funções descrevem o atrito de arrasto de Coulomb entre hastes e tubulação. A derivada na equação (8) é substituída com uma diferença finita, (9.1) e o efeito do atrito de Coulomb é incorporado na solução de diferença parcial com [073] A aproximação de diferença finita para ser derivada parcial na (8) é computada na etapa de tempo anterior. Este compromisso evita uma dificuldade matemática, mas pouca perda de precisão nos resultados. O tempo de processamento do computador é reduzido.

[074] Cartões de bomba para poços desviados e horizontais são gerados de acordo com as equações 8, 9, 10, com o coeficiente de atrito determinado como descrito acima. Cartões de bomba para poços verticais são gerados também de acordo com as equações 8, 9, 10, mas com um coeficiente de atrito adequado para um poço vertical usado ao invés do procedimento acima descrito para um desvio de poço.

[075] Depois que o cartão da bomba é determinado, é analisado para determinar muitos parâmetros de bomba como indicado na caixa 318. O reconhecimento do padrão da forma da bomba indica os possíveis problemas da bomba como indicado na caixa 320 da patente U.S. N° 6.6857.474 para Bramlett et al (incorporada no presente) ilustra as várias formas de cartão do fundo do poço representativa das várias condições de bomba.

[076] O gerenciador do poço gera um relatório como para a condição do poço como indicado pela caixa de gerador de relatório 312 e transfere o relatório e, via e-mail, sms, mms, etc., ou torna disponível para esquema de transmissão de consulta de dados por meio de transmissão com ou sem fio. Veja a caixa 319. Também gera um sinal de controle/comando 65 para ser aplicado ou enviado (com ou sem fio) para o painel elétrico 322 para ligar/desligar a energia que é aplicada à bomba 200 para seu controle dependendo da análise do cartão da bomba.

[077] O controle pode ser um sinal/comando de bomba desligada 65 aplicados ou enviados (com ou sem fio) para o painel elétrico 322 da bomba 200 ou um sinal/comando aplicado ou enviado (com ou sem fio) para uma unidade de freqüência variável 324, por exemplo.

Reivindicações:

Claims (8)

1. SISTEMA DE INSTRUMENTAÇÃO PARA AVALIAR A OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE BOMBA ALTERNADA (200) que produz hidrocarbonetos a partir de um poço não-vertical que se estende desde a superfície até a terra, sendo que o sistema compreende: um sistema de coleta de dados (300, 304) que fornece sinais representativos da superfície que opera as características do sistema de bombeamento e características do sistema não vertical, um processador (306) que recebe as características de operação com as características do poço não vertical e gera um cartão de superfície representativo da carga de haste polida de superfície, como uma função da posição de haste polida da superfície; o processador (306) determina uma função de lei de atrito com base nas características do poço não vertical; e o processador (306) periodicamente gera um cartão de bomba de fundo de poço como uma função do cartão de superfície e função da lei de atrito para a equação de onda que descreve as vibrações lineares em uma haste delgada longa; caracterizado pela equação de onda para um poço desviado ser da forma, em que em que C(x) representa a haste na força de arrasto da tubulação, e em que V = velocidade do som no aço; C = coeficiente de amortecimento, 1/segundo; t = tempo em segundos; x = distância de um ponto na haste livre medido a partir da haste polida, u (x, t) = deslocamento da posição de equilíbrio da haste de bombeamento em pés no tempo t, e, g (x) = peso da montagem da bomba da haste da bomba na direção x; e em que μ(χ), Q(x) e T(x) são determinados por modelagem matemática de um conjunto de hastes no poço.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo processador (306) incluir um software de análise de cartão da bomba que produz um sinal de controle para controlar a bomba.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo software de análise de cartão da bomba produzir um sinal de controle para desligar um motor de acionamento da bomba, se um indicador de cartão de bomba é reconhecido exigindo bomba desligada.

4. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 3, caracterizado pelo software de análise de cartão de bomba produzir um sinal de controle para controlar uma velocidade variável da bomba se um indicador de cartão de bomba é reconhecido o que indica que variar a velocidade da bomba aumenta a operação da bomba.

5. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo sinal de controle ser aplicado através tanto de um arranjo com fio ou sem fio para a bomba.

6. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo software de análise de cartão da bomba gerar um relatório de síntese das características do cartão de bomba, em que o sistema compreende adicionalmente um módulo de transferência de dados que envia o relatório de síntese para um local remoto do sistema de bomba.

7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo processador (65) ser geograficamente distante da bomba de pistão da haste (200) e ser organizado e projetado para receber as características sem fio do sistema de coleta de dados (300, 304), e o processador (65) ser organizado e projetado para enviar o sinal de controle sem fio para a bomba.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo poço ser não vertical e o fator de lei de atrito representar a característica de atrito de uma haste em um poço não vertical.