NO884801L

NO884801L - Pumpebortfall/gasslaasings-motorstyreanordning for elektriske, nedsenkbare pumper.

Info

Publication number: NO884801L
Application number: NO88884801A
Authority: NO
Inventors: Dale Richard Snyder Jr; Joe Henry Haws
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1989-05-02
Also published as: DK593888D0; DK593888A; AU2440088A; EP0314249A2; EP0314249A3; NO884801D0

Abstract

En fripumpings/gasslåsings-motorstyreanordning for elektriske, nedsenkbare pumper benytter en strømningshas-tighets- eller strøm/ikke-strem-føler til å stanse den elektriske, nedsenkbare pumpe når den ikke lenger pumper fluidum, slik at skade pd den elektriske, nedsenkbare pumpe unngås.

Description

Anvendelsen av startere med redusert spenning (mykstartere) for elektriske, nedsenkbare pumper (ESP-pumper) har med de siste få år har ført til en anledning til å øke produksjonen ved å pumpe tomme eller pumpe fri (pumping off) ESP-pumper, dvs. pumpe brønnfluidumnivåer ned til pumpeinntaket for å oppnå maksimal produksjon fra en brønn ved å senke trykket nede i borehullet . Å drive en ESP-pumpe i denne modus betyr at ESP-pumpen kontinuerlig koples på og av etter hvert som enheten pumpes tom eller fri, avstenges i en kort tidsperiode for å tillate brønnen delvis å fylles, og deretter gjenoppstartes. Dette kunne ikke ha vært gjort før anvendelsen av mykstartere da ESP-pumpesvikt var vanlig ved gjenoppstarting.

Pålitelig fripumpingsdeteksjon og -styring er kritisk for ESP-fripumpingsdrift (ESP pump off operation) for å hindre en ESP-pumpe fra å fortsette å arbeide etter at den er blitt gasslåst. Å unnlate å stanse en gasslåst ESP-pumpe vil resul-tere i en for tidlig svikt på grunn av overheting. Gasslåsing inntreffer når en ESP-pumpe inntar tilstrekkelig gass slik at den ikke lenger er i stand til å pumpe fluidum til overflaten, hvilket er et resultat av at enten store gassbobler er til stede i brønnfluidumet, eller at pumpeinntaket er blitt avdekket ved fripumping. I overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse er det blitt utviklet en ESP-fripumpings-styreanordning for å oppfylle behovene for på pålitelig måte å detektere og stanse en ESP-pumpe når den er blitt gasslåst eller fripumpet, siden eksisterende ESP-motorstyreanordninger har vist seg å utføre utilstrekkelig styring under disse kritiske forhold.

Eksisterende ESP-motorstyreanordninger er blitt til-passet fra overflate-motorstyreanordningssett hvor motordrift er mer stabil og motorstyring er mindre kritisk. For eksempel er det ikke kritisk for en motorstyreanordning (motor control-ler) å hindre en overflate-sentrifugalpumpe fra å kjøres tørr, men en ESP-pumpe i et borehull vil svikte raskt dersom den kjøres etter å ha mistet fluidumstrømning til overflaten. Disse motorstyreanordninger overvåker motorens løpende strøm (eller effektforbruk) og sammenlikner denne (dette) med en manuelt innstillbar, fast referanseverdi (setpoint). Når strømmen faller under denne underbelastnings-referanseverdi i en foreskrevet tidsperiode, stanses motoren.

Erfaringen har vist at eksisterende motorstyreanordninger er upålitelige ved detektering av fripumping eller gasslåsing i ESP-pumper. Grunnen til denne upålitelighet er at de manuelt innførte referanseverdier ofte er gjettet, eller i beste fall basert på varierende tommelfingerregler som ikke trenger å ha noen sammenheng med hva som foregår nede i borehullet. Som et resultat av dette blir referanseverdier ofte innstilt for høyt, hvilket forårsaker for tidlig stans og produksjonstap, eller innstilt for lavt slik at ESP-pumpen ikke stanses når den blir gasslåst eller fripumpet, hvilket forårsaker svikt av ESP-pumpen og tap av produksjon.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en motorstyreanordning og en fremgangsmåte for anvendelse av denne for å stanse en motor for en elektrisk, nedsenkbar pumpe (ESP = electrical submersible pump) når ESP-pumpen ikke lenger pumper fluidum, slik at skade på ESP-pumpen unngås. Motorstyreanordningen benytter en strømningshastighetsføler eller strøm/ikke-strøm-føler ved overflaten til å stanse ESP-pumpen når den ikke lenger pumper fluidum. Styreanordningen detekterer gasslåsing av pumpen ved fripumping eller som følge av store gassbobler i brønnfluidumet, og den detekterer også om en ventil er lukket og ESP-pumpen pumper inn i en blindventil. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for deteksjon av fripumping eller gasslåsing av en elektrisk, nedsenkbar pumpe i en oljebrønn omfatter de trinn å bringe i stilling en strømningsføler i overflate-produksjonsrøret eller en forbindelsesledning fra brønnen; å utnytte strømningsføleren til å aktivere et relé ved avføling av tap av strømningshastighet i produksjons-røret; å bringe reléet til å stanse den elektriske, nedsenkbare pumpe når et tap av strømningshastighet i produksjons-røret avføles av strømningsføleren; å benytte et pumpe-nyttbar-forsinkelseskoplingsur til å oppheve et ikke-strøm-signal fra føleren etter start av den elektriske, nedsenkbare pumpe mens fluidum pumpes til overflaten, men ennå ikke har nådd frem; og å utnytte et avstengnings-koplingsur til å tilveiebringe den tidslengde med tap av strømningshastighet som er nødvendig for å signalere en fripumping eller gasslåsing av den elektriske, nedsenkbare pumpe, og skjelne midlertidige overflate-strømningshastighetsfall som ikke skyldes fripumping eller gasslåsing av den elektriske, nedsenkbare pumpe.

Andre formål, forskjeller i forhold til den kjente teknikk, fordeler og særtrekk ved oppfinnelsen vil bli klare for en fagmann på området ved gjennomgåelse av den etterføl-gende beskrivelse under henvisning til tegningen hvis ene figur viser et blokkskjema av en foretrukket styreanordnings-trinnsekvens som er utviklet i overensstemmelse med oppfinnelsen .

Den kjente teknikks styreanordninger for elektriske, nedsenkbare pumper (ESP-pumper) er upålitelige når det gjelder å detektere når en ESP-pumpe fripumpes eller gasslåses. Fripumping (pump off) resulterer normalt i at ESP-pumpen blir gasslåst (ikke lenger er i stand til å pumpe fluidum til overflaten), og ESP-pumpen vil raskt svikte på grunn av overheting dersom den ikke stanses. Det er anledning til å øke produksjonen ved å drive en ESP-pumpe i fripumpings-sykluser, og den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en økonomisk tiltrekkende, forbedret metode for å styre en fripumpende ESP-pumpe (pumping off ESP).

Prøving i overensstemmelse med oppfinnelsen har vist at avgangs-strømningshastigheten fra brønnhodet kan benyttes direkte til å indikere når fripumping eller gasslåsing inntreffer. I en ikke-gassholdig brønn er fluidumstrømnings-hastigheten ganske konstant, idet strømningshastigheten går til null når ESP-pumpen gasslåses ved fripumping. I meget gassholdige brønner er deteksjon av fripumping mye vanske-ligere da strømningshastigheten normalt kan være temmelig variabel, og til og med midlertidig stanse på grunn av støtvis gasstrømning (gas slugging) i produksjonsrøret. I dette tilfelle skjelnes gasslåsing fra normale gassvirkninger ved hjelp av den tidsvarighet som strømningshastigheten forblir lik null. Strømningshastigheten stanser bare midlertidig som følge av gassfremstøt i produksjonsrøret, men stanser permanent dersom ESP-pumpen gasslåses.

Den strømningshastighetsorienterte fripumpings/gass-låsings-styreanordning ifølge oppfinnelsen benytter enten en strømningsmålende anordning eller en strøm/ikke-strøm-føler (slik de er kjent i teknikken) til å bestemme når strømnings-hastigheten går til null. Fripumpings-styreanordningen krever to tidsinnstillingsanordninger eller koplingsur (timers) til å programmere forsinkelser i koplingslogikken. Ett koplingsur benyttes for en pumpe-nyttbar-forsinkelse (pump up delay) slik at strømningsmåleren ikke vil stanse ESP-pumpen etter oppstarting mens fluidum pumpes til overflaten, men ennå ikke har nådd frem. Et annet koplingsur kreves for å bestemme den tidslengde som strømningshastigheten må forbli på null før ESP-pumpen vil bli stanset. Dette trekk tillater enheten å skjelne mellom strømningshastighetsfall som følge av støtvise gasstrømningsvirkninger og fall som følge av virkelig gasslåsing av ESP-pumpen, ved å kreve at strømmen skal stanse i en tilstrekkelig lang tidsperiode som vil indikere at pumpen er gasslåst.

Prøving ble utført ved benyttelse av en kommersielt tilgjengelig strøm/ikke-strøm-føler (andre typer av følere kunne eventuelt benyttes) som var montert i produksjonsrøret ved overflaten av brønnen, og som aktiverte et relé hver gang den avfølte et tap av strømningshastighet. Føleren benytter to sonder, av hvilke den ene oppvarmes, og hvor sondene strekker seg inn i fluidumet og måler temperaturforskjellen mellom sondene. Temperaturforskjellen øker etter hvert som fluidumets avkjølingsvirkning avtar, dvs. avtakende strømningshastighet eller avtakende varmeledningsevne av det fluidum som strømmer forbi sondene.

Pumpe-nyt tbar-forsinkelseskoplingsuret innstilles slik at det svarer til den gjennomsnittlige nyttbare pumpetid (pump up time) for brønnen, hvilken avhenger av pumpedybden, pumpestrømningshastigheten og produksjonsrørstørrelsen (den er ca. 30 - 45 min. for en 500 bpd-pumpe som er anbrakt

15 000 m fra overflaten). Avstengnings- eller stoppe-koplingsuret innstilles for de fleste brønner slik at ikke- strømning vil måtte være avfølt i ca. 10 til 60 sek., for-trinnsvis ca. 15 sek., før ESP-pumpen vil bli stanset.

For at fripumpings/gasslåsings-styreanordningen skal styre ESP-pumpen på fyllestgjørende måte i fripumpings- og gasslåsingssituasjoner, innstilles den slik at den skal overta underbelastnings-motorstyrefunksjonene fra den eksisterende ESP-motorstyreanordning. Dette oppnås ved å kople fripumpings/gasslåsings-styreanordningen i serie med den eksisterende motorstyreanordning og deaktivere den eksisterende motorstyreanordnings underbelastningsfunksjon ved å innstille dens underbelastningsnivå på dens minimumsverdi. Dette setter fripumpings/gasslåsings-styreanordningen i underbelastningsstyring av ESP-pumpen og etterlater motorstyreanordningen i styring av overbelastnings- og koplingsurfunksjoner. Å sette fripumpings/gasslåsings-styreanordningen i fullstendig underbelastningsstyring av ESP-pumpen er å foretrekke for å ha både fripumpings/gasslåsings-styreanordningen og den eksisterende styreanordning i felles underbelastningsstyring, da den eksisterende otorstyreanordning kan ha sine under-belastningsnivåer innstilt for høyt, hvilket forårsaker for tidlig stans av ESP-pumpen og at de positive virkninger av fripumpings/gasslåsings-styreanordningen settes ut av kraft.

Etter således å ha beskrevet generelt innretningen og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, såvel som dens tallrike fordeler i forhold til den kjente teknikk, er det etter-følgende en nærmere beskrivelse av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, gitt med spesiell henvisning til de num-mererte trinn i koplingsskjemaet på tegningen: Trinn 1) Montering av en strøm/ikke-strøm-føler eller en strømningshastighetsmålende anordning i produksjons-røret eller forbindelsesledningen ved overflaten, hvilken føler aktiverer et relé hver gang den av-feier et tap av strømningshastighet;

Trinn 2) deteksjon av ikke-strøm med føleren;

Trinn 3) anvendelse av et pumpe-nyttbar-forsinkelseskoplingsur til å oppheve ikke-strøm-signalet fra føleren etter oppstarting av ESP-pumpen mens fluidum pumpes til overflaten, men ennå ikke har nådd frem;

Trinn 4) utnyttelse av et stoppe-koplingsur til å tilveiebringe den tidslengde som strømningshastigheten vil måtte forbli på null før ESP-pumpen stanses, for å tillate enheten å skjelne midlertidige overflate-strømningshastighetsfall som følge av fri gass som strømmer gjennom pumpen, eller støtvis gasstrømning i produksjonsrøret, fra langvarige

fall som følge av gasslåsing av ESP-pumpen; og

Trinn 5) stansing av ESP-pumpen når stoppe-koplingsuret avføler fripumping av ESP-pumpen.

Den foregående beskrivelse av oppfinnelsen er bare ment som en forklaring av denne, og forskjellige endringer med hensyn til detaljene ved den beskrevne fremgangsmåte og innretning kan gjøres innenfor rammen av de etterfølgende krav uten å avvike fra oppfinnelsens grunntanke.

Claims

1. Fremgangsmåte for deteksjon av fripumping av en elektrisk, nedsenkbar pumpe i en oljebrønn, KARAKTERISERT VED at den omfatter de trinn å bringe i stilling en strømningsføler i et produk-sjonsrør fra brønnen ved overflaten, å utnytte strømningsføleren til å aktivere et relé ved avføling av tap av strømningshastighet i produksjonsrøret, å bringe reléet til å stanse den elektriske, nedsenkbare pumpe når et tap av strømningshastighet i produksjons-røret avføles av strømningsføleren, å benytte et pumpe-nyttbar-forsinkelseskoplingsur til å oppheve et ikke-strøm-signal fra føleren etter start av den elektriske, nedsenkbare pumpe mens fluidum pumpes til overflaten, men ennå ikke har nådd frem, og å utnytte et stoppe-koplingsur til å tilveiebringe den tidslengde med tap av strømningshastighet som er nødvendig for å signalere en fripumping av den elektriske, nedsenkbare pumpe, og skjelne midlertidige overflate-strømningshastighets-fall som ikke skyldes fripumping av den elektriske, nedsenkbare pumpe.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den elektriske, nedsenkbare pumpe stanses når stoppe-koplingsuret avføler fripumping av den elektriske, nedsenkbare pumpe.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at strømningsføleren har to sonder som føres inn i fluidum i produksjonsrøret, idet den ene av sondene oppvarmes, _og at temperaturforskjellen mellom sondene måles for å bestemme strøm/ikke-strøm-tilstanden i produksjonsrøret.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at forsinkelseskoplingsuret innstilles for å svare til den tid som kreves for å pumpe fluidum til overflaten når ESP-pumpen startes, og stoppe-koplingsuret innstilles på fra ca. 10 til 60 sek.

5. Innretning for deteksjon av fripumping av en elektrisk, nedsenkbar pumpe i en oljebrønn, KARAKTERISERT VED at den omfatter en anordning for å bringe i stilling en strømnings-føler i et produksjonsrør fra brønnen ved overflaten, en anordning for utnyttelse av strømningsføleren til å aktivere et relé ved avføling av et tap av strømnings-hastighet i produksjonsrøret, en anordning for å bringe reléet til å stanse den elektriske, nedsenkbare pumpe når et tap av strømningshastig-het i produksjonsrøret avføles av strømningsføleren, en anordning for benyttelse av et pumpe-nyttbar-forsinkelseskoplingsur til å oppheve et ikke-strøm-signal fra føleren etter start av den elektriske, nedsenkbare pumpe mens fluidum pumpes til overflaten, men ennå ikke har nådd frem, og en anordning for utnyttelse av et stoppe-koplingsur til å tilveiebringe den tidslengde med tap av strømningshas-tighet som er nødvendig for å signalere en fripumping av den elektriske, nedsenkbare pumpe, og skjelne midlertidige overflate-strømningshastighetsfall som ikke skyldes fripumping av den elektriske, nedsenkbare pumpe.

6. Innretning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at den omfatter en anordning for stansing av den elektriske, nedsenkbare pumpe når stoppe-koplingsuret avføler fripumping av den elektriske, nedsenkbare pumpe.