用於檢測活塞到達井的底部的時間的系統的製作方法

2023-04-28 20:14:01

用於檢測活塞到達井的底部的時間的系統的製作方法
【專利摘要】一種用於檢測活塞到達井底部的時間的系統，包括構造成測量井壓和提供測量的壓力輸出的壓力傳感器。導數計算電路計算測量的壓力輸出的導數。檢測電路基於計算的導數檢測活塞到達井底部的時間。
【專利說明】用於檢測活塞到達井的底部的時間的系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及用於從天然氣井或者類似物移除流體的活塞類型。更特別地，本 實用新型涉及當活塞沿著天然氣井的長度移動時，檢測活塞的位置。

【背景技術】
[0002] 深井用於從土地裡面抽取氣體和流體。例如，這種井被用於從地下的氣穴抽取天 然氣。該井包括長管，所述長管被放置在已經鑽入土地的孔中。當該井到達天然氣穴時，氣 體可以被抽取到表面。
[0003] 當天然氣井變老時，諸如水的流體趨於聚集在井的底部處。該水緩行，並且最後防 止天然氣流動到表面。已經用於延長井的壽命的一個技術是基於活塞的抬升系統，所述抬 升系統用於從井底部移除流體。井裡面的活塞位置通過打開和關閉在井頂部處的閥控制。 在閥關閉時，排出井外的氣體流動停止，並且活塞通過水落下到井的底部。當活塞到達井的 底部時，閥可以打開，藉此來自井中的壓力推動活塞到表面。當活塞上升時，該活塞抬升其 上面的任何流體達到表面，因而從井中移除大部分流體。
[0004] 為有效地操作活塞，理想的是識別活塞到達井的底部的時間。各種技術已經用於 確定活塞到達井的底部的時間，例如，2011年6月21日發行的授權給Giacomino的名稱為 "Method and Apparatus for Utilizing Pressure Signature in Conjunction with Fall Times as Indicator in Oil and Gas Wells"的美國專利No. 7, 963, 326 中描述一種技術。 實用新型內容
[0005] -種用於檢測活塞到達井底部的時間的系統，包括構造成用於測量井壓和提供測 量的壓力輸出的壓力傳感器。導數計算電路計算測量的壓力輸出的導數。檢測電路基於 計算的導數檢測活塞到達井底部的時間。
[0006] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述導數包括斜率指示。
[0007] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述導數包括曲率指示。
[0008] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述導數包括一階導數。
[0009] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述導數包括二階導數。
[0010] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述導數計算電路計算採樣窗口上的導數。
[0011] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述採樣窗口是可配置的。
[0012] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述檢測電路基於測量的壓力輸出的一階導 數和二階導數，檢測活塞到達井的底部的時間。
[0013] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述壓力傳感器、所述導數計算電路和所述 檢測電路在壓力傳送器中實施。
[0014] 根據本實用新型的系統，包括實施導數計算電路的壓力傳送器。
[0015] 根據本實用新型的系統，包括實施檢測電路的井控制器。
[0016] 根據本實用新型的系統，其特徵在於檢測電路進一步接收涉及活塞開始下降進入 井中的時間的計時輸入，並且其特徵在於檢測電路基於導數和計時輸入檢測活塞到達井的 底部的時間。
[0017] 根據本實用新型的系統，其特徵在於計時輸入通過井控制器提供。
[0018] 根據本實用新型的系統，包括構造成用於衰減測量的壓力輸出的阻尼電路。
[0019] 根據本實用新型的系統，包括構造成用於下採樣測量的壓力輸出的下採樣電路。
[0020] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述檢測電路根據最小的等待時間參數操 作。
[0021] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述最小的等待時間參數是能夠配置的。
[0022] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述檢測電路根據檢測閾值極限操作。
[0023] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述檢測閾值極限是能夠配置的。
[0024] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述檢測電路根據包括一階導數和二階導數 中的一個的選擇的變量來操作。
[0025] 根據本實用新型的系統，其特徵在於所述選擇的變量是能夠配置的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是使用根據本實用新型的用於識別活塞位置的系統的井的簡化視圖。
[0027] 圖2是用於示例的井的壓力對時間的曲線圖。
[0028] 圖3示出從圖2的曲線圖獲得的壓力以及所述壓力的一階和二階導數對時間的曲 線圖。
[0029] 圖4和5從圖2的曲線圖獲得的壓力以及所述壓力的一階和二階導數對時間的更 詳細的視圖。
[0030] 圖6是顯示在另一個示例的井中的許多循環的壓力對時間的曲線圖。
[0031] 圖7A-7C、8A-8C、9A-9C和10A-10C是從圖6的曲線圖獲得的壓力以及所述壓力的 一階和二階導數對時間的曲線圖。
[0032] 圖11是根據一個示例實施例的變化計算電路的速度的簡化方塊圖。
[0033] 圖12是用於確定活塞已經到達井底部的時間的壓力傳送器和井控制器系統的簡 化方塊圖。
[0034] 圖13是壓力傳送器和井控制器的另一個示例實施例。
[0035] 圖14是在圖13中圖示的事件探測器的簡化方塊圖。

【具體實施方式】
[0036] 本實用新型提供用於識別活塞到達井（諸如天然氣井）的底部的時間的系統。更 特別地，提供在其中測量井的壓力的方法和設備。測量的壓力被分析並且用於識別活塞到 達井底部的時間。不是單獨地使用壓力異常以識別活塞位置，本實用新型使用壓力傳感器 信號導數信息。在具體的示例中，監測測量的壓力的一階導數和/或二階導數。一階和/ 或二階導數中的改變被用於識別活塞到達井底部的時間。
[0037] 當天然氣井首先開始其操作時，通過通常存在於貯存器中的高壓輔助，氣體一般 從地下自由地流到表面。然而，在井的壽命期間，水開始流進氣體井的底部。結果的水柱的 背壓，加上貯存器壓力的減少，導致天然氣的流動緩慢，並且最後完全地停止。
[0038] 該問題的一個解決方案是關閉井（關閉井口處的閥），以允許貯存器中的壓力再 次增強。當壓力足夠增強時，再次打開閥，並且增強的壓力推動水到頂部。然而，該方法的 缺點是，大量水落回到井的底部，並且最後，井沒有獲得許多額外的氣體產生。
[0039] 較好的解決方案，和在氣體井中最通常使用的一個，是使用活塞以抬升水到井外。 圖1圖示具有活塞抬升系統的一般的氣體井1〇〇。活塞110是與井1〇〇的中心管道112具有 約相同的直徑的裝置，所述活塞110在井中自由地向上和向下移動。如下所述，馬達閥120 用於打開和關閉井，促使活塞110移動到井的頂部116或底部118。在井的底部118處是緩 衝器彈簧124,防止活塞110撞擊底部118時，損害活塞110。在井口處是捕捉器和到達傳 感器130,當活塞110來到井的頂部116時，抓住活塞110並且產生指示活塞110到達的電 子信號。捕捉器的上面是潤滑器140,施加油、或其他的潤滑劑到活塞110,確保活塞110自 由地移動通過管道。電子控制器144通過接收可獲得的測量信號（例如管道壓力和活塞到 達），並且通過發送命令到馬達閥120以在適當的時間打開和關閉來操作井。
[0040] 用於抬升井的流體產品到表面的活塞組件操作作為非常長的衝程泵。設計活塞 Iio以充當流體柱和抬升氣體之間的固體界面。當活塞Iio移動時，存在跨越活塞Iio的壓 力差，將抑制任何流體退卻。因此，運送到表面的總量應該與原始的負荷實際上相同。活塞 110從底部118移動到頂部116,起擦拭器的作用，移除在管道柱中的流體。存在可獲得的 許多類型的活塞。
[0041] 活塞110本身可以採取各種形式。一些活塞包括裝載展開的葉片的彈簧，所述葉 片靠著井的管道壁密封，以產生用於上衝程的壓力差。其他的類型的活塞包括具有汽封環 以設置密封的活塞、具有允許活塞更快下降的內部旁通管的活塞等等。
[0042] 因為氣體產生器可以操作數千的井，任何特定的井上的儀表和控制一般是非常極 少的。在一些示例中，可以在井上進行的僅有的測量用兩個壓力傳送器進行，一個測量管 道壓力（活塞落下通過所述中心管，並且氣體通常流過所述中心管），並且另一個測量殼體 壓力（也稱為環形結構-包含管道的外部空位）。馬達閥120打開和關閉，以控制下降到 井100的底部118或來到頂部116的活塞110、和電動控制器144,通常是可編程邏輯控制 器（PLC)或遠程操作員控制臺（R0C)。控制器144接收可獲得的測量信號，並且在適當的時 間打開和關閉馬達閥120,以保持井的最佳操作。在一些構造中，也可以有活塞到達傳感器 (所述活塞到達傳感器檢測活塞到達井口的時間）、溫度測量傳感器或流量傳感器。
[0043] 具有活塞抬升的氣體控制的重要一個方面是井必須關閉適當長度的時間。特別 地，井必須關閉足夠長時間，用於活塞到達底部。如果活塞一直沒有到達底部，那麼在打開 馬達閥時，不是所有的水將被移除，並且井將不返回到最優的生產。如果這種情況出現，活 塞下降和返回所花費的時間（所述時間可能是30分鐘或更長）將已經浪費。甚至更關鍵 的是，如果馬達閥在活塞撞擊任何水之前打開，然後沒有水使活塞慢下來，升起的活塞的速 度（通過井中的巨大壓力引起）可能非常大，從而這將損害活塞或潤滑器/捕捉器，或甚至 吹動捕捉器完全地尚開井口。
[0044] 因為促使活塞後退太早的危險，大部分的井控制策略將具有內置的"安全係數"。 他們將在足夠長的時間內關閉井，用於活塞到達底部，以及一些額外的時間，僅保證活塞確 實到達底部。這裡的缺點是，活塞坐落在底部上的時間是氣體井不生產的時間。活塞不得 不坐落在底部上的時間越長，在氣體井可以返回到全能力生產之前的時間將越長。
[0045] 各種技術用以檢測活塞到達井的底部的時間。例如，壓力和聲學信號可以被監測， 然而，由於背景噪聲的總額、井的延伸長度和當該信號流過井中的流體和氣體時的信號的 損耗，這些信號經常相對地小和難以識別。雖然壓力傳送器一般存在於大部分井上，簡單地 監測壓力和檢測壓力異常可能引起在確定活塞位置中的誤差。進一步，基於聲學的裝置要 求規定、購買、安裝、構造和維持額外的設備。如在下面更詳細地討論，在一個實施例中，壓 力傳送器150連接到井100中的壓力，並且用於基於測量的壓力的導數，確定活塞110到達 井100的底部118的時間。該信息可以傳送到控制器144,並且用於控制井100的操作。例 如，該信息可以使用任何適當的技術被傳送到控制器144,諸如，例如，過程控制迴路152。 過程控制迴路152可以根據用於井操作中的標準通信技術操作，例如，有線和無線通信技 術二者。由傳送器150測量的具體壓力一般是井的中心柱中的壓力，然而，包括井殼體的各 層中的壓力的其他的壓力也可以被監測。
[0046] 如下所述，井壓力的測量可以用於確定井中的活塞已經到達井的底部的時間。圖 2示出來自第一示例井的井管道壓力與時間的關係曲線。示出全部的三個活塞循環。陰影 方塊強調用於每個循環的井關閉的時間，開始於馬達閥關閉並且活塞開始其降落的時間， 並且結束於馬達閥再次打開並且活塞開始上升到表面的時間。虛線示出最小的管道恢復壓 力（418 psi)。在該示例中，井工程師已經確定，在關閉之後，管道壓力需要增強到至少418 psi，從而具有足夠的背壓以促使活塞後退到頂部。
[0047] 如圖2中所示，這個具體的井還具有60分鐘的最低關閉時間。這保證活塞在被提 升之前，活塞達到井的底部。如以前所述，馬達閥不應該太快打開。活塞被提升得太快的另 一個危險是，如果活塞完全乾燥地升起，井中的壓力可能導致活塞增加足夠的速度，以吹動 捕捉器/潤滑器組件完全地離開井口。因此，一般具有內建安全係數，要求井關閉最短的時 間。在該示例井上，最短的關閉時間是60分鐘。
[0048] 因此，在該井上，PLC或井控制器具有關閉邏輯，所述關閉的邏輯可以規定為：如 果管道壓力大於418 psi，並且關閉時間大於60分鐘，那麼打開馬達閥，其中，管道壓力是 井管道中的壓力。
[0049] 圖3示出用於圖2的周期1的關閉期間的放大部分。注意該曲線圖的時間期間 從11 :17 (在關閉之後約11分鐘），直到約12 :05 (就在馬達閥打開之前）為止。在繪圖上 具有可見的三個趨勢。頂部的趨勢是管道壓力，一般通過井控制器看到。中間和底部曲線 圖分別是管道壓力的一階和二階導數。一階導數指示壓力信號的斜率。二階導數提供壓力 信號的曲率的指示。
[0050] 在11 :33處，管道壓力已經超過418 psi的最小需要的管道壓力。在11 :52處，清 楚的導數事件在管道壓力的一階和二階導數二者中是可見的。可以推斷該事件對應於活塞 到達井的底部的時間。相似的事件出現在循環2(圖4)和循環3(圖5)的一階和二階導數 中的大約相同的時間處。這意味著，活塞花費46分鐘下降到底部，並且具有每分鐘206英 尺的平均下降速度。
[0051] 如圖3中所示，在導數事件（在12 :06處）之後的14分鐘，60分鐘關閉時間達 至IJ，並且馬達閥打開。假設這些事件確實對應於活塞到達底部，這些14分鐘是浪費的循環 時間。提升活塞更快14分鐘將允許井返回到更加快速地生產。
[0052] 圖4和5示出用於來自相同井的循環2和循環3的相同的曲線圖。導數事件在井 關閉之後分別是42分鐘和45分鐘。
[0053] 不同的井可以示出導數事件的不同模式。圖6使用從第二井獲得的管道數據示出 壓力對時間的曲線圖。數據被收集用於總共4個活塞循環。圖7A-7C示出用於一個活塞循 環（循環4)的壓力以及一階和二階導數與時間的曲線圖。在這種情況下，該事件通過評估 二階導數計算曲線圖最容易識別。數據示出通常在關閉之後的大約相同的時間處的、用於 其他活塞循環（1、2、和3)的相似的事件。該導數事件還對應活塞撞擊井的底部。
[0054] 如上所示，改變的速度（一階和二階導數）可以用於推斷和識別活塞事件。然而， 困難的將是單獨地基於這些壓力信號導數實施井控制。這是因為在活塞循環中的期間而不 是活塞下降期間的過程中，管道或殼體壓力信號的一階和二階導數可以比活塞撞擊水（或 井底部）時大幅提高。因此，必要的是為活塞位置確定提供一些計時環境，從而這些活塞事 件僅在具體的時間窗中被檢測。
[0055] 圖8A-8C圖示在另一個示例井中的多個活塞循環上的管道壓力以及一階和二階 導數對時間的曲線圖。管道壓力中最突變的改變僅發生在活塞返回到井頂部之前（當活塞 推動多塊水通過井口時）。作為這些突變的管道壓力改變的結果，一階和二階導數是不穩定 的，並且成為正的和負的。一般地，在井中，可能的是使用許多不同的檢測技術，檢測活塞到 達井的頂部的時間。在活塞到達井的底部的時間的確定中應該排除這些導數事件。
[0056] 圖9A-9C示出管道壓力以及一階和二階導數的相同的曲線圖，用於圖8A-8C的活 塞下降循環之一。圖9A-9C圖示在馬達閥關閉並且活塞最初開始下降之後立即地，具有管 道壓力的迅速增加，並且結果，一階和二階導數的非常大幅地增加。這比活塞撞擊井底部時 看到的一階和二階導數的改變更大許多。再次，系統不應該在馬達閥關閉之後立即檢測活 塞事件。
[0057] 圖10A-10C示出相同變量的進一步放大的部分，在井關閉之後的約10分鐘開始。 這裡，一階和二階導數非常清楚地示出活塞事件的檢測，諸如活塞撞擊井底部。該事件提供 用於最優化井的額外的值，因為其可以被井控制器使用以識別活塞到達井底部的時間。因 此，活塞事件檢測算法應該包括一些類型的計時和邏輯，使得活塞事件僅在井循環期間的 適當的時間處被檢測。例如，圖1中示出的壓力傳送器150可以在馬達閥關閉之後從PLC 接收命令。計時函數可以使用，使得壓力傳送器150僅在開始命令之後的某個數量的分鐘 (例如，10分鐘）已經過去之後,檢測導數事件。
[0058] 圖11是變化速率計算電路300的簡單的方塊圖。變化速率計算電路接收由阻尼 電路302處理的來自壓力傳感器的壓力測量。阻尼電路302接收可調節阻尼時間常數，並 且可以用作高頻濾波器，以減少壓力測量信號中的變化量，並且因而減少計算一階和二階 導數所需要的計算量。下採樣電路304還設置有能夠調節下採樣間隔。這個下採樣減少壓 力測量信號中的數據量，因而也減少計算一階和二階導數所需要的計算量。圖11還分別圖 示一階和二階導數計算電路306和308。第一和第二採樣期間可以被調節作為滾動採樣時 間窗，具體的導數在所述時間窗上評估。這些電路操作使用可調節的第一和第二採樣期間 操作，並且分別地提供一階和二階導數輸出。圖11中圖示的各種方塊可以一般在微處理器 中實施，所述微處理器根據軟體指令操作。然而，還可能的是作為單個的電路元件實施這些 方塊。各各變化速率參數可以是用戶能夠配置的參數或在製造過程中被配置。例如，這些 參數可以被調節用於具體的井特性。
[0059] 圖12是簡化的示意圖，說明通過連接152連接到井控制器144的壓力傳送器 150。壓力傳送器150包括壓力傳感器320,所述壓力傳感器320提供壓力測量信息到變化 速率計算電路300以及控制器144。來自變化速率計算電路300的一階和二階導數輸出 也被提供到井控制器144。通過連接器152的通信可以根據任何適當的技術。示例包括 HART?、現場總線（Fieldbus)、Modbus、Profibus，以及其他的通信技術。另外，可以包括諸 /川Wirelessl.-1ART?的無線通信技術。在這個配置中，井控制器144可以基於一階和/或 二階導數以及基於涉及活塞開始其下降進入井100的時間的計時信息，實施活塞事件檢測 算法。例如，井控制器144可以在某個期間已經過去之後，例如10分鐘，在井關閉事件已經 發生之後，觀察一階和/或二階導數中的事件。如果一階和/或二階導數在這個時間周期 已經過去之後超過預先配置的極限，這可以用作井控制器144的指示，指示活塞已經達到 井的底部，並且井控制器144可以命令馬達閥打開。
[0060] 圖13圖示另一個示例實施例，其中壓力傳送器本身包括事件探測器330,所述事 件探測器330基於一階和/或二階導數以及額外的信息識別活塞事件。例如，計時信息可 以通過井控制器144設置到事件探測器330,所述計時信息涉及活塞開始其下降進入井的 時間。事件配置參數可以提供到事件探測器330。例如，這些可以包括涉及一階和/或二 階導數的閾值水平，以及在事件檢測算法被應用到一階和/或二階導數之前實施的計時延 遲。計時信息可以使用連接器152從井控制器144被通信到事件探測器330。再次，這個通 信可以根據監測通信協議的標準過程控制器。當然，還可以使用適當的技術。當檢測活塞 到達井底部時，傳送器150將狀態信息（例如，狀態位）通過連接器152通信到井控制器 144。井控制器144然後可以根據存儲在其中的邏輯操作，以開始抬升活塞。
[0061] 圖14是簡化方塊圖，顯示事件檢測電路330的更詳細的視圖。在方塊340處，可 以選擇一階和二階導數中的一個或兩個，用於識別活塞已經到達井的底部的時間。基於該 選擇，輸出被提供到方塊342，其中確定在開始檢測算法之前的等待時間。例如，這可以是在 任何導數事件已經過去的過程的時間，所述導數事件不涉及活塞到達井的底部。如果適當 的時間周期已經過去，在方塊344處，特別的是一階和/或二階導數與閾值相比。如果閾值 已經超過事件，提供宣告輸出。注意可以使用其他的比較技術，例如，一階和/或二階導數 中的特別的標記或波形可以被觀察，一階和二階導數的相對值可以被監測，一階和/或二 階導數已經超過閾值期間的持續時間可以被觀察，等等。當使用一階和/或二階導數識別 事件時，提供事件宣告輸出。在另一個示例中，事件宣告基於一階導數與第一閾值的比較和 二階導數與第二閾值的比較。輸出可以被提供到井控制器，用於井的控制操作中。
[0062] 雖然本實用新型已經參照優選的實施例進行描述，在本領域熟練的技術人員將認 識到，可以在沒有違背本實用新型的精神和範圍的情況下進行形式和細節上的改變。雖然 一階和二階導數在上面得到討論，可以使用任何階導數。於此討論的各種元件或電路可以 在軟體、硬體、或它們的結合中實施。可以使用模擬和/或數字電路二者。
【權利要求】
1. 一種用於檢測活塞到達井的底部的時間的系統，其特徵在於包括： 壓力傳感器，所述壓力傳感器構造成用於測量井的壓力並且提供測量的壓力輸出； 導數計算電路，所述導數計算電路構造成用於計算測量的壓力輸出的導數；和 檢測電路，所述檢測電路基於導數輸出檢測活塞到達井的底部的時間。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述導數包括斜率指示。
3. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述導數包括曲率指示。
4. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述導數包括一階導數。
5. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述導數包括二階導數。
6. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述導數計算電路計算採樣窗口上的導 數。
7. 根據權利要求6所述的系統，其特徵在於所述採樣窗口是可配置的。
8. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述檢測電路基於測量的壓力輸出的一階 導數和二階導數，檢測活塞到達井的底部的時間。
9. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述壓力傳感器、所述導數計算電路和所 述檢測電路在壓力傳送器中實施。
10. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於包括實施導數計算電路的壓力傳送器。
11. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於包括實施檢測電路的井控制器。
12. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於檢測電路進一步接收涉及活塞開始下降 進入井中的時間的計時輸入，並且其特徵在於檢測電路基於導數和計時輸入檢測活塞到達 井的底部的時間。
13. 根據權利要求12所述的系統，其特徵在於計時輸入通過井控制器提供。
14. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於包括構造成用於衰減測量的壓力輸出的 阻尼電路。
15. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於包括構造成用於下採樣測量的壓力輸出 的下採樣電路。
16. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述檢測電路根據最小的等待時間參數 操作。
17. 根據權利要求16所述的系統，其特徵在於所述最小的等待時間參數是能夠配置 的。
18. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述檢測電路根據檢測閾值極限操作。
19. 根據權利要求17所述的系統，其特徵在於所述檢測閾值極限是能夠配置的。
20. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述檢測電路根據包括一階導數和二階 導數中的一個的選擇的變量來操作。
21. 根據權利要求19所述的系統，其特徵在於所述選擇的變量是能夠配置的。
【文檔編號】E21B47/09GK204098902SQ201420390616
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】約翰·菲利普·米勒, 大衛·萊爾·韋斯 申請人:羅斯蒙特公司