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CN104822899A - 用于控制深井油泵用直线电动机的方法和系统 - Google Patents

用于控制深井油泵用直线电动机的方法和系统 Download PDF

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CN104822899A
CN104822899A CN201380061248.2A CN201380061248A CN104822899A CN 104822899 A CN104822899 A CN 104822899A CN 201380061248 A CN201380061248 A CN 201380061248A CN 104822899 A CN104822899 A CN 104822899A
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Abstract

一种深井直线电动机泵系统包括:具有定子和轴的井下直线电动机,所述轴被配置成相对于所述定子直线运动;具有进口、出口和活塞的井下泵,所述活塞耦合到所述深井直线电动机轴;与所述直线电动机连接的电动机驱动器系统,其被配置成向直线电动机提供驱动命令;与所述电动机驱动系统连接的表面控制计算机,其被配置成控制直线电动机;与控制计算机通信的传感器系统,其被配置成感测直线电动机的操作参数;以及传感器系统,其包括配置成感测电动机轴的位置的同步串行接口编码器和配置成感测电动机温度的温度传感器。

Description

用于控制深井油泵用直线电动机的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及油气井领域,更具体而言,涉及井下直线电动机泵系统。
背景技术
美国专利No.1655825涉及一种耦合到油井泵的直线电磁电动机。螺线管安装于外壳之内并被布置成致动(actuate)散布于非磁性构件之间的堆叠磁体的芯。该芯耦合到泵柱塞(pump plunger),且上阀和两个下阀仅允许流体向上流动。
美国专利No.5049046涉及一种具有直线电动机的井下电磁电动机-泵组件、带有往复移动的活塞的泵以及远程无线监测站。
美国专利No.5831353涉及一种电动机-泵组件,其具有正位移泵和用于驱动该泵的电动机,以允许生产管路中的流体被提升到上方地平面(upper ground level)。提供了控制器以控制直线电动机并为电动机供应特定数量的直流脉冲。
发明内容
在所公开实施例的对应部件、部分或表面的以括号示出的参考符号仅仅为了例示的目的而不是限制的情况下,提供了一种操作具有直线电动机的井下泵的系统(110),系统(110)包括泵系统(122)、电动机驱动系统(124)、控制和通信计算机系统(126)和配电系统(128)。控制计算机系统、电动机驱动系统和配电系统可以包含于环境保护箱(125)中。该系统可以包括GUI计算机(130)、数据服务器(134)和远程管理计算机(138)。
该泵系统可以包括直线电动机(222)、泵(228)和电动机传感器包(224)。电动机传感器包可以包括SSI编码器位置传感器、电动机温度传感器、倾斜度计(inclinometer)和故障传感器。泵可以包括进口(227),进口可以具有温度传感器(225)和压力传感器(226)。泵还可以具有出口(231),出口可以具有压力传感器(229)。电动机可以从三相电动机电源线(234)接收电力。电动机传感器包可以通过三个双绞线(twisted pair)连接(237)连接到控制计算机。进口和出口压力传感器和温度传感器可以通过使用换能器的线路(239)连接到控制计算机。
电动机驱动系统(124)可以包括电动机驱动单元(318)和SINE滤波器(321)。可以配置并布置电动机驱动单元以从泵系统接收并发送换能器双绞线。电动机驱动单元可以支持现场总线接口(326)。现场总线接口可以包括DeviceNet、RS 485、F-NET、Modbus、FireWire、CANopen、以太网IP、ProfiNet、SERCOS、12位模拟I/O、16位模拟I/O和/或其他类似的总线硬件和协议。
控制和通信计算机系统可以包括路由器(419)、交换机(421)、wifi接入端口(141)、GSM调制解调器(145)、卫星通信调制解调器或端口(143)和单板计算机(410)。控制计算机可以包括用于链接其每个部件的以太网(423)。单板计算机可以包括PC-104单板计算机或其他嵌入式计算机。单板计算机可以具有I/O(425)、GPS(427)、CPU(429)、存储器(431)和电源(433)。控制计算机系统可以包括用于通信的RS-485换能器接口(435)。
控制和通信计算机可以具有控制算法,用于控制电动机驱动系统和/或泵系统。控制算法可以根据传感数据来控制电动机驱动系统和/或泵。传感数据可以是来自泵系统、电动机驱动系统、配电系统和/或数据服务器的数据。控制算法可以能够识别几种示功图操作情况(operating regime)和/或可以被配置成根据识别示功图操作情况来调节电动机驱动的控制。示功图操作情况可以包括弯曲或粘性筒、磨损或粘性筒、严重气体压缩、气体压缩、气封泵、严重游动阀泄露或柱塞泄露、严重固定阀泄露、泄露游动阀或柱塞、严重固定阀泄露或泄露固定阀和游动阀与气体压缩的组合。示功图操作情况还可以包括管道运动、流体撞击、泵冲击、上升冲程泵磨损、磨损的固定阀、磨损或分裂的筒、流体摩擦和/或制动摩擦。
配电系统可以包括三相交流电输入,且可以提供交流电输出和直流电输出。配电系统可以包括一个或多个断路器(521,523)、浪涌抑制单元(522)、变压器(524)、MOV抑制单元(525)和保险丝终端分配块(526)。配电系统还可以包括冷却恒温器(537)、冷却风扇或空气调节器(539)、热恒温器(541)、加热器中继(528)和/或加热器(529)。配电单元还可以包括辅助电源插口(auxiliary poweroutlet)(530)。配电单元可以被配置和布置成自动将环境保护箱保持在预定温度范围之内的温度处。
GUI计算机可以包含软件应用(131),该软件应用(131)用于允许用户(101)查看传感器数据,并查看和设置控制计算机的操作参数和算法。数据服务器可以包含网络应用(136),该网络应用(136)允许用户(102)与远程管理计算机(138)链接,并允许用户(102)查看传感器数据,并查看和设置控制计算机的操作参数。数据服务器可以包含数据库,该数据库用于存储来自控制计算机的传感器数据。可以周期性地从控制计算机向数据服务器传输传感数据。数据服务器还可以被配置成周期性地向控制计算机发送二次(secondary)操作参数。二次操作参数可以包括油价和电价。数据服务器可以被配置和布置成操作若干泵系统。
附图说明
图1是第一实施例系统的系统框图。
图2是图1所示泵系统的框图。
图3是图1所示电动机驱动系统的框图。
图4是图1所示控制和通信计算机的框图。
图5是图1所示配电系统的框图。
图6是图1所示系统的容纳箱(containment box)的模型示意图。
图7是示功图泵操作情况的曲线图。
图8是示功图泵操作情况的第二曲线图。
具体实施方式
一开始,应当清楚地理解,相似的附图标记在所有几幅图中意在一贯地标识相同的结构元件、部分或表面,因为这样的元件、部分或表面可以由整个书面说明书进一步描述或解释,本详细描述是该书面说明书的整体部分。除非另行指出,附图意在与说明书一起阅读(例如,阴影线、部件的布置、比例、角度等),并被视为是本发明整个书面描述的一部分。如在以下描述中所使用的那样,词语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”以及其形容词和副词派生词(例如,“水平地”、“向右地”、“向上地”等),仅仅指当特定附图面向读者时图示结构的取向。类似地,视情况而定,词语“向内地”和“向外地”一般是指表面相对于其延长轴或旋转轴的取向。
现在参考附图,更具体而言参考图1,提供了一种用于操作具有直线电动机的深油井泵的系统,在110处总体上示出了其第一实施例。系统110一般包括深井泵系统122、电动机驱动器124、控制和通信计算机126和配电系统128。系统110的另一部分是GUI计算机130、数据服务器134和远程管理计算机138。泵系统122由电动机驱动器和接口124驱动。控制和通信计算机126为电动机驱动器124提供命令信号以适当地驱动泵系统122。控制和通信计算机126还包含用于与数据服务器134和GUI计算机130交互的通信系统。控制和通信计算机126存储来自泵系统122和驱动器124的传感数据,并将其中继到数据服务器134和/或GUI计算机130。GUI计算机130为用户101提供用户界面,以查看传感数据并设置控制和通信计算机126的运行参数。数据服务器134包括向远程管理计算机138提供界面的网络应用136。通过经由网络应用136的交互,远程管理计算机138为用户102提供用户界面,用于查看传感数据并设置控制和通信计算机126的运行参数。数据服务器134还充当从控制和通信计算机126接收的传感数据的数据存储器。电动机驱动器和接口系统124、控制和通信计算机系统126以及配电系统128可以全部包含于被设计成提供保护以防止周围环境影响的公共箱或柜子125中。
系统110为深油井泵系统122提供高层次且详细的远程控制,该远程控制具有高效率和安全操作的众多特征。泵系统122被布置于深油井的底部附近,主要目的是将油一直泵送到油井的表面。泵系统122包括直线电磁泵电动机。泵系统122包含几个传感器,用于监测泵的运行和深油井的状况。泵系统122被连接到电动机驱动器和接口124。
电动机驱动器124为泵系统122提供高功率电力线路,该高功率电力线路用于驱动直线电磁电动机。电动机驱动器和接口124还包含数据线,该数据线用于将来自泵系统122和电动机驱动器和接口124的传感数据中继到控制和通信计算机126。
控制和通信计算机126包含实时控制器/CPU,该实时控制器/CPU用于为电动机驱动器124提供适当的门驱动信号,以利用期望的运动曲线来操作泵系统122。计算机126布置在深油井的表面。控制和通信计算机126包括数据采样和存储机构,用于接收和存储来自泵系统122和电动机驱动器124两者的传感数据。此外,控制和通信计算机126包括通信收发器,其包括wifi调制解调器141、卫星调制解调器143和蜂窝数据调制解调器145。通信收发器提供通往数据服务器134的网络链接。控制和通信计算机还可以任选地具有通往网络的有线网络连接,以连接到数据服务器134。控制和通信计算机126包括数据存储器,用于存储运行参数以及传感数据记录。控制和通信计算机126提供局域网(LAN),该局域网用于与GUI计算机130交互。
用于计算机126和电动机驱动器124的电力由配电系统128提供。配电系统将来自电源线的高压交流电压转换成用于计算机126和电动机驱动器124的更低稳定电压。配电系统128包括变压器、滤波器和监测传感器和保护装置。从配电系统128向控制和通信计算机126提供传感数据。配电系统128还从控制和通信计算机126接收控制信号。
GUI计算机130可以是由服务用户101带来的便携式计算机,以便提供现场维护和/或监测。或者,GUI计算机可以是布置并保持在深油井表面接近控制和通信计算机126的台式计算机。GUI计算机130通过由计算机126提供的LAN与控制和通信计算机130交互。GUI计算机130一般包括显示器,该显示器用于为用户101提供图形用户界面,以查看系统运行数据。运行数据包括来自泵系统122、电动机驱动器124、配电系统128和控制和通信计算机126的传感数据。GUI计算机130还为用户101提供用于改变控制和通信计算机126的运行参数的机构。
数据服务器134是布置在远离油井的位置处的服务器计算机。数据服务器134连接到网络132,网络132通过各种通信链路类型之一链接到控制和通信计算机126,通信链路类型包括硬连线连接或经由线路、wifi、卫星调制解调器和/或蜂窝数据连接的因特网连接。数据服务器从控制和通信计算机126接收传感数据记录。数据服务器134包含网络服务器/网络应用136,该网络服务器/网络应用136用于提供客户端界面,以在远程管理计算机138上查看传感数据记录。网络应用136还提供用于在控制和通信服务器126上设置控制参数的机构。
尽管本文描述了特定类型的计算机,但可以利用不同的计算机配置来实践处理和分析,所述不同的计算机配置包括因特网设备、手持装置、可穿戴计算机、多处理器系统、可编程消费电子设备、网络个人计算机、大型计算机、芯片上系统、或可编程逻辑器件(例如FPGA(现场可编程门阵列)或PLD(可编程逻辑器件))。计算机可以包括各种替代存储器件,例如闪速存储器、硬盘驱动器或其他固态存储器件。程序设计可以通过被编程、配置或构造成执行主题指令的任何形式的计算机可读介质或专用计算机或数据处理器来实现。本文使用的词语计算机或处理器是指以上装置的任一种以及任何其他数据处理器。处理器的一些范例是微处理器、微控制器、CPU、PIC、PLC、PC或微型计算机。计算机可读介质包括被配置成存储或传输计算机可读代码或可以在其中嵌入计算机可读代码的介质。计算机可读介质的一些范例是CD-ROM盘、ROM卡、软盘、闪速ROM、RAM、非易失性ROM、磁带、计算机硬盘驱动器、常规硬盘和网络上的服务器。上述计算机系统仅用于举例的目的。可以在任何类型的计算机系统或程序或处理环境中实施本发明的实施例。此外,本发明意在涵盖在分布式计算环境中执行的处理,其中任务或模块是由超过一个的处理装置或由通过通信网络(例如局域网、广域网或因特网)运行的远程处理装置来执行的。于是,词语计算机要被开放式地解释。
图2是泵系统122的框图。泵系统122包括布置在油井底部附近的电动机222和井下泵228。电动机222是具有静止的定子和滑动轴的三相永磁体直线电动机。电动机222从来自电动机驱动器124的三相电力线234接收电力。耦合到电动机222的是电动机传感器包224。电动机传感器包224包括用于感测直线电动机轴的位置的同步串行接口(SSI)编码器、用于监测电动机温度的温度传感器、用于测量安装直线电动机的角度的倾斜度计和电路故障检测器。电动机222耦合到井下泵228。井下泵228包括固定阀、游动阀、活塞或柱塞、进口227和出口231。泵228的活塞耦合到电动机222的轴。随着泵228的活塞被电动机222上下推动,油被汲取到进口227中,并向上从出口231推送出去。出口231耦合到通往油井表面的生产油管。
进口227具有用于提供进口处温度的温度传感器225,和用于提供进口处油或流体压力的压力传感器226。进口压力可用于确定油井中剩余油的深度。出口231包括压力传感器229。来自进口227和出口231的传感器输出被组合到单一导体换能器接口239中。类似地将来自电动机传感器包224的传感数据组合到3双绞线接口。可以利用用于模拟或数字信号传输的替代协议来实施数据接口。
图3是电动机驱动器系统和接口124的框图。电动机驱动器系统124包括电机驱动单元318和SINE滤波器321。在本实施例中,电动机驱动单元318是来自美国纽约East Aurora的Moog Inc.的DS2110伺服驱动。不过,可以使用其他类似的电磁电动机驱动单元。电动机驱动单元318接收传感数据线路237和239。电动机驱动单元318通过数字接口总线326与控制和通信计算机126交互。通过总线326将来自线路237和239的传感数据中继到计算机126。还由计算机126使用总线326向电动机驱动单元318中继驱动命令。总线326具有多种实施的协议,包括DeviceNet、RS485、F-NET、Modbus、FireWire、CANopen、Ethernet IP、ProfiNet和SERCOS。不过,也可以使用其他相似协议作为替代。
电动机驱动单元从配电系统128接收高功率,24伏的直流线路329。可以通过控制和通信计算机126来中继24伏线路329,或者可以不通过控制和通信计算机126来中继24伏线路329。
图4是控制和通信计算机系统126的框图。计算机系统126包括单板计算机410,这是利用PC 104计算机来实现的。不过,其他相似的计算机可以用于计算机410。计算机系统126包括路由器419、交换机421、用于wifi的数据收发机141和GSM蜂窝调制解调器145。提供卫星通信端口143用于连接到卫星调制解调器/天线。交换机421通过以太网423连接路由器419、wifi收发器141、GSM调制解调器145、卫星通信端口143和单板计算机410。路由器419、wifi收发器141、GSM调制解调器145和卫星通信端口143全都提供用于单板计算机410的外部网络连接。这种外部网络连接主要用于在单板计算机410和数据服务器134之间的通信。
单板计算机410包括I/O 425、GPS 427、CPU 429、存储器431和电源433。以太网423连接到单板计算机I/O 425。I/O 425还与总线326和RS-485/RS 232换能器接口435交互。
应用程序存储于存储器431中并被配置成运行于CPU 429上。更具体而言,单板计算机410上的程序向电动机驱动器系统124提供驱动器控制信号,从泵122、电动机驱动器124和配电系统128接收并记录传感数据,向数据服务器134和/或GUI计算机130上载数据记录,并从数据服务器134和/或GUI计算机130接收配置命令。
此外,单板计算机410上的程序可以监测接收到的传感数据,并根据所接收的传感数据改变发送到电动机驱动器系统124的电动机驱动命令。更具体而言,计算机410上的程序可以识别图7和8中指定的几种操作情况之一。图7和8提供了针对几种已知的操作情况的电动机负载与泵位移(pump displacement)关系曲线。例如,如图8所示,“理想示功图”曲线是针对泵的单个向上和向下冲程循环(strokecycle)的矩形负载和位移曲线。而且,在图8上,“泵冲击(pumpinghitting)”曲线示出了在向上冲程的顶部和/或向下冲程的底部,电动机负载是如何出现峰(spikes)的。这些曲线也被称为示功图(dynamometer card)。计算机410被编程以识别这些操作情况的每种,且基于这些示功图来触发报警和/或调节泵操作。例如,如果在传感数据中识别出“泵冲击”曲线,计算机410将尝试向数据服务器134、所有GUI计算机130和所有远程管理计算机138发送警告。计算机410然后将调节发送给电动机驱动器124的驱动命令,从而利用更短的冲程来驱动泵122。
单板计算机410上的程序还实施通信协议,用于在RS-485换能器接口435、总线接口326或以太网423上交互。单板计算机上的程序还包括加密和压缩,用于在控制和通信计算机系统126和数据服务器134和/或GUI计算机130之间的传输。计算机410上的程序还可以实施FTP和远程登录(telnet)服务器。FTP服务器可用于接收文件并向计算机410发送文件。远程登录服务器可用于提供命令终端,用于查看计算机410上存储的数据或来自传感数据馈送(sensory datafeed)的实时数据。远程登录服务器命令终端还可以允许设置控制和通信计算机126的控制参数。
图5是配电系统128的框图。配电系统128从交流电源129接收电力,并经由240/120V交流线路519和24V直流线路329向系统110提供电力。
在本实施例中,交流电源129是480V三相交流线路。配电系统128包括连接到交流电源129的三相的断路器521。在这一实施例中,断路器521是30安培的三相切断断路器。断路器521通过浪涌抑制单元522传递三相电力,浪涌抑制单元522然后使得480V交流信号对于泵操作系统110的其余部分是可用的。来自交流电源129各相中的两相被提供到两极断路器523。断路器523为10安培断路器。断路器523向变压器524提供两相交流电。变压器524是480/240/120V交流变压器。变压器524的输出在达到保险丝终端分配块526之前通过MOV抑制单元525传递。终端分配块526提供了用于几个电力输出电路(包括240/120V交流输出线路519和24V直流供电线路329)的连接终端。120V交流线路被提供到功率变换器531,功率变换器531将120V交流变换成24V直流。24V直流可以直接来自3相480V交流。120V交流线路还用于向照明533、门开关535、冷却恒温器537、冷却风扇539和热恒温器541供电。480伏浪涌抑制线路被用于向热中继528和加热器529供电。
冷却和加热恒温器537、541、风扇或交流单元539以及加热器529用于将箱125中的环境保持在期望温度范围之内。
GUI计算机130是具有显示器、键盘和网络调制解调器(NIC)的计算机。网络调制解调器用于将GUI计算机130连接到由控制和通信计算机126所提供的LAN。GUI计算机130包括软件应用131。软件应用131为用户101提供连接到控制和通信计算机126的界面,以查看实况和存储的传感器数据,并查看和设置控制和通信计算机126的控制参数。软件应用131还将提供已知泵的图形地理视图,并且还提供每个已知泵的基本运行统计。软件应用131可以是网络浏览器、远程登录客户端,或者在本实施例中,为定制软件应用。
在用户101将GUI计算机130连接到控制和通信计算机126的LAN之后,用户101然后启动应用131。应用131询问用户101的用户名和口令,然后将该用户名和口令提供给控制和通信计算机126进行认证。认证之后,应用131为用户101提供几个选项。用户101可以选择查看泵控制系统110的当前传感数据的选项。这导致应用131从控制和通信计算机126请求数据流。控制和通信计算机126所收集的原始传感器信号的每个都被转发到应用131,该原始传感器信号包括电动机输出力、电动机位置、电动机温度、泵的进口和出口压力、进口温度、泵倾斜角、电动机驱动器状态、电动机驱动器输出电流、配电系统状态和温度以及配电系统的输出电压和电流。不断从控制计算机126向应用131流传输(stream)这一数据,并在GUI计算机显示器上实时理想地更新。应用131可以处理接收的数据,并可以将数据置入图形显示器中。例如,可以通过y-x方式绘制泵位移和电动机力输出,以便与图7和图8中的示功图绘图以相同方式显示数据。
用户101还可以选择查看控制计算机126保存的历史传感数据。例如,应用131可以从控制计算机126请求来自最后1000个泵周期的传感数据。在接收这一数据时,应用131可以在时间轴上以绘图形式显示这一数据。例如,泵位移与电动机力输出的关系可以被绘制成3D绘图,在该3D绘图中第三个轴用于时间(或泵的周期数)。可以应用颜色代码来显示系统磨损(wear)的转变,例如从表示“新”电动机/泵的绿色到表示高度磨损和导致故障的实际损伤,从而需要更换的“红色”。此外,查看的数据可以是基于某一时间段的时间平均数据。例如,每个数据点可以是给定数据的平均值。更具体而言,如果用户101正在查看进口温度,应用131可以计算并绘制每天的平均温度,使得给定一天的平均温度产生单个数据点,以天作为x轴变量,温度作为y轴变量来绘制给定时间段内的所有数据点。此外,软件应用131可以用于向用户101显示由控制计算机126上运行的程序产生的警告。例如,如果控制计算机126上的程序识别出:电动机力与泵位移数据的关系产生了类似于图7或8中所示错误状态之一的曲线,可以在GUI计算机130的显示器上闪烁描述性警告。
软件应用131还可以用于调节控制计算机126的操作参数。例如,在查看传感数据之后,用户101可以决定泵应当在更低频率下工作。应用131为用户101提供命令界面,以设置新的工作频率。更具体而言,应用131允许用户101指定要驱动泵系统122所用的精确运动曲线。该运动曲线可以是针对泵的给定操作周期的距离-时间曲线或力-时间曲线。
应用131还可以允许用户101基于传感数据来编程控制计算机126要遵循的操作功能。例如,用户101可以编程控制计算机126以将泵频率设置成等于进口压力乘以常数。可以基于完整范围的传感输入状态,使用其他更复杂的函数来定义控制计算机126要命令电动机驱动器124的运动曲线。例如,可以编程该控制计算机126以基于预定义条件(例如图7和8中所定义的操作情况)来自动地调节运动曲线。运动曲线对于向下冲程和向上冲程可以是不同的,并可以实时改变频率。用户101可以进一步设置阈值,以定义应当何时由控制计算机126产生警告。
数据服务器134向很多潜在的远程用户102提供GUI计算机130的功能,还充当数据存储器和备用设备。数据服务器134还充当向控制和通信计算机126提供周期性数据的机制,周期性数据可能影响控制计算机126的操作功能。
应用131提供的所有功能还可以通过运行于数据服务器134上的网络应用136来获得。不过,由于数据服务器134和控制计算机126之间预计会有更高的延迟,可能无法使用一些实时功能。网络应用被设计成充当客户远程管理计算机138的服务器内核。用户102可以利用远程管理计算机138上的标准网络浏览器来连接到网络应用136。除了能够查看控制计算机126上存储的数据之外,网络应用136还提供了查看数据服务器134上存储的数据的能力。
将来自控制计算机126的传感数据记录备份到数据服务器134可能是有利的。例如,控制计算机126可以向数据服务器134发送每天的数据记录。这允许从控制和通信计算机126删除冗余数据,从而可以在控制计算机126上实现更小的数据存储器。而且如果每个远程用户不得不自己连接到控制和通信计算机126,那么就会有可能借助存储在数据服务器134上的传感数据,通过更快更便宜的网络链路向多个远程用户提供历史数据(即,卫星通信通常比一般因特网接入更慢且成本更高)。而且通过让数据服务器134向远程用户102提供数据,减少了控制计算机126上的处理需求。
数据服务器134还可以用于向控制计算机126提供与泵操作方法相关的周期性数据。例如,可以由数据服务器134获得国际油价并将其提供给控制计算机126。控制计算机126可以使用油价作为确定操作参数的变量。例如,如果油价低,可能更适合以较低频率来操作泵,以提供更高效率和更少磨损。不过,如果油价显著升高,提高泵频率可能是有利的,以便在高价时卖更多油而获益,甚至以增加泵磨损为代价。可以由数据服务器134周期性向控制计算机126提供很多其他变量,例如电费、天气状况、预测的需求、装运延期、维修计划和/或管道停工计划。这些变量的每个都被适当地结合到控制计算机126上的操作算法中。
公开的系统和方法获得若干令人意外的结果和优点。公开的系统和方法允许本质上预测性和预计性的而非反应性的健康和使用监测系统。可以向技术人员给出提前告警,从而他们可以预测性地采取措施,在电动机或泵发生故障之前校正电动机或泵的性能。这样可以在维护成本和支持方面节省数百万美元。
这种系统还可以测量并跟踪趋势(例如泵磨损速率或电流与压力关系的变化),以确定系统的健康和寿命并预测维护间隔。显示示功图数据的颜色代码方案与数据的3D表达相组合,允许操作员和技术人员迅速且容易地看出特定系统在哪里/何时进入故障状态,或系统处于高磨损还是低磨损状态。此外,这种系统能够在确定井下状况时实现更大准确度,并提供比先有系统中更大的自动化控制程度。
公开的系统通过多种冗余通信信道(包括因特网、wifi、蜂窝数据和/或卫星通信)来提供远程监测和控制。此外,控制系统中嵌入的GPS系统将为远程管理体制自动定位并绘制井。
因此,尽管已经示出并描述了井下泵控制系统的当前优选形式,并论述了几种改进,但本领域的技术人员将容易认识到,可以在不脱离本发明的范围的情况下,做出各种额外的变化。

Claims (30)

1.一种井下直线电动机泵系统,包括:
具有定子和轴的井下直线电动机,所述轴被配置成相对于所述定子直线运动;
具有进口、出口和活塞的井下泵,所述活塞被耦合到所述井下直线电动机轴;
与所述井下直线电动机连接的电动机驱动器系统,所述电动机驱动器系统被配置成向所述井下直线电动机提供驱动命令;
与所述电动机驱动系统连接的表面控制计算机,所述表面控制计算机被配置成控制所述井下直线电动机;
与所述控制计算机通信的传感器系统,所述传感器系统被配置成感测所述井下直线电动机的操作参数;以及
所述传感器系统包括被配置成感测所述电动机轴的位置的井下同步串行接口编码器和被配置成感测所述电动机的温度的井下温度传感器。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述传感器系统还包括泵进口压力传感器和泵进口温度传感器。
3.根据权利要求1所述的系统,其中,所述传感器系统还包括被配置成感测电动机驱动器输出电流的电流传感器,且所述控制计算机被编程以根据所述电动机驱动器输出电流来确定电动机输出力。
4.根据权利要求3所述的系统,其中,所述控制计算机被编程以根据来自所述传感器系统的一个或多个所述操作参数来提供输出命令。
5.根据权利要求4所述的系统,其中,所述输出命令是基于电动机轴位置和电动机输出力的。
6.根据权利要求1所述的系统,其中,所述传感器系统还包括被配置并布置成感测所述电动机轴的倾斜度的井下倾斜度计。
7.根据权利要求1所述的系统,还包括表面配电系统,所述表面配电系统被配置并布置成向所述控制计算机和所述井下直线电动机供电,且其中所述配电系统和所述表面控制计算机容纳于防环境影响的保护箱中。
8.根据权利要求7所述的系统,其中,所述传感器系统提供配电系统输入电压和配电系统输入电流。
9.根据权利要求8所述的系统,其中,所述控制计算机被编程为根据所述配电系统输入电压和配电系统输入电流来确定泵效率。
10.一种井下直线电动机泵系统,包括:
具有定子和轴的井下直线电动机,所述轴被配置成相对于所述定子直线运动;
具有进口、出口和活塞的井下泵,所述活塞被耦合到所述深井直线电动机轴;
与所述井下直线电动机连接的电动机驱动器系统,所述电动机驱动器系统被配置成向所述井下直线电动机提供驱动命令;
与所述电动机驱动系统连接的表面控制计算机,所述表面控制计算机被配置成控制所述井下直线电动机;
与所述控制计算机通信的传感器系统,所述传感器系统被配置成感测所述井下直线电动机的操作参数;
所述传感器系统包括被配置成感测所述电动机轴的位置的井下位置传感器、井下泵进口压力传感器和被配置成感测电动机驱动器输出电流的电流传感器;以及
所述控制计算机被编程成根据所述电动机驱动器输出电流来确定电动机输出力。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,所述控制计算机被编程成根据来自所述传感器系统的一个或多个所述操作参数来提供输出命令。
12.根据权利要求11所述的系统,其中,所述输出命令为电动机驱动命令。
13.根据权利要求12所述的系统,其中,所述电动机驱动命令是随着由所述泵进口压力传感器所感测的压力变化而变化的。
14.根据权利要求11所述的系统,其中,所述输出命令是系统磨损或故障的诊断指示。
15.根据权利要求14所述的系统,其中,所述控制计算机被编程为基于所述电动机轴位置和所述电动机驱动器输出电流来产生泵位移相对电动机输出力的一个或多个操作曲线。
16.根据权利要求15所述的系统,其中,所述控制计算机被编程为识别泵位移相对电动机输出力的一个或多个参考标准操作曲线。
17.根据权利要求16所述的系统,其中,所述一个或多个参考标准操作曲线是从弯曲或粘性筒、磨损或粘性筒、气体压缩、严重气体压缩或干扰、气封泵、游动阀泄露或上升冲程泵磨损、固定阀泄露或磨损固定阀、泄露固定阀和游动阀与气体压缩的组合、管道运动、不工作的泵、泵冲击、流体摩擦和制动摩擦构成的组中选择的。
18.根据权利要求11所述的系统,其中,所述输出命令包括电动机轴运动操作曲线。
19.根据权利要求18所述的系统,其中,所述电动机轴运动操作曲线包括位置与时间之间的关系或电动机输出力与时间之间的关系。
20.根据权利要求10所述的系统,其中,所述控制计算机被编程为根据来自所述传感器系统的一个或多个操作参数来提供用户信号。
21.根据权利要求20所述的系统,其中,所述用户信号是警报信号或图形显示。
22.根据权利要求21所述的系统,其中,所述图形显示包括三维绘图。
23.根据权利要求22所述的系统,其中,所述三维绘图包括泵位移与电动机输出力与时间或泵周期之间的关系。
24.根据权利要求20所述的系统,其中,所述图形显示包括泵位移相对电动机输出力的操作曲线。
25.根据权利要求20所述的系统,其中,所述传感器系统还包括泵出口压力传感器,且所述图形显示包括电动机驱动器输出电流与泵出口压力的关系。
26.根据权利要求11所述的系统,其中,所述传感器系统还包括泵出口压力传感器,且所述输出命令是随着由所述泵出口压力传感器感测的压力和所述电动机驱动器输出电流而变化的。
27.根据权利要求10所述的系统,还包括经由因特网与所述控制计算机通信的远程计算机系统。
28.根据权利要求27所述的系统,其中,所述远程计算机系统包括图形用户界面,所述图形用户界面被配置并布置成允许用户查看从所述传感器系统导出的数据并查看和设置所述控制计算机的操作参数。
29.根据权利要求27所述的系统,其中,所述远程计算机系统包括数据服务器,且所述数据服务器包括用于存储来自所述控制计算机的数据的数据库。
30.根据权利要求10所述的系统,其中,所述控制计算机包括存储单元。
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