專利名稱：用于井下油/水分離系統(tǒng)的操作參數(shù)的監(jiān)控和自動(dòng)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及井下油/水分離系統(tǒng)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及井下油/水分離系統(tǒng)的自動(dòng)操作，以保持優(yōu)選的系統(tǒng)操作參數(shù)。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域已知的烴生產(chǎn)系統(tǒng)包括電潛泵(“ESP”)和井下油水分離器(“D0WS”)的 組合。在ESP/D0WS生產(chǎn)系統(tǒng)中，ESP和DOWS被設(shè)置在鉆探穿過地下地層的井筒中。該井 筒典型地在其中具有鋼管或套管，從地球的表面延伸到流體將被抽取或噴射自的最深地下地層以下的深度。ESP典型地是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)的離心泵。ESP的入口與流體將被提取的地下地層(“生產(chǎn)地層”或“生產(chǎn)區(qū)”)的一個(gè)或多個(gè)水力連通。ESP出口或排放口與DOWS的入口水力連通。DOWS具有兩個(gè)出口，一個(gè)用于從生產(chǎn)地層提取的流體分離出的水，并且另一個(gè)用于在水分離后剩余的流體。典型地，該分離的水出口與用于處理分離出的水的地下地層(“噴射地層”或“噴射區(qū)”)的一個(gè)或多個(gè)水力連通。DOWS是典型的水力旋流分離器或離心類型的分離器。一種水力旋流分離器包括導(dǎo)致在其中流動(dòng)的流體在旋轉(zhuǎn)通路中高速運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，以導(dǎo)致更密的水向分離器的徑向最外部運(yùn)動(dòng)。主要包括油的更小密度的流體受限，以通常沿分離的徑向中心運(yùn)動(dòng)。離心分離器典型地由電機(jī)操作，可以與驅(qū)動(dòng)ESP的電機(jī)相同的電機(jī)或不同的電機(jī)。離心設(shè)備使用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量，以導(dǎo)致進(jìn)入離心機(jī)的流體以高速旋轉(zhuǎn)，因此水和油以與水力旋流分離器類似的方式約束。為了從ESP/D0WS生產(chǎn)系統(tǒng)取得最大益處，期望操作ESP，以便運(yùn)動(dòng)經(jīng)過ESP/D0WS系統(tǒng)的流體量等于生產(chǎn)地層能夠生產(chǎn)流體時(shí)速度。還期望控制DOWS的操作，以便噴射進(jìn)入噴射地層的流體量不超過噴射地層能夠接受的量，或者可選地，以便經(jīng)DOWS的流體流速不超過其分離能力。在后者的情況中，油可能排放經(jīng)過水出口，并在噴射地層中處理。本領(lǐng)域已知自動(dòng)控制ESP的操作率，以導(dǎo)致ESP運(yùn)動(dòng)適合量的流體。例如參見授予Shaw等人的美國專利第5，996，690號(hào)中公開的系統(tǒng)未提供對(duì)從DOWS輸出的流體進(jìn)行任何控制，或?qū)腄OWS的水出口排放的流體速度的任何單獨(dú)的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是用于操作井筒中井下油水分離器和電潛水泵的方法。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)方面的方法，包括測(cè)量泵入口和分離器的入口和井筒的底部的至少一個(gè)附近的流體壓力。在分離器的水出口處測(cè)量流速和壓力的至少一個(gè)。泵的速度和水出口的限流器被控制以保持進(jìn)入噴射地層的分離的水的最優(yōu)的流體泵送率和最優(yōu)噴射率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，與在井筒中設(shè)置的電潛水泵和井下油水分離器一起使用的流控制系統(tǒng)包括設(shè)置在分離器的水出口中的可控閥。壓力傳感器和流量表的至少一個(gè)可操作地聯(lián)接到水出口?？刂破髋c壓力傳感器和流量表的至少一個(gè)信號(hào)通信，并與閥操作通信。該控制器被配置以操作閥，以保持經(jīng)水出口的選定壓力和選定流速(率)的至少一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于操作井下油水分離器和井筒中電潛水泵的方法，包括測(cè)量關(guān)于分離器的水出口存在油的參數(shù)；并且如果測(cè)量的油參數(shù)指示在分離的水中存在油，減小從分離器的水出口到噴射地層的水流量。通過下述描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將變化很明顯。



圖I顯示了設(shè)置在井筒中的根據(jù)本發(fā)明的泵/分離器系統(tǒng)的一種實(shí)例的示意表
/Jn o圖2更詳細(xì)地顯示了圖I的實(shí)例系統(tǒng)。圖3顯示了地面數(shù)據(jù)獲取/電力和控制單元的一個(gè)實(shí)例的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I中顯示了一種實(shí)例生產(chǎn)系統(tǒng)的示意表示，包括連接到井下油水分離器(“D0WS”)的電潛水泵(“ESP”)。鉆探穿過包括油生產(chǎn)地層32和水處理或“噴射”地層30的地下地層的井筒，具有管或套管11，從地表處的井頭34延伸到井筒的底部。該套管11典型地被水泥粘合就位以水力隔離多個(gè)地下地層，并提供與井筒的機(jī)械整體性。包括ESP的生產(chǎn)系統(tǒng)位于選定深度處的套管11內(nèi)部。該ESP典型地包括連接到保護(hù)裝置12的諸如三相AC電機(jī)的電機(jī)10。電機(jī)傳感器IOA可包括諸如三軸加速表的感應(yīng)元件(未單獨(dú)顯示)，可探測(cè)電機(jī)10產(chǎn)生的振動(dòng)。加速度(振動(dòng))的測(cè)量值可被傳送到地表以提供有關(guān)電機(jī)10的操作狀態(tài)的信息。電機(jī)傳感器IOA還可包括當(dāng)前測(cè)量值感應(yīng)元件(未單獨(dú)顯示)，來自其測(cè)量值也可被傳送到地表以提供有關(guān)電機(jī)10的操作狀態(tài)的信息。該電機(jī)傳感器IOA還可包括壓力傳感器(未單獨(dú)顯示)，以測(cè)量套管11內(nèi)的流體壓力。經(jīng)保護(hù)裝置12，電機(jī)10的旋轉(zhuǎn)輸出被聯(lián)接到離心泵14。泵14的入口與套管11的內(nèi)部水力連通，以便經(jīng)與生產(chǎn)地層32相對(duì)定位的穿孔32A進(jìn)入套管11的流體將抽入泵入口，并由泵14向地層表面提升。壓力傳感器14A可被設(shè)置在泵入口附近以測(cè)量流體壓力。下面將描述用于這種流體壓力測(cè)量的目的。該泵14排放口能夠連接到DOWS 16的入口。在這個(gè)實(shí)例中的DOWS 16可以是離心類型分離器。DOWS 16的內(nèi)部的轉(zhuǎn)子(未單獨(dú)顯示)可由電機(jī)10旋轉(zhuǎn)，以導(dǎo)致其中由泵14運(yùn)動(dòng)的流體高速旋轉(zhuǎn)，從而在從套管11的內(nèi)部泵入其中的流體中，使油與水分離。水力旋流類型的分離器可用于其它實(shí)例，并且因此當(dāng)前實(shí)施例中的離心類型DOWS的使用并不期望限制本發(fā)明的范圍。DOWS 16包括通常設(shè)置在其徑向中心處的油出口 16A。DOffS 16還包括通常設(shè)置接近DOWS 16的徑向邊緣的水出口 22。該油出口 16A被聯(lián)接到延伸到地表處的井頭34的生產(chǎn)管18。因此，從油出口 16A運(yùn)動(dòng)進(jìn)入生產(chǎn)管18的所有流體被運(yùn)送到地表。該生產(chǎn)管18穿過通常設(shè)置在生產(chǎn)地層32上方和噴射地層30下方的環(huán)形密封元件，稱作封隔器26。在其它目的中，該封隔器26配合地接合管道18的外部和套管11的內(nèi)部，以將生產(chǎn)地層32與噴射地層30水力隔離。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解到其中噴射地層30位于生產(chǎn)地層32上方的圖I中所示的配置并不是ESP/D0WS系統(tǒng)可以用于的唯一配置。在其它實(shí)例中，生產(chǎn)地層可位于噴射區(qū)域上方。在這種配置中，密封元件(封隔器)的位置可以不同，并且水出口可以指向下方，而不是如圖I所示向上，然而采用這種配置的系統(tǒng)的操作原理與圖I中的相同。相應(yīng)地，生產(chǎn)和噴射地層的相對(duì)深度不是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。
該水出口 22可被功能聯(lián)接到通常在20處顯示的流量表和/或壓力傳感器，以便能夠確定水出口 22中的流體壓力和/或流速(流率)。下面將進(jìn)一步描述這種傳感器和測(cè)量值的目的?？刂崎y24在自流量表和壓力傳感器20的下游。該控制閥24能夠可控地限制或停止自水出口 22的流。該控制閥24的出口被聯(lián)接到噴射管線28。該噴射管線28可穿過封隔器26中的適合密封給送通口，并能夠終止在封隔器26上方的套管11內(nèi)部。在一些實(shí)例中，傳感器20可包括水中油(“0IW”)感應(yīng)元件(未單獨(dú)顯示)。OIW感應(yīng)元件例如可以是光聲傳感器、超聲波粒子監(jiān)視器、光纖熒光探針或紅外傳感器，或前述的組合。如將在下面進(jìn)一步描述，如果傳感器20探測(cè)到正返回到噴射地層的水中任何數(shù)量的油，控制閥24可關(guān)閉或DOWS旋轉(zhuǎn)速度可受控以減小或消除這種油。在這個(gè)實(shí)例中，該噴射地層30被設(shè)置在封隔器26上方，并且通過穿孔30A與套管的內(nèi)部水力連通。因此，噴射管線28出口與噴射地層30水力連通，并且與生產(chǎn)地層32水力隔離。使用液壓管線38，該控制閥24可以從地表液壓?jiǎn)?dòng)，如將參照?qǐng)D3在下述進(jìn)一步描述。在本領(lǐng)域中，用于井筒的液壓?jiǎn)?dòng)閥是已知的。例如參見授予McCalvin等人并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利第6，513，594號(hào)。應(yīng)該理解控制閥24并不局限于如圖I所示的液壓?jiǎn)?dòng)。作為兩種其它非限制實(shí)例的電和氣動(dòng)啟動(dòng)也可用于本發(fā)明。當(dāng)控制閥24完全關(guān)閉時(shí)，DOffS 16的整個(gè)輸出受到限制，流經(jīng)油出口 16A，經(jīng)管道18向上到地表。在35處總地顯示的壓力傳感器和/或流量表可被安裝在地表的流管線33中。該流管線33被水力聯(lián)接到管道18，典型地經(jīng)過接近井頭34設(shè)置的“翼”閥33A。該流管線從而用作自井筒的排放口或出口?？蛇x地，傳感器35可被安裝在生產(chǎn)管道18的底部(在油出口 16A)。在一些實(shí)施中,在諸如超聲波粒子監(jiān)控器的水傳感器中，傳感器35可能包括固體。在一些實(shí)例中，如將在下面說明，從井排放的流體量可被控制以減小或消除確定進(jìn)入管道18的底部的生產(chǎn)流體中存在的任何固體。從井筒內(nèi)部設(shè)置的多種傳感器20，14A和IOA的測(cè)量值可被通信到數(shù)據(jù)捕獲和遙測(cè)收發(fā)器39。該遙測(cè)收發(fā)器39將來自多種傳感器的信號(hào)格式化為適合的遙測(cè)方案，用于通信到地表，典型地沿用于提供電力以操作電機(jī)10的電纜37。該遙測(cè)信號(hào)被通信到設(shè)置在地表通常接近井頭34處的電力/數(shù)據(jù)捕獲和控制單元36。如圖I所示，來自流管線33中的流量表/壓力傳感器35或地表處的其它傳感器的信號(hào)也可通信到控制單元36。將在下面進(jìn)一步說明響應(yīng)多種測(cè)量值的電力/數(shù)據(jù)捕獲和控制單元36的操作。圖I中所示的配置期望具有將在下面說明的系統(tǒng)控制功能，由位于地表的特定系統(tǒng)部件執(zhí)行，具體地在控制單元36中。明顯地在本發(fā)明的范圍內(nèi)描述的控制功能還能夠利用設(shè)置在井中的適合和/或類似系統(tǒng)控制設(shè)備執(zhí)行(參照?qǐng)D3進(jìn)一步說明)。相應(yīng)地，在這里顯示和描述的系統(tǒng)控制設(shè)備的位置不是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。
圖2更詳細(xì)地顯示了通常連接到生產(chǎn)管道18的下端的生產(chǎn)系統(tǒng)部件。DOffS 16的油出口 16A顯示聯(lián)接到管道18的下端，以便離開油出口 16A的所有流體沿管道18向上運(yùn)動(dòng)。該泵14顯示聯(lián)接到DOWS 16的入口側(cè)。電機(jī)10和保護(hù)裝置12也顯示在系統(tǒng)中的其通常的各自位置中。該壓力傳感器14A顯示接近泵14的入口 14B，以測(cè)量前面說明的入口 14B處的流體壓力。還顯示了功能聯(lián)接到水出口 22的流量表/壓力傳感器20。該控制閥24和閥致動(dòng)器控制管線38顯示設(shè)置在流量表/壓力傳感器20的下游。還顯示了控制閥24的出口 28。最后，來自每個(gè)傳感器10A，14A，20的信號(hào)連接顯示聯(lián)接到數(shù)據(jù)捕獲/遙測(cè)收發(fā)器39。從收發(fā)器39的信號(hào)輸出被聯(lián)接到電力電纜37。圖3顯示了電力/數(shù)據(jù)捕獲和控制單元36中的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的示意圖。該控制單元36可包括遙測(cè)收發(fā)器42，其能夠接收和解碼自沿電源電纜37發(fā)送的遙測(cè)信號(hào)的遙測(cè)。代表來自參照?qǐng)DI和2說明的多種傳感器的解碼的遙測(cè)的測(cè)量值可通信到中央處理器(“CPU”)40。CPU可以是任何基于微處理器控制器或可編程邏輯控制器，諸如作為GeneralElectric Corp. ,Fairfield, CT的商標(biāo)的商標(biāo)FANUC下銷售的一種。CPU 40的控制輸出可 被聯(lián)接到本領(lǐng)域已知的任何類型的電機(jī)速度控制器44，諸如AC電機(jī)速度控制器。AC電機(jī)速度控制器44可由CPU40操作以導(dǎo)致電機(jī)(圖I中的10)，并且從而泵(圖I中的14)和DOffS(圖I中的16)以選定旋轉(zhuǎn)速度工作。CPU 40的另一控制輸出可被聯(lián)接到致動(dòng)器控制46。該致動(dòng)器控制46提供液壓壓力以操作控制閥(圖I中24)。典型的致動(dòng)器控制的部件可包括液壓泵52，其入口被聯(lián)接到液壓流體的儲(chǔ)層48。泵的排放口穿過止回閥54，并排放到配置以保持選定系統(tǒng)流體壓力的蓄壓器56。壓力開關(guān)50可在到達(dá)選定系統(tǒng)壓力時(shí)停止泵。液壓壓力可以選擇性地經(jīng)節(jié)流閥58應(yīng)用于液壓管線。該節(jié)流閥可以是聯(lián)接到CPU 40的控制輸出的電力液壓操作閥。因此，CPU 40可經(jīng)編程以選擇電機(jī)速度和控制閥(圖I中的24)打開的程度。已說明了根據(jù)本發(fā)明能夠使用的生產(chǎn)系統(tǒng)的部件，現(xiàn)在將說明實(shí)現(xiàn)D0WS(圖I中16)的特殊操作的泵(圖I中14)和控制閥(圖I中24)的操作實(shí)例。可編程進(jìn)入CPU40的第一程序是“啟動(dòng)”程序。啟動(dòng)是指在其一定時(shí)期的不活動(dòng)后，電機(jī)(圖I中10)、泵(圖I中14)和DOWS(圖I中16)的初始操作。在這種不活動(dòng)期間，自生產(chǎn)地層(圖I中32)進(jìn)入套管(圖I中11)的流體將趨向于升高其水平，以便其流體靜壓頭等于生產(chǎn)地層中的流體壓力。同時(shí)，在套管(圖I中11)中的流體的油將趨向于與流體中的水分離。在這種分離后，泵入口可以完全地潛入油中，而不是進(jìn)入當(dāng)流體從生產(chǎn)地層(圖I中32)排出時(shí)水和油的組合。如此潛入，從泵排出并進(jìn)入DOWS (圖I中16)的流體將初始整體由油組成。如果僅油穿過D0WS，油將在水出口(圖I中22)處排放。因此，最初，如果系統(tǒng)未以其它方式控制，油將被噴射進(jìn)入噴射地層(圖I中30)，直到在泵入口存在大量的水。在當(dāng)前實(shí)例中，CPU 40可編程在啟動(dòng)時(shí)以操作節(jié)流閥58以提供液壓壓力以關(guān)閉控制閥(圖I中24)。因此，離開D0WS16的所有流體將沿管道(圖I中18)向上產(chǎn)生。CPU 40可編程以保持控制閥關(guān)閉，直到在泵入口處(由圖I中的壓力傳感器14A)或電機(jī)的底部(由圖I中的傳感器10A)測(cè)量的壓力下降到預(yù)定水平時(shí)的時(shí)刻為止。在這一時(shí)亥IJ，泵入口將暴露于水和油的適合組合。DOWS的水出口則將排放大致所有水，如同DOWS的設(shè)計(jì)目的。CPU 40然后可操作節(jié)流閥58以打開控制閥(圖I中24)。因此，從水出口(圖I中22)排放的水可自由經(jīng)過到噴射地層(圖I中30)。
另一實(shí)例過程包括在ESP和DOWS的操作期間，使用流量表/壓力傳感器(圖I中20)測(cè)量水出口(圖I中22)處的壓力和流速(流率)。如果在操作期間，經(jīng)水出口的流速或水出口中的壓力實(shí)質(zhì)改變，則CPU 40可操作節(jié)流閥58以導(dǎo)致控制閥部分或全部關(guān)閉。在另一實(shí)例中，CPU 40可使用經(jīng)水出口(圖I中的22)的流速的測(cè)量值，以操作控制閥(圖I中24)，以便保持進(jìn)入地層的選定水流速。在另一實(shí)例中，CPU 40可被編程以操作節(jié)流閥(并且因此控制閥)以便選定壓力保持在水出口中。在另一實(shí)例中，CPU 40可使用來自流動(dòng)管線(圖I中的傳感器35)中的流量表/壓力傳感器的測(cè)量值，以控制電機(jī)速度(并且因此ESP的泵取速度)和控制閥孔徑，以使ESP和DOWS的操作最優(yōu)。優(yōu)化例如能夠包括在地表保持選定的流體流速，并且保持進(jìn)入噴·射地層(圖I中30)的選定水流速。通過優(yōu)化ESP和DOWS的操作，能夠避免油不期望地噴射進(jìn)入噴射地層，同時(shí)ESP可被操作以將預(yù)定量的流體(油和/或油水組合)提升到地球的表面。在另一實(shí)例中，并且如上所述，如果水中油傳感器包括在水噴射管線中，在將噴射的水中確定存在任何明顯數(shù)量油的情況中，CPU可被編程以限制或關(guān)閉控制閥(圖I中24)。如果水傳感器中的固體包括在油出口(圖I中16A)中，在生產(chǎn)流體流中確定存在固體的情況下，CPU可經(jīng)編程以減小電機(jī)速度?？蛇x地，如前所述，使用遙測(cè)裝置，由水中油和水傳感器中固體產(chǎn)生的信號(hào)可被通信到地表。系統(tǒng)操作員可觀察由各自傳感器探測(cè)的油和/或固體的量，并且可手動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)速度和/或控制閥位置以校正生產(chǎn)系統(tǒng)的任何不適合操作。返回到圖2，CPU (圖3中40)可使用例如由電機(jī)10上的傳感器IOA進(jìn)行的振動(dòng)和電流測(cè)量值，以確定有關(guān)電機(jī)10或泵14存在的問題。根據(jù)本發(fā)明多個(gè)方面的系統(tǒng)可提供對(duì)地下水分離和處置更好的控制，和ESP的更高效的操作。雖然本發(fā)明已關(guān)于有限數(shù)目的實(shí)施例進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員利用這種公開，將認(rèn)識(shí)到不背離這里公開的發(fā)明的范圍，可以想到其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍將僅由所附權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1.一種用于操作井筒中的井下油水分離器和電潛水泵的方法，包括步驟 測(cè)量關(guān)于分離器的水出口中存在油的參數(shù)； 如果測(cè)量的油參數(shù)指示在分離的水中存在油，減小從分離器的水出口到噴射地層的水流量；和 測(cè)量關(guān)于分離器的油出 口中存在固體的參數(shù)，并當(dāng)測(cè)量的固體參數(shù)指示在油出口中存在固體時(shí)，減小泵的運(yùn)行率。
2.如權(quán)利要求I的方法，其中所述減小運(yùn)行率的步驟包括減小驅(qū)動(dòng)所述泵的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中所述減小水流量的步驟包括關(guān)閉控制閥的步驟。
全文摘要
一種用于操作井下油水分離器和電潛水泵的方法，包括測(cè)量泵入口、分離器入口和井筒底部的至少一個(gè)附近的流體壓力。在分離器的水出口處測(cè)量流速和壓力的至少一個(gè)。泵和水出口限流器被控制以保持最優(yōu)的流體泵送率和分離的水的最優(yōu)噴射率。流控制系統(tǒng)包括設(shè)置在分離器的水出口中的可控閥。壓力傳感器和流量表的至少一個(gè)可操作地聯(lián)接到水出口?？刂破髋c壓力傳感器和流量表的至少一個(gè)信號(hào)通信，并與閥操作通信。該控制器操作閥，以保持經(jīng)水出口的選定壓力和/或選定流速。
文檔編號(hào)E21B43/38GK102748003SQ20121021250
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2008年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者蘭斯·I·菲爾德 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司