ВЫЧИСЛЕНИЕ ЛИНИЙ НАГРУЗКИ ФЛЮИДОМ, ПРОВЕРКА НА ВОГНУТОСТЬ И ИТЕРАЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ДЛЯ ДИАГРАММЫ СКВАЖИННОГО НАСОСА Российский патент 2016 года по МПК F04B47/02 F04B49/00 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] По этой заявке испрашивается преимущество приоритета заявки №61/552812 на патент США под названием «Modified Everitt-Jennings with dual iteration on the damping factors and adaptation to deviated wells by including Coulombs friction», поданной 28 октября 2011 года, заявки №61/598438 под названием «Modified Everitt-Jennings with dual iteration on the damping factors», поданной 14 февраля 2012 года, заявки №61/605325 под названием «Implementing Coulombs friction for the calculation of downhole cards in deviated wells», поданной 1 марта 2012 года, и заявки №61/706489 под названием «Iterating on damping when solving the wave equation and computation on fluid load lines and concavity testing», поданной 27 сентября 2012 года, каждая из которых полностью включена в эту заявку путем ссылки.

Предпосылки создания изобретения

А. Штанговая насосная система

[0002] Насосные системы с возвратно-поступательным движением, такие как штанговые насосные системы, извлекают флюиды из скважины, и в них используется скважинный насос, соединенный с приводным источником на поверхности. Колонна насосных штанг соединяет наземный приводной источник со скважинным насосом в скважине. При работе источник возбуждения циклически поднимает и опускает штанги скважинного насоса и при каждом ходе скважинный насос поднимает скважинные флюиды к поверхности.

[0003] На фиг. 1 показана для примера штанговая насосная система 10, используемая для добычи флюида из скважины. Скважинный насос 14 имеет цилиндр 16 с всасывающим клапаном 24, расположенным внизу. Всасывающий клапан 24 позволяет флюиду входить из буровой скважины, но не позволяет выходить флюиду. Внутри цилиндра 16 насоса плунжер 20 имеет нагнетательный клапан 22, расположенный наверху. Нагнетательный клапан 22 позволяет флюиду перемещаться снизу от плунжера 20 вверх в насосно-компрессорную колонну 18, но не позволяет флюиду возвращаться из насосно-компрессорной колонны 18 в цилиндр 16 насоса ниже плунжера 20. Приводной источник (например, станок-качалка 11) на поверхности соединен колонной 12 насосных штанг с плунжером 20 и перемещает плунжер 20 вверх и вниз циклически при движениях вверх и движениях вниз.

[0004] Во время хода вверх нагнетательный клапан 22 закрывается, и любой флюид выше плунжера 20 в насосно-компрессорной колонне 18 поднимается к поверхности. Тем временем всасывающий клапан 24 открывается и позволяет флюиду входить в цилиндр 16 насоса из буровой скважины. Наивысшую точку движения плунжера обычно называют «верхней точкой хода» (TOS), тогда как самую низкую точку движения плунжера обычно называют «нижней точкой хода» (BOS).

[0005] В верхней точке хода всасывающий клапан 24 закрывается и удерживает флюид, который вошел в цилиндр 16 насоса. В дополнение к этому в верхней точке хода масса флюида в насосно-компрессорной колонне 18 поддерживается нагнетательным клапаном 22 в плунжере 20 и, следовательно, также и колонной 12 насосных штанг, что вызывает растяжение колонны 12 насосных штанг.

[0006] Во время хода вниз нагнетательный клапан 22 сначала остается закрытым до тех пор, пока плунжер 20 не достигает поверхности флюида в цилиндре 16. Ниже нагнетательного клапана 22 создается давление, достаточное для выравнивания давления. При возрастании давления в цилиндре 16 насоса снижается нагрузка на колонну 12 насосных штанг, так что напряжение колонны 12 насосных штанг уменьшается.

[0007] Этот процесс происходит в течение ограниченного времени, когда плунжер 20 покоится на флюиде, а станок-качалка 11 на поверхности обеспечивает движение вниз верхней части колонны 12 насосных штанг. Положение плунжера 20 насоса в этот момент времени известно как «точка перехода», поскольку нагрузка столбом флюида в насосно-компрессорной колонне 18 переходит от нагнетательного клапана 22 к всасывающему клапану 24. Это приводит к быстрому снижению нагрузки на колонну 12 насосных штанг во время перехода.

[0008] После выравнивания давления нагнетательный клапан 22 открывается, и плунжер 20 продолжает движение вниз до самого нижнего положения (то есть до нижней точки хода). Движение плунжера 20 от точки перехода к нижней точке хода известно как «ход флюида» и является мерой количества флюида, поднимаемого насосом 14 при каждом ходе. Иначе говоря, часть хода плунжера насоса ниже точки перехода можно интерпретировать как процент хода плунжера насоса, при котором удерживается флюид, и этот процент соответствует наполняемости насоса. Поэтому точку перехода можно вычислить при использовании подсчета наполняемости насоса.

[0009] Если в буровой скважине находится достаточное количество флюида, цилиндр 16 насоса может полностью заполняться флюидом в продолжение хода вверх. Все же при некоторых условиях насос 14 может не полностью заполняться флюидом при ходе вверх, вследствие чего может оставаться пустое пространство между флюидом и плунжером 20, когда он продолжает подниматься. Работа насосной системы 10 с только частично заполняемым цилиндром 16 является неэффективной и, следовательно, нежелательной. В этом случае о скважине говорят, что она «откачана», а это состояние известно как «удары плунжера о дно цилиндра», при которых могут повреждаться различные компоненты насосной системы. В случае откачанной скважины наиболее вероятно, что точка перехода будет наблюдаться после верхней точки хода плунжера 20.

[0010] Обычно датчики для измерения условий возле скважинного насоса 14, который может быть расположен под землей на глубине нескольких тысяч футов, отсутствуют. Вместо них используют численные способы для вычисления положения плунжера 20 насоса и нагрузки, действующей на плунжер 20, на основании измерений положения колонны 12 насосных штанг и нагрузки на нее около станка-качалки 11, расположенного на поверхности. Эти измерения обычно выполняют в верхней части полированного штока 28, который является частью колонны 12 насосных штанг, проходящей через сальниковую коробку 13 в устье скважины. Контроллер 26 насоса используют для мониторинга насосной системы 10 и управления ею.

[0011] Для эффективного управления насосной системой 10 с возвратно-поступательным движением и исключения дорогого технического обслуживания контроллер 26 штангового насоса может собирать системные данные и соответственно корректировать рабочие параметры системы 10. Обычно контроллер 26 штангового насоса собирает такие системные данные, как нагрузка и перемещение колонны насосных штанг, путем измерения этих свойств на поверхности. Хотя этими измеряемыми на поверхности данными предоставляется полезная диагностическая информация, они не дают точного представления относительно некоторых свойств, наблюдаемых в скважине возле насоса. Поскольку эти скважинные свойства невозможно без труда измерять непосредственно, их обычно вычисляют на основании измеряемых на поверхности свойств.

[0012] В способах определения рабочих характеристик скважинного насоса 20 используют форму графического представления скважинных данных для вычисления различных деталей. Например, в патенте США №5252031 (Gibbs) под названием «Monitoring and pump-off control with downhole pump cards» изложен способ мониторинга снабженной штанговым насосом скважины для обнаружения различных проблем, связанных с насосом, с использованием измерений, выполняемых на поверхности, для образования диаграммы скважинного насоса. В таком случае представленную графически диаграмму скважинного насоса можно использовать для обнаружения различных проблем, связанных с насосом, и управления насосной установкой. Другие способы определения рабочих характеристик раскрыты в публикациях №2011/0091332 и №2011/0091335 заявок на патенты США, которые полностью включены в эту заявку путем ссылки.

В. Способ Эверитта-Дженнингса

[0013] В способах определения рабочих характеристик штанговой насосной системы 10, показанной выше, при анализе с помощью программного обеспечения вычисляют скважинные данные (то есть диаграмму насоса) с использованием данных о положении и нагрузке, измеряемых на поверхности. В наиболее точных и популярных из этих способов вычисляют скважинную диаграмму на основании наземных данных путем решения одномерного уравнения затухающей волны, в котором используют положение поверхности и нагрузку, регистрируемые на поверхности.

[0014] Существуют различные алгоритмы для решения волнового уравнения. Снайдер решил волновое уравнение, используя способ характеристик. См. Snyder W.E., «A method for computing down-hole forces and displacements in oil wells pumped with sucker rods», Paper 851-37-K, 1963. Гиббс использовал разделение переменных и ряд Фурье, и его способ может быть назван «способом Гиббса». См. Gibbs S.G. et al., «Computer diagnosis of down-hole conditions in sucker rod pumping wells», JPT (Jan. 1966) 91-98; Trans., AIME, 237; Gibbs S.G., «A review of methods for design and analysis of rod pumping installations», SPE 9980, 1982; и патент США №3343409.

[0015] В 1969 году Кнапп применил конечные разности для решения волнового уравнения. См. Knapp R.M., «A dynamic investigation of sucker-rod-pumping», MS thesis, U. of Kansas, Topeka (Jan. 1969). Этот же способ использовали Эверитт и Дженнингс. См. Everitt T.A. and Jennings J.W., «An improved finite-difference calculation of downhole dynamometer cards for sucker-rod pumps», SPE 18189, 1992; и Pons-Ehimeakhe V., «Modified Everitt-Jennings algorithm with dual iteration on the damping factors», 2012 Southwestern Petroleum Short Course. Кроме того, способ Эверитта-Дженнингса был реализован и модифицирован компанией Weatherford International. См. Ehimeakhe V., «Comparative study of downhole cards using modified Everitt-Jennings method and Gibbs method», Southwestern Petroleum Short Course 2010.

[0016] Для решения одномерного волнового уравнения в способе Эверитта-Дженнингса используются конечные разности. Колонну насосных штанг разделяют на М конечно-разностных узлов длиной L_i (фут), плотностью ρ_i (фунт·м/фут³) площадью A_i (дюйм²). Если мы допустим, что u=u(x,t) представляет собой перемещение положения x в момент t времени в штанговой насосной системе, то сконденсированное одномерное волновое уравнение будет выражаться как:

$$v^2\frac{{\partial }^{2}u}{\partial x^2}=\frac{{\partial }^{2}u}{\partial t^2}+D\frac{\partial u}{\partial t}$$ , $$$$ (1)

[0017] где скорость акустической волны имеет вид $$v=\sqrt{\frac{144Eg}{\rho }}$$ , и D представляет собой коэффициент затухания.

[0018] Первую и вторую производные по времени заменяют разностями вперед первого порядка точности и центральными разностями второго порядка точности. Вторую производную по положению заменяют несколько перегруппированной центральной разностью второго порядка точности.

[0019] В способе коэффициент D затухания выбирается автоматически при использовании итерации относительно истинного хода (NS) и коэффициента D затухания. Коэффициент D затухания можно вычислить в соответствии с уравнением:

$$D=\frac{(550)(144g)}{\sqrt{2}\pi }\frac{(H_{PR}-H_H){\tau }^2}{({\displaystyle \sum {\rho }_i{A}_i{L}_i})S^2}$$ , $$$$ (2)

[0020] где H_PR - мощность полированного штока (в лошадиных силах), S - истинный ход (в дюймах),τ - период одного хода (в секундах), а гидравлическую мощность H_HYD - (в лошадиных силах) получают согласно

H_HYD=(7,36·10^-6)QγF_l, $$$$ (3)

где Q - производительность насоса (в баррелях в сутки), γ - удельная плотность флюида и F_l - уровень флюида (в футах). Производительность насоса имеет вид:

Q=(0,1166)(SPM)Sd², $$$$ (4)

где SPM - число качаний насосной установки в ходах в минуту, а d является диаметром плунжера.

[0021] Дополнительные подробности относительно получения коэффициента D затухания из уравнения (2) и алгоритма исходной итерации относительно истинного хода и коэффициента затухания приведены в Everitt T.A. и Jennings J.W., «An improved finite-difference calculation of downhole dynamometer cards for sucker- rod pumps», SPE 18189, 1992.

[0022] В модифицированном способе Эверитта-Дженнингса также используются конечные разности для решения волнового уравнения. Как и ранее, колонну насосных штанг разбивают на М конечно-разностных элементов, а положение и нагрузку (включая напряжение) вычисляют на каждом шаге вниз по буровой скважине. Затем, как показано на фиг. 2, итерацию выполняют относительно истинного хода и коэффициента затухания, при этом для каждого хода коэффициент затухания выбирается автоматически.

[0023] Сначала волновое уравнение решают, чтобы вычислить скважинную диаграмму с использованием наземных измерений, а начальный коэффициент D затухания полагают равным 0,5 (блок 42). Начальный истинный ход S₀ определяют из вычисленной диаграммы, а уровень флюида в скважине вычисляют (блок 44). На этой стадии новый коэффициент D затухания вычисляют из уравнения (2) (блок 46) и т. д., и скважинную диаграмму опять вычисляют с учетом нового коэффициента D затухания (блок 48). На основании пересчитанной скважинной диаграммы определяют новый истинный ход S (блок 50).

[0024] Затем на этой стадии проверяют, находится ли вновь определенный истинный ход S вблизи начального или предшествующего истинного хода в пределах некоторого допуска Є (решение 52). Если не находится, то необходима еще одна итерация, и в процессе 40 возвращаются к вычислению коэффициента D затухания (блок 46). Если вновь определенный истинный ход приближается к ранее определенному истинному ходу («да» при принятии решения 52), то итерацию для определения истинного хода можно прекратить и продолжить процесс 40 для выполнения итерации относительно коэффициента D затухания с использованием сходящегося истинного хода S (блок 54). Затем скважинные данные вычисляют с использованием вновь вычисленного коэффициента D затухания (блок 56) и после этого вычисляют мощность H_Pump насоса в лошадиных силах (блок 58).

[0025] На этой стадии выполняют проверку, чтобы выяснить, находится ли мощность H_Pump насоса близко к гидравлической мощности H_hyd в пределах некоторого допуска (решение 60). Если да, то процесс 40 заканчивают, поскольку диаграмма скважинного насоса со сходящимися истинным ходом и коэффициентом D затухания успешно вычислена (блок 62). Если мощность H_Pump насоса и гидравлическая мощность H_hyd не находятся достаточно близко друг к другу («нет» при принятии решения 60), то в ходе процесса 40 корректируют текущий коэффициент D затухания в соответствии с отношением мощности H_Pump насоса к гидравлической мощности H_hyd (блок 64). Процесс 40 вычисления диаграммы насоса с этим скорректированным коэффициентом D затухания повторяют до тех пор, пока для насоса значения мощности H_Pump насоса и гидравлической мощности H_hyd не приблизятся друг к другу в пределах заданного допуска (блоки с 56 по 64).

[0026] Преимущество автоматической итерации относительно истинного хода и коэффициента затухания, изложенной выше, заключается в том, что коэффициент D затухания корректируется автоматически без вмешательства человека. Поэтому пользователи, управляющие группами скважин от средних до больших, могут не тратить время на ручную коррекцию коэффициента D затухания, которая может требоваться в других способах.

С. Скважинная карта и затухание

[0027] На фиг. 3А показан пример наземных данных 50, полученных на поверхности скважины. Нагрузка (по оси y), измеряемая на поверхности динамометрической системой, изображена на графике в зависимости от положения (по оси x). С использованием способов, рассмотренных ранее, измеряемые наземные данные 50 могут быть математически преобразованы в скважинные данные или диаграмму 60 насоса, которая на этой фигуре показана в идеальном варианте.

[0028] Диаграмма 60 насоса имеет линию 64 (F0_up) нагрузки флюидом при ходе вверх и линию (F0_down) нагрузки флюидом при ходе вниз. Высоту 63 диаграммы 60 насоса называют ходом F0 флюида, где F0 является линией 62 (F0_up) нагрузки флюидом при ходе вверх за вычетом линии 64 (F0_down) нагрузки флюидом при ходе вниз.

[0029] Ход (PS) насоса или ход в скважине называют мерой экстремального перемещения штанги, происходящего на месте нахождения насоса. Поэтому «ходом насоса» называют максимальное перемещение за вычетом минимального перемещения, и оно соответствует горизонтальному расстоянию или ширине диаграммы 60 скважинного насоса.

[0030] Кроме того, истинный ход 68 (NS) называют мерой участка хода (PS) насоса, во время которого нагрузка флюидом поддерживается всасывающим клапаном насоса. В случае диаграммы 60' откачанной скважины, показанной на фиг. 3В, истинный ход 68 (NS) измерен относительно точки 66 перехода, которая представляет собой сдвиг хода насоса, когда нагрузка передается от нагнетательного клапана насоса к всасывающему клапану. (Точку перехода можно вычислить при использовании подсчета наполняемости насоса.) Точка 66 перехода возникает вследствие того, что давление в цилиндре насоса превышает давление на плунжер. Участок хода ниже точки 66 перехода (с меньшим перемещением) представляет собой истинный ход NS и интерпретируется как участок хода насоса (PS), на котором фактически имеется жидкость.

[0031] Данные о перемещении и нагрузке можно использовать для определения одной или нескольких характеристик работы скважинного насоса, таких как минимальный ход насоса, максимальный ход насоса и точка перехода на ходе вниз. В свою очередь, площадью А диаграммы 60 или 60' насоса дается мощность скважинного насоса (20).

[0032] С использованием волнового уравнения, приведенного ранее, диаграмму 60 скважинного насоса вычисляют по наземным данным 50. При вычислении в волновом уравнении необходимо использовать коэффициент D затухания для добавления или исключения энергии из расчета. Если, как показано на фиг. 3С, выполнять вычисление со сверхкритическим затуханием, то скважинная диаграмма 60А будет вычислена со схематически показанной формой. В противоположность этому, если выполнять вычисление с докритическим затуханием, то скважинная диаграмма 60В будет вычислена с формой, схематически показанной на фиг. 3D.

[0033] При анализе наземных данных 50 и вычислении скважинной диаграммы 60 линии 62 и 64 нагрузки флюидом представляют максимальную и минимальную нагрузки, прикладываемые к колонне (12) насосных штанг насосом (20) в зависимости от текущего уровня флюида. Когда можно выполнять замеры газа, линии 62 и 64 нагрузки флюидом можно легко вычислять при использовании давления на приеме насоса и давления на выпуске насоса. Однако при отсутствии этих замеров линии 62 и 64 нагрузки флюидом следует вычислять другими способами.

[0034] В общем случае линии 62 и 64 нагрузки флюидом могут быть проведены на графическом представлении скважинной диаграммы 60, поскольку линии 62 и 64 нагрузки флюидом обычно можно идентифицировать визуально. Однако когда дело касается большой группы скважин, любой вид визуального определения линий 62 и 64 нагрузки флюидом является в значительной степени непрактичным. Поэтому, поскольку линиями 62 и 64 нагрузки флюидами определяется нагрузка флюидами, используемая при вычислении объемной производительности насоса (20), а также уровней флюида в скважине, возможность определения линий 62 и 64 нагрузки флюидом на основании измеряемых и вычисляемых данных может быть очень полезной при эксплуатации и диагностировании штанговых насосных систем.

Краткое изложение раскрытия

[0035] Насосная установка имеет скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеет двигатель на поверхности буровой скважины, а скважинный насос возвратно-поступательно перемещается в буровой скважине колонной насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемой двигателем. Диаграмму, показывающую нагрузку на скважинный насос и положение его, образуют при использовании наземных измерений и модели волнового уравнения, имеющей коэффициент затухания или два коэффициента затухания. Действительные линии нагрузки флюидом определяют из скважинной диаграммы для хода вверх и хода вниз скважинного насоса, а расчетные линии нагрузки флюидом определяют на основании распределения нагрузки в скважинных данных. Действительные линии нагрузки флюидом сравнивают с расчетными линиями нагрузки флюидом, так что по меньшей мере один параметр насосной установки может быть модифицирован на основании сравнения. Например, затухание из модели волнового уравнения можно корректировать, чтобы можно было образовать другую диаграмму скважинного насоса.

[0036] Насосная установка имеет скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеет двигатель на поверхности, а колонна насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемая двигателем, возвратно-поступательно перемещает скважинный насос в буровой скважине. Скважинные данные, показывающие нагрузку на скважинный насос и положение его, образуют при использовании наземных измерений и модели волнового уравнения, имеющей коэффициент затухания. Действительные линии нагрузки флюидом определяют из скважинных данных для ходов вверх и ходов вниз скважинного насоса, а расчетные линии нагрузки флюидом для ходов определяют на основании значений нагрузки, распределенных по скважинным данным. Действительные линии нагрузки флюидом сравнивают с расчетными линиями нагрузки флюидом, чтобы определить, являются ли скважинные данные со сверхкритическим или докритическим затуханием. Затем коэффициент затухания из модели волнового уравнения может быть скорректирован, вследствие чего могут быть образованы новые скважинные данные с надлежащим затуханием.

[0037] Насосная установка имеет скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеет двигатель на поверхности, а колонна насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемая двигателем, возвратно-поступательно перемещает скважинный насос в буровой скважине. Скважинные данные, показывающие нагрузку на скважинный насос и положение его, образуют при использовании наземных измерений и модели волнового уравнения, имеющей коэффициент затухания при ходе вверх и коэффициент затухания при ходе вниз. Действительные линии нагрузки флюидом определяют из скважинной диаграммы для ходов вверх и ходов вниз скважинного насоса, а расчетные линии нагрузки флюидом для ходов определяют на основании значений нагрузки, распределенных в скважинных данных. Действительные линии нагрузки флюидом сравнивают с расчетными линиями нагрузки флюидом, чтобы определить, являются ли скважинные данные со сверхкритическим или докритическим затуханием. Затем по меньшей мере один из коэффициентов затухания при ходе вверх или ходе вниз из модели волнового уравнения корректируют, чтобы можно было образовать новые скважинные данные с надлежащим затуханием.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

[0038] фиг. 1 - вид насосной штанговой системы;

[0039] фиг. 2 - иллюстрация итерации относительно истинного хода и коэффициента затухания в модифицированном алгоритме Эверитта-Дженнингса для вычисления диаграммы насоса согласно предшествующему уровню техники;

[0040] фиг. 3А - иллюстрация корреляции между наземными данными, получаемыми на поверхности скважины, и скважинными данными для насоса;

[0041] фиг. 3В - иллюстрация истинного хода в диаграмме откачанной скважины;

[0042] фиг. 3С - скважинная диаграмма со сверхкритическим затуханием;

[0043] фиг. 3D - скважинная диаграмма с докритическим затуханием;

[0044] фиг. 4 - блок-схема последовательности действий при определении линий нагрузки флюидом и определении вогнутости линий нагрузки флюидом согласно настоящему раскрытию;

[0045] фиг. 5А - линии нагрузки флюидом, определенные для скважинной диаграммы со сверхкритическим затуханием;

[0046] фиг. 5В - линии нагрузки флюидом, определенные для скважинной диаграммы с докритическим затуханием;

[0047] фиг. 6А - блок-схема последовательности действий при вычислении скважинной диаграммы путем итерирования относительно одинарного коэффициента затухания согласно одному способу настоящего раскрытия;

[0048] фиг. 6В - блок-схема последовательности действий при определении вариации затухания для итерации относительно одинарного коэффициента затухания из фиг. 6А;

[0049] фиг. 7А - блок-схема последовательности действий при вычислении скважинной диаграммы путем итерирования относительно сдвоенных коэффициентов затухания согласно другому способу настоящего раскрытия;

[0050] фиг. 7В - блок-схема последовательности действий при определении вариации затухания для итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания из фиг. 7А;

[0051] фиг. 8А-8J - приведенные для сравнения результаты итерирования относительно одинарных и сдвоенных коэффициентов затухания с использованием ряда примеров данных;

[0052] фиг. 9А - контроллер насоса согласно настоящему раскрытию для штанговой насосной системы;

[0053] фиг. 9В - структурная схема контроллера насоса для управления штанговой насосной системой и диагностирования ее согласно настоящему раскрытию; и

[0054] фиг. 10А-10Н - линии нагрузки флюидом, определенные из ряда примеров скважинных диаграмм.

Подробное описание раскрытия

А. Вычисление линий нагрузки флюидом и проверка на вогнутость

[0055] Как отмечалось выше, скважинные данные для штанговой насосной системы измеряют на скважинном насосе или вычисляют на основании наземных измеренных данных при использовании волнового уравнения. Знание скважинных условий важно для диагностирования совершающей возвратно-поступательное перемещение системы и контроля эффективности ее. Например, скважинные данные могут помогать при диагностировании скважинных условий, вычислении объемной производительности насоса и вычислении эффективности насосной системы.

[0056] Идеями настоящего раскрытия обеспечивается способ определения действительных линий нагрузки флюидом, а также расчетных (репрезентативных) линий нагрузки флюидом для диаграмм скважинного насоса. Действительные линии нагрузки флюидом представляют собой линии, показанные на фиг. 3A-3D, тогда как расчетные линии нагрузки флюидом зависят от распределения нагрузки по диаграмме насоса. При использовании этих двух линий проверкой на вогнутость можно определить, какой является скважинная карта, полученной при докритическом затухании или при сверхкритическом затухании.

[0057] Обратимся к фиг. 4, на которой представлен процесс 100 определения линий нагрузки флюидом (например, 60А и 60В; фиг. 5А-5В) для диаграммы скважинного насоса и определения вогнутости линий нагрузки флюидом. В свою очередь, эти определения можно использовать для решения различных задач, раскрытых в этой заявке.

[0058] Процесс 100 начинают с вычисления (блок 102) скважинной диаграммы (например, 60А и 60В; фиг. 5А-5В) с использованием имеющихся способов или способов, раскрытых в этой заявке, что более предпочтительно. Затем на основании скважинной диаграммы определяют (блок 104) действительные линии нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз.

[0059] Для иллюстрации на фиг. 5А и 5В показаны представления скважинных диаграмм, одной диаграммы 60А, полученной при сверхкритическом затухании, и другой диаграммы 60В, полученной при докритическом затухании. Для задач настоящего раскрытия действительные линии 72 и 74 нагрузки флюидом представляют собой линии нагрузки, которые обычно выбираются пользователем. Эти линии 72 и 74 нагрузки флюидом соответствуют значениям нагрузки флюидом, в которых совсем не учитывается трение при ходе вверх или при ходе вниз, и соответствуют давлению на приеме насоса и давлению на выпуске насоса соответственно. Действительная линия 72 нагрузки флюидом при ходе вверх обозначена как F0_upactual, а действительная линия 74 нагрузки флюидом при ходе вниз обозначена как F0_downactual.

[0060] Нахождение действительных линий 72 и 74 нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз включает в себя расположение правых углов графического представления скважинной диаграммы 60А или 60В. Хотя это можно делать визуально, но, как раскрыто в этой заявке, это делается математически при обработке контроллером насоса или другим обрабатывающим устройством. Например, линия 72 нагрузки флюидом при ходе вверх соответствует верхней точке хода, которая располагается в соответствии с нахождением нуля первой производной положения насоса в скважине (то есть в соответствии с нахождением момента, когда скорость перемещения насоса равна нулю).

[0061] Действительная линия 74 нагрузки флюидом при ходе вниз соответствует нижнему правому углу. Нахождение нижнего правого угла соответствует нахождению вогнутой вверх точки после точки перехода, которая представляет собой точку, в которой нагрузка флюидом передается от всасывающего клапана к нагнетательному клапану в скважинном насосе. Поэтому вогнутую вверх точку можно найти путем нахождения абсолютного минимума второй производной положения скважинного насоса (то есть путем нахождения минимального ускорения после точки перехода). На фиг. 5А-5В показаны идеализированные скважинные диаграммы, но на дополнительных фигурах, раскрытых в этой заявке, показаны действительные линии нагрузки флюидом, вычисленные для типовых данных.

[0062] При наличии действительных линий 72 и 74 нагрузки флюидом, определенных (блок 104) в ходе процесса 100 из фиг. 4, затем согласно процессу 100 определяют (блок 106) расчетные (репрезентативные) линии нагрузки флюидом. Расчетные линии нагрузки флюидом, которые в этой заявке также могут называться репрезентативными линиями нагрузки флюидом, представляют значения нагрузки, соответствующие распределению нагрузок при ходе вверх и ходе вниз в скважинных данных.

[0063] Определение расчетных линий нагрузки флюидом может быть сделано статистически, хотя можно использовать другие математические методы. Как показано на фиг. 5А-5В, нагрузки 82 при ходе вверх распределены вдоль линий 62 нагрузок флюидом при ходе вверх на скважинных диаграммах 60А-В, а нагрузки 84 при ходе вниз аналогичным образом распределены вдоль линий 64 нагрузки флюидом при ходе вниз на скважинных диаграммах 60А-В.

[0064] Нагрузки 82 и 84 при ходе вверх и ходе вниз статистически упорядочены в соответствии с диапазонами нагрузок для получения функций плотности вероятностей. Максимумы функций вероятностей дают набор диапазонов нагрузок, в которых находится большая часть нагрузок при ходе вверх и ходе вниз соответственно. Иначе говоря, максимум функции плотности вероятностей для нагрузок при ходе вверх именуется расчетной линией (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх, тогда как максимум функции плотности вероятностей для нагрузок при ходе вниз именуется расчетной линией (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз.

[0065] Например, нагрузки 82 и 84 при ходе вверх и ходе вниз статистически упорядочены, так что нагрузки 82 и 84 сгруппированы в диапазоны нагрузок, такие как от 0 до 100, от 101 до 200, от 201 до 300 и т. д., хотя могут использоваться любые сегменты или диапазоны. При таком разбиении диапазон нагрузок с наибольшими значениями 82 нагрузки до верхней точки хода при ходе вверх соответствует расчетной линии 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх. Точно так же диапазон нагрузок с наибольшими значениями 84 нагрузки после точки перехода при ходе вниз соответствует расчетной линии 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз.

[0066] Таким образом, эти линии 73 и 75 нагрузки по смыслу представляют медианные значения нагрузок 72 при ходе вверх и нагрузок 74 при ходе вниз соответственно. Хотя в этой заявке описан статистический анализ значений нагрузки в диапазонах для нахождения расчетных линий 73 и 74 нагрузки флюидом, можно использовать любой другой численный метод, такой как метод наилучшей эмпирической кривой или линейной интерполяции. Однако применительно к контроллеру насоса или другому обрабатывающему устройству, как в этой заявке, предпочтительно использовать робастные и не требующие значительной вычислительной мощности способы.

[0067] При известности действительных и расчетных линий нагрузки флюидом, 72 и 73, а также 74 и 75, параметры, связанные с вычислением диаграммы 60А-В скважинного насоса и связанные с диагностированием насосной системы (10) и управлением ею, можно изменять. Это можно осуществлять любым из ряда способов, раскрытых в этой заявке, в том числе коррекцией коэффициента затухания, периодической остановкой насосной системы 10, чтобы дать возможность большему количеству флюида войти в буровую скважину, или управлением скоростью работы насосной системы 10, чтобы насос не выкачивал больше флюида, чем входит в буровую скважину.

[0068] В частности, при использовании действительных и расчетных линий нагрузки флюидом, 72 и 73, а также 74 и 75, согласно процессу 100 из фиг. 4 можно также определить вогнутость диаграммной линии 62 нагрузки при ходе вверх (блок 108) и вогнутость диаграммной линии 64 при ходе вниз (блок 110). При известности вогнутости линий 62 и 64 нагрузки параметры, связанные с вычислением скважинной диаграммы 60А-В и связанные с диагностированием насосной системы 10 и управлением ею, можно изменять для решения любой из различных задач, раскрытых в этой заявке.

[0069] Например, действительные и расчетные линии нагрузки флюидом, 72 и 73, а также 74 и 75, могут указывать на скважинную диаграмму, полученную при сверхкритическом затухании (например, 60А) или при докритическом затухании (например, 60В). Как упоминалось выше, действительные линии 72 и 74 нагрузки флюидом представляют собой теоретические значения, в соответствии с которыми должны находиться линии нагрузки флюидом из диаграммы 60А-В. Поэтому местом нахождения расчетных линий 73 и 75 нагрузки флюидом относительно действительных линий 72 и 74 нагрузки флюидом дается указание на степень затухания в волновом уравнении, используемом для вычисления скважинной диаграммы. В идеальном случае соответствующие действительные линии 72 и 74 нагрузки флюидом и расчетные линии 73 и 75 нагрузки флюидом являются одинаковыми, поскольку это означает, что мощность насоса (то есть площадь диаграммы скважинного насоса) равна гидравлической мощности (то есть поднимаемому флюиду).

[0070] Путем сравнения действительных и расчетных линий нагрузки флюидом, 72 и 73, а также 74 и 75, можно определять вогнутость значений нагрузки в скважинных данных 60А-В, так что затухание, используемое в волновом уравнении, можно соответственно корректировать или, как должно быть понятно специалисту в данной области техники, можно решать некоторые другие задачи.

[0071] Как показано на фиг. 5А, когда расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет меньшее значение, чем действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх, скважинные данные можно определить как данные при сверхкритическом затухании. Точно так же, когда на фиг. 5А расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет большее значение, чем действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз, скважинные данные можно определить как данные при сверхкритическом затухании. Допуск, который может зависеть от конкретной реализации, можно использовать при сравнении значений линий нагрузки флюидом. Кроме того, в зависимости от используемой обработки оба условия, расчетная линия 73 нагрузки флюидом при ходе вверх имеет меньшее значение, чем действительная линия 72 нагрузки флюидом при ходе вверх, и расчетная линия 75 нагрузки флюидом при ходе вниз имеет большее значение, чем действительная линия 74 нагрузки флюидом при ходе вниз, должны быть справедливыми, чтобы скважинные данные можно было определить как данные при сверхкритическом затухании.

[0072] В противоположность этому, как показано на фиг. 5В, когда расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет большее значение, чем действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх, скважинные данные можно определить как данные при докритическом затухании. Точно так же на фиг. 5В, когда расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет меньшее значение, чем действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз, скважинные данные можно определить как данные при докритическом затухании. И опять, в зависимости от используемой обработки оба условия, расчетная линия 73 нагрузки флюидом при ходе вверх имеет большее значение, чем действительная линия 72 нагрузки флюидом при ходе вверх, и расчетная линия 75 нагрузки флюидом при ходе вниз имеет меньшее значение, чем действительная линия 74 нагрузки флюидом при ходе вниз, должны быть справедливыми, чтобы скважинные данные можно было определить как данные при докритическом затухании.

[0073] При известности зависимости между действительными и расчетными линиями нагрузки флюидом, 72 и 73, а также 74 и 75, и характера данных, при сверхкритическом затухании или при докритическом затухании, любой коэффициент затухания, используемый при вычислении волнового уравнения из наземных данных, можно соответствующим образом корректировать, чтобы скважинная диаграмма 60 более правильно представляла фактические скважинные условия. В дополнение к этому известность зависимости между действительными и расчетными линиями нагрузки флюидом, 72 и 73, а также 74 и 75, можно использовать для решения других задач.

[0074] Для дальнейшей иллюстрации на фиг. 10А-10Н показаны линии нагрузки флюидом, определенные из различных примеров скважинных диаграмм 61А-61Н, вычисленных на основании типовых скважинных данных. На фиг. 10А действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 4856 (2202 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 3982 (1806 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 372 (169 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 875 (397 кг). Это указывает на сверхкритическое затухание.

[0075] На фиг. 10В действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 1951 (885 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 2320 (1052 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 229 (104 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 216 (98 кг). Это указывает на докритическое затухание, по меньшей мере при ходе вверх, поскольку линии нагрузки флюидом при ходе вниз можно определить как практически одинаковые.

[0076] На фиг. 10С действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 2256 (1023 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 2455 (1113 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 313 (142 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 261 (118 кг). Это указывает на докритическое затухание, по меньшей мере при ходе вверх, поскольку линии нагрузки флюидом при ходе вниз можно определить как практически одинаковые.

[0077] На фиг. 10D действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 3072 (1393 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 3028 (1373 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 454 (206 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 67 (30 кг). Это указывает на докритическое затухание, по меньшей мере при ходе вниз, поскольку линии нагрузки флюидом при ходе вверх можно определить как практически одинаковые.

[0078] На фиг. 10Е действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 2375 (1077 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 2478 (1124 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 334 (151 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом имеет значение 53 (24 кг). Это указывает на докритическое затухание.

[0079] На фиг. 10F действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 1717 (779 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 2293 (1040 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 260 (118 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 156 (71 кг). Это указывает на докритическое затухание.

[0080] На фиг. 10G действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 5302 (2404 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 7301 (3311 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 591 (268 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 725 (329 кг). Это указывает на докритическое затухание, по меньшей мере при ходе вверх.

[0081] На фиг. 10Н действительная линия 72 (F0_upactual) нагрузки при ходе вверх имеет значение 2340 (1061 кг), а расчетная линия 73 (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет значение 2763 (1253 кг). Действительная линия 74 (F0_downactual) нагрузки при ходе вниз имеет значение 824 (374 кг), а расчетная линия 75 (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет значение 56 (25 кг). Это указывает на докритическое затухание.

В. Модифицированный алгоритм Эверитта-Дженнингса с итерацией относительно коэффициента затухания

[0082] В соответствии с идеями настоящего раскрытия алгоритм Эверитта-Дженнингса модифицирован применительно к решению волнового уравнения и вычислению диаграммы скважинного насоса путем включения подсчета уровня флюида совместно с вычислением линий нагрузки флюидом и проверкой на вогнутость для повышения точности и улучшения сходимости алгоритма Эверитта-Дженнингса.

[0083] При вычислении скважинных данных с использованием волнового уравнения важно надлежащим образом оперировать с затуханием. В модифицированном способе Эверитта-Дженнингса конечные разности используют для решения волнового уравнения, а положение и нагрузку, в том числе напряжение, вычисляют для каждого шага вниз по буровой скважине. Коэффициент D затухания в волновом уравнении основан на истинном ходе и гидравлической мощности, которые являются неизвестными или их аппроксимируют в начале вычисления. Гидравлическая мощность является показателем уровня флюида, который отражает количество флюида в кольцевом пространстве буровой скважины. Поэтому пока не выполнены вычисления для конкретного хода, уровень флюида может быть очень неточным.

[0084] В предложенных способах итерация относительно истинного хода и коэффициента затухания модифицирована с включением подсчета уровня флюида и с включением этапа инициализации переменных, необходимых для итерации. Итерация относительно затухания дополнительно модифицирована, чтобы иметь дело с одним коэффициентом затухания или отдельными коэффициентами затухания при ходе вверх и ходе вниз.

[0085] Согласно одному варианту осуществления итерацию выполняют относительно одинарного коэффициента затухания при решении волнового уравнения и вычислении скважинных данных. При итерации вычисляют действительные линии нагрузки флюидом и расчетные (репрезентативные) линии нагрузки флюидом и выполняют проверку скважинных данных на вогнутость. Как описано подробно выше, действительные линии нагрузки флюидом вычисляют с использованием исчисления и первой и второй производных данных о положении в скважине. Расчетные линии нагрузки флюидом вычисляют с использованием статистического анализа данных о нагрузке в скважине. Проверка на вогнутость заключается в поэтапном сравнении этих двух наборов линий. Добавление проверки на вогнутость повышает скорость и точность сходимости при итерировании относительно коэффициента затухания с учетом лучших критериев сходимости.

[0086] Согласно другому варианту осуществления итерацию выполняют относительно сдвоенных коэффициентов затухания при решении волнового уравнения и вычислении скважинных данных. Сдвоенные коэффициенты затухания включают в себя отдельные коэффициенты затухания при ходе вверх и ходе вниз. Условия между ходом вверх и ходом вниз могут быть сильно различающимися, в основном вследствие направления протекания флюида вместе со штангами или против них. Поэтому процесс разделяют, и итерации выполняют отдельно относительно коэффициентов затухания при ходе вверх и ходе вниз. Итерацию относительно сдвоенных коэффициентов затухания сочетают с двухэтапным процессом для модификации коэффициентов затухания.

1. Итерация относительно одинарного коэффициента затухания

[0087] Обратимся к фиг. 6А, на которой в соответствии с одним способом настоящего раскрытия показан процесс 200 вычисления скважинной диаграммы путем итерирования прежде всего относительно истинного хода и затем итерирования относительно одинарного коэффициента затухания. В ходе процесса 200 выполняют (блок 202) некоторые начальные вычисления и этапы. Выбирают начальный истинный ход (NS₀) и верхнюю точку хода (TOS). Это позволяет вычислить суточную добычу (Q) и гидравлическую мощность (H_hyd). Затем коэффициенту D затухания придают начальное значение, например, D=0,5.

[0088] Имея эти начальные значения, выполняют (блок 204) ряд последовательных вычислений. В частности, вычисляют наземные данные, чтобы получить начальную диаграмму скважинного насоса на основании заданного коэффициента D затухания и предполагаемых истинного хода (NS₀) и верхней точки хода (TOS) при использовании модели волнового уравнения, раскрытой в этой заявке. Из скважинной диаграммы получают действительные линии (F0_upactual, F0_downactual) нагрузки флюидом и истинный ход (NS), а уровень (FL) флюида и новый коэффициент D затухания вычисляют из уравнения (2).

[0089] На этой стадии после корректировки начальных предположений и вычисления нового коэффициента D затухания выполняют проверку, чтобы определить, находится ли вычисленный истинный ход (NS) в пределах заданного допуска по отношению к изначально предполагаемому истинному ходу (NS₀). В частности, в ходе процесса 200 определяют, находится ли абсолютное значение разности между предполагаемым истинным ходом (NS₀) и вычисленным истинным ходом (NS) в пределах допуска Є (решение 206). (Фактический допуск Є для разности может меняться и может зависеть от конкретной реализации, скважины, уровней нагрузки, типа насоса и т. д.) Если истинный ход сходится, в ходе процесса 200 переходят к итерации (блок 212) относительно нового коэффициента D затухания. В противном случае, в ходе процесса 200 продолжают итерирование (блок 208) относительно истинного хода (NS).

[0090] При продолжении итерирования относительно истинного хода (NS) в ходе процесса 200 вычисляют (блок 208) суточную добычу (Q), гидравлическую мощность (H_hyd), новый коэффициент (D) затухания и скважинную диаграмму при использовании и на этот раз вычисленного истинного хода (NS). Снова проверяют, находится ли абсолютное значение разности между предшествующим истинным ходом (NS_l-1) и новым истинным ходом (NS_l) в пределах допуска Є (решение 210), и в ходе процесса 200 возвращаются (блок 208) обратно к итерации относительно истинного хода (NS) или переходят (блок 212) к итерации относительно коэффициента D затухания.

[0091] После достижения сходимости истинного хода (NS) для итерации относительно коэффициента D затухания в ходе процесса 200 вычисляют (блок 212) суточную добычу (Q), гидравлическую мощность (H_hyd) и новый коэффициент D затухания на основании вычисленного истинного хода (NS). Затем вычисляют (блок 214) диаграмму скважинного насоса с использованием модели волнового уравнения, раскрытой в этой заявке, и вычисляют расчетные линии (F0_upcalc, F0_downcalc) нагрузки флюидом и мощность (H_pump) насоса. Расчетные линии (F0_upcalc, F0_downcalc) нагрузки флюидом вычисляют при использовании способов, рассмотренных выше. Мощность (H_pump) насоса вычисляют на основании площади диаграммы скважинного насоса.

[0092] На этой стадии в процесс 200 вводят алгоритм 250 вариации затухания (фиг. 6В), при реализации которого сравнивают гидравлическую мощность (H_hyd) с мощностью (H_pump) насоса. Если сравнение 250 является успешным, процесс завершают (блок 216), поскольку итерирование относительно коэффициента D затухания выполнено успешно с получением характеристики работы насоса; в противном случае, в ходе процесса 200 опять вычисляют (блок 214) скважинную диаграмму, чтобы можно было выполнить еще одну итерацию относительно коэффициента D затухания.

[0093] Для более подробного рассмотрения алгоритма вариации затухания на фиг. 6В представлен сравнительный процесс 250 определения вариации затухания при итерации относительно одинарного коэффициента D затухания из фиг. 6А. Этот сравнительный процесс 250 используют для проверки на вогнутость линий нагрузки флюидом на диаграмме скважинного насоса, которой показывается, какой является диаграмма скважинного насоса, полученной при сверхкритическом затухании или при докритическом затухании.

[0094] В сравнительном способе 250 направление вариации коэффициента D затухания определяют по знаку разности между мощностью (H_pump) насоса и гидравлической мощностью (H_hyd). Если мощность (H_pump) насоса выше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), скважинная диаграмма считается полученной при докритическом затухании. Следовательно, коэффициент D затухания необходимо повышать. Точно так же, если мощность (H_pump) насоса меньше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), скважинная диаграмма считается полученной при сверхкритическом затухании, и коэффициент D затухания необходимо понижать.

[0095] Для определения необходимости и степени изменения коэффициента D затухания при выполнении сравнительного процесса 250 из фиг. 6В сначала определяют, находится ли мощность (H_pump) насоса в пределах допуска гидравлической мощности (H_hyd) (решение 252). Если это так, итерация является успешной, и процесс завершают (блок 254), поскольку величина затухания, используемая при вычислении диаграммы скважинного насоса, является достаточной.

[0096] Однако если мощности не находятся в пределах допуска, процесс 250 продолжают при использовании второго сравнения (решение 256). В данном случае в ходе процесса 250 определяют, находится ли расчетная линия (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз в пределах заданного диапазона значений действительной линии (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз и находится ли расчетная линия (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх в пределах заданного диапазона значений действительной линии (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх. Диапазон значений может изменяться и может зависеть от конкретной реализации, например, от степени нагрузки флюидом, типа скважинного насоса и т. д. В общем случае заданные диапазоны значений выбирают так, чтобы действительные и расчетные линии нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз были по существу эквивалентны друг другу.

[0097] Если действительная и расчетная линии нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз являются по существу эквивалентными, итерация является успешной, и процесс завершают (блок 254), поскольку нет необходимости в коррекции коэффициента D затухания. Если нет, то в зависимости от того, мощность (H_pump) насоса больше или меньше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), переходят к одному этапу (блок 260) или другому этапу (блок 270).

[0098] Как отмечалось выше, набор действительных линий (F0_upactual и F0_downactual) нагрузки флюидом вычисляют путем нахождения правых углов диаграммы скважинного насоса. Набор расчетных линий (F0_upcalc и F0_downcalc) нагрузки флюидом вычисляют при использовании статистического или другого способа, раскрытого в этой заявке. При сравнении положения этих линий нагрузки флюидом можно определять, насколько необходимо уменьшать или увеличивать затухание. Поэтому, как будет подробно рассмотрено ниже, вычисления линий нагрузки флюидом и проверка на вогнутость, раскрытые выше, составляют часть критерия сходимости для коэффициента D затухания.

[0099] Если мощность (H_pump) насоса больше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), что указывает на докритическое затухание (блок 260), выполняют два анализа: (1) расчетная линия (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет большее значение, чем действительная линия (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх? и (2) расчетная линия (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет меньшее значение, чем действительная линия (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз? (решение 262). Если оба сравнения являются справедливыми, то в ходе процесса 250 обновляют коэффициент D затухания, поскольку диаграмма скважинного насоса получена по существу при докритическом затухании (см., например, фиг. 5В) (блок 280). Если нет, обновление может не быть необходимым (блок 264), поскольку при сверхкритическом или докритическом затухании диаграмма скважинного насоса может быть неубедительной, хотя можно выполнить дополнительную коррекцию коэффициента D затухания.

[00100] Точно так же, если мощность (H_pump) насоса меньше, чем гидравлическая мощность (H_hyd) (блок 270), также выполняют два анализа: (1) расчетная линия (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх имеет меньшее значение, чем действительная линия (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх? и (2) расчетная линия (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз имеет большее значение, чем действительная линия (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз? (решение 272). Если оба сравнения являются справедливыми, то в ходе процесса 250 обновляют коэффициент затухания, поскольку диаграмма скважинного насоса получена по существу при сверхкритическом затухании (см., например, фиг. 5А) (блок 280). Если нет, обновление может не быть необходимым (блок 274), поскольку при сверхкритическом или докритическом затухании диаграмма скважинного насоса может быть неубедительной, хотя можно выполнить дополнительную коррекцию коэффициента D затухания.

[00101] Как было показано, обновление (блок 280) коэффициента D затухания основано на отношении мощности (H_pump) насоса к гидравлической мощности (H_hyd), которым масштабируют предшествующее значение коэффициента D затухания, использованное при вычислении диаграммы скважинного насоса. Когда обновление не является необходимым (блоки 264 и 274), в алгоритме 250 вариации затухания возвращаются к итерационному процессу 200 из фиг. 6А с использованием существующего нескорректированного коэффициента затухания, вследствие чего процесс 200 заканчивается успешно (блок 216; фиг. 6А). Когда обновление необходимо (блок 280), в алгоритме 250 вариации затухания возвращаются к итерационному процессу 200 из фиг. 6А с использованием существующего коэффициента затухания, скорректированного в соответствии с отношением мощностей, вследствие чего в ходе процесса 200 выполняют еще одну итерацию с использованием скорректированного коэффициента затухания (блок 214; фиг. 6А).

2. Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания

[00102] Как раскрыто выше, конечные разности и итерацию относительно коэффициента D затухания используют для решения одномерного уравнения затухающей волны, чтобы вычислить диаграмму скважинного насоса. В процессе предполагается, что трение, обусловленное силами вязкости, можно сгруппировать в единственный общий коэффициент D для хода вверх и хода вниз. Однако, как отмечалось в этой заявке, затухание может быть различным при ходе вверх и ходе вниз. Поэтому, как подробно рассмотрено ниже, предпочтительно использовать отдельные коэффициенты затухания при ходе вверх и ходе вниз.

[00103] В настоящем способе коэффициенты D_up и D_down затухания при ходе вверх и ходе вниз разделяют, и итерацию выполняют отдельно. Итерация относительно сдвоенных коэффициентов D_up и D_down затухания при ходе вверх и ходе вниз объединяет в себе двухэтапный процесс модификации коэффициента затухания для выбора точных значений коэффициентов затухания. Исходный коэффициент затухания предпочтительно разделять на коэффициенты D_up и D_down при ходе вверх и ходе вниз, поскольку затухания при ходе вверх и ходе вниз могут сильно различаться. Например, при ходе вниз штанги колонны насосных штанг перемещаются против флюидов в скважине, тогда как при ходе вверх штанги перемещаются вместе с флюидами. Поэтому назначением отдельных коэффициентов D_up и D_down для хода вверх и хода вниз можно учесть эти различия.

[00104] Для каждого хода вычисляют верхнюю точку хода (TOS). Как было определено, верхняя точка хода представляет собой поворотную точку, в которой перемещение насосной системы вверх прекращается, и начинается ход вниз, что делает точку разграничивающим фактором между ходом вниз и ходом вверх. Верхнюю точку хода вычисляют путем нахождения нуля первой производной перемещения u=u(x,t), то есть точки, в которой скорость равна 0. Дополнительные подробности относительно вычисления верхней точки хода (TOS), а также других полезных вычислений (например, точки перехода, наполняемости насоса и т. д.) можно найти в публикациях №2011/0091332 и №2011/0091335 заявок на патенты США, которые полностью включены в эту заявку путем ссылки.

[00105] При известности верхней точки хода (TOS) модифицированный конечно-разностный алгоритм Эверитта-Дженнингса изменяют, чтобы интерпретировать два коэффициента D_up и D_down следующим образом:

- Инициализация: для временных шагов j=1, …, N перемещение поверхности на начальном узле 0 имеет вид u_0,j=g_PR,j.

- На основании закона Гука: для временных шагов j=1, …, N перемещение поверхности на следующем узле 1 имеет вид $$u_{\mathrm{1,}j}=\frac{f_{PR,j}·\Delta x}{EA}+u_{\mathrm{0,}j}$$ , где f_PR - динамическая нагрузка на полированный шток (то есть регистрируемая на поверхности нагрузка за вычетом плавучей массы штанг).

- Для последующих узлов вдоль колонны насосных штанг i=2, …, M:

Для временных шагов j=1, …, M при ходе вверх конечно-разностный аналог для перемещения при ходе вверх вдоль колонны насосных штанг имеет вид:

Для временных шагов j=TOS+1, …, N при ходе вниз конечно-разностный аналог для перемещения при ходе вниз вдоль колонны насосных штанг имеет вид:

где $$\alpha =\frac{\overline{\Delta x}}{\Delta t^2}\left[\frac{{\left(\frac{\rho A}{144g}\right)}^{+}+{\left(\frac{\rho A}{144g}\right)}^{-}}{2}\right]$$ и $$\overline{\Delta x}=\frac{1}{2}\left(\Delta x^{+}+\Delta x^{-}\right)$$ .

- На скважинном насосе:

Для временных шагов j=1, …, TOS при ходе вверх перемещение насоса имеет вид:

U_pump,j=(1+D_upΔt)·u_M-1,j+1-D_upΔt·u_M-1,j+u_M-1,j-1-u_M-1,j. (7)

Для временных шагов j=TOS+1, …, N при ходе вниз перемещение насоса имеет вид:

U_pump,j=(1+D_downΔt)·u_M-1,j+1-D_downΔt·u_M-1,j+u_M-1,j-1-u_M-1,j. (8)

Для временных шагов j=1, …, N полного хода нагрузка на насос на основании закона Гука имеет вид:

$$F_{pump,j}=\frac{EA}{2\Delta x}\left(3u_{m,j}-4u_{M-\mathrm{1,}j}+u_{M-\mathrm{2,}j}\right)$$ .

[00106] В уравнениях (5-8) коэффициент D_up затухания при ходе вверх используют для временных шагов j=1, …, TOS, тогда как коэффициент D_down при ходе вниз используют для временных шагов j=TOS+1, …, N.

[00107] С учетом понимания разделения на коэффициенты D_up и D_down затухания теперь обратимся к показанному на фиг. 7А процессу 300 итерирования относительно сдвоенных коэффициентов затухания до достижения сходимости.

[00108] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов D_up и D_down затухания состоит из двух частей. Аналогично модифицированной итерации относительно одинарного коэффициента затухания выполняют отдельно итерацию относительно истинного хода (NS) и итерацию относительно сдвоенных коэффициентов D_up и D_down затухания. Поскольку истинный ход (NS) изменяется лишь немного при вариации коэффициентов D_up и D_down затухания, сначала выполняют итерацию относительно истинного хода (NS). После достижения сходимости истинного хода (NS) начинают итерацию относительно сдвоенных коэффициентов D_up и D_down затухания.

[00109] Процесс 300 из фиг. 7А начинают с выполнения (блок 302) некоторых начальных вычислений. Выбирают начальный истинный ход (NS₀) и верхнюю точку хода (TOS). Это позволяет вычислить суточную добычу (Q) и гидравлическую мощность (H_hyd). Затем коэффициентам D_up и D_down придают начальные значения, например, D_up приравнивают к 0,25 и D_down приравнивают к 0,5. Этот выбор может быть основан на эмпирических данных или других факторах.

[00110] При наличии этих начальных значений выполняют (блок 304) ряд последовательных вычислений. В частности, вычисляют наземные данные, чтобы получить начальную диаграмму скважинного насоса на основании набора коэффициентов затухания (D_up и D_down) и предполагаемых истинного хода (NS₀) и верхней точки хода (TOS). Из диаграммы скважинного насоса получают действительные линии (F0_upactual, F0_downactual) нагрузки флюидом и истинный ход (NS), а уровень (FL) флюида и новые коэффициенты (D_up и D_down) затухания при ходе вверх и ходе вниз вычисляют из уравнения (2) разветвленной формы.

[00111] На этой стадии после коррекции начальных предположений и вычисления новых коэффициентов (D_up и D_down) затухания выполняют проверку, чтобы определить, находится ли вычисленный истинный ход (NS) в пределах заданного допуска предполагаемого истинного хода (NS₀). В частности, в ходе процесса 300 определяют, находится ли абсолютное значение разности между предполагаемым истинным ходом (NS₀) и вычисленным истинным ходом (NS) в пределах допуска Є, который, как ранее отмечалось, может изменяться в зависимости от реализации (решение 306). Если вычисленный истинный ход (NS) сходится, в процессе 300 переходят к итерированию относительно сдвоенных коэффициентов (D_up и D_down) затухания для достижения сходимости (блок 312). В противном случае, в ходе процесса 300 продолжают итерирование относительно истинного хода (NS) до достижения сходимости (блок 308).

[00112] Для продолжения итерирования относительно истинного хода (NS) в ходе процесса 300 вычисляют (блок 308) суточную добычу (Q), гидравлическую мощность (H_hyd), коэффициенты (D_up, D_down) затухания и диаграмму скважинного насоса опять-таки с использованием вычисленного истинного хода (NS). И в этом случае выполняют проверку (решение 310), находится ли абсолютное значение разности между предшествующим истинным ходом (NS_l-1) и новым истинным ходом (NS_l) в пределах допуска Є, а в ходе процесса 300 возвращаются обратно или переходят к итерированию относительно коэффициентов (D_up и D_down) затухания.

[00113] Для итерации относительно коэффициентов (D_up и D_down) затухания после достижения сходимости истинного хода (NS) в ходе процесса 300 вычисляют (блок 312) суточную добычу (Q), гидравлическую мощность (H_hyd) и коэффициенты (D_up и D_down) затухания с использованием сходящегося истинного хода (NS). Затем вычисляют (блок 312) диаграмму скважинного насоса, расчетные линии (F0_upcalc, F0_downcalc) нагрузки флюидом и мощность (H_pump) насоса.

[00114] На этой стадии в процесс 300 вводят алгоритм 350 (фиг. 7В) вариации затухания, с помощью которого сравнивают гидравлическую мощность (H_hyd) с мощностью (H_pump) насоса и при необходимости корректируют коэффициенты (D_up и D_down) затухания. Если сравнение 350 является успешным или коэффициенты (D_up и D_down) затухания нет необходимости корректировать, процесс 300 успешно завершают (блок 316), поскольку диаграмма скважинного насоса вычислена с учетом надлежащих коэффициентов (D_up и D_down) затухания; в противном случае, в ходе процесса 300 опять вычисляют (блок 314) диаграмму скважинного насоса, вследствие чего еще одна итерация может быть выполнена относительно коэффициентов (D_up и D_down) затухания.

[00115] Обратимся к более детальному рассмотрению алгоритма вариации затухания, представленного сравнительным процессом 350 на фиг. 7В, в ходе которого определяют вариацию затухания для итерации относительно сдвоенных коэффициентов (D_up и D_down) затухания из фиг. 7А. Сравнительный процесс 350 используют для проверки на вогнутость линий нагрузки флюидом, которая показывает, какому затуханию соответствуют данные коэффициенты (D_up и D_down) затухания, выше критического или ниже критического.

[00116] И в этом случае в ходе сравнительного процесса 350 направление вариации коэффициента затухания определяют в соответствии со знаком разности между мощностью (H_pump) насоса и гидравлической мощностью (H_hyd). Если мощность (H_pump) насоса больше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), данные полагают полученными при докритическом затухании. Следовательно, коэффициенты D_up и D_down затухания необходимо повышать. Точно так же, если мощность (H_pump) насоса меньше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), данные полагают полученными при сверхкритическом затухании, и коэффициенты D_up и D_down затухания необходимо понижать.

[00117] Аналогично итерации относительно одинарного коэффициента затухания осуществляют тщательный мониторинг абсолютного значения разности между мощностью (H_pump) насоса и гидравлической мощностью (H_hyd). В идеальном случае мощность (H_pump) насоса должна быть равна гидравлической мощности (H_hyd). Поэтому определяют разность между мощностью (H_pump) насоса и гидравлической мощностью. Если эта разность меньше определенного допуска, коэффициенты (D_up и D_down) затухания полагают корректными, а итерацию относительно коэффициентов (D_up и D_down) затухания считают сходящейся.

[00118] Кроме того, если мощность (H_pump) насоса и гидравлическая мощность (H_hyd) не находятся в пределах заданного допуска и если мощность (H_pump) насоса больше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), то полагают, что при решении волнового уравнения затухание было недостаточным. Точно так же, если мощность (H_pump) насоса меньше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), то полагают, что при решении волнового уравнения затухание было слишком большим.

[00119] В идеальном случае на графическом представлении хода вверх и хода вниз должны быть горизонтальные линии. Если скважинная диаграмма является вогнутой, то слишком большое затухание использовалось при решении одномерного уравнения затухающей волны. Точно так же, если скважинная диаграмма является выпуклой, то слишком малое затухание использовалось при решении одномерного уравнения затухающей волны.

[00120] Для определения требуемого изменения коэффициентов D_up и D_down затухания в ходе сравнительного процесса 350 из фиг. 7В сначала определяют, находится ли (решение 352) мощность (H_pump) насоса в пределах допуска гидравлической мощности (H_hyd). Если да, то итерация является успешной, и процесс завершают (блок 354), поскольку итерация относительно коэффициентов (D_up и D_down) затухания является сходящейся. Если нет, процесс 350 продолжают для выполнения второго сравнения (решение 356).

[00121] В случае, когда мощность (H_pump) насоса и гидравлическая мощность (H_hyd) не находятся в пределах допуска, и затухание необходимо корректировать, задают второй набор проверок на том же месте (решение 356). При этих проверках сравнивают статистические распределения точек при ходе вверх и точек при ходе вниз с вычисленными значениями действительных линий нагрузки флюидом, вследствие чего осуществляют проверку на вогнутость линий при ходе вверх и ходе вниз.

[00122] В данном случае в ходе процесса 350 определяют, находятся ли расчетные линии (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз в пределах заданного диапазона значений действительных линий (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз, и находится ли расчетная линия (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх в пределах диапазона значений действительной линии (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх. Если оба эти определения справедливы, итерация является успешной, и процесс завершают (блок 354), поскольку по существу нет необходимости в коррекции коэффициентов D_up и D_down затухания. Если нет, то в ходе процесса 350 переходят к одному этапу (блок 360) или другому этапу (блок 370) в зависимости от того, мощность (H_pump) насоса больше или не больше гидравлической мощности (H_hyd).

[00123] Как отмечалось выше, действительные линии нагрузки флюидом определяют с использованием первой и второй производной положения. Набор действительных линий нагрузки флюидом, обозначенных как F0_upactual и F0_downactual, вычисляют путем нахождения правых углов скважинной диаграммы. Действительную линию F0_upactual нагрузки флюидом при ходе вверх вычисляют как нагрузку, соответствующую верхней точке хода. Верхнюю точку хода вычисляют путем нахождения нуля первой производной из данных о положении в скважине. Для вычисления действительной линии F0_downactual нагрузки флюидом при ходе вниз определяют местоположение точки перехода, которая представляет собой точку, в которой нагрузка передается от нагнетательного клапана к всасывающему клапану. Точку перехода вычисляют с использованием результата вычисления наполняемости насоса. Действительную линию F0_downactual нагрузки флюидом считают нагрузкой, относящейся к абсолютному минимуму второй производной данных о положении в скважине после точки перехода, то есть к нижнему правому углу скважинной диаграммы.

[00124] Как отмечалось выше, набор расчетных линий (F0_upcalc и F0_downcalc) вычисляют при использовании статистического или другого способа, раскрытого в этой заявке. Данные о ходе вверх и ходе вниз статистически упорядочивают в соответствии с нагрузкой, чтобы получить функцию плотности вероятностей. Максимумами функций вероятностей дается набор диапазонов значений нагрузок, в которых находится большая часть данных о ходе вверх и ходе вниз. Максимум функции плотности вероятностей для данных о ходе вверх относят к расчетной линии (F0_upcalc) нагрузки флюидом, тогда как максимум функции плотности вероятностей для данных о ходе вниз относят к расчетной линии (F0_downcalc) нагрузки флюидом.

[00125] При сравнении положения этих линий нагрузки флюидом становится возможным определение, насколько меньше или насколько больше должно быть затухание. Поэтому вычисление линии нагрузки флюидом и проверка на вогнутость являются частью критерия сходимости, подробно рассмотренного ниже.

[00126] Если мощность (H_pump) насоса больше, чем гидравлическая мощность (H_hyd), что указывает на докритическое затухание (блок 360), выполняют два отдельных анализа: (1) значение расчетной линии (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх больше, чем значение действительной линии (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх? и (2) значение расчетной линии (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз меньше, чем значение действительной линии (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз? (решение 362). Если это справедливо, то в ходе процесса 350 обновляют (блок 380 или 382) соответствующий коэффициент (D_up или D_down) затухания. Если нет, обновление не является необходимым (блок 364).

[00127] Точно так же, если мощность (H_pump) насоса меньше, чем гидравлическая мощность (H_hyd) (блок 370), выполняют два отдельных анализа: (1) значение расчетной линии (F0_upcalc) нагрузки флюидом при ходе вверх меньше, чем значение действительной линии (F0_upactual) нагрузки флюидом при ходе вверх? и (2) значение расчетной линии (F0_downcalc) нагрузки флюидом при ходе вниз больше, чем значение действительной линии (F0_downactual) нагрузки флюидом при ходе вниз? (решение 372). Если это справедливо, то в ходе процесса 350 обновляют (блок 384 или 386) соответствующий коэффициент D_up или D_down затухания. Если нет, обновление не является необходимым (блок 374).

[00128] Как показано в этой заявке, обновление соответствующего коэффициента D_up или D_down затухания основано на отношении мощности (H_pump) насоса к гидравлической мощности (H_hyd), которым масштабируют предшествующее значение, используемое для коэффициента D_up или D_down при вычислении диаграммы скважинного насоса.

[00129] Результаты итерации относительно коэффициентов затухания представлены на фиг. 8А-8J. Результаты показаны в виде скважинных диаграмм, позволяющих выполнить сравнение итераций относительно одинарного коэффициента D затухания и итераций относительно сдвоенных показателей D_up и D_down затухания в примере скважинных данных. Кроме того, результаты для одинарных и сдвоенных коэффициентов D_up и D_down затухания можно сравнить с результатами из программы Дельта, известной из предшествующего уровня техники, в которой используется способ Гиббса, кодированный в программном обеспечении LOWIS^TM (программное обеспечение для получения информации о сроке эксплуатации скважины), которое представляет собой программу управления скважиной на основе Web-технологии, имеющуюся в распоряжении Weatherfold International.

[00130] В верхнем левом углу фиг. 8А-8J изображена скважинная диаграмма, полученная в результате итерации относительно сдвоенных показателей D_up и D_down затухания. На правой стороне изображена скважинная диаграмма, полученная в результате итерации относительно одинарного коэффициента D затухания. Наконец, на левой стороне внизу изображена скважинная диаграмма, полученная в результате выполнения программы Дельта. Все скважинные диаграммы, представленные как результаты, сдвинуты к нулевой линии для обеспечения лучшего сравнения способов.

[00131] Как также видно, в нижнем правом углу представлены подробности относительно итераций. Эти подробности для итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания включают в себя действительные и расчетные линии нагрузки флюидов, мощность в лошадиных силах полированного штока (МПШ), гидравлическую мощность (ГМ) в лошадиных силах, мощность насоса (МН) в лошадиных силах, коэффициенты D_up и D_down затухания, а также число итераций. Для итерации относительно одинарного коэффициента D затухания подробности включают в себя мощность в лошадиных силах полированного штока (МПШ), гидравлическую мощность (ГМ) в лошадиных силах, мощность насоса (МН) в лошадиных силах, коэффициент затухания, а также число итераций.

[00132] Как также видно, число итераций представлено набором двух чисел. Первое число представляет собой число итераций относительно истинного хода, тогда как второе число представляет собой число итераций относительно коэффициента (коэффициентов) затухания. Компьютерный код для выполнения итерации относительно истинного хода один и тот же для обоих способов.

[00133] Поскольку коэффициенты затухания представляют собой значения, предназначенные для удаления «шума» из волнового уравнения или добавления шума, диапазон коэффициентов затухания находится в пределах от 0 до 1. В качестве предупредительной меры коэффициенты затухания корректируют так, чтобы они не превышали 1 или не снижались до 0. Поэтому предельное значение для каждой границы диапазона обычно задают на месте посредством D_max=0,99 и D_min=0,01.

[00134] В представленных примерах численное значение затухания, используемое в программе Дельта, нельзя сравнивать с затуханием, используемом в алгоритме Эверитта-Дженнингса. Причина заключается в том, что затухание, используемое в программе Дельта, вычисляют с использованием информации о штанге, предоставляемой производителями, и требуется ручная корректировка затухания.

[00135] В первом примере, показанном на фиг. 8А, скважина имеет исходную длину хода 100 дюймов (2,54 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 61,78 дюймов (1,57 м). Мощность полированной штанги (МПШ) составляет 2,52 л. с. (1,85 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 2,04 л. с. (1,5 кВт). При обеих итерациях относительно сдвоенных коэффициентов затухания и одинарного коэффициента затухания мощность насоса (МН) составляет 2,22 л. с. (1,63 кВт). F0_upactual и F0_downactual равны 2311 и 26 фунтам соответственно (1048 и 11,79 кг соответственно), тогда как F0_upcalc и F0_downcalc равны 2265 и 163 фунтам соответственно (1027 и 73,9 кг соответственно).

[00136] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания прекращалась после всего одной итерации, поскольку F0_upactual>F0_upcalc и F0_downactual<F0_downcalc, даже если |H_pump-H_hyd|>0,1. Соответствующие коэффициенты затухания составляют D_up=0,25 и D_down=0,5. Итерация относительно одинарного коэффициента затухания также прекращалась после первой итерации, поскольку H_pump>H_hyd, при коэффициенте затухания 0,5. На карте, получаемой с помощью программы Дельта, видно сверхкритическое затухание.

[00137] Во втором примере, показанном на фиг. 8В, другая скважина имеет исходную длину хода 144,05 дюйма (3,66 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 119,44 дюйма (3,03 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 7,98 л. с. (5,87 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 6,9 л. с. (5,07 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 7,23 л. с. (5,32 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса 6,96 л. с. (5,12 кВт). F0_upactual и F0_downactual равны 4734 и 10 фунтам соответственно (2147 и 4,53 кг соответственно), тогда как F0_upcalc и F0_downcalc равны 4746 и -16 фунтам соответственно (2152 и -7,26 кг соответственно).

[00138] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания прекращалась после одной итерации, поскольку H_pump>H_hyd и F0_upactual и F0_downactual находятся в пределах допуска значений F0_upcalc и F0_downcalc. Соответствующие коэффициенты затухания составляют 0,25 и 0,5.

[00139] Итерация относительно одинарного коэффициента затухания также прекращалась после одной итерации, поскольку H_pump>H_hyd, что приводило к коэффициенту затухания 0,5. На диаграмме, полученной с помощью программы Дельта, показана петля на правой стороне.

[00140] В третьем примере, показанном на фиг. 8С, третья скважина имеет исходную длину хода 64 дюйма (1,62 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 37,56 дюйма (0,95 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 2,38 л. с. (1,75 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 1,56 л. с. (1,15 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 1,6 л. с. (1,18 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 1,47 л. с. (1,08 кВт). F0_upactual и F0_downactual равны 1502 и -753 фунтам соответственно (681 и -341,5 кг соответственно), тогда как F0_upcalc и F0_downcalc равны 1603 и -624 фунтам соответственно (727 и -283 кг соответственно).

[00141] Итерация относительно сдвоенного коэффициента затухания сходилась в продолжение четырех итераций при |H_pump-H_hyd|<0,1, при коэффициентах D_up и D_down затухания, равных 0,1 и 0,2 соответственно. Кроме того, действительные линии нагрузки флюидом находятся в пределах допуска расчетных линий нагрузки флюидом, что дополнительно подтверждает выбор надлежащих коэффициентов затухания.

[00142] В случае итерации относительно одинарного коэффициента затухания итерация сходилась после двух итераций при коэффициенте затухания 0,88. Однако из представленной скважинной диаграммы видно, что диаграмма получена при сверхкритическом затухании. На скважинной диаграмме, полученной с помощью программы Дельта, также обнаруживается «петля».

[00143] В четвертом примере, показанном на фиг. 8D, четвертая скважина имеет исходную длину хода 86,3 дюйма (2,19 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 10,06 дюймов (0,25 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 1,26 л. с. (0,927 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 1,19 л. с. (0,875 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 1,16 л. с. (0,85 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 1,01 л. с. (0,74 кВт). Действительные линии нагрузки флюидом равны 2612 и 0 фунтам соответственно (1184 и 0 кг соответственно), тогда как расчетные линии нагрузки флюидом равны 2613 и 67 фунтам (1185 и 30,4 кг).

[00144] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания сходилась в продолжение семи итераций, при этом удовлетворялось |H_pump-H_hyd|<0,1 при коэффициентах затухания D_up=0,1 и D_down=0,5. Для этого примера значения действительных линий нагрузки находятся в пределах допуска значений для расчетных линий нагрузки флюидом.

[00145] Итерация относительно одинарного коэффициента затухания сходилась в продолжение одной итерации, при этом также удовлетворялось |H_pump-H_hyd|<0,1 при коэффициенте затухания 0,5. На скважинной диаграмме, полученной с помощью программы Дельта, видна «петля», что позволяет предположить сверхкритическое затухание.

[00146] В пятом примере, показанном на фиг. 8Е, пятая скважина имеет исходную длину хода 123,2 дюйма (3,13 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 59,84 дюйма (2,52 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 5,37 л. с. (3,95 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 3,8 л. с. (2,8 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 4,45 л. с. (3,28 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 3,72 л. с. (2,74 кВт). Значения действительных линий нагрузки флюидом составляют 5782 и 343 фунта соответственно (2623 и 155,6 кг соответственно), тогда как значения расчетных линий нагрузки флюидом составляют 5626 и -371 фунт (2551 и -168,2 кг).

[00147] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания прекращалась после четырех итераций, даже если имелось |H_pump-H_hyd|>0,1, поскольку соблюдалось F0_upactual>F0_upcalc и F0_downactual>F0_downcalc при коэффициентах затухания, равных 0,1 и 0,4 соответственно.

[00148] В случае итерации относительно одинарного коэффициента затухания алгоритм сходился в продолжение пяти итераций, при этом удовлетворялось |H_pump-H_hyd|<0,1 при коэффициенте затухания 0,41. На скважинной диаграмме из модифицированного способа Эверитта-Дженнингса при итерации относительно одинарного коэффициента затухания и скважинной диаграмме, полученной с помощью программы Дельта, видна «петля».

[00149] В шестом примере, показанном на фиг. 8F, скважина имеет исходную длину хода 120 дюймов (3 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 85,21 дюйма (2,16 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 8,45 л. с. (6,22 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 5,35 л. с. (3,94 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 6,65 л. с. (4,89 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 7 л. с. (5,15 кВт). F0_upactual и F0_downactual равны 3268 и -1113 фунтам соответственно (1482 и -504,7 кг соответственно), тогда как F0_upcalc и F0_downcalc равны 3210 и -1086 фунтам соответственно (1456 и -492,5 кг соответственно).

[00150] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания прекращалась после шести итераций при H_pump>H_hyd, F0_upactual<F0_upcalc и F0_downactual<F0_downcalc. Соответствующие коэффициенты затухания D_up=0,75 и D_down=0,5.

[00151] В случае итерации относительно одинарного коэффициента затухания выполнение алгоритма прекращалось после одной итерации, поскольку H_pump>H_hyd при коэффициенте затухания 0,5. На скважинной диаграмме, связанной с программой Дельта, видно докритическое затухание.

[00152] В седьмом примере, показанном на фиг. 8G, скважина имеет исходную длину хода 86,1 дюйма (2,19 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 75,91 дюйма (1,93 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 8,55 л. с. (6,29 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 4,38 л. с. (3,22 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 6,59 л. с. (4,85 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 5,84 л. с. (4,3 кВт). Значения действительных линий нагрузки флюидом составляют 2424 и -1197 фунтов соответственно (1099 и -542,8 кг соответственно), тогда как значения расчетных линий нагрузки флюидом составляют 2732 и -972 фунта соответственно (1239 и -440,8 кг соответственно).

[00153] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания прекращалась после девяти итераций, поскольку H_pump>H_hyd, F0_upactual<F0_upcalc, но D_up=D_max=0,99 и F0_downactual<F0_downcalc. Соответствующие коэффициенты затухания равны D_up=0,99 и D_down=0,5. В случае итерации относительно одинарного коэффициента затухания выполнение алгоритма прекращалось после одной итерации, поскольку H_pump>H_hyd при коэффициенте затухания 0,99. Однако на соответствующей скважинной диаграмме видно сверхкритическое затухание. На скважинной диаграмме, связанной с программой Дельта, видно докритическое затухание.

[00154] В восьмом примере, показанном на фиг. 8Н, скважина имеет исходную длину хода 57,1 дюйма (1,45 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 13,05 дюйма (0,33 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 0,74 л. с. (0,54 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 0,6 л. с. (0,44 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 0,67 л. с. (0,49 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 0,56 л. с. (0,41 кВт). Значения действительных линий нагрузки флюидом составляют 2234 и 311 фунтов соответственно (1013 и 141 кг соответственно), тогда как значения расчетных линий нагрузки флюидом составляют 1909 и 338 фунтов соответственно (865,7 и 153,3 кг соответственно).

[00155] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания сходилась в продолжение четырех итераций при |H_pump-H_hyd|<0,1, при коэффициентах затухания D_up=0,01 и D_down=0,2. Кроме того, F0_upactual>F0_upcalc и F0_downactual≈F0_downcalc. Итерация относительно одинарного коэффициента затухания сходилась в продолжение одной итерации к коэффициенту затухания 0,99. На скважинной диаграмме, полученной с помощью программы Дельта, видно сверхкритическое затухание.

[00156] В девятом примере, показанном на фиг. 8I, скважина имеет исходную длину хода 119,9 дюйма (3,05 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 95,92 дюйма (2,44 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 17,04 л. с. (12,54 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 10,44 л. с. (7,68 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 11,6 л. с. (8,54 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 10,87 л. с. (8 кВт). Значения действительных линий нагрузки флюидом составляют 4831 и 676 фунтов соответственно (2190 и 306,6 кг соответственно), тогда как значения расчетных линий нагрузки флюидом составляют 4832 и -1034 фунта соответственно (2191 и -468,9 кг соответственно).

[00157] Итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания прекращалась после семи итераций при F0_upactual≈F0_upcalc и D_up=0,75, тогда как F0_downactual>F0_downcalc при D_down=D_max=0,99, даже если H_pump>H_hyd.

[00158] В случае итерации относительно одинарного коэффициента затухания выполнение алгоритма прекращалось после одной итерации, поскольку H_pump>H_hyd при коэффициенте затухания 0,9. На скважинной диаграмме, связанной с программой Дельта, видно докритическое затухание.

[00159] В десятом примере, показанном на фиг. 8J, скважина имеет исходную длину хода 144 дюйма (3,66 м). Итерация относительно истинного хода сходилась в продолжение двух итераций к значению 123,33 дюйма (3,13 м). Мощность полированного штока (МПШ) составляет 24 л. с. (17,7 кВт), тогда как гидравлическая мощность (ГМ) составляет 16,2 л. с. (11,9 кВт). При итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания мощность насоса (МН) составляет 15,13 л. с. (11,15 кВт), тогда как при итерации относительно одинарного коэффициента затухания мощность насоса составляет 16,15 л. с. (11,88 кВт). Значения действительных линий нагрузки флюидом составляют 7220 и 2223 фунта соответственно (3274 и 1008 кг соответственно), тогда как значения расчетных линий нагрузки флюидом составляют 7346 и 2329 фунтов соответственно (3331 и 1056 кг соответственно).

[00160] В случае итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания выполнение алгоритма прекращалось после семи итераций при F0_upactual<F0_upcalc, F0_downactual<F0_downcalc и H_pump<H_hyd, при значениях коэффициентов затухания 0,75 и 0,8, соответственно.

[00161] В случае итерации относительно одинарного коэффициента затухания алгоритм сходился в продолжение шести итераций при коэффициенте затухания 0,6845, при этом удовлетворялось |H_pump-H_hyd|<0,1. Скважинная диаграмма, связанная с программой Дельта, наводит на мысль о докритическом затухании.

[00162] В примерах из фиг. 8А, 8В, 8D, 8H и 8I результаты итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания и одинарного коэффициента затухания являются очень похожими. Действительно, в случае обоих способов на скважинных диаграммах обнаруживается надлежащее затухание. Однако в этих примерах на скважинных диаграммах, полученных с помощью программы Дельта, обнаруживается неподходящее затухание. Например, на скважинной диаграмме из фиг. 8I, полученной с помощью программы Дельта, обнаруживается недостаточное затухание, что видно по «полноте» диаграммы, в то время как на скважинных диаграммах из примеров на фиг. 8А, 8В, 8D и 8Н, полученных с помощью программы Дельта, обнаруживается слишком сильное затухание, поскольку на самих диаграммах образованы петли.

[00163] В примерах из фиг. 8С и 8Е результаты итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания и итерации относительно одинарного коэффициента затухания являются различными. В обоих случаях итерации относительно затухания сходятся; однако коэффициенты затухания не являются надлежащими, поскольку на самих диаграммах образованы петли. Кроме того, такое же явление «образования петель» наблюдается на скважинных диаграммах, полученных с помощью программы Дельта, и оно является признаком сверхкритического затухания. В случае обоих примеров итерация относительно сдвоенных коэффициентов затухания не сходится при проверке на мощность, а точнее при проверке на вогнутость линий нагрузки флюидом согласно настоящему раскрытию.

[00164] В примерах из фиг. 8F, 8G и 8J скважинные диаграммы, полученные всеми тремя способами, различаются «толщиной». Хотя в каждом примере видно, что на скважинных диаграммах, полученных итерациями относительно сдвоенных и одинарного коэффициентов затухания, обнаруживается более подходящее затухание, чем на «более толстой» диаграмме в соответствии с программой Дельта, трудно определить, какое затухание является наиболее точным. Некоторые из приведенных выше примеров, несомненно, происходят из скважин с механическим трением, которое может затруднять выбор затухания, поскольку наличие вязкостного затухания не означает устранения механического трения. В соответствии с этим можно использовать дополнительные способы такие, как раскрытые в совместно рассматриваемой заявке №_/__(205-0322US1) под названием «Implementing Coulombs friction for the calculation of downhole cards in deviated wells», которая полностью включена в эту заявку путем ссылки.

[00165] Управление затуханием в одномерном уравнении затухающей волны можно осуществлять при использовании одинарного коэффициента затухания или при использовании коэффициента затухания при ходе вверх и коэффициента затухания при ходе вниз. Как можно видеть из приведенных выше результатов, в большинстве случаев различие между результатами обоих способов может быть небольшим. Однако в некоторых случаях итерации относительно одинарного коэффициента затухания недостаточно для охвата скважинных условий, имеющихся в скважине, так что когда выбирают итерацию относительно одинарного коэффициента затухания, то даже при сходимости получают неподходящий коэффициент затухания.

[00166] Однако результаты от любых итераций относительно затухания неизменно оказываются лучше, чем результат вычисления коэффициента затухания в соответствии с программой Дельта. Коэффициенты затухания в программе Дельта необходимо корректировать вручную для согласования с результатами итерации относительно сдвоенных коэффициентов затухания или итерации относительно одинарного коэффициента затухания. Кроме того, добавление вычислений линий нагрузки флюидом и проверок на вогнутость улучшает результаты и повышает скорость сходимости алгоритма.

[00167] Как должно быть понятно, идеи настоящего раскрытия могут быть реализованы цифровыми электронными схемами, компьютерными аппаратными средствами, компьютерными встроенными программами, компьютерным программным обеспечением или любым сочетанием из них. Идеи настоящего изобретения могут быть реализованы в компьютерном программном продукте, материально воплощенном в машиночитаемом запоминающем устройстве, предназначенном для выполнения программируемым процессором, так что программируемый процессор, исполняющий программные инструкции, может выполнять действия настоящего раскрытия.

[00168] В этой связи идеи настоящего раскрытия могут быть реализованы удаленным обрабатывающим устройством или контроллером насоса. Например, на фиг. 9А показан вариант осуществления контроллера 400 насоса, установленного на штанговой насосной системе 10, такой как станок-качалка, обычно используемой для добычи флюида из скважины. Насосная система 10 включает в себя балансир 11, соединенный с рамой 15. Балансир 11 в рабочем состоянии соединен с полированным штоком 12, соединенным через посредство колонны насосных штанг (непоказанной) со скважинным насосом (непоказанным), который может быть любым скважинным насосом с возвратно-поступательным движением, рассмотренным в этой заявке. Двигателем 17 управляют с панели 19 управления двигателем для перемещения балансира 11 и возвратно-поступательного перемещения полированного штока 12, который, в свою очередь, приводит в действие скважинный насос. Хотя показан станок-качалка, могут использоваться другие штанговые насосные системы, такие как станок-качалка ленточного типа или любая другая система, которая перемещает возвратно-поступательно колонну насосных штанг с использованием тросов, ремней, цепей и гидравлических и пневматических силовых систем.

[00169] Обычно датчики 402 и 404 измеряют на поверхности данные о нагрузке на насосную систему 10 и положении ее, а измеряемые данные с датчиков 402 и 404 передаются к контроллеру 400. После обработки информации контроллер 400 посылает сигналы на панель 19 управления двигателем для приведения в действие насосной системы 10. Конкретное размещение контроллера 400 и датчиков 402 и 404 раскрыто в патенте США №7032659, который включен в эту заявку путем ссылки.

[00170] Как показано, в контроллере 400 использован датчик 402 нагрузки для обнаружения массы флюида в насосно-компрессорной колонне во время работы насосной системы 10 и использован датчик 404 положения для измерения положения насосной системы 10 на протяжении каждого цикла хода. Датчик 404 положения может быть любым устройством измерения положения, используемым для измерения положения относительно верхней или нижней точки хода. Например, датчик 404 положения может состоять из двух частей, из собственно датчика положения, который выполняет непрерывное измерение положения, и дискретного переключающего устройства, которое замыкается и размыкается при заданных положениях полированного штока 12.

[00171] В качестве варианта степенью поворота плеча кривошипа насосной системы может обеспечиваться получение данных о перемещении. Например, датчик может определять, когда плечо кривошипа системы проходит мимо конкретного места, и картина имитируемого перемещения полированного штока в зависимости от времени может корректироваться для получения оценок положений полированного штока в моменты времени между этими показаниями плеча кривошипа. Согласно другому варианту осуществления степенью наклона балансира 11 могут обеспечиваться данные о перемещении. Например, к балансиру 11 может быть прикреплено устройство для измерения степени наклона насосной установки.

[00172] Данные о нагрузке на систему 10 можно измерять непосредственно с использованием тензометрического датчика нагрузки, вводимого между зажимом полированного штока и поддерживающим брусом. В качестве варианта деформацией балансира 11 могут обеспечиваться данные о нагрузке. Например, при использовании датчика 402 нагрузки контроллер 400 может измерять деформацию полированного штока 12 и в таком случае может управлять насосной системой 10 на основании измеряемой деформации. В датчике 402 нагрузки можно использовать любое из ряда измеряющих деформацию устройств, известных специалисту в данной области техники. Например, датчик 402 нагрузки может быть устройством измерения нагрузки, используемым в насосной системе 10, которое включает в себя тензометрический датчик нагрузки, устанавливаемый на насосной штанге 12 и устанавливаемый на балансире 11. Датчик 402 нагрузки может измерять деформацию полированного штока 12, и в нем может использоваться тензометрический преобразователь, привариваемый к верхнему фланцу балансира 11.

[00173] В качестве варианта, как раскрыто в патенте США №5423224, датчик 402 нагрузки может быть устройством измерения деформации, которое закрепляют на несущей нагрузку поверхности балансира 11 или любом удобном месте. Согласно другому примеру в датчике 402 нагрузки можно использовать узел, аналогичный раскрытому в патенте США №7032659, который полностью включен в эту заявку путем ссылки.

[00174] Наконец, амплитуду и частоту сигнала электропитания, подаваемого к двигателю 17, можно использовать для определения частоты вращения двигателя (то есть данных о перемещении) и вращающего момента двигателя (то есть данных о нагрузке). Таким образом, из частоты вращения двигателя и перемещения полированного штока можно получать группу пар данных о частоте вращения двигателя и перемещении для множества перемещений на всем протяжении полированного штока. Как описано в патенте США №4490094, эти данные о перемещении, которые представляют полный ход насосной системы 10, затем могут быть преобразованы в нагрузку на колонну насосных штанг и перемещение колонны насосных штанг для множества перемещений на всем протяжении полированного штока.

[00175] Элементы контроллера 400 насоса схематически показаны на фиг. 9В. В общем случае контроллер 400 включает в себя один или несколько интерфейсов 412 датчиков, принимающих измерения с датчиков 402 и 404 нагрузки и положения. Дополнительные входы контроллера 400 могут быть соединены с другими устройствами, такими как инфракрасный измеритель обводненности, акустическое зондирующее устройство (АЗУ), обеспечивающими данные в реальном времени, которые можно регистрировать для выполнения анализа восстановления давления и калибровки в реальном времени при контроле уровня флюида. Кроме того, контроллер 400 включает в себя обычно устанавливаемую систему электропитания (непоказанную).

[00176] Программное обеспечение 422 и данные 424 контроллера сохраняются в запоминающем устройстве 420. Запоминающее устройство 420 может быть энергозависимым запоминающим устройством с резервным батарейным питанием или энергонезависимым запоминающим устройством, таким как однократно программируемое запоминающее устройство или флэш-память. Кроме того, запоминающее устройство 420 может быть любым сочетанием подходящих внутренних и внешних запоминающих устройств.

[00177] Программное обеспечение 422 может включать в себя программное обеспечение для управления двигателем и программное обеспечение для диагностирования насоса, а сохраняемые данные 424 могут быть измерениями, регистрируемыми с ряда датчиков 402 и 404 нагрузки и положения, и результатами вычислений. В данных 424 в запоминающем устройстве 420 сохраняются характеристики скважины, в том числе глубина, азимут и наклон мест вдоль скважины, которые могут быть получены из данных бурения и исследований. Поскольку в некоторых случаях колонна насосных штанг может быть конусовидной, в данных 424 в запоминающем устройстве 420 могут также сохраняться характеристики относительно конусности штанг, такие как глубина, диаметр, масса и длина различных секций колонны насосных штанг.

[00178] Обрабатывающий блок 410, имеющий один или несколько процессоров, обрабатывает измерения, сохраняемые в виде данных 424 в запоминающем устройстве 420, и выполняет программное обеспечение 422 для осуществления различных вычислений, подробно описанных в этой заявке. Например, обрабатывающий блок 410 получает выходные данные с наземных датчиков, такие как измерения нагрузки и положения с датчиков 402 и 404. В свою очередь, обрабатывающий блок 410 сопоставляет выходные данные с датчика 402 нагрузки с положением полированного штока 12 и определяет нагрузку, ощущаемую полированным штоком 12 в продолжение циклов хода. Затем при использовании программного обеспечения 412 обрабатывающий блок 410 вычисляет скважинную диаграмму, показывающую нагрузку на скважинный насос и положение его.

[00179] Предпочтительно, чтобы для управления насосной системой 10 в контроллере 400 насоса использовался полный алгоритм Эверитта-Дженнингса с конечными разностями для решения волнового уравнения. Контроллер 400 вычисляет наполняемость насоса и оптимизирует добычу при каждом ходе. Эта информация используется для минимизации ударов плунжера по флюиду путем прекращения или замедления работы насосной системы 10 с учетом заданного параметра наполняемости насоса. Кроме того, контроллер 400 насоса может анализировать диаграмму скважинного насоса и определять возможные проблемы, связанные с насосом и работой его. Это возможно потому, что форма, картина и другие признаки, связанные с диаграммой скважинного насоса, представляют различные состояния насоса и условия его работы.

[00180] После обработки измерений контроллер 400 посылает сигналы на панель 19 управления двигателем для приведения в действие насосной системы 10. Например, один или несколько коммуникационных интерфейсов 414 связаны с панелью 19 управления двигателем для управления работой насосной системы 10, например, выключения двигателя 17 для предотвращения опорожнения скважины и т. д. Коммуникационные интерфейсы 414 могут передавать сообщения соответствующих форм, и они также могут передавать данные и результаты вычислений на удаленное место при использовании любого подходящего способа связи.

[00181] Приведенное выше описание предпочтительных и других вариантов осуществления не предполагается ограничивающим или сокращающим объем или применимость концепций изобретения, предложенных заявителем. В отношении преимущества настоящего раскрытия должно быть понятно, что признаки, описанные выше в соответствии с любым вариантом осуществления или аспектом раскрытого предмета изобретения, могут использоваться сами по себе или в сочетании с любым другим описанным признаком в любом другом варианте осуществления или аспекте раскрытого предмета изобретения.

[00182] В обмен на раскрытие концепций изобретения, содержащихся в этой заявке, заявитель ожидает получить все патентные права в соответствии с прилагаемой формулой изобретения. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения в полной мере включает в себя все модификации и изменения, которые подпадают под объем нижеследующей формулы или эквивалентов.

Изобретение относится к области скважинных насосных установок. Насосная установка имеет скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеет двигатель на поверхности. Колонна насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемая двигателем, возвратно-поступательно перемещает скважинный насос в буровой скважине. Скважинную диаграмму, показывающую нагрузку на скважинный насос и положение его, образуют при использовании наземных измерений и модели волнового уравнения, имеющей коэффициент затухания при ходе вверх и коэффициент затухания при ходе вниз. Из скважинной диаграммы определяют действительные линии нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз скважинного насоса, а расчетные линии нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз вычисляют на основании значений нагрузки, распределенных по скважинной диаграмме. Позволяет передавать данные на удаленное место с большой достоверностью. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 33 ил.

1. Реализуемый обрабатывающим устройством способ диагностирования насосной установки, имеющей скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеющей двигатель на поверхности буровой скважины, скважинный насос возвратно-поступательно перемещается в буровой скважине колонной насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемой двигателем, при этом способ содержит этапы, на которых:
образуют скважинную диаграмму, показывающую нагрузку на скважинный насос в скважине и положение в скважине скважинного насоса, используя наземные измерения и модель волнового уравнения, имеющую коэффициент затухания при ходе вверх и коэффициент затухания при ходе вниз;
определяют из скважинной диаграммы действительную линию нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса;
определяют на основании значений нагрузки, распределенных по скважинной диаграмме, расчетную линию нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса;
сравнивают действительные линии нагрузки флюидом с расчетными линиями нагрузки флюидом;
корректируют на основании сравнения по меньшей мере один из коэффициентов затухания при ходе вверх и ходе вниз из модели волнового уравнения; и
образуют другую скважинную диаграмму на основании по меньшей мере одного из скорректированных коэффициентов затухания при ходе вверх и ходе вниз.

2. Реализуемый обрабатывающим устройством способ диагностирования насосной установки, имеющей скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеющей двигатель на поверхности буровой скважины, скважинный насос возвратно-поступательно перемещается в буровой скважине колонной насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемой двигателем, при этом способ содержит этапы, на которых:
образуют скважинную диаграмму, показывающую нагрузку на скважинный насос в скважине и положение в скважине скважинного насоса, используя наземные измерения и модель волнового уравнения, имеющую коэффициент затухания;
определяют из скважинной диаграммы действительную линию нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса;
определяют на основании значений нагрузки, распределенных по скважинной диаграмме, расчетную линию нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса;
сравнивают действительные линии нагрузки флюидом с расчетными линиями нагрузки флюидом;
корректируют на основании сравнения коэффициент затухания из модели волнового уравнения; и
образуют другую скважинную диаграмму на основании скорректированного коэффициента затухания.

3. Реализуемый обрабатывающим устройством способ диагностирования насосной установки, имеющей скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеющей двигатель на поверхности буровой скважины, скважинный насос возвратно-поступательно перемещается в буровой скважине колонной насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемой двигателем, при этом способ содержит этапы, на которых:
образуют скважинную диаграмму, показывающую нагрузку на скважинный насос в скважине и положение в скважине скважинного насоса, используя наземные измерения и модель волнового уравнения, имеющую затухание;
определяют из скважинной диаграммы действительную линию нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса;
определяют на основании значений нагрузки, распределенных по скважинной диаграмме, расчетную линию нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса;
сравнивают действительные линии нагрузки флюидом с расчетными линиями нагрузки флюидом; и
модифицируют по меньшей мере один параметр насосной установки на основании сравнения.

4. Способ по любому из пп. 1, 2 или 3, содержащий сначала получение наземных измерений, показывающих поверхностную нагрузку и положение поверхности колонны насосных штанг на поверхности.

5. Способ по п. 4, в котором получение наземных измерений содержит измерение поверхностной нагрузки и положения поверхности колонны насосных штанг на поверхности.

6. Способ по п. 4, в котором получение наземных измерений содержит получение наземного измерения из запоминающего устройства.

7. Способ по любому из пп. 1, 2 или 3, в котором определение из скважинной диаграммы действительной линии нагрузки флюидом при ходе вверх и ходе вниз скважинного насоса содержит вычисление нуля первой производной положения в скважине на ходе вверх скважинной диаграммы.

8. Способ по любому из пп. 1, 2 или 3, в котором определение из скважинной диаграммы действительной линии нагрузки флюидом при ходе вниз скважинного насоса содержит вычисление вогнутой вверх точки после точки перехода на ходе вниз скважинной диаграммы.

9. Способ по п. 8, в котором вычисление вогнутой вверх точки содержит вычисление абсолютного минимума второй производной положения в скважине после точки перехода на ходе вниз скважинной диаграммы.

10. Способ по любому из пп. 1, 2 или 3, в котором определение на основании значений нагрузки, распределенных по скважинной диаграмме, расчетной нагрузки флюидом для каждого хода вверх и хода вниз скважинного насоса содержит вычисление расчетных линий нагрузки флюидом статистически в виде медианных значений применительно к значениям нагрузки при ходе вверх и значениям нагрузки при ходе вниз.

11. Способ по любому из пп. 1, 2 или 3, в котором сравнение действительных линий нагрузки флюидом с расчетными линиями нагрузки флюидом содержит определение, имеет ли скважинная диаграмма сверхкритическое затухание или докритическое затухание.

12. Способ по п. 11, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма сверхкритическое затухание или докритическое затухание, содержит определение сверхкритического затухания в скважинной диаграмме при определении по меньшей мере того, что (а) значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вверх меньше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вверх, (b) значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вниз больше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вниз; или (с) соблюдаются (а) и (b).

13. Способ по п. 11, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма сверхкритическое затухание или докритическое затухание, содержит определение докритического затухания в скважинной диаграмме при определении по меньшей мере того, что (а) значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вверх больше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вверх, (b) значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вниз меньше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вниз, или (с) соблюдаются (а) и (b).

14. Способ по п. 11, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма докритическое затухание, содержит определение того, что мощность скважинного насоса больше, чем гидравлическая мощность.

15. Способ по п. 14, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма докритическое затухание, по меньшей мере вследствие коэффициента затухания при ходе вверх, содержит определение того, что значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вверх больше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вверх.

16. Способ по п. 14, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма докритическое затухание, по меньшей мере вследствие коэффициента затухания при ходе вниз, содержит определение того, что значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вниз меньше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вниз.

17. Способ по п. 11, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма сверхкритическое затухание, содержит определение того, что мощность скважинного насоса меньше, чем гидравлическая мощность.

18. Способ по п. 17, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма сверхкритическое затухание, по меньшей мере вследствие коэффициента затухания при ходе вверх, содержит определение того, что значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вверх меньше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вверх.

19. Способ по п. 17, в котором определение, имеет ли скважинная диаграмма сверхкритическое затухание, по меньшей мере вследствие коэффициента затухания при ходе вниз, содержит определение того, что значение расчетной линии нагрузки флюидом при ходе вниз больше, чем значение действительной линии нагрузки флюидом при ходе вниз.

20. Способ по п. 1 или 2, в котором коррекция по меньшей мере одного из коэффициентов затухания из модели волнового уравнения, основанная на сравнении, содержит коррекцию по меньшей мере одного коэффициента затухания в соответствии с отношением мощности скважинного насоса к гидравлической мощности.

21. Способ по п. 1 или 2, дополнительно содержащий модификацию по меньшей мере одного параметра насосной установки на основании образованной скважинной диаграммы.

22. Способ по п. 21, в котором модификация по меньшей мере одного параметра насосной установки на основании образованных данных о скважинном насосе содержит выключение двигателя или коррекцию частоты вращения двигателя.

23. Способ по п. 3, в котором модификация по меньшей мере одного параметра насосной установки на основании образованных данных о скважинном насосе содержит выключение двигателя или коррекцию частоты вращения двигателя.

24. Способ по п. 3, в котором модификация по меньшей мере одного параметра насосной установки на основании сравнения содержит:
коррекцию на основании сравнения затухания в модели волнового уравнения; и
образование другой скважинной диаграммы на основании скорректированного коэффициента затухания.

25. Устройство хранения программ, имеющее программные инструкции, сохраняемые в нем, для побуждения программируемого управляющего устройства к выполнению способа по одному из пп. 1-24.

26. Контроллер насосной установки, имеющей скважинный насос, расположенный в буровой скважине, и имеющей двигатель на поверхности буровой скважины, скважинный насос возвратно-поступательно перемещается в буровой скважине колонной насосных штанг, в рабочем состоянии перемещаемой двигателем, при этом контроллер содержит:
один или несколько интерфейсов, получающих наземные измерения, показывающие поверхностную нагрузку и положение поверхности колонны насосных штанг на поверхности;
запоминающее устройство, находящееся в связи с одним или несколькими интерфейсами и сохраняющее модель волнового уравнения, одного или более коэффициента затухания; и
обрабатывающий блок, находящийся в связи с одним или несколькими интерфейсами и запоминающим устройством и сконфигурированный для выполнения этапов в соответствии с одним из из пп. 1-24.