用于井下油/水分离系统的操作参数的监控和自动控制.pdf

一种用于操作井下油水分离器和电潜水泵的方法，包括：测量泵入口、分离器入口和井筒底部的至少一个附近的流体压力。在分离器的水出口处测量流速和压力的至少一个。泵和水出口限流器被控制以保持最优的流体泵送率和分离的水的最优喷射率。流控制系统包括设置在分离器的水出口中的可控阀。压力传感器和流量表的至少一个可操作地联接到水出口。控制器与压力传感器和流量表的至少一个信号通信，并与阀操作通信。该控制器操作阀，以保持经水出口的选定压力和/或选定流速。

1.  一种与设置在井筒中的电潜水泵和井下油水分离器一起使用的流控制系统，包括：
设置在所述分离器的水出口中的可控阀；
第一压力传感器，被设置为靠近所述泵的入口、靠近到所述分离器的入口和靠近井筒的底部的至少一个；和
控制器，与第一压力传感器信号通信，并与所述阀操作通信，所述控制器配置以在启动泵时关闭所述阀，并在由至少一个传感器测量的压力到达选定值时，打开所述阀。

2.  根据权利要求1所述的系统，进一步包括：第二压力传感器，其与所述水出口水力连通，并与控制器信号通信，并且其中：所述控制器被配置以操作所述阀，以在水出口中保持选定压力。

3.  根据权利要求1所述的系统，进一步包括：流量表，其可操作地联接到所述水出口并与所述控制器信号通信，并且其中：所述控制器被配置以操作所述阀，以保持经所述水出口的选定流速。

4.  根据权利要求1所述的系统，其中：所述控制器被设置在地表处。

5.  根据权利要求1所述的系统，进一步包括：流量表，其可操作地联接到井筒的流体排放口，并与控制器信号通信；所述控制器被配置以操所述作泵和所述阀，以保持经所述流体排放口的选定流体流速。

6.  根据权利要求1所述的系统，进一步包括：第三压力传感器，其可操作地联接到井筒的流体排放口，并与所述控制器信号通信；所述控制器被配置以操作所述泵和所述阀，以保持所述流体排放口中的选定压力。

7.  一种与设置在井筒中的电潜水泵和井下油水分离器一起使用的流控制系统，包括：
可控阀，设置在所述分离器的水出口中；
压力传感器和流量表的至少一个，其可操作地联接到所述水出口；和
控制器，其与压力传感器和流量表的至少一个信号通信，并与所述阀操作通信，所述控制器被配置以操作所述阀，以保持经所述水出口的选定压力和选定流速中的至少一个。

8.  根据权利要求7所述的系统，其中：所述控制器被设置在地表处。

9.  根据权利要求7所述的系统，进一步包括：流量表，其可操作地联接到所述井筒的流体排放口，并与所述控制器信号通信，所述控制器被配置以操作所述泵和所述阀，以保持经所述流体排放口的选定流体流速。

10.  根据权利要求7所述的系统，进一步包括：压力传感器，其可操作地联接到井筒的流体排放口，并与所述控制器信号通信，所述控制器被配置以操作所述泵和所述阀，以保持流体排放口中的选定压力。

11.  根据权利要求7所述的系统，进一步包括：压力传感器，其设置在所述泵的入口、所述分离器的入口和所述井筒的底部的至少一个附近，所述附近设置的压力传感器与所述控制器信号通信，并且其中：所述控制器被配置以在所述泵启动时关闭所述阀，直到选定的压力被所述至少一个压力传感器测量到。

12.  根据权利要求7所述的系统，进一步包括：水中油传感器，其功能联接到所述水出口，并与所述控制器信号通信，其中：所述控制器被配置以在运动经过所述水出口的水中探测到油时操作阀。

13.  根据权利要求7所述的系统，进一步包括：水中固体传感器，其功能联接到所述分离器的油出口，并与所述控制器信号通信，其中：所述控制器被配置以在所述分离器的油出口中探测到固体时改变联接到所述分离器的入口的所述泵的运行率。

14.  一种用于操作井筒中的井下油水分离器和电潜水泵的方法，包括步骤：
开启所述泵；
测量所述泵的入口、所述井筒的底部和所述分离器的入口的至少一个附近的流体压力；和
停止来自所述分离器的水出口的流，直到流体压力到达选定值。

15.  如权利要求14的方法，进一步包括以下步骤：测量所述水出口处的流速和压力的至少一个；并控制所述水出口中的限流器，以保持进入喷射地层的水的选定压力和选定流速中的至少一个。

16.  如权利要求14的方法，进一步包括以下步骤：测量从井筒出来压力和流速中的至少一个；和控制泵的速度，以保持从井筒排出的流体中的选定流体压力和选定流速中的至少一个。

17.  一种用于操作井筒中的井下油水分离器和电潜水泵的方法，包括步骤：
测量所述泵的入口、所述分离器的入口和所述井筒的底部的至少一个附近的流体压力；
测量所述分离器的水出口处的流速和压力中的至少一个；和
控制所述泵的速度，并控制所述水出口中的限流器，以保持进入喷射地层的分离的水的最佳的流体泵送率和最佳喷射率。

18.  如权利要求17的方法，还包括以下步骤：当所述泵开启时，关闭限流器，直到附近测量的压力达到选定值。

19.  一种用于操作井筒中的井下油水分离器和电潜水泵的方法，包括步骤：
测量关于分离器的水出口中存在油的参数；和
如果测量的油参数指示在分离的水中存在油，减小从分离器的水出口到喷射地层的水流量。

20.  如权利要求19的方法，还包括以下步骤：测量关于分离器的油出口中存在固体的参数，并当测量的固体参数指示在油出口中存在固体时，减小泵的运行率。

21.  根据权利要求20所述的方法，其中所述减小运行率的步骤包括：减小驱动所述泵的电机的旋转速度。

22.  根据权利要求19所述的方法，其中所述减小水流量的步骤包括关闭控制阀的步骤。

用于井下油/水分离系统的操作参数的监控和自动控制
技术领域
本发明通常涉及井下油/水分离系统领域。更具体地说，本发明涉及井下油/水分离系统的自动操作，以保持优选的系统操作参数。
背景技术
本领域已知的烃生产系统包括电潜泵(“ESP”)和井下油水分离器(“DOWS”)的组合。在ESP/DOWS生产系统中，ESP和DOWS被设置在钻探穿过地下地层的井筒中。该井筒典型地在其中具有钢管或套管，从地球的表面延伸到流体将被抽取或喷射自的最深地下地层以下的深度。
ESP典型地是由电机旋转的离心泵。ESP的入口与流体将被提取的地下地层(“生产地层”或“生产区”)的一个或多个水力连通。ESP出口或排放口与DOWS的入口水力连通。DOWS具有两个出口，一个用于从生产地层提取的流体分离出的水，并且另一个用于在水分离后剩余的流体。典型地，该分离的水出口与用于处理分离出的水的地下地层(“喷射地层”或“喷射区”)的一个或多个水力连通。
DOWS是典型的水力旋流分离器或离心类型的分离器。一种水力旋流分离器包括导致在其中流动的流体在旋转通路中高速运动的设备，以导致更密的水向分离器的径向最外部运动。主要包括油的更小密度的流体受限，以通常沿分离的径向中心运动。离心分离器典型地由电机操作，可以与驱动ESP的电机相同的电机或不同的电机。离心设备使用电机的旋转能量，以导致进入离心机的流体以高速旋转，因此水和油以与水力旋流分离器类似的方式约束。
为了从ESP/DOWS生产系统取得最大益处，期望操作ESP，以便：运动经过ESP/DOWS系统的流体量等于生产地层能够生产流体时速度。还期望控制DOWS的操作，以便：喷射进入喷射地层的流体量不超过喷射地层能够接受的量，或者可选地，以便：经DOWS的流体流速不超过其分离能力。在后者的情况中，油可能排放经过水出口，并在喷射地层中处理。
本领域已知自动控制ESP的操作率，以导致ESP运动适合量的流体。例如参见授予Shaw等人的美国专利第5,996,690号中公开的系统未提供对从DOWS输出的流体进行任何控制，或对从DOWS的水出口排放的流体速度的任何单独的控制。
发明内容
本发明的一个方面是用于操作井筒中井下油水分离器和电潜水泵的方法。根据本发明的这个方面的方法，包括：测量泵入口和分离器的入口和井筒的底部的至少一个附近的流体压力。在分离器的水出口处测量流速和压力的至少一个。泵的速度和水出口的限流器被控制以保持进入喷射地层的分离的水的最优的流体泵送率和最优喷射率。
根据本发明的另一方面，与在井筒中设置的电潜水泵和井下油水分离器一起使用的流控制系统包括设置在分离器的水出口中的可控阀。压力传感器和流量表的至少一个可操作地联接到水出口。控制器与压力传感器和流量表的至少一个信号通信，并与阀操作通信。该控制器被配置以操作阀，以保持经水出口的选定压力和选定流速(率)的至少一个。
根据本发明的另一个方面，用于操作井下油水分离器和井筒中电潜水泵的方法，包括：测量关于分离器的水出口存在油的参数；并且如果测量的油参数指示在分离的水中存在油，减小从分离器的水出口到喷射地层的水流量。
通过下述描述和所附权利要求，本发明的其它方面和优点将变化很明显。
附图说明
图1显示了设置在井筒中的根据本发明的泵/分离器系统的一种实例的示意表示。
图2更详细地显示了图1的实例系统。
图3显示了地面数据获取/电力和控制单元的一个实例的示意图。
具体实施方式
图1中显示了一种实例生产系统的示意表示，包括连接到井下油水分离器(“DOWS”)的电潜水泵(“ESP”)。钻探穿过包括油生产地层32和水处理或“喷射”地层30的地下地层的井筒，具有管或套管11，从地表处的井头34延伸到井筒的底部。该套管11典型地被水泥粘合就位以水力隔离多个地下地层，并提供与井筒的机械整体性。
包括ESP的生产系统位于选定深度处的套管11内部。该ESP典型地包括连接到保护装置12的诸如三相AC电机的电机10。电机传感器10A可包括诸如三轴加速表的感应元件(未单独显示)，可探测电机10产生的振动。加速度(振动)的测量值可被传送到地表以提供有关电机10的操作状态的信息。电机传感器10A还可包括当前测量值感应元件(未单独显示)，来自其测量值也可被传送到地表以提供有关电机10的操作状态的信息。该电机传感器10A还可包括压力传感器(未单独显示)，以测量套管11内的流体压力。
经保护装置12，电机10的旋转输出被联接到离心泵14。泵14的入口与套管11的内部水力连通，以便：经与生产地层32相对定位的穿孔32A进入套管11的流体将抽入泵入口，并由泵14向地层表面提升。压力传感器14A可被设置在泵入口附近以测量流体压力。下面将描述用于这种流体压力测量的目的。
该泵14排放口能够连接到DOWS 16的入口。在这个实例中的DOWS 16可以是离心类型分离器。DOWS 16的内部的转子(未单独显示)可由电机10旋转，以导致其中由泵14运动的流体高速旋转，从而在从套管11的内部泵入其中的流体中，使油与水分离。水力旋流类型的分离器可用于其它实例，并且因此当前实施例中的离心类型DOWS的使用并不期望限制本发明的范围。DOWS 16包括通常设置在其径向中心处的油出口16A。DOWS 16还包括通常设置接近DOWS16的径向边缘的水出口22。
该油出口16A被联接到延伸到地表处的井头34的生产管18。因此，从油出口16A运动进入生产管18的所有流体被运送到地表。该生产管18穿过通常设置在生产地层32上方和喷射地层30下方的环形密封元件，称作封隔器26。在其它目的中，该封隔器26配合地接合管道18的外部和套管11的内部，以将生产地层32与喷射地层30水力隔离。
本领域的技术人员将容易理解到：其中喷射地层30位于生产地层32上方的图1中所示的配置并不是ESP/DOWS系统可以用于的唯一配置。在其它实例中，生产地层可位于喷射区域上方。在这种配置中，密封元件(封隔器)的位置可以不同，并且水出口可以指向下方，而不是如图1所示向上，然而采用这种配置的系统的操作原理与图1中的相同。相应地，生产和喷射地层的相对深度不是对本发明的范围的限制。
该水出口22可被功能联接到通常在20处显示的流量表和/或压力传感器，以便能够确定水出口22中的流体压力和/或流速(流率)。下面将进一步描述这种传感器和测量值的目的。控制阀24在自流量表和压力传感器20的下游。该控制阀24能够可控地限制或停止自水出口22的流。该控制阀24的出口被联接到喷射管线28。该喷射管线28可穿过封隔器26中的适合密封给送通口，并能够终止在封隔器26上方的套管11内部。
在一些实例中，传感器20可包括水中油(“OIW”)感应元件(未单独显示)。OIW感应元件例如可以是光声传感器、超声波粒子监视器、光纤荧光探针或红外传感器，或前述的组合。如将在下面进一步描述，如果传感器20探测到正返回到喷射地层的水中任何数量的油，控制阀24可关闭或DOWS旋转速度可受控以减小或消除这种油。
在这个实例中，该喷射地层30被设置在封隔器26上方，并且通过穿孔30A与套管的内部水力连通。因此，喷射管线28出口与喷射地层30水力连通，并且与生产地层32水力隔离。使用液压管线38，该控制阀24可以从地表液压启动，如将参照图3在下述进一步描述。在本领域中，用于井筒的液压启动阀是已知的。例如参见授予McCalvin等人并转让给本发明的受让人的美国专利第6,513,594号。应该理解：控制阀24并不局限于如图1所示的液压启动。作为两种其它非限制实例的电和气动启动也可用于本发明。当控制阀24完全关闭时，DOWS 16的整个输出受到限制，流经油出口16A，经管道18向上到地表。
在35处总地显示的压力传感器和/或流量表可被安装在地表的流管线33中。该流管线33被水力联接到管道18，典型地经过接近井头34设置的“翼”阀33A。该流管线从而用作自井筒的排放口或出口。可选地，传感器35可被安装在生产管道18的底部(在油出口16A)。在一些实施中，在诸如超声波粒子监控器的水传感器中，传感器35可能包括固体。在一些实例中，如将在下面说明，从井排放的流体量可被控制以减小或消除确定进入管道18的底部的生产流体中存在的任何固体。
从井筒内部设置的多种传感器20，14A和10A的测量值可被通信到数据捕获和遥测收发器39。该遥测收发器39将来自多种传感器的信号格式化为适合的遥测方案，用于通信到地表，典型地沿用于提供电力以操作电机10的电缆37。该遥测信号被通信到设置在地表通常接近井头34处的电力/数据捕获和控制单元36。如图1所示，来自流管线33中的流量表/压力传感器35或地表处的其它传感器的信号也可通信到控制单元36。将在下面进一步说明响应多种测量值的电力/数据捕获和控制单元36的操作。
图1中所示的配置期望具有将在下面说明的系统控制功能，由位于地表的特定系统部件执行，具体地在控制单元36中。明显地在本发明的范围内：描述的控制功能还能够利用设置在井中的适合和/或类似系统控制设备执行(参照图3进一步说明)。相应地，在这里显示和描述的系统控制设备的位置不是对本发明的范围的限制。
图2更详细地显示了通常连接到生产管道18的下端的生产系统部件。DOWS 16的油出口16A显示联接到管道18的下端，以便：离开油出口16A的所有流体沿管道18向上运动。该泵14显示联接到DOWS 16的入口侧。电机10和保护装置12也显示在系统中的其通常的各自位置中。该压力传感器14A显示接近泵14的入口14B，以测量前面说明的入口14B处的流体压力。还显示了功能联接到水出口22的流量表/压力传感器20。该控制阀24和阀致动器控制管线38显示设置在流量表/压力传感器20的下游。还显示了控制阀24的出口28。最后，来自每个传感器10A，14A，20的信号连接显示联接到数据捕获/遥测收发器39。从收发器39的信号输出被联接到电力电缆37。
图3显示了电力/数据捕获和控制单元36中的系统的一个实例的示意图。该控制单元36可包括遥测收发器42，其能够接收和解码自沿电源电缆37发送的遥测信号的遥测。代表来自参照图1和2说明的多种传感器的解码的遥测的测量值可通信到中央处理器(“CPU”)40。CPU可以是任何基于微处理器控制器或可编程逻辑控制器，诸如作为General Electric Corp.，Fairfield，CT的商标的商标FANUC下销售的一种。CPU 40的控制输出可被联接到本领域已知的任何类型的电机速度控制器44，诸如AC电机速度控制器。AC电机速度控制器44可由CPU40操作以导致电机(图1中的10)，并且从而泵(图1中的14)和DOWS(图1中的16)以选定旋转速度工作。CPU 40的另一控制输出可被联接到致动器控制46。该致动器控制46提供液压压力以操作控制阀(图1中24)。典型的致动器控制的部件可包括液压泵52，其入口被联接到液压流体的储层48。泵的排放口穿过止回阀54，并排放到配置以保持选定系统流体压力的蓄压器56。压力开关50可在到达选定系统压力时停止泵。液压压力可以选择性地经节流阀58应用于液压管线。该节流阀可以是联接到CPU 40的控制输出的电力液压操作阀。因此，CPU 40可经编程以选择电机速度和控制阀(图1中的24)打开的程度。
已说明了根据本发明能够使用的生产系统的部件，现在将说明实现DOWS(图1中16)的特殊操作的泵(图1中14)和控制阀(图1中24)的操作实例。
可编程进入CPU40的第一程序是“启动”程序。启动是指在其一定时期的不活动后，电机(图1中10)、泵(图1中14)和DOWS(图1中16)的初始操作。在这种不活动期间，自生产地层(图1中32)进入套管(图1中11)的流体将趋向于升高其水平，以便：其流体静压头等于生产地层中的流体压力。同时，在套管(图1中11)中的流体的油将趋向于与流体中的水分离。在这种分离后，泵入口可以完全地潜入油中，而不是进入当流体从生产地层(图1中32)排出时水和油的组合。如此潜入，从泵排出并进入DOWS(图1中16)的流体将初始整体由油组成。如果仅油穿过DOWS，油将在水出口(图1中22)处排放。因此，最初，如果系统未以其它方式控制，油将被喷射进入喷射地层(图1中30)，直到在泵入口存在大量的水。在当前实例中，CPU 40可编程在启动时以操作节流阀58以提供液压压力以关闭控制阀(图1中24)。因此，离开DOWS 16的所有流体将沿管道(图1中18)向上产生。CPU 40可编程以保持控制阀关闭，直到在泵入口处(由图1中的压力传感器14A)或电机的底部(由图1中的传感器10A)测量的压力下降到预定水平时的时刻为止。在这一时刻，泵入口将暴露于水和油的适合组合。DOWS的水出口则将排放大致所有水，如同DOWS的设计目的。CPU 40然后可操作节流阀58以打开控制阀(图1中24)。因此，从水出口(图1中22)排放的水可自由经过到喷射地层(图1中30)。
另一实例过程包括在ESP和DOWS的操作期间，使用流量表/压力传感器(图1中20)测量水出口(图1中22)处的压力和流速(流率)。如果在操作期间，经水出口的流速或水出口中的压力实质改变，则CPU 40可操作节流阀58以导致控制阀部分或全部关闭。在另一实例中，CPU 40可使用经水出口(图1中的22)的流速的测量值，以操作控制阀(图1中24)，以便：保持进入地层的选定水流速。在另一实例中，CPU 40可被编程以操作节流阀(并且因此控制阀)以便：选定压力保持在水出口中。
在另一实例中，CPU 40可使用来自流动管线(图1中的传感器35)中的流量表/压力传感器的测量值，以控制电机速度(并且因此ESP的泵取速度)和控制阀孔径，以使ESP和DOWS的操作最优。优化例如能够包括在地表保持选定的流体流速，并且保持进入喷射地层(图1中30)的选定水流速。通过优化ESP和DOWS的操作，能够避免油不期望地喷射进入喷射地层，同时ESP可被操作以将预定量的流体(油和/或油水组合)提升到地球的表面。
在另一实例中，并且如上所述，如果水中油传感器包括在水喷射管线中，在将喷射的水中确定存在任何明显数量油的情况中，CPU可被编程以限制或关闭控制阀(图1中24)。如果水传感器中的固体包括在油出口(图1中16A)中，在生产流体流中确定存在固体的情况下，CPU可经编程以减小电机速度。可选地，如前所述，使用遥测装置，由水中油和水传感器中固体产生的信号可被通信到地表。系统操作员可观察由各自传感器探测的油和/或固体的量，并且可手动调节电机速度和/或控制阀位置以校正生产系统的任何不适合操作。
返回到图2，CPU(图3中40)可使用例如由电机10上的传感器10A进行的振动和电流测量值，以确定有关电机10或泵14存在的问题。
根据本发明多个方面的系统可提供对地下水分离和处置更好的控制，和ESP的更高效的操作。
虽然本发明已关于有限数目的实施例进行了描述，本领域的技术人员利用这种公开，将认识到：不背离这里公开的发明的范围，可以想到其它实施例。因此，本发明的范围将仅由所附权利要求书限制。