在井孔處對采收流體實現自動化或計量的系統和方法

專利名稱：在井孔處對采收流體實現自動化或計量的系統和方法
技術領域：
本系統和方法涉及一種自動流體采收系統，特別針對各種用于從井孔采收油和氣體的采收系統。在井孔處的這種系統可以本地或遠程受到監測和控制。在井孔處的采收流體的數量于所述井孔處予以計量。
背景技術：
諸如油井和氣井這樣的井孔往往位于偏遠地區。諸如采油架的各種采收裝置用于從井孔采油并將油泵送至儲罐。通常，儲罐通過相互連接在一起的管線/油流管線連接到若干井孔。在某些油田存在著水通常與油共同泵送的情況下，分離罐用于將油從水中分離出來。所收集到的油隨后出售給煉油廠。這些油田裝置的運作一般是將所述裝置連接于本地電源而后開動馬達。維護保養需要現場訪問和對裝置運作的觀察。如果在預定的維護保養訪問之后，井孔處出現問題或需要進行調整，則將必須一直等到下一次訪問才得以發現和改正。一般來說，確定在某一井孔處生產的油或氣的數量是通過測定采收罐中油或氣的水平而完成的。如果有一口以上的井孔向此罐進行饋送，則確定由任何個別井孔所抽取的油或氣的數量是成問題的。


本發明的上述和其它一些目的和優點將會參照由附圖所示的下述詳細說明而變得顯而易見，其中圖1是一種采收系統的示意簡圖，此系統具有一控制模塊，用于經由一采收裝置自動從井孔采收流體并用于由一計量器測定在該井孔處采收的流體數量；圖1A是圖1采收系統的示意簡圖，其另外示出作為采收裝置的一個組成部分的控制模塊；圖1B是圖1采收系統的示意簡圖，其另外示出作為計量器的一個組成部分的控制模塊；圖2A是一種罐用計量器的示意簡圖，用于測定由采收裝置所采收到的流體；圖2B是用于石油抽提設備的另外一種計量系統的示意圖；圖2C是一流程圖示例，示出用于自動計量由石油抽提設備采收的流體容積的一個控制模塊的自動控制；圖3A是一流程圖示例，示出用于采收循環自動化的控制模塊的控制；圖3B是另一示例的流程圖，示出用于采油架的采收循環自動化的控制模塊的控制；圖4是一流程圖實例，用于調整采收循環；圖5是一示意簡圖，用于示出連接于儲罐的一個采收裝置系統。
具體實施例方式
本公開提供一種在井孔處使流體采收過程自動化的途徑，并且由于以下所述的系統比較便宜，所以在公知為低產井孔的低儲量油井處特別有用。低產井是淺層、低生產井，往往產出最多每天五桶的油。通過在每口井孔處使采收過程自動化，可以實現其它一些好處。例如，正如下面將會較為詳細說明的那樣，一項好處是能夠自動找出井中油的采收率并在該采收率下調整油的采收。這樣會顯著地降低采油成本，既在運作采收裝置的花費上，也在保持其運作的維護保養上。另一項好處是，能夠精確地測定在每一井孔處所采收的油量。每一井孔具有其自身的采收特性。通過計量在每一井孔處所采收的油量，可以建立采收歷史以便從這口井孔預見采油的前景。對于多種部件或作為整體的所述系統做出診斷也可以用于確定采收過程存在的各種問題。類似地是，在每一井孔處計量流體也將提供機會來監測整個油田的狀況，包括采收裝置、用于將流體泵送至儲罐的管線以及儲罐自身。
顯示、監測和控制自動采收系統可以就地在井孔處或采用臺式或筆記本電腦在遠處得以實現。與采收系統的通訊可以包括雙線、無線技術，或者其它目前可供使用的通訊技術。可以采用諸如HART、Fieldbus、Modbus的協議或其它各種協議。另外，正如以下將要較為詳細說明的那樣，若干自動采收系統可以聯網在一起以從一個地方監測和控制某一或整個油田內的若干井孔。雖然以下將說明一種采收系統，但本領域技術人員應當了解并理解，所述公開內容的教益可用于其它類型的井孔，諸如水井和氣井。采油系統現在參照圖1，其圖示一種用于自動采油以及用于在油井12處計量采收油量的系統10。如圖所示，本發明的一種采油系統11包括采油裝置14、控制模塊16和計量器18。采油裝置14可以是諸如舀撈或注氣裝置的若干類型裝置之中的任何一種，這些裝置在采油行業中都是人所眾知的采油裝置。不過本發明的各項概念在采用由Texas，Georgetown的Texas Herifage石油公司生產的常用多井聯動簡易采油架或新上市的石油抽提設備從而將流體泵送至儲罐35時是特別有利的。為了完全理解本發明的各項好處，以下說明的采油系統將會包括作為采油裝置實例的所述石油抽提設備和多井聯動簡易采油架從而更好地對發明進行說明。還應當理解的是，控制模塊可以是一種獨立的模塊，如圖1A所示，其連接于采油裝置和/或計量器；完全集成到采油裝置的電子設備中；或者如圖1B所示，完全集成到計量器里面。相似的是，采油系統可以被建造成不帶計量器。換句話說，系統可以僅包括多井聯動簡易采油架或石油抽提設備以及控制模塊。
采油裝置當前由Texas Heritage石油公司供應上市的石油抽提設備包括一撈筒，由一基礎設備使之提升和下入到井孔中。通常，撈筒下放在井孔內的深度是由為測定駐留在井孔之內的油的頂面和油/水界面高度而進行的多次測試所預先確定的。根據這種信息可以確定撈筒的深度設定。撈筒可以包括一泵具和一用于收集油的容器。電池電源也可以放在撈筒之內從而為泵具供電。當撈筒被送至地面時，其與排放裝置對接。隨著對接排放裝置，一限位開關被致動以停止馬達(用于將撈筒送至地面)并起動一壓縮機(用于施壓于撈筒并且迫使油經由管筒向上并流出排放裝置)。限位開關也可用于控制井孔中撈筒的深度，從而使它只收集油。通常，壓縮機予以定時，以使它運行一段時間(一般2分鐘或3分鐘)，這段時間長到足以將采收在撈筒中的油泄放至計量器、油管和/或泄放到外部收集罐。單獨的定時器也可以設定成定時重新對撈筒中的電池進行充電，而后此電池開始采油的下一循環。定時器也可以用于限制或控制下井循環時間(下放撈筒到井里的總時間加上撈筒被留在井中向撈筒中泵送油的時間)以及上井循環時間，此時間是用于提升撈筒的時間加上為電池充電的時間。
設定下井和上井循環控制著采收循環的次數并因此控制著由石油抽提設備所采收的油的數量。例如，設定一小時的下井循環和兩小時的上井循環，意味著石油抽提設備將在24小時期間內從事8次采油循環。換句話說，定時器用于確定撈筒在井內處在油中以使其充油的時間長短以及然后在它返回以收集另一裝載量之前處在地面上的時間長短。如果撈筒盛裝4個半加侖，則經過24小時將采收到36加侖的油。這是假設撈筒充分地安放在井中的油池之內，從而使撈筒在它被帶到地面上之前是完全充滿的。
此種石油抽提設備的較為詳細的描述示出和說明在具有系列編號10/106,655的美國專利申請之中，此申請是Philip Eqqleston的題為“從井中抽取油或其它流體的設備”，于2002年3月26日提出，在此引入作為參考。
許多年來多井聯動簡易采油架一直用于從井中泵油。此類型泵的實例披露在美國專利1,603,675和2,180,864之中，并在此引入作為參考。一般來說，一臺泵下放在井中并連接于一系列抽油桿件和管件。用于致動泵具的相互連接的桿件聯接于在油田中可以見到的令人熟悉的上下運動的搖臂。一電氣馬達用于驅動搖臂并因而利用各桿件驅動泵具。泵具將流體沿著長長的相互連接的一系列抽油管向上送至地面，隨后送至一收集罐。工業中的常用經驗辦法是將泵具安放在離開井底60英尺的地方(一般兩段抽油管和抽油桿)。這種辦法的常見問題是，泵具幾乎總是安放在通常存在于油井內的鹽水之中。結果，鹽水與油一起被泵出。因為這種問題，分離罐幾乎總是設置在地面上從而將油與水分離。鹽水是很具腐蝕性的，并且是泵具發生損壞的主要原因之一。為了有助于泵送鹽水，可以首先進行一項測試以確定井中的油的頂面，以及隨后確定油/水界面的高度。一旦確定下來，泵具可以被設置在僅有油從井中被泵送出來的深度處。
控制模塊在此優選的實施例中，控制模塊16包括基于微處理器的控制器20，可提供為多種多樣油田自動化應用場合所需的各種功能，能夠就地或從遠處進行采油裝置的監控、測定和數據存檔以及控制。比如，可以采用一種可編程邏輯控制器(一般稱作PLC)。一種比較便宜和目前有售的PLC是由Unitronics Industrial Automations Systems提供的，Unitronics的PLC具有充分的處理能力、定時器數量、存儲器從而控制采油裝置，并具有提供雙向通訊的能力。其它一些控制器也是可供使用的，并可能適于用在本申請之中。這些裝置可包括充足的過程輸入和輸出(各I/O)接口22，用于將控制器連接于采油裝置的多種電氣部件。多個I/O的好處是，能使模塊連接于用于收集測定和檢測到的數據以便控制或診斷采油系統運作的多種裝置。換句話說，此控制模塊用于使采收系統自動化并便于采收系統運作的遠距通訊和控制。比如，抽提設備采用一種卷軸裝置來提升和下放撈筒以在井中收集油。優選地是，一鄰近傳感器用以監測卷軸的轉動以測定和控制撈筒的深度。另外，用于檢測撈筒何時已經正確地座入排放裝置的各限位開關是由控制模塊予以檢測的，并用于控制馬達和壓縮機從而將油泵出撈筒。控制模塊(通常配有大多數PLC)中的各定時器也可以控制循環的多個方面，亦即何時開動壓縮機和開動多久，在撈筒被送入井孔用于另一裝載量之后將撈筒保持在井的頂部處多久，將撈筒保持在一預先選定的深度處以收集油多久等。控制模塊還具有能力來調整采收過程以達到最佳采收，正如下面將要說明的那樣。
類似地是，控制模塊可以當一多井聯動簡易采油架用作采油裝置時用于使采收系統自動化。正如以上所述，多井聯動簡易采油架采收裝置往往使用電氣馬達來上下驅動一搖臂。搖臂本身又連接于用以在井中驅動泵具的各桿件。一皮帶和帶輪總成一般將馬達連接于搖臂。皮帶的磨損和破斷往往沒有預示而直到對井位作例行維護保養訪問時才被發現。為了有助于自動化、控制、檢測和診斷多井聯動簡易采油架的各種問題，控制模塊的各個I/O被優選地連接于多種電氣裝置以控制和監測多井聯動簡易采油架和采收系統。例如，某一鄰近的傳感器(未示出)優選是用于測定帶輪總成的一個帶輪的運動以檢測是否(各)皮帶已經斷裂或正在打滑到飛輪即將不從馬達傳送動力給搖臂的地步。另外，諸如由在Fenton，MO的CR Magnetics出售的動力模塊19(圖1)，優選地是用于確定馬達負荷。出于若干原因，確定馬達負荷是很重要的。原因之一是馬達本身的健全狀況。另一原因是泵具和各桿件的健全問題。比如，如果泵具或各泵桿損壞，馬達負荷將顯著下降并且可以由控制模塊檢測出來。馬達負荷下降也可能是其他一些問題的征象，正如可由本領域技術人員所認識到的那樣。例如，當油井已經被泵具抽干時，泵具上的負荷也會下降。同樣優選的是，控制模塊的I/O連接于馬達用于控制馬達和計量器的運作。由于這一披露內容，連接于其它裝置從而控制和監測多井聯動簡易采油架的連接件應當是顯而易見的。
同樣優選的是，控制模塊16具有通訊接口24，后者可使模塊雙向地連通于本地或遠距顯示和控制裝置(26，28)，也就是一筆記本或臺式電腦。相互連接可以通過直接連線30或是經由某種形式的無線通訊32，諸如移動通訊技術或無線電技術來予以實現。按照應用場合并且如下所述，在某些情況下，移動通訊和無線電技術二者都納入在模塊之中可能是比較實用的。這樣可以進一步使得其它一些地處遠方的采油系統34被聯接在一起。這一點將在下面較為詳細地予以說明。還優選的是，設置電池備件31以在供電中斷的情況下向所述模塊供電。繼電開關(未示出)可以設置在主電源線路中并用于通過控制模塊來監測或檢測供電中斷，而后可以將此狀況報告給遠處的用戶。利用這些信息，可以通過向各個需要關注的油井分配資源來節省時間和金錢。
除了監測和控制采油裝置以外，控制模塊有能力對作為整體的采油裝置和系統做出診斷。例如，優選地設置壓力傳感器19并在流路之中測定通向收集罐35的油流管線17中的壓力。利用控制模塊來檢測油流管線之中的壓力并終止泵送過程可以防止泵入由于石蠟積聚而被堵塞的那些管線或泵入具有低于正常的壓力而表明在油流管線中可能存在泄漏的那些管線。為了檢測壓力管線的全面狀況，可以以導線接上通常可供使用的各壓力開關并予以調定而用于通過控制模塊進行檢測。來自由控制模塊確定的任何診斷的信息結果隨后可以傳送給遠處的用戶。
用于各控制器編程的邏輯一般是簡單明了的。例如，大多數PLC采用梯級邏輯予以編程，這是一種普遍為人所知的程序語言。其它常用的一些程序語言也可以采用。在了解在此披露的各項申請之后并根據可能為優選的控制、診斷、收集到的數據、通訊等等，本領域技術人員應當能夠容易地將適合的邏輯編入控制器。所述控制類型的示例將在以下較為詳細地予以說明。
計量器由于即將明白的若干原因，采用計量器18測定由采收裝置在油井處采收到的油量是使采收系統自動化的一個重要的但并不一定必需的部分。在油井處測定采收到的油量的一項好處是，采收到的油量可以用于調整采收裝置以使在該油井處的采收達到最大。另一好處是，能夠在一特定的油井處跟蹤生產和生產歷史。
用在本發明之中的計量器類型將主要取決于采油系統的應用場合。比如，如果采油裝置是一多井聯動簡易采油架，則將可能從井中泵出連續的液流。由于泵具優選是僅安放在油中，所以一種哥氏(Coriolis)流量計可能比其它一些類型的計量器更加適用于測定從井中泵出的油量。哥氏流量計一般可以經由多個賣主購得。這樣的一家賣主，例如是位于Boulder，Colorado的Micro Motion。其它一些類型的流量計可以到處購得，諸如超聲流量計、渦流流量計等，并且也是可以采用的。按照所用的流量計，優選是(雖然不是必需的)設計得僅對油進行計量。測定和監測即使是包含油和水組合的液流可能是很重要的。例如，為了維持泵具的健全，重要的是要確定是否它仍然在泵送液流。如果在已將油井泵干之后泵具留下來，則泵具可能會被損壞。一旦了解了油井的歷史，一定時器優選地是用于控制泵具應當何時開動和關閉的循環以從井中高效地泵出流體，這將在下面說明。
雖然目標是僅僅泵送油，但只是確定安放泵具的恰當深度就不是非常科學的。比如，地下水面可能隨時間而變。因此控制器測試水的存在的能力是有用的信息并可以用作關斷多井聯動簡易采油架馬達的信號。按照采用哪一種計量器，水的存在可能需要單獨地予以檢測。一種單獨的傳感器可以簡單到象是一組安放在油流之中的探頭從而檢測液體的導電性。比如，如果水跨越了兩個探頭，則形成連接從而表明水正在被泵送。不然，管線中的空氣或油會電氣隔絕各個探頭。
但是，假如使用石油抽提設備，則采收到的油就會在空氣管路中循環或是流動在空氣管路中的許多小批“油塊”。為每一循環測定這些較少的油量是比較困難的，但是用于使石油抽提設備自動化的重要信息將在以下作出說明。一種哥氏計量器或許可以同樣地用于測定各個油塊，但由于計量器的價格原因，可能并不現實。類似的是，其它如上所述的各種計量器都是可以購得的并且是可以使用的。
作為一種替換方案，可以采用在控制模塊控制之下的示于圖2A中的專用油罐計量器36。由于高壓空氣用以將油泵出撈筒，所以油需要在可被測定之前與空氣分離。如圖所示，當撈筒抵達地面時，由壓縮空氣推送的油流出排放裝置并流過位于(具有已知容積)油罐40頂部附近的入口38。用于從油罐40泄油的出口42位于底部處并在油罐40充油時由三通閥44使之關閉。三通閥44優選是一種由控制模塊16(圖1)控制的電磁閥。通氣孔46位于油罐40的頂部處開連接于三通閥44以在油罐40正被充油時允許空氣排出。隨著油塊正被傾入油罐，連接于控制模塊16的浮動液面計45可檢測油面。浮動液面計45優選類似于用于確定汽車油箱內汽油液面的各種浮動液面計。本領域技術人員會理解的是，其它各種類型的液面指示計也是可以使用的。在此優選實施例中，液面計是電阻式的，隨著油罐中油面的上升歐姆數發生變化。利用油罐中的油面(與油罐的已知容積相結合)，控制模塊16可以容易地確定采收循環期間采收到的油量。連接于控制模塊的各傳感器探頭48也安放在油罐40的底部以檢測水的存在。在確定了該循環期間采收到的油量之后，通過切換三通閥44來開啟泄放口和關閉通氣口46而從油罐40中泄放油。油罐40可以或是由壓縮機重新充壓或是利用外部泵具(未示出)泵出從而將液體泵向儲罐35。油罐計量器36可以具有其它結構以完成油/空氣的分離和測定，本領域技術人員將會理解這一點。
另一種用于測定撈筒內液體的方法是在每一采收循環之后被出空以前利用控制模塊來自動地將撈筒加壓到預定的壓力，而后測定達到該預定壓力所需的時間長短。已經發現將撈筒加壓到該預定壓力所花的時間長短正比于撈筒中的液體多少。換句話說，參照圖2B，撈筒51在控制模塊16的控制之下被送至地面并與排放裝置49接合。接合之后，利用壓縮機53為其充壓。根據由采收系統使用的適合壓縮機，壓縮機53可以由控制模塊16或者經由一如圖示連通儲存在壓力罐57之中大量壓縮空氣的電磁線圈55直接控制。也在控制模塊控制之下的閥門59，優選的是用以密封撈筒51以使其被充壓到預定的壓力而測定其中液體的容積。另外，一限壓器(未示出)可以用于加壓撈筒以致可以作出定時測定。優選是設定在一預定壓力上的壓力開關61用以表明撈筒中的預定壓力何時已經達到。例如，壓力開關61可以設定為28PSI。當達到預定壓力，亦即在此實例中的28PSI時，達到該壓力所花的時間由控制模塊16予以測定并用以確定撈筒51內的液體容積。一旦作出測定，閥59打開并使液體從撈筒51底部、向上經過管子63、沿著撈筒51的內側被泵出而進入油流管線65。這種測定撈筒內液體的方法為采收過程提供了一種成本上合算并且具有最少破壞性的方法。這種利用壓力測定液體容積的技術和方法比較完整地被圖示和說明在由MichaelSheldon于2003年2月10日提出的臨時申請中的題為“利用壓力測定容器中的液體容積”(Measuring Fluid Volumes in a Container using Pressure)。此申請的教益在此引入作為參考。
正如先前所述，可以設置第二壓力開關67并設定到某一預定的較高壓力，比如60PSI，以表明是否管線壓力大致上等于或高于第二壓力開關設定值。油流管線中的較高壓力可能表明油流管線受堵。在另外的方案中，可采用一般較為昂貴的用于測定多種壓力范圍的壓力傳感器來代替各壓力開關。采用壓力傳感器，可能進一步在油流管線中檢測出低壓，這可能表明存在油流管線泄漏。優選地，第二壓力開關設置得盡可能實際地接近油流管線以便獲得更為精確的壓力讀教。正如本領域技術人員所理解的那樣，示于圖2B之中的油流管線壓力開關設置在一條空氣供應管線之中從而將其與較為嚴苛的油流管線環境隔絕。如圖所示，此開關的壓力將稍微高于實際油流管線，因為必需額外的壓力來將液體推送向上并推出撈筒。
一流程圖示于圖2C之中并用于表明可能為控制模塊所用的各個步驟以便確定撈筒中的液體容積和檢測是否水已經利用以上計量和壓力檢測方法從井中抽取出來。循環開始于撈筒首先在油井頂部處被檢測出來并正確地與排放裝置相接合之時，步驟50。在撈筒被置放在油井頂部處的情況下，壓縮機和定時器被起動，步驟52，并保持開啟直到壓力開關被促動，步驟54。一旦壓力開關被促動，表明預定的壓力已經達到，定時器則停止工作而達到該預定壓力所需的時間長短被用于確定撈筒中液體的數量，步驟56。通向油流管線的閥隨后被打開而液體從撈筒被泵出，步驟58。定時器通常控制壓縮機從撈筒泵送液體的運轉時間的長短。取決于壓縮機的類型和大小，以及可能出現在油流管線中的背壓大小，這一時間可能是變化的。典型的是，總共僅需要幾分鐘來將撈筒中液體泵出到油流管線。一旦壓縮機運轉時間已過，控制模塊則關斷壓縮機并關閉輸出閥。在壓縮機正在將液體從撈筒泵入油流管線時，控制模塊確定是否存在超壓或過高的油流管線壓力，步驟60，并監測第二壓力開關。如果確定出油流管線壓力過高，壓縮機則被停止并且送出表明此狀況的信息，步驟62。此時采收裝置將等待指令，步驟64。
另外，隨著液體從撈筒中被泵出，優選的是各傳感器69(圖2B)，可能是各導電探頭，被安放在油流管線之中并被用以檢測是否水存在于撈筒裝載物之中，步驟66。如果水被檢測出來，控制模塊則結束將撈筒的內含物泵入油流管線，并且隨后送出有關這種狀況的信息。直到指令被送回到控制模塊，采收裝置處于閑置，步驟68。
如果以上兩種狀況都不存在，所述模塊將等到壓縮機在起動下一采收循環之前已經暫停為止，步驟70和72。此后，一項所采收液體的容積的記錄，包括液體被抽取的時間和日期在內的記錄被制作出來并送向遠處的經營者，步驟74和76。另外，此記錄可由控制模塊予以儲存并在需要時由經營者或遠程用戶予以找回。類似于這種信息，采收裝置運作的多種狀況和狀態，可以顯示在井位處的控制模塊的一個顯示面板(未示出)上。
采油系統采油系統的自動控制是通過將控制模塊連接于馬達和多種開關以操縱和控制采油裝置以及計量器而予以實現的。與多種開關的各種實際連接方式沒有示出，因為它們將取決于具體的采油裝置和用戶想要操作和監測的控制裝置的多個方面。但以在此所作的有關控制的討論來看，本技術領域中的熟練人員應當容易了解如何做出這些電氣連接以監測和控制采油系統的多種機能。
現在參照圖3A，一流程圖示出在圖中并用來示出采用石油抽提設備的采油系統的控制循環。雖然以下的說明公開了用于控制這樣一種采油系統運作的優選方法，但本技術領域中的熟練人員應當理解，其它一些方法和規定也可以采用從而基本上實現同樣或類似的自動控制。
正如上所述，撈筒的深度是預先確定的而一繼電開關是在撈筒被送下井內之前設定的。為了開始采收循環，控制模塊起動馬達以將撈筒下放到井孔里面并起動定時器1以測定為達到所需深度所需的時間，步驟78。作為一次代換方案，如果下降速率是已知的，定時器可能被用于控制馬達。利用定時器控制馬達會使用戶能夠容易地改變撈筒的深度而不需重新設定繼電限位開關。假如有什么事出錯的話，該限位開關然后可能被用作一個后備最大深度開關。實際深度也可能利用傳感器予以檢測，諸如一鄰近傳感器可檢測用以將電纜/撈筒下放到井內的帶輪的轉動。換句話說，電纜的長度是可以計量的。在達到優選深度時，控制模塊自動地關停馬達。
在所需深度處，定時器1被關閉而撈筒抵達該深度所花的時間由控制模塊16記錄下來，步驟80。此信息稍后可以用作診斷信息以確定下降到井內的撈筒是否存在問題。當撈筒抵達適合的深度時，定時器2起動以控制撈筒將要呆在井內的時間，步驟82。一般總共需要3或4分鐘。當該定時器暫停或當該定時循環完成時，控制模塊促動馬達以將撈筒送回地面。定時器3被起動以測定將撈筒向上送回到地面所需的時間，步驟84。繼電開關(如上所述)用以檢測撈筒何時面接排放裝置。此時馬達被關停而由定時器3指示的時間長短被記錄下來，步驟88。為定時器1和定時器3記錄的時間然后可以對比以了解是否存在一些反常現象或問題。此時，控制模塊也激活壓縮機，后者使撈筒充壓并使油被泵送向上并且被泵出抽出設備的排放裝置。從排放裝置那里，油如上所述傾入油罐計量器，步驟90。定時器4被促動以控制壓縮機開動的時間。一般將油從撈筒泵入油罐計量器所需要的時間總共是1或2分鐘。當油正在被出空而進入油罐時，優選的是控制模塊不斷地監測油罐中的油面，步驟92。當油的水平面停止升高時，撈筒已經被排空。壓縮機可以任由選擇地由控制模塊所關停或留待運轉而完成其由定時器4所確定的定時壓縮機循環。控制模塊也可以在撈筒連接于排放裝置時測定電池的電壓。對每一循環來說電壓測定的歷史可以予以儲存和評估以確定電池的健全狀況和/或其剩余的電池壽命。優選地是，在每一循環期間當撈筒處在排放裝置內時，電池充電器開始為電池重新充電，步驟94和96。
一旦所有的油已經傾入油罐，容積被就確定、記錄下來并打上時間印記，步驟98。另外進行一項測試以了解是否有任何水被傾入油罐，步驟100。這些結果被優選地記錄下來并打上時間印記。三通閥44(圖2A)隨后被打開以從罐中泄油，優選地是利用來自壓縮機的高壓空氣。利用定時器5可以控制為出空油罐所需的高壓空氣持續時間，步驟102。如果在罐中未發現任何水，控制模塊則關斷電池充電器并返回到采收循環的起點，步驟104和106。如果檢測出水，控制模塊則通知使用者/操縱者并終止采收循環直至使用者將其重新起動和/或可選擇地自動重新設定采收裝置而以大致上等于此時正在這口井處的采油的速率來進行采油。這將在下面較為詳細地予以說明。
雖然以上說明了用于不同情況的不同定時器，但本技術領域中的熟練人員應當了解的是，同一定時器可能用于不同的目的。另外，取決于使用者，其它一些控制和監測性能可以加入，以及/或者目前說明的一些工作可以從上述有效的流程圖中除去。例如，可以測定用于泵油的環境溫度和/或壓力。
對于多井聯動簡易采油架來說，控制模塊不必監測和控制為石油抽提設備所必需的所有開關和定時器。通常，監測和控制采油系統是一種比較簡單的事情。例如，如圖3B所示，采收循環以控制模塊起動馬達開始，使液體被泵至計量器，在該處測定油的容積、記錄下來并打上時間印記，步驟108。定時器1被起動以測定/控制采收循環的持續時間。由于優選的是泵具安放在井中較高的位置處從而僅優選地泵送油，所以泵具可能運轉的持續時間會是油量的函數，由于自從上次泵送的油量和油井的采油速率，所述油量積聚在井中。這一點將在下面較為詳細地予以說明。隨著液體的泵送，測試液體以查明水或“液擊”的存在，步驟110。由于有可能改變地下水位或者選定適當深度用于安放泵具，所以總是有可能將水泵出。液擊發生在有待泵送的液量少于可由泵送設備易于處理的液量的時候，這可能造成泵的損傷。液擊可以容易地通過測定馬達負荷來予以確定，而泵送液體比起泵送空氣，這種負荷是不同的。如果檢測出水或液擊，則控制模塊可關停馬達，停用定時器1、記錄泵送時間，而后通知使用者。定時器1然后可能需要被重新設定到一個新的泵送時間循環，步驟112和114。不然的話，泵具繼續其運作直至采收循環定時器1到時為止，步驟116。一旦這種情況出現，控制器即關停馬達并起動設定于油井采收率的暫停定時器2。在暫停終了時，新的采收循環開始。換句話說，作為一項實例，按照油井的采油率，多井聯動簡易采油架可由控制模塊使之開動20分鐘，然后在一天的其余時間中都是關停的，步驟118。
調整為了從一口油井高效地泵油，有用的是確定滲入油井的油的采收率，亦即油井采油率。通常，任何一口特定油井的預期采油率可以從油井的泵油歷史中確定出來。該采油率往往是按照利用包括泵水在內的老式泵汲技術所采收的油量予以確定的，所以不一定是可靠的信息。另外，地下水位是隨時間變化的。結果，滲入油井的油量也可能變化。再者，由于泵具優選是在井中安放從而只泵送油，所以在井中有較少靜水壓力用于將油引入井中，所以可供泵送的油量也可能變化。結果，測定采收率的最好方法是對于石油抽提設備和多井聯動簡易采油架二者來說都將泵具安放在井中預定深度處并調定采收裝置以快于預期采油率進行采油。對于石油抽提設備來說，這意味著對于每一采收循環來說，撈筒都要返回井中的同一深度。優選的是，這一深度是通過最先確定在井中有多少靜滯油而予以確定的。例如，如果井中油的頂面被發現是在1327英尺處而水/油界面是在2197英尺處，則870英尺的靜滯油存在于井中。2197英尺以是水。利用這一信息，泵具優選是安放在油中從而僅泵送油。由于以快于預期的采收率進行泵送，所以一旦泵具以上的油已經被抽掉，采收的油量將下降到某一恒定的數量。該恒定量將是該井的采收率。如上所述該采收率可能隨時間變化。因此，優選是將采油裝置的采收率調定到稍微高于所確定的采收率并隨時監測采收率。隨著采收率的上升或下降，采收裝置可相應地予以調整以使其更為有效。這一點可以通過利用控制模塊增加/減少石油抽提設備的采油循環次數或增加/減少多井聯動簡易采油架的運作時間來予以實現。
采油裝置自動化具有其它一些用于優化采收過程的調整優點。例如，抽提設備可以調整以優化其采收率，正如示于圖4中的控制流程圖所示。增加每一循環采收全額裝載量的機會可使抽提設備優化。比如，通過測定所采收的液體數量，正如上所述，控制模塊可以在下一循環內將撈筒進一步下入井內。如果容積小于某一預定數值，則撈筒在井中被下放某一預定數值，步驟120、122和124。優選的是，確定撈筒是否處在最大深度處從而其僅是抽取油，步驟126。如果不是，則控制模塊將以某一預定的量下放撈筒以確保下一裝載量是全滿的，步驟128。如果撈筒的深度已經達到最大，則撈筒處在油井頂部的時間在檢測到少于預定裝載量時可以加長以對油井的采收時間進行記數，步驟136。避免部分裝載可節約時間和能量。
類似的是，本技術領域中的熟練人員可理解的是，如果某種計量器用以確定所采收的液量并對此計量器的各項操作做出定時以優化采收，則一部多井聯動簡易采油架可以更加有效。
通訊網絡通常，一些油田中的經營者掌握著若干油井的租用事務。按照本公開內容的權益，每一口井優選地配備如圖5所示的上述一種油井采收系統。正如有經驗的人員所理解的是，這些油田往往處在偏遠并且不易到達的地區。在每一口井的地面處，一系列出油管線/管路144往往用于使每一口井處的采收裝置能夠將液體泵送至一臺或多臺儲罐146。在一些情況下，一臺儲罐可以只供一口井之用。為了有效地管理這些油井，除了如上述使采收裝置自動化之外，優選的是每一采收裝置配有雙向無線通訊裝置32，用于形成通訊網絡以使在每一口井處收集到的數據被傳送給經營者的計算機148。比如一微波通訊調制解調器可以直接連接于控制模塊以使對每一采收裝置的無線移動通訊成為可能。另外，一種雙向無線電裝置直接連接于控制模塊而使對每一采收裝置的無線電通訊成為可能。具有通訊半徑在5至10英里之間的無線電裝置通常都是可以購得的、相對比較便宜而特別適合這種應用場合。利用這種資訊，經營者可以在必需時遠程監測或控制每一采收裝置，從而避免耗時的旅行去監測和控制各個油井。另外優選的是，儲罐146配備雙向無線通訊裝置32和可測定儲罐146中液面的計量器150。控制模塊152，類似于以上參照圖1所示出和說明的那種，可以用于從儲罐處操作通訊裝置32和計量器150。將一控制模塊裝在儲罐上的好處包括將罐中液面通知經營者或業主以防止溢流并計劃在適當的時候予以拾取。在可能溢流的情況下，控制模塊可以按編制的程序關停送油進入儲罐的泵具。在儲罐處安放一控制模塊也提供了機會使該控制模塊成為對經營者(以下將會更詳細地進行說明)的主要通訊裝置，由于儲罐可以更為可能的位于某一便于直撥電話線路連接以代替無線移動連接的地方。
在一項實施例中，每一采收系統優選是配備如上所述的無線電發射機或移動通訊設備，這可使經營者與每一采收裝置之間的往返通訊成為可能。用于這一目的無線電發射機和移動通訊設備是通常可以購得的。無線網絡技術也是可以使用的。比如，位于加州圣河西的Aeris.net提供多種產品，其可提供雙向無線連接和對遠程智能裝置的控制。
在另一實施例中，一部采收裝置可以被指定為用于聯絡經營者的主要采收裝置。其余各采收裝置可以稱作“輔助”采收裝置，經由主要采收裝置聯絡經營者。在一些情況下，由于一些井在遠處，某些無線電發射機可以設計成利用其它一些位于較近的各采收裝置上的無線電發射機來聯絡較遠處的主要采收裝置。換句話說，如果不是近得足以直接聯絡的話，來自于一部輔助采收裝置的數據傳送可以利用另一輔助采收裝置(稱作轉發器)來聯絡主要采收裝置。所述主要采收裝置優選是具有移動通訊設備用于與處在世界上任何地方的經營者遠程聯絡。
可能對經營者有用的信息類型包括用于監測各裝置運作、用于在每一口井處計量正在生產的油量，以及用于為每一裝置和/或每一裝置系統實施診斷(包括裝置的各種部件、作為整體的裝置的功能，或者各裝置的通訊)的信息。數據可以自動地由控制模塊予以儲存并且隨后自動地或應經營者的要求被傳送給經營者。根據這種信息，經營者或用戶隨后能夠改變操作指令，諸如按上面所述那樣改變采收循環重復時間、提升和下放井中撈筒、重新設定撈筒深度，或者關掉采收系統用于維護修理。同樣，也可以開發一項商業計劃，用于在每一口井處采收石油和用于基于在該井處所采收的油量為那些維護或由于在每一口井處租用這樣一種采收系統而收費。也可以開發一項維護商業計劃用于保證各裝置或整個油田的運作。比如，由于能夠計量在每一口井處所采收的油量，可以制定一項商業方法用于租用石油抽提設備以及只為由該抽提設備在該井孔處所采收的油量付費。生產率、采收歷史、發票等隨后可以以電子方式發送給油井業主/經營者。另外，利用環球網瀏覽技術，油井或油/氣田的業主/經營者可以從遠處觀察多種裝置的運作，而不會干擾所述運作。
診斷通過設置上述的通訊網絡，若干類型的診斷程序可以在裝置處實施。這些診斷程序的結果可以通過控制模塊自動地傳送給業主/經營者，通向或是處于遠程的經營者的計算機或是經營者的移動電話(未示出)，以便于快速回應。優選地，經營者的移動電話設計成可以發出要求和命令給各采收裝置。另外，這些結果可以在與各裝置聯系的業主/經營者提出要求時發出。一些可以由控制模塊實施的可能的診斷程序將說明如下。但是，本領域技術人員應當明白，若干其它診斷程序可以建立起來以評估采收裝置、采收系統或者聯絡各裝置的各通訊設備的性能。
一項重要的診斷是檢驗將采油系統11連接到儲罐146的各管線144(圖5)的泄漏。往往泄漏發生在這些管線中，并且直到實際檢查溢濺或環境破壞時才有辦法發現這些泄漏。在本系統的情況下，目前可以通過確定由多種采收裝置泵入各管線的計量出的液量并且隨后將該液量對比于罐中接收的油量來檢驗這些管線。通過控制采收裝置，每條管線中的流動型式可予以控制，而且將每一采收裝置連接于油罐的油流管線的健全狀況可予以確定。比如，陸續地可以關停所有而不是其中之一的采收裝置。由這一部采收裝置泵送的液量然后可以采用液面計量器108來對比于在儲罐處接收到的液量。也可以實現由各裝置泵送以及計量由儲罐接收的液量的其它各種組合。
另一優選的診斷檢驗包括檢驗計量器的精度。如果企業要為在各口油井處泵出的液體付費，計量器的可靠性和精度是至關重要的。檢驗計量器有若干方法。一種方法是在采收裝置處檢驗計量器讀數并將其對比于一由儲罐處液面計量器150所示出的在儲罐處接收到的液量。由于優選是每一計量出的液量在油井處打上了時間印記，提供關于液量何時被接收和所接收到的液量的時間印記可以用于確定油井處計量器的相對精度。另一種驗證計量系統精度的方法是在計量器與用以發送液體到儲罐的管線144之間安放三通閥(未示出)。此T形閥可使油田操作人員或采收裝置檢查員隨機地檢驗由計量器計量出的液量并將其對比于記錄下來的打上時間印記的液量，差不多與氣站處監測氣泵的方法相同。
另外一些可能很重要的診斷檢驗包括采收裝置的運作，諸如監測具有用以操作石油抽提設備的采收裝置和壓縮機的馬達的油井。一種可由控制人員或操作人員從采收裝置處收集數據所進行的檢驗可以包括對比石油抽提設備撈筒的上/下時間歷程或多井聯動簡易抽油架的泵油循環次數。其中任一方面的放慢都可表明系統遇有阻力，這可能意味著馬達疲損。可以進行一些檢驗從而通過在通氣口和泄油口關閉的情況下測定儲罐計量器中的壓力來檢驗石油抽提設備的壓縮機的運作。監測和確定出為泄放撈筒和計量罐所需的壓力不斷增大可能是壓力泄漏的征兆。其它檢驗包括檢測馬達負荷以檢測多井聯動簡易采油架的液擊或什么時候用于確定井中液面的石油抽提設備撈筒抵達液體頂部。這種信息也可以用于調整采收系統的采收率。
本領域技術人員應當理解的是，可以對上述系統做出若干修改而不偏離本發明的精神和范疇。比如，多種類型的控制器和通訊裝置在市場上出售，它們可以被設計成按照上述啟示來工作。形成數字或模擬連接所需的I/O的數量將取決于所用的采收裝置和有待收集的數據類型而變。例如，一些傳感器可以安放在多井聯動簡易采油架上以檢測搖臂的運動從而用于檢測抽油桿是否斷裂，檢測電纜或泵具與馬達之間的皮帶是否失效等。另外，控制模塊可以單獨由太陽能或電池供電，或者連接于可供使用的電力線路。也可以設置一種備用電池裝置以保護采收系統的各設定值和儲存數據。上述的診斷以及其它診斷可以在控制模塊處做出并且將結果送向經營者，或者由經營者從遠離采收系統的地方予以進行。警告器或警報器可以內置在系統中以提醒操作人員注意某些事件。其它一些好處和任選方案可以內置在上述系統中而由于以上的啟示而變得顯而易見。
雖然按照本發明的啟示所建立的某種設備在此已作說明，但本專利所覆蓋的范圍不限于此。相反的是，本專利概括了或是真正地或是在對等意義下完全歸入所附各項權利要求范圍之內的符合本發明各項原則的所有設備、方法和制品。
權利要求
1.一種液體采收系統，包括a.一采收裝置，用于從一井孔中抽取液體；b.一計量器，連接于采收裝置用于從采收裝置抽取液體并測定所采收的液量；以及c.一控制模塊，用于采收裝置和計量器的運作。
2.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中控制模塊集成到采收裝置里面。
3.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中控制模塊集成到計量器里面。
4.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中采收裝置是一石油抽提設備。
5.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中采收裝置是一多井聯動簡易采油架。
6.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中控制模塊對由采收裝置采收到的計量液量做出時間印記。
7.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中控制模塊還包括一通訊接口，用于向液體采收系統傳送數據和從液體采收系統傳送數據。
8.按照權利要求7所述的液體采收系統，其中通訊設備是無線通訊設備。
9.按照權利要求8所述的液體采收系統，其中無線通訊設備允許遠距離監測和控制液體采收系統。
10.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中控制模塊可完成各項診斷作業并將這些作業的結果通知給業主。
11.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中計量器是一用以將空氣與液體分離的罐用計量器。
12.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中計量器還包括一些用于檢測水的傳感器。
13.按照權利要求1所述的液體采收系統，其中所采收的液體是油。
14.按照權利要求13所述的液體采收系統，其中控制模塊可調整采收裝置的采油率以便以大致上等于井中油的采收率的速率進行采油。
15.一種液體采收網絡，包括a.兩個或多個采收系統，各自具有i.一采收裝置，用于從井孔中抽取液體；ii.一計量器，連接于采收裝置用于從采收裝置接收液體并測定所采收的液量；iii.一控制模塊，用于控制采收裝置和計量器的運作；以及iv.一通訊接口，用于向和從采收系統傳送數據；b.一儲罐，用于儲存由各采收系統收取的液體；以及c.各油流管線將兩個或多個采收系統和儲罐相互連接起來。
16.一種計量器，包括a.用于測量液體的裝置；b.一控制模塊，用于控制計量器和其它一些連接于計量器的裝置；以及c.一通訊接口，用于向和從計量器傳送數據。
17.按照權利要求16所述的計量器，其中控制模塊包括用于計量器和其它裝置的診斷程序。
18.按照權利要求16所述的計量器，其中計量器安放在一口井孔處用于測量從井中采收的液體。
19.按照權利要求16所述的計量器，其中通訊接口包括無線通訊設備。
20.按照權利要求16所述的計量器，其中計量器是一種哥氏流量計。
21.按照權利要求16所述的計量器，其中計量器是一種罐用計量器，用于將空氣和液體分離開來以便測量液體，罐用計量器包括a.一罐器，具有入口用于接收空氣和液體，泄放口用于出空罐中液體，以及通氣口用于空氣；b.至少一個閥門，用于打開和關閉泄放口和通氣口；以及c.液面計，用于測量罐中液體。
22.按照權利要求21所述的罐用計量器，其中所述閥門是三通閥。
23.按照權利要求21所述的罐用計量器，還包括一傳感器用于檢測罐中水的存在。
24.一種從一口井中采收液體的方法，包括的各步驟是a.采用多井聯動簡易采油架或石油抽提設備從一口井中采收液體；b.測定由采收系統采收的液量；以及c.將由采收系統在井孔處采收的數量通知給經營者。
25.一種經營方法，包括a.在一口井處采收液體；b.計量所采收到的液量；以及c.根據所采收到的液量收取一定的費用。
26.一種流體采收系統，包括a.一石油抽提設備，用于從一口油井抽取油液；以及b.一控制模塊，用于控制采收裝置的運作并具有一通訊接口用于向和從石油抽提設備傳送數據。
27.按照權利要求26所述的液體采收系統，其中從石油抽提設備傳送的數據是診斷信息。
28.按照權利要求26所述的液體采收系統，還包括一計量器，連接于石油抽提設備用于接收油液并測定由石油抽提設備采收的液量。
29.按照權利要求26所述的液體采收系統，其中控制模塊為測定出的采收液量打上時間印記。
30.一種液體采收系統，包括a.一多井聯動簡易采油架，用于從一井孔抽取液體；以及b.一控制模塊，用于控制采收裝置的運作并具有一通訊接口用于向和從多井聯動簡易采油架傳送數據。
31.按照權利要求30所述的液體采收系統，其中從石油抽提設備傳送的數據是診斷信息。
32.按照權利要求30所述的液體采收系統，還包括一計量器，其連接于石油抽提設備用于接收油液并測定由多井聯動簡易采油架采收的液量。
33.按照權利要求30所述的液體采收系統，其中控制模塊為測定出的采收液量打上時間印記。
34.按照權利要求30所述的液體采收系統，還包括雙向通訊設備，其使經營者能夠從遠處監測和控制采收裝置。
35.按照權利要求34所述的液體采收系統，其中雙向通訊設備是用于移動連接的調制解調器。
36.按照權利要求34所述的液體采收系統，其中雙向通訊設備是一無線電裝置。
37.按照權利要求34所述的液體采收系統，其中通訊設備包括雙向通訊無線電裝置和用于移動連接的調制解調器。
全文摘要
本發明在此公開用于自動采收或計量在鉆井處回收流體的方法、設備和系統。根據一個示例，說明一種采用多并聯動簡易采油架或石油抽提設備實現油井流體采收自動化的系統(10)。通訊設備(16)裝設于每一系統從而允許遠程雙向通訊以監測、控制和診斷裝置或系統所具有的各種問題。
文檔編號E21B1/00GK1682009SQ03821308
公開日2005年10月12日 申請日期2003年7月2日 優先權日2002年7月8日
發明者邁克爾·L·謝爾登 申請人:邁克爾·L·謝爾登