專利名稱：氣升式石油生產中使用壓力變送器的環形空間堵塞檢測的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣升式石油生產操作，特別地，本發明涉及在這種操作中改良的環形空間堵塞檢測。
背景技術：
提升原油的氣升方法使用在很多世界的油井中。的確，在其中存在相當數量的伴隨氣體和含有相當數量的產生固體的油田中，優選的是增大自然儲積層的壓力并從而增加產量的方法。
因為此技術在井口包括相對緊湊的設備，在諸如海面上的空間很短缺的地方以及在維修的通路受到限制的地方，此技術特別有吸引力。
圖1是典型的氣升油井的簡圖。中心管道10限定通道12，原油通過通道12在箭頭14的方向上流動直到地面并最終到達一個或多個收集站。中間部分包括中間導管16，優選地，所述中間導管16同心地設置在管道10的周圍以限定導管16和管道10之間的內環形空間17。加壓氣體注入到內環形空間17內并在箭頭18的方向上向下行進到管道系統的底部。然后加壓氣體通過特別部分進入包含原油的中間部分。這產生了原油經管道10上升到表面的升力。依據此過程的性質，內環形空間17被加高壓并經常具有超出外界的溫度。外殼20限定外殼20和導管16之間的外環形空間22。外環形空間22和外殼20有助于保護環境以防止泄漏和抽吸操作的任何熱影響。在理想的情況下，外環形空間22內的壓力略低于大氣壓，并且不會具有設置在其中的諸如石油或氣體的任何物質。然而，在實際操作中，外環形空間22由于自內環形空間12的泄漏或限定內環形空間17和外環形空間22之間的阻擋層的導管16內的破裂可以變得被加壓。外環形空間22內的壓力有時可以達到每平方英寸2000磅的等級的水平。在這些情況下，為操作油井，也許需要來自政府或其他合適的管理機關的特別許可。在此情況下，為遵守規定，必須監測外環形空間22內的壓力。
使監測外環形空間22內的壓力復雜的一個因素是設置在外環形空間22內的物質，所述外環形空間22也許會(部分或全部)充滿諸如來自周圍或儲積層的水、泥、石油的物質。因為這些物質由于具有相當高的壓力在相對高的溫度下會凝固，這些物質的存在對壓力測量能夠產生相當大的問題。如圖1中所示，為了監測外環形空間22內的壓力，諸如變送器24的壓力變送器有時可操作地連接到外環形空間22上。
在正常的石油抽吸操作期間，油井溫度可為約160，此溫度是由相對高壓的氣體注入到系統中引起的。因為多種原因，油井偶爾會停止操作。在此情況下，靠近地面和高出地面的井口的溫度會降到外界溫度。在這些情況下，在外環形空間22內的物質可以凝固，并在外環形空間22內和/或儀器管道26內產生堵塞。當此發生時，通過使用變送器24獲得的壓力測量值將不再反映外環形空間22內的實際壓力。當油井又開始操作時，油井中的溫度開始上升。這種溫度上升會導致外環形空間22底部的物質膨脹。因為在頂部可能有凝固堵塞，在堵塞下面的環形空間22內會出現相當的壓力增加。在此過程中，已經觀察到超出每平方英寸4000磅的外環形空間壓力。由于在環形空間22頂部的凝固堵塞，通過使用變送器24測量到的壓力將不會指示此劇烈的壓力升高。因此，在井口處常規的壓力監控也許無助于檢測到此問題。如果油井內的壓力上升太多，可能會在頂部引起爆炸且引起對環境的泄漏和潛在的嚴重傷害甚至死亡。
因此，確定外環形空間是否正在變得堵塞或已經堵塞極端重要。而且，為了保證在此監測過程中不需要額外的成本，如果在不增加重要的硬件或技術人員時間的情況下此監測可以完成，此監測過程將是有益的。
發明內容
對于氣升油井提出了外環形空間堵塞檢測。使用壓力變送器實現外環形空間檢測。壓力變送器提供油井的外環形空間內的壓力的指示。與多個外環形空間壓力讀數有關的參數用來提供環形空間堵塞的指示。統計參數的示例包括平均值和標準偏差。
圖1是典型的氣升油井的簡圖；圖2是壓力變送器的簡圖，所述壓力變送器可操作地連接到根據本發明的實施例的外環形空間；圖3顯示了根據本發明的實施例執行的試驗的結果；圖4顯示了與圖3的試驗情形相同的作為時間的函數的標準偏差。
具體實施例方式
圖2是可操作地連接到外環形空間22的壓力變送器100的簡圖。變送器100的壓力傳感器102流體連接到環形空間22，并且具有隨環形空間22內的壓力變化的電特性。壓力傳感器102可以是電容類型的壓力傳感器、基于電阻的應變計式壓力傳感器或任何其他合適的傳感器。壓力傳感器102電連接到模數轉換器104。轉換器104將來自傳感器102的模擬信號轉換成數字數值，所述數字數值由轉換器104經線路106提供給控制器108。另外，根據此發明的一個實施例，轉換器104可以提供用虛線表示的輔助輸出110，所述輔助輸出110僅反映指示模擬讀數的數字位流。數字位流的使用允許更高的分辨率，這對一些類型的統計處理有用。例如，當傳統的模數轉換器可以在線路106上提供每秒大約22次的數字轉換時，在線路110上的數字位流的頻率可以超過100kHz。
電源模塊112可以包括任何合適的用來接收電力和傳輸電力到變送器100的元件的電路。如線路114指示的，模塊112連接到所有需要電力的元件。模塊112可以包括儲能電池或可以包括連接到能源的合適的電路。眾所周知，一些過程工業標準協議提供了操作功率。這些協議的例子包括HART，和FOUNDATIONTM現場總線。電源模塊112還可以包括一個或多個合適的換能器，所述換能器用來將電勢能轉變為用于變送器100的電能。從而，模塊112可以包括一個或多個例如太陽能電池。
通信模塊116連接到控制器108并使變送器100與一個或多個外部裝置通信。在預期變送器100通過使用工業標準過程通信協議進行通信的實施例中，模塊116將作適當地修改。例如，如果變送器100將通過使用FOUNDATIONTM現場總線協議進行通信，模塊116可以包括任何適當的已知現場總線通信電路。在一些實施例中，變送器100可以提供指示環形空間22內壓力的第一信號和表示環形空間堵塞的第二信號。已知的協議允許經由同樣的通信線路供給這樣的信號。例如，一個信號可以模擬格式提供，而第二個信號可以是疊加數字信號。
優選地，控制器108為微處理器。控制器108可以是變送器100的部件，或放置在遠離變送器100的地方。控制器108可以包括內存儲器(沒有分別示出)和/或可以連接到外存儲器120。通過使用內存儲器、外存儲器120或它們的組合，控制器108將存儲壓力測量數據，所述壓力測量數據與時間上的、來自壓力傳感器102的讀數有關。根據本發明的實施例，已經確定基于與壓力傳感器102有關的多個時間上間隔開的讀數能夠揭示環形空間22的堵塞。說明書剩下的大部分將集中在統計參數的使用上。然而，通過使用其他的諸如模糊邏輯、神經網絡、學習技術、趨勢分析的分析技術以及任何其他合適的方法，或它們的任何組合，能夠實施本發明的實施例。
為了了解堵塞的效果，在實際的油井和模擬的實驗室鉆井裝置上都執行了各種模擬。在這些模擬中，通過將測量裝置與過程隔離，使用儀器管道上的各種閥以人工引發環形空間堵塞的條件。市場上買得到的壓力變送器(商業牌號3051 ST，可從Rosmount，Inc.，of Eden Prairie，Minnesota得到)用作壓力測量裝置。此變送器配備有用來為統計計算提供快速更新診斷的輔助數據通道110。使用在模擬中的兩個統計計算是壓力測量值的平均偏差和標準偏差。然而，不應認為本發明的實施例限于這些統計計算。
圖3顯示執行的試驗中的一個的結果。此曲線代表作為時間的函數的平均參數。在此特殊情況下，外環形空間22內的正常操作壓力大約為每平方英寸426磅。每次關閉閥以促使環形空間堵塞時，相較于正常的操作壓力，平均參數壓力讀數顯示了數值的大幅下降。試驗已經得出的結論為溫度變化和管道/閥泄漏有助于作為堵塞的結果的這種變化。因此，壓力變送器100可以特征化為，或者另外校準為已知的非堵塞狀態。然后，如果壓力傳感器讀數的平均值與“好”狀態基線偏離超出允許的閾值，自指示環形空間堵塞的壓力變送器100提供警報或者其他合適的指示。
圖4顯示了與圖3的試驗情形相同的作為時間的函數的標準偏差。標準偏差參數代表更加與眾不同的用于堵塞指示的信號。每次系統堵塞時，在標準偏差中可以觀察到峰值。因為從圖4中所示的結果看標準偏差顯而易見，因此，標準偏差可以單獨使用，或者與平均值共同使用，以提供環形空間堵塞檢測。
對環形空間堵塞檢測而言，另一挑戰性的情形是當油井停止和啟動的時候。在此情況下，外環形空間22內的壓力將不高于正常操作期間的壓力。然而，在此情況下，仍然可以使用統計過程監控。如果在抽吸操作停止運轉之前在壓力變送器上已經執行了訓練，那么，外環形空間平均壓力和其標準偏差能夠作為基線記錄。當油井再次啟動時，如果沒有堵塞，預期壓力測量值會從其停止運轉水平上升。如果有堵塞，壓力測量值將不會顯著地上升，從而表示環形空間堵塞。因此，根據本發明的一個實施例，壓力變送器100設置有關于抽吸操作或者停止和啟動，或者關于抽吸操作、停止和啟動的通知。從而，當壓力變送器100收到抽吸再次啟動的通知時，在預期測量值可接受之前，可以等待預先選定的持續時間。
盡管優選地，關于外環形空間壓力的統計參數的監測連續地進行，但通過在選定的時間間隔獲取外環形空間壓力，或者甚至響應技術人員的請求，本發明的實施例能夠得到實施。然而，為了提供統計計算，足夠的壓力測量值的數值必須由壓力傳感器102采集。
盡管已經參照優選實施例描述了本發明，本領域的熟練的工人將承認在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，在形式和細節上可以做出改變。
權利要求
1.一種用來檢測氣升油井內的外環形空間堵塞的系統，所述系統包括壓力變送器，所述壓力變送器能夠可操作地連接到氣升油井的外環形空間，所述壓力變送器適于提供與外環形空間內的壓力有關的信號；以及控制器，所述控制器構造為接收所述信號和獲取與外環形空間有關的多個壓力測量值，所述測量值時間上間隔開，基于多個壓力測量值，所述控制器構造為計算表示環形空間堵塞的參數。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述控制器是壓力變送器的元件。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述壓力變送器適于提供第一信號和第二信號，所述第一信號指示外環形空間內的壓力，所述第二信號指示堵塞。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述壓力變送器通過數字處理通信環通信。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述壓力變送器通過數字處理通信環被提供電能。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述壓力變送器還包括模數轉換器，所述模數轉換器將數字轉換提供給控制器。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述壓力變送器還包括模數轉換器，所述模數轉換器將高速位流提供給控制器。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述參數是統計參數。
9.根據權利要求8所述的系統，其中，所述統計參數是平均值。
10.根據權利要求8所述的系統，其中，所述統計參數是標準偏差。
11.根據權利要求8所述的系統，其中，所述統計參數是平均值和標準偏差的組合。
12.根據權利要求1所述的系統，其中，所述參數通過使用模糊邏輯計算。
13.根據權利要求1所述的系統，其中，所述參數通過使用神經網絡計算。
14.一種確定氣升油井的外環形空間是否至少部分堵塞的方法，所述方法包括獲取外環形空間內的多個時間上間隔開的壓力測量值；通過使用所述多個測量值計算統計參數；以及基于所述統計參數提供堵塞的指示。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述方法供給壓力變送器執行。
16.根據權利要求14所述的方法，其中，所述統計參數是平均值。
17.根據權利要求14所述的方法，其中，所述統計參數是標準偏差。
18.一種氣升油井，包括第一管道，所述第一管道具有限定適于輸送加壓原油的內部的第一管壁；第二管道，所述第二管道具有與第一管壁限定內環形空間的第二管壁；外殼，所述外殼與第二管壁限定外環形空間；以及用于檢測外環形空間堵塞的裝置。
全文摘要
對于氣升油井提出了外環形空間堵塞檢測。通過使用壓力變送器(100)實現外環形空間檢測。壓力變送器(100)提供油井的外環形空間(20)內的壓力的指示。與多個外環形空間壓力讀數有關的統計參數用來提供環形空間堵塞的指示。統計參數的示例包括平均值和標準偏差。
文檔編號E21B47/00GK1910338SQ200580002366
公開日2007年2月7日 申請日期2005年2月3日 優先權日2004年2月5日
發明者卡迪爾·卡瓦克里格魯, 馬考斯·佩盧索 申請人:羅斯蒙德公司