Brevet FR2564221A1 — publié le 19851115

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour contrôler le fonctionnement d'installations de pompage de puits à tiges d'aspiration, et elle porte plus particulièrement sur un terminal portable pour la pré- sentation de caractéristiques de fonctionnement d'un puits et pour l'application de signaux de commande à des instal- lations de pompage. Les installations de pompage du type à tiges d'aspiration sont couramment utilisées dans l'industrie pé- trolière pour récupérer un fluide à partir de puits péné- trant dans des formations souterraines. De telles installa- tions comprennent un train de tiges d'aspiration qui pénètre dans le puits et des moyens à la surface destinés à commu- niquer un mouvement de montée et de descente au train de ti- ges pour faire fonctionner une pompe située au fond du puits. Les installations de pompage du type à balancier sont carac- téristiques de telles installations et elles comportent un train de tiges d'aspiration suspendu à la surface du puits à une structure consistant en un bâti de support et en un ba- lancier monté de façon pivotante sur le bâti de support. Le train de tiges d'aspiration est normalement accouplé à une extrémité du balancier et l'autre extrémité du balancier est accouplée à une source d'énergie mécanique telle qu'un moteur, par l'intermédiaire d'une barre d'égalisation appropriée, accouplée à un mécanisme à bielle et manivelle. Dans cette configuration, le balancier et le train de tiges d'aspiration sont entraînés d'une manière alternative par la source d'énergie mécanique. Divers défauts de fonctionnement, comme des pompes usées, des tiges d'aspiration cassées, un tubage fendu et des valves de pompe bloquées, peuvent interrompre le pompage d'un fluide dans un puits. De tels défauts de fonctionnement peu- vent être produits par l'usure et la fatigue normales de l'équipement ou par la nature du fluide qui est pompé, ou bien ils peuvent résulter de conditions de pompage anormales. Une condition de pompage anormale qui est assez courante est ce qu'on appelle le "cognement sur le fluide". Le cognement sur le fluide se produit lorsque le puits est "épuisé", c'est-à-dire lorsque le fluide est extrait du puits à une vitesse supérieure à celle à laquelle le fluide entre dans le puits à partir de la formation. ILorsque ceci se produit, le puits de travail de la pompe située au fond n'est que partiellement rempli pendant une course montante du piston, et pendant la course descendante le piston heurte ou "cogne" le fluide dans le cylindre de la pompé, ce qui ébranle de façon importante l'ensemble de l'installation de pompage. Ceci détériore le train de tiges et l'équipement de surface et peut conduire à une défaillance de l'installation de pompage. L'invention procure un terminal portable pour présenter des caractéristiques d'un puits et pour appliquer des signaux de commande à une installation de pompage. Le terminal portable peut être connecté de façon amovible à un dispositif de pompage de puits comportant un train de tiges d'aspiration et un groupe moteur destiné à communiquer un mouvement alternatif au train de tiges pour produire un fluide à partir d'un puits. Une cellule dynamométrique est montée sur une barre d'égalisation entre le train de tiges d'aspiration et le groupe moteur, pour produire un signal représentatif de la charge qui s'exerce sur le train de ti- ges, et un transducteur est monté de façon à produire un signal représentatif de la position du train de tiges. Un ordinateur utilise un signal de charge pour établir une va- leur sélectionnée de ce signal de charge et il utilise la position du train de tiges pour établir une position de ré- férence du train de tiges. Des moyens sont prévus pour con- trôler le signal de charge lorsque le train de tiges atteint la position de référence, et des moyens sont prévus pour arrêter le fonctionnement du groupe moteur lorsqu'une ab- sence de fluide au-dessous du piston de la pompe fait que J le signal de charge dépasse une valeur se1ectiomnnée au mo- ment o le train de tiges est à la position de référence. Le terminal portable comprend un micro-ordinateur qui utilise des signaux provenant de la cellule dynamomé- trique et du transducteur de position pour faire fonction- ner un module à cristaux liquides qui trace un graphique de la charge du train de tiges en fonction de la position du train de tiges, et qui affiche des paramètres du puits. Le terminal portable comprend également un clavier permettant d'introduire des paramètres de commande du système dans le système de commande du puits, et de sélectionner les para- mètres du puits qui sont affichés sur le module à cristaux liquides. La luminosité du module d'affichage à cristaux liquides varie considérablement en présence d'un changement important de la température de fonctionnement, ce qui fait qu'on utilise un circuit de commande de luminosité pour permettre l'utilisation du terminal portable dans un envi- ronnement extérieur dans lequel la température peut varier sur une plage considérable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique du terminal portable de l'invention, connecté à un puits équipé d'une installation de pompage du type à tiges d'as- piration. La figure 2 est un tracé de la position en fonc- tion de la charge des tiges d'aspiration de la pompe, pour un cycle de fonctionnement normal, et la ligne en pointil- lés montre la variation lorsque le puits progresse vers la condition de cognement sur le fluide. La figure 3 est un tracé des caractéristiques de tension en fonction de la température pour des diodes uti- lisées pour compenser un changement de température qui produit un changement de luminosité du module d'affichage à cristaux liquides utilisé dans l'invention. La figure 4 est un schéma synoptique des circuits du terminal d'affichage portable de l'invention. La figure 5 est un schéma du circuit de commande de luminosité de l'invention, qu'on utilise pour compenser le changement de luminosité du module d'affichage à cristaux liquides de l'invention. En considérant la figure 1, on voit une tête de puits 10 d'un puits qui s'étend à partir de la surface de la terre, 11, et pénètre dans une formation productrice souterraine du puits (non représentée). La tête de puits comprend les parties supérieures d'un cuvelage 12, avec un train de tiges d'aspiration 16 descendant jusqu'à une pompe (non représentée) située au fond du puits, qui fait circuler un liquide vers la surface, au niveau de laquelle ce liquide passe dans un conduit 17. Le train de tiges d'aspiration 16 est suspendu dans le puits au moyen d'une structure de sup- port consistant en un bâti de support 18 et en un balancier 22 qui est monté de façon pivotante sur le bâti de support par l'intermédiaire d'un axe-d'accouplement 23. Une section de câble 24 relie l'extrémité supérieure du train de tiges d'aspiration 16 et l'extrémité inférieure d'une tête de cheval 28. La section de câble 24 est accouplée au balancier 22 au moyen de la tête de cheval 28. Le balancier 22 est mis en mouvement alternatif par une source d'énergie mécanique telle qu'un moteur élec- trique 30. La source d'énergie mécanique entraine le balan- cier par l'intermédiaire d'un système d'entraînement qui comprend une courroie d'entraînement 34, une poulie 35, un arbre manivelle 36, une paire de bras de manivelle 37 (un seul est représenté), et une paire de bielles I41a, 41b qui sont accouplées de façon pivotante entre le bras de mani- velle et le balancier au moyen d'une barre d'égalisation 42 et d'une articulation de barre d'égalisation 43 (figure 1). Les extrémitéAs extérieures des bras de manivelle 57 sont munies d'un contrepoids 46 qui équilibre une partie de la charge s'exerçant sur le train de tiges d'aspiration, afin de donner une charge plus constante pour la source d'énergie mécanique. Une cellule dynanométrique 47 est bloquée ou mon- tée de toute autre manière sur la barre d'égalisation 42, en une position située entre l'articulation de barre d'égalisa- tion 43 et la bielle 4la. La cellule dynamométrique 47 pro- duit un signal du fait de la légère flexion de la barre d'égalisation 42 qui résulte de la charge s'exerçant sur le train de tiges d'aspiration 16. La valeur de la flexion de la barre d'égalisation 42 est déterminée par la valeur de la charge s'exerçant sur le train de tiges 16 (figure 1). La cellule dynanométrique 47 produit un signal de sortie continu qui est proportionnel à la charge s'exerçant sur le train de tiges d'aspiration 16, et un convertisseur analogique-numérique 48 applique un signal numérique corres- pondant à un ordinateur 49a.Des moyens de mesure de position, ou transducteur, 53, mesurent la position verticale du train de tiges d'aspiration 16 en produisant une tension qui est proportionnelle à l'angle du balancier 22 et qui est donc proportionnelle à la position du train de tiges 16. Le con- vertisseur analogique-numérique 48 convertit les signaux en multiplex provenant des transducteurs 47 et 53 en signaux numériques qui sont utilisés par l'ordinateur 49a. Les si- gnaux analogiques provenant des transducteurs 47, 53 sont également transmis par un circuit séparateur 56 et ils sont utilisés par un traceur XI 54 pour donner un enregistrement sur papier des caractéristiques du puits particulier dans lequel le train de tiges est utilisé. Les ordinateurs 49a, 49b communiquent électriquement entre eux, en mode série, par une paire de fils 55a, 55b. Un opérateur humain utilise le clavier de terminal portable 60 et un dispositif d'affi- chage graphique associé 74 pour observer et régler les pa- ramètres du puits. Le graphique en trait continu de la figure 2 est un tracé de la position en fonction de la charge du train de tiges 16 pour un cycle caractéristique du train de tiges lorsque lé puits est empli de fluide. On peut voir que lors- que le train de tiges se déplace dans la course montante de- puis la position Xmin jusqu'à la position Xmax, la charge qui s'exerce sur le train de tiges augmente jusqu'à une va- leur maximale et retourne ensuite approximativement à la va- leur initiale. La variation de la charge lorsque le train de tiges descend présente une plus grande importance: la char- ge diminue de façon relativement rapide jusqu'a une valeur minimale et elle augmente ensuite pour atteindre approxima- tivement la valeur d'origine à la position Xmin. lorsque le puits approche de la condition de pom- page d'épuisement (figure 2), la charge sur le train de ti- ges change plus rapidement lorsque le train de tiges se dé- place- dans la direction descendante. lorsque le niveau du fluide dans le puits diminue, un piston de la pompe tombe et heurte la surface du fluide dans le puits en produisant un "cognement sur le fluide" qui peut endommager le train de tiges et d'autres parties du syst&me de pompage. lorsque le niveau du fluide dans le puits diminue, le piston de la pom- pe parcourt, pendant la course descendante, une distance qui augmente progressivement, avant de venir en contact avec la surface du fluide dans le puits, ce qui fait que la courbe de charge tracée change progressivement en passant de la courbe du puits plein 65 aux courbes en pointillés 66-69, et la courbe se déplace progressivement vers la gauche lorsque le niveau du fluide dans lé puits descend. On peut observer cette tendance de déplacement et arrêter le fonctionnement de la pompe pour éviter d'endommager l'équipement. L'invention procure un procédé pour détecter la condition d'épuisement en utilisant le dispositif de la fi- gure 1 pour sélectionner un point de consigne (Xcons, Ycons) (figure 2) ayant une valeur déterminée par les caractéristi- ques de chaque puits individuel, et pour changer le point de consigne lorsque ces caractéristiques changent et/ou lorsque les caractéristiques de la cellule dynamométrique 47 et/ou du transducteur 53 changent. Le comparateur 49a (figure 1) compare les courbes de cognement sur le fluide 66-69 avec la position du point de consigne, et il arrête le moteur 30 lorsque la courbe de cognement sur le fluide passe à gauche du point de consigne représenté sur la figu- re 2. Un opérateur humain utilise le clavier 60 du ter- minal d'affichage graphique 61 (figure 1) pour introduire dans l'ordinateur 49b une valeur de pourcentage pour X et une valeur de pourcentage pour Y, et l'ordinateur 49b transfère ces valeurs vers l'ordinateur 49a, pour faire en sorte que ce dernier calcule une valeur de Xcons correspon- dant au pourcentage introduit de la distance entre Xmin et Xmax (figure 2), et calcule une valeur de Ycons correspon- dant au pourcentage introduit de la distance entre Ymin et Ymax, ce qui donne la position du point de consigne. On peut calculer les valeurs de Xcons et de Ycons en utilisant les formules suivantes: Xcons = (Xmax Xmin) (X% / 100) + Xmin Xcons = (Ymax - Ymin) (Y% / 100) + Ymin Les valeurs de Xmax, Xmin, Ymax et Ymin qu'on peut utiliser sont les valeurs maximales et minimales de la courbe de la figure 2. Les valeurs-de ae et 1r sont les valeurs de pourcentage sélectionnées par l'opérateur humain qui utilise pour choisir ces valeurs de pourcentage la con- naissance qu'il possède du puits et de l'équipement de pom- page. On peut également sélectionner deux valeurs nominales quelconques de X et deux valeurs nominales quelconques de Y, au lieu d'utiliser les valeurs maximales et minimales suggérées. Lorsque le point de consigne (Xcons, Ycons) a été sélectionné, l'ordinateur contrôle continuellement la va- leur X de la courbe (figure 2) pendant la course descendante du piston, jusqu'à ce que la courbe atteigne la valeur de Xcons, lorsque cette courbe se déplace de Xmax vers Xmin. Lorsque la courbe est au point Xcons, l'"ordinateur contr8le la valeur de Y. Si la valeur de Y est supérieure à la valeur de Ycons, l'ordinateur 49a (figure 1) produit un signal qui arrête le moteur 30, et le fonctionnement du puits est arrê- té. Pour vérifier que le puits est réellement dans une con- dition de pompage d'épuisement à ce moment, il peut être souhaitable de laisser la pompe fonctionner sur deux cycles ou plus avec la courbe (figure 2) chaque fois à gauche du point de consigne, avant d'arrêter le moteur 30. Ceci évite un arrêt du puits sous l'effet d'un signal erratique prove- nant de la cellule dynamométrique 47 ou du transducteur 53, ou d'un autre équipement électronique, ou résultant du com- portement du puits lui-même. La demande de brevet des E.U.A. n 579 628 déposée le 13 février 1984 décrit des détails d'un procédé et d'un dispositif pour étalonner automatique- ment un puits et pour contrôler son fonctionnement. Le terminal portable 61 (figures 1, 5) comprend un bottier moulé creux 72 comportant une partie étroite 72a qui fait fonction de poignée, sur laquelle est monté un clavier 60, et un module d'affichage à cristaux liquides 74 monté sur une partie plus large 72b du boîtier 72. Un en- semble d'éléments de circuit 77-88 (figure 4), destinés à faire fonctionner le module d'affichage & cristaux liquides 74 et à appliquer des signaux,de commande à l'ordinateur 49b, sont montés à l'intérieur du boîtier creux 72. Un opé- rateur humain peut tenir d'une main le boîtier 72, par la poignée 72a, et il peut utiliser l'autre main pour action- ner le clavier 60. Le module d'affichage à cristaux liqui- des 74 peut, à la demande, afficher un graphique de force d'un puits, représentant la charge en fonction de la posi- tion dans la course (figure 2), et ce module peut également afficher d'autres paramètres du puits. On peut également introduire dans le système, par le clavier 60 du terminal (figure 5),des signaux de commande pour sélectionner des valeurs de Xcons, Ycons (figure 2), pour sélectionner la durée d'arrêt du moteur 30 (figure 1), la durée de fonc- tionnement du moteur 30 et divers autres paramètres de com- mande pour le dispositif d'exploitation de puits de la fi- gure 1. Un opérateur humain peut débrancher le terminal 61 de l'ordinateur 49b et utiliser ce même terminal pour con- troler et/ou commander un autre dispositif de pompage simi- laire. Le terminal portable 61 est un terminal universel qu'on peut utiliser pour divers travaux industriels faisant intervenir des ordinateurs, en incorporant dans ceux-ci un logiciel approprié. Le terminal 61 peut utiliser une liai- son série pour communiquer avec des ordinateurs. Un micro-contrôleur 77 (figure 4) communique avec l'ordinateur 49b (figures 1, 5) par une liaison série 78. On peut utiliser dans l'invention en tant que micro-contrô- leur le dispositif du type 8031 fabriqué par Intel Corpora- tion, Santa Clara, Californie, et ce dispositif comprend un ordinateur interne et une liaison pour émettre et recevoir des messages. Un oscillateur à quartz 79 produit des impulsions d'horloge pour faire fonctionner le micro-contrôleur 77. Les programmes destinés à faire fonctionner le micro-con- trôleur 77 et le module d'affichage à cristaux liquides 74 sont enregistrés dans une mémoire morte programmable élec- triquement, 80, et des données à utiliser dans le système sont enregistrées dans une mémoire vive 81. Le micro-con- trôleur 77 applique des données et des ordres à un contrô- leur d'affichage à cristaux liquides 82 qui convertit les données et les ordres en données de points d'affichage, pour faire fonctionner le module d'affichage à cristaux liquides 74. Un générateur de trame 83 utilise des signaux provenant du contrôleur d'affichage à cristaux liquides pour appliquer des tensions de trame au module d'affichage, et une section d'attaque d'affichage à cristaux liquides 84 produit des tensions d'attaque pour le module d'affichage. La section d'attaque d'affichage à cristaux liquides génère une tension appropriée pour maintenir un niveau de lumino- sité constant de l'affichage à cristaux liquides, indépen- damment des variations de température. On peut utiliser en tant que contrôleur d'affichage à cristaux liquides le dis- positif HD61830 fabriqué par Hitachi Timited Tokyo, Japon, et on peut utiliser en tant que module d'affichage & cris- taux liquides le dispositif DIFU601 fabriqué par Optrex Corporation, Tokoyo, Japon. Un circuit logique de décodage 85 applique des signaux logiques à la mémoire morte programmable électri- quement 80, à la mémoire vive 81 et au contrôleur d'affi- chage à cristaux liquides 82, et un circuit logique de va- lidation 86 produit des impulsions de validation pour faire fonctionner le contrôleur d'affichage à cristaux liquides 82. Un réseau de bascules d'adresse 87 applique des signaux d'adresse d'ordre inférieur à un bus d'adresse d'ordre in- férieur B2, pour l'utilisation par la mémoire morte pro- grammable électriquement 80, la mémoire vive 81 et le con- trôleur d'affichage à cristaux liquides 82, et un bus BI achemine des données vers ces éléments. Le micro-contrôleur 77 redéclenche un temporisateur de contrôleur de séquence 88 à une cadence fixe lorsque le module fonctionne correc- tement. Si le micro-contrôleur 70 ne redéclenche pas le temporisateur, il apparait un signal d'avertissement pour indiquer une défaillance du système. Le contraste entre l'information lumineuse qui est affichée sur l'écran et le fond du module d'affichage à cristaux liquides diminue lorsque la température du module diminue. Le circuit d'attaque d'affichage à cristaux liqui- des 84 (figures 4, 5) produit une tension de compensation Vo qui augmente le contraste par temps froid sur l'écran du module d'affichage à cristaux liquides, de façon à per- Il mettre l'utilisation du terminal portable 61 à l'extérieur par temps froid. Plusieurs diodes D1-D4 et une résistance R1, connectées en série entre une paire de bornes de sortie TI, T2 d'une source de potentiel EB (figure 5), produisent une caractéristique tension-température négative, d'environ -2,5 mV/ C, comme le montre la figure 5. La tension aux bornes de chacune des diodes est d'environ 0,68 volt à- une température ambiante normale Tr. Plusieurs résistances R2- R6, un potentiomètre P et une paire d'amplificateurs Al, A2 augmentent jusqu'à une valeur d'environ -50 mV/ C la vites- se de variation de la tension qui est appliquée au module d'affichage à cristaux liquides, pour maintenir le contras- te lumineux du module pratiquement constant sur une plage normale de températures de fonctionnement. L'invention procure un terminal portable qui peut être branché dans un système de commande de production d'un puits à la fois pour afficher des données provenant du sys- tème de commande et pour introduire des signaux de commande dans le système de commande. Un module d'affichage à cris- taux liquides incorporé dans le terminal présente à la fois un affichage graphique et un affichage alphanumérique de l'information du système. Un clavier monté sur le terminal procure un moyen pour introduire des données et des signaux de commande dans le système. Un circuit de compensation de température donne au module d'affichage un contraste lumi- neux suffisant pour permettre l'utilisation du terminal sur une plage étendue de températures de fonctionnement. Le mo- dule d'affichage à cristaux liquides plat permet l'afficha- ge d'une gamme étendue d'images, de graphiques et de don- nées et il permet l'utilisation en tant que terminal uni- versel utilisable dans une ambiance chaude ou froide. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Terminal d'affichage graphique portable prévu pour l'utilisation dans un système de commande de produc- tion d'un puits comportant un premier transducteur (47) destiné à produire un signal représentatif d'une charge s'exerçant sur un train de tiges d'aspiration (16) et un second transducteur (53) destiné à produire un signal re- présentatif d'une position de ce train de tiges (16), ce terminal (61) comportant des moyens pour contrôler des conditions du puits et pour appliquer des paramètres de commande au système de commande, caractérisé en ce qu'il comprend: un module d'affichage à cristaux liquides (74) destiné à afficher des données provenant du système de com- mande; un clavier (60) pour l'introduction dans le terminal de signaux d'ordre d'affichage et de signaux de commande du système; et des moyens pour connecter le terminal (61) au système de commande. 2. Terminal portable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compensation de température (84) destinés à maintenir le contraste lumi- neux du module d'affichage à cristaux liquides (74) prati- quement constant en présence d'une variation de température du module d'affichage (74). 3. Terminal portable selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de compensation de tempé- rature (84) comprennent: plusieurs diodes (DI1-D), chacune ayant une anode et une cathode; une source de potentiel (EB) ayant des première et seconde bornes de sortie (T1, T2); des moyens pour connecter l'anode d'une première dio- de (Dl) à la première borne de sortie (TI) de la source; des moyens pour connecter les diodes en série, avec l'anode de chacune des autres diodes connectée à la cathode d'une diode adjacente; une impédance électrique (Rl) connectée entre la seconde borne de sortie (T2) de la source et la cathode de la dernière des diodes (D4); et des moyens (R2-R6, P, A1, A2) pour connecter la cathode de la dernière diode (D4) au module d'affichage à cristaux liquides (74). 4. Terminal portable selon la revendication 1, caractériséen ce qu'il comprend des moyens permettant d'utiliser le clavier (60) pour introduire des données dans le terminal (61) et des moyens (77) destinés à utiliser les données introduites pour commander le fonctionnement du système de commande de production. 5. Terminal portable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (77, 82) desti- nés à utiliser le signal de charge et le signal de position pour produire sur le module d'affichage à cristaux liquides un graphique de force représentant le fonctionnement du puits, sous la dépendance des signaux d'ordre. 6. Terminal portable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'interrupteurs de clavier (60) et des moyens de traitement (77) pour in- troduire des signaux de commande dans le système de commande sous l'effet de la manipulation des interrupteurs de clavier. 7. Terminal portable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier creux (72) ayant une partie étroite formant une poignée et une partie plus large. 8. Terminal portable selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de circuits intégrés (77, 80, 81, 82) destinés à utiliser les signaux d'ordre et les signaux de commande pour faire fonctionner le module d'affichage, et des moyens destinés à monter ces circuits intégrés à l'intérieur du bottier creux (72). 9. Terminal d'affichage graphique portable (61) destiné à afficher sélectivement des données graphiques et alphanumériques, prévu pour l'utilisation avec un sys- tème de calcul (49a, 49b) utilisant des données graphiques et alphanumériques, caractérisé en ce qu'il comprend: un module d'affichage à cristaux liquides (74) destiné à af- ficher sélectivement les données graphiques et alphanuméri- ques;des moyens destinés à connecter sélectivement le ter- minal (61) au système de calcul (49a, 49b); un clavier (60) pour introduire des données et des paramètres de com- mande dans le système de calcul (49a, 49b); et des moyens (77) pour transférer des données et des instructions entre le terminal (61) et le système de calcul (49a, 49b).