(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプジャックを駆動する誘導電動機を可変電圧、可変周波数電源のインバータで速度制御するようにしたポンプジャック駆動系のポンプオフ制御方法において、
前記誘導電動機の速度と二次電流の瞬時値を検出し、
前記ポンプジャックの各サイクル毎のダウンストローク時間を検出し、
各サイクル毎のダウンストローク時間における前記誘導電動機の二次電流の瞬時値から計算される二次電流の平均値又は実効値を次式で演算し、
実効値Ｉ２ＲＭＳ＝｛Σ（Ｉ２ｔ２×△ｔ）／ＴＥ｝１／２  （Ａ）
平均値Ｉ２ＡＶ＝Σ（Ｉ２ｔ×△ｔ）／ＴＥ               （Ａ）
ただし、 Ｉ２ｔ：時刻ｔにおける二次電流の瞬時値  （Ａ）
ＴＥ：二次電流の平均値又は実効値を演算するための基準ダウン                  ストローク時間 （ｓｅｃ）
△ｔ ：積分演算のための微小時間（ｓｅｃ）
演算した前記誘導電動機の二次電流の平均値又は実効値と比較するた
めの前記誘導電動機の二次電流の平均値基準値又は実効値基準値を設定し、
前記二次電流の瞬時値の平均値又は実効値と平均値基準値又は実効基準値を各サイクルのダウンストローク終了後に比較し、
前記平均値基準値より瞬時値の平均値が大きい場合又は前記実効値基準値より瞬時値の実効値が大きい場合にポンプオフ発生を検出することを特徴とするポンプオフ制御方法。
【請求項２】
前記誘導電動機の二次電流の平均値基準値又は実効値基準値を前記誘導電動機の速度と比例関係にあるポンプジャックのストローク速度に対応した値に設定することを特徴とする請求の範囲第１項記載のポンプオフ制御方法。
【請求項３】
ダウンストローク終了後に、ポンプオフ条件を複数回以上連続して検出した場合には、ポンプジャックのストローク速度を予め設定された速度だけ低下せしめるように制御し、その低下した速度に対応した新たな二次電流の平均値基準値又は実効値基準値を設定し、その時点以後のダウンストロークにおける実際の二次電流の平均値又は実効値を演算して、この演算した値と該設定基準値とを比較し、前記演算した値が該設定基準値より大きい場合にはその低下せしめられた速度において尚ポンプオフ条件が存在していることとして検出し、この動作が連続して複数回以上検出された場合にはポンプジャックのストローク速度を予め設定された速度だけ更に低下せしめるように制御し、速度に対応した平均値基準又は実効値基準とその速度における実際の二次電流の平均値又は実効値を順次比較してポンプオフを検出している間はポンプジャックのストローク速度を順次段階的に降下せしめるように制御することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載のポンプオフ制御方法。
【請求項４】
ポンプオフ条件を検出し、予め設定された速度だけ速度を低下させ、ポンプジャックがこの新しい速度で運転している状態で、連続して複数回以上、ポンプオフ条件の検出がなかった場合には、この速度にてポンプオフ条件が解除されたものとしてポンプオフ解除を検出し、ポンプオフ検出によって低下させた速度分だけポンプジャックのストローク速度を上昇せしめ、この上昇した速度に対応した新たな二次電流の平均値基準又は実効値基準を設定し、その時点以降のダウンストロークにおける実際の二次電流の平均値又は実効値を演算して、この演算した値と該設定基準値とを比較することにより、前記演算した値が該設定基準値より小さい場合には、その上昇せしめられた速度において尚ポンプオフ条件が解除されていることとして検出し、この動作が連続して複数回以上検出された場合にはポンプジャックのストローク速度を予め設定された速度だけ更に上昇せしめるように制御し、速度に対応した平均値基準又は実効値基準とその速度における実際の二次電流の平均値又は実効値を順次比較してポンプオフ条件が検出される速度迄ポンプジャックのストローク速度を順次、段階的に上昇せしめるように制御することを特徴とする請求の範囲第１から３項のいずれか１項記載のポンプオフ制御方法。
【請求項５】
可変電圧、可変周波数電源にて、速度制御出来るように構成した誘導電動機駆動のポンプジャック駆動系のポンプオフ制御方法において、
前記誘導電動機の速度とその二次電流の瞬時値を検出する手段と、
前記ポンプジャックの各サイクル毎のダウンストローク時間を検出する手段と前記二次電流の各ダウンストローク時間に於ける二次電流瞬時値の最大値を検出する手段と、
各ダウンストローク開始時点から前記二次電流瞬時値の最大値迄の時間を検出し記憶する手段と、
その記憶された検出時間値と比較するための二次電流瞬時値の最大値迄の基準時間値を設定する手段と、を設け、
前記検出時間値と前記基準時間を毎サイクルのダウンストローク終了後に比較し、該設定基準値より、二次電流の瞬時値が最大値となる時間が遅れる場合をポンプオフ条件の発生として検出することを特徴とするポンプオフ制御方法。
【請求項６】
前記二次電流瞬時値が最大値となる時間の遅れをポンプジャックストローク時間の比によって検出し設定することにより、ポンプジャックのストローク速度の設定変更に影響されないポンプオフの検出を可能としたことを特徴とする請求の範囲第５項記載のポンプオフ制御方法。
【請求項７】
ダウンストローク終了後に、ポンプオフ条件を１回または複数回以上連続して検出した場合、ポンプジャックのストローク速度を予め設定された速度だけ低下せしめるように制御し、前記速度において、基準点より実際の二次電流瞬時値が最大値となる時間を検出し、設定基準時間と比較することにより、前記二次電流瞬時値最大値時間が前記設定基準時間より大きい場合には、その低下せしめられた速度においてなおポンプオフ条件が存在していることとして検出し、この動作が連続して１回または複数回以上検出された場合には、ポンプジャックのストローク速度を予め設定された速度だけ更に低下せしめるごとく制御して、ポンプオフが検出される限りポンプジャックのストローク速度を順次、段階的に降下せしめるように制御することにより、ポンプオフ条件の解除を速度制御によって行なうことを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項記載のポンプオフ制御方法。
【請求項８】
ポンプオフ条件が検出され、予め設定された速度だけ速度が低下せしめられ、ポンプジャックのストローク速度がこの新しい速度で運転している状態で、連続して１回または複数回以上、ポンプオフ条件の検出がなかった場合、この速度にてポンプオフ条件が解除されたものとしてポンプオフ解除を検出し、ポンプオフ検出によって低下せしめられた速度分だけポンプジャックのストローク速度を上昇せしめ、この上昇した速度において、実際の二次電流瞬時値が最大値となる時間を検出し、この実際時間と前記基準時間と比較することにより、前記実際時間が前記基準時間より小さい場合には、すなわちポンプオフ条件が検出されなかった場合には、その上昇せしめられた速度においてなおポンプオフ条件が解除されていることとして検出し、この動作が連続して１回または複数回以上検出された場合には、ポンプジャックのストローク速度を予め設定された速度だけ更に上昇せしめるごとく制御することにより、二次電流瞬時値が最大値になる時間を順次設定値と比較できるように構成し、ポンプオフ条件が検出される速度迄ポンプジャックのストローク速度を順次、段階的に上昇せしめるように制御することにより、ポンプオフ条件の解除を確認しつつ、所定のポンプジャックのストローク速度迄ポンプオフによって低下せしめられた速度を回復することことを特徴とする請求の範囲第５から７項のいずれか１項記載のポンプオフ制御方法。
【請求項９】
ポンプジャックを駆動する誘導電動機を可変電圧、可変周波数電源のインバータで速度制御するようにしたポンプジャック駆動系のポンプオフ制御装置において、前記誘導電動機の速度と二次電流の瞬時値を検出し、
前記ポンプジャックの各サイクル毎のダウンストローク時間を検出し、
各サイクル毎のダウンストローク時間における前記誘導電動機の二次電流の瞬
時値から平均値又は実効値を次式で演算し、
実効値Ｉ２ＲＭＳ＝｛Σ（Ｉ２ｔ２×△ｔ）／ＴＥ｝１／２      （Ａ）
平均値Ｉ２ＡＶ＝Σ（Ｉ２ｔ×△ｔ）／ＴＥ               （Ａ）
ただし、 Ｉ２ｔ：時刻ｔにおける二次電流の瞬時値  （Ａ）
ＴＥ：二次電流の平均値又は実効値を演算するための基準ダウン                  ストローク時間 （ｓｅｃ）
△ｔ ：積分演算のための微小時間（ｓｅｃ）
演算した前記誘導電動機の二次電流の瞬時値の平均値又は実効値と比較するための前記誘導電動機の二次電流の平均値基準値又は実効値基準値を設定し、
前記二次電流の瞬時値の平均値又は実効値と平均値基準値又は実効基準値を各サイクルのダウンストローク終了後に比較し、
前記平均値基準値より二次電流の平均値が大きい場合又は前記実効値基準値より二次電流の実効値が大きい場合にポンプオフ発生を検出することを特徴とするポンプオフ制御装置。
【請求項１０】
前記誘導電動機の二次電流の平均値基準値又は実効値基準値をポンプジャックのストローク速度に対応した値に設定することを特徴とする請求の範囲第９項記載のポンプオフ制御装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ポンプジャック（Ｐｕｍｐ  Ｊａｃｋ）で駆動されるビームポンプの（Ｂｅａｍ  ｐｕｍｐ）のポンプオフコントロール（Ｐｕｍｐ−ｏｆｆ  ｃｏｎｔｒｏｌ）に関する。
背景技術
ビームポンプ油井（Ｂｅａｍ  ｐｕｍｐｅｄ  ｗｅｌｌｓ）における、ポンプオフコントロールのセンサとしては、流体レベルや圧力検出器（Ｄｏｗｎｈｏｌｅ  ｆｌｕｉｄ  ｌｅｖｅｌ  ｏｒ  ｐｒｅ−ｓｓｕｒｅ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ）、流量センサ（Ｆｌｏｗ  ａｎｄ  ｎｏ−ｆｌｏｗ  ｓｅｎｓｏｒｓ）、振動センサ（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒｓ）更には、モータ電流センサ（Ｍｏｔｏｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｅｎｓｏｒｓ）から、最近のロッド負荷の解析や記録が出来る近代的なダイナグラフカード方式（Ｄｙｎａｇｒａｐｈ  ｃａｒｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ）へと展開して来た。
しかしながら、これ等の従来方式のセンサを応用する方法では、精度面に問題があって殆ど実用されていない。
また、近代的なダイナグラフカード方式はたとえ精度面は満足されても、サッカロッド荷重を検出するセンサやその検出信号処理装置等が必要になり、結果として複雑・高価になる欠点があった。
また、駆動電動機が速度調整出来ない誘導電動機駆動であったために、ポンプオフ検出後の制御として、電動機を停止する制御を採用せざるを得なかったので油井の浮遊ガス等による一時的なポンプオフ要因によって、ポンプを停止してしまう恐れがあり、油井の生産量を低下させる結果となった。
これを避けるために、ポンプオフが連続して３〜５回以上検出された時、ポンプモータを停止し、一定時間経過後、ポンプを再起動するといったいわゆるＯＮ−ＯＦＦ運転制御が採用されて来た。
しかしながら、この方式では、ＯＮ−ＯＦＦ運転によるポンプユニットやモータに過大な機械的・電気的ストレスを与えることになり、設備の損耗を早め、保守費用の増加をもたらす欠点があった。
発明の開示
本発明は、以上のような問題点を解決する手段を提供するもので、本発明の第１実施例に係るポンプオフ制御方法は、請求の範囲第１項〜第４項に記載したとおりのものである。
このポンプオフ制御方法によれば、ロッド荷重センサとマイクロコンピュータから構成される従来の高価なダイナグラフカードシステムを使用することなく、ポンプジャックの速度制御のために使用するインバータのなかにポンプオフ制御のソフトウェアを組み込むことで、安価になるのみならず、正確なポンプオフの検出が可能になる。
加えて、ポンプジャックの速度を制御するようにしているので、ポンプオフの検出によって、ポンプジャックの速度をポンプオフがない状態まで低下させることができる。これにより、ダウンホールポンプやサッカロッド系に無理を与えることなく、油井の継続的な生産を行なうことができる。すなわち、一定速度駆動の従来のポンプジャックを適用した油井に比べ、油井の生産性を高めかつ設備の安全性を向上できる効果を奏でる。
また、浮遊ガスの増加、あるいは油井レベルの低下等の比較的長い時間の経過に伴う油井の状況の変化に対応して、事前にダウンホールポンプの最大速度を設定することができるので、ポンプオフになる可能性を低下せしめることが可能となり、それだけ、油井の安定な可動に寄与できる。
また、本発明の第２実施例に係るポンプオフ制御方法は、請求の範囲第５項〜第８項に記載したとおりのものである。
すなわち、ポンプジャックを駆動する誘導電動機を可変電圧可変周波数電源のインバータで速度制御出来るように構成すると共に、電動機の速度と二次電流の瞬時値を検出する手段、その二次電流瞬時値が最大値になる基準点からの経過時間（以下、本発明では、二次電流最大値時間と呼ぶ）、ポンプジャックの毎回のダウンストローク時間を検出する手段、毎回の二次電流最大値時間を検出、記憶する手段、これ等の検出、記憶値と比較するために基準点からの二次電流瞬時値が最大値になる経過時間の基準（以下、本発明では、これをを設定基準時間と呼ぶ）を設定する手段を置き、二次電流最大値時間が、設定基準時間より長くなる時、これをポンプオフ条件の発生として検出すると共に、ポンプオフが発生した場合、電動機速度を順次降下させ、また、逆に、二次電流最大値時間が、設定基準時間より短いか、等しい時には、ポンプオフが解除されたとして検出し、降下せしめられた速度を順次回復する如く電動機の速度を制御することにより、ダウンホールポンプのオーバプレッシャリングを防止すると共に、油井の状況に対応し、原油の高生産を可能とするものである。
本発明によれば、ロッド荷重センサとマイクロコンピュータから構成される高価なダイナグラフカードシステムを使用しないで、ポンプジャックの速度制御のために使用するベクトル制御インバータのなかに、ポンプオフコントロールのソフトウエアを内蔵しているために安価になるのみならず、後述の理由により、正確なポンプオフの検出が可能である。加えて、ポンプジャックの速度を制御出来るように構成しているので、このポンプオフの検出によって、ポンプジャックの速度をポンプオフがない状態まで低下させることが出来るために、ダウンホールポンプやサッカロッド系に無理を与えることなく、油井の継続的な生産を行なうことが出来る特長がある。
すなわち、一定速度駆動の従来のポンプジャックを適用した油井に比べ、油井の生産性を高め、かつ、設備の安全性を向上出来る効果がある。また、浮遊ガスの増加や、あるいは、油井レベルの低下等の比較的長い時間の経過に伴う油井の状況の変化に対応して、事前にダウンホールポンプの最大速度を設定することが出来るため、ポンプオフになる可能性を低下せしめることが可能となり、それだけ、油井の安定な稼動に寄与することが出来る。
また、前述した第１実施例のダウンストローク中のモータの二次電流瞬時値の実効値、または、平均値を演算し基準値と比較して、ポンプオフを検出する方式に比べ、後述のように、ポンプジャック速度の変更によって設定基準値を変更する必要がない特長がある。
また、二次電流最大値時間と設定基準時間の差を検出することを原理にした方式であるので、二次電流の大きさには関係しないので、原油の水分や不純物の含有率の変化等に起因するダウンホールポンプ負荷の変動に影響され難い優れた特長があり、それだけ、正確なポンプオフの検出が可能となる。
加えて、第１実施例の方法に比べ、演算処理が簡単となるために、制御装置を簡単に構成出来長所がある。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の第１実施例を第１図〜第９図を参照して説明する。
また、第２実施例を第１図、第１０図〜第１６図を参照して説明する。
第１図は、二次電流の瞬時値の取り出しが容易なベクトル制御インバータを適用した本発明によるポンプオフ制御方法の実施の形態を示す図であり、第２図はポンプオフ制御装置の構成を示すブロック図である。
第１図において、１はポンプジャック駆動用の誘導電動機、２は誘導電動機１に直結され、誘導電動機１の速度を検出する速度検出器、３は公知の電流マイナーループを有するベクトル制御インバータ、４はポンプオフ制御装置である。
ベクトル制御インバータ３は、直線指令器３１、速度調整器３２、電流調整器３３、ＰＷＭ制御器３４、変流器３５及びベクトル演算器３６を備えている。直線指令器３１は、ポンプオフ制御装置４の出力である速度基準Ｎｐを、内部に設定された加速レートに制限し、誘導電動機１の速度基準Ｎｓに変換する働きをする。速度基準Ｎｓは速度検出器２で検出された実際の速度Ｎｉと比較され、その偏差が速度調整器３２によって増幅されて二次電流指令Ｉ２ｇが出力される。
電動機電流は変流器３５で検出され、ベクトル演算器３６によってその二次電流成分のみがＩ２として検出され、二次電流指令Ｉ２ｇと比較される。そして、その偏差が電流調整器３３によって増幅され、ＰＷＭ制御器３４によって電圧のパルス幅が調節されて負荷を駆動するのに必要な二次電流が誘導電動機１に供給される。このようにベクトル制御インバータ３は、実際の速度Ｎｉが速度基準Ｎｐにほぼ等しくなるように電動機速度を自動調整する。なお、本図では、ベクトル制御に必要な誘導電動機１の磁束成分電流の制御回路は公知であり、本発明のポンプオフ制御とは直接関係ないことから簡単化のために省略している。
ポンプオフ制御装置４は、第２図に示すように、演算器４１、二次電流基準発生器４２、比較器４３、出力リレー４４、シーケンサ４５、速度指令関数発生器４６、ポンプジャックの主速度設定器４７、速度指令切替器４８及び速度指令器４９を備えている。演算器４１はポンプジャックの毎回のダウンストローク時間に対する二次電流の瞬時値の実効値及び平均値を演算及び記憶する機能を有し、後述の方法によって誘導電動機１の実際の速度Ｎｉに対応してＩ２ＲＭＳ、Ｉ２ＡＶを検出する。二次電流基準発生器４２は、ポンプオフが無い時、つまり正常運転中における二次電流の平均値基準Ｉ２ＡＶ＊又は実効値基準Ｉ２ＲＭＳ＊を設定し、ポンプジャックの実際の速度Ｎｉに対応してその設定値を調整する。
実際に検出された二次電流の瞬時値の平均値Ｉ２ＡＶ又は実効値Ｉ２ＲＭＳは、それぞれの設定値Ｉ２ＡＶ＊又はＩ２ＲＭＳ＊と比較器４３で比較される。
もし、Ｉ２ＡＶ＞Ｉ２ＡＶ＊又はＩ２ＲＭＳ＞Ｉ２ＲＭＳ＊ならば、出力リレー４４がＤＮ側に切替わる。
逆にＩ２ＡＶ≦Ｉ２ＡＶ＊又はＩ２ＲＭＳ≦Ｉ２ＲＭＳ＊ならば、出力リレー４４がＵＰ側に切替わる。
ここで、Ｉ２ＡＶ＞Ｉ２ＡＶ＊又はＩ２ＲＭＳ＞Ｉ２ＲＭＳ＊は、後述のようにポンプオフ発生の検出であり、
Ｉ２ＡＶ≦Ｉ２ＡＶ＊又はＩ２ＲＭＳ≦Ｉ２ＲＭＳ＊はその解除の検出を行うものである。
シーケンサ４５は、ポンプオフシーケンスを統括制御する機能とポンプオフの発生と解除に対応してポンプジャックの速度を降速・昇速するための速度指令を発する機能を有する。すなわち、出力リレー４４のＤＮ又はＵＰの信号を計数し、例えばＤＮ信号を２回以上連続して検出すると、ポンプオフシーケンスプログラムを起動する。
シーケンサ４５は、ポンプオフシーケンスプログラムが起動すると、運転中のポンプジャック速度のノッチを自動的に判断し、それより１ノッチ低い速度になるように速度指令関数発生器４６を制御する。逆に、もしＵＰ信号を連続して２回計数すると、ポンプオフリセット（ポンプオフ解除）シーケンスプログラムを起動し、上記のポンプオフ発生の場合とは逆にポンプジャック速度が運転中の速度より１ノッチだけ高い速度になるように速度指令関数発生器４６を制御する。
主速度設定器４７は、例えばＮｐｓ＝１００％速度、Ｎｐｓ＝８０％速度のように、その時の油井の状況に対応した最高速度を設定するものである。
したがって、この設定された速度で運転中にポンプオフが検出されると１ノッチ分の速度だけ強制的に速度指令関数発生器４６で降速せしめられる。つまり、ポンプジャック速度は、△Ｎｐｎ→△Ｎｐ１により、Ｎｐｓ−△Ｎｐ１＝Ｎｐとなり、ポンプオフ条件の消滅を待つ。引き読きポンプオフが検出されると、更にもう１ノッチ分だけ、例えば△Ｎｐ２＝２×△ＮＰ１だけ降速せしめられる。
ただし、Ｎｐｓ−Ｎｐｎ≦０の場合はポンプジャックは停止する。この場合には、シーケンサ４５の中のポンプ停止・制御切替えシーケンスプログラムが起動する。このポンプ停止・制御切替えシーケンスプログラムではポンプオフプログラムを停止すると共に速度指令切替器４８を速度指令器４９側に切り替える。
速度指令器４９はポンプオフ条件の有り無しを探索するための微速指令を発生するものである。この切り替えが完了すると、シーケンサ４５の中のノーポンプオフサーチングプログラムが起動する。これはポンプオフで停止中のポンプジャックを一定時間後に再び強制的に再起動し、微速運転せしめ、微速運転中にポンプオフ条件の有無しをチェックするための制御プログラムで、ポンプジャックの微速運転、停止のシーケンスと速度指令器４９の微速指令のオン／オフ並びに微速運転中のポンプオフの有り無しのチェックを行なう。
この微速運転中にポンプオフ解除を２回以上連続して検出した場合、ノーポンプオフサーチングプログラムは、速度指令切替器４８を主速度設定Ｎｐｓ側に切り替えると共にポンプオフ制御シーケンスプログラムを再起動する。このようにして、ポンプジャックはＮｐｓ−△Ｎｐｎ＝Ｎｐの速度で、再び制御されるようになり、順次ポンプオフ条件の解除を確認しつつ、自動的に昇速させられ、設定された当初の速度Ｎｐｓに復元する。以上述べたようにポンプオフ制御装置４は、誘導電動機１の二次電流の瞬時値の平均値又は実効値を演算及び記憶し、それぞれを、それぞれの基準値と比較することにより、ポンプオフ又はポンプオフ解除を検出するものである。
以下、誘導電動機１の二次電流の瞬時値の平均値又は実効値を検出することによりポンプオフの検出ができる理由について説明する。
第３図は、ポンプジャックの定格ストローク速度が１１．３ストローク／分で、使用するポンプユニットがＡＰＩＣ１１４−１４３−６４のポンプユニットにおいて、その速度を定格の５０％にて運転した場合のサッカロッドトルク、正味の減速機軸トルク、誘導電動機１の二次電流をコンピュータシミュレーションによって求めたものである。図中にポンプジャックストローク位置も示している。
第３図（ａ）はポンプオフが生じていない場合、つまり正常な運転の場合の特性であり、第３図（ｂ）はポンプオフが生じて容積効率が６４％に低下した場合の特性である。これらの（ａ）と（ｂ）とを比較することにより、ダウンストローク時のサッカロッドトルク又は正味の減速機軸トルク、あるいは誘導電動機１の二次電流の減少する時点が、ポンプオフが発生している時の方が遅れていることが分かる。
したがって、もし、特定のストローク位置に対応して、これ等の瞬時値を検出し、ポンプオフが無い正常運転の場合の基準値と比較するようにすれば、ポンプオフの検出が可能になる。例えば、本実施の形態では、クランク角度６６ｄｅｇ（ポンプジャックの先端位置が最高位置にある時のポンプジャックのクランク角度を０ｄｅｇとして測ったクランク角度（以下、この角度をθ’ベースの角度と呼称する）付近の毎回のポジションを検出して、その時の誘導電動機１の二次電流の値と、正常運転の場合の二次電流の値とを比較することにより、ポンプオフの検出ができる。
第４図は、ポンプジャックのストローク速度を２５％にして、ポンプの容積効率ηｖが４０％の場合と容積効率ηｖが６３．７％の場合について、上記と同一のポンプジャックにコンピュータシミュレーション解析を行い、得られた誘導電動機１の二次電流をクランク角度（θ’ベース）に対してプロットしたものである。図示のように容積効率が低下しても、以上に述べた方法にてポンプオフの発生の検出が可能である。
しかしながら、本実施の形態では、ポンプジャックの速度が上昇するにつれて、誘導電動機１の二次電流がサッカロッド系の振動特性によって振動応答をするようになり、以上のような特定クランク角度に対する二次電流の瞬時値を基準値と比較する方法では、確実なポンプオフの検出が困難である。
第５図は、それを示したものである。この図は１００％ストローク速度におけるポンプオフが生じた場合と正常運転の場合の誘導電動機１の二次電流をクランク角度に対して同様にコンピュータシミュレーション解析の結果をプロットしたものである。図示のようにクランク角度６６ｄｅｇ付近の二次電流の瞬時値と、基準値との比較では正確なポンプオフの検出が困難になることが分かる。
本発明では、この問題を前述のようにダウンストローク時間（後述のように、厳密には基準ダウンストローク時間）に対する誘導電動機１の二次電流の平均値、あるいは実効値の演算検出による方法で解決した。
以下、各ダウンサイクル毎の誘導電動機１の二次電流の瞬時値の平均値又は実効値によりポンプオフの検出が可能であることを説明する。
第６図はダウンストローク時の誘導電動機１の二次電流の平均値、実効値をコンピュータ解析によって求めたもので、Ｘ軸に容積効率、Ｙ軸に誘導電動機１の二次電流Ｉ２ＲＭＳ、Ｉ２ＡＶをとり、ポンプジャックのストローク速度、１．００ｐ．ｕ．（１００％速度）、０．５ｐ．ｕ．（５０％速度）、０．２５ｐ．ｕ．（２５％速度）の場合について解析した結果をプロットしたものである。
ポンプオフがない正常運転の時には、容積効率は、ほぼ１００％であり、ポンプオフが激しくなるつれて容積効率は段々と低下する。
今、油井の状態変化を考慮して容積効率が６３．７％（０・６３７ｐ．ｕ．）以下に低下した場合をポンプオフの発生として検出することにすると、ポンプオフがない正常運転における二次電流値とポンプオフが発生した場合の二次電流値は第７図に示すように大きく異なった値となる。
（注１）Ｉ２ＲＭＳ：ダウンストローク時の
瞬時二次電流から計算した実効値（Ａ）
Ｉ２ＡＶ  ：ダウンストローク時の
瞬時二次電流から計算した平均値（Ａ）
（注２）電動機の定格二次電流：３６．９（Ａ）
すなわち、この電流差を利用すれば、例えばディジタル的電流差演算によって、ポンプオフの正確な検出が可能になることは明らかである。
次に、毎回のダウンストローク時の二次電流の瞬時値の実効値又は平均値の演算を行なう方法について説明する。
この演算には、誘導電動機１の二次電流の瞬時値、その時の速度、測定開始、終了の時間信号が必要になる。特に測定開始のダウンストロークスタートの信号を如何にして検出するかが問題になる。勿論、各回転毎のクランク角ゼロ位置を検出する機械的又は磁気的センサをポンプジャックに設ければ、この問題は比較的に容易に解決できる。しかしながら、本発明では、システム構成を簡単にするためにこのような機械的、磁気的センサを使用しないで、減速機軸正味トルクのゼロ点がポンプジャックの機械定数によって決定される特別なクランク角度に固定されるために、誘導電動機１の二次電流のゼロクロス点もまたクランク角度に対して固定される点に着目し、この性質を応用することで解決している。
第８図はポンプジャックが１００％速度で正常運転をしている時の誘導電動機１の二次電流とロッド位置をクランク角度（θ’ベース）に対してプロットした例である。この図において、本発明にては、Ａ点（０ｄｅｇ）からＢ点（１８０ｄｅｇ）迄の実際のダウンストロークに対して、Ａ’点（二次電流ゼロクロス点）からＢ点迄を基準サイクル時間とし次式にて求めている。
ＴＥ＝（ＴＳ／２）＋（△θ／Ｖｏ）＝（１／Ｓ）｛３０＋（△θ／６．０）｝（ｓｅｃ）・・・（１）
ただし、
ＴＥ：二次電流の平均値又は実効値を演算するための基準ダウンストローク時間  （ｓｅｃ）
ＴＳ：ポンプジャックストローク時間＝６０／Ｓ（ｓｅｃ）
Ｓ  ：ポンプジャックストローク速度（ｓｐｍ）
Ｖｏ：平均クランク回転速度＝３６０／ＴＳ＝６．０×Ｓ（ｄｅｇ／ｓｅｃ）
△θ：二次電流のゼロクロス点に一致するクランク角度とアップストロークエンドのクランク角度間の相差角（ｄｅｇ）：（ポンプジャックの機械設計諸元によって既知）
したがって、ポンプジャックが運転中に、各ストロークサイクル毎にＡ’点を検出できれば、その時点から、ＴＥ秒間、二次電流の微小時間△ｔ（ｓｅｃ）毎の二次電流瞬時値又は二次電流瞬時の２乗値を積算することによって、それぞれ、実効値又は平均値を次式で求めることが可能である。
Ｉ２ＲＭＳ＝｛Σ（Ｉ２ｔ２×△ｔ）／ＴＥ｝１／２  （Ａ）・・・（２）
Ｉ２ＡＶ＝Σ（Ｉ２ｔ×△ｔ）／ＴＥ                （Ａ）・・・（３）
ただし、
Ｉ２ｔ：時刻ｔにおける二次電流の瞬時値（Ａ）
△ｔ  ：積分演算のための微小時間（ｓｅｃ）
次に、Ａ’点の検出方法について述べる。
Ａ’点は、アップストローク終了前のロッドトルクゼロの点であり、ダウンストローク終了付近のロッドトルクゼロ点と区別しなければならない。このため本発明では二次電流の方向と大きさ並びにそれら信号の論理操作を応用する。今、誘導電動機１が電動側トルクを発生している場合を二次電流のプラスとして設計した場合の例で説明する。
ポンプジャックのダウンストローク側の運転によって、誘導電動機１は制動トルクを発生し、二次電流はマイナスになるためこれを記憶する。次にポンプジャックがアップストローク側に移行したことを検出するために、実際の二次電流が５０％以上となったことを検出する手段を設ける。二次電流のマイナスの記憶と、この二次電流が５０％以上のＡＮＤ論理により、ポンプジャックが確かにダウンストロークからアップストロークに移ったことを検出記憶する。したがって、この時点から後に二次電流がプラスからゼロ、マイナスに移る時のゼロ点は上記のＡ’点であり、公知の論理操作によって容易に検出可能である。
なお、参考として第９図に、以上に述べた二次電流の瞬時値の平均値、実効値の計算フローを示している。第２図の演算器４１は、以上に述べた演算、記憶、論理制御の機能を持った演算器である。
次に、二次電流のゼロクロス点がポンプジャックの機械的定数によって決定されることを説明する。
二次電流の瞬時値は正味減速機軸トルクに正比例した値であり、そのゼロクロス点は次の正味減速機軸トルクの式のゼロを与える点である。
ＴＬ＝ＷＰＲ・ＴＦ＋ＬＣ・ＷＣＢ・ｃｏｓ（ｄ−θ）＝ＷＰＲ・ＴＦ＋ＴＣＢ（ｋｇ−ｍ）  ・・・（４）
ただし、
ＴＬ  ：正味減速機軸トルク（ｋｇ−ｍ）
ＷＰＲ：ポリッシド荷重（ｋｇ）
ＴＦ  ：ポンプジャックのトルクファクタ（ｍ）
ＬＣ  ：カウンタバランスの回転半径（ｍ）
ＷＣＢ：カウンタバランスの重量（ｋｇ）
ｄ    ：カウンタバランス効果が最大になる角度に一致する必要な位相角（ｄｅｇ）
ＴＣＢ：カウンタバランストルク（ｋｇ−ｍ）
（４）式のＴＦは、ポンプジャックのリンク機構による機械定数と、クランク回転角によって決定される。例えば、ポンプユニットＡＰＩＣ４５６−３０４−１２０では、１８２．１ｄｅｇと、３６６．０ｄｅｇにてＴＦはゼロになっている。また、他の例で、ＡＰＩＣ１１４−１４３−６４では、１８４．９ｄｅｇと、３５８．１ｄｅｇにてＴＦはゼロになっている。
ただし、このＴＦを与える角度は、θ’ベースで表されている。したがって、もし、クランク角度もθに変えてθ’で表すならば、（４）式の第２項ＴＣＢは、１８０ｄｅｇと３６０ｄｅｇでゼロになる。つまり、ＴＦのゼロ点とＴＣＢのゼロ点は非常に近くなる。したがって、ＴＬゼロの点、つまり、二次電流のゼロ点はポンプジャックの機械的定数によって決定される特定の値に固定されることになる。すなわち、前述の方法でＡ’点を検出すれば、クランク角度を検出するための機械的又は磁気的センサは必要でなくなる。
ポンプジャックの各サイクル毎の誘導電動機１の二次電流の平均値、実効値によって、ポンプオフ又はノーポンプオフを検出するための基準値は既に述べたように、例えば第６図の容積効率６３．７％の各速度に対応した電流値を設定することで可能である。第２図の二次電流基準発生器４２の内部には第６図のようなデータが記憶されており、図示のように速度の信号によって選択されるようになっている。
以上説明したように、本発明の第１実施例によれば、ロッド荷重センサとマイクロコンピュータから構成される従来の高価なダイナグラフカードシステムを使用することなく、ポンプジャックの速度制御のために使用するインバータのなかにポンプオフ制御のソフトウェアを組み込むことで、安価になるのみならず、正確なポンプオフの検出ができる。
また、ポンプジャックの速度を制御するようにしているので、ポンプオフの検出によって、ポンプジャックの速度をポンプオフがない状態まで低下させることができる。これにより、ダウンホールポンプやサッカロッド系に無理を与えることなく、油井の継続的な生産を行なうことができる。すなわち、一定速度駆動の従来のポンプジャックを適用した油井に比べ、油井の生産性を高めかつ設備の安全性を向上できる効果をが得られる。
また、浮遊ガスの増加、あるいは油井レベルの低下等の比較的長い時間の経過に伴う油井の状況の変化に対応して、事前にダウンホールポンプの最大速度を設定することができるので、ポンプオフになる可能性を低下せしめることが可能となり、それだけ油井の安定な可動に寄与できる。
次に、本発明の第２実施例を第１図、および第１０図〜第１６図を参照して説明する。
本発明の第２実施例によれば、前記第１実施例のダウンストローク中のモータの二次電流瞬時値の実効値、または、平均値を演算し基準値と比較して、ポンプオフを検出する方法に比べ、ポンプジャック速度の変更によって設定基準値を変更する必要がない。
また、二次電流最大値時間と設定基準時間の差を検出することを原理にした方法であるので、二次電流の大きさには関係しないので、原油の水分や不純物の含有率の変化等に起因するダウンホールポンプ負荷の変動に影響されにくくなり、それだけ正確なポンプオフの検出が可能となる。
さらに、第１実施例の方法に比べて演算処理が簡単となるために、制御装置を簡単に構成できる長所がある。
第１図において、１はポンプジャック駆動用電動機、２はその電動機に直結された速度検出器、３はベクトル制御インバータの制御のブロック線図、４は第１０図に示す本発明の第２実施例であるポンプオフコントロールのブロック図を示している。３１はインバータの直線指令器で、ポンプオフコントロール制御４の出力である速度基準ＮＰをインバータの直線指令器３１の内部に設定された加速レートに制限し、電動機の速度基準Ｎｓに変換する働きをする。
この速度基準Ｎｓは実際の速度を速度検出器２で検出し、その出力Ｎｉと比較され、その偏差は速度調整器３２によって増幅され、出力側に二次電流指令Ｉ２Ｓを出力する。
電動機電流は変流器３５で検出され、ベクトル演算器３６によってその二次電流成分のみがＩ２として検出され、Ｉ２Ｓと比較される。その偏差は電流調整器によって増幅され、ＰＷＭ制御器３４によって、電動機に与える電圧のパルス巾を調節して、負荷を駆動するのに必要な二次電流を供給するように働く。
このようにして、実際速度を速度基準にほぼ等しくなるように、電動機速度を自動調整する。つまり、本図のベクトル制御インバータ３は、公知の電流マイナーループを有するものである。電動機の磁束成分電流の制御回路はベクトル制御に必要ではあるが、これ自体公知であり、また本発明のポンプオフコントロールとは直接関係ないので、簡単化のために本図では省略されている。
次に、本発明のポンプオフ制御方法を第１０図にて説明する。
第１０図において、ＩＰＣＡＬブロック４１は、ポンプジャックの毎回のダウンストローク時間に対する二次電流瞬時値の最大値を演算、検出するもので、ダウンストローク中のＩ２Ｐを検出し、二次電流がＩ２Ｐに到達した時点に、ＡＮＤ論理素子５２に、論理信号”１”を与える。
ＳＩＧＭＡブロック５１は、ポンプオフ検出リレーＤＥＴ６１がＯＮの間、一定タイミングパルス発生器５０が発生する時間パルスΔｔを積算する。そしてＡＮＤ論理素子５２が”１”の間、二次電流サンプリング時間毎に記憶素子５４にＳＩＧＭＡブロック５１の積算結果を書き込む。つまり、ＩＰＣＡＬブロック４１が検出したＩ２ＰによってＡＮＤ論理素子５２に論理信号”１”が与えられると、その時点迄に積算されたΔｔ時間、つまりΣΔｔの値が記憶素子５４に記憶されることになる。
このようにして検出されたダウンストロークの時のΣΔｔをＴＰ１（ｓｅｃ）とすれば、この値は、基準サイクルタイム演算器５６の出力ＴＣＴＲ（ｓｅｃ）で割算され、ｔＰ１（ｐ．ｕ．）となる。
記憶素子４２は、このＴＰ１と比較するための設定基準時間ｔＰＲ（ｐ．ｕ．）を記憶するものである。この場合、ｔＰＲは、ＡＮＤ論理素子５９を通して設定する手動設定による場合と、ＡＮＤ論理素子５３を通して、記憶素子５５に与えられた値を、ＴＣＴＲで割算した値ｔＰＲを設定する自動設定による場合の二つがある。すなわち、実際の二次電流最大値時間、ｔＰ１（ｐ．ｕ．）は、上記何れかの方法にて設定された設定基準時間ｔＰＲ（ｐ．ｕ．）と比較され、その差は、コンパレータ４３の入力となる。
ここで、比較器４３は出力リレー４４を次のように切り替える働きをする。
▲１▼  ｔＰ１＞ｔＰＲの場合、出力リレー４４を”ＤＮ”側に切り替える。
▲２▼  逆に、ｔＰ１≦ｔＰＲならば、出力リレー４４を”ＵＰ”側に切り替える。
なお、ｔＰ１＞ｔＰＲの場合とは、後述のようにポンプオフ発生の検出であり、
ｔＰ１≦ｔＰＲの場合とは、その解除の検出を行なうものである。
ＩＣＡＬブロック４５は、ポンプオフシーケンスを統括制御する機能とポンプオフの発生と解除に対応して、ポンプジャックの速度を降速（ＤＮ）・昇速（ＵＰ）するための速度指令を発する機能を有する。すなわち、４４のＤＮまたはＵＰの信号を計数し、例えば、ＤＮ信号が２回以上連続して検出されると、ＩＣＡＬブロック４５の中のポンプオフシーケンスプログラムを起動する。
ポンプオフシーケンスプログラムが起動すると、運転中のポンプジャック速度のノッチを自動的に判断し、それより、１ノッチ低い速度になるように、速度指令関数発生器４６を制御する。
逆に、もし、ＵＰ信号を連続して２回計数すると、ＩＣＡＬブロック４５の中のポンプオフリセット（ポンプオフ解除）シーケンスプログラムを起動し、上記のポンプオフ発生の場合とは逆に、ポンプジャック速度が、運転中の速度より、１ノッチだけ高い速度になるように、速度指令関数発生器４６を制御する。
４７はポンプジャックの主速度設定器で、油井状況に対応して、例えば、ＮＰＳ＝１００％速度、ＮＰＳ＝８０％速度のようにその時の油井の状況に対応した最高速度を設定するものである。
したがって、この設定された速度で運転中に、ポンプオフが検出されると１ノッチ分の速度だけ、強制的に速度指令関数発生器４６で降速させる。つまり、
ポンプジャック速度は、ΔＮＰｎ⇒ΔＮＰ１により、ＮＰＳ−ΔＮＰ１＝ＮＰとなりポンプオフ条件の消滅を待つ。
引き続きポンプオフが検出されると、更に、もう１ノッチ分だけ、
例えば、ΔＮＰ２＝２×ΔＮＰ１だけ降速せしめられる。
ただし、ＮＰＳ−ΔＮＰｎ≦０の場合は、ポンプジャックは停止する。
この場合には、ＩＣＡＬブロック４５の中のポンプ停止・制御切替えシーケンスプログラムが起動する。
４９はポンプオフ条件の有り無しを探索するための微速指令を発生する速度指令器である。このプログラムは、ポンプオフプログラムを停止すると共に、速度指令切替器４８を速度指令器４９側に切り替える。
この切替えが完了すると、ＩＣＡＬブロック４５の中のノーポンプオフサーチングプログラムが起動する。これは、ポンプオフで停止中のポンプジャックを、一定時間後に再び強制的に再起動し、微速運転せしめ、微速運転中にポンプオフ条件の有無しをチェックするための制御プログラムで、ポンプジャックの微速運転、停止のシーケンスと速度指令器４９の微速指令のＯＮ、ＯＦＦ並びに微速運転中のポンプオフの有り無しのチェックを行なう。この微速運転中に、ポンプオフ解除を２回以上連続して検出した場合、ノーポンプオフサーチングプログラムは、速度指令切替器４８を、主速度設定ＮＰＳ側に切り替えると共に、ポンプオフ制御シーケンスプログラムを再起動する。
このようにして、ポンプジャックは、ＮＰＳ−ΔＮＰｎ＝ＮＰの速度で、再び制御されるようになり、順次、ポンプオフ条件の解除を確認しつつ、自動的に、昇速させられ、設定された当初の速度ＮＰＳに復元する。
基準サイクルタイム演算器５６は、ポンプジャック速度をＮｉで取り込みと機械定数として設定されている減速比から、１／２ストローク時間（＝ＴＳ／２）を演算する。この演算値を基準サイクルタイムＴＣＴＲとして出力する。
本発明では、ポンプオフを検出するために、ポンプジャックが正常運転している場合、（ノーポンプオフの場合）の基準の二次電流最大値時間を設定基準時間として、記憶素子ＭＥＭＯ３ブロック４２に記憶せしめる必要がある。このため、前述のように手動設定モードと自動設定モードが準備されている。
自動設定を選択した場合について述べれば、次のようになる。
自動設定を選択することにより、ＡＮＤ論理素子５３が”１”になり、ＡＮＤ論理素子５２が”１”の間、ＳＩＧＭＡブロック５１のΣΔｔを二次電流スキャン毎に記憶素子ＭＥＭＯ２ブロック５５に書き込む。したがって、前述の方法において、ＡＮＤ論理素子５２が”０”になった瞬間に、基準点からの二次電流瞬時値が最大になる経過時間ΣΔｔが記憶素子ＭＥＭＯ２ブロック５５に記憶されることになる。
つまり、運転者が、ポンプジャックがノーポンプオフの状態で運転していることを確認して、このモードのプログラムを起動して、ポンプジャックを１サイクル運転すれば、記憶素子ＭＥＭＯ２ブロック５５の出力として、ダウンサイクル時間中の基準点からの二次電流瞬時値が最大になる時間、つまり、設定基準時間ＴＰＲ（ｓｅｃ）を得ることが出来る。
このＴＰＲはＴＣＴＲで割算され、ＯＲ論理素子５８を通して、記憶素子ＭＥＭＯ３ブロック４２に設定される。この値に後述のように若干の裕度を考慮して、ポンプオフ検出の設定基準時間ｔＰＲ（ｐ．ｕ．）となる。手動モードにて設定する場合には、予め記憶素子６０に設定された基準時間ｔＰＲＭ（ｐ．ｕ．）が、ＡＮＤ論理素子５９、ＯＲ論理素子５８を通して、記憶素子ＭＥＭＯ３ブロック４２に設定される。
二次電流瞬時値の最大値と基準点から時間を検出するために、その検出開始時点、終了時点を制御しなければならない。本発明では、論理記憶素子６２の出力によってＯＮ−ＯＦＦするポンプオフ検出リレー６１の接点ＤＥＴ／Ｃ１、ＤＥＴ／Ｃ２によって制御するように構成している。この論理記憶素子６２は、その入力側に置かれた切り替えスイッチ６３によって、ソフトウエア処理の基準点信号発生器６４か、または、ポンプジャックのストローク位置を検出するストローク位置センサ２０の内の何れかの信号によって動作せしめられる。ストローク位置センサ２０は、例えば、ポンプジャックのクランク角度を検出する機械的・磁気的・あるいは光学的センサで、この信号はポンプジャックのストローク位置がアップエンドに来た時論理記憶素子６２をＯＮし記憶すると共に、ポンプオフ検出リレー６１をＯＮする。ポンプオフ検出リレー６１がＯＮし、ポンプオフの検出が開始される。
この論理記憶素子６２に記憶された位置の記憶信号は、コンパレータ５７がＲＳＥＴのパルス信号を発する時に解除される。コンパレータ５７は、基準サイクルタイム演算器５６に記憶されているＴＣＴＲ（ｓｅｃ）とＳＩＧＭＡブロック５１の出力ΣΔｔと比較し、ΣΔｔがＴＣＴＲに等しくなった時点に、ＲＳＥＴのパルス信号を発するように構成されている。また、このＲＳＥＴの信号によって、記憶素子５４の内容がリセットされ、次のダウンサイクルの二次電流最大値時間の検出に備える。
つまり、このような構成と制御により、ポンプオフ検出リレー６１によって、基準点からのダウンストローク運転中のモータの二次電流最大値時間が、ダウンサイクル毎に検出できることになる。
６４は、機械構造上の制約等でストローク位置センサ２０の設置が難しい時のために準備したソフトウエアによる基準点信号発生器であり、その動作は後述する。
以上に述べたように、本発明は、基準点からのダウンストローク中の電動機の二次電流最大値時間を検出し、その値をポンプオフが生じていない場合の設定基準時間と比較することにより、ポンプオフまたはポンプオフ解除を検出することを原理としたポンプオフ制御方法となっている。
したがって、本発明では、電動機の二次電流瞬時値が最大値となる時間がポンプオフ条件の発生によって、ポンプオフ条件がない場合より長くなることを明らかにしなければならない。以下、これを説明する。
第１１図は、ポンプジャックの定格ストローク速度が１１．３ストローク／分で、使用するポンプユニットがＡＰＩ  Ｃ１１４−１４３−６４のポンプユニットにおいて、定格速度にて運転した場合のサッカロッドトルク（Ｒｏｄ  ｔｏｒｑｕｅ）、モータ二次電流（Ｍｏｔｏｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ）をコンピュータシミュレーションによって求めたものである。
図中に、ポンプジャックストローク位置（Ｓｔｒｏｋｅ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）も示している。
第１１図（ａ）がポンプオフが発生した時の特性であり、第１１図（ｂ）が、ポンプオフでない時の特性である。
第１１図（ａ）と第１１図（ｂ）を比較することにより、ストローク位置がアップストロークエンドにある時点から、モータの二次電流瞬時値が最大になる点迄の時間つまり、二次電流最大値時間が、ポンプオフが発生している時の方が長くなっていることが分かる。
この理由は、ダウンホールポンプのポンプケーシング（Ｐｕｍｐ  ｂａｒｒｅｌ）がアップストローク運転にて、部分的に浮遊ガス（Ｆｒｅｅ  ｇａｓ）等に満たされた場合、アップストロークエンドからダウンストローク運転に移る場合、浮遊ガスの存在のために、ダウンストロークが開始されても直ぐには吐出弁が開かないためである。
つまり、浮遊ガスが少ないか、あるいは浮遊ガスがない通常の運転の吐出弁の開き時間より若干遅れることになる。浮遊ガスの量が多くなると、吐出弁の開きが、ますます遅れ、ポンプオフの状態になる。この程度が大きくなると、ポンプジャックストロークのアップエンドから、それだけ離れた位置にて吐出弁の開放が行なわれることになり、これは、ポンプジャックの重大な事故の要因となるオーバープレッシャリング、（Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｉｎｇ）を引き起こす。吐出弁の開きがポンプジャックストロークの最高位置から遅れて発生するようになれば、ダウンホールポンプ（Ｄｏｗｎ−ｈｏｌｅ  ｐｕｍｐ）負荷のサッカロッド系へのアンローディング時間も遅れるようになり、モータ二次電流のピーク値の位置も遅れることになる。
本発明は、この特性をポンプオフ検出の原理として応用している。
第１２図は、実機におけるポンプジャックのポンプオフの試験結果を示したものである。
本例は、８０％ストローク速度（１００％ストローク速度は、１４ｓｐｍ）で、ポンプオフが発生した場合、とポンプオフが発生していない場合のモータの二次電流のオッシログラムを重ねて示している。図を参照すると、ポンプオフの時は、二次電流最大値時間が、９．２％遅れている。つまり、本発明の原理の正当性が証明されている。ここで１００％時間は、定格サイクルタイムの５０％としている。また、第１２図のＸ軸の目盛りは、１単位時間＝８０ｍｓにて示している。
また、ポンプオフの時のパーユニット遅れ時間、（＝遅れ時間／基準ストローク時間）が、ポンプジャックストローク速度を変更しても殆ど一定であることを、同実機にて確認した。第１表は、ポンプオフ状態がほぼ一定の場合の測定結果の例である。
0004626057.tif 000002
本例では、４０％ストローク速度の二次電流最大値時間（ｐ．ｕ．）は、８０％速度運転中のそれより０．０８３ｐ．ｕ．早くなっていることが分かる。
したがって、速度制御範囲の広いポンプジャックのより厳密なポンプオフの検出には、ポンプジャック速度設定に対応して、設定基準時間（ｐ．ｕ．）を修正するごとき手段を追加すれば可能であることは明らかである。
以上に説明した本発明のポンプオフ検出の原理を、更に、コンピュータシミュレーションによって確認した。
第１３図は、前述のポンプジャックシミュレーションモデルにおいて、ポンプオフが生じた場合と正常運転の場合の電動機２次電流最大値時間を求め、この結果をストローク速度に対して、プロットしたものである。
図示のように、ストローク速度を変更しても、パーユニット遅れ時間の変動は少なく、本発明の方法にて確実なポンプオフの検出が可能であることが示されている。
なお、第１３図の中に、ポンプジャック形式は異なるが、第１表に示した実機におけるポンプオフの二次電流最大値時間も比較のためにプロットしている。
この結果から第１３図のシミュレーション結果が実際に近い傾向を示していると結論づけることができる。また、本発明のポンプオフ検出方法がストローク速度の変更に影響を受け難い特長をもっていることも確認できる。
ポンプオフの程度は、前述のように、ポンプケーシングに混入た浮遊ガスの存在等によって、ダウンストローク開始時点でのダウンホールポンプの吐出弁の開放時間の遅れで代表することができる。したがって、シミュレーションでは、この遅れ時間をダウンストローク時間の比で表わし、この値を種々変更して実施した。その結果を第１４図に示す。
第１４図より、本発明の方法によれば、ポンプオフ状態がゆるい場合でも確実にポンプオフの検出をすることが可能であることが分かる。
また、図示のように、吐出弁の遅れを２０％とした時点のｔＰ１を、通常運転時の二次電流最大値時間のバラツキや裕度を考慮した設定基準時間として第１０図の記憶素子ＭＥＭＯ３ブロック４２より出力ｔＰＲとして設定すれば、吐出弁の遅れ２０％以上をポンプオフとして検出するようにすれば、実用的なポンプオフ制御方法が構成出来る。
また、吐出弁の遅れ２０％未満をノーポンプオフ、あるいは、ポンプオフの解除として検出すれば、確実なポンプオフ解除の検出が可能となる。
なお、前掲の第１３図のシミュレーション結果は、吐出弁の遅れを２０％とした場合を示している。
次に、二次電流最大値時間の検出のための制御シーケンスについて説明する。  第１５図は、カウンタバランス重量を実際に近い値に設定した場合のモータ二次電流瞬時値とポンプジャックストローク位置の関係を示す説明図である。
今、第１５図のアップストロークエンドを、第１０図のストローク位置センサ２０にて検出する場合を説明する。すなわち、ポンプジャックストローク位置がアップストロークエンドに来た時点に、ポンプオフ検出リレー６１がＯＮし、二次電流最大値検出回路４１に、二次電流Ｉ２の瞬時値の取り込みが開始される。  同時に、ＳＩＧＭＡブロック５１がΔｔの積算を開始する。この結果、第１５図のＴｐ１の時間が、第１０図の二次電流最大値検出回路４１、ＳＩＧＭＡブロック５１、ＡＮＤ論理素子５２によって、検出され、記憶素子（ＭＥＭＯ１）５４に記憶される。
第１６図は、この動作を制御フローにて説明したものである。
以下、ソフトウエア処理上の問題の改善について補足説明する。
二次電流最大値時間Ｔｐ１は、その検出前に、二次電流瞬時値の最大値の検出を要するために、実際には、この二次電流瞬時時の最大値を検出、処理する時間だけ遅れた値になる。この問題を避けるには、第１６図の制御フローと異なり、ポンプオフ検出リレー６１のＯＮよりＯＦＦまで、二次電流最大値検出回路４１の中に、Δｔ時間毎の二次電流瞬時値をテーブルとして記憶せしめ、ポンプオフ検出リレー６１のＯＦＦより次のポンピジャックサイクルのアップストローク開始迄の時間を利用して、この記憶されたテーブル値から、二次電流最大値時間を検出すると云う公知の手法を適用することもできる。また、モータ二次電流は、第１５図に示すような滑らかな電流波形ではなく、適用されるインバータのキャリア周波数の電流リップルを含む。したがって、Δｔ時間よりも更に小さいスキャン時間毎にモータ電流を取り込む手段を設け、スキャン毎の値を比較し、電流検出値がｎ１回以上単調増加後、ｍ１回以上単調減少した場合、その間の極大値を二次電流最大値として検出する等の公知の手段を適用することも、勿論、可能である。この二次電流値に対応したΣΔｔをテーブルより検出して、この値をＴｐ１とする。
次に、第１０図のストローク位置センサ２０を使用しないで、アップストロークエンドを、ＲＰＯＳＧブロック６４にてソフトウエア処理にて検出する場合を説明する。
ＲＰＯＳＧブロック６４は、第１５図のモータ二次電流のゼロクロス点Ａ’が、ポンプジャックの減速機軸正味トルク（＝サッカロッドトルク−カウンタバランストルク）にって決定され、また、減速機軸正味トルクが、機械定数によって定まる特別なクランク角度に固定されることを原理にした基準位置信号発生回路である。
つまりＡ’点をアップストロークのモータ二次電流瞬時値のゼロクロス点として検出し、この点を基準に、アップストロークエンド点に到達する時間を（１）式にてＴＰ０として演算推定する。
ＴＰ０＝（Δθ／Ｖθ）                      （ｓｅｃ）  ・・・（５）
ただし、
ＴＰ０  ：二次電流のゼロクロス点からアップストロークエンド迄の推定時間、ｓｅｃΔθ：２次電流のゼロクロス点に一致するクランク角度とアップストロークエンドのクランク角度間の相差角、
ｄｅｇ：（ポンプジャックの機械設計諸元によって既知）
Ｖθ  ：平均クランク回転速度＝３６０／ＴＳ＝６．０×Ｓ、ｄｅｇ／ｓｅｃ
ＴＳ  ：ポンプジャックストローク時間＝６０／Ｓ、ｓｅｃ
Ｓ  ：ポンプジャックストローク速度、ｓｐｍ
したがって、ポンプジャックが運転中に、毎ストロークサイクル毎にＡ’点を検出できれば、その時点から、Ｔｐ０時間後に、ポンプジャックがアップストロークエンドに到達すると推定できる。したがって、Ａ’点を検出後、Ｔｐ０時間後に、第１０図の６１ポンプオフ検出リレーをＯＮすることによって、ストローク位置センサ２０を使用しないで、ポンプオフの検出開始制御が可能となる。なお、Ａ’点は、アップストローク終了前のロッドトルクゼロの点であり、ダウンストローク終了付近付のロッドトルクゼロ点と区別しなければならない。このため本発明では、アップストローク開始時点に、運転者が、”アップストロークスタート”の信号を入力し、この記憶信号（以下ティーチイン信号と呼ぶ）と２次電流の大きさの論理操作を応用する。つまり、ポンプジャックが、アップストロークで運転していることを検出するために、モータの二次電流が５０％以上となったことを検出する新たな二次電流検出手段を設け、この信号と上記ティーチイン信号のＡＮＤ論理により、ポンプジャックが確かに、アップストローク運転中であることを検出し記憶する。このようにして記憶されたアップストローク中に、二次電流がプラスから、ゼロ、マイナスに移る時のゼロ点は、上記のＡ’点であり、公知の論理操作によって容易に検出可能である。
なお、第１０図の６４のブロック図にては、以上の説明のように二次電流の取り込み、ティーチイン信号の取り込み等の信号表示が必要であるが、図を簡単化のために、これ等の図示は省略されている。
また、前記の二次電流のゼロクロスＡ’点が、ポンプジャックの機械的定数によって決定されることは、既に第１実施例のところで説明している。
産業上の利用可能性
本発明に係るこの新しいポンプオフ制御方法を採用することにより、ロッド荷重センサとマイクロコンピュータから構成される高価なダイナグラフカードシステムを使用しないで、ポンプジャックの速度制御のために使用するベクトル制御インバータのなかに、ポンプオフコントロールのソフトウエアを内蔵しているために安価になるのみならず、正確なポンプオフの検出が可能である。
加えて、ポンプジャックの速度を制御出来るように構成しているので、このポンプオフの検出によって、ポンプジャックの速度をポンプオフがない状態まで低下させることが出来るために、ダウンホールポンプやサッカロッド系に無理を与えることなく、油井の継続的な生産を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
以下、本発明の具体的な第１および第２の実施例を第１図〜第１６図によって説明する。
第１図は、ポンプジャックの駆動電動機の確実な速度制御を行なうと共に、ポンプオフの検出を電動機の二次電流瞬時値を検出する必要があるために、二次電流瞬時値の取り出しが容易なベクトル制御インバータを適用した、本発明の構成例を示している。
第２図は、第１図のポンプオフ制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。
第３図〜第８図は、ポンプジャックの各サイクル毎の誘導電動機の二次電流の瞬時値の平均値、実効値によるポンプオフ検出の方法を説明する図である。
第９図は、二次電流の瞬時値の平均値、実効値計算過程を示すフローチャートである。
第１０図は、本発明の方法のポンプオフコントロールの基本制御構成例を示す図である。
第１１図〜第１５図は、本発明の二次電流最大値時間と基準時間の差によってポンプオフの検出が出来ることを説明するための説明図である。
第１６図は、本発明の方法の二次電流最大値時間を検出する制御フローを示している。
【図１】
0004626057.tif 000003
【図２】
0004626057.tif 000004
【図３】
0004626057.tif 000005
【図４】
0004626057.tif 000006
【図５】
0004626057.tif 000007
【図６】
0004626057.tif 000008
【図７】
0004626057.tif 000009
【図８】
0004626057.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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