(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の平均値又は実効値を演算し、
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ポンプジャックのポンプ速度に対応した値に設定することを特徴とする請求項１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、その時点以後のタウンストロークにおける実際の二次電流の瞬時値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瞬時値の演算平均値又は演算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項１又は２に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瞬時値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順次値の演算平均値又は演算実効値を順次比較してポンプジャック条件が検出される速度迄ポンプジャック速度を順次、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項１乃至３のいずれかに記載のポンプオフ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプジャックで駆動されるビームポンプのポンプオフ制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビームポンプ油井におけるポンプオフ制御に用いられるセンサは、油井地下ホールの流体レベルや圧力検出器、流量センサ、振動センサ、更にはモータ電流センサ等のセンサを使用する伝統的な方式のものから、ロッド負荷の解析や記録ができる近代的なダイナグラフカード方式ものへと発展してきた。
最近の近代的ダイナグラフカード方式は、ポンプオフの検出方式として最も確実で精度も良いと云われているが、サッカロッドにストレーンゲージ等のロッド荷重センサが必要であり、しかもそのセンサの検出信号をポンプジャックの回転位置に関係付けて処理することからマイクロコンピュータ装置を必要とし、それだけ複雑で高価にならざるを得なかった。また、従来方式のダウンホールにセンサを置く方式では、地下数千フィートにセンサを設置することの難しさや配線等の問題があった。地上に設置する方式の振動センサでは、ポンプオフとノーポンプオフの振動レベルの設定の問題があり、正確な検出が困難であった。
ポンプジャックのモータ電流を検出する方法は、たとえサッカロッド荷重が一定であってもモータ電流がポンプジャックの回転によって変化すること、またサッカーロッド系の特性によってモータ電流が振動的になること等により、正確なポンプオフの検出ができなかった。また、従来方式では、たとえ近代的なダイナグラフカード方式を採用してもポンプジャックの振動は速度調整ができない誘導電動機を採用しているために、ポンプオフを検出しても誘導電動機を停止するしかなく、このため、ダウンホールポンプの一次的な浮遊ガスの増加に伴う吸込圧力の低下や液体の特性の一次的な変動によってポンプジャックが停止してしまい、油井の生産性を低下させていた。この状況を避けるために、（イ）ポンプオフを連続的に３〜５回以上検出した場合のみポンプを停止、または、（ロ）ポンプジャック駆動モータをオン−オフ制御する対策がとられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（イ）の対策では、例えばポンプケーシングが各サクションストロークで部分的に浮遊ガスによって満たされている時、液体の粘性により吐出弁の開きが若干遅れ、ダウンストロークの最高位置からかなり離れた位置で吐出弁が開くことになり、オーバプレッシャリングが起り、ロッドの下方を曲げたり、場合によってはポンプ胴を破壊してしまう恐れがあった。
（ロ）の対策では、オン−オフ運転の繰り返しによってポンプユニットとモータに過大な機械的または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。
そこで本発明は、安価にポンプオフの状態を検出でき、またポンプオフ時にモータを停止させることがないポンプオフ制御方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明によるポンプオフ制御方法は、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の平均値又は実効値を演算し、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。
なお、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ポンプ速度に対応した値に設定するようにしても良い。このようにすることで、容積効率一定の条件でポンプオフの検出が可能になる。
また、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する場合には、ポンプジャッ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瞬時値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、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瞬時値の演算平均値又は演算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うようにしても良い。
さらに、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瞬時値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、この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順次値の演算平均値又は演算実効値を順次比較してポンプジャック条件が検出される速度迄ポンプジャック速度を順次、段階的に上昇せしめるように制御するようにすることで、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運転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させるようにしても良い。
【０００５】
上記方法によれば、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む込むことで、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。即ち、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、由井の生産性を高め且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。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１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、図２はポンプオフ制御装置の構成を示すブロック図である。
図１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。この様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にほぼ等しくなる様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の磁速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。
【０００７】
ポンプオフ制御装置４は、図２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。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。即ち、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、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一△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。
但し、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。この様にして、ポンプジャックはＮｐｓ−△Ｎｐｎ＝Ｎｐの速度で、再び制御される様になり、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。以上述べた様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。
【０００８】
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。
図３は、ポンプジャックの定格ストローク速度１１．３ストローク／分、ポンプユニット：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。
図３（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、図３（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、或いは誘導電動機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様にすれば、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。
図４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、６３．７％の場合について上記と同一のポンプジャックについて、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。図示の様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。
図５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。図示の様にクランク角度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、この問題を前述の様にタウンストローク時間（後述の様に、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、或いは実効値の演算検出による方法で解決した。
【０００９】
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。
図６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図７に示す様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）
即ち、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、毎回のタ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。
【００１０】
図８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。
T E ＝(TS/2)+(△θ/Vo)=(1/S)｛30+(△θ/6.0)｝ (sec)    …（１）
但し、
T E ：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）
但し、
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）
【００１１】
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、参考として図９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。図２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）
但し、
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。
但し、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。即ち、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、例えば図６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。図２の二次電流基準発生器４２の内部には図６の様なデータが記憶されており、図示の様に速度の信号によって選択される様になっている。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、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。即ち、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、由井の生産性を高め且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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポンプオフ制御方法の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１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。
【図３】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ための図である。
【図４】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ための図である。
【図５】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ための図である。
【図６】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ための図である。
【図７】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ための図である。
【図８】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ための図である。
【図９】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。
【符号の説明】
１  誘導電動機
２  速度検出器
３  ベクトル制御インバータ
４  ポンプオフ制御装置
４１  演算器
４２  二次電流基準発生器
４３  比較器
４４  出力リレー
４５  シーケンサ
４６  速度指令関数発生器
４７  主速度設定器
４８  速度指令切替器
４９  速度指令器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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