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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der Erfindung, die hierin beschrieben sind, betreffen das Gebiet der Leistungskabelverbindungen von eintauchbaren Elektromotoren. Insbesondere, jedoch nicht als Einschränkung, ermöglichen eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung eine Endmuffenkabeldichtung für eintauchbare Elektromotoren.
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BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
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Ein Fluid, wie etwa natürliches Gas, Öl oder Wasser, befindet sich oft in unterirdischen Formationen. Wenn Druck innerhalb des Bohrlochs nicht stark genug ist, um Fluid aus dem Bohrloch zu zwingen, muss das Fluid an die Oberfläche gepumpt werden, damit es gesammelt, getrennt, raffiniert, verteilt und/oder verkauft werden kann. Zentrifugale Pumpen werden typischerweise in Anwendungen von elektrischen eintauchbaren Pumpen (electric submersible pump - ESP) zum Fördern von Bohrlochfluid an die Oberfläche verwendet. Zentrifugale Pumpen beschleunigen ein Arbeitsfluid durch ein drehendes Laufrad, das durch eine Drehwelle angetrieben ist.
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Die Drehung der Welle wird durch einen Elektromotor mit Leistung versorgt, der sich auf der stromaufwärtigen Seite der Pumpenanordnung befindet. Der Motor ist typischerweise ein zweipoliger Dreiphasenkäfigläufer-Induktionsmotor. Die ESP-Leistungsquelle befindet sich an dem Bohrlochkopf und ist durch isolierte elektrische Leiter, die sich entlang der ESP-Anordnung nach unten in das Bohrloch erstrecken, mit dem Motor verbunden. Das Motorleitungsverlängerungs-(motor lead extension - MLE-)Kabel, ebenfalls als Motorflachband bezeichnet, ist ein Flachbandkabel mit einem niedrigen Profil, das an das untere Ende des Hauptleistungskabels gespleißt ist, an die Seite der ESP-Pumpe und des Dichtungskammerbereichs gebunden ist und das männliche Ende zum Stecken oder Spleißen in die elektrische Verbindung des Motors aufweist. An dem Verbindungspunkt zu dem Motor erstreckt sich die MLE durch einen geschützten elektrischen Verbinder, der in einen elektrischen Behälter an dem Motor eingreift. Der elektrische Verbinder wird manchmal im Stand der Technik als eine „Endmuffe“ bezeichnet, wobei die Bezeichnung von den eingetopften oder verkapselten Leitern innerhalb des elektrischen Verbinders stammt. Bohrlochfluid sollte die elektrischen Kabel oder elektrischen Verbindungen des Motors nicht berühren, um Ausfall der Kabel, die dem Motor Leistung bereitstellen, zu verhindern. Ein Ausfall der Leistungskabel kann unzureichende Leistung zu dem Motor und einen Ausfall des Motors verursachen.
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Die herkömmliche Endmuffe beinhaltet einen korrosionsbeständigen Stahlkörper und ein elastomeres Isolierungsmaterial, das innerhalb des Körpers verwendet wird, das versucht, die elektrischen Verbindungen abzudichten und zu isolieren. Ein herkömmlicher Ansatz zum Isolieren des Motorleistungskabels gegen Bohrlochfluide war es, eine Endmuffe mit ungehärtetem Gummi einzubauen. Das Gummi wird gebacken, um das Gummi zu härten und eine dichte Barriere gegen Bohrlochfluid um die Leistungskabel zu bilden. Die Barriere muss fest sein, um Bohrlochfluid herauszuhalten. Ein Problem, das entsteht, ist, dass das Gummi so fest härtet, dass kein Freiraum innerhalb des Endmuffenkörpers frei bleibt. Während die ESP-Anordnung betrieben wird, erhöht sich ihre Temperatur und das Leistungskabel dehnt sich als Reaktion auf den Temperaturanstieg aus. Ohne Freiraum innerhalb des Endmuffenkörpers drückt die Gummiisolierung derart stark auf das Kabel, dass die Kabelisolierung schert, was zu einem Kabelausfall führt.
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Ein weiterer herkömmlicher Ansatz zum Abdichten der ESP-Motorkabelverbindung war es, ein keilförmiges Material zwischen ein Paar von gegenüberliegenden Isolatoren zu zwingen. Jedoch leiden diese verkeilten Isolatoren ähnlich wie der Ansatz des gehärteten Gummis an einem Fehlen von Raum, um Wärmeausdehnung unterzubringen.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, sind gegenwärtige elektrische Endmuffenverbindungen nicht dazu in der Lage eine dichte Abdichtung bereitzustellen, während Wärmeausdehnung ermöglicht wird. Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Endmuffenkabeldichtung für eintauchbare Elektromotoren.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen eine Endmuffenkabeldichtung für eintauchbare Elektromotoren.
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Eine Endmuffenkabeldichtung für eintauchbare Elektromotoren wird beschrieben. Eine veranschaulichende Ausführungsform eines Endmuffensystems eines eintauchbaren Elektromotors beinhaltet eine Endmuffe, die ein Leistungskabel an einen eintauchbaren Elektromotor koppelt, wobei der eintauchbare Elektromotor in einem Bohrlochfluid betrieben werden kann, wobei die Endmuffe Folgendes beinhaltet: eine Fingerdichtung, die einen Finger um jede Phase des Leistungskabels und einen radialen Flansch beinhaltet, eine Kompressionsplatte, die eine radiale Kraft um jede Phase von einer axialen Last ausübt, die durch die Kompressionsplatte gegen den radialen Flansch bereitgestellt ist, einen Dichtungssitz, der Aufnahmen beinhaltet, die jeden Finger aufnehmen, einen Zwischenraum, der sich zwischen einem Abschnitt eines äußeren Durchmessers von jedem Finger und einem aufgeweiteten inneren Durchmesser der Aufnahme des Dichtungssitzes erstreckt, und einen Dichtungsring, der sich in Umfangsrichtung um einen äußeren Durchmesser von jedem Finger erstreckt und tangential zu dem radialen Flansch ist, wobei der Dichtungsring den aufgeweiteten inneren Durchmesser des Dichtungssitzes berührt und den Zwischenraum gegen den Eintritt von Bohrlochfluid schließt. In einigen Ausführungsformen bringt der Zwischenraum eine Wärmeausdehnung von Endmuffenkomponenten unter, während die Endmuffe eine Verbindung zwischen dem Leistungskabel des eintauchbaren Elektromotors und dem eintauchbaren Elektromotor gegen das Bohrungsfluid abdichtet. In bestimmten Ausführungsformen erstrecken sich die Finger axial um die Phase und der Dichtungsring quetscht den Finger der Fingerdichtung und erzeugt so eine Dichtung gegen Bohrlochfluid zwischen einer Isolierung des Leistungskabels des eintauchbaren Elektromotors und der Fingerdichtung. In einigen Ausführungsformen beinhaltet jeder Finger mindestens eine Rippe um den Finger und ist dem Dichtungssitz zugewandt, wobei die mindestens eine Rippe entlang des Fingers beabstandet ist und den aufgeweiteten inneren Durchmesser berührt. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet jede Phase einen Leiter, der durch Isolierung umgeben ist und das elektrische eintauchbare Leistungskabel beinhaltet eine Panzerung, die die Phasen vor dem Eintritt in die Endmuffe zusammenhält. In einigen Ausführungsformen sind die Kompressionsplatte und der Dichtungssitz Isolierungsblöcke. In bestimmten Ausführungsformen erhöht sich der Durchmesser des Zwischenraums, während er sich zu dem radialen Flansch erstreckt.
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Eine veranschaulichende Ausführungsform eines Endmuffensystems eines eintauchbaren Elektromotors beinhaltet eine Endmuffe, die einen elektrischen Verbinder beinhaltet, der mit einem eintauchbaren Elektromotor in Eingriff steht, wobei die Endmuffe Folgendes beinhaltet: eine Vielzahl von Leistungskabelphasen, die sich durch die Endmuffe erstreckt, eine Fingerdichtung, die sich um die Vielzahl von Leistungskabelphasen innerhalb der Endmuffe erstreckt, wobei die Fingerdichtung einen Finger beinhaltet, der sich axial und um jede Leistungskabelphase erstreckt, die sich durch den Finger erstreckt, eine hervorstehende Rippe, die sich um jeden Finger erstreckt und einen sich radial erstreckenden Flansch, der sich um eine Unterseite der Finger erstreckt, wobei die Fingerdichtung zwischen einer Kompressionsplatte unter dem sich radial erstreckten Flansch erstreckt, und einen Dichtungssitz, der sich über den sich radial erstreckenden Flansch erstreckt und eine Aufnahme beinhaltet, die jeden Finger umgibt und ihn aufnimmt, wobei die Aufnahmen des Dichtungssitzes jeweils einen aufgeweiteten inneren Durchmesser aufweisen, der sich um jeden Finger erstreckt, wobei der aufgeweitete innere Durchmesser die hervorstehenden Rippen berührt und einen Zwischenraum zwischen jedem Finger und dem aufgeweiteten inneren Durchmesser des Dichtungssitzes bildet, einen Dichtungsring, der um jeden Finger unter der hervorstehenden Rippe gesichert ist und wobei der Dichtungsring den Zwischenraum zwischen dem Finger und dem aufgeweiteten inneren Durchmesser des Dichtungssitzes schließt. In einigen Ausführungsformen umfassen der Dichtungsring und die Fingerdichtung eines von einem Ethylenpropylendienmonomer (EPDM) oder einem hitzebeständigen Fluorgummi. In bestimmen Ausführungsformen gibt es drei Leistungskabelphasen in der Vielzahl von Leistungskabelphasen und drei Finger der Fingerdichtung, und ein axialer Abschnitt erstreckt sich von jedem Finger um jede Leistungskabelphase. In einigen Ausführungsformen gibt es eine Vielzahl von vorstehenden Rippen, die sich um jeden Finger erstrecken. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet jede Leistungskabelphase in der Vielzahl von Leistungskabelphasen einen Kupferleiter, der von Kabelisolierung umgeben ist. In einigen Ausführungsformen sitzt der Dichtungsring in einer Ecke zwischen dem sich radial erstreckenden Flansch und dem Finger und ist zwischen der Fingerdichtung und einer Abschrägung des aufgeweiteten inneren Durchmessers des Dichtungssitzes positioniert. In einigen Ausführungsformen ist der eintauchbare Elektromotor ein zweipoliger Dreiphasenkäfigläufer-Induktionsmotor, der dazu betrieben wird, eine elektrische eintauchbare Pumpe in einem Bohrloch zu drehen. In einigen Ausführungsformen wird der eintauchbare Elektromotor bei Temperaturen von zwischen etwa 450 °F-475 °F betrieben. In einigen Ausführungsformen ist der Dichtungsring tangential zu dem sich radial erstreckenden Flansch.
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Eine veranschaulichende Ausführungsform einer Endmuffe zum elektrischen Verbinden eines Leistungskabels mit einem eintauchbaren Elektromotor, wobei die Endmuffe Folgendes beinhaltet: einen Isolierungsblock, einschließlich einer Vielzahl von Öffnungen, eine Fingerdichtung, einschließlich eines Fingers, der sich durch jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen erstreckt, wobei jede Öffnung einen verjüngten inneren Durchmesser beinhaltet, der dem Finger zugewandt ist, der sich durch die Öffnung erstreckt, wobei jeder Finger mindestens eine Rippe beinhaltet, die sich in Umfangsrichtung um den Finger erstreckt und den verjüngten inneren Durchmesser berührt, und eine Phase des Leistungskabels, das sich durch jeden Finger erstreckt. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Endmuffe ferner einen radialen Flansch, der sich um die Fingerdichtung erstreckt. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet die Endmuffe ferner einen zweiten Isolierungsblock, der den radialen Flansch komprimiert. In bestimmten Ausführungsform beinhaltet die Endmuffe ferner einen elastomeren Dichtungsring um jeden Finger an einer Ecke zwischen dem radialen Flansch und dem Finger. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Isolierungsblock ferner eine Hülle, die sich axial über den Finger um die Phase des Leistungskabels erstreckt.
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In weiteren Ausführungsformen können Merkmale von bestimmten Ausführungsformen mit Merkmalen von anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Zum Beispiel können Merkmale von einer Ausführungsform mit Merkmalen von einer beliebigen anderen Ausführungsform kombiniert werden. In weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale zu den hierin beschriebenen bestimmten Ausführungsformen hinzugefügt werden.
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Figurenliste
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Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit dem Vorteil der folgenden detaillierten Beschreibung und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen für den Fachmann ersichtlich werden:
- 1 ist eine Querschnittsansicht einer Endmuffenkabeldichtung einer veranschaulichenden Ausführungsform.
- 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Endmuffenkabeldichtungsanordnung einer veranschaulichenden Ausführungsform.
- Die 3A-3D sind perspektivische Ansichten eines Endmuffenkabeldichtungssystem einer veranschaulichenden Ausführungsform, die an einem Dreiphasenkabel installiert sind.
- 4 ist eine Querschnittsansicht einer Endmuffe einer veranschaulichenden Ausführungsform.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen eintauchbaren Pumpen-(ESP-)Anordnung, die eine Endmuffenkabeldichtung einer veranschaulichenden Ausführungsform einsetzt.
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Während die Erfindung gegenüber verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen anfällig ist, werden spezifische Ausführungsformen davon beispielhalber in den Zeichnungen gezeigt und können hierin detailliert beschrieben werden. Die Zeichnungen könnten nicht maßstabsgetreu sein. Es versteht sich jedoch, dass die hierin beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen die Erfindung nicht auf die bestimmte offenbarte Form beschränken sollen, sondern die Absicht im Gegenteil ist, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung wie durch die angehängten Patentansprüche definiert fallen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine Endmuffenkabeldichtung für eintauchbare Elektromotoren wird beschrieben. In der folgenden beispielhaften Beschreibung sind zahlreiche konkrete Details aufgeführt, um ein umfassenderes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Es wird jedoch für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne Einbinden aller Aspekte der bestimmten hierin beschriebenen Details umgesetzt werden kann. In anderen Instanzen wurden bestimmte Merkmale, Mengen oder Abmessungen, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, nicht detailliert beschrieben, um die Erfindung nicht undeutlich zu machen. Es ist für Leser anzumerken, dass obwohl Beispiele der Erfindung hierin ausgelegt sind, die Ansprüche und der vollständige Umfang jeglicher Äquivalente die Maße und Grenzen der Erfindung definieren.
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Im Sinne dieser Schrift und den beigefügten Ansprüchen beinhalten die Singularformen „ein(e/r)“ und „der/die/das“ Pluralbezüge, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Somit beinhaltet zum Beispiel Bezug auf einen Finger einen oder mehrere Finger.
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„Gekoppelt“ bezeichnet entweder eine direkte Verbindung oder eine indirekte Verbindung (z. B. mindestens eine dazwischenliegende Verbindung) zwischen zwei oder mehreren Objekten oder Komponenten. Der Satz „direkt angebracht“ bedeutet eine direkte Verbindung zwischen Objekten oder Komponenten.
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„Stromabwärts“ bezeichnet eine Längsrichtung, die im Wesentlichen mit dem Hauptfluss oder geförderten Fluid verläuft, wenn die Pumpenanordnung in Betrieb ist. Als Beispiel, jedoch nicht Einschränkung, in einem eintauchbaren Elektromotor in einem vertikalen Bohrloch kann die stromabwärtige Richtung zu der Oberfläche des Bohrlochs verlaufen.
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„Stromaufwärts“ bezeichnet die Längsrichtung, die im Wesentlichen entgegengesetzt zu dem Hauptfluss oder geförderten Fluid verläuft, wenn die Pumpenanordnung in Betrieb ist. Als Beispiel, jedoch nicht Einschränkung, in einem eintauchbaren Elektromotor in einem vertikalen Bohrloch kann die stromaufwärtige Richtung entgegengesetzt zu der Oberfläche des Bohrlochs verlaufen.
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Im hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff „äußerer/e/es“, „außerhalb“ oder „nach außen“ die radiale Richtung von der Leistungskabelphase der elektrischen eintauchbaren Pumpe (ESP) und/oder Öffnung einer Komponente hinweg, durch die sich die Phase erstrecken würde. In dem Stand der Technik werden „äußerer Durchmesser“ und „äußerer Umfang“ manchmal gleichwertig verwendet. Im hier verwendeten Sinne ist der äußere Durchmesser verwendet, um das zu beschreiben, was anderweitig als der äußere Umfang einer Endmuffenkomponente bezeichnet werden könnte, wie etwa einen Finger.
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Im hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff „innerer/e/es“, „innerhalb“ oder „nach innen“ die radiale Richtung zu der Leistungskabelphase der ESP und/oder Öffnung einer Komponente hin, durch die sich die Phase erstrecken würde. In dem Stand der Technik werden „innerer Durchmesser“ und „innerer Umfang“ manchmal gleichwertig verwendet. Im hier verwendeten Sinne ist der innere Durchmesser verwendet, um das zu beschreiben, was anderweitig als der innere Umfang einer Endmuffenkomponente, wie etwa eine isolierende Blockaufnahme, bezeichnet werden könnte.
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Im hier verwendeten Sinne bezeichnen die Begriffe „axialer/e/es“, „axial“, „Längs-“ und „in Längsrichtung“ austauschbar die Richtung, die sich entlang der Länge eines ESP-Leistungskabels erstreckt.
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Im in dieser Schrift und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Sinne, unter Bezugnahme auf eine ESP-Anordnung in einem Bohrloch, bedeutet die „Oberseite“ einer Komponente die stromabwärtigste Seite der Komponente ohne Bezug darauf, ob das Element horizontal oder vertikal ausgerichtet ist. Die „Unterseite“ einer Komponente bedeutet die stromaufwärtigste Seite der Komponente, ohne Bezug darauf, ob das Element horizontal oder vertikal ausgerichtet ist.
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Im in dieser Schrift und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Sinne bezeichnen „Isolatorblock“ und „Isolierungsblock“ auswechselbar einen Block oder eine Platte innerhalb eines Endmuffengehäuses, wie etwa eine Kompressionsplatte oder einen Dichtungssitz, die/der die elektrischen Verbindungen innerhalb der Endmuffe umgibt und/oder hält. Im hier verwendeten Sinne ist „Isolatorblock“ oder „Isolierungsblock“ nicht auf Blöcke beschränkt, die aus Isoliermaterial, wie etwa Gummi oder Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt sind. Veranschaulichende Ausführungsformen beinhalten ebenfalls einen Isolatorblock oder Isolierungsblock, der aus korrosionsbeständigem Stahl oder einem anderen ähnlichen Material ohne isolierende Eigenschaften hergestellt ist.
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Zur Einfachheit der Beschreibung sind die hierin beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen in Bezug auf eine ESP-Anordnung beschrieben, die einen Dreiphasenmotor und ein Dreiphasenkabel verwendet. Jedoch ist die Endmuffe der veranschaulichenden Erfindungen nicht derart eingeschränkt und kann in einem beliebigen Motor mit einer beliebigen Anzahl von Phasen angewendet werden, Fluid ausgesetzt werden und eine elektrische Einsteck-, Einspleiß- oder Bandverbindung aufweisen. Zum Beispiel kann die Sperre der veranschaulichten Ausführungsformen in eintauchbaren Motoren in Axialflusspumpen, Radialflusspumpen, Mischflusspumpen, horizontalen Oberflächenpumpen und/oder Pumpen der Art regenerativer Turbine angewendet werden.
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Veranschaulichende Ausführungsformen können einen geflanschten elektrischen Verbinder bereitstellen, der eine Sperre gegen Fluid um ein isoliertes elektrisches Kabel eines ESP-Motors erzeugt, während weiterhin Wärmeausdehnung des Leistungskabels und der isolierenden Komponenten der Endmuffe ermöglicht wird. Eine elastomere Dreiphasenfingerdichtung kann eingesetzt werden, um eine radiale Kraft von einer axialen Last zu erzeugen. Kompressionskräfte können durch Komprimieren der Fingerdichtung zwischen einer Kompressionsplatte und einem Dichtungssitz erzeugt werden, was die Kompressionskraft radial um das elektrische Kabel verteilen kann, ähnlich wie bei einer Kompressionspassung. Die Fingerdichtung kann eine Öffnung für jede Phase beinhalten und Finger aufweisen, die radial auf die Isolierung von jeder individuellen Kabelphase komprimiert werden. Damit die Fingerdichtung eine Sperre gegen Fluid bei verschiedenen Drücken und Temperaturen erzeugen kann, kann die Fingerdichtung eng auf die Kabelisolierung passen, trotz Variationen des Kabeldurchmessers, die typischerweise aufgrund von Inkonsistenzen der Kabelgröße während der Herstellung auftreten.
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Veranschaulichende Ausführungsformen können Durchmesservariationen in den Leistungskabeln und Wärmeausdehnung von Endmuffenkomponenten durch strategische Platzierung eines Zwischenraums und eines Dichtungsrings, der eine zweite Dichtung bereitstellt, unterbringen. Der Zwischenraum kann zwischen dem Flansch der Fingerdichtung und einer Rippe, die von dem äußeren Durchmesser der Fingerdichtungsöffnungen hervorsteht, belassen werden. Der Dichtungsring kann ein elastisches Material sein, das ähnlich zu der Fingerdichtung ist, obwohl die Härte eingestellt werden kann, um die Dichtungswirksamkeit zu maximieren. Ein Dichtungsring kann um den äußeren Durchmesser von jedem Finger tangential zu dem Flansch platziert werden. Die Dichtungsringe können eine Verjüngung in dem Dichtungssitz berühren und den Zwischenraum schließen, während die Kompressionsplatte und der Dichtungssitz zusammengeschraubt werden. Je nach Kabeldurchmesser können der Durchmesser und/oder die Dicke des Dichtungsrings verschieden sein, um Dichtungswirksamkeit zu maximieren. Der Dichtungsring kann die Finger quetschen, die sich um die Kabelisolierung erstrecken, um bei niedrigem Druck eine Dichtung zwischen der Kabelisolierung und der Fingerdichtung zu erzeugen, ohne dass eine wesentliche axiale Kraft nötig ist. Die Fingerdichtung kann die Last des Dichtungsrings gleichmäßig auf die Kabelisolierung verteilen, wodurch eine „Punktlast“ verhindert wird, die anderweitig die Kabelisolierung scheren kann. Veranschaulichende Ausführungen können ein einzelnes individuelles Bauteil, die geformte Fingerdichtung, ermöglichen, die modifiziert werden kann, um einfach und kostengünstig auf eine Vielzahl von Kabelgrößen zu passen, aufgrund der Merkmale von veranschaulichenden Ausführungsformen, einschließlich des Zwischenraums und des modifizierbaren Dichtungsrings, während eine bessere Dichtung und/oder Widerstand zu Fluid beibehalten wird, trotz Betriebstemperaturen in der Höhe von bis zu 450 °F-475 °F, wo die Endmuffenkomponenten Wärmeausdehnung unterzogen sein können.
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5 veranschaulicht eine ESP-Anordnung einer veranschaulichenden Ausführungsform, die eine Endmuffenkabeldichtung aufweist. Die ESP-Anordnung 500 kann sich in einem Bohrloch in der Bohrung unter Tage 505 befinden. Das Bohrloch kann, zum Beispiel, mehrere hundert oder einige Tausend Fuß tief sein. Die ESP-Anordnung 500 kann vertikal, horizontal oder kann gekrümmt, gebogen und/oder angewinkelt sein, je nach Bohrlochrichtung. Das Bohrloch kann ein Ölbohrloch, ein Wasserbohrloch und/oder ein Bohrloch sein, das andere Kohlenwasserstoffe, wie etwa Naturgas und/oder ein anderes Produktionsfluid aus unterirdischen Formationen 510 enthält. Die ESP-Anordnung 500 kann durch ein Bohrlochgehäuse 515 von der unterirdischen Formation 510 getrennt sein. Das Produktionsfluid kann durch Gehäusebohrungen (nicht gezeigt) in das Bohrlochgehäuse 515 eintreten. Gehäusebohrungen können sich entweder über oder unter dem ESP-Einlass 550 befinden.
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Die ESP-Anordnung kann von der Unterseite zur Oberseite Bohrlochsensoren 530 beinhalten, die Informationen, wie etwa Motordrehzahl, interne Motortemperatur, Pumpenausgabedruck, Strömungsrate im Bohrloch und/oder andere Betriebsbedingungen detektieren und an eine Benutzerschnittstelle, Antriebssteuerung mit variabler Drehzahl und/oder Datensammlungscomputer an der Oberfläche 505 bereitstellen können. Der ESP-Motor 535 kann ein Induktionsmotor sein, wie etwa ein zweipoliger Dreiphasenkäfigläufer-Induktionsmotor. Das Leistungskabel 540 kann dem ESP-Motor 535 Leistung bereitstellen und/oder Daten von Bohrlochsensoren 530 an die Oberfläche 505 tragen. Der ESP-Schaltschrank 520 an der Oberfläche 505 kann eine Leistungsquelle 525 beinhalten, mit der sich das Leistungskabel 540 verbindet. Stromabwärts des Motors 535 können sich ein Motorschutz 545, ein ESP-Eingang 550, eine mehrstufige zentrifugale ESP-Pumpe 555 und Produktionsrohre 595 befinden. Der Motorschutz 545 kann dazu dienen, Druck auszugleichen und das Motoröl getrennt von dem Bohrlochfluid zu halten. Der ESP-Eingang 550 kann Eingangsanschlüsse und/oder einen Schirm mit Schlitzen beinhalten und kann als Eingang zu der zentrifugalen EPS-Pumpe 555 dienen. Die ESP-Pumpe 555 kann eine mehrstufige zentrifugale Pumpe sein, die gestapelte Laufrad- und Verteilerstufen beinhaltet. Andere Komponenten der ESP-Anordnungen können ebenfalls in der ESP-Anordnung 500 beinhaltet sein, wie etwa eine Ladungspumpe in Tandemanordnung (nicht gezeigt) oder ein Gasseparator (nicht gezeigt), die sich zwischen der zentrifugalen ESP-Pumpe 555 und dem Eingang 550 befinden, und/oder der Gasseparator kann als der Pumpeneingang dienen. Wellen des Motors 535, des Motorschutzes 545, des ESP-Eingangs 550 und der ESP-Pumpe 555 können miteinander verbunden sein (z. B. verzahnt) und durch den Motor 535 gedreht werden. Produktionsrohre 595 können gefördertes Fluid aus der Ausgabe der ESP-Pumpe 555 zu dem Bohrlochkopf 565 tragen.
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Das Leistungskabel 540 kann sich von der Leistungsquelle 525 an der Oberfläche 505 zu der Motorleitungsverlängerung (motor lead extension - MLE) 575 erstrecken. Die Kabelverbindung 585 kann das Leistungskabel 540 mit der MLE 575 verbinden. Die MLE 575 kann das Leistungskabel 540 einstecken, einbinden, einspleißen oder anderweitig elektrisch mit dem Motor 535 verbinden, um dem Motor 535 Leistung bereitzustellen. Die Endmuffe 400 kann die elektrische Verbindung zwischen der MLE 575 und dem Kopf 580 des Motors 535 umschließen.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 4 kann die Leistungskabelphase 100 ein isoliertes elektrisches Kabel sein, das den Leiter 105 beinhaltet, der durch Kabelisolierung 110 umgeben ist. Jede MLE 575 kann drei Phasen 100 für einen Dreiphasenkäfigläufer-Induktionsmotor 535 beinhalten. Der Leiter 105 kann Kupfer, Aluminium oder ein anderes ähnlich leitfähiges Material sein, das in Leistungskabeln eingesetzt wird. Die Kabelisolierung 110 kann zum Beispiel ein Ethylenpropylendienmonomer (EPDM), Gummi, Polypropylen, Polyethylen oder ein ähnliches polymeres Hochtemperaturelastomer sein. In einem Dreiphasenmotor, wie etwa einem ESP-Induktionsmotor, können drei Phasen 100 in der Endmuffe 400 der veranschaulichenden Ausführungsformen beinhaltet sein. Die Kabelisolierung 110 kann durch eine Hülle 405 aus extrudiertem Blei (gezeigt in 4) umgeben sein, um die Kabelisolierung 110 zu schützen, wenn sie sich entlang der Länge der ESP-Anordnung 500 in dem Bohrloch erstreckt. Die Bleihülle 405 kann vor Ausdehnung der Phase 100 durch die Fingerdichtung 115 innerhalb der Endmuffe 400 enden. Die Phasen 100 der MLE 575 können durch eine Panzerung 410 (gezeigt in 4) zusammengehalten und umgeben sein, wobei die Panzerung 410 innerhalb der Endmuffe 400, nahe dem Eingang der MLE 575 in die Endmuffe 400, enden kann, um Phasen 100 zu ermöglichen, sich zur Verbindung mit dem Motor 535 zu trennen. Der Leiter 105 der Phase 100 mit der Kabelisolierung 110 kann sich durch die Endmuffenkappe 305, durch die Hülle 415 des Dichtungssitzes 140, durch Finger 120 der Fingerdichtung 115, durch die Kompressionsplatte 135 erstrecken und sich dann mit dem elektrischen Verbinder 420 verbinden. Leiterstifte 425 können sich aus dem elektrischen Verbinder 420 erstrecken und Strom durch entsprechende elektrische Behälter im Kopf 580 des Motors 535 zu dem Motor 535 übertragen.
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In Bezug auf 1 kann die Fingerdichtung 115 die Kabelisolierung 110 von jeder Phase 100 innerhalb der Endmuffe 400 unter dem Ende der Panzerung 410 und der Hülle 405 und über der Verbindung des elektrischen Verbinders 420 mit den Leiterstiften 425 (gezeigt in 4) umgeben. Die Fingerdichtung 115 kann um jede Phase 100 den Finger 120 beinhalten, der ein sich axial erstreckender, rohrförmiger Abschnitt der Fingerdichtung 115 sein kann, der die Phase 100 umgibt. Der sich radial erstreckende Flansch 125 kann eine Basis bilden, von der sich die Finger 120 radial erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann ein Flansch 125 an der Unterseite der Fingerdichtung 115 positioniert sein. Die Fingerdichtung 115 kann ein elastomeres Material sein, wie etwa EPDM, Gummi oder ein anderes ähnliches Hochtemperaturelastomer. Jeder Finger 120 der Fingerdichtung 115 kann rohrförmig sein, wobei sich eine Öffnung 210 (gezeigt in 2) durch die Länge des Fingers 120 erstreckt. Die Phase 100 kann sich durch die Öffnung 210 erstrecken und der Finger 120 kann fest um die Kabelisolierung 110 von jeder Phase 100 passen. Der Finger 120 kann eine oder mehrere in Umfangsrichtung hervorstehende Rippen 130 um den äußeren Durchmesser des Fingers 120 beinhalten. In 1 sind zwei Umfangsrippen 130 voneinander beabstandet und sich um den Finger 120 der Fingerdichtung 115 erstreckend gezeigt.
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Innerhalb der Endmuffe 400 kann die Fingerdichtung 115 zwischen und/oder durch zwei Isolierungsblöcke komprimiert sein: die untere Kompressionsplatte 135 und der obere Dichtungssitz 140. Die Kompressionsplatte 135 und der Dichtungssitz 140 können aus einem Hochtemperaturthermoplastmaterial, wie etwa Gummi oder PEEK hergestellt sein, oder einem anderen ähnlichen Isolationsmaterial oder können korrosionsbeständiger Stahl und/oder ein anderes korrosionsbeständiges Material wie Chrom, Molybdän, Nickel und/oder eine Nickel-Kupfer-Legierung sein. Die Kompressionsplatte 135 kann sich unter der Fingerdichtung 115 befinden und gegen die Unterseite des Flansches 125 gepresst sein und/oder gegen eine Seite des Flansches 125 gepresst sein. Der Dichtungssitz 140 kann an der entgegengesetzten Seite des Flansches 125 als die Kompressionsplatte 135 positioniert sein und kann Aufnahmen 220 beinhalten, um Finger 120 der Fingerdichtung 115 aufzunehmen. Der Dichtungssitz 140 kann eine Aufnahme 220 für jede Phase 100 und/oder Finger 120 beinhalten. Die Aufnahmen 220 können die Fingerdichtungen 115 umgeben und eine Aufweitung 145 an dem inneren Durchmesser (ID) 150 der Aufnahme 220 und/oder der wandbildenden Aufnahme 220 beinhalten. Die Aufnahmen 220 können linear angeordnet sein, um einen oval und/oder länglich geformten Dichtungssitz 140 zu bilden, oder können auf dreieckige Weise angeordnet sein, um einen runderen und/oder abgerundeten Dichtungssitz 140 zu bilden. In 2 sind drei Aufnahmen 220 dreieckig um den Dichtungssitz 140 angeordnet. Die Öffnungen 210 der Fingerdichtung 115 und die Löcher 230 der Kompressionsplatte 135 können ähnlich wie die Aufnahmen 220 des Dichtungssitzes 140 angeordnet sein, sodass sich die entsprechenden Öffnungen ausrichten, wenn sich die Phasen 100 durch die Öffnungen erstrecken, wie in 2 gezeigt.
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Der innere Durchmesser 150 der Aufnahme 220 kann sich nach außen aufweiten und/oder ausweiten, während er sich nach unten erstreckt (oder nach innen verjüngt und/oder verengt, während er sich nach oben erstreckt), um die in 1 gezeigte Aufweitung 145 zu bilden. Der Durchmesser der Aufweitung 145 kann sich bei Bewegen nach unten und/oder zu dem Flansch 125 erhöhen. Der innere Durchmesser 150 der Aufnahme 220 kann die Rippen 130 berühren, kann jedoch den Finger 120 oder die Fingerdichtung 115 zumindest bei niedrigen Temperaturen und/oder bei anfänglichem Einbau nicht anderweitig berühren. Der äußere Durchmesser der Finger 120 kann sich erhöhen, während sich die Finger 120 zu dem Flansch 125 und/oder nach unten erstrecken, sodass die Rippen 130 trotz der Aufweitung 145 in Berührung mit dem inneren Durchmesser 150 der Aufnahme bleiben. In einigen Ausführungsformen kann sich der äußere Durchmesser von jedem Finger 120 von der Oberseite des Fingers 120 zu und/oder bis zu der untersten Rippe 130 erstrecken und der äußere Durchmesser des Fingers 120 kann dann konstant zwischen der untersten Rippe 130 und dem Flansch 125 bleiben. Der Zwischenraum 155 kann dann zwischen dem äußeren Durchmesser des Fingers 120 und dem inneren Durchmesser 150 der Aufnahme 220 gebildet sein. Der Zwischenraum 155 kann größer werden, während sich die Aufweitung 145 nach außen vergrößert während sie sich zu dem Flansch 125 erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann der Zwischenraum 155 etwa 0,020 Zoll diametrisch nahe des Flansches 125 sein. Wo mehrere Rippen 130 an dem Finger 120 beinhaltet sind, können mehrere Zwischenräume 155 zwischen den Rippen 130 und zwischen dem Finger 120 und der Wand der Aufnahme 220 und/oder dem Dichtungssitz 140 gebildet sein. Der Zwischenraum 160 kann sich zwischen der Oberseite des Flansches 125 und der Unterseite des Dichtungssitzes 140 befinden.
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Der Dichtungsring 165, der eine sekundäre Dichtung zusätzlich zu der Fingerdichtung 115 sein kann, kann um jeden sich axial erstreckenden Abschnitt 120 oder Fingerdichtung 115 platziert sein. Der Dichtungsring 165 kann ein O-Ring, ein Hochtemperatureleastomer, wie etwa EPDM, ein hitzebeständiges Fluorgummi, wie etwa Aflas (ein eingetragenes Warenzeichen von Asahi Glass Co., Ltd.) und/oder ein anderes ähnliches Hochtemperaturelastomer sein. Der Dichtungsring 165 kann um jeden Finger 120 tangential zu dem Flansch 125 und/oder an der Ecke (Schnittstelle) des Fingers 120 und des Flansches 125 platziert sein. Der Dichtungsring 165 kann dann derart platziert sein, dass der Zwischenraum 155 und/oder der unterste Zwischenraum 155 geschlossen ist und/oder der Dichtungsring 165 kann als eine Sperre dienen, um den Zwischenraum 155 gegen Fluid abzusperren, das den ESP-Motor und/oder die Leistungskabelphase 100 umgeben kann. Der Dichtungsring 165 kann aus verschiedenen Größen, sowohl diametral als auch in der Dicke, ausgewählt sein und kann aus einem ähnlichen elastischen/biegsamen Material hergestellt sein wie die Fingerdichtung 115. Ein Material für den Dichtungsring 165 kann mit einer Härte ausgewählt sein, um Dichtungswirksamkeit zu maximieren. In einigen Ausführungsformen kann der Dichtungsring 165 1,0 mm, 1,2 mm oder 1,4 mm Durchmesser aufweisen. Der Dichtungsring 165 kann die Finger 120, die sich um die Kabelisolierung 110 erstrecken, quetschen. Diese Quetschwirkung kann bei niedrigem Druck eine Dichtung zwischen der Kabelisolierung 110 und der Fingerdichtung 115 erzeugen, ohne dass eine wesentliche axiale Kraft nötig ist. Der untere innere Durchmesser des Dichtungssitzes 140 kann eine äußere Abschrägung 170 bilden, wobei die Abschrägung 170 den Dichtungsring 165 unterbringen und/oder an der Stelle tangential zu dem Flansch 125 sichern kann.
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Unter Bezugnahme auf 2 können Schrauben 200 verwendet werden, um die Kompressionsplatte 135 in den Dichtungssitz 140 zu drücken. Eine axiale Kraft kann durch Festziehen der Kompressionsschrauben 200 gegen die Kompressionsplatte 135 erzeugt werden. Der Dichtungsring 165 kann die Aufweitung 145 und/oder den inneren Durchmesser 150 berühren, wodurch die axiale Kraft in eine radiale Kraft umgewandelt wird. Durch Modifizieren der Abmessungen des Dichtungsrings 165 kann die Menge von Kraft, die erzeugt wird, eingestellt werden und/oder eine Fingerdichtung 115 einer einzelnen Größe kann auf mehrere Kabelphasen- 100 Durchmesser anpassbar sein. Die Fingerdichtung 115 kann die Last des Dichtungsrings 165 gleichmäßig auf die Kabelisolierung 110 verteilen, was Punktbelastung und/oder Scheren der Kabelisolierung 110 vermeiden kann.
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2 veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht einer beispielhaften Fingerdichtungsanordnung veranschaulichender Beispiele, die drei Phasen 100 aufweist. Wie in 2 gezeigt, kann jeder Finger 120 der Fingerdichtung 115 eine Öffnung 210 definieren, die ein Phase 100 aufnimmt, wobei die Phasen 100 Anschlussleitstifte 425 beinhalten können. Die Fingerdichtung 115, die Kompressionsplatte 135 und der Dichtungssitz 140 können Öffnungen 215 beinhalten, durch welche sich Kompressionsschrauben 200 erstrecken können. Der Dichtungssitz 140 kann einen O-Ring 205 um seinen äußeren Durchmesser (outer diameter - OD) beinhalten. In einer Fingerdichtungsanordnung veranschaulichender Ausführungsformen kann der Dichtungssitz 140 zuerst um Phasen 100 gleiten, gefolgt von Dichtungsringen 165. Die Fingerdichtung 115 kann dann eingebaut werden und die Dichtungsringe 165 können über die Finger 120 gerollt werden. Der Dichtungssitz 140 kann Hüllen 415 und Aufnahmen 220 beinhalten, durch welche sich Phasen 100 erstrecken können. Wenn die Fingerdichtung 115 eingebaut ist, können sich Finger 120 zwischen Aufnahmen 220 des Dichtungssitzes 140 und der Phasen 100 quetschen. Die Kompressionsplatte 135 und -schrauben 200 können unter dem Flansch 125 der Fingerdichtung 115 installiert sein. Die Kompressionsplatte 135 kann ebenfalls Löcher 230 beinhalten, um den Phasen zu ermöglichen, sich für elektrische Verbindung durch die Kompressionsplatte 135 zu erstrecken. In anderen Ausführungsformen, wie in 1 gezeigt, können die Ecke des inneren Durchmessers des Dichtungssitzes 140 und/oder der innere Durchmesser der Aufnahme 220, die den Dichtungsring 165 berühren, nach außen abgeschrägt sein, um am Dichtungsring 165 anzuliegen und den Dichtungsring 165 tangential zu dem Flansch 125, wie etwa mit der Abschrägung 170, in der Position zu sichern.
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Die 3A-3D veranschaulichen ein Verfahren zum Einbauen einer Fingerdichtungsanordnung einer veranschaulichenden Ausführungsform auf ein Dreiphasenleistungskabel. Als erstes können die drei Phasen 100 zum Einbau der Fingerdichtungs- 115 Anordnung vorbereitet werden und der Dichtungssitz 140 kann durch Platzieren der Phasen 100 durch Aufnahmen 220 und/oder Gleiten des Dichtungssitzes 140 um Phasen 100 eingebaut werden. Der Dichtungssitz 140 kann Aufnahmen 220 beinhalten, jede für eine Phase 100, durch welche sich Phasen 100 erstrecken können. Als nächstes können Dichtungsringe 165 um jede Phase 100 unter dem Dichtungssitz 140 platziert werden, wie in 3A gezeigt. Die Fingerdichtung 115 kann Öffnungen 210 beinhalten, die durch die Finger 120 definiert sind, die Phasen 100 aufnehmen. Die Fingerdichtung 115 kann eine Öffnung 210 für jede Phase 100 beinhalten.
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3A veranschaulicht eine Fingerdichtung 115, die auf Phasen 100 unter dem Dichtungssitz 140 eingebaut ist. Wie in 3A gezeigt kann die Fingerdichtung 115 anfänglich unter den Dichtungsringen 165 platziert sein. Ein Dichtungsring 165 kann dann auf jeden Finger 120 gerollt werden. Die Dichtungsringe 165 können gerollt werden, bis sie tangential zu der Oberseite des Flansches 125 und/oder nahe zu der Unterseite des Fingers 120 und/oder in der Ecke zwischen dem Flansch 125 und dem Finger 120, wie in 3B gezeigt, liegen. Die Fingerdichtung 115 mit den Dichtungsringen 165 kann in den Dichtungssitz 140 gedrückt werden, wie in 3C gezeigt. Wenn sie in den Dichtungssitz gedrückt wird, können die Finger 120 die Aufnahmen 220 und die Kabelisolierung 110 der Phase 100 drücken und/oder dazwischen gleiten. Die Kompressionsphase 135 kann dann unter dem Flansch 125 der Fingerdichtung 115 eingebaut werden, wie in 3D veranschaulicht. Die Kompressionsschrauben 200 können durch Öffnungen 215 eingebaut und festgezogen werden, wie in 3D gezeigt. Zuletzt können die Endmuffenbasis 300 und die -kappe 305 um die Isolierung eingebaut werden, wie in 4 gezeigt. Die Endmuffenbasis 300 und die -kappe 305 können aus Blei, Gold und/oder einem anderen für Gas undurchlässige Materialien bestehen, um Gas daran zu hindern, in die elektrischen Verbindungen des Motors 535 einzudringen.
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Eine Endmuffenkabeldichtungsvorrichtung, ein System und ein Verfahren wurden beschrieben. Veranschaulichende Ausführungsformen können eine Barriere gegen Bohrlochfluid an der elektrischen Verbindung zwischen einem eintauchbaren Elektromotor und seinem Leistungskabel bereitstellen, wie etwa die Verbindungen in einer ESP-Anordnung. Veranschaulichende Ausführungsformen können eine verbesserte Dichtung gegen Bohrlochfluid wie etwa Öl oder Wasser bereitstellen, während Wärmeausdehnung ermöglicht wird, die in Hochtemperaturbohrlöchern auftritt, wie etwa Bohrlochtemperaturen von bis zu 475 °F. Veranschaulichende Ausführungsformen können eine Barriere gegen Bohrlochfluid in Hochtemperaturbohrlöchern bereitstellen, Punktbelastung und Scheren von Leistungskabelisolierung verhindern und können einfach an Leistungskabel unterschiedlicher Durchmesser durch die Verwendung einer Fingerdichtungsanordnung veranschaulichender Ausführungsformen anpassbar sein.
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Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen verschiedener Aspekte der Erfindung können dem Fachmann in Bezug auf diese Erfindung ersichtlich sein. Demensprechend ist diese Beschreibung nur als veranschaulichend auszulegen und dient dem Zwecke des Lehrens des Fachmanns der allgemeinen Art und Weise zum Ausführen der Erfindung. Es versteht sich, dass die gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen aufzufassen sind. Elemente und Materialien, können durch die hier veranschaulichten und beschriebenen ersetzt werden, Teile und Verfahren können umgekehrt werden und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig verwendet werden, wie sich dies alles dem Fachmann ergeben würde, nachdem er in den Vorteil dieser Beschreibung der Erfindung gekommen ist. Änderungen an den hier beschriebenen Elementen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Bereich der Äquivalente, wie in den folgenden Patentansprüchen beschrieben, abzuweichen. Zusätzlich versteht es sich, dass hierin beschriebene Merkmale in bestimmten Ausführungsformen kombiniert werden können.
