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Titel: "Rohrabschnitt zur Verwendung
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bei Arbeiten in Tiefbohrungen"
Rohrabschnitt zur
Verwendung bei Arbeiten in Tiefbohrungen B E S C H R E I B U N G Die Erfindung bezieht
sich aul inen Rohrabschnitt zur Verwendung bei bei Tielbohrungen auszuführenden
Arbeiten, z.l3. bei Bohrarbeiten in Bohrlöchern oder bei der nachfolgenden Entnahme
wertvoller Fluide wie Öl und Gas aus Tiefbohrungen, die sich zu solche Fluide enthaltenden
Formationen erstrecken.
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nie Rohrabschnitte nach der Erfindun. können bei Rohrsträngen verwendet
werden, längs weleher elektrische Signale übertragen werden sollen. Diese Signale
können Werte darstellen, die innerhalb eines Bohrloche gemesen werden, z.B. den
Neigungswinkel einer niederzubringenden Bohrung, dessen Kenntnis für das Bedienungspersonal
einer Tiefbohranlage von gießen Wert ist, da es hierbei müslich ist, die Bohrarbeiten
zu optimieren. Die elektrischen Signale werden mit Hilfe einer elektrischen Jernmeßeinr.htung,
die durch die Bohrabschnitte und die Schwerstangen des Bohrstänges unterstützt wird,
zur Erdoberfläche übertragen. Bei Ölgewinnungsurbeiten können die Signale auch Angaben
über den im Bohrloch herrschenden Druck enthalten, und diese Angaben werden häufig
kontinuierlich registriert, um Informationen über das Verhalten der Tiefbohrung
zu gewinnen. Im letzteren
Fall werden die Signale zur Erdoberfläche
mit Hilfe einer Fernmeßeinrichtung übertragen, die durch die Rohrabschnitte der
in der Tiefbohrung aufgehängten Produktionsleitung unterstützt wird.
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Zu einem Rohrabschnitt, der geeignet ist, bei Rohrsträngen verwendet
zu werden, längs welcher elektrische Signale übertragen werden können, gehört ein
Rohrstück, das an beiden Enden mit mechanischen Kupplungseiniichtungen versehen
ist, z.B. einem Werkzeuganschluß in Form eines Innenteils und einem Werkzeuganschluß
in Form eines Außenteils. Hierbei sind nahe den Kupplungseinrichtungen Elektroden
so angeordnet, daß sie gegenüber dem Metallkörper des Rohrstücks elektrisch isoliert
sind. Die Elektroden benachbarter Rohrstücke sind zum Zweck der Übertragung der
Signale miteinander verbunden, wenn zwei gleichartige Rohrstücke mit Hilfe der mechanischen
Kupplungseinrichtungen miteinander verbunden worden sind. Die Elektroden an beiden
Inden Jedes Rohrstücks sind elektrisch durch einen isolierten elektrischen Leiter
verbunden, der sich über die ganze Länge des Rohrstücks erstreckt.
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lii den isolierten elektrischen Leiter bzw. das Kabel zu schützen,
ist das Xabel in einem sich durch das Rohrstück erstreckenden Metallrohr angeordnet,
das mit der Innenwand des Rohrstücks mechanisch so verbunden sein muß, daß es des
Nindurchströmen der Bohrflüssigkeit bzw. das Hindurchführen von as Drahtseilen aufgehängten
Werkzeugen nicht behindert.
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Wenn Bohrarbeiten ausgeführt und/oder Rohrstränge in einer Tiefbohrung
verlegt werden, besteht die Gefahr, daß sich die Rohrstränge im einen solchen Ausmaß
durchbiegen, daß ein gerades Signalleitungsrohr, das sich längs der Innenwand des
Rohrstrange erstreckt, im Dichtung auf di. Achse des Rohrstrangs verlagert wird,
so daß das Hindurchführen eines Werkzeugs durch den Rohrstrang behindert wird. Wird
z.B. ein Bohrrohrabschnitt mit einer Länge von 9 m über seine ganze Länge gleichmäßig
durchgebogen, hat ferner der Rohrabschnitt einen Innendurchmesser von etwa 100 mm,
enthält er außerdem
ein Signalleitungsrohr, dessen Enden ait dem
Rohrabschnitt verbunden sind und das einen Außendurchmesser von etwa 10 mm hat,
und erreicht die Krümmung des Rohrabschnitts ein Ausmaß von 4,460 auf 9 m, was einer
Krümmung von 150 auf 30 m entspricht, führt dies dazu, daß das Signalleitungsrohr
zwar seine gerade Form beibehält, sich jedoch so durch den Innenraum des Rohrabschnitts
erstreckt, daß es die Innenwand des Rohrabschnitts auf der Gegenseite berührt. Krümmungen
des genannten Ausmaßes kommen häufig vor, insbesondere bei in Künstennähe unter
Wasser angelegten Tiefbohrungen, bei denen von einer einzigen Bohrplattform aus
zahlreiche Bohrlöcher angelegt werden. Außerdem liegt es auf der Hand, daß auch
schon eine erheblich geringere Krümmung eines Rohrabschnitts dazu führen könnte,
daß sich das Signalleitungsrohr von der benachbarten Wand so weit entfernt, daß
sich an ihm ein in dem Rohrstrang herabgelassenes Drahtseil verfangen könnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrabschnitt bzw.
ein Rohrstück zu schaffen, das mit einer elektrischen Signalübertragungseinrichtung
der geschilderten Art versehen ist, bei dem das die isolierte elektrische Leitung
schützende Rohr innerhalb des Rohrabschnitts auf kostensparende und zuverlässige
Weise so befestigt ist, daß der Rohrabschnitt nur in einem geringen Ausmaß durch
Spannungsanhäufungen beansprucht wird und daß sich mit Hilfe von Drahtseilen Werkzeuge
durch den Rohrabschnitt hindurchführen lassen. Ferner soll ein Verfahren zum Herstellen
eines solchen Rohrabschnitts geschaffen werden, bei dem das Schutzrohr für die Signalleitung
mit dem Rohrabschnitt auf kostensparende und zuverlässigen Weise so verbunden wird,
daß Gewähr dafür best.ht> daß der elektrische Leiter innerhalb des Rohrabschnitts
nach außen abgedichtet wird.
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ErfindungsgemäB ist die genannte Aufgabe durch die Schaffung eines
Rohrabschnitts gelöst, der ein Rohrstück aufweist, ferner einen Werkzeuganschluß
in Form eines Innenteils, einen Werkzeuganscbluß in Form eines -Lußenteils as anderen
Ende, eine Rohrleitung von schraubenlinienfOr iger Gestalt mit
geraden
Endabschnitten, wobei der Außendurchmesser des schraubenlinienförmigen Teils der
Rohrleitung so gewählt fst, daß dieser Teil fest an der Innenwand des Rohrstücks
anliegt, wenn die Rohrleitung in dem Rohrstück angeordnet ist, weiterhin Je einen
Kanal, der sich durch den betreffenden Werkzeuganschluß erstreckt, wobei die Enden
der Rohrleitung so angeordnet sind, daß sie in Fluchtung mit den Kanälen stehen,
in den beiden Kanälen angeordnete Dichtungseinrichtungen zum Abdichten der betreffenden
Enden der Rohrleitung und der Kanäle sowie zum mechanischen Verankern der Rohrleitung
in den Kanälen sowie Elektroden, die von den Werkzeuganschlüssen aus durch Isoliereinrichtungen
unterstützt werden, wobei die Elektroden in den voneinander abgewandten Werkzeuanschlüssen
durch einen elektrischen Leiter verbunden sind, der sich durch die Kanäle und die
Rohrleitung bzw.
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das Schutzrohr erstreckt.
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Zu dem erfindungsgemäßen Vorfahren zum Herstellen eines solchen Rohrabschnitts
gehören Arbeitsschritte zum Verankern des Schutzrohrs in des Rohrabschnitt dadurch,
daß dem Schutzrohr eine schraubenlinienförmige Gestalt mit geraden Endabschnitten-verliehen
wird, zum Ausbilden der genannten Kanäle in den Enden des Rohrstücks, zum Formen
der Enden des Schutzrohrs derart, daß es sich den Kanälen in den Endabschnitten
des Rohrstückes anpaßt, zum Einbauen des Schutzrohrs in das RohrstUck derart, daß
sein schraubenlinienförmiger Abschnitt fest an der Innenwand des Rohrstücks anliegt,
und zum Verankern den Schutzrohrs in den Kanälen des Rohrstücks derart, daß an diesen
Enden eine Abdichtung herbeigeführt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen verkürzten Längschnitt eines
erfindungsgernaßen Rohrabschnitts; und Fig. 2 tn einem vergrbßerten Teilschnitt
die in Fig. 1 durch den Pfeil II bezeichneten Einzelheiten0
Zu
dem in Fig. 1 dargestellten Rohrabschnitt 1 gehört ein Rohrstück 2, das an einem
Ende einen Werzeuganschluß 3 in Form eines lanenteils und am anderen Ende einen
Werzeuganschluß 4 in Form eines Außenteils aufweist. Die Werkzeuganschlusse sind
auf bekannte Weise als X-Loch-Anschlüsse ausgebildet, doch haben sie einen kleineren
Innendurchmesser.
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Beispielsweise wurden bei einem Bohrstrang mit einem Durchmesser von
etwa 115 mm X-Loch-Werkzeuganschlüsse vom gleichen Durchmesser verwendet, bei denen
der kleinste Durchmesser der Kanäle" 5 etwa 64 mm betrag.
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Die Werkzeuganschlüsse tragen Elektroden zum Weiterleiten elektrischer
Signale zu entsprechenden Elektroden gleichartiger Rohrstücke 2 benachbarter Rohrabschnitte
1, wenn mehrere Rohrabschnitte mit Hilfe der Werkzeuganschlüsse miteinander verbunden
sind. Bei dem AusfUh,rungsbeispiel nach Fig. 1 werden die Elektroden durch Kontaktringe
6 und 7 gebildet, die an den zugehörigen Enden des Rohrabschnitts 1 in Nuten mit
Hilfe eines Isoliermaterials, z.B. eines'Epoxyharzes, eingebaut sind. In Fig. 2
ist ein ringförmiges Kontaktelement 6 u erkennen, das teilweise von dem Isollermaterial
8 umschlissen ist, welches die Ringnut 9 ausfüllt, mit der die Stirnfläche der Abdichtunganchulter
10 des Werkzeuganschlüsses 3 versehen ist.
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Werden gleichartige Rohrabschnitte der in Fig. 1 und 2 dargestellten;
Art mit Hilfe ihrer, Werkzeuganschlüsse miteinander verbunden, werden die Kontaktelemente
Bund 7 und das zugehörige Isoliermaterial 8 durch gegen innerhalb und/oder außerhalb
des Bohrstrangs vorhandene Fluide geschützt, daß eine metallische Berührung zwischen
den benachbarten Abdichtungsschültern 10 herbeigeführt wird.
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Die Kontaktelemente 6 und 7 sind dadurch einen elektrischen Stromkreis
verbunden, der sich durch die Kanäle 11 und 12, das Schutzrohr 13 sowie die kanäle
14 und 15 erstreckt. Zu dem Stromkreis gehören ein im wesentlichen vollständig in
dem Kanal 11 angeordneter Leiter 16, ein Kabel 17, das im
wesentlichen
vollständig von dem Schutzrohr 13 auigenommen ist, sowie ein nicht dargestellter
Leiter, der sich durch den Kanal 15 erstreckt. Das Kabel 17 ist leitend mit den
beiden Leitern an den Enden des Rohrabschnitts verbunden.
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Als isolierte elektrische Leiter können bei dem ertlndungsgemäßen
Rohrabschnitt zahlreiche der handelsüblichen elektrischen Leiter verwendet werden.
Vorzugsweise werden solche Leiter verwendet, bei denen eine relativ geringe elektrische
Kapazität zwischen dem Draht und der äußeren Umhüllung und ein hoher Widerstand
zwischen dem Draht und der Umhüllung bzw. lasse vorhanden ist. Die Flexibilität
und der Durchmesser des isolierten elektrischen Leiters 17 werden so gewählt, daß
sich der Leiter beim Einbau relativ leicht in das Schutzrohr 13 einführen läßt.
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Zu dem Schutzrohr 13 gehören Endabschnitte 18 und 19, die in den Kanälen
12 und 14 der Werkzeuganschlüsse 3 und 4 verankert werden, zwei im wesentlichen
gerade Abschnitte 20 und 21 sowie ein flittelabschnitt 22, welch letzterer so ausgebildet
ist, daß er elastisch in Anlage an der Innenwand des Rohrstücks 2 gehalten wird.
Zu diesem Zweck weist der Mittelabschnitt 22 des Schutzrohrs 13 eine im wesontlichen
schraubenlinienfömige Gestalt derart auf, daß er elastisch nach außen vorgespannt
wird, wenn er in den Rohrabschnitt eingebaut wird, so daß er bestrebt ist, einen
Außendurchmesser anzunehmen, der mindestens im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser
des Rohrstücks 1 ist. Nachdem der Mittelab9chnitt 22 unter elastischer Verformung
in das Rohrstück 2 eingeführt worden ist, werden somit im wesentlichen alle Teile
des Schutzrohrs elastisch an die Innenwand des Rohrstücks 2 angedrückt. Bei einem
Rohrstück mit einer Länge von etwa 9 m können die geraden Abschnitte 20 und 21 des
Schutzrohrs 13 jeweils eine Lunge von etwa 300 bis 600 mm haben; der Abstand zwischen
den Windungen des schraubenlinien£drmigen Mittelabschnitts 22 bzw. die Ganghöhe
dieses Abschnitt's' kann etwa 900 bis 1500 mm betragen; eine Ganghöhe von etwa 1200
mm hat sich als besonders geeignet erwiesen.
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Die Endabschnitte 16 und 19 des Schutzrohrs 13 werden in den Kanälen
12 und 14 auf eine nachstehend anhand von Fig. 2 beschriebene Weise verankert.
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Die Werkzeuganschlüsse 3 und 4 des Rohrstücks 2 haben eine solche
Form, daß die Endabschnitte 16 und 19 des Schutzrohrs 13 leicht tn die Kanäle 12
und 14 eingeführt werden können.
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Der Durchmesser der Bohrungen 5 der Werkzeuganschlüsse ist kleiner
als der Innendurchmesser des schraubenlinienförmigen Mittelabschnitts 22 des Schutzrohrs
13, so daß sich Jedes mit Hilfe eines Drahtseils herabgelassene Werkzeug, das die
Werkzeuganschlüsse passiert, auch längs des mittleren Teils des Rohrstücks bewegen
kann.
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Fig. 2 zeigt weitere Einzelheiten der Befestigung des.Endabschnitts
18 des Schutzrohrs 13 im Kanal 12 des Werkzeuganschlusses 3. Der Endabschnitt 16
trägt einen kleinen Flansch 23, bei dem es sich um einen gesonderten Ring handeln
kann, der mit dem Schutzrohrabschnitt 18 z.B. durch Verschweißen verbunden ist.
Gemäß Fig. 2 weist der Endabschnitt 16 des Schutzrohrs ein Außengewlnde auf, auf
das eine Mutter 24 aufgeschraubt ist. Durch Festziehen der Mutter 24 auf dem Endabschnitt
16 des Schutzrohrs wird dieser Endabschnitt in den Kanal 12 so hineingezigen, daß
gleichzeitig ein Dichtungsring 25 in abdichtende Berührung mit einer konischen Schulter
in dem Kanal 12 gebracht wird.
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Das andere Ende des Schutzrohrs 13 wird gemäß Fig. 1 In dem Kanal
14 des anderen Werkzeuganschlusses 4 in der gleichen Weise verankert, wie es vorstehend
bezüglich der Verankerung des linken Endes des Schutzrohrs im Kanal 12 des ferkseuganschlusses
3 beschrieben ist.
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Nachdem beide Enden des Schutzrohrs 13 in der beschriebenen Weise
zuverlässig festgelegt worden sind, kann man das isolierte elektrische Kabel 17
über den Kanal 12 in das Schutzrohr einführen und es mit den in den Kanälen 11 und
15 der Werkzeuganschlüsse 3 und 4 angeordneten Leitern 16 verbinden.
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Die Herstellung dieser Verbindungen ist im folgenden anhand von Fig.
2 beschrieben.
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Der elektrische Leiter des isolierten Kabels 16 wird an einem Ende
mit dem in die Abdichtungsschulter 10 des Werkzeuganschlusses 3 eingebauten Kontaktring
verbunden und an seinem anderen Ende mit einem umgebogenen Abschnitt 26 verschen,
der leitend mit dem Leiter 27 des Kabels 17 verbunden wird, und zwar mit hilfe eines
Klemmverbinders 28, auf den eine isolierende Kappe 29 aufgesetzt wird.
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Das äußere Ende des Kanals 12 des Werkzeuganschlusses 3 wird mit Hilfe
eines Gewindestopfens 30 dicht verschlossen.
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er Kanal 12 des Werkzeuganschlusses 3 ist mit einer radialen Aussparung
31 versehen, die dazu dient, das Ende 26 des Leiters 16 in seiner Lage zu halten,
wenn es erforderlich ist, das Schutzrohr 13 aus dem Rohrstück 2 auszubauen, um es
wegen einer eingetretenen Abnutzung oder aus anderen Gründen zu erneuern. Somit
ist es möglich, die Verbindung zwischen den Leitern 16 und 17 sowie zwischen dem
Leiter 17 und dem Leiter in dem Kanal 15 des Werkzeuganschlusses 4 zu unterbrechen
und das betreffende Ende des Leiters 1G in Eingriff mit der radialen Aussparung
31 zu bringen, damit die Mutter 24 vom zugehörigen Endabschnitt 18 des Schutzrohrs
13 abgeschraubt werden kann, ohne daß sich der Leiter 16 verlagert.
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Hierdurch wird die Erneuerung des Kabels 1 17 und/oder des chutzrohrs
13 erheblich erleichtert, denn es ist nicht erforderlich, die Kontaktringe 6 und
7 aus den Werkzeuganschlüssen auszubauen Zwar lassen sich die Kontaktringe entfernen,
doch ist dies schwierig, da sie in die Ringnuten 9 eingekittet sind, so daß zeitraubende
Arbeiten ausgeführt werden müssen, um die Ringnut des betreffenden Werkzeuganschlusses
vollständig zu reinigen, bevor es möglich ist, einen neuen Isolicrring und einen
neuen Kontaktring einzubauen. Normalerweise werden Epoxykitte verwendet, die sich
nur so schwer entfernen lassen, daß die Ringnut nachgearbeitet werden muß.
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Da sich die Abnutzung auf den schraubenlinienförmigen Abschnitt 22
des Schutzrohrs 13 beschränkt, ist es in den meisten Fällen nur erforderlich, das
Schutzrohr zu erneuern, und dies läßt sich auf relativ einfache Weise durchführen.
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Somit kann man die Rohrstücke erneut verwendbar machen, so
daß
sie die gleiche Lebensdauer erreichen wie normale Bohrstrangabschni tte.
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Es sei bemerkt, daß sich die Anwendbarkeit der Erfindung nicht auf
die Verwendung der beschriebenen ringförmigen Kontaktelemente 6 und 7 nach Fig.
1 beschränkt. Vielmehr kann man auch beliebige andere Kontaktelemente oder Elektroden
verwenden, die geeignet sind, elektrische Signale zu den Kontaktelementen oder Elektroden
benachbarter gleichartiger Rohrstücke zu übertragen, welche mit Hilfe ihrer Supplungselemente
miteinander verbunden werden.
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Ferner ist die Erfinden nicht auf die Verwendung des in Fig. 2 dargestellten
Dichtungsrings 25 aus Metall beschränkt, der mit dem metall des Rohrstücks zusammenarbeitet.
Vielmehr könnte man auch beliebige andere Dichtungen, z.B. zusammendrückbare Dichtungen,
verwenden.
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Um den Druclzbfall längs der Werkzeuganschlüsse 3 und 4 des erfindungsgemäßen
Rohrabschnitts 1 möglichst zu verringern, ist der Eintrittswinkel 32 des Werkzeuganschlusses
3 ebenso wie der Austrittswinkel 33 des Werkzeuganschlusses 4 so gewählt, daß sich
ein möglichst geringer Druckabfall einstellt. Bei einem Eintrittswinkel von 30°
und einem Austrittswinkel von 10° lassen sich hervorragende Ergebnisse erzielen.
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Zwar führen ein Eintrittswinkel von 20° und ein Austrittswinkel von
6° zu einem minimalen Druckabfall, doch wird hierbei die Herstellung des Rohrstücks
etwas komplizierter.
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Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Kanäle 12 und 14 an den Ubergangsabschnitten
münden, die sich zwischen den Kanälen 5 und der Innenwand des Rohrstücks 2 erstrecken.
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Nimmt man an, daß der Bohrstrang von oben betrachtet im Uhrzeigersinne
gedreht wird, kann man den schraubenlinienförmigen Fiittelabschnitt 22 des Schutzrohrs
13 linksgängig wikkeln, um den Druckverlust in der Bohrung des Rohrs und die mechanische
Belastung der Verankerungen des Schutzrohrs auf ein minimum zu verringern.
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Das Schutzrohr 13 läßt sich in den Rohrabschnitt 1 bei der Herstellung
leicht einbauen, und auch während des Gebrauchs läßt sich ein abgenutztes Schutzrohr
leicht durch ein neues Schutzrohr ersetzen.
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Das Schutzrohr 13 wird auf bekannte Tleise so gebogen, daß der Mittelabsehnitt
22 eine schraubenlinienförmige Gestalt erhält. Hierbei ist der Außendurchmesser
des Piittelabschnitts größer als der Innendurchmesser des Rohrstücks 2. Ferner wird
das Schutzrohr mit zu den Kanälen 12 und 14 passenden Endabschnitten versehen. Zunächst
werden diese Kanäle in den Endabschnitten des Rohrstücks 2 ausgebildet. Danach wird
das vorgeformte Schutzrohr 13 in das Rohrstück so eingeführt, daß die Außenfläche
des Mittelabschnitts 22 an die Innenwand des Rohrstücks angepreßt wird. Nach dem
Einbringen des Schutzrohrs in das Rohrstück werden die Endabschnitte 18 und 19 in
den Kanälen 12 und 14 verankert, z.B. in der vorstehend anhand von Fig. 2 beschriebenen
Weise.