DE4244587A1 - Rohrstrang mit Gewinderohren und einer sie verbindenden Muffe - Google Patents
Rohrstrang mit Gewinderohren und einer sie verbindenden MuffeInfo
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- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrstrang mit Gewinderohren und einer
sie verbindenden Muffe gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
Bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas bzw. bei Gemischen von beiden
ist es üblich und bekannt, bei zu schwachem Lagerdruck oder zur
Erhöhung der Fördermenge im Bereich der Bohrsohle am Anfang eines
Förderrohrstranges eine Turbopumpe bzw. einen Turboverdichter anzuordnen
(EP 0480501). Diese kann hydraulisch mittels zugeführter Flüssigkeit
oder elektrisch angetrieben werden. Im Falle eines Antriebes durch einen
Elektromotor muß die elektrische Energie über Kabel dem Elektromotor
zugeführt werden. Zum Einhängen des Kabels bietet sich zunächst
naheliegend der freie Querschnitt des Förderrohres an, zumal die Achse
der Turbomaschine mit der Achse des Förderrohrstranges fluchtet.
Trotzdem erfolgt z. B. wegen der zu erwartenden Abrasion aus
sicherheits- aber auch strömungstechnischen Gründen die Einhängung in
der Weise, daß das Kabel sich im Ringraum zwischen dem konzentrisch
angeordneten Förderrohr- und Futterrohrstrang befindet. Dieser
Ringraum, bei den heute zunehmend konzipierten slim-hole-Bohrungen
ohnehin eng, wird im Bereich der Verbindungsmuffen extrem verengt, so
daß ein wünschenswerter großer Kabelquerschnitt und damit geringe
Leistungsverluste nicht zu verwirklichen sind. Darüberhinaus besteht
naturgemäß im verengten Bereich der Verbindungen stark erhöhte Gefahr
der Kabelbeschädigung bei Kontakten mit bzw. Schlägen gegen die
Futterrohr-Innenwand. Weil die Bohrlochteufe mindestens einige hundert
Meter, in der Regel mehr als 2000 m, beträgt, kann nicht ausgeschlossen
werden, daß sich das Kabel beim Einbau des Rohrstranges verheddert und
dabei stark belastet wird und im ungünstigsten Fall sogar abreißen kann
oder die Isolierung beschädigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsmäßigen Rohrstrang mit
Gewinderohren und einer sie verbindenden Muffe anzugeben, mit dem
große Kabelquerschnitte für den elektrischen Antrieb einer Turbopumpe
bzw. eines Turboverdichters ermöglicht werden und eine unzulässige
Belastung des Kabels verhindert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Muffe, die am Außenmantel
mindestens eine in Längsrichtung liegende Nut aufweist. In diese Nut
wird das elektrische Kabel hineingedrückt, fixiert und anschließend der
Rohrstrang abgelassen. Da man nun nicht erwarten kann, daß alle
übereinanderliegende Muffen des Rohrstranges nach dem Verschrauben die
gleiche Stellung der Nut in bezug auf die Stellung der jeweils darunter
bzw. darüber liegenden Muffe aufweist, wird weiterbildend vorgeschlagen,
daß der Außenmantel drei um je 120 Grad versetzt angeordnete Nuten
aufweist. Dies bedeutet, daß im ungünstigsten Fall das Kabel um maximal
60 Grad zur vorhergehenden Muffe verdreht ist, d. h. der Biegewinkel
des Kabels kleiner als 1° gehalten werden kann. Diesen Wert kann man mit
der Anbringung weiterer Nuten noch verkleinern, aber dafür steigt der
Aufwand für die Herstellung der Nuten und der Querschnitt der Muffe wird
entsprechend geschwächt. Diese Schwächung kann man zwar durch eine
Querschnittsvergrößerung ausgleichen, die aber zu Lasten des
Platzbedarfes für den Ringspalt zwischen Förderrohr und Futterrohr
geht.
Für extreme Verhältnisse hinsichtlich des zur Verfügung stehenden
Spaltes zwischen Förderrohr und Futterrohr, insbesondere im Bereich der
Muffe von beispielsweise 7 mm oder weniger, wie sie bei den aus
wirtschaftlichen Gründen zunehmend anzutreffenden slim-hole Bohrungen
vorliegen, wird eine spezielle Querschnittsaußenkontur der Muffe
vorgeschlagen. Die Außenkontur kann mathematisch durch die
Kreisfunktion
wiedergegeben werden, wobei der Ursprung des Polarkoordinatensystems im
Mittelpunkt der kreisförmigen Innenkontur der Muffe liegt und Rmax den
größten und Rmin den kleinsten Abstand der Außenkontur der Muffe von der
Muffenachse darstellt. Daraus ergibt sich, daß jeweils gegenüberliegende
Radienwerte sich zu einem konstanten Wert - entsprechend der Summe aus
größtem und kleinstem Radius - addieren und daß die aufeinanderfolgenden
Radien eines Kreissektors von 60° sich vom größten bis zum kleinsten
Radius ändern und im folgenden 60° Sektor vom kleinsten zum größten
Radius. Diese Radienänderung wiederholt sich bei einem vollen Umfang
dreimal. Eine andere Form entspricht einer verkürzten Epizykloide mit
drei Zweigen (Bronstein-Semendjajew, 4. Auflage B.G. Teubner
Verlagsgesellschaft Leipzig 1961, Kapitel 11, Seiten 88 bis 92). Diese
spezielle Epizykloide mit drei Zweigen wird erzeugt durch einen Punkt,
der innerhalb eines Kreises liegt, der gleitungsfrei auf der Außenseite
eines anderen Kreises rollt, wobei das Verhältnis des Durchmessers vom
abrollenden Kreis zum feststehenden Kreis 1 : 3 beträgt. Damit die
Bedingung erfüllt ist, daß jeder Durchmesserschnitt dieser speziellen
Querschnittskontur immer den gleichen bzw. annähernd gleichen
Durchmesser aufweist, müssen am Übergang eines Zweiges zum nächsten
Zweig die aneinanderstoßenden Kurvenabschnitte eine gemeinsame Tangente
bilden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der beschreibende Punkt
nahe am Mittelpunkt des abrollenden Kreises liegt. Die zuvor
beschriebene Querschnittskontur hat den großen Vorteil, daß bei
konstantem Durchmesser für jeden Durchmesserschnitt drei Maxima
gebildete werden, in denen eine Nut zur Führung des Kabels anordenbar
ist. Dadurch wird weniger Platz benötigt im Vergleich zu einer gleich
großen kreisrunden Querschnittskontur. Die Anordnung von drei Nuten hat
den Vorteil, daß zum einen der Verdrehwinkel für das Kabel maximal 60
Grad zur nächsten Muffe beträgt und im Fall eines Drehstromantriebes
gleichzeitig drei Kabel, jeweils für eine der 3 Phasen, geführt
abgehängt werden können. Für übliche Kabel mit rundem Querschnitt, wird
vorgeschlagen, den Übergang des Nutgrundes in die Seitenwände
abzurunden, so daß der Nutgrund einen Halbkreis bildet. Für aus
Platzgründen erforderliche Flachkabel kann diese Abrundung oval,
elliptisch oder kreisförmig sein. Durch eine solche Abrundung kann sich
das Kabel sauber am Nutgrund anschmiegen und auch im Falle von
Relativbewegungen zwischen Kabel und Nutgrund wird das Kabel nicht
belastet oder beschädigt. Um ein Herausspringen des Kabels aus der Nut
zu verhindern, wird außerdem vorgeschlagen, den offenen Bereich durch
eine Leiste abzudecken. Diese Leiste kann beispielsweise aus Kunststoff
oder Leichtmetall hergestellt werden und weist an den Seiten Stege mit
Kontur aus, so daß die Leiste eingeklipst werden kann. Diese Abdeckung
hat auch den Vorteil, daß in dem besonders engen Spalt zwischen dem
Außenmantel der Muffe und der Innenseite des Futterrohres die Außenseite
des Kabels beim Herablassen des Rohrstranges nicht abgerieben oder
beschädigt wird.
Die Nuten können darüberhinaus für eine formschlüssige Übertragung des
Drehmomentes beim Verschrauben der Verbindungen genutzt werden. Dadurch
kann das radiale Zusammenpressen im Verbindungsbereich unterbleiben,
das bei kraftschlüssiger Übertragung bei Verwendung üblicher
Verschraubzangen wegen der geringen Muffenwanddicken von
slim-hole-Muffen zu bleibenden Verformungen und damit zur Schädigung
der Verbindung durch den Verschraubvorgang führen kann. Die
Verschraubzangen müssen dazu mit entsprechenden Backen und
Backenführungen ausgestattet werden.
In der Zeichnung wird der erfindungsgemäße Rohrstrang näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 im Schnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Rohrstranges,
Fig. 2 einen hälftigen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3
einer besonderen Ausführungsform,
Fig. 3 eine Ansicht in Richtung X in Fig. 2,
Fig. 4 im vergrößerten Maßstab eine abgerundete Nutform,
Fig. 5 wie Fig. 4, jedoch eine andere Nutform,
Fig. 6 wie Fig. 5 jedoch mit einer Abdeckung.
In Fig. 1 ist im Schnitt ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Rohrstranges dargestellt. Zur Abstützung des Bohrloches gegenüber dem
Gebirge 1 ist ein Futterrohr 2 gesetzt, innerhalb dessen der
Förderrohrstrang eingehängt ist. Der hier wiedergegebene Ausschnitt
zeigt ein Förderrohr 3, das mittels einer Muffe 4 mit dem
darüberliegenden, hier nicht dargestellten nächstem Förderrohr verbunden
ist. In einem Adapterstück 5, das mit einem Ende mit dem Förderrohr 3
verbunden ist, ist die nur skizzenhaft angedeutete Turbopumpe 6
angeordnet. Der Ringspalt zwischen Förderrohr 3 und Futterrohr 2 ist mit
einem Packerelement 7 abgedichtet. Das Ansaugrohr 8 der Turbopumpe 6
ragt in den Bereich der Bohrsohle 9, wobei durch den erzeugten leichten
Unterdruck der Turbopumpe 6 das flüssige und/oder gasförmige Medium dem
Ansaugrohr 8 zuströmt. In der hier gezeigten Ausführung wird
die Turbopumpe 6 durch einen nicht sichtbaren Elektromotor angetrieben.
Die Zuführung der elektrischen Energie erfolgt über ein im Ringspalt 10
eingehängtes Kabel 11. Im Muffenbereich 4 wird das Kabel 11 in einer am
Außenmantel angeordneten Nut 12 geführt. Diese Führung des Kabels nach
oben hin wird fortgesetzt durch die im Rohrstrang darüber liegenden
Muffen, die ebenfalls mit einer Nut versehen sind. Vorzugsweise weisen
alle Muffen drei um je 120 Grad versetzt angeordnete Nuten 12, 12′, 12′′
auf. Um einen möglichst großen Kabelgesamtquerschnitt zu erhalten,
können drei Kabel 11 gleichzeitig geführt werden, d. h. jedes in einer
der drei Nuten 12, 12′, 12′′. Speziell bei Drehstrom ist die Führung
jeweils einer Stromphase in einer Nut 12, 12′, 12′′ vorteilhaft, da daß
jeweilige Kabel 11 dann nur eine Außenisolierung benötigt und der
Leiterquerschnitt nicht durch die ansonsten erforderliche zusätzliche
Isolierung der Phasen untereinander verringert wird. Bei der Anordnung
von drei Nuten 12, 12′, 12′′ beträgt der Verdrehwinkel des Kabels 11 von
der Muffe 4 zur nächsten Muffe maximal 60 Grad.
In Fig. 2 ist in einem Schnitt und in Fig. 3 in einer Draufsicht eine
besondere Ausführungsform einer mit Nuten 12, 12′, 12′′ versehenen Muffe
13 dargestellt. Für den Fall eines extremen Ringspaltes 10 zwischen
Förderrohr 3 und Futterrohr 2, insbesondere im Bereich der Muffe 4,
wird eine Muffe 13 mit einer in Fig. 3 dargestellten Querschnittskontur
14 eingesetzt. Diese Querschnittskontur 14 entspricht geometrisch einer
verkürzten Epizykloide mit drei Zweigen. Diese Kontur 14 weist drei
Maxima auf, in denen die Nuten 12, 12′, 12′′ angeordnet sind. Im
Übergangsbereich zwischen einem Zweig 15 zum nächsten Zweig 15′ haben
die beiden aneinanderstoßenden Kurvenabschnitte 16, 16′ eine gemeinsame
Tangente. Dadurch wird erreicht, daß für jeden Durchmesserschnitt der
Durchmesser immer gleich ist.
Der in Fig. 2 dargestellte Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3
zeigt, daß in diesem Ausführungsbeispiel das Muffengewinde 17 konisch
ist und die Muffe 13 im gewindefreien Abschnitt 18 eine Stoßschulter 19
mit 15 Grad Neigung aufweist. Es ist leicht einsehbar, daß für die
erfindungsgemäße Führung eines elektrischen Kabels 11 mittels der am
Außenmantel angeordneten Nuten 12, 12′, 12′′ die Art der Ausführung des
Gewindes ohne Belang ist. Beispielsweise könnte die Muffe ein
zylindrisches Gewinde aufweisen. Der Grad der Ausbuchtung des Maximum
richtet sich nach dem Durchmesser des zu führenden Kabels 11, da nach
Anbringung der Nuten 12, 12′, 12′′ noch ausreichend Wandmaterial für die
Muffe 13 stehen bleiben muß. Wegen der Kerbwirkung von Nuten
12, 12′, 12′′ ist es vorteilhaft, den Übergang vom Nutgrund 20 zu den
Seitenwänden abzurunden.
Varianten von Abrundungen sind in den Fig. 4 und 5 im vergrößerten
Maßstab dargestellt. Durch das gestrichelt eingezeichnete Kabel 11, 11′
kann man erkennen, daß die Anschmiegung besser ist im Vergleich zu einer
Rechtecknut 12.
Fig. 6 zeigt ebenfalls in einem vergrößerten Maßstab die Abdeckung des
offenen Bereiches einer Nut 24. Diese Abdeckung besteht aus einer Leiste
21, die an den Seiten Stege 22 mit Kontur aufweisen, so daß die Leiste
eingeklipst werden kann. Damit wird verhindert, daß beim Einbau des
Rohrstranges das Kabel 11 an der Innenwand 23 des Futterrohres 2
abgerieben bzw. beschädigt werden kann.
Claims (8)
1. Rohrstrang mit Gewinderohren und einer sie verbindenden Muffe, der
in ein Bohrloch eingehängt ist zum Fördern eines flüssigen
und/oder gasförmigen Mediums, wobei am Anfang des Rohrstranges im
Bereich der Bohrsohle eine elektrisch angetriebene Pumpe oder
Verdichter angeordnet ist und der Elektromotor über ein im Bohrloch
eingehängtes Kabel mit elektrischer Energie gespeist wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die jeweiligen Muffen (4) des Rohrstranges am Außenmantel
mindestens eine in Längsrichtung liegende Nut (12) aufweisen, in
der das Kabel (11, 11′) geführt wird.
2. Rohrstrang nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenmantel der Muffe (4) drei um je 120 Grad versetzt
angeordnete Nuten (12, 12′, 12′′) aufweist.
3. Rohrstrang nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittskontur des Außenmantels einer verkürzten
Epizykloide mit drei Zweigen entspricht und die Nut (12, 12′, 12′′)
im jeweiligen Maximalbereich der Querschnittskontur angeordnet
ist.
4. Rohrstrang nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittskontur des Außenmantels der Kreisfunktion
mit
Rmax = größter Abstand der Außenkontur zur Muffenachse
Rmin = kleinster Abstand zur Außenkontur zur Muffenachse
ϕ = Umlaufwinkel
entspricht und jeweils gegenüberliegende Radienwerte sich zu einem konstanten Wert - entsprechend der Summe aus größtem und kleinstem Radius - addieren und die Radienänderungen vom größten zum kleinsten Wert während eines Umlaufes sich dreimal wiederholen und bei der die Nut (12, 12′, 12′′) im jeweiligen Maximalbereich der Querschnittskontur angeordnet ist.
Rmax = größter Abstand der Außenkontur zur Muffenachse
Rmin = kleinster Abstand zur Außenkontur zur Muffenachse
ϕ = Umlaufwinkel
entspricht und jeweils gegenüberliegende Radienwerte sich zu einem konstanten Wert - entsprechend der Summe aus größtem und kleinstem Radius - addieren und die Radienänderungen vom größten zum kleinsten Wert während eines Umlaufes sich dreimal wiederholen und bei der die Nut (12, 12′, 12′′) im jeweiligen Maximalbereich der Querschnittskontur angeordnet ist.
5. Rohrstrang nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jeden Durchmesserschnitt der Durchmesser gleich oder
angenähert gleich groß ist.
6. Rohrstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Nutgrund (20) abgerundet in die Seitenwände übergeht.
7. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils ein Kabel (11, 11′) mit einer Drehstromphase in einer
Nut (12, 12′, 12′′) geführt wird.
8. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der offene Bereich der Nut (24) durch eine einklipsbare Leiste
(21) abgedeckt ist.
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