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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Kommunikationssystem
für einen
Erdöl- oder
Erdgasschacht mit Bohrlochvorrichtungen zum Überwachen und Einstellen der
Förderung
des Schachtes, und insbesondere auf ein Kommunikationssystem mit
einer Zweiwege-Telemetrieleitung mit redundanten Repeatern, Sensoren
und steuerbaren Ventilen.
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2. Beschreibung von verwandtem
Stand der Technik
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Gasliftschächte sind
seit 1800 in Betrieb und haben sich besonders nützlich erwiesen, um die Wirksamkeit
der Ölförderung
in den Fällen
zu erhöhen,
in denen der natürliche
Auftrieb des Reservoirs unzureichend ist (siehe Brown, Connolizo
und Robertson, West Texas Oil Lifting Short Course und H. W. Winkler,
Misunderstood or Overlooked Gas-lift Design and Equipment Considerations,
SPE, S. 351 (1994)). Typischerweise wird in einem Gaslift-Ölschacht
Erdgas, das in dem Ölfeld
produziert wird, komprimiert und in einen Ringraum zwischen der Auskleidung
und dem Rohr eingeblasen und von der Auskleidung in das Rohr geleitet,
um einen „Lift" der Rohrfluidsäule zur
Förderung
von Öl
aus dem Rohr zu schaffen. Obzwar das Rohr zum Einblasen von Liftgas
verwendet werden kann und der Ringraum für die Ölförderung verwendet wird, ist
dies in der Praxis selten. Ursprünglich
wurden in Gasliftschächten
das Gas einfach am Boden des Rohres eingeblasen, doch mit tieferen
Schächten
erfordert dies außerordentlich
hohe Einblasdrücke.
Spätere
Verfahren wurden entwickelt, um Gas in das Rohr bei verschiedenen
Tiefen der Schächte
einzublasen, um einige der mit den hohen Drücken verbundenen Probleme zu vermeiden
(siehe US-Patent Nr. 5,267,469).
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Die
häufigste
Art von Gasliftschächten
verwendet mechanische balgenartige Gasliftventile, die an dem Rohr
befestigt sind, um die Gasströmung
aus dem Ringraum in den Rohrstrang zu regeln (siehe US-Patente Nr.
5,782,261 und 5,425,425). Bei einem typischen balgenartigen Gasliftventil
werden die Balgen auf einen bestimmten Druck voreingestellt oder vorbelastet,
derart, daß das
Ventil einen Austritt von Gas aus dem Ringraum und in das Rohr bei
dem vorbestimmten Druck gestattet. Die Druckbelastung jedes Ventils
wird von einem Bohrlochingenieur gewählt, je nach der Position des
Ventils in dem Schacht, dem Druckkopf, den physikalischen Bedingungen
im Schacht und einer Vielzahl anderer Faktoren, von denen einige
angenommen oder unbekannt sind oder sich während des Förder-Lebensdauer des Schachtes ändern.
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Bei
balgenartigen Gasliftventilen sind verschiedene Probleme häufig. Zunächst verlieren
die Balgen häufig
ihre Vorspannung, wodurch das Ventil in der Schließstellung
versagt oder seinen Betriebs-Einstellpunkt verändert, wobei dieser Punkt dann
ein anderer als der beabsichtigte ist. Zu anderen Zeitpunkten kann
das Ventil Überdrücken ausgesetzt
sein, so daß es
schließt
und nicht mehr betriebsbereit ist. Ein anderes häufiges Versagen ist die Erosion
um den Ventilsitz und eine Verschlechterung des Kugelschaftes in
dem Ventil. Dies führt
häufig
zu einem Teilversagen oder zumindest zu einer ineffizienten Förderung.
Da der Gasstrom durch das Gasliftventil häufig in einem stationären Zustand
nicht kontinuierlich ist, sondern eine bestimmtes Ausmaß an Hämmern und
Prellen verursacht, wenn das Ventil rasch öffnet und schließt, ist
eine Ventilabnützung häufig, die
zu einem Ventillecken führt.
Ein Versagen oder eine ineffiziente Betätigung von balgenartigen Ventilen
führt zu einer
entsprechend ineffizienten Betriebsweise eines typischen Gasliftschachtes.
Tatsächlich
wird angenommen, daß die
Schachtförderung
zumindest 5–15%
weniger als das Optimum beträgt,
wenn das Ventil versagt oder wenn ineffiziente Betriebsweisen auftreten.
Diese können
nicht korrigiert werden, da das Ventil auf einen bestimmten Druck
voreingestellt ist und dieser Druck bei der Ventilentwicklung festgelegt
wird und unzureichende Realzeitkenntnisse eines Betriebszustandes
des Schachtes vorliegen, um Instabilitäten des Liftvorganges zu überwachen,
zu verhindern oder zu kontrollieren.
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Seitentaschendorne,
die mit dem Rohrstrang gekuppelt sind, sind bekannt, um über eine
Drahtleitung einsetzbare und rückholbare
Gasliftventile aufzunehmen. Viele Gasliftschächte haben Gasliftventile,
die als ein integraler Teil des Rohrstranges ausgebildet sind, typischerweise
an einem Rohrabschnitt befestigt sind. Jedoch haben über Drahtleitung
ersetzbare dornartige Seitentaschen-Gasliftventile, wie jene, die
von Camco oder Weatherford hergestellt sind, viele Vorteile und
sind ganz üblich
(siehe US-Patente Nr. 5,782,261 und 5,797,453). Gasliftventile,
die in einem Seitentaschendorn angeordnet sind, können eingesetzt
und entfernt werden, indem eine Drahtleitung und ein Werkzeug entweder
am oberen oder unteren Eintritt vorgesehen wird. In seitlichen und
horizontalen Bohrlöchern
werden gewickelte Rohre verwendet, um Gasliftventile einzusetzen
und zu entfernen. Es ist häufige
Praxis bei der Ölfeldförderung,
die Förderung
des Schachtes alle drei bis fünf
Jahre stillzusetzen und eine Drahtleitung zu verwenden, um die Gasliftventile
zu ersetzen. Eine Bedienungsperson verfügt jedoch häufig über keine gute Abschätzung, welche
Ventile in dem Schacht versagt haben oder abgenützt sind und ersetzt werden
müssen.
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Es
wäre deshalb
ein signifikanter Vorteil, wenn ein System und ein Verfahren entwickelt
würden,
um die mangelnde Effizienz von konventionellen balgenartigen Gasliftventilen
zu vermeiden. Verschiedene Verfahren sind entwickelt worden, um steuerbare
Ventile im Bohrloch an dem Rohrstrang anzuordnen, doch verwenden
diese bekannten Vorrichtungen typischerweise ein elektrisches Kabel, das
entlang des Rohrstranges angeordnet ist, um die Gasliftventile zu
betätigen
und mit diesen zu kommunizieren. Es ist natürlich sehr unerwünscht und
in der Praxis schwierig, ein Kabel entlang eines Rohrstranges entweder
integral mit dem Rohrstrang oder in dem Ringraum zwischen dem Rohrstrang
und der Auskleidung zu verwenden, weil ein solches System eine große Anzahl
von Fehlmechanismen enthält. Die
Verwendung eines Kabels ergibt für
das Schachtbedienungspersonal während
des Zusammenbaues und Einsetzens des Rohrstranges in ein Bohrloch Schwierigkeiten.
Zusätzlich
wird das Kabel der Korrosion und der schweren Abnützung infolge
der Bewegung des Rohrstranges innerhalb des Bohrloches ausgesetzt.
Ein Beispiel eines Bohrloch-Kommunikationssystems, das ein Kabel
anwendet, ist in der PCT/EP97/01621 gezeigt.
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Das
US-Patent Nr. 4,839,644 beschreibt ein Verfahren und ein System
zur drahtlosen Zweiwegekommunikation in einem ausgekleideten Bohrloch mit
einem Rohrstrang. Dieses System beschreibt jedoch ein Kommunikationsschema
für die
Kopplung von elektromagnetischer Energie in einem transversal-elektrischen
Modus (TEM) unter Verwendung des Ringraumes zwischen der Auskleidung
und der Verrohrung. Es erfordert eine Toroidantenne, um Signale in
einem TEM-Modus auszusenden oder zu empfangen, wobei das Patent
das Erfordernis nach einem isolierten Bohrlochkopf herausstellt
und nicht von einer Energiequelle für einen Bohrlochmodul spricht. Das
induktive Koppeln erfordert ein im wesentlichen nicht-leitendes
Fluid, wie Rohöl,
in dem Ringraum zwischen der Auskleidung und dem Rohr, und dieses Öl muß höhere Dichte
haben als die Sole, so daß Lecksole
am Boden des Ringraumes nicht ansammeln kann. Die in dem US-Patent
4,839,644 beschriebene Erfindung wird als praktisches Schema für die Bohrlochkommunikation
nicht weitverbreitet angewendet, weil sie teuer ist, Probleme mit
dem Lecken in die Auskleidung ergibt und schwierig anzuwenden ist.
Ein anderes System für
die Bohrlochkommunikation, das eine Schwall-Impulstelemetrie anwendet,
ist in den US-Patenten Nr. 4,648,471 und 5,887,657 beschrieben.
Obzwar die Schwall-Impulstelemetrie bei geringen Datenmengen erfolgreich sein
kann, ist sie von beschränktem
Nutzen, wenn große
Datenraten erforderlich sind oder wenn es unerwünscht ist, im Bohrloch eine
komplexe Schwall-Impulstelemetrieausrüstung vorzusehen. Andere Verfahren
zum Kommunizieren innerhalb eines Bohrloches sind in den US-Patenten
Nr. 4,468,665; 4,578,675; 4,739,325; 5,130,706; 5,467.083; 5,493,288;
5,574,374; 5,576,703; und 5,883,516 beschrieben. Die PCT-Anmeldung
WO 93/26115 beschreibt ein Kommunikationssystem zur Verwendung auf
Untersee-Pipelines, welches den Nachteil hat, daß an der Pipeline eine Anzahl
von Energiequellen vorgesehen werden muß.
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Es
wäre deshalb
ein wesentlicher Vorteil für das
Betreiben von Gasliftbohrschächten,
wenn eine Alternative zu den konventionellen balgenartigen Ventilen
geschaffen würde,
insbesondere, wenn der Rohrstrang und die Auskleidung dazu verwendet werden
könnten,
als Kommunikations- und Stromleiter zu dienen, um das steuerbare
Gasliftventil zu steuern und zu betätigen.
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Der
Erdölschacht
und das Verfahren gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
1 und 5 sind aus der europäischen
Patentanmeldung
EP 0721053 bekannt.
Bei der bekannten Anordnung und dem Verfahren wird ein Rohr, das
mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen ist, in
Kombination mit Induktionsspulen verwendet, die außerhalb
der Beschichtung angeordnet sind, um elektrischer Strom und Signale über das
Schachtrohr zu übertragen.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 0964134 offenbart
ein Verfahren, bei welchem elektrische Signale über einen Strang von Schachtrohren übertragen
werden, die auch mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung
versehen sind, und die elektrisch von den anderen Teilen des Rohrstranges durch
Isolierverbindungen getrennt sind.
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Ein
Nachteil der bekannten Systeme besteht darin, daß sie das Übertragen von Signalen durch
die Schachtrohre umfassen, die mit einer elektrisch isolierenden
Schicht versehen sind, was teuer ist und der Abnützung und Beschädigung während der
Installation und des Gebrauches unterliegt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erdölschacht
und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung sind durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und
9 gekennzeichnet. Bei einer wichtigen Anwendung ist der Erdölschacht
ein steuerbarer Gasliftschacht, welcher eine Rohrstruktur und ein
ausgekleidetes Bohrloch mit einem Rohrstrang umfaßt, der
innerhalb der Auskleidung positioniert ist und sich in deren Längsrichtung
erstreckt. Die Position des Rohrstranges innerhalb der Auskleidung
erzeugt einen Ringraum zwischen dem Rohrstrang und der Auskleidung.
Ein Kommunikationssystem oder eine Telemetrieleitung sind vorgesehen,
um Strom und Kommunikationssignale in das Bohrloch zu übertragen.
Der Strom ist vorzugsweise ein Niederspannungs-Wechselstrom mit
konventionellen Energiefrequenzen im Bereich von 50 bis 400 Hertz,
doch kann bei bestimmten Ausführungsformen
Gleichstrom verwendet werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird an dem Rohrstrang im Bohrloch eine Niederinduktionsdrossel
aus ferromagnetischem Material angeordnet, um als eine Reihe von
Impedanzen für
in dem Rohr strömenden Strom
zu dienen. Ein Hänger
zum Aufhängen
des Rohrstranges innerhalb des Bohrloches umfaßt einen isolierten Teil, der
den oberen Teil des Rohstranges nahe der Oberfläche des Schachtes elektrisch isoliert.
Die Kommunikation erfolgt vorzugsweise auf einem elektrisch isolierten
Abschnitt des Rohrstranges zwischen dem isolierten Teil des Hängers und der
unteren ferromagnetischen Drossel. Strom und Kommunikationssignale
werden dem elektrisch isolierten Teil des Rohrstranges aufgegeben,
und die Auskleidung wirkt als elektrische Rückleitung.
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Eine
Vielzahl von Bohrlochvorrichtungen sind mit dem Rohrstrang im Bohrloch
verbunden, um die Arbeitsweise des Schachtes zu überwachen und zu steuern. Diese
Bohrlochvorrichtungen könnten steuerbare
Gasliftventile, Sensoren und Elektronikmodule und Modems umfassen.
Ein steuerbares Gasliftventil ist mit dem Rohrstrang gekuppelt,
um das Gaseinblasen zwischen dem Inneren und dem Äußeren des
Rohres zu steuern, insbesondere zwischen dem Ringraum und dem Inneren
des Rohres. Das steuerbare Gasliftventil ist angetrieben und wird von
der Oberfläche
gesteuert, um die Fluidverbindung zwischen dem Ringraum und dem
Inneren des Rohres zu regulieren. Sensoren sind im Bohrloch angeordnet,
um die physikalischen Bedingungen des Bohrloches zu überwachen.
Ein Elektronikmodul ist eine Kontrolleinheit, die Signale von den
Sensoren erhält,
um die Signale zur Oberfläche
zu kommunizieren und Kommunikationssignale von der Oberfläche zu empfangen,
um das steuerbare Gasliftventil zu steuern. Modems werden verwendet,
um Signale zwischen den Bohrlochvorrichtungen und der Oberfläche zu kommunizieren.
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Detaillierter
wird dem Rohr von einem Oberflächencomputer
mit einem Modem ein Kommunikationssignal auferlegt, und das Signal
wird von einem Modem im Bohrloch empfangen. Das Bohrlochmodem, das
häufig
eine Komponente des Elektronikmoduls ist, überträgt das Signal an das steuerbare
Gasliftventil. In ähnlicher
Weise kann das Bohrlochmodem Sensorinformation empfangen und zu
dem Oberflächencomputer
kommunizieren. Abhängig vom
Kommunikationsbereich, den die Modems unter spezifischen Bohrlochbedingungen
haben, kann das entlang des Rohrstranges wandernde Signal zwischen
den Bohrlochmodems ausgetauscht werden. Energie wird an den Rohrstrang
angelegt und im Bohrloch empfangen, um die Arbeitsweise des steuerbaren
Gasliftventils zu steuern.
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Vorzugsweise
ist ein Oberflächencomputer über ein
Oberflächenmodem
und den Rohrstrang mit den Bohrlochmodems verbunden. Der Oberflächencomputer
kann Messungen von einer Vielzahl von Quellen, wie Bohrloch- und
Oberflächensensoren, Messungen
der Ölfördermenge
und Messungen der Zufuhr von Druckgas in das Bohrloch (Strömung und Druck)
empfangen. Unter Verwendung solcher Messungen kann der Computer
eine optimale Position des steuerbaren Gasliftventils berechnen,
insbesondere die optimale Menge an Gas, das aus dem Ringraum innerhalb
der Auskleidung durch das steuerbare Ventil in das Rohr eingeblasen
wird. Zusätzliche Verbesserungen
sind möglich,
wie die Steuerung der Menge der Druckgaszufuhr in das Bohrloch an
der Oberfläche,
das Steuern des Rückdruckes
des Bohrloches, das Steuern eines porösen Fritte- oder eines Einspritzsystems
für grenzflächenaktive
Waschmittel, um das Öl
aufzuschäumen,
und der Empfang von Förder-
und Bedienungsmessungen aus einer Vielzahl anderer Bohrlöcher in
dem gleichen Feld, um die Förderung
des Feldes zu optimieren.
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Die
Fähigkeit,
die jeweiligen Bohrlochbedingungen aktiv zu überwachen, verbunden mit der
Fähigkeit,
die Oberflächen-
und Bohrlochbedingungen zu überwachen,
ergibt für
einen Gasliftschacht viele Vorteile. Gasliftschächte haben vier breite Regime von
Fluidströmung,
beispielsweise blasig, Taylorströmung,
Schwall- oder Ringströmung.
Die Bohrlochsensoren der vorliegenden Erfindung ermöglichen das
Aufspüren
und Identifizieren der Strömungsregime.
Der vorstehend erwähnte
Steuermechanismus – Oberflächencomputer,
steuerbare Ventile, Gaszufuhr und Einspritzen eines grenzflächenaktiven Waschmittels
etc. – ergeben
die Möglichkeit,
eine optimale Strömung
zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Im allgemeinen können Schachttests
und Diagnosen ausgeführt
und kontinuierlich analysiert werden, und in Realzeit.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Vorderansicht eines steuerbaren Gasliftventils
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei der Gasliftschacht einen Rohrstrang
und eine Auskleidung aufweist, die innerhalb eines Bohrloches angeordnet
sind.
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2A ist
eine vergrößerte teilweise
weggeschnittene Vertikalansicht des Rohrstranges in einem ausgekleideten
Bohrloch mit einer Induktionsdrossel um das Rohr herum.
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2B ist
ein vergrößerter weggeschnittener
horizontaler Teil des Rohrstranges nach 2A.
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Die 3A und 3B sind
Querschnittsvorderansichten eines steuerbaren Ventils in einer Käfigkonfiguration
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine vergrößerte schematische Vorderansicht
des Rohrstranges und der Auskleidung nach 1, wobei
der Rohr strang einen Elektronikmodul, Sensoren und ein steuerbares
Gasliftventil aufweist, das operativ mit dem Äußeren des Rohrstranges verbunden
ist.
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5 ist
eine schematische Ansicht eines äquivalenten
Kreises zum Steuern des Gasliftventils nach 1, wobei
das Gasliftventil eine Wechselstromquelle aufweist, dem Elektronikmodul
nach 3A und dem Elektronikmodul nach 4.
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6 ist
ein System-Blockdiagramm eines Elektronikmoduls.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
in der vorliegenden Anwendung verwendet, kann eine „Rohrstruktur" ein einzelnes Rohr
sein, ein Rohrstrang, eine Schachtauskleidung, eine Pumpstange,
eine Reihe von miteinander verbundenen Rohren, Stangen, Schienen,
Fachwerken, Trägern,
Gittern, Abstützungen,
ein Zweig- oder eine seitliche Verlängerung eines Schachtes, ein
Netz von miteinander verbundenen Rohren oder andere Strukturen,
die dem Fachmann bekannt sind. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
wendet die Erfindung im Kontext eines Ölschachtes an, bei welchem
die Rohrstruktur ein rohrförmiges,
metallisches, elektrisch leitendes Rohr oder ein Rohrstrang ist,
doch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Für die vorliegende Erfindung
muß zumindest
ein Teil der Rohrstruktur elektrisch leitend sein, wobei dieser
elektrisch leitende Teil die gesamte Rohrstruktur (z.B. Stahlrohre, Kupferrohre)
oder ein sich in einer Längsrichtung
erstreckender elektrisch leitender Teil, kombiniert mit einem sich
in Längsrichtung
erstreckenden nicht leitenden Teil sein kann. Mit anderen Worten
ist eine elektrisch leitende Rohrstruktur eine solche, die einen
elektrisch leitenden Pfad von einer ersten Stelle, an der eine Energiequelle
elektrisch angeschlossen ist, zu einer zweiten Stelle bildet, an
welcher eine Vor richtung und/oder ein elektrischer Rückpfad elektrisch
angeschlossen ist. Die Rohrstruktur besteht typischerweise aus einem
konventionellen runden Metallrohr, doch kann die Querschnittsgeometrie
der Rohrstruktur oder irgendeines Teiles derselben hinsichtlich
der Gestalt (z.B. rund, rechteckig, quadratisch, oval) und der Größe (z.B.
Länge,
Durchmesser, Wandstärke)
entlang eines Teiles der Rohrstruktur variieren. Somit muß eine Rohrstruktur
einen elektrisch leitenden Teil haben, der sich von einer ersten Stelle
der Rohrstruktur zu einer zweiten Stelle der Rohrstruktur erstreckt.
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Ein „Ventil" ist eine Vorrichtung,
die dazu dient, den Strom eines Fluids zu regeln. Beispiele von
Ventilen umfassen nicht einschränkend
balgenartige Gasliftventile und steuerbare Gasliftventile, von denen
jedes dazu verwendet werden kann, um den Strom des Liftgases in
einen Rohrstrang des Schachtes zu regeln. Die interne Arbeitsweise
der Ventile kann stark variieren, und bei der vorliegenden Anwendung
ist es nicht beabsichtigt, die beschriebenen Ventile auf irgendeine
besondere Konfiguration zu beschränken, solange die Ventilfunktionen
die Strömung
regeln. Einige der verschiedenen Arten von strömungsregulierenden Mechanismen
umfassen nicht einschränkend
Kugelventilkonfigurationen, Nadelventilkonfigurationen, Schieberventilkonfigurationen
und Käfigventilkonfigurationen.
Die Verfahren zum Installieren der in der vorliegenden Anmeldung erörterten
Ventile können
variieren. Ventile können
in einem Schacht auf viele verschiedene Arten montiert werden, von
denen einige umfassen, daß das
Rohr als Befestigungskonfiguration dient, Seitentaschen-Dornkonfigurationen
oder permanente Befestigungskonfigurationen angewendet werden können, wie
das Montieren des Ventils in einer vergrößerten Rohrschale.
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Der
Ausdruck „Modem" wird hier allgemein verwendet,
um auf jede Kommunikationsvorrichtung Bezug zu nehmen, die zum Übertra gen
und/oder Aufnehmen elektrischer Kommunikationssignale über einen
elektrischen Leiter (z.B. Metall) verwendet wird. Somit ist der
Ausdruck nicht auf die Abkürzung
für einen
Modulator (eine Vorrichtung, die ein Stimm- oder Datensignal in
eine Form umwandelt, die übertragen werden
kann)/Demodulator (eine Vorrichtung, die ein Originalsignal empfangen
kann, nachdem es einen Hochfrequenzträger moduliert hat) beschränkt. Auch wird
der Ausdruck „Modem" hier nicht auf konventionelle
Computermodems beschränkt,
die digitale Signale in analoge Signale umwandeln und umgekehrt (z.B.
digitale Signale über
das analoge öffentliche
Telefonnetz senden). Wenn beispielsweise ein Sensor Messungen in
einem analogen Format ausgibt, dann brauchen solche Messungen nur
ein Trägersignal
zu modulieren und übertragen,
und somit ist keine Analog-Digital-Umwandlung notwendig. Als weiteres
Beispiel braucht ein Relay-Modem oder eine Kommunikationsvorrichtung
nur ein Signal zum identifizieren, filtern, verstärken und/oder
zurückübertragen.
Die bei dieser Erfindung verwendeten Modems werden im allgemeinen
digitale Breitbandmodems sein, weil diese aus kommerziellen Quellen
in großem
Umfang erhältlich
sind und die breiteste Anwendbarkeit haben.
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Der
Ausdruck „drahtlos", wie er in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, bedeutet die Abwesenheit eines konventionellen
isolierten Drahtleiters, der sich z.B. von einer Bohrlochvorrichtung
zur Oberfläche
erstreckt. Die Verwendung des Rohres und/oder Auskleidung als Leiter
wird als „drahtlos" in Betracht gezogen.
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Der
Ausdruck „Sensor", wie er in der vorliegenden
Anwendung verwendet wird, bezieht sich auf irgendeine Vorrichtung,
die feststellt, ermittelt, überwacht,
aufzeichnet oder auf andere Weise den Absolutwert einer oder die Änderung
in einer physikalischen Größe feststellt.
Sensoren, wie sie in der vorlie genden Anmeldung beschrieben sind,
können dazu
verwendet werden, die Temperatur, den Druck (sowohl absolut als
auch differentiell), die Strömungsrate,
die seismischen Daten, die akustischen Daten, den pH-Wert, den Salzgehalt,
Ventilpositionen oder nahezu jede andere physikalische Größe zu messen.
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Der
Ausdruck „Elektronikmodul" gemäß der vorliegenden
Anmeldung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung. Elektronikmodule
können
in vielen Konfigurationen existieren und können im Bohrloch auf viele
verschiedene Weisen angeordnet sein. Bei einer Befestigungskonfiguration
ist der Elektronikmodul tatsächlich
innerhalb eines Ventils angeordnet und bietet eine Steuerung für den Betrieb
eines Motors innerhalb des Ventils. Elektronikmodule können auch
außerhalb
irgendeines besonderen Ventils montiert sein. Einige Elektronikmodule
werden innerhalb von Seitentaschendornen oder vergrößerten Rohrtaschen
montiert, während
andere permanent an dem Rohrstrang befestigt werden können. Elektronikmodule
sind häufig
elektrisch mit Sensoren verbunden und tragen dazu bei, Sensorinformation
zur Oberfläche
des Schachtes zu übertragen.
Es ist möglich,
daß die
einem besonderen Elektronikmodul zugeordneten Sensoren innerhalb
des Elektronikmoduls untergebracht sein können. Schließlich ist
der Elektronikmodul häufig
einem Modem eng zugeordnet oder kann tatsächlich ein Modem enthalten,
um Kommunikationen von und zur Oberfläche des Bohrloches aufzunehmen,
zu senden und zu übertragen. Signale,
die von der Oberfläche
von dem Elektronikmodul empfangen werden, werden häufig dazu
verwendet, um Änderungen
innerhalb der steuerbaren Bohrlochvorrichtungen, wie von Ventilen,
hervorzurufen. Signale, die durch den Elektronikmodul zur Oberfläche gesendet
oder übertragen
werden, enthalten im allgemeinen Informationen über die physikalischen Zustände des
Bohrloches, die von den Sensoren geliefert werden.
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Die
Ausdrücke „hinauf", „hinunter", „oberhalb" und „unterhalb", wie sie in dieser
Erfindung verwendet werden, beziehen sich darauf, die Position und
Richtung einer Bewegung anzugeben, und beschreiben die Position „entlang
der Lochtiefe",
wie dies in der Industrie üblich
ist. Bei stark abgelenkten oder horizontalen Schächten brauchen diese Ausdrücke nicht
der absoluten Relativlage bezüglich
der Erdoberfläche
zu entsprechen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist ein Erdölschacht
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Erdölschacht
ist ein Gasliftschacht 10 mit einem Bohrloch 11,
das sich von einer Oberfläche 12 in
eine Förderzone 14 erstreckt,
die im Bohrloch angeordnet ist. Eine Förderplattform 20 ist an
der Oberfläche 12 vorgesehen
und umfaßt
einen Hänger 22 zum
Tragen einer Auskleidung 24 und eines Rohrstranges 26.
Die Auskleidung 24 ist von dem Typ, der üblicherweise
in der Öl- und Gasindustrie
angewendet wird. Die Auskleidung 24 ist typischerweise
wird Abschnitten installiert und in dem Bohrloch 11 während der
Bohrlochfertigstellung zementiert. Ein Rohrstrang 26, der
auch als Förderrohr bezeichnet
wird, ist im allgemeinen ein konventioneller Strang, der aus einer
Vielzahl von langgestreckten Rohrabschnitten besteht, die durch
Gewindekupplungen an jedem Ende des Rohrabschnittes miteinander
verbunden sind, kann aber alternativ auch kontinuierlich beispielsweise
als gewickeltes Rohr eingesetzt werden. Die Förderplattform 20 umfaßt auch eine
Gaseinlaßdrossel 30 zur
Steuerung der Zufuhr von Druckgas in einen Ringraum 31 zwischen
der Auskleidung 24 und dem Rohrstrang 26. Umgekehrt gestattet
ein Ausgangsventil (oder Förderventil) 32 das
Ausstoßen
von Öl
oder Gasblasen vom Inneren des Rohrstranges 26 während der Ölförderung.
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Der
Gasliftschacht 10 umfaßt
ein Kommunikationssystem 34 zur Schaffung einer Energie-
und Zweiwegekommunikation im Inneren des Schachtes 10.
Das Kommunikationssystem 34 umfaßt eine untere ferromagnetische
Drossel 42, die an dem Rohrstrang 26 installiert
wird und als eine Reihe von Impedanzen für den elektrischen Stromfluß dient.
Die Größe und das
Material der ferromagnetischen Drosseln 42 können geändert werden,
um den Reihenimpedanzwert zu variieren. Der Hänger 22 umfaßt einen isolierten
Teil 40, welcher den Rohrstrang 26 von der Auskleidung 24 und
vom Rest des Rohrstranges, der oberhalb der Oberfläche 12 liegt,
elektrisch isoliert. Der Abschnitt des Rohrstranges 26 zwischen
dem isolierten Teil 40 und der unteren Drossel 42 kann
als Energie- und Kommunikationspfad betrachtet werden (siehe auch 5).
Die untere Drossel 42 kann aus einem hochpermeablen magnetischen
Material hergestellt werden und ist und außerhalb des Rohrstranges 26 konzentrisch
angeordnet. Die Drossel 42 ist typischerweise mit einem
Kunststoffilm, der aufgeschrumpft ist, isoliert und kann mit Epoxi
gehärtet werden,
um der rauhen Behandlung zu widerstehen.
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Ein
Computer und eine Energiequelle 44 mit einer Energie- und
Kommunikationszuleitung 46 sind außerhalb des Bohrloches 11 an
der Oberfläche 12 angeordnet.
Die Kommunikationsleitungen 46 erstrecken sich durch eine
Druckzuleitung 47, die im Hänger 22 angeordnet
ist, und sind mit dem Rohrstrang 26 unterhalb des isolierten
Teiles 40 des Hängers 22 elektrisch
gekoppelt. Energie und Kommunikationssignale werden dem Rohrstrang 26 vom
Computer und der Energiequelle 44 zugeleitet.
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Unter
Bezugnahme auf die 2A und 2B der
Zeichnungen weist die Drossel 42 einen Torus auf, der konzentrisch
zum Rohrstrang 26 und innerhalb des Ringraumes 31 zwischen
dem Rohrstrang 26 und der Bohrlochauskleidung 24 angeordnet
ist. Die Drossel 42 wirkt durch Erzeugung eines Gegen-E.
M. F. in dem Rohrstrang 26, welches dem E. M. F. der Energiequelle 44 entgegenwirkt.
Das Gegen-E. M. F. wird durch magnetische Flußänderungen in der Drossel erzeugt
und durch das Faraday'sche
Induktionsgesetz, wobei das E. M. F. proportional dem Wert des magnetischen
Flusses ist und durch seine Änderung über der
Zeit beeinflußt wird.
wenn die Rohrabschnitte oberhalb des isolierten Teiles 40 und
unterhalb der unteren Drossel 42 geerdet sind, wirkt das
von der unteren Drossel 42 induzierte Gegen-E. M. F. dahingehend,
daß es
der Übertragung
von Energie und Kommunikation in einem zeitvariierenden Strom durch
die Drossel 42 entgegenwirkt. Dies bildet wirksam einen
isolierten Rohrabschnitt zwischen dem isolierten Teil 40 und der
unteren Drossel 42. Wenn die Drosselausbildung einen signifikanten
Grad an Isolation erzeugt, ist das Gegen-E. M. F. nahe dem Wert
des auferlegten E. M. F. In dem Ausmaß, in welchem das Gegen-E.
M. F. kleiner als das auferlegte E. M. F. ist, gestattet die Differenz
der beiden einen Leckstrom, der durch den Drosselabschnitt des Rohres
strömt.
Dieser Strom geht verloren, ist aber für die Betriebsweise der Drossel
wichtig, weil es der magnetische Fluß aus diesem Leckstrom ist,
der durch die Drossel geht und das Gegen-E. M. F. in dem Drosselabschnitt
erzeugt. Somit besteht das Ausbildungsziel darin, eine Induktionsdrossel
zu schaffen, die so effizient wie möglich aus dem Leckstrom ein
Gegen-E. M. F. erzeugt.
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Die 2A und 2B zeigen
eine grundlegende Drosselausbildung und geben die Variablen an,
die bei der Designanalyse verwendet werden. Die definierenden Variablen
und der konsistente Satz von physikalischen Einheiten sind:
L
= Länge
der Drossel, in Metern;
a = Innenradius, in Metern;
b
= Außenradius,
in Metern;
r = Abstand von der Achse, in Metern;
I = r.m.s.
Leckstrom durch den gedrosselten Rohrabschnitt, in Ampere;
ω = Winkelfrequenz
des Leckstromes, Radiant pro Sekunde; und
μ = absolute magnetische Permeabilität des Drosselmaterials
bei dem Radius r, Henries pro Meter.
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Definitionsgemäß ist ω = 2πf, worin
f = Frequenz in Hertz. In einem Abstand r von dem Leckstrom (I)
ist das r.m.s. Freiraum-Magnetfeld
(H), in Ampere pro Meter, gegeben durch: H =
I/2πr.
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Das
Magnetfeld (H) ist kreissymmetrisch um die Drosselachse und kann
als Magnetlinien der Kraft dargestellt werden, die Kreise um diese
Achse bilden.
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Für einen
Punkt innerhalb des Drosselmaterials ist das r.m.s. Magnetfeld (B),
in Tesla (Weber pro Quadratmeter), gegeben durch: B
= μH = μI/2πr.
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Der
r.m.s. Magnetfluß (F),
der innerhalb der Drosselkörpers
enthalten ist, ist in Weber gegeben durch: F
= ∫BdSworin
S die Querschnittsfläche
der Drossel in Quadratmetern ist, wie in 3A gezeigt
ist, und das Integral über
die Fläche
S erfolgt. Das Integral vom Innenradius der Drossel (a) zum Außenradius
der Drossel (b) über
die Länge
der Drossel (L) ergibt: F = μLIln(b/a)/2π worin ln die natürliche Logarithmus-Funktion
ist.
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Es
sei bemerkt, daß das
Gegen-E. M. F. (V) direkt proportional der Länge (L) der Drossel für konstante
Werte von a und b sowie der Innen- und Außendurchmesser des Ferritelementes
ist. Somit kann durch Veränderung
der Länge
der Drossel (L) jedes erwünschte
Gegen-E. M. F. (V) für
einen gegebenen Leckstrom (I) erzeugt werden.
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Strom
kann in einem bestimmten Frequenzbereich innerhalb einer funktionellen
Bandbreite übertragen
werden, und die Kommunikationen können in einem anderen Frequenzbereich
innerhalb derselben funktionalen Bandbreite übertragen werden. Da die Frequenz
des Wechselstromes im allgemeinen kleiner als jene der Kommunikationsbandbreite
ist, wird der Wechselstrom häufig
die untere Grenze des Frequenzbereiches bestimmen, über welcher
elektrische Isolation erforderlich ist. Da die elektrische Impedanz
einer Drossel linear mit der Frequenz ansteigt, wenn die Drossel
eine adäquate Impedanz
bei der Wechselstromfrequenz bereitstellt, wird sie typischerweise
auch bei den höheren
Frequenzen adäquat
sein, die für
die Kommunikation verwendet werden. Ferromagnetische Materialien sind
jedoch durch eine maximale Betriebsfrequenz charakterisiert, oberhalb
welcher ferromagnetische Eigenschaften nicht mehr vorhanden sind.
Somit muß die
obere Frequenzgrenze des ferromagnetischen Materials, das für die Drosselkonstruktion
gewählt
wird, adäquat
sein, um eine Isolation an der oberen Grenze des Kommunikationsbandes
bereitzustellen.
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Das
Verfahren des elektrischen Isolierens eines Abschnittes des Rohrstranges,
wie in 1 gezeigt, ist nicht das einzige Verfahren zur
Schaffung von Strom und Kommunikationssignalen im Bohrloch. Statt
der Verwendung eines Hängers 22 mit
einem isolierten Teil 40, könnte eine obere ferromagnetische
Drossel (nicht gezeigt) um den Rohrstrang 26 herum angeordnet
werden. Ähnlich
könnte
im Bohrloch ein elektrisch isolierender Verbinder anstelle der unteren
ferromagnetischen Drossel 42 verwendet werden. Bei dem
bevorzugten, in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
werden Strom und Kommunikationssignale an einem Rohrstrang 26 zugeführt, wobei
der elektrische Rückfluß durch
die Auskleidung 24 erfolgt. Statt dessen könnte der
elektrische Rückfluß durch
eine Erdung geschaffen werden. Eine elektrische Verbindung zur Erdung
könnte
dadurch erzeugt werden, daß ein
Draht durch die Auskleidung 24 geführt wird, oder durch Verbindung
des Drahtes mit dem Rohrstrang unterhalb der unteren Drossel 42 (wenn
der untere Teil des Rohrstranges geerdet ist).
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Ein
alternativer Strom und Kommunikationspfad könnte durch die Auskleidung 24 bereitgestellt werden.
Bei einer Konfiguration ähnlich
der, die mit dem Rohrstrang 26 verwendet wird, könnte ein
Teil der Auskleidung 24 elektrisch isoliert werden, um
ein Telemetrieleitung zur Übertragung
von Strom und Kommunikationssignalen in das Bohrloch zu schaffen.
Wenn ferromagnetische Drosseln verwendet werden, um einen Teil der
Auskleidung zu isolieren, könnten
die Drosseln konzentrisch um die Außenseite der Auskleidung angeordnet
werden. Statt der Verwendung von Drosseln mit der Auskleidung 24 könnten elektrisch
isolierende Verbinder, ähnlich
dem isolierten Teil 40 des Hängers 22, verwendet
werden. Bei Ausführungsformen,
welche eine Auskleidung 24 zur Übertragung von Strom und Kommunikationssignalen
in das Bohrloch verwenden, könnte
ein elektrischer Rückpfad
entweder über
den Rohrstrang oder über
eine Erdung bereitgestellt werden.
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Ein
Dichtungsstück 48 ist
innerhalb der Auskleidung 24 im Bohrloch unterhalb der
unteren Drossel 42 angeordnet. Das Dichtungsstück 48 ist
oberhalb der Förderzone 14 vorgesehen und
schafft eine hydraulische Isolierung zwischen der Förderzone 14 und
dem Bohrlochraum oberhalb derselben. Das Dichtungsstück verbindet
den metallischen Rohrstrang 26 mit der metallischen Auskleidung 24.
Typischerweise würde
die elektrische Verbindung zwischen dem Rohrstrang 26 und
der Auskleidung 24 nicht gestatten, daß elektrische Signale in der
Aufwärts- und Abwärtsrichtung
des Bohrloches 11 unter Verwendung des Rohrstranges 26 als
ein Leiter und der Auskleidung 24 als ein anderer Leiter übertragen oder
empfangen werden. Die Anordnung des isolierten Teiles 40 und
der unteren ferromagnetischen Drossel 42 erzeugen jedoch
einen elektrisch isolierten Abschnitt des Rohrstranges 26,
der ein System und ein Verfahren zur Übertragung von Strom und Kommunikationssignalen
in Aufwärts-
und Abwärtsrichtung
des Bohrloches 11 eines Gasliftschachtes 10 bereitstellt.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist eine Vielzahl
von Bohrlochvorrichtungen 50 elektrisch mit dem Rohrstrang 26 zwischen
dem isolierten Teil 40 und der unteren ferromagnetischen
Drossel 42 gekoppelt. Einige der Bohrlochvorrichtungen 50 umfassen
steuerbare Gasliftventile. Andere Bohrlochvorrichtungen 50 können Elektronikmodule,
Sensoren, Kommunikationsvorrichtungen (typischerweise Breitband-Digitalmodems)
oder konventionelle Ventile umfassen. Obzwar die Strom und Kommunikationsübertragung
an dem elektrisch isolierten Teil des Rohrstranges erfolgt, können Bohrlochvorrichtungen 50 mechanisch oberhalb
oder unterhalb der unteren Drossel 42 angekoppelt sein.
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Unter
Bezugnahme auf die 3A und 3B der
Zeichnungen wird die Installation einer der Bohrlochvorrichtungen
(analog den Bohrlochvorrichtungen 50 in 1)
detaillierter dargestellt. wie vorstehend erwähnt, werden häufig konventionelle balgenartige
Gasliftventile in Gasliftschächten
verwendet, um Druckgas aus dem Ringraum 31 zur Innenseite
des Rohrstranges 26 überzuführen. Bei
der vorliegenden Erfindung können
einige oder alle der konventionellen Ventile durch steuerbare Gasliftventile
ersetzt werden. In den 3A und 3B ist
ein steuerbares Ventil 220 gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Das steuerbare Ventil 220 umfaßt ein Gehäuse 222 und
ist gleitverschieblich in einem Seitentaschendorn 224 aufgenommen.
Der Seitentaschendorn 224 weist ein Gehäuse 226 mit einer
Gaseinlaßöffnung 228 und
einer Gasauslaßöffnung 230 auf.
Wenn sich das steuerbare Ventil 220 in der Offenstellung
befindet, ergeben die Gaseinlaßöffnung 228 und
die Gasauslaßöffnung 230 eine
Fluidverbindung zwischen dem Ringraum 31 und dem Inneren des
Rohrstranges 26. In einer Schließstellung verhindert das steuerbare
Ventil 220 eine Fluidverbindung zwischen dem Ringraum 31 und
dem Inneren des Rohrstranges 26. In einer Vielzahl von
Zwischenpositionen zwischen der Offen- und der Schließstellung mißt das steuerbare
Ventil 220 die Menge an Gas zu, die aus dem Ringraum 31 in
den Rohrstrang 26 durch die Gaseinlaßöffnung 228 und die
Gasauslaßöffnung 230 strömt.
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Ein
Schrittmotor 234 ist innerhalb des Gehäuses 222 des steuerbaren
Ventils 220 zum Drehen eines Ritzels 236 angeordnet.
Das Ritzel 236 steht mit einem Wurmgetriebe 238 in
Eingriff, welches seinerseits einen Käfig 240 anhebt oder
absenkt. Wenn das Ventil 220 sich in der Schließstellung
befindet, greift der Käfig 240 in
einen Sitz 242 ein, um die Strömung in eine Öffnung 244 zu
verhindern, wodurch eine Strömung
durch das Ventil 220 verhindert wird. Diese „Käfig"ventilkonfiguration
soll eine vorzugsweise Ausbildung von einem fluidmechanischen Standpunkt
im Vergleich zum alternativen Ausführungsbeispiel einer Nadelventilkonfiguration
darstellen. Spezieller gestattet die Fluidströmung von der Einlaßöffnung 228 an
der Käfig- und Sitzverbindungsstelle (240, 242)
vorbei eine präzisere
Fluidstromregelung ohne unangenehme Abnützung der mechanischen Grenzflächen durch
das Fluid. Es sollte dem Fachmann ersichtlich sein, daß Nadelventilausbildungen oder
andere Ventilausbildungen ebenfalls angewendet werden können.
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Das
steuerbare Ventil 220 weist einen Prüfventilkopf 250 auf,
der innerhalb des Gehäuses 222 unterhalb
des Käfigs 240 liegt.
Ein Einlaß 252 und
ein Auslaß 254 wirken
mit der Gaseinlaßöffnung 228 und der
Gasauslaßöffnung 230 zusammen,
wenn das Ventil 220 sich in der Offenstellung befindet,
um eine Fluidverbindung zwischen dem Ringraum 31 und dem
inneren des Rohrstranges 26 herzustellen. Der Prüfventilkopf 250 sichert,
daß der
Fluidstrom nur auftritt, wenn der Druck des Fluids im Ringraum 31 größer als
der Druck des Fluids im Inneren des Rohrstranges 26 ist.
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Ein
Elektronikmodul 256 ist innerhalb des Gehäuses des
steuerbaren Ventils 220 angeordnet. Der Elektronikmodul 256 ist
mit dem Ventil 220 betriebsmäßig zur Kommunikation zwischen
der Oberfläche
des Schachtes und dem Ventil verbunden. Der Elektronikmodul 256 enthält eine
Breitband-Kommunikationsvorrichtung zum Empfang von Strom und Kommunikation
auf dem Rohrstrang 26, wie vorher beschrieben. Zusätzlich zum
Senden von Signalen zur Oberfläche
zwecks Kommunizierung der physikalischen Bohrlochbedingungen kann
der Elektronikmodul Instruktionen von der Oberfläche empfangen und die Betriebscharakteristik
des Ventils 220 einstellen.
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Das
Ventil 220 ist unterhalb der unteren Drossel 42 angeordnet,
aber elektrisch mit dem Rohrstrang 26 oberhalb der Drossel 42 durch
eine Drahtbrücke 64 gekoppelt.
Ein Erdungsdraht 66 ist elektrisch zwischen dem Ventil 220 und
einem Bogenfederzentralisierer 60 vorgesehen, um einen elektrischen
Rückpfad
für das
Ventil 220 zu schaffen. Der Bogenfederzentralisierer wird
verwendet, um den Rohrstrang 26 relativ zur Aus kleidung 24 zu
zentralisieren. Wenn er in dem elektrisch isolierten Teil des Rohrstranges 26 angeordnet
ist, weist jeder Bogenfederzentralisierer 60 PVC-Isolatoren 62 zur elektrischen
Isolation der Auskleidung 24 vom Rohrstrang 26 auf.
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Unter
Bezugnahme auf 4 der Zeichnungen ist eine alternative
Installation mehrerer Bohrlochvorrichtungen (analog den Bohrlochvorrichtungen 50 in 1)
dargestellt. Der Rohrstrang 26 umfaßt eine vergrößerte Ringtasche
bzw. eine Schale 100, die im Äußeren des Rohrstranges 26 ausgebildet
ist. Die vergrößerte Tasche 100 weist
ein Gehäuse
auf, welches ein steuerbares Gasliftventil 99 (schematisch
dargestellt) und einen Elektronikmodul 106 umgibt und schützt. Bei
dieser Konfiguration sind das Gasliftventil 99 und der
Elektronikmodul 106 starr mit dem Rohrstrang 26 verbunden
und nicht durch eine Drahtleitung einsetzbar und rückholbar.
Alternativ können
das Ventil 99 und der Elektronikmodul 106 in einem
Seitentaschendorn (nicht gezeigt) angeordnet sein, so daß die Vorrichtungen
leicht eingesetzt und durch eine Drahtleitung wieder entfernt werden können. Ein
Erdungsdraht 102 (ähnlich
dem Erdungsdraht 66 in 3B) wird
durch die vergrößerte Tasche 100 durchgeführt, um
den Elektronikmodul 106 mit dem Bogenfederzentralisierer 60 zu
verbinden, der an der Auskleidung 24 geerdet ist. Der Elektronikmodul 106 liegt
außerhalb
des Ventils 99 und ist starr mit dem Rohrstrang 26 zur
Aufnahme von Kommunikation und Strom über eine Strom und Signaleinrichtung 104 verbunden.
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Das
steuerbare Ventil 99 umfaßt einen motorisierten Käfigventilkopf 108 und
einen Prüfventilkopf 110,
die schematisch in 4 gezeigt sind. Der Käfigventilkopf 108 und
der Prüfventilkopf 110 arbeiten ähnlich wie
der Käfigventilkopf 240 und
der Prüfventilkopf 250 nach 3A.
Die Ventilköpfe 108, 110 wirken
zusammen, um die Fluidverbindung zwischen dem Ringraum 31 und
dem Inneren des Rohrstranges 26 zu steuern.
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Eine
Vielzahl von Sensoren wird in Verbindung mit dem Elektronikmodul 106 verwendet,
um den Betrieb des steuerbaren Ventils 99 und des Gasliftschachtes 10 zu
kontrollieren. Drucksensoren wie jene, die von der Three Measurements
Specialties, Inc. erzeugt werden, können verwendet werden, um den
Innendruck des Rohres, die Innendrücke des Taschengehäuses und
die verschiedenen Differentialdrücke über die
Gasliftventile zu messen. Im tatsächlichen Betrieb wird der Taschengehäuseinnendruck als
unnotwendig erachtet. Ein Drucksensor 112 ist starr mit
einem Rohrstrang 26 verbunden, um den Innendruck des Rohrstranges
bzw. des Fluids innerhalb des Rohrstranges 26 zu messen.
Ein Drucksensor 118 ist innerhalb der Tasche 100 montiert,
um den Differentialdruck über
den Käfigventilkopf 108 zu messen.
Sowohl der Drucksensor 112 als auch der Drucksensor 118 sind
unabhängig
elektrisch mit dem Elektronikmodul 106 gekoppelt, um Strom
zu empfangen und Kommunikation zu übertragen. Die Drucksensoren 112, 118 sind
eingebettet, um schweren Vibrationen zu widerstehen, die bei Gaslift-Rohrsträngen auftreten.
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Temperatursensoren,
wie jene, die von der Four Analog Devices, Inc. (z.B. LM-34) hergestellt werden,
werden dazu verwendet, um die Temperatur des Fluids innerhalb des
Rohrstranges des Gehäuses,
des Spannungswandlers oder die Spannungsversorgung zu messen. Ein
Temperatursensor 114 ist an dem Rohrstrang 26 montiert,
um die Innentemperatur des Fluids innerhalb des Rohrstranges 26 zu messen.
Der Temperatursensor 114 ist elektrisch mit dem Elektronikmodul 106 gekoppelt,
der Strom empfängt
und Kommunikation überträgt. Die
Temperaturwandler, die im Bohrloch verwendet werden, sind auf –50 bis
300°F eingestellt
und durch Eingangskreise auf +5 bis +255°F konditionniert. Die erzeugte
Rohspannung bei der Spannungsversorgung in dem Elektronikmodul 106 wird
in einem Widerstands-Trennelement geteilt, so daß 25,5 Volt einen Eingang in
dem Analog/Digitalwandler von 5 Volt erzeugen.
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Ein
Salzgehaltsensor 116 ist ebenfalls elektrisch mit dem Elektronikmodul 106 verbunden.
Der Salzgehaltsensor 116 ist starr und abdichtend mit dem
Gehäuse
der vergrößerten Tasche 100 verbunden,
um den Salzgehalt des Fluids im Ringraum 31 zu ermitteln.
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Es
versteht sich, daß die
alternativen Ausführungsbeispiele
nach den 3B und 4 eine bestimmte
Anzahl von Sensoren 112, 114, 116 oder 118 ein-
oder ausschließen
können.
Sensoren, die anders als die dargestellten ausgebildet sind, könnten ebenfalls
bei jedem der Ausführungsbeispiele
angewendet werden. Dies könnten
Druckmeßsensoren,
Sensoren zum Messen des absoluten Druckes, Differentialdrucksensoren,
Strömungsratensensoren,
Sensoren für
akustische Rohrwellen, Ventilpositionssensoren und eine Vielzahl
von anderen analogen Signalsensoren sein. Es sei bemerkt, daß in ähnlicher
Weise statt des Verpackens des Elektronikmoduls 256 nach 3B innerhalb
des Ventils 220 ein Elektronikmodul ähnlich dem Elektronikmodul 106 mit
verschiedenen Sensoren verpackt und unabhängig von dem steuerbaren Ventil 220 zum
Einsatz gebracht werden könnte.
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Unter
Bezugnahme auf 5 der Zeichnungen ist ein äquivalentes
Schaltkreisdiagramm für
den Gasliftschacht 10 dargestellt und wäre mit 1 zu vergleichen.
Der Computer und die Stromquelle 44 umfaßten eine
Wechselstromquelle 120 und ein Modem 122, das
elektrisch zwischen der Auskleidung 24 und dem Rohrstrang 26 angeschlossen
ist. Wie vorstehend erörtert,
ist der Elektronikmodul 256 innerhalb eines Ventilgehäuses montiert,
das mit einer Drahtleitung einsetzbar und aus dem Bohrloch rückholbar
ist. Der Elektronikmodul 106 ist unabhängig und permanent in einer
vergrößerten Tasche
am Rohrstrang 26 montiert.
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Hinsichtlich
des äquivalenten
Schaltkreisdiagramms nach 5 ist es
wesentlich, festzustellen, daß die
Elektronikmodule 256, 106 identisch aussehen,
daß aber
beide Module 256, 106 elektrisch zwischen der
Auskleidung 24 und dem Rohrstrang 26 angeschlossen
sind. Die Elektronikmodule 256, 106 können verschiedene
Komponenten und Kombinationen dieser Komponenten enthalten oder
nicht enthalten, wie Sensoren 112, 114, 116, 118.
Zusätzlich können die
Elektronikmodule ein integraler Teil eines steuerbaren Ventils sein
oder nicht. Jedes Elektronikmodul umfaßt einen Spannungswandler 124 und
einen Datenwandler 128. Der Datenwandler 128 ist elektrisch
mit dem Modem 130 gekoppelt.
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Der
Computer und die Stromquelle 44 umfaßten auch eine Oberflächensteuereinrichtung
(in 5 nicht gezeigt), die elektrisch über eine
Oberflächenkommunikationsvorrichtung
(z.B. ein Modem 122) und dem Rohrstrang 26 und/oder
die Auskleidung 24 an eine Bohrloch-Kommunikationsvorrichtung
(z.B. das Modem 130) gekoppelt ist. Jedes Modem 130 kann
mit dem Modem 122 entweder direkt kommunizieren oder durch
Zwischenkommunikationsvorrichtungen verbunden sein (die z.B. Modems, Filter,
Datenwandler, Verstärker
umfassen können), oder
ein Signal übertragen,
wie dies erforderlich ist, um Änderungen
im Betrieb des Schachtes vorzunehmen. Beispielsweise kann ein Oberflächencomputer Messungen
aus einer Vielzahl von Quellen erhalten, wie Bohrlochsensoren, Messungen
der Ölförderung und
Messungen der Druckgaszufuhr in den Schacht (Strömung und Druck). Unter Verwendung
solcher Messungen kann der Computer eine optimale Position eines
steuerbaren Gasventils berechnen, insbesondere die optimale Menge
an Gas, die aus dem Ringraum 31 durch jedes steuerbare
Ventil in den Rohrstrang 26 eingeblasen wird. Zusätzliche
Parameter können
durch den Computer gesteuert werden, wie die Menge an Druckgaszufuhr
in den Schacht an der Oberfläche,
die Steuerung des Rückdruckes
auf die Schäch te,
die Steuerung von poröser Fritte
oder grenzflächenaktiven
Waschmitteln für
Einspritzsysteme, um das Öl
zu schäumen,
und der Empfang von Produktions- und Betriebsmessungen aus einer
Vielzahl anderer Schächte
des gleichen Feldes, um die Förderung
des Feldes oder der Produktionszone zu optimieren.
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Abhängig vom
Kommunikationsbereich, den die Modems 130 unter spezifischen
Schachtbedingungen bieten können,
kann die Übertragung
von Sensor- und Steuerungsdaten den Schacht hinauf und hinunter
erfordern, daß diese
Signale zwischen den Modems 130 ausgetauscht werden, statt
direkt von der Oberfläche
zu einer ausgewählten
Bohrlochvorrichtung 50 geleitet zu werden (siehe 1).
Dieses Übertragungsverfahren
kann sowohl auf konventionelle als auch auf multilaterale Schachtfertigstellungen
angewendet werden.
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Vorzugsweise
werden die Bohrlochmodems 130 so angeordnet, daß sie jeweils
mit dem nächsten der
beiden Modems den Schacht aufwärts
und den nächsten
der beiden Modems den Schacht abwärts kommunizieren können. Diese
Redundanz gestattet, daß die
Kommunikationen selbst im Falle eines Versagens eines der Bohrlochmodems 130 betriebsfähig bleiben.
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Die
Anordnung von Bohrlochvorrichtungen 50 mit Modems 130 kann
eine permanente Telemetrieleitung schaffen, das Teil der Infrastruktur
des Schachtes sein kann. Eine solche Telemetrieleitung kann ein
Mittel zum Messen der Bedingungen in jedem Teil des Schachtes und
zum Übertragen
der Daten zu einem Oberflächencomputer
und einer Bohrlochsteuereinrichtung schaffen, und für den Computer
zum Übertragen
von Steuersignalen zum Öffnen und
Schließen
von Bohrlochventilen, um den Rückdruck,
die Gaseinblasrate, die Strömungsraten
usw. einzustellen. Dieses Ausmaß an
Steuerung gestattet, daß die
Förderung
aus dem Schacht gegen Kriterien optimiert wird, die im wesentlichen
in Realzeit dynamisch gemanagt werden, statt durch ein statisches Produktionsziel
festgelegt zu sein. Beispielsweise kann das Optimum unter einem
Satz von ökonomischen
Bedingungen eine maximale Ausbeute des Reservoirs sein, aber unter
anderen ökonomischen Bedingungen
kann es zweckmäßig sein,
die Fördermethode
zu ändern,
um die Kosten der Ausbeute zu minimieren, indem für einen
maximalen Effekt ein Gaslift angewendet wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6 der Zeichnungen ist der Elektronikmodul 106 detaillierter
dargestellt. Obzwar die Komponenten jedes speziellen Elektronikmoduls
variieren können,
könnten
die in 6 gezeigten Komponenten in den Elektronikmodulen
vorhanden sein, die innerhalb des Gehäuses eines Ventils angeordnet
sind (wie des Elektronikmoduls 256), oder in Elektronikmodulen,
die außerhalb eines
Ventils liegen. Verstärker
und Signalkonditionierer 180 werden vorgesehen, um Eingaben
von einer Vielzahl von Sensoren zu erhalten, wie über die Rohrtemperatur,
die Ringraumtemperatur, den Rohrdruck, den Ringraumdruck, die Liftgasströmungsrate, die
Ventilposition, den Salzgehalt, den Differentialdruck, akustische
Ablesungen u.a. Einige dieser Sensoren sind analog den Sensoren 112, 114, 116 und 118,
die in 4 gezeigt sind. Vorzugsweise werden jegliche Betriebsverstärker mit
niedrigem Geräuschpegel
so konfiguriert, daß nicht-invertierende Einzeleingaben
(z.B. Linear Technology LT1369) vorgesehen werden. Alle Verstärker 180 sind
mit Verstärkungselementen
programmiert, die so ausgebildet sind, daß sie den Betriebsbereich eines
einzelnen Sensoreingangs in einen 8 Bit Ausgang umwandeln. Beispielsweise
würde ein
psi an Druckeingang ein Bit eines digitalen Ausgangs erzeugen, 100
Grad der Temperatur würden
100 Bit eines digitalen Ausgangs erzeugen, und 12,3 Volt eines Rohgleichspannungs-Eingangs würden einen
Ausgang von 123 Bit erzeugen. Die Verstärker 180 sind für einen
Schiene-zu-Schiene-Betrieb ausgebildet.
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Der
Elektronikmodul 106 ist elektrisch mit dem Modem 122 über die
Auskleidung 24 und dem Rohrstrang 26 verbunden.
Adressenschalter 182 sind vorgesehen, um eine besondere
Vorrichtung von dem Modul 122 zu adressieren. Wie 6 zeigt, werden
4 Bit von Adressen gewählt,
um die oberen 4 Bit einer vollen 8 Bit Adresse zu bilden. Die unteren
4 Bit werden angenommen und dazu verwendet, ein einzelnes Element
innerhalb jedes Elektronikmoduls 106 zu adressieren. Somit
werden unter Verwendung der dargestellten Konfiguration 16 Module
einem einzelnen Modem 122 auf einer einzelnen Kommunikationsleitung
zugeordnet. Die Konfiguration ist so getroffen, daß bis zu
vier Modems 122 auf einer einzelnen Kommunikationsleitung
vorgesehen werden können.
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Der
Elektronikmodul 106 weist auch eine programmierbare Schnittstellensteuerung
(PIC) 170 auf, welche vorzugsweise einen Grundtakt von
20 MHz hat und mit 8 Analog-Digital-Eingängen 184 und 4 Adreßeingängen 186 konfiguriert
ist. Die PIC 170 umfaßt
eine serielle Transistor-Transistor-Pegel (TTL) Verbindung, einen
universellen asynchronen Empfänger-Sender
UART 188 sowie eine Motorsteuerungsschnittstelle 190.
Die PIC 170 ist elektrisch mit einem Modem 171 (analog
dem Modem 130 nach 5), welcher
mit dem Modem 122 verbunden ist, gekoppelt.
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Der
Elektronikmodul 106 weist auch eine Spannungsversorgung 166 auf.
Eine 6 Volt AC-Nennspannung ist der Spannungsversorgung 166 entlang
der Rohrstranges 26 beaufschlagt. Die Spannungsversorgung 166 wandelt
diese Spannung in eine plus 5 Volt Gleichspannung an der Anschlußklemme 192,
minus 5 Volt Gleichspannung an der Anschlußklemme 194, und plus
6 Volt Gleichspannung an der Anschlußklemme 196 um. Eine
Erdungsklemme 198 ist auch gezeigt. Die umgewandelte Spannung
wird von verschiedenen Elementen innerhalb des Elektronikmoduls 106 aufgenommen.
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Obwohl
die Verbindungen zwischen der Spannungsversorgung 166 und
den Komponenten des Elektronikmoduls 106 nicht gezeigt
sind, ist die Spannungsversorgung 166 zur Beaufschlagung
mit festgelegten Spannungen mit den folgenden Komponenten elektrisch
gekoppelt. Die PIC 170 nimmt plus 5 Volt Gleichspannung
auf, während
das Modem 171 plus 5 Volt und minus 5 Volt Gleichspannung
aufnimmt. Ein Motor 199 (analog dem Schrittmotor 234 nach 3A)
ist mit einer plus 6 Volt Gleichspannung vom Klemmanschluß 196 beaufschlagt.
Die Spannungsversorgung 166 umfaßt einen Aufspanntransformator
zum Umwandeln der 6 Volt AC-Nennspannung in eine 7,5 Volt Wechselspannung.
Die 7,5 Volt Wechselspannung wird anschließend in einen Zweiweggleichrichter
gleichgerichtet, um 9,7 Volt ungeregelter Gleichspannung zu erzeugen.
Dreipunktregler liefern die geregelten Ausgänge an den Anschlußklemmen 192, 194 und 196,
welche durch eine EMF-Rückschaltung
stark gefiltert und geschützt sind.
Das Modem 171 ist in dem Elektronikmodul 165 der
Hauptleistungsverbraucher, üblicherweise
nimmt es bei Betrieb 350+ Milli-Ampere
bei plus/minus 5 Volt Gleichspannung auf.
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Das
Modem 171 ist ein digitales Breitbandmodem mit einem IC/SS
Stromnetz-Trägerfrequenz-Chipsatz,
wie die von National Semiconductor hergestellten Modelle EG ICS1001,
ICS1002 und ICS1003. Das Modem 171 weist eine Baudrate
von 300–3200
mit Trägerfrequenzen
in einem Bereich von 14 kHz bis 76 kHz auf. Das US-Patent Nr. 5,488,593
beschreibt den Chipsatz genauer, auf den hierin verwiesen wird.
Basierend auf verschiedenen Übertragungsarten
im Breit- und Schmalbandbereich sind alternative Ausführungen
zweckmäßiger Modems
handelsüblich,
welche zum Bereitstellen einer bidirektionalen Verbindung zwischen
Modems geeignet sind.
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Die
PIC 170 steuert den Betrieb des Schrittmotors 199 durch
eine Schrittmotorsteuerung 200, wie das Modell SA1042,
das von Motorola hergestellt wird. Die Steuerung 200 erfordert
nur direkte Information und einfache Impulse von der PIC 170,
um den Schrittmotor 199 anzutreiben. Eine anfängliche Einstellung
der Steuereinrichtung 200 konditioniert alle Elemente für den anfänglichen
Betrieb in bekannten Zuständen.
Der Schrittmotor 199, vorzugsweise ein MicroMo-Getriebekopf,
positioniert einen Käfigventilkopf 201 (analog
dem Käfig 240 nach 3A),
der die Hauptbetriebskomponente des steuerbaren Gasliftventils ist.
Der Schrittmotor 199 erzeugt 0,4 Zoll-Unze (0,0028 Nm)
an Drehmoment und kann mit bis zu 500 Schritten pro Sekunde betrieben
werden. Eine vollständige
Umdrehung des Schrittmotors 199 besteht aus 24 einzelnen
Schritten, und der Getriebekopf schafft eine mechanische Reduktion
von 989:1, was einer Maximalgeschwindigkeit von 1 Umdrehung pro
Minute an der Getriebekopfausgangswelle bei einem Drehmoment von
24 Zoll-Pfund (2,7 Nm) entspricht, was mehr als ausreichend ist,
um das Ventil 201 zu öffnen
und zu schließen.
Während
dieses illustrative Ausführungsbeispiel einer
zweckmäßigen Ausführungsform
auf der Verwendung eines Schrittmotors basiert, ist es wichtig, festzustellen,
daß alternative
Verfahren zur elektronischen Steuerung existieren, die mit anderen
Arten von Motoren arbeiten, von denen viele für die Zwecke der Steuerung
des Ausmaßes
des Öffnens
des Ventils 201 geeignet sind.
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Die
PIC 170 kommuniziert durch das Digitalmodem 171 mit
dem Modem 122 über
die Auskleidung 24 und dem Rohrstrang 26. Die
PIC 170 verwendet ein MODBUS 584/985 PLC Kommunikationsprotokoll.
Das Protokoll ist ASCII kodiert, um die Übertragung durchzuführen.
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BETRIEB
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Ein
großer
Prozentsatz der künstlichen Ölförderung
wendet heute Gaslift an, um das Vorratsöl zur Oberfläche zu schaffen.
In solchen Gasliftschächten
wird Druckgas im Bohrloch außerhalb
des Rohres eingeblasen, üblicherweise
in den Ringraum zwischen der Auskleidung und dem Rohrstrang, und
mechanische Gasliftventile gestatten das Einbringen des Gases in
den Rohrabschnitt, wodurch das Anheben der Fluidsäule innerhalb
des Rohrstranges zur Oberfläche
verursacht wird. Wie vorstehend beschrieben, sind konventionelle
mechanische Gasliftventile unverläßlich, weil sie lecken und
versagen. Ein solches Lecken und Versagen ist nicht sofort an der
Oberfläche
feststellbar und reduziert die Wirksamkeit der Schachtförderung
möglicherweise
in der Größenordnung
von 15 Prozent durch niedrigere Förderraten und höhere Anforderungen
an die Feldliftgas-Kompressionssysteme.
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Die
Drahtlos-Telemetrieleitung der vorliegenden Erfindung schafft ein
System zum Überwachen und
Steuern des Betriebes eines Gasliftschachtes. Durch Anordnung von
Bohrlochvorrichtungen, wie Sensoren, Elektronikmodulen, steuerbaren
Gasliftventilen und Modems, an dem Rohrstrang des Schachtes, kann
der Schacht genau überwacht
werden, und es können Änderungen
vorgenommen werden, um die wirksame Förderung zu begünstigen. Jede
der einzelnen Bohrlochvorrichtungen ist individuell über Drahtloskommunikation
durch den Rohrstrang und die Auskleidung adressierbar. Das heißt, ein
Modem an der Oberfläche
und eine zugeordnete Steuereinrichtung kommunizieren mit einer Anzahl von
Bohrlochmodems. Wenn das Oberflächenmodem
mit einem speziellen Bohrlochmodem kommuniziert, können andere
Bohrlochmodems als Zwischeneinrichtungen arbeiten, um Signale zu übertragen. Die
Sensoren berichten über
solche Messungen, wie Drücke
im Rohrstrang, Bohrlochdrücke
in der Auskleidung, die Temperatur des Bohrloches im Rohrstrang
und in der Auskleidung, die Liftgasströmungsraten, die Gasventilposition
und akustische Daten (siehe 4, Sensoren 112, 114, 116 und 118).
Der Oberflächencomputer
(entweder lokal am Bohrlochkopf oder zentral in dem Förderfeld
angeordnet) kombiniert kontinuierlich und analysiert die Bohrlochdaten
sowie die Oberflächendaten,
um ein Realzeit-Rohrstrang-Druckprofil zu erzeugen. Eine optimale
Gasliftströmungsrate
für jedes
steuerbare Gasliftventil wird aus diesen Daten berechnet. Alternativ können die
Sensoren ihre Messungen über
Bohrlochrepeatermodems an eine Steuereinrichtung berichten, die
einem Gasliftventil zugeordnet ist, um in ähnlicher Weise den Betrieb
des Ventils für
optimale und erwünschte
Strömungsraten
zu steuern.
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Zusätzlich zur
Steuerung der Strömungsrate des
Schachtes kann die Förderung
gesteuert werden, indem ein optimaler Fluidströmungszustand erreicht wird.
Unerwünschte
Bedingungen, wie eine „Kopfströmung" und eine „Schwallströmung" können vermieden
werden. Wie vorstehend erwähnt,
ist es möglich,
das optimale Strömungsregime
zu erreichen und aufrechtzuerhalten, welches für die erwünschte Förderrate eines Schachtes zweckmäßig ist.
Durch Ermittlung unerwünschter
Strömungsbedingungen
im Bohrloch kann die Förderung
gesteuert werden, um solche unerwünschten Bedingungen zu vermeiden.
Eine rasche Ermittlung der Strömungsbedingungen
durch den Oberflächencomputer
gestattet es dem Computer, jegliche Strömungsprobleme zu korrigieren,
indem solche Faktoren, wie die Position des steuerbaren Gasliftventils,
die Gaseinblasrate, der Rückdruck
auf den Rohrstrang am Bohrlochkopf und sogar das Einspritzen von
Strömungsmitteln
eingestellt werden.
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Obzwar
viele der vorstehend erörterten
Beispiele Anwendungen der vorliegenden Erfindung in Erdölschächten sind,
kann die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Schächten, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Wasserschächte
und Erdgasschächte,
angewendet werden.
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Für den Fachmann
ist klar, daß die
vorliegende Erfindung in vielen Bereichen angewendet werden kann,
wo das Erfordernis besteht, ein steuerbares Ventil innerhalb eines
Bohrloches, eines Schachtes oder einer anderen Zone, die schwierig
zugänglich
ist, anzuordnen. Der Fachmann erkennt auch, daß die vorliegende Erfindung
auf vielen Gebieten angewendet werden kann, wo eine bereits bestehende
leitende Rohrstruktur vorhanden ist und das Erfordernis besteht,
Strom und Kommunikation an ein steuerbares Ventil auf dem gleichen
oder einem ähnlichen
Pfad wie die Rohrstruktur zu leiten. Ein Wassersprinklersystem oder
ein Netz in einem Gebäude zur
Feuerbekämpfung
ist ein Beispiel einer Rohrstruktur und kann bereits vorhanden sein
oder kann einen ähnlichen
Pfad wie jenen aufweisen, der für
die Leitung von Strom und Kommunikation zu einem steuerbaren Ventil
erwünscht
ist. In einem solchen Fall können
eine andere Rohrstruktur und ein anderer Teil der gleichen Rohrstruktur
als elektrischer Rückpfad
verwendet werden.