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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer ferromagnetischen
Drossel in einem Erdölschacht,
wobei ein Spannungspotential über
die Drossel ausgebildet wird, um Vorrichtungen und Sensoren in dem
Schacht zu speisen und mit ihnen zu kommunizieren, die sonst herkömmliche
vorher vorhandene Metallstrukturen des Schachtes als die Hauptleitungswege
verwenden. In einem Aspekt betrifft sie das Bereitstellen von Energie
und/oder Verbindungen zu einer Vorrichtung unterirdisch in einem Bohrloch
eines Schachtes mit Hilfe eines in einem Rohraufbau ausgebildeten
elektrischen Kreises unter Verwendung von zumindest einer nicht
gespeisten Induktionsdrossel.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Verschiedene
Verfahren wurden erdacht, um steuerbare Ventile und andere Vorrichtungen
und Sensoren unterirdisch an dem Rohrstrang in einem Schacht anzuordnen,
aber alle solche bekannte Vorrichtungen verwenden typischerweise
ein elektrisches Kabel entlang des Rohrstranges, um die Vorrichtungen
und Sensoren zu speisen und mit ihnen zu kommunizieren. Es ist nicht
erwünscht
und in der Praxis schwierig, ein Kabel entlang des Rohrstranges
entweder einstückig
mit dem Rohrstrang oder beabstandet in dem Ring zwischen dem Rohr
und der Auskleidung zu verwenden, wegen der Anzahl von in solchen
Systemen vorhandenen Fehlermechanismen. Weitere Verfahren der Kommunikation innerhalb
eines Bohrloches sind in den US-Patent-Nummern 5 493 288; 5 576
703; 5 574 374; 5 467 083; 5 130 706 beschrieben.
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Das
US-Patent 6 070 608 beschreibt ein oberflächengesteuertes Gasliftventil
zur Verwendung in Erdölschächten. Verfahren
zum Betätigen
des Ventils umfassen Elektrohydraulik, Hydraulik und Pneumohydraulik.
Sensoren leiten die Position der variierbaren Blenden und kritische
Fluiddrücke
zu einer Tafel an der Oberfläche
weiter. Wenn jedoch beschrieben wird, wie Elektrizität an die
unterirdischen Sensoren und Ventile bereitgestellt wird, wird das Mittel,
um die/das elektrische Leistung/Signal zu den Ventilen/Sensoren
zu bekommen, als eine elektrische Rohrleitung beschrieben, welche
die unterirdischen Ventile/Sensoren mit einer Steuertafel an der Oberfläche verbindet.
Das US-Patent 6 070 608 beschreibt oder zeigt nicht speziell die
Strombahn von der unterirdischen Vorrichtung zur Oberfläche. Die elektrische
Rohrleitung ist in den Figuren als eine elektrische Standard-Rohrleitung
gezeigt, d.h. ein gestrecktes Rohr mit einzelnen darin geschützten Drähten, so
daß das
Rohr für
physischen Schutz sorgt und die Drähte darin die Strombahn bereitstellen.
Solche elektrische Standard-Leitungsrohre können bei großen Tiefen
jedoch schwierig weiterzuführen
sein, um Biegungen von abgeleiteten Schächten herum, entlang von Mehrfachsträngen für einen Schacht
mit mehreren Seitensträngen
und/oder parallel mit einem Spiralenförderrohr. Infolgedessen besteht
ein Bedarf an einem System und Verfahren zum Bereitstellen von Energie
und Kommunikationssignalen an unterirdische Vorrichtungen ohne die
Notwendigkeit einer separaten elektrischen Rohrleitung mit Drähten und
entlang eines Rohres geführt.
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Das
US-Patent Nr. 4 839 644 beschreibt ein Verfahren und System für drahtlose
wechselweise Kommunikationen in einem ausgekleideten Bohrloch mit
einem Rohrstrang. Dieses System beschreibt jedoch eine unterirdische
Ringantenne zum Koppeln elektromagnetischer Energie in einem TEM-Wellenleitermodus
mit Hilfe des Ringes zwischen der Auskleidung und dem Rohr. Diese
Ringantenne benutzt eine elektromagnetische Wellenkopplung, die
ein im wesentlichen nicht-leitendes Fluid (wie z.B. raffiniertes
Schweröl)
in dem Ring zwischen der Auskleidung und dem Rohr und einen ringförmigen Hohlraum
und Bohrlochkopf-Isolatoren erfordert. Daher ist das in dem US-Patent
Nr. 4 839 644 beschriebene Verfahren und System kostspielig, hat
Probleme mit dem Einsickern von Sole in die Auskleidung und ist
als ein Modell für
eine wechselseitige unterirdische Kommunikation schwierig zu verwenden.
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Andere
Systeme unterirdischer Kommunikation, wie z.B. die Spülungsimpuls-Übertragung (US-Patent-Nummern
4 648 471; 5 887 657), haben erfolgreiche Kommunikation bei niedrigen
Datenübertragungsraten
gezeigt, sind aber dort von begrenztem Nutzen als ein Kommunikationsmodell,
wo hohe Datenübertragungsraten
erforderlich sind, oder es nicht erwünscht ist, unterirdisch eine
komplexe Ausrüstung
für eine
Spülungsimpuls-Übertragung
zu verwenden. Noch weitere unterirdische Kommunikationsverfahren
wurden versucht; siehe die US-Patent-Nummern 5 467 083; 4 739 325;
4 578 675; 5 883 516; und 4 468 665 wie auch permanente unterirdische
Sensoren und Steuersysteme: US-Patent-Nummern 5 730 219; 5 662 165;
4 972 704; 5 941 307; 5 934 371; 5 278 758; 5 134 285; 5 001 675; 5
730 219; 5 662 165.
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Es
ist übliche
Praxis, mehrere Schächte
innerhalb eines Feldes zu betreiben, indem die Fluide von jedem
Schacht zu einer zentralen Einrichtung gefördert werden, wo sie gesammelt
und zuerst behandelt werden können,
bevor sie zu stromabwärts
angeordneten Verarbeitungsanlagen, wie z.B. Raffinerien, weitergeleitet
werden. Es wäre
wünschenswert, die
Fähigkeit
bereitzustellen, die Schächte
von dieser zentralen Feldeinrichtung zu steuern, was in der Praxis
aber selten geschieht, da eine solche Fähigkeit durch herkömmliche
Verfahren erfordern würde, Energie-
und Signalleitungen über
das gesamte Feld zu verteilen. Solch eine Infrastruktur würde die
Kosten sowohl für
die Installation wie auch für
die Wartung erhöhen,
und die Energie- und Signalleitungen wären anfällig gegenüber Beschädigungen durch die Elemente
oder Fahrzeugtransport, und würden
auch Gegenstand von Vandalismus und Diebstählen sein.
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Es
wäre daher
ein deutlicher Fortschritt im Betrieb von Erdölschächten, wenn Rohr, Auskleidung,
Futter und andere in dem Schacht installierte Leiter oder zusätzliche
Oberflächeneinrichtungen, wie
z.B. Sammelleitungen, für
die Kommunikation und zum Speisen der Leiter für die Steuerung und zum Betrieb
von Vorrichtungen und Sensoren unterirdisch in einem Erdölschacht
verwendet werden könnten.
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Induktionsdrosseln
wurden in Verbindung mit empfindlichen Instrumenten verwendet, um
diese gegen Spannungsstöße und Streuspannung
zu schützen.
Zum Beispiel haben die meisten Personalcomputer für solch
einen Schutz eine Art von Drossel in ihr Wechselstromanschlußkabel und
ihr Videosignalkabel eingebaut. Solche Drosseln arbeiten gut hinsichtlich
ihres beabsichtigten Zweckes, sind aber nicht wirksam, um einen
Energie- oder Kommunikationskreis zu definieren.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis
17 sind aus der europäischen
Patentanmeldung
EP 0 964 134 bekannt.
In der/dem bekannten Vorrichtung und Verfahren ist eine Induktionsdrossel
um ein Rohr eines Ölschachtes
herum angeordnet. Die bekannte Drossel ist mit einem um einen ferromagnetischen
Kern herumgewickelten elektrischen Kabel ausgerüstet, wobei das Kabel elektrische
Leistung an eine unterirdische Vorrichtung liefert. Das Wickeln
solch eines elektrischen Kabels um einen Kern herum ist kostspielig,
und das Kabel kann leicht beschädigt
werden, wenn das Rohr durch den Schacht herabgelassen wird, und
ist anfällig
für Überhitzung
und Fehler.
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Alle
hierin angeführten
Verweise sind im größtmöglichen
gesetzlichen Ausmaß durch
Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. In dem Ausmaß, in dem
ein Verweis nicht in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, ist er zu
Verweiszwecken durch Bezugnahme für den Stand der Technik aufgenommen
und bezeichnend für
die Kenntnis eines Fachmannes.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind durch
die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 17 gekennzeichnet.
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Die
oben stehend skizzierten Probleme und Anforderungen werden durch
den Erdölschacht
mit einer oder mehreren Stromimpedanzvorrichtungen, wie z.B. Induktionsdrosseln,
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung weitgehend gelöst bzw. erfüllt. Im weiten Sinn umfaßt der Erdölschacht
ein ausgekleidetes Bohrloch mit einem in der Auskleidung angeordneten
und sich darin in Längsrichtung erstreckenden
Rohrstrang. Ein steuerbares Ventil, ein Sensor oder eine andere
Vorrichtung ist mit dem Rohr gekoppelt. Das Ventil, die Sensoren
oder die andere Vorrichtung wird von der Oberfläche gespeist und gesteuert.
Kommunikationssignale und Energie werden unter Verwendung des Rohres,
der Auskleidung und des Futters als Leiter von der Oberfläche gesendet.
Der Wechselstrom wird z.B. das Rohr hinunter zu einem Punkt geleitet,
wo der Strom auf eine Drossel trifft. Das über der Drossel ausgebildete Spannungspotential wird
verwendet, um Kommunikationsmodems, Ventile, elektronische Vorrichtungen und
Sensoren in der Nähe
der Drossel zu speisen.
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In
größerem Detail
umfaßt
ein Oberflächencomputer
ein Modem mit einem Wechselstromsignal, das an eine leitende Leitung,
wie z.B. das Rohr, und/oder die Auskleidung weitergegeben wird.
Das Wechselstromsignal bildet ein Potential über eine Drossel aus, und eine
Spannungsquelle erzeugt Gleichstrom, um ein angeschlossenes steuerbares Ventil,
einen Sensor oder eine andere Vorrichtung zu speisen. Vorzugsweise
endet die Auskleidung oder das Futter an Erde und wird als Erdrückleiter
verwendet, obwohl ein unabhängiger
Erdungsdraht oder ein anderer Leiter verwendet werden kann. In einer
bevorzugten Ausführungsform
eines Gasliftschachtes umfaßt
die gespeiste Vorrichtung ein steuerbares Ventil, das einen Durchgang
von Gas zwischen dem Ring und dem Inneren des Rohres regelt.
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In
verbesserten Formen umfaßt
der Erdölschacht
einen oder mehrere unterirdische/n Sensor/en, der/die vorzugsweise
in Kontakt mit dem unterirdischen Energie- und Kommunikationsmodul ist/sind
und mit dem Oberflächencomputer
kommuniziert/en. In vielen Situationen werden vorteilhafterweise
solche Sensoren für
Temperatur, Druck, Akustik, Ventilstellung, Strömungsgeschwindigkeiten und Druckdifferenzmesser
verwendet. Die Sensoren liefern Messungen zu dem Modem für eine Übertragung
zur Oberfläche
oder direkt zu einer programmierbaren Anschlußsteuerung, die eine unterirdische Vorrichtung,
wie z.B. ein steuerbares Ventil, zum Steuern der Gasströmung durch
das Ventil betreibt.
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Die
Stromimpedanzvorrichtungen der vorliegenden Erfindung umfassen Induktionsdrosseln
aus einem ferromagnetischen Material in einer bevorzugten Form.
Solche ferromagnetischen Drosseln sind mit einem Leiter (Rohr, Auskleidung,
Futter etc.) gekoppelt, um als ein Reihenwiderstand für den Stromfluß zu wirken.
In einer Form ist eine ferromagnetische Drossel um das unterirdische
Rohr herum angeordnet, und der für
Energie und Kommunikationssignal verwendete Wechselstrom wird in
der Nähe
der Oberfläche
zu dem Rohr, der Auskleidung oder dem Futter weitergegeben. Die
unterirdische Drossel um das Rohr, die Auskleidung oder das Futter
herum bildet ein Potential aus, das verwendet wird, um ein steuerbares
Ventil oder einen Sensor zu speisen und oder damit zu kommunizieren.
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In
einer weiteren Form ist ein Oberflächencomputer über ein
Master-Modem an der Oberfläche und
das Rohr oder die Auskleidung mit einer Vielzahl von Abzweigungen
gekoppelt, von denen jedes ein unterirdisches Slave-Modem zum Betätigen eines steuerbaren
Ventils in einer Abzweigung aufweist. Der Oberflächencomputer kann Messungen
von einer Vielfalt von Quellen, wie z.B. von den unterirdischen
Sensoren, Messungen des Ölausstoßes und Messungen
der Fluidströmung
in jeder Abzweigung, empfangen. Mit Hilfe solcher Messungen kann
der Computer eine optimale Stellung eines jeden steuerbaren Ventils,
insbesondere die optimale Menge an Fluidförderung aus jeder Abzweigung,
berechnen. Zusätzliche
Erweiterungen sind möglich,
wie z.B. das Steuern der Menge an Eintrag von komprimiertem Gas
in den Schacht an der Oberfläche,
das Steuern eines Tensid-Einspritzsystems und das Empfangen von
Förderungs-
und Betriebsmessungen aus einer Vielfalt weiterer Schächte in
dem gleichen Feld, um die Förderung
des Feldes zu optimieren.
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Der
Aufbau eines solchen Erdölschachtes
ist derart entworfen, daß er
der herkömmlichen
Aufbaumethodik so ähnlich
wie möglich
ist. Das heißt,
das Komplettierungsverfahren des Schachtes um faßt das Einzementieren einer
Auskleidung oder eines Futters innerhalb des Bohrloches, das Anordnen
eines Rohres innerhalb der Auskleidung oder des Futters und allgemein
konzentrisch mit solch einer/einem Auskleidung oder Futter und Anordnen
eines Packers über
der Förderzone,
um einen Fluiddurchgang in dem Ring zwischen dem Rohr und der Auskleidung
oder dem Futter zu steuern. Der komplettierte Schacht umfaßt eine
Drossel konzentrisch mit dem Rohr, der Auskleidung oder dem Futter.
Nach dem Zementieren ist die Auskleidung zum Teil von der Erde isoliert.
Der Rohrstrang verläuft
durch die Auskleidung und den Packer und steht mit der Förderzone
in Verbindung. In dem Abschnitt des Rohrstranges in der Nähe der Drossel
sind Sensoren oder Betriebsvorrichtungen mit dem Strang gekoppelt.
In einer bevorzugten Form wird ein Seitentaschen-Mantelrohr zum
Aufnehmen eines/einer mittels einer Drahtleitung einsetzbaren und
herausziehbaren Sensors oder Vorrichtung verwendet. Bei einer solchen
Konfiguration kann eine Modulgruppe für ein steuerbares Gasliftventil
oder einen Sensor in dem Seitentaschen-Mantelrohr eingesetzt sein. Alternativ
kann solch eine Modulgruppe für
ein steuerbares Gasliftventil oder einen Sensor direkt permanent
mit dem Rohr gekoppelt (d.h. „tubing-conveyed") sein. Ein Energie-
und Kommunikationsmodul verwendet das Spannungspotential, das über die
Drossel ausgebildet wird, um das Ventil, die Sensoren und das Modem
zu speisen.
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Eine
Sensor- und Kommunikations-Modulgruppe kann eingesetzt sein, ohne
die Notwendigkeit, daß ein
steuerbares Gasliftventil oder ein anderes Steuerelement umfaßt ist.
Das heißt,
ein Elektronikmodul mit Druck-, Temperatur- oder akustischen Sensoren,
Spannungsquelle und einem Modem wird in ein Seitentaschen-Mantelrohr
eingesetzt, um mit Hilfe der Rohr- und Auskleidungsleiter mit dem
Oberflächencomputer
zu kommunizieren. Alternativ können
solche Elektronikmodule direkt an dem Rohr montiert sein und nicht
derart konfiguriert sein, daß sie
mit Hilfe einer Drahtleitung ausgetauscht werden können. Wenn
ein Elektronikmodul oder eine Vorrichtung direkt an dem Rohr montiert
ist, kann es nur durch Herausziehen des gesamten Rohrstranges ausgetauscht
werden. In einer weiteren Form kann ein isolierter Rohrabschnitt
in der Nähe
des Bohrlochkopfes verwendet werden, um eine elektrische Isolierung
sicherzustellen.
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In
einem breiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine insbesondere
in Erdölschächten nützliche
Stromimpedanzvorrichtung mit einer zylindrischen Drossel aus ferromagnetischem
Material, die eine sich in Längsrichtung
darin erstreckende ringförmige
Bohrung aufweist, welche ausgebildet ist, um einen zylindrischen
Leiter eines Erdölschachtes
darin aufzunehmen. Selbstverständlich
sind viele Abwandlungen bei solchen Drosseln möglich, die auf eine Auskleidung,
ein Rohr, Futter und Sammelrohre sowie andere unterirdisch in einem
Erdölschacht
verwendete Leiter und Oberflächenrohrleitungen,
wie z.B. Sammelleitungen, anwendbar sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden durch das Lesen der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und durch Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen ersichtlich, in denen:
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1 ein
Schema eines Erdölschachtes
ist, der Induktionsdrosseln und zugehörige Kommunikations-, Meß- und Steuermodulgruppen
in Übereinstimmung
mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt;
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2 sich
auf 1 bezieht und den äquivalenten elektrischen Kreis
des Schachtes von 1 zeigt;
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3a sich
auf 1 bezieht und die gesamte Anordnung einer der
Drosseln von 1 zeigt;
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3b sich
auf 3a bezieht und die in dem Aufbau der Drosselanordnung
von 3a verwendeten Komponenten im Detail zeigt;
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4a ein
Längsschnitt
einer zwischen Rohr und Auskleidung angeordneten Drossel ist;
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4b ein
Axialschnitt der zwischen Rohr und Auskleidung angeordneten Drossel
von 4a ist;
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4c ein
Längsschnitt
einer außerhalb
sowohl eines Rohres als auch einer Auskleidung angeordneten Drossel
ist;
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4d ein
Axialschnitt der außerhalb
sowohl eines Rohres als auch einer Auskleidung angeordneten Drossel
von 4c ist;
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5 ein
Schema eines Erdölschachtes
ist, welches das elektrische Schema einer Induktionsdrossel veranschaulicht;
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6 ein
Schema eines Erdölschachtes
mit mehreren Abzweigungen ist, der elektrische Drosseln der vorliegenden
Erfindung umfaßt;
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7 ein
Schema ist, das die Verwendung von Drosseln zur Bereitstellung elektrischer
Energie und Kommunikation zwischen einer zentralen Feldeinrichtung
und einzelnen Bohrlochköpfen
mit Hilfe von Sammelleitungen als Übertragungsweg zeigt;
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8 einen
Schacht in Übereinstimmung mit
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem eine Vielzahl von Drosseln Energie
zu unterirdischen elektrischen Modulen mit Hilfe einer seriellen
Stromkonfiguration bereitstellt;
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9 ein
System in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem eine Vielzahl von Drosseln
Energie zu unterirdischen elektrischen Modulen mit Hilfe einer parallelen
Stromkonfiguration bereitstellt; und
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10 einen
Schacht in Übereinstimmung mit
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem Drosseln außerhalb
sowohl eines Rohres als auch einer Auskleidung angeordnet sind.
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BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wendet
man sich den Zeichnungen zu, so ist ein Erdölschacht in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 1 veranschaulicht
einen Erdölschacht,
der aus einer Auskleidung 36 besteht, die sich von der
Oberfläche
erstreckt und ein Förderrohr 34 enthält. An dem
Bohrlochkopf ist der obere Teil des Rohres von dem unteren Teil
mittels eines elektrisch isolierenden Rohrhängers 146 isoliert.
Bei einer Tiefe innerhalb des Schachtes wird der ringförmige Raum
zwischen der Auskleidung 36 und dem Rohr 34 von
Bohrloch-Komplettierungsfluid 82 eingenommen, und ein elektrisch
leitender Packer 56 isoliert das Bohrloch-Komplettierungsfluid
hydraulisch von der Förderzone 66.
Fluide aus der Förderzone 66 werden
somit durch einen Durchgang durch das Rohr 34 an die Oberfläche gefördert. In 1 ist
die Anordnung von zwei Drosseln 32 bei einer Tiefe innerhalb
des Schachtes gezeigt, von denen eine jede verwendet wird, um eine
elektrische Modulgruppe 40 zu speisen. Diese Modulgruppen
realisieren jegliche Kombination aus Kommunikation, Messung und Steuerfunktionen,
um Schachtförderbetriebe
zu unterstützen.
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Die
Auskleidung 36 ist im allgemeinen herkömmlich, d.h. sie wird während der
Bohrlochkomplettierung in Abschnitten in dem Bohrloch zementiert.
In gleicher Weise ist der Rohrstrang 34 herkömmlich und
umfaßt
eine Vielzahl langgestreckter röhrenförmiger Förderrohrabschnitte,
die durch Gewindekupplungen an jedem Ende eines jeden Rohrabschnittes
verbunden sind.
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Noch
immer bezugnehmend auf 1 ist die allgemeine Anordnung
von Oberflächeneinrichtungen
veranschaulicht, die aus einer Oberflächen-Wechselstromquelle 8,
einem Leistungstransformator 11 mit einem Stromverhältnis von
1:10, und einem Oberflächenmodem 39 besteht.
Eine Ausgangsseite des Leistungstransformators 11 und die Schaltungen
des Modems 39 sind durch eine druckabgedichtete Durchführung 76 unterhalb
der elektrisch isolierenden Verbindung 146 mit dem Abschnitt des
Förderrohres 34 elektrisch
verbunden. Die andere Ausgangsseite des Leistungstransformators 11 und
die Schaltungen des Oberflächenmodems 39 sind
elektrisch mit der Schachtauskleidung 36 verbunden.
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Zur
Veranschaulichung zeigt 1, daß jede Modulgruppe verwendet
wird, um ein Gasliftventil 40 zu speisen und zu steuern.
Aus diesem Grund besteht eine geeignete Realisierung der Modulgruppe aus
einem 2:15-Volt-Leistungstransformator 31 und einer Hauptplatine
(PCB) mit einem Slave-Modem 33 und weiteren elektrischen
Komponenten zum Speisen und Steuern des Gaslift ventils und zum Koppeln mit
Sensoren, die durch die Modulgruppe unterstützt werden können, um
lokale physikalische oder chemische Variable, wie z.B. Ringdruck,
Rohrdruck, Zusammensetzung von Fluiden etc., zu messen. Die Modems
innerhalb der Modulgruppen kommunizieren mit dem Modem an der Oberfläche und
ermöglichen,
daß Daten
von jeder Modulgruppe an die Oberfläche übertragen werden und Befehle
zum Steuern des Gasliftventils von der Oberfläche weitergeleitet werden.
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Während 1 den
Fall veranschaulicht, in dem zwei unterirdische Module in dem Schacht
betrieben werden, wird ohne weiteres einzusehen sein, daß dasselbe
Prinzip verwendet werden kann, um eine beliebige Anzahl von unterirdischen
Modulen vorzusehen. Dies kann in einer Anwendung nützlich sein,
wo ein leitendes Bohrloch-Komplettierungsfluid in dem Ring vorhanden
ist, bevor ein Gasliftschacht geräumt wird. Keine der Drosseln
wird ausreichend arbeiten, um ein Spannungspotential an ihrer jeweiligen
Vorrichtung auszubilden, wenn die Drossel in einem leitenden Fluid
eingetaucht ist. Wenn das leitende Fluid während des Räumungsvorganges fortschreitend
entfernt wird, kann jede Vorrichtung Strom und/oder Kommunikation
aufnehmen (und ist somit steuerbar), wenn die entsprechende Drossel
nicht mehr in einem leitenden Fluid eingetaucht ist. Somit werden
die Vorrichtungen nach und nach steuerbar, wenn der Fluidspiegel
während
des Räumens
abfällt, was
dabei helfen kann, ein besser steuerbares Räumungs- oder Anlaufverfahren
zu erzielen. Somit ist die vorliegende Erfindung in allen Betrieben
der Schachträumung,
des Anlaufes oder der Förderung nützlich.
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Der
Teil des Rohres 34 und der Auskleidung 36 zwischen
dem isolierenden Hänger 146 und
den Drosseln 32 kann als ein Energie- und Kommunikationsweg
betrachtet werden. Typischerweise würde solch eine Konfiguration
nicht zulassen, daß Wechsel strom
oder elektrische Signale mit Hilfe des Rohres als einem Leiter und
der Auskleidung als dem anderen Leiter den Schacht hinauf und hinunter
geleitet werden kann/können.
Die Anordnung der Drosseln 32 verändert jedoch die elektrischen
Eigenschaften des Metallaufbaues des Schachtes und stellt ein System
und Verfahren bereit, um Wechselstrom und Kommunikationssignale
das Bohrloch des Schachtes hinauf und hinunter zu leiten. In einem
allgemeinen Sinn wird der Ausdruck „Rohraufbau" verwendet, um ein
Rohr, eine Auskleidung, Hänger,
Futter, Steigleitungen oder beliebige aus einer Vielzahl von metallischen
Leitern, üblicherweise
unter der Oberfläche, zu
bezeichnen, aber auch Anwendungen an der Oberfläche sind möglich. „Drahtlos" bedeutet das Nicht-Vorhandensein eines
herkömmlichen
isolierten elektrischen Leiters, wie ein dafür bestimmter isolierter Draht;
das Rohr, die Auskleidung oder der weitere Rohraufbau werden nicht
als Drahtleiter betrachtet.
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Die
Drosseln 32 sind aus einem Material gefertigt, das eine
hohe magnetische Permeabilität
bei den Frequenzen des Wechselstromes und der Modem-Kommunikations-Trägerfrequenz
aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 2 kann der äquivalente elektrische Kreis
dieses Energie- und Kommunikationsweges analysiert werden. Die Auskleidung
und das Rohr bilden die Hauptübertragungswege
sowohl für
die Energie als auch für
die Kommunikationssignale. Die Auskleidung ist durch den Leiter 101 dargestellt.
Das Rohr ist durch den Leiter 102 dargestellt. Der Widerstand 18 stellt
den kombinierten durch die Verkleidung und das Rohr angebotenen Widerstandsbelag
dar und liegt typischerweise in der Größenordnung von 1 Ohm. Die Drosselimpedanzen sind
durch die Induktoren 32 dargestellt. Bei der Frequenz des
Wechselstromes liegt der von jeder Drossel angebotene Blindwiderstand
in der Größenordnung
von 2 Ohm.
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Noch
immer bezugnehmend auf 2 ist das Oberflächenmodem-Ensemble 39 durch
den Widerstand 12 für
seinen Empfänger
und eine Wechselstromquelle 14 für seinen Sender dargestellt.
Der Wechselstromeingang an der Oberfläche ist durch die Wechselstromquelle 16 dargestellt.
Die jeder Drossel zugehörigen
unterirdischen elektronischen Modulgruppen sind durch Energiewandler-
und Modem-Ensembles 122 dargestellt, die aus Widerständen 106 für die Energiewandler
und Modem-Empfänger
und Wechselstromquellen 108 für die Modem-Sender bestehen.
Der Kreis wird durch den Metall-Packer 56 vervollständigt, der
eine vernachlässigbar
geringe elektrische Impedanz aufweist.
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Aus 2 ist
ersichtlich, daß die
unterirdischen Modulgruppen durch die Wechselstromspannung gespeist
werden, die an dem Rohr durch die Drosseln ausgebildet wird, bewirkt
durch die Gegen-EMK, die durch den Durchgang des Stromes entlang
des Rohres, der die Drossel durchläuft, erzeugt wird. Die Drosseln
sind derart ausgelegt, daß sie
von dem Wechselstrom, der sie durchläuft, etwa 2 Volt ausbilden,
und dieser Wechselstrom wird in der Wechselrichter-Schaltung, die
durch den Stromversorgungseingangs-Trafo gemäß der Praxis für solche Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichtungen
und Wechselrichter-Schaltungen gekoppelt ist, zu Gleichstrom umgewandelt.
Dieser Gleichstrom wird typischerweise mit etwa 15 Volt an die Modulgruppensensoren,
das Modem und Steuerkreise geliefert, und ist typischerweise in
der Größenordnung
von etwa 10 Watt verfügbar,
um diese unterirdischen Sub-Systeme zu speisen.
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Unter
Bezugnahme auf die 3a und 3b kann
der Aufbau einer geeigneten Drossel beschrieben werden. Eine Drossel
für eine
gegebene Anwendung kann in mehrere Stücke entlang ihrer Länge (L)
unterteilt werden. Mit anderen Worten, das Stapeln mehrerer Unterabschnitte
von Drosseln 134 entlang der Drosselachse 60,
wie in den 3a und 3b gezeigt,
sorgt für
die gleiche Wirkung wie eine große Drossel mit der Länge (L).
Mehrere übereinandergestapelte
Unterabschnitte 134 wirken als eine Reihe von Impedanzen,
die zusammengesetzt die gleiche Gesamtimpedanz bereitstellen wie
eine einzelne Drossel mit der gleichen Gesamtlänge aus einem ferromagnetischen
Material wie die vereinigten Unterabschnitte.
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Unter
Bezugnahme auf 3b sind die Einzelheiten einer
geeigneten Drosselanordnung veranschaulicht, obwohl für den Fachmann
einzusehen sein wird, daß alternative
Konstruktionen möglich sind.
Der Rohrabschnitt 34 besteht aus Edelstahl 316 und
weist typischerweise einen Außendurchmesser von
3,5 Zoll und eine Länge
von 10 Fuß auf.
Jedes Ende des Förderrohrabschnittes 34 ist
mit New VAM Außengewinden
versehen, durch die Gegenabschnitte eines herkömmlichen Rohres angebracht werden.
(New VAM ist ein eingetragenes Warenzeichen von Vallourec Mannesmann
Oil & Gas, Frankreich,
und definiert eine für
diesen Zweck geeignete Gewindeform). An den oberen und unteren Enden des
Drosselabschnittes befinden sich Schweißmanschetten 50 mit
einem Innendurchmesser von 3,55 Zoll, einer Länge von 2 Zoll und einer Wanddicke
von einem viertel Zoll. Der Abschnitt des Rohres 34 zwischen
den Schweißmanschetten
ist mit einem PTFE-Schrumpfschlauch 20 mit einer Wanddicke von
0,020 Zoll überzogen,
und somit liegt der Schlauch 20 zwischen dem Förderrohrabschnitt 34 und
den Innenwänden
aller Drossel-Unterabschnitte 134. Jedes Ende der Drosselanordnung
ist mit einem mechanisch bearbeiteten Kunststoff-Zentralisierer 114 versehen.
Ein geeigneter mechanisch bearbeitbarer Kunststoff ist Polyetheretherketon
(PEEK), was ein von vielen Geschäftsquellen
erhältliches
Erzeugnis ist.
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Die
Drossel-Unterabschnitte 134 sind gebildet durch Wickeln
von 60 Blechlagen einer hoch durchlässigen ferromagnetischen Legierung,
wie z.B. Permalloy (Permalloy ist ein eingetragenes Warenzeichen
der Western Electric Company). Permalloy ist eine Nickel/Eisenlegierung
mit einem Nickelgehalt im Bereich von 35% bis 90% und ein von vielen
Geschäftsquellen
erhältliches
Erzeugnis. Eine geeignete Legierung besteht aus 86% Nickel/14% Eisen
und die Lagen sind 0,014 Zoll dick und 2,35 Zoll breit, so daß die Endabmessungen
eines jeden Drosselabschnittes einen Innendurchmesser von 3,6 Zoll
einen Außendurchmesser
von 5,45 Zoll und 2,35 Zoll in der Richtung der Drosselachse 60 aufweisen.
Fünfzehn solcher
Drosselabschnitte sind gestapelt, um eine Gesamtdrosselanordnung
zu bilden, die für übliche Stromfrequenzen
von 50 oder 60 Hertz geeignet ist. Bei Stromfrequenzen von bis zu
wenigen hundert Hertz kann eine geschichtete ferromagnetische Legierung
für den
Aufbau der Drosselabschnitte verwendet werden, wie in der Praxis
der Standard-Transformatorkonstruktion und wie oben beschrieben.
Eine Schichtung ist erforderlich, um Wirbelstromverluste, die sonst
die Wirkung der Drossel verschlechtern würden, zu reduzieren. Für ein Material
mit einer absoluten magnetischen Permeabilität von 50.000, das bei 60 Hertz
arbeitet, beträgt
die erforderliche Schichtdicke für
2 Eindringtiefen 0,8 Millimeter (0,031 Zoll), was realistisch und
zweckmäßig ist.
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Zwischen
jedem Drosselabschnitt befindet sich eine Ringscheibe 136 aus
Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Innendurchmesser von 3,6
Zoll, einem Außendurchmesser
von 5,45 Zoll und einer Dicke von 0,030 Zoll. Nachdem alle Drosseln
auf das Rohr geschraubt wurden, wird der gesamte Abschnitt von Drosseln
mit dem PTFE-Schrumpfschlauch 138 mit einer Wanddicke von
0,020 Zoll überzogen.
Der Stab 51 aus Edelstahl weist einen Durchmesser von 0,125
Zoll auf, ist mit einem Polyethylen(PE)- Schrumpfschlauch überzogen und erstreckt sich
entlang der Länge
der komplettierten Drosselanordnung. Sie wird an der oberen Schweißmanschette 10 angebracht
und läuft
durch Öffnungen
in den Zentralisierern 114. Ihr unteres Ende ist elektrisch
mit dem Eingang einer elektrischen Modulgruppe unter der Drosselanordnung
verbunden.
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Die
von der Drossel angebotene Impedanz ist ein kritischer Punkt der
Realisierung, da diese bestimmt, welcher Anteil des gesamten an
das Rohr gelieferten Stromes an den Kriechstrom durch die Drossel
verlorengeht und welcher Anteil verfügbar sein wird, um die in dem
isolierten Abschnitt des Rohres installierten Vorrichtungen zu speisen
und mit diesen zu kommunizieren. Da die von einem Induktor angebotene
Impedanz mit steigender Frequenz zunimmt, wird die Wechselstromfrequenz
sowohl in der theoretischen Analyse als auch beim Testen alternativer Drosselkonfigurationen
verwendet, da diese normalerweise gleich wie oder kleiner als die
Kommunikationsfrequenzen ist.
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Die 4a–d zeigen
die in der Drosselauslegungsanalyse verwendeten Variablen an. Die 4a (Längsschnitt)
und 4b (Axialschnitt) veranschaulichen den Fall, in
dem die Drossel innerhalb des Ringes 58 zwischen dem Rohr 34 und
der Auskleidung 36 angeordnet ist. Die 4c (Längsschnitt)
und 4d (Axialschnitt) veranschaulichen den Fall, in dem
die Drossel außerhalb
der Auskleidung 36 angeordnet ist. Die Basis für die Analyse
ist in beiden Fällen
die gleiche, aber es ist wichtig zu erkennen, daß der in der Auslegungsanalyse
verwendete elektrische Stromwert (I) der durch die Drossel verbundene Nettostrom
ist. In dem Fall, in dem die Drossel in dem Ring angeordnet ist
(4a und b), ist der Strom nur der an dem Rohr.
Wenn die Drossel außerhalb
der Auskleidung angeordnet ist (4c und
d), ist der Strom die Vektorsumme der getrennten Ströme an der
Auskleidung und dem Rohr. Somit gäbe es, wenn diese Ströme gleich
aber gegenphasig wären,
keinen Nettodrosseleffekt mit der in den 4c und 4d gezeigten
Konfiguration.
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Die
definierenden Variablen und ein selbstkonsistenter Satz von physikalischen
Einheiten lauten:
L = Länge
der Drossel, Meter;
a = Innenradius der Drossel, Meter;
b
= Außenradius
der Drossel, Meter;
r = Abstand von der Drosselachse, Meter;
I
= r.m.s Nettostrom durch gedrosselten Abschnitt, Ampere;
ω = Winkelfrequenz
des Kriechstromes, Rad pro Sekunde;
m = absolute magnetische
Permeabilität
des Drosselmaterials bei einem Radius r; gleich der absoluten Durchlässigkeit
des luftleeren Raumes (4π × 10–7 Henry
pro Meter) multipliziert mit der relativen Permeabilität des magnetischen
Materials der Drossel.
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Per
definitionem ist ω =
2πf, wobei
f = Frequenz in Hertz.
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Bei
einem Abstand r von dem Strom I, ist das r.m.s. Magnetfeld H des
luftleeren Raumes in Henry pro Meter gegeben durch: H
= I/2pr.
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Das
Feld H ist kreisförmig
symmetrisch um die Drosselachse und kann als um die Achse Kreise bildende
magnetische Kraftlinien veranschaulicht werden.
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Für einen
Punkt innerhalb des Drosselmaterials ist das r.m.s. Magnetfeld B
in Tesla gegeben durch: B = mH = μI/2πr.
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Der
in dem Drosselkörper
enthaltene r.m.s. magnetische Fluß F in Weber ist gegeben durch: F = ∫Bdswobei
S die Querschnittsfläche
der Drossel in Quadratmeter wie in den 4b und 4d gezeigt
ist, und die Integration über
die Fläche
S erfolgt. Durch Integration von dem Innenradius der Drossel (a)
zu dem Außenradius
der Drossel (b) über
die Länge
der Drossel (L) erhält
man: F = μLIln(b/a)/2πwobei
In die natürliche
Logarithmusfunktion ist.
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Die
durch den Fluß F
erzeugte Spannung in Volt ist gegeben durch: V
= ωF =
2πfF = μLIfln(b/a)
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Es
ist zu beachten, daß die
Gegen-EMK (V) direkt proportional zu der Länge (L) der Drossel für konstante
Werte von (a) und (b), den Innen- und Außenradien des Drosselelementes,
ist. Somit kann durch Ändern
der Länge
der Drossel jede beliebige Gegen-EMK für einen gegebenen Strom erzeugt werden.
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Einsetzen repräsentativer
Werte:
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- μ =
50.000 × (4π × 10–7),L
= 1 Meter
- I = 10 Ampere, f = 60 Hertz,
- a = 0,045 Meter (3,6 Zoll Innendurchmesser), b = 0,068 Meter
(5,45 Zoll Außendurchmesser):
Die
Gegen-EMK bildete dann V = 2,6 Volt aus, was zeigte, daß solch
eine Drossel wirksam in der Ausbildung der erforderlichen unterirdischen
Spannung ist, und dies auch dann, wenn realistische und sichere Ströme und Spannungen
an das Rohr angelegt und von dem Bohrlochkopf zu unterirdischen
Einrichtungen übertragen
werden. Dieses Beispiel zeigt auch, daß dieses Verfahren zur Leistungsverteilung
dadurch gekennzeichnet ist, daß es
bei niedrigen Spannungen und relativ hohen Strömen arbeitet, und aus diesem
Grund ist es unempfindlich gegenüber
kleinen Beträgen
von Kriechstrom zwischen den Leitern oder zur Erde.
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5 veranschaulicht
in größerem Detail
die elektrischen Verbindungen und Kopplungsvorrichtungen, die verwendet
werden, um die sowohl die Übertragung
sowohl von Energie als auch von Modem-Kommunikationssignalen über das
Rohr und die Auskleidung in dem Schacht von 1 zu ermöglichen.
In 5 sind die Oberflächen- und unterirdischen Modems
im wesentlichen gleich, und ihre Empfänger und Sender sind durch
Kondensatoren und einen Datenumformer über die Drossel für die unterirdischen
Modulgruppen und zwischen Auskleidung und Rohr unterhalb der Drossel 30 für das Oberflächenmodem
gekoppelt. Der Strom für
jede Modulgruppe 40 ist durch einen Leistungstransformator
mit einer Vollweggleichrichter-Diodenbrücke gekoppelt, wie in 5 gezeigt,
und Gleichstrom von der Gleichrichterbrücke wird verwendet, um die
unterirdischen Modems und weitere Einrich tungen, wie z.B. Anschlußsteuerungen
für Motoren
und/oder Sensoren, die in jeder unterirdischen Modulgruppe angeordnet
sind, zu speisen. Das Oberflächenmodem
stellt das Mittel zur Kommunikation zwischen einem Computer und
den Modems innerhalb einer jeden unterirdischen Modulgruppe 40 in
jeder Richtung bereit. Somit wird ein Mittel bereitgestellt, durch
das der Computer Befehle an unterirdische Steuervorrichtungen, wie
z.B. Motor-Strömungssteuerungsventile, übertragen
kann, und damit der Computer Daten von unterirdischen Sensoren empfangen kann.
Die Modems werden im allgemeinen vom digitalen Breitbandtyp sein,
die bei vielen Standardeinrichtungs-Lieferanten erhältlich sind,
obwohl es sich dabei auch um Schmalband- und/oder Analogmodems handeln
kann, um dort die Kosten zu reduzieren; wo in speziellen Fällen eine
niedrigere Datenübertragungsrate
akzeptiert werden kann. (Es ist zu beachten, daß der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet
wird, nicht auf jene begrenzt ist, die typischerweise vertrieben
werden, um Computer mit dem öffentlichen
Fernsprechnetz zu verbinden, sondern jede Art von bidirektionaler
Datenkommunikations-Vorrichtung umfaßt, die ausgebildet ist, um über einen
Kabelkommunikationskanal Nachrichten zu übermitteln.)
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6 veranschaulicht
eine bevorzugte Ausführungsform
für den
Fall eines Schachtes mit einer Komplettierung mit mehreren Abzweigungen,
der sich als ein Bohrloch mit einer Auskleidung 36 von der
Oberfläche 64 erstreckt
und sich bei einer Tiefe in Abzweigungen 88 mit Auskleidungen
oder Futter teilt, die Erweiterungen der Hauptbohrloch-Auskleidung 36 sind.
Selbstverständlich
kann die Erfindung auf alle Typen herkömmlicher Komplettierungen mit mehreren
Abzweigungen angewendet werden, wie z.B. wenn nur ein Futter verwendet
wird oder bei einem Rohr in einem offenen Bohrloch etc. In 6 teilt
sich das Förderrohr 34 in
gleicher Weise in ein Rohr für
jede Abzweigung. In diesem Beispiel ist jede Abzweigung mit einer
Meß-,
Kommunikations- und Steuerungsanordnung 40 versehen, wie
in 6 im Detail gezeigt. Dieses Modul wird durch die
Spannung gespeist, die über
die Drossel 31 ausgebildet wird, wie vorstehend unter Bezugnahme
auf die 1–3 und 5 beschrieben.
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Noch
immer bezugnehmend auf 6 wird Wechselstrom von einer
Wechselstromquelle innerhalb der Oberflächeneinrichtungen 38 das
Rohr 34 hinunter zugeführt.
Da die Abzweigungen innerhalb der Förderformation enden, ist jeder
seitliche Förderrohrabschnitt
jenseits der Drosseln 31 in engem elektrischen Kontakt
mit den Formationsfluiden und ist somit wirksam in einem Abstand
von dem Hauptbohrloch geerdet, wie durch die Erdungen 72 gezeigt. Diese
Erdrückleitung
wird verwendet, um den elektrischen Kreis zwischen den Oberflächeneinrichtungen und
den unterirdischen Module zu komplettieren.
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Eine
Drossel 30 ist an dem Bohrlochkopf vorgesehen, um als eine
Impedanz für
den Stromfluß zwischen
dem Rohr und der Auskleidung mittels des Rohrhängers 54 zu sorgen,
der sonst für
einen Kurzschluß zwischen
dem Rohr und der Auskleidung sorgen würde. Um den gleichen Zweck
zu erfüllen
und wie in 1 veranschaulicht, kann eine
Isolierrohrverbindung 146 die Drossel 30 von 5 ersetzen. Eine
Drossel 32 ist bei einer Tiefe an dem Hauptbohrloch-Rohrabschnitt
unterhalb der Anschlußstelle
der untersten Abzweigung vorgesehen. Diese Drossel 32 verhindert
einen Verlust des das Rohr 34 hinunter geführten Stromes,
so daß dieser
verfügbar
ist, um die Module in den Abzweigungen zu speisen.
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Beim
Erreichen einer Abzweigung trifft der an der Oberfläche an das
Rohr angelegte Wechselstrom auf die Drossel 31, die als
eine Impedanz wirkt. Folglich wird ein Spannungspotential an dem
Rohrabschnitt ausgebildet, wo es jede Drossel 31 durchläuft, und
dieses Potential kann verwendet werden, um elektronische Vorrichtungen
zu speisen.
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Im
speziellen speist jedes Modul 40 Sensoren 120,
wie z.B. (für)
Druck, Strömung,
Temperatur, akustisches Spektrum, Zusammensetzung geförderter
Fluide etc., und kommuniziert die Daten von den Sensoren zur Oberfläche. In
gleicher Weise speist das Modul 40 ein durch einen Motor 124 betriebenes Steuerventil 126 unter
Steuerung des Elektronikmoduls 110, das Steuersignale empfängt, die
von dem Oberflächenmodem
innerhalb der Oberflächeneinrichtungen 38 mit
Hilfe der unterirdischen Modems 122 gesendet werden. Solch
ein Ventil kann verwendet werden, um die Fluidströmung in
und aus jede/r Abzweigung 88 zu regeln. Da jede/s/r Modul,
Vorrichtung und Sensor an jeder Abzweigung getrennt von der Oberfläche adressierbar
ist, kann jede/r solche Vorrichtung oder Sensor unabhängig von
der Oberfläche
betrieben oder überwacht
werden. In einer solchen Komplettierung mit mehreren Abzweigungen
ist es notwendig und wünschenswert,
eine Fluidströmung
während
einer Förderung
in jeder Abzweigung unabhängig
zu steuern. Die Kenntnis der Durchflußrate, der Fluidzusammensetzung,
des Druckes, der Temperatur etc. ist nützlich, um die Fördereffizienz
zu optimieren.
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7 veranschaulicht
eine Ausführungsform,
welche die Verfahren der vorliegenden Erfindung in dem Fall verwendet,
in dem es gewünscht
ist, die Energie- und Kommunikationseinrichtungen an der Oberfläche in einem
Abstand von dem Bohrlochkopf anzuordnen. Die an der zentralen Feldeinrichtung 201 angeordneten
Energie- und Kommunikationselemente umfassen ein Sammelrohr 134,
eine Drossel 30, eine Wechselstromquelle 8, den
Modem-Empfänger,
dargestellt durch seine Eingangsimpedanz 12 und den Modem-Sender,
dargestellt durch seinen Wechselstromgenerator 14. Eine
Seite der Energie- und Kommunikationselemente ist geerdet 72,
und die andere Seite ist mit dem Sammelrohr 134 verbunden.
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Noch
immer bezugnehmend auf 7 erstreckt sich das Sammelrohr 134 von
der zentralen Einrichtung 201 zu der Stelle des Bohrlochkopfes 202.
An dem Bohrlochkopf ist das Sammelrohr 134 mit einer Drossel 30 versehen,
und ein elektrisches Kabel 140 leitet den Energie- und
Kommunikations-Wechselstrom durch die Isolier-Durchführung 76 zu
dem Rohr unterhalb der oberen Drossel des Schachtes. Durch dieses
Mittel ist es nicht erforderlich, daß die Energie- und Kommunikations-Wechselströme über den
Abschnitt des Rohres laufen müssen,
wo es in den Schacht hinein verläuft.
In der Praxis für
den Standard-Schachtaufbau ist dieser Abschnitt des Rohres 34 an
der Stelle elektrisch mit der Auskleidung 36 verbunden,
wo es durch den Rohrhänger 54 verläuft, und
in diesem Fall ist die separate elektrische Verbindung 140 erforderlich.
Wenn eine Praxis nicht gemäß dem Standard
akzeptabel ist, kann die Verwendung von elektrisch isolierenden Rohrverbindungen
und Durchführungen
die Notwendigkeit für
einen separaten Leiter 140 und seine zugehörigen Drosseln
eliminieren.
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Bei
einer Tiefe 204 in dem Schacht ist das Förderrohr 34 mit
einer Drossel 32 und einer elektrischen Modulgruppe 110 versehen.
Diese arbeiten, wie in den Bezugnahmen auf die 1 und 2 beschrieben,
wobei die Rückleitung
von den unterirdischen Einrichtungen durch die unterirdische Erdung 72 beeinflußt wird.
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Für den Fachmann
ist klar, daß die
Wirkung der induktiven Drosseln des Anbietens einer Impedanz für einen
Wechselstrom fluß auf
eine Vielzahl von Arten als alternative Ausführungsformen ausgenutzt werden
kann, um Energie und Kommunikation entlang der „Rohrstrukturen" von Schächten bereitzustellen.
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8 zeigt
eine Erdölschacht-Anwendung
in Übereinstimmung
mit einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähnlich der
ersten Ausführungsform (siehe 1),
veranschaulicht aber, daß eine
Vielzahl von Drosseln 31 mit zugehörigen Vorrichtungen 40 an
jeder beliebigen Stelle zwischen den oberen und unteren Drosseln 30, 32 vorhanden
sein kann. Diese Ausführungsform
kann in einer Anwendung nützlich
sein, wo ein leitendes Fluid 82 in dem Ring 58 vorhanden
ist, bevor ein Gasliftschacht geräumt wird. Keine der Drosseln 31, 32 wird
ausreichend arbeiten, um ein Spannungspotential an ihrer jeweiligen
Vorrichtung 40 auszubilden, wenn die Drossel in einem leitenden
Fluid 82 eingetaucht ist. Wenn das leitende Fluid 82 durch
den Räumungsvorgang
fortschreitend entfernt wird, kann jede Vorrichtung 40 Energie
und/oder Kommunikation empfangen (und ist somit steuerbar), wenn
ihre entsprechende Drossel (31 oder 32) nicht
mehr in einem leitenden Fluid eingetaucht ist. Somit werden die
Vorrichtungen 40 nach und nach steuerbar, wenn der Spiegel
des leitenden Fluids während
des Räumens
abfällt,
was dabei helfen kann, ein besser steuerbares Räumungsverfahren zu erzielen.
In der in 8 gezeigten Konfiguration tragen
die durch die Drosseln 31 erzeugten elektrischen Potentiale
seriell dazu bei, die Spannung zu bestimmen, die von den Oberflächeneinrichtungen 38 durch
den Leiter 44 an den Bohrlochkopf angelegt werden muß.
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9 veranschaulicht
schematisch einen Schacht ähnlich
jenem von 8, der mit einer Vielzahl von
unterirdischen elektrischen Steuerungs-, Meß- und Kommunikationsmodulen 40 versehen ist. In
dieser Ausführungsform
wird der Strom für
jede Modulgruppe von der zwischen dem Rohr 34 und der Auskleidung 36 ausgebildeten
Spannung durch die Drosseln 30 und 32 bezogen.
Im Gegensatz zu den Reihenschaltungen der Ausführungsform von 7 sind
in der Ausführungsform
von 9 die elektrischen Verbindungen zu den unterirdischen
Modulen 40 parallelgeschaltet. In dieser Ausführungsform bleibt
daher die Spannung, die von den Oberflächeneinrichtungen 38 durch
den Leiter 44 an den Bohrlochkopf angelegt werden muß, gleich,
unabhängig von
der Anzahl der unterirdischen Module, aber der Strom, der geliefert
werden muß,
ist proportional mit der Anzahl unterirdischer Module. Diese Ausführungsform
wäre betriebsunfähig, solange
leitendes Fluid in dem Ring über
der unteren Drossel 32 vorhanden wäre, sie hat aber den Vorteil,
daß das
elektrische Potential des Bohrlochkopfes niedrig und daher sicher
bleibt, unabhängig
von der Anzahl unterirdischer Module.
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10 zeigt
eine Erdölschacht-Anwendung in Übereinstimmung
mit einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, in der es gewünscht
ist, Energie an unterirdische Meß-, Steuerungs- und Kommunikationsmodule
außerhalb der
Schachtauskleidung bereitzustellen. Siehe auch die 4c und 4d.
In dieser Ausführungsform umfaßt der zum
Leiten des Stromes verwendete Rohraufbau das Rohr 34 und
die Auskleidung 36 zusammen. Die elektrische Rückleitung
umfaßt
die Erdung 72. Infolgedessen müssen das Rohr 34 und
die Auskleidung 36 im wesentlichen elektrisch isoliert von
der Erde 72 sein. Zement 70 zwischen der Auskleidung 36 und
der Erdung 72 kann eine gewisse Isolierung bereitstellen,
abhängig
von der Art des Zementes. Es kann auch ein/e elektrisch nicht-leitende/r
Futter oder Beschichtung zwischen der Auskleidung 36 und
dem Zement 70, zwischen dem Zement 70 und der
Erde 72 oder an beiden Stellen verwendet werden. Im speziellen
werden normale Korro sionsschutz-Beschichtungen an der Außenseite
der Auskleidung normalerweise einen beträchtlichen Grad an elektrischer
Isolierung zwischen der Auskleidung und der Erdung bereitstellen.
Isolatoren 84 werden in der Nähe der Oberfläche verwendet,
um das Rohr 34 und die Auskleidung 36 von der
Erde 72 elektrisch zu isolieren. Das elektromagnetische
Prinzip dieser Ausführungsform
bleibt das gleiche wie in den vorhergehenden Ausführungsformen,
wie unter Bezug auf die 4c und 4d analysiert,
wodurch gezeigt wird, daß die
Wirkung der Drossel 30 von 10 eine
Impedanz für
den Stromfluß sowohl
in dem Rohr 34 als auch in der Auskleidung 36 bietet, und
daher eine Potentialdifferenz zwischen dem Auskleidungsabschnitt
oberhalb der Drossel in bezug auf den Auskleidungsabschnitt unterhalb
der Drossel erzeugt. Es ist wichtig anzumerken, daß das Rohr 34 nicht
als eine Rückstrombahn
für an
der Auskleidung gelieferten Strom verwendet werden kann, da solch ein
Rückstrom
die Drossel verbinden würde,
die betriebsunfähig
werden würde.
Der Erdungs-Rückleitungsweg
verbindet die Drossel nicht und ist daher erforderlich. Somit ist
diese Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung noch ein weiterer Weg, um das Ziel zu
erreichen, elektrische Energie und/oder Kommunikation an eine unterirdische
Vorrichtung 40 mit Hilfe des Rohres 34 und der
Auskleidung 36 als Teil eines elektrischen Weges in einem
Kreis bereitzustellen.