DE60123760T2

DE60123760T2 - Elektrische stromversorgungs-aufnahmepunkte an einer ölbohrlochverrohrung

Info

Publication number: DE60123760T2
Application number: DE60123760T
Authority: DE
Inventors: J. Harold Houston VINEGAR; Rex Robert Katy BURNETT; Mountjoy William Houston SAVAGE; Gordon Frederick Houston CARL; Michele John Houston HIRSCH
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: AU2001247280B2; DE60123760D1; EG22206A; WO2001065069A1; BR0108873B1; NO324854B1; BR0108873A; NO20024135L; OA12226A; NO20024135D0; RU2262598C2; AU4728001A; EP1259710B1; CA2402203C; CA2402203A1; MXPA02008507A; MY134669A; EP1259710A1; RU2002126213A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Erdölschacht mit einer Auskleidung, die als leitender Pfad zur Übertragung von elektrischen Wechselstromenergie- und Kommunikationssignalen von der Oberfläche zu einer Bohrlochausrüstung verwendet wird, welche nahe der Auskleidung angeordnet ist, und insbesondere, bei welcher der Formationsgrund als Rückpfad für den Wechselstromkreis verwendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Kommunikation zwischen zwei Stellen in einem Öl- oder Gasschacht ist unter Verwendung von Kabeln und optischen Faserleitern zur Übertragung von Signalen zwischen den Stellen erzielt worden. In einem Erdölschacht ist es natürlich höchst unerwünscht und in der Praxis schwierig, ein Kabel entlang des Rohrgestänges zu verwenden, das entweder integral mit dem Rohrgestänge vorgesehen ist oder in einem Ringraum zwischen dem Rohrgestänge und der Auskleidung angeordnet ist. Die Verwendung eines Kabels ergibt Schwierigkeiten für den Schachtbetreiber während des Zusammenbauens und Einsetzens des Rohrgestänges in ein Bohrloch. Zusätzlich unterliegt das Kabel der Korrosion und der schweren Abnützung infolge der Bewegung des Rohrgestänges innerhalb des Bohrloches. Ein Beispiel eines Bohrloch-Kommunikationssystems unter Verwendung eines Kabels ist in der PCT/EP97/01621 gezeigt.
Das US-Patent Nr. 4,839,644 beschreibt ein Verfahren und ein System für die drahtlose Zweigwegekommunikation in einem ausgekleideten Bohrloch mit einem Rohrgestänge. Dieses System beschreibt aber ein Kommunikationsschema zum Koppeln elektromagnetischer Energie in einem TEM-Modus unter Verwendung des Ringraumes zwischen der Auskleidung und dem Rohrgestänge. Diese Kopplung erfordert ein im wesentlichen nicht-leitendes Fluid wie Rohöl in dem Ringraum zwischen der Auskleidung und dem Rohrgestänge. Deshalb ist die im US-Patent Nr. 4,839,644 beschriebene Erfindung als ein praktisches Schema für Bohrloch-Zweiwegekommunikation nicht weithin akzeptiert worden.
Ein anderes System für die Bohrlochkommunikation unter Verwendung einer Schlammimpuls-Telemetrie wird in den US-Patenten Nrn. 4,648,471 und 5,887,657 beschrieben. Obzwar die Schlammimpuls-Telemetrie bei niedrigen Datenmengen erfolgreich sein kann, ist sie von begrenztem Nutzen, wenn große Datenmengen erforderlich sind und wenn es unerwünscht ist, eine komplexe Schlammimpuls-Telemetrieausrüstung im Bohrloch vorzusehen. Andere Verfahren zur Kommunikation innerhalb eines Bohrloches sind in den US-Patenten Nrn. 4,468,665; 4,578,675; 4,739,325; 5,130,706; 5,467,083; 5,493,288; 5,576,703; 5,574,374; und 5,883,516 beschrieben.
Die PCT-Anmeldung WO 93/26115 beschreibt im allgemeinen ein Kommunikationssystem für eine Unterwasser-Pipelineinstallation. Es ist wichtig, daß jede Unterwasserausrüstung, wie ein Bohrlochkopf, seine eigene unabhängige Energiequelle hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiequelle ein Batteriepack für Startup-Operationen und ein thermoelektrischer Energiegenerator für die fortgesetzten Operationen. Für Kommunikationen legt die '115 Anmeldung ein elektromagnetisches VLF- oder ELF-Signal an das Rohr, das einen Spannungspegel hat, welcher um einen Gleichstrom-Spannungspegel oszilliert. Die 18 und 19 und der zugeordnete Text auf den Seiten 40-42 beschreiben ein einfaches System und ein Verfahren zum Erzielen von Bohrlochdruck- und Temperaturmessungen. Die Druck- und Temperatursensoren sind jedoch passiv (Bourdon und Bimetallstreifen), wenn die mechanische Verlagerung eines Fühlelementes einen Kreis variiert, um Resonanzfrequenzen zu liefern, die mit der Temperatur und dem Druck in Zusammenhang stehen. Eine Frequenzüberwachung am Bohrlochkopf sucht nach Resonanzspitzen, die den Druck und die Temperatur anzeigen. Die Daten am Bohrlochkopf werden zur Oberfläche durch ein Kabel oder durch das '115 Pipeline-Kommunikationssystem übertragen.
Es wäre deshalb ein signifikanter Vorteil für den Betrieb von Erdölschächten, wenn ein alternatives Mittel zum Kommunizieren und zum Bereitstellen von Energie im Bohrloch vorhanden wäre. Außerdem wäre es ein signifikanter Vorteil, wenn Vorrichtungen, wie Sensoren und steuerbare Ventile, im Bohrloch positioniert werden könnten, die mit der Ausrüstung an der Oberfläche des Bohrloches kommunizieren und von dieser mit Energie versorgt werden.
Die Energiezufuhrvorrichtung, der Erdölschacht und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 13 und 27 sind aus dem US-Patent 5,008,664 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Problem Kommunikation und Energiezufuhr in das Bohrloch eines Erdölschachtes wird durch die vorliegende Erfindung ge mäß den Ansprüchen 1, 13 und 27 gelöst. Durch Koppeln eines Wechselstromes an eine Auskleidung, die in einem Bohrloch des Schachtes angeordnet ist, können Energie- und Kommunikationssignale innerhalb der Auskleidung durch Anwendung einer externen Energietransfervorrichtung und einer internen Energietransfervorrichtung zugeführt werden. Die Energie- und Kommunikationssignale, die innerhalb der Auskleidung zugeführt werden, können dann dazu verwendet werden, verschiedene Bohrlochvorrichtungen zu betätigen und zu steuern.
Die Energiezufuhrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine externe Energietransfervorrichtung, die so konfiguriert ist, daß sie um eine erste Rohrstruktur herum angeordnet werden kann, und eine interne Energietransfervorrichtung, die so konfiguriert ist, daß sie um eine zweite Rohrstruktur herum angeordnet werden kann. Die externe Energietransfervorrichtung empfängt einen ersten Oberflächenstrom aus der ersten Rohrstruktur. Die externe Energietransfervorrichtung ist mit der internen Energietransfervorrichtung magnetisch gekoppelt; deshalb induziert ein erster Oberflächenstrom einen Sekundärstrom in der internen Energietransfervorrichtung.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Energiezufuhrvorrichtung eine ähnliche externe Energietransfervorrichtung und eine interne Energietransfervorrichtung auf, die um eine erste Rohrstruktur bzw. eine zweite Rohrstruktur herum angeordnet ist. Wieder sind die beiden Energietransfervorrichtungen magnetisch gekoppelt. Die interne Energietransfervorrichtung ist so ausgebildet, daß sie einen ersten Bohrlochstrom empfängt, der einen zweiten Bohrlochstrom in der externen Energietransfervorrichtung induziert.
Ein Erdölschacht gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Auskleidung und einen Rohrstrang, der innerhalb eines Bohrloches des Schachtes angeordnet ist, wobei der Rohrstrang innerhalb der Auskleidung positioniert ist und sich in der Längsrichtung erstreckt. Der Erdölschacht weist ferner eine externe Energietransfervorrichtung auf, die um die Auskleidung herum angeordnet und magnetisch mit der internen Energietransfervorrichtung gekoppelt ist, die um das Rohrgestänge herum angeordnet ist.
Ein Verfahren für die Zufuhr von Strom innerhalb einer ersten Rohrstruktur umfaßt den Schritt des Vorsehens einer externen Energietransfervorrichtung und einer internen Energietransfervorrichtung, die mit der externen Energietransfervorrichtung induktiv gekoppelt ist. Die erste Energietransfervorrichtung ist um die erste Rohrstruktur herum angeordnet und mit dieser induktiv gekoppelt, wogegen die interne Energietransfervorrichtung um eine zweite Rohrstruktur positioniert ist. Das Verfahren umfaßt ferner die Schritte des Koppelns eines Hauptoberflächenstromes an die erste Rohrstruktur und des Induzierens eines ersten Oberflächenstromes innerhalb der externen Energietransfervorrichtung. Der erste Oberflächenstrom ergibt den Endschritt des Induzierens eines zweiten Oberflächenstromes innerhalb der internen Energietransfervorrichtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Öl- oder Gasschachtes mit mehrfachen Energieaufnahmepunkten gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Schacht ein Rohrgestänge und eine Auskleidung aufweist, die innerhalb eines Bohrloches angeordnet sind.
2 ist eine detaillierte schematische Ansicht einer externen Energietransfervorrichtung, die um eine externe Oberfläche der Auskleidung nach 1 angeordnet ist.
3 ist eine detaillierte schematische Ansicht einer magnetischen Kopplung zwischen der externen Energietransfervorrichtung nach 2 und einer internen Energietransfervorrichtung, die innerhalb der Auskleidung angeordnet ist.
4 ist eine grafische Darstellung, welche die Ergebnisse einer Designanalyse für eine Transformatorspule mit einer optimalen Anzahl von Sekundärwindungen auf der Ordinate als Funktion der Wechselstrom-Betriebsfrequenz auf der Abszisse zeigt.
5 ist eine grafische Darstellung, welche die Ergebnisse einer Designanalyse für eine torusförmige Transformatorwicklung mit dem Ausgangsstrom auf der Ordinate als Funktion der relativen Permeabilität auf der Abszisse zeigt.
Appendix A ist eine Beschreibung der Designanalyse für eine Solenoid-Transformatorspulenausbildung und eine torusförmige Transformatorspulenausbildung.
Appendix B ist eine Reihe von grafischen Darstellungen, welche die verfügbare Energie als Funktion der Frequenz und der Tiefe (oder Länge) in einem Erdölschacht unter verschiedenen Bedingungen für Fels- und Zementleitfähigkeit zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, kann eine „Rohrstruktur" ein einzelnes Rohr, ein Rohrgestänge, eine Schacht auskleidung, eine Pumpstange, eine Reihe von verbundenen Rohren, Stangen, Schienen, Fachwerke, Gitter, Träger, eine Abzweigung oder seitliche Verlängerung eines Schachtes, ein Netz von miteinander verbundenen Rohren oder andere Strukturen sein, die dem Fachmann bekannt sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wendet die Erfindung im Kontext eines Ölschachtes an, wo die Rohrstruktur rohrförmige metallische, elektrisch leitende Rohre oder Rohrstränge umfaßt, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Für die vorliegende Erfindung braucht zumindest ein Teil der Rohrstruktur elektrisch leitend zu sein, und dieser elektrisch leitende Teil kann die gesamte Rohrstruktur (z.B. Stahlrohre, Kupferrohre) oder ein sich in Längsrichtung erstreckender, elektrisch leitender Teil kombiniert mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden nicht-leitenden Teil sein. Mit anderen Worten ist eine elektrisch leitende Rohrstruktur eine, die einen elektrisch leitenden Pfad von einer Stelle, an der eine Energiequelle elektrisch angeschlossen ist, zu einer anderen Stelle herstellt, wo eine Vorrichtung und/oder eine elektrische Rückleitung elektrisch angeschlossen ist. Die Rohrstruktur wird typischerweise aus konventionellen runden Metallrohren bestehen, doch kann die Querschnittsgeometrie der Rohrstruktur oder irgendeines Teiles derselben variieren, derart, daß sie in der Gestalt (z.B. rund, rechteckig, quadratisch, oval) und der Größe (z.B. Länge, Durchmesser, Wandstärke) entlang irgendeines Teiles der Rohrstruktur variieren kann.
Ein „Ventil" ist eine Vorrichtung, die dazu dient, den Strom eines Fluids zu regeln. Beispiele von Ventilen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf balgenartige Gasliftventile und steuerbare Gasliftventile, von denen jedes verwendet werden kann, um den Strom eines Liftgases in einem Rohrstrang eines Schachtes zu regeln. Die interne Funktionsweise von Ventilen kann stark variieren, und die vorliegende Anmeldung ist nicht auf Ventile beschränkt, die vorstehend beschrieben wurden und irgendeine besondere Konfiguration haben, solange das Ventil als Strömungsregler funktioniert. Einige der verschiedenen Arten von Strömungsregelungsmechanismen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Kugelventilkonfigurationen, Nadelventilkonfigurationen, Gateventilkonfigurationen und Käfigventilkonfigurationen. Die Verfahren der Installierung der erörterten Ventile können in der vorliegenden Anmeldung stark variieren. Ventile können unterirdisch in einem Schacht auf viele verschiedene Weisen montiert werden, von denen einige Befestigungskonfigurationen für Rohre, Seitentaschen-Dornkonfigurationen oder permanente Befestigungskonfigurationen umfassen, wie das Befestigen des Ventils in einem vergrößerten Rohrabschnitt.
Der Ausdruck „Modem" wird hier allgemein dafür verwendet, irgendeine Kommunikationsvorrichtung zu bezeichnen, die elektrische Kommunikationssignale über einen elektrischen Leiter (z.B. Metall) überträgt und/oder empfängt. Somit ist der Ausdruck nicht als Akronym für einen Wandler (Vorrichtung, die ein Sprach- oder Datensignal in eine Form umwandelt, die übertragen werden kann)/Demodulator (eine Vorrichtung die ein originales Signal wiederherstellt, nachdem es auf einen Hochfrequenzträger moduliert worden ist) zu verstehen. Auch ist der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet wird, nicht beschränkt auf konventionelle Computermodems, die digitale Signale in analoge Signale umwandeln und umgekehrt (z.B. um digitale Datensignale über das analoge öffentliche Telefonnetz zu senden). Wenn beispielsweise ein Sensor Messungen in einem analogen Format ausgibt, können solche Messungen nur umgewandelt (z.B. in einer Bandspreizmodulation) und übertragen werden – somit ist keine analog-zu-digital-Umwandlung notwendig. Als ein anderes Beispiel kann angegeben werden, daß ein Relais-/Sklavenmodem oder eine Kommunikationsvorrichtung nur ein Sig nal, das empfangen worden ist, identifizieren, filtern, verstärken und/oder rückübertragen kann.
Der Ausdruck „Sensor" wird verwendet, um eine Vorrichtung zu bezeichnen, die den Absolutwert oder eine Änderung einer physikalischen Größe feststellt, bestimmt, überwacht, aufzeichnet oder auf andere Weise abfühlt. Sensoren, wie sie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind, können verwendet werden, um die Temperatur und den Druck (sowohl absolut als auch differentiell), den Strömungsdurchsatz, seismische Daten, akustische Daten, pH-Weret, Salzgehalte, Ventilpositionen oder nahezu jede andere physikalische Größe zu messen.
Wie in der vorliegenden Anmeldung verwendet, bedeutet „drahtlos" das Nichtvorhandensein eines konventionellen isolierten Drahtleiters, der sich z.B. von der Oberfläche zu einer Bohrlochvorrichtung erstreckt. Die Verwendung von Rohren und/oder Auskleidung als Leiter wird als „drahtlos" angesehen.
Der Ausdruck „elektronische Module" bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung auf eine Steuervorrichtung. Elektronische Module können in vielen Konfigurationen existieren und im Bohrloch auf viele verschiedene Weisen montiert werden. Bei einer Befestigungskonfiguration wird der elektronische Modul tatsächlich innerhalb eines Ventils vorgesehen und ermöglicht die Steuerung des Betriebes eines Motors innerhalb des Ventils. Elektronische Module können auch außerhalb irgendeines besonderen Ventils montiert sein. Einige elektronische Module werden in Seitentaschendornen oder vergrößerten Taschen von Rohren montiert, während andere an dem Rohrstrang permanent montiert sein können. Elektronische Module sind häufig mit Sensoren elektrisch verbunden und unterstützen das Übertragen von Sensorinformation zur Oberfläche des Schachtes. Es ist möglich, daß die Sensoren mit einem besonderen elektronischen Modul zugeordnet sind und sogar innerhalb des elektronischen Moduls abgepackt sein können. Schließlich ist der elektronische Modul häufig eng assoziiert mit einem Modem, oder kann tatsächlich ein Modem zum Empfangen, Senden und Übertragen von Kommunikationen zu und von der Oberfläche des Schachtes enthalten. Signale, die von der Oberfläche durch den elektronischen Modul empfangen werden, werden häufig dazu verwendet, Änderungen innerhalb von bohrlochgesteuerten Vorrichtungen, wie Ventilen, zu bewirken. Signale, die zur Oberfläche gesandt oder von dieser durch elektronische Module empfangen werden, enthalten im allgemeinen Information über die physikalischen Bedingungen im Bohrloch, die von den Sensoren geliefert werden.
Gemäß der konventionellen Terminologie der Ölfeldpraxis werden die Ausdrücke „obere", „untere", „lochaufwärts", „lochabwärts", wie sie hier verwendet werden, als relativ verstanden und beziehen sich auf den Abstand entlang der Lochtiefe von der Oberfläche, der in abgelenkten oder horizontalen Schächten mit dem Vertikalabstand zusammenfallen kann oder nicht, welcher bezüglich eines Überwachungspunktes gemessen wird.
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen hat ein Erdölschacht 10 eine Vielzahl von Energieaufnahmepunkten 12. Der Erdölschacht 10 umfaßt ein Bohrloch 14, das sich von einer Oberfläche 16 in eine Produktionszone 18 erstreckt, die sich lochabwärts befindet. Eine Auskleidung oder erste Rohrstruktur 24 ist in dem Bohrloch 14 angeordnet und ist üblicherweise vom konventionellen Typ, der in der Öl- und Gasindustrie angewendet wird. Die Auskleidung 24 wird typischerweise in Abschnitten installiert und in dem Bohrloch 14 während des Vervollständigens des Schachtes mit Zement 20 festgelegt. Ein Rohrstrang oder eine zweite Rohrstruktur 26 bzw. ein Förderrohr ist im allgemeinen konventionell und umfaßt eine Vielzahl von langgestreckten Rohrabschnitten, die durch Gewindekupplungen an jedem Ende des Rohrabschnittes miteinander verbunden sind. Der Rohrstrang 26 wird innerhalb des Bohrloches 14 durch einen Rohrhänger 28 aufgehängt, derart, daß der Rohrstrang 26 innerhalb der Auskleidung 24 konzentrisch angeordnet ist. Ein Ringraum 30 wird zwischen dem Rohrstrang 26 und der Auskleidung 24 geformt. Öl oder Gas, das durch den Erdölschacht 10 gefördert wird, wird typischerweise durch den Rohrstrang 26 an die Oberfläche 16 geliefert.
Der Rohrstrang 26 stützt eine Anzahl von Bohrlochvorrichtungen 40 ab, von denen jede drahtlose Kommunikationsvorrichtungen umfassen kann, wie Modems oder Breitbandempfänger, Sensoren, welche Bohrlochbedingungen, wie den Druck oder die Temperatur messen, und/oder Steuervorrichtungen, wie motorisierte Ventile. Die Bohrlochvorrichtungen 40 haben viele verschiedene Funktionen und Anwendungen, von denen einige in den Anmeldungen beschrieben sind, die durch Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen werden. Das Gesamtziel der Bohrlochvorrichtungen 40 ist, die effiziente Förderung des Schachtes zu erhöhen und aufrechtzuerhalten. Diese Funktion wird durch Vorsehen von Sensoren erfüllt, welche die physikalischen Bedingungen im Bohrloch erfassen und den Status dieser Bedingungen zur Oberfläche des Schachtes berichten können. Steuerbare Ventile, die im Bohrloch angeordnet sind, werden dazu verwendet, Änderungen in der Schachtförderung zu bewirken. Durch Überwachen der physikalischen Bedingungen im Bohrloch und durch Vergleich der Daten mit theoretischen und empirisch erhaltenen Bohrschachtmodellen kann ein Computer an der Oberfläche 16 die Einstellungen der steuerbaren Ventile ändern und dadurch die Gesamtproduktion des Schachtes einstellen.
Energie- und Kommunikationssignale werden den Bohrlochvorrichtungen 40 an Aufnahmepunkten 12 zugeführt. Jeder Aufnahmepunkt 12 umfaßt eine externe Energietransfervorrichtung 42, die konzentrisch um eine Außenfläche der Auskleidung 24 positioniert ist, und eine interne Energietransfervorrichtung 44, die konzentrisch um den Rohrstrang 26 positioniert ist. Die externe Energietransfervorrichtung 42 wird zur gleichen Zeit installiert, wie die Auskleidung 24 in dem Bohrloch 14 installiert wird und bevor das Vervollständigen durch Zement 20 stattfindet. Während des Vervollständigens des Schachtes wird Zement 20 in den Raum zwischen dem Bohrloch 14 und der Auskleidung 24 gepumpt und dient weiter dazu, die externe Energietransfervorrichtung 42 relativ zur Auskleidung 24 festzulegen. Die interne Energietransfervorrichtung 44 wird um den Rohrstrang 26 positioniert, derart, daß die interne Energietransfervorrichtung 44 axial mit der externen Energietransfervorrichtung 42 ausgerichtet ist.
Eine Niederspannungs-/Hochstrom-Wechselstromquelle 60 ist mit der Schachtauskleidung 24 und einem Formationsgrund 61 gekoppelt. Strom, der durch die Quelle 60 zugeführt wird, wandert durch die Auskleidung und dissipiert fortschreitend durch den Zement 20 in den Formationsgrund 61, weil Zement 20 einen Widerstandsstrompfad zwischen der Auskleidung 24 und dem Formationsgrund 61 bildet, d.h. Zement beschränkt den Stromfluß, ist aber kein idealer elektrischer Isolator. Somit wird der Auskleidungsstrom an irgendeinem spezifischen Punkt im Schacht die Differenz zwischen dem durch die Quelle 60 zugeführten Strom und dem Strom sein, der durch den Zement 20 in den Formationsgrund 21 zwischen der Oberfläche 16 und einem spezifischen Punkt im Schacht leckt.
Unter Bezugnahme auf 2 der Zeichnungen ist die externe Energietransfervorrichtung 42 detaillierter dargestellt. Jede externe Energietransfervorrichtung 42 besteht aus einer torusförmigen Transformatorspule 62, die auf einem hochmagnetischen Kern gewickelt ist, und einer primären Solenoid-Transformatorspule 64. Die Windungen der torusförmigen Transformatorspule 62 ist mit der Windung der primären Solenoid-Transformatorspule 64 elektrisch verbunden, derart, daß der Strom in den Windungen der torusförmigen Transformatorspule 62 durch die Windungen der primären Solenoid-Transformatorspule 64 fließt. Ein Abschnitt 65 der Auskleidung 24 erstreckt sich durch die externe Energietransfervorrichtung 42 und besteht aus einem nicht-magnetischen Material, wie rostfreiem Stahl.
Im Betrieb wird der Auskleidung 24 ein Hauptoberflächenstrom zugeführt. Normalerweise wird der Hauptoberflächenstrom durch die Quelle 60 zugeführt, es ist aber möglich, daß ein Kommunikationssignal, das an der Oberfläche oder an einer der Bohrlochvorrichtungen 40 entsteht, entlang der Auskleidung 24 übertragen wird. Der Hauptoberflächenstrom hat ein zugeordnetes Magnetfeld, welches einen ersten Oberflächenstrom in den Windungen der torusförmigen Transformatorspule 62 induziert. Der erste Oberflächenstrom, der in der torusförmigen Transformatorspule 62 induziert wird, wird dann durch die Windungen der primären Solenoid-Transformatorspule 64 gesandt, um ein solenoides Magnetfeld innerhalb der Auskleidung 24 zu erzeugen. Eine zweite Solenoid-Transformatorspule 66 kann in dieses Magnetfeld eingesetzt sein, wie dies 3 zeigt. Das Solenoid-Magnetfeld innerhalb der Auskleidung 24 induziert einen zweiten Oberflächenstrom in den Windungen der sekundären Solenoid-Transformatorspule 66 (siehe 3). Dieser induzierte Oberflächenstrom kann verwendet werden, um den Bohrlochvorrichtungen innerhalb der Schachtbohrung Energie und Kommunikation zur Verfügung zu stellen (z.B. den Sensoren, Ventilen und elektronischen Modulen).
Unter Bezugnahme auf 3 der Zeichnungen sind in dieser die interne Energietransfervorrichtung 44 und die externe Energie transfervorrichtung 42 detaillierter dargestellt. Die interne Energietransfervorrichtung 44 umfaßt die sekundäre Solenoid-Transformatorspule 66, die auf einen Kern 68 hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist. Die interne Energietransfervorrichtung 44 ist derart angeordnet, daß die sekundäre Solenoid-Transformatorspule 66 in das von der primären Solenoid-Transformatorspule 64 um die Auskleidung 24 herum erzeugte Solenoid-Magnetfeld eingetaucht ist. Die Gesamtanordnung der torusförmigen Transformatorspule 62, der primären Solenoid-Transformatorspule 64 und der sekundären Solenoid-Transformatorspule 66 bildet ein Mittel zur Übertragung von Energie, die auf der Auskleidung 24 zu einem Anwendungspunkt innerhalb der Auskleidung 24 strömt. Dieser Energietransfer ist merkbar unsensitiv auf das Vorhandensein von leitenden Fluiden, wie Bohrklein innerhalb des Ringraumes 30 zwischen der Auskleidung 24 und dem Rohrstrang 26.
Energie und Kommunikation, die an den Aufnahmepunkten 12 zugeführt wird, werden zu einer oder mehreren Bohrlochvorrichtungen 40 geleitet. In 3 wird Energie zu einem Elektronikmodul 70 geleitet, der elektrisch mit einer Vielzahl von Sensoren 72 und einem steuerbaren Ventil 74 gekoppelt ist. Der elektronische Modul 70 verteilt Energie- und Kommunikationssignale auf die Sensoren 72 und das steuerbare Ventil 74 je nach dem Erfordernis, um Sensorinformation abzufühlen und das Steuerventil mit Energie zu versorgen und zu steuern.
Es versteht sich, daß die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zwar für die Übertragung von Energie aus der Auskleidung auf den internen Modul als primäres Ziel verwendet wurde, daß aber das gesamte System reversibel ist, derart, daß Energie und Kommunikation auch von der internen Energietransfervorrichtung auf die Auskleidung übertragen werden können. In einem solchen System wird das Kommunikationssignal, wie die Sen sorinformation, von dem Elektronikmodul 70 zur sekundären Solenoid-Transformatorspule 66 geleitet. Das Signal wird der Transformatorspule 66 als erster Bohrlochstrom zur Verfügung gestellt. Der erste Bohrlochstrom hat ein zugeordnetes Solenoid-Magnetfeld, welches einen zweiten Bohrlochstrom in den Wicklungen der primären Solenoid-Transformatorspule 64 induziert. Der zweite Bohrlochstrom strömt in die Wicklungen der torusförmigen Transformatorspule 62, was einen Hauptbohrlochstrom in der Auskleidung 24 erzeugt. Der Hauptauskleidungsstrom kommuniziert dann das originale Signal aus dem Elektronikmodul 70 zu einer anderen Bohrlochvorrichtung 40 oder zu einer Ausrüstung an der Oberfläche 16 des Bohrloches. Verschiedene Formen der Implementation sind möglich, d.h. der Elektronikmodul kann eine Energiespeichervorrichtung, wie eine Batterie oder eine Kapazität, aufweisen. Die Batterie oder Kapazität wird während des Normalbetriebes aufgeladen. Wenn es erwünscht ist, von dem Modul 70 zu kommunizieren, liefert die Batterie oder Kapazität Energie.
Es sei bemerkt, daß die Verwendung der Ausdrücke „primär" und „sekundär" in Verbindung mit den Solenoid-Tranformatorspulen 64, 66 nur konventionelle Bezeichnungen sind, und sie sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie die Richtung des Energietransfers zwischen den Solenoid-Transformatorspulen 64, 66 beschränken.
Eine Anzahl von praktischen Erwägungen muß bei der Ausbildung der torusförmigen Transformatorspule 62 und der primären Solenoid-Transformatorspule 64 berücksichtigt werden. Um gegen mechanischen Schaden während der Installation und gegen Korrosion im Betrieb geschützt zu sein, sind die Spulen in glasfaserverstärkte Epoxy-Hüllen oder äquivalente nicht-leitende Materialien eingekapselt, und die Spulenwindungen sind mit Expoxy oder einem ähnlichen Material gefüllt, um Hohlräume innerhalb der Windungsanordnung zu vermeiden. Zur Kompatibilität zu bestehenden Bohrloch- und Auskleidungs-Durchmesserkombinationen muß der Außendurchmesser der vervollständigen Spulenanordnung (d.h. die Außenenergie-Transfervorrichtung 42) größer als der Durchmesser der Auskleidungskrägen sein. Zur Erleichterung der Herstellung und zur Verringerung der Kosten kann es erwünscht sein, die torusförmige Transformatorspule 62 aus einer Reihe von Tori zusammenzusetzen, die auf die Auskleidung gestapelt werden und deren Ausgänge gekoppelt sind, um einen Gesamtenergietransfer zu erzeugen. Typischerweise wird die Gesamtlänge des Torus in der Größenordnung von zwei Metern sein, was relativ groß im Vergleich zur Standard-Herstellungspraxis von torusförmigen Transformatoren ist, und aus diesem, wenn nicht aus einem anderen Grund ist es erwünscht, die Gesamtanordnung in Untereinheiten zu unterteilen, wie dies erwünscht wäre.
Die Designanalyse für die torusförmige Transformatorspule 62 und die primäre Solenoid-Transformatorspule 64 wird aus Standardpraxis der Transformatorausbildung erhalten, wobei Rücksicht auf neue Geometrien der vorliegenden Erfindung genommen wird. Die Auskleidung wird als Einzelwindungsstrom führende Primärspule für die Analyse der torusförmigen Transformatorausbildung angesehen. Der Appendix A liefert die mathematische Behandlung der Designanalyse. 4 illustriert die Ergebnisse einer solchen Designanalyse, wobei in diesem Fall gezeigt ist, wie eine optimale Anzahl von Windungen auf der torusförmigen Transformatorspule 62 von der Frequenz der Wechselstromenergie, die der Auskleidung 24 zugeführt wird, abhängt.
5 illustriert die Ergebnisse einer Analyse, die zeigt, wie die relative Permeabilität des torusförmigen Kernmaterials den Strom beeinflußt, der in einer 10-ohmigen Last für drei repräsentative Energiefrequenzen verfügbar ist, nämlich 50 Hz, 60 Hz und 400 Hz. Diese Ergebnisse zeigen die günstige Wahl von hochpermeablen Materialien für den torusförmigen Transformatorkern. Permalloy, Supermalloy und Supermalloy-14 sind spezifische Beispiele für Kandidatenmaterialien, aber im allgemeinen besteht das Erfordernis in einem Material, das geringe Oersted-Zahlen und ein hochgesättigtes Magnetfeld aufweist. Die Ergebnisse zeigen auch den Vorteil der Wahl der Frequenz und der Anzahl der Windungen der Torus-Wicklung, um der Lastimpedanz zu entsprechen.
Die Designanalyse für die elektrische Leitung entlang der Auskleidung erfordert Kenntnis der Rate, mit welcher Energie aus der Auskleidung in die Formation verlorengeht. Ein semianalytisches Modell kann konstruiert werden, um die Wanderung des elektrischen Stromes entlang eines derart ausgekleideten Schachtes vorherzusagen. Die Lösung kann als integral geschrieben werden, welche numerisch evaluiert werden muß. Die durch das Modell erzeugten Resultate wurden mit veröffentlichten Daten verglichen und zeigten eine ausgezeichnete Übereinstimmung.
Das betrachtete Problem besteht aus einem Schacht, der von einem homogenen Fels mit einem dazwischenliegenden Zement umgeben ist. Eine konstante Spannung wird an die Außenwand der Auskleidung angelegt. Unter Bezugnahme auf die vorliegende Erfindung wird angenommen, daß der Schacht unendliche Länge hat; jedoch kann ein Schacht endlicher Länge ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die durch Analysieren beider Modelle erzielten Resultate zeigen, daß die Endwirkungen für die betrachteten Fälle insignifikant sind.
Die beiden Hauptziele der Analyse für die elektrische Leitung entlang der Auskleidung sind:

• Berechnung des Stromes, der entlang des Schachtes übertragen wird;
• Bestimmung der maximalen Tiefe, bei welcher signifikanter Strom beobachtet wird;
• Studium des Einflusses der Kontrollparameter, speziell der Leitfähigkeit des Felsens und der Frequenz.

Um das Problem zu vereinfachen, wurde angenommen, daß die Dicke der Auskleidung größer als die Hauttiefe ist, die für alle in Betracht gezogenen Fälle gilt. Als Ergebnis kann der Schacht als solider Fels modelliert werden. Jedes Material (Rohr, Zement und Fels) ist charakterisiert durch einen Satz von elektromagnetischen Konstanten: Leitfähigkeit σ, magnetische Permeabilität μ und dielektrische Konstante ϵ. Die Metalleigenschaften sind gut bekannt; jedoch sind die Eigenschaften des Felsens sowie des Zementes variabel und können signifikant von der Trockenheit, der Wasser- und Ölsättigung abhängen. Deshalb wurde eine Anzahl von verschiedenen Fällen in Betracht gezogen.
Die Hauptparameter zur Steuerung des Stromverlaufes entlang der Auskleidung des Schachtes ist die Felsleitfähigkeit. Üblicherweise variiert sie von 0,001 bis 0,1 mho/m. In dieser Studie wurden drei Fälle in Betracht gezogen: σ_Fel _s = 0,01, 0,05, 0,1 mho/m. Um den Einfluß der Zementleitfähigkeit relativ zur Felsleitfähigkeit zu studieren, wurden zwei Fälle analysiert: σ_Zement = σ_Fels und σ_Zement = σ_Fels/16 (Zementwiderstand). Zusätzlich wurde angenommen, daß das Rohr entweder aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Widerstand von etwa 18 × 10^–8 Ohmm und einer relativen magnetischen Permeabilität zwischen 100 und 200 besteht, oder aus rostfreiem Stahl mit einem Widerstand von etwa 99 × 10^–8 Ohmm und einer relativen magnetischen Permeabilität von 1. Eine Reihe von Grafiken zeigt die Energie, die als Funktion der Frequenz und der Tiefe (oder Länge) eines Erdöl schachtes unter verschiedenen Bedingungen für Fels- und Zementleitfähigkeit verfügbar war, wie dies im Appendix B illustriert ist.
Die Modellergebnisse können wie folgt zusammengefaßt werden:

• Es wurde gezeigt, daß ein signifikanter Strom (Minimumwert von 1A entsprechend 100 V angelegt) bei Tiefen bis zu 3000 m beobachtet werden konnte.
• Wenn der Fels nicht sehr leitend war (σ_Fels = 0,01 oder weniger), konnte ein weiter Bereich von Frequenzen (bis zu 60 Hz oder sogar mehr) verwendet werden. Dies konnte in einem ölhaltigen Reservoir der Fall sein.
• Für einen weniger leitenden Fels sollten die Frequenzen kleiner als 12 Hz sein.
• Im allgemeinen ist rostfreier Stahl das bevorzugte Material für die Auskleidung; Kohlenstoffstähle hatten den Vorteil nur bei sehr niedrigen Frequenzen (weniger als 8 Hz).
• Das Vorhandensein des widerstandsfähigen Zementes zwischen der Auskleidung und dem Fels hilft den Situationen, in denen die Felsleitfähigkeit sehr hoch ist.

Selbst wenn viele der hier diskutierten Beispiele Anwendungen der vorliegenden Erfindung in Erdölschächten sind, kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Arten von Schächten angewendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Wasserschächte und Erdgasschächte.
Der Fachmann erkennt, daß die vorliegende Erfindung in vielen Gebieten angewendet werden kann, wo das Erfordernis besteht, ein Kommunikations- oder Energiesystem innerhalb eines Bohrloches, eines Schachtes oder irgendeines anderen Bereiches, der schwer zugänglich ist, bereitzustellen. Der Fachmann erkennt auch, daß die vorliegende Erfindung auf vielen Gebieten angewendet werden könnte, wo bereits eine existierende leitende Rohrstruktur und das Erfordernis, Energie und Kommunikation zu einer Stelle der Rohrstruktur zu leiten, vorhanden ist. Ein wassersprinklersystem oder -netz in einem Gebäude zur Feuerbekämpfung ist ein Beispiel einer Rohrstruktur, die bereits existiert und die den gleichen oder einen ähnlichen Pfad haben kann wie die erwünschte Energie- und Kommunikationsleitung. In einem solchen Fall kann eine andere Rohrstruktur oder ein anderer Teil derselben Rohrstruktur als elektrischer Rückpfad verwendet werden. Die Stahlstruktur eines Gebäudes kann auch als Rohrstruktur und/oder elektrischer Rückpfad für die Übertragung von Energie und Kommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Stahlbewehrung in einem Betondamm oder in einer Straße kann als Rohrstruktur und/oder als elektrischer Rückpfad zum Übertragen von Energie und Kommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Übertragungsleitungen und das Rohrnetzwerk zwischen Schächten und über weite Landstriche können als eine Rohrstruktur und/oder als elektrischer Rückpfad zum Übertragen von Energie und Kommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Oberflächenraffinerie-Förderrohrnetzwerke können als Rohrstruktur und/oder elektrischer Rückpfad zum Übertragen von Energie und Kommunikation gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es gibt somit zahlreiche Anwendungen der vorliegenden Erfindung in vielen verschiedenen Gebieten und Anwendungsbereichen.
APPENDIX A
Solenoidtransformatorausführung
Die in der folgenden Ausführung geschaffene Bauart berechnet den Eingangsstrom und die Spannung für eine erforderliche Ausgangsspannung und eine Last oder den Eingangsstrom und die Ausgangsspannung für eine feste Eingangsspannung und eine Last. Diese Berechnungen beruhen auf den folgenden Eingangsparametern:
Dimensionen:
Länge des Innenkerns l_inkr, minimaler Durchmesser des Innenkerns D_min,inkr, maximaler Durchmesser des Innenkerns D_max,inkr, Spaltenbreite zwischen dem Innen- und dem Außenkern W_Spalt, maximaler Durchmesser des Außenkerns D_max,auskr, Länge der Spule l_Spule, maximaler Durchmesser der Außenspule D_max,Spule, Anzahl der primären Windungen N_prim und Anzahl der sekundären Windungen N_sek
Materialkonstanten:
Füllfaktor für die Kupferdrähte, K_u, spezifischer Widerstand des magnetischen Kupferdrahtes ρ_ku, relative Permeabilität der Innen- und Außenkerne μ_r,inkr und μ_r,auskr, spezifische Kernverluste in Form von:
Betriebsbedingungen:
Temperatur T, Frequenz f, Lastwiderstand R_Last und die erforderliche Eingangs- oder Ausgangsspannung V_ein oder V_aus Die Reluktanz (magnetischer Widerstand) des Kern ist gegeben durch:
wobei l_Kern die Länge und A_Kern die Querschnittsfläche ist.
Für die primäre Spule ist die magnetische Reluktanz die Summe aus der Reluktanz des Außenkerns und der kombinierten Reluktanz der Kriechstrecke und der Strecke einschließlich des Spaltes und des Innenkernes. Die gesamte Reluktanz des primären (oder äußeren) Kerns ist damit gegeben durch:
wobei R_m,Spalt verdoppelt ist, da der Spalt zweimal durchsetzt wird.
Auf die gleiche Weise ist die Reluktanz der zweiten Spule gegeben durch:
Die Querschnittsfläche des Außenkerns ist gegeben durch:
Und die Länge des Außenkerns ist
Die Querschnittfläche des Innenkerns ist gegeben durch:
und die Länge des Innenkerns ist
Die Querschnittfläche des Spaltes ist gegeben durch:
Die Querschnittfläche für die Berechnung des Kriechwiderstandes ist gegeben durch:
und die Länge des Kriechspaltes ist
D_Mw,prim und d_Mw,sek sind gegeben durch
Die Induktivität der zwei Spulen ist in Haupt- und Kriechkomponenten aufgeteilt: L = LH + Lkriech
Die Hauptkomponente wird durch den m-Index angezeigt. Die Komponenten werden damit abgeleitet aus:
Die Gegeninduktivität der zwei Spulen ist gegeben durch:
und der Koppelungsfaktor ist definiert durch die Beziehung
und kann geschrieben werden als
Die ohmschen Kernverluste dieser Konfiguration sind im Vergleich zu den induktiven Kernverlusten sehr klein und werden vernachlässigt:
Die Kernverluste sind gegeben durch PKern = Pspez.inkrVOLinkr + Pspez,auskrVOLauskr wobei die spezifischen Kernverluste hergeleitet werden aus: Pspez = afαBβ
Da Permalloy in dieser Bauart für beide Kerne verwendet wird, gilt die vorstehende Gleichung für beide Kerne.
Die Materialkonstante für Permalloy sind:
a = 2.4
α = 1.79
β = 2.01
μ_r = 35,000
B ist gegeben durch:
Die Kernverluste sind in den Teilen der Kerne schwer zu berechnen, bei welchen die Innen- und Außenkerne nahe gelegen sind, da keine gleichmäßige Flussdichte in diesen vorhanden ist. Um diese Verluste zu berechnen, wird die gleiche Flussdichte wie in den mittleren Teilen der Kerne angenommen. Das wirksame Volumen dieser Teile, bei welchen Kernverluste auftreten, wird damit durch das Erfordernis bestimmt, dass der Gesamtfluß durch diese Teile mit dem Gesamtfluß durch die mittleren Teile identisch ist. Das wirksame Gesamtvolumen der zwei Kerne für die Berechnung der Kernverluste ist gegeben durch:
Die Werte für den Kernwiderstand verbrauchen annähernd gleich viel Leistung, somit sind die Werte gegeben durch:
Der Transformator kann als Übertragungsfunktion geschrieben und in einer Matrixdarstellung angegeben werden:
wobei:
Die Kombination der Ergebnisse der Ringkern- und Solenoidtransformatoren ergibt die Gesamtsystem-Übertragungsfunktion:
wobei die S- und T-Matrizen den vorstehenden Definitionen entsprechen.

Claims

Energiezufuhrvorrichtung, umfassend: eine externe Energietransfervorrichtung (42), die so ausgebildet ist, daß sie um eine erste Rohrstruktur (24) herum angeordnet werden kann, wobei die externe Energietransfervorrichtung so ausgebildet ist, daß sie einen ersten Wechselstrom von der ersten Rohrstruktur (24) empfängt; eine interne Energietransfervorrichtung (44), die so ausgebildet ist, daß sie innerhalb der ersten Rohrstruktur (24) in der Nähe der externen Energietransfervorrichtung (42) angeordnet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Energietransfervorrichtung (44) betätigbar ist, um einen zweiten Strom zu erzeugen, der induziert wird, wenn der erste Wechselstrom der externen Energietransfervorrichtung (42) zugeleitet wird.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der erste Strom, der von der externen Energietransfervorrichtung (42) empfangen wird, durch einen Hauptstrom induziert wird, der in der ersten Rohrstruktur (24) strömt.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1 mit einer zweiten Rohrstruktur (26), die so ausgebildet ist, daß sie innerhalb der ersten Rohrstruktur (24) angeordnet werden kann und eine interne Energietransfervorrichtung (44) aufweist, derart, daß die interne Energietransfervorrichtung (44) axial mit der externen Energietransfervorrichtung (42) ausgerichtet ist.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher ein Abschnitt der ersten Rohrstruktur in der Nähe der externen Energietransfervorrichtung (42) aus nicht-magnetischem Material besteht.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die externe Energietransfervorrichtung (42) eine torusförmige Transformatorspule (62) aufweist, die mit einer ersten Solenoid-Transformatorspule (64) elektrisch verbunden ist.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher: die externe Energietransfervorrichtung (42) eine torusförmige Transformatorspule (62) umfaßt, die mit der ersten Solenoid-Transformatorspule (64) elektrisch verbunden ist; und der erste Strom in der torusförmigen Transformatorspule (64) durch ein Hauptwechselstromsignal induziert wird, das an die erste Rohrstruktur angelegt wird.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die interne Energietransfervorrichtung (44) eine sekundäre Solenoid-Transformatorspule (66) aufweist.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher: die externe Energietransfervorrichtung (42) eine torusförmige Transformatorspule (64) aufweist, die elektrisch mit einer primären Solenoid-Transformatorspule (64) verbunden ist; die interne Energietransfervorrichtung (44) eine sekundäre Solenoid-Transformatorspule (66) aufweist; ein erstes Wechselstromsignal in der torusförmigen Transformatorspule (64) durch ein Hauptwechselstromsignal induziert wird, das in der ersten Rohrstruktur (24) strömt; und das zweite Wechselstromsignal in der sekundären Transformatorspule (66) durch das erste Wechselstromsignal induziert wird, das durch die primäre Solenoid-Transformatorspule (64) strömt.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste Rohrstruktur (24) eine Auskleidung (24) ist, die in einem Bohrloch eines Erdölschachtes angeordnet ist.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die zweite Rohrstruktur (26) ein Rohrgestänge (26) ist, das innerhalb eines Bohrloches eines Erdölschachtes angeordnet ist.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher: die erste Rohrstruktur eine erste Auskleidung (24) ist, die innerhalb eines Bohrloches eines Erdölschachtes (10) angeordnet ist; die interne Energietransfervorrichtung (44) mit einem Rohrgestänge (26) gekoppelt ist, das innerhalb der Auskleidung (24) angeordnet ist; und das in der internen Energietransfervorrichtung (44) induzierte zweite Wechselstromsignal dazu verwendet wird, einer Bohrlochvorrichtung Energie zu liefern.
Energiezufuhrvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Bohrlochvorrichtung (40) ein Sensor zum Feststellen einer physikalischen Charakteristik ist.
Erdölschacht (10) mit einem Bohrloch, umfassend: eine Auskleidung (24), die innerhalb des Bohrloches angeordnet ist und sich in dessen Längsrichtung erstreckt; ein Rohrgestänge (26), das innerhalb der Auskleidung (24) angeordnet ist und sich in deren Längsrichtung erstreckt. eine externe Energietransfervorrichtung (42), die um die Auskleidung (24) herum angeordnet ist; und eine interne Energietransfervorrichtung (44), die um das Rohrgestänge (26) herum angeordnet und in der Nähe und axial ausgerichtet mit der externen Energietransfervorrichtung (42) positionierbar ist, derart, daß die interne Energietransfervorrichtung (44) mit der externen Energietransfervorrichtung (42) magnetisch gekoppelt wird, wobei ein Wechselstrom an die externe Energietransfervorrichtung (42) angelegt wird; dadurch gekennzeichnet, daß die externe Energietransfervorrichtung (42) eine torusförmige Transformatorspule (62) aufweist, die mit einer primären Solenoid-Transformatorspule (64) elektrisch verbunden ist.
Erdölschacht nach Anspruch 13, bei welchem ein erstes Wechselstromsignal innerhalb der externen Energietransfervorrichtung (42) strömt und ein zweites Wechselstromsignal innerhalb der internen Energietransfervorrichtung (44) induziert.
Erdölschacht nach Anspruch 13, bei welchem ein erster Bohrlochstrom innerhalb der internen Energietransfervorrichtung (44) strömt und einen zweiten Bohrlochstrom innerhalb der externen Energietransfervorrichtung (42) induziert.
Erdölschacht nach Anspruch 13, bei welchem die interne Energietransfervorrichtung (44) eine sekundäre Solenoid-Transformatorspule (66) aufweist.
Erdölschacht nach Anspruch 13, bei welchem: die externe Energietransfervorrichtung (42) eine torusförmige Transformatorspule (62) aufweist, die mit einer primären Solenoid-Transformatorspule (64) elektrisch verbunden ist; die interne Energietransfervorrichtung (44) eine sekundäre Solenoid-Transformatorspule (66) umfaßt; ein Hauptwechselstromsignal innerhalb der Auskleidung (24) strömt und ein erstes Wechselstromsignal in der torusförmigen Transformatorspule (62) induziert, wobei das erste Wechselstromsignal aus der torusförmigen Transformatorspule (62) zur primären Solenoid-Transformatorspule (64) strömt; und das erste Wechselstromsignal, welches innerhalb der primären Solenoid-Transformatorspule (64) strömt, ein zweites Wechselstromsignal innerhalb der sekundären Solenoid-Transformatorspule (66) induziert.
Erdölschacht nach Anspruch 17, bei welchem das Hauptwechselstromsignal der Auskleidung (24) von einer Ausrüstung an der Oberfläche des Schachtes (10) zugeführt wird.
Erdölschacht nach Anspruch 17, bei welchem das Hauptwechselstromsignal ein Kommunikationssignal ist, das der Auskleidung (24) von einer Bohrlochvorrichtung zugeführt wird.
Erdölschacht nach Anspruch 19, bei welchem das zweite Wechselstromsignal einer Bohrlochvorrichtung (40) Energie und Kommunikation zur Verfügung stellt.
Erdölschacht nach Anspruch 13, bei welchem: die externe Energietransfervorrichtung (42) eine torusförmige Transformatorspule (62) aufweist, die mit einer primären Solenoid-Transformatorspule (64) elektrisch verbunden ist; die interne Energietransfervorrichtung (44) eine sekundäre Solenoid-Transformatorspule (66) aufweist; ein erster Bohrlochstrom innerhalb der sekundären Solenoid-Transformatorspule (66) einen zweiten Bohrlochstrom in der primären Solenoid-Transformatorspule (64) induziert; und der zweite Bohrlochstrom, der innerhalb der torusförmigen Transformatorspule (62) strömt, einen Hauptbohrlochstrom innerhalb der Auskleidung (24) induziert.
Erdölschacht nach Anspruch 21, bei welchem der erste Bohrlochstrom durch eine Bohrlochvorrichtung (40) einer sekundären Solenoid-Transformatorspule (66) zugeführt wird.
Erdölschacht nach Anspruch 21, bei welchem der Hauptbohrlochstrom ein Kommunikationssignal zum Bereitstellen von Kommunikation zwischen einer Bohrlochvorrichtung (40) und einer Ausrüstung an der Oberfläche des Erdölschachtes (10) ist.
Erdölschacht nach Anspruch 21, bei welchem der Hauptbohrlochstrom ein Kommunikationssignal zum Bereitstellen von Kommunikation zwischen einer ersten Bohrlochvorrichtung (40) und einer zweiten Bohrlochvorrichtung ist.
Erdölschacht nach Anspruch 21, bei welchem ein Abschnitt der Auskleidung (24) unterhalb der externen Energietransfervorrichtung (42) aus nicht-magnetischem Material besteht.
Erdölschacht nach Anspruch 21, bei welchem ein Abschnitt der Auskleidung (24) unterhalb der externen Energietransfervorrichtung (42) aus rostfreiem Stahl besteht.
Verfahren zum Erzeugen eines Fernwechselstromsignals innerhalb einer ersten Rohrstruktur (24), umfassend: Bereitstellen einer externen Energietransfervorrichtung (42), die so ausgebildet ist, daß sie um die erste Rohrstruktur (24) herum angeordnet werden kann; Bereitstellen einer internen Energietransfervorrichtung (44), die so ausgebildet ist, daß sie innerhalb der ersten Rohrstruktur (24) angeordnet werden kann; Koppeln eines Hauptwechselstromsignals an die erste Rohrstruktur (24); dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner aufweist: Induzieren eines ersten Wechselstromsignals innerhalb der externen Energietransfervorrichtung (42) unter Verwendung einer induktiven Kopplung zwischen der ersten Rohrstruktur (24) und der externen Energietransfervorrichtung (42); und Induzieren eines Fernwechselstromsignals innerhalb der internen Energietransfervorrichtung (44) unter Verwendung einer induktiven Kopplung zwischen der externen Energietransfervorrichtung (42) und der internen Energietransfervorrichtung (44).
Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem der Schritt des Bereitstellens einer externen Energietransfervorrichtung (42) ferner die Schritte aufweist: Positionieren einer torusförmigen Transformatorspule (62) um die erste Rohrstruktur (24) herum; Positionieren einer primären Solenoid-Transformatorspule (64) um die erste Rohrstruktur (24) herum; und elektrisches Verbinden der torusförmigen Transformatorspule (62) mit der primären Solenoid-Transformatorspule.
Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem der Schritt des Bereitstellens einer internen Energietransfervorrichtung (44) ferner den Schritt des Positionierens einer sekundären Solenoid-Transformatorspule (66) um eine zweite Rohrstruktur herum umfaßt, die innerhalb der ersten Rohrstruk tur angeordnet ist, wobei die sekundäre Solenoid-Transformatorspule mit der externen Energietransfervorrichtung axial ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem die Schritte des Bereitstellens der internen und externen Energietransfervorrichtungen (44, 42) ferner die Schritte umfassen: Positionieren einer torusförmigen Transformatorspule (62) um die erste Rohrstruktur (24) herum; Positionieren einer primären Solenoid-Transformatorspule (64) um die erste Rohrstruktur (24) herum; elektrisches Verbinden der torusförmigen Transformatorspule (62) mit der primären Solenoid-Transformatorspule (61); und Positionieren einer sekundären Solenoid-Transformatorspule (66) um eine zweite Rohrstruktur (26) herum, die innerhalb der ersten Rohrstruktur (24) angeordnet ist, derart, daß die sekundäre Solenoid-Transformatorspule (66) mit der primären Solenoid-Transformatorspule (61) axial ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem die Schritte des Induzierens eines ersten Wechselstromsignals und eines Fernwechselstromsignals ferner die Schritte aufweisen: Induzieren des ersten Wechselstromsignals innerhalb der torusförmigen Transformatorspule (62) unter Verwendung des Hauptwechselstromsignals, das innerhalb der ersten Rohrstruktur (24) strömt; Überführen des ersten Wechselstromsignals aus der torusförmigen Transformatorspule (62) zu der primären Solenoid-Transformatorspule (61); und Induzieren des Fernwechselstromsignals innerhalb der sekundären Solenoid-Transformatorspule (66) unter Verwendung des ersten Wechselstromsignals, das innerhalb der primären Solenoid-Transformatorspule (61) strömt.
Verfahren nach Anspruch 30, bei welchem die erste Rohrstruktur (24) eine Auskleidung (24) ist, die innerhalb eines Bohrloches eines Erdölschachtes (10) angeordnet ist, und die zweite Rohrstruktur (26) ein Rohrgestänge (26) ist, das innerhalb der Auskleidung (24) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei welchem Energie und Kommunikation zu einer Bohrlochvorrichtung (40) unter Verwendung des Fernwechselstromsignals bereitgestellt werden, um die Bohrlochvorrichtung mit Energie zu versorgen.