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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Erdölschacht mit einem steuerbaren
Förderschachtpacker.
In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Erdölförderschacht
mit einem Packer, der eine elektrisch angetriebene Vorrichtung aufweist,
die ein elektrisch steuerbares Ventil, ein Kommunikations- und Steuermodul,
einen Sensor, ein Modem, ein Tracereinspritzmodul oder irgendeine
Kombination dieser Vorrichtungen enthalten kann.
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Erdölschächte (z.B. Öl- und/oder
Gasschächte)
verlaufen typischerweise durch Formationen, die mehrere Zonen, welche
verschiedene Fluide erzeugen, sowie undurchlässige Zonen enthalten. Die
Fluid führenden
Zonen können
Salzwasser oder klares Wasser, Öl,
Gas oder Mischungen dieser Komponenten erzeugen.
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Es
ist erwünscht
und üblich,
eine hydraulische Isolierung zwischen den Zonen aufrechtzuerhalten,
damit die aus jeder Zone geförderten
Fluide gesondert zur Oberfläche
gelangen. Selbst wenn eine besondere Zone keine Erdölprodukte
fördert,
ist es üblicherweise
notwendig, sicherzustellen, daß die Fluide
von dieser Zone nicht in andere Zonen wandern, indem sie das Bohrloch
als Transportweg verwenden, um eine Verunreinigung der Fluide in
jeder Zone zu vermeiden.
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Die
notwendige Isolierung zwischen den Zonen wird häufig durch Packer vorgenommen.
Ein typischer hydraulisch gesetzter Förderpacker nach dem Stand der
Technik ist schematisch in 1 gezeigt.
Packer sind mechanische Vorrichtungen, die den Ringraum zwischen
dem Förderrohr
und der Auskleidung verschließen
und gegen beide abdichten. Packer werden typischerweise zu dem Zeitpunkt des
Fertigstellens des Schachtes installiert, indem sie an dem Rohrstrang
befestigt werden, wenn dieser in den Schacht abgesenkt wird. Somit
muß der
Packer während
des An ordnens desselben innerhalb der Auskleidung frei beweglich
sein. Sobald er an seinem Platz ist, betätigt ein hydraulischer Betätiger (der von
der Oberfläche
mit Energie versorgt und gesteuert wird) den Dichtungsmechanismus
des Packers, welcher den Packer gegen die Auskleidung klemmt und
eine fluiddichte Abdichtung in dem Ringraum zwischen der Auskleidung
und dem Rohr bewirkt.
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Die
Packer können
eine vollständige
Isolierung zwischen den Ringräumen
oberhalb und unterhalb derselben bewirken, oder sie können mit
einem oder mehreren voreingestellten mechanisch betätigten Ventilen
versehen sein, um die Strömung
an den Packern vorbei zu steuern. Wenn Steuerventile mitbeinbezogen
sind, kann ihre Einstellung jedoch durch mechanisches Einsetzen
eines Slickline-Werkzeuges verändert
werden, was aber unzweckmäßig langsam
und relativ kostspielig ist. Wenn zusätzlich mehrere Zonen und mehrere
Packer vorhanden sind, ist es häufig
unmöglich
oder unpraktisch, den untersten Packer mit einem Slickline-Werkzeug
zu erreichen. Dieser Mangel an einem raschen und billigen Verfahren
zur Ventilsteuerung in einem Packer beschränkt die Schachtkonstruktion
und die Fördervorgänge.
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Konventionelle
Packer sind als solche in den US-Patenten 6,148,915, 6,123,148,
3,566,963 und 3,602,305 beschrieben.
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Das
europäische
Patent
EP 0964134 offenbart
einen Schacht mit einem Förderrohrstrang,
der elektrisch isolierte Rohrverbindungen und toroidförmige Energietransformatoren
aufweist, die mit den Rohrabschnitten oberhalb und unterhalb der
Verbindungen verbunden sind. Der Erdölschacht und ein Verfahren
gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 18 sind aus dem europäischen
Patent
EP 0697500 bekannt.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Probleme und Erfordernisse, die vorstehend skizziert worden sind,
werden weitgehend durch die vorliegende Erfindung gelöst und getroffen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Erdölförderschacht geschaffen, wie er
im Anspruch 1 beansprucht ist. Der Erdölschacht weist einen Rohraufbau,
eine Quelle eines zeitvariierenden Stromes, einen elektrischen Rückpfad,
eine Induktionsdrossel und den Packer auf. Der Rohraufbau des Schachtes
umfaßt
einen elektrisch leitenden Abschnitt, der sich entlang zumindest
eines Teiles des Rohraufbaues erstreckt. Der Rohraufbau kann ein
Förderrohrgestänge des
Schachtes umfassen. Die Quelle des zeitvariierenden Stromes umfaßt zwei Quellenanschlüsse. Ein
erster Quellenanschluß ist elektrisch
an den elektrisch leitenden Abschnitt des Rohraufbaues angeschlossen.
Der elektrische Rückpfad
ist elektrisch zwischen dem elektrisch leitenden Abschnitt des Rohraufbaues
und einem zweiten Quellenanschluß der zeitvariierenden Stromquelle angeschlossen.
Der elektrische Rückpfad
kann eine Schachtauskleidung des Schachtes, einen Teil des Packers,
einen weiteren Packer und/oder ein elektrisches Fluid innerhalb
des Schachtes aufweisen. Die Induktionsdrossel ist um einen Teil
des elektrisch leitenden Abschnittes des Rohraufbaues herum an einer
Stelle entlang des Rohraufbaues zwischen der elektrischen Anschlußstelle
für den
ersten Quellenanschluß und
der elektrischen Anschlußstelle
für den elektrischen
Rückpfad
angeschlossen, derart, daß ein
Spannungspotential zwischen dem elektrisch leitenden Abschnitt des
Rohraufbaues auf einer Quellenseite der Induktionsdrossel und dem
elektrisch leitenden Abschnitt des Rohraufbaues auf einer elektrischen
Rückpfadseite
der Induktionsdrossel gebildet wird, sowie den elektrischen Rückpfad beim
Strömen des
zeitvariierenden Stromes durch den elektrisch leitenden Abschnitt
des Rohraufbaues. Die Induktionsdrossel kann ferromagnetisches Material
aufweisen. Die Induktionsdrossel braucht nicht mit Energie versorgt
zu werden, wenn ihre Größe, Geometrie
und magnetischen Eigenschaften eine ausreichende magnetische Induktanz
zum Entwickeln des erwünschten
Spannungspotentials aufweisen. Die elektrisch angetriebene Vorrichtung
des Packers ist elektrisch über
das Spannungspotential angeschlossen, derart, daß der zeitvariierende Strom
infolge der Induktionsdrossel durch die Vorrichtung geroutet wird,
wenn der zeitvariierende Strom durch den elektrisch leitenden Abschnitt
des Rohraufbaues strömt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren gemäß Anspruch
18 zur Förderung
von Erdölprodukten
aus einem Erdölschacht
einen elektrisch angetriebenen Packer.
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Ein
konventioneller Erdölschacht
weist ein ausgekleidetes Bohrloch auf, in dem ein Rohrgestänge angeordnet
ist, das sich in Längsrichtung
innerhalb der Auskleidung erstreckt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein steuerbarer Packer mit dem Rohrgestänge gekoppelt, um eine Abdichtung
des Ringraumes zwischen dem Rohrgestänge und der Auskleidung zu
schaffen. Ein Ventil in dem Packer (und/oder andere Vorrichtungen
wie Sensoren) ist von der Oberfläche
her angetrieben und gesteuert. Kommunikationssignale und Energie
werden von der Oberfläche
unter Verwendung des Rohrgestänges
und der Auskleidung als Leiter gesandt. Zumindest eine Induktionsdrossel
ist um das Rohrgestänge
im Bohrloch herum gekoppelt, um magnetisch einen Wechselstromfluß durch
das Rohrgestänge
an der Drossel zu verhindern. Eine isolierte Rohrgestängeverbindung,
eine weitere Induktionsdrossel, ein anderes Isoliermittel zwischen
dem Rohrgestänge und
der Auskleidung können
an der Oberfläche oberhalb
einer Stelle angeordnet sein, wo Strom und Kommunikationssignale
auf das Rohrgestänge übertragen
werden. Somit ist der größte Teil
des Wechselstromes zwischen der Bohrlochdrossel und der isolierten
Rohrverbindung oder zwischen den Drosseln, wenn zwei Drosseln verwendet
werden, begrenzt.
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Die
korrespondierenden Anmeldungen beschreiben alternative Wege zum
Bereitstellen von elektrischer Energie von der Oberfläche zu Bohrlochmodulen
und zum Erstellen einer bidirektionalen Kommunikation für Daten
und Steuerbefehle, die von der Oberfläche zugeführt werden, unter Verwendung von
Oberflächen-
und Bohrlochmodems. Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet das Förderrohrgestänge und
die Schachtauskleidung als elektrisch leitende Pfade zwischen der
Oberfläche
und der Bohrlochausrüstung.
Die Kostenreduktion und Vereinfachung der Installationsvorgänge, die
aus der Vermeidung von elektrischen Kabeln zum Bereitstellen von
Energie, Fühl-
und Steuerfunktionen im Bohrloch resultieren, gestatten während der
Förderung
einen stärkeren
Einsatz der aktiven Bohrlochausrüstung.
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In
dem Kontext von Bohrlochpackern hat die Fähigkeit, eine Energie- und
Kommunikationsverbindung mit dem Packer herzustellen, viele Vorteile.
Ein derart steuerbarer Packer gemäß der vorliegenden Erfindung
kann Sensoren umfassen, wobei die Daten der Sensoren in Realzeit
an der Oberfläche
empfangen werden. In ähnlicher
Weise ermöglicht
er die Verfügbarkeit
von Energie im Bohrloch und die Fähigkeit, Steuerbefehle von
der Oberfläche
zu dem steuerbaren Packer zu senden, elektrisch motorisierte mechanische
Komponenten, wie Strömungssteuerungsventile,
in den Packeraufbau miteinzubeziehen und dadurch ihre Flexibilität im Betrieb
zu erhöhen.
Speziell erfolgt die Steuerung solcher Komponenten in dem steuerbaren
Packer nahezu in Realzeit, so daß die Packer-Strömungssteuerungsventile
ge öffnet,
geschlossen, eingestellt oder konstant gedrosselt werden können, um
zu dem Management der Förderung beizutragen.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
ein Oberflächencomputer
mit einem Mastermodem an das Rohrgestänge Kommunikationssignale anlegen,
und das Kommunikationssignal wird in dem Bohrlochmodem empfangen,
welches elektrisch mit dem steuerbaren Packer verbunden oder innerhalb des
steuerbaren Packers angeordnet ist. Das Kommunikationssignal kann
von dem Modem entweder direkt oder indirekt über ein oder mehrere Relaismodems
empfangen werden. Weiters kann dem Rohrgestänge elektrische Energie auferlegt
und im Bohrloch verwendet werden, um den Betrieb von Sensoren und
anderen Vorrichtungen in dem steuerbaren Packer mit Energie zu versorgen.
Vorzugsweise wird die Auskleidung als Leiter für den elektrischen Rückpfad verwendet.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel reguliert
ein steuerbares Ventil in dem Packer die Fluidkommunikation in dem
Ringraum zwischen Auskleidung und Rohrgestänge. Der elektrische Rückpfad kann
entlang eines Teiles des steuerbaren Packers und vorzugsweise durch
die Expansion von Expansionsslips, die mit der Auskleidung in Kontakt kommen,
vorgesehen sein. Alternativ kann der elektrische Rückpfad über einen
leitenden Zentralisierer um das Rohrgestänge herum erfolgen, welches
bezüglich
des Rohrgestänges
isoliert ist, aber in elektrischer Verbindung mit der Auskleidung
steht und elektrisch an die Vorrichtung im Packer angeschlossen ist.
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In
verbesserten Formen umfaßt
der steuerbare Packer einen oder mehrere Sensoren im Bohrloch, die
vorzugsweise in Kontakt mit dem Bohrlochmodem sind und mit dem Oberflächencomputer über das
Rohrgestänge
und/oder die Schachtauskleidung kommunizieren. Solche Sensoren,
die die Temperatur, den Druck, akusti sche Werte, Ventilpositionen, Strömungsdurchsätze und
Differenzdrücke
messen, können
in vielen Situationen vorteilhaft eingesetzt werden. Die Sensoren
liefern Messungen an das Modem zur Übertragung zur Oberfläche oder
direkt zu einem programmierbaren Interface-Kontroller, der als Bohrlochvorrichtung
arbeitet, wobei dies ein steuerbares Ventil sein kann, um die Fluidströmung durch den
Packer zu steuern.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
werden ferromagnetische Induktionsdrosseln um das Rohr herum gekoppelt,
um für
den Stromfluß in
dem Rohr als Reihenimpedanz zu wirken. Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird eine obere ferromagnetische Drossel um das Rohrgestänge herum
unterhalb des Auskleidungshängers
angeordnet, und die Strom- und Kommunikationssignale werden dem
Rohr unterhalb der oberen ferromagnetischen Drossel auferlegt. Eine
untere ferromagnetische Drossel wird im Bohrloch um das Rohrgestänge herum
angeordnet, wobei der steuerbare Packer elektrisch mit dem Rohrgestänge oberhalb
der unteren ferromagnetischen Drossel gekoppelt ist, obzwar der
steuerbare Packer mechanisch mit dem Rohrgestänge unterhalb der unteren ferromagnetischen
Drossel gekuppelt sein kann.
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Vorzugsweise
wird ein Oberflächencomputer über ein
Oberflächenmastermodem
und das Rohrgestänge
mit dem Bohrlochmodem des steuerbaren Packers gekoppelt. Der Oberflächencomputer
kann Messungen aus einer Reihe von Quellen (z.B. Bohrlochsensoren),
die Messungen des Ölaustrages
aus dem Schacht und die Messungen des Druckgaseinsatzes in dem Schacht
im Falle eines Gasliftschachtes empfangen. Die Verwendung solcher
Messungen ermöglicht
es dem Computer, die erwünschten
Positionen des steuerbaren Ventils in dem Packer und insbesondere
die optimale Fluidmenge zu errechnen, welche in den Ringraum innerhalb
der Auskleidung eingelassen wird.
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Die
Konstruktion eines solchen Erdölschachtes
erfolgt so, daß sie ähnlich der
konventionellen Konstruktionsmethode ist, soweit dies möglich ist. Das
heißt,
nachdem der Schacht ausgekleidet worden ist, wird typischerweise
ein Packer eingesetzt, um jede Zone zu isolieren. Bei einem Förderschacht können mehrere ölerzeugende
Zonen, wassererzeugende Zonen, undurchlässige Zonen und Verlustzonen
vorhanden sein. Es ist erwünscht,
die Kommunikation zwischen den Zonen zu verhindern oder zu gestatten.
Wenn beispielsweise die vorliegende Erfindung implementiert wird,
wird das Rohrgestänge durch
die Auskleidung in Kommunikation mit der Förderzone eingesetzt, wobei
die steuerbaren Packer die Förderzone
definieren. Wenn das Rohrgestänge an
der Oberfläche
hergestellt wird, wird eine untere ferromagnetische Drossel um ein
konventionelles Rohrgestänge
herum angeordnet und oberhalb des untersten steuerbaren Packers
positioniert. In Abschnitten des Rohrgestänges, wo es erwünscht ist, wird
ein anderer Packer mit dem Rohrgestänge gekuppelt, um die Zonen
zu isolieren. Steuerbare Gasliftventile oder Sensoren können ebenfalls
mit dem Rohrgestänge
gekuppelt werden, wie dies erwünscht ist,
durch Einsetzen eines Seitentaschendornes (geförderter Rohrstrang) und entsprechender
Induktionsdrosseln, wie dies erforderlich ist. Das Rohrgestänge wird
an der Oberfläche
hergestellt, wo eine obere ferromagnetische Induktionsdrossel wiederum um
das Rohrgestänge
herum unterhalb des Auskleidungshängers angeordnet wird. Kommunikations- und
Energieleitungen werden dann mit dem Rohrgestänge unterhalb der oberen Drossel
verbunden. Bei einer verbesserten Form wird eine elektrische Isolierverbindung
statt der oberen Induktionsdrossel verwendet.
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Ein
Sensor- und Kommunikationsbehälter kann
in dem steuerbaren Packer der vorliegenden Erfindung vorgesehen
werden, ohne daß die
Notwendigkeit besteht, ein steuerbares Ventil oder eine Steuervorrichtung
vorzusehen. Das heißt,
ein elektronischer Modul, der Druck-, Temperatur- oder Akustik-Sensoren,
eine Energiezufuhr und ein Modem aufweist, kann in dem Packer angeordnet
werden, um mit dem Oberflächencomputer
unter Verwendung des Rohrgestänges
und der Auskleidung als Leiter zu kommunizieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen
hervor, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht, die einen typischen Packer nach dem Stand
der Technik zeigt;
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2 eine
schematische Ansicht eines Erdölförderschachtes
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
vereinfachtes elektrisches Schema des Ausführungsbeispieles nach 2;
und
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4 eine
vergrößerte schematische
Ansicht, die einen steuerbaren Packer nach 2 zeigt, der
ein elektrisch steuerbares Ventil aufweist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen für gleiche
Elemente in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, ist ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt und wird nachfolgend weiter beschrieben,
und andere mögliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls beschrieben. Die Figuren
sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht,
und in einigen Fällen
sind die Zeichnungen für
Illustrationszwecke übertrieben
und/oder vereinfacht gestaltet. Der Fachmann versteht, daß viele
mögliche
Anwendungen und Variationen der vorliegenden Erfindung auf den vorliegenden
Beispielen möglicher
Ausführungsformen
aufgebaut werden können,
sowie auf den Ausführungsformen,
die in korrespondierenden Anmeldungen dargestellt und erörtert sind,
die unter Bezugnahme hierauf in dem vom Gesetz gestatteten weitmöglichsten
Ausmaß in
die vorliegende Beschreibung miteinbezogen werden.
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Wie
in der vorliegenden Anmeldung verwendet, ist ein „Rohraufbau" ein einzelnes Rohr,
ein Rohrgestänge,
eine Rohrauskleidung, eine Pumpenstange, eine Reihe miteinander
verbundener Rohre, Stäbe,
Schienen, Trägern,
Gittern, Abstützungen, eine
Abzweigung oder seitliche Verlängerung
eines Schachtes, ein Netz von miteinander verbundenen Rohren, oder
andere ähnliche
Strukturen, die dem Fachmann bekannt sind. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
wendet die Erfindung im Kontext eines Erdölschachtes an, in welchem der
Rohraufbau ein rohrförmiges,
metallisches, elektrisch leitendes Rohr und Rohrgestänge umfaßt, doch
ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Für die vorliegende Erfindung
braucht nur zumindest ein Teil des Rohrgestänges elektrisch leitend zu
sein, und ein derart elektrisch leitender Teil kann der gesamte
Rohraufbau (z.B. Stahlrohre, Kupferrohre) oder ein sich in Längsrichtung
erstreckender elektrisch leitender Teil sein, kombiniert mit einem
sich in Längsrichtung
erstreckenden nicht-leitenden Teil. Mit anderen Worten, ist ein
elektrisch leitender Rohraufbau einer, der einen elektrisch leitenden
Pfad von einem ersten Abschnitt, wo eine Energiequelle elektrisch
angeschlossen ist, zu einem zweiten Abschnitt leitet, an welchem
eine Vorrichtung und/oder ein elektrischer Rückpfad elektrisch angeschlossen
sind. Der Rohraufbau wird typischerweise ein konventionelles rundes
Metallrohr sein, doch ist die Querschnittsgeometrie des Rohraufbaues
oder eines Teiles derselben hinsichtlich der Form (z.B. rund, rechteckig,
quadratisch, oval) und der Größe (z.B.
Länge,
Durchmesser, Wandstärke) entlang
eines Teiles der Rohrstruktur variierbar. Somit muß ein Rohraufbau
einen elektrisch leitenden Abschnitt haben, der sich von einem ersten
Teil des Rohraufbaues zu einem zweiten Teil des Rohraufbaues erstreckt,
wobei der erste Teil von dem zweiten Teil entlang des Rohraufbaues
beabstandet ist.
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Es
sei bemerkt, daß die
Ausdrücke „erster Teil" und „zweiter
Teil", wie sie hier
verwendet werden, jeweils allgemein einen Teil, einen Abschnitt oder
einen Bereich eines Rohraufbaues definieren, der sich entlang des
Rohraufbaues erstrecken kann oder nicht, und der an irgendeinem
gewählten
Ort entlang des Rohraufbaues angeordnet sein kann, wobei er die
benachbarten Enden des Rohraufbaues umfassen kann oder nicht.
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In ähnlicher
Weise sind gemäß der konventionellen
Terminologie der Ölfeldpraxis
die Ausdrücke „oberer", „unterer", „oberes
Bohrloch" und „unteres Bohrloch" relativ und beziehen
sich auf den Abstand entlang der gesamten Tiefe von der Oberfläche, die bei
abgezweigten oder horizontalen Schächten mit der vertikalen Höhe, gemessen
bezüglich
eines Bezugspunktes, zusammenfallen kann oder nicht.
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Auch
der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich allgemein auf irgendeine Kommunikationsvorrichtung
zum Übertragen und/oder
Empfangen elektrischer Kommunikationssignale über einen elektrischen Leiter
(z.B. Metall). Somit ist der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet wird, nicht
beschränkt
auf die Abkürzung
für einen Modulator
(Vorrichtung, die ein Sprach- oder Datensignal in eine Form umwandelt,
die übertragen
werden kann)/Demodulator (eine Vorrichtung, die ein originales Signal
empfängt,
nachdem es auf einem Hochfrequenzträger moduliert worden ist).
Auch ist der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet
wird, nicht auf konventionelle Computermodems beschränkt, die
digitale Signale in analoge Signale verwandeln und umgekehrt (z.B.
um digitale Signale über
das analoge öffentliche
Telefonnetz zu senden). Wenn beispielsweise ein Sensor Messungen
in einem analogen Format ausgibt, dann brauchen diese Messungen
nur moduliert (z.B. Breitbandmodulation) und übertragen zu werden, somit
ist keine Analog-/Digitalumwandlung notwendig. Als weiteres Beispiel
kann ein Relais-/Nebenmodem oder eine Kommunikationsvorrichtung
nur erforderlich sein, um den Empfang eines Signals zu identifizieren,
zu filtern, zu verstärken
und/oder zurück
zu übertragen.
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Wie
es in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bedeutet „drahtlos" die Abwesenheit konventioneller
isolierter Drahtleiter, z.B. die sich von einer Bohrlochvorrichtung
zur Oberfläche
erstrecken. Die Verwendung des Rohrgestänges und/oder Auskleidung als
Leiter wird als „drahtlos" angesehen. Der Ausdruck „Ventil", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf irgendeine Vorrichtung, die so funktioniert, daß sie den
Strom des Fluids regelt. Beispiele von Ventilen umfassen, sind aber
nicht auf balgenartige Gasliftventile und steuerbare Gasliftventile
beschränkt,
von denen jedes verwendet werden kann, um den Strom des Liftgases
in das Rohrgestänge
eines Schachtes zu regeln. Die innere Arbeitsweise der Ventile kann
stark variieren, und in der vorliegenden Anmeldung ist nicht beabsichtigt,
die beschriebenen Ventile auf irgendeine besondere Konfiguration
zu beschränken,
solange die Ventile zur Strömungsregelung
dienen. Einige der verschiedenen Arten von Strömungsregelungsmechanismen umfassen,
sind aber nicht auf Kugelventil-Konfigurationen, Nadelventil-Ausbildungen,
Gateventil-Ausbildungen und Käfigventil-Ausbildungen
beschränkt.
Die Verfahren zum Installieren der Ventile, die in der vorliegenden Anmeldung
erörtert
werden, können
stark variieren.
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Der
Ausdruck „elektrisch
steuerbares Ventil", wie
er hier verwendet wird, bezieht sich allgemein auf ein Ventil (wie
soeben beschrieben), das in Abhängigkeit
von einem elektrischen Steuerventil (z.B. einem Signal von einem
Oberflächencomputer
oder von einer elektronischen Bohrlochsteuermodul) geöffnet, geschlossen,
eingestellt, verändert
oder kontinuierlich gedrosselt werden kann. Der Mechanismus, der
die Ventilposition tatsächlich
verändert,
kann umfassen, ist aber nicht beschränkt auf: einen elektrischen
Motor; einen elektrischen Servo; ein elektrisches Solenoid; einen
elektrischen Schalter; einen hydraulischen Betätiger, gesteuert von zumindest
einem elektrischen Servo, Elektromotor, elektrischen Schalter, elektrischen
Solenoid oder Kombinationen derselben; einen pneumatischen Betätiger, der
von zumindest einem elektrischen Servo, elektrischen Motor, elektrischen
Schalter, elektrischen Solenoid oder Kombinationen derselben betätigt wird;
oder eine Federvorspannvorrichtung in Kombination mit zumindest
einem elektrischen Servo, elektrischen Motor, elektrischen Schalter,
elektrischen Solenoid oder Kombinationen derselben. Ein „elektrisch
steuerbares Ventil" kann,
muß aber
nicht einen Positionsrückmeldesensor
zum Bereitstellen eins Feedbacksignals aufweisen, welches der tatsächlichen
Position des Ventils entspricht.
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Der
Ausdruck „Sensor", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf irgendeine Vorrichtung, die den Absolutwert
oder die Änderung
einer physikalischen Menge feststellt, bestimmt, überwacht,
aufzeichnet oder auf andere Weise abfüllt. Ein Sensor, wie er hier
beschrieben wird, kann dazu verwendet werden, physikalische Größen zu messen,
einschließlich,
aber nicht be schränkt
auf: Temperatur, Druck (sowohl absolut als auch differentiell),
Strömungsdurchsatz,
seismische Daten, akustische Daten, pH-Werte, Salzwerte, Ventilpositionen
oder nahezu irgendwelche anderen physikalischen Daten.
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1 ist
eine schematische Ansicht, die einen konventionellen, hydraulisch
einstellbaren Förderpacker 20 gemäß dem Stand
der Technik zeigt, der innerhalb einer Schachtauskleidung 22 eines Schachtes
eingestellt ist. Der Packer 20 nach 1 ist auf
ein Förderrohrgestänge 24 aufgeschraubt.
Der konventionelle Packer 20 hat ein Endstück 26,
das mit einem offenen oder geschlossenen Ende für den untersten Packer in dem
vervollständigten
Schacht versehen ist, oder ein Endstück 26 kann auf das Rohrgestänge (nicht
gezeigt) aufgeschraubt werden, welches sich zu den unteren Bereichen
des Schachtes erstreckt. Der konventionelle Packer 20 hat
einen Abschnitt von Slips 28 und einen Dichtungsabschnitt 30.
Sowohl die Slips 28 als auch der Dichtungsabschnitt 30 können sich
innerhalb Schachtauskleidung 22 während Verlagerungen frei bewegen
und werden durch einen hydraulischen Betätiger 32 betätigt. Wenn
sich der Packer 20 an seiner Endposition in der Auskleidung 22 befindet,
wird der hydraulische Betätiger 32 verwendet,
um mechanische Kräfte
auf die Slips 28 und die Dichtungen 30 auszuüben, wodurch diese
gegen die Auskleidung expandieren. Die Slips 28 verriegeln
den Packer 20 an Ort und Stelle, indem sie an der Innenfläche der
Auskleidung 22 angreifen, so daß der Packer durch Differenzdrücke zwischen den
Räumen
oberhalb und unterhalb des Packers nicht verlagert werden kann.
Der Dichtungsabschnitt 30 erzeugt zwischen den Räumen oberhalb
und unterhalb des Packers 20 eine Flüssigkeitsabdichtung. Der hydraulische
Betätiger 32 wird
unter Verwendung eines Hochdrucköls
betätigt,
das von der Oberfläche
(nicht gezeigt) durch ein Steuerrohr 34 zugeführt wird.
Der konventionelle Packer 20 weist keine elektrisch angetriebene
Vorrichtung auf.
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2 ist
eine schematische Ansicht, die einen Erdölförderschacht 38 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Erdölförderschacht 38 nach 2 ist
hinsichtlich der Konstruktion, aber unter Einbeziehung der vorliegenden
Erfindung, ähnlich
einem konventionellen Schacht. Bei diesem Beispiel weist ein Packer 40 eine
elektrisch angetriebene Vorrichtung 42 auf und ist in dem
Schacht 38 auf die gleiche Weise eingesetzt, wie ein üblicher
Packer 20 eingesetzt würde,
um Formationszonen voneinander zu trennen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfaßt
die elektrisch angetriebene Vorrichtung 42 des Packers 40 ein
elektrisch steuerbares Ventil 44, das als Bypassventil
wirkt und detaillierter in 4 gezeigt
sowie nachfolgend beschrieben wird.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Rohraufbau
einen Teil eines Förderrohrstranges 24,
und der elektrische Rückpfad
umfaßt
einen Teil der Schachtauskleidung 22. Eine isolierende Rohrverbindung 146 und
eine ferromagnetische Induktionsdrossel 48 werden bei diesem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet. Die Isolierverbindung 146 ist nahe dem Bohrlochkopf
vorgesehen, um die unteren Abschnitte des Rohrgestänges 24 von der
Auskleidung 22 elektrisch zu isolieren. Somit verhindert
die Isolierverbindung 146 einen elektrischen Kurzschlußkreis zwischen
den unteren Abschnitten des Rohrgestänges 24 und der Auskleidung 22 am Gestängehänger 46.
Der Hänger 46 schafft
eine mechanische Kupplung und eine Abstützung für das Gestänge 24, indem die
Gewichtslast des Gestänges 24 auf
die Auskleidung 22 übertragen
wird. Die Induktionsdrossel 48 ist an dem Rohrgestänge 24 an
einem zweiten Teil 52 im Bohrloch oberhalb des Packers 40 befestigt.
Ein Computersystem 56 umfaßt ein Mastermodem 58 und
eine Quelle eines zeitvariierenden Stromes 60 und ist elektrisch
mit dem Rohrgestänge 24 unterhalb
der isolierenden Rohrverbindung 146 durch einen ersten
Quellenanschluß 61 angeschlossen.
Der erste Quellenanschluß 61 ist
gegenüber dem
Hänger 46 isoliert,
wo er sich durch diesen hindurcherstreckt. Ein zweiter Quellenanschluß 62 ist mit
der Schachtauskleidung 22 entweder direkt (wie in 2 gezeigt)
oder über
den Hänger 46 (Anordnung
nicht gezeigt) elektrisch verbunden. Als Alternative zu oder zusätzlich zu
der isolierenden Rohrverbindung 146 kann eine weitere Induktionsdrossel (nicht
gezeigt) um das Rohrgestänge 24 herum
oberhalb der elektrischen Anschlußstelle für den ersten Quellenanschluß 61 an
dem Gestänge
angeordnet werden.
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Die
zeitvariierende Stromquelle 60 liefert somit einen Strom,
der Energie und Kommunikationssignale in das Bohrloch überträgt. Der
zeitvariierende Storm ist vorzugsweise ein Wechselstrom (AC), kann aber
auch ein variierender Gleichstrom (DC) sein. Die Kommunikationssignale
können
von dem Mastermodem 58 erzeugt und innerhalb des Stromes
eingebettet sein, der von der Quelle 60 erzeugt wird. Vorzugsweise
ist das Kommunikationssignal ein Breitbandsignal, doch können andere
Formen der Modulation als Alternativen verwendet werden.
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Die
elektrisch angetriebene Vorrichtung 42 in dem Packer 40 umfaßt zwei
Vorrichtungsanschlüsse 71, 72,
und es können
andere Vorrichtungsanschlüsse
je nach den Erfordernissen für
andere Ausführungsformen
oder -anwendungen vorgesehen werden. Ein erster Vorrichtungsanschluß 71 ist
an das Rohrgestänge 24 an
einer Quellenseite 81 der Induktionsdrossel 48 elektrisch
angeschlossen, die in diesem Fall oberhalb der Induktionsdrossel
liegt. In ähnlicher
Weise ist ein zweiter elektrischer Anschluß 72 an das Rohrgestänge 24 auf
einer elektrischen Rückpfadseite 82 der
Induktionsdrossel 48 elektrisch angeschlossen, die in diesem
Fall unterhalb der Induktionsdrossel liegt. Bei diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ermöglichen
die Slips 28 des Packers 40 eine elektrische Verbindung
zwischen dem Rohrgestänge 24 und
der Schachtauskleidung 22. Es ist jedoch dem Fachmann klar,
daß die
elektrische Verbindung zwischen dem Rohrgestänge 24 und der Schachtauskleidung 22 auf
zahlreiche Arten erreicht werden kann, von denen einige in korrespondierenden
Anmeldungen ersichtlich sind, einschließlich (aber nicht beschränkt auf):
ein weiterer Packer (konventionell oder steuerbar); ein leitendes
Fluid im Ringraum zwischen dem Rohrgestänge und der Schachtauskleidung;
einen leitenden Zentralisierer; oder eine Kombination derselben.
Somit wird ein elektrischer Kreis unter Verwendung des Gestänges 24 und
der Schachtauskleidung 22 als Leiter zwischen der Bohrlochvorrichtung 42 innerhalb
des Packers 40 geformt.
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3 illustriert
ein vereinfachtes elektrisches Schema des elektrischen Kreises,
der in dem Schacht 38 nach 2 gebildet
wird. Die isolierende Rohrverbindung 146 und die Induktionsdrossel 48 erzeugen
effektiv einen Isolierabschnitt des Rohrgestänges 24, um das meiste
des zeitvariierenden Stromes dazwischen einzuschließen. Dementsprechend wird
ein Spannungspotential zwischen dem isolierten Abschnitt des Rohrgestänges 24 und
der Schachtauskleidung 22 entwickelt, wenn ein Wechselstrom
durch das Rohrgestänge
strömt.
Auf ähnliche
Weise wird auch ein Spannungspotential zwischen dem Rohrgestänge 24 und
der Quellenseite 81 der Induktionsdrossel 48 sowie
dem Rohrgestänge 24 an
der elektrischen Rückpfadseite 82 der
Induktionsdrossel 48 gebildet, wenn Wechselstrom durch das
Rohrgestänge
strömt.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die elektrisch angetriebene Vorrichtung 42 in dem Packer 40 elektrisch über das Spannungspotential
zwischen der Quellenseite 81 und der elektrischen Rückpfadseite 82 des
Gestänges 24 verbunden.
Als Alternative kann die Vorrichtung 42 jedoch elektrisch über das
Spannungspotential zwischen dem Rohrgestänge 24 und der Auskleidung 22 oder
das Spannungspotential zwischen dem Gestänge 24 und dem Teil
des Packers 40 (z.B. den Slips 28) ver bunden sein,
wenn der Teil des Packers mit der Schachtauskleidung 22 elektrisch
verbunden ist. Somit wird ein Teil des Stromes, der durch das Gestänge 24 und
die Auskleidung 22 strömt,
durch die Vorrichtung 22 infolge der Induktionsdrossel 48 geroutet.
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Wie
aus dem elektrisch äquivalenten
Stromkreisdiagramm nach 3 hervorgeht, müssen die Zentralisierer,
die auf dem Rohrgestänge
zwischen der Isoliervorrichtung 47 und der Drossel 48 installiert sind,
nicht mit einem elektrisch leitenden Pfad zwischen dem Rohrgestänge 24 und
der Auskleidung 22 versehen sein. Geeignete Zentralisierer
können
aus fest geformtem oder bearbeitetem Kunststoff bestehen, oder sie
können
vom Federbogentyp sein, vorausgesetzt, daß sie mit entsprechenden Isolierelementen
versehen sind. Viele geeignete und alternative Konstruktionen solcher
Zentralisierer werden dem Fachmann klar sein.
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Andere
alternative Wege zur Entwicklung eines elektrischen Kreises unter
Verwendung eines Rohraufbaues und zumindest einer Induktionsdrossel
sind in korrespondierenden Anmeldungen beschrieben, von denen viele
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, um
Energie und/oder Kommunikation der elektrisch angetriebenen Vorrichtung 42 des
Packers 40 zur Verfügung
zu stellen und um andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu bilden.
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Unter
Bezugnahme auf 4 zeigt diese detaillierter
den Packer 40 nach 2, wobei
ersichtlich ist, daß der
steuerbare Packer 40 ähnlich
dem konventionellen Packer 20 (in 1 gezeigt),
aber mit dem Zusatz einer elektrisch angetriebenen Vorrichtung 42 ausgebildet
ist, die ein elektrisch steuerbares Ventil 44 und ein Kommunikations-
und Steuermodul 84 umfaßt. Der Kommunikations- und
Steuermodul 84 ist von dem Computersy stem 56 an
der Oberfläche 54 über das
Gestänge 24 und/oder
die Auskleidung 22 angetrieben und kommuniziert mit diesem. Der
Kommunikations- und Steuermodul 84 kann ein Modem 86,
einen Energietransformator (nicht gezeigt), einen Mikroprozessor
(nicht gezeigt) oder andere verschiedene elektronische Komponenten (nicht
gezeigt) umfassen, wie sie für
dieses Ausführungsbeispiel
erforderlich sind. Der Kommunikations- und Steuermodul 84 empfängt an der
Oberfläche 54 elektrische
Signale von dem Computersystem 56 und decodiert die Befehle
zur Steuerung des elektrisch gesteuerten Ventils 44, das
als Bypassventil wirkt. Unter Verwendung der decodierten Steuerbefehle
steuert der Kommunikations- und Steuermodul 84 einen Niedrigstrom-Elektromotor,
welcher die Bewegung des Bypassventils 44 auslöst. Somit
kann das Ventil 44 durch das Computersystem 56 von
der Oberfläche 54 über das
Rohrgestänge 24 und
die Schachtauskleidung 22 geöffnet, geschlossen, eingestellt,
verändert
oder kontinuierlich gedrosselt werden.
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Das
Bypassventil 44 nach 4 steuert
die Strömung
durch ein Bypassrohr 88, welches die Einlaß- und Auslaßöffnungen 90, 92 am
Boden und an der Oberseite des Packers verbindet. Die Öffnungen 90, 92 kommunizieren
frei mit den Ringräumen 94, 96 (zwischen
der Auskleidung 22 und der Gestänge 24) oberhalb und
unterhalb des Packers 40. Das Bypass-Steuerventil 44 steuert
somit den Fluidaustausch zwischen diesen beiden Räumen 94, 96,
und dieser Austausch kann in Realzeit unter Verwendung der Befehle
verändert
werden, die von dem Computersystem 56 gesandt und von dem
steuerbaren Packer 40 empfangen werden.
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Die
mechanische Anordnung des Packers 40 nach 4 ist
illustrativ, und alternative Ausführungsformen mit anderen mechanischen
Merkmalen, welche die gleichen Funktionen eines Packers erfüllen (Fluidisolierung
und Abdichtung eines Auskleidungsabschnittes von einem anderen Auskleidungsabschnitt
in einem Schacht, und im Falle eines steuerbaren Packers, Regeln
und Steuern der Fluidströmung
zwischen diesen isolierten Auskleidungsabschnitten), sind möglich und
werden von der vorliegenden Erfindung mit umfaßt. Beispielsweise können die
Ein- und Auslaßöffnungen 90, 92 ausgetauscht werden,
um Fluide aus dem Ringraum 94 oberhalb des Packers 40 zu
dem Raum 96 unterhalb des Packers zu leiten. Auch kann
der Kommunikations- und Steuermodul 84 und das Bypass-Steuerventil 44 in einem
oberen Teil des Packers 40 oberhalb der Slips 28 angeordnet
sein. Der steuerbare Packer kann auch Sensoren umfassen (nicht gezeigt),
die elektrisch oder innerhalb des Kommunikations- und Steuermoduls 84 angeschlossen
sind, um Drücke
und Temperaturen in den Ringräumen 94, 96 oder
innerhalb des Förderrohrstranges 24 zu
messen. Somit können
die Messungen an das Computersystem 56 an der Oberfläche 54 unter
Verwendung des Kommunikations- und Steuermoduls 84 übertragen
werden, wobei Realzeitdaten der Bohrlochbedingungen geliefert werden.
Auch kann die Einstellung oder Änderung
der Mechanismen der Packerslips durch einen oder mehrere Motoren
betätigt
werden, die von den Befehlen, welche vom Modul 84 empfangen
werden, gesteuert sind.
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Bei
anderen möglichen
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung kann die elektrisch angetriebene Vorrichtung 42 des
Packers 40 umfassen: ein Modem 86; einen Sensor
(nicht gezeigt); einen Mikroprozessor (nicht gezeigt); ein Packerventil 44; ein
Tracereinspritzmodul (nicht gezeigt); ein elektrisch steuerbares
Gasliftventil (z.B. zur Steuerung der Gasströmung aus dem Ringraum zum Inneren des
Rohrgestänges)
(nicht gezeigt); ein Rohrgestängeventil
(z.B. zur Veränderung
der Strömung
eines Rohrabschnittes, wie eine Anwendung für mehrere Zweige oder seitliche
Schachterstreckungen) (nicht gezeigt); ein Kommunikations- und Steuermodul 84; einen
Logikkreis (nicht gezeigt); ein Relaismodem (nicht gezeigt), andere
elek tronische Komponenten wie erforderlich (nicht gezeigt); oder
irgendwelche Kombinationen derselben.
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Auch
bei anderen möglichen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
mehrfach steuerbare Packer und/oder Mehrfach-Induktionsdrosseln vorgesehen sein.
Bei einer Anwendung, bei der mehrfach steuerbare Packer und zusätzliche konventionelle
Packer kombiniert mit der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind,
kann es notwendig sein, einige oder alle der Packer elektrisch zu
isolieren, damit die Packer nicht als Kurzschlußkreis zwischen dem Rohraufbau
(z.B. dem Gestänge 84)
und dem elektrischen Rückpfad
(z.B. der Auskleidung 22) wirken, wo ein solcher Kurzschlußkreis nicht
erwünscht
ist. Eine solche elektrische Isolierung eines Packers kann auf verschiedene
Arten erreicht werden, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, einschließlich (aber
nicht beschränkt
auf): eine Isolierhülse
um das Gestänge
am Ort des Packers; einen Gummi- oder
Urethanteil an der radialen Erstreckung der Packerslips; einen Isoliermantel
auf dem Gestänge
an dem Packerort; die Bildung der Slips aus nicht elektrisch leitenden
Materialien; andere bekannte Isoliermittel; oder irgendeine Kombination derselben.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf andere Arten von Schächten (außer Erdölschächten) angewendet
werden, wie auf einen Wasserschacht.