ITMI20010805A1

ITMI20010805A1 - Sistema di cavo di alimentazione di energia elettrica per l'impiego in applicazioni in fori di pozzi ad alta temperatura

Info

Publication number: ITMI20010805A1
Application number: IT2001MI000805A
Authority: IT
Inventors: Gregory H Manke; Marcus D Mchugh; Howard A Oswald
Original assignee: Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-12
Also published as: US6397945B1; GB0108987D0; CA2343902A1; ITMI20010805A0; GB2361352B; GB2361352A; BR0101434B1; BR0101434A; CA2343902C

Description

DESCRIZIONE dell’Invenzione industriale avente per titolo:

«SISTEMA DI CAVO DI ALIMENTAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA PER L’IMPIEGO IN APPLICAZIONI IN FORI DI POZZI AD ALTA TEMPERATURA»

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda generalmente un cavo di distribuzione di energia elettrica e, in particolare, un sistema di cavo di distribuzione di energia elettrica concepito in unione con sistemi di pompaggio atti ad essere sommersi o sommergibili che sono impiegati in ambienti di fori di pozzi a temperatura estremamente alta.

SFONDO DELL’INVENZIONE

Sistemi di pompaggio sommergibili sono impiegati in un'ampia varietà di ambienti. Una applicazione esemplificativa include l'impiego di un sistema di pompaggio sommergibile elettrico disposto entro il foro di un pozzo per pompare un fluido di produzione, come petrolio. Il sistema di pompaggio elettrico sommergibile include, tra altri componenti, un motore sommergibile che alimenta in energia elettrica una pompa sommergibile. Il sistema di pompaggio sommergibile è disposto su un sistema di estensione, come ad esempio un tubo elicoidale o un tubo per produzione, ed energia elettrica è fornita al motore sommergibile mediante un cavo di alimentazione di energia elettrica disposto lungo il sistema di estensione o all'interno di esso.

Talvolta, è desiderabile utilizzare sistemi di pompaggio sommergibili in applicazioni ad alta temperatura. Applicazioni ad alta temperatura, ad esempio, si verificano in pozzi soggetti a invasioni di vapore e in condizioni di da basso ad assenza di flusso. Recupero dei fluidi di produzione in queste aree può esporre il sistema di pompaggio sommergibile, ivi compreso il cavo di distribuzione di energia elettrica, a temperature superiori a 600° Fahrenheit, e sino a o oltre 1.000° Fahrenheit.

Un problema associato a sistemi esistenti è l'incapacità dei cavi di distribuzione di energia elettrica e delle connessioni dei cavi di distribuzione di energia elettrica di sopportare queste alte temperature. Tipicamente, un convenzionale cavo di distribuzióne di energia elettrica ed il connettore, cioè "pothead", utilizzato per accoppiare il cavo di distribuzione di energia elettrica al motore elettrico, sono limitati ad una temperatura massima di approssimativamente 450° Fahrenheit. Temperature superiori a questo livello portano al degrado dei materiali del cavo e del connettore. Questo degrado può spesso determinare rottura del cavo di distribuzione di energia elettrica.

Tentativi precedenti di adattare sistemi di pompaggio sommergibili ad ambienti ad alta temperatura si sono focalizzati sull'impiego di nuovi elastomeri sia nella struttura del cavo che in quella del connettore. Sinora, tuttavia, questi tentativi non hanno fornito un sistema in grado di sopportare applicazioni ad alta temperatura, qui definite come applicazioni in cui il cavo di distribuzione di energia elettrica e/o il connettore sono esposti a temperature superiori a 450° Fahrenheit (232, 2°C).

Sarebbe vantaggioso creare un sistema di pompaggio sommergibile per l'applicazione in ambienti ad alta temperatura.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione fornisce un sistema di pompaggio sommergibile che può essere posizionato in un foro di un pozzo per pompare un fluido disposto in una formazione sotterranea. Il sistema include un sistema di pompaggio elettrico sommergibile avente un motore ed una pompa azionata dal motore. Addizionalmente, un sistema di posizionamento o distensione è accoppiato al sistema di pompaggio elettrico sommergibile per estenderlo entro il foro del pozzo. Un cavo di distribuzione di energia elettrica è disposto lungo il sistema di posizionamento e collegato al motore per fornire energia elettrica ad esso. Il cavo di distribuzione di energia elettrica include almeno tre conduttori che sono individualmente protetti mediante uno strato isolante minerale ed uno strato di guaina metallico.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione, è fornito un cavo di distribuzione di energia elettrica per l'impiego in un ambiente sotterraneo. Il cavo di distribuzione di energia elettrica include una pluralità di conduttori ed uno strato di isolante disposto attorno a ciascuno dei conduttori. Una guaina metallica è pure disposta attorno a ciascun conduttore, ed uno strato di corazzatura racchiude la pluralità di collettori collettivamente. Addizionalmente, un connettore metallico del tipo adatto per il collegamento ad un motore sommergibile è collegato alla pluralità di conduttori. Specificatamente, ciascuna guaina metallica è accoppiata e sigillata al connettore metallico tramite una connessione metallo-a-metallo .

Secondo un altro aspetto della presente invenzione, un sistema sommergibile è concepito per l'impiego in un ambiente sotterraneo. Il sistema include un cavo di distribuzione di energia elettrica ed un motore sommergibile. Il cavo di distribuzione di energia elettrica ha una pluralità di conduttori atti a portare energia elettrica trifase. Uno strato di isolante disposto attorno a ciascuno dei conduttori, e una guaina metallica incamicia ciascuno strato di isolante. Una corazzatura è disposta attorno alla pluralità di conduttori. In corrispondenza della estremità della corazzatura, un connettore forma una tenuta metallo-a-metallo con la guaina metallica attorno a ciascun conduttore. Il connettore è concepito per l'impegno con il motore sommergibile.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L'invenzione sarà successivamente descritta facendo riferimento ai disegni acclusi, in cui numeri di riferimento uguali indicano elementi uguali, e in cui:

la Figura 1 è una vista in alzato frontale di un sistema sommergibile, secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione;

la Figura 2 è una vista prospettica di un cavo di distribuzione di energia elettrica esemplificativo utilizzato nella presente invenzione;

la Figura 3 è un vista prospettica di una forma di realizzazione alternativa del cavo di distribuzione di energia elettrica illustrato in Figura 2;

la Figura 4 è una vista prospettica di un connettore per il cavo di distribuzione di energia elettrica utilizzato nel formare una connessione tra il cavo di distribuzione di energia elettrica ed un motore sommergibile;

la Figura 5 è una vista prospettica di un elemento di accoppiamento esemplificativo impiegato per fissare un conduttore individuale rispetto alla estremità del connettore del cavo di distribuzione di energia elettrica; e la Figura 6 è una vista prospettica di una forma di realizzazione alternativa del sistema illustrato in Figura 4.

Descrizione Dettagliata Della Forma Di Realizzazione Preferita Facendo generalmente riferimento a Figura 1, in essa è illustrato un sistema esemplificativo 10 secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione. Il sistema 10 può avere una varietà di forme e configurazioni, ma include generalmente un apparecchio 11 entro il foro di trivellazione alimentato in energia elettrica mediante un cavo 12 di alimentazione di energia elettrica in grado di sopportare ambienti e/o condizioni di alta temperatura. Per ambienti di alta temperatura si intendono ambienti in cui il sistema 10 o porzioni del sistema 10 sono soggetti a calore superiore a 450° Fahrenheit (232,2°C). Talvolta, gli ambienti ad elevata temperatura possono superare 600°F (315,6°C) sino a ed oltre approssimativamente 1.000°F (537,8°C).

Un apparecchio 11 per l'impiego entro il foro di trivellazione esemplificativo comprende un sistema di pompaggio elettrico sommergibile che può avere una varietà di componenti, in dipendenza dalla particolare applicazione o dal particolare ambiente in cui esso è impiegato. Tipicamente, tuttavia, il sistema di pompaggio elettrico sommergibile include almeno una pompa sommergibile 13, un motore sommergibile 14 ed un dispositivo 6 di protezione del motore.

Nell'esempio specifico illustrato, il sistema 10 è concepito per essere esteso o posizionato in un pozzo 18 entro una formazione geologica 20 contenente fluidi di produzione desiderabili come petrolio. Un foro 22 di pozzo è tipicamente trivellato e rivestito internamente con un rivestimento o tubo 24 del foro del pozzo. Il rivestimento 24 del foro del pozzo include una pluralità di aperture o perforazioni 26 attraverso le quali fluidi di produzione scorrono dalla formazione 20 nel foro 22 del pozzo. In alcune applicazioni, il sistema 10 o componenti del sistema 10 operano in un ambiente di alta temperatura o in condizioni di alta temperatura. Ad esempio, invasione di vapor d'acqua, o condizioni di basso flusso di assenza di flusso possono avere come conseguenza un'operazione a temperatura talmente elevata che sarebbe nociva per un sistema convenzionale. Addizionalmente, il giacimento stesso o addizionale energia elettrica/corrente alimentata attraverso il cavo 12 di alimentazione di energia elettrica può creare condizioni di elevata temperatura. In realtà, l'elevata capacità termica del cavo 12 di distribuzione di energia elettrica e del sistema 10 consente al sistema di manipolare più energia elettrica senza subire il danneggiamento che si verificherebbe in un sistema convenzionale.

Inoltre, il sistema esemplificativo 10 è disteso o posizionato nel foro di trivellazione 22 mediante un sistema di estensione 28 che può avere una varietà di forme e configurazioni. Ad esempio, il sistema di distensione 28 può comprendere tubo, come tubo elicoidale o tubo di produzione, collegato alla pompa 13 mediante un connettore 32. Energia elettrica è fornita al motore sommergibile 14 mediante il cavo 12 di alimentazione di energia elettrica. Il motore sommergibile 14, a sua volta, alimenta in energia elettrica la pompa 13 che aspira fluido di produzione nel sistema di pompaggio attraverso l'aspirazione 36 della pompa. Il fluido è prodotto o spostato alla superficie o ad altra destinazione attraverso il tubo 30. Tuttavia, in altre applicazioni, il fluido di produzione è prodotto attraverso la zona toroidale o annulus intermedia tra il sistema di estensione 30 e il rivestimento 24 del foro del pozzo.

Si deve notare che il sistema 10 illustrato è semplicemente una forma di realizzazione esemplificativa. Altri componenti possono essere aggiunti o sostituiti, e possono essere implementati altri sistemi di estensione o posizionamento. Addizionalmente, una varietà di fluidi di produzione possono essere pompati alla superficie o ad altre zone desiderate. In una qualsiasi di queste configurazioni, la struttura singolare del cavo 12 di distribuzione di energia elettrica ed il suo accoppiamento all'apparecchio 11 entro il foro di trivellazione consentono l'impiego di questi sistemi in ambienti ad alta temperatura che sarebbero diversamente proibitivi.

Il cavo 12 di distribuzione di energia elettrica è un cavo per alte temperature accoppiato al motore sommergibile 14 in corrispondenza del connettore 40, talvolta chiamato "pothead" o testa di connettore. Il connettore 40, come il cavo 12 di distribuzione di energia elettrica è concepito per sopportare ambienti di alta temperatura.

Due forme di realizzazione alternative esemplificative del cavo 12 di distribuzione di energia elettrica sono illustrate nelle Figure 2 e 3. Tuttavia, possono essere utilizzate una varietà di altre disposizioni o configurazioni.

Negli esempi illustrati, sono utilizzati una pluralità di conduttori 42, come conduttori di rame. Tre conduttori 42 sono illustrati per portare energia elettrica trifase, ma il numero di conduttori può essere adattato per le applicazioni specifiche.

Un materiale isolante 44 è disposto attorno a ciascun conduttore individuale 42. Il materiale isolante 44 forma preferibilmente uno strato attorno a ciascun conduttore ed è atto a sopportare condizioni o ambienti ad alta temperatura. Un materiale isolante esemplificativo è un isolante minerale, come un isolante di ossido di magnesio. Il materiale isolante 44 disposto attorno a ciascun conduttore 42 è circondato, a sua volta, da una guaina 46. Tipicamente, ciascuna guaina 46 è formata come uno strato individuale attorno a ciascuno strato di materiale isolante 44. La guaina 46 è preferibilmente una guaina metallica formata, ad esempio, da acciaio inossidabile o Inconel™.

Uno strato di corazzatura 48 è disposto attorno al gruppo di conduttori 42, materiali isolanti 44 e guaine metalliche 46 collettivamente. Preferibilmente, la corazzatura 48 è un corazzatura metallica, ed essa può essere applicata, ad esempio, come una corazzatura metallica avvolta in modo elicoidale, come è noto ad un ordinario esperto del ramo. I conduttori 42 e la corazzatura 48 possono essere disposti in una varietà di configurazioni, tra cui la configurazione generalmente piatta di Figura 2 in cui i conduttori 42 sono generalmente allineati e con la configurazione generalmente triangolare illustrata in Figura 3.

facendo generalmente riferimento a Figura 4, in essa è illustrata una vista prospettica ingrandita di una forma di realizzazione del cavo 12 di distribuzione di energia elettrica includente il connettore 40. In questa forma di realizzazione, il connettore 40 include un'estremità 50 d'attacco di alloggiamento di motore ed un'estremità 52 di attacco di conduttori generalmente opposta alla estremità 50. Nella forma di realizzazione esemplificativa, l'estremità di attacco 50 è di configurazione convenzionale concepita per l'impegno con l'alloggiamento di un motore sommergibile, come è noto agli ordinari esperti del ramo. Una pluralità di aperture 54, ad esempio due aperture, possono essere formate attraverso il connettore 40 per accogliere convenzionali elementi di fissaggio (non rappresentati) per fissare il connettore 40 ad un alloggiamento esterno 58 (vedere la Figura 1) del motore sommergibile 14.

Tipicamente, conduttori 42 si estendono attraverso corrispondenti aperture 60 disposte nel connettore 40 e come è illustrato dalle linee tratteggiate in Figura 4. I conduttori 42 possono così essere appropriatamente collegati con il motore sommergibile 14 all'interno dell'alloggiamento esterno 58, come con convenzionali cavi di distribuzione di energia elettrica. Tipicamente, il materiale isolante e la guaina metallica circondante ciascun conduttore 42 si estendono pure almeno parzialmente nel connettore 40 e possono estendersi attraverso il connettore 40 stesso. Ciascuna guaina metallica 46 è fissata saldamente e a tenuta al connettore 40. Preferibilmente, la connessione è una connessione metallo-a-metallo. Nella forma di realizzazione illustrata in Figura 4, ciascuna guaina metallica 46 è accoppiata al connettore 40 mediante un raccordo per tubi 62, come ad esempio un raccordo per tubi Swagelok™.

Com'è inoltre illustrato in Figura 5, ciascun raccordo 62 per tubi include una porzione di corpo 64 avente un'estremità d'attacco 66 concepita per l'attacco al connettore 40. Ad esempio, l'estremità di attacco 66 può includere una regione filettata 68 concepita per l'impegno ad avvitamento con una corrispondente regione filettata 70 (rappresentata schematicamente mediante linee tratteggiate in Figura 5) della corrispondente apertura 60.

Inoltre, la porzione di corpo 64 include una regione 72 di applicazione di coppia che include tipicamente una configurazione esagonale concepita per l'impegno mediante una chiave torsionale appropriata. Ciò consente alla regione filettata 68 di essere ruotata nella e serrata entro la corrispondente regione filettata 70.

La porzione di corpo 64 include pure una estremità di accoppiamento 74 che si estende generalmente nella direzione assialmente opposta dalla regione 72 di applicazione della coppia. L'estremità di accoppiamento 74 include filetti esterni 76 ed una regione rastremata interna 78. La regione rastremata 78 si rastrema radialmente verso l'interno ad una apertura longitudinale 80 che si estende attraverso l'estremità di accoppiamento 74, la regione 72 di applicazione della coppia e l'estremità di attacco 76. L'apertura 80 è preferibilmente dimensionata per ricevere un conduttore 42 ed una corrispondente guaina metallica 46 attraverso di essa.

Il raccordo 62 per tubi include pure una boccola anteriore 82 avente un'apertura longitudinale 84 estendentesi attraverso di essa. La boccola anteriore 82 include pure una superficie esterna rastremata 86 concepita per l'impegno di accoppiamento o coniugato con la regione rastremata 78. Una boccola posteriore 88 è concepita per impegnare la boccola anteriore 82 in opposizione alla superficie rastremata esterna 86.

Un dado 90 è dimensionato per adattarsi sulla boccola posteriore 88 e sulla boccola anteriore 82 per l'impegno con filetti 76 della estremità di accoppiamento 74. Il dado 90 include una regione filettata interna 92 configurata per impegnare saldamente il filetto 76.Addizionalmente, il dado 90 include una estremità di attestatura 94 avente un'apertura centrale 96. L'apertura 96 è dimensionata per consentire il passaggio di una delle guaine metalliche 46 senza consentire il passaggio della boccola posteriore 88. Così, quando il dado 90 viene serrato sulla estremità 74 d'accoppiamento, la boccola posteriore 88 è forzata contro la boccola anteriore 82. Ciò sposta la superficie rastremata esterna 86 contro la regione rastremata interna 78 della estremità di accoppiamento 74. Quando il dado 90 viene serrato in modo continuo, la boccola 82 è forzata verso l'interno lungo la regione rastremata 78 finché la boccola anteriore 82 non forma una solida tenuta metallo-a-metallo tra la guaina metallica 46 e l'estremità di accoppiamento 74.

Un procedimento alternativo per accoppiare il connettore 40 ed i conduttori 42 è illustrato in Figura 6. Come descritto con riferimento a Figura 4, ciascun conduttore assieme al suo corrispondente strato 44 di materiale isolante e alla sua corrispondene guaina metallica 46 è inserito nel e preferibilmente attraverso il connettore 40 attraverso aperture corrispondenti 60. In questa forma di realizzazione, tuttavia, ciascuna guaina metallica 46 è fissata a tenuta al connettore 40 mediante una saldatura 98. A titolo esemplificativo, sia il connettore 40 che la guaina metallica 46 possono essere fatti di un materiale come per esempio Inconel™ oppure acciaio inossidabile. Se è impiegato l'acciaio inossidabile, ciascuna saldatura 98 è formata come una saldatura per acciaio inossidabile appropriata.

Come con la configurazione illustrata in Figura 4, una connessione solida metallo-a-metallo e relativa tenuta è formata tra le guaine metalliche circondanti ciascun conduttore e connettore 40. Ciò consente al cavo 12 di distribuzione di energia elettrica e al suo apparecchio entro il foro di trivellazione associato di essere impiegato in ambienti a temperatura estremamente elevata.

Si deve comprendere che la precedente descrizione è relativa a forme di realizzazione preferite della presente invenzione e che l'invenzione non è limitata alle forme specifiche rappresentate. Ad esempio, il numero di conduttori, i tipi di materiale isolante, la struttura della corazzatura, ed i tipi di metallo possono essere alterati secondo l'applicazione specifica. Addizionalmente, apparecchi per l'impiego entro il foro di trivellazione diversi dai sistemi di pompaggio elettrici sommergibili possono essere combinati con il cavo di distribuzione di energia elettrica resistente al calore per soddisfare i requisiti di varie applicazioni. Queste e altre modifiche possono essere apportate nella struttura e nella disposizione degli elementi senza allontanarsi dall'ambito protettivo dell'invenzione come definito nelle rivendicazioni accluse.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di pompaggio sommergibile che può essere posizionato nel foro di un pozzo per pompare un fluido disposto in una formazione sotterranea, comprendente : un sistema di pompaggio elettrico sommergibile avente un motore ed una pompa azionata dal motore; un sistema di posizionamento accoppiato al sistema di pompaggio elettrico sommergibile; e un cavo di alimentazione di energia elettrica disposto lungo il sistema di posizionamento e collegato al motore per fornire energia elettrica ad esso, il cavo di alimentazione di energia elettrica includendo almeno tre conduttori che sono individualmente protetti da uno strato isolante minerale ed uno strato di guaina metallico.
2. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 1, in cui il cavo di alimentazione di energia elettrica include inoltre una corazzatura che si estende attorno agli almeno tre conduttori collettivamente.
3. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 2, in cui la corazzatura comprende una corazzatura metallica.
4. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 1, in cui lo strato di guaina metallico è disposto radialmente all'esterno dello strato isolante minerale.
5. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 3, in cui lo strato di guaina metallico è disposto radialmente all'esterno dello strato isolante minerale.
6. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 5, in cui gli almeno tre conduttori sono disposti in una configurazione generalmente piatta.
7. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 5, in cui gli almeno tre conduttori sono disposti in una configurazione generalmente triangolare.
8. Sistema di pompaggio sommergibile secondo la rivendicazione 4, in cui lo strato di guaina metallico e lo strato isolante minerale sono disposti adiacenti l'uno all'altro.
9. Cavo di alimentazione di energia elettrica per l'impiego in un ambiente sotterraneo, comprendente : una pluralità di conduttori; uno strato di isolante disposto attorno a ciascuno conduttore della pluralità di conduttori; una guaina metallica pure disposta attorno a ciascun conduttore, della pluralità di conduttori; uno strato di corazzatura disposto attorno alla pluralità di conduttori collettivamente; e un connettore metallico adatto per il collegamento ad un motore sommergibile, in cui ciascuna guaina metallica è accoppiata e sigillata al connettore metallico attraverso una connessione metallo-a-metallo.
10. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 9, in cui il cavo di alimentazione di energia elettrica è atto a sopportare temperature superiori ad approssimativamente 600° Fahrenheit (315,6°C).
11. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 9, in cui lo strato di isolante comprende un isolante minerale.
12. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 11, in cui la guaina comprende una guaina metallica.
13. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 12, in cui lo strato di corazzatura comprende un materiale metallico.
14. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 13, in cui il cavo di alimentazione di energia elettrica è atto a sopportare temperature superiori ad approssimativamente 1.000°F (537,8°C).
15. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 13, in cui la pluralità di conduttori comprende almeno tre conduttori .
16. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 13, in cui la pluralità di conduttori comprende rame.
17. Sistema sommergibile per l'impiego in un ambiente sotterraneo, comprendente: un cavo di alimentazione di energia elettrica avente: una pluralità di conduttori atti a portare energia elettrica trifase; uno strato di isolante disposto attorno a ciascun conduttore della pluralità di conduttori; una guaina metallica incamiciata attorno a ciascuno strato di isolante; una corazzatura disposta attorno alla pluralità di conduttori; e un connettore formante una tenuta metalloa-metallo con la guaina metallica attorno a ciascun conduttore; e un motore sommergibile accoppiato al connettore .
18. Sistema di cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 17, in cui lo strato di isolante comprende un isolante minerale.
19. Sistema di cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre un sistema di pompaggio elettrico sommergibile includente il motore sommergibile accoppiato elettricamente al cavo di alimentazione di energia elettrica.
20. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 19, comprendente inoltre un sistema di posizionamento collegato al sistema di pompaggio elettrico sommergibile.
21. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 18, in cui la corazzatura comprende un materiale metallico.
22. Cavo di alimentazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 21, in cui la pluralità di conduttori sono disposti in un profilo piatto.