NO315068B1

NO315068B1 - En innretning for elektrisk kobling

Info

Publication number: NO315068B1
Application number: NO20015521A
Authority: NO
Inventors: Klas Goeran Eriksson; Peder Hansson; Svein Audun Haaheim; Sohrab Yaghmai; Jacob G Hoseth
Original assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-06-30
Also published as: US20050070143A1; EP1451445A1; ATE359431T1; EP1451445B1; US7083452B2; NO20015521L; NO20015521D0; WO2003042499A1; DE60219516D1; BR0214071A

Abstract

En innretning for elektrisk kobling mellom en første (3) og en andre (4) rørseksjon mekanisk koblet til hverandre og som danner et rør innrettet for transport av et fluid. Den første rørseksjon omfatter en første elektrisk vinding (15) og den andre rørseksjon omfatter en andre elektrisk vinding (16). Nevnte første og andre vindinger er innrettet for induktiv kobling mellom den første og den andre rørseksjon.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en innretning for å oppnå elektrisk kobling mellom en første og en andre rørseksjon som er mekanisk koblet til hverandre og som danner et rør innrettet for transport av et fluid. Oppfinnelsen vedrører

også bruk av en slik innretning i en olje- eller gassbrønn.

Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for å overfø-re elektrisk kraft og/eller sensorsignaler mellom en første og en andre rørseksjon mekanisk koblet til hverandre og som danner et rør innrettet for transport av et fluid.

Innretningen og fremgangsmåten er særlig egnet for nedhulls bruk i ethvert oljefelt, offshore så vel som på land, ink-ludert multilaterale brønner med strupeventiler eller instrumentering i grenene.

Kient teknikk

En brønn for produksjon av olje og/eller gass omfatter typisk to konsentriske rør, et indre foringsrør (production casing) og et produksjonsrør (production tubing). Et fluid, typisk olje blandet med vann, gass og sand, strømmer fra en nedre del av brønnen gjennom det indre rør mot toppen av brønnen. Fluider fra flere brønner blir deretter samlet i en rørledning for videre transport til en separator for å separere olje, gass, vann og sand. Brønnen kan være verti-kal, skråttliggende eller med en horisontal seksjon, og kan også inkludere grener i en transvers retning.

Instrumentering, slik som sensorer og laveffektinnretninger for å overvåke brønnforhold under produksjonen av olje og gass, blir vanligvis montert i det ringformede rom mellom det ytre og indre rør, understøttet av det indre rør. Brønninstrumenteringen inkluderer for eksempel trykktrans-mittere, temperaturtransmittere, målere for strømningshas-tighet, tetthetsmålere og målere for vannandel (water cut). Signaler til og fra instrumenteringen i den nedre del av brønnen må overføres til toppen av brønnen og kraftforsy-ning til instrumenteringen må overføres fra toppen til den nedre del av brønnen. Følgelig er det nødvendig med elektriske kabler mellom den nedre del og toppdelen av brønnen. Dette er ikke et problem så lenge det indre rør består av én rørseksjon. Kablene må da monteres i volumet definert mellom det ytre og indre rør.

Det oppstår et problem for å overføre kraft og signaler når røret omfatter to eller flere rørseksjoner mekanisk koblet til hverandre og det er ønskelig å installere instrumentering i den nedre del av brønnen. Et indre rør med en første og en andre rørseksjon blir vanligvis installert i to om-ganger. Den første rørseksjon installeres i den nedre del av brønnen i en første installasjonsrunde. Den øverste endedelen av første installerte seksjon omfatter vanligvis organer for mekanisk kobling til den neste seksjon. I nedhulls applikasjoner omfatter den mekaniske kobling en såkalt "Polished Bore Receptacle", her kalt PBR eller mottaker med polert boring og en korresponderende del, "seal stinger" kalt en tetningsbrodd. PBR-en arrangeres på den øverste del av den første rørseksjon og tetningsbrodden arrangeres på den nedre del av den andre rørseksjonen. Under den neste runde av installasjonen blir den andre rørseksjon installert og den nedre endedel av den andre rørseksjon bringes i kontakt med den øvre endedel av den første rør-seksjon og tetter mot den ved mekanisk kobling.

Siden det er ønskelig å maksimere den indre åpning av tetningsbrodden for en gitt foringsstørrelse, blir rommet mellom de indre og ytre rør trangt. Det er derfor vanskelig å trenge gjennom dem med de nødvendige elektriske kabler for brønninstrumenteringen installert i den nedre del av brøn-nen. En annen vanskelighet som oppstår i forbindelse med kobling av elektrisk kraft og signaler mellom rørseksjoner omfattende en PBR og tetningsspindel er at den aksiale posisjonering av rørseksjonene i forhold til hverandre lett kan variere innen +/- 1 meter. I dag er det slik at hvis brønninstrumentering skal installeres i den nedre del av brønnen, må hele røret installeres i én omgang, ettersom det ikke er noen måte å lage elektriske forbindelser mellom to rørseksjoner nedhulls. Det er ønskelig å være i stand til å installere rørseksjonene i flere operasjoner og opp-rettholde forbindelse med kobling av elektrisk kraft og signaler mellom nevnte seksjoner til instrumentering i den nedre del av brønnen, eller i de laterale grener.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en innretning for å oppnå elektrisk kobling mellom en førs-te og en andre rørseksjon mekanisk koblet til hverandre, som gjør det mulig å sende elektrisk kraft og/eller signaler mellom elektrisk utstyr i en første del av en brønnbo-ring og elektrisk utstyr i en andre del av brønnboringen.

Denne hensikt oppnås ved hjelp av den innledningsvis defi-nerte innretning, hvor den første rørseksjon omfatter en første elektrisk vridning og den andre rørseksjon omfatter en andre elektrisk vridning og nevnte første og andre vridninger er innrettet for induktiv kobling mellom den første og andre rørseksjon og en av vridningene har en vesentlig lengre aksial utstrekning enn den andre vridningen. Siden den elektriske kobling oppnås ved induktiv kobling mellom rørseksjonene, kreves det ingen elektrisk kabel eller konvensjonell elektrisk koblingsforbindelse. I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er nevnte rør innrettet for transport av olje og/eller gass i en brønnboring.

Ifølge en utførelse av oppfinnelsen omfatter den andre rør-seksjon en endedel innrettet for mekanisk kobling til en første rørseksjon og den første rørseksjon omfatter en endedel innrettet for å motta nevnte endedel av den andre rørseksjon, og at den første elektriske vridning er arrangert på nevnte endedel av den første rørseksjon og den andre elektriske vridning er arrangert på nevnte endedel av den andre rørseksjon. Takket være det faktum at vridningene er arrangert i forbindelse med den mekaniske kobling av rør-seksjonene, blir seksjonene elektrisk koblet til hverandre under den mekaniske installasjon av rørseksjonene til hverandre. Ingen ytterligere trinn vil kreves under installasjonen for å oppnå den elektriske kobling mellom rørseksjo-nene.

Ifølge en ytterligere utførelse av oppfinnelsen er de førs-te og andre vridninger innrettet slik at de i det minste delvis overlapper hverandre når den første og andre rør-seksjon er mekanisk koblet til hverandre. Med et slikt arrangement vil den induktive kobling mellom vridningene for-bedres .

Ifølge en ytterligere utførelse av oppfinnelsen er diameteren av endedelen av den første rørseksjon større enn endedelen av den andre rørseksjon og den første vridning er arrangert på innsiden av endedelen av den første rørseksjon og den andre vridning er arrangert på utsiden av endedelen av den andre rørseksjon. Alternativt er diameteren av endedelen av den første rørseksjon mindre enn endedelen av den andre rørseksjon og den første vridning er arrangert på utsiden av endedelen av en første rørseksjon og den andre vridning er arrangert på innsiden av endedelen av den andre rørseksjon. Med et slikt arrangement blir avstanden mellom vridningene liten og derfor vil den induktive kobling mellom vridningene bli forbedret. En annen fordel med dette arrangement er at vridningene er enkle å montere.

Ifølge oppfinnelsen har en av vridningene en vesentlig lengre aksial utstrekning enn den andre vridning. Følgelig vil det være overlapp mellom de to vridninger uansett mindre forskjeller i den aksiale posisjonering mellom rør-seks jonene. Fortrinnsvis vil lengden av den aksiale utstrekning av den lengre vridning vesentlig korrespondere til den aksiale posisjoneringstoleranse for den mekaniske kobling mellom den første og den andre rørseksjon. Lengden av den aksiale utstrekning av den andre vridning er fortrinnsvis i intervallet 1-6 meter. For eksempel kan den lengre vridning plasseres på utsiden av endedelen av den andre rørseksjon, og den kortere vridning kan lokaliseres på innsiden av endedelen av den første rørseksjon. Alternativt kan den lengre vridning være plassert på innsiden av endedelen av den første rørseksjon og den kortere vridning kan være plassert på utsiden av endedelen av den andre rør-seks j on.

Ifølge en ytterligere utførelse av oppfinnelsen er minst én av den første og den andre vridning innfelt i veggen av endedelen av enten den første eller andre rørseksjon. Slik vil vindingene ikke ta opp noe ekstra plass og innretningen vil bli kompakt. Videre kan vindingene beskyttes mot skade under installasjon av rørene ved å dekke dem med et beskyttende ståldekke.

Ifølge en ytterligere utførelse av oppfinnelsen er den første og den andre vinding isolert for å minimalisere påvirkningen av utstrålte felt ved høyere frekvenser.

Ifølge en ytterligere utførelse av oppfinnelsen er innretningen tilpasset for å overføre elektrisk kraft mellom den første og den andre rørseksjon. Fortrinnsvis er innretningen også tilpasset for overføring av signaler mellom den første og den andre rørseksjon for å overvåke og/eller kontrollere forholdene i den nedre del av brønnen.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå bli forklart nærmere ved beskrivelse av forskjellige utførelser av denne og med henvisning til de vedføyde tegningene. Figur 1 viser skjematisk prinsippet for operasjon av den induktive koblingsinnretning ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser en første utførelse av en innretning ifølge oppfinnelsen for elektrisk kobling mellom en første og en andre rørseksjon. Figur 3 viser en andre utførelse av en innretning ifølge oppfinnelsen for elektrisk kobling mellom en første og en andre rørseksjon.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen

Figur 1 viser en undersjøisk brønn for produksjon av olje og/eller gass omfattende to konsentriske rør, et indre rør 1, kalt produksjonsrør {production tubing) og et ytre rør 2, kalt produksjonsforing (production casing) som omgir det indre rør 1. Det indre rør omfatter en første rørseksjon 3 og en andre rørseksjon 4 arrangert på toppen av den første rørseksjonen 3. Den første rørseksjonen 3 omfatter en øvre endedel 6 innrettet for mekanisk kobling til en nedre endedel 7 av den andre rørseksjonen 4. Endedelen 7 av den andre rørseksjonen er konisk, og har en mindre diameter enn den gjenværende rørseksjon 4, og danner en såkalt tetningsbrodd (seal stinger). Endedelen 6 av den første rørseksjonen 3 har en større diameter enn endedelen 7 av den andre ende-seksjon 4. Endedelen 6 er innrettet for å motta endedelen 7 og slik oppnå en mekanisk kobling mellom rørseksjonene. Endedelen 6 danner en såkalt "polished pore receptacle"

(PBR), korresponderende til tetningsbrodden. Når endedelen 7 landes i endedelen 6, vil endedelene 6, 7 i det minste delvis overlappe hverandre.

Det ytre rør 2 omgir det indre rør 1 og definerer en ring-formet bane 9 mellom seg selv og det indre rør 1. En sensor 10, for å overvåke brønnforhold under produksjonen av olje, er plassert i den ringformede bane 9 på et nivå under den mekaniske kobling av rørseksjonene i den nedre del av brøn-nen. Sensoren er for eksempel en trykktransmitter, en tem-peraturtransmitter, en måler for strømningshastighet, et densitometer eller en måler for vannandel. Sensoren 10 sen-der signaler til og mottar signaler og kraft fra et styrings- og overvåkningsutstyr plassert på avstand fra brøn-nen og er ikke vist i figuren. Styrings- og kraftforsy-ningsutstyret er koblet til en første elektrisk kabel 11 arrangert i den ringformede bane 9 over den mekaniske kobling av rørseksjonene. Sensoren 10 er koblet til en andre elektrisk kabel 12.

Den første og den andre elektriske kabel 11, 12 er koblet til hverandre ved hjelp av en induktiv kobler 14 omfattende en første vinding 15 og en andre vinding 16. Den første elektriske kabel 11 er koblet til den andre vinding 16 og den andre kabel 12 er koblet til den første vinding 15. Den første vinding 15 er arrangert i endedelen 6 av den første rørseksjonen 3 og den andre vinding 16 er arrangert i endedel 7 av den andre rørseksjonen 4. Slik omfatter den mekaniske kobler 6, 7 den induktive kobler 13.

Elektrisk kraft overføres til sensoren 10 plassert i det nedre nivå av brønnen, ved å sende vekselstrøm, for eksempel 50 Hz, til den andre vinding 16 via den første elektriske kabel 11. Minst en del av vekselstrømmen er koblet til den første vinding 15 ved induksjon og den induserte strøm sendes til sensoren 10 via den andre elektriske kabel 12 koblet mellom sensoren 10 og den første vinding 15. På samme måte blir signalet fra sensoren 10 overført til sty-ringsutstyret via den induktive kobler 14. Signalene fra sensorene overføres via en frekvensbærebølge, det vil si ved å overlagre et mellomfrekvenssignal (for eksempel 50 KHz) på den lavfrekvente kraftoverføring (for eksempel 50 Hz), og formidle data ved egnet modulasjon av dette mellom-frekvente bærebølgesignalet. En slik induktiv kobler kan derfor overføre både kraft og signaler. Effektiviteten er lavere enn i en konvensjonell transformator, men tilstrek-kelig kraft og signalering kan overføres for laveffektinnretninger og sensorer med begrensede krav til båndbredde. Figur 2 viser et rør med en induktiv kobler ifølge en førs-te utførelse av oppfinnelsen. Røret omfatter en første rør-seksjon 20 og en andre rørseksjon 21 laget av stål. Den første rørseksjon har en endedel 22 innrettet til å motta en endedel 23 av den andre rørseksjon og tette mot den slik at en mekanisk kobling dannes mellom rørseksjonene. Den mekaniske kobling omfatter en konvensjonell nedhulls mottaker med polert boring og en tetningsbrodd. Endedelen 23 av den andre rørseksjon har en mindre diameter enn endedelen 22 av den første rørseksjon og en ytre vegg av endedelen 23 ven-der mot den indre vegg av endedelen 22 når de er mekanisk koblet til hverandre. Den radielle klaring mellom endedelen 22 og 23 er omtrent 5 mm.

En kort vinding 25 er arrangert på innsiden 22 av den førs-te rørseksjon 20. Vindingen 25 er i størrelsesorden 0,05-0,2 meter, for eksempel 0,1 meter. En lang vinding 26 er arrangert på utsiden av endedelen 23 av den andre rør-seksjon 21. Lengden av vindingen er korresponderende til den forventede aksielle posisjoneringstoleranse, for eksempel hvis toleransen er innen +/- 1 meter er vindingen 2 meter lang. Slik vil det være et overlapp mellom de to vindinger uansett den aksielle posisjonering. Vindingene 25 og 26 er innfelt i veggene av endedelene 22 og 23 og dekket av et beskyttende ståldekke 28 og 29, for å beskytte mot skade. Vindingene er isolert for å minimalisere påvirkningen av utstrålte felt på høyere frekvenser.

Kraft og signaler sendes til og fra den andre vinding 26 gjennom elektriske kabler 30 koblet til den andre vinding 26. Kraften og signalene blir induktivt koblet mellom vindingene 25, 26 og overføres til og fra en første vinding 25 gjennom elektriske kabler 31 koblet til den første vinding 25. Signaler og elektrisk kraft kobles mellom vindingene 25 og 26 ved induksjon ved bruk av endedelene 22, 23 av stål-rør seksjonene som transformatorkjerne.

Figur 3 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Arrange-mentet er det samme som i figur 2, unntatt at en lang vinding 40 er arrangert på innsiden av endedelen 22 av den første rørseksjon 20 og en kort vinding 41 er arrangert på utsiden av endedelen 23 av den andre rørseksjon 21. Vindingene 40 og 41 er innfelt i veggene av endedelene 22 og 23.

Dette konsept har blitt testet i laboratoriet ved bruk av virkelige produksjonsrør. En lang vinding, med en lengde av omtrent 1 meter og 400 viklinger, ble festet til innsiden av en mottaker med polert boring av en første rørseksjon og en mindre "pick up"-spole, omtrent 0,2 meter og 30 viklinger ble festet til utsiden av en tetningsbrodd av en andre rørseksjon. Likestrømsmotstand ble målt å være 44,5 ohm for den lange vinding og 0,8 ohm for den korte vinding. Det ble funnet at elektrisk kraft faktisk kan overføres og høyfrek-vente signaler kan overføres, opptil omtrent 500 KHz.

Foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til utførelsene som her er beskrevet, men kan varieres og modifiseres innen omfanget av de etterfølgende krav. I en utførelse av oppfinnelsen blir for eksempel sensoren forsynt med likestrøm og en DC/AC-omformer er koblet før og en AC/DC-omformer er koblet etter den induktive kobler. De samme koblingsprin-sipper kan også benyttes til å gjøre nedhulls elektroniske moduler (DEM) utbyttbare på wirelinje. DEM-en vil da plasseres i en sidelommedor eller tilsvarende med vindinger respektivt i doren og sidelommen.

Claims

1. Innretning for elektrisk kobling mellom en første (3, 20) og en andre {4, 21) rørseksjon mekanisk koblet til hverandre og som danner et rør innrettet for transport av et fluid, hvor den første rørseksjon omfatter en første elektrisk vinding (15, 25, 45) og den andre rørseksjon omfatter en andre elektrisk vinding (16, 26, 41) og nevnte første og andre vindinger er innrettet for induktiv kobling mellom den første og andre rørseksjon, karakterisert ved at en av vindingene (26, 40) har en vesentlig lengre aksial utstrekning enn den andre vindingen (25, 41).

2. Innretning ifølge krav 1, hvorved den andre rørseksjon (4, 21) omfatter en endedel (7, 23) innrettet for mekanisk kobling til den første rørseksjon (3, 20) og den første rørseksjon omfatter en endedel (6, 22) innrettet for å motta nevnte endedel av den andre rørseksjon, karakterisert ved at den første elektriske vinding (15, 25, 40) er arrangert ved nevnte endedel (6, 22) og den første rørseksjon og den andre elektriske vinding (16, 26, 41) er arrangert ved nevnte endedel (7, 23) av den andre rørseksjon.

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at de første (15, 25,

40) og de andre vindinger (16, 26, 41) er innrettet slik at de i det minste delvis overlapper hverandre når den første (3, 20) og den andre (4, 21) rørseksjon er mekanisk koblet til hverandre.

4. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den første rør-seksjon (3, 20) omfatter en første elektrisk kabel (12) og den andre rørseksjon (4, 21) omfatter en andre elektrisk kabel (11) og at nevnte vindinger er innrettet for induktiv kobling mellom den første og den andre elektriske kabel.

5. Innretning ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at diameteren av endedelen (6, 22) av den første rørseksjon er større enn endedelen (7, 23) av den andre rørseksjonen og at den første vinding (15, 25, 40) er arrangert på innsiden av endedelen av den første rørseksjon og den andre vinding (16, 26, 41) er arrangert på utsiden av endedelen (6, 22) av den andre rørseksjonen.

6. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at lengden av den aksiale utstrekning av den lengre vinding er vesentlig korresponderende til den aksiale posisjoneringstoleranse for den mekaniske kobling mellom den første og den andre rør-seksjon.

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at lengden av den aksiale utstrekning av den lengre vinding er i intervallet 0,1-6 meter.

8. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at minst én av den første og den andre vinding er innfelt i veggen til endedelen av enhver av den første eller den andre rørseksjon.

9. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den første og andre vinding er isolert.

10. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen er tilpasset for overføring av elektrisk kraft mellom den første og den andre rørseksjon.

11. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen er tilpasset for overføring av signaler for å overvåke og/eller styre forholdene i røret, mellom den første og den andre rørseksjonen.

12. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte rør er innrettet for transport av olje og/eller gass i en undersjøisk brønn.

13. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at én av vindingene (15, 25, 40) er plassert i en mottaker med polert boring og en annen vinding (16, 26, 41) er plassert i en korresponderende tetningsbrodd.