NO341342B1 - Fast våtkoblingssystem for en elektrisk nedsenkbar pumpe - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen vedrører faste kraftforsyningssystemer i brønner, spesielt hydrokarbonbrønner, hvorved et elektrisk nedsenkbart pumpeoppsett (ESP) kan bli senket til en utplassert posisjon og deretter koblet til kraftforsyningen via en våtkobling, dvs., en elektrisk kobling som kan bli gjort og ugjort i et fluidmiljø i brønnen.

Det er ønskelig at den sentrale passasjen i produksjonsrøret som er installert i en hydrokarbonbrønn skal være fri for kraftkabler for slik å tilveiebringe en uhindret strømningsbane som også kan bli benyttet til introduksjonen av verktøy inn i brønnen. Derfor er det ofte foretrukket å installere en fast kraftforsyning omfattende kabling som er satt fast på røret (slik som produksjonsrøret eller brønnforingen), for eksempel ved festing til den eksterne overflaten av røret, og som ender i en våtkobling via hvilken ESP'en fjernstyrt kan bli tilkoblet kraftforsyningen.

GB2403490 tilkjennegir ett system av denne typen, som omfatter fast kabling som ender i én eller (for trefasestrøm) en samling av tre våtkoblinger som er radialt bevegelige inn i den sentrale passasjen i produksjonsrøret. ESP'en har en tilsvarende samling av våtkoblinger og engasjerer en orienteringsprofil på innsiden av produksjonsrøret for å rotere den til den korrekte posisjonen der de respektive koblingene engasjeres sammen for å koble ESP'en til hver respektiv leder i kraftforsyningen. I andre systemer omfatter ESP'en en radialt, utad bevegelig kobling som engasjerer en fast kobling på røret.

Videre viser US 2011/0030972 og US 2010/0206577 teknikk som er av relevans for oppfinnelsen.

Fast kabling er generelt pålitelig, der de fleste feilene forekommer i ESP'en som enkelt kan bli hentet tilbake og utplassert på nytt. Dersom den faste kablingen eller våtkoblingen svikter kan de imidlertid ikke bli reparert uten å hente røret de er festet til opp til overflaten, slik at systemer av denne typen er kritisk avhengige av integriteten til de faste komponentene.

Det er målet med foreliggende oppfinnelse å redusere denne sårbarheten.

I overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse blir det tilveiebrakt en fremgangsmåte og et apparat som definert i kravene.

En illustrerende utførelsesform vil nå bli beskrevet, kun som eksempel og uten begrensning for omfanget av kravene, og med referanse til de tilhørende tegningene der: Figur IA i langsgående seksjon viser en brønn som er tilpasset utplasseringen av en

ESP,

Figur IB er en forstørret fremstilling av del av figur IA,

Figur 2 viser våtkoblingen på ESP'en rett før den engasjerer den nedre våtkoblingen på røret, Figur 3 A og 3B viser henholdsvis ESP'en før og etter sammensetting i en første konfigurasjon, Figur 4A og 4B viser henholdsvis ESP'en før og etter sammensetting i en alternativ andre konfigurasjon,

Figur 5A viser ESP'en utplassert i brønnen i den første konfigurasjonen,

Figur 5B er en forstørret fremstilling av del av figur 5A,

Figur 6A viser ESP'en utplassert i brønnen i den andre konfigurasjonen, og

Figur 6B er en forstørret fremstilling av del av figur 6A.

Tilsvarende referansenummer indikerer tilsvarende deler på hver av figurene.

Med referanse til figurene IA og IB omfatter en brønn 1 et borehull kledd med en foring 2 koblet til et brønnhode 3 på bakkeoverflaten 4. En kraftforsyning 5 er tilveiebrakt på brønnhodet. Produksj onsrør 20 strekker seg ned på innsiden av foringen fra brønnhodet for å avsluttes på sin åpne nedre ende 21 i regionen for den produktive formasjonen 6, der annulusen (annulusavstanden) 7 mellom produksjonsrøret og foringen er forseglet med en packer 8. Perforeringer 29 i rørveggen 23 i produksjonsrøret forbinder den indre hulrom 24 med annulusen 7 under packeren 8. For enkelhetens skyld er kun enkelte strenger med foring og produksj onsrør vist, selv om det i praksis kan være flere strenger med suksessivt mindre diameter koblet ende til ende.

Med referanse til figur 2 inkluderer produksjonsrøret et våtkoblingsoppsett 30 omfattende første og andre våtkoblinger 31, 31'. Hver våtkobling omfatter minst én fatning, og omfatter i den illustrerte utførelsesformen en gruppe på tre fatninger 32, 32', der hver fatning inneholder en respektiv kontakt 33, 33'. Våtkoblingene er lokalisert i to respektive vinduer 22, 22' i rørveggen 23 på produksjonsrøret, der vinduene er anbrakt ett over det andre slik at våtkoblingene har avstand til hverandre i retningen av den langsgående aksen XI-XI for røret 20. Det øvre vinduet 22' er noe smalere enn det nedre vinduet 22 i omkretsretningen av produksjonsrøret, noe som betyr at det går mot en mindre vinkel om aksen XI-XI. De respektive gruppene med kontakter 33, 33' på de to våtkoblingene er koblet til kraftforsyningen 5 via de respektive, isolerte lederne 34, 34' på to respektive kabler 35, 35' som er festet med klemmer (ikke vist) på produksjonsrøret og strekker seg forseglingsbart gjennom packeren 8 via annulusen 7 til brønnhodet.

Hver av våtkoblingene kan være av enhver passende type som er kjent på fagområdet. Mens våtkoblingene som er permanent installerte i produksjonsrøret for hensiktsmessighetens skyld heretter blir referert til som «festet» for slik å skille dem fra de tilsvarende våtkoblingene på ESP'en, så er det på det rene at de kan være bevegelige, for eksempel sleidbare, eller fremførbare fra en sidelomme inn i hulrommet i røret for slik å engasjere en statisk våtkobling på legemet til ESP'en slik det er kjent på fagområdet, heller enn å være ubevegelig montert med hensyn på rørveggen som vist. I den illustrerte utførelsesformen er hver av de festede våtkoblingene 31, 31' av en konvensjonell hunn-type, der hver fatning er bekledd med avskrapere, eventuelt inneholdende et ikke-ledende fluid, og som huser en fjærbelastet plunger som normalt okkuperer fatningen.

Med referanse til figurene 3 og 4 omfatter ESP'en en sammensetting av generelt sylindriske, modulære deler 42, 45, 46, 48 og 49, som er forbundet sammen ende til ende i retningen av den langsgående aksen X3-X3 av ESP'en ved hjelp av skruede flenser 41.1 eksemplet som er vist er det en enkelt pumpe 42 med et inntak 43 og et utløp 44, der utløpet er tilpasset å være frigjørbart i inngrep ved et hente- og utplasseringsverktøy 50 på en vaierline 51. Pumpen blir drevet av en enkelt elektrisk trefase-motor 45. (I praksis kan ESP'en være en mye lengre sammensetting inkludert flere slike pumpemoduler drevet av et tilsvarende antall motormoduler, der alle er drevet via den samme våtkoblingen).

Den nedre enden av sammensettingen omfatter en orienteringsmodul 46 som har en redusert ekstern diameter, med et orienteringselement 47 som strekker seg radialt utover fra denne for å danne et anlegg på ett punkt på dens omkrets. Sammensettingen inkluderer også en tubulær spacer 48 (en hul komponent uten noen funksjonelle indre deler) og en våtkoblingsmodul 49, som holder den respektive våtkoblingssammensettingen 60 omfattende en enkelt våtkobling 61 som har et oppsett med tre kontakter 62 som omfatter ledende hann-prober, der hver probe har en tilsvarende leder 63.

Våtkoblingen 61 kan bli festet ubevegelig til foringen til ESP'en (og i dette tilfellet kan de festede koblingene bli anbrakt for å beveges radialt innover inn i brønnhullet for å kobles til dette), men i den illustrerte utførelsesformen er den utplassert i en inntrukket posisjon 61' som vist med prikkede linjer på figur 3B og deretter frigjort inne i produksjonsrøret slik at den strekker seg radialt utover til den utvidede posisjonen som vist. Dette kan bli oppnådd på ulike måter slik dette er kjent på fagområdet. Våtkoplingen 61 kan for eksempel være belastet radialt utover med en fjær og holdt tilbake ved kontakt med den indre overflaten 25 av hulrommet i produksjonsrøret. Alternativt kan våtkoblingen 61 være holdt tilbake i den inntrukne posisjonen ved en skjærepinne eller annet element og tvunget mot den utvidede posisjonen ved det hydrostatiske trykket som utøves av fluid i brønnhullet som virker på én side av et stempel med et evakuert kammer på den andre. Skjærepinnen eller annet element svikter ved et forhåndsbestemt trykk tilsvarende omtrentlig mål dybde, for å frigjøre våtkoblingen 61 som da blir holdt tilbake ved kontakt med den indre overflaten 25 i produksjonsrøret ettersom ESP'en fortsetter nedover i brønnen inntil den når det respektive vinduet 22 eller 22'. En liknende mekanisme er beskrevet i GB 2478108 A.

ESP'en kan bli rekonfigurert ved å demontere og selektivt sette den sammen på nytt i enten den første konfigurasjonen som vist på figurene 3A og 3B eller i den andre konfigurasjonen som vist på figurene 4A og 4B for slik å ha en avstand mellom våtkoblingssammensettingen og orienteringselementet ved en variabel avstand Dl, D2 i retningen av den langsgående aksen X3-X3 for ESP'en.

I den første konfigurasjonen (figurene 3A, 3B) er spaceren 48 anbrakt mellom våtkoblingsmodulen 49 og motoren 45 slik at våtkoblingsmodulen er koblet direkte til orienteringsmodulen. Lederne 63 i våtkoblingen er koblet til de respektive viklingene på motoren 45 via en kabel 64 som passerer gjennom den tubulære spaceren 48, men selvfølgelig kan passende interne plugger og fatninger like godt bli benyttet. I denne konfigurasjonen blir en forlengningsblokk 65 festet til våtkoblingen 61 for slik å øke dens bredde i omkretsretningen av produksjonsrøret, noe som betyr å øke vinkelen den antar omkring den langsgående aksen X3-X3 på ESP'en, slik at den kan passe innenfor det bredere, nedre vinduet 22 men ikke det smalere, øvre vinduet 22'.

I den andre konfigurasjonen (figurene 4A, 4B) er spaceren 48 fjernet og erstattet i en posisjon mellom våtkoblingsmodulen 49 og orienteringsmodulen 46 slik at avstanden mellom våtkoblingen og orienteringselementet er redusert men avstanden mellom inntaket og orienteringselementet forblir den samme. I denne konfigurasjonen blir forlengningsblokken 65 også fjernet slik at våtkoblingen 61 kan passe inne i det smalere, øvre vinduet 22'.

Med referanse til figurene IA og IB definerer den indre overflaten 25 i hullet 24 i produksjonsrøret en orienteringsprofil 26 rett over dens åpne nedre ende 21, omfattende et oppad vendt delvis elliptisk fremspring 27 (der halvparten av dette kan sees på tegningene), der den lange aksen X2-X2 for ellipsen heller med hensyn på den langsgående aksen XI-XI for røret. Den elliptiske profilen er nedad forlenget på sitt laveste punkt for å danne en kort vertikal fure 28 mellom to motstående vegger (der én av disse kan sees på tegningene) slik at orienteringsprofilen ligner en omvendt tåre.

Med referanse til figur 2 og figurene 5 A og 5B er ESP'en anbrakt i den første konfigurasjonen og utplassert via brønnhodet 3 og senket ned i hullet 24 i produksjonsrøret på vaierlinen 51. Våtkoblingen 61 blir frigjort på en forhåndsbestemt dybde og blir deretter holdt tilbake ved glidende kontakt med den indre overflaten 25 i produksjonsrøret ettersom ESP'en fortsetter nedover i brønnen. Forlengningsblokken 65 hindrer at våtkoblingen 61 går inn i det øvre vinduet 22' slik at ESP'en fortsetter nedover inntil orienteringselementet 47 griper fremspringet 27 på orienteringsprofilen og fortsetter deretter glidende langs fremspringet inntil den entrer den vertikale furen 28, og orienterer ESP'en ved å rotere den i posisjonen der våtkoblingen 61 kan bevege seg radialt utover for å gå inn i det nedre vinduet 22 innrettet med den festede våtkoblingen 31 på produksjonsrøret som vist på figur 2.

Ettersom orienteringselementet 47 beveger seg nedover furen 28 til den utplasserte posisjonen som vist på figurene 5A og 5B så fortrenger hver hann-probe på våtkoblingen 61 plungeren i den tilsvarende fatningen 32 på den nedre festede vårkoblingen 31 slik at kontaktene 62 engasjerer kontaktene 33, og kobler viklingene på motoren til kraftforsyningen via de respektive lederne 34. Det bemerkes at i den første konfigurasjonen for ESP'en så tilsvarer avstanden Dl mellom våtkoblingen 61 og orienteringselementet 47 slik avstanden Dl' mellom lokaliseringen av orienteringselementet 47 og den nedre festede våtkoblingen 31 når ESP'en er i inngrep med orienteringsprofilen i den utplasserte posisjonen.

I den utplasserte posisjonen er inntaket 43 på pumpen anbrakt rett imot perforeringene 29 i produksjonsrøret, og ESP'en blir forseglet i hullet 24 ved hjelp av en packer 52 slik at det produserte fluidet blir trukket inn i pumpen fra den produktive formasjonen 6 via annulusen 7 under packeren 8 og gjennom perforeringene 29 og inntaket 43 og utstøtt via utløpet 44 gjennom produksjonsrøret til brønnhodet. I alternative utførelsesformer kan selvfølgelig ESP'en og produksjonsrøret være konfigurert for å produsere fluid til overflaten via annulusen 7 over packeren 8 eller på enhver annen hensiktsmessig måte som er kjent på fagområdet.

ESP'en er slik drevet i den utplasserte posisjonen via den nedre festede våtkoblingen 31 men ikke den øvre festede våtkoblingen 31' som tilveiebringer en redundant våtkobling, slik at ESP'en i normal bruk alternativt kan bli drevet fra én av de festede våtkoblingene. I alternative utførelsesformer kan selvfølgelig mer enn to festede våtkoblinger være tilveiebrakt. I den illustrerte utførelsesformen er hver av de festede våtkoblingene forbundet med overflaten via en separat kabel 35, 35' slik at de to redundante koblingene er helt separate, selv om de to eller flere festede våtkoblingene i alternative utførelsesformer kan være forbundet med ulike ledere på samme kabel.

Med referanse til figurene 4A og 4B og figurene 6A og 6B, i tilfellet med svikt i den nedre festede våtkoblingen 31 eller dens kabel 35, så er opphentingsverktøyet 50 koblet til utløpet 44 og ESP'en blir hentet til overflaten via produksjonsrøret 20 og brønnhodet 3 på vaierlinjen 51. Ettersom ESP'en blir hevet fra den utplasserte posisjonen blir våtkoblingen 61 frakoblet fra den nedre festede våtkoblingen før dens krummede øvre overflate engasjerer den øvre kanten av vinduet 22' og gjør at den trekker seg inn i legemet til våtkoblingsmodulen 49.

ESP'en blir deretter demontert på overflaten og deretter satt sammen igjen i den andre konfigurasjonen før den utplasseres på nytt på vaierlinjen til den utplasserte posisjonen som vist, der våtkoblingen 61 på nytt blir koblet til den øvre festede våtkoblingen 31' slik at motoren blir drevet normalt fra kraftforsyningen via de i inngrep med hverandre kontaktene 62, 33' og ikke kontaktene 33 på den sviktede nedre våtkoblingen 31.

Forlengningsblokken 65 blir fjernet slik at våtkoblingen 61 går inn i det øvre vinduet 22' og engasjerer den øvre festede våtkoblingen 31' ettersom orienteringselementet 47 beveger seg nedover orienteringsprofilen for å komme på plass i nøyaktig den samme utplasserte posisjonen som i den første konfigurasjonen. Det bemerkes at i den andre konfigurasjonen så tilsvarer avstanden D2 mellom våtkoblingen 61 og orienteringselementet 47 avstanden D2' mellom lokaliseringen av orienteringselementet 47 og den øvre festede våtkoblingen 31' når ESP'en er i inngrep med orienteringsprofilen i den utplasserte posisjonen som vist.

Ved å omarrangere posisjonen til den tubulære spaceren forblir fordelaktig avstanden D3 fra pumpeinntaket til orienteringselementet også den samme i den andre konfigurasjonen som i den første konfigurasjonen, og det gjør også avstanden D4 fra pumpeutløpet til orienteringselementet, slik at pumpeinntaket er anbrakt i den samme posisjonen i produksjonsrøret, og den samme ESP'en kan enkelt bli utplassert på nytt uten å kreve noen ytterligere tilpasninger og uten å påvirke strømmen av produsert brønnfluid, uavhengig av den spesifikke strømningskonfigurasjonen som benyttes i brønnen.

Oppsummert, i en foretrukket utførelsesform så omfatter et våtkoblingssystem et fast rør med en orienteringsprofil og redundante første og andre festede vårkoblinger, og en ESP som omfatter en våtkobling og et orienteringselement for engasjering av orienteringsprofilen. ESP'en kan for eksempel bli konfigurert på nytt ved å bytte om på dens komponentmoduler for slik å endre posisjonen til dens våtkobling med hensyn på orienteringselementet, hvorved våtkoblingen på ESP'en alternativt kan bli engasjert med én av de festede våtkoblingene når orienteringselementet er i inngrep med orienteringsprofilen i den samme utplasserte posisjonen for ESP'en.

I alternative utførelsesformer kan selvfølgelig mer enn to redundante festede våtkoblinger være tilveiebrakt.

I stedet for en tubulær spacer kan én eller flere funksjonelle moduler slik som en motorbeskyttelse, en motor eller en pumpe selektivt bli anbrakt i den samme posisjonen mellom våtkoblingsmodulen og orienteringsmodulen og fjernet eller omarrangert for å konfigurere ESP'en på nytt som beskrevet ovenfor. Alternativt kan den tubulære spaceren eller andre valgte komponenter blir byttet ut med andre komponenter med ulike dimensjoner. Delene i ESP'en kan også selektivt bli satt sammen på nytt ved å utelate noen deler og sette inn andre deler i sammensettingen for slik å oppnå den andre konfigurasjonen.

I alternative utførelsesformer behøver ikke nødvendigvis røret som omfatter orienteringsprofilen å være produksj onsrør, det kan for eksempel være brønnforingen eller enhver annen rør som er installert i borehullet. Orienteringsprofilen kan være et fremspring, en fure eller ethvert annet trekk av helisk eller enhver annen passende form slik dette er kjent på fagområdet.

I den illustrerte utførelsesformen er det avstand mellom den første og andre festede våtkoblingen 31, 31' i retningen av den langsgående aksen XI-XI for produksjonsrøret. I alternative utførelsesformer kan de ha avstand til hverandre alternativt eller i tillegg i vinkelrelasjon, dvs., rotasjonsmessig omkring aksen XI-XI, og i dette tilfellet kan ESP'en bli konfigurert på nytt ved å separere de respektive modulene og rotere våtkoblingen til den nødvendige vinkelposisjonen med hensyn på orienteringselementet før ny sammensetting. Hver våtkoblingssammensetting kan også omfatte mer enn én våtkobling, der hver våtkobling omfatter et isolert legeme med én eller flere kontakter. I stedet for oppsettet som er vist kan de festede våtkoblingene i alternative utførelsesformer selvfølgelig like godt være av hanntype og den på ESP'en av hunntype.

I alternative utførelsesformer, heller enn å sette de sylindriske delene av ESP'en sammen på nytt, så kan to alternative monteringsposisjoner bli tilveiebrakt for våtkoblingen slik at den kan bli frakoblet og tilkoblet på nytt i an annen posisjon på den ytre foringen.

I den illustrerte utførelsesformen omfatter våtkoblingssammensettingen på ESP'en en enkelt våtkobling som er i inngrep i den utplasserte posisjonen, i den første konfigurasjonen med den minst ene første (nedre) kontakten 33 men ikke den minst ene andre (øvre) kontakten 33' på den festede sammensettingen, og i den andre konfigurasjonen med den minst ene andre (øvre) kontakten 33' men ikke den minst ene første (nedre) kontakten 33 på den festede sammensettingen.

I alternative utførelsesformer kan våtkoblingssammensettingen på ESP'en inkludere en første våtkobling og en andre våtkobling anbrakt med avstand til den første våtkoblingen, og i dette tilfellet kan den første og andre våtkoblingen henholdsvis bli tilkoblet samtidig til den første og andre kontakten på den festede sammensettingen.

I dette tilfellet kan ESP'en være selektivt konfigurerbar ved hjelp av en intern

bryter for selektivt å koble motoren til enten den første eller andre våtkoblingen på ESP'en, der bryteren for eksempel er opererbar ved tilstedeværelsen av en spenning på den andre kontakten på den festede sammensettingen for å koble motoren fra den første våtkoblingen og koble den til den andre.

Alternativt kan for eksempel bryteren være mekanisk opererbar, for eksempel ved hjelp av en bistabil mekanisme som virker på en konvensjonell måte (for eksempel som generelt kjent i lysbrytere med trekksnor). Mekanismen kan for eksempel bli utløst ved glidbart å montere orienteringselementet (eller et annet separat anleggselement) i foringen til ESP'en slik at hver gang ESP'en sendes ned for å bringe det respektive elementet i kontakt med orienteringsprofilen eller en annen anleggsoverflate på røret så blir de respektive elementene beveget glidbart oppover for å hekte den bistabile mekanismen mellom en første posisjon (der motoren er koblet til den første våtkontakten og koblet fra den andre) og en andre posisjon der koblingene er reversert. Et bistabilt elektronisk bryteroppsett kan selvfølgelig bli benyttet i stedet for å hekte koblingen mellom motoren og de to respektive våtkoblingene, og kan for eksempel bli operert ved et signal som genereres av en sensor hver gang ESP'en passerer en magnet eller liknende i røret.

Alternativt kan ESP'en omfatte første og andre våtkoblinger som alternativt og individuelt er koblet til henholdsvis den første og andre kontakten, for eksempel med hensiktsmessige kontrollmidler for å forlenge dem selektivt én av gangen fra en utplassert posisjon til en radialt utad forlenget posisjon. Kontrollmidlet kan være elektrisk eller hydraulisk drevet via en passende leder vaierlinen som ESP'en utplasseres med. Alternativt kan det være mekanisk, ved for eksempel å benytte en bistabil mekanisme av typen som er nevnt ovenfor, hvorved den første og andre våtkoblingen er alternativt og henholdsvis tilbakeholdt eller trukket inn og frigjort eller forlenget. Hver kobling kan bli forlenget eller trukket inn ved lagret fjærkraft, hydraulisk kraft, en elektrisk drevet sylinderspole, motor eller annet element, eller ved anlegg mot en hellende, intern overflate på røret når ESP'en heves eller senkes, slik dette er velkjent på fagområdet. Igjen kan den ikke-mekaniske sensoren bli benyttet for å utløse utplasseringsmekanismen for slik å holde én våtkobling i den inntrukne posisjonen og forlenge den andre.

Fagfolk på området vil enkelt se for seg mange ytterligere tilpasninger innenfor omfanget av kravene.