WO2010141969A2 - Vorrichtung zum verbinden von elektrischen leitungen für bohr- und produktionsanlagen - Google Patents

Vorrichtung zum verbinden von elektrischen leitungen für bohr- und produktionsanlagen Download PDF

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Anton Scheibelmasser
Abdelrhani Lamik
Bouchra Lamik-Thonhauser
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Advanced Drilling Solutions GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/028—Electrical or electro-magnetic connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/62—Means for facilitating engagement or disengagement of coupling parts or for holding them in engagement
    • H01R13/622—Screw-ring or screw-casing

Definitions

  • the invention relates to a device for connecting electrical lines to be screwed together, substantially tubular connecting elements of drill pipes.
  • drilling rigs are sometimes using simple steel tubes without cabling.
  • the tubes are bolted at regular intervals (e.g., 9 meters).
  • mud flushing fluid
  • One of these functions in the prior art is the transmission of data by means of pressure pulses. Since this communication is very slow (e.g., 10 baud), more and more methods have been sought which use other transmission mechanisms (sonar, ground currents, etc.).
  • the most efficient solutions have been presented, which are connected to a wiring of the drill string (electricity, light, etc.). Once the drill pipe is connected by electrical cables or conductive layers, high speed data transmission is possible.
  • Steel pipes must be manufactured or retrofitted with heat-resistant, mud-resistant, pressure-resistant cables without affecting the load-bearing capacity of the drill string and hindering the personnel when screwing the pipes.
  • the electrical connection must be reliable, simple and robust when the pipes are mechanically connected (rotating movement).
  • the biggest challenge in getting an electrical connection which can transmit power and / or data, is the screw movement during the screwing process of the individual drill pipe (pipes).
  • the drilling process due to high pollution and liquids of all kinds, represents a harsh environment. This challenge is to be overcome in order to develop a successful, operational system.
  • a first electrical contact element is fixedly arranged on a connecting element and that on the other connecting element, a second electrical contact element in the direction of rotation of the connecting element is slidably disposed.
  • the construction solves the problem that during the screwing of the two connecting elements, two components of movement occur, namely one in the circumferential direction and one in the axial direction of the connecting elements. Due to the fact that one of the two contact element is movable in the circumferential direction, it may rotate in the production of electrical or galvanic connections between the two contact element with the other connecting element, so that the two connecting elements are connected to each other only via the axial movement component have to.
  • the movable contact element is arranged on a rotatably arranged on the connecting element ring, wherein the ring is preferably an outer ring of a slip ring.
  • Slip rings are proven and robust components in electrical engineering, which can also be used in the present case to compensate for the rotating movement component during the connection of the two connecting elements.
  • the proposed solution is suitable for data transmission in the drill string based on cabled pipes (e.g., steel or CFRP pipes) whose wiring is galvanically connected to the pipe ends.
  • cabled pipes e.g., steel or CFRP pipes
  • the wiring can be done with a two-wire, heat-resistant power cable, which is laid in a protective tube (chemical resistance). On the surface, both electrical energy and data can be fed into this cable. In the case of the rotating drill string this is done with slip rings. In the pipe, this cable is routed to a connection element, which produces a good conductive connection to the next pipe.
  • DC voltage in the mains voltage range can preferably be used for the supply of energy.
  • the adaptation to all possible supply networks takes place once before the feed-in.
  • a carrier frequency system is connected to the electrical lines.
  • a narrow-band OFDM (orthogonal frequency divison multiplex, multi-carrier) method can be used for the supply of the data by means of a carrier frequency system.
  • This method is also known under "Power Line Communication (PLC)”.
  • PLC Power Line Communication
  • Modems using this method are currently being used in remote power supply remote metering or distributed remote communication (DLC) networks. It succeeds over conventional power supply lines without additional cabling information exchange over several kilometers without repeaters with data rates of a few hundred kilobaud.
  • the data is modulated onto the power supply in several carrier frequencies, fed with slip rings in the drill string and transmitted in the rotating drill string via the connecting elements at the pipe ends to the receiving point (consumer, electronic measuring system) in the borehole.
  • the receiving point consumer, electronic measuring system
  • Several such modems can not only receive energy but also data through the connected power supply.
  • Advantages of this problem solution include the fact that the use of PLC modulation does not require separate cabling for data communication. This solution is therefore economical. For the desired drill string length (about 20km) no repeaters are necessary, which solves space or energy problems. Since no separate data cabling is necessary, eliminating additional galvanic contacts on the pipe connections. Since no repeaters are necessary, the necessary amount of energy is reduced so that in an economical choice of the necessary conductor cross-section (eg 4-6mm 2 ) a mains voltage (eg 400V) is sufficient to the required energy (eg 200W) to a ca. 20km to bring distant consumers.
  • a mains voltage eg 400V
  • the presence of a permanent power supply allows the cooling of electronic systems in the drill string and thus allows a larger drilling depth (temperature coefficient in the hole approx. 3.3 ° C / 100m) or longer residence time.
  • Energy and data Supply allows a number of new applications. Limiting the supply voltage to, for example, 400V allows the choice of a standard cable (eg 240 / 400V) and reduces the required isolation distances in the mechanical design of the system components compared to high voltage systems.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention in an explosive
  • FIG. 2 shows the device in the assembled state in section
  • FIG. 3 shows a detail of the device of FIG. 2 on an enlarged scale
  • Fig. 4 shows a part of the device according to the invention
  • FIG. 5 shows a detail of FIG. 4 on an enlarged scale
  • FIG. 6 shows a further part of the device according to the invention
  • FIG. 7 shows another part of the device according to the invention
  • FIG. 11 shows a drill pipe with a box and a pin
  • FIG. 12 shows a detail of the box on the drill pipe of FIG. 11.
  • a device according to the invention which is used for connecting drill pipes 32, for example drill strings in drilling rigs.
  • the device according to the invention comprises a first connecting element 1, which is referred to as a "pin” in the sequence, and a second connecting element 2, which is referred to in the sequence as "box” on.
  • the pin 1 and the box 2 are connected in a manner not shown with drill pipes 32, which may be made for example of steel, CFRP or GRP.
  • the inner diameter of the pin 1 and the box 2 substantially corresponds to the inner diameter of the drill pipe 32, whereas the outer diameter of the pin 1 and the box 2 is larger than the outer diameter of the drill pipe 32.
  • a slip ring 3 and a catch ring 4 are rotatably received, which are surrounded by an outer ring 5 in the assembled state.
  • the diameter of the outer ring 5 is slightly larger than the diameter of pin 1 and box 2 and made of a wear-resistant material, so that it can serve as a wear part, easily replaced can protect pin 1 and box 2 from excessive wear.
  • the pin 1 At its end facing the box 2 6, the pin 1 has a conically tapered outer diameter with an external thread.
  • the box 2, at its end 7 facing the pin 1 has a conically widening inner diameter with the same cone angle and an internal thread. The pin 1 and the box 2 can be screwed together in this way by a few rotations over a relatively long length.
  • the slip ring 3 consists, as shown in Fig. 8 in detail, of an inner ring 8 which is arranged on the pin 1, and an outer ring 9, which is rotatable relative to the inner ring 8 in the circumferential direction. In the axial direction of the outer ring 9 is fixed relative to the inner ring 8.
  • the slip ring 3 is - apart from the below-explained details - otherwise known as known from the prior art.
  • two electrical contact elements in the form of contact pins 10 are arranged in the illustrated embodiment, which are electrically connected to brushes of the outer ring 9. It can be the same number of contact pins 10 as sliding contacts on the slip ring 3 may be present. But it is also possible to provide a particularly secure electrical connection, per sliding contacts, for example, two pins 10 provide. Alternatively, it is also possible to provide more sliding contacts than contact pins 10 by default, in order to provide the possibility of further electrical connections between the pin 1 and the box 2, if required.
  • the catching ring 4 is shown in more detail. He has four through holes 11 for pins 10 in the illustrated embodiment. In addition, it has on the slip ring 3 side facing receptacles 12 (eleven receptacles 12 in the illustrated embodiment) for compression springs 13, which are supported on the end face 14 of the outer ring 9. The compression springs 13 are completely absorbed in the receptacles 12 in the compressed state. On the receptacles 12 and compression springs 13 opposite side a catch pin 15 is slidably mounted in the axial direction against a compression spring, not shown, on the catching ring 4. On the same side on which the catch pin 15 is located, the passage openings 11 are closed by a seal 16, which, however, can be penetrated by the contact pins 10 and after retraction of the contact pins 10, the passage openings 11 also closes again.
  • a seal 16 which, however, can be penetrated by the contact pins 10 and after retraction of the contact pins 10, the passage openings 11 also closes again.
  • a sealing ring 18, for example, an O-ring arranged on the outer circumference of the catching ring 4 on the slip ring 3 side facing on a bead 17, a sealing ring 18, for example, an O-ring arranged.
  • the outer ring 5 is screwed by a thread 21 with the pin 1 and the catching ring 4 lies with its sealing ring 18 on the inside of the outer ring 5 sealingly.
  • a groove 19 in the region under the catching ring 4 is arranged on the pin 1, in which a sealing ring 20, for example an O-ring, is located, which also rests sealingly against the inside of the catching ring 4.
  • a catch opening 22 for the catch pin 15 and on the other hand contact elements in the form of two contact sockets 23. Since only two pins 10 are used in the embodiment shown in the drawings, only two contact sockets 23 are present. In addition to the two contact sockets 23 two more receptacles 24 are arranged, which can be equipped with contact sockets 23 if necessary. In Fig. 3 it can be seen that the contact sockets 23 and the receptacles 24 are also closed by a seal 25, which can also be penetrated by the contact pins 10 and after retraction of the contact pins 10, the contact sockets 23 close again. The seal 25 is not shown in Fig. 7.
  • the seals 16 and 25 are perforable seals and may for example be made of rubber and be provided from the beginning with a perforation, which facilitates the penetration and withdrawal of the contact pins 10, although it must be ensured that the seals 16 and 25 without pins 10 are so dense that no spark or arc can be skipped or ignited when the pins 10 or contact sockets 23 are under tension to minimize any risk of explosion.
  • the seal must prevent the risk of contamination and the ingress of various liquids under the harsh conditions of a drilling process.
  • FIG. 9 shows a section of the box 2, in which a bore 26, which initially leads obliquely outward from the interior of the box 2, and furthermore a bore 27 which branches off in the axial direction and which leads to a recess 28, can be seen in which the contact sockets 23 are received.
  • the contact sockets 23 can be connected to a arranged in the interior of the drill pipe 32 line.
  • Fig. 10 is a section through the pin 1 is shown, in which a bore 29 can be seen, which leads from the interior of the pin 1 to the slip ring, not shown in this drawing.
  • a line arranged in the interior of a drill pipe 32 optionally via a pin 1 in the interior of the bore 28 subsequent, not shown elbow, are also connected to the sliding contacts of the inner ring 8.
  • a pin 1 will be arranged on a drill pipe 32 at one end and a box 2 on the other end, the respective contact elements (contact pins 10 and contact bushes 23) being connected to one another via the electrical line extending inside the drill pipe 32.
  • the screwing together of pin 1 and box 2 takes place according to the invention as follows. In a separate state of pin 1 and box 2, the catching ring 4 is pushed away from the compression springs 13 so far from the outer ring 9, that its bead 17 and its sealing ring 18 rests against an inwardly projecting projection 30 of the outer ring 5.
  • the tips of the contact pins 10 are so far in the catching ring 4 pulled inwards that they are behind the seal 16 and do not penetrate. If the box 2 is inserted over the conical end 6 of the pin 1 and thereby twisted to screw the box 2 to the pin 1, the box 2 comes with its end face 31 first in contact with the catch pin 15, against the force of its compression spring is pushed back into the catching ring 4 and at the latest after a complete rotation of the box 2 into the catching hole 22 engages.
  • the construction solves the problem that during the screwing of the two connecting elements, two components of movement occur, namely one in the circumferential direction and one in the axial direction of the connecting elements. Due to the fact that one of the two contact element is movable in the circumferential direction, it may rotate in the production of electrical or galvanic connections between the two contact element with the other connecting element, so that the two connecting elements are connected to each other only via the axial movement component have to.
  • the compensation of the relative movement of the pin 1 and the box 2 for the preparation of the electrical connection during the Verschraubungsrata can also be done in other ways. Essential is the resolution of the degrees of freedom of movement between the pin 1 and the box 2 in the screw in the circumferential direction and in the axial direction.
  • the position of the one contact element 10, for example the plug position in pin 1, must be aligned with the position of the other contact element 23, eg the socket position in the box 2, during the screwing so that the electrical contact pins engage in the housing meet electrical sockets.
  • This can preferably but not necessarily be done via spring-loaded or electrically or magnetically activated catch pins 15, which are placed on pin 1 or on the box 2 and ensure positioning of the contact pins during Verschraubreaes in the circumferential direction.
  • a drill pipe 32 is shown, to which at one end a pin 1 and at the other end a box 2 are arranged.
  • the drill pipe 32, the pin 1 and the box 2 are made in one piece, which is a possible embodiment.
  • the drill pipe 32, the pin 1 and the box 2 but be separate components, which are firmly connected.
  • a cable pipe 33 can be arranged within the drill pipe 32, which via elbows 34, 35 to the pin 1 and the box 2 or the bores 26, 29 provided therein are connected.
  • elbows 34, 35 to the pin 1 and the box 2 or the bores 26, 29 provided therein are connected.
  • fittings 36 are used, which seal the holes 26, 29 via conical shoulders 37 against the interior of the drill pipe 32.
  • the elbows 34, 35 screwed tight.
  • One or more electrical lines can be laid in this way from the pin 1 to the box 2, without coming into contact with the flushing liquid located inside the drill pipe 32.
  • the electrical connection may e.g. be made by means of slip rings, wherein the electrical transmission between the outer ring and inner ring by means of balls (such as a ball bearing), or by means of two mutually abrasive metal rings (such as a plain bearing) or by means of electrical brushes can take place.
  • balls such as a ball bearing
  • two mutually abrasive metal rings such as a plain bearing
  • a cable to compensate for the rotational movement, e.g. on a cable drum, which is provided with a spiral or coil spring, wound up. It would also be possible, for example, to use a spiral or helical spring itself as an electrical conductor which compensates for the relative movement between the movable contact element and the pin 1 or the box 2.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei elektrischen Leitungen an miteinander verschraubbaren, im wesentlichen rohrförmigen Verbindungselementen (1, 2) von Gestängerohren (32) ist dadurch gekennzeichnet, dass an einem Verbindungselement (1) ein erstes elektrisches Kontaktelement (10) in Drehrichtung des Verbindungselementes (1) verschiebbar angeordnet ist und dass am anderen Verbindungselement (2) ein zweites elektrisches Kontaktelement (23) fest angeordnet ist.

Description

Vorrichtung zum Verbinden von elektrischen Leitungen für Bohr- und Produktionsanlaqen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von elektrischen Leitungen an miteinander verschraubbaren, im wesentlichen rohrförmigen Verbindungselementen von Gestängerohren.
Ein wesentliches Element bei modernen Erdöl-, Erdgas- bzw. Geothermiebohrungen ist die Datenerfassung während des Bohrvorgangs. Das gleiche gilt aber auch für die Konstruktion des Bohrlochs bzw. die anschließende Erdöl-, Gas- bzw. Warmwasserproduktion. Nur durch die Erfassung der jeweiligen, relevanten Messgrößen kann eine Bohrung sicher, effizient und ökono- misch betrieben werden. Ein Problem entsteht allerdings bei der Echzeitdatenübertragung von Messdaten zur Oberfläche der Bohranlage. Aus mehreren Kilometern Tiefe sollen die Daten mit einer hohen Datenrate (z.B. 200kBaud) übertragen werden.
Derzeit werden an Bohranlagen zum Teil einfache Stahlrohre ohne Verkabelung verwendet. Die Rohre werden in regelmäßigen Abständen (z.B. 9 Meter) verschraubt. Auf diese Weise ersteht ein mehrere Kilometer langes Bohrgestänge, an dessen Ende sich der Bohrmeißel befindet. Im Inneren der Rohre befindet sich die Spülflüssigkeit (Mud) die vielerlei Funktionen während des Bohrvorgangs erfüllt. Eine dieser Funktionen ist im Stand der Technik die Übertragung von Daten mittels Druckpulsen. Da diese Kommunikation sehr langsam ist (z.B. 10 Baud) wurden verstärkt Verfahren gesucht, die andere Übertragungsmechanismen verwenden (Sonar, Ströme über das Erdreich etc.). Am effizientesten haben sich Lösungen dargestellt, die mit einer Verkabelung des Bohrgestänges verbunden sind (Strom, Licht etc.). Sobald das Bohrgestänge mittels elektrischer Kabel oder leitfähiger Schichten verbunden ist, ist eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung möglich.
Dabei sind prinzipiell zwei Verfahren möglich. Einige Prototypen arbeiten mit galvanischen Verbindungen zwischen den einzelnen Rohren des Gestänges. Teilweise kommerziell verfügbare Systeme verwenden eine magnetische Kopplung zwischen den Rohren. Die derzeit eingesetzte magnetische Kopplung erlaubt nur die Datenübertragung.
Die Absicht, einen Bohrstrang zu verkabeln stößt auf mehrere Probleme gleichzeitig.
Stahlrohre müssen mit hitzebeständigen, Mud-beständigen, druckbeständigen Kabeln gefertigt bzw. nachgerüstet werden ohne dass die Tragkraft des Bohrstrangs beeinflusst und das Personal beim Verschrauben der Rohre behindert wird.
Um eine Datenübertragung im Bohrstrang zu ermöglichen muss das Problem der elektrischen
Verbindung zwischen den Rohren gelöst werden. Die elektrische Verbindung muss zuverlässig, einfach und robust bei der mechanischen Verbindung der Rohre (drehende Bewegung) her- gestellt werden. Die größte Herausforderung eine elektrische Verbindung zustande zu bringen, die Strom und/oder Daten übertragen kann, ist die Schraubbewegung während des Verschrau- bungsprozesses der einzelnen Bohrgestänge (Rohre). Außerdem stellt der Bohrprozess, durch hohe Verschmutzung und Flüssigkeiten aller Art, eine raue Umgebung dar. Diese Herausforderung soll überwunden werden um ein erfolgreiches, einsatzfähiges System zu entwickeln.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung die eingangs genannten Art dadurch, dass an einem Verbindungselement ein erstes elektrisches Kontaktelement fest angeordnet ist und dass am anderen Verbindungselement ein zweites elektrisches Kontaktelement in Drehrichtung des Verbindungselementes verschiebbar angeordnet ist.
Die Konstruktion löst das Problem, dass bei der Verschraubung der beiden Verbindungselemente zwei Bewegungskomponenten auftreten, nämlich eine in Umfangsrichtung und eine in Achsrichtung der Verbindungselemente. Aufgrund des Umstandes, dass eines der beiden Kontaktelement in Umfangsrichtung beweglich ist, kann es sich bei der Herstellung der elektrischen bzw. galvanischen Verbindungen zwischen den beiden Kontaktelement mit dem anderen Verbindungselement mitdrehen, so dass die beiden Verbindungselemente nur noch über die axiale Bewegungskomponente miteinander verbunden werden müssen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das bewegliche Kontaktelement an einem am Verbindungselement drehbar angeordneten Ring angeordnet, wobei der Ring bevorzugt ein Außenring eines Schleifrings ist. Schleifringe sind in der Elektrotechnik bewährte und robuste Bauteile, die auch im vorliegenden Fall zum Einsatz kommen können, um die drehende Bewegungskomponente während der Verbindung der beiden Verbindungselemente zu kompensieren.
Die vorgestellte Lösung ist für eine Daten- und Energieübertragung im Bohrgestänge basierend auf verkabelten Rohren (z.B. Stahl- oder CFK- bzw. GFK-Rohre) geeignet, deren Verkabelung an den Rohrenden galvanisch verbunden ist.
Die Verkabelung kann mit einem zweiadrigen, hitzebeständigen Spannungsversorgungskabel erfolgen, welches in einem Schutzrohr (chemische Beständigkeit) verlegt wird. An der Oberfläche können in dieses Kabel sowohl elektrische Energie als auch Daten eingespeist werden. Im Fall des drehenden Bohrstrangs erfolgt dies mit Schleifringen. Im Rohr wird dieses Kabel zu einem Verbindungselement geleitet, welches eine gut leitfähige Verbindung zum nächsten Rohr herstellt.
Für die Einspeisung der Energie kann vorzugsweise Gleichspannung im Netzspannungsbereich verwendet werden. Die Anpassung an alle möglichen Versorgungsnetze erfolgt ein Mal zentral vor der Einspeisung.
Zusätzlich zur Datenkommunikation kann auch das Problem der Energieversorgung der Daten- Übertragungselemente (Modem, Repeater, Transceiver etc.) auftreten. Da das Bohrgestänge _ O _
mehrere Kilometer lang werden kann (z.B. 20 km) ist das Problem der Datenübertragung über lange Leitungen zu lösen. Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen (z.B. Feldbussysteme) sind nur für einige 100 Meter ohne Repeater verwendbar. Der Einsatz von vielen Repeatem setzt aber eine ausreichende Spannungsversorgung voraus. Diese ist aber bei großen Distanzen und vielen Repeatern auf Grund der Spannungsabfälle problematisch. Der Einbau von Batterien in die Repeater löst zwar das Problem der Energieübertragung, führt aber zu schlecht wartbaren, unzuverlässigen Systemen (Batteriewechsel, Batterieausfall). Durchaus problematisch ist auch der Einbau von Repeatern in das Bohrgestänge auf Grund des mangelnden Platzes.
Zur Lösung des Problems wird bei der Erfindung vorgeschlagen, dass an die elektrischen Leitungen eine Trägerfrequenzanlage angeschlossen ist.
Für die Einspeisung der Daten mit Hilfe einer Trägerfrequenzanlage kann ein Narrow-Band OFDM (orthogonal frequency divison multiplex, multi carrier) Verfahren verwendet werden. Dieses Verfahren ist auch unter "Power Line Communication (PLC)" bekannt. Modems, die dieses Verfahren verwenden werden zur Zeit in elektrischen Energienetzen zur Fernwartung oder Zählerfernauslesung verwendet (Distributed Line Communication, DLC). Es gelingt damit über herkömmliche Energieversorgungsleitungen ohne Zusatzverkabelung Informationen über mehrere Kilometer ohne Repeater mit Datenraten von einigen hundert Kilobaud auszutauschen.
Mit einem solchen Modem werden die Daten auf die Spannungsversorgung in mehreren Trägerfrequenzen aufmoduliert, mit Schleifringen in den Bohrstrang eingespeist und im drehenden Bohrstrang über die Verbindungselemente an den Rohrenden zur Empfangsstelle (Verbraucher, elektronisches Messsystem) im Bohrloch übertragen. Mehrere solcher Modems können durch die angeschlossene Spannungsversorgung nicht nur Energie, sondern auch Daten empfangen bzw. senden.
Vorteile dieser Problemlösung liegen unter anderem darin, dass durch die Verwendung der PLC Modulation keine getrennte Verkabelung für die Datenkommunikation notwendig ist. Diese Lösung ist daher ökonomisch. Für die erwünschte Bohrstranglänge (ca. 20km) sind keine Repeater notwendig, was Platz- bzw. Energieprobleme löst. Da keine getrennte Datenverkabelung notwendig ist, entfallen zusätzliche galvanische Kontakte an den Rohrverbindungen. Da keine Repeater notwendig sind, wird die notwendige Menge an Energie derart reduziert, dass bei einer ökonomischen Wahl des notwendigen Leiterquerschnitts (z.B. 4-6mm2) eine Netzspannung (z.B. 400V) ausreicht um die geforderte Energie (z.B. 200W) an einen ca. 20km entfernten Verbraucher zu bringen.
Das Vorhandensein einer permanenten Energieversorgung ermöglicht die Kühlung von elektronischen Systemen im Bohrstrang und ermöglicht dadurch eine größere Bohrtiefe (Temperaturko- effizient in der Bohrung ca. 3.3°C/100m) bzw. längere Aufenthaltsdauer. Energie und Daten- Versorgung ermöglicht eine Reihe neuer Anwendungen. Eine Begrenzung der Versorgungsspannung auf z.B. 400V ermöglicht die Wahl eines Standardkabels (z.B. 240/400V) und reduziert die benötigten Isolationsabstände im mechanischen Design der Systemkomponenten im Vergleich zu Hochspannungssystemen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer explosionsartigen-
Darstellung, Fig. 2 die Vorrichtung im zusammengebauten Zustand im Schnitt,
Fig. 3 ein Detail der Vorrichtung vom Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 4 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 5 ein Detail vom Fig. 4 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 6 einen weitern Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 7 einen anderen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 8 einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer explosionsartigen Darstellung,
Fig. 9 einen Schnitt durch einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 10 einen Schnitt durch anderen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 11 ein Gestängerohr mit einer Box und einem Pin und Fig. 12 ein Detail der Box am Gestängerohr von Fig. 11.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, die zum Verbinden von Gestängerohren 32, zum Beispiel von Bohrsträngen bei Bohranlagen, dient. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein erstes Verbindungselement 1 , das in der Folge als "Pin" bezeichnet wird, und ein zweites Verbindungselement 2, das in der Folge als "Box" bezeichnet wird, auf. Der Pin 1 und die Box 2 werden auf nicht dargestellte Weise mit Gestängerohren 32 verbunden, die beispielsweise aus Stahl, CFK oder GFK hergestellt sein können. Der Innendurchmesser des Pin 1 und der Box 2 entspricht im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Gestängerohre 32, wogegen der Außendurchmesser des Pin 1 und der Box 2 größer als der Außendurchmesser der Gestängerohre 32 ist.
Am Pin 1 sind ein Schleifring 3 und ein Fangring 4 drehbar aufgenommen, die im zusammengebauten Zustand von einem Außenring 5 umgeben sind. Der Durchmesser des Außenrings 5 ist geringfügig größer als der Durchmesser von Pin 1 und Box 2 und aus einem verschleißfesten Material hergestellt, so dass er als Verschleißteil dienen kann, der problemlos ausgewechselt werden kann und den Pin 1 und die Box 2 vor einem übermäßigen Verschleiß schützt. An seinem der Box 2 zugewandten Ende 6 weist der Pin 1 einen sich konisch verjüngenden Außendurchmesser mit einem Außengewinde auf. Die Box 2 weist demgegenüber an ihren dem Pin 1 zugewandten Ende 7 einen sich konisch erweiternden Innendurchmesser mit dem gleichen Kegelwinkel und einem Innengewinde auf. Der Pin 1 und die Box 2 können auf diese Weise durch wenige Drehungen über eine relativ große Länge miteinander verschraubt werden.
Der Schleifring 3 besteht, wie Fig. 8 im Detail zeigt, aus einem Innenring 8, der am Pin 1 angeordnet ist, und einem Außenring 9, der gegenüber dem Innenring 8 in Umfangsrichtung verdrehbar ist. In Achsrichtung ist der Außenring 9 gegenüber dem Innenring 8 fixiert. Der Schleifring 3 ist - abgesehen von nachfolgend noch erläuterten Details - im Übrigen wie an sich aus dem Stand Technik bekannt aufgebaut.
Am Außenring 9 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei elektrische Kontaktelemente in Form von Kontaktstiften 10 angeordnet, welche mit Bürsten des Außenrings 9 elektrisch verbunden sind. Es können gleich viele Kontaktstifte 10 wie Schleifkontakte am Schleifring 3 vorhanden sein. Es ist aber auch möglich, um eine besonders sichere elektrische Verbindung zu schaffen, je Schleifkontakte auch beispielsweise zwei Kontaktstifte 10 vorzusehen. Alternativ ist es auch möglich, standardmäßig mehr Schleifkontakte als Kontaktstifte 10 vorzusehen, um bei Bedarf die Möglichkeit weiterer elektrischer Verbindungen zwischen dem Pin 1 und der Box 2 zur Verfügung zu stellen.
In den Fig. 5 und 6 ist der Fangring 4 detaillierter dargestellt. Er weist im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Durchtrittsöffnungen 11 für Kontaktstifte 10 auf. Außerdem weist er auf der dem Schleifring 3 zugewandten Seite Aufnahmen 12 (im dargestellten Ausführungsbeispiel elf Aufnahmen 12) für Druckfedern 13 auf, die sich an der Stirnfläche 14 des Außenrings 9 abstützen. Die Druckfedern 13 werden im zusammengedrückten Zustand vollständig in den Aufnahmen 12 aufgenommen. Auf der den Aufnahmen 12 bzw. Druckfedern 13 gegenüberliegenden Seite ist am Fangring 4 ein Fangstift 15 in Achsrichtung gegen eine nicht dargestellte Druckfeder verschiebbar gelagert. Auf der gleichen Seite, auf der sich der Fangstift 15 befindet, sind die Durchtrittsöffnungen 11 von einer Abdichtung 16 verschlossen, die allerdings von den Kontaktstiften 10 durchdrungen werden kann und nach dem Zurückziehen der Kontaktstifte 10 die Durchtrittsöffnungen 11 auch wieder verschließt.
Am Außenumfang des Fangrings 4 ist auf der dem Schleifring 3 zugewandten Seite auf einem Wulst 17 ein Dichtungsring 18, beispielsweise ein O-Ring, angeordnet. Der Außenring 5 ist über ein Gewinde 21 mit dem Pin 1 verschraubt und der Fangring 4 liegt mit seinem Dichtungsring 18 an der Innenseite des Außenrings 5 dichtend an. Am Pin 1 ist des weiteren noch eine Nut 19 im Bereich unter dem Fangring 4 angeordnet, in welcher ein Dichtungsring 20, beispielsweise ein O- Ring, liegt, der außerdem an der Innenseite des Fangrings 4 dichtend anliegt. Durch das Gewinde - S -
21 und die Dichtungsringe 18 und 20 kann der Raum, in welchem der Schleifring 3 liegt, dicht abgeschlossen werden.
Auf der dem Fangring 4 zugewandten Seite weist die Box 2 einerseits eine Fangöffnung 22 für den Fangstift 15 und andererseits Kontaktelemente in Form von zwei Kontaktbuchsen 23 auf. Da im in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel nur zwei Kontaktstifte 10 verwendet werden, sind auch nur zwei Kontaktbuchsen 23 vorhanden. Neben den beiden Kontaktbuchsen 23 sind noch zwei weitere Aufnahmen 24 angeordnet, welche bei Bedarf mit Kontaktbuchsen 23 ausgestattet werden können. In Fig. 3 ist zu sehen, dass die Kontaktbuchsen 23 und die Auf- nahmen 24 ebenfalls von einer Abdichtung 25 verschlossen sind, die ebenfalls von den Kontaktstiften 10 durchdrungen werden können und nach dem Zurückziehen der Kontaktstifte 10 die Kontaktbuchsen 23 wieder verschließen. Die Abdichtung 25 ist in Fig. 7 nicht dargestellt.
Die Abdichtungen 16 und 25 sind perforierbare Dichtungen und können beispielsweise aus Gummi hergestellt und von Anfang an mit einer Perforation versehen sein, welche das Durchdringen und das Herausziehen der Kontaktstifte 10 erleichtert, wobei allerdings gewährleistet sein muss, dass die Abdichtungen 16 und 25 auch ohne Kontaktstifte 10 so dicht sind, dass kein Funke oder Lichtbogen überspringen oder gezündet werden kann, wenn die Kontaktstifte 10 oder Kontaktbuchsen 23 unter Spannung stehen, um eine allfällige Explosionsgefahr zu minimieren. Außerdem muss die Abdichtung die Gefahr von Verschmutzung und das Eindringen von verschiedensten Flüssigkeiten unter den rauen Bedingungen eines Bohrprozesses verhindern.
In Fig. 9 ist ein Schnitt der Box 2 dargestellt, in dem eine vom Inneren der Box 2 zunächst schräg nach außen führende Bohrung 26 und weiters eine davon abzweigende, in Achsrichtung ausge- richteten Bohrung 27 zu sehen sind, die zu einer Ausnehmungen 28 führen, in der die Kontaktbuchsen 23 aufgenommen sind. Durch diese Bohrungen 26 und 27 und gegebenenfalls ein nicht dargestelltes Kniestück können die Kontaktbuchsen 23 mit einer im Inneren der Gestängerohre 32 angeordneten Leitung verbunden werden. In Fig. 10 ist ein Schnitt durch den Pin 1 dargestellt, in dem eine Bohrung 29 zu sehen ist, die vom Inneren des Pin 1 zum dem in dieser Zeichnung nicht dargestellten Schleifring führt. Auf diese Weise kann eine im Inneren eines Gestängerohres 32 angeordnete Leitung, gegebenenfalls über ein im Inneren des Pin 1 an die Bohrung 28 anschließendes, nicht dargestelltes Kniestück, auch mit den Schleifkontakten des Innenrings 8 verbunden werden.
In der Regel wird an einem Gestängerohr 32 an einem Ende ein Pin 1 und am anderen Ende eine Box 2 angeordnet sein, wobei die jeweiligen Kontaktelemente (Kontaktstifte 10 und Kontaktbuchsen 23) über die im Inneren des Gestängerohres 32 verlaufende elektrische Leitung miteinander verbunden sind. Durch Zusammenschrauben von Gestängerohren 32 über jeweils einen Pin 1 und eine Box 2 kann somit eine entlang des gesamten Bohrstranges verlaufende, durch- gehende elektrische Leitung hergestellt werden. Das Zusammenschrauben von Pin 1 und Box 2 erfolgt erfindungsgemäß wie folgt. In getrennten Zustand von Pin 1 und Box 2 wird der Fangring 4 von den Druckfedern 13 so weit vom Außenring 9 weg gedrückt, dass sein Wulst 17 bzw. dessen Dichtungsring 18 an einem nach innen ragenden Vorsprung 30 des Außenrings 5 anliegt. Da der Außenring 9 axial nicht verschiebbar ist, sind die Spitzen der Kontaktstifte 10 so weit im Fangring 4 nach innen gezogen, dass sie hinter der Abdichtung 16 liegen und diese nicht durchdringen. Wird die Box 2 über das konische Ende 6 des Pin 1 gesteckt und dabei verdreht, um die Box 2 auf den Pin 1 zu schrauben, kommt die Box 2 mit ihrer Stirnfläche 31 zunächst in Anlage an den Fangstift 15, der gegen die Kraft seiner Druckfeder nach hinten in den Fangring 4 gedrückt wird und spätestens nach einer vollständigen Umdrehung der Box 2 in die Fangbohrung 22 einrastet.
Von diesem Moment an werden mit der Box 2 auch der Fangring 4 und über die Kontaktstifte 10 der Außenring 9 mit gedreht. Sobald das Gewinde zwischen Pin 1 und Box 2 zu greifen beginnt, wird der Fangring 4 immer weiter gegen den Außenring 9 gedrückt bis er vollständig an ihm anliegt. Während dieser Bewegung beginnen die spitzen Fangstifte 10 zunächst die Abdichtung 16 und in weiterer Folge die Abdichtung 25 zu durchdringen, bis sie in die Kontaktbuchsen 23 eindringen und eine elektrische Verbindung herstellen. Da der Fangring 4 und die Box 2 durch den Fangstift 15 in Umfangsrichtung exakt zueinander ausgerichtet sind, ist auch ein exaktes Eintreten der Kontaktstifte 10 in die Kontaktbuchsen 23 gewährleistet.
Wenn die Verbindung zwischen Pin 1 und Box 2 wieder getrennt wird, wird beim Auseinanderschrauben von Pin 1 und Box 2 der Fangring 4 durch die Druckfedern 13 vom Außenring 9 weg gedrückt, so dass die Kontaktstifte 10 aus den Kontaktbuchsen 23 herausgezogen werden. Die Druckkraft der Druckfedern 13 muss daher so groß sein, dass sowohl die Reibung der Kontaktstifte 10 in den Kontaktbuchsen 23 und den Abdichtungen 16, 25 als auch die Reibung der Dichtungsringe 18, 20 sicher überwunden werden kann. Die Länge der Kontaktstifte 10 und der Federweg des Fangrings 4 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich der Fangring 4 erst dann von der Stirnfläche 30 der Box 2 löst, wenn die Kontaktstifte 10 so weit zurückgezogen sind, dass sie die Abdichtungen 16, 25 nicht mehr durchdringen, so dass ein sicheres Trennen von Pin 1 und Box 2 gewährleistet ist.
Die Konstruktion löst das Problem, dass bei der Verschraubung der beiden Verbindungselemente zwei Bewegungskomponenten auftreten, nämlich eine in Umfangsrichtung und eine in Achs- richtung der Verbindungselemente. Aufgrund des Umstandes, dass eines der beiden Kontaktelement in Umfangsrichtung beweglich ist, kann es sich bei der Herstellung der elektrischen bzw. galvanischen Verbindungen zwischen den beiden Kontaktelement mit dem anderen Verbindungselement mitdrehen, so dass die beiden Verbindungselemente nur noch über die axiale Bewegungskomponente miteinander verbunden werden müssen. Die Kompensation der Relativbewegung des Pins 1 und der Box 2 zur Herstellung der elektrischen Verbindung während des Verschraubungsprozess kann auch auf andere Weise erfolgen. Wesentlich ist die Auflösung der Freiheitsgrade der Bewegung zwischen dem Pin 1 bzw. der Box 2 bei der Verschraubung in Umfangsrichtung und in Axialrichtung. Es muss durch eine Ein- richtung die Position des einen Kontaktelementes 10, z.B. die Steckerposition im Pin 1 , mit der Position des anderen Kontaktelementes 23, z.B. der Buchsenposition in der Box 2, während der Verschraubung so ausgerichtet werden, dass die elektrischen Kontaktstifte in die elektrischen Buchsen treffen. Dies kann bevorzugt aber nicht zwingend über gefederte oder elektrische oder magnetisch aktivierte Fangstifte 15 erfolgen, die am Pin 1 oder and der Box 2 platziert sind und für eine Positionierung der Kontaktstifte während des Verschraubprozesses in Umfangsrichtung sorgen.
In Fig. 11 ist ein Gestängerohr 32 dargestellt, an dem an einem Ende ein Pin 1 und am anderen Ende eine Box 2 angeordnet sind. Im in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Gestängerohr 32, der Pin 1 und die Box 2 einstückig ausgeführt, was eine mögliche Ausführungsform ist. In der Regel werden das Gestängerohr 32, der Pin 1 und die Box 2 aber separate Bauteile sein, welche fest miteinander verbunden sind.
Um eine elektrische Leitungen innerhalb des Gestängerohrs 32 verlegen zu können kann in einer Ausführungsform der Erfindung innerhalb des Gestängerohrs 32 ein Kabelrohr 33 angeordnet sein, welches über Kniestücke 34, 35 an den Pin 1 und der Box 2 bzw. die darin vorgesehenen Bohrungen 26, 29 angeschlossen sind. In die Bohrungen 26, 29 sind Fittinge 36 eingesetzt, welche die Bohrungen 26, 29 über konusförmige Schultern 37 gegenüber dem Inneren des Gestängerohrs 32 abdichten. In diese Fittinge 36 sind die Kniestücke 34, 35 dicht eingeschraubt.
Eine oder mehrere elektrische Leitungen können auf diese Weise vom Pin 1 zur Box 2 verlegt werden, ohne mit der im Inneren der Gestängerohre 32 befindlichen Spülflüssigkeit in Kontakt zu kommen.
Die elektrische Verbindung kann z.B. mittels Schleifringen hergestellt werden, wobei die elektrische Übertragung zwischen den Außenring und Innenring mittels Kugeln (wie ein Kugellager), oder mittels zwei auf einander schleifenden Metallringen (wie ein Gleitlager) oder mittels elektrischer Bürsten erfolgen kann.
Es ist aber auch möglich, zur Kompensation der Drehbewegung ein Kabel zu verwenden, das z.B. auf einer Kabeltrommel, die mit einer Spiral- oder Schraubenfeder versehen ist, aufgewickelt ist. Es wäre beispielsweise aber auch möglich, eine Spiral- oder Schraubenfeder selbst als elektrischen Leiter zu verwenden, welche die Relativbewegung zwischen dem beweglichen Kontaktelement und dem Pin 1 oder der Box2 kompensiert.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Verbinden von elektrischen Leitungen an miteinander verschraubbaren, im wesentlichen rohrfömnigen Verbindungselementen (1 , 2) von Gestängerohren (32), dadurch gekennzeichnet, dass an einem Verbindungselement (1 ) ein erstes elektrisches Kontaktelement (10) in Drehrichtung des Verbindungselementes (1 ) verschiebbar angeordnet ist und dass am anderen Verbindungselement (2) ein zweites elektrisches Kontaktelement (23) fest angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Kontaktelement (10) an einem am Verbindungselement drehbar angeordneten Ring (9) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (9) ein Außenring eines Schleifrings (3) ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (10) am Ring (9) wenigstens ein in Achsrichtung vom Ring (9) abstehen- der Kontaktstift ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Achsrichtung vor dem Ring (9) ein Fangring (4) angeordnet ist, der eine Durchtrittsöffnung (11 ) für den Kontaktstift (10) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fangring (4) einen vorzugsweise federnd gelagerten Fangstift (15) aufweist, der in eine Fangöffnung (22) am anderen Verbindungselement (2) eingreifen kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fangring (4) in
Längsrichtung des Kontaktstiftes (15) relativ zum Schleifring (2) beweglich ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fangring (4) von einer ersten Stellung, in welcher die Spitze des Kontaktstiftes (10) innerhalb des Fangrings (4) liegt, in eine zweite Stellung, in welcher die Spitze des Kontaktstiftes (10) außerhalb des
Fangrings (4) liegt, beweglich ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fangring (4) von wenigstens einer Feder (13) von seiner ersten Stellung in Richtung zur zweiten Stellung gedrückt wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (11 ) auf der vom Schleifring (2) abgewandten Seite eine Abdichtung (16) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das fest angeordnete Kontaktelement (23) eine Kontaktbuchse ist, die auf der dem anderen Kontaktelement (10) zugewandten Seite eine Abdichtung (25) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (16, 25) eine perforierbare Dichtung, z.B. eine Gummidichtung, ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (9) und der Fangring (4) von einem Außenring (5) umgeben sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (5) einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser der Verbindungselemente (1 , 2) ist.
15. Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungselementen (1 , 2) Bohrungen (26, 27; 29) angeordnet sind, durch welche die elektrischen Leitungen führen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an die elektrischen Leitungen eine Trägerfrequenzanlage angeschlossen ist.
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