EP0605071B1 - Rohrstrang mit Gewinderohren und einer sie verbindenden Muffe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rohrstrang mit Gewinderohren und einer sie verbindenden Muffe gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
• Bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas bzw. bei Gemischen von beiden ist es üblich und bekannt, bei zu schwachem Lagerdruck oder zur Erhöhung der Fördermenge im Bereich der Bohrsohle am Anfang eines Förderrohrstranges eine Turbopumpe bzw. einen Turboverdichter anzuordnen (EP 0480501). Diese kann hydraulisch mittels zugeführter Flüssigkeit oder elektrisch angetrieben werden. Im Falle eines Antriebes durch einen Elektromotor muß die elektrische Energie über Kabel dem Elektromotor zugeführt werden. Zum Einhängen des Kabels bietet sich zunächst naheliegend der freie Querschnitt des Förderrohres an, zumal die Achse der Turbomaschine mit der Achse des Förderrohrstranges fluchtet. Trotzdem erfolgt z. B. wegen der zu erwartenden Abrasion aus sicherheits- aber auch strömungstechnischen Gründen die Einhängung in der Weise, daß das Kabel sich im Ringraum zwischen dem konzentrisch angeordneten Förderrohr- und Futterrohrstrang befindet. Dieser Ringraum, bei den heute zunehmend konzipierten slim-hole-Bohrungen ohnehin eng, wird im Bereich der Verbindungsmuffen extrem verengt, so daß ein wünschenswerter großer Kabelquerschnitt und damit geringe Leistungsverluste nicht zu verwirklichen sind. Darüberhinaus besteht naturgemäß im verengten Bereich der Verbindungen stark erhöhte Gefahr der Kabelbeschädigung bei Kontakten mit bzw. Schlägen gegen die Futterrohr-Innenwand. Weil die Bohrlochteufe mindestens einige hundert Meter, in der Regel mehr als 2000 m, beträgt, kann nicht ausgeschlossen werden, daß sich das Kabel beim Einbau des Rohrstranges verheddert und dabei stark belastet wird und im ungünstigsten Fall sogar abreißen kann oder die Isolierung beschädigt wird.
• In der US-A-4,337,969 ist ein in ein Bohrloch einhängbarer Rohrstrang offenbart, bestehend aus einzelnen Gewinderohren, deren Enden abwechselnd als Muffen- und als Zapfenelement ausgebildet sind. Diese Art der Verbindung wird als Integralverbindung bezeichnet. Zur Bestimmung verschiedener physikalischer Parameter ist im Bereich der Bohrsohle ein Meßgerät angeordnet, das mit einem Meßkabel verbunden ist. Damit das Meßkabel beim Ablassen und Heraufziehen des Meßgerätes nicht beschädigt wird, weist der Rohrstrang einen Kabelschutz auf. Dieser besteht aus zwei von der Mantelfläche des Rohres sich erstreckenden Armen, die durch einen Abstand voneinander einen Kanal für das zu schützende Kabel bilden. Zur Sicherung des Kabels werden in gewissen Abständen U-förmig gebildete Klammern durch zwei Öffnungen des Rohres gesteckt. Das Zapfenelement des jeweiligen Rohres ist als drehbarer Gewindering ausgebildet und das verdrehsichere Ineinanderstecken erfolgt mittels einer Nase, die in einer Nut geführt wird. Zum Festziehen des Gewinderinges sind im Flanschenbereich Ausnehmungen vorgesehen, in die ein passendes Werkzeug hineingesteckt werden kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsmäßigen Rohrstrang mit Gewinderohren und einer sie verbindenden, als separates Teil ausgebildeten Muffe anzugeben, mit dem große Kabelquerschnitte für den elektrischen Antrieb einer Turbopumpe bzw. eines Turboverdichters ermöglicht werden und eine unzulässige Belastung des Kabels verhindert wird.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Muffe, die am Außenmantel mindestens eine in Längsrichtung liegende Nut aufweist. In diese Nut wird das elektrische Kabel hineingedrückt, fixiert und anschließend der Rohrstrang abgelassen. Da man nun nicht erwarten kann, daß alle übereinanderliegende Muffen des Rohrstranges nach dem Verschrauben die gleiche Stellung der Nut in bezug auf die Stellung der jeweils darunter bzw. darüber liegenden Muffe aufweist, wird weiterbildend vorgeschlagen, daß der Außenmantel drei um je 120 Grad versetzt angeordnete Nuten aufweist. Dies bedeutet, daß im ungünstigsten Fall das Kabel um maximal 60 Grad zur vorhergehenden Muffe verdreht ist, d. h. der Biegewinkel des Kabels kleiner als 1^o gehalten werden kann. Diesen Wert kann man mit der Anbringung weiterer Nuten noch verkleinern, aber dafür steigt der Aufwand für die Herstellung der Nuten und der Querschnitt der Muffe wird entsprechend geschwächt. Diese Schwächung kann man zwar durch eine Querschnittsverarößerung ausgleichen, die aber zu Lasten des Platzbedarfes für den Ringspalt zwischen Förderrohr und Futterrohr geht.
• Für extreme Verhältnisse hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Spaltes zwischen Förderrohr und Futterrohr, insbesondere im Bereich der Muffe von beispielsweise 7 mm oder weniger, wie sie bei den aus wirtschaftlichen Gründen zunehmend anzutreffenden slim-hole Bohrungen vorliegen, wird eine spezielle Querschnittsaußenkontur der Muffe vorgeschlagen. Die Außenkontur kann mathematisch durch die Kreisfunktion $$\text{γ(ϕ) =}\frac{\text{Rmax + Rmin}}{\text{2}}\text{+}\frac{\text{Rmax - Rmin}}{\text{2}}\text{(sin 3ϕ)}$$

  

  wiedergegeben werden, wobei der Ursprung des Polarkoordinatensystems im Mittelpunkt der kreisförmigen Innenkontur der Muffe liegt und Rmax den größten und Rmin den kleinsten Abstand der Außenkontur der Muffe von der Muffenachse darstellt. Daraus ergibt sich, daß jeweils gegenüberliegende Radienwerte sich zu einem konstanten Wert - entsprechend der Summe aus größtem und kleinstem Radius - addieren und daß die aufeinanderfolgenden Radien eines Kreissektors von 60^o sich vom größten bis zum kleinsten Radius ändern und im folgenden 60^o Sektor vom kleinsten zum größten Radius. Diese Radienänderung wiederholt sich bei einem vollen Umfang dreimal. Eine andere Form entspricht einer verkürzten Epizykloide mit drei Zweigen (Bronstein-Semendjajew, 4. Auflage B.G. Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1961, Kapitel 11, Seiten 88 bis 92). Diese spezielle Epizykloide mit drei Zweigen wird erzeugt durch einen Punkt, der innerhalb eines Kreises liegt, der gleitungsfrei auf der Außenseite eines anderen Kreises rollt, wobei das Verhältnis des Durchmessers vom abrollenden Kreis zum feststehenden Kreis 1:3 beträgt. Damit die Bedingung erfüllt ist, daß jeder Durchmesserschnitt dieser speziellen Querschnittskontur immer den gleichen bzw. annähernd gleichen Durchmesser aufweist, müssen am Übergang eines Zweiges zum nächsten Zweig die aneinanderstoßenden Kurvenabschnitte eine gemeinsame Tangente bilden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der beschreibende Punkt nahe am Mittelpunkt des abrollenden Kreises liegt. Die zuvor beschriebene Querschnittskontur hat den großen Vorteil, daß bei konstantem Durchmesser für jeden Durchmesserschnitt drei Maxima gebildete werden, in denen eine Nut zur Führung des Kabels anordenbar ist. Dadurch wird weniger Platz benötigt im Vergleich zu einer gleich großen kreisrunden Querschnittskontur. Die Anordnung von drei Nuten hat den Vorteil, daß zum einen der Verdrehwinkel für das Kabel maximal 60 Grad zur nächsten Muffe beträgt und im Fall eines Drehstromantriebes gleichzeitig drei Kabel, jeweils für eine der 3 Phasen, geführt abgehängt werden können. Für übliche Kabel mit rundem Querschnitt, wird vorgeschlagen, den Übergang des Nutgrundes in die Seitenwände abzurunden, so daß der Nutgrund einen Halbkreis bildet. Für aus Platzgründen erforderliche Flachkabel kann diese Abrundung oval, elliptisch oder kreisförmig sein. Durch eine solche Abrundung kann sich das Kabel sauber am Nutgrund anschmiegen und auch im Falle von Relativbewegungen zwischen Kabel und Nutgrund wird das Kabel nicht belastet oder beschädigt. Um ein Herausspringen des Kabels aus der Nut zu verhindern, wird außerdem vorgeschlagen, den offenen Bereich durch eine Leiste abzudecken. Diese Leiste kann beispielsweise aus Kunststoff oder Leichtmetall hergestellt werden und weist an den Seiten Stege mit Kontur aus, so daß die Leiste eingeklipst werden kann. Diese Abdeckung hat auch den Vorteil, daß in dem besonders engen Spalt zwischen dem Außenmantel der Muffe und der Innenseite des Futterrohres die Außenseite des Kabels beim Herablassen des Rohrstranges nicht abgerieben oder beschädigt wird.
• Die Nuten können darüberhinaus für eine formschlüssige Übertragung des Drehmomentes beim Verschrauben der Verbindungen genutzt werden. Dadurch kann das radiale Zusammenpressen im Verbindungsbereich unterbleiben, das bei kraftschlüssiger Übertragung bei Verwendung üblicher Verschraubzangen wegen der geringen Muffenwanddicken von slim-hole-Muffen zu bleibenden Verformungen und damit zur Schädigung der Verbindung durch den Verschraubvorgang führen kann. Die Verschraubzangen müssen dazu mit entsprechenden Backen und Backenführungen ausgestattet werden.
• In der Zeichnung wird der erfindungsgemäße Rohrstrang näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

im Schnitt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rohrstranges

Figur 2

einen hälftigen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3 einer besonderen Ausführungsform

Figur 3

eine Ansicht in Richtung X in Fig. 2

Figur 4

im vergrößerten Maßstab eine abgerundete Nutform

Figur 5

wie Fig. 4, jedoch eine andere Nutform

Figur 6

wie Fig. 5 jedoch mit einer Abdeckung.

• In Figur 1 ist im Schnitt ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rohrstranges dargestellt. Zur Abstützung des Bohrloches gegenüber dem Gebirge 1 ist ein Futterrohr 2 gesetzt, innerhalb dessen der Förderrohrstrang eingehängt ist. Der hier wiedergegebene Ausschnitt zeigt ein Förderrohr 3, das mittels einer Muffe 4 mit dem darüberliegenden, hier nicht dargestellten nächstem Förderrohr verbunden ist. In einem Adapterstück 5, das mit einem Ende mit dem Förderrohr 3 verbunden ist, ist die nur skizzenhaft angedeutete Turbopumpe 6 angeordnet. Der Ringspalt zwischen Förderrohr 3 und Futterrohr 2 ist mit einem Packerelement 7 abgedichtet. Das Ansaugrohr 8 der Turbopumpe 6 ragt in den Bereich der Bohrsohle 9, wobei durch den erzeugten leichten Unterdruck der Turbopumpe 6 das flüssige und/oder gasförmige Medium dem Ansaugrohr 8 zuströmt. In der hier gezeigten Ausführung wird die Turbopumpe 6 durch einen nicht sichtbaren Elektromotor angetrieben. Die Zuführung der elektrischen Energie erfolgt über ein im Ringspalt 10 eingehängtes Kabel 11. Im Muffenbereich 4 wird das Kabel 11 in einer am Außenmantel angeordneten Nut 12 geführt. Diese Führung des Kabels nach oben hin wird fortgesetzt durch die im Rohrstrang darüber liegenden Muffen, die ebenfalls mit einer Nut versehen sind. Vorzugsweise weisen alle Muffen drei um je 120 Grad versetzt angeordnete Nuten 12, 12', 12'' auf. Um einen möglichst großen Kabelgesamtquerschnitt zu erhalten, können drei Kabel 11 gleichzeitig geführt werden, d. h. jedes in einer der drei Nuten 12, 12',12''. Speziell bei Drehstrom ist die Führung jeweils einer Stromphase in einer Nut 12, 12', 12'' vorteilhaft, da das jeweilige Kabel 11 dann nur eine Außenisolierung benötigt und der Leiterquerschnitt nicht durch die ansonsten erforderliche zusätzliche Isolierung der Phasen untereinander verringert wird. Bei der Anordnung von drei Nuten 12, 12', 12'' beträgt der Verdrehwinkel des Kabels 11 von der Muffe 4 zur nächsten Muffe maximal 60 Grad.
• In Figur 2 ist in einem Schnitt und in Figur 3 in einer Draufsicht eine besondere Ausführungsform einer mit Nuten 12, 12', 12'' versehenen Muffe 13 dargestellt. Für den Fall eines extremen Ringspaltes 10 zwischen Förderrohr 3 und Futterrohr 2, insbesondere im Bereich der Muffe 4, wird eine Muffe 13 mit einer in Figur 3 dargestellten Querschnittskontur 14 eingesetzt. Diese Querschnittskontur 14 entspricht geometrisch einer verkürzten Epizykloide mit drei Zweigen. Diese Kontur 14 weist drei Maxima auf, in denen die Nuten 12, 12', 12'' angeordnet sind. Im Übergangsbereich zwischen einem Zweig 15 zum nächsten Zweig 15' haben die beiden aneinanderstoßenden Kurvenabschnitte 16, 16' eine gemeinsame Tangente. Dadurch wird erreicht, daß für jeden Durchmesserschnitt der Durchmesser immer gleich ist.
• Der in Figur 2 dargestellte Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 3 zeigt, daß in diesem Ausführungsbeispiel das Muffengewinde 17 konisch ist und die Muffe 13 im gewindefreien Abschnitt 18 eine Stoßschulter 19 mit 15 Grad Neigung aufweist. Es ist leicht einsehbar, daß für die erfindungsgemäße Führung eines elektrischen Kabels 11 mittels der am Außenmantel angeordneten Nuten 12, 12', 12'' die Art der Ausführung des Gewindes ohne Belang ist. Beispielsweise könnte die Muffe ein zylindrisches Gewinde aufweisen. Der Grad der Ausbuchtung des Maximum richtet sich nach dem Durchmesser des zu führenden Kabels 11, da nach Anbringung der Nuten 12, 12', 12'' noch ausreichend Wandmaterial für die Muffe 13 stehen bleiben muß. Wegen der Kerbwirkung von Nuten 12, 12', 12'' ist es vorteilhaft, den Übergang vom Nutgrund 20 zu den Seitenwänden abzurunden.
• Varianten von Abrundungen sind in den Figuren 4 und 5 im vergrößerten Maßstab dargestellt. Durch das gestrichelt eingezeichnete Kabel 11, 11' kann man erkennen, daß die Anschmiegung besser ist im Vergleich zu einer Rechtecknut 12.
• Figur 6 zeigt ebenfalls in einem vergrößerten Maßstab die Abdeckung des offenen Bereiches einer Nut 24. Diese Abdeckung besteht aus einer Leiste 21, die an den Seiten Stege 22 mit Kontur aufweisen, so daß die Leiste eingeklipst werden kann. Damit wird verhindert, daß beim Einbau des Rohrstranges das Kabel 11 an der Innenwand 23 des Futterrohres 2 abgerieben bzw. beschädigt werden kann.

Claims (7)

1. Rohrstrang mit Gewinderohren (3) und einer sie verbindenden, als separates Teil ausgebildeten Muffe (4), der in ein Bohrloch eingehängt ist zum Fördern eines flüssigen und/oder gasförmigen Mediums, wobei am Anfang des Rohrstranges im Bereich der Bohrsohle (9) eine elektrisch angetriebene Pumpe (6) oder Verdichter angeordnet ist und der Elektromotor über ein im Bohrloch eingehängtes Kabel (11) mit elektrischer Energie gespeist wird,
   wobei
   daß die jeweiligen Muffen (4) des Rohrstranges am Außenmantel drei um je 120° versetzt angeordnete in Längsrichtung liegende Nuten (12,12',12") aufweisen, in der das Kabel (11,11') bzw. die Kabel geführt werden.
2. Rohrstrang nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Querschnittskontur des Außenmantels einer verkürzten Epizykloide mit drei Zweigen entspricht und die Nut (12,12',12") im jeweiligen Maximalbereich der Querschnittskontur angeordnet ist.
3. Rohrstrang nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Querschnittskontur des Außenmantels der Kreisfunktion $$\text{γ(ϕ) =}\frac{\text{Rmax + Rmin}}{\text{2}}\text{+}\frac{\text{Rmax - Rmin}}{\text{2}}\text{(sin 3ϕ)}$$

   

   mit

   Rmax =   größter Abstand der Außenkontur zur Muffenachse

   Rmin =   kleinster Abstand zur Außenkontur zur Muffenachse

   ϕ =   Umlaufwinkel

   entspricht und jeweils gegenüberliegende Radienwerte sich zu einem konstanten Wert - entsprechend der Summe aus größtem und kleinstem Radius - addieren und die Radienänderungen vom größten zum kleinsten Wert während eines Umlaufes sich dreimal wiederholen und bei der die Nut (12, 12', 12'') im jeweiligen Maximalbereich der Querschnittskontur angeordnet ist.
4. Rohrstrang nach Anspruch 2 oder 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß für jeden Durchmesserschnitt der Durchmesser gleich oder angenähert gleich groß ist.
5. Rohrstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der Nutgrund (20) abgerundet in die Seitenwände übergeht.
6. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß jeweils ein Kabel (11, 11') mit einer Drehstromphase in einer Nut (12, 12', 12'') geführt wird.
7. Rohrstrang nach den Ansprüchen 1 bis 5,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der offene Bereich der Nut (24) durch eine einklipsbare Leiste (21) abgedeckt ist.

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