XMT interface to Electrical Submersible Pump System

Abstract

Oil is a non renewable source of energy, and with fewer discoveries of new oil fields it is in the interest to the society to utilize the existing fields to the maximum. There are many techniques to improve the recovery factor, and artificial lift is one of them. Electrical submersible pumps (ESP) which is a form for artificial lift has been common onshore for decades, but not in subsea wells. During the last decade ESP reliability has improved considerably and they are now much more interesting for subsea installations. Aker Solutions who is a major manufacturer of subsea equipment wants to have an ESP option within their products.

This thesis has identified the required modifications to Aker Solutions christmas tree to facilitate the use of ESP. The ESP itself is mounted down in the well and the electrical power has to go from topside and down to the ESP through the christmas tree. The largest ESP motors could be up to 1200 hp and requires 4.2 kV and 200 A. The existing feed through system in the christmas tree is for low power applications and sensors. A new solution for high power/ high voltage feed through for powering the ESP is needed.

In this thesis it has been found a route for the electrical power lines through the christmas tree. This includes several electrical connection points inside the christmas tree. Since there is limited with space inside, a new set of electrical connectors had to be made. The maximum connector dimensions are defined and available free space within the christmas tree has been identified. The complete connection system for feeding electrical power through the christmas tree has been developed in this thesis, except for the actual connectors. Aker Solutions has subcontracted this work to “Compagnie Deutsch of France”.

The connection system consists of a modified high pressure debris cap and a modified tubing hanger. The high pressure debris cap has three electrical single pin connectors and works as a giant electrical plug. The high pressure debris cap is lowered onto the christmas tree and three connectors mounted in the tubing hanger mates with the connectors in the high pressure debris cap.

The connection system includes an orientation system to make sure that the connectors are aligned and mate properly. The orientation system consists of two subsystems; one rough orientation and one final orientation. The “high pressure debris cap running and retrieval tool” is used during installation of the high pressure debris cap and is also used as a rough orientation. This orientates the high pressure debris cap with connectors within +/- 3.2° related to the tubing hanger connectors. The final guide system orientates within +-/0.17°, giving a maximum misalignment of the connectors of 0.76mm.

The landing system, consisting of two hydraulic cylinders, ensures a controlled landing of the high pressure debris cap and a controlled mating of the connectors. The system is operated by a remotely operated underwater vehicle (ROV).

The whole system is designed and dimensioned according to ISO and NORSOK standards.

Olje er en ikke fornybar resurs og med stadig færre funn av nye oljefelt er det i samfunnets interesse å utnytte dagens felt maksimalt. Det er mange forskjellige teknikker for å forbedre utnyttelsesgraden av feltet, og elektriske nedsenkbare pumper (ESP) er en av dem. Det har vært vanelig å bruke ESP på landbaserte felt i årtier, men ikke i undervanns felt. I det siste har påliteligheten til ESP økt betraktelig, noe som gjør det mer attraktivt for undervannsinstallasjoner. Aker Solutions er en stor aktør når det gjelder produksjon og utvikling av undervannsutstyr til oljeindustrien og de ønsker muligheten til å montere ESP på deres produkter.

Denne oppgaven har funnet en løsning for å benytte ESP sammen med Aker Solutions sine juletrær (ventiltrær). ESPen er montert i bunn av tubing hangeren ned i brønnen. Motoren kan være opptil 1200 hk og kan kreve opp til 4,6 kV og 200 ampere. Det er trefase motorer, så det kreves tre elektriske ledere. Dagens juletrær har kun muligheten for lavstrøms gjennomføring, og derfor krever en ESP løsning at det utvikles en ny høyspent gjennomføring i juletreet.

En ny løsning for gjennomføring av høyspent er blitt funnet og utviklet. Denne løsningen består av flere elektriske kontakter i juletreet. Siden det er begrenset med plass i juletreet må det utvikles nye kontakter. Spesifikasjonene og ytre dimensjoner av selve kontaktene er blitt definert og sendt til et eksternt firma, ”Compagnie Deutsch of France”, for videreutvikling. Resten av gjennomføringssystemet har blitt utviklet i denne oppgaven.

Gjennomføringssystemet består av et trykktett kapsel og en modifisert tubing henger. I den trykktette kapselen er det montert tre enkelt pinne kontakter, og den fungerer som en gigantisk stikkontakt. Kapselen blir senket ned over juletreet og tre kontakter i tubing hengeren fungerer som et støpsel og parer seg med kontaktene i kapselen. Fra kraft kilden går strømmen inn til kapselen, gjennom kontakten og tubing hengeren og videre ned til ESPen.

For å sørge for at kontaktene i den trykktette kapselen og tubing hengeren er på linje er det utviklet et orienterings system. Orienteringssystemet består av to delsystemer; et grovorienteringssystem og et finorienteringssystem. Grovorienteringssystemet er et verktøy som brukes under installasjon av den trykktette kapselen. Denne orienterer kontaktene med +/-3,2º i forhold til hverandre. Et finorienteringssystem bestående av kiler og kilespor orienter så den trykktette kapselen videre til +/-0,17º. Dette tilsvarer at kontaktene i kapselen og tubing hengeren kan stå maksimalt 0,76mm ut av linje i forhold til hverandre.

Et landingssystem bestående av to hydrauliske sylindere sørger for at den trykktette kapselen med kontakter lander kontrollert og dermed en kontrollert sammenføying av kontaktene. Landingssystemet blir styrt av en ubemannet ubåt (ROV).

Hele systemet og dets komponenter er designet og dimensjonert i henhold til gjeldende ISO og NORSOK standarder.