Bohrlochpumpe

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Bohrlochpumpe zur Förderung eines zähen Fluids, z. B. von Erdöl, aus unterirdischen Vorkommen. Die Bohrlochpumpe wird bis zu ihrem Eintauchen in das Fluid bzw. in die fluidführende Bodenschicht in ein Bohrloch abgesenkt. Dabei füllt sie sich mit dem Fluid. Um die Förderung eines zähen Fluids zu erleichtern, wird zur Verringerung der Viskosität eine Lösungsflüssigkeit geringerer Viskosität dem Fluid zugemischt.

Stand der Technik

Solche Bohrlochpumpen gibt es in einer Vielzahl von

Ausführungen. So gelangen über Gestänge oder unmittelbar von einem Elektromotor angetriebene Pumpen wie auch Turbopumpen, also von Turbinen angetriebene Pumpen, zum Einsatz. Eine beispielhafte Turbopumpe ist in der EP-A-0 246 943 beschrieben, bei der die Antriebsflüssigkeit der Turbine dem Fördermedium zur Verringerung der Viskosität zugemischt wird.

Alle genannten bekannten Bohrlochpumpen haben aber den Nachteil gemeinsam, daß bei ihrer Absenkung Fluid in den Einlauf der Bohrlochpumpe eindringt und der Pumpenteil volläuft. Beim Anfahren allein mit dem hochviskosen Fluid vollgelaufenen Bohrlochpumpe ist das Anfahrdrehmoment um ein Mehrfaches größer als das Nenndrehmoment der ein Gemisch aus Fluid und Lösungsflüssigkeit fördernden Bohrlochpumpe. Dies muß bei der Auslegung des Antriebs und der momentübertragenden Teile berücksichtigt werden, um AnlaufSchwierigkeiten der

Bohrlochpumpe zu vermeiden. Die Folge sind ein am Normalbetrieb gemessener überdimensionierter Antrieb und größere Abmessungen, bzw. die Verwendung höherwertiger Werkstoffe zur Beherrschung der höheren Momente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Nachteil abzuhelfen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Bohrlochpumpe zwischen ihrem Einlaß und vor dem eigentlichen Einlaß des Pumpenteils mit einer Absperrvorrichtung versehen wird. Dies hat den Vorteil, daß beim Absenken in das Bohrloch der Pumpenteil verschlossen wird, so daß kein zähes Fluid in die bewegten Teile des Pumpenteils eindringen kann.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 lehrt die hydraulische Betätigung der Absperrvorrichtung durch die Lösungs- flussigkeit. Diese Art der Betätigung hat den Vorteil, daß der Platzbedarf der Betätigungsvorrichtung gering gehalten werden kann.

Die Absperrvorrichtung kann in Form eines hydraulisch betätigten Ventils ausgebildet sein. Es ist insbesondere an ein Ventil gedacht, welches einen rotationssymmetrischen Durchflußquerschnitt aufweist.

Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Ventilen, bei welchen sich während des Öffnens der Absperrkörper in Strömungsrichtung und während des Schließens gegen die Strömungsrichtung bewegt, ist die Weiterbildung nach Anspruch 4 vorteilhaft, bei welcher das Ventil in Strömungsrichtung geschlossen wird. Dabei verstärkt der hydrostatische Druck im Bohrloch die Dichtwirkung des Absperrkörpers, der in seinen Sitz gepreßt wird. Ein wesentlicher Vorteil ist aber,

daß bei dieser Ausführung das Ventil selbstwirkend bei plötzlichem Druckabfall in der Lösungsflüssigkeit, z. B. wegen des Ausfalls der Pumpe an der Oberfläche, abschließt. Es kann im Havariefall kein unverdünntes, zähflüssiges Erdöl in den Pumpenteil gelangen, welches ein Wiederanfahren der Bohrlochpumpe erschwert.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 5 wird das unbelastete Ventil von einem Rückstellmittel geschlossen. Dies kann eine Feder sein. Im unbelasteten Zustand des Hydraulikkolbens, z.

B. beim Einfahren der Bohrlochpumpe, sorgt das Rückstellmittel für einen sicheren Verschluß des Ventils.

Die Weiterbildung nach Anspruch 6 hat den Vorteil, daß die Dichtwirkung der Absperrvorrichtung erhöht wird.

Eine im Anspruch 7 aufgezeigte Turbopumpe als Bohrlochpumpe hat den Vorteil, daß sich die Antriebsflüssigkeit der Turbine gleichzeitig als Lösungsflüssigkeit einsetzen läßt. Die Antriebsflüssigkeit wird unter hohem Druck der Turbine zugeführt, wobei der Druck der Antriebsflüssigkeit von einer Pumpe an der Oberfläche erzeugt wird. Es ist möglich, den Druck zur Betätigung der Absperrvorrichtung an verschiedenen Stellen zu entnehmen. So kann der am Eingang der Turbine anliegende Druck wie auch der am Ausgang der Turbine vorhandene Restdruck verwendet werden. Bei einer mehrstufigen Turbine ist es außerdem möglich, eine Zwischenentnahme nach einer beliebigen Turbinenstufe zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Turbine vorzusehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Diese und andere Eigenschaften, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dargestellt und aus der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das Absperrventil einer Bohrlochpumpe, die

Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung der Bohrlochpumpe in einem Bohrloch mit den Versorgungseinrichtungen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 teilweise dargestellte Bohrlochpumpe weist ein Mantelgehäuse (1) zur Aufnahme verschiedener Module auf. Das Mantelgehäuse (1) ist in seiner Gehäusewand mit Längskanälen (2a, 2b) versehen. Die Längskanäle (2a, 2b) erlauben eine Versorgung der Module mit unter hohem Druck stehender Lösungsflüssigkeit zur Ausführung verschiedenster Funktionen. Bei einer Turbopumpe fließt durch diese Längskanäle (2a, 2b) die Antriebsflüssigkeit der Turbine oder ein teilentspannter Teilstrom derselben, wobei die Antriebsflüssigkeit auch als Lösungsflüssigkeit dient. Ein mögliches Modul ist eine am unteren Ende der Bohrlochpumpe angeordnete Absperrvorrichtung. Das Modul kann ohne großen Aufwand von der übrigen

Bohrlochpumpe abgetrennt werden und ist mit dem Mantelgehäuse (1) verbunden, hier z. B. verschraubt.

Das die Absperrvorrichtung bildende Modul besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Ventilgehäuse (3) , welches im Mantelgehäuse (1) geführt ist, einem Ventilkörper (4) , einer Kolbenstange (5) und einem hydraulischen Stellmechanismus. Der Stellmechanismus wird von einem Hydraulikzylinder (6) gebildet, in dem ein mit der Kolbenstange (5) verbundener hydraulischer Kolben (7) über eine Zuführungsbohrung (8) mit Lösungsflüssigkeit beaufschlagt wird. Der Hydraulikzylinder ist mit einem abgedichteten Deckel (9) versehen und weist in seiner Gehäusewand axiale Kanäle (10) zum Durchlaß des Fluids auf. Der Kolben (7) teilt den vom Hydraulikzylinder (6) und dem Deckel (9) begrenzten Innenraum in zwei Räume. In einem ersten Raum, der der Kolbenstange (5) zugewandt ist,

befindet sich ein Rückstellmittel in Form einer Rückstellfeder (11) , die den Kolben (7) beaufschlagt. Es wäre jedoch auch denkbar, diesen Raum als hydraulisch beaufschlagten Zylinderraum zur Rückstellung des Kolbens auszuführen.

Der Kolben (7) und die Kolbenstange (5) sind abgedichtet. Die Kolbenstange (5) wird über eine mit Spülbohrungen (13) versehene Führung (14) abgestützt. Die Führung (14) weist axiale Bohrungen zum Durchlaß des Fördermediums auf. Die radialen Spülbohrungen vermeiden das Eindringen von

Feststoffen in den Spalt und sichern die Beweglichkeit der Kolbenstange (5) . Spülbohrungen (12) befinden sich auch aus dem gleichen Grund in der Kolbendurchführung des Hydraulikzylinders (6) .

Es ist möglich, die axialen Bohrungen der Führung (14) oder die axialen Kanäle (10) des Hydraulikzylinders (6) durch größere Öffnungen zu ersetzen und die verbleibenden Stege strömungsgünstig zu gestalten. Dadurch kann ein relativ großer Förderquerschnitt erzielt werden.

Die Dichtfläche des Ventilkörpers (4) befindet sich an der dem Kolben (7) zugewandten Seite und findet ihre Entsprechung im Sitz (15) des Ventilgehäuses (3) . Der Sitz (15) entsteht durch eine konische Verjüngung des Ventilgehäuses (3) und kann eventuell auch zusätzlich mit elastischen Dichtungen versehen werden.

Der Ventilkörper (4) ist strömungsgünstig in Form eines Doppelkonus geformt. Durch die geringe ümlenkung der Strömung ist der Durchflußwiderstand besonders gering.

Das Fluid fließt vom Einlaß der Bohrlochpumpe kommend an dem Ventilkörper (4) vorbei und gelangt über die Kanäle (10) zum eigentlichen Einlaß des Pumpenteils.

Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung einer modularen Bohrlochpumpe in einem Bohrloch (16) . Die Bohrlochpumpe besteht aus einem Motor (17) , einen Pumpenteil (18) und der Absperrvorrichtung (19) mit Einlauf (20) . Dem Motor (17) wird über eine Versorgungsleitung (21) von der Oberfläche her Energie zugeführt. Die im Behälter (22) vorhandene Lösungsflüssigkeit wird von einer Pumpe (23) an der Oberfläche (26) über die Leitung (24) in das Bohrloch (16) gepreßt und dem Fluid ganz oder teilweise beigemischt. An der Bohrlochpumpe steht ein Druck zur Verfügung, der sich aus dem hydrostatischen Druck und dem von der Pumpe (23) an der Oberfläche (26) aufgebrachten Druck zusammensetzt. Das Fluid wird über den Einlaß (20) , die Absperrvorrichtung (19) passierend, von dem Pumpenteil (18) angesaugt und über eine Förderleitung (25) an die Oberfläche (26) transportiert, wo es mittels geeigneter Vorrichtungen (27) gesammelt wird. Bei einer Turbopumpe kann die Vesorgungsleitung (21) für die Antriebsflüssigkeit mit der Leitung (24) für die Lösungsflüssigkeit zusammenfallen.

Im folgenden wird die Funktionsweise der im

Ausführungsbeispiel dargestellten Absperrvorrichtung erläutert.

Im Ausgangszustand, also ohne Anschluß der Bohrlochpumpe an versorgende Systeme, wird der Ventilkörper (4) durch die vorgespannte Rückstellfeder (11) in seinen Sitz (15) gedrückt. Somit ist das Ventil geschlossen. Beim Absenken der Bohrloch¬ pumpe in das Bohrloch (16) wirkt ein mit der Tiefe der Absenkung zunehmender hydrostatischer Druck auf den Ventilkörper (4) und preßt diesen immer fester in seinen Sitz (15) . Auf diese Weise wird das Eindringen des zähen Fluids in den Pumpenteil verhindert. Bei Inbetriebnahme der Bohrlochpumpe wird Lösungsflüssigkeit hohen Druckes in die Kanäle (2a, 2b) geleitet und das Ventil öffnet sich. Dabei wird über die Zuführungsbohrung (8) wird der Kolben (7) einseitig mit Druck beaufschlagt und er bewegt sich gegen die

Federkraft und die vom hydrostatischen Druck erzeugte Kraft am Ventilkörper (4) . Der Ventilkörper (4) hebt von seinem Sitz (15) ab und gibt dem Fluid Einlaß in das Pumpenteil (18) .

Beim Abstellen der Pumpe an der Oberfläche (23) liegt am Kolben (7) lediglich der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule der Lösungsflüssigkeit an. Die Federkraft und der auf den Ventilkörper (4) wirkende hydrostatische Druck im Bohrloch (16) schieben nun den Ventilkörper (4) zurück an den Ventilsitz (15) .

Beim Wiederanfahren der Bohrlochpumpe muß das Anfahrdrehmoment des mit dem Gemisch aus Fluid und Lösungsflüssigkeit gefüllten Pumpenteils überwunden werden. Im übrigen laufen die Erststartvorgänge wieder ab.

Zu beachten sind die Kräfteverhältnisse am Ventil. Nach der Montage wird das Ventil durch die Vorspannkraft der Rückstellfeder (11) in den Sitz (15) gedrückt. Wird die Bohrlochpumpe eingeführt, addiert sich zu der Vorspannkraft durch das im Bohrloch vorhandene, unter hydrostatischem Druck stehende Fluid eine auf den Ventilkörper (4) wirkende Kraft und verstärkt die Anpressung im Sitz (15) .

Um das Ventil zu öffnen, wird der Kolben (7) mit

Lösungsflüssigkeit beaufschlagt. Die Lösungsflüssigkeit steht unter Druck, und zwar dem hydrostatischen Druck durch die Flüssigkeitssäule sowie einem Druckanteil, der durch eine Pumpe (23) an der Oberfläche (26) erzeugt wird. Dieser Druck muß eine Kraft größer als die Summe aus der Federkraft, der Rückstellfeder (11) und der Kraft auf den Ventilkörper (4) erzeugen. Der Druckanteil und der Kolbenquerschnitt sind dementsprechend auszulegen.

Der Betrieb bei geöffnetem Ventil setzt voraus, daß die Öffnungskräfte größer als die Schließkräfte sind und bleiben. Da auf den Ventilkörper (4) nun aber Kräfte sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung wirken, verringert sich die zur Öffnung nötige Kraft am Kolben (7) und der zur Öffnung bereitgestellte Druck ist in jedem Falle ausreichend, um die Öffnung des Ventils aufrechterhalten.

Um das Ventil bei gefüllter Bohrlochpumpe zu schließen, wird der durch die Pumpe (23) an der Oberfläche (26) erzeugte Druckanteil in der Lösungsflüssigkeit verringert bzw. aufgehoben. Die Federkraft der Rückstellfeder (11) muß zusammen mit der durch den hydrostatischen Druck im Bohrloch hervorgerufenen Oberflächenkraft am Ventilkörper (4) größer sein als die durch den hydrostatischen Druck der

Lösungsflüssigkeit im Kolben (7) hervorgerufene Kraft, um das Ventil in Schließstellung zu bringen. Die Federkraft ist dementsprechend auszulegen.

Zwar wird zum Öffnen des Ventils gegen die Durchströmrichtung eine gegenüber der entgegengesetzten Öffnungsrichtung erhöhte Kraft benötigt, dem steht aber der Vorteil des sicheren Abschließens im Havariefall gegenüber. Dann wird der Kolben (7) nicht mehr mit zusätzlichem Druck beaufschlagt, da über die Pumpe (23) an der Oberfläche (26) kein Druck mehr aufgebaut werden kann. Besonders bei sicherheitsrelevantem Fluid ist ein selbsttätiges Schließen der Bohrlochpumpe bei dem Ausfall oberirdischer Versorgungseinrichtungen von größtem Vorteil.

Die Zumischung der Lösungsflüssigkeit zum Fluid erfolgt nach dem Passieren der Absperrstelle entweder in der Absperrvorrichtung selbst, in einem nachgeschalteten Mischmodul oder in sonstiger Weise.