DE102006025762B3

DE102006025762B3 - Pumpvorrichtung

Info

Publication number: DE102006025762B3
Application number: DE102006025762A
Authority: DE
Inventors: Jörg LENGERT; Roland Lutz; Norbert Weinberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: EP2024576B1; WO2007137927A1; US20090148316A1; DE502007004268D1; ES2346260T3; EP2024576A1; ATE472640T1; US8147217B2; PT2024576E

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung (1) zur Förderung eines Fördermediums (4) aus einer von einem Flurniveau (5) in das Erdinnere führenden Tiefenbohrung (5b), die mindestens abschnittsweise mit einer Bohr-Verrohrung (5a) ausgekleidet ist, mit einer Pumpe (2) und einem die Pumpe (2) antreibenden Motor. Indem der Motor (3) außerhalb der Bohr-Verrohrung (5a) angeordnet und über die Bohr-Verrohrung (5a) seitlich durchdringende Drehmomentübertragungsmittel mit der Pumpe (2) verbindbar ist, kann der Motor (3) vor Überhitzung geschützt und im Störfalle unabhängig von der Pumpe (2) aus der Tiefenbohrung (5b) gezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung zur Förderung eines Fördermediums aus einer von einem Flurniveau in das Erdinnere führenden Tiefenbohrung, die mindestens abschnittsweise mit einer Bohr-Verrohrung ausgekleidet ist, mit einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Motor, der außerhalb der Bohr-Verrohrung angeordnet ist.
Auf dem Gebiet der Bohrtechnik, insbesondere der Tiefenbohrtechnik, zur Förderung von beispielsweise Kohlenwasserstoffen in flüssiger Form und/oder eines Thermalwassers werden Pumpvorrichtungen, insbesondere Tauchpumpen, verwendet. Diese Pumpvorrichtungen sind nach dem Stand der Technik als eine Einheit von Pumpe und einem Motor ausgebildet. Diese Einheit arbeitet in hunderten Metern Tiefe in einer Bohr-Verrohrung und steht damit in direktem Kontakt mit dem Fördermedium, welches beispielsweise als ein kohlenwasserstoffhaltiges Thermalwasser eine hohe Temperatur aufweist. Bedingt durch das, insbesondere bei einer Thermalwasserförderung, heiße Fördermedium und durch eine bei dem Betrieb des Motors entstehende Abwärme, herrscht eine sehr hohe Pumpenbetriebstemperatur und/oder Motorbetriebstemperatur. Eine Lebensdauer der Pumpe und/oder des Motors werden hierdurch negativ beeinflusst. Insbesondere der Motor, welcher die Pumpe antreibt und durch Reibungs- und Feldverluste Abwärme erzeugt, ist bei erhöhter Temperatur des Fördermediums besonders gefährdet. Des Weiteren muss eine Stromversorgung für den Motor durch ein vor mechanischen Beschädigungen und Wasser geschütztes Kabel durch die Bohr-Verrohrung nach unten zur eigentlichen Pumpstelle geführt werden.

Nach dem Stand der Technik sind solche Pumpvorrichtungen derart ausgelegt, dass eine Pumpenmotortemperatur einen kritischen Temperaturwert nicht übersteigen darf. Ein Abstand einer Nenn-Betriebstemperatur zu einer tatsächlichen Betriebs temperatur, ist ein Maß für eine Lebensdauer der Pumpvorrichtungen, insbesondere für den Pumpenmotor. Liegt beispielsweise die tatsächliche Betriebstemperatur oder auch die Umgebungstemperatur bereits über der Nenn-Betriebstemperatur und zudem nahe an dem kritischen Temperaturwert, so wird sich die Lebensdauer der Pumpvorrichtung gegenüber einem Betrieb bei der Nenn-Betriebs-temperatur erheblich verkürzen. Eine Auslegung für einen dauerhaften Betrieb bei Nenn-Betriebstemperatur kann beispielhaft aufgrund folgender Randbedingungen erschwert oder gänzlich unmöglich gemacht werden:

– Das Fördermedium, insbesondere Kohlenwasserstoffe und/oder Thermalwasser, hat bereits eine so hohe Eigentemperatur, dass ein Betrieb bei der Nenn-Betriebstemperatur und der geforderte Abstand zu der kritischen Betriebstemperatur nicht gewährleistet ist.
– Die Anforderung an die Förderleistung der Pumpe ist so hoch, dass die dadurch entstehende Abwärme des Motors in den Bereich der kritischen Temperatur fällt.

Neben der bereits beschriebenen Pumpvorrichtung werden auch so genannte Gestängepumpen verwendet. Solche Gestängepumpen weisen zwar den Vorteil auf, dass die Pumpe tief unten in der Bohr-Verrohrung ihre Arbeit verrichten kann, der zugehörige Motor jedoch über Tage installiert ist. So kann der Motor über Tage relativ unkritisch gegenüber zu hohen Betriebstemperaturen betrieben werden. Da der Motor und die Pumpe mit einem Gestänge mechanisch miteinander gekoppelt sind, hat diese Lösung bei einer Tiefe von ca. 300 m ihre Fördergrenze und/oder ihre mechanische Belastbarkeit erreicht. Eine derartige Pumpvorrichtung ist bereits aus US 1,291,407 bekannt.

Insbesondere ist es nachteilig am Stand der Technik, dass bei einem Ausfall des Motors die komplette Tauchpumpe zur Reparatur oder zum Austausch des Motors aus der Tiefenbohrung gezogen werden muss. In solch einem Schadensfall an der Tauchpumpe kann es zu Stillstandszeiten von 3 bis 4 Tagen kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpvorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere die Förderung eines Fördermediums in einer großen Tiefe mit hohen Umgebungstemperaturen zulässt.

Die Aufgabe wird für die eingangs genannte Pumpvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Motor über die Bohr-Verrohrung seitlich durchdringende Drehmomentübertragungsmittel mit der Pumpe verbindbar ist. Da der Motor nun nicht mehr innerhalb der Bohr-Verrohrung angeordnet ist und dadurch nicht mehr mit dem heißen Fördermedium in Kontakt kommt, kann die Betriebstemperatur des Motors in einem unkritischen Bereich gehalten werden. So ist der Motor vor Überhitzung geschützt und im Stör- oder Wartungsfalle kann er unabhängig von der Pumpe aus der Tiefenbohrung gezogen werden.

Die Verbindung des Motors mit der Pumpe über ein Getriebe ermöglicht es, eine gewünschte Pumpendrehzahl über unterschiedliche Motordrehzahlen einzustellen, wobei die Drehzahlübertragung hinsichtlich eines zu übertragenden Drehmoments optimiert werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden das Getriebe und die Pumpe eine bauliche Einheit. Durch eine derartige kompakte Bauweise, beispielsweise mit einem gemeinsamen Gehäuse, können geringere mechanische Belastungen für beispielsweise einen Antriebsstrang zwischen Pumpe und Getriebe erzielt werden. Dies wiederum lässt bei einer derartigen Ausführung eine größere Leistung zu, wodurch hohe Fördermengen erreicht werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Pumpvorrichtung stehen das Getriebe und die Pumpe über eine längs der Tiefenbohrung verschiebbare Antriebswelle zur Drehmomentübertragung auf die Pumpe in unterschiedlichen Bohrtiefen in Verbindung. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn auch für das Getriebe gewisse kritische Temperaturgrenzen eingehalten werden müssen und die Pumpe in einer weitaus tieferen und somit hei ßeren Umgebung das Fördermedium zu Tage fördert. Weiterhin kann die Pumpe einen absinkenden Stand des Fördermediums folgen.

Für beide Alternativen der Pumpvorrichtung ist es von Vorteil, dass die Tiefenbohrung durch einen Schacht derart aufgeweitet ist, dass durch diesen ein oberer Abschnitt der Bohr-Verrohrung freigelegt ist, wobei der Motor in dem Schacht angeordnet ist. Über den durch beispielsweise eine Außenbohrung realisierten Schacht ist der Motor von oben zugänglich. Die Außenbohrung, welche einen größeren Durchmesser als die Bohr-Verrohrung bzw. die Innenbohrung aufweist, ermöglicht mit dem so bereitgestellten Schacht eine problemlose Unterbringung des Motors. Über diesen Schacht ist der Motor, beispielsweise zu Wartungszwecken, zugänglich, ohne dass mittels eines Schwerlastkrans die Pumpe samt Motor und Bohr-Verrohrung ausgebaut werden muss. Des Weiteren bietet der so gebildete Schacht die Möglichkeit, eine Stromversorgungsleitung für den Motor mit erheblich weniger mechanischen Schutz zu versehen als es beim Stand der Technik der Fall ist.

Zweckmäßigerweise ist der Motor über eine Kühlleitung mit einem Kühler verbunden. Durch Versorgung mit einem separaten Kühlmittel über die Kühlleitung des Motors wird dessen Kühlleistung verbessert und dies erlaubt auf vorteilhafte Weise einen Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Kühler auf Flurniveau oder darüber angeordnet ist. Da auf Flurniveau oder darüber in der Regel wesentlich niedrigere Temperaturen als unter Tage herrschen, kann der so angeordnete Kühler effektiv an einem Wärmeaustauschprozess teilnehmen und den in der Tiefe befindlichen Motor mit der geforderten Kühlleistung versorgen.

Eine Steigerung der Servicefreundlichkeit wird auch dadurch erreicht, dass der Motor zu Reparatur- oder Wartungszwecken über eine lösbare Steckkupplung mit dem Getriebe verbindbar ist. Bei beispielsweise einem Ausfall des Motors kann dieser besonders einfach und schnell vom Getriebe abgekuppelt und getrennt von Getriebe und Pumpe aus dem Schacht gezogen und instand gesetzt oder ausgewechselt werden. Damit verringert sich erheblich der Aufwand, um einen Motor zu warten und/oder zu reparieren.

Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung, dabei ist in
1 eine Pumpvorrichtung mit einer Pumpe und einem Getriebe als eine bauliche Einheit dargestellt und in
2 die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung mit einer Pumpe und einem Getriebe in einer räumlichen Distanz dargestellt.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Pumpvorrichtung 1 zum Fördern eines Fördermediums 4 – hier ein Thermalwasser – für eine spätere geothermische Wärme- und Strombereitstellung. Die Eigenschaften des Thermalwassers werden durch eine Charakteristik des Untergrundes bestimmt. Die Qualitäten des Thermalwassers können von Trinkwassergüte bis hin zu hochmineralisierten Formationswässern mit beispielsweise gesättigten Salzlaugen reichen. Dadurch variieren je nach Anwendungsfall und je nach geologischer Situation die Anforderungen an die Pumpvorrichtung 1. Denn sowohl die chemische Zusammensetzung, der Druck und die Temperatur als auch der Gasgehalt können in unterschiedlichen Tiefen und in unterschiedlichen geologischen Gebieten stark voneinander abweichen.
Um die Lebensdauer für solch eine Pumpvorrichtung 1 zu erhöhen und gleichzeitig auftretende Investitionskosten für unterschiedliche geologische Beschaffenheiten gering zu halten, ist in der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung 1 ein Motor 3 außerhalb einer Bohr-Verrohrung 5a angeordnet und mittels eines Getriebes 6 mit einer Pumpe 2 verbunden. Über eine Förderleitung 9 transportiert die Pumpe 2 das Fördermedium 4 aus der Bohr-Verrohrung 5a bzw. aus der Innenbohrung 5b oder dem Erdinneren 5f zu einer über Tage platzierten Lagerstätte (hier nicht dargestellt).
Um ausreichend Platz für den Motor 3 außerhalb der Bohr-Verrohrung 5a in einer vorgegebenen Fördertiefe bereitzustellen, ist die Innenbohrung 5b vom Flurniveau 5 her derart aufgeweitet, dass ein Schacht 5d bis in die geforderte Fördertiefe führt. Dieser Schacht 5d kann beispielsweise durch eine die Innenbohrung 5b aufweitende Außenbohrung 5c größeren Durchmessers gebildet werden und legt über seine Tiefe die Bohr-Verrohrung wenigstens teilweise frei. Der Schacht 5d bietet somit ausreichend Platz für den Motor 3 und für eine nach über Tage führende Kühlleitung 10 und für eine Stromversorgungsleitung 13.
Die Kühlleitung 10 verbindet den Motor 3 mit einem auf Flurniveau 5 installierten Kühler 15. Über den Schacht 5d ist der Motor 3 von oben zugänglich. Zusätzlich erfolgt über den Zwischenraum 5d die Stromversorgung des Motors 3 mittels einer Stromversorgungsleitung 13. Gegenüber dem Stand der Technik werden an einen mechanischen Schutz der Stromversorgungsleitung 13 keine besonderen Anforderungen gestellt. Auch eine Isolation gegen Feuchtigkeit kann für die Stromversorgungsleitung 13 geringer ausgelegt werden, als es für die Pumpvorrichtungen mit einem Motor innerhalb der Bohr-Verrohrung der Fall ist.
Da der Motor 3 über eine lösbare Steckkupplung 18 mit dem Getriebe 6 mechanisch in Verbindung steht, kann in einem Störfall der Motor 3 auf einfache Art vom Getriebe 6 entkoppelt werden. Der abgekuppelte Motor 3 kann nun für eine Wartung oder einen kompletten Austausch auf das Flurniveau 5 befördert werden. Nach erfolgreicher Reparatur des Motors 3 oder dem kompletten Austausch des Motors 3 kann der Motor 3 durch den Schacht 5d wieder unter Tage verbracht werden. Hat der Motor 3 seine Arbeitstiefe erreicht, wird er durch Einstecken der Steckkupplung 18 in einem dafür vorgesehenen Getriebe flansch wieder mit dem Getriebe 6 verbunden und ist somit einsatzbereit.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pumpvorrichtung 1 zum Fördern des Fördermediums 4. Die Pumpvorrichtung 1 weist die Besonderheit auf, dass die Pumpe 2 und das Getriebe 6 über eine Antriebswelle 7, welche als ein Pumpengestänge ausgebildet ist, in Verbindung stehen.
Die Pumpvorrichtung 1 ist also mittels einer so genannten Gestängepumpe 2, 7 realisiert. Diese Gestängepumpen 2, 7 werden in der Fachwelt auch als Line-Shaft-Pumpe bezeichnet. Diese alternative Ausgestaltung einer Pumpvorrichtung 1 mit einer Gestängepumpe 2, 7 wird mit großem Vorteil immer dann eingesetzt, wenn ein eingesetztes Bohrgerät einen oberen Abschnitt 5e der Bohr-Verrohrung 5a nicht bis in die erforderte Tiefe bohren oder abtäufen kann. Der Motor 3 mit seinem Getriebe 6 wird auf der maximalen Tiefe, welche eine Außenbohrung 5c erreichen kann, platziert. Da, wie bereits erwähnt, die maximale Tiefe der Außenbohrung 5c nicht ausreicht, um von dort aus das Fördermedium 4 zu fördern, wird die Pumpe 2 über die Antriebswelle 7 mit dem Getriebe 6 mechanisch verbunden. Die Pumpe 2 kann so in einer größeren Tiefe eingesetzt werden. Die größere Tiefe setzt sich aus der Tiefe des Schalters 5d und einer Länge der Antriebswelle 7 zusammen.
Durch die mechanische Kupplung der Pumpe 2 mit dem Getriebe 6 über die Antriebswelle 7 wird erreicht, dass der Motor 3 auch bei dieser Variante im Schacht 5d gekühlt und störungsfrei betrieben werden kann. Die Antriebswelle 7 ist als Kombination aus einer inneren Steigleitung und der eigentlichen Welle ausgestaltet, welche auf dem Weg nach oben ab einer Höhe, auf der das Getriebe 6 angeordnet ist, in die Förderleitung 9 übergeht.

Claims

Pumpvorrichtung (1) zur Förderung eines Fördermediums (4) aus einer von einem Flurniveau (5) in das Erdinnere (5f) führenden Tiefenbohrung (5b), die mindestens abschnittsweise mit einer Bohr-Verrohrung (5a) ausgekleidet ist, mit einer Pumpe (2) und einem die Pumpe (2) antreibenden Motor (3), der außerhalb der Bohr-Verrohrung (5a) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) über die Bohr-Verrohrung (5a) seitlich durchdringende Drehmomentübertragungsmittel mit der Pumpe (2) verbindbar ist.
Pumpvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Drehmomentübertragungsmittel als ein Getriebe (6) ausgebildet sind.
Pumpvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (6) und die Pumpe (2) eine bauliche Einheit bilden.
Pumpvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das Getriebe (6) und die Pumpe (2) über eine längs der Tiefenbohrung (5b) verschiebbare Antriebswelle (7) zur Drehmomentübertragung auf die Pumpe (2) in unterschiedlichen Bohrtiefen in Verbindung stehen.
Pumpvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Tiefenbohrung (5b) durch einen Schacht (5d) derart aufgeweitet ist, dass durch diesen ein oberer Abschnitt (5e) der Bohr-Verrohrung (5a) freigelegt ist, wobei der Motor (3) in dem Schacht (5d) angeordnet ist.
Pumpvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Motor (3) über eine Kühlleitung (10) mit einem Kühler (15) verbunden ist.
Pumpvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei der Kühler (15) auf Flurniveau (5) oder darüber angeordnet ist.
Pumpvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Motor (3) über eine lösbare Steckkupplung (18) mit dem Getriebe (6) verbindbar ist.