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Gasanker Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasanker zum Trennen
von Flüssigkeit und Gas bei einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch, das von einer unterirdischen
Formation an ein sich in die Formation hinein erstreckendes Bohrloch abgegeben wird.
Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, einen Gasanker vorzusehen, der mit einem
außerordentlich hohen Trennungswirkungsgrad arbeitet.
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Um die produzierte Flüssigkeit, z.B. Öl, zu fördem, verwendet
man gewöhnlich eine nahe dem unteren Ende des Bohrlochs angeordnete Pumpe, deren
Förderseite mit einer zur Erdoberfläche führenden Produktionsleitung verbunden ist.
Um einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe zu erzielen, muß die der Pumpe
zuzuführende Flüssigkeit von Gasblasen möglichst frei sein. Zu diesem Zweck wurde
bereits vorgeschlagen, mit der Saugseite der Pumpe einen Gasanker zu verbinden,
durch den eine Trennung des Gases und der Flüssigkeit bewirkt wird, die in das Bohrloch
in Form eines Gemisches eintreten. Die durch den Gasanker abgetrennte Flüssigkeit
wird der Saugseite der Pumpe zugeführt und durch die Pumpe zum oberen Ende des Bohrlochs
gefördert, während das von dem Gemisch getrennte Gas direkt durch den Ringraum am
Umfang der Produktionsleitung zur Erdoberfläche strömt.
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Eine der einfachsten Konstruktionen eines Gasankers wird durch die
sogenannte Becherbauart gebildet, die mehrere Becher umfaßt, welche ein Rohr umschließen
und in im wesentlichen gleichen Ab-
ständen längs des Rohrs verteilt sind,
wobei das Gemisch aus Gas und Flüssigkeit diesen Bechern zugeführt wird. Die Innenseite
jedes Bechers steht mit dem Inneren des Rohrs über öffnungen in der Rohrwand in
Verbindung, die dazu dienen, die von Gasblasen möglichst freie Flüssigkeit aus den
Bechern in das Rohr übertreten zu lassen, so daß die Flüssigkeit zur Saugseite der
Pumpe gelangen kann.
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Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Gasanker zum Trennen von Gas
und Flüssigkeit umfaßt ein Rohr, um das herum mehrere Becher angeordnet sind, die
in im wesentlichen gleich großen Abständen voneinander angeordnet sind; hierbei
steht das Innere jedes Bechers nahe seinem unteren Ende über eine oder mehrere öffnungen
in Verbindung mit dem Inneren des Rohrs, und der Gesamtquerschnitt dieser Öffnung
oder Öffnungen beträgt bei jedem Becher höchstens 100 nun2.
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Der gesamte Durchtrittsquerschnitt der öffnung oder Öffnungen zwischen
dem Inneren jedes Bechers und dem Inneren des Rohrs beträgt bei jedem Becher vorzugsweise
mindestens 0,1 mm2 und liegt zweckmäßig bei jedem Becher zwischen
2,5 und 40 mm2.
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Die Verbindung zwischen dem Inneren jedes Bechers und- dem Innenraum
des Rohrs wird vorzugsweise durch eine einzige Öffnung gebildet.
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Die Höhe jedes Bechers beträgt vorzugsweise mindestens das 0,4fache
des Außendurchmessers des Bechers, und bei einer bestimmten Anordnung hat der Becher
eine annähernd konische Form, wobei der Scheitelwinkel z. B. zwischen
60 und 120' liegt.
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Alternativ hat der obere Teil jedes Bechers eine etwa zylindrische
Form, während der untere Teil jedes Bechers annähernd konisch ausgebildet ist. Man
kann Mittel vorsehen, um das Rohr mit der Eintrittsseite einer Bohrlochpumpe zu
verbinden, und das obere Ende des Rohrs kann geschlossen sein; hierbei erstreckt
sich eine Saugleitung durch das geschlossene obere Ende des Rohrs, wobei das offene
untere Ende der Saugleitung vorzugsweise tiefer liegt als die am weitesten unten
angeordnete Öffnung in der Wand des Rohrs.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gasanker schematisch
im Längsschnitt;
F i g. 2 bis 6 zeigen Einzelheiten
verschiedener Formen von Bechernd - die - man bei dem Gasanker nach
F i g. 1 vorsehen kann.
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Der in F i g. 1 gezeigte Gasanker umfaßt ein Rohr
1, auf dem Becher 2 in im wesentlichen gleichen Abständen voneinander angeordnet
sind. Nahd dem unteren Teil des Innenraums jedes Bechers ist ein Durchlaß
3 vorgesehen, der eine Verbindung zwischen dem Inneren des betreffenden Bechers
und dem Inneren des Rohrs 1 herstellt.
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Das obere und das untere Ende des Rohrs 1 sind vorzugsweise
mit Gewinden 4 und 5 versehen, z. B. mit Außengewinde. Diese Gewindeabschnitte
ermöglichen es in Verbindung mit geeigneten, hier nicht gezeigten Kupplungsmuffen,
die mit einem entsprechenden Gewinde versehen sind, mehrere ähnliche jeweils mit
Bechern 2 versehene Rohre miteinander zu vereinigen, so daß man einen einzigen langgestreckten
Gasanker erhält. Der ' obere Gewindeabschnitt des obersten Rohrs kann dann
mit der Einlaßseite einer hier nicht gezeigten Bohrlochpumpe verbunden werden, während
das untere Ende des untersten Rohrs mit Hilfe einer geeigneten Verschlußkappe verschlossen
wird, die auf das Gewinde am unteren Ende dieses Rohrs aufgeschraubt wird.
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Gemäß Fig. 1 steht jeder Becher2 mit dem Inneren des Rohrs
1 über eine einzige öffnung 3 in der Rohrwand in Verbindung. Jedoch
beschränkt sich die Erfindung -nicht auf die Verwendung einer einzigen öffnung;
viehnehr kann man bei jedem Becher auch mehrere Öffnungen vorsehen, wobei die gleiche
Wirkung erzielt wird, vorausgesetzt, daß der gesamte Querschnitt dieser öffnungen
höchstens 100 mm2 beträgt; dieser Wert stellt gleichzeitig den größten Durchtrittsquerschnitt
für den Fall dar, daß bei jedem Becher nur eine Öffnung vorgesehen ist. Der Querschnitt
der Verbindung zwischen dem Inneren des Rohrs 1 und dem Inneren jedes Bechers
soll jedoch -mindestens 0,1 min2 betragen. Vorzugs-.weise liegt die Querschnittsfläche
der Verbindung bei jedem Becher zwischen 2,5 und 40 mm2.
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Zwar sind in F i g. 1 kreisrunde öffnungen 3 dargestellt,
doch beschränkt sich die Erfindung nicht auf diese Form der Öffnungen. Beispielsweise
kann man die Öffnungen elliptisch, quadratisch oder schlitz-.ähnlich ausbilden,
wobei die gleiche Wirkun erzielt . . 9
wird. Ferner brauchen die öffnungen
im Gegensatz zu F i g. 1 nicht auf einer gemeinsamen geraden .Linie
zu liegen, sondern man kann sie in der Wand des Rohrs 1 nach einem beliebigen
Muster anordnen, wobei jedoch vorausgesetzt .ist, daß die Öffnungen in jedem Falle
nahe dem -unteren Ende des Innenraums jedes Bechers angeordnet sind.
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F ig. 2 zeigt in größerem Maßstabe Einzelheiten eines erfindungsgemäßen
Bechers nach F i g. 1. In diesem Falle hat der Becher 2 eine konische Form,
und er wird -durch eine Platte gebildet, die zu einem kegelstumpfförinigen
Körper gebogen ist der ein offenes obezes Ende und ein unteres Ende aufweist. Das
untere Ende wird -mit dem, Rohr 1 z- B# durch eine Schweißnaht
6 -derart verbunden, daß die -zugehörige öffnung3 kurz,oberhalb des unteren
Endes des Bechers 2 angeordnet ist. Die Höhe R jedes Bechers entspricht hier mindestens
dem 0,4fachen des größten BecherdurchmessersD. Der Scheitelwinkel des konischen
Bechers2 liegt vorzugsweise .zwischen 60 und 1200, um ein Verstopfen der,öffnung
3 zu verhindern; bei dieser Konstruktion könneu Teilchen, die sich auf der
Innenfläche # des Bechers 2 ablagern, nur im untersten Teil des Bechers gesammelt
werden, wie es in F i g. 2 bei 7 angedeutet ist, und diese Teilchen
können die öffnung 3 passieren, sobald sich die Oberseite der Ansammlung
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auf gleicher Höhe mit der öffnung 3 befindet. Da der Scheitelwinkel
des konischen Bechers zwischen 60 und 1201 liegt, beträgt der in F i
g. 2 mit A bezeichnete Winkel 30 bis 60'.
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F i g. 3 zeigt einen Becher, der dem Becher nach F i
g. 2 ähnelt, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß dieser Becher
auf andere Weise an dem Rohr 1 befestigt ist. Der Becher 2 umfaßt einen zylindrischen
Abschnitt 8, der eine Verlängerung des engeren Endes des Bechers bildet.
Da der Innendurchmesser des Abschnitts 8 etwas größer ist als der Außendurchmesser
des Rohrs 1, kann man den Becher 2 leicht in der gewünschten Weise anordnen
und ihn dann durch em*e Schweißnaht 6 mit dem Rohr 1 verbinden.
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F i g. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsform eines Bechers für
einen erfindungsgemäßen Gasanker. In diesem Falle umfaßt der Becher einen konischen
Abschnitt 9 und einen zylindrischen oberen Abschnitt 10. Auch in diesem
Falle beträgt die Gesamthöhe H des Bechers vorzugsweise mindestens das 0,4fache
des größten Durchmessers D, und der Winkel A liegt vorzugsweise zwischen
30 und 60'.
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F i g. 5 zeigt einen Becher von allgemein konischer Form, der
jedoch in Richtung der Achse des Gasankers gekrümmt ist. Bei dieser Konstruktion
bildet die Tangente an der Profilkurve der Becherwand dort, wo die Wand mit dem
Rohr 1 verbunden ist, im Längsschnitt mit der Rohrwand 1 vorzugsweise
einen Winkel A von 30 bis 600.
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F i g. 6 zeigt einen Becher 2 von zylindrischer Form, bei dem
der Gesamtquerschnitt der Verbindung zwischen dem Inneren des Rohrs 1 und
dem Becher 2 wie bei den schon beschriebenen Ausführungsbeispielen höchstens
100 mm2 und bei jedem Becher mindestens 0,1 MM2 beträgt. Diese zylindrische
Becherform wird nur dann bevorzugt, wenn das zu verarbeitende Gas-Flüssigkeits-Gemisch
keine festen Stoffe enthält, die -sich in den Be-chem2 ansammeln und die Eingänge
der -Öffnungen 3 verstopfen könnten.
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Im Vergleich zu Gasankern der Becherbauart, bei denen bei jedem Becher
der Öffnungsquerschnitt zwischen dem Inneren des Rohrs und dem Becher größer ist
als 100 mm#,.zeigen die erfind:ungsgemäßen Gasanker eine bemerkenswerte Erhöhung
des Trennungswirkungsgrades.
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Zwar besteht nicht die Absicht, die Erfmdung durch eine spezielle
Theorie einzuschränken, doch kann angenommen werden, daß sich die bessere Trennungswirkung
der erfindungsgemäßen Gasanker aus der Tatsache ergibt, daß wegen -des kleinen Durchtrittsquerschnitts
zwischen dem Inneren des Rohrs und den einzelnen Bechern der Druckabfall an jeder
öffnung während des Betriebs des Gasankers stets in Richtun auf das Innere des Rohrs
verläuft. Da der Gasgehalt der innerhalb und außerhalb des Rohrs strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemische
-nicht er gleiche ist, würde der hydrostatische Druckunterschied bei niedrigen Werten
des dynamischen Druckabfalls längs der.öffnungenzwischeu -den Bechern und dem Rohr
z. B. bei :einem ,großen Durehtrittsquerschnitt der öffnungen jedes
Bechers
dazu führen, daß sich am unteren Teil des Gasankers eine Strömung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches
aus dem Rohr in die Becher hinein ausbildet. Dieser Strom des Flüssigkeits-Gas-Gemisches,
der im unteren Teil des Gasankers aus dem Rohr austritt, würde automatisch durch
eine Vergrößerung des Stromes des Flüssigkeits-Gas-Gemisches ausgeglichen werden,
der am oberen Teil des Gasankers in das Rohr eintritt, wobei dieser vergrößerte
Strom eine Verringerung des Trennungswirkungsgrades bewirken würde.
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Eine Erhöhung des dynamischen Druckabfalls an den öffnungen, die durch
die Wahl eines kleinen Gesamtquerschnitts der öffnungen bei jedem Becher erzielt
werden kann, führt zu einem Druckabfall an diesen öffnungen, der stets in Richtung
auf das Rohr verläuft, und zwar ohne Rücksicht auf die Unterschiede des hydrostatischen
Drucks, die zwischen den innerhalb und außerhalb des Rohrs strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemischen
auftreten.
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Eine Tagesproduktion von 48 m3 kann mit Hilfe eines erfindungsgemäßen
Gasankers erzielt werden, bei dem das Rohr eine Länge von 3,60 m hat und
50 Becher trägt, wobei jeder Becher mit einer einzigen öffnung versehen ist,
deren Querschnitt 2,5 mm2 beträgt. Der Druckabfall an jeder öffnung betrug
maximal 0,3 at. Höhere Durchsatzmengen lassen sich durch die Verwendung zusätzlicher
Abschnitte erzielen. Beispielsweise kann man an den Gasanker drei weitere Rohrabschnitte
von gleicher Länge wie das erste Rohr anschließen, wobei jeder dieser
Ab-
schnitte mit der gleichen Zahl von Bechern versehen ist, um einen Tagesdurchsatz
von 192 m3 Flüssigkeit zu erzielen.
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Das kleinste Verhältnis zwischen der Höhe H jedes Bechers und seinem
Außendurchmesser D beträgt vorzugsweise 0,4. Bei kleineren Werten dieses
Verhältnisses haben die von dem Flüssigkeitsstrom mitgeführten Gasblasen nicht genügend
Zeit, um aus der Flüssigkeit zu entweichen, wenn die Flüssigkeit vom Eingang des
Bechers zu der öffnung bzw. den öffnungen in der Rohrwand strömt, so daß sich der
Trennungswirkungsgrad des Gasankers verringert. Der Einlaß der hier nicht gezeigten
Bohrlochpumpe braucht nicht notwendigerweise mit dem oberen Ende des Rohrs
1 des erfindungsgemäßen Gasankers verbunden zu werden. Bei einer alternativen
Anordnung kann eine Saugleitung, deren oberes Ende an die Saugseite der Bohrlochpumpe
angeschlossen ist, innerhalb des Rohrs 1 so angeordnet werden, daß das offene
untere Ende der Saugleitung vorzugsweise tiefer liegt als die unterste öffnung
3.
Natürlich wird hierbei der Ringraum zwischen der Saugleitung und dem Rohr
1 nahe dem oberen Ende des Rohrs 1 verschlossen.