DE2217390A1

DE2217390A1 - Strömungsmittelpumpe

Info

Publication number: DE2217390A1
Application number: DE19722217390
Authority: DE
Inventors: Clinton A. Tulsa OkIa. Boyd (V.St.A.)
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1971-04-12
Filing date: 1972-04-11
Publication date: 1972-10-19
Also published as: US3751192A; FR2136353A5; BR7202147D0; CA958103A; DE2217390C3; IT951313B; DE2217390B2; NL7204811A

Description

Dr. Ing. H. Negsndank

Dipl. Ina. H. Haut»; - Dipl. Phys. V/. Zc'.-''-**

Dipl. Ing. E. Gra&Iis - Dip¹. Ir-g. 7/. Wtttncrt

8 München 2, M&xari^i'äSe 23

Telefon 5 38 05 86

BORG-WARNER CORPORATION

200 South Michigan Avenue 4. April 1972

Chicago, 111. 60604, USA Anwaltsakte Μ-21Ί1

Strömungsmittelpumpe

j Seit langem bestehen Schwierigkeiten beim Herausschaffen eines

'' Strömungsmittels oder einer Flüssigkeit, wie z.B. von Rohöl aus ! tiefen Schächten oder Bohrlöchern. Im allgemeinen wird ein Motor mit Pumpe unten im Bohrloch angebracht und durch elektrische Geräte an der Oberfläche betrieben. Bei dieser Anordnung betreibt der Motor am unteren Ende des Bohrloches die Pumpe, welche das Strömungsmittel oder die Flüssigkeit durch eine Rohrleitung an

die Oberfläche hebt. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen j ist das Motor-Pumpenaggregat am unteren Ende des Bohrloches größenf mäßig öder leistungsmäßig für die an diesem speziellen Ort herr- ] sehende Stromungsmitteldichte ausgelegt. Nach Inbetriebnahme der Anlage wird das dichtere Strömungsmittel abgepumpt, worauf das leichtere Strömungsmittel durch die Rohrleitung emporgehoben wird. Dieses leichtere Strömungsmittel stellt für die Einrichtung am unteren Ende des Bohrloches eine verringerte Last dar, wodurch auch der Wirkungsgrad der Anlage verringert wird. Es wurden ver-

209843/0807

schiedene Versuche gemacht, den Wirkungsgrad der Anlage beizubehalten. Beispielsweise kann die am unteren Ende des Bohrloches herrschende Strömungsmitteldichte, die Motorendrehzahl, oder ein anderer Parameter abgetastet werden, um eine Anzeige für die sich ändernde Belastung zu liefern. Dieses Signal kann zur Regelung der Geräte an der Oberfläche, beispielsweise an einen elektrischen Wechselrichter zurückgeführt werden, der die Erregungs- oder Auslöseschwelle für den Motor am unteren Ende des Bohrloches in Abhängigkeit von der wechselnden Last verändert. Natürlich entstehen durch das Rückführungssignal und die Regelanordnung

j an der Oberfläche zusätzliche Kosten. Außerdem können die für

ι
das Rückführungssignal erforderlichen zusätzlichen elektrischen Leitungen beschädigt werden und dadurch die Regelvorrichtung ausschalten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine wasserdichte Pumpe mit Antrieb zu schaffen, bei welcher der Wirkungsgrad der am unteren Bohrlochende befindlichen Einheit trotz veränderlicher Strömungsmitteldichten bestehen bleibt. Ferner bezweckt die Erfindung eine Strömungsmittelpumpe der vorbeachrfebenen Art ohne Notwendigkeit für eine Signalrückführungsanordnung zur Abtastung der wechselnden Lastbedingungen am unteren Ende des Bohrloches zu schaffen.

Die Erfindung dient zum Herausschaffen eines Strömungsmittels veränderlicher Dichte durch eine Rohrleitung aus einem tiefen Bohrloch an die Oberfläche. Die erfindungsgemäße Anlage umfaßt

209843/0 807

eine im Bohrloch angeordnete Pumpe, die mit einer Rohrleitung gekuppelt ist, durch welche das Strömungsmittel bei Betätigung der Pumpe abgeführt wird. Im Bohrloch ist auch ein mit der Pumpe gekuppelter elektrischer Motor für den Antrieb der Pumpe unterge- ! bracht. An der Oberfläche befindet sich ein elektrischer Genera-I tor mit einer Antriebswelle, dessen Ausgangsanschlüsse über ein

i elektrisches Kabel an den Motor im Bohrloch gekoppelt sind, um

\ den Motor zu beaufschlagen, wenn der Generator über seine Antriebs¹-welle betrieben wird.

Erfindungsgemäß ist an die Antriebs- oder Eingangswelle des Generators ein veränderlicher Antrieb gekuppelt. Dieser veränderliche Antrieb dreht die Eingangswelle des Generators mit einem konstanten Drehmoment. Ein Motor, beispielsweise ein Motor mit innerem Verbrennungsraum kann seinerseits zum Betrieb des ein konstantes Drehmoment abgebenden veränderlichen Antriebs verwendet werden. Wenn sich die Strömungsmitteldichte verringert, dann erhöht sich die Drehzahl des Motors im Bohrloch, wodurch sich auch die Drehzahl des elektrischen Generators erhöht. Diese Drehzahlsteigerung des Generators löst wiederum eine Erhöhung der Frequenz und der Amplitude der am Motor anliegenden Spannung aus, wodurch ein hoher Wirkungsgrad für die gesamte Anlage bestehen bleibt. ;

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen ist:

209843/0807

Fig. 1 ein Blockfunktionsbild der erfindungsgemäßen Anlage;

Fig. 2 der Teil eines Blockfunktionsbildes mit einer anderen Einrichtung zur Zuführung von Energie an den drehzahlregelbaren Antrieb der Anläge.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung zur Förderung des Strömungsmittels 10 von unterschiedlicher lichte aus einem tiefen Bohrloch 11.'Das am Boden des Bohrloches angeordnete Aggregat enthält die durch die Dichtung 14 an den elektrischen Motor gekuppelte Pumpe 13. Weni^über das Kabel 16 Energie zugeführt wird, dann betreibt der Motor 15 die Pumpe 13 und hebt damit das Strömungsmittel durch die Rohrleitung 17 für den Abfluß an die Oberfläche.

An der Oberfläche befindet sich das Schaltbrett 18, an welchem

her anliegt ein elektrischer Eingang über das Kabel 20/und das Energie über das Kabel 16 an den Motor im Bohrloch abgibt. Das elektrische Schaltbrett kann einen Transformator, Schutzrelais und andere Bausteine enthalten, die sich üblicherweise an einem Schaltbrett befinden. Zur Erläuterung der Erfindung ist das Schaltbrett mit den zugehörenden Bauteilen nicht erforderlich.

Der elektrische Generator 21 ist mit der Eingangs- oder Antriebs- j welle 22 sowie mit den elektrischen Ausgangskontakten (nicht gezeigt) ausgestattet, an welche die elektrische Leitung 20 zur Übertragung der Energie über das Kabel 16 an den Motor im Bohrloch angeschlossen ist. Nach einem wichtigen Merkmal der

-5-209843/0807

Erfindung wird auf die Antriebswelle des Generators 21 ein konstantes Drehmoment ausgeübt. Ein anderes wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Wicklung des Generators 21 so ausgelegt ist, daß seine Ausgangsspannung ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen Amplitude und Frequenz aufweist. Dies wird allgemein in der Technik mit dem Ausdruck "Betrieb bei konstanter Spannung pro Periode" bezeichnet. Mit der Ein- \ führung der Einheit Hertz wird diese Betriebsart jetzt häufig ; "Konstante V/Hz" genannt. Beispielsxreise kann der Generator 21 j mechanisch so ausgelegt und gewickelt sein, daß er einwandfrei bei 90 Hz arbeitet, selbst wenn seine Grunddrehzahl bei 60 Hz erreicht werden würde. Die physikalische Auslegung ist dann so '. gestaltet, daß sich beim Hochlaufen des Generators die Frequenz ■ langsam auf 90 Hz erhöht, wobei sich gleichzeitig auch die Ampli- ! tude der Spannung um 50 % vergrößert. Auf diese Weise wird durch ; Einwirken eines konstanten Drehmomentes auf die Pumpe 13 die Magnetisierung des Motors 15 im Bohrloch im wesentlichen kon-

ί stant gehalten.

Das konstante Drehmoment wird auf die Welle 22 durch den drehzahl-

! regelnden Antrieb 23 ausgeübt. Dies kann eine regelbare Kupplung, '■ eine regelbare ürehzahlkupplung oder auch eine andere Anordnung sein, die mechanisch über ihre Welle 24 angetrieben wird und ^; ein praktisch konstantes Drehmoment auf die Generatorwelle 22 ausübt. Zum Anschluß verschiedener Drehzahlregler kann der Drehzahlstellknopf 25 vorgesehen werden. Diese Drehzahleinstellung kann beispielsweise der Steuergriff des drehzahlregelnden An-

-6-209843/0807

'triebs- INFI-DRIVE der Firma Borg-Warner Industrial Drives, Tulsa, Oklahoma sein. Natürlich kann jeder andere geeignete Antrieb dafür eingesetzt werden, solange als ein konstantes Drehmoment auf die Antriebswelle 22 des Generators 21 ausgeübt werden kann. Im allgemeinen verarbeitet ein derartiger Antrieb die Veränderungen von Antriebsdrehzahl und Last, so daß das erforderliche Drehmoment beibehalten wird.

Der in Fig. 1 allgemein gezeigte Antrieb 26 kann ein lotor mit : innerem Verbrennungsraum, ein Dieselmotor oder eine andere geeignete Anordnung sein, welche für die erforderliche Versetzung

der Welle 24 des Drehzahlreglers 23 sorgt. Natürlich kann der i
Antrieb 26 auch durch einen zweiten Elektromotor 2 7 ersetzt wer-

j den, der zur Stromversorgung der Anlage über das Kabel oder die j Leitung 28 an eine Wechselspanmmgsquelle angeschlossen ist. Die Erfindung ist nicht durch die Ausgestaltung der Cerate beschränkt;, die für eine Eingangswinkelversetzung der Welle 24 und ein kon- ^l stantes Drehmoment an der Eingangswelle 22 des Generators sorgen. \ Der größere Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich durch dieses konstante Drehmoment zusammen mit einem Generator, der ein praktisch konstantes Verhältnis Ausgangsspannung: Frequenz abgibt.

! Bei Inbetriebnahme wird die Anlage anfangs für die schwerere Lastbedingung des Strömungsmittels am unteren Ende des Bohrloches eingestellt. Beispielsweise kann unter diesen Bedingungen der Generator 21 eine Ausgangsspannung mit etwa 60 Hz und einer gegebenen

— 7-209843/0807

Amplitude erzeugen. Wenn das Strömungsmittel leichter wird, dann begegnet die Pumpe 13 einer verringerten Last, und der Motor 15 strebt dazu, seine Drehzahl zu erhöhen. Bei Einwirkung eines konstanten Drehmomentes auf die Antriebswelle 22 des Generators 21 erhöht sich die Drehzahl und damit auch die Frequenz des Generators 21 langsam bei einer gleichzeitigen Vergrößerung der Ampli- ^; tude seiner Ausgangsspannung. Dadurch wird ein konstanter Speisestrom für den Motor 15 und damit auch ein praktisch konstantes ι Drehmoment für die Pumpe 13 aufrecht erhalten. Damit wird prak- S tisch die gesamte Anlage der veränderlichen Dichte des Strömungsmittels am Fuße des Bohrloches angepaßt.

Erfindungsgemäß wird ein hoher Wirkungsgrad ohne die Forderung für ein Rückführungssignal erreicht, um damit die über das Kabel 16 dem Motor 15 im Bohrloch eingespeiste Energie zu modulieren. Durch die Einwirkung eines praktisch konstanten Drehmoments auf den Generator, dessen Ausgangsspannung wiederum ein konstantes Verhältnis Spannung:Frequenz aufweist, verändert die Anlage (praktisch) die Größe oder die Leistung der Pumpe im Bohrloch ohne Notwendigkeit, das gesamte Aggregat 12 an die Oberf3ä;he zu heben und mechanisch-physische Änderungen an der Pumpe vorzunehmen. Die Fördermenge einer solchen Pumpe ändert sich in Abhängigkeit von der Drehzahl, und der Druck ändert sich zum Quadrat der Drehzahl. Die erwünschte Wirtschaftlichkeit und der Wirkungsgrad wird ohne Notwendigkeit für eine Rückführungseinrichtung dadurch erreicht, daß an der Pumpe im Bohrloch stets ein konstantes Drehmoment wirkt, während die Pumpe ihre Drehzahl erhöhen kann, wenn das Strömungsmittel weniger dicht wird.

-8-209843/0807

Bei einer Anlage wurde durch den Einbau der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung die Produktion des Bohrloches von 220 auf 500 Barrels pro Tag erhöht. Dies ist ein schlagender Beweis für den größeren Wirkungsgrad, der sich mit der in Fig. 1 gezeigten Anlage erreichen läßt.

209843/0807

Claims

Patentansprüche

1. Pumpe zur Förderung eines Strömungsmittels verschiedener Dichte von einem tiefen Bohrloch durch eine Rohrleitung an die Oberfläche, einschließlich einer im Bohrloch angeordneten und mit der Rohrleitung gekuppelten Pumpe zur Förderung des Strömungsmittels nach Inbetriebnahme der Pumpe, eines im Bohrloch angeordneten und mit der Pumpe gekuppelten Elektromotors zum Antrieb der Pumpe nach dem Anschalten des Motors, eines an der Oberfläche befindlichen und durch ein elektrisches Kabel mit dem Motor gekuppelten elektrischen Generators mit einer Eingangswelle, der den Motor dann anschaltet, wenn er so angetrieben wird, daß er eine Ausgangsspannung mit einem im wesentlichen konstanten Verhältnis von Amplitude zur Frequenz abgibt, gekennzeichnet durch einen an die Eingangswelle (22) des Generators (21) gekuppelten Drehzahlregler (23) zur Versetzung der Generatorwelle mit einem konstanten Drehmoment, sawiefdurch eine andere Welle (24) zum Antrieb des Drehzahlreglers.

209843/0807

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daJJ der Drehzahlregler (23) eine Einrichtung (25) besitzt, um die Größe des auf die Eingangswelle (22) des Generators (21) einwirkenden Drehmoments einzustellen.

3. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Motor (27) zum Antrieb des Drehzahlreglers (23) über die andere Welle (24) angeschlossen ist, sowie dadurch, daß elektrische Energie dem zweiten Motor

(27) über die Eingangsleitung (28) zum Antrieb der Antriebswelle (24) des Drehzahlreglers (23) eingespeist wird.

209843/0807