DE2741299A1

DE2741299A1 - Einrichtung zur druckerhoehung eines zum strahlbohren verwendeten fluids, insbesondere der spueltruebe beim niederbringen von erdoelbohrungen

Info

Publication number: DE2741299A1
Application number: DE19772741299
Authority: DE
Inventors: John Waldemar Erickson
Original assignee: Kobe Inc
Current assignee: Kobe Inc
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1978-06-08
Also published as: JPS5370001A; FR2372954A1; GB1589626A; US4103749A; NO773163L; US4047581A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Druckerhöhung eines zum Strahlbohren verwendeten Fluids, insbesondere der Spültrübe beim Niederbringen von Erdölbohrungen, unter Verwendung eines von dem Fluid angetriebenen Motors und einer von diesem getriebenen, den Strahldüsen vorgeschalteten Pumpe, wobei Motor und Pumpe im oder am Bohrgestänge im Bereich der Bohrlochsohle angeordnet sind.

Das Abtragen von Gestein mit Fluid-, insbesondere Flüssigkeitsstrahlen von hohem Druck ist bekannt. Es wird mit Drücken in der Größenordnung von 5000 kg pro cm^a und einer Strahlgeschwindigkeit in der Größenordnung von 200 bis 1000 m/sec gearbeitet. Es findet dabei eine Erosion des Gesteins statt, so daß man bei entsprechender Strahlrichtung auch Bohrlöcher erstellen kann.

Im Rahmen der Erschließung von Erdöl- oder Erdgasvorkommen hat man versucht, bei dieser Technik den hohen Gesamtdruck der ohnehin vorhandenen Spültrübe im Bereich der Zone auszunutzen, innerhalb derer die Gesteinserosion stattfinden soll. Dieser Druck kann durch mehrere tausend Meter der verhältnismäßig schweren Spültrübe gebildet sein. Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, die SpUltrübe dazu zu verwenden, das erodierte Bohrklein zu entfernen.

In der US-PS 3 112 800 ist eine entsprechende Bohrtechnik beschrieben, bei der ein fluidbetriebener Motor nebst Pumpe im Bereich der Bohrsole angeordnet ist. Mit der Pumpe wird der Druck des Fluid verstärkt und

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dieses in Form eines Strahles mit der Folge einer Gesteinserosion in das Bohrloch abgegeben. Bei der bekannten Pumpe handelt es sich um eine Kolbenpumpe.

Die Druckhöhe der Spültrübe wird auch in der aus
der US-PS 2 908 534 bekannten Vorrichtung ausgenutzt, und zwar durch eine im Bereich der Bohrlochsole angeordnete Turbine, die den eigentlichen Bohrer antreibt.

Spültrübe ist eine Flüssigkeit verhältnismäßig
großer Dichte, die zum Abdichten der Bohrlochwände, aber auch zum Abdichten des Bohrlochs benutzt wird, um ein eruptives Ausblasen von öl oder Gas zu verhindern. Spültrübe enthält notwendigerweise Feststoffe, die zum Verschleiß der Pumpen- und Motorteile führen. Die Verwendung von Spültrübe als Arbeite- und Antriebsmittel für im Bereich der Bohrsole arbeitende Geräte führt deshalb zu Problemen und beeinflußt auch den Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,
die bekannten Bohrsolen-Bohrtechniken zu verbessern. Ausgehendvon einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art besteht die Lösung der Erfindung darin, daß der Motor von mehreren Turbinen gebildet ist, deren Einlasse für das Antriebstluid parallel-geschaltet sind; daß die Pumpe von mehreren Rotationspumpen gebildet ist und diese zur progressiven Druckerhöhung hinsichtlich des Fluid-Durchsatzes in Reihe geschaltet sind; und daß der Ausgang der in Strömungsrichtung letzten Rotationspumpe an die Strahldüsen angeschlossen ist.

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Durch die Erfindung wird also eine Anzahl von Turbinenstufen vorgeschlagen, die durch parallele Ströme eines Antriebsfluids betrieben werden und ihrerseits eine Anzahl von Pumpen antreiben, die demgegenüber und mit Bezug auf das gepumpte Fluid in Reihe liegen. Die Quelle für das Antriebsfluid der Turbinen kann gleichzeitig das gepumpte Fluid liefern. Der Auslaß der letzten Pumpenstufe versorgt die Strahldüsen, mit denen das unter hohem Druck stehende Fluid gegen die Wände des Bohrloches gestrahlt werden. Zum Fortspülen von Bohrklein aus der Erosionszone kann dann das die Turbinen verlassende Fluid benutzt werden. Vorzugsweise haben das Antriebsfluid, das gepumpte Fluid und das Spülfluid für das Bohrklein sämtlich die Spültrübe als Basis.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich ein Zentrifugalabscheider mit einer Anzahl von durch eine Turbine angetriebenen Stufen vorhanden. Spültrübe gelangt radial in das Innere von Zentrifugen-Rotoren. Gereinigtes Fluid wird in Axialrichtung aus dem Abscheider entnommen und dient nicht nur zum Antrieb sämtlicher Turbinen der Einrichtung, sondern ist auch das von den Pumpen geförderte Fluid. Ein Differenzdruck zwischen den Wänden der Zentrifugenrotore führt dazu, daß das Fluid radial nach innen durch die Wände der Rotore strömen kann. Das in der Spültrübe suspendierte dichtere Material, also insbesondere die Festkörper unterliegen aufgrund ihrer höheren Masse der Zentrifugalkraft stärker, so daß diese Bestandteile außerhalb der Wände der Rotore bleiben und sich dort ansammeln. Derartige Zentrifugen sind aus der US-PS 3 400 und US-PS 3 433 312 bekannt. Das am Ausgang des Abscheiders anfallende und noch einen hohen Druck auf-

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weisende gereinigte Fluid dient zum Betrieb der Antriebsturbine für den Abscheider, die axial zu den Rotoren angeordnet ist. Das gereinigte Fluid dient außerdem für den Betrieb der Druckerhöhungs-Turbinen,die dieses Fluid unter demselben Zuströmdruck zugeführt bekommen. Nach dem Verlassen aller Turbinen werden die entsprechenden Teilströme zusammengefaßt und im Bereich der Strahldüsen in die Erosionszone geleitet, um dort die Reinigungs- und Transportfunktion zu übernehmen. Die Auslaßströme der Turbinen vermehren folglich die Funktion der Spültrübe. Sämtliche Turbinen liegen in der Achse des Bohrgestänges, sie erhalten ihr Antriebstluid jedoch in einer Parallelschaltung. Die Druckerhöhungsturbinen treiben Rotationspumpen an, wobei jeder Turbine eine eigene Pumpe zugeordnet ist. Alle Pumpen sind wiederum axial zu den Turbinen ausgerichtet. Das Eingangsfluid für die erste Pumpenstufe kommt von dem Abscheider. Der Ausgang der ersten Pumpenstufe bildet den Eingang für die zweite Pumpenstufe und so weiter. Auf diese Weise sind die Pumpen also in Reihe geschaltet. Der Auslaß der letzten Pumpenstufe ist mit den Düsen verbunden, durch die das Fluid zu Erosionszwecken auf das Gestein im Bohrloch abgestrahlt wird.

Durch die Erfindung wird eine Druckerhöhungseinrichtung für das Strahlbohren von Gestein geschaffen, die zu einem großen Teil mit der in üblichen Bohrlöchern vorhandenen Druckhöhe arbeitet. Turbinen und Pumpen sind axial zueinander ausgerichtet und durch die erfindungsgemäße Verbindung dieser Maschinen lassen sich kleine radiale Abmessungen einhalten. Demgemäß ist der Durchmesser der Einrichtung so klein, wie es beim Herstellen tiefer Bohrungen notwendig ist. Die Druck-

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verstärkung bzw. -erhöhung arbeitet kontinuierlich und nicht pulsierend. Demgemäß steigt die Bohrgeschwindigkeit beträchtlich an. Sowohl das Antriebsais auch das gepumpte Fluid können auf einfache Weise im Bereich der Bohrlochsole gereinigt werden.

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Die Erfindung ist nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die Ansicht einer Verstärkeranordnung zum Strahlbohren von Gestein innerhalb eines Bohrloches;

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch wesentliche Teile der Verstärkeranordnung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine axiale Stelle der Anordnung zur Darstellung der Flüssigkeitsverteilung; und

Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung

zur Erläuterung des Strömungsverlaufes innerhalb der Anordnung.

In Fig. 1 ist ein Bohrgestänge 10 zu erkennen, das bis zum Boden eines Bohrlochs 12 reicht. Im unteren Bereich des Bohrgestänges befindet sich eine Verstärkeranordnung 14, die parallel gestufte Turbinen und in Serie gestufte rotierende Pumpen aufweist. Die Turbinen treiben die Pumpen an, und die Pumpen verstärken die Druckhöhe des Arbeitsfluid, das zum Erodieren des Gesteins an den Wänden des Bohrloches verwendet wird. Als Antriebstluid für die Turbinen wird Spültrübe benutzt, die von der Erdoberfläche aus zugeführt wird. Dieses Fluid ist aber auch das Arbeitsfluid der Pumpen. In typischen Bohrlochtiefen hat die Trübe eine erhebliche Druckhöhe. Jede Pumpe erhöht den Druck des Fluids progressiv soweit, bis ein ausreichender Druck für den Erosionsprozeß beim Bohren vorhanden ist. Die letzte Pumpenstufe fördert dann ein Hochdruckfluid in eine stromaufwärts von Arbeitsdüsen gelegene Kammer, worauf das Fluid durch die Düsen hindurchtritt und in Strahlform mit extrem hohen Geschwindigkeiten und Drücken in eine Erosionszone 16 gelangt. Mit Erosionszone sind das Bohrlochvolumen und die dieses begrenzenden Wände

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bezeichnet, soweit diese von den austretenden Strahlen wirksam erodiert werden. Die Vergrößerung der Druckhöhe des Fluids in den Pumpenstufen geht zu Lasten des zum Antrieb der Turbinen benutzten Fluids. Die Anordnung der Strahldüsen ist bei 18 an dem äußersten Bodenende der Verstärkeranordnung zu erkennen.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet mit fünf Verstärkerstufen, von denen jede eine Turbine und eine Pumpe aufweist. Der Auslaß der Turbinen wird in die Erosionszone geleitet, um dort zu spülen und Trümmermasse von den Bohrlochwänden und Splitter aus der Erosionszone fortzuleiten. Spültrübe, die an den Turbinen und Pumpen im Bypass vorbeigeleitet wurde, das durch die Düsen geleitete Fluid und das aus den Turbinen kommende Arbeitsfluid übernehmen gemeinsam das Spülen und den Abtransport.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Antriebsfluid für die Turbinen und als Arbeitsfluid für die Pumpen Spültrübe benutzt, die von Festkörpern befreit ist, so daß die Schaufeln der Turbomaschinen nicht erodieren. Eine Reinigungsturbine treibt Zentrifugalabscheider an, wobei auch das Antriebstluid für die Reinigerturbine wiederum Spültrübe ist, die durch den Zentrifugalabscheider von Festkörpern befreit wurde.

In Fig. 2 ist ein axial verlaufender Kanal 20 zu erkennen, der innerhalb des Bohrgestänges 10 verläuft und zur Leitung der Spültrübe dient. An der Außenseite der Verstärkeranordnung verläuft: ein Längskanal 22 in einer Buchse 24 im wesentlichen parallel zur Achse der Anordnung, der der Leitung von Spültrübe zu dem Reiniger dient und außerdem zum Leiten der Spültrübe für anschließende Spül- und Transportaufgaben verwendet wird. In Fig. 2 ist die Ver-

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Stärkeranordnung in Abschnitten von 90° verdreht gezeigt, um zusätzliche Fluidkanäle sichtbar zu machen, so daß die gesamte Längserstreckung des Längskanals 22 aus der Figur nicht erkennbar ist. Spültrübe aus dem Längskanal 22 gelangt durch öffnungen 26 in den Wänden der Buchse 24 und in einem Gehäuse 28 in radialer Richtung in eine sich in Axialrichtung erstreckende Kammer 30. Dort befindet sich der Rotor 32 einer Zentrifuge, der um die Längsachse der Verstärkeranordnung drehbar im Gehäuse gelagert ist. Zu diesem Zweck ist der Zentrifugenrotor bei 34 und 36 an seinen axialen Enden mit Lagerstellen versehen und in Drehlagern 38, 40 des Gehäuses 28 gehalten. Der Zentrifugenrotor weist eine sich in Längsrichtung erstreckende Wand 42 mit einer Vielzahl radialer öffnungen 44 auf, die die Wand durchsetzen und eine Verbindung zwischen einem außerhalb der Wand befindlichen Ringraum 46 und einem innerhalb des Rotors befindlichen und koaxial zur Verstärkeranordnung verlaufenden Hohlraum 48 herstellen. Vom Boden des Hohlraums innerhalb des Zentrifugenrotors 32 geht ein Axialkanal 50 aus, der in eine Radialbohrung 52 übergeht, die ihrerseits außen in einen längs verlaufenden Fluidkanal 54 mündet. Dieser dient der Versorgung der verschiedenen Turbinen mit Antriebstluid und der Versorgung der Pumpen mit Arbeitsfluid.

Die Einwirkung des Zentrifugenrotors 32 auf die Spültrübe ist in den US-Patenten 3 400 819 und 3 433 312 erläutert. Generell ist zu sagen, daß das Fluid aufgrund eines Druckgradienten in radialer Richtung in Richtung der Achse des drehenden Zentrifugenrotors gedrückt wird. Diesem Druckgradienten wirkt die Zentrifugalkraft entgegen, die vom Zentrifugalrotor auf das Fluid ausgeübt wird. Der Druckgradient dominiert jedoch und reicht aus, um das Fluid tjurch die Perforation in der Wand des Zentrifugenrotors zu drücken. Die schwereren

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Festkörper werden jedoch nach außen gedrückt, weil die auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte größer sind als die nach innen gerichtete Kraft des Druckgradienten. Auf diese Weise wird eine Separation von Feststoffen und Flüssigkeit mit dem Ergebnis erreicht, daß die in Richtung der Achse des Zentrifugalrotors abströmende Flüssigkeit gereinigt ist. Demgegenüber verlassen die von einem Teil der Flüssigkeit umgebenden Feststoffe den Ringraum 46 durch einen Auslaß 60, der die Wand des Gehäuses 28 und der Buchse 24 durchsetzt.

Das abströmende gereinigte Fluid treibt sämtliche Turbinen an und wird diesen parallel zugeführt. Vom Ausgang der Reinigungsstation gelangt das Antriebsfluid zu den Turbineneinlässen durch den bereits erwähnten Fluidkanal 54. Vom Fluidkanal 54 strömt das Antriebsfluid durch einen die Buchse 24 und das Gehäuse 28 durchsetzenden Radialkanal 64 zum Einlaß einer Turbine 62. Das die Turbine verlassende Fluid fließt radial durch eine öffnung 66 in einen Kanal 68, um von dort aus zum Spülen und zum Transport von Bohrschlamm aus der Erosionszone weiterverwendet zu werden. Der Kanal 68 verläuft in Längsrichtung der Verstärkeranordnung innerhalb der Buchse 24. Die öffnung 66 verläuft radial zwischen dem Kanal 68 und der Auslaßseite der Turbine 62 durch die Buchse 24 und das Gehäuse 28 hindurch. Die Turbine ist mit Schaufeln 70 versehen, die in Kreisform um die Achse einer Turbinenwelle 72 aufgereiht sind, welche ihrerseits mit der Achse der Verstärkeranordnung zusammenfällt. Diese Schaufeln sind zwischen gleichfalls in Kreisform im Gehäuse 28 angeordnete Statorschaufeln 74 eingeschachtelt. Es sin4 mehrere, beispielsweise sechs Turbinen vorhanden, ßei jeder Turbine wie auch bei jeder Pumpe handelt ea sich um eine mehrstufige Axialanordnung.

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Es können mehrere Reinigungsstufen vorgesehen sein. Drei dieser Stufen sind in der Zeichnung dargestellt. Demgemäß treibt eine Turbine 80 Zentrifugenrotoren 82, 32 und 84 an. Diese Zentrifugen sind parallel verrohrt, so daß ihnen die Spültrübe unter demselben Druck zugeführt wird und die Zentrifugen unter demselben Druck verläßt. Die Fluid-Zufuhr, der Reinigungsablauf und die Fluid-Ableitung einer jeden Zentrifuge ist den entsprechenden Merkmalen der Zentrifuge mit dem Zentrifugenrotor 32 funktionell äquivalent. Mit Festkörpern durchsetztes verunreinigtes Fluid gelangt zum Ausgang des Bohrloches durch den Ringraum hindurch, der zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrloch vorhanden ist. An der Oberfläche wird das verunreinigte Fluid behandelt, um vom Bohrschlamm befreit zu werden. Es wird dann wieder in das System eingeleitet.

Der Zentrifugenrotor 82 hat eine Wand 86 mit diese durchsetzenden öffnungen 88. Die Wand trennt einen zentralen Hohlraum 90 von einem äußeren Ringraum Gereinigtes Fluid sammelt sich im Hohlraum 90, strömt von dort in axialer Richtung durch einen Axialkanal 94 und gelangt dann durch eine Radialbohrung 96 in der Gehäusewand und der Buchse in den Haupt-Fluidkanal 54. Verunreinigtes Fluid vom Zentrifugenrotor 82 strömt aus dem Bohrgestänge durch einen Auslaß 97 ab. Der Zentrifugenrotor 82 hat eine Lagerstelle 100 und ist dort über ein Drehlager 102 im Gehäuse 28 gelagert. Die Lagerstelle 100 sowie die zum Zentrifugenrotor 32 gehörige Lagerstelle 34 sind ein integrales Teil und einer Verbindungswelle zwischen den beiden Zentrifugenrotoren gemeinsam. In ähnlicher Weise hat auch der dritte Zentrifugenrotor 84 eine Lagerstelle 104, über die er mittels eines Drehlagers 106 im Ge-

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häuse 28 drehbar gehalten ist. Die Lagerstelle 104 und 36 befinden sind wiederum auf einer gemeinsamen Welle, die die beiden Zentrifugenrotore verbindet.

Der Zentrifugenrotor 84 weist eine Wand 110 auf, in der öffnungen 112 vorgesehen sind, die einen axialen Hohlraum 114 mit einem Ringraum 116 verbinden, wobei all diese Teile innerhalb einer gemeinsamen Kammer 118 untergebracht sind. Verunreinigtes Fluid aus dem Zentrifugenrotor 84 strömt durch einen Auslaß 120 (Fig. 1) ab.

Die Turbine 80 treibt alle drei Zentrifugenrotore an. Die Turbine besitzt in Ringform mehrstufig verteilte Schaufeln 122 und wird durch sauberes Antriebsfluid aus dem Fluidkanal 54 versorgt. Der Leitapparat für die Schaufeln 122 besteht aus Schaufeln 124. Lager 126 zwischen der Turbinenwelle 128 und dem Leitapparat halten die Welle in radialer Richtung. Mit Hilfe eines Drucklagers 130 zwischen Turbinenwelle und Gehäuse 28 werden die von der Welle kommenden Axialkräfte in das Gehäuse abgeleitet. Durch einen die Buchse 24 und das Gehäuse 28 durchsetzenden Einlaßkanal 132 gelangt Antriebstluid vom Fluidkanal 54 zu dieser Turbine. Das abströmende Fluid von der Turbine fließt durch einen Auslaßkanal 134 im Gehäuse und der Buchse in den Kanal 68. Mit Hilfe einer radial verlaufenden Trennwand 135 des Gehäuses wird die Turbine von der von ihr angetriebenen Pumpe abgeteilt.

Das von den Reinigerstufen kommende gereinigte Fluid dient auch der Versorgung der verschiedenen Pumpenstufen mit Arbeitsfluid. Das gereinigte Fluid gelangt über den Fluidkanal 54 in den Einlaß der ersten Pumpenstufe und erfährt dort eine Druckerhöhung; es verläßt diese Stufe durch radiale Kanäle und gelangt

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über einen Axialkanal in die nächste bzw. zweite Pumpenstufe. Das der ersten Pumpenstufe entströmende Fluid gelangt folglich an den Einlaß der zweiten Pumpenstufe. Diese serielle Progression der Druckhöhenzunahme des Fluids setzt sich bis zur letzten Pumpenstufe fort. Die vorletzte und die letzte Pumpenstufe sind in der Zeichnung zu erkennen und nachstehend detailliert erläutert. Der Auslaß der vorletzten Pumpenstufe 150 verläßt diese durch einen Radialkanal 151 im Gehäuse und der Buchse und gelangt in einen Überleitungskanal 153. Das Arbeitsfluid im Überleitungskanal 153 strömt der letzten Pumpenstufe 152 durch einen Einlaßkanal 155 zu, der ebenfalls das Gehäuse und die Buchse durchsetzt. Den Auslaß der Pumpenstufe 152 bildet ein Axialkanal 154, der in einen scheibenförmigen Raum 156 führt, welcher von zwei sandwichartig zusammengesetzten Sintermetallplatten 158, 160 ο. dgl. einer Düsenanordnung 162 begrenzt wird. Unter verschiedenen Winkeln zur Achse der Verstärkeranordnung sind Düsen 164 orientiert, so daß das durch sie abgestrahlte Fluid auf einen erheblichen Flächenteil der Wände des Bohrloches auftrifft.Der Ausströmdruck kann in der Größenordnung von 3500 kg/cm² (50000 p.s.i.) liegen.

Die Düsenanordnung einschließlich der beiden Metallplatten, sind am Ende des Bohrgestänges befestigt, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben 166. Wie eingangs schon erläutert, dienen das von den Turbinen abströmende Fluid und zusätzliche Spültrübe dazu, Splitter und andere Gesteinsreste etc. wegzuspülen, die die Produkte des erodierenden Bohrprozesses sind. Dieser Schlamm wird im Ringraum zwischen dem Bohrloch und dem Bohrgestänge nach oben getragen. Normalerweise gelangt das von den Turbinen abströmende Fluid durch den Kanal 68 in einen Ringraum 172 und von dort durch eine gestrichelt gezeichnete öffnung

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174 in den Sintermetallplatten in die Erosionszone.

Ein Rückschlagventil 170 im Bodenbereich der Verstärkeranordnung ermöglicht einen Rückfluß von Antriebsfluid zum Ringraum 172 und ermöglicht dadurch ein Hochfahren der Verstärkeranordnung innerhalb der Buchse nach oben entlang des Bohrgestänges zum Zwecke des Auswechselns. Dies geschieht in einer Weise, ähnlich wie es bezüglich einer Pumpe im US-Patent 2 338 beschrieben ist. Die Turbinen, Pumpen und Reinigungsstufen können zusammen mit ihrem Gehäuse als eine Einheit entfernt werden. Die Buchse bleibt im Bohrgestänge.

Die Pumpe der letzten Verstärkerstufe ist mit einer Nase 176 versehen, die den Auslaßkanal 154 bildet. Mit Hilfe eines O-Ringes 178 in der oberen Sintermetallplatte 158 wird eine Abdichtung zwischen Nase und Platte erreicht. Diese Nase ist bei 180 auf das untere Ende des Gehäuses 28 aufgeschraubt. Die gemeinsame Welle 72 der Turbine und der Pumpe ist drehbar in einem Tragkreuz 184 o. dgl. gelagert. Ein Lager 186 im Tragkreuz nimmt die von der Welle kommenden axialen und radialen Belastungen auf. Das Tragkreuz besitzt in Umfangsrichtung verteilte und mit Abstand zueinander stehende Streben, um die Radiallasten des Wellenteils 182 auf das Gehäuse 28 abzuleiten. Durch sich in Längsrichtung erstreckende öffnungen zwischen den Streben kann das Fluid hindurchgepumpt werden.

Die Pumpenstufe 152 hat alternierend kreisförmig angeordnete Statorschaufeln 188 und Laufradschaufeln 190, die in üblicher Weise angeordnet sind. Lager 192 zwischen der Welle 182 und den Statorschaufeln nehmen Radiallasten auf. keit- und Laufapparat der Pumpe und deren Welle befinden sich in einer Kammer

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194 innerhalb des Gehäuses 28.

Ein Ausgleichskolben 196 zwischen der Kanuner der Pumpe und der Turbinenseite dieser Verstärkerstufe hat sich gegenüberliegende Flächen, um die Axiallast auf ein Drucklager 198 zu verringern, das von der Welle 72 getragen ist. Die obere Fläche des Kolbens wird durch den Auslaßdruck der Turbine und seine Unterfläche durch den Einlaßdruck der Pumpe beaufschlagt, der höher liegt. Das Lager nimmt damit die nicht ausgeglichene Axiallast auf und überträgt sie von der Welle auf das Gehäuse 28. Lager 200 zwischen der Welle und dem Gehäuse übertragen die Radialkräfte.

Die letzte Turbinenstufe 62 sitzt mit ihren axial gestaffelten Stator- und Laufradschaufeln 74, in einer Kammer 202 des Gehäuses 28. Lager 204 zwischen den Statorschaufeln und der Welle 182 nehmen die Radialkräfte auf. Ein Drucklager 206 zwischen dem Gehäuse 28 und der Welle 72 nimmt nach oben gerichtete Axialkräfte auf. In Längsrichtung verteilt sind zwischen Gehäuse und Buchse eine Anzahl von O-Ringen 210 angeordnet, die Leckverluste verhindern.

Das Gehäuse 28 besteht aus mehreren in Längsrichtung fluchtenden und zusammengesetzten Sektionen. Die Sektionen sind miteinander verschraubt über mit Außengewinde versehene Ansätze und mit Innengewinde versehene Kupplungsstücke gemäß der Darstellung bei 212. Das Gehäuse wird innerhalb der Buchse 24 mit Hilfe eines Keiles 213 in Position gehalten, auf dem der Gehäuseboden aufliegt und der in einer Nut in der Wand der Buchse gehalten ist. Die Buchse kann ebenfalls in Sektionen unterteilt und mit Längsbohrungen für den Durchtritt des Fluids versehen sein.

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Die Konstruktion der letzten Verstärkerstufe wiederholt sich entsprechend den vorangegangenen Stufen.

Fig. 3 zeigt den wirklichen zirkulären Verlauf der Fluidkanäle in der Buchse 24. Es sind hier der mit dem Turbinenauslaß verbundene Kanal 22, der mit dem Turbineneinlaß verbundene Fluidkanal 54, der Kanal 68 zum Eingang der Reinigeranordnung und der Oberleitungskanal 153 zwischen den Pumpen zu erkennen.

Die Verrohrung der Verstärkeranordnung ist besonders deutlich aus Fig. 4 zu entnehmen. Die verschiedenen Ströme sind in dieser Figur mit anderen Bezugszeichen versehen, um Verwechslungen mit der konstruktiven Ausführung des Beispiels zu vermeiden. Die Spültrübe kommt in einem Strom 220 vertikal von oben durch das Bohrgestänge herab. Dieser Strom verzweigt sich in Teilströme 222, 224 für die parallele Reinigung in den drei Zentrifugalabscheidern. Der Teilstrom 222 wird gereinigt und dann in Zweigströme 226, 228 aufgeteilt. Der Zweigstrom 228 dient zum Antrieb der Turbine für die Zentrifugalabscheider. Der Teilstrom 224 wird ebenfalls in zwei Zweigströme 230, 232 zerlegt, die durch die verbleibenden beiden Zentrifugalabscheider geleitet werden. Das aus den Reinigerstufen kommende Fluid wird in einem Sammelstrom 234 zusammengefaßt, bei dem es sich um den Strom mit dem Antriebsfluid für die verschiedenen Verstärkerturbinen handelt. Der Rückstand aus den Reinigerstufen wird in Form von Auslaßströmen 236, 238, 240 in den Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrloch geleitet. Ein weiterer Auslaßstrom 242 kommt von der Antriebsturbine für die Zentrifugalabscheider.

Der Sammelstrom 234 vom gereinigten Ausgang der Zentrifugalabscheider wird parallel dem Einlaß der Verstärkerturbinen zugeführt! es sind drei derartige Pa-

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rallelströme 244, 246, 248 gezeigt. Ein vierter Teilstrom 250 des Sammelstroms 234 gelangt durch die Verstärkerpumpen hindurch. Dieser Teilstrom 250 durchläuft die verschiedenen Pumpen in Serie nacheinander. Die Auslässe der Verstärkerturbinen gelangen in den Auslaßstrom 242, der in die Erosionszone geleitet wird, um dort in der erforderlichen Weise zu spülen und Gesteinsreste aus der Zone wegzutransportieren.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine turbinenbetriebene Verstärkeranordnung für Bohrgestänge, die sich im Bereich des Bohrlochbodens am Bohrgestänge befindet und mit diesem dort verbunden ist. Der durch das Bohrgestänge kommende Spültrüben-Strom wird verzweigt. Ein Zweigstrom wird von Feststoffen durch Zentrifugalabscheider gereinigt. Das gereinigte Fluid treibt die Turbinen verschiedener Turbinen/Pumpen-Verstärker und eine Turbine für die Zentrifugalabscheider. Die Einlasse aller Turbinen liegen parallel zueinander. Jede Turbine treibt eine Pumpe, und die Pumpen sind in Serie gestaffelt, so daß der Auslaß jeweils einer Pumpe der Einlaß der nächst folgenden Pumpe ist. Das gereinigte Fluid durchströmt außerdem die Pumpen. Der Auslaß der letzten Pumpenstufe gelangt zu Düsen, die das Fluid unter extrem hohem Druck gegen das Gestein im Bohrloch strahlen und das Gestein dadurch abtragen. Die Auslaßströme von den Turbinen sowie zu Verstärkungszwecken nicht benötigte Spültrübe gelangt in die Gesteins-Erosionszone, um diese von Bohrgut freizuhalten, das beim Bohren entsteht. Das aus dieser Zone kommende Fluid zusammen mit den aus den Reinigerstufen kommenden Rückständen fließen im Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrloch nach oben.

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Claims

KOBE, INC., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates California, 3040 East Slauson Avenue, Huntington Park, California 90255 (V. St. A.) Einrichtung zur Druckerhöhung eines zum Strahlbohren verwendeten Fluids, insbesondere der Spültrübe beim Niederbringen von Erdölbohrungen Ansprüche

1. Einrichtung zur Druckerhöhung eines zum Strahlbohren verwendeten Fluids, insbesondere der Spültrübe beim Niederbringen von Erdölbohrungen, unter Verwendung eines von dem Fluid angetriebenen Motors und einer von diesem getriebenen, den Strahldüsen vorgeschalteten Pumpe, wobei Motor und Pumpe im oder am Bohrgestänge im Bereich der Bohrlochsole angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Motor von mehreren Turbinen (z.B. 62) gebildet ist, deren Einlasse

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(z.B. 64) für das Antriebsfluid parallel geschaltet

daß die Pumpe von mehreren Rotationspumpen (z.B.

150, 152) gebildet ist und diese zur progressiven Druckerhöhung hinsichtlich des Fluid-Durchsatzes in Reihe geschaltet sind;

und daß der Ausgang (z.B. 154) der in Strömungsrichtung letzten Rotationspumpe (z.B. 152) an die Strahldüsen (z.B. 164) angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Turbinen (z.B. 62) und alle Pumpen (z.B. 152) als mehrstufige Axialmaschinen ausgeführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Turbinen (z.B. 62) und alle Pumpen (z.B. 152) entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine große axiale sowie eine vergleichbar kleine radiale Ausdehnung aufweist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Turbine (z.B. 62) über eine gemeinsame Welle (z.B. 72, 182) jeweils eine Pumpe (z.B. 152) antreibt, wobei jede Turbine mit ihrer Pumpe auf der gemeinsamen Welle eine Verstärkungs- bzw. Druckerhöhungsstufe darstellt; und daß sie eine Mehrzahl derartiger Stufen aufweist, bei denen die gemeinsame Welle jeder Stufe unabhängig von den gemeinsamen Wellen aller anderen Stufen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Druckerhöhungsstufe eine Ausgleichseinrichtung (Ausgleichskolben 196) für Axialkräfte aufgrund des Fluiddruckes zugeordnet ist.

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7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichseinrichtung einen Ausgleichskolben (196) mit sich gegenüberliegenden Kolbenflächen aufweist, von denen die eine Fläche dem nach unten wirkenden Auslaßdruck der zugeordneten Turbine (z.B. 62) und die andere Fläche dem nach oben wirkenden Einlaßdruck der zugeordneten Pumpe (z.B. 152) ausgesetzt ist.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Druckerhöhungsstufe mehrere axial durchströmte Turbinen und mindestens eine axial durchströmte, mit einer gemeinsamen Welle an die Turbinen angeschlossene Pumpe aufweist; und daß die Fluideingänge aller Turbinen jeder Stufe parallel und die Pumpen jeder Stufe in Reihe geschaltet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bohrkopf des Bohrgestänges (10) untergebracht und mit einer äußeren Buchse (24) sowie einem darin befindlichen Gehäuse (28) versehen ist, welches die Turbinen (z.B. 62) und die Pumpen (z.B.152) umschließt und in welchem die Wellen (z.B. 72) drehbar gelagert sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest wesentliche Teile des Kanals (54) für das Antriebsfluid, des Abströmkanals (22) für das von den Turbinen kommende Fluid und des Oberleitungskanals (153) für die Serienverbindung der Pumpen innerhalb der Buchse (24) verlaufen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Auslaßkanal

(22) aller Turbinen im Bereich der Düsenanordnung (162) aus dem Bohrkopf zum Reinigen und Abtransportieren von Bohrklein aus der Erosionszone herausgeführt ist.

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12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf lösbar mit dem Bohrgestänge (10) verbunden ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ihr im Bohrkopf ein Zentrifugalabscheider für die Festkörperabtrennung aus der Spültrübe vorgeschaltet ist; daß der Zentrifugalabscheider von einer Turbine (80) angetrieben und sein Einlaß über einen Längskanal (222, 224, 230, 232) an den Innenkanal (220) des Bohrgestänges (10) für die Zuleitung von Spültrübe angeschlossen ist; daß der gereinigte Auslaß vom Zentrifugalabscheider in einer Sammelleitung (234) vereinigt ist; daß der Schmutz-Auslaß (z.B. 60) des Zentrifugalabscheiders zur Außenseite des Bohrkopfes geführt ist; daß von der Sammelleitung (234) ein Zweigstrom (228) zum Eingang der Antriebsturbine (80) des Zentrifugalabscheiders führt; daß von der Sammelleitung (234) parallele Teilströme (244, 246, 248) zu den Turbinen (z.B. 62) für den Antrieb der Druckerhöhungsstufen abgezweigt sind; daß die Fluidauslässe aller Turbinen zusammengefaßt sind und daß von der Sammelleitung (234) ein Oberleitungskanal (153) für einen Fluid-Teilstrom abgeht, der sämtliche Pumpen (z.B. 152) in Serie verbindet.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe aller Turbinen (z.B. 80, 62) über einen Kanal zur Erosionszone zum Zwecke des Spülens und Abtransports von Bohrklein geführt sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmutz-Auslaß (z.B. 60) an einer Stelle aus dem Bohrkopf geführt ist, die mit Abstand von der Erosionszone in den Ringraum zwischen

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Bohrgestänge (10) und Bohrlochwand führt.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kanäle für die Spültrübe, für das gereinigte Fluid, das Antriebsfluid und das vom Auslaß der Turbinen kommende Fluid im wesentlichen völlig innerhalb des Bohrkopfes befinden.

17. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bohrgestänge (10) axial verschiebbar und daß unterhalb
der letzten Pumpenstufe (z.B. 152) ein Rückschlagventil (170) vorgesehen ist, das einen dort befindlichen und unter dem unverstärkten Druck des Fluid
stehenden Raum (172) gegen den im allgemeinen niedrigeren Druck im Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrloch-Wand absperrt.

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