DE2754901C2

DE2754901C2 - Vorrichtung zum Trennen von Strömungsmitteln unterschiedlicher Dichte für tauchbare Motor-Pumpen-Anordnungen

Info

Publication number: DE2754901C2
Application number: DE2754901A
Authority: DE
Inventors: John Janos Evanston Ill. Tuzson
Original assignee: Centrilift Hughes Inc
Current assignee: Centrilift Hughes Inc
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1983-11-03
Also published as: AU3095077A; DE2754901A1; GB1559547A; CA1079653A; NL7713141A; US4088459A; AU508556B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen ton Strömungsmitteln unterschiedlicher Dichte insbesondere für tauchbare Motor-Pumpen-Anordnungen in Bohrlöchern, mit einer Zentrifuge, die einen von einem Motor antreibbaren Rotor mit mindestens einer in Längsrichtung verlaufenden Schaufel zur Erzeugung einer Zentrifugierwirkung aufweist, und einem Gehäuse, in dem die Zentrifuge angeordnet ist, das mit einem Einlaß für die zu trennenden Strömungsmittel versehen ist.

Eine Trenneinrichtung dieser Gattung ist aus der US-PS 22 85 169 bekannt. Bei dieser Trennvorrichtung ist die zum Trennen von öl und Gas dienende Zentrifuge zwischen einer Ölförderpumpe und einem Strömungsmittelmotor angeordnet. Die Zentrifuge besteht aus einem von dem Strömitngsmiuelmotor angetriebenen Rotor, der mit mehreren längs verlaufenden Schaufeln zur Erzeugung der Zentrifugierwirkung versehen ist Den umlaufenden Schaufeln ist ein ortsfester Zwischenring nachgeschaltet, der zwischen dem Gehäuse und der Welle des Rotors angeordnet ist und somit einen inneren und einen äußeren Auslaß für die getrennten Strömungsmittel bildet Durch die Zentrifuge soll im öl enthaltenes Gas entfernt werden, um eine Gassperre in der Motor-Pumpen-Anordnung zu verhindem. Wie sich allerdings in der Praxis gezeigt hat, ist der Wirkungsgrad solcher Zentrifugen nicht sonderlich gut; d. L, daß trotz der Zentrifuge Gas im öl verbleibt und somit zu der Ölförderpumpe gelangt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trennvorrichtung der eingangs angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß die Trennwirkung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Trennvorrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zentrifuge eine Ansaugstufe und eine Pumpenradstufe vorgeschaltet sind, die von dem gemeinsamen Motor angetrieben werden und die in dem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Durch die der Zentrifuge vorgeschalteten beiden Stufen wird der Druck der zugeführten Strömungsmittel erhöht Dies wieCsrum dürfte eine Expansion der Gasphase des Strömungsmittelgemisches verhindern. Das Volumen des im Strömungsmittel enthaltenen Gases ist somit vergleichsweise klein, so daß die Gefahr eines Eindringens von Gas in den für die Flüssigkeit vorgesehenen Auslaß verringert wird. Auch wird, wie sich in der Praxis gezeigt hat bei der erfindungsgemäß ausgerichteten Trennvorrichtung die Turbulenz im Gemisch sehr stark vermindert Turbulenzen sind unerwünscht da sie den Mischvorgang und nicht die Trennung der Strömungsmittel fördern.

Das Fassungsvermögen der Trennvorrichtung ist größer als das der Pumpe, um di· Pumpe zur Erzielung des höchstmöglichen Pumpenwirkungsgrades mit ausreichend Flüssigkeit zu versorgen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Trennvorrichtung;

F i g. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Zentrifuge der dargestellten Trennvorrichtung;

F ι g. 3 eine Kennlinie der experimentell ermittelten Daten des Betriebsverhaltens einer Pumpe, bei der eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung benutzt wurde.

F i g. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Trennvorrichtung 6, die zwischen einem tauchbaren Motor M und einer Pumpe P angeordnet ist; der Motor Mund die Pumpe P sind durch eine Welle 8 verbundea Ein Dichtungsabschnitt U ist dem Motor M zugeordnet Die gesamte Anordnung des Motors W, des Dichtungsabschnitts ty, der Trennvorrichtung Sund der Pumpe P ist in ihrer Betriebslage in einem Gehäuse C einer Bohrung dargestellt. Da der Motor M, der Dichtungsabschnitt i/und die Pumpe Pherkömmlicher Bauart sind, dürfte eine ausführliche Beschreibung dieser Teile überflüssig sein, und es wird daher nur die Trennvorrichtung 5 näher beschrieben.

Die Trennvorrichtung 5 besteht aus drei Stufen in einer bestimmten Reihenfolge, und zwar einer Ansaugstufe 10, einer Pumpenrad-Stufe 12 und einer Zentrifuge 14. Die Trennvorrichtung S ist innerhalb eines Mehr-

komponenten-Gehäuses 16 eingeschlossen, das mit Einlassen 18 angrenzend am einen Ende in einem Gehäuseteil 20 versehen ist Die Ansaugstufe 10 weist eine schraubenförmige Schnecke 22 auf, die mit der Welle 8 drehfest verbunden ist und innerhalb eines Gehäuseteils 24 angeordnet ist Eine Funktion dieser Stufe besteht, abgesehen von seiner Förderung, darin, den Druck des Strömungsmittels zu erhöhen, um eine Expansion seiner Gasphase zu verhindern. Die Pumpenrad-Stafe 12 weist eine Nabe 26 mit strömungsführenden Schaufeln 28 auf, die mit de? Welle 8 drehfest verbunden sind. Die Pumpenrad-Stufe 12 verleiht dem Strömungsmittel von der Schnecke 22 zu den Einlassen 30 der Pumpenrad-Stufe 12 eine gewisse Drehbewegung. Die Pumpenrad-Stufe kann aus mehreren Laufrädem zusammengesetzt sein.

Die Zentrifuge 14 weist einen Innenmantel 32 und einen Außenmantel 34 auf, die durch eine oder mehrere längsverlaufende, im wesentlichen radial gerichtete Schaufeln 36 miteinander verbunden sind, wodurch segnientartige Hohlräume für das Strömungsmittel gebildet werden; die Zentrifuge 14 befindet sich in sinem Gehäuseteil 37. Der Innenmantel 32 ist mit der Welle 8 drehfest verbunden, so daß die gesamte Anordnung gemeinsam mit der Welle 8 umläuft

Angrenzend am Einlaßende der Zentrifuge 14 befinden sich mehrere Schaufeln 38, die bezüglich des Innen- und Außenmantels 32, 34 geneigt angeordnet sind und die dem Bohrungsfluid, das in die Zentrifuge 14 von der Pumpenrad-Stufe 12 eintritt, eine zusätzliche Drehbewegung verleihen. Die Schaufeln 36 und die gemeinsame Drehbewegung des Innen- und Außenmantels 32, 34 verhindern Turbulenzen in dem Bohrungsfluid und schaffen die Voraussetzung dafür, daß die leichteren und schwereren Komponenten durch die Zentrifugalkraft voneinander getrennt werden. Angrenzend am Auslaßende der Zentrifuge 14 befindet sich ein zylindrischer Zwischenring 40, der den Auslaß für die getrennten Komponenten bildet Die leichtere Strömungsmittelkomponente si.ömt zur Innenseite, während die schwerere Strömungsmittelkomponente zur Außenseite strömt

Angrenzend am Auslaß der Zentrifuge 14 des dargestellten Ausführungsbeispiels befindet sich ein gegossenes stationäres »Kreuzungsteil« 42, das die getrennten Strömungsmittel in der gewünschten Weise leitet Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die gasförmige Komponente über Kanäle 44 zu einer Stelle zwischen dem Bohrungsgehäuse und der Trennvorrichtung S geleitet, wo sie letztlich entfernt wird; die flüssige Komponente wird über Kanäle 46 nach innen zum Einlaß der Pumpe (nicht gezeigt) geleitet

Der Auslaß, der durch den Außenmantel 34 und den Zwischenring 40 gebildet wird, hat vom Drehmittelpunkt einen größeren Abstand als der Auslaß der Ansaugstufe 10; dies verhindert ein Rückströmen des Strömungsmittels zur Ansaugstufe 10, was den Wirkungsgrad der Vorrichtung erheblich beeinträchtigen würde. Es wird nun auf F i g. 3 Bezug genommen, die eine Kurvenschar für eine spezielle Pumpe darstellt und in der der Pumpen-Förderdruck über dem Pumpendurchsatz aufgetragen ist

Die Pumpe war an einer erfindungsgemäß ausgebildeten Trennvorrichtung angeschlossen und arbeitete bei 3600 U/min und bei 2400 U/min. Bei jeder Drehzahl wurde die Pumpe sowohl nur mit Flüssigkeit wie auch mit in die Flüssigkeit eingegebenem Gas gefahren. Das Gas wurde mit einer Fördergeschwindigkeit von 4,5 cfm bei einem Druck von 69 psia in die Flüssigkeit ingeführt, was 33,6 GFM entspricht Die Werte der aufgetragenen Punkte sind in der F i g. 3 angegeben.

Aus diesen Versuchen folgt, daß die Gastrennung bei der untersuchten Trenneinrichtung bei 100% bzw. nahezu bei 100% lag. Die im Laboratorium gewonnenen experimentellen Daten können im Laboratorium präzise wiederholt werdea Es ist praktisch unmöglich, präzise Werte beim Betrieb von Ölbohrungen zu vergleichen, da identische Bedingungen nicht mit Sicherheit hergestellt werden können; aus den Laboratoriumsversuchen läßt sich jedoch schließen, daß die erfindungsgemäße Trennvorrichtung im tatsächlichen Betrieb hervorragende Ergebnisse liefern dürfte.

Wenn auch die Erfindung in Verbindung mit der Trennung der flüssigen und gasförmigen Phasen eines Gemisches beschrieben wurde, versteht es sich jedoch, daß die Erfindung auch zur Trennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte oder von Gasen unterschiedlicher Dichte verwendet werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Trennen von Strömungsmitteln unterschiedlicher Dichte insbesondere für tauchbare Motor-Pumpen-Anordnungen in Bohrlöchern, mit einer Zentrifuge, die einen von einem Motor antreibbaren Rotor mit mindestens einer in Längsrichtung verlaufenden Schaufel zur Erzeugung einer Zentrifugierwirkung aufweist, und einem Gehäuse, in dem die Zentrifuge angeordnet ist, das mit einem Einlaß für die zu trennenden Strömungsmittel und zwei Auslassen für die getrennten Strömungsmittel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifuge (14) eine Ansaugstufe (10) und eine Pumpenradstufe (12) vorgeschaltet sind, die von dem gemeinsamen Motor (M) angetrieben werden und die in dem gemeinsamen Gehäuse (16) untergebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugstufe (10) eine schraubenförmige Schnecke (22) aufweist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenradstufe (12), eine Nabe (26) mit strömungsführenden Schaufeln (28) aufweist

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor der Zentrifuge (14) einen zylindrischen Innenmantel (32) und einen zylindrischen Außenmante¹ (34) aufweist die durch mehrere in Längsrichtung verlaufende Schaufeln (36) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge (14) Eintrittsschaufeln (38) aufweist die bezüglich der längsverlaufenden Schaufeln (36) unter einem Winkel angestellt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Austrittsbereich der Zentrifuge (14) zwischen dem Innen- und Außenmzntel (32,34) ein zylindrischer Zwischenring (40) angeordnet ist der einen inneren und einen äußeren Auslaß für die getrennten Strömungsmittel bildet

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Auslaß der Zentrifuge (14) bezüglich des Auslasses der Ansaugstufe (10) nach außen versetzt angeordnet ist.