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Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zum Behandeln
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unterirdischer Lagerstätten mit unter Druck stehendem Schaum durch
ein Bohrloch, insbesondere zur --c:-=;-.
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Abbau von unterirdischen Lagerstätten.
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Eine Vielzahl von Verfahren wurde beschrieben zur Erhöhung der Ausbeute
an flüssigen Kohlenwasserstoffen (z.B. Rohöl und Erdgas) aus Bohrlöchern, die in
Lagerstätten mit geringer Permeabilität eingebracht wurden. Ansäuerung der Matrix
und hydraulisches Brechen derartiger Formationen sind die bestbekannten und meistverwendeten
Verfahren.
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Beim hydraulischen Brechen wird eine Brechflüssigkeit durch ein perforiertes
Bohrrohr in die kohlenwasserstoffführende Zone unter einem Druck gepumpt, der ausreichend
hoch ist, um die Oesteinsformation zu zersplittern oder zu brechen. Die Brechflüssigkeit
enthält normalerweise ein Beschwerungsmittel, das in die Bruchstelle eingebracht
wird und das Zusammenbrechen der Bruchstelle verhindert, wenn der Einpumpdruck zurückgeführt
wird auf Normaldruck.
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Als Beschwerungsmittel dienen Sand, gesinterter Bauxit, Glaskugeln
usw. Diese erzeugen einen durchlässigen Kanal innerhalb der Lagerstätte, durch die
die Flüssigkeit zum Bohrloch fließt und abgezogen wird.
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Beim üblichen hydraulischen Brechverfahren werden verschiedene Flüssigkeiten
als Brechflüssigkeiten verwendet, beispielsweise Rohöl, Dieselöl, Kerosin, Wasser,
Wasser mit Verdickungsmitteln, Säuren (wässrige HC1), > verdickte Säuren usw.
(mit oder ohne Beschwerungsmittel) Als Verdickungsmittel für Wasser dienen Polysaccharide
oder Polysaccharidderivate (wie Guarmehl, Hydroxypropyl- Guarmehle usw.). Diese
haben sich in Brechflüssigkeiten als besonders wirksam und geeignet erwiesen und
werden deshalb in großem Umfang verwendet. Jedoch ergaben sich bei der Verwendung
der wässrigen Gele und anderer Brechflüssigkeiten Probleme. Beispiels-
weise
tritt ein großer Druck-abfall ein, wen der Brechdruck erreicht ist und das Brechen
der Lagerstätte beginnt.
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Die Pumpen müssen dann in der Lage sein, große Volumina zusätzlicher
Brechflüssigkeit schnell in die Brechzone einzuspritzen, um die Bruchzone aufrechtzuerhalten.
Die Zufuhr von zusätzlichem Pumpdruck erfordert zahlreiche große Pumpaggregate,
die in Reserve gehalten werden müssen, die jedoch anderweitig nicht notwendig sind.
Weiterhin benötigen die Brechflüssigkeiten oft eine zusätzliche Behandlung oder
die Zugabe chemischer Zusätze zur Erhöhung ihrer Viskasität, der Gelfestigkeit und/oder
zur Verbesserung des Fließverhaltens während der Verwendung. Weiterhin sind Behandlungsmöglichkeiten
der Flüssigkeiten erwünscht zur Verbesserung der Aufnahme von Beschwerungsmitteln.
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Zahlreiche Probleme beim Brechen mittels Flüssigkeiten wurden gelöst
durch hydraulisches Brechen mit Schaum. Das Schaumbrechverfahren ist in US-FS3 937
283 beschrieben.
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Eine Veröffentlichung über Schaumbrechen erfolgte von Blauer, et al
in der Ausgabe vom 22. Juli 1974 von "Oilweek" unter der Bezeichnung "Formationsbrechen
mit Schaum" SPE 5003. Bezuggenommen wird ferner auf die US-Patentschrift 3 980 136.
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In der US-Patentschrift 3 937 283 sind die Vorteile des Schaumbrechens
und Verfahren zum Herstellen derartiger Schäume beschrieben. Einer der Vorteile
des Schaumbrechens ist der geringere Flüssigkeitsverlust innerhalb der Gesteinsformation.
Geringere Flüssigkeitsverluste innerhalb der Gesteinsfraktion beinhalten jedoch
ein effizienteres Brechen und ein minimales Zusammenbrechen der Formation?.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schäume üblicherweise
eine relativ hohe Kapazität für Beschwerungsmittel aufweisen, so daß mehr Beschwerungsmittel
in die Lagersetzte eingeführt werden kann und dies hilft sogenannte
"screen-outs"
während ungeplanten Zusammenbrechens beim Behandeln zu vermeiden. Als "screen-outs"
wird in der Ö1-technologie ein Phänomen bezeichnet, bei dem das Be schwerungsmittel
aus der Brechflüssigkeit ausfällt oder ausflocktund Stopfen innerhalb des Bohrloches
bildet.
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Schäume sind ferner leichter zu pumpen und erfordern geringere hydraulische
Kräfte und Reservepumpkapazität am Bohrloch.
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Schaumbrechvcrfahren können in ihrer Effektivität weiter verbessert
werden durch Konzentrierung des beschwerten Schlammes vor der Schaumbildong. Der
Schwerschlamm enthält eine schäumbare Flussigkeit und teilchenförmiges festes Beschwerungsmittel.
Die gegenwärtig bekannten üblichen Schwerschlämme enthalten 1,6 Kg pro Liter bis
2,1 Kg pro Liter Beschwerungsmittel (z.B. Sand), wobei nach dem Schäumen der Feststoffgehalt
des Schlammes auf 0,3 bis o,5 Kg Beschwerungsmittel pro Liter Flüssigkeit zurückgeht.
Weil es zumindestens theoretisch möglich ist, daß der Schaum mehr Beschwerungsmittel
trägt, besteht ein Bedürfnis, die Dichte des Schlammes vor dem Aufschäumen zu vergrößern.
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In US-Patentschriften 4 176 o64 und 4 126 181 sind Vorrichtungen für
diesen Zweck beschrieben. Der Schlammkonzentrator ist eine mechanische Trennvorrichtung
mit einem ro tierenden Flügel, der dem zugeführten Schlamm eine Zentrifugalkraft
aufdrückt, so daß die schwereren materialien an die Außenwand gelangen. Die leichtere
Trägerflüssigkeit trennt sich vom Schlamm ab und fließt durch ein Überlaufssieb
aus dem Konzentrator ineinenReservetank ab. In der Praxis hat sich diese Konstruktion
jedoch nicht durchsetzen können, weil die mechanischen Teile erhebliche Dichtungsprobleme
und Andere erzeugten. Im Schlammkonzentrator wurden Arbeitsdrücke von maximal 350
bar erreicht, bei begrenztem
Volumenaustrag. Anderson et al haben
auf dem Jo. Annual technical meeting of the Petroleum Society of CI vom 8. bis 11.
Mai 1979 weitere Informationen über dieses System gegeben.
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Aus den Firmenprospekten der Ulbohrfirmen ergibt sich, daß auch weitere
Schlammkonzentratoren entwickelt wurden für die Verwendung beim Schaumbrechen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anlage zum Behandeln
unterirdischer LagerstcÄtten zu schaffen, die besonders vorteilhaft eine Behandlung
mit unter Druck stehendem Schaum durch ein Bohrloch zum Abbau ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die nlgC zum Behandeln unterirdischer
Lagerstätten gemäß dem Patentanspruch 1.
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In den Unter ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben Die erfindungsgemäße Anlage schließt eilen Schlammkonzentrator ein,
der besonders geeignet ist zum Aufkonzentrieren von beschwerten Schlämmen oder Schwerschlämmen
für die anschließende Verwendung beim hydraulischen Schaumbrechen von unterirdischen
Lagerstätten.
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Dieser Schlammkonzentrator kann verwendet werden bei erhöhten Drücken,
die größer als 690 bar sind, falls dies erforderlich ist und sein Volumenausstoß
ist ausreichend für die Bedürfnisse des Schaumbrechens.
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Dieser Schlammkonzentrator ist gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit
einem ersten und einem zweiten Ende mit einer Innenbohrung, die einen im wesentlichen
kreisförmigen Querschnitt aufweist und deren Hauptachse sich vom.
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ersten zum zweiten Gehäuseende erstreckt. Im Gehäuse ist in der Nähe
des ersten Gehäuseendes eine tangential zur Gehäuseinnenbohrung angeordnete Einlaßöffnung
in der Gehäusewand vorhanden. In der Nähe des ersten Gehäuseendes ist?nicht drehbar
in der Gehäuseinnenbohrung ein hohlzylindrisches Rohrstück angeordnet, dessen Außendurchmesser
annähernd so groß ist, wie der Durchmesser der Gehäuseinnenbohrung. Dieses Rohrstück
weist eine Einlaßöffnung auf, die mit der Einlaßöffnung im Gehäuse fluchtet. In
der Gehäuseinnenbohrung ist ferner ein kegelstumpfförmiges Rohrstück angeordnet,
dessen Ende mit größerem Durchmesser, der annähernd so groß ist, wie der Durchmesser
der Gehäuseinnenbohrung, sich in der Nähe des ersten Gehäuseendes befindet und dessen
Ende mit kleinerem Durchmesser vom ersten Gehäuseende abgewandt ist. Die Gehäuseenden
sind mit Stirnverschlüssen versehen. Ein ersten Stirnverschluß am Gehäuse weist
eine durch ihn koaxial zur Gehäuseinnenbohrung verlaufende und vom Verschluß getragene
erste Abzugsleitung auf, die sich bis in das hohlzylindrische Rohrstück erstreckt}
innerhalb des Rohrstückes über die Einlaßöffnung hinausreicht, jedoch nicht bis
zum kegelstumpfförmigen Rohrstück reicht. An der anderen Seite ist im Stirnverschluß
ebenfalls eine koaxial zur Gehäuseinnenbohrung angeordnete zweite Abzugsleitung
vorhanden, die sich an das Ende mit kleinerem Durchmesser des kegelstumpfförmigen
Rohrstückes im Inneren der Gehäusebohrung anschließt. Zwischen der Außenseite des
kegelstumpfförmigen Rohrstückes und der Gehäuseinnenwand entsteht ein Ringraum,
der über Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen mit dem Innenraum des kegelstumpfförmigen
Rohrstückes in Verbindung steht.
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Die Erfindung schließt auch eine neue konstruktive Gestaltung eines
Drosselrohres ein, die ungewöhnlich wirksam für die Druckentspannung von durchlaufenden
Flüssigkeiten ist.
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Die Drosselrohrkonstruktion ist auch geeignet zur Verwendung
bei
Flüssigkeiten, die Feststoffe enthalten.
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Der Schlammkonzentrator mit der speziellen Entspannungsvorrichtung
für Flüssigkeiten ist -eine besonders geeignete Vorrichtung zur Verwendung in der
Ölindustrie, insbesondere bei der Felderschließung. Der erfindungsgemäße Gegenstand
kann aber auch für andere Anwendungsfälle verwendet werden, bei denen es notwendig
oder wünschenswert ist, Schlämme zu konzentrieren oder Flüssigkeiten unterschiedlicher
Dichte zu trennen oder Gase von Flüssigkeiten zu trennen, während diese unter hohem
Druck stehen.
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Die in Figuren 1 und 2 wiedergegebenen Ausführungsformen des Schlammkonzentrators
sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Figur 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen
Konzentrator.
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Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt durch den Konzentrator entlang
der Linie 2-2 von Figur 1.
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Figur 3 ist ein Fließdiagramm des Systems zum Einspeisen von Schaum
in einen Schacht.
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Figuren 4 und 5 zeigen detailliert bevorzugte Ausführungsformen der
Flüssigkeitsverbindungsteile.
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Figuren 6 und 7 zeigen schematisch den Schlammkonzentrator mit der
Drosseleinrichtung.
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Figur 8 zeigt einen schematischen Längsschnitt des Durchganges durch
die Drossel.
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Figur 9 zeigt einen Längsschnitt durch den Drosselanschlußstutzen
mit den Adapterteilen und dem Drosseldurchgang,
Aus Figur 1 ist
zu entnehmen, daß das Außengehäuse (1) des Konzentrators eine hohlzylindrische Bohrung
mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist und eine sich ucr, ene-Ende zum anderen
erstreckende Ausscheidungsachse (axis of generation). Die Wände des Außengehäuses
sind so dick ausgebildet, daß sie hohem Druck widerstehen und bestehen normalerweise
aus Metall (z.B. Stahl) können jedoch auch aus anderen Werkstoffen gefertigt sein.
In der Innenbohrung des Gehäuses (1) ist ein hohlzylindrisches Rohrteil (12) angeordnet.
Dieses Rohrteil hat eine Eingangsöffnung, die übereinstimmt mit dem Schlammeinlaß
(17) der tangential zum hohlzylindrischen Rohrteil (12) angeordnet ist. Der Schlammeinlaß
(17)ist in Figur 2 detaillierter wiedergegeben.
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Figur 1 zeigt ebenso das hohlzylindrische kegelstumpfförmige Teil
(im), dessen eines Ende einen kleinen Durchmesser aufweist und dessen Ende mit dem
großen Durchmesser in der hohlzylindrischen Bohrung des Gehäuses angeordnet ist.
Das Ende mit dem großen Durchmesser des konischen Teils ist allgemein in Nachbarschaft
des ersten Gehäuseendes angeordnet und der Durchmesser entspricht annähernd dem
Durchmesser der Innenbohrung des Gehäuses0 Das enge Ende des Konus ist im allgemeinen
auf der dem ersten Ende abgewandten Seite des Gehäuses angeordnet.
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Die Ausführungsform von Figur 1 zeigt das kegelstumpfförmige Teil
(11) und das. hohlzylindrische Rohrteil (12) als getrennte Teile, die innerhalb
der Gehäusebohrung dicht aneinandergefügt sind. Die beiden Teile können auch fest
miteinander verbunden sein, es ist jedoch ein wesentlicher Vorteil, wenn die Teile
(11 und 12) als getrennte Teile ausgebildet sind.
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Der erste Stirnverschluß (14) ist am Gehäuseende auf einer Seite angebracht
und so ausgebildet, daß er die ersten Abzuges
leitungsrohrteile
(13 und 13 A) aufnehmen und tragen kann.
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Diese Ableitungsrohre sind im allgemeinen koaxial innerhalb der Innenbohrung
angeordnet und erstrecken sich in die Innenbohrung bis in das hohlzylindrische Teil
(12) und bis über den Schlammeinlaß (17) hinaus, jedoch erstrecken sie sich nicht
bis zum kegelstumpfförmigen Teil (11). Die Rohrteile (13 und 13 A) bilden zusammen
eine Auslaßleitung.
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Unabhängig davon wird das Rohrteil (13) auch als Wirbelsucher (vortex
finder) bezeichnet.
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Ein zweiter Stirnverschluß ist am anderen Ende des Außengehäuses angebracht
zur Aufnahme einer zweiten Auslaßleitung (13 B), die ebenfalls koaxial zur Innenbohrung
des Gehäuses angeordnet ist und in flüssigkeitsdurchlässigem Kontakt mit dem engeren
Ende des kegelstumpfförmigen Teils (11)steht. In Figur 1 ist auch gezeigt, daß der
Stirnverschluß (7) ein Aufnahmeteil (1o) für das engere Ende des kegelstumpfförmigen
Teiles (11) aufweist.
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Zwischen der Außenseite des kegelstumpfförmigen Teils und der inneren
Gehäusewand ergibt sich ein Ringraum (35). Die Verbindung des Ringraumes (35) mit
dem Inneren des kegelstumpfförmigen Teils (11) erfolgt über Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen
(34). Die Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen, die in dieser Figur wiedergegeben
sind, bestehen aus einer Vielzahl von län.-gsgerichteten Nuten im Endstück des kegelstumpfförmigen
Teils und ergeben eine Reihe von Öffnungen um den Außenumfang an der Anschlußstelle
des konischen Teils an das hohlzylindrische Rohrteil (12).
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Bei Betrieb der Anlage ermöglichen die Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen
des Schlammkonzentrators das Betreiben bei erhöhtem Druck, um pumpfähige Schlämme
zu konzentrieren ohne übermäßige Berücksichtigung der Druckbeständigkeit des hohlzylindrischen
Rohrteils (12) und/oder des kegelstumpfförmigen Teils (11). (Als pumpfähige Schlämme
werden Mischungen
aus Feststoffen, Flüssigkeiten und/oder Gasen
unterschiedlicher Dichte bezeichnet). Die Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen ergeben
einen Druckausgleich zwischen
dem Ringraum t35) und dem Rauminneren des <7sumpfförmigen Teils (11). Dies ist
ein wesentliches Merkmal des Schlammkonzentrators, weil es dadurch möglich ist,
das kegelstumpfförmige Teil (insbesondere) aus üblichen Werkstoffen auszubilden
oder solche Werkstoffe zu wählen, die speziell besonders abriebfest oder korrosionsbeständig
sind.
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Die Werkstoffauswahl für den Schlammkonzentrator und seine Teile bereitet
dem Fachmann keine Schwierigkeiten und kann an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt
werden. Ebenso ist es möglich, die Größenausbildung des Schlammkonzentrators und
seiner Teile zu verändern, um speziellen Anforderungen zu genügen, beispielsweise
die Wandstärke des AuEengehäuses an die betreffenden Drucke anzupassen.
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Der Schlammkonzentrator arbeitet durch Umwandlung von Druckenergie
in Zentrifugalkräfte durch tangentielles Einführen eines pumpfähigen Schlammes in
den Schlammkonzentrator durch den Schlammeinlaß (17). Die Zentrifugalkräfte bewirken,
daß schwerere Teilchen des zugeführten Schlammes sich nach außen bewegen, an die
Innenseite des hohlzylindrischen Rohrteils (12) und dann gleichmäßig weitergelei-.
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tet werden vom ersten Gehäuseende hin zum zweiten Gehäuseende ' in
das innere des kegelstumpfförmigen Teils (11), entlang seinersichverengenden inneren
Oberfläche in einer zentrifugal sich verengenden Spirale zum Ende mit dem kleinen
Durchmesser hin und dann durch die Auslaßleitung(139) austreten.Der leichtere Teil
oder die leichteren Teile des Schlammes bewegen sich als Spiralwirbel zur Auslaßleitung
(13) und werden durch die Auslaßleitungen (13 und 13 A) abgezogen.
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Die Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen (34) des Schlammkonzentrators
ermöglichen den Durchtritt von Flüssigkeit (anfanges eingespeist oder aus dem zugeführten
Schlamm) in den Ringraum (35), der sich auf diese Weise mit Flüssigkeit füllt. Nach
dem dieser Raum ausgefüllt ist, ist der Druck im Ringraum der Gleiche wie im Inneren
des kegelstumpfförmigen Teils (11) und dem hohlzylindrischen Rohrteil (12). Diese
konstruktive Gestaltung bewirkt, daß zwischen den inneren Oberflächen und den äußeren
Oberflächen des zylindrischen Rohrteiles (12) und des kegelstumpfförmigen Teiles
(11), wenn überhaupt, nur eine sehr geringe Druckdifferenz besteht.
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Der Schlammkonzentrator kann verwendet werden in allen Fällen, in
denen die Isolierung von Bestandteilen aufgrund unterschiedlicher Dichte notwendig
ist. Er kann beispielsweise genutzt werden zum Trennen nicht miteinander mischbarer
Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte (z.B. Öl und Wasser), ist jedoch ebenso brauchbar
zur Aufkonzentrierung von Schlämmen, die in einer Trägerflüssigkeit Feststoffe enthalten.
Die letztere Möglichkeit machenden Schlammkonzentrator insbesondere geeignet in
der Ölbohrtechnik um,Bohrlochschlämme (proppant slurries) aufzukonzentrieren. Bei
einer solchen Verwendung in einem Erdölfeld ist der Schlammkonzentrator üblicherweise
horizontal angeordnet und ein mechanisches Teil eines Vielkomponenten-Systems aus
mechanischen Mischern, Pumpeinrichtungen usw., die im folgenden als ein "System"
bezeichnet werden. Diese Ausführungsform ist in den nachfolgenden Beispielen beschrieben.
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Um den Schlammkonzentrator besonders effektiv betreiben zu können,
wird eine Druckdifferenz hergestellt zwischen dem Materialfluß durch die Auslaßleitung
(13) und den anschließenden Rohren und dem Auslaßende des Trenh-Zyklons. Diese Druckdifferenz
wird auf üblichem Wege durch Druckverringerüngsein richtungen (beispielsweise einer
Blende, einer Drossel oder
einem Durchlaßbegrenzer) im Flüssigkeitsdurchlaßbereich
zwischen der Auslaßleitung (13)- und den angeschlossenen Rohren hergestellt. Die
Druckreduziereinrichtungen erlauben nur einem Teilstrom der Flüssigkeit, die durch
den Schlammkonzentrator geführt wird, den Austritt durch die Ablaßleitung (13),
während der verbleibende Teil desSchlammes durch das andere Ende des Konzentrators
austritt. Eine Vielzahl von Druckverringerungsvorrichtungen sind bekannt und im
Handel erhältlich. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Drossel ist--in der US-Patentanmeldung
185 o87 beschrieben. An dieser Vorrichtung wird der leichtere Teil der Trägerflüssigkeit,
die aus dem Prozeßschlamm abgezogen wird, in zwei Teilströme zerlegt. Jeder der
Teilströme wird dann durch eine Anpassungsdrossel geleitet, die ausgerüstet ist
mit einer Drosselstrombohne (choke flow bean) oder einer Düse und wird anschließend
derart abgezogen, daß die Kräfte jedes Teilstromes sich gegeneinander richten und
die kinetische Energie des Stromes auf Null gebracht wird, bzw. Null angenähert
wird. Bei einer Ausführungsform der Drosselvorrichtung werden die Abzugsströme aus
dem Drosselteil so geführt, daß sie gegeneinander geführt sind und sich die Teilströme
gegenseitig mischen, Weil die abgezogenen Teilströme im allgemeinen gleiche~Geschwindigkeit
und gleiches Volumen haben, heben sich die Energien gegenseitig auf und der vereinigte
Strom kann unter normalem atmosphärischen Druck abgezogen werden. Die Figuren 6
und 7, die nachfolgend noch erläutert werden, zeigen die Drosselvorrichtung gemäß
der genannten US-Patentanmeldung.
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Figur 2 zeigt ein anderes Detail der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung,bei der die hohlzylindrische Bohrung innerhalb des Gehäuses (1) außerhalb
der zentralen mittelachse angeordnet ist. Dies ermöglicht es, die. Ausbildung des
Schlammeinlasses (17) mit einem üblichen Anschluß für ein Druckrohr innerhalb der
Gehäusewand auszubilden0 Der Druck der
Verbindungsstelle wirkt
dann innerhalb der Außenwand des Gehäuses und gestaltet die Verbindung fester und
sicherer.
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bei Rnlagen, die unter extremen Drucken, wie der vorliek gende Schlammkonzentrator
normalerweise betrieben werden, sind die Sicherheitsgesichtspunkte nicht nur wesentlich
und selbstverständlich, sondern notwendig und wichtig für die Sicherheit des Bedienungspersonals.
In gleicher Weise ist aus Figur 1 zu sehen, daß die Verbindungen der Abzugsleitungen
und der üblichen Rohranschlußstutzen innerhalb der Wände des Außengehäuses angeordnet
sind.
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Die Wände des Außengehäuses sind so ausgebildet, daß sie auch stark
erhöhten Drucken standhalten und die Ausgangsanschlüsse sind ebenso druckfest ausgebildet.
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Entsprechend der aus der Mittelachse seitlich versetzten Innenbohrung
im Gehäuse (1) ist auch das hohlzylindrische Rohrteil versetzt angeordnet. In der
Mitte des hohlzylindrischen Rohrteiles (12) ist die Auslaßleitung (13) angeordnet.
Schematisch angedeutet ist der Übergang vom hohlzylindrischen Rohrteil (12) in den
Kegelstumpf (11).Der Schlammeinlaß (17) führt nach außen. In die Gehäusewand ist
in Verlängerung der Bohrung des Schlammanschlusses (17) ein Gewinde eingeschnitten,
in das der Anschlußrohrstutzen eingeschraubt ist und durch die Flügelmutter (19)
gesichert wird. Stützringe (24) undO-Ringdichtungen (21) dienen zur Abdichtung.
Ebenso ist am Anschlußstutzen (20) ein Dichtungsring (28) vorgesehen.
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Figur 3 zeigt ein schematisches Fließdiagramm des Systems zum Herstellen
und Einbringen von Schaum in ein Bohrloch (wie). Mit den Bezugsziffern 102, 103,
104, 105 und 1o7 sind Ventile bezeichnet. Die Ziffern loS und 109 geben die Blenden
der Drosseleinrichtung wieder.
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Figuren 4 und 5 zeigen die Details der bevorzugten Ausführungsform
der Flüssigkeitsverbindungseinrichtungen, wobei Figur 5 ein Schnitt entlang der
Linie 5-5 von Figur 4 ist und Figur 4 ein Schnitt entlang der Linie 4-4 von Figur
5. Aus Figur 4, die ein vergrößerter Längsschnitt ist, wird deutlich, wie das Ende
des kegelstumpfförmigen Teils (11) und das Ende des hohlzylindrischen Rohrteiles
(12) ausgebildet und zueinander angeordnet sind, um einen Flüssigkeitsdurchtritt
zu ermöglichen. Auf der Außenseite des hohlzylindrischen Teiles (11) sind Nuten
(34) eingefräst, deren Lage aus Figur S zu ersehen ist, während in Figur 4 die Längsausdehnung
deutlich gemacht wird.
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Figuren 6 und 7 zeigen die konstruktive Ausbildung des Drosselsystems
gemäß US-Patentanmeldung 185 o87, die mit dem Schlammkonzentrator verbunden ist.
Die Figuren zeigen die Drosselvorrichtung als Schleife ausgebildet mit einem Anschluß
an eine unter hohem Druck stehende Flüssigkeit (11') über das in der Leitung angeordnete
Ventil (12').
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Das Ventil ist vorzugsweise ein hydraulisch gesteuertes Ventil, mit
dem sich der Durchfluß regeln läßt. Unter Hochdruck stehende Flüssigkeit gelangt
durch das Ventil (12') in den Strömungsteiler (13') zur Aufspaltung der unter Druck
stehenden Flüssigkeit in zwei gleiche- Teilströme. Durch diese Teilung gelangt die
Flüssigkeit in zwei getrennte Rohrleitungen (14') durch die jeder Teilstrom mit
gleichem Volumen in eine der beiden Drucksteuervorrichtungen (Figuren 8 und 9) gelangen.
Diese haben Öffnungen, die in Strömungsrichtung, z.B. koaxial angeordnet sind und
einander direkt gegenüberliegen. Die Öffnungen sind so ausgebildet, daß sie einen
Düsenstrom der Flüssig keit im wesentlichen gleicher Kraft ausbilden. Die Öffnungen
sind in Verlängerung der Zuleitungsrohre so angeordnet und ausgebildet, daß die
verlängerten Zentrallinien der Rohre sich in einem Punkt des Behälters (16') schneiden,
so
daß die Teilströme in diesem Punkt aufeinander/treffen, Aus dem Behälter wird die
Flüssigkeit abgezogen unter Normahldruck. Die Flüssigkeitssteuereinrichtungen sind
üblicherweise innerhalbe eines Drosselstutzens (15') angeordnet unter Verwendung
eines Drosseladapters (113). Derartige Drucksteuereinrichtungen sind unter dem Namen
"choke flow beans" bekannt.
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Figur 8 zeigt eine neue Ausbildungsform einer derartigen Drossel in
einem zylindrischen Gehäuse mit einer durchgehenden Längsbohrung. Die Bohrung hat
einen kreisförmigen Querschnitt und die Längsachse erstreckt sich von einem Ende
bis zum anderen Ende des Zylinders. Der Durchmesser der Bohrung verändert sich entlang
der Achse mit Stellen größeren Durchmessers in der Nähe der Enden des Zylinders.
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Der engste Teil der Bohrung hat die Form eines Trompetenrohres (11o)
zwischen dem einen Ende und dem Bereich mit dem geringsten Durchmesser (111). Dieser
engste Durchmesser ist mit d bezeichnet. Der Teil (112) der Bohrung ist konisch
von anderen Ende her ausgebildet bis zur engsten Stelle, wobei der Gesamtkonuswinkel
etwa 4° bis 8°, vorzugsweise 5° bis 7°, ganz besonders bevorzugt 5° beträgt. Die
Länge L zwischen der engsten Stelle und dem einen Ende entlang der Längsachse beträgt
bis zu etwa 9 d.
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Wenn L kleiner ist als 9 d, ist die Druckverringerung ungenügend.
Wenn L größer ist als 9 d, bildet sich eine turbulente Strömung aus, die die Wirkungsweise
der Venturidüse ebenfalls beeinträchtigt.
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Die Drosseldüse kann hergestellt werden aus im wesentlichen allen
geeigneten Werkstoffens aber wegen der im allgemeinen erforderlichen Hochdruckbeständigkeit
beim Gebrauch, wird normalerweise Stahl verwendet. In vielen Fällen wird auch wegen
der Abrasionsfestigkeit und der Härte als Material Wolframcarbid oder gekohlter
Stahl verwendet. Der Eintritts-
teil (110) unterliegt stärkerem
Abrieb bs der konische Teil (112). Deshalb wird vorzugsweise dieser Teil aus anderen
Werkstoffen hergestellt , die in das Gesamtelement eingefügt werden. Eine solche
Ausführungsform ist in Figur 9 wiedergegeben. Die Verwendung von Einsatzstücken
erlaubt eine materialgerechtere Konstruktion der kritischen Teile und die Verwendung
unterschiedlicher WerkstoffeS, z.B. von Metallen. Beispielsweise kann der dem Abrieb
ausgesetzte Eintrittsteil aus Wolframcarbid gefertigt sein9 während die anderen
Teile aus gekohltem Stahl bestehen und so billiger und leichter herstellbar sind0
Der Krümmungsra dius des Eintrittsteils (mio) kann variieren, beträgt jedoch mindestens
etwa o,5 d (vorzugsweise von 0,5 d bis 1,o d) und hat einen kreisförmigen oder eliptischen
Quexschnitt. Die gut abgerundete Öffnung am Ende des Eintrittsteils ermöglicht einen
maximalen Flüssigkeitsdurchgang und beseitigt die Bildung von Widerstandsstellen0
Dies ist wichtig, weil dadurch ein gleichmäßiger Flüssigkeitsdurch lauf erreicht
wird und der Aufbau einer pulsierenden Strömung vermieden wird. Der Eintrittsteil
(110) reicht bis zur Stelle des geringsten Durchmessers (111)o Danach öffnet sich
der Konus langsam zum konischen Teil (112)o Der Gesamtwinkel des Konus beträgt ,
wie bereits ausgeführt, vorzugsweise 50 und hat eine Länge von etwa 9 d.
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Die Außenform des Drosselteils kann unterschiedlich ausgebildet sein,
ist im allgemeinen jedoch zylindrisch mit Gewinden (117) am Ende 6 Diese Außengewinde
sind so angebracht, daß sie in entsprechende gewinde des Drosseladapters (113) eing:reifen
der das Drosselteil bei Verwendung in der Leitung fixiert. Das Eingangsende A der
Drossel hat überlicherweise eine hexagonale Form (116) und ist ausgebildet zum Einbau
in den Drosseladapter (113) unter Verwendung üblicher Schraubschlüssele Der Drosseladapter
hat üblicherweise eine zylindrische
Form, kann jedoch auch anders
ausgebildet sein. Er weist Innengewinde (118) zur Aufnahme des eigentlichen Drosselteils
auf und Außengewinde (119) zum Anschluß an den Drosselstutzen (15'). Der Drosseladapter
ist ein bekanntes übliches Teil zur Fixierung des eigentlichen Orosseirohres innerhalb
des Anschlußstutzens. Das Adapterteil hat übliche Ausbildung zum Anbringen von Armaturen
andern Eingangsende (120) und am Ende der zylindrischen Bohrung (121) zum Abführen
der entspannten Flüssigkeit. Das Adapterteil kann aus verschiedenen Materialien
hergestellt werden, üblicherweise wird jedoch ein Metall, im allgemeinen Stahl,
verwendet.
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Der Drosselanschlußstutzen (ins') ist mit Innengewinden versehen zum
Einschrauben des Drosseladapters (113). Die Innenbohrung nimmt die aus der Drossel
austretende Flüssigkeit auf und weist auch Vorrichtungen auf, im Anschluß an eine
Flüssigkeitshochdruckquelle über die Leitung (14'). Der Drosselanschlußstutzen wird
üblicherweise aus Materialien hergestellt, die hohen Druck widerstehen, beispielsweise
Stahl.
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Flüssigkeitsdichtungen (1 2o), beispielsweise 0-Ringe aus Elastomeren,sind
an passenden Stellen angeordnet.
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Das Drosselrohr gemäß Figur 8 ist eingebaut in den Drosselstutzen
wie es in Figur 9 wiedergegeben ist und schließt sich an den Konzentrator an, während
des Druckabbaus eines Bohrloches (of a well). Der Eingangsteil des Drosselrohres
besteht aus einem hlframcarbideinsatz, während das andere Teilstück aus gekohltem
Stahl besteht. Das Drosselrohr zeigt geringen oder gar keinen sichtbaren Abrieb
nach 8-stündiger Verwendung während der Flussigkeit durchgeleitet wird mit einem
Druck von mehr als 687 bar (io.ooo psi). Wenn das erfindungsgemäße Drosselteil ersetzt
wurde durch ein handelsübliches Teil aus Keramik war dies nach weniger
als
20 Minuten Betriebszeit zerstört.
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In einem anderen Falle wurde eine Bohrung hydraulisch gebrochen unter
Verwendung einer aufgeschäumten brechenden Flüssigkeit, die aufgedrückt wurde euf
einen hohen Druck mit gasförmigem Stickstoff und anderen Gasen innerhalb des Bohrloches.
Das Bohrloch wurde mittels eines Ventils verschlossen, der den Drosseladapter und
das Drosselrohr enthaltende Drosselanschlußstutzen angebracht und das Ventil zum
Bohrloch erneut geöffnet. Die aus dem Bohrloch unter einem Druck von mehreren Tausend
bar austretenden Gase würden normalerweise keramische Drosseleinrichtungen innerhalb
von Minuten zerstören. Uberraschend zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung keinerlei
Verschleißerscheinung beim Druckabbau von Bohrlöchern. Gase und Flüssigkeiten, die
aus dem Loch austreten, werden sicher in übliche Rohre abgeführt ohne den unerwünschten
Abrieb.
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Das Drosselrohr kann in der Größe variabel gestaltet werden und wird
normalerweise so ausgebildet, daß es ein fester Bestandteil eines transportablen
Schlammkonzentrators ist.
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Als Werkstoffe können alle geeigneten Materialien verwendet werden,
solange sie die erforderliche Druckbeständigkeit aufweisen, die fUr die Vorrichtungerforderlich
sind, um die Vorrichtung bei den erwünschten hohen Drucken zu betreiben.
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In den meisten Fällen wird deshalb Stahl als übliches und geeignetes
Material verwendet.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels noch näher erläutert.
Der Schlammkonzentrator,der in den Figuren 1 und 2 wiedergegeben ist, wurde verwendet
in einem Bohr- und Brechsystem, wie es in Figur 3 wiedergegeben ist, zum Einführen
einer aufgeschäumten Brechflüssigkeit in ein Bohrloch, das sich im Branyonfeld in
Guadalupe Bezirk von Texas
befindet. Das Bohrloch war annähernd
610 Meter tief und am Boden betrug der statische Druck 48 bar. Die Permeabilität
der Gesteinsschichten betrug o,21 Millidarcies (Mit-2 telwert) (o,2o7 m Bei dieser
Behandlung wurden 18.925 Liter Trägerflüssigkeit (2 %ige KCl-Sole) enthaltend ein
handelsübliches polymeres Verdickungsmittel in einer Menge von 2,4 Gramm pro Liter
gemischt mit 18.925 Liter Sand, Siebgröße o,149 Millimeter (loo mesh) und dann wurden
9.462 Liter der Trägerflüssigkeit schrittweise durch den Schlammkonzentrator mit
dem angeschlossenen Drosselteil durchgepumpt mit 3 einer Geschwindigkeit von 3,18
m3 pro Minute. Eine Mischung handelsüblicher oberflächenaktiver Mittel 3 Gewichtsteile
einer Type und 2 Gewichtsteile einer anderen Type wurden mit einer Geschwindigkeit
von o,o8 m3 pro Minute in den Flüssigkeitsstrom eindosiert und die Flüssigkeiten
dann mit Stickstoff aufgeschäumt (2,o7 m3 pro Minute Flüssigbasis), so daß ein Schaum
mit einem Mittelwert von 65 Mitchell in das Bohrloch injiziert wurde. Das Ventil
an der Drossel wurde dann geöffnet und eine Aufschlämmung von Trägerflüs- -sigkeit
mit ansteigenden Anteilen von o,84 bis 0,35 mm Kornfraktion eines Sandes durch das
Konzentrierungssystem gepumpt, aufgeschäumt unter Verwendung der gleichen oberflächenaktiven
Mittel und von Stickstoff mit der gleichen Menge.
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Der Schlamm wurde auf die gewünschte Konzentration von 119,8 Kg Sand
pro m3 Flüssigkeit des Schaums eingestellt und dann langsam erhöht auf die Endkonzentration
von 600 3 bis 720 Kg Sand pro m Flüssigkeit im Schaum, während einer Zeit von 3
bis 4 Minuten. Diese Zeitfolge war leicht zu erreichen. Der dem Schlammkonzentrator
zugefügte Massenstrom 3 wies eine absolute Dichte vpn etwa 1.128 Kg pro m bis etwa
1.570 Kg pro m3 und der Schlamm wurde abgezogen aus dem Konzentrator mit einer absoluten
Dichte zwischen etwa 1.190 Kg pro m3 bis etwa 1.750 Kg pro m3. Diese Daten sind
in Tabelle I nochmals zusammengestellt.
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Tabelle I Konzentration an Beschwerungsmittel Kg/m3 Eingangsschlamm
Ausgangsschlamm Schaum 1128 1188 1 1249 1332 2 1320 1464 3 1992 1560 4 1464 1644
5 1572 1752 6+ In der Feldpraxis wurden Konzentrationen an Beschwerungsmittel (Sand)
von 1.057 Kg/m3 Flüssigkeit und 1.720 Kg Sand pro m3 Flüssigkeit eingestellt, das
entspricht absoluten Dichten von 1e464 Kg/m3 bzw. 1.644 Kg/m3. Ohne Verwendung des
Schlammkonzentrators und des Drosselsystems war es überhaupt unmöglich, , in der
Trägerflüssigkeit 1.715 Kg Sand pro m2 zu halten. Dies ist erheblich weniger als
die bei der Abbaubehandlung erreichten 2.219 Kg/m3.
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Insgesamt wurden 107.000 Kg Beschwerungsmittel eingebracht unter Verwendung
von 3370000 Liter Trägerflüssigkeit und 18.126 Norm-m3 Stickstoff0 Das Bohrloch
wurde viermal verschlossen und im Rahmen der üblichen Behandlung jeweils langsam
wieder zurückgeführt. Die Brechbehandlung war außerordentlich erfolgreich nach den
Eingangsdaten bei der Produktion.
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Der zuvor beschriebene Schlammkonzentrator wurde in gleicher Weise
benutzt bei anderen Brechbehandlungen, bei denen der Schlamm aufgedrückt wurde auf
über 668 bar Druck. Die 8ehanolungen waren außerordentlich erfolgreich und der Schlammkonzentrator
arbeitete sehr zufriedenstellend0
Dimensionsangaben zu den Bauteilen:
Das Außengehäuse des Schlammkonzentrators besteht aus Stahl mit einer Wandstärke,
die einem Druck von 1.552 bar standhält.
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Das Adapterteil (2) weist eine Innenbohrung von 6,35 cm auf.
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Die Abstandsbuchsen haben einen Innendurchmesser von 6,35 cm.
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Das kegelstumpfförmige Teil (11) hat einen Innendurchmesser auf der
engen Seite von 7,78 cm und der größere Durchmesser an dem anderen Ende beträgt
26,67 cm. Die Gesamtlänge ist 55,34 cm.
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Das hohlzylindrische Rohrteil (12) hat eine Länge von 30,5 cm und
einen Innendurchmesser von 25,4 cm. Das Auslaßrohr (13) ist 22,9 cm lang und hat
einen Innendurchmesser von 7,62 cm.
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Bezugszeichenliste 1 Außengehäuse 2 Adapterteil 3 Flügelmutter 4,5,6
Abstandsbuchsen 15,18 Distanzbuchsen 7 Stirnverschluß, Kopfauslaß 8 Befestigungsmuttern
9 Hülse für den Kopfauslaß 10 Aufnahmeteil, Stützteil 11 kegelstumpfförmiges Teil
12 hohlzylindrisches Rohrteil 13 Auslaßleitung 13 A 13 6 Teile der Auslaßleitung
14 Stirnverschluß, Kopfauslaß 16,20 Adapterstücke 17 Schlammeinlaß 19 Flügelmutter
am Auslaß 21,22 n-Rinn Dichtungen 23 24,25 Stützringe 26 27 Sprengring, Sicherungsring
28 Dichtungsring 29,30 Anschlußmutter 31,32 Aufnahmehülsen 33 34 Nuten, Flussigkeitsver
bindungsteile 35 Ringraum 111 Hochdruckseite 12' hydraulisches Ventil 13' Stromteiler
14' Teilstromleitungen 15' Drosselstutzen 16' Behälter llo Einlaßseite 111 Engstelle
112 konischer Teil 113 Drosseladapter 102, 103, 104 Ventile 105 107 108, 109 Drosselrohr