DE60213477T2

DE60213477T2 - Vorrichtung und pumpe mit doppelkegel

Info

Publication number: DE60213477T2
Application number: DE60213477T
Authority: DE
Inventors: John Stark; Hansjörg WAGENBACH; Jörg Schär
Original assignee: DCT Double Cone Technology AG
Current assignee: DCT Double Cone Technology AG
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: EP1243748A1; BR0208073A; EP1483478B1; ATE334295T1; DK1483478T3; CA2440894C; WO2002075109A1; DE60213477D1; US7077207B2; CY1105733T1; EP1483478A1; NO20034088L; NO20034088D0; CN1292146C; AU2002233105B2; CA2440894A1; EA004893B1; CN1498303A; EA200300876A1; US20040104023A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Doppelkonuseinheit (DCT-Einheit) gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Sie bezieht sich weiter auf eine Pumpe mit einer Doppelkonuseinheit gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Das Problem, Stoffe vom Grund von Bohrlöchern heraufzupumpen, deren Tiefe unter dem Boden 10 oder mehr Meter beträgt, ist von verbreitetem Interesse. Viele unterirdische Wasservorräte liegen im Bereich von 20 bis 150 Metern unter der Oberfläche und erfordern somit Überdruck-Pumpverfahren. In der Erdölindustrie ist die Situation für einige Öl- und Gasquellen sogar noch problematischer, indem diese mehr als einen Kilometer tief sein können.
Ausser dem Problem der tiefen Bohrlöcher wird zunehmend auch ein weiterer Fall diskutiert. Diese neue Fragestellung betrifft das Fördern von Wasser aus sehr grossen Tiefen. Es hat sich gezeigt, dass solches Wasser sehr spezielle Eigenschaften aufweist und in Tiefen von mehreren Kilometern einen grossen Prozentanteil schweren Wassers enthält. Dieser natürliche Rohstoff ist der Hauptbrennstoff für den JET-Fusionsprozess.
Gegenwärtig sind mehrere Verfahren zum Auspumpen von Bohrlöchern auf dem Markt erhältlich. Unter diesen Verfahren scheinen drei vorzuherrschen. Es sind dies:

• Eine auf den Grund des Bohrlochs abgesenkte elektrische Pumpe.
• Eine auf den Grund des Bohrlochs abgesenkte Strahlpumpe.
• Gasauftriebsverfahren.

Das Absenken einer elektrischen Pumpe hat vielerlei Nachteile. Die meisten Bohrlöcher haben einen relativ engen Durchmesser, besonders wenn sie tief sind, und der Durchmesser des Pumpenrotors muss somit sehr klein sein. Dadurch wird das von der Pumpe erzeugbare Drehmoment stark eingeschränkt, was auch mit dem Einsatz sehr spezieller, kostspieliger Materialien nur teilweise aufgewogen werden kann. Ausserdem muss das zu pumpende Medium am Rotor entlangfliessen, sonst ist keine Kühlwirkung vorhanden. Gegenwärtig ist die einzige Möglichkeit, eine solche Pumpe mit Strom zu versorgen, ein elektrisches Kabel, das über die ganze Länge des Bohrlochs nach unten führt. Daher ist dieser Pumpentyp im Bohrlochsektor der Erdölindustrie von sehr kleinem Nutzen, wo die Umgebungsbedingungen am Grund des Bohrlochs mehrphasige Säuremischungen bei hohen Temperaturen beinhalten können.
Die Strahlpumpe ist eine notorisch ineffiziente Vorrichtung, welche bei hohem Gegendruck nicht funktionsfähig ist. Sie hat jedoch den Vorteil, dass sich die mechanische Pumpe an der Oberfläche ausserhalb des Gefahrenbereichs befindet. Die Kehrseite ist, dass diese Pumpe den vollen Druck liefern muss, der erforderlich ist, um den statischen und dynamischen Druckabfall infolge der Tiefe des Bohrlochs zu überwinden. Damit nicht so ein hoher Druck abgegeben werden muss, wird oft das Gasauftriebsverfahren angewendet. Dabei muss am Grund des Bohrlochs ein Gas eingespeist werden, welches im Ableitungsrohr aufsteigt und dabei den Gegendruck in einem gewissen Mass kompensiert.
US-4 603 735 offenbart die Verwendung einer Strahlpumpe in einem System zum Pumpen von Öl und Gas. Die Strahlpumpe besteht aus einer Venturikammer. Der Venturikammer ist jeweils ein Konus vor- und nachgeschaltet, welche sich zur Kammer hin verjüngen.
All diese Verfahren funktionieren in der Theorie, erweisen sich jedoch in der Praxis als sehr beschwerlich und kostspielig.
Daher besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Pumpvorrichtung anzugeben, welche mindestens einen der oben dargelegten Nachteile behebt.
Eine solche Vorrichtung ist im unabhängigen Patentanspruch angegeben. In den weiteren Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen der Vorrichtung angegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert:
1 Schema einer Pumpanlage mit einer DCT-Vorrichtung;
2 vergrösserter schematischer Längsschnitt einer Doppelkonuseinheit;
3 Querschnitt gemäss III-III in 1;
4 wie 2, mit charakteristischen Parametern; und
5 eine dritte Pumpanlage (Version C).
DCT-Vorrichtungen, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind Gegenstand mehrerer früherer Patente, z.B. CH-A-669 823, CH-A-671 810, US-A-4 792 284, EP-B-0 232 391 und der Internationalen Patentanmeldung mit der PCT-Nummer PCT/CH 99/0403.
Aus diesen Schriften ist bekannt, dass eine DCT-Vorrichtung (double-cone technology) ein wirksames Mittel zur Erzeugung von Überdruck sowie ein Pumpmittel darstellt.
In Bezug auf die Anforderungen an Bohrlochpumpen gibt es die problematische Situation des Starts, wo zu erwarten wäre, dass Pumpflüssigkeit aus der Vorrichtung in das Bohrloch fliesst. Überraschend wurde beobachtet, dass das Ausfliessen kurz nach dem Beginn des Pumpvorgangs aufhört. In anderen Worten entfaltet die Doppelkonusvorrichtung schnell eine Saugwirkung, die den Gegendruck überwiegt.
Gemäss 1 beinhaltet eine DCT-Bohrlochpumpenanlage 1 im Wesentlichen eine Zirkulationspumpe 3, ein doppelwandiges Rohrleitungssystem 4, eine offene Doppelkonus-(ODC-)einheit 7 und eine wahlweise vorhandene Separatoreinheit 9. Die Zirkulationspumpe 3 befindet sich an der Oberfläche 11 an einem sicheren Ort. Sie versorgt entweder den inneren Teil 13 oder den äusseren Teil 15 der doppelwandigen Rohrleitung 4, welche die Pumpe 3 mit der ODC-Einheit 7 verbindet. Die Rohrleitung 4 kann starr, halbstarr oder biegsam sein. Ein Beispiel für Letzteres ist ein Löschschlauch in einem Löschschlauch. Die ODC-Einheit 7, die am Grund 17 des Bohrlochs 19 angeordnet ist, saugt die zu pumpenden Flüssigkeiten 20 und/oder Gase durch den Einlass 22 in den zirkulierenden Strom 21 ein. Das sich ergebende Gemisch gelangt direkt in den Ableitungsteil 23 der doppelwandigen Rohrleitung und steigt zur Oberfläche 11 auf, wie mit den nach oben gerichteten Pfeilen 25 angedeutet. Diese Mischung tritt in den Separator 9 an der Oberfläche ein, wo die Trägerflüssigkeit abgetrennt und zur Zirkulationspumpe 9 zurückgeführt wird (Pfeil 27).
Die ODC-Einheit 7 enthält keine beweglichen Teile. Nur die Trägerflüssigkeit und das eintretende Material 20 aus dem Bohrloch sind in einem dynamischen Zustand. Der ODC besitzt keine Ventile und kann beliebig gestartet und gestoppt werden. Die einzigen besonderen Anforderungen sind, dass eine bestimmte Geometrie beachtet werden muss und dass der ODC aus einem angemessen widerstandsfähigen Material bestehen muss für die Umgebung, in welcher er betrieben werden soll.
Zu den sehr speziellen mechanischen Eigenschaften der ODC-Einheit gehört eine sehr gute Funktionsfähigkeit gegenüber hohen Gegendrücken. Tatsächlich kann die ODC-Geometrie so gewählt werden, dass sie in Situationen mit hohem Gegendruck viel besser funktioniert als. ohne. Wie das nachstehende Beispiel zeigt, kann dieser Aspekt genutzt werden.
In einem Bohrloch von einem Kilometer Tiefe kann davon ausgegangen werden, dass der Gegendruck eines flüssigen Mediums über 100 bar beträgt. Bei der DCT-Bohrlochpumpe muss die Zirkulationspumpe nicht diese 100 bar, sondern ca. 10 bis 20 bar liefern, solange die Fördermenge am Ausgang eine bestimmte Grenze nicht übersteigt. Der fehlende Druck stammt von der ODC-Einheit, welche die Fähigkeit besitzt, hohe Durchflussmengen bei niedrigem Druck in niedrige Durchflussmengen bei hohem Druck umzuwandeln.
Besondere Merkmale der DCT-Bohrlochpumpe
Die DCT-Bohrlochpumpe ist eine unerwartete und überraschende Weiterentwicklung der bekannten DCT-Hochdruckpumpe, unter anderem gemäss den eingangs angeführten Patenten und Patentanmeldungen. Viele der charakteristischen Eigenschaften dieser Hochdruckpumpe sind auf die Bohrlochpumpe übertragbar. Einige Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten der Bohrlochpumpe sind in der untenstehenden Liste angegeben.
Kenndaten der DCT-Bohrlochpumpe
Technische Daten:

1. Pumpt Gase, Flüssigkeiten und Suspensionen entweder einzeln oder als Mischung.
2. Verwendet eine Trägerflüssigkeit.
3. Die Trägerflüssigkeit kann für jede gegebene Anwendung optimiert werden.
4. Die Trägerflüssigkeit wird von einer Zirkulationspumpe angetrieben, deren Förderdruck viel kleiner sein kann als jener, welcher der Tiefe des Bohrlochs in Bezug auf den statischen Druck entspricht.
5. Die Pumpe wird nicht beschädigt, wenn irgendeiner der folgenden Zustände eintritt: Der Auslass ist verschlossen. Der Einlass ist verschlossen. Sowohl der Auslass als auch der Einlass sind verschlossen.
6. Der ODC im Bohrloch ist sowohl bei negativem als auch bei positivem Relativdruck am Einlass 22 funktionsfähig.
7. Die Pumpe ist impulsfrei.
8. Die Pumpe kann gegen hohe Drücke arbeiten.
9. Die Pumpe kann sowohl für eine kontinuierliche als auch für eine chargenweise Produktion verwendet werden.

Auslegungs- und Anlagekenndaten der DCT-Bohrlochpumpe:

10. Die ODC-Einheit 7 kann in einem grossen Abstand von der Zirkulationspumpe 3 angeordnet sein.
11. Die Zirkulationspumpe 3 kann an einem sicheren Ort in der Nähe einer Stromversorgung angeordnet sein, während sich die ODC-Einheit 7 am gewünschten Ansaugpunkt befindet.
12. Der Gesamt-Pumpenwirkungsgrad steigt mit dem Umgebungs- und Systemdruck in der Nähe der ODC-Einheit 7.
13. Wenn die ODC-Einheit in eine Tiefe weit unter der Oberfläche abgesenkt wird, 1, so weist die DCT-Pumpe einen viel höheren hydraulischen Wirkungsgrad auf als wenn sich die ODC-Einheit an der Oberfläche befindet.
14. Es kann ein grosser Bereich mehrphasiger Gemische gefördert werden, einschliesslich beliebiger Gemische folgender Komponenten: Kleine feste Partikel; Schlämme niedriger Viskosität; Flüssigkeiten; Gase.
15. Die gesamte Pumpe kann so aufgebaut sein, dass sie sterilisiert werden kann.

DCT-Bohrlochpumpe: Vorteile beim Pumpen mehrphasiger Stoffe:

16. Es können gefährliche Gemische gepumpt werden.
17. Das Risikomaterial braucht nicht durch die Zirkulationspumpe 3 geleitet zu werden, da es in einer Separatoreinheit 9 abgetrennt und nur die Trägerflüssigkeit zur Pumpe 7 zurückgeführt werden kann.
18. Die Trägerflüssigkeit kann derart gewählt werden, dass ausgewählte Fraktionen "neutralisiert" oder bevorzugt gefördert werden.

DCT-BOHRLOCHPUMPE: Funktionsprinzip
Erste Tauchversion A
Das Funktionsprinzip der DCT-Bohrlochpumpe ist in 1 skizziert. Die Zirkulationspumpe 3 versorgt den äusseren Hohlraum eines doppelwandigen Rohrs, der zum Eingang 29 des ODC 7 führt (Pfeile 30 in den 1 und 2). Beim Durchtritt durch den Mittelteil 31 des ODC 7 (vgl. 2) wird ein Unterdruck erzeugt, der die Bohrlochflüssigkeit in den Trägerstrom einsaugt (Pfeile 33). Dieses Gemisch steigt im inneren Hohlraum 13 des doppelwandigen Rohrs 4 auf und tritt in den Separator 9 ein. Nach der Abtrennung wird die Trägerflüssigkeit zur Zirkulationspumpe 3 zurückgeführt und wieder eingespeist.
Das im Eingangsbereich 35, d.h. durch den Einlass 22 des ODC 7 eintretende Material bewirkt einen Anstieg des Systemdrucks, wodurch bei den Auslassventilen des Separators 9 ein Austritt unter Druck erzielt werden kann. Letztere können zur Funktionssteuerung des Gesamtsystems verwendet werden.
Der Durchfluss des Trägers durch den Eingangsbereich 35 erfolgt durch Durchgänge 37 in der Einlasskammer, die in 3 skizziert sind und durch den Aussenmantel 39 der Doppelkonuseinheit 7 verlaufen. Aus dem Bohrloch zu pumpende Flüssigkeiten und/oder Gase treten durch die vier Öffnungen 41 im Aussenmantel 39 des ODC in die Ansaugkammer 43 ein und werden vom Träger mitgenommen, während dieser den Spalt (Einlass 22) im mittleren Eingangsbereich 35 kurz nach der engsten Stelle 45 der Doppelkonusvorrichtung überwindet.
Zur Vereinfachung der Darstellung ist im Querschnitt gemäss 3 nur eine Anordnung mit vier Eingangsöffnungen 41 dargestellt. Die tatsächliche Anzahl und Art kann jeweils an die spezifische Anwendung angepasst sein.
Jedes in den ODC 7 eingesaugte Gas wird im Hauptkreislauf komprimiert. Beim Aufsteigen nimmt der hydraulische Druck ab und der Gasauftrieb beginnt zu wirken. Beim Eintritt in den Separator 9 werden das Gas und jegliche Fremdstoffe von der Trägerflüssigkeit abgetrennt, bevor diese zur Zirkulationspumpe 3 zurückgeführt wird. Auch Feststoffe werden im Separator entfernt.
Spezifische Einzelheiten
Eines der starken Merkmale des ODC besteht darin, dass sein Druckabfall-Erfordernis bei hohen Durchflussmengen bis zu einer bestimmten Grenze mit dem Systemdruck abnimmt. Die Obergrenze des Systemdrucks hängt ihrerseits von der Durchflussrate des Trägers ab und kann auf sehr hohe Werte erhöht werden, wenn ganz bestimmte geometrische Werte eingehalten werden. Insbesondere ist die Wahl des am Eintrittskonus angebrachten kleinen Austrittsdiffusors entscheidend. Bei der richtigen geometrischen Wahl stellt sich heraus, dass beim Betrieb des ODC in der Tiefe im Vergleich zu jenem an der Oberfläche weniger Energie zugeführt werden muss.
Der mittlere Öffnungsbereich ist für die Funktion der DCT-Bohrlochpumpe von entscheidender Bedeutung. In der Patentanmeldung PCT/CH 99/00403 wird eine neue Variante des ursprünglichen Doppelkonus vorgeschlagen. Die Abwandlung gestattet eine bedeutende Verlängerung der nutzbaren Lebensdauer des Doppelkonus unter Extrembedingungen und wird deshalb in die Konstruktion der DCT-Bohrlochpumpe einbezogen. Skizzen eines Längsschnitts durch den Öffnungsbereich der ODC-Einheit sind in den 2 und 4 dargestellt.
Bevorzugte Kennwerte für die Doppelkonuseinheit mit Diffusor
Der Durchmesser 124 der Öffnung wird mit d bezeichnet und die Länge 125 des kleinen Diffusors mit L. Das Verhältnis von L zu d ist entscheidend für die Leistung der Doppelkonusvorrichtung 7. Werte für L/d über 0,1 ergeben eine längere Lebenserwartung und insgesamt eine höhere Leistung. Bei steigendem Verhältnis L/d nimmt der gesamte Druckabfall über die modifizierte Doppelkonusvorrichtung 7 ab. Hingegen nimmt der maximal erzielbare Kompressordruck bei gleich bleibender Durchflussgeschwindigkeit des Versorgungsstroms ab. Der optimale Kompromiss liegt in der Nähe desjenigen Werts für L/d, der bei der verfügbaren Durchflussgeschwindigkeit des Versorgungsstroms gerade den richtigen Kompressordruck liefert.
Vor allem gemäss PCT/CH 99/00403 sind weitere Parameter für eine besonders vorteilhafte Auslegung der Doppelkonusvorrichtung (≤ bedeutet kleiner oder gleich):
Verhältnis h/d zwischen der Spaltbreite h 126 und dem Öffnungsdurchmesser d 124: 0 < h/d < 6; bevorzugt 0,5 < h/d < 4;
Verhältnis D_in/d zwischen Eintrittsdurchmesser D_in 27 und Öffnungsdurchmesser d: 2 < D_in/d, bevorzugt 5 < D_in/d < 20;
Verhältnis D_out/d zwischen Austrittsdurchmesser D_out und Öffnungsdurchmesser d: 2 < D_out/d, bevorzugt 5 < D_out/d < 20;
Konizität θ₁ 108 des Eintrittskonus: 0 < θ₁ < 10° (Grad), bevorzugt θ₁ < 8° und besonders bevorzugt θ₁ ≤ 6°
Konizität θ₂ 109 des Austrittskonus: θ₂ ≤ θ₁.
Erfindungsgemäss sind besonders bevorzugte Werte: 3° ≤ θ₁ ≤ 6°, und/oder θ₂ im Bereich von 3° bis 6°.
Ein direkter Vergleich zwischen der Leistungsfähigkeit der grundlegenden Doppelkonusvorrichtung 1 ohne Diffusor, bei welcher der Eintrittsspalt 22 bei der Öffnung 45 liegt, und der Doppelkonusvorrichtung 7 mit Diffusor gemäss 4 kann aus den folgenden Resultaten abgeleitet werden: Betriebsbedingungen:

Durchflussmenge Eintrittsströmung 8 m³/h

Durchflussmenge am Einlass 1 m³/h

Systemdruck P 35 bar

Bemerkung:

ohne Diffusor: Schwere Schäden nach nur 20 Betriebsminuten

mit Diffusor: Keine sichtbaren Schäden nach 40 Betriebsstunden
Zusätzlich zur verlängerten Lebensdauer kann durch die Verwendung des Diffusors das Betriebsgeräusch vermindert werden.
Erfindungsgemäss wurde überraschend festgestellt, dass durch Verändern der Konizität des Diffusors eine weitere bedeutende Verbesserung erzielt werden kann, besonders bei der Verwendung als Tiefbrunnenpumpe. Somit wird die Konizität θ₃ 55 des Diffusors grösser als 0 and kleiner als θ₂ gewählt, insbesondere im Bereich von 0,5° bis unter 6°, d.h. 0 < θ₃ < θ₂. Bevorzugte Bereiche sind: θ₂ im Bereich von 3° bis 6° und θ₃ im Bereich von 1° bis 5°.
Wie bereits erwähnt, wird die Leistung der Doppelkonuseinheit durch Verändern der Diffusorkonizität θ₃ 55 gesteigert, d.h. der Energiebedarf der Zirkulationspumpe nimmt ab.
Eine kleine DCT-Bohrlochpumpe wurde betrieben, die eine Förderleistung von 0,5 m³/h (Kubikmeter pro Stunde) aus einem simulierten Bohrloch von 400 m Tiefe aufwies. Der Versuch wurde mit Wasser durchgeführt, das vom Einlass aus einem Behälter unter Atmosphärendruck angesaugt wurde. Sowohl die Bemessung als auch die Leistung der DCT-Bohrlochpumpe hängen von der Bohrlochtiefe, vom zu pumpenden mehrphasigen Gemisch, vom Flüssigkeitsspiegel im Bohrloch, vom erforderlichen Fördermenge und dem erforderlichen Förderdruck sowie von der Durchflussmenge des Trägers ab.
In der Tauchversion A, 1, ist der Durchfluss so angeordnet, dass er durch den inneren Teil des doppelwandigen Rohrs aufsteigt (Pfeile 25). In bestimmten Anwendungen ist diese Anordnung gegenüber der Anordnung gemäss der unten erläuterten Version B zu bevorzugen, in welcher der Verlauf des zirkulierenden Arbeitsfluids umgekehrt ist. Die Version A ist jedoch für die Verwendung einer biegsamen Rohrleitung nicht gut geeignet.
Tauchversion B
Die Anordnung der Tauchversion B ist mit der Version A identisch, ausser dass die Pumpenanschlüsse vertauscht sind, um die Richtung des Kreislaufs des Arbeitsfluids umzukehren. Daher wird zur Beschreibung auf 1 Bezug genommen, jedoch mit umgekehrtem Kreislauf. Somit erfolgt der Durchfluss abwärts durch den Hohlraum 13 in der Mitte und aufwärts durch den äusseren Hohlraum 15. Diese Anordnung ist notwendig, falls der Querschnitt der doppelwandigen biegsamen Rohrleitung 4 nicht offen bleibt, wenn Druck von aussen auf die Rohrleitung wirkt. Am Beispiel eines biegsamen Schlauchs innerhalb eines biegsamen Schlauchs ist ersichtlich, dass der Startzustand wahrscheinlich nicht möglich wäre, wenn die Speisung des ODC durch das äussere Lumen 15 erfolgte. Die innere Röhre 13 würde sich unter dem Druck schliessen und wahrscheinlich nicht genügend öffnen, um den Träger und die darin enthaltenen Stoffe zur Zirkulationspumpe 3 zurückkehren zu lassen.
Eine erhebliche Länge der doppelwandigen Röhre 4 kann aus biegsamem Material bestehen, wobei der starre ODC 7 an einem Ende befestigt ist. Die ganze Einrichtung kann auf einer Trommel aufgewickelt sein, um die Handhabung zu erleichtern.
Falls die Vorschriften dies zulassen, kann die biegsame Rohrleitung an der Wand des Bohrlochs abgestützt werden.
Die Wände des ODC müssen jedoch dem Druckunterschied zwischen dem Innen- und dem Aussendruck am Grund des Bohrlochs widerstehen.
Start: Tauchversion B
Das Starten einer DCT-Bohrlochpumpe nach dem Absenken des ODC in ein Bohrloch an seiner doppelwandigen biegsamen Röhre ist relativ einfach. Die Zirkulationspumpe 3 wird mit Trägerflüssigkeit aus einem unabhängigen Vorratsbehälter gestartet. Die Pumpe pumpt die Trägerflüssigkeit durch das innere Lumen 13 der biegsamen doppelwandigen Röhre 4 zur Öffnung 45 der ODC-Einheit hinunter. Die Öffnung 45 weist einen viel kleineren Querschnitt auf als das innere Lumen, so dass die Flüssigkeit viel langsamer in das Bohrloch austritt, als sie in der abwärts führenden Röhre ankommt. Sobald die Kombination aus statischem (Flüssigkeitssäule) und Pumpendruck einen geeigneten Wert erreicht hat, strömt die Trägerflüssigkeit am Spalt 22 vorbei in den Austrittskonus. Gleichzeitig setzt die Ansaugwirkung im Einlassbereich 35 ein. Während die Trägerflüssigkeit das äussere Lumen 15 der biegsamen Röhre auffüllt und zur Oberfläche aufsteigt, nimmt der auf den ODC 7 wirkende Gegendruck zu. Dieser Effekt begünstigt eine Senkung des Druckabfalls am ODC, wodurch mehr Druck zur Steigerung der Trägerdurchflussmenge frei wird.
Zwischen dem Start und einem stabilen Kreislauf vergeht normalerweise wenig Zeit. Bei wenig tiefen Bohrlöchern sollte sie in der Grössenordnung von Sekunden liegen und bei tiefen Bohrlöchern wenige Minuten betragen.
Abstellen: Tauchversion B
Zum Abstellen der DCT-Bohrlochpumpe muss nur die Zirkulationspumpe 3 abgeschaltet werden. Die Trägerflüssigkeit in der biegsamen doppelwandigen Rohrleitung 4 hat die Tendenz, in das Bohrloch hinunterzufliessen, sollte jedoch in den meisten Anwendungen keine grösseren Komplikationen verursachen. Der Verlust an Trägerflüssigkeit im Bohrloch kann durch Einfügen von Ventilen in die Zu- und Rückleitung im Bereich des Separators 9 vermindert werden.
Deblockieren der ODC-Einheit
Das in den ODC 7 eingesaugte Material kann die Einheit periodisch blockieren. Eine Möglichkeit besteht darin, die Fliessrichtung der Zufuhr zum ODC 7 umzukehren. Dadurch wird im Einlassbereich 29 ein hoher Druck erzeugt, der bewirkt, dass das blockierende Material ausgeblasen wird. Sobald festgestellt wird, dass der Förderdruck wesentlich abgenommen hat, kann die Zufuhr wieder in der normalen Richtung erfolgen. Der hohe Druck infolge der Umkehr des Durchflusses durch den ODC 7 wird durch die in 2 dargestellte asymmetrische Geometrie gewährleistet.
DCT-Bohrlochpumpe: Tauchversion C
Die in 5 dargestellte Tauchversion C 60 gestattet das kontinuierliche Pumpen einer Flüssigkeit 62 aus grosser Tiefe. Diese besondere Anordnung ist extrem leistungsfähig und ist somit in der Lage, mit relativ kleinen ODC-Einheiten 7 grosse Mengen Flüssigkeit zu pumpen.
Wie bereits erwähnt, fliesst bei einem gegebenen Druckabfall an der ODC-Einheit 7 je mehr zirkulierende Flüssigkeit, desto höher der Systemdruck und der auf den Einlass wirkende Druck ist. 1000 m unter der Oberfläche ist der Systemdruck unter dynamischen Bedingungen höher als 100 bar, und auf den Einlass wirken 100 bar. Für solche Bedingungen kann ein extrem leistungsfähiger ODC 7 konstruiert werden.
Eine Vorführversion einer solchen Pumpe wurde im Thunersee in der Schweiz in einer Tiefe von 40 m getestet. Das Experiment bestätigte nicht nur das Prinzip, sondern auch die Aussichten auf industrielle Anwendungen.
Tauchversion C: Auftriebshilfe
Ein separates Rohr mit kleinem Durchmesser kann abgesenkt und an einem gesunkenen Gegenstand angebracht werden. Die Tauchversion C der DCT-Bohrlochpumpe könnte abgesenkt und am gesunkenen Gegenstand mit dem Rohr kleinen Durchmessers angebracht werden, um Wasser daraus abzusaugen. Beim Betrieb der Bohrlochpumpe gelangt nach und nach Luft durch das Rohr kleinen Durchmessers nach unten und füllt den zunehmend entleerten gesunkenen Gegenstand auf. Nach einer gewissen Zeit steigt der gesunkene Gegenstand durch das grössere Verdrängungsvolumen kontrolliert zur Oberfläche auf.
Virtuelles Abstellen, alle Versionen
Ein virtuelles Abstellen mit minimalem oder ohne Austritt von Zirkulationsflüssigkeit wird durch einfaches Verringern der Leistung der Zirkulationspumpe und/oder Schliessen der Auslassventile 36 erzielt. Wenn nur die Auslassventile 36 geschlossen werden, baut sich im Kreislauf natürlich ein beträchtlicher Überdruck auf, bis ein Gleichgewicht erreicht werden kann.
Allgemeines Aussehen und typische Abmessungen des ODC
Das äussere Aussehen des ODC ist jenes eines Zylinders mit ungefähr in der Hälfte der Zylinderachse am Umfang angeordneten Löchern. An einem Ende befindet sich ein Anschluss für die Rohrleitung 4 und am anderen Ende ist der Zylinder verschlossen. Typische Abmessungen eines Bohrloch-ODC kleinen Durchmessers sind 150 cm Länge mit einem äusseren Querschnittsdurchmesser von 100 mm.
Der Abschluss des unteren Endes der Doppelkonuseinheit 7 besteht vorzugsweise nur aus einer flachen Scheibe. Es hat sich herausgestellt, dass eine Form, welche die Reflexion des zirkulierenden Stroms unterstützt, die Leistungsfähigkeit nur verschlechtert. Diese Erkenntnis schliesst jedoch andere Mittel für den Abschluss der ODC-Einheit nicht unbedingt aus.
Voraussichtliche Leistung einer kleinen DCT-Bohrlochpumpe
Bei einem Brunnen von 400 Metern Tiefe, welcher mit einem Bohrloch von 110 mm Durchmesser erschlossen wird, ist die Verwendung eines ODC mit einem Aussendurchmesser von 100 mm und einer Länge von ca. 150 cm angemessen. Innerhalb eines solchen Aussenmantels des ODC sind mehrere unterschiedliche innere Geometrien denkbar. In der untenstehenden Tabelle 1 ist die theoretische Leistung für drei Geometrien mit unterschiedlichen L/d-Werten zusammengefasst.
Tabelle 1: Leistungsvergleich für 3 ODC-Einheiten mit unterschiedlichen L/d-Werten, welche in denselben zylindrischen Mantel passen (äussere Abmessungen: 150 cm Länge bei einem Durchmesser von 100 mm).
Diese theoretischen Resultate stellen jeweils nicht den besten Fall dar. Sie dienen nur zur Einschätzung des Leistungsbereichs einer typischen DCT-Bohrlochpumpe kleinen Durchmessers. Der hydraulische Wirkungsgrad kann weit über den besten Wert gemäss Tabelle 1 hinaus gesteigert werden. Andere Kriterien überwiegen jedoch oft den Wirkungsgrad, wenn schwierige Bedingungen hinzukommen. Der Energiebedarf für den Antrieb der Zirkulationspumpe in der Situation mit dem geringsten oben angeführten Wirkungsgrad entspricht weniger als 1 Barrel Öl pro Tag. Tatsächlich liegen die gezeigten Wirkungsgrade weit über jenen auch der besten Strahlpumpen.
Anhand der vorstehenden Beschreibung sind für den Fachmann Varianten erkennbar, die innerhalb des durch die Patentansprüche gegebenen Schutzumfangs liegen. Denkbar sind beispielsweise folgende:

– Anstelle der verbesserten Doppelkonusvorrichtung kann eine einfache Doppelkonusvorrichtung verwendet werden, bei welcher die Eintrittsöffnungen 22 an der engsten Stelle angeordnet sind.
– Für die Zufuhr und die Ableitung der zirkulierenden Flüssigkeit können separate Röhren verwendet werden, z.B. durch Kippen oder im Extremfall durch eine horizontale Anordnung der Doppelkonuseinheit.
– Die gedachte Verlängerung des Austrittskonus muss nicht genau mit dem Umfang der Öffnung (45) der Doppelkonusvorrichtung übereinstimmen, sondern sie kann die Ebene 31 mit einem kleineren oder grösseren Durchmesser schneiden.

Claims

Pumpenanordnung (1, 60) zum Abpumpen von Flüssigkeiten einschliesslich Gasen aus grosser Tiefe, vorzugsweise vom Grund von Bohrlöchern wie Ölquellen, mit einem Kreislauf für ein Arbeitsfluid, wobei der Kreislauf eine Zuleitung, eine Entleerungsleitung, eine Zirkulationspumpenvorrichtung (3), eine Doppelkonuseinheit (7) und Mittel (36) zum Abtrennen der gepumpten Flüssigkeit beinhaltet, welche derart miteinander verbunden sind, dass eine umlaufende Flüssigkeit durch die Pumpenvorrichtung (3), die Zuleitung, die Entleerungsleitung und die Pumpenvorrichtung (3) zirkulieren kann, wobei die Abtrennmittel (36) in einer der genannten Leitungen angeordnet sind, so dass die durch den Doppelkonus in den zirkulierenden Flüssigkeitsstrom eingebrachte abgepumpte Flüssigkeit durch die Abtrennmittel (36) zurückgewonnen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkonuseinheit (7) im wesentlichen aus einer jeweils im wesentlichen hohlen, kegelstumpfförmigen Eintrittseinheit (29) und Austrittseinheit (47) besteht, wobei die Eintrittseinheit (29) und die Austrittseinheit (47) über ihre jeweiligen ersten Enden mit kleinem Durchmesser miteinander verbunden sind und eine Öffnung (45) bilden, und wobei die Austrittseinheit in einem Abstand von deren erstem Ende mindestens eine erste Einlassöffnung (22) aufweist, so dass zwischen dem Einlass (22) und dem ersten Ende der Austrittseinheit ein Abschnitt (49) mit zunehmendem Querschnitt und einer wirksamen Länge L vorhanden ist, um Geräusch und/oder die Abnutzung der Doppelkonusvorrichtung zu vermindern.
Pumpenanordnung (1, 60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: – Verhältnis h/d zwischen der Spaltbreite h (126) und dem Öffnungsdurchmesser d (124): 0 < h/d < 6, bevorzugt 0,5 < h/d < 4; – Verhältnis D_in/d zwischen dem Eintrittsdurchmesser D_in (27) und dem Öffnungsdurchmesser d (124): 2 < D_in/d, bevorzugt 5 < D_in/d < 20; – Verhältnis D_out/d zwischen dem Austrittsdurchmesser D_out (128) und dem Öffnungsdurchmesser (124): 2 < D_out/d, bevorzugt 5 < D_out/d < 20; – Konizität θ₁ (108) des Eintrittskonus: 0 < θ₁ < 10° (Grad), bevorzugt θ₁ < 8° und besonders bevorzugt θ₁ ≤ 6°; und – Konizität θ₂ (109) des Austrittskonus (4): θ₂ ≤ θ₁.
Pumpenanordnung (1, 60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusorabschnitt (49) eine geringere Konizität aufweist als die Austrittseinheit (47).
Pumpenanordnung (1, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität der Austrittseinheit grösser als 0° und höchstens 10° ist, bevorzugt kleiner als 8° ist und besonders bevorzugt im Bereich von 3° bis 6° liegt.
Pumpenanordnung (1, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität des Diffusorabschnitts (49) grösser als 0° ist und bevorzugt im Bereich von 1° bis 5° liegt.
Pumpenanordnung (1, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der Doppelkonuseinheit (7) mindestens einen Kanal (37) aufweist und die Doppelkonuseinheit an einem ersten Ende desselben geschlossen ist, wobei der Kanal (37) am ersten Ende und am anderen, zweiten Ende der Doppelkonuseinheit eine Öffnung aufweist, so dass eine Flüssigkeit durch den Kanal (37) zum geschlossenen Ende hin oder davon wegbewegbar ist und die Entleerungsleitung und die Zuleitung am zweiten Ende der Doppelkonuseinheit anbringbar sind, die eine am Kanal (37) und die andere am zweiten Ende der Eintritts- oder Austrittseinheit der Doppelkonuseinheit.
Verwendung der Pumpenanordnung (1, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Heben von gesunkenen Gegenständen in einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit durch die Pumpenvorrichtung aus den Gegenständen herausgepumpt wird und ein Medium mit geringerem spezifischem Gewicht, vorzugsweise ein Gas, durch eine zusätzliche Leitung zum Gegenstand geleitet wird, so dass das Medium das Volumen der herausgepumpten Flüssigkeit ausfüllt und die Verdrängung des gesunkenen Gegenstands zunimmt.