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Regel- und Sicherheitsvorrichtung für die Spülpumpen von Tiefbohranlagen
Bei Tiefbohranlagen wird für das Ausspülen der Bohrlöcher durch das Bohrgestänge
eine Bohrflüssigkeit gepreßt, die mit Hilfe einer Spülpumpe unter einen bestimmten
Druck gesetzt wird. Die hierzu verwendeten Pumpen müssen je nach Tiefe der Bohrung
für die verschiedensten Drücke eingerichtet sein, und meistens erhalten daher die
Pumpenkörper auswechselbare Büchsen und Plunger, damit diese Forderung erfüllt werden
kann.
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Bei Erdölbohrungen z. B. wird im lotrechten Bohrloch bis zu i5oo m
und darüber hinaus in das Erdreich bzw. Gestein gebohrt, und der vom Bohrer zerkleinerte
Bohrstaub wird mit Hilfe der vorerwähnten Spülpumpe aus dem Bohrloch herausgespült.
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In normalen Erdreich- und Gesteinsverhältnissen beträgt der Spüldruck
etwa 4oAtm. Dringt der Bohrer aber in öl- oder gasgefüllte Hohlräume des Gebirges,
so kann es vorkommen, daß der Druck der Gas- und Flüssigkeitsmassen größer ist als
der zur Verfügung gehaltene Bohrflüssigkeitsdruck. Es besteht dann die Gefahr, daß
der Gegendruck in sehr kurzer Zeit ganz erheblich ansteigt. Diese unvorhergesehene
Drucksteigerung kann aber auch eintreten, wenn sich das Bohrloch aus irgendeinem
Grunde, beispielsweise durch Einsturz, verstopft. Ein derartiges plötzliches Anschwellen
des Druckes gefährdet natürlich die Pumpe und die Antriebsmaschine derselben dadurch,
daß plötzlich die bewegten Massen vom Motor und der Pumpe infolge des hohen Gegendruckes
abgebremst werden.
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Die nachstehend beschriebene Erfindung soll diesem Übelstand dadurch
abhelfen, daß in die Spülleitung zwischen dem Spülkopf und der oder den Spülpumpen
ein oder mehrere druckluftbelastete Behälter eingeschaltet werden, von deren veränderlichem
Druck oder Flüssigkeitsstand der Antrieb der Spülpumpen und die Stellung eines zwischen
Spülkopf und Flüssigkeitsbehälter liegenden Ventils abhängig sind. Die Auslösung
der einzelnen Steuervorgänge kann hierbei durch mechanische, beispielsweise von
einem Schwimmer oder einem Kolben beeinflußte Übertragungsmittel oder auf elektrischem
Wege erfolgen. Ferner kann auch die Gewichtsänderung einer Steuerflasche bei verschiedenen
Flüssigkeitsständen zur Erzielung der Steuervorgänge benutzt werden, und es ist
hierbei gleichgültig, ob sich die Flasche hierbei auf und ab bewegt oder ob sie
um irgendeinen Drehpunkt kippbar angeordnet wird. Es versteht sich von selbst, daß
diese mechanischen Bewegungen der Flaschen oder von Schwimmern auch zu elektrischen
Schaltbewegungen -herangezogen werden können, so daß die mechanischen Mittel nur
ein Zwischenglied in dem elektrisch gesteuerten System darstellen.
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Der bzw. die druckluftbelasteten Behälter sind in der Lage, starke
Druckstöße aufzunehmen, wodurch die zur Verwendung gelangende
Energiequelle
vor Überlastung durch unerwarteteDruckstößebewahrtbleibt. Gleichzeitig schützt das
zwischen Spülkopf und Flüssigkeitsbehätter liegende Ventil die A41-" Lage vor den
Folgen unzulässiger Drücke b Flüssigkeitsstände in den Druckbehältern,z@ r dem es
rechtzeitig die Verbindung zwischelir.: dem Spülkopf und den Druckbehältern unterbricht
und den Spülkopf mit dem Freien verbindet.
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Da die Betriebsdrücke bei einer derartigen Bohranlage sich häufig
ändern, ist es zweckmäßig, statt einer Pumpe zwei Pumpen anzuordnen in der Weise,
daß bei Erreichung eines bestimmten zulässigen Druckes für die erste Pumpe selbsttätig
eine zweite Pumpe für höheren Betriebsdruck eingeschaltet wird: Dies kann von ein
und demselben Motor aus mit Kupplungen geschehen; es können aber auch Pumpenumlaufventile
benutzt werden. Ferner kann jede Pumpe Einzelantrieb erhalten, und es können sogenannte
Druckstufenpumpen Verwendung finden. Bei diesen letzteren Pumpen schalten sich selbsttätig
ein oder mehrere Niederdruckplunger ab, während sich im Anschlüß daran dann sofort
die Hochdruckplunger einschalten.
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Die Erfindung ist an zwei in schematischen Schaltbildern dargestellten
Ausführungsbeispielen erläutert.
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In Abb. i ist mit i das Bohrgestänge bezeichnet, durch welches die
Bohrflüssigkeit gepumpt wird. 2 stellt den Verschlußdeckel des Bohrloches dar, durch
welchen die Bohrflüssigkeit bei Auslaufrinne 3 abfließen kann. 4 stellt den Spülkopf
dar, in welchem das Bohrgestänge i drehbar gelagert ist: Der Spülkopf 4 kann mit
Hilfe eines nicht dargestellten Hubwerkes auf und nieder bewegt werden. Er ist ferner
mit einem Schlauch 5 an die starre Leitung 6 des Drucksystems angeschlossen. Ein
elektrisch gesteuertes Ventil 7 kann die Leitung 6 auch durch ein Austrittsrohr
8 mit der freien Atmosphäre verbinden.
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In der Leitung 9 befindet sich ein von Hand absperrbares Ventil io,
während die Leitung i i in einem Druckbehälter i2 mündet, der am Böden über die
Leitung 13 und eine Handabsperrung 14 mit der Pumpe 15 verbunden ist. Zwischen der
Handabsperrung 14 und der Pumpe 15 ist in der Flüssigkeitsleitung ein Kontaktmanometer
16 eingeschaltet,welches bei einem bestimmten Druck den Hubmagneten 17 eines selbsttätigen
Absperrventils 18 betätigt. Durch Öffnen des Ventils 18 wird die Leitung 19 freigegeben,
welche in den kommunizierend angeordneten Druckbehälter 2o mündet. Die Druckbehälter
l2 und 2o stehen oben durch eine Leitung 21 in Verbindung, die durch ein Handabsperrventil22
abgesperrt werden kann. Auf dem. Druckbehälter 2o befindet sich ein Kontaktmanometer
23, durch welches elektromagnetische Kupplungen 24 und 2 zwischen den Pumpen 15
und 26 und @' "`rin Antriebsmotor 29 betätigt werden könn. Das gleiche Kontaktmanometer
betätigt er auch das elektrisch gesteuerte Ventil 7. Die Pumpe 26 ist durch eine
Leitung 27 über ein Handabsperrventil28 mit der Leitung 13 verbunden. Mit 29 ist
der Elektromotor bezeichnet, der an dem einen Achsenende über die Kupplung 24 die
Pumpe 15 und am anderen Achsenende über die Kupplung ä5 die Pumpe 26 in Betrieb
setzen kann. Mit 30 ist noch eine Luftflasche bezeichnet, welche zur Vergrößerung
des Luftvolumens an die Flaschen 12 und 20 zugeschaltet werden kann.
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Die Verbindungsleitungen zwischen dem Kontaktmanometer 23 und den
elektromagnetischen Kupplungen 24 und 25 sowie dem elektrogesteuerten Ventil 7 sind
mit 31 bezeichnet, während die Verbindungsleitung des Kontaktmanometers 16 mit dem
Magneten 17 die Bezeichnung 32 trägt.
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Die Wirkungsweise der Anlage nach Abb. i ist folgende: Im normalen
Betrieb sind die Absperrventile io, 14 und 28 offen und das Ventil 22 geschlossen.
Das Ventil 7 ist zwischen den Leitungen 6 und 9 offen und schließt nach den Auslaufstutzen
8 ab. Das Ventil 18 ist ebenfalls in der Offenstellung, so daß die Speicher 1.2
und 2o an die Pumpendruckleitungen angeschlossen sind. Ist der Spüldruck noch gering,
so ist die Kupplung 24 eingerückt und die Kupplung 25 ausgerückt. Es fördert also
nur die Niederdruckpumpe 15. Sobald der Spüldruck den für die Niederdruckpumpe höchst
zulässigen Wert erreicht hat, rückt das den Luftdruck im Behälter 2o anzeigende
Kontaktmanometer 23 die Kupplung 24 aus und gleichzeitig die Kupplung 25 ein, so
daß nunmehr die Niederdruckpumpe abgeschaltet ist und die Hochdruckpumpe fördert.
Steigt der Spüldruck auf eine den Apparaten gefährliche Höhe an, dann schaltet das
Kontaktmanometer 23 das Ventil 7 um, so daß die Speicher i2 und 2o von dem Bohrgestänge
abgeschaltet sind und letzteres über dem Rohrstutzen 8 mit dem i Freien in Verbindung
steht. Dadurch wird das Rückschlagen von Spülflüssigkeit in den Behälter 12 und
eine gefährliche Steigerung des Spüldruckes verhindert. Sinkt der Spüldruck unter
ein bestimmtes Maß,: so bewirkt das Kontaktmanometer 16 das Schließen des Ventils
18, so daß nunmehr der Behälter 2o mit seinem großen Luftsystem von der Pümpendruckleitung
abgeschaltet ist. Es kann daher bei weiterem Absinken des Spüldruckes nur die indem
Behälter 12 befindliche geringe Luftmenge in das Bohrgestänge übertreten.
Die
Regelung und Sicherung der Anlage erfolgt als selbsttätig durch das elastische Luftpolster
in den Flaschen.
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In der ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigenden Abb.2 ist ebenfalls
das Bohrgestänge mit i bezeichnet, die Abschlußplatte des Bohrloches mit 2, die
Ablaufrinne der Bohrflüssigkeit mit 3 und der Bohrkopf mit q..
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Das starre Rohr 6 ist durch ein biegsames Leitungsstück 5 mit dem
Bohrstück ¢ verbunden. Auch an dieser Einrichtung ist wieder das .elektrisch gesteuerte
Ventil? vorgesehen, welches die Leitung 6 mit der Leitung 9 und dem an diese anschließenden
Druckbehälter io verbindet und ebenfalls einen ins Freie führenden Rohrstutzen 8
hat. Die Druckflasche io steht durch das Rohr ii mit der. Luftflasche 12 in Verbindung.
Die Luftflasche 12 steht außerdem über ein Rohr 13 mit einer teilweise wassergefüllten
Flasche 14 in Verbindung. Die Flasche 14. ist durch ein an ihrem Boden angeschlossenes
Rohr 15 mit einer weiteren Flasche 16 verbunden. Ferner haben die Flaschen 14 und
16 luftseitig eine Verbindung durch die Rohrleitung 17. Diese Verbindung kann durch
das von Hand betätigte Ventil 18 unterbrochen werden. Die Flasche 16 steht mit einer
Schalteinrichtung 20 in Verbindung. Diese besteht aus zwei Kammern 21 und 22, die
kommunizierend miteinander verbunden sind. In beiden Kammern befindet sich eine
Schaltflüssigkeit, zweckmäßig Quecksilber. Der Quecksilberspiegel in dem Behälter
21 ist über die Leitung i9 von der Flüssigkeit im Behälter 16 beaufschlagt, während
auf dem Quecksilberspiegel in dem Behälter 22 durch die Leitung 23 der Luftdruck
des Behälters 16 lastet: In die Kammer 22 ragen von oben Kontaktstäbe hinein, mit
welchen durch Vermittlung des Ouecksilbers Schaltungen ausgeführt werden können.
Diese Kontakte haben Leitungen y7 und 3o nach den elektromagnetischen Kupplungen
28 und 31 zwischen dem Motor 33 und der Niederdruckpumpe 29 einerseits und der Hochdruckpumpe
32 andererseits. Ein weiterer Kontakt ist über die Leitung 26 mit dem Ventil 7 verbunden.
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Die Wirkungsweise dieser Anlage ist folgende Im normalen Betrieb ist
das Ventil i8 geschlossen, und das Ventil 7 verbindet die Leitungexi@g:,und 6. '
Bei geringem Spüldruck erfolgt::' Förderung der Spülflüssigkeit durch die üb ,=de
eingerückte Kupplung 28 von dem Motor 33 angetriebene Niederdruckpumpe 29. Steigt
der Spüldruck, so steigt der Flüssigkeitsspiegel im Behälter io. Das hat zur Folge,
daß der Flüssigkeitsspiegel in der Flasche 14 sinkt und in der Flasche 16 steigt.
Damit steigt auch der Ouecksilberspiegel in dem Kontaktgefäß 22 und schaltet, wie
bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i, bei einem bestimmten Druck die Niederdruckpumpe
29 von dem Motor ab und kuppelt gleichzeitig die Hochdruckpumpe mit dem Motor, während
bei Erreichung eines gefährlichen Druckes das Ventil ? umgeschaltet wird, so daß
der Spülkopf q. von dem Behälter io abgeschaltet und mit dem Ablaufstutzen verbunden
wird. Die Sicherung gegen zu weites Absinken des Druckes kann ebenfalls durch das
Ventil 7 bewirkt werden, indem dieses auch dann umgeschaltet wird, wenn der Flüssigkeitsspiegel
in dem Kontaktgefäß 22 ein bestimmtes Maß unterschritten hat.
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Es ist zweckmäßig, die Flasche io so groß zu wählen, daß der größte
Teil der Bohrflüssigkeit vom Bohrgestänge i in dieser Flasche aufgenommen werden
kann. Hierdurch werden unnötige Verluste an Bohrflüssigkeit vermieden, und es kann
außerdem zuverlässig erreicht werden, daß rückschlagende Gase oder Bohrflüssigkeiten
durch das Ventil 7 nicht in die Pumpen- oder Steuerungsanlage gelangen. Diese Sicherheit
ist aber bei jeder Bohrtiefe gegeben, da das Ventil 7 in Abhängigkeit vom Bohrflüssigkeitsdruck
gesteuert wird.