EP0155544A2 - Apparatus for the transport of flowable materials - Google Patents

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EP0155544A2
EP0155544A2 EP85102033A EP85102033A EP0155544A2 EP 0155544 A2 EP0155544 A2 EP 0155544A2 EP 85102033 A EP85102033 A EP 85102033A EP 85102033 A EP85102033 A EP 85102033A EP 0155544 A2 EP0155544 A2 EP 0155544A2
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EP
European Patent Office
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pump
drive
pressure medium
stator
rotor
Prior art date
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EP85102033A
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German (de)
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EP0155544B1 (en
EP0155544A3 (en
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Rainer Dr.-Ing. Jürgens
Johann Biehl
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Baker Hughes Oilfield Operations LLC
Original Assignee
Norton Christensen Inc
Eastman Christensen Co
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Publication date
Application filed by Norton Christensen Inc, Eastman Christensen Co filed Critical Norton Christensen Inc
Priority to AT85102033T priority Critical patent/ATE43408T1/en
Publication of EP0155544A2 publication Critical patent/EP0155544A2/en
Publication of EP0155544A3 publication Critical patent/EP0155544A3/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0155544B1 publication Critical patent/EP0155544B1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C11/00—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations
    • F04C11/001—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations of similar working principle
    • F04C11/003—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations of similar working principle having complementary function
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/129—Adaptations of down-hole pump systems powered by fluid supplied from outside the borehole
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/06—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth
    • F04B47/08—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth the motors being actuated by fluid

Definitions

  • the invention relates to a device for conveying flowable materials from a production well according to the preamble of claim 1.
  • the object on which the invention is based is to simplify a device of the type mentioned in the introduction and thereby to increase its reliability in the extreme underground conditions of use.
  • the design of the rotors and stators of the drive and pump for the same eccentricity creates a matching path of movement of the rotors, the radial decoupling of the connection of the rotors to one another, e.g. can be dispensed with by universal joints and thus enables the rotors to be connected directly to one another.
  • Such a device reduces the risk of failure due to the saving of parts mounted against one another and thus creates the conditions for longer, maintenance-free operation.
  • the device conveys a substantially higher amount of flowable substances from the production bore than pressure medium must be pressed into the same.
  • the differential pressure across the displacement machines which is in inverse proportion to the working chamber volumes, is used in the Drive mastered through multi-level training of the same. As a result, the share of the total differential pressure reduced per stage can be kept low and the sealing edges between the working chambers can be protected from leakage or blowing through.
  • the increase in the working chamber volume of the pump can be achieved by a higher gradient of the helix of the rotor and stator, by a larger working chamber cross-sectional area or by a combination of both measures. Appropriate selection and coordination of both measures makes it possible to create a desired working chamber volume even with a small borehole diameter.
  • the number of stages S A of the drive, the number of stages Sp of the pump / the working volume V of the pump, the working chamber volume V A of the drive and the overall efficiency ⁇ GA ' ⁇ GP of the drive and pump corresponds to the formula the same load on the sealing edges between adjacent working chambers is achieved taking into account the losses occurring during operation of the drive and pump.
  • the line required in this configuration, parallel to the working chamber of the pump or drive, can preferably be formed by an intermediate space between the coiled stator or rotor sleeve and an associated carrier sleeve, as a result of which the space already available can be used and an increase in the housing diameter can be avoided.
  • a particularly compact embodiment enables a device in which the stators of the pump and drive are designed as external and internal stators and the rotors are formed by a common body arranged between the stators.
  • the pressure medium is preferably passed through a pressure medium line in the form of a common diameter of the drill pipe inserted into the bore, so that the larger cross-section of the annular space between the flow pipe and the flow pipe than the drill pipe and the lining of the bore is available.
  • a pressure medium line in the form of a common diameter of the drill pipe inserted into the bore, so that the larger cross-section of the annular space between the flow pipe and the flow pipe than the drill pipe and the lining of the bore is available.
  • the pressure medium is fed to the drive through the annular space between the drill pipe and the borehole lining and the flowable materials are conveyed through the drill pipe, a drill pipe with a particularly large diameter then being used.
  • Vorrichtunq 1 comprises a devistä g strength - pressure medium source 1 32 directs a pressure means 29 through a arranged in a suitssbohruna 2 Druckstoffleituna 3 in the form of a drill pipe to the bottom of the Bohruna.
  • the pressure medium is one designated as a whole by 4 and accommodated in a common housing 7.
  • the arrangement 4 can also be arranged in another area of the bore 2, in addition to the sole area, at which flowable substances 8 penetrate from a deposit into the bore 2 through perforations in the borehole lining 9.
  • the drive 5 consists in particular of a coiled rotor 10, which is accommodated in a coiled stator 11.
  • the stator 11 is in turn surrounded by the housing 7.
  • the pump 6, which, like the drive, comprises a rotor 12 and a stator 13, which in turn is surrounded by the housing 7.
  • the rotor 12 of the pump 6 is rigidly connected to the rotor 10 of the drive 5.
  • the lower end face of the rotor 12 is supported against an axial bearing 14. 1, the rotor 10 and the stator 11 have the same eccentricity as the rotor 12 and the stator 13 so that both rotors 10, 12 perform the same eccentric wobble movement in operation.
  • the drive 5 is provided with twenty times the number of stages of the pump 6.
  • the pressure portion acting on each sealing edge thus corresponds to that of the pump 6, so that both rotary machines are loaded equally.
  • the flowable substances 8 enter the pump through openings 15 and together with the pressure medium 29 through openings 16 into the annular space 34, which serves as a delivery line 33.
  • a direct short circuit between the openings 15 and 16 is prevented by a packer 17 which is arranged between the housing 7 and the borehole lining 9.
  • the turns of the rotor (10; 12) and stator (11; 13) in the drive 5 and the pump 6 are still carried out in the opposite direction of rotation, whereby the axial reaction forces are added.
  • the alternative shown in FIG. 2 comprises a drive 5 and a pump 6 with coils running in the same direction. While the pump 6 is identical to that in Fig. 1, the drive 5 is reversed, i.e. flows through from bottom to top with pressure medium 29. For this purpose, the pressure medium line 3 is guided parallel to the working chambers 18 of the drive 5 and opens into it from below.
  • the same flow direction of drive 5 and pump 6 leads to opposite directions of the axial reaction forces on the rotors 10, 11 so that they can compensate each other and relieve the thrust bearing 14.
  • the alternative shown still requires sealing 20 of the working chambers 18 of the drive 5 from those 19 of the pump 6.
  • the pressure medium 29 is supplied to the drive 5 from below.
  • the spatial arrangement of drive 5 and pump 6 in the housing 7 is reversed, as a result of which a seal between the working chambers 18 of the drive 5 and those 19 of the pump 6 can be omitted.
  • FIG. 4 corresponds again to that in FIG. 1 with regard to the arrangement of drive 5 and pump 6, the design of drive 5 and the pressure medium supply also being the same version.
  • the spiral in the pump 6 is carried out in the same direction as in the drive 5, so that the flowable substances 8 flow through the pump 6 from top to bottom and, after reversing the direction, are conveyed upwards through a line 21 running parallel to the working chamber 19 of the pump 6 will.
  • FIGS. 5 and 6 Possible embodiments of such a line 3, 21 are shown in FIGS. 5 and 6 using the example of multilobe displacement machines.
  • the stator 11; 13 is accommodated in the housing 7 in the form of a shaped sleeve 22.
  • the space between the inwardly directed coils of the shaped sleeve 22 and the housing 7 serves here as a line 3, 21 which runs parallel to the working chamber 18, 19.
  • pressure medium 29 or flowable substances 8 flow through the working chambers 18, 19 in a direction pointing into the plane of the drawing Direction as they flow through line 21, 3 in a direction pointing out of the plane of the drawing.
  • the rotor 10, 12 it is also possible, in addition or as an alternative, to design the rotor 10, 12 as a sleeve 31 fixed on a support sleeve 30 and the space between the outwardly projecting spiral of the sleeve 31 and the support sleeve 30 as a line 3.21 to use or hollow the rotor 10,12 and use the interior for this purpose.
  • drive 5 and pump 6 are interleaved.
  • the drive is formed by the inner stator 11 and the inner region 26 of a common rotor 25.
  • the outer stator 13 and the outer region 27 of the common rotor 25 are assigned to the pump.
  • An axial seal 28 is additionally assigned to the axial bearing 14.
  • the pressure medium 29 is supplied to the drive part 5 via the hollow inner stator 11 and flows through the associated working chamber 18.
  • Pressure medium 29 and flowable substances 8 leave the housing 7 via common outlet openings 16. As the illustration shows, a particularly short, compact design can be realized with this alternative.
  • FIG. 8 shows an alternative of the device according to the invention in which the pressure medium 29 is passed through the annular space 34 between the drill pipe 32 and the borehole lining 9 instead of through the drill pipe 32 and the flowable materials 8 are conveyed through the drill pipe 32.
  • the basis for the arrangement of drive 5 and pump 6 is: the embodiment in FIG. 3, however, any other of the embodiments presented can also be used for the quasi-reversed supply of pressure medium 29 and the conveyance of the flowable substances 8.
  • This alternative is offered in the case of chemically aggressive, flowable substances 8 to protect the borehole lining 9, namely from the point that a drill pipe 32 can be replaced more easily than the borehole lining 9 in the event of corrosion damage.

Abstract

Eine Vorrichtung zum Fördern von fließfähigen Stoffen (8) aus einer Produktionsbohrung (2) umfaßt eine Druckmittelquelle (1), eine Druckmittelleitung (3), welche das Druckmittel (29) in den Sohlenbereich der Bohrung (2) leitet, einen mit dem Druckmittel (29) gespeisten und mit einer Pumpe (6) gekoppelten Antrieb (5) in einem Gehäuse (7), das Öffnungen (15) für den Eintritt der fließfähigen Stoffe (8) in die Pumpe (6) und solche (16) für deren Austritt aus der Pumpe (6) und für den Austritt von Druckmittel (4) aus dem Antrieb (5) in die Förderleitung (33) aufweist, und einen Packer (17) zwischen dem Gehäuse (7) und einer Auskleidung (9) der Bohrung (2) zur Trennung der Eintrittsöffnungen (15) für die fließfähigen Stoffe (8) von weiteren Öffnungen (16) im Gehäuse (7). Der Antrieb (5) und die Pumpe (6) sind jeweils als Verdrängungsrotationsmaschine mit einem gewendelten, eine exzentrische Bewegungsbahn innerhalb eines gewendelten Stators (11;13) beschreibenden Rotor (10;12) ausgebildet. Der Rotor (10) und Stator (11) des Antriebs (5) und der Rotor (12) und Stator (13) der Pumpe (6) besitzen die gleiche Exzentrizität und sind starr miteinander verbunden.A device for conveying flowable materials (8) from a production bore (2) comprises a pressure medium source (1), a pressure medium line (3) which directs the pressure medium (29) into the bottom area of the bore (2), one with the pressure medium ( 29) fed and coupled to a pump (6) drive (5) in a housing (7), the openings (15) for the entry of the flowable substances (8) into the pump (6) and those (16) for their exit from the pump (6) and for the discharge of pressure medium (4) from the drive (5) into the delivery line (33), and a packer (17) between the housing (7) and a lining (9) of the bore ( 2) to separate the inlet openings (15) for the flowable substances (8) from further openings (16) in the housing (7). The drive (5) and the pump (6) are each designed as a displacement rotary machine with a helical rotor (10; 12) describing an eccentric movement path within a helical stator (11; 13). The rotor (10) and stator (11) of the drive (5) and the rotor (12) and stator (13) of the pump (6) have the same eccentricity and are rigidly connected to one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern von fließfähigen Stoffen aus einer Produktionsbohrung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for conveying flowable materials from a production well according to the preamble of claim 1.

Bei einer durch die US PS 4,386,654 bekannten derartigen Vorrichtung sind die Rotoren von Antrieb und Pumpe jeweils mit Universalgelenken versehen, die untereinander durch eine zentrisch gelagerte Welle verbunden sind. Die Vorrichtung ist dadurch fertigungstechnisch aufwendig und wegen der Vielzahl von schwenkbeweglich gegeneinander gelagerten Teile verschleißanfällig.In such a device known from US Pat. No. 4,386,654, the rotors of the drive and the pump are each provided with universal joints which are connected to one another by a centrally mounted shaft. As a result, the device is complex in terms of production technology and, due to the large number of parts which can be pivoted relative to one another, is susceptible to wear.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu vereinfachen und dadurch ihre Zuverlässigkeit bei den extremen untertägigen Einsatzbedingungen zu erhbher..The object on which the invention is based is to simplify a device of the type mentioned in the introduction and thereby to increase its reliability in the extreme underground conditions of use.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention solves this problem with the features of claim 1.

Die Auslegung der Rotoren und Statoren von Antrieb und Pumpe auf gleiche Exzentrizität schafft eine übereinstimmende Bewegungsbahn der Rotoren, die eireradiale Entkoppelung der Verbindung der Rotoren untereinander z.B. durch Universalgelenke entbehrlich macht und so ermöglicht, die Rotoren direkt miteinander zu verbinden. Eine derartige Vorrichtung vermindert wegen der Einsparung von gegeneinander gelagerten Teilen das Ausfallrisiko und schafft so die Voraussetzung für einen längerer wartungsfreien Betrieb.The design of the rotors and stators of the drive and pump for the same eccentricity creates a matching path of movement of the rotors, the radial decoupling of the connection of the rotors to one another, e.g. can be dispensed with by universal joints and thus enables the rotors to be connected directly to one another. Such a device reduces the risk of failure due to the saving of parts mounted against one another and thus creates the conditions for longer, maintenance-free operation.

Durch das gemäß einer Weiterbildung wesentlich höhere Arbeitskammervolumen der Pumpe gegenüber dem Antrieb fördert die Vorrichtung eine wesentlich höhere Menge an fließfähigen Stoffen aus der Produktionsbohrung als an Druckmittel in dieselbe hineingepreßt werden muß. Der im umgekehrten Verhältnis zu den Arbeitskammervolumina stehende Differenzdruck über den Verdrängungsrotationsmaschinen wird beim Antrieb durch mehrstufige Ausbildung desselben bewältigt. Dadurch kann der je Stufe abgebaute Anteil am Gesamtdifferenzdruck klein gehalten und so die Dichtkanten zwischen den Arbeitskammern vor Leckage oder Durchblasen geschützt werden.Due to the significantly higher working chamber volume of the pump compared to the drive according to a further development, the device conveys a substantially higher amount of flowable substances from the production bore than pressure medium must be pressed into the same. The differential pressure across the displacement machines, which is in inverse proportion to the working chamber volumes, is used in the Drive mastered through multi-level training of the same. As a result, the share of the total differential pressure reduced per stage can be kept low and the sealing edges between the working chambers can be protected from leakage or blowing through.

Die Erhöhung des Arbeitskammervolumens der Pumpe kann durch eine höhere Steigung der Wendelung von Rotor und Stator, durch eine größere Arbeitskammerquerschnittsfläche oder durch eine Kombination aus beiden Maßnahmen erzielt werden. Durch eine entsprechende Auswahl und Abstimmung beider Maßnahmen ist daher die Schaffung eines gewünschten Arbeitskammervolumens auch bei kleinem Bohrlochdurchmesser möglich.The increase in the working chamber volume of the pump can be achieved by a higher gradient of the helix of the rotor and stator, by a larger working chamber cross-sectional area or by a combination of both measures. Appropriate selection and coordination of both measures makes it possible to create a desired working chamber volume even with a small borehole diameter.

Entspricht gemäß einer Weiterbildung die Stufenzahl SA des Antriebs, die Stufenzahl Sp der Pumpe/das Arbeitsvolumen V der Pumpe, das Arbeitskammervolumens VA des Antriebs und die Gesamtwirkungsgrade ηGA' η GP von Antrieb und Pumpe der Formel

Figure imgb0001
wird unter Berücksichtigung der im Betrieb auftretenden Verluste bei Antrieb und Pumpe die gleiche Belastung der Dichtkanten zwischen benachbarten Arbeitskammern erzielt.According to a further development, the number of stages S A of the drive, the number of stages Sp of the pump / the working volume V of the pump, the working chamber volume V A of the drive and the overall efficiency η GA ' η GP of the drive and pump corresponds to the formula
Figure imgb0001
 the same load on the sealing edges between adjacent working chambers is achieved taking into account the losses occurring during operation of the drive and pump.

Durch Auslegung der Wendelung bei Antrieb und Pumpe im gleichen Drehsinn werden gleiche Durchströmungsrichtungen in beiden Verdrängungsrotationsmaschinen geschaffen und die auf die Rotoren ausgeübten axialen Reaktionskräfte einander entgegengerichtet. Bei betragsmäßiger Übereinstimmung der Reaktionskräfte lassen sich so die vom Axiallager aufzunehmenden resultierenden Kräfte weitgehend kompensieren.By designing the helix for the drive and pump in the same direction of rotation, the same flow directions are created in both positive-displacement rotary machines and the axial reaction forces exerted on the rotors are directed against one another. If the reaction forces correspond in terms of amount, the resulting forces to be absorbed by the thrust bearing can be largely compensated for.

Die bei dieser Ausgestaltung erforderliche Leitung parallel zur Arbeitskammer der Pumpe oder des Antriebs kann vorzugsweise durch einen Zwischenraum zwischen der gewendelten Stator- oder Rotorhülse und einer dieser zugeordneten Trägerhülse gebildet sein, wodurch der ohnehin vorhandene Raum genutzt und eine Vergrößerung des Gehäusedurchmessers vermieden werden kann.The line required in this configuration, parallel to the working chamber of the pump or drive, can preferably be formed by an intermediate space between the coiled stator or rotor sleeve and an associated carrier sleeve, as a result of which the space already available can be used and an increase in the housing diameter can be avoided.

Eine besonders kompakte Ausführungsform ermöglicht eine Vorrichtung, bei der die Statoren von Pumpe und Antrieb als Außen- und Innenstator ausgebildet und die Rotoren durch einen gemeinsamen, zwischen den Statoren angeordneten Körper gebildet sind.A particularly compact embodiment enables a device in which the stators of the pump and drive are designed as external and internal stators and the rotors are formed by a common body arranged between the stators.

Im Hinblick auf möglichst geringe Strömungsverluste der zu fördernden flußfähigen Stoffe wird das Druckmittel vorzugsweise durch eine Druckmittelleitung in Form eines in die Bohrung eingelassenen Gestängerohrs üblichen Durchmessers geleitet, so daß als Förderleitung für die fließfähicen Stoffe der in seinem Querschnitt im Vergleich zum Gestäncerohr größere Ringraum zwischen diesem und der Auskleidung der bohrung zur Verfügung steht. Bei chemisch aggresiven flieffähigen Stoffen kann es aber auch erforderlich sein, diese won der Auskleidung der Bohrung fernzuhalten.With regard to the lowest possible flow losses of the flowable materials to be conveyed, the pressure medium is preferably passed through a pressure medium line in the form of a common diameter of the drill pipe inserted into the bore, so that the larger cross-section of the annular space between the flow pipe and the flow pipe than the drill pipe and the lining of the bore is available. In the case of chemically aggressive, flowable substances, however, it may also be necessary to keep them away from the lining of the bore.

In diesem Fall wird das Druckmittel dem Antrieb durch den Ringraum zwischen Gestängerohr und Bohrlochauskleidung zugeführt und die fließfähigen Stoffe durch das Gestängerohr gefördert, wobei dann ein Gestängerohr mit besonders großer Durchmesser Verwendung findet.In this case, the pressure medium is fed to the drive through the annular space between the drill pipe and the borehole lining and the flowable materials are conveyed through the drill pipe, a drill pipe with a particularly large diameter then being used.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, erläutert. In der Zeichnung zeigen:

  • Fig. 1 einen aebrochenen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
  • Fiq. 2, 3 und 4 alternative Ausführungsformen der Vorrichtung als Prinzipskizze,
  • Fiq. 5, 6 Querschnitte durch alternative Ausführungsformen,
  • Fiq. 7 einen gebrochenen Länosschnitt einer weiteren Ausführung der Vorrichtuna mit gemeinsamem Rotor,
  • Fig. 8 eine weitere alternative Ausführungsform der Vorrichtung als Prinzipski-zze.
The invention will now be explained on the basis of several exemplary embodiments which are shown in the drawing. The drawing shows:
  • 1 shows a broken longitudinal section through a device according to the invention,
  • Fiq. 2, 3 and 4 alternative embodiments of the device as a schematic diagram,
  • Fiq. 5, 6 cross sections through alternative embodiments,
  • Fiq. 7 shows a broken section of a further embodiment of the device with a common rotor,
  • 8 shows a further alternative embodiment of the device as a principle ski.

Die in Fia. 1 dargestellte Vorrichtunq umfaßt eine obertägige Druck - mittelquelle 1, die ein Druckmittel 29 durch eine in einer Produktionsbohruna 2 angeordnete Druckmittelleituna 3 in Form eines Gestängerohres 32 zur Sohle der Bohruna leitet. Das Druckmittel wird einer als ganzes mit 4 bezeichneten, in einem gemeinsamen Gehäuse7 untergebrachter. Arordnunq aus einem Antrieb 5 und einer Pumpe 6 zugeführt.The in Fig. Vorrichtunq 1 comprises a obertä g strength - pressure medium source 1 32 directs a pressure means 29 through a arranged in a Produktionsbohruna 2 Druckmittelleituna 3 in the form of a drill pipe to the bottom of the Bohruna. The pressure medium is one designated as a whole by 4 and accommodated in a common housing 7. Arordnunq supplied from a drive 5 and a pump 6.

Die Anordnung 4 kann außer im Sohlenbereich auch an einer anderen Stelle der Bohrung 2 angeordnet sein, an der fließfähige Stoffe 8 aus einer Lagerstätte durch Perforationen in der Bohrlochauskleidung 9 in die Bohrung 2 dringen.The arrangement 4 can also be arranged in another area of the bore 2, in addition to the sole area, at which flowable substances 8 penetrate from a deposit into the bore 2 through perforations in the borehole lining 9.

Der Antrieb 5 besteht im einzelnen aus einem gewendelten Rotor 10, der in einem ebenfalls gewendelten Stator 11 untergebracht ist. Der Stator 11 wiederum ist von dem Gehäuse 7 umgeben. Unterhalb des Antriebs 5 befindet sich die Pumpe 6, die ähnlich wie der Antrieb einen Rotor 12 und einen Stator 13 umfaßt, der seinerseits von dem Gehäuse 7 umgeben ist. Der Rotor 12 der Pumpe 6 ist starr mit dem Rotor 10 des Antriebs 5 verbunden. Die untere Stirnfläche des Rotors 12 ist gegen ein Axiallager 14 abgestützt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich besitzen der Rotor 10 und der Stator 11 die gleiche Exzentrizität wie der Rotor 12 und der Stator 13 so daß beide Rotoren 10, 12 im Betrieb dieselbe exzentrische Taumelbewegung vollführen.The drive 5 consists in particular of a coiled rotor 10, which is accommodated in a coiled stator 11. The stator 11 is in turn surrounded by the housing 7. Below the drive 5 is the pump 6, which, like the drive, comprises a rotor 12 and a stator 13, which in turn is surrounded by the housing 7. The rotor 12 of the pump 6 is rigidly connected to the rotor 10 of the drive 5. The lower end face of the rotor 12 is supported against an axial bearing 14. 1, the rotor 10 and the stator 11 have the same eccentricity as the rotor 12 and the stator 13 so that both rotors 10, 12 perform the same eccentric wobble movement in operation.

Die Querschnittsflächen der Arbeitskammer 18, 19 von Antrieb 5 und Pumpe 6 sind gleichgroß während der Pumpenrotor 12 und -stator 13 eine zehnfach höhere Steigung besitzen als der Antriebsrotor 10 und -stator 11. Dadurch wälzt die Pumpe 6 bei jeder Rotorumdrehung das zehnfache Volumen im Vergleich zum Antrieb 5 um. Im Betrieb setzt sich das aufwärts gepumpte Volumen aus einem Teil Druckmittel 30 und neun Teilen fließfähiger Stoffe 8 zusammen. Unter Annahme verlustfreier Verhältnisse wäre der Antrieb 5 mit dem zehnfachen Druck,den die Pumpe 6 überwindet, zu beaufschlagen, jedoch ergibt sich unter Berücksichtigung der Gesamtwirkungsgrade von Antrieb 5 und Pumpe 6 gemäß nachstehender Formel

Figure imgb0002

  • worin VA: Arbeitskammervolumen des Antriebs,
  • Vp Arbeitskammervolumen der Pumpe,
  • ΔPA: Druckdifferenz über dem Antrieb,
  • ΔPP: Druckdifferenz über der Pumpe,
  • ηGA : Gesamtwirkungsgrad des Antriebs,
  • ηGp : Gesamtwirkungsgrad der Pumpe und angenommener Werte für die Gesamtwirkungsgrade von jeweils 70 % fürΔPA das zwanzigfache vonΔPP.
The cross-sectional areas of the working chamber 18, 19 of the drive 5 and pump 6 are of equal size, while the pump rotor 12 and stator 13 have a ten-fold higher pitch than the drive rotor 10 and stator 11. As a result, the pump 6 rolls this with each rotor revolution ten times the volume compared to the drive 5 um. In operation, the volume pumped up is composed of one part of pressure medium 30 and nine parts of flowable substances 8. Assuming loss-free conditions, the drive 5 would have to be pressurized with ten times the pressure that the pump 6 overcomes, but taking into account the overall efficiencies of the drive 5 and pump 6 according to the following formula
Figure imgb0002
  • where V A : working chamber volume of the drive,
  • Vp working chamber volume of the pump,
  • ΔP A : pressure difference across the actuator,
  • ΔP P : pressure difference across the pump,
  • ηGA: total efficiency of the drive,
  • ηGp: total efficiency of the pump and assumed values for the overall efficiencies of 70% for ΔP A twenty times that of ΔP P.

Zur Bewältigung des Druckabfalls über dem Antrieb 5 durch die Dichtkanten seiner Arbeitskammern 18 ist der Antrieb 5 mit der zwanzigfachen Stufenzahl der Pumpe 6 versehen. Der an jeder Dichtkante angreifende Druckanteil entspricht somit demjenigen der Pumpe 6, so daß beide Rotationsmaschinen gleich belastet werden.To cope with the pressure drop across the drive 5 through the sealing edges of its working chambers 18, the drive 5 is provided with twenty times the number of stages of the pump 6. The pressure portion acting on each sealing edge thus corresponds to that of the pump 6, so that both rotary machines are loaded equally.

Bei der dargestellten Anordnung 4 treten die fließfähigen Stoffe 8 durch öffnungen 15 in die Pumpe ein und gemeinsam mit dem Druckmittel 29 durch öffnungen 16 in den Ringraum 34, der als Förderleitung 33 dient, aus. Ein direkter Kurzschluß zwischen den Öffnungen 15 und 16 wird durch einen Packer 17 verhindert, der zwischen dem Gehäuse 7 und der Bohrlochauskleidung 9 angeordnet ist. Die Wendelungen von Rotor (10; 12) und Stator (11;13) bei dem Antrieb 5 und der Pumpe 6 sind noch im entgegengesetzten Drehsinn ausgeführt, wodurch eine Addition der axialen Reaktionskräfte erfolgt.In the arrangement 4 shown, the flowable substances 8 enter the pump through openings 15 and together with the pressure medium 29 through openings 16 into the annular space 34, which serves as a delivery line 33. A direct short circuit between the openings 15 and 16 is prevented by a packer 17 which is arranged between the housing 7 and the borehole lining 9. The turns of the rotor (10; 12) and stator (11; 13) in the drive 5 and the pump 6 are still carried out in the opposite direction of rotation, whereby the axial reaction forces are added.

Die in Fia. 2 gezeigte Alternative hingegen umfaßt einen Antrieb 5 und eine Pumpe 6 mit im gleichen Drehsinn verlaufenden Wendelungen. Während die Pumpe 6 mit derjenigen in Fig. 1 identisch ist, wird der Antrieb 5 in umgekehrter Richtung, d.h. von unten nach oben mit Druckmittel 29 durchströmt. Dazu ist die Druckmittelleitung 3 an den Arbeitskammern 18 des Antriebs 5 parallel vorbeigeführt und mündet in diesen von unten ein. Die gleiche Durchströmungsrichtung von Antrieb 5 und Pumpe 6 führt zu entgegengesetzten Richtungen der axialen Reaktionskräfte auf die Rotoren 10,11, so daß diese sich gegenseitig kompensieren können und das Axiallager 14 entlasten. Die dargestellte Alternative erfordert jedoch noch eine Abdichtung 20 der Arbeitskammern 18 des Antriebs 5 gegenüber denen 19 der Pumpe 6.The in Fig. In contrast, the alternative shown in FIG. 2 comprises a drive 5 and a pump 6 with coils running in the same direction. While the pump 6 is identical to that in Fig. 1, the drive 5 is reversed, i.e. flows through from bottom to top with pressure medium 29. For this purpose, the pressure medium line 3 is guided parallel to the working chambers 18 of the drive 5 and opens into it from below. The same flow direction of drive 5 and pump 6 leads to opposite directions of the axial reaction forces on the rotors 10, 11 so that they can compensate each other and relieve the thrust bearing 14. The alternative shown, however, still requires sealing 20 of the working chambers 18 of the drive 5 from those 19 of the pump 6.

Auch bei der in Fig. 3 dargestellten Alternative wird dem Antrieb 5 das Druckmittel 29 von unten zugeführt. Gegenüber Fig. 2 ist aber die räumliche Anordnung von Antrieb 5 und Pumpe 6 im Gehäuse 7 vertauscht, wodurch eine Abdichtung zwischen den Arbeitskammern 18 des Antriebs 5 und denen 19 der Pumpe 6 entfallen kann.In the alternative shown in FIG. 3, the pressure medium 29 is supplied to the drive 5 from below. Compared to FIG. 2, however, the spatial arrangement of drive 5 and pump 6 in the housing 7 is reversed, as a result of which a seal between the working chambers 18 of the drive 5 and those 19 of the pump 6 can be omitted.

Die in Fig. 4 dargestellte Alternative entspricht hinsichtlich der Anordnung von Antrieb 5 und Pumpe 6 wieder derjenigen in Fig. 1 wobei auch die Ausgestaltung des Antriebs 5 und die Druckmittelzuführung gleich jener Version ist. Indessen ist die Wendelung bei der Pumpe 6 im gleichen Richtungssinn wie beim Antrieb 5 ausgeführt, so daß die fließfähigen Stoffe 8 die Pumpe 6 von oben nach unten durchströmen und nach Richtungsumkehr durch eine parallel'zur Arbeitskammer 19 der Pumpe 6 verlaufende Leitung 21 nach oben gefördert werden.The alternative shown in FIG. 4 corresponds again to that in FIG. 1 with regard to the arrangement of drive 5 and pump 6, the design of drive 5 and the pressure medium supply also being the same version. Meanwhile, the spiral in the pump 6 is carried out in the same direction as in the drive 5, so that the flowable substances 8 flow through the pump 6 from top to bottom and, after reversing the direction, are conveyed upwards through a line 21 running parallel to the working chamber 19 of the pump 6 will.

Mögliche Ausführunasformen einer solchen Leitung 3, 21 zeigen Fig. 5 und 6 am Beispiel von Multilobe-Verdrängungsmaschinen In Fig. 5 ist der Stator 11;13 in Gestalt einer geformten Hülse 22 im Gehäuse 7 untergebracht. Der Zwischenraum zwischen den einwärts gerichteten Wendeln der Formhülse 22 und dem Gehäuse 7 dient hierbei als parallel zur Arbeitskammer 18, 19 geführte Leitung 3,21. Wie durch die Symbole 23 und 24 angedeutet ist, durchströmen Druckmittel 29 oder fließfähige Stoffe 8 die Arbeitskammern 18, 19 in einer in die Zeichenebene hineinweisende Richtung, während sie die Leitung 21, 3 in einer aus der Zeichenebene herausweisenden Richtung durchströmen. Entsprechend der Ausführungen in Fig. 6 ist es auch möglich, zusätzlich oder alternativ den Rotor 10, 12 als eine auf einer Trägerhülse 30 festgelegte Hülse 31 auszubilden und den Zwischenraum zwischen der nach außen vorspringenden Wendelung der Hülse 31 und der Trägerhülse 30als Leitung 3,21 zu benutzen oder den Rotor 10,12 hohl auszubilden und den Innenraum für diesen Zweck zu verwenden.Possible embodiments of such a line 3, 21 are shown in FIGS. 5 and 6 using the example of multilobe displacement machines. In FIG. 5, the stator 11; 13 is accommodated in the housing 7 in the form of a shaped sleeve 22. The space between the inwardly directed coils of the shaped sleeve 22 and the housing 7 serves here as a line 3, 21 which runs parallel to the working chamber 18, 19. As indicated by the symbols 23 and 24, pressure medium 29 or flowable substances 8 flow through the working chambers 18, 19 in a direction pointing into the plane of the drawing Direction as they flow through line 21, 3 in a direction pointing out of the plane of the drawing. 6, it is also possible, in addition or as an alternative, to design the rotor 10, 12 as a sleeve 31 fixed on a support sleeve 30 and the space between the outwardly projecting spiral of the sleeve 31 and the support sleeve 30 as a line 3.21 to use or hollow the rotor 10,12 and use the interior for this purpose.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform sind Antrieb 5 und Pumpe 6 ineinander verschachtelt. Der Antrieb wird hierbei durch den Innenstator 11 und den inneren Bereich 26 eines gemeinsamen Rotors 25 gebildet. Der Pumpe sind der Außenstator 13 und der äußere Bereich 27 des gemeinsamen Rotors 25 zugeordnet.In the embodiment shown in FIG. 7, drive 5 and pump 6 are interleaved. The drive is formed by the inner stator 11 and the inner region 26 of a common rotor 25. The outer stator 13 and the outer region 27 of the common rotor 25 are assigned to the pump.

Dem Axiallager 14 ist zusätzlich eine Axialdichtung 28 zugeordnet. Das Druckmittel 29 wird dem Antriebsteil 5 über den hohlen Innenstator 11 zugeführt und durchströmt die zugehörige Arbeitskammer 18. Auch die fließfähigen Stoffe 8, die im unteren Bereich in die Arbeitskammer 19 des Pumpenteils 6 eintreten, durchströmen diese in Aufwärtsrichtung. Druckmittel 29 und fließfähige Stoffe 8 verlassen das Gehäuse 7 über gemeinsame Austrittsöffnungen 16. Wie die Darstellung zeigt, läßt sich mit dieser Alternative eine besonders kurze, kompakte Ausführung realisieren.An axial seal 28 is additionally assigned to the axial bearing 14. The pressure medium 29 is supplied to the drive part 5 via the hollow inner stator 11 and flows through the associated working chamber 18. The flowable substances 8, which enter the working chamber 19 of the pump part 6 in the lower region, also flow through them in the upward direction. Pressure medium 29 and flowable substances 8 leave the housing 7 via common outlet openings 16. As the illustration shows, a particularly short, compact design can be realized with this alternative.

Fig. 8 teigt eine Alternative der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der das Druckmittel 29 statt durch das Gestängerohr 32 durch den Ringraum 34 zwischen Gestängerohr 32 und Bohrlochauskleidung 9 geleitet wird und die fließfähigen Stoffe 8 durch das Gestängerohr 32 gefördert werden. Als Grundlage für die Anordnung von Antrieb 5 und Pumpe 6 dient: die Ausführungsform in Fiq. 3, jedoch läßt sich auch jede andere der vorgestellten Ausführungsformen für die quasi vertauschte Zuführung von Druckmittel 29 und die Förderung der fließfähigen Stoffe 8 verwenden. Diese Alternativeist bei chemisch aggressiven fließfähigen Stoffen 8 zur Schonung der Bohrlochauskleidung 9 geboten und zwar unter dem Aspekt, daß sich ein Gestängerohr 32 bei Korrosionsschäden leichter auswechseln läßt als die Bohrlochauskleidung 9.8 shows an alternative of the device according to the invention in which the pressure medium 29 is passed through the annular space 34 between the drill pipe 32 and the borehole lining 9 instead of through the drill pipe 32 and the flowable materials 8 are conveyed through the drill pipe 32. The basis for the arrangement of drive 5 and pump 6 is: the embodiment in FIG. 3, however, any other of the embodiments presented can also be used for the quasi-reversed supply of pressure medium 29 and the conveyance of the flowable substances 8. This alternative is offered in the case of chemically aggressive, flowable substances 8 to protect the borehole lining 9, namely from the point that a drill pipe 32 can be replaced more easily than the borehole lining 9 in the event of corrosion damage.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Fördern von fließfähigen Stoffen aus einer Produktionsbohrung, bestehend aus einer Druckmittelquelle, einer Druckmittelleitung, welche das Druckmittel in den Sohlenbereich der Bohrung leitet, einem mit dem Druckmittel gespeisten und mit einer Pumpe gekoppelten Antrieb in einem Gehäüse, das öffnungen für den Eintritt der fließfähigen Stoffe in die Pumpe und solche für deren Austritt aus der Pumpe und für den Austritt von Druckmittel aus dem Antrieb in die Förderleitung aufweist, und mit einem Packer zwischen dem Gehäuse und einer Auskleidung der Bohrung zur Trennung der Eintrittsöffnungen für die fließfähigen Stoffe von weiteren Öffnungen im Gehäuse, wobei der Antrieb und die Pumpe jeweils als Verdrängungsrotationsmaschine mit einem gewendelten, eine exzentrische Bewegungsbahn innerhalb eines gewendelten Statorgehäuses beschreibenden Rotor ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) und Stator (11) des Antriebs (5) und der Rotor (12) und Stator (13) der Pumpe (6) die gleiche Exzentrizität besitzen und starr miteinander verbunden sind.1.Device for conveying flowable substances from a production well, consisting of a pressure medium source, a pressure medium line which directs the pressure medium into the bottom region of the well, a drive which is fed with the pressure medium and coupled to a pump in a housing and which has openings for the entry of the flowable substances in the pump and those for their exit from the pump and for the discharge of pressure medium from the drive into the delivery line, and with a packer between the housing and a lining of the bore to separate the inlet openings for the flowable substances from others Openings in the housing, the drive and the pump each being designed as a displacement rotary machine with a helical rotor which describes an eccentric movement path within a helical stator housing, characterized in that the rotor (10) and stator (11) of the drive (5) and the Rotor (12) and stator (13) d he pump (6) have the same eccentricity and are rigidly connected. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (6) ein wesentlich höheres Arbeitskammervolumen als der Antrieb (5) einschließt, während der Antrieb (5) eine höhere Stufenzahl als die Pumpe (6) aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the pump (6) includes a substantially higher working chamber volume than the drive (5), while the drive (5) has a higher number of stages than the pump (6). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (6) eine größere Steigung der Wendelung von Rotor (12) und Stator (13) und/oder eine größere Arbeitskammerquerschnittfläche als der Antrieb (5) aufweist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the pump (6) has a larger pitch of the spiral of the rotor (12) and stator (13) and / or a larger working chamber cross-sectional area than the drive (5). 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Stufenzahl des Antriebs (5) zu der der Pumpe (6) dem Produkt aus dem Verhältnis eines Arbeitskammervolumens der Pumpe (6) zu dem des Antriebs (5) und aus den Reziprokwerten der Gesamtwirkungsgrade von Antrieb (5) und Pumpe (6) annähernd gleich ist.4. The device according to claim 2, characterized in that the ratio of the number of stages of the drive (5) to that of the pump (6) the product of the ratio of a working chamber volume of the pump (6) to that of the drive (5) and from the reciprocal values the overall efficiency of the drive (5) and pump (6) is approximately the same. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn der Wendelung bei Antrieb (5) und Pumpe (6) gleich ist und daß parallel zum Antrieb (5) oder zur Pumpe (6) eine Leitung (3;21) angeordnet ist, mittels der Druckmittel (29) oder fließfähige Stoffe (8) vor Eintritt in den Antrieb (5) bzw. nach Austritt aus der Pumpe (6) unter jeweiliger Richtungsumkehr an der zugehörigen Arbeitskammer (18;19) des Antriebs (5) bzw. der Pumpe (6) vorbeigeleitet werden.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the direction of rotation of the spiral in the drive (5) and pump (6) is the same and that parallel to the drive (5) or to the pump (6) a line (3; 21) is arranged, by means of the pressure medium (29) or flowable substances (8) before entering the drive (5) or after exiting the pump (6), respectively reversing the direction on the associated working chamber (18; 19) of the drive ( 5) or the pump (6). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel angeordnete Leitung (3;21) durch einen Zwischenraum zwischen einer gewendelten Stator- (22) oder Rotorhülse (30) und einer dieser jeweils zugeordneten Trägerhülse (7;31 gebildet ist.6. The device according to claim 5, characterized in that the parallel line (3; 21) is formed by an intermediate space between a coiled stator (22) or rotor sleeve (30) and a respective associated carrier sleeve (7; 31). 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Statoren von Pumpe (6) und Antrieb (5) als Außenstator (13) und der andere als Innenstator (11) ausgebildet ist und die Rotoren durch einen für beide Statoren gemeinsamen, zwischen dem Außenstator (13) und dem Innenstator (11) angeordneten Rotor (25) gebildet sind.7. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that one of the two stators of the pump (6) and drive (5) is designed as an outer stator (13) and the other as an inner stator (11) and the rotors through a common for both stators, between the outer stator (13) and the inner stator (11) arranged rotor (25) are formed. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Statoren (11,13) von Pumpe (6) und Antrieb (5) axial ineinanderliegen.8. The device according to claim 7, characterized in that the stators (11, 13) of the pump (6) and drive (5) lie axially one inside the other. 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelleitung (3) durch ein in die Bohruno (2) eingelassenes Gestängerohr (32) und die Förderleitung (33) durch den Ringraum (34) zwischen dem Gestängerohr (32) und der Auskleidung (9) der Bohrung (2) gebildet ist.9. The device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the pressure medium line (3) through a in the Bohruno (2) embedded drill pipe (32) and the delivery line (33) through the annular space (34) between the drill pipe (32) and the lining (9) of the bore (2) is formed. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleitung (33) durch ein in die Bohrung (2) eingelassenes Gestängerohr (32) und die Druckmittelleitung (3) durch den Ringraum (34) zwischen dem Gestängerohr (32) und der Auskleidung (9) der Bohrung (2) gebildet ist.10. The device according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the delivery line (33) through a drill pipe (32) embedded in the drill pipe (32) and the pressure medium line (3) through the annular space (34) between the drill pipe (32) and the lining (9) of the bore (2) is formed.
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