EP2347092A1 - Trennvorrichtung zur abtrennung von sand- und gesteinspartikeln - Google Patents

Trennvorrichtung zur abtrennung von sand- und gesteinspartikeln

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EP2347092A1
EP2347092A1 EP09753038A EP09753038A EP2347092A1 EP 2347092 A1 EP2347092 A1 EP 2347092A1 EP 09753038 A EP09753038 A EP 09753038A EP 09753038 A EP09753038 A EP 09753038A EP 2347092 A1 EP2347092 A1 EP 2347092A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separating device
annular discs
sleeve
discs
materials
Prior art date
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Application number
EP09753038A
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English (en)
French (fr)
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EP2347092B1 (de
Inventor
Armin Kayser
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3M Innovative Properties Co
Original Assignee
ESK Ceramics GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by ESK Ceramics GmbH and Co KG filed Critical ESK Ceramics GmbH and Co KG
Publication of EP2347092A1 publication Critical patent/EP2347092A1/de
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Publication of EP2347092B1 publication Critical patent/EP2347092B1/de
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK 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
    • E21B43/02—Subsoil filtering
    • E21B43/08—Screens or liners
    • E21B43/086—Screens with preformed openings, e.g. slotted liners

Definitions

  • the invention relates to novel separation devices with the aid of sand and rock particles separated in a process for the promotion of liquids or gases from rock wells and the liquids or gases can thus be promoted effectively.
  • Filters made of porous ceramic materials tend to break due to their low fracture toughness.
  • the bending strength is usually less than 30% of that of the corresponding dense material and is therefore not sufficient for the mechanical loads under rock drilling conditions.
  • Another problem is that the abrasion resistance of porous ceramic materials is significantly lower than that of dense ceramic materials.
  • the invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art to provide a separator for the separation of sand and rock particles in the promotion of liquids or gases from rock drilling available, the better wear and abrasion resistance and a smaller tendency to fracture has the known in the prior art separation devices, and is also more resistant to corrosion acids and alkalis and in which there is no rapid clogging of the free filter surface.
  • Separating device for the separation of sand and rock particles in the promotion of liquids or gases from rock drilling, comprising a plurality of stacked and axially braced by a support structure, annular discs made of a brittle material, the discs on its upper side at least three over the circumference of the Having discs evenly spaced spacers, wherein the discs are stacked on each other, that the spacers each lie above the other and that between the individual discs each have a separating gap with a height of 0.05 - 1 mm, preferably 0.2 - 0.5 mm, is available.
  • a separation device for separating sand and rock particles in the promotion of liquids or gases from rock drilling comprising a plurality of stacked and axially braced by a support structure, sleeve-shaped elements made of a brittle material, wherein in the sleeve-shaped elements slots having a slot width of 0.05 - 1 mm, preferably 0.2 - 0.5 mm, are formed.
  • the invention also relates to the use of the separation devices according to the invention for the separation of sand and rock particles in a method for the promotion of liquids or gases from rock drilling.
  • the separation devices according to the invention show a lower tendency to fracture due to bending load than the systems described in US 2004/0050217 A1 and WO 2008/080402 A1.
  • Another advantage of the separation devices according to the invention is that the advantages of abrasion and corrosion resistance come into play through the use of dense, brittle-hard materials, in particular ceramic materials.
  • the term "dense" in connection with the materials according to the invention means that, in contrast to the solutions of the prior art, they are not porous, so that the materials used according to the invention themselves show no filter effect. Abrasion and wear resistance and corrosion resistance of Disconnecting devices according to the invention are thus significantly higher than in the devices of the above-described prior art.
  • the corrosion resistance of the separation devices according to the invention is important because it may be necessary to rinse them free with acids.
  • Another advantage of the separating devices according to the invention is that there is no rapid clogging of the free screen surfaces. Therefore, it is not necessary to purge the separation devices according to the invention regularly, as in the solutions known in the above-mentioned prior art. It is therefore sufficient to purge the separation devices according to the invention in larger time intervals, if necessary, free.
  • the free filter surface of the separation device according to the invention over that of conventional filter solutions in the form of wire windings according to, for example, WO 2008/080402 Al, which is usually less than 10%.
  • the separation devices according to the invention can be introduced into curved boreholes, which represents a further advantage over the systems described in US 2004/0050217 A1 and WO 2008/080402 A1.
  • FIGS. 1a-1g show various views of an annular disc according to a first embodiment of the invention
  • Figures 2a-2d schematically show different views of stacked annular discs according to the first embodiment of the invention
  • Figures 3a-3c different views of stacked and axially braced by a support structure annular discs according to the first embodiment of the invention
  • FIGS. 4a-4c show various views of a bush-shaped, radially slotted element according to a second embodiment of the invention.
  • FIGS. 5a-5c show various views of a bush-shaped, axially slotted element according to the second embodiment of the invention.
  • the separating device comprises annular discs which are simple and economical to manufacture.
  • the production of these annular disks is possible by means of powder metallurgy or ceramic processes in automated mass production.
  • the ring-shaped disks can be produced in the so-called net-shape process, in which the annular disks are pressed from near net shape powders.
  • a complex mechanical processing of the annular discs is not required.
  • the shape and dimensional deviations in the individual annular disks, which are sometimes unavoidable in a sintering process, can be tolerated in a design according to the invention of the separating device.
  • FIG. 1a shows the basic shape of an annular disc 1 according to the invention, which has on its upper side 2 at least three spacers 3 uniformly distributed over the circumference of the discs.
  • Figure Ib shows a sectional view along the line B-B in Figure Ia.
  • FIG. 1 c shows a side view of an annular disc, wherein a spacer is arranged in the region Y.
  • the spacers 3 are preferably formed in the form of spherical sections.
  • Figure Id shows a sectional view along the line A-A in Figure Ia. An enlarged view of the region X by a spacer 3 is shown in FIG.
  • the upper side 2 of the annular disc 1 can be inclined at right angles to the disc axis or sloping inwards with a plane or curved surface. be guided.
  • An inwardly sloping design is advantageous in terms of a reduced tendency to clog the separator.
  • the underside 4 (ring bottom) of the annular discs is preferably sloping inward, preferably concave, as shown in Figure Ie.
  • the ring bottom is designed with a radius R, the concave shape is to understand the ring bottom as a whole.
  • the individual annular disks can easily yield to a bending load according to the design principle of a spherical axial bearing known per se.
  • the outer contours 6 of the annular discs are formed with a chamfer, as illustrated in Figure Ie.
  • the edges may also be rounded. This represents an even better protection of the edges from the edge load which is critical for brittle-hard materials.
  • FIG. 1 A perspective view of an annular disc according to the invention is shown in FIG.
  • the inner diameter of the annular discs is preferably less than 90%, more preferably less than 85% of the outer diameter of the annular discs, and the radial wall thickness of the annular discs is preferably at least 2.5 mm.
  • the thickness of the disks is preferably 2 to 20 mm, more preferably 2 to 10 mm.
  • the annular discs may have an anti-rotation, as shown for example by the grooves 1 1 in Figure Ia and Figure Ig. This ensures that at an axial load no bending moments occur on the annular discs and the axial load always acts on the support points.
  • the annular discs are suitable for the material only under pressure. The annular discs are used to form a device according to the invention
  • FIG. 2a shows a top view of a stack of annular disks 1 according to the invention.
  • FIG. 2b shows a sectional view along the line A-A from FIG. 2a.
  • Stacking the annular discs are the 120 ° to each other arranged spacers 3 each one above the other, so that the axial load introduction takes place in the axis of the three spacers.
  • the edge loads which are critical for brittle-hard materials are avoided and a three-point support at the desired contact points is achieved even with annular disks with deviations in shape.
  • a separating gap 5 with a height of 0.05-1 mm, preferably 0.2-0.5 mm.
  • Figure 2c shows schematically a side view of a stack of annular discs 1 to form the separating gaps 5.
  • Figure 2d is a perspective view of a cut-open ring stack.
  • FIGS. 3a-3c A separating device according to the invention consisting of stacked annular disks, which are braced axially by means of a support structure, is shown in FIGS. 3a-3c.
  • the support structure is in this case designed in the form of a perforated support tube 7.
  • FIG. 3 a shows a top view of the separating device according to the invention.
  • FIG. 3b is a sectional view taken along line A-A in FIG. 3a
  • FIG. 3c is a perspective view of a cut-away separator according to FIGS. 3a and 3b.
  • the support tubes 7 are mounted externally in Figures 3a-3c, but may also be arranged inside.
  • the support tubes must have arbitrarily shaped passages 16 for the medium to be delivered.
  • the dimensions of the Passages 16 must be larger than the filter column, not in turn as
  • the support tubes By the support tubes, the axial alignment and the axial clamping of the ring disc stack is guaranteed. Via attached to the support tubes 7 flanges 14 a connection of two or more stacking packages is made possible. Furthermore, the forces occurring during the introduction of the separating device into the bore or at the distance from the bore are transmitted via the support tubes 7. In an external support tube, the separation device is protected from occurring by rocks in the borehole impact load.
  • the support tubes can be executed with and without gap to the ring stack.
  • a design with gap allows better use of the filter surface and better rinsing of the disk stack.
  • the support tubes 7 brace over spring elements 15 the disk stack and thus avoid widening of the filter gap 5 even when introduced into curved holes.
  • the spring elements may be formed, for example, as steel springs or elastomer springs.
  • the basic function of the separating device according to the invention shown by way of example in FIGS. 3a-3c is the separation of the liquid or gas mixture flowing from the outside with sand or rock particles from the flow of liquid or gas present on the inside. All particles which are larger than the separating gap 5 between two adjacent disks 1 are effectively separated from the flow.
  • the dimensions of the individual annular disks described above allow a high mechanical load in the application and good process reliability in the production.
  • the annular disc width has no decisive influence on the separation function. Deviating dimensions are therefore possible.
  • the height of the annular discs is crucial for the proportion of free filter surface. The annular disc height is therefore a compromise between mechanical load capacity and maximum delivery capacity. It is to be adapted to the strength properties of the material and the load.
  • the radius of the spherical thrust bearing is preferably 5 to 50 times, more preferably 10 to 40 times, the outer diameter of the annular discs.
  • the radius of the spacer formed in the form of spherical sections depends on the desired separating gap and the width of the annular disc and results constructively from both values.
  • Typical separation gaps have a height between 0.2 and 0.5 mm and are based on the grain size of the rock sand to be separated and the maximum permissible particle size in the product stream.
  • the dimension of the separating gap corresponds to the maximum permissible particle size in the delivery flow.
  • the free filter area is in a specific design example with an annular disc height of a total of 3 mm with a gap height of 0.4 mm already 13%. With correspondingly lower annular disc heights, the free area ratio can be increased even further.
  • the limitation of the maximum free area ratio is only due to the mechanical load capacity of the annular discs. This in turn depends on the support structure and the material strength.
  • the separating device comprises a plurality of stacked and axially clamped by a support structure, sleeve-shaped elements in which slots are provided by mechanical processing.
  • the slots can be arranged radially and / or axially to the bushing axis.
  • Figures 4a-4c show an embodiment in which the slots 9 are arranged radially to the bushing axis.
  • Figure 4a shows the top view of a bush-shaped element 8.
  • Figure 4b shows a sectional view along the line AA of Figure 4a of the bush-shaped element 8.
  • Figure 4c shows a perspective view of the bush-shaped element 8.
  • FIGS. 5a to 5c show another embodiment of the bush-shaped element 8, in which the slots 10 are arranged axially relative to the bush axis.
  • Figure 5a shows the top view of such a bush-shaped element
  • FIG. 5b shows a sectional view along the line AA of FIG. 5a of the bush-shaped element 8
  • FIG. 5c shows an oblique view of the bush-shaped element 8.
  • this embodiment around the circumference of the bush are three rows of axial slots 10 , which are spaced apart, arranged.
  • Suitable processing methods for incorporating the slots are, for example, multi-wire sawing or wafer sawing. Similar to the height of the separating gap in the first embodiment of the invention, the axial and / or radial slots have a width of 0.05-1 mm, preferably 0.2-0.5 mm, with slot widths of less than 0.4 mm for retention of sands are more preferred.
  • the bush-shaped elements are axially guided and biased by inner or outer support tubes according to the structure in the first embodiment of the inventive separation device. They can thus be arranged in just as high stacks.
  • one bushing end face is concave, the other convex shaped to allow on the principle of the spherical thrust bearing angular mobility of the stack of sleeve-shaped elements.
  • the radius R is preferably 5 to 50 times, more preferably 10 to 40 times the outer diameter of the sleeve-shaped elements eighth
  • the bush height is based on the economically to be manufactured height in
  • the height is for example 80 mm. Such a height can be pressed reliably with conventional pressing powders and axial presses.
  • Spacers are not required in the bush-shaped elements, since the screening effect is carried over the slots introduced. However, it may also be the same design as in the first embodiment in terms of spacer and anti-rotation.
  • the construction with bush-shaped elements is advantageous over a structure with annular disks in that a smaller number of components is necessary to provide a separating device according to the invention.
  • the generally higher strength of the bushes compared to the ring discs is somewhat reduced by the necessary slots for a high free filter area.
  • the free filter surface of the bush-shaped elements is a compromise between the mechanical load capacity of the bushings and the maximum free filter surface, similar to the annular disks. With the same mechanical load capacity, the maximum free filter area in the first embodiment with annular discs is higher than in the second embodiment with bush-shaped elements.
  • the inner diameter of the sleeve-shaped elements is preferably less than 90%, more preferably less than 85% of the outer diameter of the sleeve-shaped elements and the radial wall thickness of the sleeve-shaped elements is preferably at least 2.5 mm.
  • the outer diameter of both the annular discs in the first embodiment and the sleeve-shaped members in the second embodiment is preferably 50-200 mm.
  • the mechanical loads on the brittle-hard annular disks and the bush-shaped elements can be further reduced if a plastic film is arranged as an intermediate ring between the annular disks or the bush-shaped elements and / or the lower sides of the annular conveyor. Migen discs or the sleeve-shaped elements are coated with a plastic layer. As a result, in particular high point loads are reduced to the brittle-hard annular disks. Consequently, either the annular disc height can be reduced or the mechanical load capacity can be increased at the same height.
  • the suitable plastics can be selected depending on the temperature and the pumped medium. For temperatures below about 100 ° C. and conveying, for example, water, simple standard plastics, such as polypropylene and polyethylene, can be used. At temperatures up to about 140 ° C so-called engineering plastics are necessary, such as polyamide or polyoxymethylene (POM). At temperatures up to about 200 0 C and promotion of oil or gas so-called high-temperature plastics can be used. Materials such as polyetheretherketone (PEEK) or polytetrafluoroethylene (PTFE) still have good resistance under these conditions. The resistance of the film or coating to abrasive wear can be significantly increased by reinforcement with ceramic fillers.
  • the brittle-hard material of the annular disks or the bush-shaped elements is preferably selected from oxidic and non-oxidic ceramic materials, mixed ceramics from these materials, ceramic materials with addition of secondary phases, mixed materials with proportions of ceramic hard materials and metallic binder phase, precipitation-hardened cast materials, powder metallurgy Materials with in-situ formed hard material phases and long and / or short fiber reinforced ceramic materials.
  • oxidic ceramic materials are Al 2 O 3 , ZrO 2 , mullite, spinel and mixed oxides.
  • non-oxidic ceramic materials are SiC, B 4 C, TiB 2 and Si 3 N 4 .
  • Ceramic hard materials are, for example, carbides and borides.
  • mixed materials with metallic binder phase are WC-Co, TiC-Fe and TiB 2 -FeNiCr.
  • in-situ formed hard material phases are chromium carbides.
  • An example of fiber-reinforced ceramic materials is C-SiC.
  • the above-mentioned materials are characterized by being harder than the typically occurring rock particles, ie the HV or HRC hardness values of these materials are above the corresponding values of the surrounding rock. All of these materials are characterized by the fact that they have a greater brittleness than typical unhardened steel alloys. In this sense, these materials are referred to herein as "brittle hard”.
  • materials with a density of at least 90%, more preferably at least 95%, of the theoretical density are used in order to achieve the highest possible hardness values and high abrasion and corrosion resistance.
  • SSiC sintered silicon carbide
  • boron carbide are used as the brittle-hard material. These materials are not only abrasion resistant, but also corrosion resistant to the acids commonly used for purging the separator, such as HCl.
  • SSiC materials with a fine-grained microstructure are marketed, for example, under the name EKasic® F by ESK Ceramics GmbH & Co. KG.
  • coarse-grained SSiC materials for example with a bimodal microstructure, with preferably 50 to 90% by volume of the particle size distribution consisting of prismatic, platelet-shaped SiC crystallites having a length of 100 to 1500 ⁇ m and 10 to 50% by volume. from prismatic, platelet-shaped SiC crystallites having a length of 5 to less than 100 ⁇ m (EKasic® C from ESK Ceramics GmbH & Co. KG).
  • the outer diameter of the filter ring discs is 100 mm, the inner diameter is 80 mm.
  • the annular disc height is 3 mm.
  • the radius R of the spherical thrust bearing (see Fig. Ie) is 2000 mm.
  • the annular gap between two adjacent annular discs is 0.4 mm in each case.
  • the radius of the three spherical section spacers on the annular discs is 25 mm.
  • the wall thickness of the metallic support cage is 3 mm (see Fig. 3b and 3c).
  • the free filter area is 13%.
  • the total length of the separator is in the example 1000 mm, this corresponds to 294 slices with o.g. Dimensions in the disk stack.
  • the material SSiC (EKasic® F) is used.

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Abstract

Gemäß einer ersten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen, umfassend eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur axial verspannten, ringförmigen Scheiben aus einem sprödharten Werkstoff, wobei die Scheiben auf ihrer Oberseite mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Abstandshalter aufweisen, wobei die Scheiben so aufeinander gestapelt sind, dass die Abstandshalter jeweils übereinander liegen und dass zwischen den einzelnen Scheiben jeweils ein Trennspalt mit einer Höhe von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, vorhanden ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen, umfassend eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur axial verspannten, buchsenförmigen Elementen aus einem sprödharten Werkstoff, wobei in den buchsenförmigen Elementen Schlitze mit einer Schlitzbreite von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, augebildet sind.

Description

Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft neuartige Trennvorrichtungen mit deren Hilfe Sand- und Gesteinspartikel bei einem Verfahren zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen abgetrennt und die Flüssigkeiten oder Gase somit effektiv gefördert werden können.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Förderung von Flüssigkeiten und Gasen aus Gesteinsbohrungen besteht grundsätzlich die Problematik des Ausschwemmens feiner Sand- und Gesteinspartikel, die vom zu fördernden Medium bereits im Bohrloch getrennt werden müssen. Diese Problematik tritt insbesondere bei der Erdöl- und Erdgasförderung auf, aber auch bei der Trinkwasserförderung und bei der Nutzung von Erdwärme.
Stand der Technik
Konventionell wird diese Abtrennung beispielsweise über metallische Spaltsiebe gelöst, die in unterschiedlichen Ausführungen als Schlitzblech, Drahtgewebe oder Drahtwicklung ausgeführt werden. Eine Lösung mit Drahtgewebe ist in US 5,624,560 beschrieben. Diese Siebe werden noch von einer metallischen Stützstruktur getragen, um mechanisch stabil zu bleiben. Ein wesentlicher Nachteil dieser Konstruktion ist ihre geringe Beständigkeit gegenüber Verschleiß. Zu einem starken Verschleiß kommt es durch die abrasiven Gesteinspartikel.
In der US2004/0050217 Al und WO2008 /080402 Al sind Lösungen beschrieben, bei denen anstelle der metallischen Spaltsiebe Trennvorrichtungen aus porösen permeablen Werkstoffen eingesetzt werden. Die porösen Filterwerkstoffe der US2004/0050217 Al können metallisch, keramisch oder organisch sein, in der WO2008/080402 Al werden poröse keramische Werkstoffe eingesetzt. Ein Problem der in diesen beiden Schriften beschriebenen Lösungen ist, dass
Filter aus porösen keramischen Werkstoffen aufgrund Ihrer geringen Bruchzähigkeiten zum Bruch durch Biegebelastung neigen. Die Biegebruchbelast- barkeit liegt in der Regel bei deutlich weniger als 30% derjenigen des entspre- chenden dichten Werkstoffs und ist daher für die mechanischen Belastungen bei den Einsatzbedingungen in Gesteinsbohrungen nicht ausreichend.
Ein weiteres Problem ist, dass die Abrasionsbeständigkeit von porösen keramischen Werkstoffen deutlich geringer ist als die von dichten keramischen Werkstoffen.
Weiterhin sind die in der US2004/0050217 Al und WO2008/080402 Al beschriebenen Lösungen darin nachteilig, dass es zu einem sehr schnellen Zusetzen der freien Siebfläche kommt. Aufgrund dieser Problematik beim Ein- satz von porösen keramischen Werkstoffen für Filteranwendungen werden Filtermembranen in stationären Anwendungen üblicherweise mit zyklischem Freispülen durch Gegendruck betrieben. Da der Betrieb mit zyklischem Gegendruck sich negativ auf die Förderleistung auswirkt, sollte das Freispülen auf möglichst lange Intervalle ausdehnbar sein.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen zur Verfügung zu stellen, die eine bessere Verschleiß- und Abrasionsbeständigkeit und eine geringere Bruchneigung als die im Stand der Technik bekannten Trennvorrichtungen aufweist, und die zudem korrosionsbeständiger gegenüber Säuren und Laugen ist und bei der es nicht zu einem schnellen Zusetzen der freien Filterfläche kommt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Trennvorrich- tungen gemäß den Ansprüchen 1 und 12 sowie deren Verwendung gemäß Anspruch 23. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Gegenstand der Erfindung ist somit gemäß einer ersten Ausführungsform eine
Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen, umfassend eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur axial verspannten, ringförmigen Scheiben aus einem sprödharten Werkstoff, wobei die Scheiben auf ihrer Oberseite mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Abstandshalter aufweisen, wobei die Scheiben so aufeinander gestapelt sind, dass die Abstandshalter jeweils übereinander liegen und dass zwischen den einzelnen Scheiben jeweils ein Trennspalt mit einer Höhe von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, vorhanden ist.
Gegenstand der Erfindung ist gemäß einer zweiten Ausführungsform eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen, umfassend eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur axial verspannten, buchsenförmigen Elementen aus einem sprödharten Werkstoff, wobei in den buchsenförmigen Elementen Schlitze mit einer Schlitzbreite von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, augebildet sind.
Gegenstand der Erfindung ist ebenso die Verwendung der erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei einem Verfahren zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen.
Die erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen zeigen eine geringere Bruchneigung durch Biegebelastung als die in der US 2004/0050217 Al und WO 2008/080402 Al beschriebenen Systeme.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen besteht darin, dass durch den Einsatz von dichten, sprödharten Werkstoffen, insbesondere keramischen Werkstoffen, die Vorteile der Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit zum Tragen kommen. Der Ausdruck "dicht" bedeutet im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Werkstoffen, dass diese im Gegensatz zu den Lösungen des Standes der Technik nicht porös sind, so dass die erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffe selbst keine Filterwirkung zeigen. Die Abrasions- und Verschleißbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen sind somit deutlich höher als bei den Einrichtungen des vorbeschriebenen Standes der Technik.
Die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen, insbesondere gegenüber Säuren, ist wichtig, da es notwendig sein kann, diese mit Säuren frei zu spülen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen besteht darin, dass es nicht zu einem schnellen Zusetzen der freien Siebflächen kommt. Daher ist es nicht erforderlich, die erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen regelmäßig frei zu spülen, wie bei den im oben genannten Stand der Technik bekannten Lösungen. Es genügt daher, die erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen in größeren Zeitintervallen, falls erforderlich, frei zu spülen.
Weiterhin liegt die freie Filterfläche der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung über derjenigen von herkömmlichen Filterlösungen in Form von Drahtwicklungen gemäß beispielsweise WO 2008/080402 Al , die in der Regel unter 10% liegt.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen in gekrümmte Bohrlöcher eingebracht werden, was einen weiteren Vorteil gegenüber den in US 2004/0050217 Al und WO 2008 /080402 Al beschriebenen Systemen darstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen
Figuren Ia-Ig verschiedene Ansichten einer ringförmigen Scheibe gemäß ei- ner ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 2a-2d schematisch verschiedene Ansichten von aufeinander gestapelten ringförmigen Scheiben gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung; Figuren 3a-3c verschiedene Ansichten von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur axial verspannten ringförmigen Scheiben gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 4a-4c verschiedene Ansichten eines buchsenförmigen, radial geschlitzten Elementes gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
Figuren 5a-5c verschiedene Ansichten eines buchsenförmigen, axial ge- schlitzten Elementes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung umfasst in einer ersten Ausfüh- rungsform ringförmige Scheiben, die einfach und wirtschaftlich zu fertigen sind. Die Herstellung dieser ringförmigen Scheiben ist mittels pulvermetallurgischer oder keramischer Verfahren in einer automatisierten Mengenfertigung möglich. Die ringförmigen Scheiben können im so genannten Net-Shape-Pro- zess, bei dem die Ringscheiben aus Pulvern endkonturnah gepresst werden, hergestellt werden. Eine aufwändige mechanische Bearbeitung der Ringscheiben ist nicht erforderlich. Die bei einem Sinterprozess teilweise nicht vermeidbaren Form- und Maßabweichungen bei den einzelnen Ringscheiben sind bei einem erfindungsgemäßen Aufbau der Trennvorrichtung tolerierbar.
Figur Ia zeigt die Grundform einer erfindungsgemäßen ringförmigen Scheibe 1 , die auf ihrer Oberseite 2 mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Abstandshalter 3 aufweist. Figur Ib zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Figur Ia. Figur I c zeigt eine Seitenansicht einer ringförmigen Scheibe, wobei ein Abstandshalter im Bereich Y an- geordnet ist. Wie aus der vergrößerten Darstellung des Bereichs Y in Figur If gezeigt, sind die Abstandshalter 3 vorzugsweise in Form von Kugelabschnitten ausgebildet. Figur Id zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur Ia. Eine vergrößerte Darstellung des Bereichs X durch einen Abstandshalter 3 ist in Figur Ie gezeigt.
Die Oberseite 2 der ringförmigen Scheibe 1 kann im rechten Winkel zur Scheibenachse oder nach innen abfallend mit ebener oder gekrümmter Fläche aus- geführt sein. Eine nach innen abfallende Ausführung ist vorteilhaft in Bezug auf eine verminderte Neigung zum Zusetzen der Trennvorrichtung.
Die Unterseite 4 (Ringboden) der ringförmigen Scheiben ist vorzugsweise nach innen abfallend, bevorzugt konkav ausgeformt, wie in der Figur Ie gezeigt. Hier ist der Ringboden mit einem Radius R ausgeführt, wobei die konkave Ausformung auf den Ringboden als Ganzes zu verstehen ist. Durch die konkave Ausformung können die einzelnen ringförmigen Scheiben gemäß dem Konstruktionsprinzip eines an sich bekannten sphärischen Axiallagers einer Bie- gebelastung leicht ausweichen.
Durch die konkave Ausformung des Ringbodens in Kombination mit der Drei- Punkt-Auflage können mögliche Form- und Maßabweichungen leicht ausgeglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Außenkonturen 6 der ringförmigen Scheiben mit einer Fase ausgeführt, wie in Figur Ie veranschaulicht. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform können die Kanten auch verrundet sein. Dies stellt einen noch besseren Schutz der Kanten vor der für sprödharte Werkstoffe kritischen Kantenbelastung dar.
Eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen ringförmigen Scheibe ist in Figur Ig gezeigt.
Der Innendurchmesser der ringförmigen Scheiben beträgt vorzugsweise weniger als 90%, weiter vorzugsweise weniger als 85% des Außendurchmessers der ringförmigen Scheiben und die radiale Wandstärke der ringförmigen Scheiben beträgt vorzugsweise mindestens 2,5 mm. Die Dicke der Scheiben beträgt vorzugsweise 2 bis 20 mm, weiter vorzugsweise 2 bis 10 mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die ringförmigen Scheiben eine Verdrehsicherung aufweisen, wie beispielsweise durch die Nuten 1 1 in Figur Ia und Figur Ig gezeigt. Dadurch ist gewährleistet, dass bei einer axialen Belastung keine Biegemomente an den ringförmigen Scheiben auftreten und die axiale Last immer über die Auflagepunkte einwirkt. Somit stehen die ringförmigen Scheiben werkstoffgerecht nur unter Druckbelastung. Die ringförmigen Scheiben werden zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen
Trennvorrichtung axial aufeinander gestapelt und mittels einer Stützstruktur axial verspannt, wie in den Figuren 2a-2d und 3a-3c gezeigt. Figur 2a zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Stapels aus ringförmigen Scheiben 1. Figur 2b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Figur 2a. Beim
Aufeinanderstapeln der ringförmigen Scheiben kommen die um 120° zueinander angeordneten Abstandshalter 3 jeweils übereinander, so dass die axiale Lasteinleitung in der Achse der drei Abstandshalter erfolgt. Dadurch werden die für sprödharte Werkstoffe kritischen Kantenbelastungen vermieden und es wird auch bei Ringscheiben mit Formabweichungen eine Drei-Punkt-Auflage an den gewünschten Auflagepunkten erreicht. Zwischen den einzelnen Scheiben 1 bildet sich jeweils ein Trennspalt 5 mit einer Höhe von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm.
Figur 2c zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels aus ringförmigen Scheiben 1 unter Ausbildung der Trennspalte 5. Figur 2d ist eine perspektivische Darstellung eines aufgeschnittenen Ringstapels.
Eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung aus gestapelten ringförmigen Schei- ben, welche mittels einer Stützstruktur axial verspannt sind, ist in den Figuren 3a-3c gezeigt. Die Stützstruktur ist hierbei in Form eines durchlöcherten Stützrohres 7 ausgeführt.
Der Stapel aus ringförmigen Scheiben kann in der Höhe beliebig hoch ausge- führt werden und ist nur durch die verfügbare Länge der Stützstrukturen, wie der Stützrohre 7, begrenzt. Beliebig viele dieser Trennvorrichtungen können durch übliche Schraubverbindungen 12 mittels den Flanschsystemen 13 und 14 und dazwischen angeordneten Springfedern 15 miteinander verbunden und axial verspannt werden. Figur 3a zeigt eine Draufsicht der erfindungsge- mäßen Trennvorrichtung. Figur 3b ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur 3a und Figur 3c ist eine perspektivische Ansicht einer aufgeschnittenen Trennvorrichtung gemäß den Figuren 3a und 3b.
Die Stützrohre 7 sind in den Figuren 3a-3c außen angebracht, können jedoch auch innen angeordnet sein. Die Stützrohre müssen beliebig geformte Durchlässe 16 für das zu fördernde Medium aufweisen. Die Abmessungen der Durchlässe 16 müssen größer sein als die Filterspalte, um nicht ihrerseits als
Filter zu wirken.
Durch die Stützrohre wird die axiale Ausrichtung und die axiale Verspannung der Ringscheibenstapel gewährleistet. Über an den Stützrohren 7 angebrachte Flansche 14 wird eine Verbindung von zwei oder mehr Stapelpaketen ermöglicht. Ferner werden über die Stützrohre 7 die beim Einbringen der Trennvorrichtung in die Bohrung bzw. bei der Entfernung aus der Bohrung auftretenden Kräfte übertragen. Bei einem außen liegenden Stützrohr wird die Trenn- Vorrichtung vor durch Gestein im Bohrloch auftretende Schlagbelastung geschützt.
Außen liegende Stützrohre sind einem erhöhten Verschleiß durch die umgebenden harten Gesteinspartikel ausgesetzt. Diese Problematik ist jedoch weit geringer als bei der Trennvorrichtung selbst, da das Stützrohr keine engen Spalte aufweist. Zudem lässt sich bei Bedarf das Stützrohr mit konventionell üblichen Verschleißschutzschichten vor Abrasion schützen.
Ferner können die Stützrohre mit und ohne Spalt zu dem Ringstapel ausge- führt sein. Eine Ausführung mit Spalt erlaubt eine bessere Nutzung der Filterfläche und bessere Umspülung des Scheibenstapels.
Die Stützrohre 7 verspannen über Federelemente 15 den Scheibenstapel und vermeiden so eine Aufweitung des Filterspaltes 5 selbst bei Einbringung in gekrümmte Bohrungen. Die Federelemente können beispielsweise als Stahlfedern oder Elastomerfedern ausgebildet sein.
Die Grundfunktion der beispielhaft in den Figuren 3a-3c dargestellten, erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist die Trennung des von außen anströmen- den Gemisches von Flüssigkeit oder Gas mit Sand- oder Gesteinspartikeln vom innen anliegenden Förderstrom von Flüssigkeit oder Gas. Alle Partikel, die größer sind als der Trennspalt 5 zwischen zwei benachbarten Scheiben 1 werden effektiv vom Förderstrom getrennt.
Das oben erwähnte Konstruktionsprinzip mit sphärischem Axiallager erlaubt abhängig von der Größe des Radius R (siehe Figur Ie) an der Unterseite 4 der Ringscheiben 1 eine Einbringung der Trennvorrichtung in gekrümmte Bohrlöcher.
Die oben beschriebenen Abmessungen der einzelnen Ringscheiben erlauben eine hohe mechanische Belastbarkeit in der Anwendung und gute Prozesssicherheit bei der Herstellung. Die Ringscheibenbreite hat keinen entscheidenden Einfluss auf die Trennfunktion. Abweichende Abmessungen sind daher möglich. Die Höhe der Ringscheiben ist dagegen entscheidend für den Anteil der freien Filterfläche. Die Ringscheibenhöhe ist daher ein Kompromiss aus mechanischer Belastbarkeit und maximaler Förderleistung. Sie ist auf die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes und die Belastung anzupassen. Der Radius des sphärischen Axiallagers beträgt vorzugsweise das 5- bis 50-fache, weiter vorzugsweise das 10- bis 40-fache, des Außendurchmessers der Ringscheiben.
Der Radius der in Form von Kugelabschnitten ausgebildeten Abstandshalter richtet sich nach dem gewünschten Trennspalt und der Ringscheibenbreite und ergibt sich konstruktiv aus beiden Werten. Typische Trennspalten haben eine Höhe zwischen 0,2 und 0,5 mm und orientieren sich an der Korngröße des abzutrennenden Gesteinsandes und der maximal zulässigen Partikelgröße im Produktstrom. Die Abmessung des Trennspaltes entspricht der maximal zulässigen Partikelgröße im Förderstrom.
Die freie Filterfläche beträgt in einem konkreten Auslegungsbeispiel bei einer Ringscheibenhöhe von insgesamt 3 mm bei einer Spalthöhe von 0,4 mm bereits 13%. Bei entsprechend niedrigeren Ringscheibenhöhen kann der freie Flächenanteil noch gesteigert werden. Die Begrenzung des maximalen freien Flächenanteils liegt nur an der mechanischen Belastbarkeit der Ringscheiben. Diese ist wiederum abhängig von der Stützstruktur und der Werkstofffestig- keit.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Trennvorrichtung eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur axial verspannten, buchsenförmigen Elementen, in denen durch mechanische Bearbeitung Schlitze vorgesehen sind. Die Schlitze können hierbei radial und/oder axial zur Buchsenachse angeordnet sein. Die Figuren 4a-4c zeigen eine Ausführungsform, bei denen die Schlitze 9 radial zur Buchsenachse angeordnet sind. Figur 4a zeigt die Draufsicht auf ein buchsenförmiges Element 8. Figur 4b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Figur 4a des buchsenförmigen Elements 8. Figur 4c zeigt eine perspektivische Ansicht des buchsenförmigen Elements 8. Wie aus diesen Darstellungen ersichtlich, sind einzelne Reihen von Schlitzen 9 bei dieser Ausführungsform versetzt zueinander angeordnet.
Die Figuren 5a bis 5c zeigen eine andere Ausführungsform des buchsenförmi- gen Elements 8, bei denen die Schlitze 10 axial zur Buchsenachse angeordnet sind. Figur 5a zeigt die Draufsicht eines solchen buchsenförmigen Elements
8. Figur 5b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus der Figur 5a des buchsenförmigen Elements 8 und Figur 5c zeigt eine Schrägansicht des buchsenförmigen Elements 8. Wie ersichtlich, sind bei dieser Ausführungs- form um den Kreisumfang der Buchse drei Reihen von axialen Schlitzen 10, die voneinander beabstandet sind, angeordnet.
Geeignete Bearbeitungsverfahren für das Einarbeiten der Schlitze sind beispielsweise das Mulit-Wire-Sägen oder das Wafer-Sägen. Analog zur Höhe des Trennspalts bei der ersten Ausführungsform der Erfindung besitzen die axialen und/oder radialen Schlitze eine Breite von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, wobei Schlitzbreiten von weniger als 0,4 mm zur Rückhaltung von Sanden weiter bevorzugt sind.
Die buchsenförmigen Elemente werden entsprechend dem Aufbau bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung durch innen oder außen liegende Stützrohre axial geführt und vorgespannt. Sie können damit genauso zu beliebig hohen Stapeln angeordnet werden.
Um auch in gekrümmten Bohrungen eingeführt werden zu können, ist vorzugsweise eine Buchsenstirnseite konkav, die andere konvex ausgeformt, um nach dem Prinzip des sphärischen Axiallagers Winkelbeweglichkeit des Stapels der buchsenförmigen Elemente zu ermöglichen. Der Radius R, wie in Figur 4b und Figur 5b gezeigt, beträgt vorzugsweise das 5- bis 50-fache, weiter vorzugsweise das 10- bis 40-fache des Außendurchmessers der buchsenförmigen Elemente 8. Die Buchsenhöhe orientiert sich an der wirtschaftlich zu fertigenden Höhe im
Formgebungsprozess. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel beträgt die Höhe beispielsweise 80 mm. Eine solche Höhe lässt sich mit üblichen Presspulvern und Axialpressen prozesssicher pressen.
Abstandshalter sind bei den buchsenförmigen Elementen nicht erforderlich, da die Siebwirkung über die eingebrachten Schlitze erfolgt. Es kann jedoch auch das identische Design wie bei der ersten Ausführungsform in Bezug auf Abstandshalter und Verdrehsicherung ausgeführt werden.
Der Aufbau mit buchsenförmigen Elementen ist gegenüber einem Aufbau mit ringförmigen Scheiben darin vorteilhaft, dass eine geringeren Anzahl an Bauteilen notwendig ist, um eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung vorzusehen. Die grundsätzlich höhere Festigkeit der Buchsen gegenüber den Ring- Scheiben wird allerdings durch die für eine hohe freie Filterfläche notwendigen Schlitze etwas verringert.
Die freie Filterfläche bei den buchsenförmigen Elementen ist ähnlich wie bei den Ringscheiben ein Kompromiss aus mechanischer Belastbarkeit der Buch- sen und der maximalen freien Filterfläche. Bei gleicher mechanischer Belastbarkeit ist die maximale freie Filterfläche bei der ersten Ausführungsform mit Ringscheiben höher als bei der zweiten Ausführungsform mit buchsenförmigen Elementen.
Der Innendurchmesser der buchsenförmigen Elemente beträgt vorzugsweise weniger als 90%, weiter vorzugsweise weniger als 85% des Außendurchmessers der buchsenförmigen Elemente und die radiale Wandstärke der buchsenförmigen Elemente beträgt vorzugsweise mindestens 2,5 mm.
Der Außendurchmesser sowohl der ringförmigen Scheiben bei der ersten Ausführungsform als auch der buchsenförmigen Elemente bei der zweiten Ausführungsform beträgt vorzugsweise 50-200 mm.
Die mechanischen Belastungen der sprödharten Ringscheiben und der buch- senförmigen Elemente können weiter reduziert werden, wenn zwischen den ringförmigen Scheiben oder den buchsenförmigen Elementen eine Kunststofffolie als Zwischenring angeordnet wird und/oder die Unterseiten der ringför- migen Scheiben oder der buchsenförmigen Elemente mit einer Kunststoffschicht beschichtet sind. Dadurch werden insbesondere hohe Punktlasten auf die sprödharten Ringscheiben reduziert. Folglich kann entweder die Ringscheibenhöhe reduziert oder die mechanische Belastbarkeit bei gleicher Höhe gesteigert werden.
Die geeigneten Kunststoffe können abhängig von der Temperatur und dem Fördermedium gewählt werden. Für Temperatur unter etwa 100°C und Förderung von beispielsweise Wasser können einfache Standardkunststoffe, wie Po- lypropylen und Polyethylen eingesetzt werden. Bei Temperaturen bis etwa 140°C sind sogenannte Ingenieurkunststoffe notwendig, wie beispielsweise Polyamid oder Polyoxymethylen (POM). Bei Temperaturen bis etwa 2000C und Förderung von Öl oder Gas können sogenannte Hochtemperaturkunststoffe eingesetzt werden. Werkstoffe wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polytetra- fluorethylen (PTFE) weisen auch unter diesen Bedingungen noch eine gute Beständigkeit auf. Die Beständigkeit der Folie oder Beschichtung gegen abra- siven Verschleiß kann durch Verstärkung mit keramischen Füllstoffen noch deutlich gesteigert werden.
Der sprödharte Werkstoff der ringförmigen Scheiben oder der buchsenförmigen Elemente ist vorzugsweise gewählt aus oxidischen und nicht oxidischen keramischen Werkstoffen, Mischkeramiken aus diesen Werkstoffen, keramischen Werkstoffen mit Zusatz von Sekundärphasen, Mischwerkstoffen mit Anteilen von keramischen Hartstoffen und mit metallischer Bindephase, aus- scheidungsgehärteten Gusswerkstoffen, pulvermetallurgischen Werkstoffen mit in-situ gebildeten Hartstoffphasen und lang- und/oder kurzfaserverstärkten Keramikwerkstoffen.
Beispiele für oxidische keramische Werkstoffe sind AI2O3, Zrθ2, Mullit, Spi- nell und Mischoxide. Beispiele für nicht oxidische keramische Werkstoffe sind SiC, B4C, TiB2 und Si3N4. Keramische Hartstoffe sind beispielsweise Carbide und Boride. Beispiele für Mischwerkstoffe mit metallischer Bindephase sind WC-Co, TiC-Fe und TiB2-FeNiCr. Beispiele für in-situ gebildete Hartstoffphasen sind Chrom-Carbide. Ein Beispiel für faserverstärkte Keramik- Werkstoffe ist C-SiC. Die oben genannten Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie härter sind als die typischerweise vorkommenden Gesteinspartikel, das heißt die HV- oder HRC-Härtewerte dieser Werkstoffe liegen über den entsprechenden Werten des umgebenden Gesteins. Alle diese Werkstoffe zeichnen sich gleichzeitig dadurch aus, dass sie eine größere Sprödigkeit als typische ungehärtete Stahllegierungen haben. In diesem Sinne werden diese Werkstoffe hierin als "sprödhart" bezeichnet.
Vorzugsweise werden Werkstoffe mit einer Dichte von mindestens 90% , weiter vorzugsweise mindestens 95% , der theoretischen Dichte eingesetzt, um möglichst hohe Härtewerte und hohe Abrasions- und Korrosionswiderstände zu erzielen. Vorzugsweise werden als sprödharter Werkstoff gesintertes Silicium- carbid (SSiC) oder Borcarbid eingesetzt. Diese Werkstoffe sind nicht nur abrasionsbeständig, sondern auch korrosionsbeständig gegenüber den üblicher- weise für das Freispülen der Trennvorrichtung verwendeten Säuren, wie beispielsweise HCl.
Besonders geeignet sind beispielsweise SSiC-Werkstoffe mit feinkörnigem Gefüge (mittlere Korngröße < 5μm), wie sie beispielsweise unter dem Namen EKasic® F von ESK Ceramics GmbH & Co. KG vertrieben werden. Außerdem können aber auch grobkörnige SSiC-Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise mit bimodalem Gefüge, wobei vorzugsweise 50 bis 90 Vol.-% der Korngrößenverteilung aus prismatischen, plättchenförmigen SiC-Kristalliten einer Länge von 100 bis 1500 μm besteht und 10 bis 50 Vol.-% aus prismatischen, plättchenförmigen SiC-Kristalliten einer Länge von 5 bis weniger als 100 μm (EKasic® C von ESK Ceramics GmbH & Co. KG).
Beispiele
Das nachfolgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Keramische Trennvorrichtung In einem Auslegungsbeispiel beträgt der Aussendurchmesser der Filterringscheiben 100 mm, der Innendurchmesser 80 mm. Die Ringscheibenhöhe beträgt 3 mm. Der Radius R des sphärischen Axiallagers (s. Fig. Ie) beträgt 2000 mm. Der Ringspalt zwischen zwei benachbarten Ringscheiben beträgt jeweils 0,4 mm. Der Radius der drei kugelabschnittsförmigen Abstandshalter auf den Ringscheiben beträgt 25 mm. Die Wandstärke des metallischen Stützkäfigs beträgt 3 mm (s. Fig. 3b und 3c). Die freie Filterfläche beträgt 13%.
Die Gesamtlänge der Trennvorrichtung beträgt im Beispiel 1000 mm, dies entspricht 294 Scheiben mit o.g. Abmessungen im Scheibenstapel.
Im Ausführungsbeispiel wird der Werkstoff SSiC (EKasic® F) eingesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen, umfas- send eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur (7) axial verspannten, ringförmigen Scheiben ( 1 ) aus einem spröd- harten Werkstoff, wobei die Scheiben ( 1 ) auf ihrer Oberseite (2) mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben ( 1 ) gleichmäßig verteilte Abstandshalter (3) aufweisen, wobei die Scheiben ( 1 ) so aufeinander gestapelt sind, dass die Abstandshalter (3) jeweils übereinander liegen und dass zwischen den einzelnen Scheiben ( 1 ) jeweils ein Trennspalt (5) mit einer Höhe von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, vorhanden ist.
2. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Abstandshalter (3) in Form von Kugelabschnitten ausgebildet sind.
3. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Oberseite (2) der ringförmigen Scheiben ( 1 ) im rechten Winkel zur Scheibenachse ausgebildet ist.
4. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Oberseite (2) der ringförmigen Scheiben ( 1 ) nach innen abfallend mit einer ebenen oder gekrümmten Fläche ausgebildet ist.
5. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenen Ansprüche, wobei die Unterseite (4) der ringförmigen Scheiben ( 1 ) nach innen abfallend, vorzugsweise konkav gemäß dem Konstruktionsprinzip eines sphärischen Axiallagers ausgebildet ist.
6. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Außenkanten (6) der ringförmigen Scheiben ( 1 ) abgefast oder verrundet sind.
7. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprü- che, wobei der Innendurchmesser der ringförmigen Scheiben ( 1 ) weniger als 90% des Außendurchmessers der ringförmigen Scheiben ( 1 ) beträgt.
8. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die radiale Wandstärke der ringförmigen Scheiben ( 1 ) mindestens 2,5 mm beträgt.
9. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der ringförmigen Scheiben ( 1 ) 2 bis 20 mm beträgt.
10. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ringförmigen Scheiben ( 1 ) eine Verdrehsicherung ( 1 1 ) aufwei- sen.
1 1. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Stützstruktur (7) um innen und/oder außen angebrachte Stützrohre handelt.
12. Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei der Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen, umfassend eine Mehrzahl von aufeinander gestapelten und mittels einer Stützstruktur (7) axial verspannten, buchsenförmigen Elementen (8) aus einem sprödharten Werkstoff, wobei in den buchsenförmigen Elementen (8) Schlitze (9, 10) mit einer Schlitzbreite von 0,05 - 1 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,5 mm, augebildet sind.
13. Trennvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schlitze radial (9) und/ oder axial ( 10) zur Buchsenachse angeordnet sind.
14. Trennvorrichtung nach Anspruch 12 und/oder 13, wobei eine Stirnseite der buchsenförmigen Elemente (8) konkav und die andere Stirnseite konvex ausgeformt ist, um nach dem Prinzip des sphärischen Axiallagers Winkelbe- weglichkeit des Stapels der buchsenförmigen Elemente (8) zu ermöglichen.
15. Trennvorrichtung nach Anspruch 5 oder 14, wobei der Radius des sphärischen Axiallagers das 5- bis 50-fache des Außendurchmessers der ringförmigen Scheiben ( 1 ) oder der buchsenförmigen Elemente (8) beträgt.
16. Trennvorrichung nach mindestens einem der Ansprüche 12- 15, wobei der Innendurchmesser der buchsenförmigen Elemente (8) weniger als 90% des Außendurchmessers der buchsenförmigen Elemente (8) beträgt.
17. Trennvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12- 16, wobei die radiale Wandstärke der buchsenförmigen Elemente (8) mindestens 2,5 mm beträgt.
18. Trennvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12- 17, wobei es sich bei er Stützstruktur (7) um innen und/oder außen angebrachte
Stützrohre handelt.
19. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sprödharte Werkstoff der ringförmigen Scheiben ( 1 ) oder der buchsenförmigen Elemente (8) gewählt ist aus oxidischen und nicht oxidischen keramischen Werkstoffen, Mischkeramiken aus diesen Werkstoffen, keramischen Werkstoffen mit Zusatz von Sekundärphasen, Mischwerkstoffen mit Anteilen von keramischen Hartstoffen und mit metallischer Bindephase, ausscheidungsgehärteten Gusswerkstoffen, pulvermetallurgischen Werkstof- fen mit in-situ gebildeten Hartstoffphasen und lang- und/oder kurzfaserverstärkten Keramikwerkstoffen.
20. Trennvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die sprödharten Werkstoffe eine Dichte von mindestens 90% der theoretischen Dichte aufweisen.
21. Trennvorrichtung nach Anspruch 19 und/oder 20, wobei es sich bei dem sprödharten Werkstoff um gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) oder Borcar- bid handelt.
22. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen den ringförmigen Scheiben ( 1 ) oder den buchsenförmigen Elementen (8) eine Kunststofffolie als Zwischenring angeordnet ist und/ oder die Unterseiten der ringförmigen Scheiben oder der buchsenförmigen Elemente mit einer Kunststoffschicht beschichtet sind.
23. Verwendung einer Trennvorrichtung gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei einem Verfahren zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteinsbohrungen.
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