EP2553216B1 - Verschleissbeständige trennvorrichtung zur abtrennung von sand- und gesteinspartikeln - Google Patents

Verschleissbeständige trennvorrichtung zur abtrennung von sand- und gesteinspartikeln Download PDF

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EP2553216B1
EP2553216B1 EP10715683.8A EP10715683A EP2553216B1 EP 2553216 B1 EP2553216 B1 EP 2553216B1 EP 10715683 A EP10715683 A EP 10715683A EP 2553216 B1 EP2553216 B1 EP 2553216B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separating device
clamping
discs
materials
annular
Prior art date
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Active
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EP10715683.8A
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English (en)
French (fr)
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EP2553216A1 (de
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Stefanie Wildhack
Armin Kayser
Samuel Joly
Siegfried MÜSSIG
Klaus Wahrmann
Fabian PÖHLING
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ESK Ceramics GmbH and Co KG
Total E&P Danmark AS
Original Assignee
ESK Ceramics GmbH and Co KG
Maersk Olie og Gas AS
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Publication date
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    • 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • E21B43/02—Subsoil filtering
    • E21B43/08—Screens or liners
    • E21B43/082—Screens comprising porous materials, e.g. prepacked screens
    • 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
    • E21B43/088—Wire screens

Definitions

  • the invention relates to a novel separation device with improved erosion and abrasion resistance, which is an integral part of a production equipment for use in the extraction of oil, water and gas mixtures or their individual components from deep wells, with their help solids such as sand and rock particles can be separated from the liquids and gases to be delivered.
  • the separator is used in particular to prevent the erosive and abrasive removal of the conveyor equipment by sand and rock particles. At the same time the separator is corrosion resistant to treatment liquids.
  • a major disadvantage of these designs with metallic wire mesh, wire mesh or wire windings is their low resistance to wear. Due to the abrasive or erosive effect of the sand and rock particles flowing in with high flow velocity, the filters are destroyed and the delivery pipes are damaged. At the same time the productivity of the promotion decreases, since now the sand is no longer effectively filtered out but is transported on with the pumped medium. Another problem is the corrosive wear on the filters and delivery pipes caused by the use of treatment liquids. This corrosive wear in turn increases the abrasive wear. Treatment liquids, such as acids, alkalis, water or superheated steam, are used to clean the separator and to stimulate the wellbore.
  • Treatment liquids such as acids, alkalis, water or superheated steam
  • Another problem is that the abrasion resistance of porous ceramic materials is significantly lower than that of dense ceramic materials.
  • a disadvantage of this solution is that the improved wear protection is accompanied by an energy dissipation of the flowing medium; the outer sleeve does not act as a filter but as a flow resistance that degrades the flow rate. It is not disclosed how the cuff is mounted on the conveyor tube.
  • a cylindrical sieve filter which includes a plurality of stacked annular filter segments.
  • the ring stack is held together by a plurality of threaded rods with threaded nuts or double nuts made of stainless steel at the top and bottom.
  • the separation of the particles takes place at the variable annular gap, which is formed between opposite filter segments.
  • the rings are made of plastic, preferably of glass-reinforced polypropylene (column 4, Z. 50-54).
  • the threaded rods are guided through openings provided in the rings (column 4, lines 31-33). This solution can not be realized from ceramics.
  • the cross-sectional transitions are edged;
  • the filter segments have a typical plastic design.
  • the invention has for its object, overcoming 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 lower tendency to fracture as the known in the prior art separation devices, and which is also resistant to corrosion treatment fluids, and can withstand the loads occurring during the promotion, has a longer life and with their help higher flow rates can be achieved.
  • the separator should moreover be suitable as an integral part of a conveying equipment for conveying liquids or gases from deep wells.
  • the invention also relates to the use of the separation device according to the invention for the separation of sand and rock particles in a process for the promotion of liquids or gases from rock or deep wells.
  • the annular disks of the separating device according to the invention are stacked and braced so that they are axially fixed and forms between the individual disks each have a defined separation gap for the separation of sand and rock particles.
  • the rings are movable relative to each other to a certain extent, whereby a stress build-up in the ring stack is effectively reduced by external loads such as bending.
  • the ring stack is fixed on the tensioning device only in itself, the sand filter module requires no additional mechanical support. For example, it is not fastened to an inner conveyor tube which carries the dead weight of ring stack and tensioning device and optionally further coupling elements, intermediate modules and / or the filter module tip.
  • the separation device further comprises one or more protective sheaths for protecting the intermediate modules and the coupling elements.
  • the separation device according to the invention constructed from brittle-hard ring elements is more resistant to abrasion and corrosion than conventional sand-combing devices. It therefore has a longer service life than the sand filters of the prior art.
  • the separation device according to the invention must therefore, in contrast to the sand filters of State of the art can not be replaced at regular intervals, so that the intervals until an existing hole has to be overhauled (workover), significantly longer.
  • the present invention allows the favorable ceramic material properties of the ceramic materials, in particular their abrasion resistance and their high deformation resistance, to be used for the highly abrasive sand filter by the ceramic design solution.
  • the unfavorable for this class of materials loads, in particular point, bending, tensile and impact loads are avoided constructively by the inventive solution.
  • annular discs Due to the high resistance of the brittle-hard discs against deformation, the annular discs must in contrast to the prior art (such as in the US 5,515,915 ) are not supported by spacer and support rods on an inner tube to increase their stability in the stack and each other. They can be free-standing.
  • annular discs Once the annular discs are axially braced, they form a very stable separation gap, which has a small tolerance width, which is due only to the manufacturing tolerance of the rings and not by material deformability.
  • the separation gap widths comply with the standard API guidelines (American Petroleum Institute) and can even surpass these standards.
  • the high resistance to mechanical deformation caused, for example, by incident sand layers prevents the separation gaps from changing.
  • sand filters of wire mesh and wire windings In contrast to the prior art sand filters of wire mesh and wire windings, clogging of the separation gaps is inhibited.
  • multi-ply filter fabrics are common and necessary for protecting the fine filter.
  • the multi-layer fabric arrangement increases the flow resistance.
  • Multi-ply fabrics also tend to become clogged by the deposition of sands in the cavities, and thus to further increased flow resistance.
  • the inventive ceramic sand filter modules can be made in one layer due to the good abrasion resistance and the high resistance to deformation of the brittle ring stack and be charged directly with the flow.
  • An additionally introduced filter gravel pack between filter and inner tube as a secondary filter is not necessary in the ceramic sand filter modules according to the invention. Instead, the sand and rock particles to be separated can build up on the outer peripheral surface of the stable, brittle-hard discs as a secondary filter cake. Its stability is favored by the separator according to the invention, which leads to an increase in the well integrity.
  • the separation of the particles is ensured in direct inflow and through flow, without the flow being negatively influenced by deflection or energy dissipation.
  • the pressure loss of the separator according to the invention is negligible and the separator according to the invention is flowed through laminar.
  • the separation device according to the invention requires no mechanical support as the plastic filter segments in the US 5,249,626 or the metallic wire mesh of the US 5,624,560 .
  • the ring stack according to the invention is fixed on the clamping device only in itself and is not supported or supported by an inner conveyor pipe. Since the inner delivery pipe is eliminated, thus also the existing inside the free conveying cross section and thus the delivery rate is increased.
  • the resilient mounting of the ring stack allows bends to be accommodated and different thermal expansions of the different materials to be compensated.
  • the rings are stacked and braced so that they are movable in the radial and tangential direction to a certain extent against each other, whereby a stress build-up in the ring stack is effectively reduced by external stresses such as bending.
  • the sand filter modules can be attached to existing delivery systems using conventional connection technology. This applies both to the attachment at the end of the conveyor linkage as well as for a subsequent insertion of the filter modules and hanging on a landing nipple.
  • the individual sand filter modules can be connected via the coupling elements and intermediate modules to filter systems of any length.
  • the separating device according to the invention can be used under any wellbore deflection, both in the horizontal and in the vertical wellbore and also under any other borehole inclination, for example at a borehole inclination of 60 °. This is an advantage over the conventionally used metallic wire mesh.
  • the separating device according to the invention preferably comprises filter module tips with increased abrasion protection.
  • FIG. 1 shows the overall view of a separation device according to the invention, which is modularly composed of at least one ceramic filter module 1 (hereinafter also referred to as “sand filter module”).
  • the separation device can be arbitrarily extended by the modular structure.
  • the separator comprises at the lower end of the lowermost sand filter module and thus at the end of the drill string a filter module tip 2.
  • the ceramic sand filter modules take over the sand separation or sand control.
  • the sand filter modules can also be connected via intermediate modules 3 with other sand filter modules.
  • the intermediate modules can perform various tasks, such as ensuring sufficient bending when introducing the separator into the well, the centering of the separator in the well casing or the attachment / anchoring of the separator to the production tubing or well casing. It is also possible to use active elements as intermediate modules, by means of which backwashing or free-flowing of added filter elements is realized.
  • the separation device according to the invention can be installed both in the re-equipment of sand-carrying holes as well as in the overhaul of the hole (Workover) in the conveyor system, further it can also be introduced in an existing hole through the interior of the production tubing and anchored to the landing nipples of the well casing , Depending on the application variant, the intermediate modules and the geometric data of the ceramic sand filter modules differ, but the design principles can be retained.
  • the annular discs 7 used in the ceramic sand filter module are in the Figures 2a - 2d and 3a - 3d for two preferred embodiments of the sand filter module shown.
  • Figure block 2 shows the design of the annular discs for a first embodiment, at the internal clamping rods 14 (s. FIG. 6 ) are used for clamping the ring stack.
  • the ring stack is placed on an inner, perforated tube 15 (see FIG. FIG. 7 ) and braced, the rings used for this shows Figure block 3.
  • the annular discs are made of a brittle-hard material, preferably made of a ceramic material that is resistant to abrasion and erosion against the sand and rock particles and corrosion resistant to the fluids and the media used for cleaning such as acids.
  • the separation of the sand and rock particles takes place at a radial, preferably tapered gap 9 (s. Figures 5 and 6 ), which forms between two superimposed, strained ring elements.
  • the ring elements are designed ceramics appropriate or brittle hard materials, ie cross-sectional transitions are performed without notches and the formation of bending stresses is constructively avoided or compensated.
  • the height (thickness) of the annular discs depends on the required flow rate.
  • the annular discs 7 have on their upper side 16 at least three evenly distributed over the circumference of the discs elevations 8 with a defined height, with the help of the height of the separating gap (gap width) is set.
  • the elevations are not separately applied or subsequently welded spacers. They are formed directly during manufacture during the shaping of the annular discs.
  • the elevations are preferably in the form of spherical sections in order to achieve a point contact between opposing annular discs and to avoid surface contacts.
  • the annular discs preferably have on their outer peripheral surface a recess / marking groove 17, by means of which the annular discs are more easily positioned one above the other during installation and thus fail-safe mounting is allowed.
  • the marking groove is preferably rounded.
  • the upper surface 16 of the annular discs may be made at right angles to the disc axis or sloping inwardly or outwardly sloping with a plane or curved surface.
  • the underside 18 of the annular discs may be designed to slope outwards or inwards, preferably inwardly sloping, more preferably it is concave.
  • An inwardly sloping design is advantageous in terms of a reduced tendency to clog the separator.
  • the concave shape is to understand the ring bottom as a whole, see Figures 2d and 3d , Here, the ring bottom is designed with a radius R.
  • the annular discs in the ring stack are movable relative to each other in the radial and tangential direction, whereby a stress build-up in the ring stack is effectively reduced by external stresses such as bending.
  • the cross-sectional shape of the annular discs is preferably non-rectangular and not trapezoidal due to the concavely curved surfaces. It also has no sharp edges and cross-sectional transitions.
  • the outer contours 19 of the annular discs are chamfered, as in FIG Figures 2d and 3d illustrated.
  • 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.
  • the peripheral surfaces (cladding surfaces) of the annular discs are preferably cylindrical (even). But it is also possible to form the peripheral surfaces outwardly convex, for example, in order to achieve a better flow.
  • the radial wall thickness of the annular discs is preferably at least 2 mm, more preferably at least 5 mm.
  • the height or thickness of the discs is preferably 1 to 20 mm, more preferably 1 to 10 mm.
  • the outer diameter of the annular discs is smaller than the inner diameter of the borehole or as the inner diameter of the Bohrlochfutterrohres. It is usually 50-200 mm. Also possible are smaller diameters than 50 mm and larger than 200 mm.
  • 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.
  • the contour of the inner diameter of the annular discs can also be approximated by a polygon, for example a hexagon.
  • the inner diameter of the annular discs must additionally be greater than the diameter of the inner, perforated tube.
  • the annular discs must not rest on the inner tube. This ensures that the deflection occurring during the insertion into the borehole can be absorbed via the construction of the ring stack and a breakage of the ceramic elements is avoided.
  • the annular discs preferably have at least three recesses / grooves 20 (s. FIG. 2 a) , which serve to accommodate the tension rods. If the contour of the inner diameter of the annular discs is formed as a polygon, the recesses can be omitted since the tension rods can be guided in the corners.
  • These recesses 20 are offset from the distributed on the top elevations 8 are mounted in a preferred embodiment, six grooves 20 are introduced on the peripheral surface.
  • the three elevations 8 on the top 16 are arranged so that they are located in each second space between two grooves 20.
  • the recesses 20 are preferably formed rounded (s. FIG. 2 a) ,
  • the discs allow a very simple assembly by means of the grooves on the inner diameter of the annular discs. Since the wall thickness in the region of the grooves is reduced, however, it is possible in this variant, especially with small available Bohrlochfutterrohr- and delivery pipe diameters, to reduce the ring stability and thus to restrictions in use.
  • the panes have an almost uniform wall thickness over the entire circumference and can thus be used under extreme geometric requirements.
  • the underside 18 of the rings additionally at least three recesses 21, (s. FIG. 3 c) in which the elevations 8 of the opposite top of the next ring segment can be positioned.
  • the number and the distance of the recesses depend on the number and distance of the elevations on the ring top.
  • the recesses are used to prevent rotation of the rings and support the self-centering of the rings in the stack.
  • these recesses are not necessary, since here the rotation takes place sufficiently over the tension rods. It can still be made recesses on the underside of the ring. Since these are associated with overhead in the production, they are preferably eliminated.
  • the depressions are preferably surfaces displaced parallel to the radius R (see FIG. FIG. 3 a) , In this way, point contact with the surveys is ensured, and the three-point support compensates for possible deviations in shape and dimensions.
  • the depressions can also be formed in the form of spherical or cylindrical sections. Also a rounded trapezoidal shape or a wavy structure is possible.
  • the gap width 9 (s. FIG. 4 and 5 ) is selected depending on the sand fraction to be separated. At the outer diameter, the gap width is the smallest, in order to avoid clogging of the annular gap.
  • the gap width is set by the height of the elevations on the top of the ring, the depth of the recesses on the underside of the ring (if present) and the shape of the underside of the ring, ie the radius of the concave surface.
  • the selected gap geometry ensures that the flow processes in the gap are laminar and that the pressure loss between outer and inner diameter is low.
  • the separation device can be backwashed by liquid treatment media, possibly introduced particles in the separation gap can be rinsed free.
  • the brittle-hard material of the annular discs is preferably selected from oxidic and non-oxidic ceramic materials, mixed ceramics from these materials, ceramic materials with the addition of secondary phases, mixed materials with shares 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.
  • suitable materials have HV hardness values greater than 15 GPa, preferably greater than 23 GPa.
  • brittle hard 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”.
  • all these materials have a very high deformation resistance, which is reflected in their modulus of elasticity.
  • the high rigidity has a positive effect on the abrasion behavior of the materials. A peeling of material and a plastic deformation as in metals is not possible here.
  • the structure of the sand filter module is also positively influenced by the high resistance to deformation.
  • the annular discs made of these materials need not be supported by webs on an inner tube in order to increase their stability in the stack and each other. They can be free-standing. As soon as they are braced axially, they form a very stable separating gap, which has a small tolerance width, which is only due to the manufacturing tolerance of the rings and not due to material deformability. Even with sudden loads they do not deform, the set separation gap width is retained.
  • suitable materials have elastic moduli greater than 200 GPa, preferably greater than 350 GPa.
  • 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.
  • the sintered silicon carbide (SSiC) or boron carbide is preferably used as the brittle-hard material. These materials are not only abrasion resistant, but also corrosion resistant to the treatment fluids commonly used for flushing the separator and stimulating the well, such as acids, e.g. HCl, lyes, e.g. NaOH, or water vapor.
  • SSiC materials with fine-grained microstructure are particularly suitable, for example, SSiC materials with fine-grained microstructure (mean particle size ⁇ 5 microns), as they are selling KG, for example, under the name EKasic ® F and EKasic ® F plus from ESK Ceramics GmbH & Co..
  • 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. of prismatic, platelet-shaped SiC crystallites of a length of 5 to less than 100 microns (EKasic ® C from ESK Ceramics GmbH & Co. KG).
  • the production of the annular disks is possible by means of powder metallurgy or ceramic processes in an automated mass production.
  • the ring-shaped disks can be produced in the so-called net-shape process, in which the annular disks (including elevations) are pressed out of 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.
  • the ring discs made of brittle-hard materials are mounted together with the coupling elements as a ring stack of any height.
  • the ring stack height and thus the sand filter module length is based on the hole diameter requirements, the resulting loads, the required bending and the load capacity of the metallic clamping structure.
  • a preferred height of the ring stack or the filter length is 1000 mm.
  • FIGS. 4 a - 4 c and 5a - 5 c show inventive ring stack 6 with the coupling elements 10 and 11.
  • Die FIGS. 4 a - 4 c show the embodiment with the tension rods 14 (s. FIG. 6 ).
  • the Figures 5 a - 5 c show the embodiment with the inner clamping tube 15 (s. FIG. 7 ).
  • the FIGS. 4a and 5a are plan views of the upper coupling element 10.
  • the Figures 4b, 4c . 5b and 5c are respectively cross-sectional views along each of the line BB in the FIGS. 4a and 5a or along each of the line AA in the FIGS. 4 a and 5 a.
  • the coupling elements in each case form the end-side, lateral terminations of the ring stack, via which the ring stack is coupled to the tensioning device. They are designed so that the clamping forces are transmitted evenly to the ring stack.
  • the coupling elements are preferably made of the same material as the rings. Alternatively, however, corrosion-resistant steels and plastics such as fluoroelastomers or PEEK (polyetherketone) can be used.
  • the upper surface of the upper coupling element 10, which is directed to the clamping device, preferably has a flat / flat surface.
  • the surface directed toward the ring stack, that is to say the underside of the coupling element 10, is preferably designed with a radius, ie, like the ring elements, it is concave.
  • the outer circumferential surface preferably has a circumferential groove 22 (FIG. FIGS. 4 and 5 ) for receiving a sealing ring (O-ring) 23 (in FIGS. 8 a and 9 a) and preferably a recess / marking groove 24 (FIG. FIGS. 4 and 5 ) for positioning the coupling elements in relation to the ring elements.
  • the marking groove 24 is preferably rounded.
  • the lower surface of the lower coupling member 11, which faces the tensioning device, preferably has a flat surface.
  • the surface directed toward the ring stack, that is to say the top side of the coupling element 11, has at least three elevations distributed uniformly over the circumference of the disks.
  • the outer peripheral surface is preferably a circumferential groove 22 for receiving a sealing ring (O-ring) 23 (in FIGS. 8 a and 9 a) and preferably a recess / marking groove 24 for positioning the coupling elements in relation to the ring elements.
  • the marking groove 24 is preferably rounded.
  • the inner diameter of the coupling elements corresponds to that of the ring elements.
  • the outer diameter of the coupling elements is preferably equal to or greater than that of the annular discs (s. FIGS. 4 or 5). Due to the geometric conditions, however, it may be necessary constructively that the outer diameter fails slightly smaller than the outer diameter of the annular discs. However, this is only possible if the smallest wall thickness does not fall below 2 mm and the component and handling stability is not endangered.
  • At least three recesses / grooves 25 are preferably additionally provided on the inner peripheral surface of the coupling elements 10 and 11, which serve to receive the tension rods. These recesses are offset from the distributed on the top of the annular discs surveys attached.
  • six grooves 25 are formed on the inner circumferential surface. The three elevations on the top are arranged so that they are located in each second space between two grooves.
  • the recesses 25 are preferably formed rounded (s. FIG. 4 a) ,
  • the tolerances of the two coupling elements 10, 11 are selected to be narrower than those of the annular discs in order to optimally couple the brittle-hard components to the metallic components of the clamping device; In contrast to the as-sintered ring disks, the coupling elements must be machined.
  • the upper surface of the upper coupling element 10 and / or the lower surface of the lower coupling element 11 is not flat / flat but designed as a spring seat. In this way, the springs are directly absorbed and additionally protected against the fluid.
  • the annular discs are mounted together with the coupling elements as a ring stack of any height and fixed by means of the clamping device in itself.
  • the task of the tensioning device is to brace the axially stacked ring elements in itself and set the defined separation gap between the individual discs set.
  • the width of the separating gap preferably has a value in the range of 0.05-1 mm, more preferably 0.05-0.5 mm.
  • the ring stack is fixed in the inventive sand filter module on the tensioning device only in itself, the sand filter module requires no additional mechanical support. For example, it is not fastened to an inner conveyor tube which carries the dead weight of the ring stack and the tensioning device and optionally further coupling elements, intermediate modules and / or the filter module tip. For this reason, the tensioning device must be able to absorb the tensile loads resulting from its own weight.
  • the clamping device preferably consists of an upper and lower clamping set and one or more clamping elements which connect the clamping sets and extend along the inner circumference of the ring stack.
  • the clamping element can be used, for example, as a clamping tube 15 (FIG. FIG. 7 ) or by at least three evenly distributed tension rods 14 ( FIG. 6 ).
  • the clamping set consists of clamping bush 26, compression springs 27 (both in FIG. 6 and 7 ) and clamping nuts 28 (in the embodiment with the tension rods, FIG. 6 ) and clamping ring 29 (in the embodiment with the tension tube, FIG. 7 ).
  • the clamping device allows a controlled and uniform force on the coupling elements and thus on the ring stack. This is achieved to a large extent by the at least three evenly distributed compression springs 27. In a preferred embodiment, there are six evenly distributed compression springs 27.
  • the compression springs are preferably selected from corrosion-resistant steel, coated steel or corrosion-resistant elastomer such as rubber or Viton.
  • the clamping elements are preferably made of steel, more preferably made of corrosion-resistant steel. Since the clamping elements in the inner space of the ring stack are made of brittle-hard material, they are protected by it from abrasion and thus ensures the tension within the sand filter module over its entire life.
  • the clamping element is designed as a clamping tube 15 (FIG. FIGS. 7 and 9 ), which must have through flow openings for the promotion of oil, water and gas mixtures or their individual components from deep wells. It may be a perforated or slotted tube or a cylindrical perforated plate. The shape, arrangement and number of flow openings is determined on the one hand by the required flow rate and on the other by the desired tensile and torsional strength of the clamping tube. In the preferred embodiment in FIG. 9a the flow openings are formed as rounded slots 41. They are introduced into the clamping tube only in the area of the annular discs, from the coupling segments, the circumferential surface consists of solid material. On the upper and lower peripheral surface of the clamping tube 15 is preferably in each case an external thread 30 for attachment to the clamping ring.
  • a coarse-mesh sieve or a rigid wire mesh can be constructed and used as a tube.
  • the outer diameter of the clamping tube 15 is smaller than the inner diameter of the annular discs, so that a gap between clamping tube and ring stack is present.
  • the ring-shaped discs must not rest on the tensioning tube, so that external loads such as bending are not transferred by load transfer from the metallic tensioning tube to the rings.
  • spacers 31 made of an elastic, compressible polymer material between clamping tube and ring stack. This may be a wound polymer tape, polymer rings or polymer strips.
  • at least 3 are each offset by 120 ° from each other, the entire length of the ring stack and the coupling elements covering the polymer strips used, whereby the washers are additionally centered on the clamping tube.
  • a plurality of clamping elements in the form of tension rods 14 (FIG. FIGS. 6 and 8th ), evenly distributed over the inner circumference of the ring stack.
  • the tension rods can be received in the recesses / grooves 20 of the annular discs and correspond in number to the number of recesses / grooves 20.
  • the number of tension rods is selected depending on the required tension on the ring stack and the capacity for resulting from its own weight tensile loads of the modules.
  • the tension rods 14 may be designed with a round or ellipsoidal cross-sectional area.
  • To increase the material cross-section and thus the tensile and torsional strength of the tension rods are preferably used as profile bars 32 (FIG. Figures 8b and 8c ).
  • the cross-sectional area of the profiled bars may, for example, correspond to that of a circle segment or, as in the preferred embodiment, in FIGS. 8b or c a combination of ring and circle segments.
  • the tension rods can be provided with a powder coating to avoid direct contact of the steel material of the rods on the ceramic ring elements.
  • the profile cross section does not extend over the entire length of the clamping rods, but goes in the region of the clamping bushes in a round cross-sectional area 33 (FIGS. FIG. 8 a) above. Strictly speaking, the circular segment of the profile is extended in a round cross-sectional area.
  • a thread 34 FIG. 8 a
  • the clamping bush serves as a compression spring seat and has inner guides 35 (FIG. FIGS. 8 a, 8 c, 9 a) for receiving the compression springs, on the other hand it allows the tension on the clamping element / the clamping elements.
  • the clamping device is sealed to the outside, ie between clamping tube and coupling element by means of O-rings (23 in FIG. 9 a) ,
  • the clamping bush is preferably made of steel, more preferably made of corrosion-resistant steel.
  • clamping bushes are designed differently for the two preferred embodiments of the clamping elements.
  • the clamping bush is cylindrical ( FIG. 9 a) , Passing the outer peripheral surface of the outer cage is guided past the inner circumferential surface passes over the clamping tube.
  • On the surface facing the clamping ring is preferably a circumferential groove for receiving a sealing ring (O-ring, 36, FIG. 9 a) ,
  • the clamping bush is cylindrical on the inner circumferential surface, outside three areas can be distinguished: an outer guide 37 (FIG. FIG. 8 a) for receiving the outer cage, a recess 38 ( FIG. 8 a) for receiving an O-ring and a thread 39 for attachment to the coupling element.
  • an outer guide 37 FIG. FIG. 8 a
  • a recess 38 FIG. 8 a
  • a thread 39 for attachment to the coupling element.
  • through-holes 40 FIG. 8 c
  • the holes are on the to the clamping nuts aligned side designed as round holes, on the aligned to the coupling elements side they have a profile that can accommodate the profile of the tension rods.
  • clamping tube for clamping is preferably a clamping ring (29 in FIG. 9 a) used.
  • This is cylindrical on the inner circumferential surface and has a recess with internal thread 42 for screwing to the clamping tube to the side of the ring stack. Outside, three areas can be distinguished: an outer guide 43 for receiving the outer cage, a recess 44 for receiving an O-ring and a thread 45 for attachment to the coupling element.
  • the clamping of the ring stack is parallel to the assembly.
  • fixation of the tie rods or of the tensioning tube is preferably done via clamping nuts or a clamping ring, as applied as a defined torque and length tolerances can be compensated.
  • Alternative types of attachment to thread and locknut represent the combinations of groove and circlip and counterbore and grub screw. An attachment by welding, jamming or shrinking is possible.
  • the ring stack is braced more flexibly with the aid of the somewhat flexible tie rods in comparison to the embodiment with clamping tube.
  • tensile and torsional strength are higher in the embodiment with tension tube, the profile cross section of the tension rods ensures sufficient tensile strength to support the dead load.
  • the tie rods have sufficient strength to prevent large-scale twisting of the construction.
  • smaller deformations are possible and allow the rings in the ring stack in the radial and tangential direction in to move to a certain degree.
  • stress build-up in the ring stack can be more effectively reduced by bending than in the tension tube embodiment.
  • the sand filter module according to the invention is preferably protected against damage during installation such as impact load or friction on the well casing and when starting the promotion by rapidly flowing rock particles by a freely permeable outer cage 5 ( FIG. 1 ).
  • This can for example be designed as a coarse mesh screen and preferably as a perforated plate.
  • the material used is preferably steel, more preferably stainless steel.
  • the use of fiber-reinforced polymer materials is conceivable, since here the load-bearing capacity and the resistance to torsional and bending moments can be adjusted according to requirements.
  • the outer cage is loosely clamped in the outer diameter of the clamping device, but can also be firmly connected to the stiffening of the separator against bending and torsional and tensile and compressive stresses with the jig. This fixation is possible for example by gluing, screwing, pinning or shrinking, preferably the outer cage is welded to the clamping device after assembly.
  • Coupling elements for connecting the sand filter modules with other components of the conveying equipment
  • the coupling elements 12, 13 are used to connect the strained ring stack / sand filter module with other components of the conveying equipment such as the filter module tip 2 and intermediate modules.
  • the individual sand filter modules can be connected via the coupling elements and intermediate modules to filter systems of any length.
  • the coupling elements are preferably made of steel, more preferably made of corrosion-resistant steel.
  • the coupling element has an identical with the clamping device outer diameter and are cylindrical outside.
  • they Towards the intermediate module, they preferably show an outer conical wedge surface 47 (FIG. FIGS. 6 and 7 ).
  • the inner peripheral surface can be divided into three areas: In the middle region, the coupling element is tubular and has a consistently thick wall thickness. To the clamping device towards the pipe is tapered and reduces the wall thickness. In this area there is a thread 48 ( FIGS. 6 and 7 ) for attachment to the tensioning device. At the outer end is a further recess 49 ( FIG. 7 ), which receives a sealing ring (O-ring) 50.
  • the inner circumferential surface has an internal thread 51 (FIG. FIGS. 6 and 7 ). However, it is also conceivable that the thread is incorporated as an external thread in the outer peripheral surface.
  • coupling elements which connect to a filter module tip 2 are generally designed to be shorter than those which receive intermediate modules.
  • an internal cone 52 FIG. FIGS. 6 . 7 and 10
  • at least one circumferential groove 53, 54 FIG. FIGS. 6 . 7 and 10
  • a sealing ring 55 FIGS. 6 . 7 and 10
  • a snap ring 56 FIGS. 6 . 7 and 10
  • the length of the coupling elements; take the intermediate modules, is not critical and preferably rather to choose longer, since the coupling elements and intermediate modules must contribute depending on the chosen embodiment and thus rigidity of the tensioning device in addition to receiving external loads such as bending and resulting from its own weight tensile loads.
  • the outer, conical wedge surface of the coupling elements and the intermediate modules are preferably provided by one or more protective sheaths 4 (FIG. FIG. 1 ) against wear caused by abrasion / erosion by sand and rock particles as well as by corrosion.
  • the wear protection of the above-mentioned metallic areas by means of a plastic coating for example by means of a shrink tube:
  • a plastic coating for example by means of a shrink tube
  • cover mats or foils which are fixed for example by means of mechanical clamps , or by molded parts.
  • suitable spacers can be attached, which can be realized as sliding nubs on the perforated plate, for example.
  • the materials for the plastic coating are preferably chosen from the group of polyolefins, preferably polyethylene, polypropylene and poly (iso) butylane, since these on the one hand have sufficient resistance to abrasion / erosion and corrosion and on the other hand can be applied as a shrink tube.
  • polyolefins preferably polyethylene, polypropylene and poly (iso) butylane
  • Other possible materials for the plastic coatings or heat shrink tubing are PVDF, Viton, PVC and PTFE.
  • the wall thickness of the shrink tubing is less than 7 mm, typically in the range of 1 to 3 mm.
  • filter module tips 2 are intended to ensure that the extraction of oil, water and gas mixtures or their individual components from the deep well always via the filter modules runs and the existing sand in the borehole is retained on the filter module.
  • filter module tip can be reopened or disconnected if necessary. This is possible, for example, via the blowing off of the filter module tip. Often lances are also used, which are introduced through the interior of the sand filter modules and push out the filter module tip with great force.
  • Filter module tips are preferably designed with a shock-elastic material.
  • the prior art often uses metallic materials. But are also particularly suitable polymer materials, preferably highly elastic polymer materials, which allow an effective reduction of shock loads. Due to their high elasticity and the associated low hardness, all these materials are exposed to a strong abrasive erosion by sand or rock particles.
  • filter module tips with increased abrasion protection are preferably used in combination with ceramic sand filter modules. This can, for example, via the insertion of a wear protection plate 57 ( FIG. 10 ) can be realized in the filter module tip.
  • the wear protection plate is made of a brittle-hard material, preferably made of the same material as the rings. After abrasion of the soft tip in the conveying operation, the wear protection plate prevents further abrasive abrasion by sand or rock particles.
  • the filter module tip can also be manufactured with a wear protection core made of brittle-hard material.
  • the tip must be provided with a preferably polymeric protective layer for cushioning impacts during drilling downhole.
  • FIG. 10 A preferred embodiment of the filter module tip 2 with increased abrasion protection is in FIG. 10 described. It is designed as a solid material and consists essentially of two areas. In the rear, the sand filter module facing area, it has the shape a cylinder; in the front it runs to a point. In the transition of the two areas, a circumferential groove 58 for receiving a snap ring 56 is formed.
  • the filter module tip is pressed into the coupling element via this snap ring.
  • the attachment to the coupling element can also be realized via a snap connection or via shrinking.
  • the wear protection plate 57 is preferably not completely cylindrical in the embodiment suitable for ceramics, but tapering towards the filter module tip. So it can be fixed via a cone / cone connection 52 in the coupling element. To increase the stability of the attachment, a sealing ring 55 can run between the wear protection plate and the groove 53 of the coupling element. In addition, there is a spacer ring 59 between the wear plate and the clamping elements, which prevents the wear plate can bounce against the clamping device in shock loads. This construction allows not only a simple assembly and the ejection of the tip by pressure surge or lance. About the size of the cone angle, the extrusion force can be varied.
  • the wear protection plate can also be fixed with a shape-cut through explosive or O-ring.
  • filter module tip and coupling elements can also be combined.
  • multi-ply filter fabrics are common and necessary for protecting the fine filter.
  • the multi-layer fabric arrangement increases the flow resistance.
  • Multi-ply fabrics also tend to become clogged by the deposition of sands in the cavities, and thus to further increased flow resistance.
  • the ceramic sand filter modules according to the invention can be designed in one layer and be charged directly with the flow.
  • a construction can be selected as a multi-layer filter.
  • a second filter element can be introduced between the tensioning tube and the ring stack.
  • This secondary filter can be designed according to the prior art as a wire mesh, wire winding, slot filter, filter sand packing or for Feinstfilterung as a filter fabric.
  • a variant with an inner second ring stack made of brittle-hard materials can also be integrated into the construction.
  • the clamping tube itself can assume a secondary filter function with a corresponding design, for example, slotted tube or wire mesh.
  • the experiments were carried out by means of a sandblasting machine.
  • the blasting media used were four different proppants typically used in offshore drilling: (1) 100 mesh frac sand, (2) 16/20 mesh frac sand, (3) 20/40 mesh frac sand, (4) 20/40 Mesh Frac Sand High Strength.
  • the jet pressure was 2 bar and the jet duration 2 hours, the jet was quasi point-like applied at an angle of 90 ° to the surface. Depth and the width of the jet impression characterize the erosive wear (see Table 1).

Landscapes

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine neuartige Trennvorrichtung mit verbessertem Erosions- und Abrasionswiderstand, welche sich als integraler Bestandteil einer Förderungsausrüstung zum Einsatz bei der Förderung von Öl-, Wasser- und Gasgemischen oder deren Einzelkomponenten aus Tiefbohrungen eignet, mit deren Hilfe Feststoffe, wie Sand- und Gesteinspartikel von den zu fördernden Flüssigkeiten und Gasen abgetrennt werden können. Die Trennvorrichtung dient insbesondere dazu, den erosiven und abrasiven Abtrag der Förderausrüstung durch Sand- und Gesteinspartikel zu verhindern. Gleichzeitig ist die Trennvorrichtung korrosionsbeständig gegenüber Behandlungsflüssigkeiten.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Förderung von Flüssigkeiten und Gasen, wie Erdöl und Erdgas aus Tiefbohrungen besteht oftmals das Problem, dass Sandzuflüsse aus den Öl- und Gaslagerstätten die Förderung erschweren. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kohlenwasserstoffproduktion aus nicht konsolidierten Formationen von Öl- und Gaslagerstätten erfolgt oder wenn mit zunehmender Lebensdauer der Lagerstätten die Fliessraten und damit die Verwässerung der Kohlenwasserstoffproduktion zunehmen und der Sandzufluss ausgelöst wird, so dass Lagerstättenpartikel in zunehmendem Masse mitgefördert werden.
  • Zur Bekämpfung von Sandzuflüssen aus den Lagerstätten werden spezielle Filterausrüstungen eingesetzt, wie beispielsweise Schlitzfilter oder Filter mit metallischen Drahtwicklungen, die in der Regel aus Stahlwerkstoffen bestehen und den Nachteil haben, dass sie aufgrund der hohen Fliesskräfte nicht lange ihre Aufgabe zur Abscheidung der Sande erfüllen können, da sie schnell erodieren. Die Abhilfe ist der regelmäßige Austausch der Sandfilterreinrichtung, die bei einer Überholung der Bohrung, bei einem sogenannten "Workover", durchgeführt wird.
    • Stand der Technik
  • Üblicherweise werden für diese Aufgabe metallische Drahtgewebe, metallische Drahtgitter oder metallische Drahtwicklungen verwendet. Eine Lösung mit Drahtgewebe ist in der US 5,624,560 beschrieben. Diese Lösungen mit Drahtgeweben oder Drahtgittern werden noch von einer metallischen Stützstruktur, wie einem perforierten Rohr, getragen, um mechanisch stabil zu bleiben.
  • In der US 5,890,533 ist eine Lösung mit einer Drahtwicklung beschrieben, wobei mehrere Filtereinheiten mit metallischen Drahtwicklungen über Verbindungselemente mit Schraubgewinden miteinander verbunden sein können.
  • In der US 5,515,915 ist eine Lösung mit Drahtwicklung auf einem perforierten Rohr beschrieben, bei der zur Abstützung der Drahtwicklung zwischen dem inneren perforierten Rohr und der Drahtwicklung noch Abstands- und Stützstäbe angebracht sind. Zwischen dem perforierten Rohr und der Drahtwicklung ist außerdem noch zusätzlich eine Filterkiespackung (gravel pack) eingebracht. Diese Filterkiespackung dient als sekundärer Filter.
  • Ein wesentlicher Nachteil dieser Konstruktionen mit metallischen Drahtgeweben, Drahtgittern oder Drahtwicklungen ist ihre geringe Beständigkeit gegenüber Verschleiß. Aufgrund der abrasiven bzw. erosiven Wirkung der mit hoher Fließgeschwindigkeit einfließenden Sandund Gesteinspartikel werden die Filter zerstört und die Förderrohre beschädigt. Gleichzeitig nimmt die Produktivität der Förderung ab, da nunmehr der Sand nicht mehr effektiv ausgefiltert sondern mit dem Fördermedium weitertransportiert wird. Ein weiteres Problem ist der durch den Einsatz von Behandlungsflüssigkeiten auftretende korrosive Verschleiß an den Filtern und Förderrohren. Dieser korrosive Verschleiß verstärkt wiederum den abrasiven Verschleiß. Behandlungsflüssigkeiten, wie beispielsweise Säuren, Laugen, Wasser oder Heißdampf, werden zur Reinigung der Trennvorrichtung eingesetzt und zur Stimulation des Bohrlochs.
  • Es ist erforderlich, die Beständigkeit der Bohrlochausrüstung gegen abrasiven bzw. erosiven Verschleiß zu verbessern sowie sicherzustellen, dass sie korrosiv nicht angegriffen wird.
  • In der US2004/0050217 A1 und WO2008/080402 A1 sind Lösungen beschrieben, bei denen anstelle der metallischen Spaltsiebe Trennvorrichtungen aus porösen permeablen Werkstoffen eingesetzt werden. Die porösen Filterwerkstoffe der US2004/0050217 A1 können metallisch, keramisch oder organisch sein, in der WO2008/080402 A1 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 Biegebruchbelastbarkeit liegt in der Regel bei deutlich weniger als 30% derjenigen des entsprechenden 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.
  • Eine weitere Lösung mit einer Trennvorrichtung aus porösen Werkstoffen ist in der WO2004/099560 A1 beschrieben, die ebenfalls die oben beschriebenen Nachteile aufweist. In einer weiteren Ausführungsform (Seite 7, Zeile 24 - Seite 8, Zeile 2 und Anspruch 20) sieht die WO2004/099560 A1 vor, einen konventionellen Sandfilter außen zusätzlich durch eine Manschette aus erosionsbeständigen, dichten Ringen zu schützen, die an ihren oberen und unteren Oberflächen zusätzlich Rippen oder Grübchen haben. An den aufeinandergestapelten Ringen bildet sich ein gewundener Flüssigkeitskanal aus, an dessen Wänden sich die Energie des durchströmenden Mediums durch Aufprall verringert, so dass der Verschleiß des darunter liegenden, konventionellen Sandfilters reduziert wird. Vorzugsweise sind die Ringe aus Carbiden oder Nitriden wie Siliziumcarbid oder Wolframcarbid gebildet. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der verbesserte Verschleißschutz mit einer Energiedissipation des strömenden Mediums einhergeht; die äußere Manschette wirkt nicht als Filter sondern als Strömungswiderstand, der die Förderleistung verschlechtert. Es wird nicht offenbart, wie die Manschette auf dem Förderrohr befestigt wird.
  • In der US 5,249,626 wird ein zylindrischer Siebfilter vorgestellt, der eine Vielzahl von gestapelten, ringförmigen Filtersegmenten beinhaltet. Der Ringstapel wird durch mehrere Gewindestäbe mit Gewindemuttern oder auch Doppelmuttern aus Edelstahl jeweils am oberen und unteren Ende zusammengehalten. Die Trennung der Partikel erfolgt am variablen Ringspalt, der zwischen gegenüberliegenden Filtersegmenten ausgebildet ist. Die Ringe sind aus Kunststoff, bevorzugt aus glasverstärktem Polypropylen (Spalte 4, Z. 50-54). Die Gewindestäbe werden durch dafür vorgesehene Öffnungen in den Ringen geführt (Spalte 4, Z. 31-33). Diese Lösung lässt sich aus Keramiken nicht realisieren. Die Querschnittsübergänge sind kantig; die Filtersegmente haben ein typisches Kunststoff-Design. Die mittigen Durchführungen für die Gewindestäbe würden keramische Elemente schwächen und die Belastbarkeit verringern. Die Abstandshalter sind flächig ausgebildet, Biegespannungen können so nicht ausgeglichen werden. Weitere Nachteile des in der US 5,249,626 beschriebenen Siebfilters aus glasverstärktem Polypropylen sind dessen unzureichende Erosions- / Abrasionsbeständigkeit sowie ungenügende Korrosionsbeständigkeit.
  • In der WO99/06669 ist eine weitere Lösung mit spiralförmig gewundener metallischer Drahtwicklung beschrieben. Außerdem werden für eine zweite Ausführungsform (Seite 3, Zeilen 8-14 und Seite 10, Zeilen 8-19) Ringe aus dem V-förmigen Draht durch Schweißen geformt. Diese Ringe werden dann über Abstandshalter mit oberen und unteren Flächen miteinander verbunden, wobei die Abstandshalter mit ihrer oberen Fläche an den oberen Drahtring und mit ihrer unteren Fläche an den unteren Drahtring über Schweißen fest verbunden werden, so dass eine mechanisch feste und starre Struktur erhalten wird. Für diese Konstruktion wird die Möglichkeit erwähnt, hierfür auch Keramik einzusetzen. Die starre Ausführung mit den fest verbundenen flächigen Abstandshaltern würde jedoch bei Keramik dazu führen, dass auftretende Zug- und Biegespannungen nicht aufgenommen werden können, was zu einer erheblichen Bruchgefahr und zu möglicher vollständiger Zerstörung des Sandfilters führen würde. Zudem wäre die Fertigung einer solchen Konstruktion aus Keramik sehr aufwändig.
    • 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- bzw. Abrasionsbeständigkeit und eine geringere Bruchneigung als die im Stand der Technik bekannten Trennvorrichtungen aufweist, und die zudem korrosionsbeständig gegenüber Behandlungsflüssigkeiten ist, und die den bei der Förderung auftretenden Belastungen standhalten kann, eine längere Lebensdauer aufweist und mit deren Hilfe höhere Förderraten erzielt werden können. Die Trennvorrichtung soll sich darüber hinaus als integraler Bestandteil einer Förderausrüstung zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Tiefbohrungen eignen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie deren Verwendung gemäß Anspruch 27. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gegenstand der Erfindung ist somit eine Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln, welche sich als integraler Bestanteil einer Förderausrüstung zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Tiefbohrungen eignet, wobei die Trennvorrichtung mindestens ein keramisches Filtermodul umfasst, wobei das Filtermodul umfasst
    1. a) einen Ringstapel aus sprödharten ringförmigen Scheiben, deren Oberseite mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Erhebungen aufweist, wobei die Scheiben so gestapelt und verspannt sind, dass zwischen den einzelnen Scheiben jeweils ein Trennspalt zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln vorhanden ist,
    2. b) ein Ankopplungselement am oberen Ende und ein Ankopplungselement am unteren Ende des Ringstapels,
    3. c) eine Spannvorrichtung zur axialen Verspannung des Ringstapels,
    4. d) einen Außenkäfig zum mechanischen Schutz des Filtermoduls,
    5. e) ein Kupplungselement am oberen Ende und ein Kupplungselement am unteren Ende des Filtermodul zur Verbindung des Filtermoduls mit weiteren Komponenten der Förderausrüstung.
  • Gegenstand der Erfindung ist ebenso die Verwendung der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln bei einem Verfahren zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Gesteins- oder Tiefbohrungen.
  • Die ringförmigen Scheiben der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung sind so gestapelt und verspannt, dass sie axial fixiert sind und sich zwischen den einzelnen Scheiben jeweils ein definierter Trennspalt zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln ausbildet. In radialer und tangentialer Richtung sind die Ringe jedoch in einem bestimmten Maß gegeneinander beweglich, wodurch ein Spannungsaufbau im Ringstapel durch äußere Belastungen wie Biegung wirkungsvoll reduziert wird.
  • Der Ringstapel ist über die Spannvorrichtung lediglich in sich selbst fixiert, das Sandfiltermodul benötigt keine zusätzliche mechanische Stütze. Es ist beispielsweise nicht auf einem inneren Förderrohr befestigt, das das Eigengewicht von Ringstapel und Spannvorrichtung und gegebenenfalls weiteren Kupplungselementen, Zwischenmodulen und / oder der Filtermodulspitze trägt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennvorrichtung weiterhin eine oder mehrere Schutzummantelungen zum Schutz der Zwischenmodule und der Kupplungselemente.
  • Die aus sprödharten Ringelementen aufgebaute erfindungsgemäße Trennvorrichtung ist abrasions- und korrosionsbeständiger als konventionelle Sandbekämfpfungseinrichtungen. Sie weist daher gegenüber den Sandfiltern des Stands der Technik eine höhere Lebensdauer auf. Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung muss daher im Gegensatz zu den Sandfiltern des Stands der Technik nicht in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden, so dass die Intervalle, bis eine bestehende Bohrung überholt werden muss (Workover), deutlich länger werden.
  • Aufgrund der gegenüber den Filtern des Stands der Technik effektiveren Filtration, d.h. der besseren Sandabtrennung, können höhere Förderraten erzielt werden.
  • Die vorliegende Erfindung erlaubt durch die keramikgerechte konstruktive Lösung die günstigen Werkstoffeigenschaften der keramischen Werkstoffe, insbesondere ihre Abrasionsbeständigkeit und ihren hohen Verformungswiderstand, für die abrasiv hochbelasteten Sandfilter zu nutzen. Die für diese Werkstoffklasse ungünstigen Belastungen, insbesondere Punkt-, Biege-, Zug- und Schlaglasten werden durch die erfindungsgemäße Lösung konstruktiv vermieden.
  • Aufgrund des hohen Widerstands der sprödharten Ringscheiben gegen Verformung müssen die Ringscheiben im Gegensatz zum Stand der Technik (wie beispielsweise in der US 5,515,915 ) nicht durch Abstands- und Stützstäbe auf einem Innenrohr abgestützt werden, um ihre Stabilität im Stapel und zueinander zu erhöhen. Sie können freistehend aufgebaut sein.
  • Sobald die Ringscheiben axial verspannt sind, bilden sie einen sehr stabilen Trennspalt aus, der eine geringe Toleranzbreite aufweist, die lediglich durch die Fertigungstoleranz der Ringe und nicht durch Materialverformbarkeit bedingt ist. Die Toleranzen der Trennspaltweiten halten dabei die Standard-API-Richtlinien (American Petroleum Institute) ein und können diese Standards sogar noch übertreffen.
  • Der hohe Widerstand gegen mechanische Verformung, beispielsweise hervorgerufen durch einfallende Sandschichten, verhindert dass sich die Trennspalte verändern. Im Gegensatz zu den Sandfiltern des Stands der Technik aus Drahtgeweben und Drahtwicklungen wird das Verstopfen der Trennspalte unterbunden.
  • Auch bei schlagartiger Sandeinströmung verformen die sprödharten Ringscheiben nicht, die eingestellte Trennspaltweite bleibt beibehalten.
  • Bei metallischen Filtergeweben gemäß Stand der Technik sind mehrlagige Filtergewebe üblich und notwendig zum Schutz des Feinfilters. Durch die mehrlagige Gewebeanordnung erhöht sich jedoch der Durchströmungswiderstand. Mehrlagige Gewebe neigen auch zur Verstopfung durch Ablagerung von Sanden in den Hohlräumen, und somit zu weiter erhöhtem Durchströmungswiderstand. Im Gegensatz hierzu können die erfindungsgemäßen keramischen Sandfiltermodule aufgrund der guten Abrasionsbeständigkeit und dem hohen Verformungswiderstand des sprödharten Ringstapels einlagig ausgeführt und direkt mit dem Förderstrom beaufschlagt werden. Auch eine zusätzlich eingebrachte Filterkiespackung (Gravel pack) zwischen Filter und Innenrohr als sekundärer Filter ist bei den erfindungsgemäßen keramischen Sandfiltermodulen nicht notwendig. Stattdessen können sich die abzutrennenden Sand- und Gesteinspartikel an der äußeren Umfangsfläche der stabilen, sprödharten Ringscheiben als sekundärer Filterkuchen aufbauen. Dessen Stabilität wird durch die erfindungsgemäße Trennvorrichtung begünstigt, was zu einer Erhöhung der Bohrlochintegrität führt.
  • Die Abtrennung der Partikel ist in direkter An- und Durchströmung gewährleistet, ohne dass die Strömung negativ durch Umlenkung oder Energiedissipation beeinflusst wird. Der Druckverlust der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist vernachlässigbar gering und die erfindungsgemäße Trennvorrichtung wird laminar durchströmt.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Trennvorrichtung keine mechanische Stütze benötigt wie die Kunststoff-Filtersegmente in der US 5,249,626 oder die metallischen Drahtgitter der US 5,624,560 . Der erfindungsgemäße Ringstapel ist über die Spannvorrichtung lediglich in sich selbst fixiert und wird nicht durch ein inneres Förderrohr unterstützt oder getragen. Da das innere Förderohr entfällt, wird somit auch der im Innern vorhandene freie Förderquerschnitt und damit die Förderrate erhöht.
  • Die federnde Lagerung des Ringstapels ermöglicht, dass Biegungen aufgenommen und unterschiedliche thermische Ausdehnungen der verschiedenen Materialien ausgeglichen werden können.
  • Die Ringe sind so gestapelt und verspannt, dass sie in radialer und tangentialer Richtung in einem bestimmten Maß gegeneinander beweglich sind, wodurch ein Spannungsaufbau im Ringstapel durch äußere Belastungen wie Biegung wirkungsvoll reduziert wird.
  • Über die Kupplungselemente können konventionelle Zwischenmodule genutzt werden. Die Sandfiltermodule können mit konventioneller Anschlusstechnik an bestehenden Förderaggregaten befestigt werden. Dies gilt sowohl für die Befestigung am Ende des Fördergestänges als auch für ein nachträgliches Einschieben der Filtermodule und Abhängen auf einem Landenippel.
  • Die einzelnen Sandfiltermodule können über die Kupplungselemente und Zwischenmodule zu beliebig langen Filtersystemen verbunden werden.
  • Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung ist unter jeder Bohrlochablenkung einsetzbar, sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Bohrloch und auch unter jeder anderen Bohrlochneigung, beispielsweise unter einer Bohrlochneigung von 60°. Dies ist ein Vorteil gegenüber den herkömmlich eingesetzten metallischen Drahtgittern.
  • Um den Einsatz der erfindungsgemäßen abrasionsbeständigen und damit langlebigen Sandfiltermodule durch diese abrasive Beschädigung bzw. Zerstörung einer handelsüblichen Filtermodulspitze nicht vorzeitig zu beenden, umfasst die erfindungsgemäße Trennvorrichtung vorzugsweise Filtermodulspitzen mit erhöhtem Abrasionsschutz.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen
    • Figur 1 schematisch die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung einschließlich einer Filtermodulspitze;
    • Figuren 2 a - 2 d verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen ringförmigen Scheibe gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • Figuren 3 a - 3 d verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen ringförmigen Scheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • Figuren 4 a - 4 c schematisch verschiedene Ansichten eines Ringstapels mit Ankopplungselementen gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • Figuren 5 a - 5 c schematisch verschiedene Ansichten eines Ringstapels mit Ankopplungselementen gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • Figur 6 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • Figur 7 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäße Trennvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
    • Figuren 8 a - 8 c Detail-Querschnittsansichten der Trennvorrichtung gemäß Figur 6;
    • Figuren 9 a - 9 c Detail-Querschnittsansichten der Trennvorrichtung gemäß Figur 7; und
    • Figur 10 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäß bevorzugten Filtermodulspitze.
    Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Bevorzugte Ausführungsformen und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, die sich modular aus mindestens einem keramischen Filtermodul 1 (nachfolgend auch als "Sandfiltermodul" bezeichnet) zusammensetzt.
  • Entsprechend der Bohrlochgegebenheiten kann die Trennvorrichtung durch den modularen Aufbau beliebig erweitert werden. Üblicherweise umfasst die Trennvorrichtung am unteren Ende des untersten Sandfiltermoduls und somit am Ende des Bohrstrangs eine Filtermodulspitze 2. Die keramischen Sandfiltermodule übernehmen dabei die Sandabtrennung bzw. Sandbekämpfung.
  • Die Sandfiltermodule können auch über Zwischenmodule 3 mit weiteren Sandfiltermodulen verbunden werden. Die Zwischenmodule können diverse Aufgaben wahrnehmen, beispielsweise die Gewährleistung einer ausreichenden Biegung beim Einbringen der Trennvorrichtung ins Bohrloch, die Zentrierung der Trennvorrichtung im Bohrlochfutterrohr oder die Befestigung / Verankerung der Trennvorrichtung am Förderrohr oder am Bohrlochfutterrohr. Es können auch Aktivelemente als Zwischenmodule eingesetzt werden, mittels derer ein Rückspülen oder Freistoßen zugesetzter Filterelemente realisiert wird.
  • Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung kann sowohl bei der Neuausrüstung von sandführenden Bohrungen als auch bei der Überholung der Bohrung (Workover) in das Fördersystem eingebaut werden, des weiteren kann sie auch bei einer bestehenden Bohrung durch das Innere des Förderrohres eingeführt und an den Landenippeln des Bohrlochfutterrohres verankert werden. Je nach Einsatz-Variante unterscheiden sich die Zwischenmodule sowie die geometrischen Daten der keramischen Sandfiltermodule, die Konstruktionsprinzipien können jedoch beibehalten werden.
  • Im Weiteren werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sandfiltermodule beschrieben, wobei die keramischen Sandfiltermodule immer folgende werkstoffgerecht konstruierte, aufeinander abgestimmte Grundelemente umfassen:
    • einen Ringstapel 6 (s. Figuren 4 und 5) aus sprödharten ringförmigen Scheiben 7 (s. Figuren 2 und 3), deren Oberseite 16 mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Erhebungen 8 aufweist. Die bevorzugte Ausführungsform mit drei als Kugelabschnitten ausgebildeten Erhebungen 8 verhindert das Einbringen von Punktlasten auf die sprödharten Filterringe. Die Scheiben sind so gestapelt und verspannt, dass sie axial fixiert sind und sich zwischen den einzelnen Scheiben jeweils ein definierter Trennspalt 9 zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln ausbildet. In radialer und tangentialer Richtung sind die Ringe jedoch in einem bestimmten Maß gegeneinander beweglich, wodurch ein Spannungsaufbau im Ringstapel durch äußere Belastungen wie Biegung wirkungsvoll reduziert wird.
    • zwei Ankopplungselemente 10, 11 (s. Figuren 4 und 5) am oberen und unteren Ende des Ringstapels 6;
    • eine Spannvorrichtung zur axialen Verspannung des Ringstapels;
    • einen Außenkäfig 5 (s. Figur 1);
    • zwei Kupplungselemente 12, 13 (s. Figuren 6 und 7) am oberen und unteren Ende des Sandfiltermoduls zur Verbindung der Sandfiltermodule mit weiteren Komponenten der Förderausrüstung, wie beispielsweise der Filtermodulspitze und den Zwischenmodulen.
    Ringstapel
  • Die im keramischen Sandfiltermodul eingesetzten ringförmigen Scheiben 7 sind in den Figuren 2a - 2d und 3a - 3d für zwei bevorzugte Ausführungsformen des Sandfiltermoduls dargestellt. Figurenblock 2 zeigt das Design der ringförmigen Scheiben für eine erste Ausführungsform, bei der innen liegende Spannstäbe 14 (s. Figur 6) zur Verspannung des Ringstapels verwendet werden. In einer zweiten Ausführungsform wird der Ringstapel auf einem inneren, perforierten Rohr 15 (s. Figur 7) aufgebaut und verspannt, die dazu verwendeten Ringe zeigt Figurenblock 3.
  • Die ringförmigen Scheiben sind aus einem sprödharten Werkstoff, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt, der abrasions- und erosionsbeständig ist gegen die Sandund Gesteinspartikel sowie korrosionsbeständig gegen die Fördermedien und die zur Reinigung verwendeten Medien wie beispielsweise Säuren.
  • Die Abtrennung der Sand- und Gesteinspartikel erfolgt an einem radialen, vorzugsweise sich verjüngenden Spalt 9 (s. Figuren 5 und 6), der sich zwischen zwei aufeinanderliegenden, verspannten Ringelementen bildet. Die Ringelemente sind keramikgerecht bzw. sprödharten Werkstoffen gerecht konstruiert, d. h. Querschnittsübergänge sind ohne Kerben ausgeführt und die Ausbildung von Biegespannungen wird konstruktiv vermieden oder ausgeglichen.
  • Die Höhe (Dicke) der ringförmigen Scheiben ist abhängig von der geforderten Durchflussrate.
  • Die ringförmigen Scheiben 7 haben auf ihrer Oberseite 16 mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Erhebungen 8 mit definierter Höhe, mit deren Hilfe die Höhe des Trennspaltes (Spaltweite) eingestellt wird. Die Erhebungen sind keine separat aufgebrachten oder nachträglich angeschweißten Abstandshalter. Sie werden direkt bei der Herstellung während der Formgebung der ringförmigen Scheiben ausgebildet.
  • Beim Aufeinanderstapeln werden die einzelnen Erhebungen im Stapel fluchtend übereinander positioniert.
  • Die Erhebungen sind vorzugsweise in Form von Kugelabschnitten ausgebildet, um einen Punktkontakt zwischen gegenüberliegenden ringförmigen Scheiben zu erzielen und flächige Kontakte zu vermeiden.
  • Die ringförmigen Scheiben haben an ihrer äußeren Umfangsfläche vorzugsweise eine Aussparung / Markierungsnut 17, anhand der die Ringscheiben beim Einbau leichter fluchtend übereinander positioniert werden und somit eine fehlersichere Montage erlaubt wird. Die Markierungsnut ist vorzugsweise abgerundet ausgeformt.
  • Die Oberseite 16 der ringförmigen Scheiben kann im rechten Winkel zur Scheibenachse oder nach innen abfallend oder nach außen abfallend mit ebener oder gekrümmter Fläche ausgeführt sein.
  • Die Unterseite 18 der ringförmigen Scheiben kann nach außen oder nach innen abfallend, vorzugsweise nach innen abfallend ausgeführt sein, weiter vorzugsweise ist sie konkav ausgebildet. Eine nach innen abfallende Ausführung ist vorteilhaft in Bezug auf eine verminderte Neigung zum Zusetzen der Trennvorrichtung. Die konkave Ausformung ist auf den Ringboden als ganzes zu verstehen, siehe Figuren 2d und 3d. Hier ist der Ringboden mit einem Radius R ausgeführt.
  • Die Ringscheiben im Ringstapel sind gegeneinander in radialer und tangentialer Richtung beweglich, wodurch ein Spannungsaufbau im Ringstapel durch äußere Belastungen wie Biegung wirkungsvoll reduziert wird.
  • Durch die konkave Ausformung des Ringbodens in Kombination mit der Drei-Punkt-Auflage können außerdem mögliche Form- und Maßabweichungen leicht ausgeglichen werden.
  • Die Querschnittsform der ringförmigen Scheiben ist bevorzugt nicht rechteckig und nicht trapezförmig aufgrund der konkav gewölbten Flächen. Sie hat außerdem keine scharfen Kanten und Querschnittsübergänge.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Außenkonturen 19 der ringförmigen Scheiben mit einer Fase ausgeführt, wie in Figuren 2d und 3d 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. Die Umfangsflächen (Mantelfächen) der ringförmigen Scheiben sind bevorzugt zylindrisch (eben). Es ist aber auch möglich, die Umfangsflächen nach außen beispielsweise konvex auszuformen, um eine bessere Anströmung zu erzielen.
  • Die radiale Wandstärke der ringförmigen Scheiben beträgt vorzugsweise mindestens 2 mm, weiter vorzugsweise mindestens 5mm. Die Höhe bzw. Dicke der Scheiben beträgt vorzugsweise 1 bis 20 mm, weiter vorzugsweise 1 bis 10 mm.
  • Der Außendurchmesser der ringförmigen Scheiben ist kleiner als der innere Durchmesser des Bohrlochs beziehungsweise als der Innendurchmesser des Bohrlochfutterrohres. Er beträgt üblicherweise 50 - 200 mm. Ebenfalls möglich sind kleinere Durchmesser als 50 mm und größere als 200 mm.
  • Der Innendurchmesser der ringförmigen Scheiben beträgt vorzugsweise weniger als 90%, weiter vorzugsweise weniger als 85% des Außendurchmessers der ringförmigen Scheiben. Alternativ kann die Kontur des Innendurchmessers der ringförmigen Scheiben auch durch ein Vieleck, beispielsweise ein Sechseck, angenähert sein.
  • Bei der Ausführungsform mit den Spannstäben muss lediglich das Verhältnis zum Außendurchmesser beachtet werden. Bei der Ausführungsform mit dem Spannrohr muss der Innendurchmesser der ringförmigen Scheiben zusätzlich größer als der Durchmesser des innen liegenden, perforierten Rohres sein. Die ringförmigen Scheiben dürfen auf dem inneren Rohr nicht aufliegen. So wird gewährleistet, dass die beim Einbringen ins Bohrloch auftretende Durchbiegung über die Konstruktion des Ringstapels aufgenommen werden kann und ein Bruch der keramischen Elemente vermieden wird.
  • Bei der Ausführungsform mit den Spannstäben 14 (s. Figur 6) haben die ringförmigen Scheiben zusätzlich an ihrer inneren Umfangsfläche vorzugsweise wenigstens drei Aussparungen / Nuten 20 (s. Figur 2 a), die der Aufnahme der Spannstäbe dienen. Ist die Kontur des Innendurchmessers der ringförmigen Scheiben als Vieleck ausgebildet, können die Aussparungen entfallen, da die Spannstäbe in den Ecken geführt werden können. Diese Aussparungen 20 sind versetzt zu den auf der Oberseite verteilten Erhebungen 8 angebracht In einer bevorzugten Ausführungsform sind an der Umfangsfläche sechs Nuten 20 eingebracht. Die drei Erhebungen 8 auf der Oberseite 16 sind dabei so angeordnet, dass sie sich jeweils in jedem zweiten Zwischenraum zwischen zwei Nuten 20 befinden. Die Aussparungen 20 sind vorzugsweise abgerundet ausgeformt (s. Figur 2 a).
  • Bei der Ausführungsform mit dem Spannrohr 15 (s. Figur 7) sind keine Aussparungen / Nuten an der inneren Umfangsfläche der ringförmigen Scheiben eingearbeitet.
  • In der Ausführungsform mit den Spannstäben ermöglichen die Scheiben mittels der Nuten am Innendurchmesser der ringförmigen Scheiben eine sehr einfache Montage. Da die Wandstärke im Bereich der Nuten aber reduziert ist, kann es bei dieser Variante, speziell bei kleinen zur Verfügung stehenden Bohrlochfutterrohr- und Förderrohrdurchmessern, zu einer Reduzierung der Ringstabilität und damit zu Einschränkungen im Einsatz kommen. In der Spannrohr-Variante besitzen die Scheiben dagegen eine nahezu gleichmäßige Wandstärke über den gesamten Kreisumfang und können so auch unter extremen geometrischen Anforderungen eingesetzt werden.
  • Bei der Ausführungsform mit dem Spannrohr gibt es auf der Unterseite 18 der Ringe zusätzlich mindestens drei Vertiefungen 21, (s. Figur 3 c) in denen die Erhebungen 8 der gegenüberliegenden Oberseite des nächsten Ringsegmentes positioniert werden können. Die Anzahl und der Abstand der Vertiefungen richten sich nach Anzahl und Abstand der Erhebungen auf der Ringoberseite. Die eingebrachten Vertiefungen dienen als Verdrehsicherung der Ringe und unterstützen die Selbstzentrierung der Ringe im Stapel.
  • Bei der Ausführungsform mit den Spannstäben sind diese Vertiefungen nicht notwendig, da hier die Verdrehsicherung in ausreichendem Maß über die Spannstäbe erfolgt. Es können dennoch Vertiefungen auf der Ringunterseite eingebracht sein. Da diese aber mit Mehraufwand bei der Herstellung verbunden sind, entfallen sie bevorzugterweise.
  • Bei den Vertiefungen handelt es sich vorzugsweise um parallel zum Radius R verschobene Flächen (s. Figur 3 a). So wird auch hier ein Punktkontakt zu den Erhebungen gewährleistet, und über die Drei-Punkt-Auflage werden mögliche Form- und Maßabweichungen ausgeglichen. Die Vertiefungen können auch in Form von Kugel- oder Zylinderabschnitten ausgebildet sein. Auch eine abgerundete Trapezform oder eine wellenförmige Struktur ist möglich.
  • Die Spaltweite 9 (s. Figur 4 und 5) wird abhängig von der zu trennenden Sandfraktion gewählt. Am Außendurchmesser ist die Spaltweite am kleinsten, um ein Zusetzen des Ringspaltes zu vermeiden. Die Spaltweite wird eingestellt über die Höhe der Erhebungen auf der Ringoberseite, die Tiefe der Vertiefungen auf der Ringunterseite (wenn vorhanden) und die Form der Ringunterseite, d.h. über den Radius der konkav gewölbten Fläche. Die gewählte Spaltgeometrie gewährleistet, dass die Strömungsvorgänge im Spalt laminar sind und dass der Druckverlust zwischen Außen- und Innendurchmesser gering ist.
  • Die Trennvorrichtung ist rückspülbar durch flüssige Behandlungsmedien, eventuell eingebrachte Partikel im Trennspalt können so freigespült werden.
  • Der sprödharte Werkstoff der ringförmigen Scheiben ist vorzugsweise gewählt aus oxidischen und nichtoxidischen 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 Werkstoffen mit in-situ gebildeten Hartstoffphasen und lang- und / oder kurzfaserverstärkten Keramikwerkstoffen.
  • Beispiele für oxidische keramische Werkstoffe sind Al2O3, ZrO2, Mullit, Spinell und Mischoxide. Beispiele für nichtoxidische 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 gebildet Hartstoffphasen sind Chrom-Carbide. Ein Beispiel für faserverstärkte Keramikwerkstoffe 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. Für die keramischen Sandfiltermodule geeignete Werkstoffe besitzen HV-Härtewerte größer 15 GPa, bevorzugt größer 23 GPa.
  • 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.
  • Zusätzlich besitzen alle diese Werkstoffe eine sehr hohe Verformungsbeständigkeit, die sich in ihrem Elastizitätsmodul widerspiegelt. Die hohe Steifigkeit wirkt sich positiv auf das Abrasionsverhalten der Werkstoffe aus. Ein Abschälen von Material und ein plastisches Verformen wie bei Metallen ist hier nicht möglich.
  • Der Aufbau des Sandfiltermoduls wird ebenfalls positiv durch den hohen Widerstand gegen Verformung beeinflusst. Die Ringscheiben aus diesen Werkstoffen müssen nicht durch Stege auf einem Innenrohr abgestützt werden, um ihre Stabilität im Stapel und zueinander zu erhöhen. Sie können freistehend aufgebaut sein. Sobald sie axial verspannt sind, bilden sie einen sehr stabilen Trennspalt aus, der eine geringe Toleranzbreite aufweist, die lediglich durch die Fertigungstoleranz der Ringe und nicht durch Materialverformbarkeit bedingt ist. Auch bei schlagartigen Belastungen verformen sie nicht, die eingestellte Trennspaltweite bleibt beibehalten.
  • Zusätzlich kann sich an den starren Ringelementen ein sehr stabiler, homogener Filterkuchen des einströmenden Sandes bilden.
  • Für die keramischen Sandfiltermodule geeignete Werkstoffe besitzen Elastizitätsmoduli größer 200 GPa, bevorzugt größer 350 GPa.
  • 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 Siliciumcarbid (SSiC) oder Borcarbid eingesetzt. Diese Werkstoffe sind nicht nur abrasionsbeständig, sondern auch korrosionsbeständig gegenüber den üblicherweise für das Freispülen der Trennvorrichtung und die Stimulation des Bohrlochs verwendeten Behandlungsflüssigkeiten wie Säuren, z.B. HCl, Laugen, z.B. NaOH, oder auch Wasserdampf.
  • Besonders geeignet sind beispielsweise SSiC-Werkstoffe mit feinkörnigem Gefüge (mittlere Korngröße < 5 µm), wie sie beispielsweise unter dem Namen EKasic® F und EKasic® F plus von ESK Ceramics GmbH & Co. KG vertreiben 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).
  • Die Herstellung der ringförmigen Scheiben ist mittels pulvermetallurgischer oder keramischer Verfahren in einer automatisierten Mengenfertigung möglich. Die ringförmigen Scheiben können im so genannten Net-Shape-Prozess, bei dem die Ringscheiben (inklusive Erhebungen) 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.
  • Die Ringscheiben aus sprödharten Werkstoffen werden zusammen mit den Ankopplungselementen als Ringstapel von beliebiger Höhe montiert. Die Ringstapelhöhe und somit die Sandfiltermodullänge orientiert sich an den bohrungsbedingten Durchmesseranforderungen, den sich ergebenden Lasten, der geforderten Biegung und der Tragfähigkeit der metallischen Spannkonstruktion. Eine bevorzugte Höhe des Ringstapels bzw. der Filterlänge beträgt 1000 mm.
    • Ankopplungselemente
  • Die Figuren 4 a - 4 c und 5a - 5 c zeigen erfindungsgemäße Ringstapel 6 mit den Ankopplungselementen 10 und 11. Die Figuren 4 a - 4 c zeigen die Ausführungsform mit den Spannstäben 14 (s. Figur 6). Die Figuren 5 a - 5 c zeigen die Ausführungsform mit dem inneren Spannrohr 15 (s. Figur 7). Die Figuren 4a und 5a sind Draufsichten auf das obere Ankopplungselement 10. Die Figuren 4b, 4c, 5b und 5c sind jeweils Querschnittsansichten entlang jeweils der Linie B-B in den Figuren 4a und 5a bzw. entlang jeweils der Linie A-A in den Figuren 4 a und 5 a.
  • Die Ankopplungselemente bilden jeweils die stirnseitigen, seitlichen Abschlüsse des Ringstapels, über die der Ringstapel an der Spannvorrichtung ankoppelt. Sie sind so gestaltet, dass die Spannkräfte gleichmäßig auf den Ringstapel übertragen werden.
  • Die Ankopplungselemente sind vorzugsweise aus demselben Werkstoff wie die Ringe hergestellt. Alternativ können aber auch korrosionsbeständige Stähle und Kunststoffe wie beispielsweise Fluorelastomere oder PEEK (Polyetherketon) eingesetzt werden.
  • Die obere Fläche des oberen Ankopplungselementes 10, die zur Spannvorrichtung gerichtet ist, hat vorzugsweise eine ebene / flache Oberfläche. Die zum Ringstapel gerichtete Fläche, also die Unterseite des Ankopplungselementes 10, ist vorzugsweise mit Radius ausgeführt, d.h. wie die Ringelemente konkav. Die äußere Umfangsfläche hat vorzugsweise eine umlaufende Nut 22 (Figuren 4 und 5) zur Aufnahme eines Dichtrings (O-Ring) 23 (in Figuren 8 a und 9 a) sowie vorzugsweise eine Aussparung / Markierungsnut 24 (Figuren 4 und 5) zur Positionierung der Ankopplungselemente im Bezug zu den Ringelementen. Die Markierungsnut 24 ist vorzugsweise abgerundet ausgeformt.
  • Die untere Fläche des unteren Ankopplungselementes 11, die zur Spannvorrichtung gerichtet ist, hat vorzugsweise eine ebene / flache Oberfläche. Die zum Ringstapel gerichtete Fläche, also die Oberseite des Ankopplungselementes 11, hat mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Erhebungen. Die äußere Umfangsfläche hat vorzugsweise eine umlaufende Nut 22 zur Aufnahme eines Dichtrings (O-Ring) 23 (in Figuren 8 a und 9 a) sowie vorzugsweise eine Aussparung / Markierungsnut 24 zur Positionierung der Ankopplungselemente im Bezug zu den Ringelementen. Die Markierungsnut 24 ist vorzugsweise abgerundet ausgeformt.
  • Der Innendurchmesser der Ankopplungselemente entspricht dem der Ringelemente. Der Außendurchmesser der Ankopplungselemente ist vorzugsweise gleich oder größer als derjenige der Ringscheiben (s. Figuren 4 bzw. 5). Bedingt durch die geometrischen Gegebenheiten kann es konstruktiv allerdings erforderlich werden, dass der Außendurchmesser geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Ringscheiben ausfällt. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die kleinste Wandstärke 2mm nicht unterschreitet und die Bauteil- und Handhabungsstabilität nicht gefährdet ist.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 mit den Spannstäben 14 sind zusätzlich an der inneren Umfangsfläche der Ankopplungselemente 10 und 11 vorzugsweise wenigstens drei Aussparungen / Nuten 25 vorgesehen, die der Aufnahme der Spannstäbe dienen. Diese Aussparungen sind versetzt zu den auf der Oberseite der Ringscheiben verteilten Erhebungen angebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind an der inneren Umfangsfläche sechs Nuten 25 eingebracht. Die drei Erhebungen auf der Oberseite sind dabei so angeordnet, dass sie sich jeweils in jedem zweiten Zwischenraum zwischen zwei Nuten befinden. Die Aussparungen 25 sind vorzugsweise abgerundet ausgeformt (s. Figur 4 a).
  • Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 mit dem Spannrohr 15 sind keine Aussparungen / Nuten an der inneren Umfangsfläche eingearbeitet.
  • Die Toleranzen der beiden Ankopplungselemente 10, 11 sind enger gewählt als die der Ringscheiben, um die sprödharten Komponenten optimal an die metallischen Komponenten der Spannvorrichtung anzukoppeln; im Gegensatz zu den unbearbeiteten (as-sintered) Ringscheiben müssen die Ankopplungselemente mechanisch bearbeitet werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die obere Fläche des oberen Ankopplungselementes 10 und / oder die untere Fläche des unteren Ankopplungselementes 11 nicht eben / flach sondern als Federsitz ausgebildet. Auf diese Weise werden die Druckfedern direkt aufgenommen und zusätzlich gegen das Fördermedium geschützt.
    • Spannvorrichtung zur axialen Verspannung des Ringstapels
  • Die Ringscheiben werden zusammen mit den Ankopplungselementen als Ringstapel von beliebiger Höhe montiert und mittels der Spannvorrichtung in sich fixiert.
  • Aufgabe der Spannvorrichtung ist es, die axial aufeinander gestapelten Ringelemente in sich zu verspannen und den zwischen den einzelnen Scheiben gebildeten Trennspalt definiert einzustellen. Die Weite des Trennspaltes hat vorzugsweise einen Wert im Bereich von 0,05 - 1 mm, weiter vorzugsweise 0,05 - 0,5 mm.
  • Der Ringstapel ist im erfindungsgemäßen Sandfiltermodul über die Spannvorrichtung lediglich in sich selbst fixiert, das Sandfiltermodul benötigt keine zusätzliche mechanische Stütze. Es ist beispielsweise nicht auf einem inneren Förderrohr befestigt, das das Eigengewicht von Ringstapel und Spannvorrichtung und gegebenenfalls weiteren Kupplungselementen, Zwischenmodulen und / oder der Filtermodulspitze, trägt. Aus diesem Grund muss die Spannvorrichtung die aus dem Eigengewicht resultierenden Zuglasten aufnehmen können.
  • Die Spannvorrichtung besteht vorzugsweise aus einem oberen und unteren Spannsatz sowie einem oder mehreren Spannelementen, die die Spannsätze verbinden und entlang des inneren Umfangs des Ringstapels verlaufen. In den bevorzugten Ausführungsformen kann das Spannelement beispielsweise als Spannrohr 15 (Figur 7) realisiert sein oder durch mindestens drei gleichmäßig verteilte Spannstäbe 14 (Figur 6). Der Spannsatz besteht aus Spannbuchse 26, Druckfedern 27 (beides in Figur 6 und 7) und Spannmuttern 28 (in der Ausführungsform mit den Spannstäben, Figur 6) bzw. Spannring 29 (in der Ausführungsform mit dem Spannrohr, Figur 7).
  • Die Spannvorrichtung ermöglicht eine kontrollierte und gleichmäßige Krafteinleitung auf die Ankopplungselemente und damit auf den Ringstapel. Dies wird zu einem Großteil durch die mindestens drei gleichmäßig verteilten Druckfedern 27 erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen sechs gleichmäßig verteilte Druckfedern 27 vor.
  • Durch die Druckfedern 27 können zusätzlich unterschiedliche thermische Ausdehnungen der verschiedenen Materialien sowie durch Fertigungstoleranzen schwankende Ringscheibenhöhen ausgeglichen werden. Dadurch wird eine über die Lebenddauer gleichmäßige Lastverteilung erreicht. Eine gleichmäßige Lastverteilung ist wichtig, da ansonsten ein erhöhtes Bruchrisiko für die keramischen Ringelemente besteht.
  • Die Druckfedern sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl, beschichtetem Stahl oder korrosionsbeständigem Elastomer wie beispielsweise Gummi oder Viton gewählt.
  • Die Spannelemente sind vorzugsweise aus Stahl, weiter vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl, gefertigt. Da die Spannelemente im Innerraum des Ringstapels aus sprödhartem Werkstoff verlaufen, werden sie durch ihn vor Abrasion geschützt und damit die Verspannung innerhalb des Sandfiltermoduls über dessen gesamte Lebensdauer gewährleistet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spannelement als Spannrohr 15 (Figuren 7 und 9) realisiert, wobei dieses über Durchflussöffnungen zur Förderung von Öl-, Wasser- und Gasgemischen oder deren Einzelkomponenten aus Tiefbohrungen verfügen muss. Dabei kann es sich um ein perforiertes oder geschlitztes Rohr oder ein zylindrisches Lochblech handeln. Die Form, Anordnung und Anzahl der Durchflussöffnungen wird zum einen durch die geforderte Durchflussmenge und zum anderen durch die gewünschte Zug- und Torsionsfestigkeit des Spannrohres bestimmt. In der bevorzugten Ausführungsform in Figur 9a sind die Durchflussöffnungen als abgerundete Schlitze 41 ausgeformt. Sie sind nur im Bereich der Ringscheiben ins Spannrohr eingebracht, ab den Ankopplungssegmenten besteht die Umfangsfläche aus Vollmaterial. An der oberen und unteren Umfangsfläche des Spannrohres 15 befindet sich vorzugsweise jeweils ein Außengewinde 30 zur Befestigung am Spannring.
  • Alternativ zu einem Spannrohr mit Durchflussöffnungen kann auch ein grobmaschiges Sieb oder ein steifes Drahtgeflecht als Rohr aufgebaut und verwendet werden.
  • Der Außendurchmesser des Spannrohres 15 ist kleiner als der Innendurchmesser der ringförmigen Scheiben, so dass ein Spalt zwischen Spannrohr und Ringstapel vorhanden ist. Die ringförmigen Scheiben dürfen auf dem Spannrohr nicht aufliegen, damit äußere Belastungen wie Biegung nicht durch Lasteinleitung vom metallischen Spannrohr auf die Ringe übertragend werden. Um dies sicherzustellen werden Abstandshalter 31 (Figuren 9b und 9c) aus einem elastischen, komprimierbaren Polymerwerkstoff zwischen Spannrohr und Ringstapel eingebracht. Dabei kann es sich um ein gewickeltes Polymerband, Polymerringe oder Polymerleisten handeln. Vorzugsweise werden mindestens 3 jeweils um 120° gegeneinander versetzte, die gesamte Länge des Ringstapels und der Ankopplungselemente abdeckende Polymerleisten eingesetzt, wodurch die Ringscheiben zusätzlich auf dem Spannrohr zentriert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Spannelemente in Form von Spannstäben 14 (Figuren 6 und 8), die gleichmäßig über den inneren Umfang des Ringstapels verteilt sind, vorhanden. Die Spannstäbe können in den Aussparungen / Nuten 20 der Ringscheiben aufgenommen werden und entsprechen in ihrer Anzahl immer der Anzahl der Aussparungen / Nuten 20. Vorzugsweise gibt es wenigstens drei Spannstäbe, weiter vorzugsweise sechs Spannstäbe. Die Anzahl der Spannstäbe wird abhängig von der geforderten Spannung auf den Ringstapel und das Aufnahmevermögen für aus dem Eigengewicht resultierenden Zuglasten der Module gewählt.
  • Die Spannstäbe 14 können mit runder oder ellipsoider Querschnittsfläche ausgeführt sein. Zur Erhöhung des Materialquerschnittes und damit der Zug- sowie Torsionsfestigkeit sind die Spannstäbe vorzugsweise als Profilstäbe 32 (Figuren 8b und 8c) ausgeführt. Die Querschnittsfläche der Profilstäbe kann beispielsweise dem eines Kreissegments entsprechen oder wie in der bevorzugten Ausführungsform in den Figuren 8b oder c einer Kombination aus Ring- und Kreissegmenten.
  • Die Spannstäbe können mit einer Pulverbeschichtung versehen werden, um ein direktes Aufliegen des Stahlwerkstoffs der Stäbe auf den keramischen Ringelementen zu vermeiden.
  • An den beiden Enden der Spannstäbe muss die Verbindung mit den Spannmuttern möglich sein. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform (Figur 8 a) erstreckt sich der Profilquerschnitt daher nicht über die gesamte Länge der Spannstäbe, sondern geht im Bereich der Spannbuchsen in eine runde Querschnittsfläche 33 (Figur 8 a) über. Genaugenommen wird das Kreissegment des Profils in runder Querschnittsfläche verlängert. Am oberen und unteren Ende der Spannstäbe befindet sich jeweils ein Gewinde 34 (Figur 8 a) zur Befestigung der Spannmuttern.
  • Die Spannbuchse dient zum einen als Druckfedersitz und hat Innenführungen 35 (Figuren 8 a, 8 c, 9 a) zur Aufnahme der Druckfedern, zum anderen ermöglicht sie die Verspannung über das Spannelement / die Spannelemente. Die Spannvorrichtung wird nach außen, d.h. zwischen Spannrohr und Ankopplungselement mittels O-Ringen abgedichtet (23 in Figur 9 a). Die Spannbuchse ist vorzugsweise aus Stahl, weiter vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl, gefertigt.
  • Die Spannbuchsen werden für die beiden bevorzugten Ausführungsformen der Spannelemente unterschiedlich ausgeführt. Bei der Ausführungsform, in der das Spannelement als Spannrohr realisiert ist, ist die Spannbuchse zylindrisch aufgebaut (Figur 9 a). An der äußeren Umfangsfläche vorbei wird der Außenkäfig geführt, an der inneren Umfangsfläche vorbei läuft das Spannrohr. An der zum Spannring gerichteten Fläche befindet sich vorzugsweise eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines Dichtrings (O-Ring, 36, Figur 9 a).
  • Bei der Ausführungsform mit den Spannstäben ist die Spannbuchse an der inneren Umfangsfläche zylindrisch, außen lassen sich drei Bereiche unterscheiden: eine äußere Führung 37 (Figur 8 a) zur Aufnahme des Außenkäfigs, eine Vertiefung 38 (Figur 8 a) zur Aufnahme eines O-Ringes sowie ein Gewinde 39 zur Befestigung am Kupplungselement. Zusätzlich sind in die Spannbuchse bei dieser Ausführungsform Durchgangsbohrungen 40 (Figur 8 c) zur Durchführung der Zugstäbe eingebracht. Die Bohrungen sind auf der zu den Spannmuttern ausgerichteten Seite als Rundbohrungen ausgeführt, auf der zu den Ankopplungselementen ausgerichteten Seite besitzen sie ein Profil, das das Profil der Spannstäbe aufnehmen kann.
  • Bei der Ausführungsform mit Spannrohr wird zum Verspannen vorzugsweise ein Spannring (29 in Figur 9 a) verwendet. Dieser ist an der inneren Umfangsfläche zylindrisch und hat zur Seite des Ringstapels hin eine Vertiefung mit Innengewinde 42 zur Verschraubung mit dem Spannrohr. Außen lassen sich drei Bereiche unterscheiden: eine äußere Führung 43 zur Aufnahme des Außenkäfigs, eine Vertiefung 44 zur Aufnahme eines O-Ringes sowie ein Gewinde 45 zur Befestigung am Kupplungselement.
  • Das Verspannen des Ringstapels erfolgt parallel zur Montage.
  • Über die Verschraubung von oberem Spannring mit Spannrohr kann der Ringstapel definiert verspannt werden. Da Spannring und Spannbuchse keine Verbindung eingehen, wird sichergestellt, dass beim Verspannen keine Last von den Druckfedern auf die Ankopplungselemente übertragen wird und diese unbeschädigt bleiben.
  • Die Fixierung der Spannstäbe bzw. des Spannrohrs erfolgt bevorzugt über Spannmuttern bzw. einen Spannring, da so ein definiertes Anzugsmoment aufgebracht und Längentoleranzen ausglichen werden können. Alternative Befestigungsarten zu Gewinde und Spannmutter stellen die Kombinationen aus Nut und Sicherungsring sowie Senkbohrung und Madenschraube dar. Auch eine Befestigung mittels Schweißen, Verklemmen oder Einschrumpfen ist möglich.
  • Bei der Ausführungsform mit Spannstäben wird der Ringstapel mit Hilfe der in gewissem Maß flexiblen Spannstäbe im Vergleich zur Ausführungsform mit Spannrohr flexibler verspannt. Zug- und Torsionsfestigkeit sind zwar bei der Ausführungsform mit Spannrohr höher, durch den Profilquerschnitt der Spannstäbe ist aber eine ausreichende Zugfestigkeit zum Tragen der Eigenlast gewährleistet. Die Spannstäbe besitzen genügend Festigkeit, um ein großflächiges Verdrehen der Konstruktion zu verhindern. Kleinere Verformungen sind allerdings möglich und erlauben den Ringen im Ringstapel sich in radialer und tangentialer Richtung in bestimmtem Maß zu bewegen. Somit kann ein Spannungsaufbau im Ringstapel durch Biegung wirkungsvoller reduziert werden als in der Ausführungsform mit Spannrohr.
  • Alternativ zu den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen des Sandfiltermoduls ist insbesondere für die Ausführungsform mit Spannrohr eine weitere Ausführungsform denkbar, bei der Spannvorrichtung und Kupplungselement einseitig 46 (Figur 7) oder beidseitig kombiniert sind. Bei der kombinierten Ausführung von Spannvorrichtung und Kupplungselement ist es weiterhin möglich, auf den Spannring zu verzichten. In diesen Fällen ist die Funktionstrennung der einzelnen Komponenten aufgehoben, das Verspannungsprinzip kann aber weitestgehend übernommen werden.
    • Außenkäfig
  • Das erfindungsgemäße Sandfiltermodul ist vorzugsweise gegen Beschädigungen beim Einbau wie etwa Schlagbelastung oder Reibung am Bohrlochfutterrohr sowie beim Anfahren der Förderung durch schnell anströmende Gesteinspartikel durch einen frei durchströmbaren Außenkäfig 5 geschützt (Figur 1).
  • Dieser kann beispielsweise als grobmaschiges Sieb und vorzugsweise als Lochblech ausgeführt sein. Als Material wird vorzugsweise Stahl, weiter vorzugsweise korrosionsbeständiger Stahl, verwendet. Alternativ ist aber auch der Einsatz faserverstärkter Polymerwerkstoffe denkbar, da hier die Lastaufnahmefähigkeit und der Widerstand gegen Torsions- und Biegemomente anforderungsgemäß eingestellt werden kann.
  • Der Außenkäfig liegt lose eingeklemmt im Außendurchmesser der Spannvorrichtung auf, kann jedoch zur Versteifung der Trennvorrichtung gegen Biege- und Torsionsmomente sowie Zug- und Druckspannungen auch mit der Spannvorrichtung fest verbunden werden. Diese Fixierung ist beispielsweise über Kleben, Verschrauben, Verstiften oder Aufschrumpfen möglich, vorzugsweise wird der Außenkäfig mit der Spannvorrichtung nach der Montage verschweißt.
    • Kupplungselemente (zur Verbindung der Sandfiltermodule mit weiteren Komponenten der Förderausrüstung)
  • Die Kupplungselemente 12, 13 (Figuren 6 und 7) dienen zur Verbindung des verspannten Ringstapels / Sandfiltermoduls mit weiteren Komponenten der Förderausrüstung wie beispielsweise der Filtermodulspitze 2 und Zwischenmodulen. Die einzelnen Sandfiltermodule können über die Kupplungselemente und Zwischenmodule zu beliebig langen Filtersystemen verbunden werden.
  • Die Kupplungselemente sind vorzugsweise aus Stahl, weiter vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl, gefertigt.
  • Sie besitzen einen mit der Spannvorrichtung identischen Außendurchmesser und sind außen zylindrisch. Zum Zwischenmodul hin zeigen sie vorzugsweise eine äußere, kegelige Keilfläche 47 (Figuren 6 und 7). Die innere Umfangsfläche lässt sich in drei Bereiche gliedern: Im mittleren Bereich ist das Kupplungselement rohrförmig und besitzt eine gleichbleibend dicke Wandstärke. Zur Spannvorrichtung hin ist das Rohr verjüngt und die Wandstärke reduziert. In diesem Bereich findet sich ein Gewinde 48 (Figuren 6 und 7) zur Befestigung an der Spannvorrichtung. Am äußeren Ende ist eine weitere Vertiefung 49 (Figur 7), die einen Dichtring (O-Ring) 50 aufnimmt. An der zum Zwischenmodul gerichteten Seite besitzt die innere Umfangsfläche in der bevorzugten Ausführungsform ein Innengewinde 51 (Figuren 6 und 7). Es ist jedoch auch denkbar, dass das Gewinde als Außengewinde in die äußere Umfangsfläche eingearbeitet ist.
  • Aus Platzgründen sind Kupplungselemente, die an eine Filtermodulspitze 2 anschließen, in der Regel kürzer ausgelegt als solche, die Zwischenmodule aufnehmen. Alternativ zu einer Ausführung mit Innengewinde ist hier auch eine Ausführung mit Innenkonus 52 (Figuren 6, 7 und 10) und mindestens einer umlaufenden Nut 53, 54 (Figuren 6, 7 und 10) zur Aufnahme eines Dichtrings (O-Ring) 55 (Figuren 6, 7 und 10) oder eines Sprengringes 56 (Figuren 6, 7 und 10) möglich.
  • Die Länge der Kupplungselemente; die Zwischenmodule aufnehmen, ist unkritisch und vorzugsweise eher länger zu wählen, da die Kupplungselemente und Zwischenmodule je nach gewählter Ausführungsform und damit Steifigkeit der Spannvorrichtung zusätzlich zur Aufnahme äußerer Belastungen wie Biegung und der aus dem Eigengewicht resultierenden Zuglasten beitragen müssen.
  • Alternativ zu der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des Sandfiltermoduls mit zwei Kupplungselementen ist insbesondere bei der Spannvorrichtung mit Spannrohr eine weitere Ausführungsform denkbar, bei der Spannvorrichtung und Kupplungselement am oberen und/oder am unteren Ende des Sandfiltermoduls miteinander kombiniert sind (46 in Figur 7). In diesen Fällen ist die Funktionstrennung der einzelnen Komponenten aufgehoben, das Kupplungsprinzip kann aber weitestgehend übernommen werden.
    • Schutzummantelung
  • Die äußere, kegelige Keilfläche der Kupplungselemente sowie die Zwischenmodule werden vorzugsweise durch eine oder mehrere Schutzummantelungen 4 (Figur 1) gegen Verschleiß, hervorgerufen durch Abrasion / Erosion durch Sand- und Gesteinspartikel sowie durch Korrosion, geschützt.
  • Vorzugsweise erfolgt der Verschleißschutz der oben genannten metallischen Bereiche mittels eines Kunststoffüberzuges, beispielsweise mittels eines Schrumpfschlauchs: Es ist jedoch auch möglich, den Verschleißschutz durch (Pulver-)Beschichtungen oder Lackierungen zu erreichen, durch Abdeckmatten oder -folien, die beispielsweise mittels mechanischer Klemmen fixiert werden, oder auch durch Formteile.
  • Um Beschädigungen der Schutzummantelung beim Einbau zu verhindern, können geeignete Abstandshalter angebracht werden, die z.B. als Gleitnoppen auf dem Lochblech realisiert werden können.
  • Die Materialien für den Kunststoffüberzug werden vorzugsweise aus der Stoffgruppe der Polyolefine, bevorzugt Polyethylen, Polypropylen und Poly(iso)butylan, gewählt, da diese einerseits einen ausreichenden Widerstand gegen Abrasion / Erosion und Korrosion besitzen und sich andererseits als Schrumpfschlauch applizieren lassen. Andere mögliche Materialien für die Kunststoffüberzüge bzw. Schrumpfschläuche sind PVDF, Viton, PVC und PTFE.
  • Die Wandstärke der Schrumpfschläuche ist kleiner als 7 mm, typischerweise liegt sie im Bereich von 1 bis 3 mm.
  • Die Verwendung eines Schrumpfschlauchs hat gegenüber anderen Lösungen folgende Vorteile:
    • Es lassen sich dichte, nicht permeable Überzüge realisieren, eine Funktionstrennung durch Beschichtung mit verschiedenen Schrumpfschlauchmaterialien ist möglich. So könnte beispielsweise außen ein Material mit hohem Erosionswiderstand und innen ein Material mit hohem Korrosionswiderstand aufgebracht werden.
    • Die Verbindung mit den zu schützenden Bereichen ist formschlüssig. Förder- oder Reinigungsmedien können nicht unter den Überzug "kriechen". Eine zusätzliche Abdichtung des Überzuges ist nicht erforderlich.
    • Beliebige Längen können durch (überlappendes) Aneinanderfügen von Schlauchsegmenten geschützt werden.
    • Durchmesser- und Querschnittsübergänge, wie hier an den Klemmsätzen, können überwunden werden aufgrund der Schrumpfraten bis zu 3:1 (Durchmesseränderung).
    • Die Lösung ist kostengünstig, da kommerziell verfügbare Schrumpfschläuche eingesetzt werden können.
    Filtermodulspitze mit erhöhtern Abrasionsschutz
  • Das zum unteren Ende des Bohrloches gerichtete, letzte Sandfiltermodul muss verschließbar sein. Dies wird in der Praxis durch Filtermodulspitzen 2 (sogenannte Bull plugs) (Figur 1) realisiert. Durch sie soll gewährleistet werden, dass die Förderung von Öl-, Wasser- und Gasgemischen oder deren Einzelkomponenten aus der Tiefbohrung immer über die Filtermodule läuft und der im Bohrloch vorhandene Sand am Filtermodul zurückgehalten wird. Zusätzlich ist es aber notwendig, dass die Filtermodulspitze bei Bedarf wieder geöffnet oder abgetrennt werden kann. Dies ist beispielsweise über das Absprengen der Filtermodulspitze möglich. Häufig werden auch Lanzen eingesetzt, die durch das Innere der Sandfiltermodule eingeführt werden und mit hoher Wucht die Filtermodulspitze herausstoßen.
  • Filtermodulspitzen werden dazu vorzugsweise mit einem schlagelastischen Werkstoff ausgeführt. Im Stand der Technik werden häufig metallischen Werkstoffe verwendet. Besonders geeignet sind aber auch Polymerwerkstoffe, vorzugsweise hochelastische Polymerwerkstoffe, die eine effektive Reduzierung der Stossbelastungen ermöglichen. Durch ihre hohe Elastizität und der damit verbundenen niedrigen Härte sind alle diese Werkstoffe einem starken abrasiven Abtrag durch Sand- oder Gesteinspartikel ausgesetzt.
  • Der Einsatz der erfindungsgemäßen abrasionsbeständigen und damit langlebigen Sandfiltermodule würde durch diese abrasive Beschädigung bzw. Zerstörung der Filtermodulspitze beendet. Daher werden in Kombination mit keramischen Sandfiltermodulen bevorzugt Filtermodulspitzen mit erhöhtem Abrasionsschutz eingesetzt. Dieser kann beispielsweise über das Einlegen einer Verschleißschutzplatte 57 (Figur 10) in die Filtermodulspitze realisiert werden. Die Verschleißschutzplatte ist aus einem sprödharten Werkstoff, vorzugsweise aus demselben Werkstoff wie die Ringe hergestellt. Nach Abrasion der weichen Spitze im Förderbetrieb verhindert die Verschleißschutzplatte einen weiteren abrasiven Abtrag durch Sand- oder Gesteinspartikel.
  • Alternativ zum Einsatz einer Verschleißschutzplatte kann die Filtermodulspitze auch mit einem Verschleißschutzkern aus sprödhartem Werkstoff gefertigt sein. In diesem Fall muss die Spitze aber mit einer vorzugsweise polymeren Schutzschicht zur Abfederung von Stößen während des Einbringens ins Bohrloch versehen werden.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Filtermodulspitze 2 mit erhöhtem Abrasionsschutz ist in Figur 10 beschrieben. Sie ist als Vollmaterial ausgeführt und besteht im Wesentlichen aus zwei Bereichen. Im hinteren, dem Sandfiltermodul zugewandten Bereich hat sie die Form eines Zylinders; im vorderen Bereich läuft sie spitz zu. Im Übergang der beiden Bereiche ist eine umlaufende Nut 58 zur Aufnahme eines Sprengringes 56 ausgebildet.
  • Die Filtermodulspitze wird über diesen Sprengring in das Kupplungselement eingepresst. Alternativ kann die Befestigung am Kupplungselement auch über eine Schnappverbindung oder über Aufschrumpfen realisiert sein.
  • Die Verschleißschutzplatte 57 ist in der keramikgerechten Ausführungsform vorzugsweise nicht komplett zylindrisch, sondern zur Filtermodulspitze hin konisch zulaufend. So kann sie über eine Konus/Konus-Verbindung 52 im Kupplungselement fixiert werden. Zur Erhöhung der Befestigungsstabilität kann ein Dichtring 55 zwischen Verschleißschutzplatte und der Nut 53 des Kupplungselementes verlaufen. Zusätzlich befindet sich zwischen der Verschleißschutzplatte und den Spannelementen ein Abstandsring 59, der verhindert, dass die Verschleißschutzplatte bei Stoßbelastungen gegen die Spannvorrichtung prallen kann. Diese Konstruktion erlaubt neben einer einfachen Montage auch das Ausstoßen der Spitze durch Druckstoß oder Lanze. Über die Größe des Konuswinkels kann die Auspresskraft variiert werden.
  • Alternativ kann die Verschleißschutzplatte auch mit Formhinterschnitt durch Spreng- oder O-Ring fixiert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform können Filtermodulspitze und Kupplungselemente auch kombiniert sein.
    • Mehrlagiger Filteraufbau
  • Bei metallischen Filtergeweben gemäß Stand der Technik sind mehrlagige Filtergewebe üblich und notwendig zum Schutz des Feinfilters. Durch die mehrlagige Gewebeanordnung erhöht sich der Durchströmungswiderstand. Mehrlagige Gewebe neigen auch zur Verstopfung durch Ablagerung von Sanden in den Hohlräumen, und somit zu weiter erhöhtem Durchströmungswiderstand.
  • Aufgrund der guten Abrasionsbeständigkeit und dem hohen Verformungswiderstand des sprödharten Ringstapels können die erfindungsgemäßen keramischen Sandfiltermodule einlagig ausgeführt und direkt mit dem Förderstrom beaufschlagt werden.
  • Zur Verbesserung der Abscheidegrade bei der Förderung von Öl und Gas und für spezifische Filteraufgaben in anderen Bereichen, beispielsweise Feinstfilterung, kann jedoch auch eine Konstruktion als mehrlagiger Filter gewählt werden.
  • So kann beispielsweise bei der Ausführungsform mit Spannrohr ein zweites Filterelement zwischen das Spannrohr und den Ringstapel eingebracht werden. Dieser Sekundär-Filter kann gemäß dem Stand der Technik als Drahtgewebe, Drahtwicklung, Schlitzfilter, Filtersandpackung oder für die Feinstfilterung auch als Filtergewebe ausgeführt sein. Auch eine Variante mit einem innen liegenden zweiten Ringstapel aus sprödharten Werkstoffen ist in die Konstruktion integrierbar.
  • Bei der Ausführungsform mit Spannrohr kann bei entsprechender Ausführung, beispielsweise geschlitztes Rohr oder Drahtgewebe, auch das Spannrohr selbst eine Sekundär-Filterfunktion übernehmen.
    • Beispiele
  • Das nachfolgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
    • Beispiel 1: Widerstand gegen Erosion
  • Zur Ermittlung des erosiven Verschleißes wurden Platten (ca. 75 x 75 x 15 mm) aus Stahl, einer porösen, gesinterten Siliziumcarbid-Keramik und aus feinkörniger, dicht gesinterter Siliziumcarbid-Keramik (SSiC) vom Typ EKasic ® F (ESK Ceramics GmbH & Co. KG) einem Sandstrahlversuch unterzogen. Die Stahlprobe diente dabei als Referenz.
  • Die Versuche wurden mittels einer Sandstrahlanlage durchgeführt. Als Strahlmedien dienten vier verschiedene Stützmittel, die typischerweise in Offshore-Bohrungen verwandt werden: (1) 100 Mesh Frac Sand, (2) 16/20 Mesh Frac Sand, (3) 20/40 Mesh Frac Sand, (4) 20/40 Mesh Frac Sand High Strength. Der Strahldruck betrug 2 bar und die Strahldauer 2 Stunden, wobei der Strahl quasi punktförmig in einem Winkel von 90° zur Oberfläche aufgebracht wurde. Tiefe und die Weite des Strahleindrucks charakterisieren den erosiven Verschleiß (s. Tabelle 1).
  • Die Versuche zeigen, dass die dicht gesinterte Siliciumcarbid-Keramik im Vergleich zu der porösen, gesinterten Siliciumcarbid-Keramik sowie konventionellen Stählen deutlich beständiger ist gegenüber erosivem Verschleiß. Während die porösen, gesinterten Siliciumcarbid-Platten bereits nach 5 Sekunden ein Loch zeigten, ist bei EKasic® F auch nach zwei Stunden kein messbarer oder allenfalls ein vernachlässigbarer geringer erosiver Verschleiß zu beobachten. Tabelle 1: Ergebnisse der Sandstrahlversuche
    Beispiel Material Strahlmittel Tiefe [mm] Weite [mm]
    1.1 EKasic® F (SSiC) 1 0,1 14
    1.2 EKasic® F (SSiC) 2 nicht messbar 12
    1.3 EKasic® F (SSiC) 3 nicht messbar 12
    1.4 EKasic® F (SSiC) 4 0,2 8
    1.5 Poröses SiC 1 10 19
    1.6 Poröses SiC 2 10 16
    1.7 Poröses SiC 3 10 19
    1.8 Poröses SiC 4 10 15
    1.9 Stahl (Referenz) 1 5,3 17
    1.10 Stahl (Referenz) 2 0,8 18
    1.11 Stahl (Referenz) 3 5,3 18
    1.12 Stahl (Referenz) 4 4,4 19
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sandfiltermodul
    2
    Filtermodulspitze
    3
    Zwischenmodul
    4
    Schutzummantelung
    5
    Außenkäfig
    6
    Ringstapel
    7
    ringförmige Scheibe
    8
    Erhebungen
    9
    Trennspalt
    10
    Ankopplungselement
    11
    Ankopplungselement
    12
    Kupplungselement
    13
    Kupplungselement
    14
    Spannstab
    15
    Spannrohr
    16
    Oberseite der Scheibe 7
    17
    Aussparung / Markierungsnut
    18
    Unterseite der Scheibe 7
    19
    Außenkontur mit Fase der Scheibe 7
    20
    Aussparungen / Nuten der inneren Umfangsfläche
    21
    Vertiefungen auf Unterseite 18
    22
    umlaufende Nut der Ankopplungselemente 10, 11
    23
    Dichtungsring (O-Ring)
    24
    Aussparung / Markierungsnut
    25
    Aussparungen / Nuten
    26
    Spannbuchse
    27
    Druckfedern
    28
    Spannmuttern
    29
    Spannring
    30
    Außengewinde
    31
    Abstandshalter
    32
    Profilstäbe
    33
    runde Querschnittsfläche
    34
    Gewinde
    35
    Innenführungen
    36
    O-Ring
    37
    äußere Führung
    38
    Vertiefung
    39
    Gewinde
    40
    Durchgangsbohrungen
    41
    abgerundete Schlitze
    42
    Innengewinde
    43
    äußere Führung
    44
    Vertiefung
    45
    Gewinde
    46
    mit Spannvorrichtung kombiniertes Kupplungselement
    47
    kegelige Keilfläche
    48
    Gewinde
    49
    Vertiefung
    50
    Dichtung / O-Ring
    51
    Innengewinde
    52
    Innenkonus
    53
    umlaufende Nut
    54
    umlaufende Nut
    55
    Dichtung / O-Ring
    56
    Sprengring
    57
    Verschleißschutzplatte
    58
    umlaufende Nut
    59
    Abstandsring

Claims (27)

  1. Trennvorrichtung zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln, welche sich als integraler Bestandteil einer Förderausrüstung zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen aus Tiefbohrungen eignet, wobei die Trennvorrichtung mindestens ein keramisches Filtermodul (1) umfasst, wobei das Filtermodul (1) umfasst
    a) einen Ringstapel (6) aus sprödharten ringförmigen Scheiben (7), deren Oberseite (16) mindestens drei über den Kreisumfang der Scheiben gleichmäßig verteilte Erhebungen (8) aufweist, wobei die Scheiben (7) so gestapelt und verspannt sind, dass zwischen den einzelnen Scheiben (7) jeweils ein Trennspalt (9) zur Abtrennung von Sand- und Gesteinspartikeln vorhanden ist,
    b) ein Ankopplungselement (10) am oberen Ende und ein Ankopplungselement (11) am unteren Ende des Ringstapels (6),
    c) eine Spannvorrichtung (14, 15) zur axialen Verspannung des Ringstapels (6),
    d) einen Außenkäfig (5) zum mechanischen Schutz des Filtermoduls (1),
    e) ein Kupplungselement (12) am oberen Ende und ein Kupplungselement (13) am unteren Ende des Filtermoduls (1) zur Verbindung des Filtermoduls (1) mit weiteren Komponenten der Förderausrüstung.
  2. Trennvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scheiben (7) im Ringstapel (6) so gestapelt und verspannt sind, dass sie gegeneinander in radialer und tangentialer Richtung beweglich sind.
  3. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannvorrichtung innerhalb des Ringstapels (6) angeordnete Spannstäbe (14) umfasst.
  4. Trennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannvorrichtung ein innerhalb des Ringstapels (6) angeordnetes Spannrohr (15) umfasst.
  5. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese weiterhin eine oder mehrere Schutzummantelungen (4) umfasst.
  6. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese weiterhin am unteren Ende eine Filtermodulspitze (2) mit erhöhtem Abrasionsschutz umfasst.
  7. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erhebungen (8) auf der Oberseite (16) der Scheiben (7) in Form von Kugelabschnitten ausgebildet sind.
  8. Trennvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 7, wobei die ringförmigen Scheiben (7) an ihrer inneren Umfangsfläche mindestens drei Aussparungen (20) aufweisen, die zur Aufnahme der Spannstäbe (14) dienen.
  9. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ringförmigen Scheiben (7) auf ihrer Unterseite (18) mindestens drei Vertiefungen (21) aufweisen, in welchen die Erhebungen (8) positioniert werden können.
  10. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberseite (16) der ringförmigen Scheiben (7) im rechten Winkel zur Scheibenachse ausgebildet ist.
  11. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Unterseite (18) der ringförmigen Scheiben (7) nach außen oder innen abfallend, vorzugsweise nach innen abfallend, weiter vorzugsweise konkav ausgebildet ist
  12. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die radiale Wandstärke der ringförmigen Scheiben (7) mindestens 2 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm, beträgt.
  13. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der ringförmigen Scheiben (7) 1 bis 20 mm, vorzugsweise 1 bis 10 mm, beträgt.
  14. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Trennspalt (9) zwischen den einzelnen Scheiben (7) eine Höhe von 0,05-1 mm, vorzugsweise 0,05-0,5 mm, aufweist.
  15. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sprödharte Werkstoff der ringförmigen Scheiben (7) 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 Werkstoffen mit in-situ gebildeten Hartstoffphasen und lang- und/oder kurzfaserverstärkten Keramikwerkstoffen.
  16. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die sprödharten Werkstoffe der ringförmigen Scheiben (7) HV-Härtewerte ≥ 15 GPa, vorzugsweise ≥ 23 GPa, besitzen.
  17. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die sprödharten Werkstoffe der ringförmigen Scheiben (7) Elastizitätsmoduli ≥ 200 GPa, vorzugsweise ≥ 350 GPa, besitzen.
  18. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die sprödharten Werkstoffe eine Dichte von mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95%, der theoretischen Dichte aufweisen.
  19. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem sprödharten Werkstoff um gesintertes Siliciumcarbid (SSiC) oder Borcarbid handelt.
  20. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ankopplungselemente (10, 11) an ihrer äußeren Umfangsfläche mindestens eine umlaufende Nut (22) zur Aufnahme eines Dichtrings (23) aufweisen.
  21. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Außendurchmesser der Ankopplungselemente (10, 11) gleich oder größer ist als derjenige der ringförmigen Scheiben (7).
  22. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ankopplungselemente (10, 11) aus dem selben sprödharten Werkstoff wie die ringförmigen Scheiben (7) hergestellt sind.
  23. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spannvorrichtung (14, 15) weiterhin einen Spannsatz, umfassend eine Spannbuchse (26), Druckfedern (27) und Spannmuttern (28) für die Spannstäbe (14) oder Spannringe (29) für das Spannrohr (15), umfasst.
  24. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spannstäbe (14) oder das Spannrohr (15) aus Stahl, vorzugsweise korrosionsbeständigem Stahl, gefertigt sind.
  25. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kupplungselemente aus Stahl, vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl, gefertigt sind.
  26. Trennvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Außenkäfig als grobmaschiges Sieb oder als Lochblech ausgebildet ist und vorzugsweise aus Stahl, weiter vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl, gefertigt ist.
  27. 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 Gesteins- oder Tiefbohrungen.
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