WO2021098999A1 - Hydraulische frakturierungspumpvorrichtung und verfahren zum antreiben einer solchen - Google Patents

Hydraulische frakturierungspumpvorrichtung und verfahren zum antreiben einer solchen Download PDF

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WO2021098999A1
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Thomas TÄUBER DR.
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Voith Patent Gmbh
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Definitions

  • Hydraulic fracturing pumping apparatus and method of propelling the same
  • the present invention relates to a hydraulic
  • Fracturing pumping device according to the preamble of claim 1, as well as a method for driving a hydraulic fracturing pumping device.
  • Fracturing pump devices have a prime mover and a pump, the pump pumping a pressure medium at a very high pressure into a rock layer. Fracturing is also known as fracking, and the pump is called fracking pump.
  • fracking the so-called frac fluid is forced through a borehole under high pressure of typically several hundred bar into the geological horizon from which it is to be extracted.
  • the fracfluid referred to as the pressure medium in the present case, is usually water, which is mostly mixed with proppants, such as quartz sand, and thickeners.
  • proppants such as quartz sand, and thickeners.
  • several fracturing pumps are used at the same time, which are connected to different boreholes. At least one fracturing pump is provided for each borehole.
  • the pressure of the pressure medium to be made available by the respective fracturing pump depends on the borehole and the necessary volume flow, which is generated by the corresponding fracturing pump, is speed-dependent.
  • WO 2015/011223 A2 discloses a hybrid drive with a gas engine and an electric motor.
  • gas turbines are particularly suitable as drive machines for fracturing pumps. Both single-shaft gas turbines, whose turbine impeller is rigidly coupled to the compressor impeller via a common shaft, and twin-shaft gas turbines, which have a high-pressure turbine impeller that is rigidly coupled to the compressor impeller via a first shaft, and a Low-pressure turbine impeller, which can be driven at a different speed than the high-pressure turbine impeller, since it has a separate shaft and only the exhaust gas flow from the high-pressure turbine is applied to drive it.
  • EP 2894315 A1 proposes a twin-shaft gas turbine in which the high-pressure turbine shaft can additionally be coupled to the low-pressure turbine shaft via a coupling, such a gas turbine also being applicable for the present invention.
  • Single-shaft gas turbines operate at a constant speed in nominal operation. These single-shaft gas turbines can only be started with a low load and run up to a predetermined nominal speed before they can then drive the driven machine with a higher load at the predetermined nominal speed. In the case of twin-shaft gas turbines, the speed can be set variably in nominal operation, but the speed control range is typically limited, for example between 70 and 100 percent of the maximum speed. However, twin-shaft gas turbines are usually larger, heavier and more expensive than single-shaft gas turbines. Thus, twin-shaft gas turbines cannot be mounted together with a fracturing pump on an easily movable mobile device, for example a truck trailer, since the maximum available space is insufficient.
  • twin-shaft gas turbines or other drive machines such as those described in WO 2015/011223 A2 are used. But even in the case of twin-shaft gas turbines with a speed control range, the limited control range cannot be sufficient for all the desired operating points.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a hydraulic fracturing pump device that uses a single-shaft or allows more multi-shaft gas turbine with a large speed control range of the fracturing pump at the same time.
  • the object according to the invention is achieved by a hydraulic fracturing pump device with the features of claim 1. Furthermore, a method for controlling a hydraulic fracturing pump device is specified, which ensures a particularly high degree of efficiency.
  • the dependent claims describe advantageous and particularly expedient embodiments of the invention.
  • the hydraulic fracturing pump device has at least one single-shaft or multi-shaft gas turbine as the drive machine, as well as at least one fracturing pump which is in a drive connection with the at least one gas turbine in order to be driven by means of the at least one gas turbine, and which is set up a pressure medium in a rock layer to pump.
  • a hydrodynamic converter transmission is provided in the drive connection, which has an input shaft, an output shaft, a hydrodynamic converter and preferably a switchable lock-up clutch, the input shaft being switchable via the hydrodynamic converter into a hydrodynamic drive connection with the output shaft and, if provided, via the The lock-up clutch can be switched into a purely mechanical drive connection with the output shaft.
  • the hydrodynamic converter transmission accordingly preferably has a hydrodynamic power branch and also a purely mechanical power branch.
  • the hydrodynamic converter enables a load-free start-up of the gas turbine, which is particularly important for a single-shaft gas turbine as the drive machine. Accordingly, the working space of the hydrodynamic converter can be at least largely emptied of the working medium for start-up, so that the The drive machine can be run up to its nominal speed at least essentially without load, and then the working space of the converter can be filled in order to transfer the desired drive torque from the drive machine to the fracturing pump. Accordingly, the hydrodynamic converter is designed as a fillable and drainable torque converter.
  • the hydrodynamic converter is used with a multi-shaft gas turbine as the drive machine, then the hydrodynamic converter enables the fracturing pump device to be speed controllable, which the gas turbine alone cannot provide.
  • the hydrodynamic converter transmission With a hydrodynamic power branch and a parallel, purely mechanical power branch, it is possible to regulate or control the speed of the at least one fracturing pump over a comparatively large range. Furthermore, the mechanical power branch enables drive operation with a particularly high degree of efficiency.
  • different converter gears can only transmit power via the purely mechanical power branch and, if the necessary total power of the fracturing pumps driven via the parallel converter gears is not an integral multiple of a fracturing pump driven with the lock-up clutch closed, only a single converter gear needs power hydrodynamically, i.e. via the hydrodynamic power branch, in order to achieve the required total volume flow of the various fracturing pumps.
  • the at least one fracturing pump has, for example, a delivery pressure of 130 bar to 1200 bar, in particular from 500 bar to 1200 bar, or more.
  • the delivery volume flow of the at least one fracturing pump is advantageously between 2 and 300 m 3 per hour, in particular between 50 and 300 m 3 per hour, or more.
  • the hydrodynamic converter has a single bladed pump wheel and a single bladed turbine wheel as well as one or more impeller-side guide wheels which are arranged in a common working medium circuit in a working space.
  • a first stator with stationary guide vanes and a second guide wheel with adjustable guide vanes in the working medium circuit are provided in the working space.
  • the hydrodynamic converter is in particular the only hydrodynamic converter and in particular the only hydrodynamic machine in the hydrodynamic converter transmission.
  • the input shaft is in particular via a toothed input stage, which is preferably provided with a helical toothing and is formed, for example, by two helical meshing gears, in drive connection with a first intermediate shaft, which carries the pump wheel, and the output shaft is in particular via a toothed output stage, which is advantageously provided with a helical toothing and has, for example, two helical toothed gear wheels in engagement with one another, in drive connection with a second intermediate shaft which carries the turbine wheel.
  • the first intermediate shaft can advantageously be mechanically coupled to the second intermediate shaft by means of the lock-up clutch.
  • the two intermediate shafts can preferably be arranged coaxially to one another.
  • the input shaft and the output shaft are, for example, parallel to one another and can also be arranged coaxially with one another.
  • both the input stage and the output stage preferably represent a reduction in speed.
  • the hydraulic fracturing pump device can, for example, be designed as a non-stationary hydraulic fracturing pump device and for this purpose in particular comprise a chassis, for example in the form of a truck trailer, with which it can be moved.
  • a comparatively compact single-shaft gas turbine together with the hydrodynamic converter transmission and a gas turbine, can be mounted on a common conventional truck trailer with the maximum permissible dimensions that are customary for road traffic.
  • a plurality of fracturing pumps driven parallel to one another are provided, each of which is in drive connection with a separate gas turbine or with at least one common gas turbine.
  • a hydrodynamic converter transmission of the type shown is provided for each fracturing pump, and the converter transmissions are driven parallel to one another by the at least one gas turbine.
  • a single gas turbine is provided, via which all fracturing pumps are driven in parallel to one another.
  • the at least one gas turbine can be designed, for example, as a single-shaft gas turbine that has a constant nominal operating speed.
  • the at least one gas turbine is designed as a two-shaft gas turbine, which has a nominal operation with a variable drive speed.
  • a maximum of a single hydrodynamic converter gear is always operated with the lock-up clutch disengaged and all other driven fracturing pumps are each operated via a hydrodynamic converter gear for different predetermined total power outputs of all fracturing pumps driven parallel to one another, in particular by different predetermined volume flows of the pressure medium to be conveyed each driven with a closed lock-up clutch.
  • the at least one gas turbine is preferably operated at a constant nominal operating speed and can accordingly be designed as a single-shaft gas turbine.
  • all driven fracturing pumps are each driven via a hydrodynamic converter gear with each closed lock-up clutch an overall power adjustment takes place by regulating or controlling the speed of the at least one drive machine. In this way, efficiency losses can be minimized.
  • four fracturing pumps for example, are to meet a volume flow requirement of 320 percent, based on the maximum volume flow of a single one of the four fracturing pumps with the same maximum delivery volume, then, for example, three fracturing pumps with mechanically switched hydrodynamic converter gears can each have 100 percent of their maximum delivery volume and the fourth fracturing pump can be hydrodynamically limited to 20 percent of their promote maximum funding volume. This can be achieved with a constant input speed of all hydrodynamic converter transmissions. The losses from the hydrodynamic power transmission occur only in a single converter transmission.
  • the same delivery volume can be achieved by mechanically switching all hydrodynamic converter gears through and operating the fracturing pumps at 80 percent of their maximum delivery volume. This enables a further reduction in losses.
  • this requires the use of at least one gas turbine that can be speed-controlled in nominal operation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a hydraulic fracturing pump device
  • Figure 2 shows another embodiment of a hydraulic
  • Fracture pumping device with multiple fracture pumps is
  • a hydraulic fracturing pump device is shown in FIG. 1, comprising a gas turbine 1 which drives a fracturing pump 2 via a hydrodynamic converter gear 3.
  • the hydrodynamic converter transmission 3 comprises an input shaft 4 which is drivingly connected to an output shaft of the gas turbine 1, and an output shaft 5 which is drivingly connected to an input shaft of the fracturing pump 2.
  • the hydrodynamic converter transmission 3 comprises two power branches, namely a first hydrodynamic power branch and one parallel thereto in the Power flow arranged purely mechanical power branch.
  • the hydrodynamic power branch comprises a hydrodynamic converter 6 and the mechanical power branch comprises a lockup clutch 7.
  • the hydrodynamic converter 6 has a pump wheel 9, which is carried by a first intermediate shaft 14 in the exemplary embodiment shown, and a turbine wheel 10, which is carried by a second intermediate shaft 15.
  • the pump wheel 9 and the turbine wheel 10 are arranged in a common working space 13 together with a first stator 11 and a second stator 12.
  • a working medium circuit is established in the working space 13, which hydrodynamically drives the turbine wheel 10.
  • the two guide wheels 11, 12 are used to set the conversion, that is to say the torque difference between the torque applied to the pump wheel 9 and the torque applied to the turbine wheel 10.
  • the first stator 11 is equipped with non-adjustable, that is to say fixed, guide vanes
  • the second stator 12 is equipped with guide vanes that can be adjusted with respect to a flow of the working medium in the working medium circuit.
  • the pump wheel 9 and the turbine wheel 10 are flowed through in particular centrifugally.
  • the pump impeller 9 can preferably also have a diagonal-centrifugal flow.
  • the first intermediate shaft 14 can be mechanically coupled to the second intermediate shaft 15 by means of the lock-up clutch 7, so that a purely mechanical drive connection between the input shaft 4, which is in mechanical drive connection with the first intermediate shaft 14 via an input stage 16, and the output shaft 5, which is connected via a Output stage 17 is in mechanical drive connection with the second intermediate shaft 15, can be produced.
  • drive power can be transmitted exclusively via the hydrodynamic power branch or the mechanical power branch and a parallel power transfer is excluded.
  • a simultaneous power transmission via the hydrodynamic power branch and the mechanical power branch is possible, in particular the distribution of the power transmission can be variably set.
  • a hydraulic fracturing pump device with four fracturing pumps 2 is shown as an example, which together pump a pressure medium into a borehole 8 to a predetermined rock layer.
  • the number four is an example and a different number of fracturing pumps 2 can of course be provided.
  • a total volume flow and a total pressure are specified for all fracturing pumps 2 together, as indicated by the dashed line.
  • the fracturing pumps 2 are each driven via a hydrodynamic converter gear 3 of the type shown above by means of one or more common gas turbines 1 or here each with their own gas turbine 1 in order to achieve the desired total volume flow and the delivery pressure.
  • the hydrodynamic converter gears 3 could also be designed differently from the details presented above.
  • the various fracturing pumps 2 are preferably driven in such a way that as many hydrodynamic converter transmissions 3 as possible operate with the lock-up clutch 7 closed.
  • only a single converter transmission 3 works with an open lock-up clutch 7.
  • all converter transmissions work with a closed lock-up clutch 7 and the speed of the fracturing pumps 2 is set via the drive speed of the gas turbine 1 or the respective gas turbine 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung mit wenigstens einer einwelligen oder mehrwelligen Gasturbine als Antriebsmaschine; mit wenigstens einer Frakturierungspumpe, die in einer Triebverbindung mit der wenigstens einen Gasturbine steht, um mittels der wenigstens einen Gasturbine angetrieben zu werden, und die eingerichtet ist, ein Druckmedium in eine Gesteinsschicht zu pumpen. Die erfindungsgemäße hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung ein hydrodynamisches Wandlergetriebe vorgesehen ist, das eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle und einen hydrodynamischen Wandler aufweist, wobei die Eingangswelle über den hydrodynamischen Wandler in eine hydrodynamische Triebverbindung mit der Ausgangswelle schaltbar ist.

Description

Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung und Verfahren zum Antreiben einer solchen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische
Frakturierungspumpvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Antreiben einer hydraulischen Frakturierungspumpvorrichtung.
Frakturierungspumpvorrichtungen weisen eine Antriebsmaschine und eine Pumpe auf, wobei die Pumpe ein Druckmedium mit einem sehr hohen Druck in eine Gesteinsschicht pumpt. Frakturierung wird auch als Fracking bezeichnet, die Pumpe entsprechend als Frackingpumpe. Beim Fracking wird das sogenannte Fracfluid unter hohem Druck von typischerweise mehreren hundert Bar durch eine Bohrung in den geologischen Horizont, aus dem gefördert werden soll, gepresst. Als Fracfluid, vorliegend als Druckmedium bezeichnet, dient in der Regel Wasser, das zumeist mit Stützmitteln, wie zum Beispiel Quarzsand, und Verdickungsmitteln versetzt ist. In der Regel kommen mehrere Frakturierungspumpen gleichzeitig zur Anwendung, die mit verschiedenen Bohrlöchern verbunden werden. Je Bohrloch ist wenigstens eine Frakturierungspumpe vorgesehen. Der von der jeweiligen Frakturierungspumpe zur Verfügung zu stellende Druck des Druckmediums ist bohrlochabhängig und der notwendige Volumenstrom, der von der entsprechenden Frakturierungspumpe erzeugt wird, ist drehzahlabhängig.
Es wurden bereits verschiedene Antriebsmaschinen zum Antrieb hydraulischer Frakturierungspumpen vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart WO 2015/011223 A2 einen Hybridantrieb mit einem Gasmotor und einem Elektromotor.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass Gasturbinen besonders als Antriebsmaschine für Frakturierungspumpen geeignet sind. Dabei kommen sowohl einwellige Gasturbinen zum Einsatz, deren Turbinenlaufrad über eine gemeinsame Welle starr mit dem Verdichterlaufrad gekoppelt ist, als auch zweiwellige Gasturbinen, die ein Hochdruckturbinenlaufrad aufweisen, das über eine erste Welle starr mit dem Verdichterlaufrad gekoppelt ist, und ein Niederdruckturbinenlaufrad, das mit einer anderen Drehzahl als das Hochdruckturbinenlaufrad angetrieben werden kann, da es eine separate Welle aufweist und zu seinem Antrieb nur mit dem Abgasstrom der Hochdruckturbine beaufschlagt wird.
Ferner schlägt EP 2894315 A1 eine zweiwellige Gasturbine vor, bei welcher die Hochdruckturbinenwelle zusätzlich über eine Kupplung mit der Niederdruckturbinenwelle koppelbar ist, wobei auch eine solche Gasturbine für die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
Einwellengasturbinen arbeiten im Nennbetrieb mit konstanter Drehzahl. Diese Einwellengasturbinen können nur mit geringer Last gestartet und bis auf eine vorgegebene Nenndrehzahl hochgefahren werden, bevor sie dann mit der vorgegebenen Nenndrehzahl die Arbeitsmaschine mit größerer Last antreiben können. Bei Zweiwellengasturbinen ist die Drehzahl im Nennbetrieb variabel einstellbar, der Drehzahlregelbereich jedoch typischerweise begrenzt, beispielsweise zwischen 70 und 100 Prozent der maximalen Drehzahl. Zweiwellengasturbinen sind in der Regel jedoch größer, schwerer und teurer als Einwellengasturbinen. Somit können Zweiwellengasturbinen nicht zusammen mit einer Frakturierungspumpe auf einer leicht verfahrbaren mobilen Vorrichtung, beispielsweise einem Lkw-Anhänger (Trailer), montiert werden, da der maximal zur Verfügung stehende Bauraum nicht ausreicht.
Beim Antrieb von Frakturierungspumpen ist meist eine Drehzahlregelbarkeit im Nennbetrieb der Antriebsmaschine erforderlich, weswegen herkömmlich auf die Zweiwellengasturbinen zurückgegriffen wird oder auf andere Antriebsmaschinen, wie sie zum Beispiel in WO 2015/011223 A2 beschrieben werden. Aber auch bei Zweiwellengasturbinen mit einem Drehzahlregelbereich kann der begrenzte Regelbereich nicht ausreichend für alle gewünschten Betriebspunkte sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung anzugeben, die den Einsatz einer einwelligen oder mehr mehrwelligen Gasturbine bei zugleich einem großen Drehzahlregelbereich der Frakturierungspumpe ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ferner wird ein Verfahren zum Steuern einer hydraulischen Frakturierungspumpvorrichtung angegeben, das einen besonders hohen Wirkungsgrad sicherstellt. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung weist wenigstens eine einwellige oder mehrwellige Gasturbine als Antriebsmaschine auf, sowie wenigstens eine Frakturierungspumpe, die in einer Triebverbindung mit der wenigstens einen Gasturbine steht, um mittels der wenigstens einen Gasturbine angetrieben zu werden, und die eingerichtet ist ein Druckmedium in eine Gesteinsschicht zu pumpen.
Erfindungsgemäß ist in der Triebverbindung ein hydrodynamisches Wandlergetriebe vorgesehen, das eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, einen hydrodynamischen Wandler und bevorzugt eine schaltbare Überbrückungskupplung aufweist, wobei die Eingangswelle über den hydrodynamischen Wandler in eine hydrodynamische Triebverbindung mit der Ausgangswelle schaltbar ist und, sofern vorgesehen, über die Überbrückungskupplung in eine rein mechanische Triebverbindung mit der Ausgangswelle schaltbar ist. Das hydrodynamische Wandlergetriebe weist demnach bevorzugt einen hydrodynamischen Leistungszweig und ferner einen rein mechanischen Leistungszweig auf.
Der hydrodynamische Wandler ermöglicht ein lastfreies Anfahren der Gasturbine, was besonders bei einer einwelligen Gasturbine als Antriebsmaschine wichtig ist. Entsprechend kann der Arbeitsraum des hydrodynamischen Wandlers zum Anfahren zumindest weitgehend vom Arbeitsmedium entleert werden, sodass die Antriebsmaschine zumindest im Wesentlichen lastfrei bis auf ihre Nenndrehzahl hochgefahren werden kann, und anschließend kann der Arbeitsraum des Wandlers befüllt werden, um das gewünschte Antriebsmoment von der Antriebsmaschine auf die Frakturierungspumpe zu übertragen. Demgemäß ist der hydrodynamische Wandler als füll- und entleerbarer Drehmomentwandler ausgeführt.
Wenn der hydrodynamische Wandler mit einer mehrwelligen Gasturbine als Antriebsmaschine verwendet wird, so ermöglicht der hydrodynamische Wandler eine Drehzahlregelbarkeit der Frakturierungspumpvorrichtung, welche die Gasturbine allein nicht zur Verfügung stellen kann.
Durch die Anordnung des hydrodynamischen Wandlergetriebes mit einem hydrodynamischen Leistungszweig und einem parallelen rein mechanischen Leistungszweig ist es möglich, die wenigstens eine Frakturierungspumpe in ihrer Drehzahl über einen vergleichsweise großen Bereich zu regeln oder zu steuern. Ferner ermöglicht der mechanische Leistungszweig einen Antriebsbetrieb mit besonders hohem Wirkungsgrad. Bei der Parallelschaltung mehrerer solcher hydrodynamischer Wandlergetriebe können dadurch verschiedene Wandlergetriebe ausschließlich Leistung über den rein mechanischen Leistungszweig übertragen und, falls die notwendige Gesamtleistung der über die parallelen Wandlergetriebe angetriebenen Frakturierungspumpen nicht ein ganzzahliges Vielfaches einer bei geschlossener Überbrückungskupplung angetriebenen Frakturierungspumpe ist, muss nur ein einziges Wandlergetriebe Leistung hydrodynamisch, das heißt über den hydrodynamischen Leistungszweig, übertragen, um den erforderlichen Gesamtvolumenstrom der verschiedenen Frakturierungspumpen zu erreichen. Wenn möglich, können auch alle parallel angetriebene hydrodynamische Wandlergetriebe mit geschlossener Überbrückungskupplung betrieben werden, um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, wobei hierfür in der Regel jedoch eine Drehzahlregelbarkeit der wenigstens einen entsprechenden Gasturbine im Nennbetrieb erforderlich ist. Die wenigstens eine Frakturierungspumpe weist beispielsweise einen Förderdruck von 130 bar bis 1200 bar auf, insbesondere von 500 bar bis 1200 bar, oder mehr.
Der Fördervolumenstrom der wenigstens einen Frakturierungspumpe beträgt vorteilhaft jeweils zwischen und 2 und 300 m3 pro Stunde, insbesondere zwischen 50 bis 300 m3 pro Stunde, oder mehr.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der hydrodynamische Wandler ein einziges beschaufeltes Pumpenrad und ein einziges beschaufeltes Turbinenrad sowie ein oder mehrere beschaufeite Leiträder auf, die in einem gemeinsamen Arbeitsmediumkreislauf in einem Arbeitsraum angeordnet sind. Beispielsweise sind im Arbeitsraum ein erstes Leitrad mit feststehenden Leitschaufeln und ein zweites Leitrad mit im Arbeitsmediumkreislauf verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen.
Der hydrodynamische Wandler ist insbesondere der einzige hydrodynamische Wandler und insbesondere die einzige hydrodynamische Maschine im hydrodynam ischen Wandlergetriebe.
Die Eingangswelle steht insbesondere über eine verzahnte Eingangsstufe, die bevorzugt mit einer Schrägverzahnung versehen ist und beispielsweise durch zwei schrägverzahnte miteinander kämmende Zahnräder gebildet wird, in Triebverbindung mit einer ersten Zwischenwelle, welche das Pumpenrad trägt, und die Ausgangswelle steht insbesondere über eine verzahnte Ausgangsstufe, die vorteilhaft mit einer Schrägverzahnung versehen ist und zum Beispiel zwei schrägverzahnte miteinander in Eingriff stehende Zahnräder aufweist, in Triebverbindung mit einer zweiten Zwischenwelle, die das Turbinenrad trägt. Die erste Zwischenwelle kann vorteilhaft mittels der Überbrückungskupplung mechanisch an die zweite Zwischenwelle gekoppelt werden. Die beiden Zwischenwellen können bevorzugt koaxial zueinander angeordnet sein. Die Eingangswelle und die Ausgangswelle sind zum Beispiel parallel zueinander und können ebenfalls koaxial zueinander angeordnet sein.
Betrachtet in Richtung des Antriebsleistungsflusses von der Eingangswelle zur Ausgangswelle stellen sowohl die Eingangsstufe als auch die Ausgangsstufe bevorzugt eine Übersetzung ins Langsame dar.
Die hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung kann zum Beispiel als nicht stationäre hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung ausgeführt sein und hierfür insbesondere ein Fahrgestell, zum Beispiel in Form eines Lkw-Anhängers, umfassen, mit welchem sie verfahrbar ist. Dabei kann insbesondere eine vergleichsweise kompakte Einwellengasturbine zusammen mit dem hydrodynamischen Wandlergetriebe und einer Gasturbine auf einem gemeinsamen herkömmlichen Lkw-Anhänger mit für den Straßenverkehr üblichen zulässigen maximalen Abmaßen montiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von parallel zueinander angetriebenen Frakturierungspumpen vorgesehen, die jeweils in Triebverbindung mit einer separaten Gasturbine oder mit wenigstens einer gemeinsamen Gasturbine stehen. In jeder Triebverbindung ist entsprechend pro Frakturierungspumpe jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe der dargestellten Art vorgesehen und die Wandlergetriebe werden parallel zueinander von der wenigstens einen Gasturbine angetrieben. Insbesondere ist eine einzige Gasturbine vorgesehen, über welche alle Frakturierungspumpen parallel zueinander angetrieben werden.
Die wenigstens eine Gasturbine kann zum Beispiel als Einwellengasturbine ausgeführt sein, die eine konstante Nennbetriebsdrehzahl aufweist. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die wenigstens eine Gasturbine als Zweiwellengasturbine ausgeführt, die einen Nennbetrieb mit variabler Antriebsdrehzahl aufweist. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Frakturierungspumpvorrichtung wird bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtleistungsabgaben aller parallel zueinander angetriebenen Frakturierungspumpen, insbesondere durch verschiedene vorgegebene zu fördernde Volumenströme des Druckmediums, stets maximal ein einziges hydrodynamisches Wandlergetriebe mit geöffneter Überbrückungskupplung betrieben und alle anderen angetriebenen Frakturierungspumpen werden über jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe mit jeweils geschlossener Überbrückungskupplung angetrieben. Dabei wird die wenigstens eine Gasturbine bevorzugt mit einer konstanten Nennbetriebsdrehzahl betrieben und kann entsprechen als Einwellengasturbine ausgeführt sein.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren, das insbesondere bei wenigstens einer Zweiwellengasturbine als Antriebsmaschine der Frakturierungspumpvorrichtung anwendbar ist, werden bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtleistungsabgaben aller parallel angetriebenen Frakturierungspumpen, insbesondere wiederum bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtfördervolumenströmen, alle angetriebenen Frakturierungspumpen jeweils über ein hydrodynamisches Wandlergetriebe mit jeweils geschlossener Überbrückungskupplung angetrieben und eine Gesamtleistungsanpassung erfolgt durch Regelung oder Steuerung der Drehzahl der wenigstens einen Antriebsmaschine. Dadurch können Wirkungsgradverluste minimiert werden.
Wenn gemäß der zuvor dargestellten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise vier Frakturierungspumpen einen Volumenstrombedarf von 320 Prozent erfüllen sollen, bezogen auf den Maximalvolumenstrom einer einzigen der vier Frakturierungspumpen mit gleichem maximalen Fördervolumen, so können zum Beispiel drei Frakturierungspumpen mit mechanisch durchgeschaltetem hydrodynamischen Wandlergetriebe jeweils 100 Prozent ihres maximalen Fördervolumens fördern und die vierte Frakturierungspumpe kann hydrodynamisch abgeregelt 20 Prozent ihres maximalen Fördervolumens fördern. Dies ist erreichbar bei konstanter Eingangsdrehzahl aller hydrodynamischen Wandlergetriebe. Die Verluste aus der hydrodynamischen Leistungsübertragung fallen nur in einem einzigen Wandlergetriebe an.
Bei variabler Eingangsdrehzahl der hydrodynamischen Wandlergetriebe kann dasselbe Fördervolumen dadurch erreicht werden, dass alle hydrodynamischen Wandlergetriebe mechanisch durchgeschaltet werden und die Frakturierungspumpen mit 80 Prozent ihres maximalen Fördervolumens betrieben werden. Damit ist eine weitere Verlustreduzierung möglich. Dies erfordert jedoch den Einsatz wenigstens einer im Nennbetrieb drehzahlregelbaren Gasturbine.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hydraulischen Frakturierungspumpvorrichtung;
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hydraulischen
Frakturierungspumpvorrichtung mit mehreren Frakturierungspumpen.
In der Figur 1 ist eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung dargestellt, umfassend eine Gasturbine 1 , die über ein hydrodynamisches Wandlergetriebe 3 eine Frakturierungspumpe 2 antreibt. Das hydrodynamische Wandlergetriebe 3 umfasst eine Eingangswelle 4, die in Triebverbindung mit einer Abtriebswelle der Gasturbine 1 steht, und eine Ausgangswelle 5, die in Triebverbindung mit einer Eingangswelle der Frakturierungspumpe 2 steht.
Das hydrodynamische Wandlergetriebe 3 umfasst zwei Leistungszweige, nämlich einen ersten hydrodynamischen Leistungszweig und einen parallel hierzu im Leistungsfluss angeordneten rein mechanischen Leistungszweig. Der hydrodynamische Leistungszweig umfasst einen hydrodynamischen Wandler 6 und der mechanische Leistungszweig umfasst eine Überbrückungskupplung 7.
Der hydrodynamische Wandler 6 weist ein Pumpenrad 9 auf, das im gezeigten Ausführungsbeispiel von einer ersten Zwischenwelle 14 getragen wird, sowie ein Turbinenrad 10, das von einer zweiten Zwischenwelle 15 getragen wird. Das Pumpenrad 9 und das Turbinenrad 10 sind in einem gemeinsamen Arbeitsraum 13 zusammen mit einem ersten Leitrad 11 und einem zweiten Leitrad 12 angeordnet. Durch Antrieb des Pumpenrads 9 stellt sich im Arbeitsraum 13 ein Arbeitsmediumkreislauf ein, der das Turbinenrad 10 hydrodynamisch antreibt. Die beiden Leiträder 11, 12 dienen der Einstellung der Wandlung, das heißt des Drehmomentunterschiedes zwischen dem am Pumpenrad 9 und dem am Turbinenrad 10 anliegenden Drehmoment.
Das erste Leitrad 11 ist mit nicht verstellbaren, das heißt feststehenden Leitschaufeln bestückt, wohingegen das zweite Leitrad 12 mit bezüglich einer Strömung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf verstellbaren Leitschaufeln bestückt ist.
Das Pumpenrad 9 und das Turbinenrad 10 werden insbesondere zentrifugal durchströmt. Das Pumpenrad 9 kann bevorzugt auch diagonal-zentrifugal durchströmt werden.
Die erste Zwischenwelle 14 ist mittels der Überbrückungskupplung 7 mechanisch mit der zweiten Zwischenwelle 15 koppelbar, sodass eine rein mechanische Triebverbindung zwischen der Eingangswelle 4, die über eine Eingangsstufe 16 in mechanischer Triebverbindung mit der ersten Zwischenwelle 14 steht, und der Ausgangswelle 5, die über eine Ausgangsstufe 17 in mechanischer Triebverbindung mit der zweiten Zwischenwelle 15 steht, herstellbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mit dem hydrodynamischen Wandlergetriebe 3 Antriebsleistung ausschließlich über den hydrodynamischen Leistungszweig oder den mechanischen Leistungszweig übertragen werden und eine parallele Leistungsübertragung ist ausgeschlossen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist eine gleichzeitige Leistungsübertragung über den hydrodynamischen Leistungszweig und den mechanischen Leistungszweig möglich, insbesondere ist die Aufteilung der Leistungsübertragung variabel einstellbar.
In der Figur 2 ist exemplarisch eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung mit vier Frakturierungspumpen 2 dargestellt, die gemeinsam ein Druckmedium in ein Bohrloch 8 zu einer vorbestimmten Gesteinsschicht pumpen. Die Zahl vier ist dabei beispielhaft und es kann selbstverständlich eine andere Anzahl von Frakturierungspumpen 2 vorgesehen sein. Für alle Frakturierungspumpen 2 gemeinsam werden ein Gesamtvolumenstrom und ein Gesamtdruck vorgegeben, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet wird. Die Frakturierungspumpen 2 werden hierfür über jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe 3 der zuvor dargestellten Art mittels einer oder mehreren gemeinsamen Gasturbinen 1 oder hier mit jeweils einer eigenen Gasturbine 1 angetrieben, um den gewünschten Gesamtvolumenstrom und den Förderdruck zu erreichen. Selbstverständlich könnten die hydrodynamischen Wandlergetriebe 3 auch abweichend von den zuvor dargestellten Einzelheiten ausgeführt sein.
Bevorzugte erfolgt der Antrieb der verschiedenen Frakturierungspumpen 2 derart, dass möglichst viele hydrodynamische Wandlergetriebe 3 mit geschlossener Überbrückungskupplung 7 arbeiten. Insbesondere arbeitet nur ein einziges Wandlergetriebe 3 mit offener Überbrückungskupplung 7. Gemäß einer Ausführungsform arbeiten alle Wandlergetriebe mit geschlossener Überbrückungskupplung 7 und die Drehzahl der Frakturierungspumpen 2 wird über die Antriebsdrehzahl der Gasturbine 1 beziehungsweise der jeweiligen Gasturbine 1 eingestellt. Bezugszeichenliste
1 Gasturbine
2 Frakturierungspumpe
3 hydrodynamisches Wandlergetriebe
4 Eingangswelle
5 Ausgangswelle
6 hydrodynamischer Wandler
7 Überbrückungskupplung
8 Bohrloch
9 Pumpenrad
10 Turbinenrad
11 Leitrad
12 Leitrad
13 Arbeitsraum
14 erste Zwischenwelle
15 zweite Zwischenwelle
16 Eingangsstufe
17 Ausgangsstufe

Claims

Patentansprüche
1. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung mit wenigstens einer einwelligen oder mehrwelligen Gasturbine (1 ) als Antriebsmaschine; mit wenigstens einer Frakturierungspumpe (2), die in einer Triebverbindung mit der wenigstens einen Gasturbine (1) steht, um mittels der wenigstens einen Gasturbine (1) angetrieben zu werden, und die eingerichtet ist, ein Druckmedium in eine Gesteinsschicht zu pumpen; dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung ein hydrodynamisches Wandlergetriebe (3) vorgesehen ist, das eine Eingangswelle (4), eine Ausgangswelle (5) und einen hydrodynamischen Wandler (6) aufweist, wobei die Eingangswelle (4) über den hydrodynamischen Wandler (6) in eine hydrodynamische Triebverbindung mit der Ausgangswelle (5) schaltbar ist.
2. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamische Wandlergetriebe (3) ferner eine schaltbare Überbrückungskupplung (7) aufweist und die Eingangswelle (4) über die Überbrückungskupplung (7) in eine rein mechanische Triebverbindung mit der Ausgangswelle (5) schaltbar ist.
3. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Frakturierungspumpe (2) einen Förderdruck von 130 bar bis 1200 bar, insbesondere von 500 bar bis 1200 bar, oder mehr aufweist.
4. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frakturierungspumpe (2) ein Fördervolumenstrom von 2 bis 300 m3 pro Stunde, insbesondere von 50 bis 300 m3 pro Stunde, oder mehr aufweist.
5. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrodynamische Wandler (6) ein einziges beschaufeltes Pumpenrad (9) und ein einziges beschaufeltes Turbinenrad (10) sowie ein oder mehrere beschaufeite Leiträder (11, 12) aufweist, die einem in gemeinsamen Arbeitsmediumkreislauf in einem Arbeitsraum (13) angeordnet sind.
6. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsraum (13) ein erstes Leitrad (11) mit feststehenden Leitschaufeln und ein zweites Leitrad (12) mit im Arbeitsmediumkreislauf verstellbaren Leitschaufeln angeordnet sind.
7. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (4) über eine verzahnte Eingangsstufe (16), insbesondere mit einer Schrägverzahnung, in Triebverbindung mit einer ersten Zwischenwelle (14) steht, welche das Pumpenrad (9) trägt, und die Ausgangswelle (5) über eine verzahnte Ausgangsstufe (17), insbesondere mit einer Schrägverzahnung, in Triebverbindung mit einer zweiten Zwischenwelle (15) steht, die das Turbinenrad (10) trägt, und die erste Zwischenwelle (14) mittels der Überbrückungskupplung (7) mechanisch an die zweite Zwischenwelle (15) koppelbar ist.
8. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass betrachtet in Richtung des Antriebsleistungsflusses von der Eingangswelle (4) zur Ausgangswelle (5) sowohl die Eingangsstufe (16) als auch die Ausgangssurfe (17) eine Übersetzung ins Langsame darstellen.
9. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrgestell, insbesondere in Form eines Lkw-Anhängers, vorgesehen ist, mit welchem die hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung verfahrbar ist.
10. Flydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von parallel zueinander angetriebenen Frakturierungspumpen (2) vorgesehen ist, die jeweils in Triebverbindung mit einer separaten Gasturbine (1) oder wenigstens einer gemeinsamen Gasturbine (1) stehen, wobei in jeder Triebverbindung pro Frakturierungspumpe (2) ein entsprechendes hydrodynamisches Wandlergetriebe (3) vorgesehen ist und die Wandlergetriebe (3) parallel zueinander von der wenigstens einen Gasturbine (1 ) angetrieben werden.
11. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gasturbine (1) als Einwellengasturbine ausgeführt ist, die eine konstante Nennbetriebsdrehzahl aufweist.
12. Hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gasturbine (1) als Zweiwellengasturbine ausgeführt ist, die einen Nennbetrieb mit variabler Antriebsdrehzahl aufweist.
13. Verfahren zum Steuern einer Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtleistungsabgaben aller parallel angetriebenen Frakturierungspumpen (2) stets nur maximal ein hydrodynamisches Wandlergetriebe (3) mit geöffneter Überbrückungskupplung (7) betrieben wird und alle anderen Frakturierungspumpen (2) über jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe (3) mit jeweils geschlossener Überbrückungskupplung (7) angetrieben werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gasturbine (1) mit einer konstanten Nennbetriebsdrehzahl betrieben wird.
15. Verfahren zum Steuern einer Frakturierungspumpvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtleistungsabgaben alle angetriebenen Frakturierungspumpen (2) über jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe (3) mit jeweils geschlossener Überbrückungskupplung (7) angetrieben werden und die tatsächliche Gesamtleistungsabgabe der
Frakturierungspumpen (2) durch eine Drehzahlanpassung der wenigstens einen Gasturbine (1) eingestellt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gasturbine (1) mit einer variablen Nennbetriebsdrehzahl betrieben wird.
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