EP4134512B1 - Volumenausgleichsvorrichtung - Google Patents

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EP4134512B1
EP4134512B1 EP22185953.1A EP22185953A EP4134512B1 EP 4134512 B1 EP4134512 B1 EP 4134512B1 EP 22185953 A EP22185953 A EP 22185953A EP 4134512 B1 EP4134512 B1 EP 4134512B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oil
chamber
heavy
volume
light
Prior art date
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Active
Application number
EP22185953.1A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP4134512A1 (de
EP4134512C0 (de
Inventor
Ahmad Mohammadi
Andy Limanowka
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.)
Oil Dynamics GmbH
Original Assignee
Oil Dynamics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Oil Dynamics GmbH filed Critical Oil Dynamics GmbH
Publication of EP4134512A1 publication Critical patent/EP4134512A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4134512C0 publication Critical patent/EP4134512C0/de
Publication of EP4134512B1 publication Critical patent/EP4134512B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/128—Adaptation of pump systems with down-hole electric drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/06—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/18—Lubricating

Definitions

  • the invention relates to a system for introducing deep well pumps (also called electric submersible pumps - ESP) into a borehole in geothermal energy, with a working oil chamber filled with light oil or a light oil-like fluid and a volume compensation device.
  • deep well pumps also called electric submersible pumps - ESP
  • Deep well drilling in geothermal energy reaches great depths, which can be 3000m or more depending on the structure of the earth's mantle. This depends on the depth at which the temperature required for using geothermal energy prevails.
  • the aim is to achieve the highest possible temperatures, as this also increases the energy yield.
  • temperatures of around 170°C prevail at a depth of 3000m.
  • these temperatures also bring problems, as the pump device with drive, which is located in the borehole and is used to pump the borehole fluid, also generates heat.
  • the borehole fluid is the hot well water. The greatest heat generation occurs in the electric motor, although the highest temperatures can be reached in the axial bearing that supports the drive shaft for the pump.
  • This bearing has to absorb forces of 15 to 25 tons.
  • Such a bearing requires lubrication, for which oil is used.
  • this oil changes in volume due to temperature fluctuations caused by the heat generated when the device is in operation.
  • well water must not under any circumstances enter the working oil chamber and contaminate the light oil there.
  • the light oil should not leak into the well water.
  • This risk does not exist with heavy oil, as its consistency and high specific weight form a safe barrier even at high temperatures.
  • heavy oil is far too expensive to be used as working oil for lubrication at €600 per liter for lubricating the axial bearing and possibly filling the electric motor to drive the pump.
  • Light oil is much less expensive. The problem to be solved is therefore to prevent any well water from entering the light oil or leaking into the well water, despite the change in volume of the working oil.
  • Bellows systems are known that separate the working oil from the borehole fluid and allow a compensation of the volume change due to their elasticity, e.g. DE 1 186 141 (explanatory document ), WO 2017/096103 A1 and WO 2016/032521 A1 .
  • the PCT/US2017/064498 therefore proposes a spring-loaded piston that moves relative to a compressed gas chamber.
  • the disadvantage of this is that the compressibility of the gas limits the volume compensation, and the pressure in the gas would cause an increase in pressure in the working oil if the volume to be compensated was large.
  • a servo motor is provided that moves the piston used for volume compensation so that the working oil pressure cannot increase too much.
  • This also requires pressure detection and control.
  • Such a system is complicated, expensive and prone to failure, particularly due to the high temperatures.
  • the invention is therefore based on the object of making available a volume compensation device of the type mentioned at the beginning, which is robust even at high temperatures, is simply constructed and has a high compensation capacity.
  • a separating layer made of heavy oil or heavy oil-like fluid which can be displaced in accordance with the change in volume of the light oil or light oil-like fluid, is arranged as a volume compensation device between the light oil or the light oil-like fluid of the working oil chamber and the borehole fluid surrounding it.
  • the borehole fluid In geothermal energy, the borehole fluid is well water, but other possible uses should not be ruled out, such as in oil production, in which case it would be crude oil, for example.
  • the basic idea of the invention is to add a heavy oil layer (this always means a heavy oil-like fluid, ie with a similar specific weight) to separate the borehole fluid, usually the well water, from the light oil (this always means a fluid similar to light oil with comparable lubricating properties) in order to create a secure barrier that completely prevents well water from entering the working oil chamber, mixing with the light oil and thus contamination, or leaking into the well water.
  • a heavy oil layer this always means a heavy oil-like fluid, ie with a similar specific weight
  • the light oil this always means a fluid similar to light oil with comparable lubricating properties
  • a piston that can be moved in a cylinder could be arranged on the light oil, on which the heavy oil can be arranged above the light oil.
  • the heavy oil is immiscible with water, it can act as a movable separating layer directly adjacent to the well water if it is below the water.
  • the volume compensation device has a volume compensation chamber connected to the working oil chamber, which has a light oil region for volume compensation of the light oil and a heavy oil region with a heavy oil or a heavy oil-like fluid.
  • the boundary between the light oil region and the heavy oil region is movable and the heavy oil can flow into an expansion chamber, which has another heavy oil region that borders on a borehole fluid region, whereby the borehole fluid can flow in and out of the expansion chamber via a compensation opening.
  • the basic idea of this alternative is that there are two chambers, one for the adjoining of light and heavy oil and a separate one for the adjoining of heavy oil and well water (or another borehole fluid that is lighter than heavy oil, for example crude oil).
  • This multi-chamber system is then expediently designed in such a way that the volume compensation chamber has a connection from its light oil area to the working oil chamber and from its heavy oil area to another heavy oil area of the expansion chamber.
  • Such a multi-chamber system can be constructed in different ways: It can be provided that the working oil chamber is arranged below the volume compensation chamber and the expansion chamber is arranged above the volume compensation chamber. Alternatively, it can also be provided that the volume compensation chamber is arranged below the working oil chamber and the expansion chamber is arranged above the working oil chamber, the connection from the volume compensation chamber to the expansion chamber being a pipe connection bypassing the working oil chamber.
  • a device for catching a leakage of the heavy oil into the light oil and for returning it to the heavy oil in the volume compensation chamber is arranged on a mechanical seal between the volume compensation chamber and the working oil chamber.
  • a specific implementation for the collection and return of the heavy oil provides that a heavy oil collection tank with a heavy oil sump and a pump is arranged below the mechanical seal for catching a leakage of the heavy oil, which pumps the collected heavy oil back to the volume compensation chamber via a return line.
  • a further advantageous development provides that a heat exchanger is arranged which extracts heat from the light oil and transfers it to the borehole fluid.
  • a pump can be provided which supplies the light oil to be cooled to the heat exchanger by means of an oil circuit.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention with a multi-chamber system.
  • the encapsulated volume compensation device 1 is inserted into a borehole 2 in the ground 31, which is usually rock at this depth. This is described in more detail in Fig. 4 presented and described.
  • the encapsulated volume compensation device 1 is used to compensate for the volume of a light oil 4 or light oil-like fluid used for lubrication in a working oil chamber 5 when it expands when heated or contracts again when cooled.
  • the volume changes can be attributed to three causes: Firstly, the temperature difference between the temperature when the light oil 4 is filled in and the temperature when the device 1 is introduced into the hot well water 6 in the borehole 2. This temperature difference is approximately 80 to 150°C.
  • the electric motor 21 then generates heat, resulting in a temperature difference of approximately 50°C.
  • the axial bearing 19 then contributes a further temperature difference of approximately 30°C, but can lead to the highest temperature in its area. All of this also takes place in an environment that is already hot, since geothermal energy is particularly effective when the hottest possible well water can be pumped out.
  • a volume compensation chamber 10 In order to provide volume compensation for the light oil 4 in the working oil chamber 5, in which the axial bearing 19 is also located, this is connected via a connection 16 to a volume compensation chamber 10, namely to its light oil area 10'. Below this in this chamber is a heavy oil area 10", whereby the light oil 4 and the heavy oil 7 form a stable boundary 11 due to their different specific weight.
  • the heavy oil area 10" is connected via a connection 17 to an expansion chamber 12.
  • This expansion chamber 12 has a further heavy oil area 13 in its lower area and a borehole fluid area 14 in its upper area.
  • the borehole fluid 6 flows from a compensation opening 15 into the intermediate area of a tube which lines the borehole 2 as a well wall 38 and contains the various functional elements of the conveying device (see Fig. 4 ).
  • the double arrow 15' shows this entry and exit of the borehole fluid 6 from or into the expansion chamber 13.
  • the pump shaft 20 extends through the volume compensation device 1, with the pump 29 with intake port 34 located above and the electric motor 21 below, which is usually also located in an area of the working oil chamber 5 with light oil 4, which must be imagined as being extended downwards in the illustration.
  • a leakage 23 of the heavy oil 7 can be collected at a mechanical seal 22 when it passes from the volume compensation chamber 10 into the working oil chamber 5.
  • a heavy oil collecting basin 24 is mounted below the mechanical seal 22, preferably a mechanical seal, which collects the leakage 23 and feeds it to a heavy oil sump 25.
  • a pump 26 then ensures that the heavy oil 7 is returned to the light oil area 10 ⁇ of the volume compensation chamber 10 via a return line 27, whereby the latter then sinks to the heavy oil area 10". In this way, it can be avoided that such a leakage 23 causes heavy oil 7 to pass from the volume compensation chamber 10 into the light oil 4 of the working oil chamber 5 and thus be lost for the function described.
  • a heat exchanger 28 is also provided, the function of which is to cool the light oil 4.
  • the heat exchanger 28 is arranged between the working oil chamber 5 and the borehole fluid 6 within the well wall 38.
  • a pump 29 is arranged, for example on the pump shaft 20. It drives an oil circuit 30 (small arrows), which supplies the oil to the heat exchanger 28. In this way, the strong heat development of the axial bearing 19 is dissipated in particular and This prevents the light oil 4 from heating up too much and losing some of its lubricating properties.
  • Fig. 2 shows a single-chamber system not according to the invention, which implements the basic idea of the invention in a simple manner.
  • the axial bearing 19 and the (not shown) electric motor 21 are located in the single chamber, which are located in the light oil 4, which heats up.
  • a piston 9 mounted in a cylinder 8 moves, as shown by the double arrow 9'. Due to this displacement - upwards when heated, downwards when cooled - the heavy oil 7 resting on the piston 9 also moves. Above the heavy oil 7 is the borehole fluid 6, which can enter and exit through the compensation opening 15 according to the arrows 15'.
  • the same reference symbols in the figures show functionally identical features.
  • the boundary 11 between light oil 4 and heavy oil 7 is formed by the piston 9, and the displacement takes place according to the double arrow 9'.
  • the problem with this arrangement is the seal between the movable piston and the cylinder wall.
  • Fig. 3 shows a multi-chamber system not according to the invention, in which the chambers are arranged differently.
  • the working oil chamber 5 is located between the volume compensation chamber 10 and the expansion chamber 12.
  • the axial bearing 19 and the electric motor 21 are arranged in the working oil chamber 5. If the light oil 4 expands in the working oil chamber 5, it is pressed downwards through the connection 16 into the volume compensation chamber 10, in which the light oil area 10' and the heavy oil area 10" are located.
  • a piston 9 is arranged between the heavy oil 7 and the light oil 4, which moves up and down in a cylinder 8 in accordance with the change in volume of the light oil 4.
  • the piston 9 can also be supported by a spring.
  • Fig. 4 shows the use of the invention in a conveying device 39 in a borehole 2.
  • the borehole 2 is separated from the soil 31, i.e. mostly the rock, by a well wall 38.
  • the entire conveying device 39 for the well water 6 is located within this well wall 38.
  • This consists of a deep well pump 3, which is driven by an electric motor 21.
  • the conveying pipe 33 is used for conveying.
  • the electric motor 21 is supplied with power via a cable 32.
  • the encapsulated volume compensation device 1 according to the invention with the axial bearing 19 is arranged between the deep well pump 3 with the intake nozzle 34 and the electric motor 21.
  • a sensor 35 At the lower end of the conveying device 39 there is a sensor 35 and a centering device 36. Above the ground there is an above-ground fitting and pipe 37 for the extracted well water 6 in order to use the geothermal heat.
  • Fig. 2 and Fig. 3 be provided with a device for collecting a leak or have a cooling device.
  • a device for catching a leak could also be arranged between the expansion chamber 12 and the working oil chamber 5.
  • Other variations, such as a system with two chambers, are also possible by transferring features from one example to the other.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Einführung in ein Bohrloch für Tiefbrunnenpumpen (auch Electric Submersible Pumps - ESP genannt) in der Geothermie, mit einer mit Leichtöl oder einem leichtölähnlichen Fluid gefüllten Arbeitsölkammer und einer Volumenausgleichsvorrichtung.
  • Tiefbrunnenbohrungen in der Geothermie reichen in große Tiefen, die je nach Aufbau des Erdmantels 3000m oder mehr betragen können. Dies hängt davon ab, in welcher Tiefe die für die Nutzung der Erdwärme gewünschte Temperatur herrscht. Möglichst hohe Temperaturen werden dabei angestrebt, da dann auch die Energieausbeute hoch ist. Im Oberrheingraben herrschen beispielsweise in 3000m Tiefe Temperaturen von ca. 170°C. Diese Temperaturen bringen jedoch auch Probleme mit sich, da die Pumpenvorrichtung mit Antrieb, die sich in dem Bohrloch befindet und der Förderung des Bohrlochfluids dient, ihrerseits auch noch Wärme erzeugt. Das Bohrlochfluid ist in der Geothermie das heiße Brunnenwasser. Die größte Wärmeerzeugung tritt am Elektromotor auf, wobei jedoch am Axiallager, das die Antriebswelle für die Pumpe abstützt, die höchsten Temperaturen erreicht werden können. Dabei sind von diesem Lager Kräfte von 15 bis 25 Tonnen abzufangen. Ein solches Lager bedarf einer Schmierung, für die Öl verwendet wird. Dieses Öl weist jedoch infolge der Temperaturschwankungen durch die Wärmeerzeugung beim Betrieb der Vorrichtung Volumenänderungen auf. Durch diese bedingt darf auf keinen Fall Brunnenwasser in die Arbeitsölkammer eintreten und dort das Leichtöl verschmutzen. Das Leichtöl sollte aber auch nicht in das Brunnenwasser austreten. Diese Gefahr besteht nicht bei Schweröl, da dieses durch seine Konsistenz und dem hohen spezifischen Gewicht auch bei den hohen Temperaturen eine sichere Barriere bildet. Das Schweröl ist jedoch zur Schmierung des Axiallagers und eventuell einer Ölfüllung des Elektromotors zum Antrieb der Pumpe mit einem Preis von 600,- € pro Liter viel zu teuer, um als Arbeitsöl zum Schmieren zu dienen. Leichtöl verursacht dagegen wesentlich geringere Kosten. Das zu lösende Problem besteht somit darin, trotz der Volumenänderung des Arbeitsöls jegliches Eindringen von Brunnenwasser in das Leichtöl oder ein Austreten von Leichtöl in das Brunnenwasser zu unterbinden.
  • Bekannt sind Balgsysteme, die das Arbeitsöl vom Bohrlochfluid trennen und durch ihre Elastizität einen Ausgleich der Volumenänderung ermöglichen, z.B. DE 1 186 141 (Auslegeschrift ), WO 2017/096103 A1 und WO 2016/032521 A1 .
  • Der Nachteil dieser Art eines Volumenausgleichs ist einerseits die Begrenzung dieses Ausgleichs durch die mechanisch limitierte Balgausdehnung, andererseits ist ein solcher Balg ein hitzeempfindliches Verschleißteil, das öfter ausgewechselt werden müßte, was wegen der Anordnung im Bohrloch einen erheblichen Aufwand darstellt.
  • Die PCT/US2017/064498 schlägt daher einen federbelasteten Kolben vor, der sich gegenüber einer Druckgaskammer verschiebt. Der Nachteil dabei ist, daß die Kompressionsfähigkeit des Gases den Volumenausgleich limitiert, und der Druck im Gas bei großem auszugleichenden Volumen für eine Druckerhöhung im Arbeitsöl sorgen würde. Um diesen auszugleichen und den gewünschten Druck im Arbeitsöl zu erhalten, ist ein Servomotor vorgesehen, der den, dem Volumenausgleich dienenden Kolben verschiebt, damit der Arbeitsöldruck nicht zu sehr ansteigen kann. Dazu sind aber auch noch eine Druckerfassung und eine Regelung erforderlich. Ein solches System ist kompliziert, teuer und störanfällig, insbesondere aufgrund der hohen Temperaturen.
  • Das Dokument US 3,182,214 A beschreibt eine tauchbare Dichtung für einen Elektromotor, der eine Pumpe mittels einer durch die Dichtung hindurchgehenden Welle antreibt, um den Motor vor dem Eindringen von Umgebungsflüssigkeit zu schützen, in die der Motor, die Pumpe und die Dichtung eingetaucht werden sollen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Volumenausgleichsvorrichtung der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, die auch bei hohen Temperaturen robust ist, einfach aufgebaut ist sowie eine hohe Ausgleichskapazität besitzt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Volumenausgleichsvorrichtung zwischen dem Leichtöl oder dem leichtölähnlichen Fluid der Arbeitsölkammer und dem diese umgebenden Bohrlochfluid eine, entsprechend der Volumenänderung des Leichtöls oder leichtölähnlichen Fluids, verschiebbare Trennschicht aus Schweröl oder schwerölähnlichem Fluid angeordnet ist.
  • Das Bohrlochfluid ist in der Geothermie Brunnenwasser, es sollen jedoch andere Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise in der Ölförderung, nicht ausgeschlossen werden, dann wäre es beispielsweise Erdöl.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Schwerölschicht (damit gemeint ist immer auch ein schwerölähnliches Fluid, d.h. mit ähnlichem spezifischem Gewicht) dazu zu nutzen, das Bohrlochfluid, also in der Regel das Brunnenwasser, von dem Leichtöl (damit gemeint ist immer auch ein leichtölähnliches Fluid mit vergleichbaren Schmiereigenschaften) zu trennen, um so eine sichere Barriere zu schaffen, die ein Eindringen von Brunnenwasser in die Arbeitsölkammer, eine Vermischung mit dem Leichtöl und somit dessen Verunreinigung als auch dessen Austreten in das Brunnenwasser vollständig ausschließt. Bei der Umsetzung dieses Grundgedankens muß dann der Tatsache Rechnung getragen werden, daß das Schweröl schwerer als Leichtöl ist, sich am tiefsten Punkt sammelt und sich bei unmittelbarer Angrenzung nicht mit Wasser vermischt, das Leichtöl aber andererseits sowohl auf dem Schweröl als auch auf dem Wasser schwimmen würde. Es ist also nicht möglich, ohne entsprechende Maßnahmen das Schweröl zwischen Leichtöl und Wasser einzufügen. Die Erfindung sieht zur Lösung dieses Problems unterschiedliche Maßnahmen vor.
  • Im nicht erfindungsgemäßen einfachsten Fall könnte man auf dem Leichtöl einen in einem Zylinder verschiebbaren Kolben anordnen, auf dem das Schweröl über dem Leichtöl angeordnet werden kann. Das Schweröl kann jedoch, da mit Wasser unvermischbar, als verschiebbare Trennschicht unmittelbar an das Brunnenwasser angrenzen, wenn es unterhalb des Wassers liegt.
  • Bei der technischen Umsetzung der Trennung von Leicht- und Schweröl können aber auch andere Möglichkeiten eingesetzt werden als ein diese unterschiedlichen Öle trennender verschiebbarer Kolben:
    Als Alternative dazu wird ein Mehrkammersystem vorgeschlagen, bei dem die Volumenausgleichsvorrichtung eine mit der Arbeitsölkammer verbundene Volumenausgleichskammer aufweist, die einen Leichtölbereich für den Volumenausgleich des Leichtöls aufweist und einen Schwerölbereich mit einem Schweröl oder einem schwerölähnlichen Fluid. Dabei ist die Grenze zwischen Leichtölbereich und Schwerölbereich verschiebbar und das Schweröl kann in eine Expansionskammer fließen, die einen weiteren Schwerölbereich aufweist, der an einen Bohrlochfluidbereich angrenzt, wobei das Bohrlochfluid über eine Ausgleichsöffnung aus der Expansionskammer ein- und ausströmen kann. Der Grundgedanke dieser Alternative ist der, daß es zwei Kammern gibt, eine für die Aneinandergrenzung von Leicht- und Schweröl und eine separate für die Aneinandergrenzung von Schweröl und Brunnenwasser (oder einem anderen Bohrlochfluid, das leichter als Schweröl ist, beispielsweise Erdöl).
  • Dieses Mehrkammersystem ist dann zweckmäßigerweise derart ausgestaltet, daß die Volumenausgleichskammer von ihrem Leichtölbereich eine Verbindung zur Arbeitsölkammer und von ihrem Schwerölbereich eine Verbindung zu einem weiteren Schwerölbereich der Expansionskammer aufweist.
  • Ein solches Mehrkammersystem kann auf verschiedene Weise aufgebaut sein:
    Es kann vorgesehen sein, daß die Arbeitsölkammer unterhalb der Volumenausgleichskammer und die Expansionskammer über der Volumenausgleichskammer angeordnet ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Volumenausgleichskammer unterhalb der Arbeitsölkammer und die Expansionskammer oberhalb der Arbeitsölkammer angeordnet ist, wobei die Verbindung von Volumenausgleichskammer zur Expansionskammer eine die Arbeitsölkammer umgehende Rohrverbindung ist.
  • Für die Ausführungsform, daß die Arbeitsölkammer unterhalb der Volumenausgleichskammer und die Expansionskammer über der Volumenausgleichskammer angeordnet ist, wird als zweckmäßige Weiterbildung vorgeschlagen, daß an einer mechanischen Dichtung zwischen Volumenausgleichskammer und Arbeitsölkammer eine Vorrichtung zum Auffangen einer Leckage des Schweröls in das Leichtöl und zur Rückführung in das Schweröl der Volumenausgleichskammer angeordnet ist. Dabei sieht eine konkrete Umsetzung für das Auffangen und die Rückführung des Schweröls vor, daß unterhalb der mechanischen Dichtung zum Auffangen einer Leckage des Schweröls ein Schwerölsammelbecken mit einem Schwerölsumpf und einer Pumpe angeordnet ist, die das aufgefangene Schweröl über eine Rückführleitung in die Volumenausgleichskammer zurückbefördert.
  • Eine weitere vorteilhafte Weitebildung sieht vor, daß ein Wärmetauscher angeordnet ist, der dem Leichtöl Wärme entzieht und diese an das Bohrlochfluid abgibt. Dazu kann eine Pumpe vorgesehen sein, die mittels eines Ölkreislaufs dem Wärmetauscher das zu kühlende Leichtöl zuführt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Mehrkammersystem
    Fig. 2
    ein nicht erfindungsgemäßes Einkammersystem,
    Fig. 3
    ein nicht erfindungsgemäßes Mehrkammersystem und
    Fig. 4
    den Einsatz der Erfindung in einem Bohrloch.
  • Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Mehrkammersystem. Die gekapselte Volumenausgleichsvorrichtung 1 ist in ein Bohrloch 2 in das Erdreich 31 eingebracht, das in dieser Tiefe in der Regel Gestein ist. Dies ist ausführlicher in Fig. 4 dargestellt und beschrieben.
  • Die gekapselte Volumenausgleichsvorrichtung 1 dient dazu, ein der Schmierung dienendes Leichtöl 4 oder leichtölähnliches Fluid einer Arbeitsölkammer 5 einen Volumenausgleich zu gewähren, wenn sich dieses durch Erhitzung ausdehnt beziehungsweise bei Abkühlung wieder zusammenzieht. Die Volumenänderungen sind auf drei Ursachen zurückzuführen: Zum einen die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur beim Einfüllen des Leichtöls 4 und der Temperatur, wenn die Vorrichtung 1 in das heiße Brunnenwasser 6 des Bohrlochs 2 eingeführt wird. Diese Temperaturdifferenz beträgt ungefähr 80 bis 150°C. Dann generiert der Elektromotor 21 Wärme, wodurch eine Temperaturdifferenz von ca. 50°C auftritt. Das Axiallager 19 steuert dann nochmals eine Temperaturdifferenz von ca. 30°C bei, kann aber in seinem Bereich zur höchsten Temperatur führen. Dies alles erfolgt auch noch in einer ohnehin schon heißen Umgebung, da die Geothermie dann besonders effektiv ist, wenn möglichst heißes Brunnenwasser gefördert werden kann.
  • Um dem Leichtöl 4 der Arbeitsölkammer 5, in der sich auch das Axiallager 19 befindet, einen Volumenausgleich zu gewähren, ist diese über eine Verbindung 16 mit einer Volumenausgleichskammer 10 verbunden und zwar mit deren Leichtölbereich 10'. Darunter ist in dieser Kammer ein Schwerölbereich 10", wobei das Leichtöl 4 und das Schweröl 7 aufgrund des unterschiedlichen spezifischen Gewichts eine stabile Grenze 11 bilden. Der Schwerölbereich 10" ist über eine Verbindung 17 mit einer Expansionskammer 12 verbunden. Diese Expansionskammer 12 hat in ihrem unteren Bereich einen weiteren Schwerölbereich 13 und in ihrem oberen Bereich einen Bohrlochfluidbereich 14. Je nach der Volumenänderung des Leichtöls 4, das von der Volumenausgleichskammer 10 bei Expansion das Schweröl 7 in die Expansionskammer 12 drückt, hebt sich dort der Spiegel des Schweröls 7 oder senkt sich bei Abkühlung ab. Entsprechend dieses Vorgangs strömt das Bohrlochfluid 6 aus einer Ausgleichsöffnung 15 in den Zwischenbereich einer Röhre, die als Brunnenwand 38 das Bohrloch 2 auskleidet und die verschiedenen Funktionselemente der Fördervorrichtung enthält (siehe Fig. 4). Der Doppelpfeil 15' zeigt diesen Ein- und Austritt des Bohrlochfluids 6 aus bzw. in die Expansionskammer 13.
  • Durch die Volumenausgleichsvorrichtung 1 hindurch erstreckt sich die Pumpenwelle 20, wobei sich oberhalb die Pumpe 29 mit Ansaugstutzen 34 befindet und unterhalb der Elektromotor 21, der in der Regel ebenfalls in einem Bereich der Arbeitsölkammer 5 mit Leichtöl 4 liegt, die man sich in der Darstellung nach unten verlängert vorstellen muß.
  • Gezeigt ist weiterhin eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung durch die an einer mechanischen Dichtung 22 eine Leckage 23 des Schweröls 7 aufgefangen werden kann, wenn diese von der Volumenausgleichskammer 10 in die Arbeitsölkammer 5 übertritt. Dazu ist unterhalb der mechanischen Dichtung 22, vorzugsweise einer Gleitringdichtung, ein Schwerölsammelbecken 24 angebracht, das die Leckage 23 sammelt und einem Schwerölsumpf 25 zuführt. Eine Pumpe 26 sorgt dann über eine Rückführleitung 27 des Schweröls 7 in den Leichtölbereich 10` der Volumenausgleichskammer 10, wobei dann dieses zum Schwerölbereich 10" sinkt. Auf diese Weise kann vermieden werden, daß durch eine solche Leckage 23 Schweröl 7 von der Volumenausgleichskammer 10 in das Leichtöl 4 der Arbeitsölkammer 5 übertritt und dadurch für die beschriebene Funktion verlorengeht. Weiterhin ist ein Wärmetauscher 28 vorgesehen, dessen Funktion die Abkühlung des Leichtöls 4 ist. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 28 zwischen der Arbeitsölkammer 5 und dem Bohrlochfluid 6 innerhalb der Brunnenwand 38 angeordnet. Um diese Abkühlung möglichst effektiv zu gestalten, ist eine Pumpe 29 angeordnet, beispielsweise an der Pumpenwelle 20. Sie treibt einen Ölkreislauf 30 an (kleine Pfeile), der das Öl dem Wärmetauscher 28 zuführt. Auf diese Weise wird vor allem die starke Wärmeentwicklung des Axiallagers 19 abgeführt und es wird dadurch vermieden, daß das Leichtöl 4 sich zu sehr erhitzt und einen Teil seiner Schmiereigenschaft verliert.
  • Fig. 2 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Einkammersystem, das den Grundgedanken der Erfindung auf einfache Weise realisiert. Hier befindet sich in der einzigen Kammer das Axiallager 19 sowie der (nicht gezeichnete) Elektromotor 21, welche sich im Leichtöl 4 befinden, das sich erhitzt. Dabei verschiebt sich ein in einem Zylinder 8 gelagerter Kolben 9, wie es der Doppelpfeil 9' zeigt. Aufgrund dieser Verschiebung - nach oben bei Erwärmung, nach unten durch Abkühlung - verschiebt sich auch das Schweröl 7, das auf dem Kolben 9 aufliegt. Oberhalb des Schweröls 7 befindet sich das Bohrlochfluid 6, welches durch die Ausgleichsöffnung 15 entsprechend der Pfeile 15' ein- und austreten kann. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren zeigen dabei funktionsidentische Merkmale. Hier wird beispielsweise die Grenze 11 zwischen Leichtöl 4 und Schweröl 7 durch den Kolben 9 gebildet, und die Verschiebung erfolgt gemäß dem Doppelpfeil 9'. Das Problem bei dieser Anordnung ist die Abdichtung zwischen dem verschiebbaren Kolben und der Zylinderwand.
  • Fig. 3 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Mehrkammersystem, bei dem die Kammern anders angeordnet sind. Hier befindet sich die Arbeitsölkammer 5 zwischen der Volumenausgleichskammer 10 und der Expansionskammer 12. In der Arbeitsölkammer 5 sind das Axiallager 19 und der Elektromotor 21 angeordnet. Dehnt sich in der Arbeitsölkammer 5 das Leichtöl 4 aus, so wird es nach unten durch die Verbindung 16 in die Volumenausgleichskammer 10 gedrückt, in der sich der Leichtölbereich 10' und der Schwerölbereich 10" befinden. Zwischen dem Schweröl 7 und dem Leichtöl 4 ist auch hier ein Kolben 9 angeordnet, der sich in einem Zylinder 8 entsprechend der Volumenänderung des Leichtöls 4 auf- und abbewegt. Der Kolben 9 kann auch durch eine Feder abgestützt sein. Die Anordnung von Kolben 9 und Zylinder 8 ist allerdings nicht denknotwendig, da hier das Leichtöl 4 und das Schweröl 7 auch unmittelbar aufeinandertreffen können, weil sich das Schweröl 7 unvermischbar immer unten befindet. Bei einer Ausdehnung des Leichtöls 4 wird das Schweröl 7 in eine Verbindung 17 gedrückt, die als Rohrverbindung 18 das Schweröl 7 der Expansionskammer 12 zuleitet und zwar in deren Schwerölbereich 13. Dort befindet sich über dem Schweröl 7 das Bohrlochfluid 6 in einem Bohrlochfluidbereich 14. Dieser weist eine Ausgleichsöffnung 15 auf, durch die das Bohrlochfluid 6 gemäß dem Doppelpfeil 15' ein- und ausströmen kann.
  • Fig. 4 zeigt den Einsatz der Erfindung bei einer Fördervorrichtung 39 in einem Bohrloch 2. Das Bohrloch 2 ist gegenüber dem Erdreich 31, also meistens dem Gestein, durch eine Brunnenwand 38 abgegrenzt. Innerhalb dieser Brunnenwand 38 befindet sich die gesamte Fördervorrichtung 39 für das Brunnenwasser 6. Diese besteht aus einer Tiefbrunnenpumpe 3, welche mittels eines Elektromotors 21 angetrieben wird. Der Förderung dient das Förderrohr 33. Der Elektromotor 21 wird über ein Kabel 32 mit Strom versorgt. Zwischen der Tiefbrunnenpumpe 3 mit dem Ansaugstutzen 34 und dem Elektromotor 21 ist die gekapselte Volumenausgleichsvorrichtung 1 gemäß der Erfindung mit dem Axiallager 19 angeordnet.
  • Am unteren Ende der Fördervorrichtung 39 befindet sich noch ein Sensor 35 sowie eine Zentrierung 36. Über der Erdoberfläche befindet sich eine oberirdische Armatur und Leitung 37 für das geförderte Brunnenwasser 6, um die geothermische Wärme zu nutzen.
  • Die dargestellten Ausführungsbeispiele können selbstverständlich variieren, so können auch die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 und Fig. 3 mit einer Vorrichtung zum Auffangen einer Leckage versehen sein oder eine Kühlvorrichtung aufweisen. Bei der Fig. 3 könnte beispielsweise auch zwischen der Expansionskammer 12 und der Arbeitsölkammer 5 eine Vorrichtung zum Auffangen einer Leckage angeordnet sein. Auch weitere Variationen, wie beispielsweise ein System aus zwei Kammern ist durch Übertragung von Merkmalen eines Beispiels auf das andere möglich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gekapselte Volumenausgleichsvorrichtung
    2
    Bohrloch
    3
    Tiefbrunnenpumpe
    4
    Leichtöl oder leichtölähnliches Fluid
    5
    Arbeitsölkammer (Leichtöl oder leichtölähnliches Fluid)
    6
    Bohrlochfluid (Brunnenwasser)
    7
    Schweröl oder schwerölähnliches Fluid
    7'
    Pfeile: Verschiebung der Trennschicht aus Schweröl
    8
    Zylinder
    9
    Kolben
    9`
    Doppelpfeil: Verschiebung des Kolbens
    10
    Volumenausgleichskammer
    10'
    Leichtölbereich der Volumenexpansionskammer
    10"
    Schwerölbereich der Volumenexpansionskammer
    11
    Grenze zwischen Schwer- und Leichtöl
    12
    Expansionskammer
    13
    weiterer Schwerölbereich (der Expansionskammer)
    14
    Bohrlochfluidbereich (der Expansionskammer)
    15
    Ausgleichsöffnung
    15'
    Ein- und Austritt des Bohrlochfluids
    16
    Verbindung Volumenausgleichskammer zur Arbeitsölkammer
    17
    Verbindung Volumenausgleichskammer zur Expansionskammer
    18
    Rohrverbindung
    19
    Axiallager
    20
    Pumpenwelle
    21
    Elektromotor
    22
    mechanische Dichtung
    23
    Leckage des Schweröls
    24
    Schwerölsammelbecken
    25
    Schwerölsumpf
    26
    Pumpe
    27
    Rückführleitung in die Volumenausgleichskammer
    28
    Wärmetauscher
    29
    Pumpe
    30
    Ölkreislauf
    31
    Erdreich (Gestein)
    32
    Kabel
    33
    Förderrohr
    34
    Ansaugstutzen
    35
    Sensor
    36
    Zentrierung
    37
    oberirdische Armatur und Leitung
    38
    Brunnenwand
    39
    Fördervorrichtung

Claims (9)

  1. System zur Einführung in ein Bohrloch (2) für Tiefbrunnenpumpen (3) in der Geothermie, mit einer mit Leichtöl (4) oder einem leichtölähnlichen Fluid gefüllten Arbeitsölkammer (5) und einer Volumenausgleichsvorrichtung (1),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Volumenausgleichsvorrichtung (1) zwischen dem Leichtöl (4) oder dem leichtölähnlichen Fluid der Arbeitsölkammer (5) und dem diese umgebenden Bohrlochfluid (6) eine, entsprechend der Volumenänderung des Leichtöls (4) oder leichtölähnlichen Fluids, verschiebbare Trennschicht aus Schweröl (7) oder schwerölähnlichem Fluid angeordnet ist.
  2. System nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Volumenausgleichsvorrichtung (1) eine mit der Arbeitsölkammer (5) verbundene Volumenausgleichskammer (10) aufweist, die einen Leichtölbereich (10') für den Volumenausgleich des Leichtöls (4) aufweist und einen Schwerölbereich (10") mit einem Schweröl (7) oder einem schwerölähnlichen Fluid,
    daß die Grenze (11) zwischen Leichtölbereich (10') und Schwerölbereich (10") verschiebbar ist und das Schweröl (7) in eine Expansionskammer (12) fließen kann, die einen weiteren Schwerölbereich (13) aufweist, der an einen Bohrlochfluidbereich (14) angrenzt, wobei das Bohrlochfluid (6) über eine Ausgleichsöffnung (15) aus der Expansionskammer (12) ein- und ausströmen kann.
  3. System nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Volumenausgleichskammer (10) von ihrem Leichtölbereich (10') eine Verbindung (16) zur Arbeitsölkammer (5) und von ihrem Schwerölbereich (10") eine Verbindung (17) zu einem weiteren Schwerölbereich (13) der Expansionskammer (12) aufweist.
  4. System nach einem der Ansprüche 2 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Arbeitsölkammer (5) unterhalb der Volumenausgleichskammer (10) und die Expansionskammer (12) über der Volumenausgleichskammer (10) angeordnet ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 2 und 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Volumenausgleichskammer (10) unterhalb der Arbeitsölkammer (5) und die Expansionskammer (12) oberhalb der Arbeitsölkammer (5) angeordnet ist, wobei die Verbindung (17) von Volumenausgleichskammer (10) zur Expansionskammer (12) eine die Arbeitsölkammer (5) umgehende Rohrverbindung (18) ist.
  6. System nach einem der Ansprüche 3 und 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an einer mechanischen Dichtung (22), vorzugsweise einer Gleitringdichtung, zwischen Volumenausgleichskammer (10) und Arbeitsölkammer (5) eine Vorrichtung zum Auffangen einer Leckage (23) des Schweröls (7) in das Leichtöl (4) und zur Rückführung in das Schweröl (7) der Volumenausgleichskammer (10) angeordnet ist.
  7. System nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß unterhalb der mechanischen Dichtung (22) zum Auffangen einer Leckage (23) des Schweröls (7) ein Schwerölsammelbecken (24) mit einem Schwerölsumpf (25) und einer Pumpe (26) angeordnet ist, die das aufgefangene Schweröl (7) über eine Rückführleitung (27) in die Volumenausgleichskammer (10) zurückbefördert.
  8. System nach Anspruch 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Wärmetauscher (28) angeordnet ist, der Wärme (29) dem Leichtöl (4) entzieht und an das Bohrlochfluid (6) abgibt.
  9. System nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Pumpe (29) mittels eines Ölkreislaufs (30) dem Wärmetauscher (28) das zu kühlende Leichtöl (4) zuführt.
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