-
Die Erfindung betrifft eine Volumenausgleichsvorrichtung, insbesondere zur Einführung in ein Bohrloch für Tiefbrunnenpumpen (auch Electric Submersible Pumps - ESP genannt) in der Geothermie, mit einer mit Leichtöl oder einem leichtölähnlichem Fluid gefüllten Arbeitsölkammer und der 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.
-
-
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.
-
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 einem leichtölähnlichen Fluid der Arbeitsölkammer und dem diese umgebenden Bohrlochfluid eine, entsprechend der Volumenänderung des Leichtöls oder leichtölartigen Fluids, verschiebbare Trennschicht aus Schweröl oder schwerölartigem 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 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
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Mehrkammersystem
- 2 ein Einkammersystem, das den Grundgedanken der Erfindung ebenfalls realisiert,
- 3 ein alternatives Mehrkammersystem und
- 4 den Einsatz der Erfindung in einem Bohrloch.
-
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 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 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.
-
2 zeigt ein 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.
-
3 zeigt ein alternatives 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.
-
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 2 und 3 mit einer Vorrichtung zum Auffangen einer Leckage versehen sein oder eine Kühlvorrichtung aufweisen. Bei der 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
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 1186141 [0003]
- WO 2017096103 A1 [0003]
- WO 2016032521 A1 [0003]
- US 2017064498 [0005]
