DE102021119889A1

DE102021119889A1 - Volume Compensation Device

Info

Publication number: DE102021119889A1
Application number: DE102021119889.5A
Authority: DE
Inventors: Ahmad Mohammadi; Andy Limanowka
Original assignee: Oil Dynamics GmbH
Current assignee: Oil Dynamics GmbH
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02
Also published as: EP4134512A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Volumenausgleichsvorrichtung (1), insbesondere zur Einführung in ein Bohrloch (2) für Tiefbrunnenpumpen (3) in der Geothermie, mit einer mit Leichtöl (4) oder einem leichtölähnlichem Fluid gefüllten Arbeitsölkammer (5) und der Volumenausgleichsvorrichtung (1).Die bekannten Volumenausgleichsvorrichtungen sind insbesondere in Anbetracht der hohen Temperaturen und Volumenänderungen zu störanfällig.Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine solche Volumenausgleichsvorrichtung derart auszubilden, daß sie auch bei hohen Temperaturen robust ist, einfach aufgebaut ist sowie eine hohe Ausgleichskapazität besitzt.Durch die Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß als Volumenausgleichsvorrichtung (1) zwischen dem Leichtöl (4) oder einem leichtölähnlichen Fluid der Arbeitsölkammer (5) und dem diese umgebenden Bohrlochfluid (6) eine, entsprechend der Volumenänderung des Leichtöls (4) oder leichtölartigen Fluids, verschiebbare Trennschicht aus Schweröl (7) oder schwerölartigem Fluid angeordnet ist.The invention relates to a volume compensation device (1), in particular for introduction into a borehole (2) for deep well pumps (3) in geothermal energy, with a working oil chamber (5) filled with light oil (4) or a fluid similar to light oil and the volume compensation device (1). The known volume compensating devices are too susceptible to failure, particularly in view of the high temperatures and volume changes. The invention is therefore based on the object of designing such a volume compensating device in such a way that it is robust even at high temperatures, has a simple structure and has a high compensation capacity this is achieved in that, as a volume compensation device (1), between the light oil (4) or a fluid similar to light oil in the working oil chamber (5) and the borehole fluid (6) surrounding it, there is a separating layer that can be displaced in accordance with the change in volume of the light oil (4) or fluid similar to light oil from heavy oil (7) or Heavy oil-like fluid is arranged.

Description

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.The invention relates to a volume compensation device, in particular for introduction into a borehole for deep well pumps (also called Electric Submersible Pumps - ESP) in geothermal energy, with a working oil chamber filled with light oil or a fluid similar to light oil and the volume compensation device.

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.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 desired temperature for the use of geothermal heat prevails. Temperatures that are as high as possible are aimed for, since the energy yield is then also high. In the Upper Rhine Graben, for example, temperatures of around 170°C prevail at a depth of 3000m. However, these temperatures also present problems because the powered pump assembly located downhole and used to pump the well fluid also generates heat. In geothermal energy, the borehole fluid is the hot well water. The greatest heat generation occurs at the electric motor, but the highest temperatures can be reached at the thrust bearing that supports the drive shaft for the pump. Forces of 15 to 25 tons have to be absorbed by this bearing. Such a bearing requires lubrication using oil. However, this oil exhibits changes in volume as a result of temperature fluctuations caused by heat generation during operation of the device. Due to this, under no circumstances should well water enter the working oil chamber and contaminate the light oil there. However, the light oil should not leak into the well water either. This danger does not exist with heavy oil, as its consistency and high specific weight form a safe barrier even at high temperatures. However, the heavy oil for lubricating the axial bearing and possibly an oil filling of the electric motor for driving the pump at a price of € 600 per liter is far too expensive to serve as working oil for lubricating. Light oil, on the other hand, causes significantly lower costs. Thus, the problem to be solved is to prevent any intrusion of well water into the light oil or leakage of light oil into the well water in spite of the volume change of the working oil.

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 .Bellows systems are known, which separate the working oil from the well fluid and, thanks to their elasticity, enable the change in volume to be compensated for, e.g. B. DE 1 186 141 (interpretation), WO 2017/096103 A1 and 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.The disadvantage of this type of volume compensation is on the one hand the limitation of this compensation due to the mechanically limited expansion of the bellows.

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.The PCT/ US2017/064498 therefore proposes a spring-loaded piston that slides relative to a pressurized gas chamber. The disadvantage here is that the compressibility of the gas limits the volume compensation, and the pressure in the gas would ensure a pressure increase in the working oil if the volume to be compensated for is large. In order to compensate for this and to obtain the desired pressure in the working oil, a servomotor is provided, which moves the piston used for volume compensation, so that the working oil pressure cannot rise too much. However, this also requires pressure measurement and control. Such a system is complicated, expensive and prone to failure, especially because of the high temperatures.

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.The invention is therefore based on the object of making available a volume compensation device of the type mentioned at the outset which is robust even at high temperatures, has a simple structure and has a high compensation capacity.

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.The object is achieved according to the invention in that a separating layer made of heavy oil or a heavy oil-like fluid that can be displaced in accordance with the change in volume of the light oil or light-oil-like fluid is arranged as a volume-compensating device between the light oil or a light-oil-like fluid in the working oil chamber and the borehole fluid surrounding it.

Das Bohrlochfluid ist in der Geothermie Brunnenwasser, es sollen jedoch andere Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise in der Ölförderung, nicht ausgeschlossen werden, dann wäre es beispielsweise Erdöl.The borehole fluid in geothermal energy is well water, but other possible uses, for example in oil production, should not be ruled out, in which case it would be petroleum, for example.

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.The basic idea of the invention is to use a layer of heavy oil (this always means a fluid similar to heavy oil, i.e. with a similar specific weight) to separate the borehole fluid, i.e. usually the well water, from the light oil (this always means a fluid similar to light oil fluid with comparable lubricating properties) in order to create a safe barrier that completely excludes the penetration of well water into the working oil chamber, mixing with the light oil and thus its contamination as well as its leakage into the well water. When implementing this basic idea, account must then be taken of the fact that the heavy oil is heavier than light oil, collects at the lowest point and does not mix with water when in close proximity, but otherwise the light oil would float on top of both the heavy oil and the water. It is therefore not possible to insert the heavy oil between the light oil and water without taking appropriate measures. The invention provides different measures to solve this problem.

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.In the simplest case, a piston could be arranged on the light oil that could be displaced in a cylinder and on which the heavy oil could be arranged above the light oil. However, since the heavy oil is immiscible with water, it can be directly adjacent to the well water as a shiftable separating layer if it is below the water.

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).

When it comes to the technical implementation of the separation of light and heavy oil, other options can also be used than a movable piston separating these different oils:

As an alternative to this, a multi-chamber system is proposed in which the volume compensation device has a volume compensation chamber which is connected to the working oil chamber and has a light oil area for volume compensation of the light oil and a heavy oil area with a heavy oil or a fluid similar to heavy oil. The boundary between the light oil area and the heavy oil area can be moved and the heavy oil can flow into an expansion chamber that has another heavy oil area that adjoins a borehole fluid area, with the borehole fluid being able to flow in and out of the expansion chamber via an equalization opening. The idea of this alternative is that there are two chambers, one for the confluence of light and heavy oil and a separate one for the confluence of heavy oil and well water (or other well fluid that is lighter than heavy oil, such as petroleum).

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.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 a connection to a further heavy oil area of the expansion chamber.

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.

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 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 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.

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.For the embodiment in which the working oil chamber is arranged below the volume equalization chamber and the expansion chamber is arranged above the volume equalization chamber, it is proposed as an expedient further development that a device for catching a leakage of heavy oil into the light oil and for returning it to the Heavy oil is arranged in the volume compensation chamber. A concrete 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 to catch a leakage of heavy oil, which transports the collected heavy oil back to the volume compensation chamber via a return line.

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.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 for this purpose, which supplies the light oil to be cooled to the heat exchanger by means of an oil circuit.

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.

The invention is explained below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing. Show it

1 a first embodiment of the invention with a multi-chamber system
2 a single-chamber system that also implements the basic idea of the invention,
3 an alternative multi-chamber system and
4 the use of the invention in a well.

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. 1 shows a first embodiment of the invention with a multi-chamber system. The encapsulated volume compensation device 1 is introduced into a borehole 2 in the soil 31, which is usually rock at this depth. This is more detailed in 4 shown and described.

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:The encapsulated volume compensation device 1 is used to provide volume compensation for a light oil 4 used for lubrication or a fluid similar to light oil in a working oil chamber 5. when it expands when heated or contracts when it cools down. The volume changes are due to three causes:

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.Firstly, the temperature difference between the temperature when filling the light oil 4 and the temperature when the device 1 is introduced into the hot well water 6 of the borehole 2 . This temperature difference is approximately 80 to 150°C. Then, the electric motor 21 generates heat, causing a temperature difference of about 50°C. The axial bearing 19 then again contributes a temperature difference of approx. 30° C., but can lead to the highest temperature in its area. All of this takes place in an already hot environment, since geothermal energy is particularly effective when the hottest possible well water can be pumped.

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.In order to allow the light oil 4 of the working oil chamber 5, in which the axial bearing 19 is also located, a volume compensation, this is connected via a connection 16 with a volume compensation chamber 10, specifically with its light oil area 10'. Below this is a heavy oil area 10" in this chamber, with the light oil 4 and the heavy oil 7 forming a stable boundary 11 due to the different specific weights. The heavy oil area 10" is connected to an expansion chamber 12 via a connection 17. 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. Depending on the change in volume of the light oil 4, which presses the heavy oil 7 from the volume compensation chamber 10 into the expansion chamber 12 during expansion, the level rises there of the heavy oil 7 or lowers as it cools. In accordance with this process, the borehole fluid 6 flows out of an equalization opening 15 into the intermediate region of a tube which, as the well wall 38, lines the borehole 2 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.

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.The pump shaft 20 extends through the volume compensating device 1, with the pump 29 with the suction nozzle 34 being located above it and the electric motor 21 below it, which is usually also located in an area of the working oil chamber 5 with light oil 4, which can be seen in the illustration must present extended below.

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.Also shown is an expedient embodiment of the invention by means of which a leakage 23 of the heavy oil 7 can be caught on a mechanical seal 22 when this leaks from the volume compensation chamber 10 into the working oil chamber 5 . For this purpose, below the mechanical seal 22, preferably a slide ring seal, a heavy oil collection tank 24 is attached, which collects the leakage 23 and feeds it to a heavy oil sump 25. A pump 26 then supplies the heavy oil 7 via a return line 27 to the light oil area 10` of the volume equalization chamber 10, with the latter then sinking to the heavy oil area 10". the light oil 4 passes over the working oil chamber 5 and is thus lost for the function described.

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.Furthermore, a heat exchanger 28 is provided, the function of which is to cool the light oil 4 . For this purpose, the heat exchanger 28 is arranged within the well wall 38 between the working oil chamber 5 and the well fluid 6 . In order to make this cooling as effective as possible, 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, above all, the strong heat generated by the axial bearing 19 is dissipated and it is thereby avoided that the light oil 4 heats up too much and loses some of its lubricating properties.

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. 2 shows a single-chamber system that implements the basic idea of the invention in a simple manner. The axial bearing 19 and the electric motor 21 (not shown) are located in the single chamber, which are located in the light oil 4, which heats up. In the process, a piston 9 mounted in a cylinder 8 is displaced, as shown by the double arrow 9'. Because of this shift - up when heated, down by cooling - also shifts the heavy oil 7, which rests on the piston 9. Above the heavy oil 7 is the well fluid 6, which can enter and exit through the equalizing opening 15 according to the arrows 15'. The same reference numerals in the figures indicate functionally identical features. Here, for example, 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 sealing between the slidable piston and the cylinder wall.

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. 3 shows an alternative multi-chamber system in which the chambers are arranged differently. Here is the working oil chamber 5 between the volume compensation chamber 10 and the expansion chamber 12. In the working oil chamber 5, the axial bearing 19 and the electric motor 21 are arranged. Expands in the working oil chamber 5, the light oil 4, it is pressed down through the connection 16 in the volume compensation chamber 10 in which where the light oil area 10' and the heavy oil area 10" are located. A piston 9 is also arranged between the heavy oil 7 and the light oil 4, which moves up and down in a cylinder 8 according to the change in volume of the light oil 4. The piston 9 can also be supported by a spring. However, the arrangement of the piston 9 and cylinder 8 is not essential, since the light oil 4 and the heavy oil 7 can also meet directly here, because the heavy oil 7 is always immiscible at the bottom the heavy oil 7 is pressed into a connection 17, which, as a pipe connection 18, feeds the heavy oil 7 to the expansion chamber 12, specifically into its heavy oil area 13. There, the borehole fluid 6 is located above the heavy oil 7 in a borehole fluid area 14 which the borehole fluid 6 according to the double arrow 15' can flow in and out.

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. 4 shows the use of the invention in a conveying device 39 in a borehole 2. The borehole 2 is delimited from the soil 31, ie 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 . It 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 electricity 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 port 34 and the electric motor 21 .

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.There is also a sensor 35 and a centering device 36 at the lower end of the conveying device 39. Above the surface of the earth there is an above-ground fitting and line 37 for the conveyed well water 6 in order to use the geothermal heat.

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.The illustrated exemplary embodiments can of course vary, as can the exemplary embodiments according to FIG 2 and 3 be provided with a device to catch a leak or have a cooling device. In the 3 could for example be arranged between the expansion chamber 12 and the working oil chamber 5, a device for catching a leak. Other variations, such as a system made up of two chambers, are also possible by transferring features from one example to the other.

BezugszeichenlisteReference List

11: Gekapselte VolumenausgleichsvorrichtungEncapsulated volume compensation device
22: Bohrlochborehole
33: Tiefbrunnenpumpedeep well pump
44: Leichtöl oder leichtölähnliches FluidLight oil or light oil-like fluid
55: Arbeitsölkammer (Leichtöl oder leichtölähnliches Fluid)Working oil chamber (light oil or fluid similar to light oil)
66: Bohrlochfluid (Brunnenwasser)Borehole Fluid (Well Water)
77: Schweröl oder schwerölähnliches FluidHeavy oil or heavy oil-like fluid
7'7': Pfeile: Verschiebung der Trennschicht aus SchwerölArrows: Displacement of the heavy oil interface
88th: Zylindercylinder
99: KolbenPistons
9'9': Doppelpfeil: Verschiebung des KolbensDouble arrow: displacement of the piston
1010: Volumenausgleichskammervolume compensation chamber
10'10': Leichtölbereich der VolumenexpansionskammerLight oil area of volume expansion chamber
10''10'': Schwerölbereich der VolumenexpansionskammerHeavy oil area of volume expansion chamber
1111: Grenze zwischen Schwer- und LeichtölBoundary between heavy and light oil
1212: Expansionskammerexpansion chamber
1313: weiterer Schwerölbereich (der Expansionskammer)further heavy oil area (of the expansion chamber)
1414: Bohrlochfluidbereich (der Expansionskammer)well fluid area (of the expansion chamber)
1515: Ausgleichsöffnungcompensation opening
15'15': Ein- und Austritt des BohrlochfluidsEntry and exit of the well fluid
1616: Verbindung Volumenausgleichskammer zur ArbeitsölkammerConnection volume compensation chamber to the working oil chamber
1717: Verbindung Volumenausgleichskammer zur ExpansionskammerConnection volume compensation chamber to expansion chamber
1818: Rohrverbindungpipe connection
1919: Axiallagerthrust bearing
2020: Pumpenwellepump shaft
2121: Elektromotorelectric motor
2222: mechanische Dichtungmechanical seal
2323: Leckage des SchwerölsLeakage of the heavy oil
2424: Schwerölsammelbeckenheavy oil collection basin
2525: Schwerölsumpfheavy oil sump
2626: Pumpepump
2727: Rückführleitung in die VolumenausgleichskammerReturn line into the volume compensation chamber
2828: Wärmetauscherheat exchanger
2929: Pumpepump
3030: Ölkreislaufoil cycle
3131: Erdreich (Gestein)soil (rock)
3232: KabelCable
3333: Förderrohrconveyor pipe
3434: Ansaugstutzenintake manifold
3535: Sensorsensor
3636: Zentrierungcentering
3737: oberirdische Armatur und Leitungabove ground fitting and pipe
3838: Brunnenwandfountain wall
3939: Fördervorrichtungconveyor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 1186141 [0003]DE 1186141 [0003]
WO 2017096103 A1 [0003]WO 2017096103 A1 [0003]
WO 2016032521 A1 [0003]WO 2016032521 A1 [0003]
US 2017064498 [0005]US2017064498 [0005]

Claims

Volumenausgleichsvorrichtung (1), insbesondere zur Einführung in ein Bohrloch (2) für Tiefbrunnenpumpen (3) in der Geothermie, mit einer mit Leichtöl (4) oder einem leichtölähnlichem Fluid gefüllten Arbeitsölkammer (5) und der Volumenausgleichsvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, daß als Volumenausgleichsvorrichtung (1) zwischen dem Leichtöl (4) oder einem leichtölähnlichen Fluid der Arbeitsölkammer (5) und dem diese umgebenden Bohrlochfluid (6) eine, entsprechend der Volumenänderung des Leichtöls (4) oder leichtölartigen Fluids, verschiebbare Trennschicht aus Schweröl (7) oder schwerölartigem Fluid angeordnet ist.Volume compensation device (1), in particular for introduction into a borehole (2) for deep well pumps (3) in geothermal energy, with a working oil chamber (5) filled with light oil (4) or a fluid similar to light oil and the volume compensation device (1), characterized in that as a volume compensation device (1) between the light oil (4) or a fluid similar to light oil in the working oil chamber (5) and the borehole fluid (6) surrounding it, a separating layer made of heavy oil (7) that can be displaced in accordance with the change in volume of the light oil (4) or fluid similar to light oil, or Heavy oil-like fluid is arranged.

Volumenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtöl (4) oder leichtölähnliche Fluid von dem Schweröl (5) oder schwerölähnlichen Fluid durch einen in einem Zylinder (8) verschiebbaren Kolben (9) getrennt ist.volume compensation device claim 1 , characterized in that the light oil (4) or fluid similar to light oil is separated from the heavy oil (5) or fluid similar to heavy oil by a piston (9) displaceable in a cylinder (8).

Volumenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenausgleichsvorrichtung 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.volume compensation device claim 1 or 2 , characterized in that the volume equalization device has a volume equalization chamber (10) which is connected to the working oil chamber (5) and has a light oil area (10`) for volume equalization of the light oil (4) and a heavy oil area (10") with a heavy oil (7) or a fluid similar to heavy oil, that the boundary (11) between the light oil area (10`) and the heavy oil area (10") can be displaced and the heavy oil (7) can flow into an expansion chamber (12) which has a further heavy oil area (13) which adjoins a borehole fluid region (14), the borehole fluid (6) being able to flow in and out of the expansion chamber (12) via an equalization opening (15).

Volumenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, 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.volume compensation device claim 1 , 2 or 3 , characterized in that the volume compensation chamber (10) has a connection (16) from its light oil area (10`) to the working oil chamber (5) and from its heavy oil area (10") a connection (17) to a further heavy oil area (13) of the expansion chamber ( 12).

Volumenausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsölkammer (5) unterhalb der Volumenausgleichskammer (10) und die Expansionskammer (12) über der Volumenausgleichskammer (10) angeordnet ist.Volume compensation device according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the working oil chamber (5) is arranged below the volume compensation chamber (10) and the expansion chamber (12) above the volume compensation chamber (10).

Volumenausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.Volume compensation device according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the volume compensation chamber (10) is arranged below the working oil chamber (5) and the expansion chamber (12) above the working oil chamber (5), the connection (17) from the volume compensation chamber (10) to the expansion chamber (12) being the working oil chamber (5) surrounding pipe connection (18).

Volumenausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.Volume compensation device according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that on a mechanical seal (22), preferably a slide ring seal, between the volume compensation chamber (10) and the working oil chamber (5) there is a device for catching a leak (23) of the heavy oil (7) into the light oil (4) and for returning it is arranged in the heavy oil (7) of the volume compensation chamber (10).

Volumenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7, 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.volume compensation device claim 7 , characterized in that a heavy oil collection tank (24) with a heavy oil sump (25) and a pump (26) is arranged below the mechanical seal (22) for collecting a leakage (23) of the heavy oil (7), which pumps the collected heavy oil (7 ) is conveyed back into the volume compensation chamber (10) via a return line (27).

Volumenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (28) angeordnet ist, der Wärme (29) dem Leichtöl (4) entzieht und an das Bohrlochfluid (6) abgibt.volume compensation device claim 1 until 8th , characterized in that a heat exchanger (28) is arranged, which extracts heat (29) from the light oil (4) and delivers it to the well fluid (6).

Volumenausgleichsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (29) mittels eines Ölkreislaufs (30) dem Wärmetauscher (28) das zu kühlende Leichtöl (4) zuführt.volume compensation device claim 9 , characterized in that a pump (29) supplies the light oil (4) to be cooled to the heat exchanger (28) by means of an oil circuit (30).