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Dokumentenidentifikation DE69400953T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0678151
Titel IM BOHRLOCH VERWENDETER ROLLENMOTOR UND ROLLENPUMPE
Anmelder Grupping, Arnold Willem Josephus, Prof. Dr., Aerdenhout, NL
Erfinder Grupping, Arnold Willem Josephus, Prof. Dr., Aerdenhout, NL
Vertreter Köchling und Kollegen, 58097 Hagen
DE-Aktenzeichen 69400953
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 03.01.1994
EP-Aktenzeichen 949047732
WO-Anmeldetag 03.01.1994
PCT-Aktenzeichen NL9400001
WO-Veröffentlichungsnummer 9416198
WO-Veröffentlichungsdatum 21.07.1994
EP-Offenlegungsdatum 25.10.1995
EP date of grant 20.11.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse F01C 1/344
IPC-Nebenklasse F01C 11/00   E21B 4/02   E21B 43/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen hydraulisch oder pneumatisch angetrieben Flügelrollenmotor zum gerichteten Tiefbohren einschließlich horizontalem und geradem Löcherbohren sowie Reinigen und Reparieren und auf eine Flügelrollenpumpe zum Pumpen von öl und/oder Wasser aus einem unterirdischen Reservoir zur Erdoberfläche oder zum Abpumpen von Wasser aus einem Oberflächenwasser-Reservoir. Um Bohrmeißel anzutreiben, ist es bekannt, einen Flügelrollenmotor einzusetzen, der am Bohrgestänge oberhalb des Meißels angeordnet ist, wobei der Motor vom Bohrschlamm angetrieben wird, der durch das Bohrgestänge gepumpt wird, um den Meißel zu schmieren und zu kühlen und Bohrschlamm durch den Ringbereich zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand zurück zur Erdoberfläche zu transportieren.

Flügelrollenmotoren sind in den US 2,725,013, GB A 2,201,734, WO-A-9214037 und WO-A-9308374 beschrieben. Die bekannten Flügelrollenmotoren zur Verwendung beim Tiefbohren bestehen aus einem inneren und einem äußeren Gehäuse, wobei der Ring zwischen diesen Gehäusen ungefähr auf halbem Wege von einer Barriere abgeschlossen ist. Ein Teil des Bohrschlamms wird in diesem Ring durchgepumpt, tritt durch Einlaßstutzen im inneren Gehäuse oberhalb der Barriere in Kammern zwischen dem Rotor und dem inneren Gehäuse ein und verläßt diese Kammern wieder durch Auslaßstutzen im inneren Gehäuse unterhalb der Barriere. Rollen, die in ausgerückter Stellung in Vertiefungen im Rotor angeordnet sind, werden vom Bohrschlamm in die Kammern zwischen dem Rotor und dem inneren Gehäuse im Uhrzeigersinn von den Einlaßstutzen zu den Auslaßstutzen hin gedrückt. Rollen, die zwischen den Auslaßstutzen und den Einlaßstutzen angeordnet sind, unterliegen keinerlei Rotationsdruck durch den Schlamm, da sie von längs verlaufenden Flügelleitnocken entlang der Innenwandfläche des inneren Gehäuses in eine eingerückte Stellung gedrückt werden. Die Rollen werden durch den Druck des auf die rückwartigen Enden wirkenden Bohrschlamms in Kontakt mit der Innenwandfläche des inneren Gehäuses gebracht.

In der WO-A-9214037 wirkt ein Teil des Bohrschlamms durch Stutzen im Rotor, welche die Vertiefungen mit einer zentralen Leitung im Rotor verbinden, durch die der Rest des Bohrschlamms vom Bohrgestänge zum Bohrmeißel fließt.

Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Flügelrollenmotor und eine verbesserte Flügelrollenpumpe, was in einem einfacheren Aufbau, einem größeren Durchmesser des Rotors bei einem gegebenen Außendurchmesser des Motors, verringerten Reibungsverlusten und einem größeren Drehmoment resultiert. Zusätzlich sind derartige Motoren einfacher zu reparieren und warten.

Zu diesem Zweck besitzt der Flügelrollenmotor gemäß der vorliegenden Erfindung die in Anspruch 1 erwähnten Merkmale, während die Flügelrollenpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung in Anspruch 6 beschrieben ist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung einen besonderen Flügelrollenmotor als Fördermotor zum Antreiben einer Tiefloch-Rotationspumpe, wie in Anspruch 8 beschrieben, und eine besondere Flügelrollenpumpe, wie in Anspruch 9 beschrieben, mit vorteilhaften Ausführungsformen in den jeweiligen Unteransprüchen.

Schließlich schafft die vorliegende Erfindung Verfahren und Systeme für die Verwendung der Pumpen und Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung nach den Ansprüchen 15 und 16.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1, 2 und 3 Querschnittsansichten von oben auf Flügelrollenmotoren gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4, 5 und 6 Querschnittsansichten von oben auf Flügelrollenpumpen gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 und 8 schematische Seitenansichten von Pumpsystemen mit einer Flügelrollenpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung, angetrieben durch einen Flügelrollenmotor gemäß der vorliegenden Erfindung und durch einen Elektromotor.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Flügelrollenmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ein rohrförmiges Gehäuse 1 mit zwei radial nach innen vorstehenden Wandmitteln in Form von längs verlaufenden Flügelleitnocken 2, welche zusammen einen Stator für den Flügelrollenmotor bilden, sowie einen Rotor 3, der in Lagern in Lagergehäusen (nicht gezeigt) an beiden Enden des besagten Rotors 3 läuft. Die längs verlaufenden Flügelleitnocken 2 nehmen zusammen etwa den halben Umfang des Gehäuses 1 ein. Der Rotor 3 ist an seinem unteren Ende über geeignete Mittel mit einem Bohrmeißel verbunden, und das Gehäuse 1 ist an seinem oberen Ende über geeignete Mittel mit einem (nicht rotierenden) Bohrgestänge verbunden. Der Rotor 3 ist mit drei Paaren von diametral entgegengesetzten und im Umfang beabstandeten Schlitzen in Form von Vertiefungen 4 mit rundem Boden versehen, in denen längliche, längs verlaufende Flügel in Form von zylindrischen Rollen 5 angeordnet sind. Die Vertiefungen sind wesentlich breiter als der Durchmesser der Rollen 5. Die Rollen 5 sind zwischen eingerückten Stellungen, in denen sie völlig oder weitgehend in den Vertiefungen 4 enthalten sind, und radial vorstehenden Stellungen bewegbar, in denen sie teilweise von der Außenfläche 3a des Rotors 3 vorstehen. Jede Rolle 5 besteht aus einem elastisch verformbaren Polymermaterial. Ein im wesentlichen ringförmiger Raum, zwischen dem Rotor 3 und dem Gehäuse 1 definiert, ist von den beiden diametral entgegengesetzten Flügelleitnocken 2 in zwei Kammern 6a, 6b aufgeteilt. Jede der beiden Kammern 6a, 6b ist mit einem oder mehr Auslaßstutzen 7 im Gehäuse 1 für den Durchgang von Bohrschlamm zum Ringraum 8 zwischen dem Gehäuse 1 und der Bohrlochwand verbunden, wie mit den Pfeilen angegeben, wobei die besagten Auslaßstutzen 7 an oder nahe der Vorderkante der Flügelleitnocken 2 angeordnet sind, im Uhrzeigersinn gesehen. Der Boden 4a jeder Vertiefung 4 im Rotor 3 ist mit einem oder mehr Einlaßstutzen 9 versehen, die von einer zentralen, entlang dem Rotor 3 verlaufenden Leitung 10 ausgehen, wobei die Einlaßstutzen einen Teil des Bohrschlamms gegen die Rückseite der Rollen 5 leiten und diese dadurch gegen das Gehäuse 1 und die Flügelleitnocken 2 drücken. Gleichzeitig werden die Rollen 5¹, die in den Kammern 6a, 6b angeordnet sind, auch gegen die stromabwärts gelegenen Seiten 4b im Rotor 3 gedrückt, da der Druck des Bohrschlamms in der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 höher ist als der des Bohrschlamms im Ringraum 8 zwischen dem Gehäuse 1 und der Bohrlochwand, wodurch die Kammern 6a, 6b in Hochdruckteile 6a und Niederdruckteile 6b aufgeteilt werden. Die beiden ersten Rollen 5¹ sind somit an ihrer stromaufwärts gelegenen Seite 5a Hochdruck-Bohrschlamm ausgesetzt, der durch die Einlaßstutzen 9 eintritt, wobei ein im Uhrzeigersinn (wie in Fig. 1 gesehen) wirkendes Drehmoment auf den Rotor 3 ausgeübt wird. Die beiden anderen Rollenpaare werden durch die Flügelleitnocken 2 in ihre eingerückten Stellungen in den Vertiefungen 4 im Rotor 3 hinuntergedrückt. Wenn der Rotor 3 unter dem Einfluß des Schlammdrucks auf die oben erwähnten Rollen 5¹ in den Kammerteilen 6a sich etwa 30º im Uhrzeigersinn weiter gedreht hat, werden die eingerückten Rollen 5² von den Flügelleitnocken 2 freigegeben und können in elastischer Weise ihre vorstehenden Stellungen wieder einnehmen, wobei ihre stromaufwärtige Seite dem Druck des durch die Einlaßstutzen 9 im Rotor 3 eintretenden Bohrschlamms ausgesetzt ist, wodurch eine kontinuierliche Antriebs- und Drehkraft auf den Rotor 3 mit einem Drehmoment sichergestellt wird, das im wesentlichen der Druckdifferenz im Bohrschlamm zwischen den stromaufwärts gelegenen Kammerteilen 6a und den stromabwärts gelegenen Kammerteilen 6b direkt proportional ist. Der Bohrschlamm in den Kammerteilen 6b wird zwischen den Vorderflächen 5b der Rollen 5¹ und den entsprechenden Flügelleitnocken 2 komprimiert und durch die Auslaßstutzen 7 in den Ringraum 8 zwischen dem Gehäuse 1 und der Bohrlochwand herausgedrückt. Natürlich wird verständlich sein, daß in der Praxis die Rollen 5 zum Rollen tendieren, wenn der Rotor sich dreht, wodurch sie über alle zwischen den Rollen 5 und dem Gehäuse 1 oder den Flügelleitnocken 2 eingefangene Materie ohne Beschädigung derselben laufen können.

Die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung bestehen somit aus einer Aufweitung der radial verlaufenden Stutzen 9 und der Vertiefungen im Rotor 3, so daß zusätzlich dazu, daß die Rollen in Kontakt mit der Innenwandf läche des Gehäuses 1 und den Flügelleitnocken 2 gebracht werden, sie auch als Einlaßstutzen für den Bohrschlamm wirken, der die Rollen zum Drehen des Rotors drückt, wodurch sie die Funktion der Einlaßstutzen in der Wand des inneren Gehäuses übernehmen. Als Ergebnis können die Einlaßstutzen in der Wand des inneren Gehäuses entfallen. Da der gesamte Bohrschlamm nun durch die zentrale Leitung des Rotors eintritt, wird das innere Gehäuse somit ebenfalls überflüssig, ebenso wie die Barriere zwischen innerem und äußerem Gehäuse auf halbem Weg. Das Ergebnis ist, daß der Teil des Bohrschlamms, der die Rollen drückt, direkt in den Ringraum zwischen Motor und Bohrlochwand fließt, anstatt durch den Bohrmeißel zu laufen.

Nachdem eine Rolle 5 einen Auslaßstutzen 7 erreicht hat und bevor sie im Uhrzeigersinn in die völlig eingerückte Stellung gegenüber einem Flügelleitnocken 2 verschoben wird, kann ein Teil des Bohrschlammms frei von der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 über den entsprechenden Einlaßstutzen 9 und die Vertiefung 4 in den Ringraum 8 zwischen dem Gehäuse 1 und der Bohrlochwand fließen, ohne daß eine nutzbare Antriebsaktion auf diese Rolle 5 ausgeübt wird. Diese Strömung kann dadurch beseitigt oder verringert werden, indem radial nach außen vorstehende Ventilmittel 11 in der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 angebracht sind, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die besagten Ventilmittel 11 sind an einem Ende oder an beiden Enden am Gehäuse 1 und/oder am Lagergehäuse des Rotors 3 befestigt. Wenn der Rotor 3 dreht, werden diese Ventilmittel 11 zeitweise gegenüber den den besagten Rollen entsprechenden Einlaßstutzen 9 positioniert und sperren die besagte freie Strömung von Bohrschlamm von der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 zum Ringraum 8 zwischen dem Gehäuse 1 und der Bohrlochwand völlig oder teilweise ab. Vorteilhafterweise ist die Außenfläche dieser Ventilmittel mit dem gleichen Krümmungsradius wie die zentrale Leitung 10 gekrümmt.

Man wird verstehen, daß nicht die gesamte Strömung von Bohrschlamm durch den Flügelrollenmotor in den Ringraum zwischen Motor und Bohrlochwand gelangt, jedoch wird dieser Teil des Schlamms zum Schmieren und Kühlen des Bohrmeißels und zum Entfernen von Bohrklein vom Boden des Bohrlochs benötigt. Um Variationen der Strömungsverteilung des Bohrschlamms zwischen dem Motor und dem Bohrmeißel zu erlauben, können geeignete Drossel- oder Dusenmittel, wie z. B. eine Förderdüse, in der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 oder in den Ventilmitteln 11 angebracht werden.

Die Ventilmittel 4 können diverse Formen haben und die Einlaßstutzen 9 können darin an diversen Stellen münden.

Man wird weiterhin verstehen, daß der Motor nicht nur für Tiefbohr- oder Kernbohrzwecke eingesetzt werden kann, sondern auch zum Reparieren und Säubern von Bohrlöchern Somit kann das Arbeitsfluid nicht allein Bohrschlamm zu sein, sondern kann auch aus anderen Fluiden bestehen, wie z. B. Öl oder Wasser, Gas/Flüssigkeits-Mischungen oder Gasen wie z. B. Luft.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erfahren nur zwei der sechs Rollen die Druck- und Drehkräfte durch den Bohrschlamm. Dieses Problem kann durch Anwendung der Ausführungsform nach Fig. 3 gelöst werden. In dieser Ausführungsform wurden die Flügelleitnocken 2 erheblich schmaler zu Flügelleitnocken 2" gestaltet, und ihre Anzahl wurde auf vier erhöht, in gleichem Abstand entlang der Innenfläche des Gehäuses 1 angeordnet, wobei jeder von ihnen an seiner Vorderkante mit einem Auslaßstutzen 7 versehen ist. Das Ergebnis ist, daß die Anzahl der Kammern 6a, 6b zwischen dem Rotor 3 und dem Gehäuse 1 zunimmt, so daß mehr Rollen 5 in den Kammern 6a der Druck- und Drehkraft durch den Bohrschlamm ausgesetzt sind. Im Beispiel nach Fig. 3 sind vier Rollen gleichzeitig der Kraft durch den Bohrschlamm ausgesetzt. Als Ergebnis erzeugt der Motor bei gleichem Druckabfall über die Rollen 5 in den Kammern 6a, 6b das doppelte Drehmoment und läßt die doppelte Menge von Bohrfluid durch. Auf der anderen Seite erzeugt dieser Motor das gleiche Drehmoment und läßt die gleiche Menge von Bohrschlamm durch wie der in Fig. 1 gezeigte Motor, wenn der Druckabfall darüber halbiert wird. Seine Drehzahl wird dann auch halbiert.

Vorzugsweise sollte bei dieser Ausführungsform mit schmalen Flügelleitnocken 2" die Anzahl der Vertiefungen 4 im Rotor 3 mit entsprechenden Rollen 5 wenigstens um eins größer sein als die Zahl der Flügelleitnocken 2" and vorzugsweise kleiner als doppelt so groß.

Flügelrollenmotoren wie oben beschrieben können auch als Flügelrollenpumpen eingesetzt werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Zu diesem Zweck muß die zentrale Leitung 10 im Rotor 3 an ihrem unteren Ende abgeschlossen sein, und der Rotor 3 muß an einem Elektromotor (nicht gezeigt) befestigt und von diesem angetrieben werden, in einer zu der des beschriebenen Motors umgekehrten Richtung, wie durch den gekrümmten Pfeil in Fig. 4 angezeigt. Fluid wird dann vom Ringraum 8 außerhalb des Gehäuses 1 durch die Auslaßstutzen 7 angesaugt, welche dann zu Einlaßstutzen 7" werden, und wird von den Rollen 5 über die Kammern 6a, 6b, die radial verlaufenden Vertiefungen 4 und die Einlaßstutzen 9, welche dann zu Auslaßstutzen 9" werden, zu der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 und weiter über Förderrohre zur Erdoberfläche gepumpt. Vorteilhafterweise sind Ventilmittel 11" in der zentralen Leitung 10 im Rotor 3 angebracht, um zu verhindern, daß gepumpte Flüssigkeit von der zentralen Leitung 10 durch die Auslaßstutzen 9" und die Vertiefungen 4 in die Niederdruck-Kammerteile 6b zurückfließt, wenn die entsprechenden Rollen 5 sich an oder nahe den Einlaßstutzen 7" befinden. Die besagten Ventilmittel 11" sind nur am oberen, stromabwärts gelegenen Ende der Pumpe befestigt.

Die Drehzahl der Pumpe kann durch Andern der Frequenz des Elektromotors auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Man wird verstehen, daß die Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Flügelrollenmotors in gleicher Weise als Pumpe benutzt werden kann. Die in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Flügelrollenmotoren für Tiefbohrzwecke können ebenfalls als Fördermotoren zum Antreiben einer Rotationspumpe des Flügelrollenpumpen-Typs oder des Zentrifugen-Typs benutzt werden. Zu diesem Zweck muß die zentrale Leitung 10 im Rotor 3 an ihrem unteren Ende abgeschlossen werden, so daß sämtliches Versorgungsfluid durch die Kammern des Motors fließt.

An seinem stromaufwärtigen Ende ist das Gehäuse 1 des Fördermotors an einem Zuführrohr für Versorgungsfluid befestigt, das mit der Erdoberfläche verbunden ist. Stromabwärts an seiner unteren Seite sind das Gehäuse 1 und der Rotor 3 am Gehäuse und am Rotor der Rotationspumpe befestigt. Versorgungsfluid und gefördertes Fluid aus dem unterirdischen Reservoir werden gemischt und durch ein Förderrohr zur Erdoberfläche gepumpt.

Flügelrollenpumpen gemäß der vorliegenden Erfindung können auch mit einem axialen Fluideinlaß und einem tangentialen Fluidauslaß versehen sein, wodurch der Einlaß am Auslaß eines Gas/Öl-Rotationsseparator angebracht werden kann. Diese besondere Ausführungsform ist in Fig. 5 für eine Pumpe mit vier Rollen und Flügelleitnocken gezeigt. Die zentrale Leitung 10' wird dann stromabwärts an ihrem oberen Ende abgeschlossen, und der Rotor 3' wird in der mit einem gekrümmten Pfeil angezeigten Richtung gedreht. Flüssigkeit tritt dann axial von unten durch die zentrale Leitung 10' des Rotors 3' in die Pumpe ein und fließt durch Einlaßstutzen 9' in die Kammern 6a', 6b', von wo sie durch die Rollen 5' durch Auslaßstutzen 7' in den Raum außerhalb des Gehäuses 1' gepumpt wird. Radial nach außen vorstehende Ventilmittel 11' können bei dieser Ausführungsform der Pumpe ebenfalls angebracht werden, falls gewünscht.

Man wird verstehen, daß auch in dieser Ausführungsform der Flügelrollenpumpe eine unterschiedliche Anzahl von Rollen und/oder Flügelleitnocken benutzt werden kann.

Fig. 6 zeigt die Pumpe nach Fig. 5, wobei die Auslaßstutzen 7' im Gehäuse 1' durch Auslaßstutzen 7"' zur zentralen Leitung 10' im Rotor 3' stromabwärts der Barriere in der besagten zentralen Leitung 10' ersetzt sind, wodurch der tangentiale Auslaß der Pumpe in einen axialen Auslaß geändert wird. Die linke Seite von Fig. 6 zeigt eine halbe Querschnittsansicht der Pumpe unterhalb und stromaufwärts zu der besagten Barriere. Dieser Schnitt ist mit dem von Fig. 5 vergleichbar. Die rechte Seite zeigt eine halbe Querschnittsansicht der Pumpe oberhalb und stromabwärts zu der besagten Barriere, in der dargestellt wird, wie Flüssigkeit durch eine Rolle 5' von einem Kammerteil 6b' über eine Vertiefung 4' durch einen Auslaßstutzen 7"' zur zentralen Leitung 10' im Rotor 3' zurückgeleitet wird. Die Auslaßstutzen 7"' brauchen nicht in den Vertiefungen 4' zu münden, sondern können auch mit den Kammerteilen 6b' an der Außenfläche 3a' des Rotors 3' verbunden sein. Falls gewünscht, können auch bei dieser besonderen Ausführungsform der Flügelrollenpumpe radial nach außen vorstehende Ventilmittel 11' in der zentralen Leitung 10' im Rotor 3' angeordnet sein.

Man wird verstehen, daß alle beschriebenen Flügelrollenpumpen so angepaßt werden können, daß ihre Drehrichtung umgedreht ist.

Fig. 7 zeigt ein Pumpsystem zum Fördern von Öl und/oder Wasser aus einem unterirdischen Reservoir zur Erdoberfläche unter Verwendung eines Flügelrollen-Fördermotors gemäß der vorliegenden Erfindung, befestigt an einer Flügelrollenpumpe mit tangentialem Auslaß gemäß der vorliegenden Erfindung.

Das System besteht aus einem Außengehäuse 12, das von der Erdoberfläche 13 in ein unterirdisches Reservoir 14 verläuft, wo es perforiert ist. Das Gehäuse 1 des Flügelrollenmotors ist am Gehäuse 1' der Flügelrollenpumpe mittels einer Verbindung 15 befestigt; das Gehäuse 1' der Flügelrollenpumpe ist mittels einer Verbindung 16 am Gehäuse eines Gas/Öl-Rotationsseparators 17 befestigt. Die Rotoren von Motor, Pumpe und Gas/Öl- Separator sind ebenfalls gekoppelt (nicht dargestellt). Der Motor ist durch ein Zuführrohr 18 für Versorgungsfluid mit der Erdoberfläche verbunden. Dieses Zuführrohr 18 verläuft konzentrisch in einem Förderrohr 19, durch welches eine Mischung von Reservoirfluiden und Versorgungsfluid zur Erdoberfläche gepumpt wird. Zwischen den Auslaßstutzen 7' der Flügelrollenpumpe und dem Gas/Öl-Separator 17 ist eine Barriere 20 in das Förderrohr 19 eingefügt, um zu verhindern, daß Fluid zur Ansaugung des Gas/Öl-Separators 17 zurückfließt.

Die Funktionsweise dieses Systems ist wie folgt: Versorgungsfluid wird von einer Hochdruckpumpe 21 an der Erdoberfläche 13 durch das Zuführrohr 18 zum Flügelrollen-Fördermotor gepumpt. Der Motor treibt die Flügelrollenpumpe an, so daß Flüssigkeit und Gas vom Reservoir 14 axial durch den Einlaß des Gas/Öl-Separators angesaugt werden. Nach Trennung verläßt das Gas den Separator 17 durch Auslaßstutzen 22 und strömt über den Ringraum zwischen dem Außengehäuse 12 und das Förderrohr 19 zur Erdoberfläche 13, wo es durch ein Rohr 23 abgeführt wird. Die Flüssigkeit fließt axial in die zentrale Leitung im Rotor der Flügelrollenpumpe und verläßt diese Pumpe wieder tangential durch die Auslaßstutzen 7'. Gemischt mit Versorgungsfluid, das den Flügelrollen-Fördermotor durch die Auslaßstutzen 7 verläßt, werden die Reservoirflüssigkeiten dann durch das Förderrohr 19 zu einem Auslaßrohr 24 gepumpt. Eine Gas/Flüssigkeit-Schnittstelle 25 stellt sich im Ringraum zwischen dem Außengehäuse 12 und dem Förderrohr 19 ein. An der Erdoberfläche 13 wird ein Teil der geförderten Flüssigkeiten abgezogen, und, falls notwendig, über einen Filter 26 von der Hochdruckpumpe 21 durch das Zuführrohr 18 für Versorgungsfluid zurück zum Flügelrollen-Fördermotor gepumpt. Die Drehzahl des Flügelrollen-Fördermotors kann durch Veränderung der Menge an Versorgungsfluid mit einem Ventil 27 im Zuführrohr 18 für Versorgungsfluid variiert werden. Bei diesem System kann die Kombination Pumpe/Motor aus dem Bohrloch entnommen und in es abgesenkt werden, beispielsweise für Reparaturzwecke, ohne Entfernung des Förderrohrs 19.

Fig. 8 zeigt ein Pumpsystem zum Fördern von Öl und/oder Wasser aus einem unterirdischen Reservoir zur Erdoberfläche unter Verwendung einer Flügelrollenpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung, befestigt an einem Gas/Öl-Separator 17, welcher wiederum an einem Elektromotor 28 befestigt ist.

Der Elektromotor 28 ist mit der Erdoberfläche 13 durch eine elektrische Leitung 29 verbunden, befestigt an einem Förderrohr 19'. Bei diesem System gibt es kein Zuführrohr für Versorgungsfluid, so daß eine Flügelrollenpumpe mit axialem Auslaß von der zentralen Leitung im Rotor zum Förderrohr 19' benutzt werden kann.

Das besagte Förderrohr 19' ist direkt mit dem Gehäuse 1' der Pumpe verbunden.

Die Funktionsweise dieses Systems ist ähnlich zu der des in Fig. 7 gezeigten Systems. Die Drehzahl des Elektromotors 28 kann durch Veränderung der elektrischen Frequenz an der Erdoberfläche variiert werden. Bei diesem System kann die Kombination Pumpe/Motor nicht aus dem Bohrloch entfernt werden, wenn nicht auch das Förderrohr 19' entfernt wird.

Falls wenig oder gar kein Gas mit den Reservoirflüssigkeiten gefördert wird, kann der Gas/Öl-Separator bei beiden beschriebenen Systemen entfallen. Beim in Fig. 7 gezeigten System mit Flügelrollenmotor und Flügelrollenpumpe könnte das Förderrohr 19 dann ebenfalls entfallen, wobei in diesem Fall die Pumpe gegen das Außengehäuse 12 abgedichtet ist.

Ein wichtiger Vorteil des in Fig. 7 gezeigten Systems mit einer Kombination Flügelrollenmotor und Pumpe ist die kurze Länge einer derartigen Kombination, welche den Einsatz in stark gekrümmten Bohrlöchern erlaubt, bei denen Elektromotoren und andere Rotationspumpen wegen ihrer Länge nicht eingesetzt werden können.

Man wird verstehen, daß diverse andere Ausführungsformen der beschriebenen Pumpsysteme möglich sind. Beispielsweise kann das Versorgungsfluid durch ein paralleles anstatt durch ein konzentrisches Zuführrohr eingeführt werden. Auch müssen die Flüssigkeiten nicht gemischt werden, sondern können getrennt zur Erdoberfläche gepumpt werden. In diesem Fall wird ein separates Auslaßrohr für das Versorgungsfluid benötigt.

Motoren und Pumpen gemäß der vorliegenden Erfindung können für diverse Zwecke mit diversen Fluiden eingesetzt werden. Die Tiefbohrmotoren sind nicht nur für vertikales und abgeleitetes Tiefbohren einsetzbar, sondern auch für Kembohren und Reinigungs- und Reparaturzwecke. Die vorliegende Erfindung schließt in ihrem Umfang Tiefbohr-, Kernbohr- sowie Reinigungs- und Reparaturgeräte ein, bei denen Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, ebenso wie Verfahren zum Antreiben von Tiefbohr-, Kernbohr- sowie Reinigungs- und Reparaturgeräten unter Benutzung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Fördermotoren und -pumpen sind nicht nur für die Verwendung in Ölfeldern geeignet, sondern auch für das Fördern von Trinkwasser, Heißwasser bei geothermischen Projekten oder Ablaufwasser im Bergwerkbetrieb wie beispielsweise bei der Braunkohleförderung. Sie können auch bei Brandbekämpfungs- und Kühlwassereinrichtungen an Offshore-Plattformen mit Meerwasser eingesetzt werden.

Die Erfindung umfaßt in ihrem Umfang somit sowohl Öl- und Wasserfördereinrichtungen, bei denen Motoren und/oder Pumpen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, als auch Verfahren zum Fördern von Wasser aus einem unterirdischen Reservoir zur Erdoerfläche oder zum Abpumpen von Wasser aus einem Oberflächenwasser-Reservoir unter Verwendung eines Motors und/oder einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.


Anspruch[de]

1. Flügelrollenmotor zur Verwendung bei Tiefbohr-, Kernbohr-, Reinigungs und Reparaturvorgängen, mit einem im wesentlichen rohrförmigen, an seinem oberen Ende mit einem Bohrgestänge verbundenen Gehäuse (1) und einem zur Drehung in dem besagten Gehäuse (1) mit einem Ringraum dazwischen angebrachten, an seinem unteren Ende mit einem Bohrmeißel verbundenen Rotor (3), wobei das besagte Gehäuse (1) mit radial nach innen vorstehenden Wandmitteln (2) versehen ist, die längs entlang dem besagten Gehäuse (1) verlaufen, wobei die besagten radial nach innen vorstehenden Wandmittel (2) den besagten Ringraum in Kammern (6a, 6b) aufteilen und der besagte Rotor (3) mit einer Vielzahl von zylindrischen Rollen (5) versehen ist, die in Vertiefungen (4) entlang dem Umfang des besagten Rotors (3) angebracht sind und im wesentlichen so über seine Länge verlaufen, daß sie in besagten Vertiefungen (4) aus einer im wesentlichen radial in eine im wesentlichen abdichtende Anordnung vorstehenden Stellung im Gehäuse (1) in eine im wesentlichen eingerückte Stellung beim überschreiten der radial verlaufenden Wandmittel (2) verschiebbar sind, wobei die Rollen (5) so ausgebildet und angeordnet sind, daß bei Verwendung des besagten Motors eine Strömung von unter Druck stehendem Fluid in die Kammerteile (Ga) gegen die stromaufwärtige Seite (5a) der ersten besagten Rollen (5¹) wirkt, um den Rotor (3) beim Herausdrücken von Fluid aus den Kammerteilen (6b) an der stromabwärtigen Seite der besagten Rollen (5¹) zu drehen, bis die Rollen (5¹) durch die radial nach innen vorstehenden Wandmittel (2) in die eingerückte Stellung gedrückt werden und zweite Rollen (5²) von den radial nach innen vorstehenden Wandmitteln (2) freigegeben werden und die ausgerückte Stellung einnehmen, worauf dieser Vorgang wiederholt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß für die besagte Strömung von unter Druck stehendem Fluid eine zentrale Leitung (10) im Rotor (3) ist, welche das Innere des Bohrgestänges mit dem Bohrmeißel verbindet, wobei die besagte Leitung (10) mit den Kammerteilen (6a) über Einlaßstutzen (9) und Vertiefungen (4) im Rotor (3) in Verbindung steht, wobei die besagten Vertiefungen (4) so viel breiter als der Rollendurchmesser ausgebildet sind, daß die Fluidströmung im wesentlichen ungehindert in die Kammerteile (6a) laufen kann, wobei der Auslaß aus Auslaßstutzen (7) im Gehäuse (1) an oder nahe der Vorderkante der radial verlaufenden Wandmittel (2) besteht, in Uhrzeigerrichtung gesehen, wobei die Auslaßstutzen (7) mit dem Ringraum (8) zwischen dem Gehäuse (1) und der Bohrlochwand verbunden sind.

2. Flügelrollenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einlaßstutzen (9) im Rotor (3) von der zentralen Leitung (10) zu einer Vertiefung (4) eine Vielzahl von diskret ausgebildeten und längs angeordneten Einlaßstutzen (9) aufweist.

3. Flügelrollenmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Auslaßstutzen (7) im Gehäuse (1) zum Ringraum (8) zwischen dem besagten Gehäuse (1) und der Bohrlochwand eine Vielzahl von diskret ausgebildeten und längs angeordneten Auslaßstutzen (7) aufweist.

4. Flügelrollenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der radial nach innen verlaufenden Wandmittel wesentlich verringert worden ist, wobei von den besagten schmalen Wandmitteln (2") eine Vielzahl in gleichem Abstand entlang der Innenfläche des Gehäuses (1) angeordnet sind und die Zahl der vertiefungen (4) mit entsprechenden, an der Außenfläche (3a) des Rotors (3) angeordneten Rollen (5) wenigstens um eins größer als die Zahl der schmalen Wandmittel (2") und vorzugsweise kleiner als zweimal so groß ist.

5. Flügelrollenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Leitung (10) im Rotor (3) mit nicht-drehenden, radial nach außen vorstehenden und längs verlaufenden Ventilmitteln (11) versehen ist, die einen Einlaßstutzen (9) im Rotor (3) von der Zeit an, zu der seine entsprechende Rolle (5) einen Auslaßstutzen (7) im Gehäuse (1) erreicht, bis zu der Zeit völlig oder teilweise abschließen, zu der die besagte Rolle (5) weiter zur eingerückten Stellung hin gegenüber den radial nach innen verlaufenden Wandmitteln (2, 2") verschoben wird.

6. Flügelrollenpumpe zum Pumpen von Öl und/oder Wasser aus einem unterirdischen Reservoir zur Erdoberfläche oder zum Abpumpen von Wasser aus einem Oberflächenreservoir, ausgebildet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Leitung (10) im Rotor (3) an ihrem unteren Ende geschlossen ist, die Auslaßstutzen (7) im Gehäuse (1) zu Einlaßstutzen (7") und die Einlaßstutzen (9) im Rotor (3) zu Auslaß stutzen (9") werden und ein Elektromotor an dem besagten Rotor (3) zu dessen Drehung zwecks Pumpen von Öl und/oder Wasser durch die Rollen (5) vom Ringraum (8) außerhalb des Gehäuses (1), durch die Einlaßstutzen (7") über die Kammern (6a, Gb), die Vertiefungen (4) und die Auslaßstutzen (9") zur zentralen Leitung (10) im Rotor (3) und weiter über Bohrlochrohre zur Erdoberfläche befestigt ist.

7. Flügelrollenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Leitung (10) im Rotor (3) mit nicht-drehenden, nach außen vorstehenden und längs verlaufenden Ventilmitteln (11) versehen ist, welche einen Auslaßstutzen (9") im Rotor (3) von der Zeit an, zu der seine entsprechende Rolle (5) einen Auslaßstutzen (7") im Gehäuse (1) erreicht, bis zu der Zeit völlig oder teilweise abschließen, zu der die besagte Rolle (5) weiter zur vorstehenden Stellung hin gegenüber der Innenwand des besagten Gehäuses (1) verschoben wird.

8. Hydraulisch angetriebener Flügelrollen-Fördermotor zum Antreiben einer Rotationspumpe, ausgebildet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Leitung (10) im Rotor (3) an ihrem unteren Ende abgeschlossen ist, der Rotor (3) mit dem Rotor einer Rotationspumpe verbunden ist und das Gehäuse (1) mit dem Gehäuse der besagten Pumpe verbunden ist.

9. Flügelrollenpumpe zum Pumpen von Öl und/oder Wasser aus einem unterirdischen Reservoir zur Erdoberfläche oder zum Abpumpen von Wasser aus einem Oberflächenreservoir, mit einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse (1') und einem zur Drehung in dem besagten Gehäuse (1') mit einem Ringraum dazwischen angebrachten Rotor (3'), wobei das besagte Gehäuse (1') mit radial nach innen vorstehenden Wandmitteln (2') versehen ist, die längs entlang dem besagten Gehäuse (1') verlaufen, wobei die besagten radial nach innen vorstehenden Wandmittel (2') den besagten Ringraum in Kammern (6a', 6b') aufteilen und der besagte Rotor (3') mit einer Vielzahl von zylindrischen Rollen (5') versehen ist, die in Vertiefungen (4') entlang dem Umfang des besagten Rotors (3') angebracht sind und im wesentlichen so über seine Länge verlaufen, daß sie in besagten Vertiefungen (4') aus einer im wesentlichen radial in eine im wesentlichen abdichtende Anordnung vorstehenden Stellung im Gehäuse (1') in eine im wesentlichen eingerückte Stellung beim Überschreiten der radial verlaufenden Wandmittel (2') verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (5') so ausgebildet und angeordnet sind, daß bei Verwendung der Pumpe Flüssigkeit durch die Einlaßstutzen (9') im Rotor (3') aus einer zentralen Leitung (10') im Rotor (3') zu Kammerteilen (6a') nahe den Vertiefungen (4') angesaugt wird und durch erste Rollen (51') aus den Kammerteilen (6b') durch Auslaßstutzen (7') an oder nahe der Vorderkante der radial vorstehenden Wandmitteln (2'), in Uhrzeigerrichtung gesehen, zum Raum außerhalb des Gehäuses (1') ausgegeben wird, bis die besagten Rollen (51') durch die radial nach innen vorstehenden Wandmittel (2') in die eingerückte Stellung gedrückt werden und zweite Rollen (52') von den radial nach innen vorstehenden Wandmitteln (2') freigegeben werden und die ausgerückte Stellung einnehmen, worauf dieser Vorgang wiederholt wird, wobei die besagte zentrale Leitung (10') an ihrem oberen, stromabwärtigen Ende abgeschlossen ist.

10. Flügelrollenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einlaßstutzen (9') im Rotor (3') von der zentralen Leitung (10') zu einem Kammerteil (6a') eine Vielzahl von diskret ausgebildeten und längs angeordneten Einlaßstutzen (9') aufweist.

11. Flügelrollenpumpe nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Auslaßstutzen (7') im Gehäuse (1') zum Raum außerhalb des besagten Gehäuses (1') eine Vielzahl von diskret ausgebildeten und längs angeordneten Auslaßstutzen (7') aufweist.

12. Flügelrollenpumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Leitung (10') im Rotor (3') mit nicht-drehenden, radial nach außen vorstehenden und längs verlaufenden Ventilmitteln (11') versehen ist, die einen Einlaßstutzen (9') in dem besagten Rotor (3') von der Zeit an, zu der seine entsprechende Rolle (5') einen Auslaßstutzen (7') im Gehuse (1') erreicht, bis zu der Zeit völlig oder teilweise abschließen, zu der die besagte Rolle (5') den besagten Auslaßstutzen (7') passiert hat.

13. Flügelrollenpumpe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßstutzen (7') im Gehäuse (1') durch Auslaßstutzen (7"') stromabwärts zu dem Punkt ersetzt sind, an dem die zentrale Leitung (10') im Rotor (3') abgeschlossen ist, wobei die besagten Auslaßstutzen (7"') von den Vertiefungen (4') oder von der Außenfläche (3a') des Rotors (3') zu der besagten zentralen Leitung (10') im Rotor (3') führen.

14. Flügelrollenpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Auslaßstutzen (7"') zu der zentralen Leitung (10') im Rotor (3') eine Vielzahl von diskret ausgebildeten und längs angeordneten Auslaßstutzen (7"') aufweist.

15. Verfahren zum Antreiben von Tiefbohr-, Kernbohroder Reinigungs/Reparaturgeräten, welches einen Flügeirollenmotor benutzt, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beschrieben.

16. Verfahren und System zum Fördern von Öl und/oder Wasser aus einem unterirdischen Reservoir durch ein dorthin führendes Bohrloch oder zum Fördern von Wasser aus einem Oberflächenreservoir durch in dieses Reservoir abgelassene Rohre, welche einen Flügelrollen-Fördermotor und/oder eine Flügelrollenpumpe benutzen, wie in einem der Ansprüche 6 bis 14 beschrieben.







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