DE60210803T2

DE60210803T2 - Bohrlochpumpenanordnung und verfahren zur gewinnung von bohrlochflüssigkeiten

Info

Publication number: DE60210803T2
Application number: DE60210803T
Authority: DE
Inventors: Roderick Kenneth Blairs STEWART; Fillipus Hector Inverurie SUSMAN
Original assignee: Rotech Holdings Ltd
Current assignee: Rotech Holdings Ltd
Priority date: 2001-11-24
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: ATE323825T1; CA2468102A1; EA005884B1; EP1446551A1; AU2002356266A1; MXPA04004925A; WO2003046336A1; BR0214392A; US7686075B2; EP1446551B1; DE60210803D1; AU2002356266B2; EA200400727A1; NO20042171L; US20050011649A1; GB0128262D0

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Untertage-Werkzeug. Insbesondere, wenngleich nicht ausschließlich, betrifft die vorliegende Erfindung eine Untertage-Pumpenbaugruppe, eine Bohrung, die eine Untertage-Pumpenbaugruppe einschließt, und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Bohrlochfluiden.
GEBIET DER ERFINDUNG
Auf dem Gebiet des Bohrens von Erdöl- und Erdgasbohrungen ist es manchmal notwendig, Techniken des „künstlichen Hebens" einzusetzen, um Lagerstättenfluide aus einem Bohrungsbohrloch zu fördern. Gegenwärtig kann dies erreicht werden durch die Verwendung einer elektrischen Tauchpumpe (electrical submersible pump – ESP), die eine durch einen Elektromotor angetriebene Pumpe einschließt, die in das Bohrloch eingefahren wird, um durch das Bohrloch Lagerstättenfluide zur Oberfläche zu fördern. Die ESP schließt Starkstrom- und Steuerkabel, die sich von der Oberfläche aus erstrecken, und elektrische Anschlüsse in der Untertage-Umgebung ein. Dies verursacht bedeutsame Probleme, insbesondere, weil typische Lagerstättentiefen zwischen 1 000 und 10 000 Fuß (300 bis 3 000 Meter) betragen können und die Kabel über diese Länge zur Oberfläche gezogen werden müssen. Außerdem sind der Elektromotor, das Starkstromkabel und die elektrischen Anschlüsse typischerweise mit den häufigsten Ausfallursachen in ESP verbunden. Es muss ebenfalls weitere Ausrüstung, einschließlich einer Untertage-Isolationskammer, einer Oberflächenschalttafel und eines Oberflächenleistungstransformatoren, bereitgestellt werden. Typische ESP schließen ebenfalls Isoliersysteme und Elastomerkomponenten ein, die durch die unter Tage erfahrenen extremen Drücke und Temperaturen beeinträchtigt werden. Diese Faktoren tragen alle dazu bei, bedeutsame Nachteile bei der Verwendung von ESP zu gewährleisten, insbesondere in Bezug auf deren Lebensdauer und Unterhaltungskosten.
GB-A-2170531 (OTIS) offenbart eine Untertage-Pumpenbaugruppe (206), die eine für den Antrieb der Pumpe an eine Pumpe (P) gekoppelte Turbine (T) umfasst.
Es gehört zu den Aufgaben wenigstens einer Ausführungsform wenigstens eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, wenigstens einen der vorstehenden Nachteile zu beseitigen oder zu mindern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Untertage-Pumpenbaugruppe bereitgestellt, die eine Turbine und eine Pumpe umfasst, wobei die Turbine für den Antrieb der Pumpe an die Pumpe gekoppelt ist und die Turbine eine Radialturbine ist.
Die Pumpenbaugruppe kann für den Antrieb der Pumpe zum Fördern von Fördermedium ausgelegt sein. Das Fördermedium wird zur Oberfläche gefördert und kann die Form eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluides, wie beispielsweise Erdöle, annehmen. Typischerweise ist die Untertage-Pumpenanordnung zum Anordnen in einem Futterrohr/einer Auskleidung in einem Bohrloch einer Bohrung ausgelegt, und die Pumpenbaugruppe kann zum Koppeln an Untertage-Rohrmaterial zum Anordnen in dem Bohrloch ausgelegt sein.
Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Pumpe von mindestens einem Teil der Turbine getrennt. Die Pumpe kann einen Pumpenfluid-Einlass und einen Pumpenfluid-Auslass umfassen, und der Pumpeneinlass kann fluidisch von mindestens einem Teil der Turbine getrennt sein. Insbesondere kann der Pumpenfluid-Einlass fluidisch von einem Fluidauslass der Turbine getrennt sein. Auf diese Weise kann die Pumpe zum Pumpen aktiviert werden und so hauptsächlich Fördermedium fördern. Jedoch kann ein Turbinenantriebsfluid (wie beispielsweise Wasser oder Dampf, wenn die Fördermedien sehr dicke oder viskose Öle umfassen) kann mit dem Fördermedium befördert werden; der Pumpenfluid-Auslass kann zum Vermischen der Bohrungs- und der Turbinenantriebsfluide für das Fördern in Fluidkommunikation mit dem Turbinenauslass angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Turbinenfluid-Auslass von dem Pumpenfluid-Auslass getrennt sein, und der Turbinenfluid-Auslass kann mit einem Abstand zur Pumpe angeordnet sein, damit das Turbinenantriebsfluid an einem Ort ausströmt, der zur Pumpe einen Abstand aufweist. Nützlicherweise ist der Turbinenfluid-Auslass, im Einsatz, weiter unten im Bohrloch als der Pumpenfluid-Auslass angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht dies insbesondere, dass das Turbinenantriebsfluid in die Formation eingepresst wird, idealerweise an einem Ort, der vielleicht Hunderte oder Tausende von Fuß von der Pumpe entfernt ist. Dieses eingepresste Fluid trägt dazu bei, den Formationsdruck auf annehmbaren Betriebsniveaus für das Fördern von Fördermedium zu halten. Dies trennt ebenfalls vorteilhafterweise das geförderte Fördermedium von dem Turbinenantriebsfluid, was den Grad der Abscheidung begrenzt, der sonst an der Oberfläche erforderlich ist, um das Fördermedium zu gewinnen.
Der mindestens eine Teil der Pumpe kann fluidisch von dem mindestens einen Teil der Turbine durch einen Packer oder ein anderes Isolierungsmittel getrennt sein. Die Pumpe kann für die Anordnung in dem Packer so ausgelegt sein, dass der Packer eine Kammer, insbesondere einen Ringraum, der zwischen der Pumpe und einem Bohrloch definiert ist, abdichtet, in dem die Baugruppe angeordnet ist, insbesondere zwischen der Pumpenbaugruppe und dem Futterrohr/der Auskleidung in dem Bohrloch. Der Turbinen- und der Pumpenauslass können, in Bezug auf die Förderrichtung des Bohrlochfluides, oberhalb oder stromaufwärts von dem Packer oder dem anderen Isolierungsmittel angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Pumpenbaugruppe außerdem Ablassmittel in der Form von Ablass-Rohrmaterial umfassen, das an die Pumpenbaugruppe gekoppelt ist und einen Auslass definiert, der einen Fluidauslass der Turbine formt. Dies kann ermöglichen, dass Turbinenantriebsfluid an einem Ort abgelassen wird, der zur Pumpe einen Abstand aufweist. Der durch die Ablassmittel definierte Turbinenauslass kann durch einen Packer oder ein anderes Isolierungsmittel von der Pumpe getrennt sein.
Die Turbine kann direkt an die Pumpe gekoppelt sein, und die Turbine und die Pumpe können entsprechend gewünschten Betriebscharakteristika der Pumpe oder der Turbine ausgewählt werden, um insbesondere ideale Betriebsrotationsgeschwindigkeiten der Turbine und der Pumpe abzugleichen. Wie weiter unten erörtert wird, kann die Turbine einstellbar sein, um die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine zu verändern, zum Beispiel durch Verändern einer Größe einer Düse der Turbine, um die Durchflussgeschwindigkeit von Fluid, das durch die Turbine fließt, und folglich die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine, mit derjenigen der Pumpe abzugleichen. Alternativ dazu kann die Pumpenbaugruppe außerdem Getriebemittel umfassen, wie beispielsweise ein Getriebe, das die Turbine an die Pumpe koppelt. Die Turbine und die Pumpe können jeweilige Lagerbaugruppen, wie beispielsweise ein oder mehrere Axiallager, einschließen, um eine Axialdruckbelastung aufzunehmen, die durch die Turbine bzw. die Pumpe erzeugt wird.
Die Untertage-Pumpenbaugruppe kann Förder-Rohrmaterial für die Versorgung der Turbine mit Antriebsfluid einschließen und kann ebenfalls Rückleitungs-Rohrmaterial zum Rückleiten des Bohrlochfluides an die Oberfläche einschließen. Das Förder- und Rückleitungs-Rohrmaterial kann aufgerolltes Rohrmaterial umfassen und kann für das Koppeln an Untertage-Rohrmaterial, wie beispielsweise Steigrohr-Rohrmaterial, das sich von der Oberfläche aus erstreckt, ausgelegt sein. Das Förder- und Rückleitungs-Rohrmaterial kann durch einen Packer oder ein anderes Isolierungsmittel abgedichtet werden. Dies kann dazu dienen, eine im Allgemeinen ringförmige Kammer zu isolieren, die zwischen einem Bohrloch, in dem die Baugruppe angeordnet ist, und der Baugruppe selbst und/oder Untertage-Rohrmaterial definiert ist, um dadurch zu erzwingen, dass der Rückfluss durch das Rückleitungs-Rohrmaterial hindurch an die Oberfläche geleitet wird. Alternativ dazu kann die Untertage-Pumpenbaugruppe für die direkte Kopplung an das Untertage-Rohrmaterial ausgelegt sein, um die Baugruppe mit Turbinenantriebsfluid zu versorgen, und die Baugruppe kann für die Rückgewinnung von Bohrlochfluid durch einen Ringraum hindurch ausgelegt sein, der zwischen einem Bohrloch und der Untertage-Pumpenbaugruppe und/oder Untertage-Rohrmaterial definiert ist. Zusätzlich kann, wenn die Pumpenbaugruppe außerdem Ablass-Rohrmaterial umfasst, das Rohrmaterial sich durch die Turbine und die Pumpe erstrecken oder an dieselben gekoppelt sein und sich von denselben bis zu einem Ausströmort erstrecken, der einen Abstand zur Pumpenbaugruppe aufweist.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Bohrung bereitgestellt, umfassend:
ein Bohrloch;
Untertage-Rohrmaterial, das im Bohrloch angeordnet ist; und
eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die an das Untertage-Rohrmaterial gekoppelt ist und im Bohrloch in einem Bereich einer Bohrlochfluid erzeugenden Formation angeordnet ist.
Das Untertage-Rohrmaterial kann Steigrohr-Rohrmaterial, das sich von der Oberfläche aus erstreckt, umfassen. Die Untertage-Pumpenbaugruppe kann durch Förder-Rohrmaterial für die Versorgung der Turbine mit Antriebsfluid und Rückleitungs-Rohrmaterial zum Rückleiten von Bohrlochfluid und/oder Turbinenantriebsfluid an die Oberfläche an das Steigrohr-Rohrmaterial gekoppelt sein. Das Förder- und Rückleitungs-Rohrmaterial kann aufgerolltes Rohrmaterial umfassen, das an das Steigrohr-Rohrmaterial gefügt sein kann. Die Untertage-Pumpenbaugruppe kann außerdem einen Packer oder ein anderes Isolierungsmittel umfassen, um zu erzwingen, dass der Rückfluss durch das Rückleitungs-Rohrmaterial hindurch an die Oberfläche geleitet wird. Der Packer kann eine im Allgemeinen ringförmige Kammer abdichten, die zwischen der Untertage-Pumpenbaugruppe und dem Bohrloch, insbesondere zwischen dem Turbinenförder-Rohrmaterial und dem Rückleitungs-Rohrmaterial, definiert ist. Das Bohrloch kann auf eine bekannte Weise mit Futterrohr/Auskleidung ausgekleidet sein.
Alternativ dazu kann das Untertage-Rohrmaterial, das Steigrohr-Rohrmaterial umfassen kann, direkt an die Untertage-Pumpenbaugruppe gekoppelt sein. Auf diese Weise kann Turbinenantriebsfluid durch das Steigrohr-Rohrmaterial zu der Turbine geleitet werden, und der Rückfluss von rückgewonnenem Bohrlochfluid und/oder Turbinenantriebsfluid kann längs eines Ringraums hindurch geleitet werden, der zwischen der Untertage-Werkzeugbaugruppe und dem Bohrloch definiert ist. Zusätzlich kann die Pumpenbaugruppe außerdem Ablassmittel in der Form von Ablass-Rohrmaterial umfassen, das an die Pumpenbaugruppe gekoppelt ist und einen Auslass definiert, der einen Fluidauslass der Turbine formt.
Weitere Merkmale der Untertage-Pumpenbaugruppe werden unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung definiert.
Vorzugsweise umfasst die Turbine Folgendes: ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Kammer einschließt, die in derselben einen drehbar montieren Rotor aufweist, der mindestens eine Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung mit einer ringförmigen Anordnung von mit einem Winkelabstand verteilten, ausgerichteten Schaufeln umfasst, wobei deren Antriebsfluid-Auffangflächen im Allgemeinen von einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors aus gesehen nach hinten zeigen; und einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden inneren Antriebsfluidkanal, der sich im Allgemeinen in Radialrichtung von dem Rotor aus gesehen innen befindet; wobei das Gehäuse einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden äußeren Antriebsfluidkanal aufweist; wobei einer der Kanäle des inneren und des äußeren Antriebsfluidkanals einen Antriebsfluid-Zuleitungskanal bildet und mit mindestens einer Auslassdüse bereitgestellt wird, die geformt und angeordnet ist, um mindestens einen Antriebsfluidstrahl auf die Schaufelantriebsfluid-Auffangflächen der mindestens einen Schaufelanordnung zu leiten, während die Schaufeln sich an der Düse vorbeibewegen, um für einen Drehantrieb des Rotors zu sorgen, und der andere der beiden Kanäle einen Antriebsfluid-Auslasskanal bildet und mit mindestens einer Auslassöffnung für den Austritt des Antriebsfluides von der mindestens einen Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung bereitgestellt wird.
Vorzugsweise hat die Turbine ebenfalls mehrere, vorteilhafterweise viele, der Turbinenlaufradmittel, die in einer Anordnung von parallelen Turbinenschaufelrädern angeordnet sind, die sich in Längsrichtung längs der Mitteldrehachse der Turbine erstrecken, mit jeweiligen parallelen Antriebsfluid-Zuleitungsstrahlen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Turbine Folgendes: ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Kammer einschließt, die in derselben einen drehbar montierten Rotor aufweist, der mindestens zwei Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen, von der jede eine ringförmige Anordnung von mit einem Winkelabstand verteilten, ausgerichteten Schaufeln umfasst, aufweist, wobei deren Antriebsfluid-Auffangflächen im Allgemeinen von einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors aus gesehen nach hinten zeigen; und einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden inneren Antriebsfluidkanal, der sich im Allgemeinen in Radialrichtung von jeder der Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen aus gesehen innen befindet; wobei das Gehäuse einen jeweiligen, sich im Allgemeinen axial erstreckenden äußeren Antriebsfluidkanal aufweist, der jeder Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung zugeordnet ist; wobei einer der Kanäle des inneren und des äußeren Antriebsfluidkanals einen Antriebsfluid-Zuleitungskanal bildet und mit mindestens einer Auslassdüse bereitgestellt wird, die geformt und angeordnet ist, um mindestens einen Antriebsfluidstrahl auf die Schaufelantriebsfluid-Auffangflächen zu leiten, während die Schaufeln sich an der mindestens einen Düse vorbeibewegen, um für einen Drehantrieb des Rotors zu sorgen, und der andere der beiden Kanäle einen Antriebsfluid-Auslasskanal bildet und mit mindestens einer Auslassöffnung für den Austritt des Antriebsfluides von den Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen bereitgestellt wird, wobei die benachbarten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen axial mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und mit dazwischen befindlichen Antriebsfluid-Rückflusskanälen bereitgestellt werden, die jeweils den Auslasskanal einer in der Strömungsrichtung vorgeschalteten Turbinenlaufradschaufel-Schaufelanordnung mit dem Zuleitungskanal einer in der Strömungsrichtung nachgeschalteten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung für den seriellen Verbundbetrieb der Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen verbinden.
An Stelle des Bereitstellens oder zusätzlich zu dem Bereitstellen eines inneren oder äußeren Antriebsfluidkanals zum Ablassen von Antriebsfluid aus der Kammer könnten Ablassöffnungen in axialen Stirnwandmitteln der Kammer bereitgestellt werden, obwohl eine derartige Anordnung im Allgemeinen auf Grund der Schwierigkeiten beim Fertigen und Abdichten weniger zu bevorzugen wäre.
Bei noch einer anderen Variante könnten sowohl das Antriebsfluid-Zuleitungs- als auch das -ablasskanalmittel in dem Gehäuse (d.h., in Radialrichtung vom Rotor nach außen) bereitgestellt werden, wobei Antriebsfluid über ein Düsenmittel in die Kammer eintritt, um auf die Turbinenschaufelmittel zu treffen und sie vorwärts zu treiben, und danach über Auslassöffnungen, die mit einem Winkelabstand zu dem Düsenmittel angeordnet sind, in einer stromabwärts gelegenen Richtung aus der Kammer ausströmt.
Die Turbine ist von einer Beschaffenheit mit einem radialen (und nicht axialen) Fluss, wobei sich das Treib- oder Turbinenantriebsfluid zwischen Positionen, die mit einem radialen (und nicht axialen) Abstand angeordnet sind, bewegt, um die Turbinenschaufelmittel anzutreiben. Dies ermöglicht, dass die Leistung der Turbine, in Bezug auf Drehmoment und Leistungscharakteristika, leicht verändert wird, einfach durch Ändern der Düsengröße – ohne gleichzeitig alle Turbinenschaufeln neu auslegen und ersetzen zu müssen, wie es im Allgemeinen bei herkömmlichen Axialturbinen der Fall ist, wenn irgendwelche Änderungen in der Fluidgeschwindigkeit und/oder der Fluiddichte vorgenommen werden. So wird zum Beispiel ein Verringern der Düsengröße (unter Annahme einer gleich bleibenden Durchflussmenge) die (Fluidstrahl-) Durchflussgeschwindigkeit steigern, wodurch das Drehmoment gesteigert wird. Dies wird ebenfalls die Betriebsgeschwindigkeit der Turbine und dadurch die Leistung steigern sowie den Gegendruck steigern. Ähnlich wird ein Steigern der Durchflussmenge, während die Düsengröße gleich bleibend gehalten wird, ebenfalls die (Fluidstrahl-) Durchflussgeschwindigkeit steigern sowie eine Steigerung bei der Betriebsgeschwindigkeit der Turbine und dadurch der Leistung ergeben und den Gegendruck steigern. Alternativ dazu würde ein Steigern der Düsengröße, während die (Fluidstrahl-) Durchflussgeschwindigkeit gleich bleibend gehalten wird, – durch Steigern der Durchflussmenge, das Drehmoment und die Leistung steigern, ohne die Turbinengeschwindigkeit oder den Gegendruck zu steigern. Falls gewünscht, kann das Drehmoment ebenfalls durch Steigern der Dichte des Antriebsfluides (unter Annahme einer gleich bleibenden Durchflussmenge und -geschwindigkeit), was die Durchflussmasse steigert, gesteigert werden.
Es wird zu erkennen sein, dass die einzelne Düsengröße in Längsrichtung und/oder Winkelrichtung der Turbine gesteigert werden kann und dass die Zahl von Düsen für die oder jede Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung ebenfalls verändert werden kann.
Die axiale Ausdehnung der Turbinenschaufeln kann ebenfalls in Längsrichtung der Turbine gesteigert werden, um den parallelen Massendurchfluss an Treibfluid durch die oder jede Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung zu steigern, ohne die starken Verluste zu erleiden, die bei herkömmlichen Mehrstufenturbinen anzutreffen sind, die sich in Axialrichtung erstreckende Anordnungen von in Axialrichtung angetriebenen, in Reihe verbundenen Turbinenschaufelanordnungen umfassen.
Ein anderer Vorteil der Turbine, der erwähnt werden kann, ist, dass die Fluid-Umfangsgeschwindigkeitsverteilung über die Turbinenschaufeln auf Grund der radialen Anordnung der Schaufeln wesentlich gleich bleibend und folglich sehr effizient ist, im Vergleich mit einer Axialturbine, bei der die Geschwindigkeitsverteilung über die Länge der Schaufel variiert und folglich durch hydrodynamische Fehlanpassung von Fluidgeschwindigkeit und Schaufelumfangsgeschwindigkeit Verluste verursacht werden.
Ein anderer Vorteil der Turbine gegenüber anderen herkömmlichen Turbinen zur Untertageverwendung ist, dass die Motoren der vorliegenden Erfindung für eine gegebene Ausgangsleistung wesentlich kürzer sind (selbst, wenn Getriebe berücksichtigt werden, die für eine gegebene praktische Anwendung erforderlich sein mögen). Typischerweise kann eine herkömmliche Turbine eine Länge in der Größenordnung von 15 bis 20 Meter haben, während eine vergleichbare Turbine der vorliegenden Erfindung für eine ähnliche Ausgangsleistung eine Länge von nur 2 bis 3 Meter haben würde. Dies hat sehr beträchtliche Vorteile, wie beispielsweise verringerte Fertigungskosten, leichtere Handhabung, und ermöglicht insbesondere, dass eine Untertage-Pumpenbaugruppe der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, die eine geringe Gesamtlänge hat.
Noch ein anderer Vorteil der Turbine, der erwähnt werden kann, ist, dass der verhältnismäßig hohe Gesamtwirkungsgrad der Turbine die Verwendung von (im Durchmesser) kleineren Turbinen, als es zuvor möglich war, ermöglicht. Bei herkömmlichen Untertageturbinen werden die so genannten „Schlitzverluste", die auf Grund eines Auslaufens von Antriebsfluid zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und dem Gehäuse auf Grund der Notwendigkeit eines endlichen Abstandes zwischen denselben auftreten, mit verringertem Turbinendurchmesser proportional größer. In der Praxis führt dies zu einem minimalen wirksamen Durchmesser für eine herkömmliche Turbine in der Größenordnung von rund 10 cm. Mit dem gesteigerten Gesamtwirkungsgrad der Turbine des Anmelders wird es möglich, den Turbinendurchmesser beträchtlich zu verringern, möglicherweise auf bis zu 3 cm.
Bei einer, bevorzugten, Form der Turbine dient das äußere Kanalmittel dazu, das Antriebsfluid dem Turbinenschaufelrad zuzuführen, über Düsenmittel, die vorzugsweise so geformt und angeordnet sind, dass sie einen Fluidstrahl im Allgemeinen tangential zu den Turbinenlaufradmitteln ausstoßen, und das innere Kanalmittel dient dazu, Antriebsfluid aus der Kammer abzulassen, wobei das innere Kanalmittel zweckmäßigerweise in einer Position mittig vom Rotor geformt ist. Bei einer anderen Form der Turbine wird das innere Kanalmittel verwendet, um das Antriebsfluid Schaufelmitteln zuzuführen, die an einem im Allgemeinen ringförmigen Turbinen-Schaufelradmittel angebracht sind. In diesem Fall sind die Düsenmittel im Allgemeinen so geformt und angeordnet, dass sie einen Fluidstrahl mehr oder weniger in Radialrichtung nach außen ausstoßen, und die Antriebsfluid-Auffangflächen der Schaufelmittel werden dazu neigen, schräg zu einer Radialrichtung ausgerichtet zu sein, um so eine nach vom gerichtete Antriebskraftkomponente bereitzustellen, wenn der Strahl auf die Fläche auftrifft.
Im Prinzip könnte nur ein einziges Düsenmittel verwendet werden. Im Allgemeinen werden jedoch mehrere mit einem Winkelabstand verteilte Drosselmittel, z.B. 2, 3 oder 4 in Abständen von 180°, 120° bzw. 90°, verwendet. Bei der bevorzugten Form der Turbine sind die Düsenmittel vorzugsweise so geformt und angeordnet, dass sie das Antriebsfluid im Wesentlichen tangential im Verhältnis zu der Schaufelmittelbahn leiten, können aber statt dessen in einem größeren oder kleineren Ausmaß in Radialrichtung nach innen oder nach außen von einer Tangentialrichtung geneigt sein, z.B. in einem Winkel von +5° (nach außen) bis –20° (nach innen), vorzugsweise 0° bis 10°, im Verhältnis zu der Tangentialrichtung – was von 95 bis 70°, vorzugsweise 90 bis 80°, im Verhältnis zu einer Richtung radial nach innen, entspricht.
Wie oben bemerkt, kann die Leistung des Motors gesteigert werden durch paralleles Steigern der Treibfluidenergie-Übertragungskapazität der Turbine – z.B. dadurch, dass sie Düsen hat, die einen größeren Querschnitt haben und/oder dichter mit einem Winkelabstand verteilt sind. Die Abtriebsleistung der Turbine kann unter anderem gesteigert werden durch Steigern der Winkelausdehnung der Düsenmittel in Bezug auf die Größe einzelner Düsenmittel um das Gehäuse und/oder durch Steigern der Längsausdehnung der Düsenmittel in Bezug auf sich in Längsrichtung erstreckende und/oder gesteigerte Zahlen von in Längsrichtung verteilten Düsenmitteln. Im Allgemeinen sollte jedoch die Auslassgröße einzelner Düsenmittel im Verhältnis zu derjenigen der Antriebsfluid-Zufuhrkanals auf eine im Allgemeinen bekannte und berechenbare Weise beschränkt sein, um so einen Strahldurchfluss verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit zu gewährleisten. Die Strahldurchflussgeschwindigkeit beträgt im Allgemeinen das Doppelte der linearen Geschwindigkeit der Turbine (an dem den Fluidstrahl-Durchfluss aufnehmenden Schaufelabschnitt) (siehe zum Beispiel Standardlehrbücher, wie beispielsweise „Fundamentals of Fluid Mechanics" von Bruce R. Munson et al., veröffentlicht von der John Wiley & Sons Inc.). Typischerweise würde bei einer Turbine der Erfindung mit einem Durchmesser von 3,125 Zoll (8 cm) Durchmesser ein Düsendurchmesser in der Größenordnung von 0,1 bis 0,35 Zoll (0,25 bis 0,89 cm) verwendet werden.
Die Größe der Schaufelmittel einschließlich insbesondere der Längsausdehnung einzelner Schaufelmittel und/oder der Zahl von in Längsrichtung verteilten Schaufelmitteln wird im Allgemeinen an diejenige der Düsenmittel angepasst. Vorzugsweise sind die Schaufelmittel und die Auflage dafür so geformt und angeordnet, dass die freitragende Länge der Schaufelmittel zwischen in Axialrichtung aufeinander folgenden Auflagen auf ein Minimum verringert wird, wodurch die Möglichkeit einer Verformung der Schaufelmittel durch das darauf strahlende Antriebsfluid auf ein Minimum verringert wird, und damit die Dicke der Schaufelmittelwände auf ein Minimum verringert werden kann. Die Zahl von mit einem Winkelabstand verteilten einzelnen Schaufelmitteln kann ebenfalls verändert werden, obwohl die Hauptwirkung einer gesteigerten Zahl im Verhältnis zum Glätten der durch die Turbine bereitgestellten Antriebskraft steht. Vorzugsweise werden mehrere, mit mehr oder weniger engem Abstand angeordnete, mit einem Winkelabstand verteilte Schaufelmittel, vorzugsweise wenigstens 6 oder 8, vorteilhafterweise wenigstens 9 oder 12 mit einem Winkelabstand verteilte Schaufelmittel, verwendet, zum Beispiel 12 bis 24, zweckmäßigerweise 15 bis 21 mit einem Winkelabstand verteilte Schaufelmittel.
Es wird ebenfalls zu erkennen sein, dass verschiedene Formen von Schaufelmitteln verwendet werden können. So können mehr oder weniger planare Schaufelmittel verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch ein Schaufelmittel verwendet, das eine konkave Antriebsfluid-Auffangfläche hat, wie beispielsweise ein Schaufelmittel, das zweckmäßigerweise im Folgenden als Eimermittel bezeichnet wird. Das Eimermittel kann verschiedene Profilformen haben und kann offene Seiten (an jedem Längsende desselben) haben. Zweckmäßigerweise haben die Eimer ein im Allgemeinen teilzylindrisches Kanalabschnittsprofil (das aus einem zylindrischen Rohrmaterialabschnitt geformt sein kann). Optimalerweise sollte der Eimer jedoch aerodynamisch/hydrodynamisch geformt sein, um ein Ablösen der Grenzschicht zu verhindern und eine weniger turbulente Strömung durch die Turbinenschaufelanordnung zu erzeugen und folglich einen parasitären Druckabfall über die Schaufelanordnung zu verringern.
Es können verschiedene Formen von Schaufelauflagemitteln verwendet werden. So kann das Auflagemittel zum Beispiel die Form einer im Allgemeinen ringförmigen Struktur haben, mit in Längsrichtung mit Zwischenraum angeordneten Abschnitten, zwischen denen sich die Schaufelmittel erstrecken. Alternativ dazu kann ein mittiges Auflageelement bereitgestellt werden, zweckmäßigerweise in der Form einer Röhre, die das innere Antriebsfluid-Kanalmittel bereitstellt, mit Ablassöffnungen darin, durch die gebrauchtes Antriebsfluid aus der Kammer abgelassen wird, wobei das mittige Auflageelement in Radialrichtung nach außen vorstehende und in Axialrichtung mit Zwischenraum angeordnete Flansch oder Finger hat, über denen die Schaufelmittel getragen werden. Alternativ dazu können die Schaufelmittel Fußabschnitte haben, die unmittelbar mit dem mittigen Auflageelement verbunden sind.
Die Turbine kann typischerweise normale Laufgeschwindigkeiten in der Größenordnung von beispielsweise von 2 000 bis zu 5 000 U/min haben. Jedoch kann es erforderlich sein, dass kleine Pumpen bei höheren Drehzahlen laufen. Während die Turbine vorzugsweise unmittelbar an die Pumpe gekoppelt ist, kann die Turbine alternativ dazu mit Getriebemitteln verwendet werden, um das Drehmoment zu steigern. In diesem Fall und im Allgemeinen können Getriebemittel verwendet werden, die zum Beispiel eine Drehzahlverringerung von rund 2:1 oder 3:1 gewährleisten. Es kann ein Umlaufgetriebe mit typischerweise 3 oder 4 Planetenrädern verwendet werden, die in einem rotierenden Tragkäfig angebracht sind, verwendet, um einen Ausgangsantrieb in der gleichen Richtung wie der Eingangsantrieb für das Sonnenrad, üblicherweise im Uhrzeigersinn, zu gewährleisten, so dass der Ausgangsantrieb ebenfalls im Uhrzeigersinn erfolgt. Es kann ein Langlebensdauer-Getriebemittel mit einem im Wesentlichen abgedichteten Grenzschmiersystem verwendet werden, vorzugsweise mit einem Druckausgleichsystem zum Minimieren des Eintritts von Spülschlamm oder anderem Material aus dem Bohrloch in das Getriebeinnere.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Rückgewinnung von Bohrlochfluiden bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Koppeln einer Turbine an eine Pumpe, um eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu bilden;
Koppeln der Untertage-Pumpenbaugruppe an das Untertage-Rohrmaterial;
Einbauen des Untertage-Rohrmaterials und der Untertage-Pumpenbaugruppe in ein Bohrloch einer Bohrung und Anordnen der Untertage-Pumpenbaugruppe in einem Bereich einer Bohrlochfluid erzeugenden Formation; und
Zuleiten von Antriebsfluid im Bohrloch, und zwar für den Antrieb der Turbine, die wiederum die Pumpe antreibt, zur Rückgewinnung des Bohrlochfluides aus dem Bohrloch.
Das Verfahren kann außerdem das Koppeln der Pumpenbaugruppe an das Steigrohr-Rohrmaterial umfassen und kann insbesondere das Koppeln der Turbine an das Steigrohr-Rohrmaterial mit Hilfe des Turbinenförderfluid-Rohrmaterials und des Rückleitungsfluid-Rohrmaterials zur Rückgewinnung des Bohrlochfluides und/oder des Antriebsfluides umfassen. Das Verfahren kann außerdem das Zuleiten des Antriebsfluides durch das Turbinenantriebsfluid-Förderrohrmaterial hindurch umfassen, und zwar für den Antrieb der Turbine sowie für den Antrieb der Pumpe, um das Bohrlochfluid durch das Rückleitungs-Rohrmaterial hindurch rückzugewinnen. Das Turbinenantriebsfluid-Förderrohrmaterial und das Rückleitungsfluid-Rohrmaterial können in Bezug auf das Bohrloch durch Isolierungsmittel, wie beispielsweise einen Packer, abgedichtet werden. Dies kann vorteilhafterweise erzwingen, dass das Bohrlochfluid und/oder das Turbinenantriebsfluid durch das Rückleitungs-Rohrmaterial hindurch zurückgeführt wird.
Alternativ dazu kann das Verfahren außerdem die direkte Kopplung der Turbine an das Steigrohr-Rohrmaterial und das Zuleiten des Antriebsfluides durch das Steigrohr-Rohrmaterial hindurch für den Antrieb der Turbine umfassen. Das Bohrlochfluid kann zurück gewonnen werden durch einen Ringraum hindurch, der zwischen der Untertage-Pumpenbaugruppe und/oder Untertage-Rohrmaterial und dem Bohrloch definiert ist.
Das Verfahren kann außerdem die Trennung eines Einlasses der Pumpe von einem Auslass der Turbine umfassen, um den Pumpeneinlass von dem Turbinenantriebsfluid zu trennen. Der Pumpeneinlass kann durch Anordnen von Isolierungsmitteln, wie beispielsweise eines Packers, um einen Teil der Pumpenbaugruppe, insbesondere die Pumpe, von dem Turbinenauslass getrennt werden.
Das Verfahren kann außerdem das Mischen des Bohrlochfluides mit dem Turbinenantriebsfluid, das von der Turbine abgelassen wird, und das Rückleiten des Bohrlochfluides an die Oberfläche umfassen. Das Bohrlochfluid und das abgelassene Turbinenantriebsfluid können an oder in dem Bereich eines Auslasses der Pumpe gemischt werden. Vorteilhafterweise isoliert dies den Pumpeneinlass derart, dass die durch die Pumpe ausgeführte Arbeit größtenteils darin besteht, Bohrlochfluide zur Oberfläche zu pumpen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Verfahren außerdem das Einspritzen oder Ablassen von verbrauchtem Turbinenantriebsfluid in die Formation umfassen. Dies trägt dazu bei, den Formationsdruck auf annehmbaren Niveaus zu halten. Dies kann erreicht werden durch die Kopplung der Ablassmittel an die Pumpenbaugruppe, wobei die Ablassmittel einen Turbinenauslass definieren, und durch die Trennung des Ablassmittelauslasses von der Pumpe zum Leiten von verbrauchtem Antriebsfluid in die Formation. Vorzugsweise wird das verbrauchte Turbinenantriebsfluid an einem Ort eingespritzt, der zur Untertage-Pumpenbaugruppe einen Abstand aufweist, typischerweise kann dieser Hunderte oder Tausende Fuß betragen, um z verhindern, dass das verbrauchte Antriebsfluid durch die Pumpe wieder aus der Formation herausgezogen wird.
Die Turbine kann mindestens teilweise durch rückgewonnenes Bohrlochfluid angetrieben werden. Vorzugsweise wird das rückgewonnene Bohrlochfluid in mindestens Wasser- und Kohlenwasserstoffbestandteile, die Öle, Gase und/oder Kondensate einschließen, getrennt. Abgetrenntes Wasser, Öl oder eine Verbindung der zwei kann als Turbinenantriebsfluid verwendet werden. Alternativ dazu kann die Turbine mindestens teilweise durch ein Gas, wie beispielsweise Luft oder Stickstoff, Dampf oder einen Schaum, wie beispielsweise Stickstoffschaum, angetrieben werden. Es wird sich verstehen, dass es, wenn die Turbine mindestens teilweise durch rückgewonnenes Bohrlochfluid angetrieben wird, notwendig sein kann, wenigstens anfangs der Turbine ein Nichtbohrlochfluid, wie beispielsweise Meerwasser oder einen Schlamm, zuzuleiten, und dass anschließend an eine Bohrlochfluid-Förderung oder Steigerung der Bohrlochfluid-Förderung unter Verwendung der Pumpenbaugruppe rückgewonnenes Bohrlochfluid zum Antreiben der Turbine verwendet werden kann.
Es wird sich jedoch ebenfalls verstehen, dass rückgewonnenes Bohrlochfluid vom Beginn an zum Antreiben der Turbine verwendet werden kann, wenn es einen ausreichenden Strom an Bohrlochfluiden gibt, um damit zu beginnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun, nur als Beispiel, Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Bohrung ist, die eine Untertage-Werkzeugbaugruppe umfasst, die eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat,
2 eine schematische Schnittansicht einer Bohrung ist, die eine Untertage-Werkzeugbaugruppe umfasst, die eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat,
2A eine schematische Schnittansicht einer Bohrung ist, die eine Untertage-Werkzeugbaugruppe umfasst, die eine Pumpenbaugruppe nach einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat,
3 eine vergrößerte, detaillierte Ansicht einer Turbinenantriebseinheit ist, die einen Teil der Untertage-Pumpenbaugruppen von 1, 2 und 2A bildet, wobei aber Lager- und Dichtungseinzelheiten der größeren Klarheit wegen weggelassen sind,
4A ein Querschnitt der Turbineneinheit von 3, längs der Linie II-II, ist,
4B eine detaillierte Ansicht ist, die einen Teil einer Untertage-Pumpenbaugruppe ähnlich der in 1 und 2 gezeigten zeigt, die aber eine Turbine einschließt, die eine obere und eine untere Turbineneinheit ähnlich der in 3 gezeigten einschließt, wobei 4B eine detaillierte Ansicht ist, welche die Verbindung zwischen der oberen und der unteren Turbineneinheit zeigt,
5 ein teilweise aufgeschnittener Seiteriss des Hauptteils des Turbinenlaufrades von 3 und 4B ohne Eimermittel ist,
6 und 7 Querschnitte des Laufrades von 5, aber mit Eimermitteln an ihrem Platz, sind,
8 ein Querschnitt eines Umlaufgetriebesystems ist, das an die Turbine von 3/4A gekoppelt ist und einen Teil einer Untertage-Pumpenbaugruppe nach einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet,
9 bis 13 eine alternative Turbine zeigen, die einen Teil der in 1 und 2 gezeigten Untertage-Pumpenbaugruppen bilden, wobei:
9 eine Längsschnittansicht ist, die im Allgemeinen derjenigen von 3 entspricht,
10 und 11 Querschnitte, längs der in 9 angezeigten Linien IX-IX und X-X, sind,
12 eine perspektivische Ansicht ist, welche die Hauptteile der Turbine von 9 bis 11 zeigt, wobei das äußere Gehäuse entfernt ist, und
13 eine Ansicht ist, die 12 entspricht, wobei aber ein Teil des Leitrades entfernt ist, um das Laufrad aufzudecken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Unter Bezugnahme zuerst auf 1 wird eine schematische Seitenansicht einer Untertage-Werkzeugbaugruppe nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, im Allgemeinen angezeigt durch die Bezugszahl 10, gezeigt angeordnet in einer Bohrung 12.
Die Untertage-Werkzeugbaugruppe umfasst Rohrmaterial, wie beispielsweise Steigrohr-Rohrmaterial 14, das sich zur Oberfläche erstreckt und in einem Bohrloch 16 der Bohrung 12 angeordnet ist, die auf eine auf dem Gebiet bekannte Weise mit Auskleidungsfutterrohr (nicht gezeigt) ausgekleidet worden ist. Die Untertage-Werkzeugbaugruppe schließt eine Untertage-Pumpenbaugruppe 18 ein, die an das Steigrohr-Rohrmaterial 14 gekoppelt und in dem Bohrloch 16 in einem Bereich 20 einer ein Bohrlochfluid erzeugenden Formation 22 angeordnet ist. Die Formation 22 ist perforiert worden, um Perforationen 24 zu erzeugen, die sich in die Formation hinein erstrecken, um zu ermöglichen, dass Bohrlochfluid, wie in 1 gezeigt, in das Bohrloch 16 strömt.
Die Pumpenbaugruppe 18 schließt im Allgemeinen eine Turbine 26 ein, die an eine Pumpe 28 gekoppelt ist, um die Pumpe 28 zum Gewinnen eines Bohrlochfluides aus der Formation 22 anzutreiben. Im Einzelnen und bei Betrachtung von 1 von oben nach unten ist die Untertage-Pumpenbaugruppe 18, insbesondere die Turbine 26, durch speziell angefertigtes Turbinenantriebsfluid-Rohrmaterial 30 an das Steigrohr-Rohrmaterial 14 gekoppelt. Das Turbinenantriebsfluid-Rohrmaterial 30 wird innerhalb des Steigrohr-Rohrmaterials 14 bereitgestellt und erstreckt sich bis zur Oberfläche. Bohrlochfluid-Rückleitungsrohrmaterial 32 ist ebenfalls an das Steigrohr-Rohrmaterial 14 gekoppelt, wobei beide Rohrmaterialien 30 und 32 bei 34 mit dem Steigrohr-Rohrmaterial 14 verbunden sind. Das Bohrlochfluid-Rückleitungsrohrmaterial 32 kann innerhalb des Steigrohr-Rohrmaterials 14 bereitgestellt werden und sich bis zur Oberfläche erstrecken oder kann so mit dem Steigrohr-Rohrmaterial 14 verbunden sein, dass es eine Fluid-Förderbahn zur Oberfläche bereitstellt. Beide Rohrmaterialien 30 und 32 können, zur leichteren Installation, aufgerolltes Rohrmaterial umfassen.
Das Steigrohr-Rohrmaterial 14 erstreckt sich auf eine bekannte Weise innerhalb der Auskleidung/des Futterrohrs (nicht gezeigt) bis zur Oberfläche, zu einer Küsten- oder Festlands-Erdöl-/Erdgasbohranlage. Ein Motor-/Pumpensatz (nicht gezeigt) fördert, wie durch den Pfeil A in 1 angezeigt, Turbinenantriebsfluid (bei dieser Ausführungsform vorzugsweise Meerwasser) das Steigrohr-Rohrmaterial 14 hinab und durch das Turbinenantriebsfluid-Rohrmaterial 30 zu der Turbine 26. Die Turbine 26 schließt eine Turbineneinheit 36 und einen Turbinenablass 38 ein, und das Turbinenantriebsfluid geht, wie unter Bezugnahme auf 3 bis 13 beschrieben wird, hinab durch die Turbineneinheit 36 hindurch, um die Turbine anzutreiben. Das verbrauchte Antriebsfluid wird an dem Turbinenablass 38 aus der Turbineneinheit 36 abgelassen und strömt in eine im Allgemeinen ringförmige Kammer 40, die zwischen der Pumpenbaugruppe 18 und den Wänden des Bohrlochs 16 definiert wird, wobei das Fluid in der Richtung des in 1 gezeigten Pfeils B strömt.
Das Turbinenantriebsfluid kann Meerwasser umfassen, aber es kann alternativ dazu rückgewonnenes Bohrlochfluid allein oder in Verbindung mit einem anderen Antriebsfluid, wie beispielsweise Meerwasser, verwendet werden. Im Einzelnen kann zur Oberfläche gefördertes Bohrlochfluid zum Antrieb der Turbine wieder durch das Turbinenantriebsfluid-Rohrmaterial 30 hinab zurückgepumpt werden. Das Bohrlochfluid kann an der Oberfläche in Kohlenwasserstoffe (Öle, Gase und/oder Kondensate) und Wasser getrennt und das rückgewonnene Wasser oder Öl wieder eingespritzt und als Antriebsfluid verwendet werden. Bei anderen Alternativen kann die Turbine dampfgetrieben oder gasgetrieben, zum Beispiel unter Verwendung von Luft, Stickstoff oder Stickstoffschaum, sein.
Die Pumpe 28 ist durch eine Antriebswelle (nicht gezeigt), die sich durch den Turbinenablass 38 erstreckt, an die Turbine gekoppelt und schließt eine Pumpeneinheit 42 ein, die einen Pumpenablass 44 hat, der einen Auslass der Pumpe 28 bildet. Die Pumpeneinheit 42 umfasst eine typische Pumpeneinheit, wie beispielsweise jene, die in aktuellen ESP-Baugruppen verwendet werden, und schließt einen Pumpeneinlass 21 ein, um zum Fördern von Bohrlochfluid an die Oberfläche Fluid in die Pumpe 28 einzuziehen. Der Pumpeneinlass 21 ist durch Isolierungsmittel in der Form eines Packers 46 von dem Pumpenauslass in dem Pumpenablass 44 und daher von dem Turbinenablass 38 getrennt. Der Packer 46 nimmt die Pumpe 28 in dem Futterrohr des Bohrlochs 16 auf, positioniert sie und dichtet sie ab. Auf diese Weise wirkt die Pumpeneinheit 28 hauptsächlich, um Bohrlochfluid aus der Formation 22 abzuziehen, und muss keine zusätzliche Arbeit verrichten, um abgelassenes Turbinenantriebsfluid durch die Pumpe zu pumpen.
Wenn die Turbine 26 zum Antreiben der Pumpe 28 aktiviert wird, wird Bohrlochfluid 48 in und durch die Pumpe in der Richtung des Pfeils C gezogen, wobei es aus dem Pumpenablass 44 in der Richtung D, in die Kammer 40, abgelassen wird. Das Bohrlochfluid 48 mischt sich in der Kammer 40 mit abgelassenem Turbinenantriebsfluid und wird durch das Bohrlochfluid-Rückleitungsrohr 32, in der Richtung des Pfeils E, zur Oberfläche hinaufgepumpt. Ein oberes Isolierungsmittel in der Form eines Packers 50 dichtet das Rohrmaterial 30 und 32 ab, um das gemischte Bohrlochfluid und Turbinenantriebsfluid in das Rückleitungsrohrmaterial 32 und folglich zur Oberfläche zu leiten, wo das Bohrlochfluid von dem Turbinenantriebsfluid getrennt wird. Wie erörtert, kann mindestens ein Teil des abgetrennten Turbinenantriebsfluides zum weiteren Antreiben der Turbine 26 im Kreislauf unter Tage zurückgeführt werden.
Die Pumpe 28 ist bemessen für die aus der Formation 22 abzuziehende Durchflussmenge und die Druckgefälleanforderung auf der Tiefe der Pumpenbaugruppe 28. Außerdem ist der absolute Druck des Antriebsfluides am Einlass der Turbine 36 derart eingestellt, dass der durch die Turbine 36 aus dem Antriebsfluid extrahierte Differenzdruck bewirken wird, dass der Ablassdruck aus der Turbine 36 grob dem Ringspaltdruck auf der Tiefe der Pumpenbaugruppe 18 entspricht. Sowohl die Turbine 26 als auch die Pumpe 28 schließt jeweilige Axialdrucklager (nicht gezeigt) ein derart, dass axiale Belastungen in der Turbine und der Pumpe durch jeweilige in sich geschlossene Lager getragen werden.
2 zugewendet, wird nun eine Untertage-Werkzeugbaugruppe 10a gezeigt. Die Baugruppe 10a ist ähnlich der Baugruppe 10 von 1, und gleiche Komponenten teilen die gleichen Bezugszahlen, mit der Hinzufügung des Buchstaben „a". Der Kürze halber werden nur die Unterschiede zwischen der Baugruppe 10a und der Baugruppe 10 beschrieben.
Die Turbine 26a der Untertage-Pumpenbaugruppe 18a ist direkt an das Steigrohr-Rohrmaterial 14a gekoppelt derart, dass das Turbinenantriebsfluid durch das Steigrohr-Rohrmaterial 14a in die Turbineneinheit 36a in der Richtung des Pfeils F geleitet wird, bevor sie aus dem Turbinenablass 38a in der Richtung des Pfeils G abgelassen wird. Auf diese Weise mischt sich Lagerstättenfluid, das in der Richtung C durch die Pumpeneinheit 42a strömt und aus dem Pumpenablass 44a in der Richtung D abgelassen wird, mit dem abgelassenen Turbinenantriebsfluid im Bohrloch-Ringspalt 54 und wird den Ringspalt 54 hinauf zu Oberfläche zurückgeführt. Dies vermeidet die mit dem Erwerben und Installieren des aufgerollten Rohrmaterials des Turbinenantriebsfluid- und Bohrlochfluid-Rohrmaterials 30 und 32 der Baugruppe 10 verbundenen Kosten.
2A zugewendet, wird nun eine Untertage-Werkzeugbaugruppe 10b gezeigt. Die Baugruppe 10b ist ähnlich den Baugruppe 10 und 10a von 1 und 2, und gleiche Komponenten teilen die gleichen Bezugszahlen, mit der Hinzufügung des Buchstaben „b". Der Kürze halber werden nur die Unterschiede zwischen der Baugruppe 10a und der Baugruppe 10 beschrieben.
Die Baugruppe 10b ähnelt der Baugruppe 10a von 2 (i. Orig. hier: 2A. Anm. d. Ü.) insofern, als die Untertage-Pumpenbaugruppe 18b direkt an Stiegrohr-Rohrmaterial 14b gekoppelt ist derart, dass das Turbinenantriebsfluid, wie durch den Pfeil H gezeigt, durch das Steigrohr-Rohrmaterial 14b in die Turbineneinheit 36b geleitet wird. Jedoch schließt die Pumpenbaugruppe 18b ebenfalls Ablassmittel in der Form eines Ablassrohres 56 ein, das sich von der Pumpeneinheit 42b aus erstreckt. Das Turbinenantriebsfluid, das nach unten durch die Turbine 36b strömt, geht ebenfalls durch die Pumpeneinheit 42b hindurch, und das Rohr 56 trennt das Antriebsfluid von dem Pumpeneinlass 21b.
Ein Isolierungsmittel in der Form eines unteren Packers 58 isoliert einen Auslass 60 des Ablassrohres 56, der in Wesentlichen einen Auslass der Turbine 36b definiert. Der Bereich 20b der Förderformation erstreckt sich über eine Länge des Bohrlochs 16b, und Fluid strömt auf die weiter oben beschriebene Weise aus oberen Perforationen 24b in den Pumpeneinlass 21b. Danach tritt das Fluid aus einem Pumpenablass 44b aus, der um die oder mit der Turbine 36b bereitgestellt wird, und strömt den Ringspalt 54b hinauf zur Oberfläche, in der Richtung des Pfeils I.
Verbrauchtes Turbinenantriebsfluid, das durch das Ablassrohr 56 nach unten strömt, tritt aus dem Auslass 60 aus und wird durch untere Perforationen 62 in die Formation 20b eingespritzt. Folglich werden aus der Formation 20b abgezogene Fluide, wie in der Abbildung durch die Pfeile J gezeigt, durch eingespritztes, verbrauchtes Turbinenantriebsfluid ersetzt. Durch den Packer 58 wird dieses verbrauchte Fluid daran gehindert, durch das Bohrloch 16b nach oben zurückzuströmen, und hält den Formationsdruck auf einem annehmbaren Niveau, damit weiter Bohrlochfluide abgezogen werden. Während 2A eine schematische Ansicht des Bohrlochs 16b und der Pumpenbaugruppe 18b ist, wird es sich verstehen, dass der Auslass 60 des Ablassrohres 56 mit etwas Abstand zu der Pumpenbaugruppe 18b und den Perforationen 24b angeordnet ist. Dieser Abstand kann Hunderte oder Tausende von Fuß betragen derart, dass das verbrauchte Turbinenantriebsfluid in einem anderen Bereich aus der Pumpenbaugruppe 18b abgelassen wird, als wo das Öl extrahiert wird (der Bereich, wo die Perforationen 24b angeordnet sind). Dies erübrigt die Anforderung, Fluid gesondert in die Bohrung einzuspritzen, um den Formationsdruck aufrechtzuerhalten, wie es bei den Ausführungsformen von 1 und 2 erforderlich sein mag. Beim Pumpen des verbrauchten Turbinenantriebsfluides das Ablassrohr 56 hinab zum Auslass 60 und den Ringspalt um das Ablassrohr hinauf tritt ein Druckabfall auf, und das Druckgefälle über die Turbine kann daher verhältnismäßig groß sein.
Es wird ebenfalls zu verstehen sein, dass die Baugruppen von 2 und 2A, wie in Bezug auf 1 beschrieben, unter Verwendung rückgewonnener Bohrlochfluide angetrieben werden können.
3 zugewendet, wird nun die Turbine 36 detaillierter gezeigt. Während die Untertage-Pumpenbaugruppen 18 und 18a von 1, 2 und 2A eine einzige Turbineneinheit 36 einschließen, wird es zu erkennen sein, dass eine beliebige Zahl, zum Beispiel zwei oder mehr, Turbineneinheiten bereitgestellt werden kann. Dementsprechend illustriert 4B, wie weiter unten beschrieben wird, die Verbindung der Turbineneinheit 36 mit einer zweiten solchen Einheit 37.
Die folgende Beschreibung gilt für die Turbinen 26, 26a und 26b von 1 bis 2A. Es wird hierin der Klarheit halber jedoch nur die Turbine 26 beschrieben. Wie in 3 gezeigt, ist eine obere Anschlussuntereinheit 103 an die Turbineneinheit 36 gekoppelt, die ein äußeres Gehäuse 111 umfasst, in dem ein Leitrad 112 feststehend angebracht ist, das ein im Allgemeinen rautenförmiges Querschnittsprofil 113 hat, das mit dem äußeren Gehäuse 111 zwischen denselben zwei diametral gegenüberliegende, im Allgemeinen halbkreisförmige Antriebsfluid-Zuleitungskanäle 114 definiert. An dem im Uhrzeigersinn gelegenen Ende 115 jedes Kanals 114 wird eine Leitung 116 bereitgestellt, die eine Antriebsfluid-Zuleitungsdüse 117 bereitstellt, die im Allgemeinen tangential zu einer durch das Leitrad 112 definierten Kammer 118 mit zylindrischem Profil gerichtet ist, innerhalb derer ein Laufrad 119 angeordnet ist.
Das Laufrad 119 ist über geeignete Buchsen und Lager (nicht gezeigt) an Endabschnitten 120, 121, die von jedem Ende 122, 123 des Leitrades 112 nach außen vorspringen, drehbar angebracht. Wie in 5 bis 7 gezeigt, umfasst das Laufrad 119 ein röhrenförmiges Mittelelement 120 und hat zwischen den Endabschnitten 120, 121 eine Reihe von mit Abstand in Radialrichtung nach innen mit Schlitzen 125 versehenen Flanschen 126, in denen zylindrische Rohre 127 (siehe 6 & 7), die sich in Längsrichtung des Laufrades erstrecken, feststehend angebracht sind. 6 ist ein Querschnitt durch einen Flansch 126, der die Basis und die Seiten der Rohre 127 an demselben trägt. 7 ist ein Querschnitt des Laufrades 119 zwischen aufeinander folgenden Flanschen 126 und zeigt eine Reihe von mit Winkelabstand verteilten Öffnungen 128, die sich in Radialrichtung nach innen durch das röhrenförmige Mittelelement 124 bis zu einem mittigen axialen Antriebsfluid-Ablasskanal 129 erstrecken. Zwischen den Flanschen 126 sind die Rohre 127 weg geschnitten, um mit Winkelabstand zueinander verteilte Reihen von Eimern 130 mit halbkreisförmigem Kanalquerschnitt bereitzustellen, die in der Tat eine Reihe von Turbinenrädern 130a bilden, die von den tragenden Flansche 126 durchsetzt sind. Die Eimer 130 sind so ausgerichtet, dass ihre inneren Antriebsfluid-Auffangflächen 131 gegen den Uhrzeigersinn und rückwärts zu der normalen, im Uhrzeigersinn gerichteten, Rotationsrichtung des Turbinenlaufrades 119 bei Anwendung der Turbine zeigen. Die Eimer 130 sind im Wesentlichen entfernt von dem mittigen röhrenförmigen Element 124 angeordnet, so dass durch dieselben aufgefangenes Antriebsfluid frei aus den Eimern 130 und schließlich aus den Ablassöffnungen 128 strömen kann. Es wird zu erkennen sein, dass, wenn das Laufrad 119 durch das Leitrad 112 umschlossen wird, zusätzlich zu der „Impuls"-Antriebskraft, die auf einen Eimer 130 unmittelbar gegenüber einer Düse 117 durch einen Strahl von Antriebsfluid ausgeübt wird, der aus derselben austritt, andere Eimer ebenfalls eine „Schlepp"-Antriebskraft von dem rotierenden Strom des Antriebsfluides um das Innere der Kammer 118, bevor es über die Ablassöffnungen 128 und den Kanal 129 abgelassen wird, empfangen.
Wie bei der alternativen Ausführungsform von 4B, die zwei Turbineneinheiten 36, 37 einschließt, gezeigt, ist das Laufrad 119 der oberen Turbine 36 über eine Sechseck- (oder eine ähnliche) Kupplung 132 treibend mit dem Laufrad der unteren Turbine 37 verbunden, die der oberen Turbine in Wesentlichen ähnelt. Bei noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die untere Turbine 327 wiederum über ein einzelnes oder ein oberes und ein unteres Getriebe (nicht gezeigt) und geeignete Kupplungen treibend mit der pumpe 28 verbunden sein, Wie in 8 gezeigt, kann das oder jedes Getriebe vom Umlauftyp sein, mit einem angetriebenen Sonnenrad 136, einem feststehenden Hohlrad 137 und vier Planetenrädern 138, die in einem Käfig 139 angebracht sind, was einen Ausgangsantrieb in der gleichen Richtung wie die Rotationsrichtung des angetriebenen Sonnenrades 136 gewährleistet.
Bei Anwendung der Turbine 36 tritt das Treibfluid in die obere Untereinheit 103 ein und geht nach unten hindurch in die halbringförmigen Zuleitungskanäle 114 der oberen Turbine 36 zwischen dem äußeren Gehäuse 111 und dem Leitrad 112 derselben, wo es über die Düsen 117 in die Kammer 118 gestrahlt wird, in der das Laufrad 119 angebracht ist, um so in den Eimern 130 desselben aufzutreffen. Das Treibfluid wird aus der Kammer 118 über die Ablassöffnungen 128 den mittigen Ablasskanal 129 innerhalb des mittigen Laufradelements 124 hinab abgelassen, bis es das untere Ende 124a desselben erreicht, das in der Sechseckkupplung 32 in Eingriff ist (wenn zwei Turbineneinheiten 36, 37 bereitgestellt werden), die es treibend mit dem geschlossenen oberen Ende 124b des Laufrades 119 der unteren Turbine 37 verbindet. Wenn die Turbine 26 nur die einzelne Turbineneinheit 36 einschließt, wird das Antriebsfluid selbstverständlich, wie in 1 gezeigt, aus dem Turbinenablass 38 abgelassen. Danach geht das Fluid in Radialrichtung nach außen aus den Öffnungen 132a heraus, die in der Sechseckkupplung 132 der unteren Turbine bereitgestellt werden, und geht danach weiter in die halbringförmigen Zuleitungskanäle 114 der unteren Turbine 37 zwischen dem äußeren Gehäuse 111 und dem Leitrad 112 derselben, um die untere Turbine 37 auf die gleiche Weise wie die obere Turbine 36 anzutreiben. Es wird zu erkennen sein, dass die untere Turbine wirksam in Reihe mit der oberen Turbine angetrieben wird. Dies ist dennoch, angesichts des hoch effektiven „parallelen" Antriebs innerhalb jeder der oberen und unteren Turbinen ziemlich effektiv und wirksam. Das aus der unteren Turbine abgelassene Bohrtreibfluid geht danach längs mittiger Kanäle, die sich durch das Innere der Getriebe (wenn sie bereitgestellt werden) erstrecken, wobei es am Ablass 38 ausströmt.
Mit einer einzelnen Turbineneinheit, wie sie in den Zeichnungen gezeigt wird, die zur Verwendung in einer Bohrlochsohlenausrüstung von 3,125 Zoll (8 cm) Durchmesser geeignet ist, und einem Antriebsfluid-Zuleitungsdruck von 70 kp/cm² kann ein Ausgangsdrehmoment in der Größenordnung von 2,5 kpm bei 6 000 U/min erreicht werden. Mit einer Untersetzung im Verhältnis 3:1 kann ein Ausgangsdrehmoment in der Größenordnung von 8 kpm bei 2 000 U/min erreicht werden. Mit einem System, wie es illustriert wird, kann ein Ausgangsdrehmoment in der Größenordnung von 25 kpm bei 600 U/min erreicht werden, was mit der Leistung eines ähnlich bemessenen Moineau-Motors oder einer herkömmlichen Untertage-Turbine, die einen Durchmesser von 4 3/4 Zoll (12 cm) und 50 Fuß (15,24 m) Länge hat, vergleichbar ist.
Es wird zu erkennen sein, dass an der weiter oben beschriebenen Turbine verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können. So können zum Beispiel die Profile der Eimer 130 und deren Ausrichtung und die Konfiguration und Ausrichtung der Düsen 117 alle so modifiziert werden, dass der Wirkungsgrad der Turbine verbessert wird.
Die in 9 bis 13 gezeigte Turbine 236 ähnelt im Allgemeinen derjenigen von 3 bis 8 und umfasst ein äußeres Gehäuse 141, in dem ein Leitrad 142 feststehend angebracht ist, das ein im Allgemeinen rautenförmiges Querschnittsprofil 143 hat, das mit dem äußeren Gehäuse 141 zwischen denselben vier mit einem Winkelabstand verteilte, im Allgemeinen segmentförmige Antriebsfluid-Zuleitungskanäle 144 definiert. An dem im Uhrzeigersinn gelegenen Ende 145 jedes Kanals 144 wird eine Leitung 146 bereitgestellt, die eine Antriebsfluid-Zuleitungsdüse 147 bereitstellt, die im Allgemeinen tangential zu einer durch das Leitrad 142 definierten Kammer 148 mit zylindrischem Profil gerichtet ist, innerhalb derer ein Laufrad 149 angeordnet ist.
Das Laufrad 149 ist über geeignete Buchsen und Lager 150, 151 an den Endabschnitten 152a, 152b, die von jedem Ende 153a, 153b des Leitrades 142 nach außen vorspringen, drehbar angebracht. Wie in 10, 11 und 12 gezeigt, umfasst das Laufrad 149 ein längliches röhrenförmiges Mittelelement 154, das eine Reihe von mit Abstand in Radialrichtung nach innen mit Schlitzen 155 versehenen Flanschen 156 hat, in denen vier mit Abstand in Axialrichtung angeordnete Sätze von Turbinenschaufeln 157 mit zylindrischem Rohrprofil oder aerodynamischer/hydrodynamischer Gestalt feststehend angebracht sind, die eine Anordnung von vier Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen 158A bis D bereitstellen, die sich in Längsrichtung längs der Mittelrotationsachse des Laufrades 149 erstrecken. 10 ist ein Querschnitt durch eine Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung 158A und zeigt vier Düsen 147 zum Leiten von Strahlen von Antriebsfluid in die Schaufeln 157 und eine Reihe von sechs mit einem Winkelabstand angeordneten Ablassöffnungen 159', die sich in Radialrichtung nach innen durch das röhrenförmige Mittelelement 154 bis zu einem inneren Antriebsfluid-Ablasskanal 159 erstrecken. Innerhalb des röhrenförmigen Mittelelements 154 wird ein Spindelelement 160 bereitgestellt, das eine Reihe von ringförmigen Dichtungselementen 161A bis C zum Isolieren von Längen 159'A bis C des inneren Antriebsfluid-Ablasskanals von einander anbringt. Eine weitere Länge 159'D des inneren Antriebsfluid-Ablasskanals ist durch eine integral geformte Stirnwand 162 von der vorhergehenden Länge 159'C isoliert.
Zwischen den gegenüberliegenden Flanschen 156', 156" jedes Paars von aufeinander folgenden Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen 158A bis D ist das Leitrad 142 mit verhältnismäßig großen Öffnungen 163 versehen, die zusammen mit Öffnungen 164 in dem röhrenförmigen Mittelelement 154 Antriebsfluid-Rückflusskanäle 165 zum Leiten des aus den Ablassöffnungen 159 einer vorgeschalteten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung 158A abgelassenen Antriebsfluides in den jeweiligen inneren Antriebsfluid-Ablasskanal 159', zu dem Antriebsfluid-Zuleitungskanal 144 einer derselben unmittelbar nachgeschalteten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung 158B für einen seriellen Verbundbetrieb der Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen 158A, 158B. Wie in 11 gezeigt, sind die Öffnungen 164 in dem röhrenförmigen Mittelelement 154 allgemein tangential ausgerichtet, um den Fluid-Durchflusswirkungsgrad zu verbessern.
Wie aus den Zeichnungen zu ersehen sein mag, haben die Antriebsfluid-Zuleitungskanäle 146 die Form von verhältnismäßig großen Schlitzen, die eine Ausdehnung in Axialrichtung haben, die fast derjenigen der Turbinenschaufeln 157 entspricht, so dass die Fluid-Durchflusskapazität und die Leistung jeder Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung 158A usw. tatsächlich ähnlich derjenigen der oder jeder der Turbineneinheiten 36, 37, mit ihren Reihen von 12 parallel verbundenen Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen (wie in 5 illustriert), der weiter oben beschriebenen Turbinenausführungsform. Um die Antriebsfluid-Zuleitungskanäle 144 aufeinander folgender Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen 158A, 158B usw. voneinander zu isolieren, sind die Flansche 156, welche die Turbinenschaufeln 157 tragen, mit reibungsarmen Labyrinthdichtungen um ihren Umfang versehen.
Wie aus 9 offensichtlich sein wird, erfordert die enge und kompakte Kopplung und Anordnung der vier Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen 158A bis D eine viel kleinere Zahl von Lagern und Dichtungen, wodurch die Reibungsverluste, verglichen mit der in 3 bis 5 illustrierten Art von Anordnung, beträchtlich verringert werden, sowie eine beträchtlich verringerte Länge, wodurch, verglichen mit zuvor bekannten Turbinen, ein viel höheres Drehmoment und eine viel höhere Leistungsabgabe für eine gegebene Turbinenlänge und -größe gewährleistet werden.
In anderen Beziehungen ist die Turbine von 9 bis 13 im Allgemeinen ähnlich derjenigen von 3 bis 8. Folglich bilden die Turbinenschaufeln 157 konkave Eimer 167, die so ausgerichtet sind, dass ihre konkaven inneren Antriebsfluid-Auffangflächen 168 gegen den Uhrzeigersinn und rückwärts zu der im Uhrzeigersinn gerichteten normalen Rotationsrichtung des Turbinenlaufrades 149 bei Verwendung des Turbinenantriebs zeigen und das dadurch aufgefangene Fluid frei aus den Eimern 167 und schließlich aus den Ablassöffnungen 159 strömen kann.
Bei Anwendung der Vorrichtung tritt das Treib-/Antriebsfluid in die obere Untereinheit 103 ein und geht nach unten hindurch in den Zuleitungskanal 144 der ersten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung 158A zwischen dem äußeren Gehäuse 141 und dem Leitrad 142 derselben, wo es über die Düsen 147 in die Kammer 148 gestrahlt wird, in der das Laufrad 149 angebracht ist, um so in den Eimern 167 desselben aufzutreffen. Das Treibfluid wird aus der Kammer 148 über die Ablassöffnungen 159 in den mittigen Ablasskanal 159' innerhalb des mittigen röhrenförmigen Elements 154 abgelassen, woraufhin es in Radialrichtung nach außen über den Antriebsfluid-Rückflusskanal 165 zum Antriebsfluid-Zuleitungskanal 144 der nächsten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung 158B zurückgeführt wird, woraufhin der Vorgang wiederholt wird.
Mit einer vierstufigen integrierten Turbineneinheit, wie sie in 9 bis 13 gezeigt wird, zur Verwendung in einer Bohrlochsohlenausrüstung von 3,125 Zoll (8 cm) Durchmesser und einem Antriebsfluid-Massendurchfluss von 110 US-Gallonen pro Minute (416 Liter pro Minute) und einem Zuleitungsdruck von 1 000 psi (70 kp/cm²) kann eine Leistung von 8 200 U/min und 17,4 Fuß-Pfund (2,4 kpm) erreicht werden. Mit einer Untersetzung im Verhältnis 12:1 kann ein Ausgangsdrehmoment von 208,4 Fuß-Pfund (28,8 kpm) bei 683 U/min erreicht werden, was mit der Leistung eines ähnlich im Durchmesser bemessenen Moineau-Motors, aber mit der doppelten Länge, oder einer herkömmlichen Untertage-Turbine mit einem größeren Durchmesser und einer mehr als vierfachen Länge vergleichbar ist.
Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung können an dem Vorstehenden verschiedene Modifikationen vorgenommen werden.
Entweder eine oder beide der Komponenten Turbinenantriebsfluid-Zuleitungsrohrmaterial und/oder Bohrlochfluid-Rückflussrohrmaterial können sich bis zur Oberfläche erstrecken.

Claims

Untertage-Pumpenbaugruppe, die eine Turbine und eine Pumpe umfasst, wobei die Turbine für den Antrieb der Pumpe an die Pumpe gekoppelt ist und die Turbine eine Radialturbine ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Teil der Pumpe von mindestens einem Teil der Turbine getrennt ist.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Pumpe einen Pumpenfluid-Einlass und einen Pumpenfluid-Auslass umfasst und bei der der Pumpeneinlass fluidisch von mindestens einem Teil der Turbine getrennt ist.
Baugruppe nach Anspruch 3, bei der der Pumpenfluid-Einlass fluidisch von einem Fluidauslass der Turbine getrennt ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Fluidauslass der Pumpe in Fluidkommunikation mit einem Fluidauslass der Turbine angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Turbine einen Fluidauslass umfasst, der von einem Fluidauslass der Pumpe getrennt ist.
Baugruppe nach Anspruch 6, bei der der Turbinenfluid-Auslass mit einem Abstand zur Pumpe angeordnet ist, damit das Turbinenantriebsfluid an einem Ort ausströmt, der zur Pumpe einen Abstand aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 7, bei der der Turbinenfluid-Auslass, im Einsatz, weiter unten im Bohrloch als der Pumpenfluid-Auslass angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Pumpe fluidisch von der Turbine durch einen Packer getrennt ist und bei der die Pumpe für die Anordnung in dem Packer so ausgelegt ist, dass der Packer einen Ringraum, der zwischen der Pumpe und einem Bohrloch definiert ist, abdichtet, in dem die Baugruppe angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 9, bei der die Turbine und die Pumpe Auslässe umfassen, die in Strömungsrichtung oberhalb des Packers angeordnet sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die außerdem Ablass-Rohrmaterial umfasst, das an die Pumpenbaugruppe gekoppelt ist und einen Auslass definiert, der einen Fluidauslass der Turbine formt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Turbine direkt an die Pumpe gekoppelt ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die außerdem ein Getriebe zwischen der Turbine und der Pumpe umfasst.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Förder-Rohrmaterial für die Versorgung der Turbine mit Antriebsfluid sowie Rückleitungs-Rohrmaterial zum Rückleiten des Bohrlochfluides an die Oberfläche umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 14, bei der das Förder- und Rückleitungs-Rohrmaterial aufgerolltes Rohrmaterial umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 14 oder 15, bei der das Förder- und Rückleitungs-Rohrmaterial durch Isolierungsmittel abgedichtet wird, um dadurch zu erzwingen, dass der Rückfluss durch das Rückleitungs-Rohrmaterial hindurch an die Oberfläche geleitet wird.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Untertage-Pumpenbaugruppe für die direkte Kopplung an das Untertage-Rohrmaterial ausgelegt ist, um die Baugruppe mit Turbinenantriebsfluid zu versorgen, und bei der die Baugruppe für die Rückgewinnung von Bohrlochfluid durch einen Ringraum hindurch ausgelegt ist, der zwischen einem Bohrloch, in der die Baugruppe angeordnet ist, und der Baugruppe definiert ist.
Baugruppe nach Anspruch 17, die außerdem Ablass-Rohrmaterial umfasst, das sich durch die Turbine und die Pumpe bis zu einem Ausströmort erstreckt, der einen Abstand zur Baugruppe aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der, im Einsatz, in der Turbine Antriebsfluid, das in eine Kammer von einem Zuleitungskanal über Düsenmittel eintritt, auf Turbinenschaufelmittel auftrifft, wobei das Antriebsfluid, das von der Kammer über Auslassöffnungen, die mit einem Winkelabstand zu den Düsenmitteln angeordnet sind, in einer Strömungsrichtung und in die Auslasskanäle austritt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine einstellbar ist, damit sich die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine auf die der Pumpe abgleichen lässt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Turbine Folgendes umfasst: ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Kammer einschließt, die in derselben einen drehbar montierten Rotor aufweist, der mindestens eine Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung mit einer ringförmigen Anordnung von mit einem Winkelabstand verteilten, ausgerichteten Schaufeln umfasst, wobei deren Antriebsfluid-Auffangflächen im Allgemeinen von einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors aus gesehen nach hinten zeigen; und einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden inneren Antriebsfluidkanal, der sich im Allgemeinen in Radialrichtung von dem Rotor aus gesehen innen befindet; wobei das Gehäuse einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden äußeren Antriebsfluidkanal aufweist; wobei einer der Kanäle des inneren und des äußeren Antriebsfluidkanals einen Antriebsfluid-Zuleitungskanal bildet und mit mindestens einer Auslassdüse bereitgestellt wird, die geformt und angeordnet ist, um mindestens einen Antriebsfluidstrahl auf die Schaufelantriebsfluid-Auffangflächen der mindestens einen Schaufelanordnung zu leiten, während die Schaufeln sich an der Düse vorbeibewegen, um für einen Drehantrieb des Rotors zu sorgen, und der andere der beiden Kanäle einen Antriebsfluid-Auslasskanal bildet und mit mindestens einer Auslassöffnung für den Austritt des Antriebsfluides von der mindestens einen Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung bereitgestellt wird.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die Turbine Folgendes umfasst: ein rohrförmiges Gehäuse, das eine Kammer einschließt, die in derselben einen drehbar montierten Rotor aufweist, der mindestens zwei Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen, von der jede eine ringförmige Anordnung von mit einem Winkelabstand verteilten, ausgerichteten Schaufeln umfasst, aufweist, wobei deren Antriebsfluid-Auffangflächen im Allgemeinen von einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors aus gesehen nach hinten zeigen; und einen sich im Allgemeinen axial erstreckenden inneren Antriebsfluidkanal, der sich im Allgemeinen in Radialrichtung von jeder der Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen aus gesehen innen befindet; wobei das Gehäuse einen jeweiligen, sich im Allgemeinen axial erstreckenden äußeren Antriebsfluidkanal aufweist, der jeder Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung zugeordnet ist; wobei einer der Kanäle des inneren und des äußeren Antriebsfluidkanals einen Antriebsfluid-Zuleitungskanal bildet und mit mindestens einer Auslassdüse bereitgestellt wird, die geformt und angeordnet ist, um mindestens einen Antriebsfluidstrahl auf die Schaufelantriebsfluid-Auffangflächen zu leiten, während die Schaufeln sich an der mindestens einen Düse vorbeibewegen, um für einen Drehantrieb des Rotors zu sorgen, und der andere der beiden Kanäle einen Antriebsfluid-Auslasskanal bildet und mit mindestens einer Auslassöffnung für den Austritt des Antriebsfluides von den Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen bereitgestellt wird, wobei die benachbarten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen axial mit einem Abstand voneinander angeordnet sind und mit dazwischen befindlichen Antriebsfluid-Rückflusskanälen bereitgestellt werden, die jeweils den Auslasskanal einer in der Strömungsrichtung vorgeschalteten Turbinenlaufradschaufel-Schaufelanordnung mit dem Zuleitungskanal einer in der Strömungsrichtung nachgeschalteten Turbinenlaufrad-Schaufelanordnung für den seriellen Verbundbetrieb der Turbinenlaufrad-Schaufelanordnungen verbinden.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der die Größe einer Düse der Turbine für die Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine einstellbar ist, um die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine auf die der Pumpe abzugleichen.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Turbine für den mindestens teilweisen Antrieb durch das rückgewonnene Bohrlochfluid ausgelegt ist.
Baugruppe nach Anspruch 24, bei der die Turbine für den mindestens teilweisen Antrieb durch Wasser, das von dem rückgewonnenen Bohrlochfluid getrennt wurde, ausgelegt ist.
Baugruppe nach Anspruch 24, bei der die Turbine für den mindestens teilweisen Antrieb durch Öl, das von dem rückgewonnenen Bohrlochfluid getrennt wurde, ausgelegt ist.
Untertage-Werkzeugbaugruppe, die Untertage-Rohrmaterial und eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 26 umfasst, die zur Unterbringung in einem Bohrloch einer Bohrung an das Untertage-Rohrmaterial gekoppelt wird.
Bohrung, umfassend: ein Bohrloch; Untertage-Rohrmaterial, das im Bohrloch angeordnet ist; und eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 26, die an das Untertage-Rohrmaterial gekoppelt ist und im Bohrloch in einem Bereich einer Bohrlochfluid erzeugenden Formation angeordnet ist.
Verfahren zur Rückgewinnung von Bohrlochfluiden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Koppeln einer Turbine an eine Pumpe, um eine Untertage-Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 26 zu bilden; Koppeln der Untertage-Pumpenbaugruppe an das Untertage-Rohrmaterial; Einbauen des Untertage-Rohrmaterials und der Untertage-Pumpenbaugruppe in ein Bohrloch einer Bohrung und Anordnen der Untertage-Pumpenbaugruppe in einem Bereich einer Bohrlochfluid erzeugenden Formation; und Zuleiten von Antriebsfluid im Bohrloch, und zwar für den Antrieb der Turbine, die wiederum die Pumpe antreibt, zur Rückgewinnung des Bohrlochfluides aus dem Bohrloch.
Verfahren nach Anspruch 29, der das Koppeln der Untertage-Pumpenbaugruppe an das Steigrohr-Rohrmaterial mit Hilfe des Turbinenförderfluid-Rohrmaterials und des Rückleitungsfluid-Rohrmaterials zur Rückgewinnung des Bohrlochfluides und das Zuleiten des Antriebsfluides durch das Turbinenantriebsfluid-Förderrohrmaterial hindurch umfasst, und zwar für den Antrieb der Turbine sowie für den Antrieb der Pumpe, um das Bohrlochfluid durch das Rückleitungs-Rohrmaterial hindurch rückzugewinnen.
Verfahren nach Anspruch 30, das außerdem das Abdichten des Turbinen-Antriebsfluid-Förderrohrmaterials und des Rückleitungsfluid-Rohrmaterials in Bezug auf das Bohrloch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, das die direkte Kopplung der Turbine an das Steigrohr-Rohrmaterial und das Zuleiten des Antriebsfluides durch das Steigrohr-Rohrmaterial hindurch für den Antrieb der Turbine sowie die Rückgewinnung des Bohrlochfluides durch einen Ringraum hindurch, der zwischen der Untertage-Pumpenbaugruppe und dem Bohrloch definiert ist, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, das außerdem die Trennung eines Einlasses der Pumpe von einem Auslass der Turbine umfasst, um den Pumpeneinlass von dem Turbinenantriebsfluid zu trennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 33, das außerdem das Mischen des Bohrlochfluides mit dem Turbinenantriebsfluid, das von der Turbine im Bereich eines Auslasses der Pumpe abgelassen wird, und das Rückleiten des Bohrlochfluides an die Oberfläche umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34, das außerdem das Einspritzen von verbrauchtem Turbinenantriebsfluid in die Formation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35, das die Kopplung der Ablassmittel an die einen Turbinenauslass definierende Untertage-Pumpenbaugruppe und die Trennung des Turbinenauslasses von der Pumpe zum Einspritzen von verbrauchtem Antriebsfluid in die Formation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, das das Einspritzen von verbrauchtem Turbinenantriebsfluid in die Formation an einem Ort umfasst, der zur Untertage-Pumpenbaugruppe einen Abstand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, das für den Antrieb der Turbine das Zuleiten des Antriebsfluides, das mindestens teilweise aus rückgewonnenem Bohrlochfluid besteht, zu der Turbine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38, das das Zuleiten des Antriebsfluides, das mindestens teilweise aus rückgewonnenem Wasser besteht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, das das Zuleiten des Antriebsfluides, das mindestens teilweise aus rückgewonnenem Öl besteht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, das für den Antrieb der Turbine die Trennung des rückgewonnenen Bohrlochfluides in mindestens Wasser- und Ölbestandteile sowie das Zuleiten des getrennten Wassers zu der Turbine umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, das für den Antrieb der Turbine das Zuleiten des Antriebsfluides, das mindestens teilweise aus einem Gas besteht, zu der Turbine umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35 oder 42, das für den Antrieb der Turbine das Zuleiten des Antriebsfluides, das mindestens teilweise aus Dampf besteht, zu der Turbine umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 43, das den Abgleich der Betriebsgeschwindigkeit der Turbine auf die der Pumpe umfasst.