Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische

Frakturierungspumpvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Antreiben einer hydraulischen Frakturierungspumpvorrichtung.

Frakturierungspumpvorrichtungen weisen eine Antriebsmaschine und eine Pumpe auf, wobei die Pumpe ein Druckmedium mit einem sehr hohen Druck in eine Gesteinsschicht pumpt. Frakturierung wird auch als Fracking bezeichnet, die Pumpe entsprechend als Frackingpumpe. Beim Fracking wird das sogenannte Fracfluid unter hohem Druck von typischerweise mehreren hundert Bar durch eine Bohrung in den geologischen Horizont, aus dem gefördert werden soll, gepresst. Als Fracfluid, vorliegend als Druckmedium bezeichnet, dient in der Regel Wasser, das zumeist mit Stützmitteln, wie zum Beispiel Quarzsand, und Verdickungsmitteln versetzt ist. In der Regel kommen mehrere Frakturierungspumpen gleichzeitig zur Anwendung, die mit verschiedenen Bohrlöchern verbunden werden. Je Bohrloch ist wenigstens eine Frakturierungspumpe vorgesehen. Der von der jeweiligen Frakturierungspumpe zur Verfügung zu stellende Druck des Druckmediums ist bohrlochabhängig und der notwendige Volumenstrom, der von der entsprechenden Frakturierungspumpe erzeugt wird, ist drehzahlabhängig.

Es wurden bereits verschiedene Antriebsmaschinen zum Antrieb hydraulischer Frakturierungspumpen vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart WO 2015/011223 A2 einen Hybridantrieb mit einem Gasmotor und einem Elektromotor.

In der Praxis hat sich herausgestellt, dass Gasturbinen besonders als Antriebsmaschine für Frakturierungspumpen geeignet sind. Dabei kommen sowohl einwellige Gasturbinen zum Einsatz, deren Turbinenlaufrad über eine gemeinsame Welle starr mit dem Verdichterlaufrad gekoppelt ist, als auch zweiwellige Gasturbinen, die ein Hochdruckturbinenlaufrad aufweisen, das über eine erste Welle starr mit dem Verdichterlaufrad gekoppelt ist, und ein Niederdruckturbinenlaufrad, das mit einer anderen Drehzahl als das Hochdruckturbinenlaufrad angetrieben werden kann, da es eine separate Welle aufweist und zu seinem Antrieb nur mit dem Abgasstrom der Hochdruckturbine beaufschlagt wird.

Ferner schlägt EP 2894315 A1 eine zweiwellige Gasturbine vor, bei welcher die Hochdruckturbinenwelle zusätzlich über eine Kupplung mit der Niederdruckturbinenwelle koppelbar ist, wobei auch eine solche Gasturbine für die vorliegende Erfindung anwendbar ist.

Einwellengasturbinen arbeiten im Nennbetrieb mit konstanter Drehzahl. Diese Einwellengasturbinen können nur mit geringer Last gestartet und bis auf eine vorgegebene Nenndrehzahl hochgefahren werden, bevor sie dann mit der vorgegebenen Nenndrehzahl die Arbeitsmaschine mit größerer Last antreiben können. Bei Zweiwellengasturbinen ist die Drehzahl im Nennbetrieb variabel einstellbar, der Drehzahlregelbereich jedoch typischerweise begrenzt, beispielsweise zwischen 70 und 100 Prozent der maximalen Drehzahl. Zweiwellengasturbinen sind in der Regel jedoch größer, schwerer und teurer als Einwellengasturbinen. Somit können Zweiwellengasturbinen nicht zusammen mit einer Frakturierungspumpe auf einer leicht verfahrbaren mobilen Vorrichtung, beispielsweise einem Lkw-Anhänger (Trailer), montiert werden, da der maximal zur Verfügung stehende Bauraum nicht ausreicht.

Beim Antrieb von Frakturierungspumpen ist meist eine Drehzahlregelbarkeit im Nennbetrieb der Antriebsmaschine erforderlich, weswegen herkömmlich auf die Zweiwellengasturbinen zurückgegriffen wird oder auf andere Antriebsmaschinen, wie sie zum Beispiel in WO 2015/011223 A2 beschrieben werden. Aber auch bei Zweiwellengasturbinen mit einem Drehzahlregelbereich kann der begrenzte Regelbereich nicht ausreichend für alle gewünschten Betriebspunkte sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung anzugeben, die den Einsatz einer einwelligen oder mehr mehrwelligen Gasturbine bei zugleich einem großen Drehzahlregelbereich der Frakturierungspumpe ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ferner wird ein Verfahren zum Steuern einer hydraulischen Frakturierungspumpvorrichtung angegeben, das einen besonders hohen Wirkungsgrad sicherstellt. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung weist wenigstens eine einwellige oder mehrwellige Gasturbine als Antriebsmaschine auf, sowie wenigstens eine Frakturierungspumpe, die in einer Triebverbindung mit der wenigstens einen Gasturbine steht, um mittels der wenigstens einen Gasturbine angetrieben zu werden, und die eingerichtet ist ein Druckmedium in eine Gesteinsschicht zu pumpen.

Erfindungsgemäß ist in der Triebverbindung ein hydrodynamisches Wandlergetriebe vorgesehen, das eine Eingangswelle, eine Ausgangswelle, einen hydrodynamischen Wandler und bevorzugt eine schaltbare Überbrückungskupplung aufweist, wobei die Eingangswelle über den hydrodynamischen Wandler in eine hydrodynamische Triebverbindung mit der Ausgangswelle schaltbar ist und, sofern vorgesehen, über die Überbrückungskupplung in eine rein mechanische Triebverbindung mit der Ausgangswelle schaltbar ist. Das hydrodynamische Wandlergetriebe weist demnach bevorzugt einen hydrodynamischen Leistungszweig und ferner einen rein mechanischen Leistungszweig auf.

Der hydrodynamische Wandler ermöglicht ein lastfreies Anfahren der Gasturbine, was besonders bei einer einwelligen Gasturbine als Antriebsmaschine wichtig ist. Entsprechend kann der Arbeitsraum des hydrodynamischen Wandlers zum Anfahren zumindest weitgehend vom Arbeitsmedium entleert werden, sodass die Antriebsmaschine zumindest im Wesentlichen lastfrei bis auf ihre Nenndrehzahl hochgefahren werden kann, und anschließend kann der Arbeitsraum des Wandlers befüllt werden, um das gewünschte Antriebsmoment von der Antriebsmaschine auf die Frakturierungspumpe zu übertragen. Demgemäß ist der hydrodynamische Wandler als füll- und entleerbarer Drehmomentwandler ausgeführt.

Wenn der hydrodynamische Wandler mit einer mehrwelligen Gasturbine als Antriebsmaschine verwendet wird, so ermöglicht der hydrodynamische Wandler eine Drehzahlregelbarkeit der Frakturierungspumpvorrichtung, welche die Gasturbine allein nicht zur Verfügung stellen kann.

Durch die Anordnung des hydrodynamischen Wandlergetriebes mit einem hydrodynamischen Leistungszweig und einem parallelen rein mechanischen Leistungszweig ist es möglich, die wenigstens eine Frakturierungspumpe in ihrer Drehzahl über einen vergleichsweise großen Bereich zu regeln oder zu steuern. Ferner ermöglicht der mechanische Leistungszweig einen Antriebsbetrieb mit besonders hohem Wirkungsgrad. Bei der Parallelschaltung mehrerer solcher hydrodynamischer Wandlergetriebe können dadurch verschiedene Wandlergetriebe ausschließlich Leistung über den rein mechanischen Leistungszweig übertragen und, falls die notwendige Gesamtleistung der über die parallelen Wandlergetriebe angetriebenen Frakturierungspumpen nicht ein ganzzahliges Vielfaches einer bei geschlossener Überbrückungskupplung angetriebenen Frakturierungspumpe ist, muss nur ein einziges Wandlergetriebe Leistung hydrodynamisch, das heißt über den hydrodynamischen Leistungszweig, übertragen, um den erforderlichen Gesamtvolumenstrom der verschiedenen Frakturierungspumpen zu erreichen. Wenn möglich, können auch alle parallel angetriebene hydrodynamische Wandlergetriebe mit geschlossener Überbrückungskupplung betrieben werden, um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, wobei hierfür in der Regel jedoch eine Drehzahlregelbarkeit der wenigstens einen entsprechenden Gasturbine im Nennbetrieb erforderlich ist. Die wenigstens eine Frakturierungspumpe weist beispielsweise einen Förderdruck von 130 bar bis 1200 bar auf, insbesondere von 500 bar bis 1200 bar, oder mehr.

Der Fördervolumenstrom der wenigstens einen Frakturierungspumpe beträgt vorteilhaft jeweils zwischen und 2 und 300 m ³ pro Stunde, insbesondere zwischen 50 bis 300 m ³ pro Stunde, oder mehr.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der hydrodynamische Wandler ein einziges beschaufeltes Pumpenrad und ein einziges beschaufeltes Turbinenrad sowie ein oder mehrere beschaufeite Leiträder auf, die in einem gemeinsamen Arbeitsmediumkreislauf in einem Arbeitsraum angeordnet sind. Beispielsweise sind im Arbeitsraum ein erstes Leitrad mit feststehenden Leitschaufeln und ein zweites Leitrad mit im Arbeitsmediumkreislauf verstellbaren Leitschaufeln vorgesehen.

Der hydrodynamische Wandler ist insbesondere der einzige hydrodynamische Wandler und insbesondere die einzige hydrodynamische Maschine im hydrodynam ischen Wandlergetriebe.

Die Eingangswelle steht insbesondere über eine verzahnte Eingangsstufe, die bevorzugt mit einer Schrägverzahnung versehen ist und beispielsweise durch zwei schrägverzahnte miteinander kämmende Zahnräder gebildet wird, in Triebverbindung mit einer ersten Zwischenwelle, welche das Pumpenrad trägt, und die Ausgangswelle steht insbesondere über eine verzahnte Ausgangsstufe, die vorteilhaft mit einer Schrägverzahnung versehen ist und zum Beispiel zwei schrägverzahnte miteinander in Eingriff stehende Zahnräder aufweist, in Triebverbindung mit einer zweiten Zwischenwelle, die das Turbinenrad trägt. Die erste Zwischenwelle kann vorteilhaft mittels der Überbrückungskupplung mechanisch an die zweite Zwischenwelle gekoppelt werden. Die beiden Zwischenwellen können bevorzugt koaxial zueinander angeordnet sein. Die Eingangswelle und die Ausgangswelle sind zum Beispiel parallel zueinander und können ebenfalls koaxial zueinander angeordnet sein.

Betrachtet in Richtung des Antriebsleistungsflusses von der Eingangswelle zur Ausgangswelle stellen sowohl die Eingangsstufe als auch die Ausgangsstufe bevorzugt eine Übersetzung ins Langsame dar.

Die hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung kann zum Beispiel als nicht stationäre hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung ausgeführt sein und hierfür insbesondere ein Fahrgestell, zum Beispiel in Form eines Lkw-Anhängers, umfassen, mit welchem sie verfahrbar ist. Dabei kann insbesondere eine vergleichsweise kompakte Einwellengasturbine zusammen mit dem hydrodynamischen Wandlergetriebe und einer Gasturbine auf einem gemeinsamen herkömmlichen Lkw-Anhänger mit für den Straßenverkehr üblichen zulässigen maximalen Abmaßen montiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von parallel zueinander angetriebenen Frakturierungspumpen vorgesehen, die jeweils in Triebverbindung mit einer separaten Gasturbine oder mit wenigstens einer gemeinsamen Gasturbine stehen. In jeder Triebverbindung ist entsprechend pro Frakturierungspumpe jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe der dargestellten Art vorgesehen und die Wandlergetriebe werden parallel zueinander von der wenigstens einen Gasturbine angetrieben. Insbesondere ist eine einzige Gasturbine vorgesehen, über welche alle Frakturierungspumpen parallel zueinander angetrieben werden.

Die wenigstens eine Gasturbine kann zum Beispiel als Einwellengasturbine ausgeführt sein, die eine konstante Nennbetriebsdrehzahl aufweist. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die wenigstens eine Gasturbine als Zweiwellengasturbine ausgeführt, die einen Nennbetrieb mit variabler Antriebsdrehzahl aufweist. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Frakturierungspumpvorrichtung wird bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtleistungsabgaben aller parallel zueinander angetriebenen Frakturierungspumpen, insbesondere durch verschiedene vorgegebene zu fördernde Volumenströme des Druckmediums, stets maximal ein einziges hydrodynamisches Wandlergetriebe mit geöffneter Überbrückungskupplung betrieben und alle anderen angetriebenen Frakturierungspumpen werden über jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe mit jeweils geschlossener Überbrückungskupplung angetrieben. Dabei wird die wenigstens eine Gasturbine bevorzugt mit einer konstanten Nennbetriebsdrehzahl betrieben und kann entsprechen als Einwellengasturbine ausgeführt sein.

Bei einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren, das insbesondere bei wenigstens einer Zweiwellengasturbine als Antriebsmaschine der Frakturierungspumpvorrichtung anwendbar ist, werden bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtleistungsabgaben aller parallel angetriebenen Frakturierungspumpen, insbesondere wiederum bei verschiedenen vorgegebenen Gesamtfördervolumenströmen, alle angetriebenen Frakturierungspumpen jeweils über ein hydrodynamisches Wandlergetriebe mit jeweils geschlossener Überbrückungskupplung angetrieben und eine Gesamtleistungsanpassung erfolgt durch Regelung oder Steuerung der Drehzahl der wenigstens einen Antriebsmaschine. Dadurch können Wirkungsgradverluste minimiert werden.

Wenn gemäß der zuvor dargestellten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise vier Frakturierungspumpen einen Volumenstrombedarf von 320 Prozent erfüllen sollen, bezogen auf den Maximalvolumenstrom einer einzigen der vier Frakturierungspumpen mit gleichem maximalen Fördervolumen, so können zum Beispiel drei Frakturierungspumpen mit mechanisch durchgeschaltetem hydrodynamischen Wandlergetriebe jeweils 100 Prozent ihres maximalen Fördervolumens fördern und die vierte Frakturierungspumpe kann hydrodynamisch abgeregelt 20 Prozent ihres maximalen Fördervolumens fördern. Dies ist erreichbar bei konstanter Eingangsdrehzahl aller hydrodynamischen Wandlergetriebe. Die Verluste aus der hydrodynamischen Leistungsübertragung fallen nur in einem einzigen Wandlergetriebe an.

Bei variabler Eingangsdrehzahl der hydrodynamischen Wandlergetriebe kann dasselbe Fördervolumen dadurch erreicht werden, dass alle hydrodynamischen Wandlergetriebe mechanisch durchgeschaltet werden und die Frakturierungspumpen mit 80 Prozent ihres maximalen Fördervolumens betrieben werden. Damit ist eine weitere Verlustreduzierung möglich. Dies erfordert jedoch den Einsatz wenigstens einer im Nennbetrieb drehzahlregelbaren Gasturbine.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hydraulischen Frakturierungspumpvorrichtung;

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hydraulischen

Frakturierungspumpvorrichtung mit mehreren Frakturierungspumpen.

In der Figur 1 ist eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung dargestellt, umfassend eine Gasturbine 1 , die über ein hydrodynamisches Wandlergetriebe 3 eine Frakturierungspumpe 2 antreibt. Das hydrodynamische Wandlergetriebe 3 umfasst eine Eingangswelle 4, die in Triebverbindung mit einer Abtriebswelle der Gasturbine 1 steht, und eine Ausgangswelle 5, die in Triebverbindung mit einer Eingangswelle der Frakturierungspumpe 2 steht.

Das hydrodynamische Wandlergetriebe 3 umfasst zwei Leistungszweige, nämlich einen ersten hydrodynamischen Leistungszweig und einen parallel hierzu im Leistungsfluss angeordneten rein mechanischen Leistungszweig. Der hydrodynamische Leistungszweig umfasst einen hydrodynamischen Wandler 6 und der mechanische Leistungszweig umfasst eine Überbrückungskupplung 7.

Der hydrodynamische Wandler 6 weist ein Pumpenrad 9 auf, das im gezeigten Ausführungsbeispiel von einer ersten Zwischenwelle 14 getragen wird, sowie ein Turbinenrad 10, das von einer zweiten Zwischenwelle 15 getragen wird. Das Pumpenrad 9 und das Turbinenrad 10 sind in einem gemeinsamen Arbeitsraum 13 zusammen mit einem ersten Leitrad 11 und einem zweiten Leitrad 12 angeordnet. Durch Antrieb des Pumpenrads 9 stellt sich im Arbeitsraum 13 ein Arbeitsmediumkreislauf ein, der das Turbinenrad 10 hydrodynamisch antreibt. Die beiden Leiträder 11, 12 dienen der Einstellung der Wandlung, das heißt des Drehmomentunterschiedes zwischen dem am Pumpenrad 9 und dem am Turbinenrad 10 anliegenden Drehmoment.

Das erste Leitrad 11 ist mit nicht verstellbaren, das heißt feststehenden Leitschaufeln bestückt, wohingegen das zweite Leitrad 12 mit bezüglich einer Strömung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf verstellbaren Leitschaufeln bestückt ist.

Das Pumpenrad 9 und das Turbinenrad 10 werden insbesondere zentrifugal durchströmt. Das Pumpenrad 9 kann bevorzugt auch diagonal-zentrifugal durchströmt werden.

Die erste Zwischenwelle 14 ist mittels der Überbrückungskupplung 7 mechanisch mit der zweiten Zwischenwelle 15 koppelbar, sodass eine rein mechanische Triebverbindung zwischen der Eingangswelle 4, die über eine Eingangsstufe 16 in mechanischer Triebverbindung mit der ersten Zwischenwelle 14 steht, und der Ausgangswelle 5, die über eine Ausgangsstufe 17 in mechanischer Triebverbindung mit der zweiten Zwischenwelle 15 steht, herstellbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mit dem hydrodynamischen Wandlergetriebe 3 Antriebsleistung ausschließlich über den hydrodynamischen Leistungszweig oder den mechanischen Leistungszweig übertragen werden und eine parallele Leistungsübertragung ist ausgeschlossen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist eine gleichzeitige Leistungsübertragung über den hydrodynamischen Leistungszweig und den mechanischen Leistungszweig möglich, insbesondere ist die Aufteilung der Leistungsübertragung variabel einstellbar.

In der Figur 2 ist exemplarisch eine hydraulische Frakturierungspumpvorrichtung mit vier Frakturierungspumpen 2 dargestellt, die gemeinsam ein Druckmedium in ein Bohrloch 8 zu einer vorbestimmten Gesteinsschicht pumpen. Die Zahl vier ist dabei beispielhaft und es kann selbstverständlich eine andere Anzahl von Frakturierungspumpen 2 vorgesehen sein. Für alle Frakturierungspumpen 2 gemeinsam werden ein Gesamtvolumenstrom und ein Gesamtdruck vorgegeben, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet wird. Die Frakturierungspumpen 2 werden hierfür über jeweils ein hydrodynamisches Wandlergetriebe 3 der zuvor dargestellten Art mittels einer oder mehreren gemeinsamen Gasturbinen 1 oder hier mit jeweils einer eigenen Gasturbine 1 angetrieben, um den gewünschten Gesamtvolumenstrom und den Förderdruck zu erreichen. Selbstverständlich könnten die hydrodynamischen Wandlergetriebe 3 auch abweichend von den zuvor dargestellten Einzelheiten ausgeführt sein.

Bevorzugte erfolgt der Antrieb der verschiedenen Frakturierungspumpen 2 derart, dass möglichst viele hydrodynamische Wandlergetriebe 3 mit geschlossener Überbrückungskupplung 7 arbeiten. Insbesondere arbeitet nur ein einziges Wandlergetriebe 3 mit offener Überbrückungskupplung 7. Gemäß einer Ausführungsform arbeiten alle Wandlergetriebe mit geschlossener Überbrückungskupplung 7 und die Drehzahl der Frakturierungspumpen 2 wird über die Antriebsdrehzahl der Gasturbine 1 beziehungsweise der jeweiligen Gasturbine 1 eingestellt. Bezugszeichenliste

1 Gasturbine

2 Frakturierungspumpe

3 hydrodynamisches Wandlergetriebe

4 Eingangswelle

5 Ausgangswelle

6 hydrodynamischer Wandler

7 Überbrückungskupplung

8 Bohrloch

9 Pumpenrad

10 Turbinenrad

11 Leitrad

12 Leitrad

13 Arbeitsraum

14 erste Zwischenwelle

15 zweite Zwischenwelle

16 Eingangsstufe

17 Ausgangsstufe