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Verfahren und Vorrichtung zum zentralen hydraulischen Antrieb mehrerer Gestänge- tiefpumpen zur Förderung von Erdöl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zentralen hydraulischen Antrieb mehrerer Gestängetiefpumpen, vorzugsweise solcher, bei denen die Hublänge etwa der Länge eines Pumpgestänges entspricht, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dazu dient, mehrere Gestängetiefpumpen von Erdölbohrungen von einer Zentrale aus auf hydraulischem Wege gemeinsam zu betätigen.
Es ist üblich, das Erdöl aus Bohrungen, die ungenügenden Schichtdruck besitzen, um das Erdöl durch diesen bis zutage zu fördern, durch Gestängetiefpumpen hochzuheben. Diese Gestängetiefpumpen besitzen meist einen Hub von 0, 5 bis 3 m. Bei den meisten Ölsorten setzt sich im Innern der Pumprohre an deren Wand etwas Paraffin fest, das fortlaufend aus dem Öl ausgeschieden wird. Das hat den Nachteil, dass sich die Förderrohre im Querschnitt laufend verkleinern, was zur Druckerhöhung an der Tiefpumpe wegen der Querschnittsverengung führt und auch sonst die Arbeit der Pumpe und den Ausbau und Einbau des Gestänges behindert.
Ausserdem sind gerade die Sonden, die gepumpt werden müssen, oft nur schwache Produzenten, so dass sich die Investition des Tiefpumpenantriebes mit Pumpschwengel, Zahnradgetriebe, Kurbeltrieb, Antriebsmotor, Schalter, Stromzuleitungen usw. bei abfallender Förderung bald nicht mehr lohnt.
Um die Förderrohre dauernd von Paraffin rein zu halten, hat man bereits die Pumpgestängemuffen mit Schaben versehen, die bei jedem Pumphub das Paraffin von der Förderrohrwand abschaben. Das ist aber nur eine Teillösung, denn die Pumpgestänge sind normalerweise 7-8 m lang. Durch einen Pumphub von 3 m wird also nur ein Teil des Förderrohres freigeschabt, und zwischen den reinen Strecken von 3 m bleiben dann noch ungeschabte Strecken von 4 bis 5 m. Ausserdem setzt sich aber das Paraffin nicht nur in den Förderrohren, sondern auch am Pumpgestänge fest, was ebenfalls störend ist. Man hat sich zuweilen damit geholfen, den Gestängehub soweit zu vergrössern, bis er länger ist als die Länge einer einzelnen Pumpstange, z. B. 9 m. In diesem Falle bleiben die Pumprohre frei von Paraffinansatz.
Diese bekannte Methode besitzt aber immer noch den Nachteil, dass sich das Paraffin ungestört am Pumpgestänge absetzen kann. Ausserdem ist die Erzeugung eines langen Hubes von z. B. 9 m mit üblichem Zahnradgetriebe und Pumpschwengel äusserst unwirtschaftlich.
Man ist darum bereits dazu übergegangen, solche Langhubpumpen hydraulisch anzutreiben. Die hydraulische Antriebsvorrichtung mit ihren Hilfseinrichtungen und deren Antriebsmaschine verlangt jedoch hohe Investitionen und eignet sich darum nur für gute Produzenten. Sie kommt deswegen gerade für die zahlreichen schwachen Förderbohrungen nicht in Betracht.
Man hat auch bereits Versuche gemacht, von einer einzigen hydraulischen Zentrale zwei oder drei benachbarte Sonden zu betätigen. Die heute hiefür bekannten Zentralen sind aber ebenfalls recht teuer und besitzen vor allem komplizierte und kostspielige Schalteinrichtungen, die elektrisch oder mit Pressluft betätigt werden und die Steuerung veranlassen. Auch diese Methode konnte sich darum für den Antrieb von Gestängetiefpumpen nicht allgemein einführen.
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren zum zentralen hydraulischen Antrieb mehrerer Gestängetiefpumpen, vorzugsweise solcher, bei denen die Hublänge etwa der Länge eines Pumpgestänges entspricht, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu verpumpenden Bohrungen durch Leitungen in zwei Gruppen zusammengefasst werden und die Antriebspumpe Wasser oder eine ähnliche wenig viskose Flüssigkeit abwechselnd von der einen Gruppe ansaugt und der andern zupumpt, wobei die Höchstund Tiefstdrücke bei der Gruppe mit grösserem Gesamthubvolumen zur Umschaltung der Förderrichtung und die Höchst- und Tiefstdrücke der Gruppe mit kleinerem Gesamthubvolumen zur Zu- und Abschaltung eines Ausgleichsgefässes zu dieser Gruppe dadurch herangezogen werden,
dass die zur Umschaltung von Steuerventilen benötigte Druckdifferenz durch Anschlagen der Pumpkolben in ihren Zylindern in der höchsten und der tiefsten Endstellung hervorgerufen wird.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht, wie an sich bekannt, aus zwei verschieden grossen Steuerschiebern zur Umsteuerung der Strömungsrichtung der Antriebsflüssigkeit, wobei der kleinere Steuerschieber durch eine Stange mechanisch mit einem der Steuerventile verbunden und der grössere Steuerschieber mit dem kleineren hydraulisch verbunden ist.
Die hydraulische Vorrichtung zum Antrieb von Gestängetiefpumpen mit langem Hub nach der Er- findung benötigt weder elektrischen Strom noch Druckluft für die Steuerung. Sie ist einfach, in der
Anschaffung billig und gestattet den gemeinsamen Antrieb von vielen, z. B. 50 Gestängetiefpumpen, gleichzeitig. Im Gegensatz zu den bekannten hydraulischen Zentralen wird bei der Vorrichtung nach der
Erfindung die Antriebsflüssigkeit nicht in einen Zylinder über der Tiefpumpe und in einen Ausgleich- druckbehälter abwechselnd gepumpt, sondern läuft abwechselnd von einer zur andern Sondengruppe.
Der Druckausgleichbehälter nimmt dann nur die Differenz der Flüssigkeitsmengen bei ungleicher Ver- teilung der Bohrungen auf und kann darum klein und billig ausfallen. Die verwendete Antriebseinrichtung an jeder einzelnen Bohrung ist hiebei billig. Aber auch die Kosten der Zentrale selbst mit ihrer Antriebs- maschine sind gering, da sich dieser Aufwand ja durch die Anzahl der angetriebenen Bohrungen teilt. Die
Erfindung schafft damit die Möglichkeit, auch schwache Pumpsonden durch Langhub billig zu fördern, vermeidet den Paraffinabsatz in den Pumprohren und im Pumpgestänge und verlängert die Lebensdauer der Tiefpumpen selbst wegen des verwendeten langen und darum langsamen Hubs ausserordentlich.
Dadurch kann die Rentabilitätsgrenze der täglichen Fördermenge pro Förderbohrung herabgesetzt werden, was der Volkswirtschaft zahlreiche schwache Förderbohrungen erhalten kann, die sonst als unwirtschaftlich verlassen werden müssten. Da nach der Erfindung die Einrichtung am Bohrlochmund hauptsächlich aus wasserbenetzten Teilen besteht, kann auch bei einem Brand daselbst kein wesentlicher
Schaden entstehen.
Zur Erläuterung der Antriebsvorrichtung nach der Erfindung an einem Beispiel dient die schematische Zeichnung ; hierin zeigen Fig. 1 eine beispielsweise Anordnung der Fördersonden und der Antriebszentrale in Draufsicht, Fig. 2 eine Seitenansicht der Zentrale und zweier Bohrungen und Fig. 3 das Schaltschema an der Zentrale.
Die Pumpzentrale mit dem Antriebsmotor 1, der Antriebspumpe 2, der Steuervorrichtung 3 und dem Ausgleichsbehälter 4 für die Antriebsflüssigkeit ist einerseits mit den Förderbohrungen 5-15 durch die Leitung 16 und anderseits mit den Förderbohrungen 17-26 durch die Leitung 27 verbunden. Beim Anschluss an die Zentrale ist darauf zu achten, dass die Anzahl der Förderbohrungen 5-15 in Fig. l links der Zentrale etwas grösser ist als die der Förderbohrungen 17-26 in Fig. 1 rechts der Zentrale. Es ist erforderlich, die Antriebspumpe 3 mit den Leitungen 16 und 27 durch Ventile so zu verbinden, dass wahlweise die Leitung 16 oder die Leitung 27 anschliessbar ist.
Die Antriebspumpe 2 fördert, durch den Antriebsmotor 1 betätigt, die Antriebsflüssigkeit abwechselnd aus den Förderbohrungen 5-15 in die Förderbohrungen 17-26 und umgekehrt. Die Differenz der geförderten Flüssigkeitsmengen wird hiebei dem Ausgleichbehälter 4 entnommen bzw. diesem zugeführt. Dadurch bewegen sich erst alle Gestänge in den Förderbohrungen J- J nach oben und gleichzeitig die in allen Förderbohrungen 17-26 nach unten oder umgekehrt.
Die Umschaltung der Förderrichtung der Antriebsflüssigkeit und die Zu-und Abschaltung des Ausgleichbehälters erfolgt bloss durch die Druckdifferenz in den Leitungen 16 und 27, u. zw. folgendermassen :
Es sei angenommen, dass bei einem Druck von 100 atü in den Leitungen 16 und 27 die Kolben 28 und die Gestänge 29 in den Zylindern 30 hochgehoben werden, und dass sie bei einem Druck von 50 atü absinken. Fördert nun die Antriebspumpe 2 die Antriebsflüssigkeit gemäss Fig. 2 von rechts nach links, so wird in der Leitung 16 ein Druck von 100 atü herrschen, also werden alle Gestänge der Förderbohrungen 5 bis 15 hochgehen. Dann herrscht gleichzeitig in der Leitung 27 der Druck von 50 atü und alle Gestänge der Bohrungen 17-26 werden gleichzeitig absinken.
Ist nun der letzte Kolben 28 an den Förderbohrungen5 bis 15 am obersten Punkt angelangt, so wird sich der Druck in der Leitung 16 auf z. B. 110 atü steigern. Dadurch wird die Membran 31 im Ventil 33 entgegen der Feder 32 gemäss Fig. 3 nach links gedrückt und schaltet die Förderrichtung der Antriebsflüssigkeit um. Nun fällt der Druck in der Leitung 16 auf 50 atü und bleibt solange konstant, bis der letzte Kolben 28 an den Förderbohrungen 5-15 den untersten Punkt erreicht hat. Dadurch fällt der Druck in der Leitung 16 auf z. B. 40 atü. Bei diesem Druck ist die Feder 34 im Ventil 35 stärker als der Druck auf die Membran 36. Die Stange 38 der Umschaltevorrichtung wird dadurch wieder gemäss Fig. 3 nach rechts gedrückt und die Antriebsflüssigkeit wieder zu den Sonden mit hohem Druck hingeleitet.
Hiedurch bewegen sich deren Kolben 28 wieder nach oben, worauf sich der gleiche Vorgang periodisch wiederholt. Weil nun aber die Menge der Antriebsflüssigkeit in den Förderbohrungen 5-15 grösser ist als in den Förderbohrungen 17-26, muss dieser Mengenunterschied in den Ausgleichbehälter 4 gelangen können. Das geschieht dadurch, dass das Ventil 39 bei höherem Druck als 100 atü entgegen der Feder 40 öffnet und das Ventil 41 bei geringerem Druck als 50 atü durch die Feder 37 ebenfalls öffnet. Ist also in den Zylindern 30 der Bohrungen 17-26 kein Platz mehr für die Antriebsflüssigkeit, die von den Bohrungen 5-15 immer noch zuläuft, so kann diese in den Ausgleichbehälter 4 gelangen.
Sie wird diesem selbsttätig wieder entnommen, wenn die Kolben 28 der Bohrungen 17-26 ihre tiefste Stellung erreicht haben. Auf diese Art ist das gesteckte Ziel, die selbsttätige hydraulische Verpumpung von vielen Förderbohrungen durch eine einzige Zentrale ohne Verwendung von Strom oder Druckluft und mit Verwendung von nur einem kleinen Ausgleichbehälter, erreicht.
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Es ist zweckmässig, nicht alle Förderbohrungen rechts und links der Zentrale stets mit den Leitungen 16 und 27 verbunden zu halten. Man lässt besser nur die Förderbohrungen mit diesen Leitungen stets verbunden, die ein gleichbleibend grosses Fördervolumen haben. Zwischen die schwächeren Produzenten und die Leitungen 16 und 27 schaltet man dann noch Ventile 42-45 ein, so dass diese für bestimmte Zeit von der Förderung ausgeschlossen bleiben (z. B. nach einer Stunde Förderzeit zwei Stunden Pause).
Als Antriebsflüssigkeit wird zweckmässig Wasser verwendet, in dem etwas Öl emulgiert ist. Man erhält dadurch trotz geringer Viskosität einen gewissen Korrosionsschutz im Innern der Zylinder und Leitungen.
Der Druck des Luftpolsters im Ausgleichsgefäss 4 wird am besten so hoch gewählt, dass er etwa in der Mitte zwischen dem Druck in den Leitungen beim Aufwärts- und beim Abwärtshub liegt. Die Umschaltung der Förderrichtung in den Leitungen 16 und 27 erfolgt am besten in bei andern Maschinen an sich bekannter Weise durch zwei verschieden grosse Steuerschieber, u. zw. wird erst der kleine Steuerschieber 50 von der Stange 38 mechanisch verschoben und dieser erst steuert dann den grossen Steuerschieber 51, der mit der Druckleitung 52 und der Saugleitung 53 der Antriebspumpe 2 verbunden ist. Die Antriebspumpe 2 fördert in der gezeichneten Stellung durch Ansaugen die Antriebsflüssigkeit durch die Leitungen 27, 53 und 54 und drückt sie durch die Leitung 52 der Leitung 16 zu.
Bei spiegelbildlicher Stellung der Steuerschieber 50 und 51 erfolgt die Förderung der Flüssigkeit im entgegengesetzten Sinn. Die Steuerschieber 50 und 51 können, wie gezeichnet, in gesonderten Zylindern 55 und 56 untergebracht sein, oder auch in einem einzigen, mit entsprechenden Bohrungen versehenen Körper. Statt der gleitenden Steuerschieber nach Fig. 3 können sinngemäss auch anders geartete Steuerschieber Verwendung finden, z. B. solche, die durch drehende Bewegung betätigt werden, wie Dreiweghähne usw.
Ist die Entfernung der einzelnen Förderbohrungen von der Antriebszentrale gross, z. B. über 5 km, so hat die bei jedem Förderhub in den Leitungen 16 und 27 strömende Flüssigkeit schon eine beträchtliche kinetische Energie, die bei jeder Umschaltung aufgenommen werden muss. Um hiebei harte Stösse zu vermeiden, ist es zweckmässig, über und unter jedem der Pumpkolben 28 ein federndes Element, z. B. einen Gummiring, anzubringen. Man kann auch unmittelbar von den am weitesten entfernten Förderbohrungen 15 bzw. 25, 26 zur Stossverminderung noch Windkessel an den Enden der Leitungen 16 und 27 anbringen.
Der Druck in den Leitungen wird vorteilhaft so gewählt, dass das Material der Rohre gut ausgelastet wird, um nicht zu untwirtschaftlich grossen und teuren Leitungen 16 und 27 zu gelangen. Eine für viele Fälle zweckmässige Leitungsdimensionierung ist 65 mm lichte Weite mit solch einer Wandstärke, dass ein Druck bis zu 150 atü zulässig ist. Der entsprechende Innendurchmesser der Zylinder 30 an den einzelnen Bohrungen liegt dann bei 100 mm. Sind viele Bohrungen an die Leitungen 16 und 27 angeschaltet, so müssen diese grössere Durchmesser erhalten. Es ist empfehlenswert, die Leitungen 16 und. 27 an ihren höchsten Stellen durch Entlüfturgsventile vor und während des Betriebes gut zu entlüften.
Es hat sich ferner als zweckmässig erwiesen, an den Pumpzentralen in unruhigen Ölfeldern, also wenn öfters neue Förderbohrungen angeschlossen oder abgeschaltet werden müssen, die federbelastetcn Membran- ventile durch gewichtsbelastete Kolbenventile zu ersetzen, da das Verschieben der Gewichte am entsprechenden Hebelarm einfacher und übersichtlicher ist als der jeweilige Austausch der Federn 34, 32, 37 und 40. Vor allem kann dann das Ventil 41 am Ausgleichsgefäss 4 durch ein einfaches Rückschlagventil ersetzt werden, das öffnet, wenn der Druck in der Leitung 27 den Druck im Ausgleichsgefäss 4 unterschreitet. Das Ventil 39 wird dann durch ein Sicherheitsventil ersetzt, das öffnet, wenn der Druck in der Leitung 27 den Höchstwert erreicht hat, wenn also alle Kolben 28 der in Fig. 1 rechten Gruppe der Förderbohrungen ihre höchste Stellung erreicht haben.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum zentralen hydraulischen Antrieb mehrerer Gestängetiefpumpen, vorzugsweise solcher, bei denen die Hublänge etwa der Länge eines Pumpgestänges entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verpumpenden Bohrungen durch Leitungen (16 bzw. 27) in zwei Gruppen (5-15, 17-26) zusammengefasst werden und die Antriebspumpe (3) Wasser oder eine ähnliche wenig viskose Flüssigkeit abwechselnd von der einen Bohrungsgruppe ansaugt und der andern zupumpt, wobei die Höchst- und Tiefstdrücke bei der Gruppe mit grösserem Gesamthubvolumen (5-15) zur Umschaltung der Förderrichtung und die Höchst- und Tiefstdrücke der Gruppe mit kleinerem Gesamthubvolumen (17-26) zur Zu- und Abschaltung eines Ausglcichsgefässes (4) zu dieser Gruppe dadurch herangezogen werden, dass die zur Umschaltung von Steuerventilen (33, 35 bzw.
39, 41) benötigte Druckdifferenz durch Anschlagen der Pumpkolben (28) in ihren Zylindern (30) in der höchsten und der tiefsten Endstellung hervorgerufen wird.