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Die
Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Pumpenanordnungen
dieser Art können
zur Förderung
zahlreicher Flüssigkeiten
wie z. B. Thermalwasser eingesetzt werden. Ihr Hauptanwendungsgebiet
wäre jedoch
die Erdölförderung.
Da bekannte Pumpenanordnungen mit hydraulisch angetriebenen Pumpenkolben
aber aus vergleichsweise komplizierten Konstruktionen bestehen,
ist in der Praxis bisher kein Anwendungsfall für sie bekannt geworden. Eine
bekannte Pumpe (
EP
0 105 877 B1 ) weist z. B. zwei durch eine Trennwand getrennte Pumpenkolben
auf, die mittels eines hydraulischen Mediums hin und her bewegt
werden können.
Zur Umsteuerung des hydraulischen Mediums, das mittels eines manuell
zu betätigenden
Pumpenschwengels nur in einer Richtung gefördert werde kann, dient ein
von Federn vorgespanntes Ventil, das durch Anschlagen des Pumpenkolbens
in dessen Umkehrpunkten in die eine oder andere Position eingestellt wird.
Derartige Systeme sind nicht nur störanfällig, sondern auch für die Förderung
von Flüssigkeiten aus
Tiefbohrungen kaum geeignet. Außerdem
ist nicht ersichtlich, wie die Pumpenanordnung in einem Bohrloch
installiert werden könnte.
Letzteres gilt auch für
eine andere bekannte Pumpenanordnung (
EP 0 118 497 B1 ). Bei dieser kann das hydraulische Medium
zwar ohne mechanische Anschläge
in entgegen gesetzte Richtungen gesteuert werden, doch besteht hier
neben der aufwendigen Konstruktion auch der Nachteil, daß sich die
zu fördernde
Flüssigkeit
mit dem hydraulischen Medium vermischt, was nicht immer erwünscht ist.
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Insbesondere
für die
Erdölförderung
werden daher heute trotz der Vorteile, die hydraulisch betriebene
Pumpenanordnungen bieten könnten,
durchweg Pumpenanordnungen verwendet (PCT WO 00/50774,
US 6 640 896 B1 ), bei denen
der Pumpenkolben mit Hilfe eines in das Bohrloch eingeführten Gestänges betätigt wird.
Das Gestänge
wird seinerseits über
Tage mittels eines Schwengels angetrieben, der einerseits über ein
kreisförmiges
Segment an das Gestänge
angekoppelt und andererseits über ein
Hebelgetriebe mit einem Antriebsmotor verbunden ist (Pferdekopfantrieb).
Derartige Pumpenanordnungen sind nicht nur mit hohen Investitionskosten verbunden
und umständlich
in der Anwendung, sondern auch aus optischen Gründen nicht immer erwünscht, da
sie weithin sichtbar sind und die Umgebung verunstalten.
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Abgesehen
davon weisen die bekannten, für Tiefbohrungen
geeigneten Pumpenanordnungen zahlreiche Verschleißteile auf.
Da die meisten dieser Verschleißteile
in großen
Tiefen von z. B. 500 m bis 5000 m angeordnet sind und das Bergen,
Reparieren und Niederbringen eines im Bohrloch befindlichen Teils
der Pumpenanordnung mühsame
und zeitraubende, oft über
mehrere Tage erstreckte Tätigkeiten erfordert,
ist jeder Ersatz eines Verschleißteils mit einer längeren Unterbrechung
der Fördertätigkeit
verbunden. Dieser Nachteil wird bisher in Kauf genommen.
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Ausgehend
davon besteht das Problem der vorliegenden Erfindung darin, die
Pumpenanordnung der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß sie trotz
des Vorhandenseins eines hydraulisch betätigbaren Pumpenkolbens einen
einfachen Aufbau hat, weniger Verschleißteile aufweist und an der Oberfläche des
Bohrlochs keine aufwendigen und weithin sichtbaren Konstruktionen
erfordert.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
den allgemeinen Aufbau einer Pumpenanordnung für die Förderung einer Flüssigkeit
aus einem Bohrloch bei hydraulischem Antrieb eines Pumpenkolbens;
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
wesentliche Teile einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung;
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3 und 4 einen
mittleren Abschnitt der Pumpenanordnung nach 2 in einem
vergrößerten Maßstab und
in zwei unterschiedlichen Betriebsstellungen; und
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5 einen
Querschnitt durch die Pumpenanordnung längs der Linie V-V der 2.
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1 zeigt
eine Pumpenanordnung zur Förderung
einer Flüssigkeit
aus einem Bohrloch, wobei im Ausführungsbeispiel Erdöl als die
zu fördernde Flüssigkeit
angenommen ist. Zur Förderung
dieser Flüssigkeit
wird zunächst
in bekannter Weise ein äußeres, z.
B. aus Stahl bestehendes Schutzrohr 1 niedergebracht, das
zum Schutz des Bohrlochs vor dem Einstürzen und ggf. als Wassersperre
dient, bis zum Grund der Bohrung reicht und durch einen Boden 2 abgeschlossen
ist. Nach dem Erreichen der die Flüssigkeit enthaltenden Bodenschichten
wird mittels eines Drahtseils od. dgl. wie üblich eine Sprengladung in
das Schutzrohr 1 eingebracht, um dieses im unteren Bereich
mit Löchern 3 zu
versehen, durch die die Flüssigkeit
eintreten kann. Um dabei zu vermeiden, daß die Flüssigkeit sofort nach oben aus
dem Bohrloch austritt, wird mit einer Bohrspülung, deren Dichte größer als
die der zu fördernden
Flüssigkeit
ist, zunächst
ein Gegendruck erzeugt.
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Der
obere Rand der Bohrung wird mit einem nur in 2 dargestellten
Bodenflansch 4 des Schutzrohrs 1 gegenüber der
Erdoberfläche 5 abgedichtet.
Anschließend
wird eine in 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnete
Pumpenanordnung in das Bohrloch bzw. das Schutzrohr 1 eingebracht
und bis zu dem sich ergebenden Flüssigkeitsspiegel abgesenkt.
Zum Transport der von der Pumpenanordnung 6 geförderten
Flüssigkeit
an die Erdoberfläche 5 dient
eine ebenfalls in das Bohrloch eingebrachte Steigleitung 7.
Abschließend
wird das Bohrloch mit einem üblichen
Förderkreuz 8 abgedichtet,
das die notwendigen Schieber, Manometer und Anschlüsse enthält, um die
aus der Steigleitung 7 austretende Flüssigkeit in eine Förderleitung
(Pipeline) od. dgl. zu befördern.
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Im
Falle einer hydraulischen Betätigung
der Pumpenanordnung 6 ergibt sich der Vorteil, daß an der
Erdoberfläche 5 im
Bereich der Bohrungsöffnung kein
Raum für
den sonst üblichen
mechanischen Antrieb (Pferdekopf) benötigt wird. Es ist lediglich
eine wenig Raum beanspruchende Hydrauliksteuerung 9 vorhanden,
die über
im Schutzrohr 1 verlegte Hydraulikleitungen 10 und 11 mit
der Pumpenanordnung 6 verbunden wird. In die Hydraulikleitungen 10, 11 sind
vorzugsweise elektrisch steuerbare, über Tage angeordnete Ventile 12 eingesetzt,
die zur Steuerung des Flusses eines in den Hydraulikleitungen 10, 11 befindlichen
hydraulischen Mediums dienen. Die aus dem Förderkreuz 8 und der
Hydrauliksteuerung 9 bestehende Konstruktion kann bei Bedarf
auch in einer Bodenausnehmung oder im Keller eines Gebäudes untergebracht
und damit weitgehend unsichtbar angeordnet werden.
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Pumpenanordnungen
dieser Art sind z. B. aus den eingangs genannten Druckschriften,
insbesondere aus
EP
0 118 497 B1 bekannt, die hiermit durch Referenz auf sie
zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht werden.
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Eine
erfindungsgemäße Pumpenanordnung 6 ist
in 2 bis 4 dargestellt, in denen gleiche Teile
mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen
sind. Dabei sind verschiedene Rohre der Pumpenanordnung 6 verkürzt dargestellt,
was durch eingezeichnete Trennlinien angedeutet ist.
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Die
Pumpenanordnung 6 enthält
ein erstes Rohr 14, das mit einem oberen Ende eine in einem oberen
Flansch 15 ausgebildete Durchgangsöffnung durchragt und mit diesem
Flansch 15 fest und dicht verbunden ist. Das erste Rohr 14 ist
mit Abstand von einem zweiten Rohr 16 umgeben, so daß zwischen den
beiden Rohren 14 und 16 ein erster Ringraum 17 entsteht.
Das zweite Rohr 16 ist außerdem mit Abstand von einem
dritten Rohr 18 umgeben, das mit dem zweiten Rohr 16 einen
zweiten Ringraum 19 begrenzt.
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Obere
Enden des zweiten und dritten Rohrs 16, 18 sind
am oberen Flansch 15 befestigt. Ein unteres Ende des mittleren
Rohrs 16 ist außerdem
an einem unteren Flansch 20 befestigt, der in einen mittleren
Bereich des äußersten,
dritten Rohrs 18 eingesetzt und mit diesem fest und dicht
verbunden ist. Die drei Rohre 15, 16 und 18 sind
vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet und koaxial zu einer gemeinsamen
Längsachse 21 angeordnet,
die zweckmäßig auch
koaxial mit der Mittelachse des Schutzrohrs 1 ist, obwohl
natürlich
auch andere geometrische Ausgestaltungen möglich sind.
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Der
erste Ringraum 17 dient zur Aufnahme eines Pumpenkolbens 22,
der als ein das erste Rohr 14 umgebender Ring ausgebildet
ist und zwischen den beiden Flanschen 15 und 20 parallel
zur Längsachse 21 hin
und her bewegt werden kann. Die Flansche 15, 20 legen
dabei im wesentlichen den Bewegungshub für den Pumpenkolben 22 fest.
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Der
untere Flansch 20 ist mit einem vom ersten Rohr 14 zumindest
teilweise durchragten Durchgang versehen, der einen etwas größeren Innenquerschnitt
hat, als dem Außenquerschnitt
des Rohrs 14 entspricht. In dem dadurch entstehenden Ringspalt
ist ein Tragrohr 23 axial verschiebbar gelagert, das an
einem unteren Ende des Pumpenkolbens 22 befestigt ist,
von diesem nach unten ragt und vorzugsweise koaxial mit der Längsachse 21 ist.
Dabei sind die Maße
der verschiedenen Teile so gewählt, daß einerseits
der Pumpenkolben 22 zwischen den Rohren 14 und 16 und
andererseits das Tragrohr 23 zwischen dem ersten Rohr 14 und
dem Flansch 20 jeweils zwar leichtgängig, aber dennoch mit wenig Spiel
verschiebbar gelagert ist.
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An
einem in 2 bis 4 unteren
Ende, das aus dem unteren Flansch 20 herausragen kann, ist
das erste Rohr 14 mit einem ersten Ventil 24,
dem sog. Kolbenventil versehen, das den Durchgang durch das Rohr 14 freigeben
oder sperren kann. Das Tragrohr 23 weist an einem unteren, über das
Ventil 24 nach unten überstehenden
Endabschnitt 23a ein zweites Ventil 25, das sog.
Fußventil
auf. Dabei ist der Endabschnitt 23a in axialer Richtung
wenigstens so lang, daß das
zweite Ventil 25 in jeder möglichen axialen Stellung des
Pumpenkolbens 22 unter dem ersten Ventil 24 angeordnet
ist, ohne an dieses anzuschlagen, wie ein Vergleich der 3 und 4 zeigt,
in denen die beiden möglichen
Extremstellungen des Pumpenkolbens 22 dargestellt sind.
Das zweite Ventil 25 kann den Durchgang durch das Tragrohr 23 freigeben
oder sperren. Es ist außerdem zweckmäßig lose
in das untere Ende des Tragrohrs 23 eingesetzt und in diesem
mit einer Sicherungsmuffe 26 gehalten, die nach Art einer Überwurfmutter ausgebildet,
auf einen Außengewindeabschnitt
des Endabschnitts 23a aufgeschraubt und mit einem einen
Eingang des Ventils 25 freilassenden Durchgang versehen
ist. Dadurch ist das Ventil 25 leicht auswechselbar am
Tragrohr 23 befestigt.
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Der
Innenraum eines zwischen den beiden Ventilen 24, 25 befindlichen
Abschnitts des Tragrohrs 23 bildet, wie weiter unten erläutert ist,
eine Pumpenkammer 23b, ggf. zusammen mit einem über das Ventil 24 nach
unten hinaus ragenden Teil des ersten Rohrs 14. Die Größe dieser
Pumpenkammer 23b legt die Menge an Flüssigkeit fest, die pro Pumpzyklus gefördert werden
kann.
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Die
Ventile 24, 25 bestehen vorzugsweise aus an sich
bekannten Kugel- bzw. Rückschlagventilen,
die in Richtung der in 2 eingezeichneten Pfeile geöffnet bzw.
geschlossen werden können.
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Das
dritte Rohr 18 ist auf der vom oberen Flansch 15 entfernten
Seite mit einen über
den unteren Flansch 20 hinaus verlängerten Abschnitt versehen.
Dieser weist ein unteres Ende 18a auf, das zweckmäßig in jeder
möglichen
Position des Pumpenkolbens 22 über das untere Ende des Tragrohrs 23 bzw.
das Ventil 25 nach unten vorsteht. An diesem Ende 18 ist
eine Schutzkappe 27 befestigt, die nach unten hin z. B.
konisch ausläuft
und mit Öffnungen 28 in
Form von Schlitzen od. dgl. versehen ist. Die Schutzkappe 27 und
das Ende 18a des Rohrs 18 sind zu diesem Zweck
z. B. mit Innengewindeabschnitten versehen, in die eine mit einem
Außengewindeabschnitt
versehene Verbindungsmuffe 29 eingeschraubt wird, um die
Schutzkappe 27 leicht auswechselbar am Rohr 18 zu
befestigen. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die zu
fördernde
Flüssigkeit
nur durch die Öffnungen 28 in
das dritte Rohr 18 bzw. von dort durch das Ventil 25 in
das Tragrohr 23 gelangen kann. In der Flüssigkeit
enthaltene Verunreinigungen, insbesondere größere Partikel davon, werden
auf diese Weise von der Pumpenanordnung 6 und vor allem
von den Ventilen 24, 25 ferngehalten.
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Bei
der beschriebenen Anordnung bildet der erste Ringraum 17 eine
auf einer (hier oberen) Seite des Pumpenkolbens 22 liegende,
erste Druckkammer, während
der zweite Ringraum 19 eine für die andere (hier untere)
Seite des Pumpenkolbens 22 zuständige, zweite Druckkammer darstellt.
Dabei ist der erste Ringraum 17 über einen den oberen Flansch 15 durchragenden
Abschnitt 10a der Hydraulikleitung 10, der zweite
Ringraum 19 über
einen den oberen Flansch 15 durchragenden Abschnitt 11a der
Hydraulikleitung 11 mit der Hydrauliksteuerung 9 (1)
verbunden. Außerdem
ist das zweite Rohr 16 an einem in 2 bis 4 unteren,
an den Flansch 20 grenzenden Endabschnitt mit Öffnungen 30 (3 und 4)
in Form von Schlitzen od. dgl. versehen, durch die hindurch der
zweite Ringraum 19 an einer in 2 und 4 unterhalb
des Pumpenkolbens 22 liegenden Stelle mit dem ersten Ringraum 17 verbunden
ist. Wird daher die Hydraulikleitung 10 mit Druck beaufschlagt
und gleichzeitig die Hydraulikleitung 11 drucklos geschaltet
bzw. entlüftet,
dann wird der Pumpenkolben 22 in 2 bis 4 nach unten
bis in seinen unteren Totpunkt (3) bewegt. Wird
dagegen die Hydraulikleitung 11 mit Druck beaufschlagt
und die Hydraulikleitung 10 drucklos geschaltet, dann wird
das hydraulische Medium durch die Öffnungen 30 aus dem
Ringraum 19 unter dem Pumpenkolben 22 hindurch
in den Ringraum 17 gedrückt,
wodurch der Pumpenkolben 22 bis in seinen oberen, aus 3 ersichtlichen
und in 2 und 4 mit einer gestrichelten Linie 31 angedeuteten Totpunkt
bewegt wird.
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Damit
sich der Pumpenkolben 22 in seinem unteren Totpunkt nicht
auf den Flansch 20 auflegt und dadurch die Öffnungen 30 verschließt, ist
auf der ihm zugewandten Stirnfläche
des Flanschs 20 vorzugsweise wenigstens ein stegartig in
den Ringraum 17 ragender Anschlag 32 vorgesehen,
an den der Pumpenkolben 22 in seiner unteren Totpunktstellung derart
anschlägt,
daß die Öffnungen 30 mit
Sicherheit offen bleiben. Am freien Ende des Anschlags 32 ist mit
besonderem Vorteil ein Druckschalter 33 befestigt, der
beim Anschlagen des Pumpenkolbens 22 ein z. B. elektrisches
Signal erzeugt, das über
eine schematisch dargestellte, zweckmäßig innerhalb des Schutzrohrs 1 verlaufende
Leitung 34 der Hydrauliksteuerung 9 bzw. den Steuerventilen 12 (1)
zugeführt
wird. Wenigstens ein entsprechender Anschlag 35 kann von
der unteren Stirnfläche
des oberen Flansches 15 in den Ringraum 17 ragen
und mit einem weiteren Druckschalter 36 versehen sein,
der über
eine weitere Leitung 37 mit der Hydrauliksteuerung 9 bzw.
den Steuerventilen 12 verbunden ist. Mittels der von den
Druckschaltern 33, 36 erzeugten Signale kann auf
diese Weise der Hydrauliksteuerung 9 mitgeteilt werden,
wann der obere bzw. untere Totpunkt des Pumpenkolbens 22 erreicht
ist und die jeweils andere Hydraulikleitung aktiviert werden muß.
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Die
beschriebene Baueinheit, die insbesondere die Rohre 14, 16 und 18 sowie
die Flansche 15 und 20 enthält, wird erfindungsgemäß mittels
eines sog. Packers 40 fest im Schutzrohr 1 fixiert.
Unter einem "Packer" wird in der Fachwelt
ein Absperrorgan verstanden, das zum Abdichten von Bohrungen dient und
an seinem Außenumfang
mit wenigstens einer kompressiblen, gegen die Bohrungswand druckbaren,
z. B. aus Gummi bestehenden Manschette versehen ist. Packer dieser
Art sind allgemein bekannt und werden z. B. von der Fa. Halliburton
Germany GmbH in D-29232 Celle hergestellt bzw. vertrieben. Erfindungsgemäß wird ein
solcher Packer 40 von der Bohrlochöffnung aus z. B. mit einem
Drahtseil oder einem Gestänge
in das Schutzrohr 1 abgelassen und dann von über Tage
aus pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch aufgeweitet, bis er
dicht am Innenmantel des Schutzrohrs 1 anliegt.
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Der
Packer 40 enthält
einen Durchgang, der von einem nach oben aus dem oberen Flansch 15 herausragenden
Teil des ersten Rohrs 14 durchragt wird und fest mit dem Rohr 14 verbunden
ist. Alternativ kann der Packer 40 aber auch an einem als
Verlängerungsstück dienenden
Rohr 41 befestigt sein, das mittels einer Verbindungsmuffe 42 fest
mit dem ersten Rohr 14 verbunden ist, indem die Verbindungsmuffe 42z.
B. mit einem Innengewinde versehen und mit diesem auf Außengewindeabschnitte
der Rohre 14 und 41 aufgeschraubt wird. Dabei
wird der Packer 40 in einer solchen Höhe innerhalb des Schutzrohrs 1 montiert,
daß insbesondere
der unterhalb des unteren Flanschs 20 befindliche Teil
der Pumpenanordnung 6 sicher unterhalb eines sich ausbildenden
Flüssigkeitsspiegels 43 liegt.
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Schließlich enthält der Packer 40 nicht
näher dargestellte
Bohrungen, die von den Hydraulikleitungen 10, 11 und
den zu den Druckschaltern 33, 36 führenden
Leitungen 34, 37 abgedichtet durchragt sind. Dabei
ist die Anordnung so getroffen, daß der Packer 40 den
unterhalb von ihm und außerhalb
der Rohre 14 bzw. 41 befindlichen Teil des Schutzrohrs 1 hermetisch
gegen den entsprechenden, über
ihm angeordneten Teil des Schutzrohrs 1 abdichtet und nur das
Rohr 14 bzw. 41, die Hydraulikleitungen 10, 11 sowie
die elektrischen Leitungen 34, 37 den Packer 40 abgedichtet
durchragen. Bei einem derzeit für
am besten gehaltenen Ausführungsbeispiel
werden allerdings die Leitungen 10,11 und 34, 37 sämtlich in einem
Abschnitt des den Packer 40 durchragenden Rohrs 14 bzw. 41 angeordnet,
wie in 2 bis 4 für die Leitungen 10, 11 dargestellt
ist. Dadurch wird erreicht, daß der
Packer 40 nur mit einem einzigen, zur Aufnahme des Rohrs 14, 41 bestimmten
Durchgang versehen werden braucht.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird oberhalb des Packers 40 eine sogenannte
Schiebemuffe 44 in das Rohr 14 bzw. 41 eingesetzt.
Die Schiebemuffe 44, die in 3 und 4 schematisch
dargestellt ist, enthält
ein zwischen das Rohr 14 und das Rohr 41 oder zwischen
zwei Rohre 41 geschraubtes, zweckmäßig denselben Durchmesser wie
diese aufweisendes Außenrohr 44a und
ein mit wenig Spiel in diesem verschiebbar gelagertes Innenrohr 44b.
Das Außenrohr 44a weist
in seinem Mantel wenigstens ein durchgehendes Loch 44c auf,
während
das Innenrohr 44b mit einer Halterung 44d verbunden
ist, an der ein die Steigleitung 14, 41 durchragendes
Stahlseil oder dergleichen befestigt ist. Dadurch kann das Innenrohr 44b wahlweise
angehoben werden, um das Loch 44c freizugeben, oder in
die aus 3 und 4 ersichtliche
Stellung abgesenkt werden, in welcher das Loch 44c verschlossen
ist. Auch Schiebemuffen der beschriebenen Art werden von der Fa.
Halliburton Germany GmbH in D-29232 Celle hergestellt bzw. vertrieben.
Der mit der Schiebemuffe 44 verfolgte Zweck ist weiter
unten erläutert.
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Das
aus dem Packer 40 nach oben herausragende Ende des ersten
Rohrs 14 oder des Rohrs 41 wird an die auch in 1 dargestellte
Steigleitung 7 angeschlossen.
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Da
die Montage der beschriebenen Pumpenanordnung 6 im Schutzrohr 1 erfindungsgemäß mittels
des Packers 40 erfolgt, brauchen von oben her keine weiteren
Maßnahmen
mehr getroffen und keine aufwendigen Konstruktionen zum Einführen von Pumpgestängen od.
dgl. vorgesehen werden. Außerdem
ist es ausreichend, die unterhalb des Packers 40 befindlichen,
für das
Pumpen benötigten
Bauteile, insbesondere die Flansche 15 und 20,
die Rohre 14, 16 und 18 sowie den Pumpenkolben 22 und
das Tragrohr 23 aus mechanisch stabilen Materialien wie z.
B. Stahl herzustellen. Dagegen hat die Steigleitung 7 nach
dem Befestigen des Packers 40 keinerlei tragende bzw. führende Funktionen
mehr. Sie wird daher erfindungsgemäß aus einem vorzugsweise flexiblen
Schlauch hergestellt. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß keine
aufwendigen Manipulationen über
Tage erforderlich sind, um die Steigleitung Schritt für Schritt
zu verlängern,
indem kurze Rohrstücke
mittels Verbindungsmuffen miteinander verbunden werden. Ein flexibler
Schlauch kann vielmehr in großen
Längen
auf eine Schlauchrolle aufgewickelt werden, so daß es nur
erforderlich ist, diese am Bohrloch kontinuierlich abzuwickeln.
Die Montagezeit für
die erfindungsgemäße Pumpenanordnung 6 wird
dadurch erheblich reduziert.
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Die
Wirkungsweise der beschriebenen Pumpenanordnung 6 ist im
wesentlichen wie folgt:
Nach der Befestigung des Packers 40 im
Schutzrohr 1 ist die Pumpenanordnung 6 betriebsbereit.
Ein Pumpzyklus beginnt dabei, ausgehend von der aus 4 ersicht lichen
Stellung, mit der Zufuhr des hydraulischen Mediums durch die Hydraulikleitung 10. Dadurch
wird, wie in 4 durch Pfeile angedeutet ist,
der Druck im Ringraum 17 erhöht und infolgedessen der Pumpenkolben 22 in 4 nach
unten bewegt, während
gleichzeitig der unterhalb des Pumpenkolbens 22 befindliche
Teil des hydraulischen Mediums über
den Ringraum 19 und die Hydraulikleitung 11 zurück zu einem
in der Hydrauliksteuerung 9 befindlichen Vorratstank fließt. Da das
Tragrohr 23 dabei gegen die Flüssigkeit bewegt wird, die in
den Raum zwischen dem Tragrohr 23, dem unteren Flansch 20 und
dem dritten Rohr 18 eingedrungen ist, öffnet in dieser Phase das Ventil 25,
so daß sich die
Pumpenkammer 23b allmählich
mit Flüssigkeit füllt. Das
Ventil 24 wird dagegen durch die über ihm stehende Flüssigkeitssäule geschlossen
gehalten.
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Sobald
der Pumpenkolben 22 den Anschlag 32 erreicht,
wird der Endschalter 33 betätigt, wodurch die Hydrauliksteuerung 9 jetzt
den Druck in der Hydraulikleitung 11 erhöht. Dadurch
wird der Pumpenkolben 22 mittels des in den zweiten Ringraum 19 einströmenden,
hydraulischen Mediums in 2 und 3 nach oben
bewegt, wie wiederum mit Pfeilen angedeutet ist. Das hat zur Folge,
daß das
Ventil 25 wegen des Drucks der darüber stehenden Flüssigkeitssäule schließt und die
in der Pumpenkammer 23b befindliche Flüssigkeitsmenge mit dem Tragrohr 23 nach
oben gedrückt
wird, wodurch sich das Ventil 24 selbsttätig öffnet. Gleichzeitig
wird vom Tragrohr 23 weitere Flüssigkeit in den Raum zwischen
ihm und dem unterhalb des Flanschs 20 befindlichen Teil
des dritten Rohrs 18 angesaugt, so daß sich dieser Raum wieder füllt. Außerdem öffnet das
Ventil 24 in dieser Phase so lange, bis der Pumpenkolben 22 seinen obersten
Totpunkt erreicht hat und die zunächst in der Pumpenkammer 23b befindliche
Flüssigkeitsmenge
in den oberhalb des Ventils 24 befindlichen Teil des ersten
Rohrs 14 überführt worden
ist. Nach Betätigung
des Druckschalters 36 wiederholt sich das beschriebene
Bewegungsspiel. Dadurch wird das Ventil 24 wieder geschlossen,
so daß die
zuvor nach oben gedrückte
Flüssigkeitsmenge
nicht nach unten abfließen
kann, während
das Ventil 25 erneut öffnet,
um die Pumpenkammer 23b wieder zu füllen.
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Die
erfindungsgemäße Pumpenanordnung 6 besitzt
nur wenige Verschleißteile
und ist daher äußerst wartungsarm,
einfach handhabbar und kostengünstig
herstellbar. Im Bereich des Pumpenkolbens 22 sind vorzugsweise
keine zusätzlichen
Dichtungen vorhanden. Reibung tritt dann nur zwischen den in Berührung kommenden
Flächen
des Pumpenkolbens 22, der ihn führenden Rohre 14 und 18 und
in einem Bereich zwischen dem Flansch 20 und dem Rohr 14 durch
das von diesen geführte
Tragrohr 23 auf. Diese Flächen werden daher vorzugsweise
als Planflächen
ausgebildet, aus Stahl gefertigt und durch Induktionshärtung od.
dgl. gehärtet,
wodurch besonders verschleißfeste
Oberflächen
erhalten werden. Weitere Verschleißteile sind die Ventile 24 und 25,
die jedoch aufgrund ihrer Ausbildung als Kugelventile ebenfalls
verschleißarm
sind.
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Zur
weiteren Minimierung des Verschleisses wird vorgeschlagen, die Hydraulikleitung 10 und
die zugehörigen
Teile ganz wegzulassen oder zumindest weitgehend unbenutzt zu lassen.
Der Pumpenkolben 22 wird in diesem Fall durch sein Eigengewicht
in seine untere Totpunkt-Stellung nach 2 und 3 zurückbewegt.
Bei dieser Variante wird der Pumpenkolben 22 zweckmäßig mit
einem zusätzlichen
Gewicht belastet, indem dieses z. B. am Tragrohr 23 befestigt
oder ein Tragrohr 32 vorgesehen wird, das eine vergleichsweise
große
Wandstärke
aufweist. Die Hydraulikleitung 10 kann in diesem Fall z.
B. als reine Entlüftungsleitung
verwendet werden.
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Zur
weiteren Reduzierung von Verschleißteilen ist nach einem besonders
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung vorgesehen, auch denjenigen Teil der Hydraulikleitung 11 wegzulassen,
der von der Hydrauliksteuerung 9 bis zum Packer 40 erstreckt
ist. In diesem Fall wird ein oberhalb des Packers 40 befindlicher,
zwischen der Steigleitung 7 und dem Schutzrohr 1 befindlicher,
dritter Ringraum 45 vollständig mit dem hydraulischen
Medium gefüllt. Das
ist möglich,
weil der Ringraum 45 nach unten durch den Packer 40 und
nach oben durch den Bodenflansch 4 und die auf diesem üblicherweise
montierten Aggregate abgedichtet ist. Der Packer 40 wird in
diesem Fall lediglich mit einer durchgehenden Rohrdurchführung versehen,
durch die das hydraulische Medium beim Anheben des Pumpenkolbens 22 aus
dem dritten Ringraum 45 in den unterhalb des Packers 40 verbleibenden
Teil der Hydraulikleitung 11 in den zweiten Ringraum 19 einströmen kann.
Die Rohrdurchführung
kann allerdings wie die Leitungen 10, 11 im Bereich
des Packers 40 auch innerhalb des Rohrs 14, 41 angeordnet
sein.
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Damit
sich das hydraulische Medium bei dem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht
mit der zu fördernden
Flüssigkeit
und von dieser mitgeführten
Verunreinigungen wie z. B. Salzwasser od. dgl. vermischt wird und
dadurch verschmutzt, wird der Ringraum 45 zunächst mit
Hilfe der Schiebemuffe 44 gereinigt. Zu diesem Zweck wird
das Innenrohr 44b mit Hilfe eines Drahtseils od. dgl. in
einen das Loch 44c zum Ringraum 45 freigebenden
Zustand gebracht. Danach wird der Ringraum 45 mit einem
geeigneten, in diesen eingebrachten Medium wie z. B. Dieselöl gereinigt,
bis alle Reste von Erdöl, einer
Bohrspülung
od. dgl. aus dem Ringraum 45 entfernt sind, wobei diese
Medien sämtlich
durch das Innenrohr 44b und die Steigleitung 7 abfließen können. Anschließend wird
das Innenrohr 44b wieder im Außenrohr 44a abgesenkt,
um das Loch 44c zu verschließen, und der Ringraum 45 mit
dem hydraulischen Medium gefüllt.
In ähnlicher
Weise kann die Schiebemuffe 44 vor der Endmontage der Pumpenanordnung 6 dazu
benutzt werden, die zunächst
in das Bohrloch eingefüllte
Bohrspülung
zu entfernen.
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Abgesehen
davon ermöglicht
das Loch 44c im geöffneten
Zustand ein Leerlaufen der Rohrstücke 41 bei deren Ausbau,
was z.B. zwecks Reparatur der Pumpenanordnung 6 erforderlich
ist. Ohne Vorhandensein des Lochs 44c würden die über Tage ausgebauten Rohrstücke 41 u.
U. noch teilweise mit der zur fördernden
Flüssigkeit
gefüllt
sein, die bei Ablegen dieser Rohrstücke 41 auf dem Boden
in das Erdreich eindringen könnte,
was aus Umweltschutzgründen vermieden
werden muß.
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Der
beschriebene Packer 40 bringt einen weiteren Vorteil mit
sich, der insbesondere in Verbindung mit der Nutzung des dritten
Ringraums 45 als Aufnahmebehälter für das hydraulische Medium wichtig
ist. Es kann nicht ausgeschlossen werden, daß das äußere Schutzrohr 1 aufgrund
von Korrosion od. dgl. ein Leck erhält. Dieses Leck kann sowohl zum
Eindringen von unerwünschtem
Salzwasser, Öl od.
dgl. in den Ringraum 45 als auch zum Austritt des hydraulischen
Mediums aus dem Ringraum 45 in die Umgebung führen. Obwohl
ein derartiges Leck relativ schnell durch einen Druckabfall im Ringraum 45 bzw. durch
ein Ausbleiben der Pumpfunktion bemerkt wird, ist es dennoch im
allgemeinen schwierig oder sogar unmöglich, die genaue Lage des
Lecks festzustellen, da sich der Ringraum 45 bis in eine
Tiefe von z. B. 500 m bis 5000 m erstrecken kann. Der erfindungsgemäß angewendete
Packer 40 erleichtert das Feststellen der genauen Lage
eines Lecks erheblich. Es ist nur erforderlich, beim Auftreten eines
Lecks den Packer 40 zu lösen, die gesamte Pumpenanordnung 6 zusammen
mit dem Packer 40 um ein vorgewähltes Maß anzuheben, den Packer 40 dann
wieder im Schutzrohr 1 abgedichtet zu befestigen und das hydraulische
Medium erneut unter Druck zu setzen. Sobald festgestellt wird, daß kein Druckverlust
mehr eintritt, ist sicher, daß der
Packer 40 an einer oberhalb des Lecks befindlichen Stelle
des Bohrlochs angeordnet ist. Durch mehrfaches Anheben und ggf. Absenken
des Packers 40 kann das Leck auf diese Weise bis auf wenige
Meter genau geortet und dann mit üblichen Mitteln geschlossen
bzw. abgedichtet werden.
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Das
Auftreten eines Lecks unterhalb eines Packers 40 ist im
allgemeinen unschädlich,
da dieser Raum ohnehin in der Regel mit der zu fördernden Flüssigkeit, z. B. einem Erdöl/Salzwasser-Gemisch gefüllt und
gegen den oberhalb des Packers 40 befindlichen Ringraum 45 abgedichtet
ist.
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Herkömmliche
hydraulische Medien sind vergleichsweise kostspielig. Insbesondere
bei der zuletzt beschriebenen Variante werden außerdem vergleichsweise große Mengen
davon benötigt.
Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, als hydraulisches Medium eine Emulsion zu verwenden, die
Wasser, ein Frostschutzmittel und ein Schmiermittel aufweist. Das
Wasser dient dabei dem Antrieb des Pumpenkolbens 22. Das
Frostschutzmittel verhindert, daß das Wasser während der
Frostperioden gefriert. Das Schmiermittel dient schließlich dem Zweck,
den Pumpenkolben 22, das Tragrohr 23 und die mit
diesen in Berührung
kommenden Teile zu schmieren, wodurch der Verschleiß dieser
Teile weiter reduziert wird. Als vorteilhaft hat sich eine Emulsion erwiesen,
die 5 bis 45 Vol. % Frostschutzmittel, 1 bis 20 Vol. % Schmiermittel
und Rest Wasser enthält, wobei
ein Mischungsverhältnis
von 35 Vol. % Frostschutzmittel, 15 Vol. % Schmiermittel und 50
Vol. % Wasser besonders bevorzugt wird. Eine derartige Emulsion
ist außerdem äußerst preisgünstig herstellbar
und im Hinblick auf die Umwelt unbedenklich, so daß ein etwaiges
Eindringen der Emulsion in das Erdreich unschädlich ist.
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Ein
besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung verzichtet schließlich
auch auf die Druckschalter 33 und 36, da diese
ebenfalls Verschleißteile
darstellen und jeder Austausch von Verschleißteilen mit einer mehrtägigen Unterbrechung der
Förderung
verbunden sein kann. In diesem Fall wird die über Tage stehende Hydrauliksteuerung 9 mit
Drucksensoren versehen, die den Druck in den Hydraulikleitungen 10, 11 bzw.
die Druckerhöhungen feststellen,
die sich in den Ringräumen 17 bzw. 19 auf
der jeweiligen Druckseite ergeben, wenn der Pumpenkolben 22 an
den Anschlägen 32 bzw. 35 anliegt.
Diese Druckerhöhung
wird dann zur Umsteuerung der Steuerventile 12 (1)
genutzt und kann von einem über
Tage gelegenen Ort aus ermittelt werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere die geometrische
Ausgestaltung der Rohre und Ringräume ist weitgehend beliebig.
Anstelle von koaxialen sind auch exzentrische Anordnungen und anstelle
von kreisförmigen
auch andere Rohrquerschnitte möglich.
Weiter ist es möglich,
die Leitungen 10, 11, 34 und 37 anders
als dargestellt zu verlegen. Bei Bedarf können diese Leitungen insbesondere
im Bereich des Packers 40 innerhalb des Rohrs 14 bzw. 41 angeordnet
werden, wie in 2 bis 4 angedeutet
ist, um sie dadurch beim Aufspreizen bzw. Zusammenziehen des Packers 40 vor
Beschädigungen zu
bewahren. Weiterhin ist im Bereich des Pumpenkolbens 22 eine
umgekehrte Funktion der verschiedenen Teile insoweit möglich, als
das Ventil 24 auch unterhalb des Tragrohrs 23 und
des Ventils 25 angeordnet, fest mit dem dritten Rohr 18 verbunden
und ggf. mit einem weiteren Ventil kombiniert werden könnte. Außerdem könnte das
zweite oder dritte Rohr 18 statt des ersten Rohrs 14 über den
oberen Flansch 15 hinaus verlängert und bis zum Packer 40 erstreckt
sein, um bis dort hin als Steigleitung zu dienen. Schließlich versteht
sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und
dargestellten Kombinationen angewendet werden können.