DE19533046C2 - Untertage-Tiefpumpenantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Untertage-Tiefpumpenantrieb für den Antrieb einer Tiefpumpe, insbesondere in Bohrungen.

In den meisten Ölfeldern wird die Ölförderung nach einer kurzen Eruptivphase mittels Förderhilfsmitteln aufrechterhalten. Das am häufigsten dafür eingesetzte Förderhilfsmittel ist die Gestänge-Tiefpumpe. Dabei wird über ein Pumpgestänge, das von Übertage durch das Steigrohr bis zur Tiefpumpe reicht, Öl aus dem Förderhorizont nach Übertage gepumpt. In begrenztem Umfang können auch gashaltige Flüssigkeiten gehoben werden.

Gestänge-Tiefpumpen, wie sie in der Kohlenwasserstoffindustrie Verwendung finden, sind in der Schrift von H. RISCHMÜLLER "Erdölförderung mit Gestängetiefpumpen" (1984) ausführlich beschrieben.

Gestänge-Tiefpumpen bestehen aus einer Tiefpumpe, die durch den Steigrohrstrang in ein Bohrloch herabgelassen werden. Angetrieben werden sie über ein Pumpgestängestrang, der über eine Polierstange mit einem obertägigen konventionellen Tiefpumpenantrieb verbunden ist.

Diese herkömmlichen Gestänge-Tiefpumpen mit obertägigem Tiefpumpenantrieb haben aber auch erhebliche Nachteile. So sind z. B. die Förderrate und die Förderteufe durch die Belastbarkeit des Pumpgestänges beschränkt. Darüber hinaus ist ein hoher Verschleiß von Pumpgestänge und Steigrohren, insbesondere bei abgelenkten Fördersonden, zu beobachten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für einen Tiefpumpenwechsel sehr personalintensiv und zeitaufwendig ist.

Die Schrift GB 2 100 362 A beschreibt einen hydraulischen Tiefpumpenantrieb mit festgekoppeltem Pumpenteil am unteren Ende des Antriebs. Das untere Ende des Pumpenzylinders ist mit einem Saugventil versehen. Die Verbindung zwischen dem Antriebskolben und dem Pumpenkolben ist durch ein Rohr gegeben, das sowohl im Bereich des Pumpenkolbens als auch im Bereich des Antriebskolbens mit je einem, nach unten schließenden Rückschlagventil versehen ist. Die durch Aufwärtsgang des Antriebs angesaugte Flüssigkeit wird beim Abwärtsgang aus dem Raum unterhalb des Pumpenkolbens in den Raum oberhalb dieses Kolbens gedrückt. Der Raum oberhalb des Pumpenkolbens wird durch das Rückschlagventil im Pumpenkolben vom Raum unterhalb des Pumpenkolbens getrennt.

Beim Aufwärtsgang wird der Inhalt des oberhalb des Pumpenkolbens befindlichen Raumes über das Verbindungsrohr zwischen den Pumpen- und Antriebskolben nach Obertage gedrückt. Der Rückfluß der nach oben geförderten Flüssigkeit aus dem Steigraum oberhalb des Antriebskolbens wird durch das Rückschlagventil im Antriebskolben verhindert.

Der Antriebszylinder wird von Obertage über eine Hydraulikleitung unterhalb des Antriebskolbens mit Druck beaufschlagt, um den Aufwärtshub zu erreichen. Ein hydraulischer Antrieb für die Abwärtsbewegung ist jedoch nicht vorhanden. Für die Abwärtsbewegung wird die hydrostatische Säule des geförderten Mediums genutzt. Dadurch ist es z. B. nicht möglich, diese Art von Tiefpumpenantrieb mit integriertem Pumpenteil für z. B. abgelenkte Bohrungen zu verwenden. Die in der GB 2 100 362 A dargestellte Tiefpumpe als Antriebs- und Pumpenkombination eignet sich für den Betrieb von flachen Wasserbohrungen, wo sichergestellt ist, daß die einphasige Säule des geförderten Mediums den Säulendruck des Antriebsfluids und die Reibung des Verbindungsrohres sowie des Antriebs- und Pumpenkolbens überwindet.

Mit der hydraulischen Tauchpumpe, wie sie in der britischen Anmeldung 2 100 362 A beschrieben worden ist, läßt sich die Aufgabe der Erfindung, einen untertägigen Tiefpumpenantrieb anzugeben, der an beliebiger Teufe einer Fördersonde eingesetzt werden kann, nicht lösen.

Aus der DE-OS 15 28 551 ist eine Bohrlochpumpe, insbesondere eine zweistufige Bohrlochpumpe, bekannt, deren Zylinder an jedem Ende mit einem Rückschlagventil versehen ist und einen Kolben mit einem axialen Durchlaß aufweist, in dem ebenfalls ein Rückschlagventil angeordnet ist. Dabei wird der Kolben innerhalb des Zylinders mittels einer Pumpenstange hin- und herbewegt, die das am oberen Ende des Zylinders angeordnete Rückschlagventil axial durchsetzt und an ihrem Ende mit dem Kolben verbunden ist.

Es handelt sich hierbei nicht um einen Untertage-Tiefpumpenantrieb, sondern um eine Tiefpumpe, welche möglicherweise in den Tiefpumpenantrieb eingehängt werden kann.

Das Gebrauchsmuster DE 16 92 103 beschreibt eine Förderpumpe für strömende Medien, wie sie insbesondere zur Förderung von Wasser in Grubenbetrieben eingesetzt wird.

Die Förderpumpe wird durch Druckmittel, insbesondere pneumatisch, betrieben, wobei das Druckmittel lediglich durch eine Öffnung der Förderpumpe zugeführt wird. Die Steuerung der Förderpumpe erfolgt mittels eines mit einem Bolzen verbundenen Schiebers in einer Schieberkammer, welcher durch Stößel bewegt wird.

Diese Förderpumpe kann keinen Beitrag zur Lösung der Aufgabe leisten, da Pumpe und Pumpenantrieb untrennbar miteinander verbunden sind. Für den Einsatz als Untertage-Tiefpumpenantrieb ist diese Förderpumpe nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen untertägigen Tiefpumpenantrieb anzugeben, der an beliebiger Teufe einer Fördersonde eingesetzt werden kann und in den eine Tiefpumpe abgehängt werden kann, um die Nachteile konventioneller Gestänge-Tiefpumpen zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Tiefpumpenantrieb, der mit dem Steigrohrstrang fest verbunden ist und hydraulisch angetrieben wird, gelöst, wobei mit dem beweglichen Teil des Tiefpumpenantriebs eine vom Antrieb trennbare Tiefpumpe verbindbar ist.

Hierdurch wird der Einsatz von Tiefpumpen, insbesondere von Gestängetiefpumpen mit nur kurzem oder ohne Pumpgestänge und unabhängig von der Einsatztiefe möglich. Als Gestängetiefpumpen können Insert-, Casing- oder Tubingpumpen eingesetzt werden.

Der Tiefpumpenantrieb besteht aus einem Mantelrohr mit oberen und unteren Förderstranganschlüssen, wobei der mittlere Teil des Mantelrohres als Hydraulikzylinder ausgeführt ist, in welchem ein Hydraulikkolben geführt wird, an dem in Längsrichtung ein oberes Verlängerungsrohr und ein unteres Verlängerungsrohr angeordnet ist. In einem der Verlängerungsrohre kann eine Gestängetiefpumpe abgehängt werden.

Durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens des hydraulischen Tiefpumpenantriebes wird der Kolben der Tiefpumpe vorteilhaft hydraulisch hoch- und hinunter bewegt. Im Gegensatz dazu geschied nämlich die Abwärtsbewegung bei herkömmlichen Gestängepumpen überwiegend durch Schwerkraft. Deshalb ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere bei abgelenkten Bohrungen von Vorteil, weil der Antrieb der Pumpe unabhängig von dem Bohrlochverlauf funktioniert.

Durch den Hydraulikkolben wird im Hydraulikzylinder eine obere und eine untere Hydraulikzylinderkammer gebildet, die durch wechselseitige Druckbeaufschlagung von übertage die Bewegung des Hydraulikkolbens mit seinen Verlängerungsrohren verläßlich und einfach bewerkstelligen.

An dem Hydraulikkolben ist zum Hydraulikzylinder hin eine Dichtung angeordnet und die obere und die untere Hydraulikzylinderkammer sind zum Mantelrohr mit der oberen und der unteren Abdichtung versehen. Vorteilhafterweise ist diese Anordnung einfach und kostengünstig und verhindert zuverlässig das Austreten von Hydraulikflüssigkeit.

Die Länge des Hydraulikzylinders wird durch die Anordnung der oberen und unteren Abdichtung bestimmt. Die Länge des Hydraulikkolbens ist vorzugsweise kurz zu halten, um dadurch eine maximale Hublänge des Tiefpumpenantriebes bei gegebener Länge des Hydraulikzylinders zu gewährleisten. Die Länge der Verlängerungsrohre beträgt in etwa die doppelte Länge des Hydraulikzylinders. Dadurch kann der Hub variabel gestaltet werden und ist während des Pumpens einstellbar. Somit kann die Menge des zu fördernden Mediums schnell und ohne Umbauten eingestellt werden.

Die Verlängerungsrohre weisen an ihren dem Hydraulikkolben entgegengesetzten Ende Öffnungen auf, die vorteilhafterweise dem Ein- bzw. Ausströmen des zu fördernden Mediums in bzw. aus den Verlängerungsrohren, die mit dem Zentralkanal im Hydraulikkolben verbunden sind, erlauben.

Das obere Ende des Verlängerungsrohres ist für eine obere Abhängung einer Gestänge-Tiefpumpe ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das untere Ende des Verlängerungsrohres für eine untere Abhängung einer Gestänge-Tiefpumpe ausgebildet. Damit kann vorteilhafterweise das Gestänge der Tiefpumpe den Bedürfnissen und Erfordernissen entsprechend in den Tiefpumpenantrieb eingehängt werden.

Die Abhängungen sind mit einer Arretiervorrichtung für das abgesetzte Pumpgestänge einer Gestänge-Tiefpumpe versehen. Damit wird der Tiefpumpenantrieb kraftschlüssig mit der Tiefpumpe verbunden und die Bewegungen des hydraulischen Antriebes direkt und ohne Hubverlust auf den Kolben der Tiefpumpe übertragen.

Der minimale Innendurchmesser der Verlängerungsrohre, des Hydraulikkolbens und der Abhängungen entspricht dem maximalen Außendurchmesser der eingesetzten Insertpumpe oder des Kolbens und des Fußventiles der eingesetzten Tubingpumpe. Dadurch sind vorteilhaft verschiedene Pumpen einsetzbar, ohne das der Tiefpumpenantrieb aufwendig ausgebaut werden muß. Die Tiefpumpen sind dadurch ohne Windeneinsatz ausbaubar.

Unterhalb des Hydraulikkolbens im Bereich der unteren Zylinderabdichtung ist ein unterer Hydraulikanschluß und oberhalb des Hydraulikkolbens im Bereich der oberen Zylinderabdichtung ist ein oberer Hydraulikanschluß angeordnet. Die Hydraulikanschlüsse sind mit Hydraulikleitungen verbunden, die parallel zum Steigrohr nach Übertage geführt werden. Vorteilhafterweise kann so der Tiefpumpenantrieb mit dem Hydraulikmittel einfach versorgt werden. Durch diese Anordnung der Hydraulikantriebsmittelzuführung in die Zylinderkammern wird die maximal nutzbare Hublänge des Antriebs erreicht.

Oberhalb des Mantelrohres ist ein Hydraulikverteiler angeordnet. Durch diesen kann die Hydraulikflüssigkeit, abgestimmt auf den Bohrlochdurchmesser, auf mehrere dünnere bzw. flachere Hydraulikleitungen verteilt werden, die zu den Anschlüssen geführt werden, insbesondere wenn der Abstand zwischen Mantelrohr und Bohrlochverrohrung gering ist.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt. Dabei zeigen die Fig. 1 die Installation eines hydraulischen Tiefpumpenantriebes mit einer Tiefpumpe in einer Bohrung und Fig. 2 den hydraulischen Untertage-Tiefpumpenabtrieb.

In Fig. 1 ist die Installation eines hydraulischen Untertage- Tiefpumpenantriebes 21 in einer Bohrung dargestellt. Durch die Perforation 27 in der Bohrlochverrohrung 28 tritt das zu fördernde Medium über das Steigrohr 20 und das Fußventil 25 in die Tubingpumpe 23 ein. Der Kolben der Tiefpumpe 24 ist über das Pumpgestänge 22 in der Pumpgestängeabhängung 9 befestigt. Am Ende des Steigrohres 20 sind Packer bzw. Steigrohranker 26 angeordnet, die den Förderraum zum darüberliegenden Bohrloch abdichten beziehungsweise den Steigrohrstrang in der Förderrohrtour verankern. Oberhalb der Tubingpumpe 23 ist der hydraulische Tiefpumpenantrieb 21 dargestellt, der an dem nach Übertage führenden Steigrohr 20 angeschlossen ist. Parallel zum Steigrohr 20 sind die Hydraulikleitungen 10 und 11 dargestellt, die im Ringraum zwischen Steigrohr 20 und Bohrlochverrohrung 28 verlaufen.

In Fig. 2 ist der hydraulische Untertage-Tiefpumpenantrieb im Detail dargestellt. Er besteht aus einem Mantelrohr 2 mit oberen und unteren Förderstranganschlüssen 1. Im Mantelrohr 2 befindet sich der Hydraulikkolben 6 mit dem oberen und unteren Verlängerungsrohr 71, 72, der mit der oberen Abdichtung 4 und der unteren Abdichtung 5 des Hydraulikzylinders 30 eine obere und eine untere Hydraulikzylinderkammer 31, 32 bilden. Die Gesamtlänge des Hydraulikzylinders kann beliebig gewählt werden und wird vorzugsweise durch die maximale Hublänge der zum Einsatz kommenden Tiefpumpe bestimmt.

Die Verlängerungsrohre 71, 72 des Hydraulikkolbens oberhalb der oberen Abdichtung 4 und unterhalb der unteren Abdichtung 5 des Hydraulikzylinders sind so bemessen, daß auch bei maximal möglichem Hub des Hydraulikkolbens die Öffnungsschlitze 13 des Verlängerungsrohres oberhalb bzw. unterhalb der Abdichtungen 4 und 5 verbleiben. Hierdurch wird gewährleistet, daß das mit der Tiefpumpe geförderte Medium bei jeder Installationssituation in den Steigrohrstrang oberhalb des hydraulischen Tiefpumpenantriebes gelangen kann.

Das obere Ende des Kolbenverlängerungsrohres 71 ist für die Obere Abhängung 8 der Gestängetiefpumpe ausgebildet. Das untere Ende des Verlängerungsrohres 72 ist für die untere Abhängung 9 ausgebildet. Sowohl die obere 8 als auch die unter Abhängungsvorrichtung 9 sind mit entsprechenden Profilen versehen, die eine Arretierung des abgesetzten Pumpgestänges gewährleisten.

Der Innendurchmesser der Verlängerungsrohre 71, 72, des Hydraulikkolbens 6 und der beiden Abhängungen 8 und 9 erlauben das Durchfahren einer Tiefpumpe mit einem maximalen Außendurchmesser für den oberhalb und unterhalb des hydraulischen Tiefpumpenantriebes eingesetzten Steigrohrstranges.

Unterhalb des Hydraulikkolbens 6 im Bereich der unteren Zylinderabdichtung 5 befindet sich der untere Hydraulikanschluß 14, der über den Hydraulikleitungsanschluß 12 und über die untere Hydraulikleitung 10 von Übertage mit Kraftflüssigkeit beaufschlagt und entlastet werden kann.

Oberhalb des Hydraulikkolbens 6 im Bereich der oberen Zylinderabdichtung 4 ist der obere Hydraulikanschluß 15 angebracht, der über den Hydraulikleitungsanschluß 12 und über die obere Hydraulikleitung 11 beaufschlagt oder entlastet werden kann.

Beaufschlagt man die untere Teil des Hydraulikzylinderkammer 32 über den Anschluß 14 mit Kraftflüssigkeit bei gleichzeitiger Druckentlastung der oberen Zylinderkammer 31 über den Anschluß 15, so erfährt der Hydraulikkolben 6 des Antriebes eine Aufwärtsbewegung, und somit wird auch der Kolben der Tiefpumpe 24 mit nach oben bewegt. Kehrt man den Kraftflüssigkeitsstrom um, indem man die obere Hydraulikzylinderkammer 31 mit Kraftflüssigkeit beaufschlagt und die untere Hydraulikzylinderkammer 32 über die untere Hydraulikleitung 10 entlastet, wird der Hydraulikkolben 6 mit dem Kolben der Tiefpumpe 24 nach unten bewegt.

Die Hublänge des hydraulischen Untertage-Tiefpumpenantriebes ist abhängig von der in einer Richtung verpumpten Menge der Kraftflüssigkeit. Die Hublänge kann ohne Ausbau oder Modifizierung des Antriebes beliebig variiert werden, solange der Hydraulikkolben 6 den oberen oder den unteren Totpunkt, d. h. den Anschlag an die obere oder die untere Zylinderabdichtung 4 oder 5, nicht erreicht hat.

Die Hubfrequenz des hydraulischen Untertage-Tiefpumpenantriebes wird von Obertage gesteuert. Sie ist eine Funktion der Hublänge und der eingestellten Kraftflüssigkeitsrate, mit der der Hydraulikkolben beaufschlagt wird.

Der Tiefpumpenantrieb kann in beliebiger Teufe einer Sonde am Steigrohrstrang eingebaut werden. Die Tiefpumpe, unabhängig davon, ob als Tubing- oder Insertpumpe ausgeführt, wird mit kurzem Pumpgestänge oder kurzer Schwerstange durch Wireline-Service, Coiled-Tubing oder auf eine andere Art in diesen eingelassen und in den hydraulischen Untertage- Tiefpumpenantrieb abgesetzt. Der Kolben des hydraulischen Tiefpumpenantriebes wird von Obertage über ein Manifold und ein Hydraulikleitungssystem mit Kraftflüssigkeit wechselseitig beaufschlagt und dadurch auf- bzw. abwärts bewegt, womit auch der Kolben der Gestängetiefpumpe, der sich unterhalb des hydraulischen Antriebes befindet, bewegt wird.

Im Falle einer notwendigen Reparatur der Tiefpumpe kann diese ohne den Ausbau des Hydraulik-Tiefpumpenantriebes ausgebaut werden.

Claims (12)

1. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe, wobei der Tiefpumpenantrieb mit dem Steigrohrstrang fest verbunden ist und hydraulisch angetrieben wird und wobei mit dem beweglichen Teil des Tiefpumpenantriebs eine vom Antrieb trennbare Tiefpumpe verbindbar ist.

2. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpumpenantrieb aus einem Mantelrohr (2) mit oberen und unteren Förderstranganschlüssen (1) besteht, und daß der mittlere Teil des Mantelrohres (2) als Hydraulikzylinder (30) ausgeführt ist, in welchem ein Hydraulikkolben (6) geführt wird, an dem in Längsrichtung ein oberes Verlängerungsrohr (71) und ein unteres Verlängerungsrohr (72) angeordnet ist.

3. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikkolben (6) und die Verlängerungsrohre (71, 72) mit dem Hydraulikzylinder (30) eine obere und eine untere Hydraulikzylinderkammer (31, 32) bilden.

4. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Hydraulikkolben (6) eine Dichtung (3) zum Hydraulikzylinder (30) angeordnet ist und daß die obere und die untere Hydraulikzylinderkammer (31, 32) zum Mantelrohr mit der oberen (4) und der unteren (5) Abdichtung versehen sind.

5. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Hydraulikzylinders (30) durch die Anordnung der oberen und unteren Abdichtung (4, 5) bestimmt wird und daß die Länge des Hydraulikkolbens (6) und der Verlängerungsrohre (71, 72) in etwa die doppelte Länge des Hydraulikzylinders (30) beträgt.

6. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsrohre (71, 72) an ihren dem Hydraulikkolben (6) entgegengesetzten Ende Öffnungen (13) aufweisen.

7. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Verlängerungsrohres (71) für eine obere Abhängung (8) einer Gestänge-Tiefpumpe ausgebildet ist.

8. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Verlängerungsrohres (72) für eine untere Abhängung (9) einer Gestänge-Tiefpumpe ausgebildet ist.

9. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängungen (8, 9) mit einer Arretiervorrichtung für das abgesetzte Pumpgestänge einer Gestänge-Tiefpumpe versehen sind.

10. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Innendurchmesser der Verlängerungsrohre (71, 72), des Hydraulikkolbens (6) und der Abhängungen (8, 9) dem maximalen Außendurchmesser der eingesetzten Insertpumpe oder des Kolbens (24) und des Fußventiles (25) der eingesetzten Tubingpumpe entspricht.

11. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Hydraulikkolbens (6) im Bereich der unteren Zylinderabdichtung (5) ein unterer Hydraulikanschluß (14) und oberhalb des Hydraulikkolbens (6) im Bereich der oberen Zylinderabdichtung (4) ein oberer Hydraulikanschluß (15) angeordnet sind und daß die Hydraulikanschlüsse (14, 15) mit Hydraulikleitungen (10, 11) verbunden sind, die parallel zum Steigrohr nach Übertage geführt werden.

12. Untertage-Tiefpumpenantrieb für eine Tiefpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Mantelrohres (2) ein Hydraulikverteiler angeordnet ist.