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Bohrlochpumpe mit Ventilkolben
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Die Erfindung betrifft eine Bohrlochpumpe mit Ventilkolben, der an
einem nur auf Zug beanspruchbaren Gestänge hängend sich in einem mit Flüssigkeit
gefüllten Pumpenmantel bewegt, wobei mit Hilfe einer zum Kolben gehörenden Kammer-
und Ventilanordnung die Flüssigkeit im Steigrohr des Bohrlochs zu Tage gedrückt
wird.
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Bohrlochpumpen der bezeichneten Art werden bei der Rohölförderung
dazu verwendet, das sich innerhalb des Pumpenmantels ansammelnde öl an die Erdoberfläche
zu pumpen. Der Kolben und das Gestänge werden durch ihr Eigengewicht nach unten
gezogen, wobei durch eine Ventilanordnung Ö1 in einer Kammer aufgenommen wird; beim
Hochgehen des Ventilkolbens schließen sich die Ventile;die eingelaufene ölmenge
wird nach oben gedrückt.
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Nachteilig bei den bekannten Bohrlochpumpen ist, daß nur der Aufwärtshub
dazu benutzt werden kann, das öl in die Höhe zu drücken. Da das Gestänge nur auf
Zug beanspruchbar ist, kann ein Drücken des Kolbens nach unten durch das Gestänge
nicht erfolgen.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, die Bohrlochpumpe so zu bauen, daß
sowohl der Aufwärts- als auch der Abwärtshub eine Pumpleistung bewirkt, d. h. auch
beim
Abwärtsgehen des Kolbens Flüssigkeit nach oben zu drücken.
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Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Bohrlochpumpe gemäß Erfindung,
bei der a) ein an dem Ventilkolben ein Gewicht nach unten hängt, das größer ist
als die auf dem Kolbenventil lastende Flüssigkeitssäule und b) bei der der Ventilkolben
mit einer Ventilanordnung ausgestattet ist, die sowohl beim Abwärts- als auch beim
Aufwärtshub Flüssigkeit nach oben drückt.
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Bei der Ausführung der Erfindung ist insbesondere darauf zu achten,
daß das Gestänge leichter ist als das übliche Stahlgestänge, wie es zur Zeit noch
auf den meisten Bohrstellen üblich ist. Beispielsweise eignet sich für die Realisierung
der Erfindung ein Gestänge aus glasfaserverstärktem Kunststoffen. Es sind jedoch
auch andere Materialien denkbar, wie Leichtmetall-Legierungen, graphitverstärkte
Kunststoffe, u.a.. Jedenfalls sollte das Material bei einem entsprechend hohen E-Modul
ein spezifisches Gewicht kleiner als 3 besitzen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung, auch solche, die die Unteransprüche
betreffen, sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der Zeichnung
detailliert dargestellt. Die Zeichnung besteht aus drei Figuren, welche zeigen:
Figur 1 ein Bohrloch mit Bohrlochpumpe zur Verdeutlichung des Zusammenhanges der
Erfindung; Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Ventilkolben-Anordnung der
Bohrlochpumpe gemäß Erfindung; Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilkolben-Anordnung.
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Aus der Figur 1 sind die wesentlichen Merkmale der Bohrlochpumpenanordnung
erkennbar, wie sie bei der Ausführung der Erfindung realisiert werden. Die Bohrlochpumpe
gemäß Erfindung fördert sowohl bei Aufwärts- als auch heim Abwärtshub. Das in der
Figur dargestellte Bohrloch besitzt eine übliche Verrohrung 1, in die der Steigrohrstrang
2 eingebaut ist. Die Steigrohre enden nach unten innerhalb der Verrohrung des Bohrloches
mit öffnungen.
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Nach oben sind sie verbunden an eine Förderleitung 22, mit der das
zu Tage geförderte Rohöl abgeführt werden kann.
Aus der erdölführenden
Schicht 12 fließt durch Perforationen 13 der Verrohrung 1 öl in das Bohrloch hinein
und steigt bis zu einem Pegel 11. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren steht
das öl vor dem Beginn des Pumpens auch in dieser Höhe innerhalb des Steigrohres
2. Die eigentliche Pumpe 9 wird mit dem Steigrohrstrang eingebaut. Der Einbau erfolgt
mit dem Pumpenzylinder 16. Ein Pumpenkolben 20 ist nach'bein über ein Gestänge 6
mit dem Pferdekopf 5 des Pumpenantriebes verbunden. Durch den Pumpenantrieb wird
das Gestänge 6 angezogen. Das Gestänge 6 besteht aus glasfaserverstärktem-Kunststoff
mit hoher Reiß- und Scherfestigkeit. über eine entsprechende Polierstange und eine
Stopfbüchse 15 im Bohrlochkopf 3 erfolgt die Abdichtung.
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über die Kolbenstangen 21c ist der Kolben über die Schlagschere 8
und die Schwerstange 7 mit dem Gestänge 6 verbunden. Nach unten bildet eine Kolbenstange
21u die Verbindung zu den Schwerstangen 10, die den Kolben und das Pumpgestänge
während des Abwärtshubes nach unten ziehen. Ihr Gewicht ist - unter Berücksichtigung
des Auftriebes - größer als die auf denOVentilen des Pumpenkolbens lastende ölsäure.
Unterhalb des Zylinders 16 setzt sich der Steigrohrstrang 2 mit den Steigrohren
17
nach unten fort. Sie besitzen einen perforierten Bereich 18
und einen perforierten Boden 14. Für den Fall, daß die Schwerstangen 10 sich von
dem Gestänge lösen sollten, bildet die Verlängerung 17 eine sichere Auffangstation.
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Das sich im öl 24 der Steigleitung befindende Gestänge 6 aus leichtem
Material besitzt kaum noch ein Gewicht, da dieses zum größten Teil durch den Auftrieb
kompensiert ist. Durch die Schwerstangen 10 unterhalb des Kolbens wird das Gewicht
zum Herab ziehen hervorgebracht. Mit den nachfolgend beschriebenen Pumpenanordnungen
ist es damit möglich, auch den Abwärtshub der Pumpe auszunutzen und öl in der Förderleitung
22 zu Tage zu fördern.
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In Figur 2 ist dazu ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei
dem der mit Ventilen versehene Pumpenkolben 20 aus einem Ventilelement besteht,
das über zwei getrennte, mit Ventilen versehene Kanäle 40, 41 verfügt, die jeder
mit einer der oben bzw unten auf das Ventilelement aufgesetzten hohlen Kolbenstangen
210 bzw. 21u in Verbindung stehen, die sich abgedichtet o relativ zum Pumpenzylinder
16 bewegen, wobei oberhalb und unterhalb des Kolbens liegende Hohlräume 310 bzw
31u sich periodisch vergrößern und verkleinern, wobei beim
Verkleinern
die dort befindliche Flüssigkeit über die Kanäle 40, 41 in die hohlen Kolbenstangen
gedrückt wird.
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Verbunden mit dem unteren Teil des Zylinders 16 sind die Schutzrohre
17, in denen die Förderflüssigkeit durch die öffnungen des perforierten Bereiches
18 eintreten kann.
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Hohlräume 310 und 31u sind durch die Abdichtungen 190 und 19u abgedichtet,
welche sich selbst am Zylinder 16 verankern, wozu eine konusförmige Gestaltung der
Federn bzw. des Zylinderinnenmantels und entsprechende Fangfedern 33 dienen.
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Die Kanäle 40, 41 sind mit Ventilen 27 und 29 bzw. 28 und 30 versehen.
Beim Aufwärtshub des Kolbens sind die Ventile 28 und 29 geschlossen; beim Abwärtshub
die Ventile 27 und 30. Geöffnet sind die Ventile jeweils entsprechend umgekehrt.
Wie erkennbar, hängen über eine Verbindung 42 an der Kolbenstange 21u die Schwerstangen
10. Dabei ist eine öffnung 25 vorgesehen, die mit dem Kanal 41 in Verbindung steht
und es erlaubt, daß die sich unterhalb des Zylinders 16 befindliche ölmenge 32 in
das Innere des Zylinders bewegt.
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Beim Abwärtshub, der durch das Gewicht der Schwerstangen 10 ermöglicht
wird, wird Flüssigkeit aus der unteren Kammer
31 u durch das Ventil
29, den Kanal 40 dem entsprechenden Hohlraum der Kolbenstange 21 o zugeführt. Durch
die öffnung 26 gelangt das öl in das Innere der Steigrohre 2.
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Gleichzeitig giangt durch die öffnung 25, den Kanal 41 und das Ventil
28 die Förderflüssigkeit in den oberen Hohlraum 31 o. Während des Abwärtshubes sind
die Ventile 27 und 30 geschlossen.
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Beim Aufwärtshub dagegen sind die Ventile 29 und 28 geschlossen. Während
des Aufwärtshubes gelangt daher die Flüssigkeit aus dem Hohlraum 31 o durch das
offene Ventil 27, den Kanal 40 in den Hohlraum der oberen Kolben stange 21 o. Von
dort durch die öffnung 26 wird das öl in die Steigleitung gedrängt. Gleichzeitig
fließt durch die Öffnung 25 in den Hohlraum der unteren Kolben stange 21 u und den
Kanal 41, das Ventil 30 Förderflüssigkeit in den unteren Hohlraum 31 u des Zylinders
16.
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Durch diesen Funktionsablauf wird gewährleistet, daß sowohl beim Aufwärts-
als auch beim Abwärtshub öl in die Steigleitung gedrückt wird.
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In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Ventilkolben
-Anordnung
einer Bohrlochpumpe gemäß Erfindung dargestellt. Bei dieser Pumpe ist das Prinzip,
daß die Hohlräume oberhalb und unterhalb des Ventilelementes über Ventilrohre mit
dem Flüssigkeitsvorrat außerhalb des Pumpenzylinders in Verbindung stehen.
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In den Steigrohnn2ist ähnlich wie bei Figur 2 ein Zylinder 16 für
einenVentilkolben 49 eingebaut, der in seinem Inneren einen Kanal 44 aufweist, der
einen Endes mit dem Hohlraum 21' der oberen Kolbenstange 21 o verbunden ist.
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Die untere Kolbenstange 21 u besitzt bei dieser Ausführungsform keinen
Hohlraum. Die Kolbenstangen 21 o und 21 u gleiten in ähnlichen Dichtungen, wie dies
auch bei Figur 2 beschrieben wurde und dargestellt ist.
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Beim Auf- und Abgehen des Ventilkolbens 49 öffnen und schließen sich
die Ventile 27', 29', die eine Verbindung des Kanals 44 mit einem oberen Hohlraum
31 o bzw. unteren Hohlraum 31 u herstellen. Die Hohlräume 31 sind mit nach außen
reichenden Ventilrohren 48, 50 verbunden, die als kurze, gekrümmte Stützen gebaut
sind und die Ventile 28' und 30' tragen. Die Offen- und Schließstellung der Ventile
ist jeweils durch die Kugeln und die entsprechend gezeichneten Ventilsätze in der
Zeichnung angedeutet.
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Die Ventile 28', 30' ermöglichen den direkten Eintritt
der
Förderflüssigkeit aus dem das Steigrohr umgebenden Raum in die beiden Hohlräume
31 o und 31 u. Der Kolben 49 dagegen enthält nur zwei Ventile 27', 29'.
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Die Arbeitsweise kann analog zu der Vorrichtung gemäß Figur 2 wie
folgt beschrieben werden: Beim Abwärtshub wird die Flüssigkeit aus der unteren Kammer
31 u durch das offene Ventil 29' und den Kanal 44 in den Kanal 21' gedrückt. Sie
gelangt damit in die Steigleitung. Gleichzeitig ist das Ventil 30' geschlossen.
Beim Aufwärtshub öffnet sich das Ventil 30' und schließt das Ventil 29'. Das Ventil
27' ist offen, so daß die sich im Hohlraum 31 o befindliche Flüssigkeit über den
Kanal 44 bei geschlossenem Ventil 28'ebenfalls in den Kanal 21' begeben kann, um
anschließend in der Förderleitung hochgedrückt zu werden.
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Die Anordnungen gemäß den Figuren 2 und 3 sind Beispiele für die Verwirklichung
der Erfindung, sowohl beim Aufwärts- als auch beim Abwärtshub in einem Bohrloch
einen Aufwärtsduck zu erzeugen, so daß eine höhere Förderleistung erzielt werden
kann. Ermöglicht wird die Durchführung der Erfindung insbesondere durch ein leichtes
Gestänge, da bei den üblichen Stahlgestängen die Anhängelast zu hoch ist, um zu
einer wirtschaftlich vernünftigen Relation
zwischen Aufbau- und
Betriebskosten und Förderleistung zu kommen.