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Tiefpumpenantrieb mit Balancier und Pferdekopf
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Die Erfindung betrifft einen Tiefpumpenantrieb, bestehend aus einem
Blockgerüst und darauf gelagertem, angetriebenem Balancier mit Pferdekopf.
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Tiefpumpenantriebe der genannten Art sind in vielen tausend Stück
auf der ganzen Welt im Einsatz. Der Balancier oder Pumpschwengel trägt auf der einen
Seite eine Pleuelstange, die mit einer angetriebenen Kurbel verbunden ist. Auf der
gegenüberliegenden Seite ist mit dem Balancier der sog. Pferdekopf verbunden, der
an seiner Stirnseite halbkreisförmig gekrümmt ist und das Seilgehänge trägt, welches
sich bei jeder Auf- und Abbewegung des Pferdekopfes auf die Stirnseite legt, so
daß der freihängende Teil des Seilgehänges jeweils genau über der gleichen Position
steht. Beim "dual completion"-Betrieb liegen zwei Tubing-Öffnungen unmittelbar benachbart
in demselben Bohrloch. Die Tubings bedienen dabei zwei verschieden hohe Strata,
in denen das Öl verschieden hoch steht und gleichzeitig abgepumpt werden soll. Bisher
wurde für den "dual completion"-Betrieb eine Pumpenanordnung gewählt, bei der die
beiden, sich in den Tubings befindlichen Pumpen über zwei gegenüberstehende Tiefpumpenantriebe
der eingangs beschriebenen Art bewegt wurden (vergl. Fig. 22 auf Seite 3333 des
Kataloges 74-75 der Firma Lufkin, Houston, Texas, USA) Diese Art des Betriebes erfordert
demnach zwei vollständig
ausgerüstete Tiefpumpenantriebe, insbesondere
zwei Motoren, zwei Getriebe und zwei Blockgerüste. Der Energieverbrauch für die
beiden Pumpen ist genau doppelt so groß wie bei einer einzelnen Pumpe. Gegenüber
diesem Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, einen Tiefpumpenantrieb zu schaffen,
der in seinem Aufbau vereinfacht ist und der es von seiner Konstruktion und Betriebsweise
ermöglicht, mit geringeren Förderkosten auszukommen. Der Antrieb gemäß Erfindung
soll trotzdem betriebssicher sein, im wesentlichen mit bekannten Aggregaten bestückt
werden können und es außerdem grundsätzlich erlauben, daß bei Abschalten des einen
Tiefpumpen-Antriebes der andere ungestört weiterlaufen kann.
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Dies Aufgabe gemäß Erfindung wird gelöst bei enem Tiefpumpenantrieb,
bestehend aus einem Blockgerüst und darauf gelagerten zwei Balanciers, deren jeder
eine von zwei benachbarten Tiefpumpen antreibt, wobei beide Balanciers über eine
Achse mit dem Blockgerüst verbunden sind.
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Beim Anschluß der beiden Balanciers an die Antriebswelle ist darauf
zu achten, daß die Abwärtsbewegung des einen Pferdekopfes mit der Aufwärtsbewegung
des anderen verknüpft ist, so daß ein gegenseitiger Kräfteausgleich die zu bewegenden
Drehmomente gering hält.
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Grundsätzlich ist möglich, daß die beiden Balanciers nebeneinander
auf derselben Achse angeordnet sind. Vorteilhafter ist jedoch eine Konstruktion,
bei der der eine Balancier aus einem Doppelbaum besteht und bei dem im Freiraum
zwischen den Einzelbäumen der zweite Balancier angeordnet ist.
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Dxse Konstruktion hat den Vorteil der gleichmäßigen Belastung der
Achse des Blockgerüstes und der ausgelichenen Übertragung des Drehmomentes auf die
einzelnen Balanciers.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Balanciers über Pleuelstangen
und Kurbeln mit einer Antriebswelle verbunden sind.
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Auch diese Maßnahme führt dazut daß die Konstruktion vereinfacht und
damit verbilligt ist.
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Die beiden mit den Balanciers verbundenen Kurbeln sind starr untereinander
und mit wenigstens einer außerhalb der Drehachse angeordneten Ausgleichsmasse verbunden.
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Diese Anordnung ermöglicht, daß auftretende Unwuchten weitgehend ausgeglichen
werden können, womit der Energiebedarf vergleichmäßigt und die Standzeit verlängert
werden können.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Ausgleichsmassen an vorzugsweise
einem mit der resten Kurbel einen WinkelVzwischen 60 ... 70 einschließenden Arm
befestigt ist, wobei vorzugsweise der Abstand der Ausgleichsmasse von der Kurbelantriebswelle
verstellbar ist. Durch diese Maßnahmen wird gewährleistet, daß bei Entfernung der
Pleuelstangen, die zu einem Balancier
gehören, lediglich die Ausgleichsmasse
etwas verstellt werden muß und anschließend der Tiefpumpenantrieb auch nur mit einem
Balancier betrieben werden kann.
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Schließlich war es für den dual completion"-Betrieb zu berücksichtigen,
daß die beiden Tubings sehr nahe hintereinander liegen, so daß der Abstand der beiden
Seilgehänge kleiner war als die Höhe der von den Pferdeköpfen aufgespannten Kreissegmente.
Auch hierfür wurde eine Lösung gemäß Erfindung gefunden. Bei einem Tiefpumpenantrieb,
bei dem die Pferdeköpfe in Längsrichtung der Balanciers gesehen hintereinander angeordnet
sind, weist der außenliegende Pferdekopf einen über den Großteil siner Stirnfläche
reichenden, nach unten offenen Spalt auf, der das Seil des innenliegenden Pferdekopfes
in jeder Stellung der Pferdeköpfe zueinander frei durchhängen läßt.
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Weitere Einzelheiten über Konstruktion und Betrieb des Pumpenantriebes
gemäß Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert.
Die Figuren zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Tiefpumpenantriebes von der Seite gesehen;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 einen Antrieb gemäß
Fig. 1 von oben gesehen; Figuren 5a - f in schematischer Darstellung die Stellung
der Balanciers zueinander bei einer vollen Kurbelumdrehung.
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In der Figur 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Tiefpumpenantrieb
dargestellt, bei dem auf einer beweglichen Basis 1 ein Blockgerüst 2 sowie ein Getriebe-Unterbau
3 aufgebaut sind. Das Blockgerüst 2 trägt im Balancier-Lager 4 über eine Balancier-Achse
5 zwei sog. Balanciers 6, 7 -auch Pumpenschwengel genannt. Die Balanciers tragen
an ihrem vorderen Ende zwei Pf erdeköpfe 8, 9. Die Pferdeköpfe sind mit je einem
Seilgehänge 10, ii verbunden, die an den Stirnflächen 12 der Pferdeköpfe beim Auf-
und Abgehen aufliegen und jeweils genau in demselben Punkte im Erdreich einfallen.
Genau wie bei den bekannten Tiefpumpenantrieben, auch Pferdekopfantriebegenannt,
bekannt, schwenken die Balanciers 6, 7 die Pferdeköpfe auf und ab und betätigen
in an sich bekannter Weise die Pumpenteile, die sich im Erdreich befinden. Dabei
können zwei getrennte Tubings beaufschlagt werden.
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Wie aus der Fig. 1 weiterhin zu erkennen ist, sind die Pferdeköpfe
8, 9 in Längsachse der Balanciers gesehen hintereinander angeordnet, wobei der außenliegende
Pferdekopf 8 einen über den Großteil seiner Stirnfläche 12 reichenden, nach unten
offenen Spalt 14 aufweist, der das Seilgehänge
des innenliegenden
Pferdekopfes 9 in jeder Stellung der Pferdeköpfe zueinander frei durchhängen läßt.
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Die beiden Pferdeköpfe liegen demnach sehr eng beieinander. Es ist
jedoch Vorsorge getroffen, daß das nach unten führende Gehänge bei der Bewegung
nicht behindert wird.
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Weiterhin ist aus der perspektivischen Darstellung erkennbar, daß
der zum Pferdekopf 8 gehörende Balancier aus einem Doppelbaum besteht. Im Freiraum
zwischen den Einzelbäumen 15, 16 ist der zweite Balancier 7 angeordnet.
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Beide Balanciers kippen demnach um die Achse 5 völlig unabhängig voneinander.
Die an den Gehängen hängenden Polierstangen werden demnach unabhängig voneinander
bewegt. Der Abstand der Mittelpunkte der Polierstangen bestimmt auch den Abstand
der beiden Stirnflächen der Pferdeköpfe 8 und 9. Insoweit stimmen die beiden Ausführungsbeispiele
gemäß den Figuren 1 - 3 überein.
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In der Draufsicht gemäß Figur 4 ist zu erkennen, daß der Balancier
6 mit seinen beiden Einzelbäumen 15, 16 den Balancier 7 umfaßt. Am rückwärtigen,
dem Pferdekopf entgegengesetzten Ende, divergieren die beiden Einzelbäume 15, 16
und bilden eine Art Gabel 17, die über eine Traverse 18 starr zusammengehalten wird.
Ferner sind im Bereich der Gabel 17 Achsenlager 19, 20 angebracht, die mit im folgenden
beschriebenen Pleuelstangen 21 verbunden sind. Der innenliegende Balancier 7
trägt
im Bereich der Gabel 17 einen quer unterhalb des Balancierendes verlaufenden Pleuelarm
22, der mit zwei weiteren Pleuelstangen 23 schwenkbar verbunden ist.
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Die Ausführungsform gemäß Figur 2 zeigt weiterhin, wie die Pleuelstangen
21, 23 mit entsprechenden Kurbeln verbunden sind, die dafür sorgen, daß die Auf-und
Abbewegung der Pferdeköpfe genau gegensinnig verläuft, so daß der Energiebedarf
weitgehend vergleichmäßigt ist über eine gesamte Umdrehung des Antriebes genommen.
Zunächst ist dabei vorausgesetzt, daß das Zentrum der Achsenlager der Balancierachse
5 von den beiden Achsenlagern 19 und 20 gleich weit entfernt ist (Entfernung R).
Die beiden gleich langen Pleuelstangen 21 und 23 sind mit einer Kurbel 24 direkt
bzw. indirekt verbunden. Die Pleuelstange 23ist an ihrem dem Achslager 22 gegenüberliegenden
Ende mit einem Achslager 25 drehbar verbunden. Die Kurbel 24 wird daher, wie bei
derartigen Tiefpumpenantrieben bekannt, bei einer Umdrehung jeweils eine volle Auf-und
Abbewegung des Balanciers 7 durchführen.
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Gleichzeitig ist mit der Kurbel 24 starr eine Nebenkurbel 26 verbunden.
Diese besitzt an ihrem äußeren Ende ein weiteres Achslager 27. Während sich also
die Kurbel 24 um eine Antriebswelle 28 dreht, rotiert die
Nebenkurbel
26 jeweils in fester Konfiguration mit.
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Die Konfiguration ist so gewählt, daß die Achsenlager 25, 27 und die
Antriebswelle 28 sich jeweils als Eckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks mit
einem spitzen Winkel von 1200 verstehen, so daß sich die beiden Achsenlager 25,
27 auf dem gleichen Drehkreis 29 mit dem Radius r bewegen. Gleichzeitig nimmt die
etwa Winkelhalbierende des stumpfen Winkels# die Achse des Gegengewicht-Haltearms
30 ein, auf dem ein Gegengewicht 31 veränderbar befestigt ist. Zusammengefaßt kann
also festgestellt werden, daß folgende Anordnung des Kurbeltriebes vorliegt: a)
Die Pleuelstange 23 des Banlanciers 7 ist über ein erstes Lager 25 direkt mit der
Kurbel 24 verbunden, b) mit der Kurbel 24 ist die zweite (Neben-) Kurbel 26 starr
im Bereich des ersten Lagers in Richtung der Kurbelantriebswelle zeigend verbunden
und trägt über ein zweites Lager 27 die mit dem zweiten Balancia 6 verbundene Pleuelstange
21, c) Kurbel und Nebenkurbel schließen einen Winkel vzw.
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zwischen 35 und 450, zum Beispiel 300, zwischen sich ein.
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Der Drehradius des Achsenlagers 27 um die Antriebswelle 28 kann je
nach Bedarf an Hublänge verstellt werden. Hierzu ist eine weitere Bohrung 27' (weitere
Bohrungen sind möglich, aber nicht dargestellt) vorgesehen, in die nach Bedarf das
Achslager für die
Pleuelstange 21 eingesetzt werden kann. Damit
wird erreicht, daß die mit den Balanciers 6, 7 verbundenen Pumpen auf unterschiedliche
Fördermengen eingestellt werden können. Ebenso ist an der Hauptkurbel 24 eine weitere
Lagereinsatzmöglichkeit 25' vorgesehen. Es ist damit möglich, die Entfernung der
Angriffspunkte der Pleuelstangen 21, 23 an den Kurbeln 24, 26 von der Antriebswelle
verstellbar zu machen. Damit wird erreicht, daß die beiden Pumpen Kolbenmit unterschiedlichertGeschwindigkeit
arbeiten.
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Der Drehmoment- und Trägheitsmomentausgleich in Bezug auf die Antriebswelle
28 erfolgt durch die bereits erwähnte Ausgleichsmasse 31. Der Arm 30, der das Ausgleichsgewicht
31 trägt, ist starr mit der Kurbel 24 verbunden. Der Winkel zwischen den Teilen
30 und 24 beträgt etwa 650, wobei auch hier Abweichungen aufgrund empirischer Messungen
vorgenommen werden können. Das resultierende Drehmoment an der Welle 28 ist in diesem
Fälle nur um ein wenig größer als bei einem einfachen Antrieb, d.h. mit nur einem
angetriebenen Balancier.
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Für den Fall, daß die mit dem Balancier 6 verbundene Pumpe nicht betrieben
werden soll, ist es lediglich erforderlich, die Ausgleichsmasse 31 vom Arm 30 abzunehmen
und auf das entsprechend gestaltete Ende
der Kurbel 24 aufzuschieben
und dort festzulegen.
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Abschließend sei noch erwähnt, daß die Antriebswelle 28 mit einem
aus der Fördertechnik bekannten Getriebe mit Antriebsmotor (nicht dargestellt) verbunden
ist, die etwa mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 30 bis 60 U/min arbeiten.
Wesentlich ist, daß der beschriebene Doppelantrieb lediglich einen Platzbedarf eines
Einzelantriebs hat. Der Antrieb gemäß Erfindung eignet sich deshalb gut für Offshore-Förderplattformen,
auf denen wenig Platz zur Verfügung steht. Außerdem ist der Energiebedarf für einen
solchen Antrieb wesentlich weniger als doppelt so groß wie für einen einfachen Antrieb.
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In der Figur 3 ist ein etwas geändertes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Die Teile, die denen der Figur 2 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen
bezeichnet und nicht gesondert beschrieben. Unterschiede bestehen insbesondere in
der Form der Kurbelarme und der Anbringung der Ausgleichsmassen.
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Die mit dem Balancier 7 verbundene Pleuelstange 23 ist mit einer Kurbel
34 verbunden, die starr mit einer gewinkelten Nebenkurbel 36 verbunden ist, die
in einem Achslager 37 bzw. 37) drehbar mit der Nebenkurbel 36 verbunden ist. Die
Nebenkurbel läuft gekröpft
in einen Arm 40 aus, der eine Ausgleichsmasse
41 trägt. Eine weitere Ausgleichsmasse 41 ist an der Verlängerung der Kurbel 34
angebracht. Demnach fällt der Befestigungsarm 30 für die Ausgleichsmasse gemäß Figur
2 fort. Die Drehungsgeometrie ist aber in etwa die gleiche.
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Die Figuren 5a - 5f geben schematisiert den Drehablauf während einer
vollen Umdrehung der Antriebswelle 28 wieder. Detaillierte Berechnungen zeigen,
daß durch die Wahl der Ausgleichsmasse 31 in Abstimmung mit den Lasten der Polierstangen
eine sehr gleichmäßige Drehmomentbelastung der Achse 28 erreicht werden kann. Im
übrigen sprechen die Phasenbilder der Figuren 5a - 5f für sich selbst und brauchen
nicht in allen Einzelheiten erläutert werden. Sehr gut zu erkennen ist auch, daß
durch den Spalt 14 im Pferdekopf 8 das Gehänge des Pferdekopfes 9 hindurchtritt,
so daß der Seilabtrieb nicht gestört wird.
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