DE2934076A1 - Tiefbohrungs-pumpensystem - Google Patents

Description

Patentanwalt ^Ό 23. Juli 1979

Dr. Gerhard Schupfner _{φ 7Q n9q n}„

Kxrchenstraße 8
2110 Buchholz/Nordheide (D # 74,736)

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION

2000 Westchester Avenue White Plains,N.Y. 10650

V. St. A.

TIEFBOHRUNGS - PUMPENSYSTEM

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Die Erfindung betrifft ein Tiefbohrungs-Pumpensystem, das insbesondere für Erdölbohrlöcher geeignet ist.

Aus verschiedenen Gründen und aufgrund der in sehr weiten Grenzen unterschiedlichen Betriebsbedingungen an Erdöl-Bohrlöchern, aus denen die Förderung der Flüssigkeit durch Pumpen erfolgen muß, besteht die am weitesten verbreitete Pumpenanordnung aus der seit langem bekannten Kolben-Förderpumpe, welche an der Erdoberfläche angeordnet und angetrieben ist. Diese Pumpe umfaßt ein sogenanntes "Saugstangengestänge", das von der Erdoberfläche aus in das Bohrloch hinein zu einer Kolbenpumpe geführt ist und diese antreibt. Für diese Anordnung ergeben sich praktische Probleme, wobei das Saugstangengestänge insbesondere bei tiefen Bohrlöchern sehr lang sein muß und demzufolge entsprechend schwer ist.

Es wurde auch bereits versucht, innerhalb des Bohrlochs angeordnete elektrische Tauchpumpensysteme zu verwenden, wobei deren Einsatz jedoch insbesondere auf einen hohen Durchsatz liefernde Bohrlöcher beschränkt war. Zwar ist daraus bereits das Prinzip elektrischer Tauchpumpensysteme mit hohem Pumpendurchsatz, welche in größeren Tiefen angeordnet sind, bekannt, jedoch wurde in der Praxis gefunden, daß derartige Systeme im bereits fertig eingebauten Zustand in unzureichendem Maße anpassungsfähig an unterschiedliche Produktionserfordernisse sind. Ein für einen bestimmten Förderdurchsatz ausgelegtes Tauchpumpensystem weist für andere oder veränderliche Fördermengen aus dem Bohrloch nicht die entsprechenden Betriebseigenschaften auf. Folglich neigen derartige Pumpensysteme nach Abschaltung zum Versagen, und sind außerdem unwirtschaftlich.

Es wurde auch schon ein Vorschlag zum Abpumpen von öl aus Tiefbohrungen gemacht. Dabei handelt es sich um die US-PS 1 957 320, Erfinder Coberly u.a., Erteilungstag 1. Mai 1934. Bei diesem System wird ein hydraulischer Strömungsmittel-

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motor verwendet, der im Bohrloch angeordnet ist und eine gleichfalls im Bohrloch befindliche Pumpe antreibt. Steuerleitungen führen zu einem an der Erdoberfläche befindlichen Elektromotor. Dieser Motor treibt eine an der Erdoberfläche befindliche Hydraulikpumpe an, welche zum Betrieb des im Bohrloch befindlichen Strömungsmittelmotors dienendes, unter Druck stehendes hydraulisches Strömungsmittel liefert. Dieses System hat sich offensichtlich nicht als praktisch erwiesen.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Tiefbohrungs-Pumpensystem zu schaffen, welches in der Lage ist, selbsttätig und über längere Zeit hinweg einen veränderlichen Pumpendurchsatz in Abhängigkeit von dem im Bohrloch herrschenden Flüssigkeitsdruck aufrecht zu erhalten.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Tiefbohrungs-Pumpensystem ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein zum Zuführen gepumpter Flüssigkeit aus einem Bohrloch zur Erdoberfläche dienendes Bohrgestänge und ein mit dem im Bohrloch befindlichen unteren Ende des Bohrgestänges verbundenes Tauchpumpenaggregat, welches einen zum kontinuierlichen Antrieb einer Kreiselpumpe dienenden, drehzahlregelbaren Elektromotor und einen zum Abtasten des statischen Flüssigkeitsdrucks im Bohrloch dienenden Fühler umfaßt, sowie durch eine zur selbsttätigen Drehzahlsteuerung des Elektromotors in Abhängigkeit von dem statischen Druck und Regelung des Pumpendurchsatzes in der Weise, daß der Flüssigkeitspegelstand im Bohrloch innerhalb vorbestimmter Grenzwerte gehalten wird, dienende Pumpenmotorsteuerung.

Entsprechend weiteren Ausgestaltungen kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Tiefbohrungs-Pumpensystem als Elektromotor für den Antrieb der Kreiselpumpe einen Drehstrommotor umfassen, und die Drehzahlsteuerung kann aus einem Festkörper-

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Frequenzregler für die an den Elektromotor angelegte Dreiphasen-Wechselspannung bestehen.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Tiefbohrungs-Pumpensystem ist im nachfolgenden anhand des in der Zeichnungsfigur dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch ein derartiges System zum Abpumpen von Flüssigkeit aus einem tiefen Bohrloch.

Trotz vieler technischer Informationsquellen und Einrichtungen, die zum Abpumpen von Flüssigkeit aus Erdölbohrlöchern und dgl. bekannt sind, gibt es bis jetzt kein auf kontinuierlich betriebene Kreiselpumpen beruhendes, erfolgreiches System, durch welches der Pumpendurchsatz im wesentlichen an die aus dem Bohrloch abgepumpte Flüssigkeitsmenge abgestellt wird. Dieses Problem ist zwar bekannt, jedoch bestand die einzige bekannte Lösung bisher darin, den Pumpvorgang periodisch in Abhängigkeit von dem Absinken des Flüssigkeitspegelstands im Bohrloch zu steuern, indem der Pumpvorgang so lange unterbrochen wurde, bis die Flüssigkeit im Bohrloch wiederum bis zu einem bestimmten Pegelstand angestiegen war.

Entsprechend einem bekannten Vorschlag sollte die Drehzahl eines im Bohrloch befindlichen Elektromotors mit einer Tauchpumpe verändert werden. Zur Ausführung dieses Vorschlags ist jedoch ein an der Erdoberfläche befindliches Motor-Generator-Aggregat erforderlich, das eine frequenzveränderliche Speisequelle für den Antrieb des im Bohrloch befindlichen Elektromotors darstellt. Folglich ist eine derartige Anordnung sehr kostenaufwendig.

Ein entsprechend der Erfindung ausgelegtes Tiefbohrungs- ' Pumpensystem ist in der Zeichnungsfigur schematisch dargestellt. In ein Bohrloch 11 ist wenigstens in dem an die Erdoberfläche angrenzenden Bereich eine Verrohrung 12 eingesetzt. Das Bohr-

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loch 11 liefert Flüssigkeit 15, die nur durch Abpumpen zur Erdoberfläche gefördert werden kann. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Pumpensystem umfaßt ein Bohrgestänge oder Tubing 16, welches an seinem unteren Ende ein Pumpenaggregat 19 trägt. Das Pumpenaggregat 19 besteht aus einer Kreiselpumpe 20, die durch einen unterhalb angeflanschten Drehstrommotor 23 angetrieben ist. über einen Einlaß 24 tritt die Bohrlochflüssigkeit 15 in das aus Kreiselpumpe 20 und Drehstrommotor 23 bestehende Aggregat 19 ein. Der Einlaß 24 kann zwischen dem Motor 23 und der Kreiselpumpe 20 angeordnet sein, wobei jedoch gewährleistet sein muß, daß der Motor 23 ausreichend Wärme abgeben kann. Diese Bauteile sind wie weiter unten angegeben im Handel erhältlich.

Ein kombinierter Temperatur- und Druckfühler 27 ist am unteren Ende des Aggregats 19 angeordnet. Dieser Fühler liefert Steuersignale für das System, wie weiter unten im einzelnen erläutert ist.

Die Gesamttiefe des Bohrlochs 11 ist durch den Pfeil 28 angedeutet, wobei gefunden wurde, daß ein erfindungsgemäß ausgebildetes Pumpensystem für Produktionsbohrlöcher mit einer Tiefe in der Größenordnung bis zu 1500 m oder mehr anwendbar ist. An der Erdoberfläche befinden sich wie schematisch dargestellt Rohrleitungen 31, welche die geförderte Flüssigkeit 15 von dem oberen Ende des Bohrgestänges 16 einem Speicherbehälter oder einem anderen Verwendungszweck zuführen.

An der Erdoberfläche ist außerdem eine elektrische Einrichtung vorgesehen, welche durch den als "Pumpenmotorsteuerung" bezeichneten Kasten 32 angedeutet ist. Es sind drei elektrische Leitungen schematisch dargestellt, von denen eine die elektrische Speiseleitung 35 und eine andere die zur Einspeisung von Wechselspannung veränderlicher Frequenz zum Motor 23 dienende Leitung bildet. Eine dritte Leitung 37

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übermittelt elektrische Signalinformation über Druck und Temperatur, welche von dem im Bohrloch befindlichen Teraperatur- und Druckfühler 27 gemessen werden.

Vorzugsweise wird für den im Bohrloch befindlichen Elektromotor ein dreiphasiger Wechselstrommotor oder Drehstrommotor verwendet. Dabei kann es sich beispielsweise um den im Handel unter dem Warenzeichen "Reda" (Hersteller: T.R.W. INC) erhältlichen Elektromotor handeln. Die Pumpe 20 kann gleichfalls Teil eines handelsüblichen Aggregats sein, bei dem der Motor mit der Pumpe zusammengefaßt ist (Hersteller z.B. Reda Pump Company, eine Untergruppe der T.R.W. INC, Bartlesville, Oklahoma, V.St.A.).

Der Motor 23 wird von der an der Erdoberfläche befindlichen Pumpenmotorsteuerung 32 gesteuert. Diese Steuerung 32 kann von unterschiedlicher Ausführung sein, besteht jedoch vorzugsweise aus einem Festkörper-Wechselspannung/Wechselspannungs-Wandler, der eine Konstantspannung fester Frequenz in eine spannungs- und frequenzveränderliche Speisespannung umsetzt. Dadurch werden an der Erdoberfläche keine umlaufenden Maschinen wie z.B. das in der Beschreibungseinleitung erwähnte Motor-Generator-Aggregat benötigt. Die Steuerung 32 kann beispielsweise entsprechend den Prinzipien ausgebildet sein, die in einem Aufsatz beschrieben sind, welcher auf einem Fachtreffen vorgelegt wurde (IEEE-IGA Annual Meeting in Cleveland, Ohio, Oktober 18-21, 1971). Dieser Aufsatz trägt den Titel "Current Source Converter for AC Motor Drives" ("Stromquellenwandler für Wechselspannungs-Motorantriebe"), Verfasser Kenneth P. Phillips. Auch kann die Pumpenmotorsteuerung 32 aus einem Leistungsumsetzer eines Typs bestehen, der in einer Broschüre der Firma Electric Machinery Manufacturing Company, Minneapolis, Minnesota 55413, V.St.A., mit dem Titel "The E-M Ampli-Cycle" beschrieben ist. (Copyright der Broschüre 1971, Electric Machinery Manufacturing Company).

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Die Drehzahl von Elektromotor 23 und damit Pumpe 20 und folglich der Durchsatz an Flüssigkeit 15 wird entsprechend dem am Einlaß 24 herrschenden statischen Druck in der Weise gesteuert, daß der Pegelstand der Flüssigkeit 15 innerhalb vorbestimmter Grenzwerte gehalten wird, indem der Pumpenförderdurchsatz auf einem der Flüssigkeitsfördermenge vergleichbaren Wert gehalten wird. Der Fühler 27 umfaßt ein auf statischen Druck ansprechbares Fühlereielement, welches entsprechend dem Druckwert elektrische Steuersignale liefert. Eine entsprechende handelsübliche Einheit wird beispielsweise von der Firma Lynes Ine, P.O. Box 12486, Houston, Texas 11017, V.St.A. geliefert. Der gleiche Hersteller stellt eine ähnliche Einheit her, welche temperaturabhängige Signale liefert. Es werden somit Druck und Temperatur innerhalb des Bohrlochs gemessen, diesen entsprechende Signale erzeugt und über die Leitungen 37 elektrisch zur Erdoberfläche übertragen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Pumpensystem kann auch ohne Temperaturanzeige arbeiten, jedoch ist wünschenswert, über ein Temperatursignal zu verfügen, um die Pumpe bei überschreiten eines sicheren Temperaturgrenzwerts abschalten zu können.

Es sei bemerkt, daß einzelne Teile des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Pumpensystems bereits für andere Anwendungszwecke vorgeschlagen worden sind. Es besteht jedoch seit langem ein dringender Bedarf an einem leistungsfähigen Pumpensystem, mit dem Flüssigkeit aus Tiefbohrungen abgepumpt werden kann, und das veränderliche Pumpendurchsätze selbsttätig über längere Zeit hinweg aufrecht erhalten kann. Zur Lösung dieses Problems ist bis jetzt kein Lösungsvorschlag bekannt. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß sich für ein Tiefbohrungs· Pumpensystem besondere Schwierigkeiten ergeben. Diese Schwierigkeiten umfassen nicht nur die bereits vorgenannten Schwierigkeiten bei Kolbenpumpeneinsatz an der Erdoberfläche, sondern auch solche, die sich beim Betrieb von Kreiselpumpen

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ergeben, indem für diese besondere Anforderungen an den Kühlungsaufwand der Pumpe selbst und zusätzlich für den des Antriebsmotors bestehen, welche bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Tiefbohrungs-Pumpensystem erfüllt werden.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   ί 1. Tiefbohrung-Pumpensystem, insbesondere für Erdölbohrlöcher, gekennzeichnet durch ein zum Zuführen gepumpter Flüssigkeit (15) aus einem Bohrloch (11) zur Erdoberfläche dienendes Bohrgestänge (16) und ein mit dem im Bohrloch befindlichen unteren Ende des Bohrgestänges verbundenes Tauchpumpenaggregat (19), welches einen zum kontinuierlichen Antrieb einer Kreiselpumpe (20) dienenden, drehzahlregelbaren Elektromotor (23) und einen zum Abtasten des statischen Flüssigkeitsdrucks im Bohrloch dienenden Fühler (27) umfaßt, sowie durch eine zur selbsttätigen Drehzahlsteuerung des Elektromotors (23) in Abhängigkeit von dem statischen Druck und Regelung des Pumpendurchsatzes in der Weise, daß der Flüssigkeitspegelstand im Bohrloch innerhalb vorbestimmter Grenzwerte gehalten wird, dienende Pumpenmotorsteuerung (32).
2. 2. Tiefbohrungs-Pumpensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zum Abtasten der Temperatur der Flüssigkeit im Bohrloch dienenden Fühler (27).
3. 3. Tiefbohrungs-Pumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (23) aus einem Wechselspannungsmotor besteht, und die Pumpenmotorsteuerung'(32) Mittel zur Frequenzänderung der an den Elektromotor angelegten Wechselspannung umfaßt. '
4. 4. Tiefbohrungs-Pumpensystem nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Drehzahlsteuerung von statischer Ausführung ist.
5. 5. Tiefbohrungs-Pumpensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsmotor (23) aus einem Drehstrommotor besteht.

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6. 6. TiefbOiirungs-Pumpensystem nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (32) für Abschaltung bei vom Temperaturfühler (27) angezeigtem, sehr hohem Temperaturanstieg ausgelegt ist.
7. 7. Tiefbohrungs-Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenaggregat (19) einen mit der Kreiselpumpe (20) verbundenen, zu deren Antrieb dienenden Drehstrommotor (23) umfaßt und die Drehzahlsteuerung aus einem Festkörper-Frequenzregler für die an den Elektromotor angelegte Dreiphasen-Wechselspannung besteht.

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