DE3035256A1

DE3035256A1 - Pumpvorrichtung fuer erdoelbohrungen

Info

Publication number: DE3035256A1
Application number: DE19803035256
Authority: DE
Inventors: Wallace M. Wichita Falls Tex. Chaviers; David L. Whatley
Original assignee: HYDRAUNIT VENTURE
Current assignee: HYDRAUNIT VENTURE
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1980-09-18
Publication date: 1981-04-09
Also published as: FR2465906A1; IT1145392B; JPS5648494A; GB2060788A; MX152022A; DK351680A; CA1151998A; BE885240A; IT8049708A0; NL8005226A; GB2060788B; US4530645A; KR830003657A; LU82777A1

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach

_β / Dipl.-!ng. öCnther Koch

Dipf.-Phys. Dr.Tino Haibach

03525© Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 18. September I98O

Unser Zeichen: l6 986 -

Anmelder: HYDRAUNIT VENTURE

I35O Old Burk Road
Wichita Palls
Texas 76304
USA

Titel: Pumpvorrichtung für Erdölbohrungen

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Die Erfindung bezieht sich auf eine überrage anzuordnende Pumpvorrichtung für eine Erdölbohrung, wodurch öl in einer Bohrung an die Oberfläche gebracht wird, die in das Erdreich eingebohrt ist und durch die öl aufsteigt oder aufgestiegen ist, dessen Menge sich vermindert hat, weil der Gasdruck sich verringert hat, der das öl über die Ölbohrung an die Oberfläche gefördert hat, wobei die Ölbohrung mit Wasser überflutet wurde und damit eine Mischung von öl und Wasser an die Oberfläche gepumpt wird, wo öl und Wasser wieder voneinander getrennt werden.

Bei überirdischen ölbohrpumpvorrichtungen, bei denen eine Hubstange ein Saugbohrgestänge mit einer Länge von I7OO m oder mehr anhebt und absenkt, um öl an die Oberfläche zu fördern, ergeben sich durch die Beanspruchung des Sauggestänges in Verbindung mit dem Gewicht des Öls, das durch das Gestänge angehoben wird, zahlreiche Probleme infolge der Auf- und Abbewegung der langen Gestänge, die noch dem Gewicht des Öls unterworfen sind. Hierbei ergibt sich ein Gummiband-Effekt im Hinblick auf die Streckung des Gestänges und über den Bewegungspfad zwischen der max al angehobenen und der abgesenkten Stellung. Dieses Problem ist wenigstens seit dem Jahre 1946 bekannt und in den US-PS 25 04 218 und 25 72 748 beschrieben. Eine Beschreibung jüngeren Datums findet sich in der US-PS 37 82 117.

Die Probleme sind bisher jedoch nicht gelöst worden,und die Saugstangengestänge brechen häufig und es wird dann erforderlich das abgebrochene Ende herauszuziehen, was bei den tiefen Ölbohrungen große Schwierigkeiten bereitet, und während dieser Zeit steht die Förderung still und der Ersatz und das Herausziehen des Gestänges ist mit großen Kosten verbunden, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu

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lösen, was erfindungsgemäß dadurch geschieht, daß das Fördergestänge im Verlauf eines Zyklus in bestimmter Weise stillgesetzt wird, um die Schwingungen zu dämpfen, die insbesondere bei der Bewegungsumkehr auftreten.

Durch die Erfindung wird die Gefahr des Bruchs der Sauggestänge wesentlich vermindert und es wird zu diesem Zweck ein hydraulischer Antrieb vorgesehen, um die Hubstange und das Sauggestänge anzuheben und abzusenken, wobei Sensoren von der Kolbenstange der hydraulischen Anordnung etätigt werden, um das Fördergestänge beim Absenken langsam abzubremsen wenn es sich dem Tiefstpunkt des Hubes nähert, während ein Sensor die untere Grenze des Hubes bestimmt, um die Kolbenstange anzuhalten und sie stillgesetzt so lange zu halten,bis die Schwingungen des Gestänges gedämpft sind und die Beanspruchungen abgeklungen sind, bevor die Schwergewichtige Masse mit zusätzlichem ölgewicht wieder angehoben wird. Sowohl die maximale Hubstellung als auch die maximale Absenkstellung erfordern eine Pause, damit das öl in das Bohrloch eintreten kann, wenn das Gestänge am Boden befindlich ist und damit dann die Beanspruchungen und Schwingungen gedämpft werden können.

Die Erfindung ermöglicht eine einfache und schnelle Einstellung des Pumphubes und eine schnelle und zuverlässige Einstellung der Verweildauer, die bei sich ändernden Viskose-Bedingungen des zu pumpenden Öls unterschiedliche Werte haben muß, indem ein Aufbau mit einem hydraulischen und elektrischen Kreis geschaffen wird, die gegenüber dem Stande der Technik völlig neuartig sind.

Die Verweilpause in maximal angehobener Stellung ist sehr wichtig, um das hoch viskose öl wiederzugewinnen, was bisher nicht möglich war. Diese Rückgewinnung wird möglich durch An-

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wendung eines Sensors, der von der Kolbenstange des Hydraulikantriebs betätigt wird. Wenn dieser Sensor betätigt wird, dann erregt er ein Zeitverzögerungsrelais, welches das Sauggestänge in der obersten Stellung hält und die Möglichkeit schafft, daß das Einsaugen durch eine am Boden angeordnete Pumpe aufrecht erhalten wird, während das Standventil offen ist. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß hochviskoses öl in den Boden des Pumpgefäßes eintritt. Wenn das Zeitverzögerungsrelais freigegeben wird, dann beginnt das Sauggestänge seine Abwärtsbewegung und schließt das Standventil am Boden. Hierdurch wird das hochviskose öl in dem Pumpengefäß gesammelt, welches dann durch die Abwärtsbewegung des Kolbens in der Pumpe am Boden versetzt werden kann.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer über lage angeordneten Pumpvorrichtung für eine Erdölbohrung;

Fig. 2 eine perspektivische Rückansicht der Pumpvorrichtung gemäß Fig. 1 von links vorn aus betrachtet;

Fig. 3 eine Rückansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine Teilansicht der Pumpvorrichtung nach Fig. 1 in größerem Maßstab im Bereich der Abbremsvorrichtung und der Sensor-Mikrosehalter für den unteren Anschlag und die Wände;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Seitenwand des

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Hydraulikreservoirs mit Zumeßventilen und hydraulischer Zufuhr nach dem Zylinder;

Pig. 6 ein Schaubild, welches die Arbeitsfolge von Zylinder und Kolben zusammen mit den Grenzschaltern erkennen läßt, die hiervon betätigt werden;

Pig. 7 ein schematisches Hydraulikschaltbild der erfindungsgeraäßen Vorrichtung;

Fig. 8 ein schematisches elektrisches Schaltbild des elektrischen Systems, das das Hydrauliksystem steuert;

Fig. 9 eine Ansicht des elektrischen Steuerpultes;

Fig. 10 ein Blockschaltbild der Hydraulik in einer abgewandelten Ausführungsform.

Im folgenden wird zunächst auf die Figuren 1 bis 5 Bezug genommen. Auf einem Sockel 20 ist ein Hydraulikzylinder mit Kolben 22 montiert. Am freien Ende des Kolbens bzw. der Kolbenstange 22 ist frei drehbar ein Kettenrad 23 gelagert, über das eine Antriebskette 24 gelegt ist, deren eines Ende fest am Sockelrahmen 20 verankert ist, während das andere Ende über ein Kettenrad 25 geführt ist, wodurch ein gleicher nach oben und unten gerichteter Zug auf das Ende der Kolbenstange 22 ausgeübt wird. Das Ende der Kette 24 ist mit einem Kabel 26 verbunden, welches über eine Umlenkrolle 27 läuft, die von einem Träger 28 vertikal über der Erdölbohrung 29 gehalten wird, und dieses Kabel ist an der glatten Hub stange

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30 und dem daran ansetzenden Sauggestänge verbunden 1st.

Das den Kolben betätigende System zum Anheben und Absenken des Sauggestänges besteht aus einem Antriebsmotor in Gestalt eines Dieselmotors, eines Gasmotors der mit Erdgas betrieben wird, eines Benzinmotors oder eines Elektromotors, der-e±ne hydraulische Taumelscheibenpumpe 32 antreibt, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Diese empfängt ein hydraulisches Strömungsmittel aus einem Reservoir 33 über eine Leitung 34 und liefert unter Druck stehendes Strömungsmittel über die Leitung 35 nach einem Einwegeventil 36, einem Filter 37 und einem Schlauch 38, der das unter Druck stehende Mittel dem Zylinder 21 zuführt, so daß der Kolben 22 in die Stellung nach Figur 1 und 2 ausgefahren wird, in der die vom Kolben getragene Kolbenstange 39 mit einem vorspringenden Stift 40 an den Wänden 41, 42, 43 von Grenzschaltern 44, 45, 46 anstößt, um die Streckbewegung und die Rückzugsbewegung des Kolbens 22 zu steuern, der die Hubstange und das Sauggestänge 3I anhebt und absenkt.

Die Kolbenstange 39 und der Stift 40 sind in Figur 2 in ihrer ausgefahrenen Stellung dargestellt, wobei das Sauggestänge in der obersten Stellung des Pumpenhubes steht, wobei der Stift an der Wand 41 des Grenzschalters 44 anstößt, um einen Elektromagneten B zu erregen und einen Elektromagneten D zu entregen, um den Kolben zurückzuführen, nachdem ein Zeitverzögerungsschalter 47 wirksam geworden ist, der mit dem Grenzschalter 44 betätigt wurde. Nach Freigabe des Zeitverzögerungsschalters 47 werden die Elektromagnete A und D entregt, so daß das Strömungsmittel durch das Ablaßventil 48 (RV-I) abfließen kann. Das Gewicht des Sauggestänges zusammen mit der Entlüftung des Zylinders 22 bewirkt ein Zurückziehen des Kolbens 22 in die aus Figur 1 ersichtliche Stellung bis der Anschlagstift

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die Wände 42, 43 der Grenzschalter 45, 46 erfaßt, die eine Abbremsung und Stillsetzung zur Folge haben und die Elektromagnete A und B abschalten,und den Elektromagneten D nach einer Zeitverzögerung erregen. Nachdem der in Abwärtsrichtung wirkende Zeitverzögerungsschalter entregt ist, beginnt der Zyklus von neuem, indem die Hubstange und das hiermit verbundene Sauggestänge angehoben werden.

Nachdem das Strömungsmittel durch das Ventil 48 (RV-I) hindurchgetreten ist, kehrt dieses Mittel in einen Beruhigungsbehälter zurück, der den obersten Abschnitt des Reservoirs 33 bildet. Dann wird das Strömungsmittel von dem Beruhigungsbehälter durch Schwerkraft in einen Kondensator 49 (Fig. 1 und 2) oder Pumpen abgeführt. Das abgekühlte

Strömungsmittel wird dann vom Kondensator nach dem Reservoir 33 zurückgeführt.

Die Steuerfolge des Kolbens 22 der von ihm angetriebenen Kette 24 und dem Verbindungskabel 26 sowie der Hub_stange 30 und des Sauggestänges 31 wird nachstehend erläutert: Wenn der Schaltstab 40 des Kolbens an der Wand 41 des Grenzschalters 44 anstößt, dann wird ein Verklinkungsrelais erregt, das seinerseits ein Zeitverzögerungsrelais 27 erregt und die Schaltung verriegelt hält, bis das Relais 47 abfällt und zu dieser Zeit öffnet das Verklinkungsrelais den Freigabe-Elektromagneten D so daß der Zylinder 21 entlüftet werden kann und der Kolben gemäß Fig. 1 und 2 nach rechts zurückweicht.

Die drei Arbeitsmöglichkeiten des Kolbens sind die folgenden:

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1. Absenkbetrieb, Rückzug des Kolbens (Absenkung der Hubstange)

Der Schaltstift 40 greift an der Wand 41 des Grenzschalters

44 an, wodurch der Elektromagnet B und das Zeitverzögerungsrelais 47 erregt werden, wodurch der Rückzug" des Kolbens nach einer vom Relais 47 bestimmten Zeitverzögerung einsetzt. Die Geschwindigkeit der Zurückführung des Kolbens wird durch manuelle Einstellung des Ventils 36 bestimmt.

2. Abbremsung des Kolbens (Abbremsung der Hubstange)

Der Schaltstift 40 greift an der Wand 42 des Grenzschalters

45 an, wodurch der Elektromagnet A erregt wird und die Strömung durch eine gegenüber der Öffnung des Elektromagneten B kleinere öffnung getrennt wird, wodurch die Geschwindigkeit der sich zurückziehenden Kolbenstange vermindert wird. Die verzögerte Rückzugsgeschwindigkeit der Kolbenstange wird aufrecht erhalten bis der Schaltstift 40 an der Wand 43 des Grenzschalters 46 angreift, wodurch die Elektromagnete A und B entregt werden und die Bewegung der Kolbenstange stillgesetzt wird. Dabei wird der Elektromagnet D und das Zeitverzögerungrelais 47 erregt.

3. Aufwärtsbewegung, Streckung der Kolbenstange (Anheben der . Hubstange)

Der Schaltstift 40 greift an der Wand 43 des Grenzschalters an, wodurch der Elektromagnet D erregt und die Elektromagnete A und B entregt werden, wodurch ein Strömungsmittel in den Zylinder 21 eingeführt wird, das bewirkt, daß der Kolben 22

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nach Ablauf einer vom Relais 47 bestimmten Zeitverzögerung ausgefahren wird.

Wenn der Schaltstift 40 an der Wand 43 des Grenzschalters angreift, dann wird das Verriegelungsrelais erregt, welches das Zeitverzögerungsrelais 47 erregt und die Schaltung verriegelt hält, bis das Relais 47 abgelaufen ist, wodurch der Freigabemagnet A geöffnet und der Elektromagnet D zum Zwecke des Anhebens erregt wird.

Vorstehend wurde unter 1 bis 3 ein Pumpzyklus (Aufwärts-Abwärts) erläutert. Die Länge des Hubes kann entweder vergrößert oder verkleinert werden, indem der Abstand zwischen den Mikroschaltern 44 und 46 geändert wird, die gleitbar von einer Stange 2OA getragen werden, die am Basisrahmen 20 festgelegt ist. Die Grenzschalter sind längs der Stange 2OA positionierbar und werden an der gewünschten Stelle durch Spannen eines Bolzens festgelegt, was leicht mit einem Schraubenschlüssel bewerkstelligt werden kann.

Die Frequenz der Pumphübe kann durch Änderung der Lage der Taumelscheibe in der Hydraulikpumpe 32 erhöht oder verringert werden, wodurch der Hydraulikfluß in Liter pro Minute erhöht bzw. abgesenkt wird, durch den der Kolben 22 betätigt wird, um die Hubstange 30 anzuheben.

Der Zeitverzögerungsschalter oder das Relais 27 ist beispielsweise ein pneumatisches Siemens-Zeitgeber-Relais 7PQ 80044, und die Grenzschalter 44, 45, 46 sind Schalter der Bauart Square D 862 J Class 9007.

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Claims

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Patentansprüche

I.J Pumpvorrichtung mit Sauggestänge

für Erdölbohrungen, welche über der Erdoberfläche angeordnet ist,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es ist ein Hydraulikzylinder (21) mit einem Kolben (22) vorgesehen, um die Hubstange (31) anzuheben bzw. abzusenken;

b) durch ein Element (41) des Kolbens (22) werden Schalter eines Hydraulikkreises betätigt, um zu bewirken, daß der Kolben die Hubstange (^I) in einer Richtung anhebt und in der anderen Richtung absenkt;

c) es ist eine Bremsvorrichtung für den Kolben in dem Hydraulikkreis vorgesehen, um graduell die Absenkgeschwindigkeit des Sauggestänges am unteren Ende des Hubes graduell zu verringern;

d) es sind Stillsetzmittel im Hydraulikkreis vorgesehen, um den Kolben stillzusetzen und das Saug gestänge in der maximal angehobenen Stellung eine vorbestimmte Zeitdauer lang zu halten, damit das öl, das in das Saug-gestänge eingeflossen ist, nach der Oberfläche hin abgepumpt werden kann.

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INSPECTED

Vorrichtung nach Anspruch 1, 3035256

dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Kolben und der Hub stange aus einer Kette (24) und einem Kabel (26) besteht, das mit dem freien Ende an der Hubstange ansetzt, und daß ein Kettenrad am freien Ende der Kolbenstange (22) gelagert ist, über das die Kette geführt ist, deren anderes Ende ortsfest gelagert ist, um das Kabel und das Sauggestänge anzuheben bzw. abzusenken.

Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schaltglied (41) der Kolbenstange drei Endschalter zusammenwirken, die entlang des Bewegungspfades der Kolbenstange so angeordnet sind, daß ihre Betätigungsglieder von dem Schaltglied der Kolbenstange betätigt werden, daß ein Grenzschalter die Bewegung der Kolbenstange in Aufwärtsrichtung stillsetzt wenn die Hub stange sich in ihrer höchsten Stellung befindet, daß der zweite Grenzschalter längs des Bewegungspfades des Schaltgliedes so angeordnet ist, daß die Abwärtsbewegung der Hubstange verzögert wird, wenn sich das Sauggestänge der unteren Endstelle des Bewegungspfades nähert, und daß der dritte Grenzschalter vom Schaltglied erfaßt wird, wenn das Sauggestänge in der untersten Stellung befindlich ist, um eine weitere Bewegung des Sauggestänges zu vermeiden, bevor die Huhstange wieder angehoben wird.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die drei Grenzschalter auf einer Stange verschiebbar sind, die parallel zu der Kolbenstange verläuft, und daß die Schalter längs dieser Stange einstellbar sind, um den Pumpenhub einstellen zu können.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennze ichnet durch folgende Merkmale:

a) Es ist ein Hydraulikzylinder (21) mit einem Kolben (22) vorgesehen, um die Hubstange anzuheben und abzusenken;

b) es sind untere und obere Grenz-Steuervorrichtungen vorgesehen, die durch ein Schaltelement des Kolbens betätigt werden, um den Kolben zu veranlassen, die Hubstange bei Bewegung in einer Richtung anzuheben und bei Bewegung in der anderen Richtung abzusenken;

c) es ist ein hydraulischer Bremssensor vorgesehen, der auf die Bewegung der Hubstange in der Nähe des unteren Bewegungsendes anspricht;

d) es sind Mittel vorgesehen, die auf den Sensor ansprechen und den Kolben so betätigen, daß das Absenken des Sauggestänges verzögert wird, sobald sich dieses dem unteren Ende des Hubes nähert;

e) es sind zweite Mittel im Hydraulikkreis in Verbindung mit dem Kolben vorgesehen, um das Sauggestänge so

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lange in der abgesenkten Stellung zu halten, bis die Schwingungen des Sauggestänges gedämpft sind, die als Folge der Verzögerung der Bewegung von Sauggestänge und Kolbenstange auftreten;

f) es sind Mittel vorgesehen, um eine volle Hubkraft auf den Kolben auszuüben, um das Sauggestänge nach Ablauf der erforderlichen Dämpfungszeitperiode anzuheben, wodurch die maximale Hubkraft ausgeübt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß das Hubgestänge bei der Bewegung bricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5j
dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Steuereinrichtungen aus zwei Grenzschaltern bestehen, die einstellbar auf einer Stange angeordnet sind, wobei die Betätigungselemente dieser Schalter durch ein Schaltglied der Kolbenstange betätigt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Bremssensor von einem dritten Grenzschalter gebildet wird, der einstellbar auf der Stange zwischen den beiden Grenzschaltern für obere und untere Begrenzung angeordnet ist, wobei das Betätigungsglied dieses Grenzschalters ebenfalls durch ein Schaltelement der Kolbenstange betätigt wird.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennze lehne t, daß die auf den Sensor ansprechenden Mittel als einstellbares Ventil ausgebildet sind, um die ölströmung nach dem Zylinder so zu steuern, daß die Bewegung verlangsamt wird, wodurch auch die Bewegung der Hubstange verzögert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel in der Hydraulikschaltung als Ventil ausgebildet sind, das durch ein Zeitverzögerungsventil gesteuert wird und die Hydraulikströmung vom Zylinder absperrt bis das Relais abgelaufen ist, so daß die Aufwärtsbewegung der . Hubstange nicht eingeleitet wird, bis die Schwingungsbeanspruchungen des Sauggestänges gedämpft sind.

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