DE3335607A1 - Pumpengestaenge - Google Patents
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Description
BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk
Zentralbereich
Patente, Marken und Lizenzen Hö/m-c 2 9. Sep. 1983
Die Erfindung betrifft eine Gestängetiefpumpe, bei der ein in einem Steigrohr an einem Pumpengestänge hängender
Kolben in einem Pumpengehäuse am Grund des Steigrohres von einem oberirdischen Pumpantrieb auf und ab bewegt
wird.
Bei solchen Pumpen können die eigentliche Pumpe in der Erde und der Antrieb mehrere 1000 m voneinander entfernt
sein. Der Kraftübertragung über das Pumpengestänge ("sucker rods") kommt große Bedeutung zu. üblicherweise
ist das Pumpengestänge aus Stangen genormten Baustahls von beispielsweise 7,5 m Länge zusammengeschraubt. Das
Pumpengestänge ist sehr schwer.
Da das Fördergut korrosiv wirkende Bestandteile enthalten kann, wird in der kanadischen Patentschrift
1 087 521 vorgeschlagen, die Stahlstangen durch Faserverbundwerkstoffe zu ersetzen. Um eine Verbindung der
Stangen zu ermöglichen, sind Stahlhülsen an die Enden der Stäbe geklebt. Abgesehen von dem erheblichen Herstellungsaufwand
und dem zusätzlichen Gewicht durch die
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. 5«
Hülsen, sind die Verbindungen Schwachstellen, die immer noch korrosionsgefährdet sind und die nur eine sehr
begrenzte Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften der faserverstärkten Stäbe ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpengestänge für Gestängetiefpumpen bereitzustellen, das
die bei bekannten Gestängen auftretenden Probleme vermeidet bzw. verkleinert. Die Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß das Pumpengestänge aus mehreren, im wesentliehen parallel verlaufenden, aber nicht aneinanderliegenden,
unidirektional verstärkten Faserverbundstäben besteht, deren Querschnittsfläche kleiner als 1 cm2 ist.
Weiterbildungen der Erfindung sind in UnteranSprüchen
beschrieben.
Mit der Erfindung wird insbesondere erreicht, daß wegen des eingesetzten Materials keine Korrosionsprobleme mehr
auftreten, durch den Wegfall der Verbindungshülsen eine erhebliche Gewichtsersparnis auftritt, so daß die
Antriebsleistung und die Stabilität der Kraftübertragungsvorrichtung nicht so hoch sein müssen und durch
die vereinfachte Montage ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden kann. Das Versagen eines Faserverbundstabes
führt nicht unmittelbar zum Versagen oder zur Zerstörung des gesamten Gestänges.
Bei dieser Kraftübertragung sind nur oben und unten je ein Verbindungselement erforderlich, die vorteilhafterweise
als Klemmplattenverankerungen ausgeführt sind.
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Auch wenn wegen der korrosiven Umgebung dieses Element aus teurem Stahl gefertigt werden muß, wird eine sehr erhebliche
Preis- und Gewichtsreduktion erreicht. Mit diesem Gestänge gelingt es, die hervorragenden Festigkeitseigenschaften
des unidirektional verstärkten Faserverbundes zu einem höheren Anteil auszunutzen.
Wegen des Aufbaus eines Gestänges aus mehreren Faserverbundstäben kann in einfacher Weise über deren Zahl
eine einfache Anpassung an die Anforderungen erreicht werden. Es genügt im Prinzip ein aufgewickelter
Endlosstrang von Faserverbundstäben, beispielsweise mit einem Querschnitt von 0,75 cm2, um alle praktisch
vorkommenden Aufgaben abzudecken. Die Faserverbundstäbe verlaufen in jedem Fall von der unteren Klemmplattenverankerung
durch bis zum oberen Ende, da eine Anpassung des Querschnittes, wie er gelegentlich bei
Stahlstangen vorgenommen wird, nicht erforderlich ist und keine Kostenvorteile erbringt.
Die Beschränkung des Querschnitts eines einzelnen Stranges
und die Kombination eines Gestänges aus mehreren Faserverbundstäben ist durch die Herstellung des Pumpengestänges
bedingt. Unidirektional verstärktes Material, wie es beispielsweise in der EP-PS 0 000 734 beschrieben
ist und wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Polystal im Handel ist, läßt sich auf Trommeln wickeln,
solange der Querschnitt nicht zu groß ist. Zur Ausführung eines viele hundert Meter langen Endlospumpengestänges
ist es aber erforderlich, daß das Material an die Baustelle transportiert
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werden kann und dort auch weiter verarbeitbar ist. Um also die erforderliche Zugfestigkeit des Pumpengestänges
zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, das Gestänge aus der erforderlichen Anzahl entsprechend
dünner, dafür aber hinreichend biegbarer, unidirektional verstärkter Endlosfaserverbundstäbe aufzubauen. So wird
der praktische Umgang auch in schwieriger Umgebung mit diesem Material erleichtert bzw. überhaupt erst möglich.
Es kommt vor, daß das Bohrloch nicht exakt vertikal verläuft oder auch stellenweise versetzt oder gekrümmt ist.
Zum Ausgleich solcher Unregelmäßigkeiten ist das erfindungsgemäße Pumpengestänge hervorragend geeignet. Es
kann dabei sinnvoll sein, an mehreren Stellen im Steigrohr Führungselemente in Form von Abstandshaltern an
dem Gestänge vorzusehen. Bevorzugt bestehen sie aus thermoplastischen Polymeren, die z.B. durch Anklemmen
an dem Pumpengestänge befestigt werden können. Durch Zahl und Anordnung der Abstandshalter kann darüber hinaus das
Schwingungsverhalten des Pumpengestänges beeinflußt werden.
In ähnlich einfacher Weise läßt sich auch das Pumpengestänge im oberen Bereich des Steigrohres dichten. Bei
den konventionellen Gestängetiefpumpen ist hierzu die sogenannte "Polierstange" erforderlich.
Das Pumpengestänge ist unempfindlich gegenüber einer Korrosionsbeanspruchung.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann jeder einzelne Faserverbundstab auch in eingebautem Zustand auf
seine Brauchbarkeit überprüft werden. Auch bei besonders
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hochwertigem Material ist es unter den gegebenen Umständen oft nicht zu vermeiden, daß einzelne Faserverbundelemente
beschädigt werden. Bei den bisher verwendeten Pumpengestängen hatte das katastrophale Folgen,
denn eine Bergung einer Pumpe bei gerissenem Pumpengestänge kann beispielsweise mehrere Tage lang
dauern. Bei dem erfindungsgemäßen Pumpengestänge kann in einfacher Weise bei jedem einzelnen Faserverbundstab
zumindest festgestellt werden, ob er gebrochen ist, wenn bei der Endlosherstellung des Faserverbundes
ein Indikator eingebettet wird; bevorzugt sind metallische oder Licht-Leiter. Der elektrische Widerstand ist
besonders leicht meßbar. Bei Licht-Leitern kann man aus der Dämpfung ungefähr abschätzen, wie weit ein gestörter
Bereich entfernt ist. Aufgrund solcher Messungen kann die Schwere eines Schadens beurteilt werden, und es
kann beispielsweise bei einem Gestänge aus zwölf Faserverbundstäben, bei dem nur ein Faserverbundstab zerstört
ist, möglicherweise aufgrund der überdimensionierung der Weiterlauf verantwortet werden, wohingegen
ohne separate Kontrolle der Ausbau in Frage kommt.
Das erfindungsgemäße Pumpengestänge kann auch aus verschiedenen
Faserverbundstäben kombiniert werden, insbesondere durch verschiedenen Fasergehalt oder durch
verschiedene Faserverstärkungstypen. Es wird dadurch das Schwingungsverhalten des Pumpengestänges beeinflußt.
Darüber hinaus können auch die einzelnen Faserverbundstäbe noch mit einem Thermoplasten ummantelt sein,
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beispielsweise als zusätzlichen Schutz gegen Korrosion und mechanische Beschädigungen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden weiter beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung einer Gestängetiefpumpe ;
Fig. 2 Klemmplattenverankerung eines Gestänges aus sechs Faserverbundstäben;
Fig. 3 perspektivische Ansicht eines Schnittes nach Fig. 2;
Fig. 4 Abstandshalter;
Fig. 5 Überwachung der einzelnen Faserverbundstäbe mit eingelegtem Leitungsdraht.
Durch den oberirdischen Antrieb 1 wird über die Kurbelstange 2 der Pumpenschwengel 3 mit dem sogenannten "Pferdekopf"
4 am Ende bewegt. Das Pumpengestänge 5 ist durchgehend ohne jede Zwischenverbindung und besteht aus
einer Anzahl von unidirektional verstärkten Faserverbundelementen. Am Anfang und am Ende sind sie von der
oberen und unteren Klemmplattenverankerung 6 bzw. 7 gefaßt; damit ist über das Drahtseil 8 die Verbindung mit
dem Pferdekopf 4 und der Pumpe 9 hergestellt. Zur Führung des Pumpengestänges 5 sind Abstandshalter 10 vorgesehen.
Bei den bisherigen Gestängetiefpumpen ist der obere Bereich des Steigrohres 11 mit einer Stopfbuchse 12
abgedichtet, durch die die Polierstange geführt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Pumpe ist in diesem Bereich
ein entsprechend lang ausgebildeter Kunststoffzylinder 13, der als "Abstandshalter" dient und die Dichtfunktion übernimmt,
vorgesehen. Das Steigrohr 11 ist von einem Futterrohr
14 umgeben, das im unteren Bereich perforiert ist.
Die Flüssigkeit wird am Kopf 15 des Steigrohres 11 entnommen.
An der Pumpe 9 sind der Kolben 16, das Kolbenventil 17 und Fußventil 18 angedeutet.
Wegen der hohen Festigkeit des unidirektional verstärkten Faserverbundmaterials ist die Ausbildung einer entsprechenden
Klemmplattenverankerung zur Kraftanleitung sehr wichtig. In den Fig. 2 und 3 ist ein solches
Element für sechs runde Faserverbundstäbe 21 dargestellt. Der Durchmesser eines Faserverbundstabes 21 beträgt
hier 7,5 mm. Die Verankerung besteht aus mehreren übereinanderliegenden Klemmplatten 22, 23, 24, 25, in denen
die Faserverbundstäbe 21 formschlüssig eingebettet sind, was einen sehr guten volumetrischen Pressdruck ermöglicht.
Die Klemmplatten 22, 23, 24, 25 werden mittels Dehnschrauben 26 miteinander verspannt. Die Dehnschrauben
26 verhindern auch ein Abgleiten der Klemmplatten 22, 23, 24, 25 gegeneinander. Die maximale Belastbarkeit
eines Faserverbundstabes 21 beträgt ca. 60 kN, der Elastizitätsmodul ca. 50.000 N/mm2; bei einem
2.000 m tiefen Bohrloch ergibt sich damit ein Gewicht der unidirektional verstärkten Faserverbundstäbe von
etwa 1 .200 kg; Klemmplatten, Polierstange und Abstandshalter machen noch etwa 200 kg aus. Ähnlich leistungsfähige
Pumpengestänge sind bisher unbekannt.
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Fig. 4 zeigt einen Abstandshalter 10, der im wesentlichen
wie eine Klemmplattenverankerung aufgebaut ist; der Außendurchmesser ist lediglich auf den Innendurchmesser
des Steigrohres 11 abgestimmt, und statt Stahl wird üblicherweise Kunststoff verwendet. Es wird dadurch
bei Schaden oder gekrümmten Bohrlöchern ein Reiben des Gestänges an der Rohrwand verhindert und die Führung
verbessert. Die Polierstange ist ähnlich, aber länger
als ein Abstandshalter 10 aus Kunststoff aufgebaut.
,,Q Die überwachung der einzelnen Faserverbundstäbe ist
in Fig.. 5 schematisch dargestellt. Schon bei der Herstellung
von Faserverbundstäben kann in jeden Stab 30 ein elektrischer Leiter 31 eingelassen werden. Der
Einfachheit halber sind nur drei Faserverbundstäbe
-J5 und die obere und untere Klemmplattenverankerung 32 bzw.
33 schematisch dargestellt. Die Leiter 31 sind jeweils aus den Faserverbundstäben 30 am Ende herausgeführt. Im Bereich
der unteren Klemmplattenverankerung 33 sind die Leiter alle miteinander verbunden. Die an der oberen Klemmplatte
2Q 32 herausgeführten Leiter 31 sind mit Meßgeräten 34 verbunden
.
Die Montage eines Pumpengestänges ist vor Ort möglich. Die auf Wickeltrommeln aufgespulten "Endlosfaserverbundstäbe"
werden bis ans Bohrloch gefahren. Dort werden zunächst die Enden der Faserverbundstäbe und die
elektrische Kontrolleinrichtung mit der pumpenseitigen Klemmplattenverankerung montiert und mit der Pumpe
verbunden. Die Pumpe wird anschließend in das Bohrloch
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abgelassen; die Ablaßgeschwindigkeit wird über eine Bremsvorrichtung an den Wickeltrommeln geregelt. Erforderlichenfalls
werden in bestimmten Abständen Abstandshalter aufgeschraubt. Hat die Pumpe ihre Position erreicht,
wird die antriebsseitige Klemmplattenverankerung montiert und mit dem Drahtseil-Montagekopf des Pumpen-Pferdekopfes
verbunden. Kurz vor dem Erreichen der Pumpenendposition wird noch das als Polierstange wirkende Führungselement
an die Faserverbundstäbe montiert.
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Claims (1)
- Patentansprüche;Gestängetiefpumpe, bei der ein in einem Steigrohr (11) an einem Pumpengestänge (5) hängender Kolben (16) in einem Pumpengehäuse (9) am Grund des Steigrohres (11) von einem oberirdischen Pumpantrieb (1) auf und ab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengestänge (5) aus mehreren, im wesentlichen parallel laufenden, aber nicht aneinanderliegenden unidirektional verstärkten Faserverbundstäben (21) besteht, deren Querschnittsfläche kleiner als 1 cm2 ist.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Pumpengestänges (5) mit dem Kolben (16) bzw. dem Antrieb (4) über eine untere bzw. obere Klemmplattenverankerung (7 bzw. 6) erfolgt.3» Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Pumpengestänges (5) im Steigrohr (11) Abstandshalter (10), vorzugsweise aus Kunststoff, an den Faserverbundstäben (21) angeklemmt sind.. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des Pumpengestänges (5) am oberen Ende des Steigrohres (11) ein Kunststoffzylinder (13) an den Faserverbundstäben (21) angeklemmt ist.Le A 22 6035. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Faserverbundstab (30) ein elektrischer Leiter (31) vorhanden ist, die Leiter (31) im Bereich der unteren Klemmplattenverankerung (33) untereinander verbunden sind und die Leiter im Bereich der oberen Klemmplattenverankerung (32) so weit herausgeführt sind, daß Verbindungen mit einem Leitfähigkeitsmeßgerät (34) herstellbar sind.•jQ 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Faserverbundstab ein metallischer Leiter vorhanden ist und die Leiter im Bereich der oberen Klemmplattenverankerung so weit herausgeführt sind, daß Verbindungen mit einem Meßgerät zur Ultraschallmessung herstellbar sind.7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Faserverbundstab ein Lichtleitkabel vorhanden ist und die Lichtleitkabel im Bereich der oberen Klemmplattenverankerung so weit herausgeführt sind, daß eine Verbindung mit einem Meßgerät für die Lichtdämpfung herstellbar ist.8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengestänge (15) aus unterschiedlichen Faserverbundstäben, insbesondere solchen mit unterschiedlichen Fasern oder Faseranteilen, besteht.Le A 22 6039. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstäbe mit thermoplastischen Polymeren ummantelt sind.Le A 22 603
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