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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Totpumpventil zu schaffen, welches nicht nur den Durchgang öffnet, wenn eine vorgegebene
erste Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Steigrohrtour
und
dem Ringraum überschritten wird, sondern auch wieder schließt, wenn eine vorzugsweise
tiefere Druckdifferenz unterschritten wird. Das Totpumpventil soll sich dabei durch
große Zeitkonstanz auszeichnen, d. h. die Soll-Druckdifferenzen dürfen sich nicht
verschieben. Außerdem soll das Totpumpventil so kompakt sein, daß es sich auch bei
knappen Freiräumen zwischen der Steigrohrtour und der Futterrohrtour in diesen unterbringen
läßt.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebene Erfindung gelöst.
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Wesentlich ist bei diesem Totpumpventil, daß es statt mit einem oder
mehreren Scherstiften mindestens eine auf einen Ventilteller einwirkende Feder vorsieht,
gegen deren Kraft der Ventilteller von seinem Ventilsitz zum Öffnen des Ventils
abzuheben ist und die das Ventil wieder selbständig schließt, wenn ein bestimmter
Differenzdruck unterschritten wird. Vorzugsweise wird jedoch das Öffnen und Schließen
des Ventils nicht ausschließlich durch die Feder(n) bestimmt, sondern zusätzlich
durch die Dimensionierung hydraulischer Druckflächen und Strömungswiderstände entsprechend
Anspruch 8. Dadurch wird unter anderem erreicht, daß das Ventil bei einem realtiv
hohen Differenzdruck öffnet.
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bei einem sich danach einstellenden Druckabfall zunächst geöffnet
bleibt und erst wieder schließt, wenn ein niedrigerer Differenzdruck erreicht und
unterschritten wird. - Die Bauweise dieses Ventils mit mindestens einer Feder zeichnet
sich ferner dadurch aus, daß keine nennenswerten Ermüdungserscheinungen bei Wechsellast
auftreten, die einen Einfluß auf die vorgegebenen Differenzdrücke haben könnten.
- Infolge der axialen Anordnung der wesentlichen Elemente des Totpumpventils einschließlich
der Feder(n) zeichnet sich dieses durch einen geringen Außendurchmesser aus, so
daß es auch bei ungünstigen Rohrpaarungen vorgesehen werden kann.
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Bei der Aufarbeitung von Förderbohrungen, in denen die Steigrohrtour
mit dem erfindungsgemäßen Totpumpventil versehen ist, wird der wesentliche Vorteil
erzielt, daß sich das Totpumpventil nach dem Totpumpen selbsttätig schließt. Damit
ist die Steigrohrtour dicht abgeschlossen und diese braucht nicht mehr ausgebaut
zu werden.
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Eine besonders fertigungstechnisch günstige Bauweise des Totpumpventils
ist in Anspruch 2 angegeben: Danach besteht das Totpumpventil aus einer nicht zu
großen Anzahl in einer Reihe in der Längsachse des Ventils miteinander verbindbarer
Einzelelemente, die für sich leicht hergestellt werden können und zu einer kompakten
und robusten Einheit zusammengesetzt werden können. Dabei dient das Bodenstück zum
Anschweißen an das Steigrohr und weist zu der Axialbohrung des Totpumpventils einen
Querkanal auf, der in den Durchgang in dem Steigrohr übergehen kann. Zu dem Ringraum,
in dem das Totpumpventil somit angeordnet werden kann, ist das Totpumpventil mit
Ausnahme der radialen Gehäusebohrungen zu seinem Inneren abgeschlossen. Insbesondere
schützt die Ventilklappe die Ventilstange gegen Beschädigungen und Sandeinwirkung.
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Durch die bevorzugte Bauweise nach Anspruch 3 wird gewährleistet,
daß der Ventilteller stets statt auf seinen Ventilsitz anpreßbar ist und einen vollständigen
Verschluß auch dann herstellt, wenn die Ventilstange nicht exakt zu dem Ventilsitz
ausgerichtet ist. Dadurch können größere Fertigungstoleranzen und betriebsmäßige
Beeinflussungen in Kauf genommen werden.
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Zur Führung der Ventilstange können in der Federhülse ein Zentrierring
und an dem entgegengesetzten Ende ein Federdruckstück angeordnet sein.
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Das Federdruckstück ist vorzugsweise nach Anspruch 5 mit einem Schraubgewinde
einstellbar, indem es durch Vorspannung der Feder(n) die Differenzdrücke mitbestimmmt,
bei denen das Totpumpventil öffnet bzw. schließt. Hierzu kann das Einstellschraubgewinde
außen an dem Federdruckstück sitzen, um in ein entsprechendes Gewinde in der Federhülse
einschraubbar zu sein, während eine zentrale Bohrung des Federdruckstücks zur Führung
der Ventilstange dient. Umgekehrt kann auch die zentrale Bohrung mit einem Gewinde
versehen sein, welches in ein entsprechendes Einstellgewinde am Ende der Ventilstange
eingreift, während die Außenfläche des Federdruckstücks zum Gleiten an der Innenwand
der Federhülse bearbeitet ist - Das Federdruckstück kann weiterhin dazu dienen,
eine Reihe von Tellerfedern zusammenzudrücken, aus denen die Federanordnung vorzugsweise
aufgebaut ist. Die Tellerfedern sind dem Medium in der Förderbohrung ausgesetzt.
Sie können für Sauergasbetrieb aus dem Werkstoff Inconel bestehen, sonst genügt
der Werkstoff 1.4571.
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Die Bauweise des Totpumpventils, bei dem in schon angedeuteter Weise
die Spüle bzw. das Salzwasser von der Steigrohrtour in den Ringraum geführt werden
soll, ist vorzugsweise nach Anspruch 6 ausgebildet Bei besonderen Anwendungsfällen,
wenn die Tiefpumpe relativ hoch sitzt, kann es jedoch auch erwünscht sein, zunächst
über den Ringraum in die Lagerstätte zu pumpen und dann durch die Pumpe hindurch
die Spüle nach oben zu stauen. In diesem Fall eignet sich besonders die Ausführungsform
des Totpumpventils nach Anspruch 7.
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Durch die Dimensionierung der Elemente und Freiräume nach Anspruch
8 kann der zum Öffnen des Ventils erforderliche Druck in der Axial-Bohrung bzw.
in dem Steigrohr größer sein als der zum anschließenden Offenhalten ausreichende
Druck.
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Dadurch wird die Maßnahme unterstützt, daß das Totpumpen ohne Unterbrechung
erfolgen soll, um möglichst keine Undichtigkeiten entstehen zu lassen. Im einzelnen
verläuft der Druckabfall in der Bauweise nach den Ansprüchen 1 und 6 über den radialen
Gehäusebohrungen sowie zwischen Ventilteller und Federhülse so, daß der Ventilteller
nicht nur vom Druckabfall zwischen Ventilsitz und Ventilteller offengehalten wird,
sondern auch vom Druckabfall zwischen Ventilteller und Federhülse. Dadurch wird
die Möglichkeit von Beschädigungen von Ventilsitz und/oder Teller durch unstetige
Strömungen reduziert.
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Einzelheiten des erfindungsgemäßen Totpumpventils ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung.
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Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Totpumpventils werden
im folgenden anhand einer Zeichnung mit 6 Figuren erläutert. Es zeigt F i g. 1 die
Anordnung der Totpumpventile in einer Förderbohrung, Fig.2 ein Totpumpventil in
einer ersten Ausführungsart (Anspruch 6) in einem Längsschnitt, F i g. 3 die Anordnung
des Totpumpventils nach F i g. 2 an einem Steigrohr bei geschnitten dargestelltem
Futterrohr, Fig.4 einen Querschnitt durch die Ebene A-A in Fig.3, F i g. 5 einen
Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsart des Totpumpventils (Anspruch 71 und
Fig.6
eine Seitenansicht des auf das Steigrohr geschweißten Totpumpventils nach F i g.
5 bei geschnittenem Futterrohr.
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In F i g. ist im Längsschnitt eine Erdölförderbohrung dargestellt.
Sie umfaßt eine Futterrohrtour t sowie konzentrisch zu dieser mit geringerem Durchmesser
eine Steigrohrtour 2. Zwischen der Futterrohrtour und der Steigrohrtour wird ein
Ringraum 3 gebildet. Der Ringraum ist unten durch einen Packer 4 abgeschlossen.
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An einem Sitz 5 innerhalb des Futterrohrs ist am unteren Ende eine
Tiefpumpe 6 angeordnet.
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Die Tiefpumpe umfaßt einen Kolben 7 mit einem Ventil 8. Ein weiteres
Ventil 9 ist am Boden der Tiefpumpe angeordnet. Der Kolben ist über eine Schubstange
10 betätigbar, mit dem auch die Pumpe aus ihrem Sitz herausgezogen werden kann.
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Die Pumpstange geht an ihrem oberen Ende in eine Polierstange über,
die aus einem Sondenkopf 11 herausragt. Der Sondenkopf umfaßt weiter die Steigrohrtour
und die Futterrohrtour sowie eine kurze äußere Rohrtour 12. Der Sondenkopf ist mit
Dichtungen 13,14 abgedichtet. Aus der Steigrohrtour ist im Bereich des Sondenkopfes
eine Feldleitung 15 abgezweigt.
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Ein Totpumpventil 16 ist über einen Durchgang 16a an der Steigrohrtour
angeschweißt, siehe F i g. 2. Die Totpumpventile befinden sich somit in dem Ringraum
3.
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Der lichte Abstand zwischen der Steigrohrtour und der Futterrohrtour
zur Aufnahme der Totpumpventile beträgt, wobei zunächst der Durchmesser der Steigrohrtour
und sodann der Durchmesser der Futterrohrtour genannt sind, beispielsweise: 4 1/2
't in 6 5/s " 2 mm lichter Abstand (Clearance) 2 7/8 " in 5,, 1,4 mm lichter Abstand
2 3/8 " in 4 1/2 6 mm lichter Abstand Einzelheiten eines solchen kompakten Totpumpventils
sind in F i g. 2 dargestellt: In Fig. 2 sind die wesentlichen, die zylindrische
Form des Totpumpventils bildenden Elemente erkennbar, nämlich ein Bodenstück 18,
ein Zwischenstück 19 und eine Federhülse 20.
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Das Bodenstück 18 wird so an das Steigrohr 2 angeschweißt, daß mit
dem Durchgang 16a in der Steigrohrtour 2 ein Querkanal 21 annähernd fluchtet, der
in eine Axial-Bohrung 22 übergeht. Die Axial-Bohrung setzt sich entlang der strichpunktiert
gezeichneten Längsachse 23 durch das Zwischenstück 19 und einen darüber angeordneten
Ventilsitzeinsatz 24 fort. Der Ventilsitzeinsatz wird durch das in die Federhülse
eingeschraubte Zwischenstück in der Federhülse eingeklemmt. Oberhalb einer Ventilsitzfläche
25 sitzt auf dieser ein Ventilteller 26 in einer Ventilkammer 27. Der im unteren
Teil annähernd zylindrische Ventilteller bildet zu der Innenwand der Ventilkammer
einen nicht bezeichneten Ringkanal. im Bereich des Ringkanals sind aus der Federhülse
20 radiale Gehäusebohrungen 28 und 29 ausgebohrt.
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Der Ventilteller 26 ist mittels eines Sicherungsstiftes 30 mit Lose
an einer Ventilstange 31 angebracht, die ebenfalls in der Längsachse 23 liegt. Die
Ventilstange reicht durch einen Satz in der Federhülse 20 angeordneter Tellerfedern
32 hindurch, welche den Ventilteller auf den Ventilsitz drücken. Hierzu stützen
sich die Tellerfedern unten auf einem Bund 33 der Ventilstange ab und oben an einem
mit Ausgleichsbohrungen 34 versehenen Federdruckstück 35. Das Federdruckstück 35
ist in der Federhülse mehr oder weniger tief einschraubbar, um
den Federdruck auf
den Ventilteller einzustellen. Die Ventilstange 31 ist gleitbeweglich in dem Federdruckstück
gelagert, außerdem in einem unteren Zentrierring 36. - Eine oben aufgeschraubte
Ventilkappe 37 schützt die Ventilstange gegen Beschädigungen und Einwirkung von
Fremdkörpern.
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Das Totpumpventil ist in der in Fig. 2 dargestellten Stellung geschlossen,
solange der Differenzdruck zwischen der Axial-Bohrung 22 bzw. dem Innenraum der
Steigrohrtour einerseits und den radialen Gehäusebohrungen 28,29 bzw. dem Ringraum
einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet. Dieser Wert der Öffnungsdruckdifferenz
ist frei wählbar. Er kann beispielsweise 7000 kPa betragen.
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Wenn der Ventilteller von dem Ventilsitz 25 abhebt, strömt die Spülflüssigkeit
durch die Axialbohrung 22, die Ventilkammer 27 und die radialen Gehäusebohrungen
28, 29 in den Ringraum. Dabei entstehen Druckabfälle im Bereich der radialen Gehäusebohrungen
28, 29 und in dem Ringkanal zwischen der Innenwand der Federhülse und dem Tellerventil,
außerdem zwischen Ventilsitz und Ventilteller. Demzufolge ist der Druck auf der
Unterseite des Ventiltellers bei geöffnetem Ventil erheblich größer als der Druck
auf den oberen Tellerventilflächen. Der Druck in der Axial-Bohrung 22, um das Tellerventil
offen zu halten, ist demzufolge wesentlich geringer als der Öffnungsdruck, mit anderen
Worten, wird der Ventilteller durch den Differenzdruck zwischen der Axial-Bohrung
22 und der Ventilkammer 27 entgegen der Kraft der Tellerfedern offengehalten, bis
der Differenzdruck einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
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Ein Test eines solchen Totpumpventils hat ergeben, daß es den Totpumpvorgang
zuverlässig bewältigt und anschließend dicht ist. Bei dem Test ist ein dynamischer
Druckverlust von 4000 kPa bei einer Pumpleistung von 40 I/m aufgetreten.
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Aus F i g. 2 ist noch ersichtlich, daß das untere Ende der Ventilstange
über eine Kugel 38 auf eine zentrierende Kugelaufnahmefläche des Ventiltellers drückt,
die mit 39 bezeichnet ist und annähernd kegelförmig ausgebildet ist.
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Ein bevorzugter Einbau des Totpumpventils nach F i g. 2 in den Ringraum
3 ergibt sich aus den F i g. 3 und 4. Hieraus ist ersichtlich, daß das Totpumpventil
weitgehend durch Bleche 40-43 geschützt ist, die das Totpumpventil seitlich weitgehend
abschließen. Zugänglich ist zwischen den Blechen noch das Zwischenstück 19 des Totpumpventils,
welches als Sechskant ausgebildet ist.
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Aus F i g. 4 ergibt sich weiteres zu der Lage der an das Steigrohr
2 angeschweißten Bleche sowie eine leicht exzentrische Anordnung des Steigrohrs
2 in der Futterrohrtour 1.
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Bei der in den Fig.5 und 6 dargestellten zweiten Ausführungsart des
Totpumpventils, welches sich über Überdruck im Ringraum zwischen Steigrohrtour und
Futterrohrtour öffnet, sind übereinstimmend gestaltete Elemente mit gleichen Bezugszeichen
wie die erste Ausführungsform versehen. Bei abweichender Gestaltung sind jedoch
neue Bezugszeichen gewählt, auch wenn die Abweichungen nicht grundsätzlicher Natur
sind.
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Die in Fig. 5 gezeigte zweite Ausführungsform des Totpumpventils
unterscheidet sich von der bisher besprochenen Ausführungsart im wesentlichen durch
folgendes: Die Axial-Bohrung 22 in dem Bodenstück 8 sowie die Verlängerung dieser
Axial-Bohrung in einem in das Bodenstück eingeschraubten Zwischenstück 19a gehen
direkt,
d. h. nicht über ein Ventil in eine Ventilkammer 44 in dem
Zwischenstück über. Das Ventil mit einem Ventilteller 44 befindet sich an der Oberseite
der Ventilkammer und ist in der Weise mit einer Ventilstange 46 verbunden, daß sich
der Ventilteller von einem Ventilsitz 47 lösen und in die Ventilkammer absinken
kann.
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Im einzelnen stellt eine Kugelkalotte 48, die an dem unteren Ende
der Ventilstange angebracht ist, zu einer zentrierenden Kugelaufnahmefläche 49 in
dem Ventilteller eine formschlüssige her. Der Ventilteller ist gegenüber der Ventilstange
wiederum mittels eines Stifts 50 gesichert, der zu dem Ventilteller eine Lose bildet.
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Ein den Ventilsitz unten aufweisendes Ventilsitzelement 51 wird durch
eine Federhülse 52 in dem Zwischenstück eingespannt Oberhalb des Ventilsitzelements
verläuft in dem Zwischenstück eine zweite Axial-Bohrung 53, aus der radiale Gehäusebohrungen
54, 55 ausgebohrt sind.
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Der Ventilteller wird in der dargestellten, nach oben an den Ventilsitz
47 gedrückten Lage durch einen Satz Tellerfedern gehalten, der einerseits an einem
Innenbund der Federhülse 52 über einen Zentrierring 36 angreift und andererseits
an ein Federdruckstück 56 drückt. Das Federdruckstück steht hier über ein Gewinde
mit der Ventilstange in fester Verbindung, während es an der Innenwand der Federhülse
entlang der Längsachse 23 gleiten kann. Ausgleichsbohrungen 57, 58 dienen wiederum
dazu, einen Druckausgleich zwischen dem oberen durch die Ventilkappe 37 verschlossenen
Raum und den unteren Raum, in dem der Federsatz angeordnet ist, herzustellen.
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Das Totpumpventil gemäß F i g. 5 öffnet wieder, indem der Ventilteller
nach unten in die Ventilkammer gedrückt wird, wenn der durch die radialen Gehäusebohrungen
übertragene Druck in dem umgebenden Ringraum 3 über einen vorgegebenen Wert über
dem Innendruck in der Steigrohrtour, der durch die Axial-Bohrung 22 übertragen wird,
liegt. Es wird dann das Totpumpventil durch den Differenzdruck entgegen der Kraft
der Tellerfedern geöffnet. Infolge der sich einstellenden Druckabfälle analog zu
der zu F i g. 2 beschriebenen Ausführungsart wird dann das Totpumpventil infolge
der an dem Ventilteller wirksam werdenden hydraulischen Flächen offengehalten, auch
wenn der Differenzdruck bis zu einer Mindestgröße absinkt. Erst unterhalb der Mindestgröße
überwiegt wieder die Federkraft der Tellerfedern, die den Ventilteller in die Verschlußstellung
zurückführt Aus F i g. 6 ist ersichtlich, daß hier die gleichen Schutzmaßnahmen
des Totpumpventils gegen Beschädigungen mit Blechen 40-43 getroffen sind.
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Ein Querschnitt durch die Totpumpventilanordnung nach F i g. 6 an
entsprechender Stelle wie in F i g. 3 zeigt gegenüber Fig. 4 keine Unterschiede.
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