DE3830813C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zentrieren mindestens einer Pumpstange innerhalb einer Förderleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung bezieht sich also auf die Ölförderung und insbesondere auf eine zentrierende Führungseinrichtung für Pumpstangen um Verschleiß an Förderleitung und Pumpstange durch Verringerung der Reibungskräfte zwischen ihnen zu verhindern.

Öl wird aus unterirdischen Formationen durch eine rohr­ förmige Förderleitung, die aus einer Reihe von Röhren, die bis an die Oberfläche reichen, zusammengesetzt ist, ge­ fördert. Das Öl wird durch die Leitung mittels einer im Bohrloch befindlichen Pumpe, gesteuert durch ein Pump­ gestänge, das an der Oberfläche durch ein Pumpgestell hin- und herbewegt wird, gefördert. Ein Pumpgestänge ist aus einer Vielzahl einzelner Pumpstangen aufgebaut, die an den Enden verbunden sind. Jede Pumpstange enthält einen Haupt­ abschnitt, der einen typischen Durchmesser im Bereich von 1,90 cm bis 3,81 cm und eine Länge von etwa 9,144 m (30 Fuß) hat.

In den letzten Jahren wurden auf vielen Ölfeldern ge­ richtete und abgelenkte Bohrungen üblich. Die Verwendung von Pumpgestängen in gerichteten oder abgelenkten Bohr­ löchern ergab Schwierigkeiten. Das üblicherweise aus Stahl hergestellte Gestänge, neigt dazu, an der unteren Seite der Förderleitung zu liegen und mit der Zeit führt die Hin- und Herbewegung des Pumpgestänges zu Abrieb an der Wand des Rohres. Zusätzliche Schwierigkeiten entstehen aus der Dampfeinleitungtechnik, die verwendet wird, um die Förderung von schweren und sehr schweren Rohölen zu ver­ bessern.

Es wurden Versuche, die mit den in den rohrförmigen Ein­ richtungen verwendeten Werkzeugen oder den rohrförmigen Einrichtungen einhergehenden Reibungsprobleme zu lösen, durchgeführt, indem man eine Zentriervorrichtung einbaute, die dazu dient, das Werkzeug oder die rohrförmige Ein­ richtung auf Abstand von der Förderleitung zu halten und dadurch den Verschleiß der Rohrwand zu verrringern. Diese Zentriervorrichtungen haben verschiedene Formen ange­ nommen, wie zum Beispiel eine Reihe von Vorsprüngen am Außenumfang eines Kupplungsteils und Rollen oder Lager, die in die Pumpstange eingebaut wurden. US Patent No. 27 22 462 (Tschirley) erläutert eine solche Vorrichtung, die einen Elastomerkragen mit einer Reihe von Vorsprüngen oder Auskragungen, die an einem Bohrrohr angebracht sind, besitzt. Die Vorsprünge am Kragen sind so ausgelegt, daß sie einen erwünschten Abstand zwischen dem Rohr und dem umgebenden Gehäuse aufrechterhalten. U.S. Patent No. 39 38 853 (Jurgens et al.) erläutert eine ähnliche stabilisierende Vorrichtung, die an einer Schwerstange be­ festigt ist. Die Vorrichtung besitzt eine innere und eine äußere Hülse mit einer Serie sich längs erstreckender, schraubenförmiger Rippen. Als Hauptnachteil dieser Vor­ richtungen wird ihre Neigung, als Folge des Reibungs­ kontakts zwischen den befestigten Zentrierelementen und der Förderleitung zu verschleißen, angesehen.

Die US-Patente No. 24 66 239 (Holcombe), 26 01 748 (Weir) und 45 77 327 (Kinley) veranschaulichen Führungen, die Rollen oder Lager benutzen. Bei Holcombe wird eine Serie von Rädern oder Rollen mittels einer Flügel- und Halte­ plattenanordnung auf eine Stange montiert. Bei Weir sind zur Führung der Pumpstange eingesetzte Lagerkugeln in einer Reihe längsverlaufender Rillen, mit dazwischen­ liegenden Laufbahnen, um den Stangenumfang angeordnet. Bei Kinley et al. enthält die Zentriereinrichtung mehrere federbelastete Zentrierarme mit einer Serie von Rollen in einem Zentralabschnitt.

Vor kurzem wurde eine Zentriervorrichtung entwickelt, die eine Kupplung mit einem zylindrischen Körper und mehreren linsenähnlichen Rädern enthält, welche in Schlitzen im Körper angeordnet sind. Um den Verschleiß der Leitungswand zu verringern, sind die Radteile aus einem harten, nicht abrasiven Material, wie zum Beispiel Hart-Nylon, herge­ stellt. US Patent No. 46 21 690 (Klyne) erläutert eine derartige Vorrichtung.

Viele dieser Vorrichtungen erreichten beim Test in einer Bohrung, mit einer Temperatur über 260°C, im Betrieb keine hohe Lebensdauer. Oft sind die nichtmetallischen Komponenten der Vorrichtungen die schwachen Teile, weil sie den kritischen Bedingungen in Ölbohrungen nicht stand­ halten können. Bei den mit Rädern versehenen Vorrichtungen kommt das Versagen oft daher, daß zu wenig Räder mit der Förderleitung in Kontakt sind.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, die ein Pumpgestänge in einer Förder­ leitung zentriert und die Reibungskräfte zwischen diesen verringert sowie in der Lage ist, den üblichen Bedingungen beim Betrieb in Ölbohrungen standzuhalten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zentrieren eines Pumpgestänges innerhalb einer Förderleitung und zum Ver­ ringern der Reibung zwischen diesen umfaßt einen langge­ streckten, im wesentlichen zylindrischen Körper, der mehrere Schlitze enthält und ein drehbares Teil, das in jeden der Schlitze angebracht ist. Diese Vorrichtung ver­ bessert früherer Vorrichtungen insofern, daß jedes dreh­ bare Teil aus einem Metall oder einer Metallegierung mit einer Härte von ungefähr 50-150 Brinnel-Härte, bevorzugt ungefähr 50 Brinnel-Härte unter der Härte des härteren Materials der Förderleitung, hergestellt ist, wobei die relative Härte bei den im Bohrloch angetroffenen Tempe­ raturen aufrechterhalten wird, das heißt, bei Temperaturen von etwa 150°C und darüber. Brauchbare Metallmaterialien für die drehbaren Teile schließen Kupferlegierungen und austenitische oder ferritische nichtrostende Stähle ein, sind aber nicht darauf beschränkt.

Eine weitere Eigenschaft der Erfindung ist die Anordnung der Schlitze in dem Körper so, daß eine schraubenförmige Anordnung drehbarer Teile gebildet wird. In einer bevor­ zugten Anordnung werden die drehbaren Teile um etwa 30° im Uhrzeigersinn zueinander versetzt. Es wurde gefunden, daß, falls diese Anordnung vorgesehen wird, mindestens drei drehbare Teile gleichzeitig mit der Förderleitung in Kontakt gebracht werden können.

Der Körper ist bevorzugt aus abgeschrecktem und ge­ temperten Stahl und an jedem Ende mit Gewindebüchsen für die Verbindung mit mehreren Pumpstangen versehen. Die Anbringung und die Anzahl der Pumpstangenzentriervor­ richtungen, die in einem Pumpgestänge verwendet werden, hängt vom Ablenkungsgrad und von der Tiefe des Bohrlochs ab.

Die Aufgabe und die Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines Teil-Querschnitts durch eine erfindungsgmäße Zentriervorrichtung;

Fig. 2 eine Ansicht eines Schnittes durch die Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht eines Schnittes eines Teils der Vorrichtung aus Fig. 1, die die Montage eines drehbaren Teils in einem Schlitz veranschaulicht; und

Fig. 4 eine Ansicht eines Schnittes durch ein drehbares Teil, das in der Vorrichtung aus Fig. 1 einge­ setzt wird.

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, wird die Pumpge­ stängezentriervorrichtung 10 aus einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper 12 gebildet. Der Körper 12 kann jede erwünschte Länge und Durchmesser haben und aus irgendeinem geeigneten Material, bspw. abgeschrecktem und getempertem Stahl, hergestellt sein. Zum Beispiel kann der Körper 12 in den Größen 1,90 cm, 2,22 cm, 2,54 cm, 2,86 cm, 3,18 cm und 3,81 cm hergestellt sein, um zu den handelsüblichen Pumpstangen zu passen.

Der Körper 12 kann auch eine oder mehrere Flächen oder flache Abschnitte 28 haben, um das Verdrehen der Zentrier­ vorrichtung zu ermöglichen. Zusätzlich können innen längs­ gerichtete Gewindebüchsen 30 an jedem Ende vorgesehen sein, um der Vorrichtung 10 die Verbindung mit einer oder mehreren Pumpstangen 32, die passende Gewindeenden haben, zu ermöglichen.

In den Körper 12 werden mehrere Schlitze 14 eingearbeitet, um mehrere drehbare Teilen 16 einzupassen, wie zum Bei­ spiel Räder oder Rollen, die dazu dienen, das Pumpgestänge innerhalb der Förderleitung zu zentrieren und die Rei­ bungskräfte zwischen diesen zu verringern. Jeder Schlitz 14 erstreckt sich bevorzugt quer durch den Körper 12 und ist so angeordnet, daß seine Längsausdehnung im wesent­ lichen parallel zur Längsachse des Körpers 12 ist. Während jeder Schlitz jede erwünschte Weite haben kann, ist es bevorzugt, daß er nur wenig weiter ist, als die Dicke t des Zentralabschnitts 24 des drehbaren Teils 16, um die Drehung des drehbaren Teils 16 im wesentlichen auf eine Ebene zu begrenzen, die im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Körpers 12 liegt.

Die Schlitze 14 sind um den Körper 12 angeordnet und be­ vorzugt um einen Winkel von ungefähr 30° gegeneinander versetzt. Sie sind weiterhin so angeordnet, daß sie eine schraubenförmige Anordnung bilden. Es wurde gefunden, daß, wenn man diese Anordnung vorsieht, die gesamte Kontakt­ fläche der drehbaren Teile mit der Förderleitung ist, erhöht wird. Weiterhin werden die pro drehbarem Teil wirkenden Kräfte wesentlich verringert und dadurch die Standzeit sowohl der Vorrichtung 10 als auch der Förder­ leitung verbessert. Weiterhin ist die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der drehbaren Teile, verglichen mit anderen Anordnungen verringert, weil die Kräfte üblicherweise im wesentlichen senkrecht auf das drehbare Teil wirken.

Ein drehbares Teil 16, wie ein Rad, ist in jedem Schlitz 14 um eine Achse drehbar angebracht, die von einem Stift 18, dessen Enden in den Bohrungen 20 angeordnet sind, bestimmt wird. Jedes geeignete bekannte Mittel kann zum Festsetzen der Stifte in den Bohrungen verwendet werden. In einer bevorzugten Anordnung verläuft der Stift 18 im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Körpers und der Längenausdehnung des Schlitzes. Jeder Stift ist bevorzugt aus abgeschrecktem und getemperten Stahl hergestellt. Das Teil 16 ist um den Stift 18 drehbar durch ein Zwischen­ lager 22 befestigt. Es wurde gefunden, daß die Verwendung eines Zwischenlagers 22 die Standzeit des drehbaren Teils verbessert. Jedes geeignete Lager, wie ein gußeisernes Gleitlager, kann als Lager 22 verwendet werden.

In Fig. 4 besitzt das drehbare Teil 16 einen Zentral­ abschnitt 24 mit einer Dicke t, die ausreichend groß ist, daß das Teil 16 als Drucklager zur Verminderung der Reibungskräfte zwischen dem zylindrischen Körper 12 und sich selbst wirkt. Das Teil 16 enthält weiterhin einen Abschnitt 25 an jeder Seite des Zentralabschnitts mit einer Dicke T und ein Endteil 26 mit bevorzugt halbkreis­ förmigem Querschnitt und einem Radius im wesentlichen gleich der Hälfte der Dicke T. Es wurde gefunden, daß, wenn solche halbkreisförmige Endteile vorgesehen werden, die Kontaktfläche pro drehbarem Teil größtmöglich ist. Selbstverständlich kann das Teil 16 jeden gewünschten Durchmesser haben.

Erfindungsgemäß wird die Standzeit der Vorrichtung 10 und der Förderleitung 34 dadurch verbessert, daß jedes dreh­ bare Teil 16 aus Metall oder einer Metallegierung, mit (bei Temperaturen über 150°C) einer Härte von mindestens ungefähr 50 bis ungefähr 150 Brinnel-Härte (HB), bevorzugt ungefähr 50 HB unter der Härte des härteren Materials, das die Förderleitung bildet, hergestellt ist. Es wurde ge­ funden, daß bei Verwendung dieses Härteunterschieds eine Beschädigung der Förderleitung verhindert werden kann.

Das Metall oder die Metallegierung, woraus jedes Teil 16 hergestellt ist, soll in der Lage sein, die oben erwähnte relative Härte gegenüber der Förderleitung im wesentlichen konstant über die Zeit, bei den im Bohrloch vorhandenen Arbeitstemperaturen, in der Regel 150°C und mehr, auf­ rechtzuerhalten. Es ist auch wünschenswert, daß das Material, aus dem die Teile 16 gebildet sind, im wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit altert, wie das Material, aus dem die Förderleitung 34 hergestellt ist. Selbstverständlich wird das für die Teile 16 aus­ gewählte Material auch teilweise durch die Korrosions­ wirkung und die Temperatur der Flüssigkeit, die in dem Bohrloch produziert wird, bestimmt. Geeignete metallische Materialien für die drehbaren Teile schließen Kupfer­ legierungen mit einer Härte im Bereich von ungefähr 50 HB bis ungefähr 200 HB und austenitische oder ferritische rostfreie Stähle, wie zum Beispiel AISI 316, ein. Die Förderleitung 34 kann aus API J 55 hergestellt sein. Zusätzlich zur Verbesserung der Standzeit, wurde gefunden, daß der oben erwähnte Härteunterschied den Reibungsver­ schleiß der Leitung durch das drehbare Teil verringert.

Während das Teil 12 jede beliebige Zahl Schlitze haben kann und die Vorrichtung 10 jede Zahl drehbarer Teile haben kann, sind sechs Schlitze und sechs drehbare Teile bevorzugt. Es wurde gefunden, daß dann, wenn sechs Schlitze und drehbare Teile benutzt werden, wenigstens drei der drehbaren Teile immer in Kontakt mit der Förder­ leitung sind.

Offensichtlich ist erfindungsgemäß eine Zentriervor­ richtung für Pumpstangen bereitgestellt worden, die voll­ kommen die oben genannten Ziele, Mittel und Vorteile er­ reicht. Während die Erfindung unter Bezugnahme auf be­ sondere Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß viele Alternativen, Abwandlungen und Änderungen im Licht der vorangehenden Beschreibung für einen Fachmann offensichtlich sind. Entsprechend sollen alle diese Alternativen, Abwandlungen und Änderungen unter den Erfindungsgedanken und in den Schutzumfang der An­ sprüche fallen.

Bezugszeichenliste:

10 Zentriervorrichtung
12 Körper
14 Schlitz
16 drehbares Teil
18 Stift
20 Bohrungen
22 Lager
24 Zentralabschnitt
25 Abschnitt
26 Endteil
28 Fläche oder flacher Abschnitt
30 Gewindebüchse
32 Pumpstange
34 Förderleitung

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Zentrieren mindestens einer Pumpstange innerhalb einer Förderleitung zur Verringerung von Reibungskräften zwischen Leitung und Pumpstange, mit einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper (12) mit einer Längsachse, mehreren Schlitzen (14) im Körper (12) und einem in jedem Schlitz angeordneten drehbaren Teil, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz (14) sich in seiner Haupterstreckungsrichtung parallel zur Längsachse des Körpers (12) erstreckt und zu den anderen Schlitzen (14) so angeordnet ist, daß sie einen Helix bilden, um die Gesamtoberflächenkontaktfläche zwischen den drehbaren Teilen (16) und dem Rohr zu maximieren; daß jedes drehbare Teil einen ersten Zentralabschnitt mit einer Dicke t besitzt, um als Drucklager zur Minimierung von Reibungskräften zu dienen und einen Endabschnitt mit einer Dicke T besitzt, wobei t größer ist als T und wobei jeder Endabschnitt einen Radius besitzt, der im wesentlichen gleich 0,5 bis 1 T ist, um die Kontaktfläche zu maximieren; daß jedes drehbare Teil in dem jeweiligen Schlitz (14) um eine zweite Achse, die im wesentlichen quer zur ersten Achse verläuft, drehbar ist; daß die Härte des Materials des drehbaren Teils (16) zwischen mindestens 50 bis 150 Brinnel- Härtegrade unterhalb der Härte des Materials liegt, aus dem die Förderleitung besteht, und dieses Härteverhältnis auch bei Betriebstemperaturen von 150 Grad Celsius, wie sie im Bohrloch angetroffen werden, aufrechterhalten bleibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die drehbaren Teile (16) aus einer Kupferlegierung gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbaren Teile (16) mindestens aus austenitischem und ferritischem rostfreien Stahl gebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stift in jedem Schlitz (14), der die Rotationsachse des jeweiligen drehbaren Teils bestimmt, und durch ein Lager zwischen dem Stift und dem drehbaren Teil.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Schlitze (14) mit einem Winkel von 30 Grad zueinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) an jedem Ende sich längs erstreckende Bohrungen mit Gewinde aufweist, die zur Befestigung der Vorrichtung an Pumpstangen dienen.