DE3830814A1 - Zentriervorrichtung fuer eine polierte stange und/oder eine kolbenstange einer unterirdischen pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zentrieren von Einrichtungen in einer Förderleitung zur Ölförderung aus einer unterirdischen Formation.

Die Erfindung bezieht sich also auf die Ölförderung und insbesondere auf eine Zentriervorrichtung zum Zentrieren von Rohreinrichtungen und/oder Werkzeugen in einer Bohr­ lochverrohrung.

Öl wird aus unterirdischen Formationen durch eine rohr­ förmige Förderleitung, die aus einer bis an die Oberfläche reichenden Folge von Rohren gebildet wird, gefördert. Das Öl wird durch die Wirkung einer unten im Bohrloch ange­ ordneten Pumpe, die durch die rohrförmigen Einrichtungen mit vielen Pumpstangen und/oder mindestens einer polierten oder anderweitig geglätteten Stange gesteuert wird, ge­ fördert.

In den letzten Jahren wurden auf vielen Ölfeldern ge­ richtete und abweichende Bohrungen üblich. Für schwere und sehr schwere Rohöle wird auch die Einleitung von Dampf zur Verbesserung der Ölförderung verwendet. In vielen dieser Brunnen befindet sich eine polierte Stange, die sich durch eine Stopfbüchse bewegt. Häufig versagt diese polierte Stange wie auch die Kolbenstange, die mit der unter­ irdischen oder im Bohrloch angeordneten Pumpe verbunden ist, weil die auf das Pumpgestänge wirkenden, Hin- und Herbewegungs-Kräfte nicht vollkommen gleichgerichtet und mit der Stopfbüchse und/oder der unterirdischen Pumpe zentriert sind. Als Ergebnis entstehen unerwünschte Radialkräfte, die ungleichmäßigen Verschleiß der ver­ schiedenen Bestandteile bewirken und sowohl zu Ölverlust, als auch zu vorzeitigem Versagen der Pumpe führen.

Verschiedene Vorrichtungen zum Zentrieren und Führen der Stangen und/oder rohrförmigen Einrichtungen, wie zum Bei­ spiel Pumpstangen in einer rohrförmigen Förderleitung sind auf dem Fachgebiet bekannt. Ein Vorrichtungstyp hat mehrere Rollen zum Berühren der rohrförmigen Leitung und zum Aufrechterhalten des erwünschten Abstandes der rohr­ förmigen Leitung und der sich hin- und herbewegenden rohr­ förmigen Einrichtung oder des Meißels. Die U.S. Patente No. 24 66 239 (Holcombe), 26 01 478 (Weir) und 45 77 327 (Kinley et al.) veranschaulichen solche Vorrichtungen.

Zentrier- und Führungseinrichtungen mit feststehenden Kontaktelementen sind ebenfalls bekannt. U.S.-Patent No. 27 22 462 (Tschirley) zeigt einen Elastomerkragen mit einer Reihe von Vorsprüngen oder Auskragungen an einem Bohrrohr. Die Vorsprünge dienen dazu, die erwünschte Tren­ nung zwischen dem Rohr und dem umgebenden Gehäuse aufrecht zu erhalten. US Patent 39 38 853 (Jurgens et al.) er­ läutert eine ähnliche Stabilisiervorrichtung, die an einem Bohrkragen befestigt ist. Die Vorrichtung enthält eine innere und eine äußere Hülse mit einer Serie von sich längserstreckenden schraubenförmigen Rippen. Der Haupt­ nachteil bei der Verwendung derartiger feststehender Kontaktelemente ist ihre Neigung zum schnellen Verschleiß durch Reibung.

Kürzlich wurde eine Zentriervorrichtung mit einer Kupplung, einem zylindrischen Körper und mehreren linsen­ förmigen in Schlitzen im Körper angeordneten Rädern ent­ wickelt, um das Reibungsproblem zu überwinden. Um die Abnutzung der Rohrwand zu verringern, sind die Radteile aus einem harten, nicht abrasiven Material, wie zum Bei­ spiel Hart-Nylon hergestellt. Das US Patent 46 21 690 (Klyne) erläutert eine derartige Vorrichtung.

Viele dieser Vorrichtungen erreichten beim Test in Bohr­ löchern mit Temperaturen über 260°C keine hohe Lebens­ dauer. Oft sind die nichtmetallischen Bestandteile der Vorrichtung die schwachen Teile, weil sie den kritschen Bedingungen in Ölbohrungen nicht standhalten können. Bei den Räder aufweisenden Vorrichtungen kommt das Versagen oft daher, daß zu wenig Räder mit der Förderleitung in Berührung sind.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, eine Zentriervor­ richtung bereitzustellen, die bei verschiedenen Ölbohrein­ richtungen oder -werkzeugen verwendet werden kann, um die Einrichtungen in der Förderleitung zu zentrieren.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung, die die Reibungskräfte zwischen den Einrichtungen und der umgebenden Förderleitung verringert, bereitzustellen.

Es ist eine weiteres Ziel der Erfindung, eine Zentriervor­ richtung bereitzustellen, die in der Lage ist, den Be­ triebsbedingungen in Ölbrunnen standzuhalten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung einen langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer Längssymmetrieachse und mindestens einem sich durch den Körper erstreckenden Schlitz und ein drehbares Teil in jedem der exzentrisch zur Längsachse angeordneten Schlitze, um die Wand der Förderleitung zur Zentrierung dieser Einrichtungen in der Förderleitung zu berühren, aufweist.

Erfindungsgemäß wird also eine Zentriervorrichtung vorge­ schlagen, die zur Zentrierung einer polierten Stange und/ oder der Kolbenstange einer unterirdischen Pumpe in der Förderleitung eingesetzt werden kann. Die Zentriervor­ richtung umfaßt einen langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper, der eine Längssymmetrieachse, mindestens einen Schlitz quer durch den Körper und in jeden Schlitz ein drehbares Teil exzentrisch zur Längs­ achse aufweist. Bei einer bevorzugten Konstruktion be­ sitzt der Körper mehrere mit Abstand voneinander ange­ ordnete Schlitze; die Vorrichtung umfaßt mehrere in diesen Schlitzen drehbare Teile. Bei einer bevorzugten Arbeits­ weise berühren alle drehbaren Teile gleichzeitig die Rohr­ wand.

Die Zentriervorrichtung der vorliegenden Erfindung weist an jedem Ende sich längs erstreckende, innen mit Gewinden versehene Bohrungen auf, die eine Verbindung zu mehreren rohrförmigen oder nicht rohrförmigen Einrichtungen zu­ lassen. Bspw. könnte die Zentriervorrichtung zwischen eine polierte Stange und und eine Pumpstange eingefügt werden, um die polierte Stange in der Förderleitung zu zentrieren, wenn sich die Stange in einer Stopfbüchse bewegt. Die Zentriervorrichtung könnte auch zwischen einer Pumpstange und einer Kolbenstange einer unterirdischen Pumpe ange­ bracht sein, um diese innerhalb der Förderleitung zu zentrieren und auszurichten.

Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Zentrierein­ richtung die unerwünschten Radial-Reibungskräfte, die zum Versagen veschiedener Einrichtungen und Werkzeuge, die in der Ölförderung benutzt werden, führen können, verringert. Ferner kann die Zentriervorrichtung in heißer oder kalter Bohrungsumgebung eingesetzt werden.

Diese und weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Er­ findung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Zentriereinrichtung im Querschnitt;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, die ein in einem Schlitz eingebautes Rad veran­ schaulicht;

Fig. 3 eine Querschnittansicht, die die Beziehung zwischen den Rädern und der Förderleitung veranschaulicht;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Teilquerschnitts eines Teils der Zentriervorrichtung aus Fig. 1, die die Montage eines Rades in einem Schlitz zeigt;

Fig. 5 eine Querschnittansicht eines Teils der Zentrier­ vorrichtung aus Fig. 1, die die exzentrische Montage des Rades im Schlitz zeigt; und

Fig. 6 eine Querschnittansicht einer bevorzugten Radkonfiguration.

Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Zentrier­ vorrichtung 10 dazu verwendet werden, verschiedene Komponenten oder Werkzeuge in einer Ölförderleitung auszu­ richten. Zum Beispiel kann sie an der untersten Endver­ bindung einer rohrförmigen Einrichtung 12, wie zum Bei­ spiel einer polierten Stange, angebracht werden, um eine falsche Ausrichtung zu vermeiden. Sie kann auch an der oberen Verbindung einer rohrförmigen Einrichtung 14, wie zum Beispiel einer Kolbenstange, angeordnet werden, um sie zu zentrieren.

Aus den Figuren ist ersichtlich: die Zentriervorrichtung 10 ist aus einem langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper 16 hergestellt, der irgendeine ge­ wünschte Länge und einen gewünschten Durchmesser haben kann. Zum Beispiel kann der Körper 16 in den Durchmesser­ größen 1,90 cm, 2,22 cm, 2,54 cm, 2,86 cm, 3,18 cm und 3,81 cm hergestellt sein, um zu allen handelsüblichen polierten Stangen und Kolbenstangen zu passen. Der Körper 16 kann aus irgendeinem für die Verwendung in heißen und kalten Bohrlöchern geeigneten Material hergestellt sein, wie zum Beispiel gehärtetem und getempertem Stahl.

Der Körper 16 besitzt eine oder mehrere abgeflachte Ab­ schnitte oder ebene Flächen 28, um das Verdrehen der Zentriervorrichtung zu erlauben. Zusätzlich besitzt der Körper 16 in Längsrichtung verlaufende Gewindebüchsen 30 an jedem Ende, um eine Verbindung der Zentriervorrichtung mit jedem erwünschten Werkzeug, einem Teil der Ausrüstung oder jeder rohrförmigen Einrichtung mit passenden Gewinde­ endstücken zu erlauben.

Es sind mehrere Schlitze 18 im Körper 16 ausgebildet, um mehrere drehbare Teile 20, wie zum Beispiel Räder oder Rollen, die zur Zentrierung der Zentriereinrichtung und irgendeiner damit verbundene Einrichtung in der Förder­ leitung 22 dienen, aufzunehmen. Bevorzugt erstreckt sich jeder Schlitz quer durch den Körper 16 und ist so ausge­ richtet, daß seine Längenausdehnung im wesentlichen parallel zur Längssymmetrieachse A des Körpers 16 ver­ läuft. Während jeder Schlitz jede erwünschte Breite haben kann, ist es bevorzugt, daß er nur wenig weiter als die Dicke t eines Zentralabschnitts des drehbaren Teils 20 ist, so daß die Drehung des Teils 20 im wesentlichen auf eine zur Achse A im wesentlichen parallele Ebene, begrenzt ist.

Die Schlitze 18 erstrecken sich um den Umfang des Körpers 16 und sind in einer bevorzugten Anordnung um einen Winkel von ungefähr 45° gegeneinander versetzt. In dieser bevor­ zugten Form sind sie ferner so angeordnet, daß sie ein schraubenartige Anordnung bilden. Es wurde gefunden, daß, wenn eine derartige Anordnung vorgesehen wird, die Gesamt­ oberfläche der drehbaren Teile, die die Verrohrung berühr­ en, verbessert wird. Weiterhin werden die Kräfte, die pro drehbarem Teil wirken, wesentlich verringert, dadurch wird die Standzeit sowohl der Zentriervorrichtung als auch der Förderleitung verbessert. Zusätzlich wird die Wahrschein­ lichkeit eines Versagens der drehbaren Teile, verglichen mit anderen Anordnungen, verringert, weil die Kräfte üb­ licherweise im wesentlichen senkrecht auf das drehbare Teil wirken.

Wie aus den Fig. 2 und 5 ersichtlich, ist ein drehbares Teil 20 in jeden Schlitz 18 zur Drehung um eine Achse B, die von der Längsachse A entfernt oder dazu exzentrisch ist, angebracht. Der Abstand D zwischen der Längsachse A und der Rotationsachse B ist eine Funktion des Materials, aus dem das drehbare Teil 20 und die Förderleitung 22 besteht und des Durchmessers der Förderleitung 22. Für die meisten Anwendungen liegt die Abweichung im Bereich von ungefähr 1 bis zu ungefähr 15 mm, bevorzugt zwischen etwa 5 bis etwa 10 mm.

Die Drehachse B für jedes drehbare Teil 20 wird durch eine Stift 24 gebildet, dessen Enden in Bohrungen 26 angeordnet sind. Jedes geeignete Mittel (nicht gezeigt) nach dem Stand der Technik kann benutzt werden, um den Stift 24 in seiner Lage zu verriegeln. Bevorzugt ist jeder Stift 24 im wesentlichen quer zur Längsachse A und der Längsausdehnung des Schlitzes ausgerichtet. Obwohl der Stift 24 aus jedem dem Fachmann bekannten, geeigneten Material hergestellt sein kann, ist es bevorzugt, den Stift aus abgeschrecktem und getempertem Stahl herzustellen.

Jedes drehbare Teil 20 ist zur Drehung um den fest­ stehenden Stift 24 in einem gußeisernen Gleitlager 27 montiert. Es wurde gefunden, daß die Verwendung eines solchen Lagers die Standzeit des drehbaren Teils ver­ bessert, zum Teil als Ergebnis der großen Abnutzungs­ resistenz des Lagers.

In Fig. 6 besitzt das drehbare Teil 20 einen Zentral­ abschnitt 32 mit einer Dicke t, die ausreichend groß ist, als Drucklager zu wirken, um die Reibungskräfte zwischen dem zylindrischen Körper 16 und dem Teil 20 zu minimieren. Das Teil 20 ist weiterhin durch Zwischenabschnitte 34 an jeder Seite des Zentralabschnitt 32, mit einer Dicke T und durch ein Endteil 36, das bevorzugt einen halbkreis­ förmigen Querschnitt mit einem Radius von ungefähr der Hälfte der Dicke T besitzt, charakterisiert. Es wurde gefunden, daß, wenn solche halbkreisförmigen Endteile vorgesehen werden, die Kontaktfläche pro drehbarem Teil maximiert wird.

Der Durchmesser jedes Teils 20 ist natürlich eine Funktion des Versetzungsabstands D und des Durchmessers des Rohrs 22. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Zentriervorrichtung 10 betrieben, indem die Endabschnitte 36 der drehbaren Teile 20 gleichzeitig die innere Wand der Rohrs 22 be­ rühren.

Es wurde gefunden, daß die Standzeit der Zentriervor­ richtung 10 und der Förderleitung 22 dadurch verlängert werden kann, daß jedes drehbare Teil 20 aus einem Material hergestellt wird, das bei den Arbeitstemperaturen in der Bohrung, im allgemeinen oberhalb 150°C, eine Härte von mindestens 50 Brinnel-Härte (HB) bis ungefähr 150 HB, bevorzugt ungefähr 50 HB unter der Härte des Materials, aus dem die Förderleitung hergestellt ist, besitzt. Es wurde gefunden, daß bei der Verwendung eines solchen Härteunterschieds eine Beschädigung der Förderleitung verhindert werden kann. Die drehbaren Teile 20 können aus Nichteisenmaterialien, wie zum Beispiel wärmehärtbaren und/ oder thermoplastische Polymeren oder metallischen Materialien, wie zum Beispiel Eisen- oder Nichteisenmetall oder Metallegierungen hergestellt sein. Geeignete metallische Materialien schließen Kupferlegierungen mit einer Härte im Bereich zwischen etwa 50 HB und etwa 200 HB und austenitsche oder ferritische rostfreie Stähle, wie zum Beispiel AISI 316, ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Selbstverständlich hängt das für die Teile 20 ausgewählte spezielle Material von der Bohrloch­ temperatur und Korrosionswirkung, der Härte der Förder­ leitung und der Brunnentiefe ab. Die Förderleitung 22 kann aus API J 55 hergestellt werden. Um zusätzlich die Stand­ zeit zu erhöhen, wurde gefunden, daß der oben erwähnte Härteunterschied den Reibungsverschleiß der Leitung durch die drehbaren Teile verringert.

Während das Teil 16 jede gewünschte Anzahl von Schlitzen 18 haben kann und die Vorrichtung 10 jede Anzahl drehbarer Teile 20 haben kann, ist es bevorzugt, daß es acht Schlitze und acht drehbare Teile gibt.

Wenn sie als Zentriervorrichtung für ein polierte Stange benutzt wird, wird die Vorrichtung 10 so eng wie möglich an das untere Ende der polierten Stange angeschlossen. Wenn sie als Zentriervorrichtung für eine Kolbenstange benutzt wird, wird die Vorrichtung 10 so eng wie möglich mit der Kolbenstange der unterirdischen, nicht darge­ stellten, Pumpe verbunden.

Offensichtlich wird erfindungsgemäß eine Zentriervorrich­ tung für eine polierte Stange und/oder eine Kolbenstange einer unterirdischen Pumpe bereitgestellt, die vollkommen die eingangs beschriebenen Ziele, Mittel und Vorteile, befriedigt. Während die Erfindung anhand spezieller Aus­ führungsformen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß viele Alternativen, Abwandlungen und Veränderungen im Licht der vorangegangenen Beschreibung dem Fachmann offen­ sichtlich sind. Entsprechend ist beabsichtigt, alle die Alternativen, Abwandlungen und Veränderungen, die unter den Erfindungsgedanken und in den breiten Schutzbereich der Ansprüche fallen, zu umfassen.

Bezugszeichenliste:

10 Zentriervorrichtung
12 polierte Stange
14 Kolbenstange
16 Körper
18 Schlitz
20 drehbares Teil
21 Lager
22 Förderleitung
24 Stift
26 Bohrung
28 abgeflachter Abschnitt oder ebene Fläche
30 Gewindebüchse
32 Zentralabschnitt
34 Zwischenabschnitt
36 Endteil

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Zentrieren von Einrichtungen in einer Förderleitung zur Ölförderung aus einer unterirdischen Formation, gekennzeichnet durch einen langgestreckten, im wesentlichen zylindrischen Körper (16) mit einer Längs­ symmetrieachse und mindestens einem sich durch den Körper (16) erstreckenden Schlitz (18) und durch ein drehbares Teil (20) in jedem der exzentrisch zur Längsachse ange­ ordneten Schlitze (18), um die Wand der Förderleitung (22) zur Zentrierung dieser Einrichtungen in der Förderleitung, zu berühren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Schlitze (18) und in jedem Schlitz (18) ein exzentrisch eingebautes drehbares Teil (20) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle drehbaren Teile (20) gleichzeitig die Leitungs­ wand berühren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes drehbare Teil (20) um eine Achse drehbar be­ festigt ist, die im wesentlichen quer zur Längsachse und in einer Ebene liegt, die im wesentlichen parallel zu einer die Längsachse enthaltenden Ebene ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Drehachse ein in den Körper (16) eingebauter Stift (14) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes drehbare Teil (20) durch ein gußeisernes Gleit­ lager (21) um einen Stift (24) drehbar montiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes drehbare Teil (20) aus einem Material herge­ stellt ist, das mindestens 50 Brinnel-Härtegrade weniger als das Material der Förderleitung (22) hat, um die Förderleitung zu schützen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (16) an jedem Ende sich längs erstreckende Gewindebüchsen (30) hat, um die Vorrichtung mit mehreren rohrförmigen Einrichtungen zu verbinden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine rohrförmige Einrichtung eine polierte Stange und die andere eine Pumpstange ist und die Vorrichtung die polierte Stange zentriert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der rohrförmigen Einrichtungen eine Pumpstange und die andere die Kolbenstange einer unterirdischen Pumpe ist und die Vorrichtung die Kolbenstange zentriert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der drehbaren Teile (20) ein halbkreisförmiges Endteil (36) zur Schaffung einer verhältnismäßig großen Kontaktfläche besitzt.