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Tiefpumpen zum Fördern von Erdöl Besondere Schwierigkeiten entstehen
beim Fördern von Erdöl aus Bohrlöchern, wenn das Rohöl großen Sandgehalt mitführt.
Da es sich hier um große Förderhöhen handelt, sinkt aus der in der Steigleitung
stehenden Flüssigkeitssäule ein Teil des Sandes infolge seines höherenspezifischenGewichtes
undderverhältnismäßig geringen Fördergeschwindigkeit zurück. Dadurch werden die
Ventile versandet, so daß sich diese nicht mehr öffnen können. Die Pumpe fördert
dann nicht mehr. Es gibt Sonden, bei denen schon nach 24stündigem Betriebe dieser
Zustand eintritt, so daß die Pumpen ausgebaut werden müssen. Das bedeutet tagelange
Arbeit zur Wiederinstandsetzung der Anlage und den Verlust des Förderausfalles während
dieser Zeit. Ähnliche Störungen entstehen auch beim Fördern stark gashaltigen Erdöles.
Hier werden beim Saughub durch das unter dem Kolben entstehende Vakuum vom Rohöl
mitgeführte Gase frei, dehnen sich aus und verhindern dabei das Öffnen des Saugventils.
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Diese Übelstände sollen durch die vorliegende Erfindung behoben werden,
und zwar geschieht dies dadurch, daß zur Verhütung und Beseitigung der Versandung
von außen beeinflußbare Spül- und Entleerungsvorrichtungen sowie Vorrichtungen zur
zwangsläufigen Steuerung der Ventile vorgesehen sind. Der Erfindungsgegenstand ist
auf der Zeichnung in seiner Anwendung beispielsweise erläutert.
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Es zeigen: Abb. r ein Ausführungsbeispiel einer Tiefpumpe mit Entleerungseinrichtung,
Abb. 2 desgl. mit gesteuertem Ventil, Abb.3 desgl, mit gesteuertem Saug- und Druckventil
und Spüleinrichtung, Abb.4 desgl. mit gesteuertem Saugventil und Entleerungseinrichtung,
Abb. 5 desgl. mit gesteuertem Saug- und Druckventil sowie mit Spül- und Entleerungseinrichtung,
Abb. 6 die schematische Darstellung der gesamten Förderanlage, Abb. 7 eine Ausführungsform
eines Kugelventils.
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Bei der in Abb. r dargestellten Pumpe ist es möglich, bei eingetretener
Versandung durch Absenken des Kolbens die ganze oder teilweise Entleerung der Pumpe
und Steigleitung vorzunehmen, damit Pumpe und Ventile durch die zurückströmende,
bereits geförderte Flüssigkeit von dem angesetzten Sand befreit werden.
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Der Entleerungsvorgang ist folgender: Der in dem Pumpenzylinder r
an dem Gestänge 2 befestigte Arbeitskolben 3 wird soweit hinabgelassen, bis die
Kugel des Druckventils auf
den Kolben 5, der aus dem Saugventilgehäuse
6 hervorragt, aufsitzt. Dabei wird die Kugel vom Sitz des Druckventils 4 gehoben
und der Kolben 5 nach abwärts gedrückt. Dieser verschiebt die in dem Kanal ? befindliche
Flüssigkeit und diese wiederum den Kolben 8, wodurch nun auch die Kugel vom Sitz
des Saugventils 9 gehoben wird. Damit sind nun beide Ventile geöffnet, und die in
Pumpe und Steigleitung stehende Flüssigkeit kann in das Bohrloch zurückfließen,
wobei Pumpe und Ventile durchspült und vom Sande befreit werden. Nach beendeter
Spülung wird der Kolben hochgezogen, wodurch die Kugel zurückfällt und das Druckventil
4. wieder geschlossen wird. Die Feder io bringt den Kolben 5 wieder in die Ruhestellung;
zugleich geht auch der Kolben 8 in diese zurück, läßt die Kugel fallen und schließt
damit auch das Saugventil g.
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Diese Entleerungsvorrichtung erfüllt einen doppelten Zweck, denn außer
der vorbeschriebenen Durchspülung kann sie mit Vorteil auch dann angewendet werden,
um Pumpe und Steigleitung vollständig zu entleeren, damit die Flüssigkeitssäule
nicht mitgehoben werden muß, wenn die Pumpe gezogen wird.
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Abb. z zeigt eine Fördereinrichtung, bei welcher das Saugventil zwangsläufig
bei jedem Saughub mit dem Druck der Flüssigkeitssäule in der Steigleitung durch
einen Kolben gehoben wird.
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Auch hier bezeichnet i den Zylinder, 2 das Gestänge, 3 den Arbeitskolben,
.4 das Druckventil, 6 das Saugventilgehäuse mit dem Saugventil g. Eine Umleitung
i i verbindet den Druckraum 12 oberhalb des Arbeitskolbens 3 mit einem unterhalb
des Saugventils angebrachten Zylinder 13, in welchem sich ein Kolben 14. führt.
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Der Arbeitsgang dieser Fördereinrichtung gestaltet sich folgendermaßen:
Beim Abwärtsgang des Arbeitskolbens 3 öffnet sich das Druckventil 4 und läßt die
im Raum unterhalb des Kolbens 3 beim vorhergegangenen Arbeitsgang angesaugte Flüssigkeit
über das Ventil 4. treten. Mit der Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens 3 nach
oben wird zunächst das Druckventil 4 geschlossen und die darüber gelagerte Flüssigkeit
gehoben. Gleichzeitig mit dem Aufwärtsgehen des Kolbens 3 wird das Saugventil 9
einesteils durch die beim Hochgehen des Kolbens entstehende Saugwirkung und andererseits
durch den unter der Druckwirkung der Flüssigkeitssäule stehenden Kolben 14 gehoben.
Hat der Kolben 3 seine Aufwärtsbewegung beendet und die Bewegung nach unten eingeleitet,
so öffnet sich das Druckventil 4. und schließt, da nun zwischen Saug- und' Druckraum
Gleichdruck herrscht, durch das Gewicht der Flüssigkeitssäule das Saugventil 9 und
bringt dadurch den Kolben 14 wieder in Ruhestellung.
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Bei einer mit dieser Einrichtung versehenen Pumpe können Verlagerungen
des Saugventils durch Sand oder aus dem Rohöl frei werdende Gase die Tätigkeit des
Ventils nicht stören, da die Betätigung desselben zwangsläufig erfolgt.
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Die Pumpe nach Abb. 3 zeigt außer der in Abb.2 beschriebenen zwangsläufigen
Steuerung des Saugventils noch eine Einrichtung zur zwangsläufigen öffnung des Druckventils
und die Bespülung dieser beiden durch eine Spülflüssigkeit, welche von einer über
Tage mit der gleichen Antriebsvorrichtung betätigten Spülpumpe geliefert und durch
das hohle Gestänge nach unten geleitet wird.
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In Abb. 3 ist an dem Hohlgestänge :2 der Arbeitskolben 3 befestigt.
In dem Kolben 3 sind außer dem Druckventil .I der Steuerkolben 15, der Ventilkegel
16 mit dem zu einem Kolben ausgebildeten Schaft 17 und der Ventilhebekolben i 8
untergebracht. Die Einlaßkanäle sind mit i g und die Verteilungskanäle für die Spülflüssigkeit
mit 2o, 21 bezeichnet. Abb. 6 zeigt die schematische Darstellung der Gesamtanordnung
einer solchen Förderanlage mit Schwengelantrieb. Nach dieser hängt die Förderpumpe
i an der Steigleitung 22, in welchem sich das Hohlgestänge 2 bewegt und durch welches
die von der Spülpumpe 23 gelieferte Spülflüssigkeit zur Förderpumpe i gedrückt wird.
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Die Wirkungsweise dieser Pumpe mit Spüleinrichtung ist folgende: Beim
Aufwärtsgang des Arbeitskolbens 3 wird die über dem Druckventil 4. lagernde Flüssigkeit
gehoben und durch das Saugventil 9 frische Flüssigkeit angesaugt. Beim Abwärtsgehen
des Kolbens 3 drückt die in Abb. 6 über Tage angeordnete Spülpumpe 23 die Spülflüssigkeit
durch das Hohlgestänge :2 zunächst auf den Steuerkolben 15 (Abb. 3) und dieser wieder
den Ventilkegel 16 von seinem Sitz. Der Schaft 17 des zu einem Kolben ausgebildeten
Ventilkegels 16 wiederum verdrängt die Flüssigkeit im Kanal 24, hebt den Kolben
18 und öffnet damit das Druckventil 4. Im weiteren Verlauf der Abwärtsbewegung des
Steuerkolbens 15 öffnet dieser die Kanäle ig und läßt die Spülflüssigkeit über das
Spülventil 16 in die Kanäle 2o, 2i gelangen, so daß Druckventil 4 und Saugventil
9 gleichzeitig bespült werden. Der Austritt der Spülflüssigkeit zusammen mit der
vorher angesaugten Förderflüssigkeit erfolgt durch die Ventilauslässe 25. Mit der
Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 schließt sich das Druckventil 4.; zugleich schiebt
der Kolben i 8 den Ventilkegel 16, 17 und den Steuerkolben 15 nach oben und sperrt
den
Zufluß der Spülflüssigkeit zu den Kanälen i9 ab.
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Die in Abb..I dargestellte Fördereinrichtung vereinigt in sich die
in Abb. i und -2 beschriebenen Einrichtungen und ermöglicht dadurch außer der zwangsläufigen
üffnung des Sangventils auch die Entleerung und Durchspülung der Pumpe.
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Diese Pumpe besteht außer den bereits bei Abb. i und 2 erwähnten Zylinder
i, Gestänge 2, Kolben 3, Druckventil .I, Druckv.°_ntilliebekolben 5, Ventilgehäuse
6 mit Kanal 7, Saugventil 9, Feder io, Umleitung i i noch aus den Kolben 26, die
an einem Ring 27 befestigt sind, ferner den Kolben 28, 29, Feder 30 und dein
Zylindergehäuse 13 mit dem Kanal 31.
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Die zwangsläufige öffnung des Saugventils 9 erfolgt genau in der gleichen
Weise wie bei der nach Abb.2 beschriebenen Pumpe. Die Üftnun",; des Saug- und Druckventils
-zwecks Entleerung oder Durchspülung der Pumpe erfolgt ähnlich wie bei Abb. i, nur
mit dein Unterschied, daß beim 'Niedergehen des Kolbens 3 die von dein Kolben 5
in dem Kanal ; verdrängte Flüssigkeit auf die an einem ringförmigen Körper 27 befestigten
Kolben 26 wirkt. Beim Niedergehen des Ringes 27 drückt der Kolben 28 durch die im
Kanal 31 befindliche Flüssigkeit auf den Kolben 29, liebt den Kolben 1.4 und öffnet
damit durch Heben der Kugel das Saugventil 9.
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Die in Abb. 5 dargestellte Einrichtung läßt eine Pumpe erkennen, bei
welcher Saug- und Druckventil zwangsläufig geöffnet und bei jedem Hub der Pumpe
wie bei Abb. 3 Spülflüssigkeit zugeführt wird und die außerdem noch die Einrichtung
zur Entleerung der Pumpe und Steigleitung besitzt, wie sie in der Abb..I dargestellt
ist.
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Die Wirkungsweise der Pumpe und ihrer Einrichtungen geht in gleicher
Weise vor sich wie bei den in Abb. 1, 2, 3 und .I gezeigten Pumpen mit dem Unterschied,
daß der den Ventilhebekolben 18 führende Zylinder gegenüber dem in Abb. 3 dargestellten
nach unten verlängert ist und einem weiteren Kolben 32 Führung gibt, welcher beim
Auftreffen auf den Kolben 5 in Gemeinschaft mit diesem beide Ventile öffnet und
die Flüssigkeit aus der Pumpe und Steigleitung zurückfließen läßt.
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Außer den in der Einleitung beschriebenen Schwierigkeiten zeigt sich
beim Fördern von sandhaltigem Ü1, daß die Ventile schon nach kurzer Zeit infolge
U ndichtigkeit unbrauchbar werden und vorzeitig ausgewechselt werden müssen. Die
Ursache dieser Erscheinung ist darin zu erblicken, daß z. B. bei Kugelventilen beim
Ventilschluß auf der Ventilsitzfläche, die ja nur als eine Linie zu betrachten ist,
Fremdkörper sitzenbleiben, insbesondere Sand, also Quarz, der im Rohöl in größeren
-Mengen enthalten ist. Ein solches auf der Ventilsitzfläche liegendes Sandkorn gräbt
sich naturgemäß beim Ventilschluß unter dem Druck der Kugel und der auf dieser lastenden
Flüssigkeitssäule ein Bett ein, da die Härte des Quarzes eine wesentlich größere
ist als die der bisher für Ventile verwendeten Baustoffe. Damit ist nun die Ursache
für eine dauernde Ventilundichtigkeit gegeben. Durch diese, wenn auch anfänglich
ganz geringe Undichtigkeit strömt die bereits geförderte Flüssigkeit mit dem Sand
zurück. In Anbetracht der bei der Erdölförderung vorkommenden großen Förderhöhen
erreicht die Flüssigkeitssäule über dem Ventil ein sehr erhebliches Gewicht, so
daß die zurückströmende, mit Sand vermischte Flüssigkeit unter dem hohen Druck (bis
zu Zoo atü) eine außerordentlich große Geschwindigkeit erhält und diese ursprünglich
winzige Unterbrechung in der Dichtungslinie rasch bis zur Unbrauchbarkeit vergrößert.
Man hat aus diesen Erfahrungen gelernt und zum Bau der Ventile die widerstandsfähigsten
Stahle verwendet, ohne daß es möglich war, die vorstehend kurz genannten Übelstände
völlig zu beseitigen. Der erfindungsgemäße Vorschlag geht dahin, den Ventilsitz
und- die Kugel aus Wolframcarbid, das fast an die Härte des Diamanten heranreicht,
auszubilden. Wolframcarbid hat etwa die Härte 91(.,, während Quarz nur die Härte
7 erreicht, so daß es von Quarz nicht angegriffen werden kann. In Rücksicht auf
den hohen Preis des Wolframcarbids wird man zweckmäßig und wirtschaftlicherweise
nur ein Einsatzstück aus Wolframcarbid verwenden.
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Abb. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Ventils, wobei
der Ventilring mit 33, das Einsatzstück aus Wolframcarbid mit 3.1. und die Kugel
mit 35 bezeichnet ist. Selbstverständlich lassen sich auch bei anderen Ventilarten
die Sitz- und Dichtungsflächen aus Wolframcarbid ausbilden.