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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zur Tail-Ölgewinnung
aus Ölbohrungen mit
niedrigem Druck.
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Während einer
ersten Förderperiode,
die mehrere Jahre dauern kann, ist eine typische Ölbohrung,
beispielsweise in der Nordsee, selbstfördernd. Während dieser Förderperiode
ist der Druck des Öls in
der verdeckten Struktur ausreichend groß, so dass das Öl von selbst
durch den Förderstrang
des Bohrlochs nach oben strömt.
Im weiteren Verlauf der Ölförderperiode
nimmt der Druck in der Öl
führenden Struktur
ab, bis das Bohrloch nicht mehr selbstfördernd ist. In diesem Förderstadium
befinden sich jedoch noch große
Mengen Öl
in der Struktur, häufig nicht
weniger als 80% der ursprünglichen Ölmenge.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden zur Gewinnung eines größeren Anteils der in der Ölstruktur
verbleibenden Ölmenge
vor allem drei Verfahren zur verstärkten Gewinnung (enhanced recovery)
verwendet.
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Ein
Verfahren umfasst das so genannte Gas-Lift-Verfahren, bei dem Gas über einen
Ringraum des Bohrlochs eingepresst wird, woraufhin es sich mit dem Öl mischt,
das aus der umgebenden Ölstruktur
ein- und weiter durch den Förderstrang
des Bohrlochs nach oben strömt.
Die Beimischung von Gas senkt die relative Dichte und damit den
hydrostatischen Druck der ausströmenden
Fluidsäule.
Dadurch kann der verringerte Druck in der Ölstruktur noch ausreichend
hoch sein, um die Strömungsreibung
und den hydrostatischen Bodendruck der Fluidsäule zu überwinden, so dass ermöglicht wird,
dass weitere Ölmengen
während
einer neuen Zeitperiode aus der Ölstruktur
gefördert
werden.
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Ein
weiteres Verfahren besteht im Einpressen von Wasser nach unten in
eine Einpressbohrung und in die Öl
führende
Struktur, wodurch der Druck in der Ölstruktur erhöht bzw.
beibehalten wird. Auf diese Weise werden weitere Ölmengen
aus der Struktur herausgepresst und über ein oder mehrere zusammenwirkende
Förderlöcher an
die Oberfläche
befördert.
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Ein
drittes Verfahren besteht im Installieren einer Pumpe vor Ort in
einem Förderstrang
einer Ölbohrung.
Sodann wird Öl
nach oben an die Oberfläche
gepumpt. Eine solche Pumpe muss für den Einsatz unter Extrembedingungen
konstruiert sein. Dementsprechend ist zu berücksichtigen, dass der Förderstrang
einen relativ kleinen Durchmesser aufweist und dass die Pumpe daher
mit innerhalb des Förderstrangs
passenden Maßen
ausgebildet werden muss. Ebenso ist zu berücksichtigen, dass die Pumpe
potentiell Hubhöhen
von mehreren tausend Metern überwinden
muss und dass daher ein Betrieb der Pumpe bei sehr hohen Drücken möglich sein muss.
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Solche
Pumpen gemäß dem Stand
der Technik bestehen üblicherweise
aus einer großen
Anzahl von Axialpumpen, die an einer langen, gemeinsamen Welle vorgesehen
sind, und sie haben einen Antriebsmotor, der entweder unter oder über der
Pumpe selbst angeordnet ist, insofern kann diese Pumpe 10–20 Meter
lang sein. Der gesamte durch eine solche Pumpe gelieferte Pumpendruck
ist das Ergebnis eines sukzessiven Druckaufbaus in mehreren Druckphasen,
wobei jede Druckphase einer der Axialpumpen entlang der gemeinsamen
Welle entspricht. Ein großes
Problem bei diesen Pumpen ist es, dass sie sehr empfindlich gegenüber Gas
im Ölstrom
sind und dass sie nicht zufriedenstellend funktionieren, wenn im
Auslass eine auch nur relativ geringe Gaskonzentration vorliegt.
Dieses Problem verstärkt
sich, wenn der Druck in der Ölstruktur
sich durch die Ölförderung verringert,
wodurch immer größere Gasmengen
aus dem Öl
freigesetzt werden, so dass sich die Gaskonzentration im Ölstrom erhöht.
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Auf
dem Festland, beispielsweise in den USA, ist die Verwendung von
Kolbenpumpen in relativ flachen Bohrlöchern bekannt. Im Allgemeinen
wird der Pumpenkolben vor Ort im Bohrloch mit Hilfe eines Drahtes
auf und ab bewegt, der an einer mit dem Kolben verbundenen Exzenterwelle
befestigt ist. Jedes Mal, wenn der Kolben nach oben bewegt wird, liefert
eine solche Pumpe einen pulsierenden Ölstrom. Zum Überwinden
eines relativ geringen Ölsäulendrucks
am Boden eines relativ flachen Bohrlochs ist diese Pumpenlösung akzeptabel.
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Allgemein
eignet sich eine Kolbenpumpe zur Bereitstellung eines hohen Pumpendrucks
in einer einzelnen Druckphase, was bedeutet, dass dieser Druck im
Verlauf eines Hubes der Kolbenbewegung in einem zugehörigen Zylinder
bereitgestellt wird. Unter bestimmten Bedingungen kann eine Kolbenpumpe
auch eine relativ große
Gasmenge in der gepumpten Flüssigkeit
bewältigen.
Aus diesem Grund ist eine Kolbenpumpe für die Ölgewinnung aus tiefen Bohrlöchern mit
niedrigem Druck in der verdeckten Struktur sehr gut geeignet. Pumpen
auf Kolbenbasis sind beispielsweise in den Publikationen
NO 305667 ,
US 3.625.288 ,
US 4.268.277 ,
US 4.536.137 und
GB 2.100.362 offenbart.
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In
tiefen Bohrlöchern,
wie zum Beispiel denen in der Nordsee und anderen Hochseegebieten, kann
ein Förderstrang
oftmals viele Kilometer lang sein, und die Hubhöhe der Ölsäule kann 3000–5000 Meter
betragen. Beim Einsatz einer Kolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik zum
stoßweisen
und pulsierenden Auspumpen von Öl
aus einem Bohrloch wird ein großer
Anteil des Pumpendrucks und damit der Pumpenleistung zur Beschleunigung
der Ölsäule für den einzelnen
Pumpimpuls verwendet. Die Anwendung dieses Pumpprinzips in einem
tiefen Bohrloch erfordert daher zur pulsierenden Beschleunigung
einer derart langen Ölsäule zur
Oberfläche
einen Pumpendruck und Pumpenleistung in nicht realistischer Höhe. Wenn
ermöglicht
wird, dass die über der
Pumpe liegende Ölsäule mit
einer relativ kontinuierlichen und gleichmäßigen Strömung aus dem Bohrloch herausströmt, kann
dieser Nachteil verringert werden, so dass der pulsierende Verlauf
der Beschleunigung vermieden oder stark reduziert wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die genannten Nachteile von Kolbenpumpen des
Standes der Technik zu vermeiden oder zu verringern. Insbesondere ist
es die Aufgabe, eine Kolbenpumpe bereitzustellen, die geeignet ist,
vor Ort in einem Förderstrang
in einem tiefen Bohrloch angebracht zu werden; die eine Konstruktion
aufweist, welche es ermöglicht, eine
relativ gleichmäßige Pumpströmung von Öl an die
Oberfläche
zu liefern; und die relativ große
Gasmengen in ihrem Einlass-Ansaugbereich tolerieren kann, wobei
die Pumpe gleichzeitig sehr geringe oder keine vibrationserzeugenden
und freien Massenkräfte
aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst
wie in der folgenden Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen offenbart.
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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zum Herauspumpen von Öl aus einer
verdeckten Struktur über
eine Ölbohrung.
Die Kolbenbumpe ist bei Anordnung im Bohrloch mit notwendigen Steuer-
und Antriebsmitteln zum Steuern bzw. Antreiben der Pumpe verbunden.
Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung bestehen darin, dass
die Pumpe vier Kolbenanordnungen aufweist, die mit Hilfe einer starren
Sperre zwischen zwei gegenüberliegenden
Kolbenanordnungen und mit Hilfe einer Zahnradsperre zwischen den
beiden Kolbenanordnungen und den beiden anderen, gegenüberliegenden
Kolbenanordnungen als zwei entgegengesetzte Kolbenanordnungspaare
vorgesehen sind.
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Mit
Ausnahme eines kurzen Intervalls bei der Hin- und Herbewegung stellt
diese Kolbenpumpenkonstruktion die vorteilhafte Funktion bereit,
dass sich immer ein Kolbenpumpenanordnungspaar im Pumphub-Modus
befindet, während
sich das andere Paar immer in einem gleichzeitigen Ansaughub-Modus
befindet. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe bietet
daher beim Betrieb in einem Bohrloch den Vorteil einer nahezu kontinuierlichen
und ununterbrochenen Pumpwirkung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Kolbenpumpe nacheinander Folgendes auf:
einen Pumpenzylinderabschnitt, einen Sperrabschnitt und einen Antriebszylinderabschnitt. Diese
Abschnitte sind alle mit einem zentral vorgesehenen Ölauslasskanal
versehen, durch den gewonnenes Öl
weiter und aus dem Bohrloch heraus strömen kann. Innen sind der Pumpenzylinderabschnitt, der
Sperrabschnitt und der Antriebszylinderabschnitt mit vier axialen
Zylinderanordnungen versehen, die peripher um den Ölauslasskanal
verteilt sind. Jede Zylinderanordnung weist Folgendes auf: einen
Pumpenzylinder im Pumpenzylinderabschnitt; einen nach innen offenen
Bewegungsbereich im Sperrabschnitt und einen Antriebszylinder im
Antriebszylinderabschnitt. Innen ist jede Zylinderanordnung mit
einer axial beweglichen Kolbenanordnung versehen, wobei jede Kolbenanordnung
Folgendes aufweist: einen Pumpenkolben in dem Pumpenzylinder; eine
Kolbenstange in dem nach innen offenen Bewegungsbereich und einen
Antriebskolben in dem Antriebszylinder. Zwei diametral gegenüberliegende
Kolbenstangen sind durch eine zwischen ihnen vorgesehene Kopplung
mechanisch verbunden. Jede der beiden mechanisch verbundenen Kolbenstangen
ist mit einer der anderen beiden Kolbenstangen über ein dazwischen vorgesehenes
Zahnrad beweglich verbunden, wobei die beiden Zahnräder in dem
Sperrabschnitt gestützt
werden. Jede Kolbenstange ist auch mit einem Zahnstangenbereich
versehen, der zu dem Zahnrad hingewandt ist und eine Länge aufweist,
welche wenigstens der Hublänge
der Kolben entspricht.
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Die
peripher um den Ölauslasskanal
verteilten vier axialen Zylinderanordnungen können auch mit einem zwischen
ihnen bestehenden gleichen Winkelabstand verteilt sein. Außerdem kann
der nach innen offene Bewegungsbereich in dem Sperrabschnitt aus
einer (im Querschnitt gesehen) teilweise zylinderförmigen Vertiefung
bestehen. Des Weiteren kann die mechanische Kopplung in dem Sperrabschnitt
aus einer Verbindungsplatte bestehen.
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Ein
Beispiel einer Ausführungsform
der vorliegenden Kolbenpumpe wird im Folgenden beschrieben, wobei
auf die beigefügten
Figuren Bezug genommen wird, für
die gilt:
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1 zeigt
einen unteren Abschnitt eines Förderstrangs
eines Bohrlochs, wobei innerhalb des Abschnittes eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe vorgesehen
ist;
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2 zeigt
einen schematischen, radialen Querschnitt durch die Kolbenpumpe,
wobei auch eine Schnittlinie III-III durch die Pumpe angezeigt ist;
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3 zeigt
einen exzentrischen, axialen Schnitt durch die Kolbenpumpe, gesehen
entlang der Schnittlinie III-III aus 2, wobei 3 auch
eine Schnittlinie VI-VI durch die Pumpe zeigt;
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4 zeigt
einen weiteren schematischen, radialen Querschnitt durch die Kolbenpumpe,
wobei auch eine Schnittlinie IV-IV durch die Pumpe angezeigt ist;
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5 zeigt
einen zentralen, axialen Schnitt durch die Kolbenpumpe, gesehen
entlang der Schnittlinie IV-IV aus 4, wobei 5 auch
eine Schnittlinie VII-VII durch die Pumpe zeigt;
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6 zeigt
einen vergrößerten und
weiter detaillierten radialen Querschnitt durch die Kolbenpumpe,
gesehen entlang der Schnittlinie VI-VI aus 3; und
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7 zeigt
einen vergrößerten und
weiter detaillierten radialen Querschnitt durch die Kolbenpumpe,
gesehen entlang der Schnittlinie VII-VII aus 5.
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1 zeigt
eine Kolbenpumpe 2 gemäß der Erfindung.
Von unten nach oben gesehen, weist die Pumpe 2 Folgendes
auf: ein Ansaug-Mundstück 4, einen
Pumpenventilabschnitt 6; einen Pumpenzylinderabschnitt 8;
einen Sperrabschnitt 10; einen Antriebszylinderabschnitt 12;
einen Steuerventilabschnitt 14 und oben eine hydraulische
Antriebseinheit 16. Eine Pumpe (nicht dargestellt) in der
Antriebseinheit 16 pumpt Hydraulikflüssigkeit in einer Schleife
zwischen einem bistabilen 3-5-Wege-Ventil (nicht dargestellt) in
dem Steuerventilabschnitt 14 und der Antriebseinheit 16.
In dem Steuerventilabschnitt 14 wird die Hydraulikflüssigkeit
weiter durch geeignete Hydraulikflüssigkeitskanäle (nicht
dargestellt) und zu den entsprechenden Antriebszylindern 26a, 26b, 26c und 26d in
dem Antriebszylinderabschnitt 12 geleitet. Die Zuleitung
von Antriebskraft und Steuersignalen zu der Antriebseinheit 16 sowie Beförderung
und Steuerung der Hydraulikflüssigkeitswege
innerhalb der Pumpe 2 gehören dem Stand der Technik an
und werden im Folgenden nicht weiter beschrieben.
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Der
Pumpenzylinderabschnitt 8, der Sperrabschnitt 10 und
der Antriebszylinderabschnitt 12 sind mit einem zentral
vorgesehenen Auslasskanal 18 versehen, der am besten in 6 und 7 dargestellt
ist. Öl,
das mit Hilfe der Kolbenpumpe 2 durch das Mundstück 4 eingesaugt
wird, wird mit Hilfe von in dem Pumpenventilabschnitt 6 angeordneten
Steuerventilen gemäß dem Stand
der Technik in den Ölauslasskanal 18 geleitet.
Der Ölauslasskanal 18 setzt
sich auch durch den Steuerventilabschnitt 14 und die hydraulische
Antriebseinheit 16 fort und mündet im Förderstrang 20 des
Bohrlochs. So kann gewonnenes Öl
zur Oberfläche
weitergepumpt werden.
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Vier
Zylinderanordnungen A, B, C und D sind radial außerhalb des Ölauslasskanals 18 vorgesehen und
umgeben den Kanal 18. Wie beispielsweise in 3 und 5 gezeigt,
ist der Pumpenzylinderabschnitt 8 innen mit vier axialen
Pumpzylindern 22a, 22b, 22c und 22d versehen,
die peripher mit einem dazwischen bestehenden gleichen Winkelabstand angeordnet
sind. Innen ist das Material des Sperrabschnittes 10 mit
vier axialen und teilweise zylinderförmigen Vertiefungen 24a, 24b, 24c und 24d versehen, die
peripher mit einem dazwischen bestehenden gleichen Winkelabstand
angeordnet sind. Analog ist der Antriebszylinderabschnitt 12 innen
mit den vier axialen Antriebszylindern 26a, 26b, 26c, 26d versehen, die
ebenfalls peripher mit einem dazwischen bestehenden gleichen Winkelabstand
verteilt sind. Jeder Pumpenzylinder 22a, 22b, 22c, 22d ist
mit einer entsprechenden, teilweise zylinderförmigen Vertiefung 24a, 24b, 24c, 24d und
mit einem entsprechenden Antriebszylinder 26a, 26b, 26c, 26d versehen.
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Innen
in jeder Zylinderanordnung A, B, C, D ist eine axial bewegliche
Kolbenanordnung a, b, c und d vorgesehen, die nacheinander Folgendes
aufweist: einen Pumpenkolben an einem Ende; eine Kolbenstange sowie
einen Antriebskolben am anderen Ende, vgl. 3 und 5.
Somit sind vier Kolbenanordnungen a, b, c, d vorgesehen, jeweils
eine in jeder Zylinderanordnung A, B, C, D. Die Kolbenanordnungen
a, b, c, d weisen Folgendes auf: vier entsprechende Pumpenkolben 28a, 28b, 28c und 28d;
vier entsprechende Kolbenstangen 30a, 30b, 30c und 30d sowie
vier entsprechende Antriebskolben 32a, 32b, 32c und 32d.
Die Seite der Pumpenzylinder 22a, 22b, 22c, 22d und
der Antriebszylinder 26a, 26b, 26c, 26d in
nächster
Anordnung an dem Sperrabschnitt 10 ist mit einer Schulter 34 versehen,
gegen welche die hintere Seite jedes Kolbens im betriebsbereiten
Zustand und während
der Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
in seinem Zylinder anschlagen kann.
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Zwei
diametral gegenüberliegende
Kolbenstangen 30b und 30d sind mit Hilfe einer
Kopplung oder einer Verbindungsplatte 36, die zwischen
ihnen vorgesehen ist, mechanisch verbunden. Dadurch bewegt sich
die Kolbenanordnung b gleichförmig
zusammen mit der Kolbenanordnung d während ihrer axialen Hin- und
Herbewegungen. Die Verbindungsplatte 36 ist am besten in 5 und 7 dargestellt.
Die zwei anderen diametral gegenüberliegenden
Kolbenstangen 30a und 30c sind nicht über eine solche
mechanische Kopplung verbunden.
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Die
Kolbenstange 30a und die Kolbenstange 30d bzw.
die Kolbenstange 30c und die Kolbenstange 30b sind
jedoch über
ein zwischen ihnen vorgesehenes Zahnrad 38 bzw. Zahnrad 38' beweglich miteinander
verbunden, wobei beide Zahnräder 38, 38' in dem Sperrabschnitt 10 abgestützt werden.
In dieser Verbindung ist jede Kolbenstange 30a, 30b, 30c, 30d mit
einem Zahnstangenabschnitt 40 versehen, der nach innen
dem jeweiligen Zahnrad 38, 38' zugewandt ist, um mit dem Zahnrad 38, 38' in Eingriff
zu stehen und zusammenzuwirken. Der Zahnstangenabschnitt 40 hat
eine Länge,
die wenigstens der Hublänge
jedes Kolbens entspricht. Diese Zahn-Wechselwirkung ist am besten
in den 3 und 6 dargestellt. Wenn die beiden
mechanisch verbundenen Kolbenanordnungen b und d sich gleichförmig zusammen
in einer axialen Richtung bewegen, wird durch die Zahnräder 38, 38' sichergestellt,
dass eine koordinierte und gleichförmige Bewegung der anderen
beiden Kolbenanordnungen a und c in der entgegengesetzten axialen
Richtung bereitgestellt wird. Dadurch sind zwei Antriebskolben sowie
zwei Pumpenkolben beim Betrieb der Kolbenpumpe 2 stets
simultan aktiv. Außerdem
resultiert dies unmittelbar daraus, dass die vier Kolbenanordnungen
a, b, c, d der Pumpe 2 als zwei entgegengesetzte Kolbenanordnungspaare
b, d und a, c vorgesehen sind. Diese Kolbenpumpenkonstruktion führt auch
zu einem vollständigen
Ausgleich der Massenkräfte
in der Pumpe 2. Gleichzeitig wird der austretende Ölstrom relativ konstant
und gleichmäßig, und
zwar auch dann, wenn beim Richtungswechsel der Kolben aufgrund ihrer
axialen Hin- und Herbewegung ein Druckstoß auftritt.
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Der
Druckstoß wird
dazu verwendet, das bistabile 3-5-Wege-Ventil umzuschalten, um Hydraulikflüssigkeit
für den
Pumpenantrieb abwechselnd einem ersten Antriebszylinderpaar 26b, 26d und
einem zweiten Antriebszylinderpaar 26a, 26c zuzuführen. Diesbezüglich kann
die Öffnung
des Hydraulikfüssigkeitskanals
in jedem Antriebszylinder 26a, 26b, 26c, 26d in
einigem Abstand unter der Oberseite des Zylinders vorgesehen sein.
Wenn ein Antriebskolben 32a, 32b, 32c, 32d sich
in seinem jeweiligen Antriebszylinder 26a, 26b, 26c, 26d zu
der Oberseite des Zylinders hin bewegt, ist daher ein Hydraulikfüssigkeitpolster
zwischen der Öffnung
für Hydraulikflüssigkeit
und der Zylinderoberseite vorhanden. Dementsprechend schlägt jeder
Antriebskolben 32a, 32b, 32c, 32d gegen
ein stoßdämpfendes
Hydraulikflüssigkeitspolster
an, anstatt mechanisch gegen eine Oberseite eines Antriebszylinders
zu anzuschlagen. Ein solches Hydraulikflüssigkeitspolster sorgt für eine ruhigere
und weniger belastende Arbeitswirkung der Kolbenpumpe 2.