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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpanlage für zweiphasige
Ausflüsse aus Flüssigkeit/Gas, und insbesondere auf eine solche Anlage, die
für das Abpumpen von Kohlenwasserstoffen aus einem Bohrloch einer Ölquelle
bestimmt ist.
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Bei manchen Bohrlöchern ist der natürliche Ausfluss der Kohlenwasserstoffe
vom Boden zur Oberfläche nicht ausreichend, um eine wirtschaftliche
Produktion zu ermöglichen oder zu erhalten. Dies beruht entweder auf der
Viskosität und dem Gewicht der Ausflüsse, oder auf einem zu geringen
natürlichen Druck am Boden des Bohrlochs gegenüber den Faktoren, die sich
ihrem Aufstieg an die Oberfläche widersetzen. Um die Förderung der Ölquelle
wirtschaftlich betreiben zu können, muss ein künstliches System für den Hub
der Ausflüsse oder ein System für die Aktivierung der Ölquelle eingesetzt
werden. Man kann zum Beispiel eine Pumpe am unteren Ende eines in das
Bohrloch eingesetzten Förderrohres befestigen, oder man kann eine
Vorrichtung für das Einblasen von Gas am Grund des Bohrlochs vorsehen. Die
letztgenannte Vorrichtung, die im allgemeinen als "gas lift" bezeichnet wird,
dient dazu, die Kohlenwasserstoffsäule in dem Bohrloch leichter zu machen,
um ihr Aufsteigen an die Oberfläche zu erleichtern.
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Eine Vorrichtung für das Einblasen von Gas am Grund des Bohrlochs ist im
allgemeinen zuverlässig, hat jedoch den Nachteil, dass auf einer isolierten
Baustelle eine unter Druck stehende Gasquelle vorgesehen werden muss, wie
zum Beispiel ein Kompressor mit den dazu gehörigen Rohrleitungen.
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Der Einsatz einer Pumpe, die am unteren Ende einer Verrohrung angeordnet
ist, durch die der zweiphasige Ausfluss aus Flüssigkeit/Gas an die Oberfläche
aufsteigt, hat gewisse Nachteile, wenn der Ausfluss einen großen Anteil an Gas
enthält. Die in dem Ausfluss enthaltenen Blasen können komprimiert werden,
und ein Teil der Energie der Pumpe dient dazu, das Gas zu komprimieren und
kann dann nicht dazu verwendet werden, um das Fluid an die Oberfläche zu
befördern. Diese Tatsache kann sogar dazu führen, dass der Durchsatz des
Fluids auf Null absinkt (ein Zustand, der im allgemeinen als "Kavitation" oder
"gas-lock" bezeichnet wird). Kreiselpumpen sind neigen besonders zu gas-lock,
und zwar insbesondere in Bohrlöchern, da sie an der Unterseite einer
Fluidsäule angeordnet sind, die aufgrund ihres Eigengewichtes sogar bei einem
Durchsatz von Null ihrer Verdrängung einen hydrostatischen Gegendruck
entgegensetzt. Bei einer Unterbrechung der Ausströmung trennen sich
außerdem die Gase und Flüssigkeiten durch Schwerkraft am Grund des
Bohrlochs, wodurch in manchen Fällen schwere Funktionsstörungen der
Pumpe bei ihrem erneuten Anlauf hervorgerufen werden, wenn das
angesammelte Gas in die Pumpe eindringt, oder wenn sich aufgrund dieses
vorübergehenden Zustandes eine große Gasblase im Inneren der Pumpe
ausgebildet hat.
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Daher muss der größte Teil des Gases von der flüssigen Phase der Ausnüsse
abgetrennt werden, bevor diese Flüssigkeit von der Pumpe angesaugt wird.
Daher kann die gesamte Energie der Pumpe verwendet werden, um die
Flüssigkeit an die Oberfläche zu befördern und die Gefahr einer Kavitation
wird reduziert.
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Aber diese Abtrennung der Gase stromaufwärts der Pumpe erfordert einen
Entlüftungskanal für das Gas, der sich von dem Kanal unterscheidet, der von
der Flüssigkeit benutzt wird, welche die Pumpe durchquert. Eine übliche
Methode, die verwendet wird, um diese Funktion zu gewährleisten, besteht
darin, das Gas durch den ringförmigen Raum zu "ventilieren" - das heißt, zu
leiten -, der zwischen der Innenwand des Schachtausbaus des Bohrloches und
der Außenwand der Verrohrung vorhanden ist, welche für den Ablauf der
abgepumpten Flüssigkeit dient. Diese Methode hat jedoch mehrere wesentliche
Nachteile, die bewirken, dass die Erschließung der Ölquelle teurer und sogar
gefährlicher wird: insbesondere der natürliche Energieverlust der Anhebung;
der chemische und/oder der mechanische Angriff der mit dem Gas in
Berührung stehenden Materialien; und die starke und nicht kontrollierbare
thermische Wechselwirkung zwischen den Ausflüssen und dem äußeren
Umfang des Bohrlochs, welche kostspielige Abwasserprobleme verursachen
kann.
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Um diese Nachteile teilweise zu überwinden, beschreibt das Dokument FR-A-2.723.143
eine Vorrichtung für Bohrlöcher von Ölquellen, die eine Pumpe
aufweist, welche am unteren Ende einer ersten Verrohrung angeordnet ist, und
bei der eine zweite Verrohrung vorgesehen ist, um eventuell Gas aufzunehmen,
das aus dem Ausfluss stammt und stromaufwärts der Pumpe abgetrennt wird,
und die dieses Gas unabhängig von der flüssigen Phase an die Oberfläche leitet.
In diesem Dokument ist für die Bevorzugung der Abtrennung des Gases des
Ausflusses am Grund des Bohrloches die Pumpe mit einem Schurz ausgestattet,
der bis unter die Schicht des Erdölgesteins reicht. Dadurch wird der Ausfluss,
der in das Bohrloch gelangt, gezwungen, nach unten zu laufen, bevor er von
der Pumpe angesaugt wird, wodurch eine ausgezeichnete Abtrennung der
Gase erreicht wird, welche die unabhängige Verrohrung durchqueren sollen.
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Obwohl es die in dem Dokument FR-A-2.723.143 beschriebene Vorrichtung
erlaubt, dass die Pumpe einen Ausfluss mit einem geringen Gasgehalt
aufnehmen kann, so hat sie jedoch den Nachteil, dass sie eine zweite
Verrohrung über die gesamte Länge des Bohrloches erfordert, wodurch starke
dimensionale und wirtschaftliche Einschränkungen des Gewerkes verursacht
werden. Außerdem hat die Säule des flüssigen Ausflusses, der von der Pumpe
an die Oberfläche befördert wird, ein hohes Gewicht, da sie weitgehend frei
von Gas ist, so dass eine Pumpe mit einer größeren Leistung erforderlich ist.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anlage für das Abpumpen
eines zweiphasigen Ausflusses aus Flüssigkeit/Gas zu schaffen, die einen
einfachen Aufbau hat, robust und zuverlässig ist, und die nicht die vorstehend
genannten Nachteile aufweist.
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Um dieses Ziel zu erreichen, wird mit der vorliegenden Erfindung eine
Pumpanlage vorgeschlagen, die in ein Bohrloch einer Ölquelle eingebaut
werden kann, das sich von der Oberfläche bis in eine Schicht des Erdölgesteins
erstreckt, und die eine Verrohrung aufweist, an dessen unterem Ende eine
Pumpe montiert ist, sowie eine Dichtung, die in dem Bohrloch rund um die
Verrohrung montiert ist und am unteren Ende des Bohrlochs eine Kammer
begrenzt, in der die Pumpe eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anlage außerdem einen Hydroejektor in der Verrohrung aufweist, der einen
Unterdruckbereich aufweist, der am oberen Ende der Kammer mündet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
deutlicher aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, die in Bezug auf
die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, in denen folgendes dargestellt
ist:
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Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Die Fig. 2a und 2c zeigen schematische Ansichten von drei Funktionsarten
der vorliegenden Erfindung.
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In der Darstellung der Fig. 1 verläuft ein Bohrloch 10 einer Ölquelle zwischen
der (nicht dargestellten) Oberfläche und einer Schicht des Erdölgesteins 12. Das
Bohrloch ist mit Perforationen 14 ausgestattet, die in das Erdölgestein münden
und den Ablauf der Kohlenwasserstoffe in das Innere des Bohrlochs 10
erlauben. Das Bohrloch 10 enthält einen Schachtausbau 16, der es gegenüber
den Gesteinsschichten abdichtet, die von dem Bohrloch durchquert werden. Im
Inneren des Bohrlochs verläuft eine Verrohrung 18 zwischen der Oberfläche
und einem Punkt, der einige Meter über der Gesteinsschicht 12 liegt. Die
Verrohrung 18 hat an ihrem unteren Ende eine Pumpe 20 mit Einlassen 22 für
den Ausfluss, der an die Oberfläche befördert werden soll. In dem dargestellten
Beispiel besteht die Pumpe 20 aus einer drehenden Zentrifugenpumpe und ihr
Motor ausgehend von der Oberfläche mittels eines (nicht dargestellten)
elektrischen Kabels versorgt. Vor der Absaugung durch die Pumpe 20, bewegt
sich der aus der Gesteinsschicht 12 stammende Ausfluss, welcher das Bohrloch
bis zu einem Niveau 24 füllt, in Richtung der Pfeile 26. Während dieser
Bewegung wird das in dem Ausfluss enthaltene Gas freigesetzt und steigt in
dem Bohrloch bis auf die Höhe einer Dichtung 28 auf, die im allgemeinen als
"Packer" bezeichnet wird, wodurch eine Gasblase 30 zwischen dem Niveau 24
des flüssigen Ausflusses und der Dichtung 28 in einer Kammer 31 in dem
Bohrloch unter dem Packer 28 ausgebildet wird. Zweckmäßigerweise kann die
Pumpe 20 einen speziellen Abscheider mit einem Ablenkblech oder einen
dynamischen Abscheider vom Typ einer Zentrifuge oder eines Vortex
enthalten, um die Abtrennung stromaufwärts der (nicht dargestellten) Pumpe
zu garantieren. Ohne einen solchen Abscheider erfolgt die Trennung
üblicherweise durch Schwerkraft in der Kammer 31, in der sich aufgrund des
Durchgangsquerschnitts die rohen Ausflüsse, die aus den Perforationen
austreten, mit einer relativ geringen Geschwindigkeit bewegen.
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Der Packer 28 definiert eine ringförmige Kammer 33, welche von der
Innenwand des Schachtausbaus 16 und der Außenwand der Verrohrung 18
zwischen der Dichtung 28 und der Oberfläche begrenzt wird. Der Packer 28
hindert die Ausflüsse und insbesondere das Gas daran, in die Kammer 33
einzudringen. Sie können den oberen Teil des Bohrlochs nur durch die
Verrohrung 18 durchqueren. Die Kammer 33 und alle ihre Zubehörteile, wie
zum Beispiel der Versorgungsschlauch der Pumpe 10, werden daher gegen
mechanische und chemische Angriffe geschützt und bleiben daher für andere
Funktionen verfügbar, wie zum Beispiel für die Aufnahme einer
wärmedämmenden Substanz für die thermische Isolierung der Verrohrung 18.
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Auf Höhe der Gasblase 30 hat die Verrohrung 18 einen Hydroejektor 32 oder
eine Venturidüse für Flüssigkeit und Gas, der in seinem Inneren durch den
Venturieffekt einen Unterdruckbereich 34 herstellt. Der Flüssigkeit/Gas-
Hydroejektor 32 hat Bohrungen 36, mit deren Hilfe der Unterdruckbereich 34
und die Gasblase 30 miteinander in Verbindung gebracht werden.
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Bei der Inbetriebnahme der vorstehend beschriebenen Pumpanlage wird die
Pumpe 20 eingeschaltet und saugt den flüssigen Ausfluss durch die Öffnungen
22 an und befördert ihn in Richtung des Pfeils 38 an die Oberfläche. Der
Durchlauf des Ausflusses durch den Flüssigkeit/Gas-Hydroejektor 32 erzeugt
aufgrund seiner konvergierenden Konfiguration einen Unterdruck in seinem
Inneren, und dieser Unterdruck sorgt durch die Öffnungen 36 für die
Ansaugung von Gas aus der Gasblase 30 in Richtung des Pfeils 40. Im Inneren
des Hydroejektors wird dann das Gas durch den von der Pumpe 20 gelieferten
flüssigen Ausfluss mitgerissen, mit dem es vermischt und kombiniert wird und
daher die Säule des Ausflusses verdünnt, welche in der Verrohrung 18
enthalten ist, wodurch das Aufsteigen an die Oberfläche erleichtert ist.
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Da die Gasblase 30 stets über die Öffnungen 36; 44 mit der Verrohrung 18 in
Verbindung steht, wird die Ausbildung einer Gasblase, die bis zu der Pumpe 20
reicht, selbst dann verhindert, wenn die Anlage längere Zeit stillsteht. Dadurch
wird verhindert, dass die Pumpe nicht wieder anspringt, wenn sie von Gas
umgeben ist.
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In der Fig. 2a ist schematisch die normale Konfiguration der Ausflüsse
dargestellt, welche der Konfiguration entspricht, die vorstehend in Bezug auf
die Fig. 1 beschrieben worden ist. Die in den Fig. 2B und 2C dargestellten
Ausführungsformen erhalten zusätzliche Merkmale, die es der Anlage
erlauben, besser unter vorübergehend verschlechterten Bedingungen zu
arbeiten und sie leistungsfähiger und wirksamer zu gestalten.
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In der Fig. 2A sind schematisch die Merkmale der Anlage dargestellt, die in
der Fig. 1 gezeigt ist. Die von der Pumpe 20 in Richtung des Pfeils 38 beförderte
Flüssigkeit saugt Gas in Richtung des Pfeils 40 in den Hydroejektor 32 ein. Das
Gemisch aus der Flüssigkeit re-kombiniert mit dem Gas wird durch die
Verrohrung 18 in Richtung des Pfeils 50 an die Oberfläche befördert.
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In der Fig. 2B ist schematisch die Situation dargestellt, in der in einer
erfindungsgemäßen Anlage die Pumpe 20 Ausfluss ansaugt, der einen großen
Gasanteil oder große Gasblasen in seinen Impulsgebern enthält. Die
Kreiselpumpen tolerieren nur schlecht die Gasblasen und sind nicht geeignet,
solche Ausflüsse zu befördern. Es ist daher ratsam, die Evakuierung dieser
Blasen gegen den Ausgang der Pumpe zu erleichtern, bevor der Ausfluss weiter
an die Oberfläche befördert wird.
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Tatsächlich kann die Anwesenheit von großen Gasblasen im Inneren der
Pumpe 20 trotz der Abtrennung von Gas stromaufwärts vor dem Eintreten der
Fluide in die Pumpe 20 auftreten, was zum Beispiel von einer komplementären
Entgasung im Inneren der Pumpe 20 ihrerseits herrührt, oder aber was bei einer
Übergangsphase der Funktion, wie zum Beispiel einem erneuten Start der
Anlage auftreten kann. Um zu vermeiden, dass sich eine solche Situation
verlängert und zu Lasten des Materials stationär wird, das sich dann zu stark
aufheizen könnte, und die Förderung aus dem Bohrloch auf Null absinkt,
ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Förderung der Pumpe 20
einerseits mit Hilfe eines in der Verrohrung 18 zwischen der Pumpe 20 und
dem Hydroejektor 32 vorgesehenen Rückschlagventils 52 zu erleichtern, um
dadurch den Rückfluss der Ausflüsse an die Pumpe 20 zu verhindern und das
Gewicht der hydrostatischen Säule zu tragen, und andererseits mit Hilfe einer
seitlichen Öffnung 54, die unter dem Rückschlagventil liegt und weitgehend die
seitliche Evakuierung der im wesentlichen aus Gas bestehenden Ausflüsse an
die ringförmige Kammer 31 zu ermöglichen. Dieses Rückschlagventil 52 und
die seitliche Öffnung 54 bestehen bevorzugt aus Systemen, die mit Hilfe eines
Kabels in das Bohrloch der Ölquelle mit Hilfe einer Operation, die im
allgemeinen als "wire-line" bezeichnet wird, eingesetzt und aus ihm
herausgezogen werden können, um ihre Wartung billiger zu gestalten. Man
kann zum Beispiel Ausrüstungen verwenden, welche in die seitlichen
"Taschen" von der Art eingesetzt werden, die im allgemeinen für
Einspritzventile für Gase verwendet werden, um die Säule des Ausflusses
leichter zu machen, und die üblicherweise als "side-pockets" bezeichnet
werden. Die seitliche Öffnung 54 muss sich schließen, sobald ein gewisser
Ausfluss-Durchsatz und ein erhöhter Druck erneut bei der Förderung durch die
Pumpe 20 erreicht wird. Die Betätigung dieser seitlichen Öffnung kann
entweder ab der Oberfläche mittels eines elektrischen oder hydraulischen
Steuerkabels je nach den an der Oberfläche verfügbaren Parametern gesteuert
werden, oder aber lokal automatisch zum Beispiel mittels des Förderdrucks der
Pumpe 20 gesteuert werden, und man erreicht dann den Druckunterschied
aufgrund der Reibkraft des Ausflusses zwischen dem Eingang und dem
Ausgang der seitlichen Öffnung 54. Dieses Prinzip wird in Sicherheitsventilen
eingesetzt, die als "storm-choke" bezeichnet werden.
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Wenn, wie dies in der Darstellung der Fig. 2B dargestellt ist, die Pumpe
keinen flüssigen Ausfluss mehr an die Oberfläche befördert, fließt die in der
Verrohrung 18 stromabwärts des Hydroejektors 32 vorhandene
Flüssigkeitssäule unter der Wirkung ihres Eigengewichtes und bis zur
Erreichung des Beharrungszustandes durch die in dem Hydroejektor
vorgesehenen Öffnungen 36 in die Kammer 31. Sobald sich die Verrohrung bis
zum Beharrungszustand entleert hat, kann das in der Kammer vorhandene Gas
durch die Öffnungen 36 in der Verrohrung 18 an die Oberfläche aufsteigen.
Selbst wenn das Niveau 24 des flüssigen Ausflusses unter das Niveau der
Pumpe absinkt, erlaubt die Entlüftung des Gases in der Kammer 31 dem
Niveau der Flüssigkeit 24 über das Niveau der Pumpe anzusteigen. Sobald sich
die Pumpe wieder im flüssigen Ausfluss, der einen geringen Gasanteil
aufweist, befindet, kann die Beförderung der Abwässer an die Oberfläche
wieder einsetzen.
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In der Fig. 2C ist schematisch eine Anlage dargestellt, mit deren Hilfe die
Probleme gelöst werden sollen, die auftreten können, wenn das Niveau der
Flüssigkeit das Niveau des Hydroejektors 32 übersteigt.
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Ein solcher Umstand tritt dann ein, wenn der Hydroejektor eine
Ansaugkapazität für Gas aufweist, die über dem Gasdurchsatz liegt, der durch
die Abtrennung oberhalb des Eingangs der Pumpe 20 freigesetzt wird. Dies ist
sogar der wahrscheinlichste Zustand in der normalen Konfiguration der
erfindungsgemäßen Anlage. Selbst wenn der Hydroejektor im Zustand flüssig-
flüssig funktioniert, wie es im allgemeinen beim "jetpumping" der Fall ist, ist
es darüber hinaus bevorzugt, das effektive Mitreißen der aus der Kammer 31
stammenden Flüssigkeit durch die flüssigen Ausflüsse zu vermeiden, die in
Richtung des Pfeils 38 fließen. Denn ein solches Mitreißen würde die Leistung
und/oder die Wirksamkeit des Systems reduzieren. Um dieses Mitreißen von
Flüssigkeiten zu vermeiden und das Mitreißen gegenüber dem Gas und der
Flüssigkeit der Kammer 31 selektiv durchzuführen, werden nachstehend
verschiedene Lösungen vorgeschlagen: die erste Lösung stützt sich auf die
Tatsache, dass der Hydroejektor 32 mehr oder minder in der Lage ist, diese
Selektion auf natürliche Weise durch eine "hydraulische Blockierung"
durchzuführen. Dieses Phänomen kommt dann zum Tragen, wenn beim
jetpumping flüssigflüssig der Strahl einen "gas-lock" bildet, das heißt, dass er
nicht mehr in der Lage ist, die Flüssigkeit mitzureißen. Dieser Zustand wird bei
einem Durchsatz der mitgerissenen Flüssigkeit erreicht, der ausreichend hoch
ist. Die zweite Lösung besteht in der Benutzung eines Schwimmers, welcher
den seitlichen Gaseingang des Hydroejektors 32 verschließt, wenn die
Flüssigkeit in der Kammer 31 ansteigt. Dieser Schwimmer bildet auch ein
System, das mittels eines Kabels herausgezogen werden kann und das zum
Beispiel in eine "side-pocket" eingesetzt werden kann, durch welche das
gesamte Gas der Tasche 30 strömt, bevor es in den Hydroejektor 32 gelangt. Die
dritte Lösung, die ebenfalls darin besteht, den Schwimmer mit Hilfe eine Kabels
herauszuziehen, entspricht einem Schwimmer, jedoch nach einer
unterschiedlichen Technologie, wie zum Beispiel mit Hilfe eines Schlagventils
oder einem anderen "storm-choke", welche den Durchfluss der Flüssigkeit
absperren. Es kann ebenfalls eine Öffnung mit einem kleinen Durchmesser oder
eine "Düse" vorgesehen werden, die nur geringfügig dem Gasstrom und stark
dem Flüssigkeitsstrom widersteht, und ihrerseits eine Entgasung dieser Medien
verursacht.
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Der Flüssigkeit/Gas-Hydroejektor 32 und das entsprechende Zubehör, welche
den in den Fig. 2B und 2C dargestellten Funktionen entsprechen, sowie das
bewegliche Element der Pumpe werden zweckmäßigerweise vorgesehen, um
ihre Entnahme an die Oberfläche mittels eines Kabels zu ermöglichen, wenn
Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen.
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Der Flüssigkeit/Gas-Hydroejektor kann in der Verrohrung an einem Punkt
oberhalb der Dichtung montiert werden, wobei der Unterdruckbereich mit der
Kammer über eine Leitung kommuniziert, welche die Dichtung durchquert.