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Hydraulische Antriebsvorrichtung für Pumpen zum Heben von Flüssigkeiten
aus tiefen, engen Bohrlöchern Zum Heben von Flüssigkeiten aus großen Tiefen, insbesondere
von Erdöl aus Bohrlöchern, werden sogenannte Tiefpumpen bis unter den Flüssigkeitsspiegel
hinabgelassen. Bei der Verwendung von Tauchkolbenpumpen Erfolgt der Antrieb in.der
Regel mit Gestänge, das von der Tagesoberfläche aus bewegt wird. Naheliegend ist
es, die hiermit verbundenen erheblichen Nachteile dadurch zu beheben, daß die Antriebsmaschine
selbst in das Bohrloch hinabgesenkt wird; doch ist dies bei Tauch kolbenpumpen zur
Zeit nur dann ausführbar, wenn als Energiebringer eine Flüssigkeit verwendet wird.
Tatsächlich sind auch einige auf diesem Grundsatz beruhende Antriebvorrichtungen
bekannt geworden, deren Anwendung in größerem Umfange bisher jedoch daran scheiterte,
daß ihre zweifellos vorhandenen Vorteile nicht restlos und in wirtschaftlich tragbaren
Grenzen ausgenutzt werden konnten.
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Bekanntlich erfordert eine hin und her gehende hydraulische Kraftmaschine
stets einen in einem Zylinder bewegten Kolben und eine Steuerung für die Druckflüssigkeit,
wobei zwischen Kolben und Steuerung immer besondere Mittel erforderlich sind, die
das Zusammenarbeiten der beiden Teile herbeiführen.
Diese Mittel
können mechanischer und hydraulischer Art sein,-oder aber sie wirken sowohl mechanisch
als auch hydraulisch. Als mechanische Zwischenmittel z. B. sind Steuerstangen mit
Knöpfen, Nocken oder Kragen, ferner gefederte Stellringe, Federn. Klinkvorrichtungen
und Anschläge bekannt, und in einzelnen Fällen wird die Steuerung durch eigene Massenträgheit
in die gewünschten Lagen gebracht. Bekannte hydraulische Zwischenmittel umfassen
beispielsweise Kolbenschieber und Ventile sowie in den Ventilgehäusen angeordnete
und über dem Antriebskolben liegende Kanalsysteme, die durch gebohrte Kanäle und
gleichmittig liegende Ringkanäle mit den beiden Zylinderseiten in Verbindung stehen.
Hierbei kann das Kolbeninnere nur in beschränktem Maße als Flüssigkeitsweg dienen,
so daß die Hauptwege zum größten Teil im Zylinderkörper verlaufen und das Kanalsystem
der Steuervorrichtung sich, wie bereits erwähnt, außerhalb des Kolbens befindet.
Bau und Arbeitsweise solcher Antriebe werden aber durch die vorgenannten Ausbildungsarten
äußerst verwickelt, so daß sie sich, abgesehen von ihrem verhältnismäßig großen
Platzbedarf und den hohen Herstellungskosten, im Bohrfeldbetrieb auf die Dauer nicht
restlos bewähren konnten.
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eben diesen außerhalb des Kolbens liegenden Steuervorrichtungen sind
aber auch Einrichtungen gebräuchlich, bei denen sich die Steuerung im Kolben selbst
befindet. Eine solche im Kolben vorgesehene Steuerung ist beispielsweise für eine
durch Druckwasser betriebene Pumpe nicht mehr neu, die jedoch lediglich in der Lage
ist, die eigene Druckflüssigkeit, die der Pumpe erst in geeigneter Weise zugeführt
«-erden muß, weiterzufördern, und zwar derart, daß unter Verlust eines Teiles dieser
Druckflüssigkeit der Rest mit einem entsprechend höherenDruck weitergegeben wird.
Da eine solche Pumpe jedoch zum Heben von Flüssigkeiten aus Bohrlöchern völlig ungeeignet
ist, erübrigt sich an dieser Stelle ein näheres Eingehen auf ihre Bauart und Wirkungsweise.
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Schließlich ist es auch bei hydraulischen Antriebsvorrichtungen für
Pumpen zum Heben von Flüssigkeiten aus Bohrlöchern bekanntgeworden, eine - selbsttätig
und von außen unabhängig wirkende Steuervorrichtung innerhalb des mit dem Pumpenkolben
verbundenen Antriebskolbens zu verwenden. Bei diesen Vorrichtungen wird dem Kolben
Druckflüssigkeit durch ein Fallrohr zugeleitet, das konzentrisch zu einer mittig
liegenden, die als Arbeitsflüssigkeit verbrauchte Druckflüssigkeit zusammen mit
der geförderten Flüssigkeit aufnehmenden Steigleitung angeordnet ist. Dabei erfolgt
derZutritt derDruckflüssigkeit zum Kolben durch in den Deckeln des Antriebszylindern
vorgesehene Kanäle. Sowohl diese als auch die im Kolben selbst angeordneten Austrittskanäle
für die als Arbeitsflüssigkeit verbrauchte Druckflüssigkeit erfordern aber zwecks
Steuerung des Druckflüssigkeitszu- und -ablaufs eine Vielzahl sich bewegender Steuerteile,
die aus Gestängen mit Hebeln sowie im Kolben vorgesehenen Steuerstangen und Ventilen
bestehen und im Verein mit den weiterhin für einzelne dieser Steuerteile notwendigen
Lagern, Führungen und Steuernocken eine in Bau und Arbeitsweise äußerst verwickelte
Gesamtsteuerung ergeben. Abgesehen davon, daß bei derartigen Antriebsvorrichtungen
außerdem unstete Zuflußbedingungen vorliegen und der Einbau der ebenfalls verwickelt
ausgebildeten Zylinderdeckel, die bei normaler Ausführung nur geringe Durchflußquerschnitte
aufweisen, wegen ihrer schwierigen Abdichtung erschwert wird, stellen die für die
Steuerung benötigten Einrichtungen mit ihrer Vielzahl von bewegten Teilen ebenso
viele Störungsquellen dar, die dem rauben Ölfeldbetrieb nicht gewachsen sind.
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Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, diese bei den letzterwähnten
hydraulischen Antrieben vorhandenen Störungsquellen restlos zu beseitigen und eine
Vorrichtung zu schaffen, die mittels einer nur aus einem einzigen bewegten Teil
bestehenden Steuerung nicht nur eine erhebliche Vereinfachung der erforderlichen
Bauteile, sondern darüber hinaus eine unbedingt zuverlässig und störungsfrei verlaufende
Arbeitsweise gewährleistet.
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Diese erstrebte Betriebssicherheit, ferner die gewünschte äußerste
Zusammenfassung der Mittel bis zur Grenze des -Möglichen und damit die Vereinfachung
und Verbilligung der Herstellung und des Zusammenbaues werden hei einer hydraulischen
Antriebsvorrichtung für Pumpen zum Heben von Flüssigkeiten aus tiefen, engen Bohrlöchern,
die aus einem mit dem Pumpenkolben fest verbundenen, doppeltwirkenden Antriebskolben
mit einer selbsttätig und von außen unabhängig wirkenden Steueryorrichtung innerhalb
des Antriebskolbens besteht, wobei letzterem Druckflüssigkeit durch ein Fallrohr
zugeleitet wird, das beispielsweise konzentrisch zu einer mittig liegenden, die
als Arbeitsflüssigkeit verbrauchte Druckflüssigkeit zusammen mit der geförderten
Flüssigkeit aufnehmenden durchgehenden Steigleitung angeordnet ist, dadurch geschaffen,
daß die gesamte Druckflüssigkeit über Öffnungen in der Mitte des Antriebszylinders
einem am Umfange des Antriebskolbens zwischen seinen an den Kolbenenden angeordneten
Dichtflächen vorgesehenen Ringraum, der in jeder Kolbenstellung mit den
Antriebszylinderöffnungen
verbunden ist, zugeführt und mittels eines gleichfalls hydraulisch betätigten Steuerschiebers
sowohl den Antriebszyiinderräumen zur Arbeitsleistung zu- als auch von hier aus
in die mit der mittig liegenden Steigleitung verbundene Längsbohrung des Antriebskolbens
nachArbeitsleistung abgeleitet wird. Dabei führt der als Ringschieber konzentrisch
zur Steigleitung angeordnete Steuerschieber seine Steuerbewegung durch abwechselnd
auf seine Stirnflächen einwirkende Druckflüssigkeit aus, erhält außerdem ständigen
Druckflüssigkeitszufluß vom Ringraum durch eine mittig im Mantel des Antriebskolbens
liegende Zuflußöffnung und schaltet ein Kanalsystem im Antriebskolben so, daß jeweils
ein Antriebszylinderraum mit der Zuflußöffnung und der andere mit der frei durchgehenden
Längsbohrung des Kolbens durch eine ebenfalls kolbenmittig liegende Abflußöffnung
in Verbindung steht. Schließlich wird durch die Erfindung weiterhin erreicht, daß
jede mit zwei Kanälen versehene Dichtfläche desAntriebskolbens in dessen jeweiliger
Endstellung einen innenliegenden Kanal zur Verbindung des entsprechenden Zylinderraumes
des Steuerschiebers mit einer Zuflußöffnung zum Eintritt von Druckflüssigkeit als
Steuerflüssigkeit freigibt, während gleichzeitig der gegenüberliegende Zylinderendraum
des Steuerschiebers durch die beiden in der anderen Kolbendichtfläche angeordneten
Kanäle über eine im Antriebszylinder vorgesehene ringförmige Aussparung mit der
mittigen Kolbenlängsbohrung verbunden wird und den Abfluß von verbrauchter Steuerflüssigkeit
freigibt.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einer beispielsweisen
Ausführungsform dargestellt. Es zeigen Fig. i einen vollständigen Schnitt durch
die Antriebsvorrichtung, während die Fig. a und 3 zwei Ausführungsbeispiele der
Verbindung von Antriebsvorrichtung und Tiefpumpe darstellen. Die Fig. q. bis 8 sind
Teilschnitte der Antriebsvorrichtung und veranschaulichen mit Fig. i zusammen den
Arbeitsvorgang des Antriebes.
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In dem Fallrohr ca für die Druckflüssigkeit liegt das Abflußsteigrohr
b, der Antriebszylinder c und die Fortsetzung d des Steigrohres. Die im Fallrohr
a befindliche Druckflüssigkeit wird durch den sog. Packer e daran gehindert, nach
unten auszufließen. Durch Inder Mitte des Antriebszylinders c vorgesehene Öffnungen
f gelangt die Druckflüssigkeit an den Antriebskolben g mit' seinen verschiedene
Durchmesser aufweisenden Führungsstangen h und.i. Letztere sowie der
Kolben g sind hohl ausgeführt, damit durch sie hindurch die geförderte Flüssigkeit
von der Pumpe in die Abflußsteigleitung b gelangen kann.
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Der Antriebskolben g besitzt zwei Dichtflächen j und
k, zwischen denen er einen kleineren Durchmesser aufweist und den Ringraum
l bildet, der so lang ist, daß er in jeder Kolbenstellung mit den im Antriebszylinder
c -vorgesehenen Druckflüssigkeits-Zuflußöffnungen f verbunden ist und so der Druckflüssigkeit
Durchfluß gewährt.
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Im Kolben g, der Druckflüssigkeits-Zuflußöffnungen yb und mit der
Abflußsteigleitung b
bzw. der Führungsstange i verbundene Abflußöffnungen
o aufweist, befindet sich der ringförmige Schieber m. Die Öffnungen n münden
stets in die Muschel des Ringschiebers, und die Öffnungen o stehen stets mit der
Rückseite der Schiebermuschel in Verbindung. Der Schieber in erhält, wie weiter
unten beschrieben, seine Steuerbewegungen durch abwechselnd auf seine Endflächen
I und II einwirkende, durch den Antriebskolben g hindurch entnommene und nach Arbeitsleistung
dem Abflußsteigrohr b zugeführte Druckflüssigkeit und schaltet dabei, wie nachstehend
erwähnt, ein im Kolben g befindliches Kanalsystem P, q derart, daß jeweils
eine Seite r
oder s des Antriebskolbens g durch jeweils einen der Kanäle p
oder q mit den Druckflüssigkeits-Zuflußöffnungen zi in Verbindung steht und
so von Druckflüssigkeit beaufschlagt wird, während der andere Kanal die gegenüberliegende
Antriebskolbenseite durch die Öffnung o mit der Abflußsteigleitung b verbindet.
Somit wirkt je nach Stellung des Schiebers m abwechselnd auf die Seiten r und s
des Antriebskolbens g Druckflüssigkeit ein und bewegt dadurch den Kolben g auf und
nieder. Die ebenfalls im Antriebskolben g angeordneten Kanäle t und
u dienen als Zu-und Abflußgefäße für den oberen, der Endfläche I des Steuerschiebers
m zugeordneten Raum v, während die Kanäle w und x Zu-und Abflußgefäße
für den unteren, der Endfläche II des Steuerschiebers zugeordneten Raum y bilden;
zi und z2 sind Rillen im Antriebszylinder c und dienen dazu, die zum Hervorrufen
der Bewegung des Steuerschie-, bers m verbrauchte Druckflüssigkeit von seinen Endflächen
I bzw. 1I in der entsprechenden Endstellung des Kolbens g nach der Abflußsteigleitung
b abzuleiten.
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In Fig. i befindet sich der Kolben g in seiner Mittelstellung beim
Abwärtsgang. Zwischen dem Fallrohr a und dem Abflußsteigrohr b fließt die Druckflüssigkeit
der Antriebsvorrichtung zu, und im Abflußsteigrohr b fließt die verbrauchteDruckflüssigkeit
gemeinsam mit der geförderten Flüssigkeit ab. In Fig. q. ist der Kolben g in seiner
unteren Endstellung angelangt. In dieser Stellung fließt
Druckflüssigkeit
durch die Öffnungen f und den Kanal t nach dem oberhalb des Steuerschiebers in befindlichen
Raum v und beaufschlagt die Endfläche I, während von dem unterhalb des Steuerschiebers
liegenden Raum y, d. h. von der Endfläche II, verbrauchte Druckflüsigkeit durch
den Kanal w, die Aussparung Z2 und den Kanal x in die Abflußsteigleitung
b abfließt. Der Kanal u bleibt durch die Wand des Antriebszylinders c verdeckt.
Der Schieber in bewegt sich nach unten, so daß die Stellung Fig.5 erreicht
wird, in welcher Druckflüssigkeit durch die Öffnungen f, den Ringraum
1, die Öffnungen tt und den Kanal q nach der Seite s des Antriebskolbens
g gelangt, so daß sich letzterer nach oben bewegt und über seine Mittelstellung
(Fig. 6) in die obere Endstellung (Fig. 7) gleitet. In dieser Stellung bewegt sich
aber auch der Steuerschieber ist nach oben, da nunmehr Druckflüssigkeit durch f
und den Kanal w nach dem Raum y fließt und die Endfläche II des Steuerschiebers
in beaufschlagt, während der Raum v und damit die Endfläche I des Schiebers über
den Kanal t, die Aussparung z, und den Kanal u mit der Abflußsteigleitung b verbunden
wird, so daß die verbrauchte Druckflüssigkeit von der Endfläche I des Steuerschiebers
abfließen kann. Somit wird die in Fig. S gezeigte Stellung erreicht, in welcher
Druckflüssigkeit über f, 1, 1t. und p der Seite r des Antriebskolbens
g zugeführt wird, während sie von der Seite s des Antriebskolbens g über den Kanal
q und die Öffnungen o in die Abflußsteigleitung b abfließt. Hierdurch wird die Abwärtsbewegung
des Kolbens g eingeleitet, und die vorbeschriebenen Arbeitsgänge wiederholen sich
von neuem.
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Wie aus der Fig.2 ersichtlich, kann die Verbindung der Antriebsvorrichtung
mit der Tiefpumpe entweder mittels des Gestänges A erfolgen, das in der unteren
hohlen Führungsstange i des Antriebskolbens mit den Rippen B
so befestigt
ist, daß die geförderte Flüssigkeit zwischen den Rippen hindurchfließen kann, oder
aber die Führungsstange i kann, wie Fig. 3 zeigt, unmittelbar in den Pumpenkolben
G übergehen, der mit seinem Ventil D über dem Fußventil E der Tiefpumpe F in bekannter
Weise arbeitet.
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Besonders vorteilhaft für die vorliegende Erfindung ist es, daß die
mehr oder weniger mit Fremdkörpern (Sand) durchsetzten zu fördernden Flüssigkeiten
keinerlei Störungen an den Dichtflächen hervorrufen können, da die Druckflüssigkeit
stets einen höheren Druck als die zu fördernde Flüssigkeit aufweist. Somit wird
also in jedem Falle an den Dichtflächen der Antriebsvorrichtung und bei der Ausführung
nach Fig.3 auch an denen der Pumpe saubere Druckflüssigkeit in geringen .Mengen
in Richtung zur Förderflüssigkeit hinfließen, wodurch die empfindlichen Dichtflächen
dauernd gereinigt werden. -Mit dieser Eigenschaft wird ein weiterer wesentlicher
Fortschritt gegenüber bekannten Anordnungen erzielt.