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Seilpumpe für große Einbautiefen mit beliebig einstellbarem Hub Die
heute bekannten Tiefbrunnenpumpen können den besonders von der Erdölindustrie gestellten
hohen Anforderungen noch nicht gerecht werden. Beispielsweise kann die Elektrotauchmotorpumpe
nur für verhältnismäßig geringe Einbau- und _ Eintauchtiefen bei großem Sonderdurchmesser
und reinen Flüssigkeiten eingesetzt werden.
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Ein weiterer Nachteil ist die hohe Umfangsgeschwindigkeit der Laufräder,
die bei Förderung von leichten gashaltigen Erdölen mit sehr schlechtem Wirkungsgrad
arbeiten und zur Emulsionserzeugung neigen.
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Bei Förderung von sandhaltigen Flüssigkeiten hat die Tauchmotorpumpe
nur eine geringe Lebensdauer. Die Tauchmotorpumpe hat sich für Erdölförderung daher
nicht durchsetzen können. Die Tiefbrunnenkreiselpumpe mit starrer Welle und Motoranordnung
über Tage kommt nur für geringe Einbautiefen in Frage, und es erübrigt sich, näher
auf diese Konstruktion einzugehen.
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Die bekannten Druckluftförderanlagen, wie Druckluftflüssigkeitsheber
mit Rückschlagventil im Fußstück oder das sogenannte Mammutsystem, können nur bei
hohem Ölstand in der Sonde wirtschaftlich eingesetzt werden. Voraussetzung ist eine
große Eintauchtiefe des Fußstückes bei hohem gleichbleibendem Ölstand und Zulauf.
Mit dem Fallen der Eintauchtiefe fällt auch der Wirkungsgrad der Anlage sehr schnell
bis auf Null herab.
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Der Wirtschaftlichkeitsfaktor aller bekannten Flüssigkeitsheber und
Mammutsysteme liegt tief, weil der Wirkungsgrad für die erzeugte Druckluft ab
Kompressordruckstutzen
auch bei einer mittleren Anlage bei gleichzeitiger Förderung aus vier bis sechs
Sonden nur maximal 3o bis 33 °/a betragen kann. Einen höheren Wirkungsgrad, können
daher die bekannten Flüssigkeitsheberanlagen auch bei den günstigsten Betriebs-
bzw. Sondenverhältnissen nicht erreichen. Der Wirkungsgrad beträgt im Durchschnitt
16 bis 18 °1o. Ein weiterer Nachteil liegt in den hohen Beschaffungskosten der Kompressorenstation.
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Die Vorteile liegen jedoch in der Einfachheit, der hohen Lebensdauer
und Betriebstüchtigkeit aller in der Sonde eingebauten Teile. Auch bei Förderung
von stark sandhaltigen Flüssigkeiten gewährleistet dieses System eine hohe Lebensdauer.
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Das Druckluft- bzw. Druckgasförderverfahren mit schwingender Gassäule
kann unter günstigen Verhältnissen bei Wasserförderung auch bei geringer Einbautiefe
von nur 2 bis 3 m einen Gesamtwirkungsgrad ab Kompressorwelle bis 48 °/o erreichen.
Für Erdölförderung sind Versuchsanlagen bis 1850 m Einbautiefe bei nur lo bis 15
m Eintauchtiefe ausgeführt, die einen Gesamtwirkungsgrad bis 32 °/o erreicht haben.
Bedingt durch den geringen Sondendurchmesser bei großen Einbautiefen können die
erforderlichen Förderglocken nicht eingebaut werden. Auch die hohen Beschaffungskosten
für den Spezialkompressor nebst Steuerapparat sind ein Grund, daß sich dieses System
in der Erdölförderung nicht durchsetzen konnte.
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Das in der Erdölindustrie roch im beschränkten Umfang angewendete
Schöpfverfahren braucht infolge der schlechten Wirkungsgrade hier nicht weiter erläutert
zu werden.
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In der gesamten Erdölindustrie des In- und Auslandes wird heute hauptsächlich
die Gestängekolbenpumpe zur Förderung von Erdölen eingesetzt, wenn der natürliche
Ausstoß durch Eruption aufhört bzw. gasarme Erdöle gefördert werden sollen.
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Der Hauptgrund der allgemeinen Einführung liegt in dem hohen erreichbaren
Wirkungsgrad der Kolbenpumpe und der systematischen Entwicklung und Verbesserung
der Antriebsböcke nebst der eingebauten Pumpenteile, so daß eine gewisse Betriebstüchtigkeit
auch bei größeren Einbautiefen gewährleistet ist.
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Trotz vieler Nachteile, die der Gestängepumpe noch anhaften, hat sich
die Erdölindustrie mit diesen Nachteilen abgefunden, weil bis heute noch keine besseren
Förderaggregate der Erdölindustrie zur Verfügung gestellt werden konnten.
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Die Nachteile sind folgende: i. Leichtes Festsetzen und Fressen des
Pumpenkolbens.
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z. Bei Verschleiß des eingebauten Kolbens bzw. Störungen an den Pumpenventilen
erfordert der Aus- und Wiedereinbau des Gestänges und Kolbens eine verhältnismäßig
lange Zeit, wodurch zvangsläufig hoher Produktionsausfall eintritt.
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3. Für diese Arbeiten müssen ständig das erforderliche komplette Windwerk
und ein Förder- bzw. Montageturm an der Sonde oder eine teure fahrbare Anlage nebst
Arbeiterkolonne verfügbar sein. :1. Der moderne Antriebsbock für große Einbautiefen
und einem Kolbenhub von i bis 2 m ist im Verhältnis zu der zu übertragenden Pumpenenergie
von io bis 3o PS sehr groß und schwer, wodurch hohe Beschaffungskosten erforderlich
sind.
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5. Den Antriebsbock aber leichter und kleiner auszuführen ist nicht
möglich, weil die Pumpenenergie bei nur 8 bis 15 Hüben pro Minute übertragen werden
muß, wobei der Bock noch zusätzlich für den erforderlichen Ausgleich der einfachwirkenden
Kolbenpumpe zwecks Erreichung einer gleichmäßigen Motorbelastung hohe Ausgleichsgewichte
aufnehmen muß.
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6. UngünstigeLagerstättenbeeinflussungdurchhohe Umkehrungsspiele des
Kolbens, wenn nur geringer Ölzulauf in der Sonde vorhanden und tiefster Einbau erforderlich
ist, wodurch die Versandung der Sonde begünstigt wird. Auf jeden Fall wird aber
mehr oder weniger Sand aus dem Erdölträger mitgerissen, welcher die Lebensdauer
des eingeschliffenen Kolbens stark herabsetzt und oft zum vorzeitigen Verschleiß
und Fressen Anlaß gibt. Wie hoch diese Impulse liegen, beweist nachstehende Berechnung
einer Kolbenpumpe mittlerer Leistung bei 36 m3./Tag = 24. Stunden angenommen.
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Antriebsbock: Drehzahl i2/min Förderhub Hub 1,2 m Kolbengeschwindigkeit
im Mittel 0,4.8 inisec ergibt 12 - 6o - 24 = i7,-?8o Umdrehungen pro Tag. Also i728omal
wird der Erdölträger beunruhigt.
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7. Infolge der kurzhubigen Förderung machen Saug- und Druckventile
ebenfalls 17280 Spiele pro Tag.
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B. Versuche, diese im Punkt 5 und 6 geschilderten Nachteile durch
Bau und Lieferung von langhubigen hydraulischen Antrieben oder durch Gallsche Kettentriebe
bis zu 5 m Hub und mehr auszuschalten, sind mehr oder weniger fehlgeschlagen, und
es konnten sich diese langhubigen Antriebe nicht durchsetzen. Ganz abgesehen davon,
daß diese Antriebe hohe Fertigungskosten erfordern, ist der wirkliche Grund der
Nichtbewährung, daß bei den heutigen großen und zunehmenden Einbautiefen die Manschettenkolben,
die wohl größere Toleranz der Zylinderbohrung zulassen, wodurch auch lange Zylinderrohre
Verwendung finden können, die auftretenden Flüssigkeitsdrücke von 12o bis Zoo atü
nicht mehr aufnehmen können.
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Man mußte darum von den Gewebemanschettenkolben abgehen und verwendet
heute hauptsächlich den durch Edelschliff tolerierten Kolben im Zylinder oder Plunger
mit Einsatzbüchse. Aus werkstatttechnischen Gründen können Kolben und Zylinder bzw.
Plunger mit Edelpassung nur in einer begrenzten Länge hergestellt werden. Schon
bei einer Länge von über il/, m treten werkstattechnische Schwierigkeiten auf.
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Durch Versuche und auf Grund vorerwähnter Erfahrungen im Bau von Tiefbrunnen
und Preßpumpen für sehr hohe Beanspruchungen ist es gelungen, einen kurzen Kolben
mit einer ganz geringen tragenden Länge von 6o bis 8o mm, welcher nur beim Förderhub
abdichtet, für Drücke bis zu Zoo atü und mehr zu entwickeln, welcher gestattet,
in jedes
normale kaltgezogene Präzisionsstahlrohr mit der normalen
Innentoleranz ohne Nacharbeit eingebaut zu werden, wobei auch sandhaltige Erdöle
bei einer verhältnismäßig hohen Lebensdauer der Pumpe gefördert werden können.
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Erst die Erfindung schaffte die Voraussetzung, ein langhubiges Förderverfahren
zu entwickeln, welches auch den schwierigsten Betriebsverhältnissen gerecht werden
kann.
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Die Seilpumpe weist gegenüber den bekannten Tiefbrunnenpumpen nachstehende
Vorteile auf i. Regelbarer Hub von 3 bis 6 m.
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z. Bei hydrostatischer Füllung einstellbarer Hub bis zu 2o m oder
mehr.
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3. Der Ein- und Ausbau des Förderkolbens kann vom Pumpenwärter ohne
Hilfsmaschinen und Hilfskräfte vorgenommen werden.
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4. Das eingebaute Fußventil kann ebenfalls in kurzer Zeit zwecks Kontrolle
aus- und eingebaut werden.
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5. Bei gleichem Kolbendurchmesser von 50 mm und gleicher Tagesförderleistung
von 36 m3 gemäß der vorangegangenen Berechnung der Gestängekolbenpumpe arbeitet
die Seilpumpe bei io m Hub mit nur 2073 Umkehrungen, d. h. die Seilpumpe
beunruhigt die Lagerstätte :2073mal/'Tag. Die heutige Kolbenpumpe dagegen i728omal/Tag.
Die Umkehrungszahl der Kolbenpumpe liegt somit über 8mal höher als die der Seilpumpe.
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6. Die Zahl der Ventilspiele (Saug-Druck-Ventil) beträgt bei der Seilpumpe
auch nur etwa l;, Teil der Gestängekolbenpumpe, wodurch höhere Lebensdauer gewährleistet
und ein größeres Ventilspiel zulässig ist. Dadurch treten geringere Reibungswiderstände
im Ventilquerschnitt auf.
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7. Die Kolbengeschwindigkeit beim Förder- und Saughub liegt bedeutend
niedriger als bei der Gestängepumpe bei gleicher Förderleistung.
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B. DieKolbengeschwindigkeitbeimTauchhub (Leerarbeit) liegt entsprechend
der geringeren Geschwindigkeit beim Förder- und Saughub höher. Diese höhere Tauchgeschwindigkeit
wirkt sich auf die Lagerstätten infolge des geschlossenen Einlaßventils in keinerWeise
schädlich aus. Im Gegenteil, durch die höhere Tauchgeschwindigkeit kann eine sehr
lange Förder-und Füllungszeit (geringere Reibungswiderstände) gewählt werden, die
durch die höhere Tauchgeschwindigkeit pro Zeiteinheit wieder ausgeglichen wird.
Durch diese unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeitet die Seilpumpe mit einem
wesentlich höheren Wirkungsgrad, als ihn die heutigen bekannten und modernsten Gestängekolbenpumpen
jemals erreichen können. Außer der schon vorerwähnten sehr niedrigen Umkehrungszahl
gegenüber der Gestängekolbenpumpe wird das Ö1 sehr ruhig dem Erdölträger abgenommen,
wie das mit einer Gestängekolbenpumpe bei gleichen Förderleistungen niemals möglich
ist.
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9. Nachstehende Berechnung ergibt ein klares Bild über den höheren
Wirkungsgrad bzw. Kraftbedarf der Seilpumpe gegenüber der bekannten Gestängekolbenpumpe,
wobei die Ölsäule mit o,7 -r
0,3 für die Viskosität eingesetzt ist, das Ausgleichsgewicht,
der mechanische Wirkungsgrad und die Reibungswiderstände sind dabei noch nicht berücksichtigt.
| Gestängekolbenpumpe 36,6 m3/Tag Seilpumpe 36,6 m3%Tag |
| bei 2000 m Förderhöhe bei 2ooo m Förderhöhe |
| Kolbendurchmesser = 50 mm F = 19,63 cm'= Kolbendurchmesser
= 50 mm F = 19,63 cm= |
| Hub = 1,2 m Hub = io m |
| Umdrehung des Kurbeltriebes = 12 min Hubzahl = I,44/min |
| Hubzahl (Förder- und Tauchhub) = i2/min Kolbengeschwindigkeit
bei Förderhub = 0,32 m/sec |
| Kolbengeschwindigkeit im Mittel = 0,48 m/sec Kolbengeschwindigkeit
beim Tauchhub = i m/sec |
| Volumetrischer Wirkungsgrad = o,9 Volumetrischer Wirkungsgrad
o,9 |
| Ventilspiel und Umkehrungen = i728o/Tag Ventilspiel und Umkehrungen
= 2073 /Tag |
| Kraftbedarf beim Förderhub ohne Berücksichtigung Kraftbedarf
beim Förderhub ohne Berücksichtigung |
| des mechanischen Wirkungsgrades und der Rei- des mechanischen
Wirkungsgrades und der Rei- |
| bungswiderstände in der Fördertour bungswiderstände in der
Fördertour |
| `r - f - P - v- - 1963-' 200 - 0,48 - 25,1 PS
19,63 - 200 - 0,32 =. 16,73 PS |
| _ 75 _ 75 75 |
io. Bei Förderung von paraffinhaltigen Ölen zwecks Reinigung des abgesetzten Paraffins
braucht nicht mehr mit einer längeren Unterbrechung der Förderung gerechnet zu werden.
Durch kurzzeitiges Anheben des Fußventils wird die Förderleitung bis unter die kalte
Zone (tonführende Schichten) entleert, dann von Übertage mit Heißöl aufgefüllt und
mittels Durchziehens des Kolbens am Seil die Förderleitung bis Flur gereinigt.
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ii. Statt des bisherigen Massivgestänges (oder hohl) mit hohem Gewicht
und geringer Zugbeanspruchung wird als Kraftübertragungselement zum Kolben ein leichteres
Stahldrahtseil mit höheren Festigkeitswerten verwendet: 12. Kein schwerer und teurer
Antriebsbock mehr an der Sonde, sondern nur eine umsteuerbare Seilwinde, welche
gleichzeitig zum Einbau der Förderleitung benutzt und an beliebiger Stelle in der
Nähe der Sonde aufgestellt werden kann.
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13. Der Förderkolben dichtet nur beim Förder-und Saughub. Beim Tauchhub
(Leerarbeit) ist zwischen Förderrohrwand und Kolben keine Abdichtung
bzw.
nur geringe Reibung vorhanden, wodurch eine höhere Lebensdauer erreicht wird.
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1q. Kein Festfressen des Kolbens mehr.
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15. Als Pumpenzylinder wird ein verhältnismäßig billiges Präzisionsstahlrohr
zugblank mit Innentoleranz ohne Nacharbeit verwendet.
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Die Fig. A und B zeigen ein Ausführungsbeispiel des Förderkolbens.
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Die Fig. C und D zeigen ein Ausführungsbeispiel und die Anordnung
des Seilpumpverfahrens.
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Der Förderkolben i besteht aus einem mehrteiligen nicht tragenden
Kolbenkörper mit großem Spiel, welcher ein federndes Kolbenringpaket 2 hat, welches
sich aus mehreren Kolbenringen 3 mit Schrägsitz 4. zusammensetzt, die sich auf die
mit gleichem Schrägsitz geschliffenen, aber mit dem Kolbenkörper fest verbundenen
Grundringe 5 nach unten abstützen. Die Kolbenringe 3 sind in der Höhe kleiner gehalten
wie die Grundringe 5, so daß sich die Kolbenringe beim Tauchhub um die Differenz
der Höhenunterschiede nach oben verlagern und um das dadurch gewonnene Schrägsitzspiel
um die Schnittbreite des Kolbenringes nach innen federnd ausweichen können, wodurch
eine geringe Kolbenringreibung an der Zylinderwand erreicht wird. Die untere starke
Abrundung 6 unterstützt außerdem das leichte Gleiten beim Tauchhub. Beim Förder-
und Saughub dagegen werden die Kolbenringe 3 durch den Schrägsitz q. entsprechend
den zugelassenen Schubkräften, abhängig von dem gewählten Winkel, an die Zylinderwand
gedrückt, wodurch eine hohe Abdichtung erzielt wird. Der Anpreßdruck der Kolbenringe
3 beim Förderhub wird durch den gewählten Winkel des Schrägsitzes bestimmt. Die
Abdichtung wird weiter durch das jedesmal beim Tauchhub neu aufgefüllte Labyrinth
7 unterstützt.
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Aus dem in den Fig. C und D gezeigten Ausführungsbeispiel geht die
Anordnung und die Wirkungsweise der Seilpumpe hervor.
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Die an beliebiger Stelle in Nähe der Sonde aufgestellte, durch hydraulische
Steuerung oder Magnetkupplung bzw. durch einen in der Drehrichtung umsteuerbaren
Elektromotor angetriebene Winde 8 weist eine Seiltrommel g auf, die durch einen
Scheibenrand io in ein kurzes und langes Feld 11, 12 aufgeteilt ist. Das kurze Feld
12 trägt das kurze Seil 13 für das vorgesehene Ausgleichsgewicht 1q., welches beispielsweise
in einem kurzen Bohrrohr 15 geführt oder auch in bekannter Weise im Förderturm untergebracht
wird.
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Das lange Trommelfeld ii nimmt das mit dem Förderkolben x über Schwerstange
16 mit Führungskreuz 17 verbundene Förderseil 18 über eine oder mehrere Seilrollen
ig auf.
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Der Förderkolben i bewegt sich in einem kaltgezogenen Stahlrohr 2o,
welches unten ein Fußventil 21 trägt. Das Pumpenrohr 2o ist durch ein schlankes
konisches Übergangsstück 22 mit der Förderleitung 23 fest verbunden. Das Förderseil
18 wird oben in bekannter Weise durch eine Seilstopfbüchse abgedichtet.
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Soll Übertage differenziert gefördert werden, wird für die letzte
Tour der Förderleitung ein größerer Durchmesser gewählt und ein Tauch- oder Standrohr
2,Imiteinem Durchgangsquerschnitt entsprechend dem Durchmesserdes Führungskreuzes
17 eingebaut. Das Seil 18 wird oben mit einem Klemmanschettenkolben 25 versehen,
wodurch die geringen Förderdrücke übertragen abgedichtet werden.
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Nach Einlassen der Förderkolben am Seil wird die an der Winde vorgesehene
Umsteuerung eingeschaltet, wodurch sich die Windentrommel entsprechend der gewählten
Hubhöhe in mehreren Links- und Rechtsdrehungen mit verschiedenen Drehzahlen dreht
und die Kolbenförderung in bekannter Weise erfolgt.
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Die im Förderkolben auftretenden Reibungswiderstände beim Tauchhub
(Leerarbeit) werden durch die mit dem Förderkolben i verbundene Schwerstange 16
überwunden.
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Durch Ausschaltung der Umsteuerung an der Winde kann der Förderkolben
nach Belieben bis über Flur aus- und dann wieder eingefahren werden.
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Wird der Förderkolben mit einem auswechselbaren Fußventilfänger ausgerüstet;
kann auch jederzeit das Fußventil gezogen und wieder eingelassen werden.