Pumpengestänge

Abstract

 Das Pumpengestänge (5) bei einer Gestängetiefpumpe besteht aus mehreren, im wesentlichen parallel laufenden, aber nicht aneinanderliegenden, unidirektional verstärkten Faserverbundstäben (21), deren Querschnittsfläche kleiner als 1 cm² ist. Damit lassen sich die vorteilhaften Materialeigenschaften in hohem Maße ausnutzen. Das Gestänge kann vor Ort gefertigt werden. Eine Überwachung der einzelnen Faserverbundstäbe (21) im eingebauten Zustand ist möglich.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gestängetiefpumpe, bei der ein in einem Steigrohr an einem Pumpengestänge hängender Kolben in einem Pumpengehäuse am Grund des Steigrohres von einem oberirdischen Pumpantrieb auf und ab bewegt wird.

[0002] Bei solchen Pumpen können die eigentliche Pumpe in der Erde und der Antrieb mehrere 1000 m voneinander entfernt sein. Der Kraftübertragung über das Pumpengestänge ("sucker rods") kommt große Bedeutung zu. Üblicherweise ist das Pumpengestänge aus Stangen genormten Baustahls von beispielsweise 7,5 m Länge zusammengeschraubt. Das Pumpengestänge ist sehr schwer.

[0003] Da das Fördergut korrosiv wirkende Bestandteile enthalten kann, wird in der kanadischen Patentschrift 1 087 521 vorgeschlagen, die Stahlstangen durch Faserverbundwerkstoffe zu ersetzen. Um eine Verbindung der Stangen zu ermöglichen, sind Stahlhülsen an die Enden der Stäbe geklebt. Abgesehen von dem erheblichen Herstellungsaufwand und dem zusätzlichen Gewicht durch die Hülsen, sind die Verbindungen Schwachstellen, die immer noch korrosionsgefährdet sind und die nur eine sehr begrenzte Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften der faserverstärkten Stäbe ermöglichen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpengestänge für Gestängetiefpumpen bereitzustellen, das die bei bekannten Gestängen auftretenden Probleme vermeidet bzw. verkleinert. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Pumpengestänge aus mehreren, im wesentlichen parallel verlaufenden, aber nicht aneinanderliegenden, unidirektional verstärkten Faserverbundstäben besteht, von denen jeder eine über die gesamte Länge gleichbleibende Querschnittsfläche kleiner als 1 cm² besitzt. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.

[0005] Mit der Erfindung wird insbesondere erreicht, daß wegen des eingesetzten Materials keine Korrosionsprobleme mehr auftreten; durch den Wegfall der Verbindungshülsen eine erhebliche Gewichtsersparnis auftritt, so daß die Antriebsleistung und die Stabilität der Kraftübertragungsvorrichtung nicht so hoch sein müssen,und durch die vereinfachte Montage ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden kann. Das Versagen eines Faserverbundstabes führt nicht unmittelbar zum Versagen oder zur Zerstörung des gesamten Gestänges.

[0006] Bei dieser Kraftübertragung sind nur oben und unten je ein Verbindungselement erforderlich, die vorteilhafterweise als Klemmplattenverankerungen ausgeführt sind. Aui:h wenn wegen der korrosiven Umgebung dieses Element aus teurem Stahl gefertigt werden muß, wird eine sehr erhebliche Preis- und Gewichtsreduktion erreicht. Mit diesem Gestänge gelingt es, die hervorragenden Festigkeitseigenschaften des unidirektional verstärkten Faserverbundes zu einem höheren Anteil auszunutzen.

[0007] Wegen des Aufbaus eines Gestänges aus mehreren Faserverbundstäben kann in einfacher Weise über deren Zahl eine einfache Anpassung an die Anforderungen erreicht werden. Es genügt im Prinzip ein aufgewickelter Endlosstrang von Faserverbundstäben, beispielsweise mit einem Querschnitt von 0,75 cm², um alle praktisch vorkommenden Aufgaben abzudecken. Die Faserverbundstäbe verlaufen in jedem Fall von der unteren Klemmplattenverankerung durch bis zum oberen Ende, da eine Anpassung des Querschnittes, wie er gelegentlich bei Stahlstangen vorgenommen wird, nicht erforderlich ist und keine Kostenvorteile erbringt.

[0008] Die Faserverbundstäbe bestehen aus unidirektional verstärktem Material, wie es beispielsweise in der EP-PS 0 000 734 beschrieben ist und wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Polystal ® im Handel ist. Geeignet sind danach alle Faserverbundstäbe mit 70 bis 85 Gew.-% Endlosfasern aus Glasfasern, Kohlenstoff und Aramidfasern. Als Reaktionsharze können Epoxid, Polyester, Polyurethan und Phenolharze verwendet werden. Die Rohdichte liegt zwischen 1,4 bis 2,2 kg/dm². Als Querschnitte sind Flächen zwischen 20 bis 100 mm², vorzugsweise 40 bis 80 mm², geeignet. Die Zugfestigkeit liegt zwischen 1000 bis 2000 N/mm². Der Biege-Modul beträgt - bezogen auf den ganzen Querschnitt - 40000 bis 200000 N/mm². Die Faserverbundstäbe in den angegebenen Abmessungen lassen sich auf Trommeln wickeln. Der Transport und die Zuführung im Steigrohr werden dadurch wesentlich erleichtert.

[0009] Es kommt vor, daß das Bohrloch nicht exakt vertikal verläuft oder auch stellenweise versetzt oder gekrümmt ist. Zum Ausgleich solcher Unregelmäßigkeiten ist das erfindungsgemäße Pumpengestänge hervorragend geeignet. Es kann dabei sinnvoll sein, an mehreren Stellen im Steigrohr Führungselemente in Form von Abstandshaltern an dem Gestänge vorzusehen. Bevorzugt bestehen sie aus thermoplastischen Polymeren, die z.B. durch Anklemmen an dem Pumpengestänge befestigt werden können. Durch Zahl und Anordnung der Abstandshalter kann darüber hinaus das Schwingungsverhalten des Pumpengestänges beeinflußt werden.

[0010] In ähnlich einfacher Weise läßt sich auch das Pumpengestänge im oberen Bereich des Steigrohres dichten. Bei den konventionellen Gestängetiefpumpen ist hierzu die sogenannte "Polierstange" erforderlich.

[0011] Das Pumpengestänge ist unempfindlich gegenüber einer Korrosionsbeanspruchung.

[0012] Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann jeder einzelne Faserverbundstab auch in eingebautem Zustand auf seine Brauchbarkeit überprüft werden. Auch bei besonders hochwertigem Material ist es unter den gegebenen Umständen oft nicht zu vermeiden, daß einzelne Faserverbundelemente beschädigt werden. Bei den bisher verwendeten Pumpengestängen hatte das katastrophale Folgen, denn eine Bergung einer Pumpe bei gerissenem Pumpengestänge kann beispielsweise mehrere Tage lang dauern. Bei dem erfindungsgemäßen Pumpengestänge kann in einfacher Weise bei jedem einzelnen Faserverbundstab zumindest festgestellt werden, ob er gebrochen ist, wenn bei der Endlosherstellung des Faserverbundes ein Indikator eingebettet wird; bevorzugt sind metallische oder Licht-Leiter. Der elektrische Widerstand ist besonders leicht meßbar. Bei Licht-Leitern kann man aus der Dämpfung ungefähr abschätzen, wie weit ein gestörter Bereich entfernt ist. Aufgrund solcher Messungen kann die Schwere eines Schadens beurteilt werden, und es kann beispielsweise bei einem Gestänge aus zwölf Faserverbundstäben, bei dem nur ein Faserverbundstab zerstört ist, möglicherweise aufgrund der überdimensionierung der Weiterlauf verantwortet werden, wohingegen ohne separate Kontrolle der Ausbau in Frage kommt.

[0013] Das erfindungsgemäße Pumpengestänge kann auch aus verschiedenen Faserverbundstäben kombiniert werden, insbesondere durch verschiedenen Fasergehalt oder durch verschiedene Faserverstärkungstypen. Es wird dadurch das Schwingungsverhalten des Pumpengestänges beeinflußt.

[0014] Darüber hinaus können auch die einzelnen Faserverbundstäbe noch mit einem Thermoplasten ummantelt sein, beispielsweise als zusätzlichen Schutz gegen Korrosion und mechanische Beschädigungen.

[0015] Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden weiter beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung einer Gestängetiefpumpe;

Fig. 2 Klemmplattenverankerung eines Gestänges aus sechs Faserverbundstäben;

Fig. 3 perspektivische Ansicht eines Schnittes nach Fig. 2;

Fig. 4 Abstandshalter;

Fig. 5 Überwachung der einzelnen Faserverbundstäbe mit eingelegtem Leitungsdraht.

[0016] Durch den oberirdischen Antrieb 1 wird über die Kurbelstange 2 der Pumpenschwengel 3 mit dem sogenannten "Pferdekopf" 4 am Ende bewegt. Das Pumpengestänge 5 ist durchgehend ohne jede Zwischenverbindung und besteht aus einer Anzahl von unidirektional verstärkten Faserverbundelementen. Am Anfang und am Ende sind sie von der oberen und unteren Klemmplattenverankerung 6 bzw. 7 gefaßt; damit ist über das Drahtseil 8 die Verbindung mit dem Pferdekopf 4 und der Pumpe 9 hergestellt. Zur Führung des Pumpengestänges 5 sind Abstandshalter 10 vorgesehen. Bei den bisherigen Gestängetiefpumpen ist der obere Bereich des Steigrohres 11 mit einer Stopfbuchse 12 abgedichtet, durch die die Polierstange geführt wird. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe ist in diesem Bereich ein entsprechend lang ausgebildeter Kunststoffzylinder 13, der als "Abstandshalter" dient und die Dichtfunktion übernimmt, vorgesehen. Das Steigrohr 11 ist von einem Futterrohr 14 umgeben, das im unteren Bereich perforiert ist. Die Flüssigkeit wird am Kopf 15 des Steigrohres 11 entnommen. An der Pumpe 9 sind der Kolben 16, das Kolbenventil 17 und Fußventil 18 angedeutet.

[0017] Wegen der hohen Festigkeit des unidirektional verstärkten Faserverbundmaterials ist die Ausbildung einer entsprechenden Klemmplattenverankerung zur Kraftanleitung sehr wichtig. In den Fig. 2 und 3 ist ein solches Element für sechs runde Faserverbundstäbe 21 dargestellt. Der Durchmesser eines Faserverbundstabes 21 beträgt hier 7,5 mm. Die Verankerung besteht aus mehreren übereinanderliegenden Klemmplatten 22, 23, 24, 25, in denen die Faserverbundstäbe 21 formschlüssig eingebettet sind, was einen sehr guten volumetrischen Pressdruck ermöglicht. Die Klemmplatten 22, 23, 24, 25 werden mittels Dehnschrauben 26 miteinander verspannt. Die Dehnschrauben 26 verhindern auch ein Abgleiten der Klemmplatten 22, 23, 24, 25 gegeneinander. Die maximale Belastbarkeit eines Faserverbundstabes 21 beträgt ca. 60 kN, der Elastizitätsmodul ca. 50.000 N/mm²; bei einem 2.000 m tiefen Bohrloch ergibt sich damit ein Gewicht der unidirektional verstärkten Faserverbundstäbe von etwa 1.200 kg; Klemmplatten, Polierstange und Abstandshalter machen noch etwa 200 kg aus. Ähnlich leistungsfähige Pumpengestänge sind bisher unbekannt.

[0018] Fig. 4 zeigt einen Abstandshalter 10, der im wesentlichen wie eine Klemmplattenverankerung aufgebaut ist; der Außendurchmesser ist lediglich auf den Innendurchmesser des Steigrohres 11 abgestimmt, und statt Stahl wird üblicherweise Kunststoff verwendet. Es wird dadurch bei Schäden oder gekrümmten Bohrlöchern ein Reiben des Gestänges an der Rohrwand verhindert und die Führung verbessert. Die Polierstange ist ähnlich, aber länger als ein Abstandshalter 10 aus Kunststoff aufgebaut.

[0019] Die Überwachung der einzelnen Faserverbundstäbe ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Schon bei der Herstellung von Faserverbundstäben kann in jeden Stab 30 ein elektrischer Leiter 31 eingelassen werden. Der Einfachheit halber sind nur drei Faserverbundstäbe und die obere und untere Klemmplattenverankerung 32 bzw. 33 schematisch dargestellt. Die Leiter 31 sind jeweils aus den Faserverbundstäben 30 am Ende herausgeführt. Im Bereich der unteren Klemmplattenverankerung 33 sind die Leiter 31 alle miteinander verbunden. Die an der oberen Klemmplatte 32 herausgeführten Leiter 31 sind mit Meßgeräten 34 verbunden.

[0020] Die Montage eines Pumpengestänges ist vor Ort möglich. Die auf Wickeltrommeln aufgespulten "Endlosfaserverbundstäbe" werden bis ans Bohrloch gefahren. Dort werden zunächst die Enden der Faserverbundstäbe und die elektrische Kontrolleinrichtung mit der pumpenseitigen Klemmplattenverankerung montiert und mit der Pumpe verbunden. Die Pumpe wird anschließend in das Bohrloch abgelassen; die Ablaßgeschwindigkeit wird über eine Bremsvorrichtung an den Wickeltrommeln geregelt. Erforderlichenfalls werden in bestimmten Abständen Abstandshalter aufgeschraubt. Hat die Pumpe ihre Position erreicht, wird die antriebsseitige Klemmplattenverankerung montiert und mit dem Drahtseil-Montagekopf des Pumpen-Pferdekopfes verbunden. Kurz vor dem Erreichen der Pumpenendposition wird noch das als Polierstange wirkende Führungselement an die Faserverbundstäbe montiert.

Ansprüche

1. Gestängetiefpumpe, bei der ein in einem Steigrohr (11) an einem Pumpengestänge (5) hängender Kolben (16) in einem Pumpengehäuse (9) am Grund des Steigrohres (11) von einem oberirdischen Pumpantrieb (1) auf und ab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengestänge (5) aus mehreren, im wesentlichen parallel laufenden, aber nicht aneinanderliegenden unidirektional verstärkten Faserverbundstäben (21) besteht, von denen jeder eine über die gesamte Länge gleichbleibende Querschnittsfläche kleiner als 1 cm besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Pumpengestänges (5) mit dem Kolben (16) bzw. dem Antrieb (4) nur über eine untere bzw. obere Klemmplattenverankerung (7 bzw. 6) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Pumpengestänges (5) im Steigrohr (11) Abstandshalter (10), vorzugsweise aus Kunststoff, an den Faserverbundstäben (21) angeklemmt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des Pumpengestänges (5) am oberen Ende des Steigrohres (11) ein Kunststoffzylinder (13) an den Faserverbundstäben (21) angeklemmt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Faserverbundstab (30) ein elektrischer Leiter (31) vorhanden ist, die Leiter (31) im Bereich der unteren Klemmplattenverankerung (33) untereinander verbunden sind und die Leiter im Bereich der oberen Klemmplattenverankerung (32) so weit herausgeführt sind, daß Verbindungen mit einem Leitfähigkeitsmeßgerät (34) herstellbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Faserverbundstab ein metallischer Leiter vorhanden ist und die Leiter im Bereich der oberen Klemmplattenverankerung so weit herausgeführt sind, daß Verbindungen mit einem Meßgerät zur Ultraschallmessung herstellbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Faserverbundstab ein Lichtleitkabel vorhanden ist und die Lichtleitkabel im Bereich der oberen Klemmplattenverankerung so weit herausgeführt sind, daß eine Verbindung mit einem Meßgerät für die Lichtdämpfung herstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengestänge (15) aus unterschiedlichen Faserverbundstäben, insbesondere solchen mit unterschiedlichen Fasern oder Faseranteilen, besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstäbe mit thermoplastischen Polymeren ummantelt sind.

Zeichnung