[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 cm
2 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 cm
2, 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/dm
2. Als Querschnitte sind Flächen zwischen 20 bis 100 mm
2, vorzugsweise 40 bis 80 mm
2, geeignet. Die Zugfestigkeit liegt zwischen 1000 bis 2000 N/mm
2. Der Biege-Modul beträgt - bezogen auf den ganzen Querschnitt - 40000 bis 200000
N/mm
2. 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/mm
2; 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.
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.