Elektro-Tauchpumpen: Funktionsweise, Komponenten und Anwendungen

Elektro-Tauchpumpen (ESP): Das Grundprinzip

Das grundlegende Prinzip von Elektro-Tauchpumpensystemen (ESP) basiert auf dem Einsatz von Kreiselpumpen, die durch einen Unterwasser-Elektromotor angetrieben werden. Die Energie wird in Form von Druckenergie an das Fluid im Bohrloch übertragen. Die gesamte Einheit wird am Schlauch aufgehängt und liefert das Fluid zur Oberfläche. Ein Kabel versorgt den Unterwassermotor mit Strom. Der Motorschutz und die Pumpe sind über eine Kupplung verbunden, die die Drehbewegung der Motorwelle auf die Pumpe überträgt.

Bereichsausrüstung für ESP-Systeme

• Elektrischer Transformator.
• Steuerpult.
• Frequenzumrichter.
• Sicherheits-Entlüftungsbox.
• Entlastungskopf.
• Sonstige Ausrüstung.

Beschreibung der Oberflächenausrüstung

Elektrischer Transformator

Der Transformator ändert die Spannung des Wechselstromsystems. Er besteht aus einem Eisenkern, der mit Kupferdraht umwickelt ist. Meistens sind Kern und Drähte in einem Ölbad untergebracht, das als Isolator dient und zur Kühlung beiträgt. Transformatoren sind notwendig, um die richtige Spannung für den Betrieb des Geräts zu gewährleisten. Es gibt verschiedene Arten: einphasig, zweiphasig und dreiphasig, die dazu bestimmt sind, die Primärspannung der elektrischen Leitung in die für den Motor erforderliche Spannung umzuwandeln.

Steuerpult

Das Steuerpult ist die Installation, die für den Schutz und die Steuerung des Bohrlochs zuständig ist. Es besteht aus Ein- und Ausschalterschaltern, Wahlschaltern, Sicherungen, Amperemetern, Signalleuchten usw. Spezielle Ausrüstungen für die Fernsteuerung von intermittierenden Pumpen können ebenfalls integriert sein.

Frequenzumrichter

Dieses Gerät liefert variable Frequenzen und Spannungen an den Motor. Die wichtigsten Vorteile der Verwendung eines Frequenzumrichters sind:

• Starten der Motoren bei niedrigen Drehzahlen, was die Belastung der Pumpenwelle und der Motorkomponenten reduziert. Beim Start kann die Pumpe mit Nennfrequenz arbeiten, was Verschleiß und Abnutzung verringert. Magnetische Effekte im Motor werden stark reduziert.
• Schutz des Geräts vor elektrischen Spannungsschwankungen.

Entlüftungsbox (Vent Box)

Dies ist eine Anschlussdose, die zwei Funktionen erfüllt: Sie verbindet das Netzkabel der Oberflächenausrüstung mit dem Motorkabel und ermöglicht den Gasaustritt in die Atmosphäre durch das Kabel, um zu verhindern, dass Gas in das Steuerpult gelangt und dort eine Ausweisung verursacht.

Entlastungskopf (Head of Discharge)

Der Bohrkopf ist mit einer Sonde ausgestattet, die in die Rohrleitung oder den Steigrohrkragen eingeschlossen wird. Dies sorgt für eine positive Abdichtung um Kabel und Leitungen.

Sonstige Ausrüstung (Mecelaneos)

Dies umfasst den Rest der Ausrüstung, die Teil des ESP-Systems ist:

• Amperemeter-Rekorder: Wird zur Diagnose von Problemen mit der Stromversorgung verwendet. Er beobachtet oder prognostiziert Anomalien und zeichnet kontinuierlich die vom Motor verbrauchte Stromstärke auf. Der Rekorder spiegelt die Pumpenbedingungen wider und meldet sowohl normale Zustände als auch Probleme.
• Zentrierungen: Dienen dazu, den Pumpenmotor im Bohrloch zu zentrieren und leichte Ablenkungen zu korrigieren. Sie verhindern auch, dass das Kabel durch Reibung am Gehäuse beschädigt wird.
• Kabelbinder: Dienen zur Befestigung des Stromkabels am Rohr, typischerweise alle 15 Meter.
• Kabelaufbewahrung (Storage Cable): Schützt das Motorkabel oder Flachbandkabel vor Reibung am Gehäuse. Dies geschieht durch eine Konfiguration mit größerem Außendurchmesser am Anschluss.
• Druckgeneratoren am Bohrlochboden: Drucksensoren im Bohrloch. Diese Generatoren liefern Verhaltensdaten der Pumpe zur Korrelation mit dem Druck und der Ausbeute des Lagerstätte. Dies ermöglicht es dem Betreiber, die Pumpengröße zu bestimmen, die Geschwindigkeit anzupassen oder Wartungsarbeiten am Bohrloch zu planen.

Beschreibung der Unterwasser-Ausrüstung

Motor

Der in ESP-Systemen verwendete Motor ist ein dreiphasiger, bipolarer Induktionsmotor. Er arbeitet mit 3500 U/min bei 60 Hz und 2915 U/min bei 50 Hz. Er ist in einem Stahlgehäuse untergebracht, das mit dielektrischem Öl gefüllt ist, um die Schmierung und den Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit zu gewährleisten. Es wird empfohlen, den Motor vor der Perforation zu kühlen. Die minimale Viskosität der Flüssigkeit im Ringraum um den Motor sollte etwa 1 m/s betragen (Standard API). Hersteller bieten eine breite Palette von Motoren in Bezug auf den Gehäusedurchmesser an.

Protektor

Der Protektor befindet sich zwischen Motor und Pumpe und erfüllt vier Hauptfunktionen:

1. Verbindung der Pumpenwelle mit der Motorwelle.
2. Aufnahme der Axialkräfte der Pumpe, die auf den Motor übertragen werden.
3. Ausgleich von Ausdehnung oder Kontraktion des Motors durch Erwärmung oder Kühlung.
4. Ermöglichung des Eintritts von Bohrlochflüssigkeit in den Motor.

Flüssigkeitsaufnahme (Admission of Fluids Section)

Dieser Abschnitt ist der Einlass der Pumpe. Er kann einfach geschlitzt sein und dient als Filter oder Gasabscheider.

Gasabscheider (Gas Separator)

Ein Laufrad, das sich zwischen dem Protektor und der Pumpe befindet, reduziert die Menge an freiem Gas, das durch die Pumpe strömt. Es gibt verschiedene Arten von Gasabscheidern, die gebräuchlichsten sind Rückflussabscheider (statisch) und Zentrifugalkraftabscheider (dynamisch). Die Gas-Flüssig-Trennung erfolgt in einer rotierenden Kammer. Die Flüssigkeit tritt in den Abscheider ein und wird durch eine Induktivität in die untere Stufe des positiven Netto-Downloads geleitet. Die Strömung wird tangential und axial gerichtet, was zu Strömungsverlusten führt. Die Flüssigkeit gelangt in die Abscheiderkammer. Die Kamera beschleunigt die Flüssigkeit und zwingt sie zur Außenwand, während das freie Gas in der Mitte bleibt. Gas und Flüssigkeit treffen auf einen Diffusor, der die Flüssigkeit zum Pumpeneinlass leitet und das Gas zu den Entlüftungsöffnungen leitet, wo es durch den Ring entweicht.

Pumpe

Dies ist der entscheidende Teil des ESP-Systems, die Elektro-Kreiselpumpe. Sie saugt die Flüssigkeiten aus dem Reservoir an und gibt ihnen Energie. Kreiselpumpen bestehen aus mehreren Stufen. Jede Stufe besteht aus einem rotierenden Laufrad (mobil) mit einem eigenen Diffusor. Diese sind aus korrosionsbeständigen Metalllegierungen oder Kunststoff gefertigt. Durch die Drehung der Pumpenwelle wird die Flüssigkeit in den Laufradführer gesaugt und durch Zentrifugalkraft mit höherem Druck ausgeworfen. Die Anzahl der Stufen hängt von der hydraulischen Belastung oder der erforderlichen Förderhöhe ab. Der Diffusor ist der stationäre Teil einer Stufe, der die Radialgeschwindigkeit in Höhe von Winkeln umwandelt. Für eine Kreiselpumpe mit einer Welle, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit (U/min) dreht, gilt: Die Affinitätsgesetze sind nur für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität gültig. Das geförderte Volumen (bpd) ist eine direkte Funktion des Laufraddurchmessers. Die hydraulische Belastung (Förderhöhe der Pumpe) ist eine direkte Funktion des Quadrats des Laufraddurchmessers. Die Leistung ist eine Funktion des Laufraddurchmessers. Aus diesen Beziehungen wird geschlossen, dass der Gehäusedurchmesser eine sehr wichtige Rolle bei der Auswahl der Pumpe spielt. Basierend auf den Merkmalen des Projekts werden hydraulische Kennlinien (Förderhöhe), typische Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad als Funktion des Fördervolumens erstellt. Hersteller stellen diese Kennlinien für eine Vielzahl von Pumpen zur Verfügung, wobei die Flüssigkeit im Allgemeinen Wasser ist. Die Leistungskurve von Kreiselpumpen gibt die Gesamtförderhöhe in Fuß gegen die Kapazität in bpd an. Die Flüssigkeit, die im Allgemeinen zur Berechnung der Pumpenrate verwendet wird, ist Wasser, da die Förderhöhe einer Kreiselpumpe vom spezifischen Gewicht abhängt, solange die Viskosität der Flüssigkeit nahe der von Wasser liegt. Eine Korrektur ist jedoch bei der Viskosität erforderlich. Die in Wasser gezeigten Leistungskurven gelten nur für Flüssigkeiten mit einem spezifischen Gewicht von 1,0. Bei anderen Flüssigkeiten muss die Leistung (HP) mit dem spezifischen Gewicht der geförderten Flüssigkeit multipliziert werden.

Es gibt zwei Ventile, die zusätzliche Funktionen erfüllen:

• Rückschlagventil (Check Valve): Wird normalerweise 2 bis 3 Rohre unterhalb der Pumpe montiert. Seine Aufgabe ist es, den hydrostatischen Druck auf die Pumpenkomponenten zu reduzieren.
• Rückschlagventil (Anti-Return Valve): Wird über dem Rückschlagventil als Sicherheitsfaktor für die Fahrt und das Gehäuse der Schläuche installiert, oder umgekehrt.

Leitung (Lead)

Das dreiphasige Stromkabel ist für die Übertragung der elektromotorischen Kraft von der Steckdose an der Oberfläche zur Motorwelle im Bohrloch verantwortlich. Das Kabel kann in einer flachen oder runden Konfiguration hergestellt werden. Die Leiter können aus mehreren Litzen bestehen. Flachbandkabel mit verstärkten Leitern, die nebeneinander platziert sind, werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo aus Platzgründen (abgebrochen) wenig Platz vorhanden ist. Das konventionelle Rundkabel besteht aus mehreren Litzen (Drähten), die einzeln mit einer Schutzschicht versehen und dann zusammen mit den drei Leitern verlegt werden. Alle Kabel entsprechen strengen Spezifikationen und werden in verschiedenen Größen von Leitern und Materialien sowohl für flache als auch für runde Konfigurationen angeboten.

Anwendungen, Vorteile und Grenzen der Methode

Elektro-Tauchpumpen werden eingesetzt, um große Flüssigkeitsmengen zu fördern. Sie sind technisch und wirtschaftlich vorteilhaft gegenüber anderen künstlichen Förderverfahren, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

• Hohe Produktivität des Bohrlochs.
• Niedriger Hintergrunddruck.
• Hohes Wasser-Öl-Verhältnis (PAR).
• Niedriges Gas-Flüssigkeits-Verhältnis (RGL).

Wenn ein hoher Hintergrunddruck und ein niedriges Wasser-Öl-Verhältnis vorliegen, müssen möglicherweise andere Methoden wie mechanische Pumpen oder Gas-Lift in Betracht gezogen werden. In der Regel ist die Verwendung von Elektro-Tauchpumpen dann nicht möglich. Bei einem hohen Gas-Öl-Verhältnis können ESPs mit einem effizienten Gasabscheider verwendet werden, wobei die Pumpe so tief wie möglich platziert wird. Eine weitere wichtige Anwendung dieser Methode ist die Wasserinjektion in Projekte.

Vorteile

• Kann extrem hohe Volumina fördern (bis zu 90.000 bpd in großen, flachen Bohrlöchern mit Gehäuse).
• Einfach zu bedienen.
• Probleme mit abgelenkten Löchern werden durch die Verwendung von Zentrierungen gelöst.
• Anwendbar im Offshore-Bereich.
• Die Kosten für die Förderung großer Mengen sind sehr gering.
• Vielfalt in der Größe.
• Drucksensoren können einfach im Bohrloch an der Oberfläche installiert werden (Telemetrie).
• Keine Zerstörung des Bodens in städtischen Gebieten.
• Einfache Implementierung von Behandlungen gegen Korrosion und Ablagerungen (einfache Injektion von Chemikalien).

Einschränkungen

• Eine zuverlässige Stromversorgung ist unerlässlich.
• Hohe Spannungen sind erforderlich (+/- 1000 Volt).
• Nicht praktikabel in flachen Bohrlöchern mit geringer Produktivität.
• Beschränkungen hinsichtlich der Gehäusegröße.
• Kabelprobleme bei der Handhabung des Rohrs.
• Kabel verschlechtern sich bei hohen Temperaturen.
• Die Herstellung von Feststoffen und Gasen ist problematisch.
• Nicht geeignet für Tiefen von mehr als 10.000 Metern aufgrund der Kosten und Schwierigkeiten bei der Installation.
• Die Analyse ist nicht einfach (für Last und Software).

Betriebsstörungen von Elektro-Kreiselpumpen

Die am häufigsten von Fehlern betroffenen Teile in diesem System sind Motor, Pumpe, Kabel und Protektor.

Motor

Der Motor ist am anfälligsten für Schäden. Mögliche Probleme sind:

• Übermäßige Leerlaufspannung im Zyklus aufgrund von schlechtem Design, Pumpenverschleiß oder Unterspannung.
• Undichte Schutzdichtungen, die zu einem Kurzschluss im Motor führen können. Dies kann durch übermäßige Pumpenvibrationen, unsachgemäße Handhabung bei der Installation oder Demontage oder Herstellungsfehler verursacht werden.
• Verschleiß des Motorgehäuses durch Korrosion.
• Motorbetriebsprobleme aufgrund fehlender Schmutz- oder Feuchtigkeitskontrolle im System, die zu Spannungsschwankungen führen.

Pumpe

Gründe für Pumpenausfälle können sein:

• Verschleiß des oberen und unteren Randes des Laufrads, wenn die Pumpe in Betrieb ist und sich nach oben oder unten bewegt.
• Verschleiß der Komponenten durch Betriebszeit (Lebensdauer). Komponenten verschleißen durch Abrieb.
• Verstopfung der Stufen durch Sedimente.
• Verbiegungen der Welle durch unsachgemäße Handhabung beim Transport oder bei der Montage.
• Korrosion.

Protektor

Gründe für den Ausfall des Protektors können sein:

• Unsachgemäße Handhabung, die zum Bruch der Keramikdichtungen und zu Ölverlust führen kann.
• Vibrationen der Pumpe.
• Übermäßige Stopps und Starts des Geräts (Schwankungen im Stromnetz).
• Änderungen im Betriebszyklus.

Kabel

Kabel können beschädigt werden durch:

• Unsachgemäße Handhabung bei der Installation und Führung im Bohrloch.
• Übermäßige Strombelastung.
• Schlechte Verbindung mit dem Flachbandkabel.