Mechanische Pumpen: Konzept und Komponenten

Mechanische Pumpe: Konzept und Betrieb

Die mechanische Pumpe ist die weltweit am häufigsten eingesetzte Methode des Artificial Lift. Diese Methode erzeugt eine Hubbewegung für eine Untertagepumpe. Die Energie hierfür wird über ein Gestänge übertragen. Diese Energie stammt von einem Elektro- oder Verbrennungsmotor, der über ein Getriebe und Riemen eine Oberflächeneinheit antreibt.

Mechanische Pumpen finden ihren häufigsten Einsatz bei der Förderung von Schwer- und Extra-Schweröl, werden aber auch zur Förderung von mittel- und leichtviskosem Rohöl verwendet.

Es existieren viele Theorien, die das Förderverhalten von Bohrlöchern mit mechanischen Pumpen erklären. Einige Betreiber bevorzugen offene Bohrlochkomplettierungen (Open Hole Completion), andere verrohrte und perforierte Komplettierungen (Cased Hole Completion). Die Wahl hängt stark vom Anteil des mitgeförderten Gases ab. Diese Überlegungen sind relevant, wenn die Bohrlochkomplettierung keinen Tubing-Anker oder Packer zur Abdichtung zwischen Förderrohr (Tubing) und Ringraum (Annulus) vorsieht.

Die erforderliche Förderkapazität einer Pumpe hängt von Faktoren wie der Öl-, Gas- und Wasserförderrate, der Effizienz der Gasabscheidung im Bohrloch, dem Schrumpfungsfaktor des Öls und den Eigenschaften der Fluide ab. Die Anwesenheit von freiem Gas am Pumpeneinlass reduziert die volumetrische Effizienz der Untertagepumpe, was zu einem Verlust an Förderleistung führt. Daher müssen beim Design einer mechanischen Pumpenanlage Faktoren wie der Blasendruck (Bubble Point Pressure), der Formationsvolumenfaktor und das Gas-Öl-Verhältnis (GOR) berücksichtigt werden.

Ausrüstung

Das mechanische Pumpsystem besteht aus Oberflächen- und Untertageausrüstung, die wie folgt aufgebaut sind:

Oberflächenausrüstung

• Pumpenbock (Pumping Unit)
• Antriebsmotor
• Bohrlochkopf (Wellhead)

Untertageausrüstung

• Förderrohrstrang (Tubing)
• Pumpengestänge (Sucker Rods)
• Untertagepumpe (Downhole Pump)
• Tubing-Anker (optional)

Pumpenbock (Pumping Unit)

Seine Hauptaufgabe ist es, die Hubbewegung zu erzeugen, die das Pumpengestänge antreibt, welches wiederum die Untertagepumpe betätigt. Mittels Riemen und Getriebe wird die Drehzahl des Antriebsmotors reduziert. Die resultierende Drehbewegung wird durch die Kurbelwelle, Pleuelstange und den Balancierbalken in eine oszillierende Hubbewegung umgewandelt. Die Oberflächeneinheit kann ein Balancier-Pumpenbock oder eine hydraulische Hubeinheit sein. In diesem Abschnitt wird nur der konventionelle Balancier-Pumpenbock beschrieben.

Weitere Funktionen des Balancierbalkens

• Änderung der Hubgeschwindigkeit (über die Motordrehzahl).
• Änderung der Hublänge (durch Umsetzen des Kurbelzapfens).
• Anpassung des Gegengewichts zur Kompensation der Gestänge- und Flüssigkeitslast.

Der Pumpenbock verfügt über eine Kupplung zum Starten und Stoppen sowie eine Bremse, um die Einheit in jeder gewünschten Position anzuhalten.

Wesentliche Designaspekte des Pumpenbocks

• Drehzahlreduktionssystem (Getriebe)
• Gelenksystem (Kurbel, Pleuel, Balancier)
• Gegengewichtssystem

Motor

Liefert die Antriebsenergie für den Pumpenbock, um die Bohrlochflüssigkeiten zu heben. Es können Verbrennungs- oder Elektromotoren eingesetzt werden, wobei letztere häufiger sind. Elektromotoren können mit konstanter oder variabler Drehzahl betrieben werden. Die Änderung der Hubgeschwindigkeit wird durch die Anpassung der Motordrehzahl erreicht.

Getriebe

Ein Zahnradsystem, das die Drehzahl zwischen dem Antriebsmotor und dem Kurbel-Pleuel-System reduziert. Das Reduktionssystem kann ein-, zwei- oder dreistufig sein. Das Getriebe ist eine der teuersten Komponenten der Pumpenanlage.

Kurbelwelle

Überträgt die Drehbewegung vom Getriebe auf die Pleuelstangen, die mittels Kurbelzapfen befestigt sind. Sie sitzen auf der langsam drehenden Abtriebswelle des Getriebes. Jede Kurbel hat mehrere Bohrungen zur Befestigung der Kurbelzapfen. Jede Bohrungsposition ermöglicht eine unterschiedliche Hublänge des Balancierbalkens. Das Umsetzen des Kurbelzapfens in eine andere Bohrung wird als Änderung der Hublänge bezeichnet.

Gegengewichte

Sie befinden sich üblicherweise an den Kurbeln oder bei einigen Einheiten am Ende des Balancierbalkens (gegenüber dem Pferdekopf). Sie dienen dazu, die ungleichmäßigen Kräfte, die während des Auf- und Abwärtshubs auf den Motor wirken, auszugleichen. Bei luftbalancierten Einheiten erfolgt der Gewichtsausgleich mittels Druckluft in einem Zylinder.

Stopfbuchse (Stuffing Box)

Wird verwendet, um den Ringraum zwischen der polierten Gestängeoberfläche (Polished Rod) und dem Förderrohr (Tubing) am Bohrlochkopf abzudichten und so das Austreten von Öl zu verhindern. Sie besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit Dichtungselementen (Packungen), die sich an die polierte Stange anlegen, um die Abdichtung zu gewährleisten.