DE801364C

DE801364C - Strahltiefpumpe

Info

Publication number: DE801364C
Application number: DEP47816A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl-Ing Schiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-07-05
Filing date: 1949-07-05
Publication date: 1951-01-04

Description

Die Tiefpumpen werden bekanntlich benutzt, um Flüssigkeiten aus Bohrlöchern, Brunnen oder Schächten zu heben. Die Arbeitsverhältnisse sind meist schwierig, da hohe Drücke gefordert werden, wobei aber für die Pumpe selbst oft nur ein sehr eng begrenzter Raum zur Verfügung steht; außerdem sind die zu fördernden Flüssigkeiten zuweilen unrein (z. B. Sandgehalt des Erdöls) und die Temperaturen häutig hoch. Als Tiefpumpen werden

ίο die verschiedensten Pumpenarten verwendet. Meist werden sie von über Tage her angetrieben, z. B. mittels hin- und hergehender Gestänge oder drehender Welle. Manchmal ist der Antriebsmotor auch mit der Pumpe direkt verbunden und wird mit dieser gleichzeitig eingebaut. Das Antriebsmittel ist dann elektrischer Strom, Preßluft, Preßgas, Druckwasser u. dgl. mehr. Alle diese Pumpen besitzen den Nachteil, daß sie bewegliche Teile haben, die der Abnutzung unterliegen, oder aber sie sind, wie z. B. die Mammutpumpe, im Betrieb teuer (wegen schlechten Wirkungsgrades bei der Erzeugung und dem Verbrauch von Druckluft usw.).

Für die Hebung des Erdöls aus großen Tiefen wird das Arbeiten mit den heute üblichen Förderpumpen besonders teuer. Hierfür werden die verschiedensten Pumpenarten herangezogen, jedoch niemals die Wasserstrahlpumpen. Es herrscht nämlich die Meinung, daß diese nur für untergeordnete, vorübergehende Zwecke zu gebrauchen seien, z. B. Entwässerung von Kellern, Baugruben u. dgl., da sie hohe Drücke im Verhältnis zur Förderhöhe benötigen und nur einen geringen Wirkungsgrad (von 30% im besten Falle) hätten.

Die hier vorgeschlagene Strahltiefpumpe soll be-

weisen, daß diese Annahme durchaus unrichtig ist und daß sich gerade zur Förderung des Erdöls aus großen Tiefen das Flüssigkeitsstrahlprinzip hervorragend eignet. Diese Strahltiefpumpe beruht auf folgender Überlegung:

Bei der Strahlpumpe wird mittels Druckwasser ein Wasserstrahl erzeugt. Hierbei entsteht in und um den Strahl ein verminderter Druck, der zum Ansaugen benutzt wird. Die angesaugte Flüssigkeit

ίο muß beschleunigt werden, und darauf wird die Bewegungsenergie wieder in Druckenergie umgesetzt. LJm zu saugen, muß der Strahl eine recht hohe Geschwindigkeit besitzen, was in der Praxis meist schon zu einem unangenehmen Aufwand führt.

Außerdem wird gewöhnlich gefordert, daß mit einer geringen Wassermenge eine möglichst große Flüssigkeitsmenge angesaugt und verpumpt wird. Das führt dann zu kleinen Düsen, die in ein verhältnismäßig weites Rohr einmünden. Unter diesen Bedingungen kann dann das Ergebnis hohen Anforderungen nicht genügen. Ganz anders lassen sich aber die Arbeitsbedingungen bei der Erdölförderung gestalten, wie sie hier vorgeschlagen wird.

Die zu fördernde Erdölmenge ist pro Zeiteinheit nämlich gering. Die Pumpe kann also so ausgelegt werden, daß mit viel Flüssigkeit (z. B. Wasser oder gereinigtes Rohöl) nur wenig Erdöl angesaugt wird. Dann braucht aber das Rohr hinter der Düse nur um ein geringes weiter zu sein als die Düse selbst.

Damit fällt die Hauptquelle für den schlechten Wirkungsgrad fort. Im Bohrloch lassen sich wohl keine Körper mit großem Durchmesser, dafür aber unbedenklich solche mit großen Längen unterbringen. Es kann also ein beliebig langer und schlanker Öffnungskegel verwendet werden, um die Bewegungsenergie wieder in Druckenergie möglichst verlustlos zurückzuverwandeln. Wenn nötig, läßt sich auch das angesaugte Mittel allmählich beschleunigen. Die wichtigsten Teile der Pumpe lassen sich also alle so gestalten, daß Verluste vermieden werden (soweit als theoretisch überhaupt möglich). Dem großen Verschleiß durch den schnellen Wasserstrahl läßt sich wirksam durch Verwendung von z. B. Wolframkarbiden begegnen, was in diesem Falle doch nicht zu teuer wird, da die Düsen wegen der hohen Geschwindigkeit ohnehin nur klein sind (mit einem Durchmesser von nur einigen Millimetern). Das spezifische Gewicht des absteigenden Stromes (z. B. kaltes Wasser) ist höher als das des aufsteigenden (z. B. angewärmtes Wasser und Erdöl). Die Erdwärme selbst wird also für den Pumpenantrieb sozusagen mit herangezogen. Es läßt sich bei Bedarf auch stufenweise Förderung erreichen durch Einbau von Düsen in gewissen Abständen (z.B. alle 500m). Es läßt sich für die Förderung chemisch vorbehandeltes Wasser verwenden, das auf das öl günstig einwirkt (z. B. Entziehung von Salz, Entsäuerung, Emulsionszerstörung). Es läßt sich unbedenklich auch öl fördern, das viel Sand und Gas enthält. Die für die Ansaugung des Gases aufgewendete Arbeit ist nicht verloren, da dieses bei Druckentlastung in der Nähe der Erdoberfläche frei wird, sich ausdehnt und so nach Art einer Mammutpumpe zur ölförderung beiträgt.

Die vorgeschlagene Strahlpumpe ist in Abb. I und II dargestellt, und zwar nur eine der vielen Ausführungsarten in schematischer Form. Hierin bedeuten 1 die Bohrlochwand, 2 einen dichten Behälter für Flüssigkeit und Gas, 3 eine Pumpe, 4, 5, 10, 11 Leitungen aus druckfestem Rohr, 6 ein Fallrohr von z. B. 100 mm Durchmesser, 8 ein Steigrohr von z. B. 60 mm Durchmesser, das innerhalb des Fallrohres eingebaut ist, 7 die eigentliche Strahlpumpe, wie auf Abb. II dargestellt, 9 Strahlpumpen, die gegebenenfalls auch höher oben noch eingebaut sind, 19 (s. Abb. II) das untere Ende des Steigrohres mit schlanker Hohlkegelforni, 12 und 18 Abdichtungen, 15 ein Zwischenstück mit dem Rohr 16 verschraubt, 17 ein unteres Zwischenstück mit dem Ventilsitz 21 durch Ring 25 dicht verschraubt, 13 eine Rohrmuffe, 20 eine Ventilkugel, 22 ein in das Rohr 16 eingeschweißtes Röhrchen, das dem Wasser den Zutritt zur Düse, dem Erdöl aber den zum Zylinderloch 24 gestattet, 23 eine Düse aus Hartmetall.

Die Strahlpumpe arbeitet wie folgt:
Nach der Montage der Übertageeinrichtung wird die Kugel 20 befestigt, das ganze in Abb. II dargestellte Fußstück an das Fallrohr 6 angeschraubt und mit diesem in das Bohrloch eingebaut. Hierauf wird das Steigrohr innerhalb des Fallrohres eingebaut, bis das untere Ende mit der Dichtung 18 auf dem Zwischenstück 15 aufliegt. Nun werden Fallrohr und Steigrohr mit Wasser (oder Rohöl) gefüllt, gegeneinander abgedichtet und mit den Leitungen verschraubt. Die Pumpe 3 wird angelassen. Es bildet sich ein Flüssigkeitsstrom aus dem Behälter 2 über Pumpe 3 durch das Fallrohr 6 nach unten und durch Düse 23, öffnung 24, den Hohlkegel 19 und das Steigrohr 8 zum Behälter zurück. Den größten Widerstand bildet die Düse. An ihr entsteht also ein Druckabfall. Es bildet sich ein Strahl aus, der im schlanken Kegel 19, auf dem das Gewicht der Flüssigkeitssäule im Steigrohr ruht, verlangsamt wird. Nach einiger Zeit, wenn die Flüssigkeitssäulen im Fall- und Steigrohr beschleunigt sind, ist die Geschwindigkeit des Strahles so groß, daß er wegen seines Unterdruckes aus seiner Umgebung die zu fördernde Flüssigkeit ansaugt und nach oben reißt. Das geförderte Rohöl hebt die Kugel 20 an, fließt an ihr vorbei nach oben und tritt schließlich zwischen Düse 23 und öffnung 24 in den Strahl ein, wird also nach oben gefördert. Bei Bedarf wird das Steigrohr um einige ¹¹S Millimeter gehoben, bis der Ringraum um den Strahl der Förderung am besten angepaßt ist. Die Dichtungen (Kolbenringe) 12 verhindern den Übertritt der Flüssigkeit aus dem Fallrohr direkt in das Steigrohr. Nun arbeitet die Pumpe gleichmäßig weiter, ohne daß sich in ihr andere Teile als die Flüssigkeit selbst bewegen. Im Behälter 2 trennen sich gegebenenfalls die Flüssigkeiten nach spezifischen Gewichten, das geförderte Rohöl läuft bei Leitung 11 ab, das Wasser (oder der Rest des Roh-Öls) wird wieder von der Pumpe angesaugt und,

gegebenenfalls nach Kühlung, wieder dem Fallrohr zugeführt, worauf sich die Vorgänge wiederholen. Es soll für die hier beschriebene Strahlpumpe ohne Belang bleiben

a) ob mit Wasser, Rohöl oder einer anderen Umlaufflüssigkeit gearbeitet wird.

b) ob Steigrohr und Fallrohr ineinander oder nebeneinander eingebaut werden,

c) ob ein oder mehrere Düsen benutzt werden und ίο wie diese geformt sind,

d) ob das untere Ventil mit einer Kugel, einem Teller, einem Kegel oder einem anderen Körper versehen ist, ob mit oder ohne Federbelastung,

e) ob die Förderung einstufig oder mehrstufig erfolgt,

f) welche Pumpenart für den Antrieb benutzt wird,

g) welche Großen und Formen die Rohre, Verbindungsstücke usw. haben.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zum Heben von Flüssigkeit aus Bohrlöchern, Brunnen und Schächten, dadurch gekennzeichnet, dal.i eine Flüssigkeit durch eine übliche Pumpe aus einem Behälter angesaugt, dann abgekühlt, dann durch ein annähernd senkrechtes Rohr nach unten gedrückt wird, dann durch eine Düse in ein anderes annähernd senkrechtes Rohr strömt, um in den Ausgangsbehälter, jedoch mit etwas höherer Temperatur, zurückzugelangen, den Kreislauf dann wiederholend, während unmittelbar oberhalb der Düse zusätzlich Flüssigkeit angesaugt wird, um ebenfalls nach oben befördert zu werden.
2. Strahltiefpumpe zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der kreisenden Flüssigkeit ein Vielfaches der zu fördernden beträgt.
3. Strahltiefpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dal.i der Querschnitt der Öffnung über der Mischdüse (24) nur um ein geringes größer ist als der Querschnitt der Strahldüse (23), wobei der Abstand beider Öffnungen von über Tage her während des Förderns durch Heben und Senken des inneren Rohres (8) geregelt werden kann.
4. Strahltiefpumpe nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung über der Mischdüse (24) unmittelbar und ohne Kante an einen Hohlkegel von etwa 5⁰ öffnungswinkel anschließt, der Züge besitzt, um die aufsteigende Flüssigkeit gleichzeitig in Drehung zu versetzen.
5. Strahltiefpumpe nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Förderung von Rohöl ein derartig chemisch vorbehandeltes Wasser als Kreislaufflüssigkeit benutzt wird, daß dem Öl schon während der Förderung ein Teil des Salzes und der Säuren und sonstiger schädlicher Beimischungen entzogen wird und daß Kmulsionsbildung verhütet bzw. schon gebildete Emulsion gebrochen wird.
6. Strahlpumpe nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter über Tage so bemessen und ausgebildet ist, daß für den Fall von Rohölförderung nur ein Teil des Wassers sich gleich wieder vom Rohöl trennt, um den Kreislauf zusammen mit zugegebenem frischen Wasser zu wiederholen, daß der übrige Teil aber (z. B. 30%) gleichzeitig mit dem Öl abläuft zwecks Herabsetzung der Viskosität und der dadurch bedingten leichteren Ölverpumpung in und vom Ölfeld.
7. Strahlpumpe nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei tiefen Bohrlöchern gegebenenfalls mehrere solche Pumpen in größeren Abständen übereinander angeordnet werden zwecks Stufenverpumpung.
8. Strahltiefpumpe nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (23). die Mischdüse (24) und der untere Teil des Hohlkegels (19) aus hochverschleißfestem, aber sehr glattem Material hergestellt werden (-/.. B. aus poliertem Wolframkarbid).
9. Strahlpumpe nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Querschnitte so gewählt sind, daß außer in der Strahldüse (23) und der Alischdüse (24) und dem Hohlkegel (19) die Geschwindigkeiten der Flüssigkeiten niedrig bleiben (z. B. unter τ m/sec).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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