DE19581945B4

DE19581945B4 - Antriebskopf für eine Bohrlochpumpe

Info

Publication number: DE19581945B4
Application number: DE19581945T
Authority: DE
Inventors: Edward Grenke
Original assignee: Grenke Edward Sherwood Park
Current assignee: Grenke Edward Sherwood Park
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2015-09-15
Also published as: CA2232175C; NO981134D0; CA2232175A1; HUT78067A; NO981134L; RO117558B1; US6152231A; BR9510639A; AU3467395A; WO1997010437A1; HU219961B; NO323270B1; DE19581945T1

Abstract

Antriebskopf für eine Bohrlochpumpe, deren innerhalb eines Stators (62) vorgesehener Rotor (64) mit einem mittels eines Motors (10) unter Zwischenschaltung eines Getriebes angetriebenen Gestänge (34) mechanisch gekoppelt ist und bei dem das Getriebe mit einem Bremsmechanismus für im Gestänge (34) während des Pumpenbetriebs gespeicherte und bei Ausfall bzw. bei Abschaltung des Motors frei werdende Torsionsenergie gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsmechanismus aus einer Hydraulikpumpe (40), aus einer das Getriebe umgebenden, eine Flüssigkeit (36) enthaltenden Bremskammer (20) und aus einer zwischen Hydraulikpumpe (40) und Bremskammer (20) angeordneten Freilaufkupplung (48) besteht und dass die Hydraulikpumpe (40) einerseits über eine Ansaugleitung (42) und andererseits über eine Druckleitung (44) zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs mit der Bremskammer (20) verbunden ist und mittels der Freilaufkupplung (48) derart steuerbar ist, dass bei der dem Pumpbetrieb zugeordneten Drehrichtung des Gestänges (34) die über das Getriebe gekoppelte Freilaufkupplung (48) frei durchläuft und keine Kraft auf die Hydraulikpumpe...

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebskopf für eine Bohrlochpumpe nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
In der Ölförderindustrie wurden die herkömmlichen Tauchpumpen, deren Gestänge mittels eines Pumpenantriebs vertikal auf und ab bewegt werden, nach und nach durch sogenannte Exzenterschneckenpumpen ersetzt, deren Gestänge mit Hilfe eines Motors in eine Drehbewegung versetzt werden und die insbesondere für die Förderung von mit Sand und Wasser verunreinigtem Rohöl geeignet sind. Bei diesen Rotationspumpen besteht jedoch das Problem, dass sich das Pumpengestänge wegen des am oberen Ende angelegten Drehmoments und des am Grund des Bohrlochs auftretenden Widerstandes der Pumpe wie eine Schraubenfeder aufwindet und auf diese Weise sogenannte Torsionsenergie speichert. Wann immer ein Leistungsabfall auftritt oder das System abgeschaltet wird, muss sowohl die gespeicherte Torsionsenergie als auch die durch den Hydraulikkopf der Pumpe erzeugte Energie abgebaut werden. Ohne eine Kontrolle der spontan auftretenden Rückdrehung des Gestänges können deshalb ernste Probleme auftreten, beispielsweise dadurch, dass auf Grund der im Motor auftretenden Rücklaufgeschwindigkeiten der Motor beschädigt, schlimmstenfalls auch völlig zerstört werden kann.

Aus den US 4,797,075 und US 4,993.276 sind bereits Antriebsköpfe für Bohrlochpumpen bekannt, bei denen das obere Ende des Gestänges über ein Getriebe mechanisch an eine Bremstrommel angekoppelt ist, die in einer ersten Drehrichtung, d. h. bei Normalbetrieb, freilaufend mitläuft, während sie in entgegengesetzter Drehrichtung durch ausfahrbare Bremsschuhe abbremst und die entsprechende Bremswirkung über das Getriebe auf das rückschnellende Gestänge überträgt. Durch die stets mitlaufende Bremstrommel und die sich beim Bremsvorgang abnutzenden Bremsbeläge ist der Verschleiß bei derartigen Bremssystemen verhältnismäßig groß.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Antriebskopf für Bohrlochpumpen o. g. Gattung mit einem im Vergleich zum Stand der Technik einfacheren und verschleißfreieren Bremsmechanismus auszubilden.

Ausgehend von einem Antriebskopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche. Der Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebskopfes besteht darin, dass die beim Rückschnellen des Gestänges frei werdende Torsionsenergie über den durch die aktivierte Hydraulikpumpe ausgelösten Kreislauf in Wärmeenergie umgewandelt und über die sich anschließend abkühlende Flüssigkeit des geschlossenen Kreislaufes abgebaut werden kann.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1: eine Seitenansicht einer Bohrlochpumpensystems mit einem Antriebskopf und einem erfindungsgemäßen Bremsmechanismus, und
2: eine Ansicht nach Pfeil 2 aus 1, mit der Detaildarstellung des Bremsmechanismus.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Hauptbestandteile eines Bohrlochpumpensystem 5, das aus einem durch eine Hauptantriebswelle 30 symbolisierten Antriebskopf, aus einem Motor 10 und einem mit dem Antriebskopf gekoppelten Bremsmechanismus besteht, wobei der Antrieb, ausgehend vom Motor 10 über eine Welle 12 mit zugehöriger Riemenscheibe 14, über einen Riemenantrieb zu einer weiteren Riemenscheibe 18 auf eine dem Bremsmechanismus zugeordnete Welle 16 und über ein von der Welle 16 auf die Hauptantriebswelle 30 übergreifendes Getriebe erfolgt.
Der im linken Bereich der 1 dargestellte Bremsmechanismus enthält eine Welle 16, die an ihrem oberen Ende eine Riemenscheibe 18 trägt und per Riemenantrieb über die Riemenscheibe 14 bzw. über die Welle 12 des Motors 10 angetrieben wird. Die parallel zur Welle 12 verlaufende Welle 16 ist durch das Innere einer Bremskammer 20 hindurchgeführt, die an ihrer Oberseite 22 zur Atmosphäre offen ist und zwei Seitenwände 24 (in der 1 ist nur eine Seitenwand sichtbar) und zwei Endwände 26 aufweist. Eine Bodenwand 28 ist ebenfalls Teil der Bremskammer 20. Sowohl die Welle 16 als auch die Hauptantriebswelle 30 sind durch die Bodenplatte 28 der Bremskammer hindurchgeführt und dabei ausreichend abgedichtet, um etwaige Leckverluste zu vermeiden. Die Hauptantriebswelle 30 ist am unteren Ende mit einem Gestänge 34 verbunden, das sich nach unten bis zum Grund des Bohrlochs erstreckt.
In einer besonderen Ausgestaltung ist die Bremskammer 20 ca. zu 2/3 mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist.
Die Wellen 16 und 30 sind innerhalb der Bremskammer 20 über ein Getriebe miteinander verkoppelt. In einer Variante tragen die beiden Wellen 16 und 30 je ein Stirn-Zahnrad, wobei die beiden Zahnräder so ineinander greifen, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Wellen, die sich gegenläufig zueinander drehen, konstant bleibt. Eine andere Variante sieht die Anordnung je eines Kettenrades an jeder der beiden Wellen 16 und 30 vor, in Verbindung mit einer Kette, die in beide Kettenräder eingreift. Bei der zweiten Variante rotieren die beiden Wellen im gleichen Richtungssinn.
Zur detaillierten Beschreibung des Bremsmechanismus wird zusätzlich auf 2 verwiesen.
Wie am besten aus 2 zu erkennen ist, kommuniziert eine Hydraulikpumpe 40 an der Ansaugseite mit einem Ansaugrohr 42 und an der Druckseite mit einem Druckrohr 44. Im Druckrohr ist ein Durchfluss-Steuerventil 46 angeordnet, das von Hand eingestellt werden kann, um den Durchflusswiderstand durch das Druckrohr 44 festzulegen. Beide Rohre 42 und 44 sind mit dem Innern der Bremskammer 20 über abgedichtete Öffnungen verbunden.
2 zeigt schematisch, dass die Welle 16 mit einer Freilaufkupplung 48 verbunden ist, die wiederum über elastische Kupplungen 50 mit der Antriebswelle 52 der Hydraulikpumpe 48 verbunden ist.
Die Freilaufkupplung 48 wird auch als so genannte Bremskeil-Kupplung bezeichnet, die nur in einer Drehrichtung Kraft überträgt, jedoch „rutscht", wenn sie in die entgegengesetzte Richtung rotiert. Im vorliegenden Fall liefert die Freilaufkupplung nur dann Leistung zur Hydraulikpumpe 40, wenn sich das obere Ende des Gestänges gegenläufig zur normalen Arbeitsrichtung dreht, wie dies nach Leistungsabfall oder Abschaltung des Motors möglich wäre. Wenn sich das Gestänge 34 in einer der normalen Arbeitsrichtung der Tiefbohrpumpe entsprechenden Richtung dreht, wird die Freilaufkupplung rutschen und die Hydraulikpumpe 40 nicht antreiben.
Im Betrieb, immer wenn die Bohrlochpumpe normal betätigt wird, ist die Drehrichtung der Welle 16 so, dass keine Drehbewegung durch die Freilaufkupplung 48 auf die Hydraulikpumpe 40 übertragen wird, wobei keine Hydraulikflüssigkeit in den geschlossenen Kreislauf, gebildet durch die Bremskammer 20 und die beiden Rohre 42 und 44, gepumpt wird.
Wird jedoch das gesamte Pumpsystem aus irgendeinem Grund abgeschaltet, dann wird das Gestänge 34 versuchen, sich zurückzudrehen, da die gespeicherte Torsionsenergie freigesetzt wird. Dies veranlasst ein Rotieren der Welle 30, welche ihrerseits die Welle 16 über die ineinandergreifenden Zahnräder oder die kettenverbundenen Kettenräder dreht. Während dieses Zurückdrehens des Gestänges 34 ist die Drehrichtung der Welle 16 so, dass die Hydraulikpumpe 40 über die Freilaufkupplung 48 angetrieben wird, wodurch Öl aus der Bremskammer 20 durch die Ansaugleitung 42 angesaugt und durch das Durchlass-Steuerventil 46 in die Druckleitung 46 eingedrückt wird.
Das Durchlass-Steuerventil 46 ist so ausgewählt, dass es, wenn es im wesentlichen voll geöffnet ist, dem Gestänge 34 erlaubt, mit einer relativ geringen Drehgeschwindigkeit zurückzurotieren. Somit wird im Falle einer Rückdrehung Öl aus der Bremskammer 20 durch die Hydraulikpumpe 40 kontinuierlich in einen geschlossenen Kreislauf gepumpt, wobei der geschlossene Kreislauf einen einstellbaren Widerstand in Form des Durchfluss-Steuerventils 46 enthält.
Der untere rechte Bereich der 1 zeigt das untere Ende des Bohrschachtes mit dem Stator 62 und dem Rotor 64 einer Exzenterschneckenpumpe und das untere Ende 66 des Gestänges 34.

Claims

Antriebskopf für eine Bohrlochpumpe, deren innerhalb eines Stators (62) vorgesehener Rotor (64) mit einem mittels eines Motors (10) unter Zwischenschaltung eines Getriebes angetriebenen Gestänge (34) mechanisch gekoppelt ist und bei dem das Getriebe mit einem Bremsmechanismus für im Gestänge (34) während des Pumpenbetriebs gespeicherte und bei Ausfall bzw. bei Abschaltung des Motors frei werdende Torsionsenergie gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsmechanismus aus einer Hydraulikpumpe (40), aus einer das Getriebe umgebenden, eine Flüssigkeit (36) enthaltenden Bremskammer (20) und aus einer zwischen Hydraulikpumpe (40) und Bremskammer (20) angeordneten Freilaufkupplung (48) besteht und dass die Hydraulikpumpe (40) einerseits über eine Ansaugleitung (42) und andererseits über eine Druckleitung (44) zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs mit der Bremskammer (20) verbunden ist und mittels der Freilaufkupplung (48) derart steuerbar ist, dass bei der dem Pumpbetrieb zugeordneten Drehrichtung des Gestänges (34) die über das Getriebe gekoppelte Freilaufkupplung (48) frei durchläuft und keine Kraft auf die Hydraulikpumpe (40) überträgt, während bei entgegengesetzter Drehrichtung die Hydraulikpumpe (40) über die Freilaufkupplung (48) angetrieben wird mit der Folge, dass der durch den Pumpvorgang ausgelöste Flüssigkeitskreislauf bremsend auf das Getriebe einwirkt.
Antriebskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckleitung (44) ein Durchfluss-Steuerventil (46) vorgesehen ist.
Antriebskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Motor (10) und dem mit dem Getriebe gekoppelten Bremsmechanismus ein Riemenantrieb mit zugehörigen Riemenscheiben (14, 18) vorgesehen ist.
Antriebskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe aus zwei einerseits dem Gestänge (34) und andererseits dem Bremsmechanismus zugeordneten Zahnrädern besteht.
Antriebskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder des Getriebes als Stirnräder ausgebildet sind.
Antriebskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe aus zwei einerseits dem Gestänge, andererseits dem Bremsmechanismus zugeordneten Kettenrädern und einer zwischen den beiden Kettenrädern umlaufenden Kette besteht.