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Störungsfreier und umweltfreundlicher Förderbetrieb auf Erdölfeldern

NETZSCH liefert gestängelose untertägig angetriebene Exzenterschneckenpumpe (ESPCP)

Unterirdisch angetriebene PCP für ein deutsches Ölfeld
Im November 2018 wurde ein NETZSCH ESPCP-System im Erdölfeld eines deutschen Erdöl und -gasproduzenten installiert. Das Bild zeigt die Bohrung, die von einer Gestängetiefpumpe mit dem außer Betrieb genommenem Pumpenbock (rechts) auf die Rodless PCP (links) umgerüstet wurde.

 

Seit fast 70 Jahren betreibt ein deutscher Erdöl- und Erdgasproduzent südlich von Bremen Erdölfelder, auf denen historisch bedingt verschiedene Pumpentypen nebeneinander im Einsatz sind. Um die Anzahl der anfallenden Ein- und Ausbauten der Pumpensysteme zu reduzieren, begab sich der Ölfeldbetreiber daher auf die Suche nach einem effizienten und langlebigen System, das in der Lage ist, die Vorteile beider Pumpentypen miteinander zu verbinden: Ein System, das den Tauchmotor einer Tauchkreiselpumpe mit einer Exzenterschneckenpumpe kombiniert.

Das Unternehmen setzt auf seinen Erdölfeldern südlich von Bremen verschiedene Pumpentypen im Förderbetrieb ein. Aufgrund ihrer Unterschiede in Aufbau und Funktion haben sich die verschiedenen Modelle für die spezifischen Bedingungen der Produktionsbohrungen jeweils als unterschiedlich gut geeignet erwiesen: „Jeder Pumpentypus weist spezifische Vor-, aber auch Nachteile auf“, erläutert Jörg Eitler, Globaler Geschäftsfeldleiter für Öl & Gas Upstream bei NETZSCH. „So treten bei Gestängetiefpumpen und oberirdisch angetriebenen Exzenterschneckenpumpen beispielsweise Brüche am Pumpgestänge auf. Da sich dieses bei der Förderung ständig bewegt, kann es zu durchgescheuerten Steigrohren kommen – was umso wahrscheinlicher ist, je weiter der Bohrlochpfad von der Vertikalen abweicht.“ In der Folge können aufwändige Aufwältigungsarbeiten notwendig werden, um den Schaden zu beheben und die Förderung wieder aufnehmen zu können. Bei Tauchkreiselpumpen ist dieses Risiko deutlich geringer: Sie müssen zwar sehr präzise ausgelegt und vorsichtig installiert werden, um besonders bei einem nicht vertikalen Bohrlochpfad während des Einbaus das Untertagekabel nicht zu beschädigen. Ist die Installation aber erfolgreich abgeschlossen, weisen die Kabel bei vielen Bohrungen eine deutlich höhere Lebensdauer auf als die Gestänge von Exzenterschnecken- und Gestängetiefpumpen. Dies liegt daran, dass das Kabel im Betrieb dynamisch nicht belastet wird, wie das bei dem Pumpgestänge der Fall ist.

Für die Anwendungen auf den norddeutschen Erdölfeldern erschien den Verantwortlichen deshalb eine Kombination aus Exzenterschneckenpumpe und Tauchkreiselpumpe, die die Vorteile beider Pumpentypen miteinander vereint, als besonders sinnvoll und effizient. Das Unternehmen entschied sich für ein spezielles, von der NETZSCH Pumpen & Systeme GmbH entwickeltes Modell, das keine Übersetzung der Umdrehungen des Motors zur Pumpe benötigt, da der speziell für diese Anwendung ausgewählte Motor mit sehr geringer Frequenz betrieben werden kann. Neben der Exzenterschneckenpumpe besteht das System aus einem Permanentmagnetmotor, Sensoren, Motorprotektor, Lagereinheit und einen flexiblen Biegestab, auch Flexshaft genannt. Weitere Komponenten sind ein Rückschlag- sowie ein Entleerungsventil und ein Kabel, das zur Stromversorgung des Motors und zur Datenübertragung vom Sensor verwendet wird.

 

Besseres Handling durch spezielle Rotorverbindung und Permanentmagnet-Motor

Bei der beim Kunden genutzten ESPCP handelt es sich um ein Modell, das über eine spezielle Rotorverbindung verfügt und von unten, das heißt im Bohrloch,  angetrieben wird. „Die Besonderheit dieser Pumpe ist, dass die Rotation des Rotors nicht über eine sehr lange Welle beziehungsweise ein Gestänge vom oberirdischen Drive Head angetrieben wird, sondern sowohl die Rotor-Stator-Kombination als auch der Motor im Bohrloch versenkt sind“, erläutert Jörg Eitler. Der Motor und die Lagereinheit sind über einen Biegestab direkt mit dem Rotor verbunden. Alle radialen und axialen Kräfte des Rotors werden durch ein spezielles, untertägiges Lagergehäuse abgefangen. Zudem befindet sich auch eine dynamische Dichtung im Bohrloch. Somit wurden alle kritischen Komponenten der Fördereinheit unter die Erde verlagert, so dass keine Umweltbelastungen durch Leckage über Tage auftreten können.

Beim Motor des Systems entschied man sich für ein Permanentmagnet-Modell (PMM), das speziell auf die Anforderungen einer Exzenterschneckenpumpe ausgelegt wurde. Durch diesen langsam drehenden 10-poligen Synchronmotor entspricht die vorgegebene Drehzahl der tatsächlichen Drehzahl – auf diese Weise entfallen kompliziertere Schlupfberechnungen oder Drehzahlmessungen völlig. Auch auf ein fehleranfälliges, mechanisches oder magnetgekoppeltes Getriebe kann verzichtet werden. Direkt unterhalb des PMM ist ein Downhole-Sensor angebracht, der Daten für den Betrieb der Produktionsbohrung sowie zum Maschinenzustand liefert und bei der Interpretation von Bohrlochproblemen unterstützt.

Schnittmodell einer Exzenterschneckenpumpe von NETZSCH

 

Deutliche Anwendungsvorteile im Vergleich zu oberirdisch angetriebenen PCP-Modellen

Aufgrund des speziell an die örtlichen Bedürfnisse angepassten Aufbaus ist das in Norddeutschland installierte ESPCP-System in der Lage das hochviskose Medium mit Sedimenten aus Bitumen und Paraffin, einem Sandanteil bis zu 40 Prozent oder Salzablagerungen mit einem Druck von bis zu 300 bar zu fördern. Auch ein Freigasanteil an der Pumpenaufnahme von bis zu 40 Prozent stellt bei der Förderung kein Problem dar, da die verschiedenen Phasen eines Fluids mit der Technik der Exzenterschneckenpumpe einfach gefördert werden können. Außerdem transportiert sie niedrige Mengen von 3 bis 20 m³/Tag ebenso effizient wie mittlere von 10 bis 100 m³/Tag. Da kein Pumpgestänge vorhanden ist, kann die Pumpe nun selbst für horizontale oder stark abgelenkte Bohrungen verwendet werden. Durch den Wegfall des Pumpgestänges sind Gestängebrüche von vornherein ausgeschlossen, genauso wie eine Reibung desselben mit dem Steigrohr. Somit entfällt auch das Risiko von Steigrohrleckagen. Zudem können im Steigrohr höhere Fließraten erzielt oder Rohre/Tubings mit geringerem Durchmesser verwendet werden. Die Druckverluste im Steigrohr sind ebenfalls geringer. „Außerdem entfällt das Verdrehen des Gestänges wodurch es nicht zu einem gefährlichen Backspin kommen kann“, erklärt der Upstream-Spezialist von NETZSCH, so bezeichnet man das schlagartige Entspannen des Gestängestranges.

Weitere Vorteile dieser gestängelosen PCP gegenüber den üblichen PCP-Modellen sind außerdem die kleinere Axiallast, das größere Betriebsfenster von 180 - 500 Umdrehungen, ein integrierter Pumpen- und Motorschutz sowie die Wahl eines speziellen, besonders Xylol-beständigen Elastomers. Hinzu kommen eine automatische integrierte Pumpensteuerung – beispielsweise für das Anfahren der Pumpe nach einem Stromausfall – und die Fernmessung von Echtzeit-Pumpendaten zur Früherkennung von Fehlern. Darüber hinaus weist das System im Vergleich zu allen oberirdisch angetriebenen Systemen einen kleineren Footprint auf.

Im November 2018 wurde das NETZSCH ESPCP-System im Erdölfeld südlich von Bremen installiert sowie in Betrieb genommen. Bis zur ersten außerplanmäßigen Abschaltung der Förderbohrung, die durch eine Überschreitung nicht pumpenbezogener, externer Grenzwerte verursacht wurde, funktionierte es einwandfrei. Der Betreiber plant daher die Anschaffung weiterer Systeme.

 

Installation der gestängelosen Exzenterschneckenpumpe im Bohrloch
Da kein Pumpgestänge vorhanden ist, kann die Pumpe selbst für horizontale oder stark abgelenkte Bohrungen verwendet werden, wodurch die sogenannte Dog Leg Severity (DLS) sehr hoch ist.

 

 

Quelle & Bilder: NETZSCH

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