Verdrängerpumpen für den Einsatz auf Öl- und Gasfeldern

Für Up-, Mid- und Downstream geeignet

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Das klassische Bild von der Ölförderung per Gestängetiefpumpe mit dem nickenden Pferdekopf ist auch heute noch auf vielen Ölfeldern weltweit anzutreffen. Sie werden jedoch zunehmend von einem weniger spektakulären, dafür aber effizienteren System abgelöst: Tauchpumpen auf Exzenterschneckenbasis. Mit dieser Technologie lassen sich auch hochviskose Öle druckstabil mit über 50 000 mPas fördern. Dabei treten kaum Pulsation oder Scherkräfte auf, sodass es bei Öl-Wasser-Gemischen nicht zu unerwünschten Emulsionseffekten kommt.

Autor Thomas Böhme Head of Business Field Oil & Gas Mid-/Downstream, Netzsch Pumpen & Systeme

Trotz aller Bemühungen um die erneuerbaren Energien ist der weltweite Bedarf an Erdöl und Erdgas ungebrochen, und das Interesse an der Erschließung neuer, auch unkonventioneller Lagerstätten wächst. Methan aus Kohleflözen oder hochviskoses Öl mit über 10 000 mPas sind wirtschaftlich interessant, allerdings ebenso kompliziert zu gewinnen, wie Öl-Sand-Gemische aus der sudanesischen Wüste. Um unter derartigen Voraussetzungen eine effiziente Produktion aufbauen zu können, müssen vor allem die Förderanlagen auf die Medien, die Umgebungsbedingungen und aufeinander abgestimmt sein. Netzsch Pumpen & Systeme hat daher ein ganzes Sortiment an spezialisierten Exzenterschnecken- und Drehkolbenpumpen für die verschiedenen Einsatzgebiete im Up-, Mid- und Downstream entwickelt.
Die verschiedenen Varianten
Da der Körper der Exzenterschneckenpumpe vergleichsweise schmal ist, eignet sie sich ideal zum Einsatz innerhalb des Bohrungsschachtes. Zur oberirdischen Erzeugung des Drehmoments hat Netzsch verschiedene Antriebsköpfe für unterschiedliche Anforderungen an Leistung und Drehzahl entwickelt. So ist der vertikale Antrieb GH mit 20 bis 100 PS und 3400 NM Drehmoment speziell auf große Lasten ausgelegt. Die rechtwinklige RH-Variante wird stattdessen für sehr niedrige Kolbenstangengeschwindigkeiten verwendet und ermöglicht dank ihrer Geometrie sowohl den Anschluss an einen Verbrennungs- als auch an einen Hydraulikmotor. Hinzu kommt der besonders ökonomische Direktantrieb DH für höhere Rotationszahlen bis 500 rpm. Sie alle besitzen einen integrierten Überlastungsschutz sowie eine hydraulische Bremse und können mit Stopfbuchsen, Gleitringdichtungen oder Lippendichtungen ausgestattet werden. Zudem sind sie Atex-konform nach Richtlinie 94/9/EC in explosionsgefährdeten Zonen der Stufe 1 zugelassen.
Daran angeschlossen wird der eigentliche Pumpenkörper, den es wiederum in unterschiedlichen Ausführungen gibt. Das Standard-Modell NTZ erzeugt durch seine geringe Zahl an Verschleißteilen nur niedrige Lebenszykluskosten und eignet sich für Ölgemische mit bis zu 40 % Gas- oder Sandanteil und bis zu 160 °C. Je nach Baugröße lassen sich damit Förderraten zwischen 0,5 und 300 m³/d bei maximal 300 bar erreichen. Eine solche Pumpe ist etwa zur Erschließung von Methan in Kohleflözen im chinesischen Qinshui-Becken im Einsatz. Obwohl dabei nicht nur ein wertvoller Energieträger gewonnen, sondern auch das Risiko für Schlagwetter beim anschließenden Abbau der Kohle deutlich reduziert wird, wird Gas aus solchen Quellen noch wenig gefördert. Ein Grund dafür ist, dass das Methan durch den Wasserdruck gewissermaßen am Flöz haftet. In Qinshui wird daher mittels der Exzenterschneckenpumpe das Wasser abgeführt, bis sich das Gas löst und gesammelt werden kann.
Robust unter schwierigen Bedingungen
Die verwendeten Metall- und Elastomerwerkstoffe werden bei allen Bauformen gemäß der zu erwartenden Betriebsbedingungen gewählt, um die Abnutzung durch das jeweilige Medium gering zu halten und gleichzeitig optimale Förderbedingungen zu schaffen. Eine robuste Ausführung ist umso entscheidender, als heute eine steigende Zahl an Ölfeldern in entlegenen Regionen erschlossen wird, wodurch jede Reparatur und Ersatzteilbeschaffung mit hohem Aufwand verbunden ist.
Im chinesischen Tuha-Ölfeld wird hochviskoses Schweröl aus einer der tiefsten Lagerstätten der Welt gefördert. Selbst bei 50 °C Umgebungstemperatur liegt seine Viskosität noch bei 10 000 mPas. Üblicherweise würde solches Öl erhitzt, um es fließfähiger zu machen, bei einer Bohrlochtiefe von über 2500 m ist das allerdings nicht möglich. Stattdessen wird leichtes Öl injiziert, um den Rohstoff für das Abpumpen zu verdünnen. Die Temperatur am Grund der Bohrung liegt bei 80 bis 100 °C, das Öl selbst ist nach dem Mischen noch 40 °C warm. Aufgrund dieser Umstände bestand die Gefahr, dass die Elastomere in den Pumpen schwellen könnten, was zu Leistungseinbußen und erhöhtem Verschleiß geführt hätte. Daher wurde ein widerstandsfähiger Nitril-Butadien-Kautschuk verbaut, der in speziellen Tests nur eine Quellrate von 0,41 % aufwies. Die Kraft liefert ein DH-Direktantrieb mit 180 rpm Nenndrehzahl, der über einen Frequenzumformer reguliert werden kann. Damit lässt sich das System flexibel an den variablen Ausstoß der Quelle von 7 bis 40 m³/d anpassen.
Die Robustheit der Exzenterschneckentechnik kommt – ebenso wie ihre Unempfindlichkeit gegenüber der Mediumszusammensetzung – auch im Mid- u. Downstream-Bereich zum Tragen, speziell dort, wo Öle mit hohen Anteilen anderer Stoffe transportiert werden müssen. Die Multiphasenpumpe von Netzsch bewältigt Gemische von Öl, Wasser und Gas mit Sandanteilen und erreicht dabei Förderraten von bis zu 600 m³/h. Dank der geringen Scherkräfte und der niedrigen Pulsation kommt es beim Transport kaum zu Emulsionseffekten, sodass sich auch komplexe Medien über weite Strecken zu Sammelstellen führen lassen. Dort können sie in zentralen Separatoren getrennt werden, was die Infrastrukturkosten für das gesamte Feld reduziert.
Neben der Multiphasen-Anwendung werden die Pumpen auch zum Langstreckentransport gereinigten Öls, zum Einspritzen von Schmiermitteln oder zum Einpressen von Hilfsstoffen in der Sekundär- und Tertiärförderung verwendet. Hier können Drücke von bis zu 250 bar erzielt werden. Ebenso kommen die Exzenterschneckenpumpen als Transferpumpen, mit einer volumetrischen Genauigkeit von ± 1 % zum Einsatz. Des Weiteren werden sie zum Leeren von Tanks oder Ölsümpfen verwendet. Hier können die Pumpen vertikal bis zu 12 m tief installiert werden. Solche Tauchpumpen arbeiten beispielsweise auf den Shengli-Ölfeldern, wo eigens eine zusätzliche Auffangkonstruktion entwickelt wurde, die eventuell austretendes Öl sicher und ohne Verstopfungsgefahr über zwei Stahlröhren ableitet.
Für hohe Volumina auf engem Raum
Als Alternative zur Exzenterschneckentechnologie umfasst das Portfolio von Netzsch auch eine Serie von Drehkolbenpumpen: Die Besonderheit der Tornado T2 ist ihr Synchronisationsgetriebe mit Riementrieb, das im Gegensatz zu gängigen Gleichlaufgetrieben äußerst widerstandsfähig ist und sich sehr leicht warten lässt. Ein beidseitig verzahnter Riemen überträgt die Kraft vom Motor auf die beiden Drehkolben und synchronisiert diese gleichzeitig. Da bei diesem Aufbau nur weiche auf harten Oberflächen laufen, arbeitet der gesamte Antrieb sehr ruhig und erzeugt kaum Vibrationen, Geräusche oder Reibungswärme. Die drehenden Bauteile werden dadurch geschont und halten länger. Darüber hinaus fallen während der gesamten Lebensdauer keine aufwendigen Ölwechsel an, da die Synchronisation komplett ölfrei arbeitet.
Die Förderrichtung der T2 lässt sich problemlos umkehren, sodass beispielsweise dieselbe Anlage sowohl zum Befüllen wie zum Entleeren genutzt werden kann. Die mögliche Förderrate reicht über die verschiedenen Baugrößen von 3 bis über 900 m³/h. Zudem kann die Pumpe in beliebiger Ausrichtung installiert werden und ist sehr platzsparend konstruiert, da der Motor direkt über dem Pumpenraum angebracht ist. Dies war beispielsweise bei einer Anwendung in der Ex-Zone 1 einer sehr eng konzipierten Aufbereitungseinheit, in die die Pumpe direkt eingebunden wurde, essenziell. Das Fördersystem sichert dort den Zulauf des geförderten Öl-Sand-Gemischs mit einer kinematischen Viskosität von 30 bis 35 mm²/s und einer Temperatur von 60 °C zu einem Separator, in dem Restsand und Wasser abgeschieden werden.
prozesstechnik-online.de/cav0215420
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