Pumpengestänge: Rückgrat der Ölförderung verstehen

Pumpengestänge sind ein wesentlicher Bestandteil des Betriebs von Ölbohrungen. Sie sind wichtige Komponenten in künstlichen Fördersystemen. Was ihnen im Vergleich zu den Anlagen auf einem Ölfeld an Größe fehlt, machen sie durch ihren erheblichen Beitrag zu Automatisierung, Produktivität und Betriebserfolg mehr als wett. Dieser Artikel befasst sich mit Aufbau und Werkstoffzusammensetzung der Gestängestangen sowie mit ihrer Funktion im Mechanismus, der die Flüssigkeiten an die Oberfläche fördert. Für Fachleute, die ihre Ausrüstung und Betriebsabläufe verbessern möchten, und für alle, die sich für die Technologie der Erdölförderung interessieren, bietet dieser Leitfaden einen guten Einstieg in die Grundlagen von Ölfördersystemen.

Was ist eine Gestängestange und wie funktioniert sie?

Eine Gestängestange ist ein wesentlicher Bestandteil des mechanischen Systems zur Förderung von Flüssigkeiten wie Öl und Wasser aus einer Ölbohrung. Sie unterstützt außerdem die Hubbewegung der Pumpe. Eine Gestängestange ist ein langer, dünner Zylinder aus hochfestem Stahl oder modernen Verbundwerkstoffen. Sie überträgt die von der oberirdischen Pumpeneinheit erzeugte Kraft auf die Untertagepumpe. Das Gestängesystem wandelt die Drehbewegung des Pferdekopfpumpwerks in eine Hubbewegung um. Dadurch wird der Pumpenkolben angetrieben und die Flüssigkeit an die Oberfläche gefördert. Die Zuverlässigkeit der Gestängestangen wirkt sich unmittelbar auf das Fördersystem aus. Daher sind eine geeignete Auslegung und Werkstoffauswahl entscheidend.

Bestandteile eines Gestängesystems

Das Gestängesystem besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

• Gestängestangen: Stahl- oder Glasfaserstangen, die die Bewegung übertragen und die oberirdische Pumpeneinheit mit der Untertagepumpe verbinden.
• Gestängekupplungen: Verbinden einzelne Stangen und sorgen über den gesamten Gestängestrang für Flexibilität und Festigkeit.
• Polierte Stange: Oberstes Element des Gestängestrangs, das durch die Stopfbuchse geführt wird und die Last auf die Pumpeneinheit überträgt.
• Stopfbuchse: Dichtet die polierte Stange ab und verhindert den Austritt von Flüssigkeiten am Bohrlochkopf.
• Untertagepumpe: Die von einem Untertageantrieb bewegten Hubstangen am Bohrlochgrund fördern Flüssigkeiten zum Bohrlochkopf.

Alle Komponenten müssen zusammenarbeiten, um die Systemleistung zu optimieren und die angestrebten Betriebsziele zu erreichen.

Die Rolle der Gestängestange in Ölbohrungen

Die mechanisch angetriebene Gestängestange in Ölbohrungen überträgt die oszillierende Bewegung der oberirdischen Pumpeneinheit auf die Untertagepumpe. Diese Bewegung treibt die Pumpe an, die Flüssigkeiten aus tief liegenden Lagerstätten an die Oberfläche fördert. Für den Betrieb der Bohrung selbst sind die Festigkeit und Haltbarkeit der Stange entscheidend, damit sie den durch wiederholte Bewegungen verursachten Belastungen und der rauen Umgebung unter Tage standhält. Ein kontinuierlicher und störungsfreier Betrieb der Bohrung hängt von diesen Faktoren ab. Um Verschleiß und Ausfälle zu verhindern, müssen die Stangen regelmäßig gewartet und überwacht werden.

Wie der Gestängestrang die Fördereffizienz beeinflusst

Der Gestängestrang überträgt Bewegung und Energie mit hoher Kraft von der Oberfläche auf die Untertagepumpe. Er beeinflusst die Effizienz der Flüssigkeitsförderung unmittelbar, insbesondere bei der Erdölförderung mit Gestängestangen. Auslegung, Konstruktion und Instandhaltung des Gestängestrangs wirken sich außerdem auf Energieverluste, übermäßigen Verschleiß und die Laufruhe des Betriebs aus. Die Wahl geeigneter Werkstoffe und die korrekte Ausrichtung des Gestängestrangs sowie weitere regelmäßige Prüfungen verlängern seine Lebensdauer und steigern so die gesamte Fördereffizienz.

Wie werden hochwertige Gestängestangen hergestellt?

Herstellungsverfahren für Gestängestangen

Für eine hohe Haltbarkeit wird die Herstellung von Gestängestangen in mehrere Schritte unterteilt. Zunächst wird der für die Stangen vorgesehene Stahl oder Verbundwerkstoff erhitzt und in Formen gepresst oder durch Verfahren wie Strangpressen in die gewünschte Form gebracht. Anschließend werden die Stangen spanend bearbeitet, um die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit und Ausführung zu erzielen. Durch Wärmebehandlung werden die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, etwa Zugfestigkeit und Härte, verbessert. Strenge Qualitätsprüfungen stellen sicher, dass die Stangen die geforderten Normen erfüllen. Dabei wird jede Komponente auf ihre Abmessungen und mithilfe zerstörungsfreier Prüfverfahren anhand der branchenüblichen Kriterien untersucht. Zusammengenommen ergeben diese Schritte robuste Gestängestangen, die auch unter anspruchsvollen Förderbedingungen zuverlässig funktionieren.

Werkstoffe für die Herstellung von Gestängestangen

Gestängestangen werden üblicherweise aus hochfesten Stahllegierungen gefertigt, darunter Kohlenstoffstahl und legierter Stahl. Diese Werkstoffe werden aufgrund ihrer Haltbarkeit im Betrieb, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Fähigkeit ausgewählt, Zugbelastungen auch bei extremen Witterungsbedingungen standzuhalten.

Qualitätssicherung: Normen und Prüfungen

Warum Glasfaserstangen für Ihren Betrieb wählen?

Vorteile von Glasfaser gegenüber herkömmlichen Werkstoffen

1. Leichte Bauweise: Glasfaserstangen belasten die Ausrüstung weniger, da sie leichter als Stahl sind. Durch ihr geringes Gewicht lassen sie sich auch bei der Installation und Instandhaltung einfacher handhaben.
2. Korrosionsbeständigkeit: Glasfaser korrodiert nicht wie Stahl. Daher eignet sich der Werkstoff für Einsätze bei hoher Feuchtigkeit oder mit korrosiven Chemikalien, denn er hält rauen Umgebungen stand.
3. Hohe Zugfestigkeit: Das geringe Gewicht von Glasfaser geht nicht zulasten der Zugfestigkeit. So können Glasfaserstangen anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten, ohne zu versagen.
4. Erhöhte Ermüdungslebensdauer: Die Ermüdungsbeständigkeit von Glasfaserstangen bei längerem Einsatz trägt zu einer gleichbleibenden Leistung und einer längeren Betriebslebensdauer bei.
5. Wärme- und Elektroisolierung: In Umgebungen mit extremen Temperaturen und der Gefahr elektrischer Ströme isoliert Glasfaser sowohl gegen Wärme als auch gegen elektrischen Strom.

Haltbarkeit: Korrosionsbeständigkeit und lange Lebensdauer

Glasfaserstangen sind dank ihrer Korrosionsbeständigkeit und langen Einsatzdauer sehr haltbar. Anders als Metalle rostet Glasfaser nicht und wird durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Chemikalien oder UV-Strahlung nicht zersetzt. Diese Beständigkeit verringert den Instandhaltungsaufwand und macht Glasfaser für industrielle, maritime und Außenanwendungen geeignet. Ihre lange Lebensdauer beruht zudem auf ihrer strukturellen Integrität, die auch nach längerem Einsatz und unter rauen Bedingungen erhalten bleibt.

Gestängestangen und Kupplungen: Typen und Anwendungen

Verschiedene Arten von Gestängestangen

Typ	Hauptmerkmale	Werkstoff	Anwendungen	Vorteile
Standardstangen	Massiver, hochfester Stahl	Kohlenstoffstahl/legierter Stahl	Allgemeine Öl- und Gasförderung	Zuverlässig und vielseitig
Hohlstangen	Hohl ausgeführt und leicht	Kohlenstoffstahl/legierter Stahl	Hohe Flüssigkeitsmengen, zähflüssige Medien	Verringert die Last und steigert die Effizienz
Endlosstangen	Flexibel, weniger Verbindungsstellen	Stahl	Abgelenkte oder gekrümmte Bohrlöcher	Verringert die Spannung und reduziert Ermüdung
Metallgespritzte Stangen	Korrosionsbeständige Beschichtung	Stahl mit Metallbeschichtung	Korrosive Umgebungen	Hohe Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit
Glasfaserstangen	Leichter Verbundwerkstoff	Glasfaser	Umgebungen mit hohen Temperaturen und korrosiven Stoffen	Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
Polierte Stangen	Glatte Oberfläche, Verbindung zur Pumpe	Stahl	Überträgt die Bewegung auf die Bohrlochpumpe	Verringert Verschleiß und Reibung
Hochfeste Stangen	Erhöhte Zugfestigkeit	Legierter Stahl	Tiefe Bohrungen, hohe Lasten	Hält hohen Spannungen stand
Flexible Stangen	Kohlenstofffaser oder Stahlseil	Verbundwerkstoffe	Für Anwendungen mit hohem Flexibilitätsbedarf	Passt sich abgelenkten Bohrungen an

Die richtigen Kupplungen für Ihre Bohrung auswählen

Leistung, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit Ihrer Bohrung hängen von der Wahl der passenden Kupplung ab. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl folgende Aspekte:

1. Werkstoffverträglichkeit: Prüfen Sie, ob der Kupplungswerkstoff für die Bedingungen in der Bohrung geeignet ist, einschließlich extremer Temperaturen und korrosiver Flüssigkeiten. Edelstahl und Kohlenstoffstahl sind beide verschleißbeständig und haltbar.
2. Lastanforderungen: Berücksichtigen Sie die Tragfähigkeit der Kupplung. Bei größeren Bohrtiefen oder höheren Lasten sind festere Kupplungen erforderlich.
3. Abweichung der Bohrung: Für Bohrungen mit starker Abweichung eignen sich flexible Kupplungen, die sich biegen lassen, ohne die Betriebseffizienz zu beeinträchtigen.
4. Betriebsbedingungen: Die Kupplung muss für die Betriebsanforderungen der Bohrung geeignet sein, etwa hinsichtlich Druck, Temperatur und Flüssigkeitsart, um das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls zu verringern.

Die Berücksichtigung dieser Aspekte ist entscheidend, um die Gesamteffizienz des Systems zu steigern, den Instandhaltungsaufwand zu verringern und Ausfallzeiten zu minimieren.

Gestängestrangkonfigurationen optimieren

Bei der Optimierung von Gestängestrangkonfigurationen geht es um die Anordnung, Werkstoffe und weitere Merkmale des ausgewählten Gestängesystems sowie um die Verbesserung zusätzlicher Parameter wie der Korrosionsbeständigkeit der gewählten Werkstoffe.

• Werkstoffauswahl: Verwenden Sie robuste, korrosionsbeständige Werkstoffe, die Betriebsbelastungen und extremen Umwelteinflüssen standhalten.
• Stangendurchmesser: Stimmen Sie Tragfähigkeit und Flexibilität der Stange aufeinander ab, um Verschleiß und Energieaufwand möglichst gering zu halten.
• Konische Ausführungen: Verwenden Sie konische Stangen, um Lasten besser zu verteilen und Spannungsspitzen zu verringern.
• Dynamische Analyse: Ermitteln und beheben Sie mögliche Probleme wie Knicken oder Resonanz mithilfe dynamischer Simulationen.

Diese Maßnahmen verbessern die Energiebilanz der Bohrung, senken die Ausfallrate und steigern die Förderung über die gesamte Lebensdauer der Bohrung.

Hochwertige Gestängestangen in korrosiven Umgebungen instand halten

Regelmäßige Instandhaltung von Gestängestangen

Die Instandhaltung von Gestängestangen, insbesondere unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen, erfordert einen geeigneten Wartungsplan mit festgelegten Intervallen, um ihre Lebensdauer und Leistung zu verbessern.

1. Regelmäßige Prüfung: Ermitteln Sie Anzeichen von Verschleiß, Korrosion oder Ermüdung durch Sichtprüfung und zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT). Schäden sollten möglichst früh erkannt werden, um kostspielige Ausfälle zu vermeiden.
2. Reinigung: Erhalten Sie die strukturelle Integrität und Oberfläche der Stange durch zugelassene Verfahren, mit denen Ablagerungen, Zunder und korrosive Rückstände entfernt werden.
3. Schmierung: Verringern Sie Reibung und Korrosion durch geeignete Beschichtungen und Schmierstoffe, die die Beständigkeit gegen diese beiden Einflüsse erhöhen.
4. Austausch beschädigter Komponenten: Sorgen Sie für einen störungsfreien und effizienten Betrieb, indem Sie Stangen mit erheblichem Verschleiß, Rissen oder anderen kritischen Mängeln ersetzen.
5. Überwachung der Umgebungsbedingungen: Prüfen Sie die Bohrlochflüssigkeiten regelmäßig auf korrosive Stoffe wie H₂S, CO₂ und andere NH₃-Verbindungen und ergreifen Sie bei Bedarf zusätzliche Schutzmaßnahmen.

Durch diese Instandhaltungsmaßnahmen bleibt die Betriebseffizienz hoch, Ausfallzeiten werden verringert und die Lebensdauer der Stangen verlängert.

Korrosion und andere Herausforderungen bewältigen

Vorbeugende und korrigierende Maßnahmen, insbesondere der Einsatz korrosionsbeständiger Werkstoffe, helfen wirksam dabei, Korrosion und andere Herausforderungen im Betrieb von Gestängestangen zu bewältigen und chemische Schäden zu verhindern. Zudem verringert der Einsatz von Schutzwerkstoffen mit höherer Korrosionsbeständigkeit, etwa bestimmter Edelstahlgüten oder beschichteter Stangen, die Anfälligkeit gegenüber verschiedenen korrosiven Stoffen. Regelmäßige Prüfungen sind unerlässlich, um beginnende Schäden, Verschleiß und andere Mängel frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig Abhilfemaßnahmen einzuleiten. In Systemen mit hohen H₂S- oder CO₂-Konzentrationen können zusätzliche fortschrittliche Metallschutzmaßnahmen oder Inhibitoren gegen Ablagerungen eingesetzt werden. Diese Maßnahmen erhöhen die Betriebssicherheit und verlängern die Lebensdauer der Ausrüstung.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was sind Gestängestangen und wie werden sie in der Öl- und Gasförderung eingesetzt?

A: Gestängestangen sind Ausrüstungskomponenten der Öl- und Gasindustrie, die eine oberirdische Pumpeneinheit mit einer Bohrlochpumpe verbinden. In Gestängepumpensystemen dienen Stahlstangen als mechanische Verbindung, die Energie von der Oberfläche überträgt. Sie liefern die mechanische Energie, die benötigt wird, um Öl aus der Bohrung an die Oberfläche zu fördern.

F: Welche Funktion hat die polierte Stange im Gestängestrang?

A: Die polierte Stange gehört zum Gestängestrang und bildet dessen obersten Abschluss. Beim Durchgang durch die Stopfbuchse dient sie als glatte Kontaktfläche. Die Stopfbuchse dichtet das Pumpsystem ab und minimiert Leckagen.

F: Wie wirkt sich die Länge der Gestängestangen auf den Betrieb von Ölbohrungen aus?

A: Die Länge der Gestängestangen ist entscheidend, da sie bestimmt, wie tief die Bohrlochpumpe in der Bohrung sitzt. Betreiber können den Gestängestrang an ihren Bedarf anpassen. Da die Stangen in verschiedenen Längen erhältlich sind, lässt sich die Leistung des künstlichen Fördersystems entsprechend optimieren.

F: Was sind Gestängekupplungen und warum sind sie wichtig?

A: Gestängekupplungen verbinden einzelne Gestängestangen und verbessern die mechanische Abstützung des Gestängestrangs. Sie sind entscheidend, damit dieser die erforderliche Zugfestigkeit erreicht und den Belastungen und mechanischen Kräften bei der Öl- und Gasförderung standhält.

F: Welche Anwendung hat eine Pony-Stange in Gestängehebesystemen?

A: Pony-Stangen sind eine Untergruppe der Gestängestangen und dienen dazu, die Gesamtlänge eines Gestängestrangs anzupassen. Sie ermöglichen es Betreibern, die Stranglänge genauer einzustellen und so die Funktion von Pumpensystemen in der Bohrung weiter zu verbessern.

F: Welche Bedeutung hat API spec 11b für Gestängestangen?

A: API spec 11b legt die branchenweit anerkannten Normen und Spezifikationen für Gestängestangen und ihre Kupplungen fest. Die Erfüllung dieser Normen gewährleistet, dass die Stangen sowohl für den Einsatz in der Öl- und Gasförderung gefertigt als auch entsprechend geprüft werden. Das schafft Sicherheit im Hinblick auf den Betrieb.

F: Welche Werkstoffe werden üblicherweise zur Herstellung von Gestängestangen verwendet?

A: Am häufigsten werden Gestängestangen aus hochlegiertem Stahl gefertigt. Dieser Werkstoff wird aufgrund seiner Festigkeit und hohen Zugbelastbarkeit sowie seiner Eignung für die widrigen Witterungsbedingungen in Ölbohrungen ausgewählt.

F: Welchen Belastungen sind Gestängestangen in Gestängepumpensystemen ausgesetzt?

A: Verschleiß und Ermüdung sowie die Einwirkung zähflüssiger Medien, die die Bewegung beeinträchtigen, stellen in Gestängepumpensystemen Herausforderungen für Gestängestangen dar. Ursache sind die dynamischen Kräfte, denen sie ausgesetzt sind, und die durch die Ölförderung verursachte Grenzflächenreibung.

F: Welche Rolle spielt die oberirdische Pumpeneinheit bei Gestängestangen?

A: Die oberirdische Pumpeneinheit überträgt über die Gestängestangen mechanische Leistung auf die Bohrlochpumpe. Dadurch unterstützt sie den Betrieb von Gestängehebesystemen und ist für diese unverzichtbar.

F: Wie trägt Ausrüstung für bergige Regionen zu Förderlösungen mit Gestängestangen bei?

A: Mountain country equipment ist auf die Entwicklung von Ausrüstung zur Steigerung der Betriebseffizienz in der Öl- und Gasindustrie spezialisiert. Das Unternehmen gewährleistet eine wirksame Erschließung der Lagerstätte mit Gestängestangen und anderen künstlichen Fördersystemen.

Quellen

1. Ineffizienzen bei der künstlichen Förderung wurden durch leichte, kostengünstige und umweltverträgliche, hochfeste Gestängestangen aus faserverstärktem Thermoplast (FRTP) behoben (Saponja et al., 2024)

• Veröffentlichungsdatum: 2024-02-12
• Autoren: J. Saponja et al
• Methodik: Diese Studie untersucht die Umsetzung und Bewertung von FRTP-Gestängestangen für Tiefbohrungen im Vergleich zu Stahl- und Glasfaseralternativen. Die Arbeit umfasst die Werkstoffauswahl, CAD-Konstruktion, Prototypenfertigung im 3D-Druck, Strukturprüfungen und Feldversuche in betriebenen Bohrungen. Die Laboranalyse verglich FRTP-Stangen und FRTP-Verbundwerkstoffe mit anderen Technologien.
• Wichtigste Ergebnisse: FRTP-Verbundwerkstoffe bieten eine unerreichte spezifische Festigkeit von mehr als 10.3 und einen unerreichten spezifischen Zugmodul von mehr als 1500 sowie beispiellose Schlagfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit und eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit. FRTP ist Stahl kostenseitig deutlich überlegen. Die einzigartige Scherbruchfestigkeit von FRTP ermöglicht den Bau vollständiger Gestängestränge. Erste Feldversuche deuten darauf hin, dass FRTP-Gestängestangen in tiefen Bohrungen mit hoher Förderrate und Gestängepumpen bemerkenswert leistungsfähig sind.

2. Flexible und leichte Gestängestangen ermöglichen eine thermisch verbesserte Optimierung der künstlichen Förderung mit Faserwerkstoffen (Carpenter 2024)

• Veröffentlicht am: 1. Oktober 2024
• Autor: C. Carpenter (Dieser Übersichtsartikel fasst die Ergebnisse von Saponja et al. (2024) zusammen)
• Methodik: Dies ist ein Übersichtsartikel auf Grundlage der Studie von Saponja et al. aus dem Jahr 2024. Er erläutert die Bedeutung der Forschung und ihre Auswirkungen auf die Öl- und Gasbranche.
• Wichtigste Ergebnisse: Der Artikel bekräftigt die Aussagen zur Überlegenheit von FRTP-Gestängestangen gegenüber Stahl- und duroplastischen Glasfaserstangen hinsichtlich zusätzlicher Funktionen zur individuellen Anpassung der Oberfläche mit Mehrwert. Arps und Absätze, die bei Scherbruch entstehen, können mit FRTP Druckbelastungen aufnehmen. Alle FRTP-Strangkonfigurationen sind zulässig. Der Artikel behandelt außerdem die Vorteile von FRTP aus Umweltsicht.

3. Untersuchung der Spannungsrisskorrosion von vier Gestängestangen unterschiedlicher Festigkeit in Bohrlochflüssigkeiten mit hohem Salzgehalt (Zhang et al., 2023)

• Veröffentlicht am: 15. September 2023
• Autoren: Fenna Zhang und weitere
• Methodik: Die Autoren führten an vier hochfesten Gestängestangen unterschiedlicher Einsatzfestigkeit Einzelversuche zur Spannungsrisskorrosion und Versuche mit langsamer Dehnung (SSRT) durch. Dabei variierten die Chlorid- und Bicarbonatkonzentrationen. Sie bewerteten die Anfälligkeit aller Stangen für Spannungsrisskorrosion.
• Wichtigste Ergebnisse: Bei den 4330-Stangen zeigten sich unter spannungskorrosiven Bedingungen ein höherer Verlust an absorbierter Arbeit und eine größere Dehnung als bei den anderen Stangen. Die 30CrMoA-Stange wies unter stark korrosiven Bedingungen die geringste Spannungsrisskorrosion auf. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die schädliche Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion nicht allein auf eine hohe Zugfestigkeit zurückzuführen ist.

4. Funktionsweise einer Gestängepumpe – MIT – Ausführliche Beschreibung von Gestängepumpen und ihrer Funktionsweise.