Pompstangen: de ruggengraat van olieputactiviteiten

Pompstangen zijn onmisbaar bij olieputactiviteiten. Ze zijn essentiële onderdelen van systemen voor kunstmatige lift. In vergelijking met de apparatuur op een olieveld zijn ze misschien klein, maar ze dragen in hoge mate bij aan automatisering, productiviteit en succesvolle bedrijfsvoering. In dit artikel bekijken we de configuratie en materiaalsamenstelling van pompstangen en hun werking in het mechanisme dat vloeistoffen naar het aardoppervlak pompt. Voor vakmensen die hun apparatuur en activiteiten willen verbeteren, en voor iedereen die geïnteresseerd is in de technologie van oliewinning, is deze gids een goed vertrekpunt om de basis van olieputsystemen te begrijpen.

Wat is een pompstang en hoe werkt die?

Een pompstang is essentieel voor het mechanische systeem waarmee vloeistoffen, zoals olie en water, uit een olieput worden gewonnen. De stang is ook onmisbaar voor de heen-en-weergaande beweging van de pomp. Een pompstang is een lange, slanke cilinder van geavanceerd composietmateriaal of hoogsterktestaal. De stangen zijn ontworpen om de kracht van de bovengrondse pompinstallatie over te brengen op de ondergrondse pomp. Het pompstangsysteem zet de draaibeweging van de pompkrik om in een heen-en-weergaande beweging. Die drijft de plunjer van de pomp aan, waardoor de vloeistof naar het oppervlak wordt gepompt. De betrouwbaarheid van de pompstangen draagt rechtstreeks bij aan de werking van het vloeistofpompsysteem. Een goed ontwerp en de juiste materiaalkeuze zijn daarom van groot belang.

Onderdelen van een pompstangsysteem

Het pompstangsysteem bestaat uit de volgende hoofdonderdelen:

• Pompstangen: stalen of glasvezelstangen die de beweging overbrengen en de bovengrondse pompinstallatie met de ondergrondse pomp verbinden.
• Stangkoppelingen: verbinden afzonderlijke stangen en zorgen voor flexibiliteit en sterkte in de volledige stangkolom.
• Gepolijste stang: het bovenste onderdeel van de stangkolom. Deze loopt door de pakkingbus en brengt de belasting over op de pompinstallatie.
• Pakkingbus: dicht de gepolijste stang af en voorkomt verlies van vloeistoffen aan de putmond.
• Ondergrondse pomp: heen-en-weergaande stangen, aangedreven door de ondergrondse motor onder in de put, pompen vloeistoffen naar de putmond.

Alle onderdelen moeten samenwerken om de prestaties van het systeem te optimaliseren en de gewenste bedrijfsdoelen te bereiken.

De functie van de stang in olieputten

De mechanisch aangedreven stang in een olieput brengt de heen-en-weergaande beweging van de bovengrondse pompinstallatie over op de ondergrondse pomp. Die beweging drijft de pomp aan, die vloeistoffen uit diepe reservoirs naar het oppervlak pompt. Voor de werking van de put zelf zijn de sterkte en duurzaamheid van de stang van groot belang. Ze moet bestand zijn tegen de spanningen die ontstaan door herhaalde bewegingen en de zware omstandigheden onder in de put. Een betrouwbare, vlotte werking van de put hangt hiervan af. Om slijtage en defecten te voorkomen, moeten de stangen regelmatig worden onderhouden en gecontroleerd.

Invloed van de stangkolom op de pompefficiëntie

De stangkolom brengt op krachtige wijze beweging en energie over van het oppervlak naar de ondergrondse pomp en vormt zo de basis voor de regeling van het volledige systeem. De stangkolom heeft rechtstreeks invloed op de efficiëntie waarmee vloeistoffen worden opgepompt, vooral bij oliewinning met pompstangen. Het ontwerp, de constructie en het onderhoud ervan beïnvloeden ook energieverlies, overmatige slijtage en de vlotte werking van het systeem. De juiste materiaalkeuze en een goede uitlijning van de stangkolom, samen met andere routinecontroles, verlengen de levensduur van de stangen en verbeteren zo de algehele pompefficiëntie.

Hoe worden hoogwaardige pompstangen vervaardigd?

Het productieproces van pompstangen

Voor een lange levensduur verloopt de productie van pompstangen in verschillende stappen. Eerst wordt het staal of composietmateriaal voor de stangen verhit en in mallen geperst, of met andere methoden, zoals extrusie, in vorm gebracht. Daarna worden de stangen machinaal bewerkt om de gewenste afwerking en het juiste oppervlak te verkrijgen. Een warmtebehandeling verbetert de mechanische eigenschappen van het materiaal, zoals de treksterkte en hardheid. Om te garanderen dat de stangen aan de vereiste normen voldoen, worden strenge kwaliteitscontroles uitgevoerd. Alle onderdelen worden gecontroleerd op de afmetingen en onderworpen aan niet-destructief onderzoek volgens de criteria van de sector. Samen zorgen deze stappen voor betrouwbare pompstangen die ook onder zware pompomstandigheden goed functioneren.

Materialen voor de productie van stangen

Pompstangen worden doorgaans vervaardigd uit hoogsterkte-staallegeringen, waaronder koolstofstaal en gelegeerd staal. Deze materialen worden gekozen om hun duurzaamheid, corrosiebestendigheid en vermogen om trekbelastingen te weerstaan, zelfs bij extreme weersomstandigheden.

Kwaliteit waarborgen: normen en tests

Waarom kiezen voor glasvezelstangen?

Voordelen van glasvezel ten opzichte van traditionele materialen

1. Lichte constructie: glasvezelstangen belasten de apparatuur minder omdat ze lichter zijn dan staal. Door hun lagere gewicht zijn ze ook gemakkelijker te hanteren tijdens de installatie en het onderhoud.
2. Corrosiebestendigheid: glasvezel corrodeert niet zoals staal. Daardoor is glasvezel een goede keuze voor toepassingen met veel vocht of corrosieve chemicaliën; het materiaal is bestand tegen zware omstandigheden.
3. Hoge treksterkte: het lage gewicht van glasvezel gaat niet ten koste van de treksterkte. Glasvezelstangen kunnen daardoor zware bedrijfsomstandigheden doorstaan zonder defect te raken.
4. Verbeterde weerstand tegen vermoeiing: doordat glasvezelstangen bij langdurig gebruik bestand zijn tegen vermoeiing, blijven ze consistent presteren en gaan ze langer mee.
5. Thermische en elektrische isolatie: in omgevingen met extreme temperaturen en risico op elektrische stroom biedt glasvezel isolatie, omdat het zowel warmte als elektriciteit slecht geleidt.

Duurzaamheid: corrosiebestendigheid en lange levensduur

Glasvezelstangen zijn zeer duurzaam dankzij hun corrosiebestendigheid en lange levensduur. In tegenstelling tot metalen roest glasvezel niet en wordt het niet aangetast door omgevingsfactoren zoals vocht, chemicaliën of uv-straling. Daardoor is weinig onderhoud nodig en is glasvezel geschikt voor industriële, maritieme en buitentoepassingen. De lange levensduur is bovendien te danken aan de structurele integriteit, die behouden blijft na langdurig gebruik en blootstelling aan zware omstandigheden.

Pompstangen en koppelingen: typen en toepassingen

Verschillende typen pompstangen

Type	Belangrijkste kenmerken	Materiaal	Toepassingen	Voordelen
Standaardstangen	Massief hoogsterktestaal	Koolstofstaal/gelegeerd staal	Algemene olie- en gasproductie	Betrouwbaar en veelzijdig
Holle stangen	Hol vanbinnen en licht van gewicht	Koolstofstaal/gelegeerd staal	Grote vloeistofvolumes en viskeuze vloeistoffen	Vermindert de belasting en verbetert de efficiëntie
Doorlopende stangen	Flexibel en met minder verbindingen	Staal	Afgebogen of kromme boorgaten	Beperkt de spanning en vermindert vermoeiing
Stangen met metaalspuitcoating	Corrosiebestendige coating	Staal met metalen coating	Corrosieve omgevingen	Hoge duurzaamheid en corrosiebestendigheid
Glasvezelstangen	Licht composietmateriaal	Glasvezel	Omgevingen met hoge temperaturen en corrosieve stoffen	Uitstekende corrosiebestendigheid
Gepolijste stangen	Glad oppervlak en aansluiting op de pomp	Staal	Brengt beweging over op de ondergrondse pomp	Vermindert slijtage en wrijving
Hoogsterktestangen	Verbeterde treksterkte	Gelegeerd staal	Diepe putten en zware belastingen	Bestand tegen hoge mechanische spanning
Flexibele stangen	Koolstofvezel of staaldraadkabel	Composietmaterialen	Toepassingen die een hoge flexibiliteit vereisen	Past zich aan afwijkingen in de put aan

De juiste koppelingen voor uw put kiezen

De prestaties, betrouwbaarheid en duurzaamheid van uw put hangen af van de keuze van de juiste koppeling. Let bij uw keuze op de volgende aspecten:

1. Compatibiliteit van het materiaal: controleer of het materiaal van de koppeling geschikt is voor de omstandigheden in de put, waaronder extreme temperaturen en corrosieve vloeistoffen. Roestvast staal en koolstofstaal zijn beide slijtvast en duurzaam.
2. Belastingseisen: houd rekening met het draagvermogen van de koppeling. Voor diepere putten of zwaardere belastingen zijn sterkere koppelingen nodig.
3. Afwijking van de put: flexibele koppelingen die kunnen buigen zonder aan efficiëntie in te boeten, zijn ideaal voor putten met aanzienlijke afwijkingen.
4. Bedrijfsomstandigheden: de koppeling moet geschikt zijn voor de bedrijfsvereisten van de put, zoals druk, temperatuur en het type vloeistof, om het risico op vroegtijdige defecten te beperken.

Aandacht voor deze aspecten is essentieel om de algehele efficiëntie van het systeem te verbeteren, het onderhoud te beperken en stilstand tot een minimum te beperken.

Configuraties van de stangkolom optimaliseren

Bij het optimaliseren van de configuratie van een stangkolom kijkt u naar de plaatsing, materialen en andere aspecten van het gekozen stangsysteem. Ook bijkomende eigenschappen, zoals de corrosiebestendigheid van de gekozen materialen, kunnen worden verbeterd.

• Materiaalkeuze: gebruik taaie, corrosiebestendige materialen die bestand zijn tegen bedrijfsbelastingen en de zwaarste omgevingsinvloeden.
• Diameter van de stang: zorg voor een evenwicht tussen het draagvermogen en de flexibiliteit van de stang om slijtage en energieverbruik te beperken.
• Conische ontwerpen: gebruik conische stangen om de belasting beter te verdelen en spanningsconcentraties te beperken.
• Dynamische analyse: spoor potentiële problemen, zoals knik of resonantie, op en pak ze aan met dynamische simulaties.

Deze strategieën verbeteren de energiebalans van de put, verlagen het aantal defecten en verhogen de productie gedurende de volledige levensduur van de put.

Hoogwaardige stangen onderhouden in corrosieve omgevingen

Routineonderhoud van pompstangen

Voor het onderhoud van pompstangen, vooral onder zware bedrijfsomstandigheden, is een goed onderhoudsschema met regelmatige intervallen nodig om de levensduur en prestaties te verbeteren.

1. Regelmatige inspectie: spoor tekenen van slijtage, corrosie of vermoeiing visueel en met niet-destructief onderzoek (NDT) op. Pak schade bij voorkeur in een vroeg stadium aan om dure defecten te voorkomen.
2. Reiniging: behoud de structurele integriteit en het oppervlak van de stang met goedgekeurde reinigingsmethoden die vuil, aanslag en corrosieve afzettingen verwijderen.
3. Smering: verminder wrijving en corrosie door geschikte coatings en smeermiddelen aan te brengen die de weerstand tegen beide verhogen.
4. Beschadigde onderdelen vervangen: zorg voor een vlotte en efficiënte werking door stangen met aanzienlijke slijtage, scheuren of andere ernstige gebreken te vervangen.
5. Omgevingsmonitoring: test de putvloeistoffen regelmatig op corrosieve stoffen zoals H₂S, CO₂ en andere NH₃-verbindingen en neem zo nodig maatregelen voor extra bescherming.

Met deze onderhoudsmaatregelen blijft de operationele efficiëntie hoog, neemt de stilstand af en gaan de stangen langer mee.

Corrosie en andere uitdagingen aanpakken

Preventieve en corrigerende maatregelen, vooral het gebruik van corrosiebestendige materialen, helpen corrosie en andere problemen bij de werking van stangen doeltreffend aan te pakken en chemische schade te voorkomen. Beschermende materialen met een hogere corrosiebestendigheid, zoals specifieke kwaliteiten roestvast staal of gecoate stangen, zijn bovendien minder gevoelig voor verschillende corrosieve stoffen. Regelmatige inspecties zijn essentieel om beginnende schade, slijtage en andere defecten op te sporen, zodat tijdig corrigerende maatregelen kunnen worden genomen. In systemen met hoge concentraties H₂S of CO₂ kunnen aanvullende geavanceerde metaalbescherming of aanslagremmers worden gebruikt om het systeem beter te beschermen. Deze maatregelen verhogen de bedrijfszekerheid en verlengen de levensduur van de apparatuur.

Veelgestelde vragen (FAQ’s)

V: Wat zijn pompstangen en hoe worden ze gebruikt in de olie- en gasindustrie?

A: Pompstangen zijn onderdelen van apparatuur in de olie- en gasindustrie en verbinden een bovengrondse pompinstallatie met een ondergrondse pomp. In stangpompsystemen vormen stalen stangen de mechanische verbinding die de energie vanaf het oppervlak overbrengt. Ze leveren de mechanische energie die nodig is om olie vanuit de put naar het oppervlak te pompen.

V: Wat is de functie van de gepolijste stang in de pompstangkolom?

A: De gepolijste stang maakt deel uit van de pompstangkolom en vormt het bovenste uiteinde ervan. Ze zorgt voor een glad contactoppervlak waar ze door de pakkingbus loopt. Die dicht het pompsysteem af en beperkt lekkage.

V: Welke invloed heeft de lengte van pompstangen op olieputactiviteiten?

A: De lengte van pompstangen is van groot belang, omdat die bepaalt hoe diep de ondergrondse pomp in de put staat. Operators kunnen de stangkolom aan hun behoeften aanpassen. De stangen zijn verkrijgbaar in verschillende lengtes, zodat de prestaties van het systeem voor kunstmatige lift kunnen worden geoptimaliseerd.

V: Wat zijn stangkoppelingen en waarom zijn ze belangrijk?

A: Stangkoppelingen verbinden afzonderlijke pompstangen en verbeteren de mechanische ondersteuning van de stangkolom. Ze zijn essentieel om de vereiste treksterkte te bereiken en bestand te zijn tegen de spanningen en mechanische krachten die bij olie- en gaswinning optreden.

V: Wat is het doel van een korte passtang in stangpompsystemen?

A: Korte passtangen zijn een type pompstang waarmee de totale lengte van een stangkolom kan worden aangepast. Zo kunnen operators de lengte van de stangkolom nauwkeuriger instellen en de werking van pompsystemen in de put verbeteren.

V: Wat is de relatie tussen API spec 11b en pompstangen?

A: API spec 11b beschrijft de normen en specificaties die in de sector worden gehanteerd voor pompstangen en hun koppelingen. Als de stangen aan deze normen voldoen, zijn ze niet alleen volgens de vereisten vervaardigd, maar ook getest om bestand te zijn tegen toepassingen in de olie- en gasindustrie. Dat biedt zekerheid over de operationele veiligheid.

V: Welke materialen worden doorgaans gebruikt om pompstangen te vervaardigen?

A: Het meest gebruikte materiaal voor pompstangen is hooggelegeerd staal. Die keuze is te verklaren door de sterkte, het hoge trekvermogen en de zware weersomstandigheden in een olieput.

V: Met welke uitdagingen krijgen pompstangen in balkpompsystemen te maken?

A: Slijtage en vermoeiing zijn problemen voor pompstangen in balkpompsystemen. Ook de blootstelling aan vloeistoffen met een bepaalde viscositeit beïnvloedt de beweging. Dit komt door de dynamische krachten op de stangen en de belasting die ontstaat wanneer olie wordt opgepompt.

V: Welke rol speelt de bovengrondse pompinstallatie bij pompstangen?

A: De bovengrondse pompinstallatie levert via de stangen mechanisch vermogen aan de ondergrondse stangpomp. Zo ondersteunt ze de werking van stangpompsystemen en vormt ze een onmisbaar onderdeel ervan.

V: Hoe draagt apparatuur voor bergachtige gebieden bij aan oplossingen voor kunstmatige lift met pompstangen?

A: Mountain country equipment is gespecialiseerd in het ontwerpen van apparatuur die de operationele efficiëntie in de olie- en gasindustrie verbetert. Die apparatuur maakt een doeltreffende winning uit het reservoir mogelijk met pompstangen en andere systemen voor kunstmatige lift.

Bronnen

1. Inefficiënties bij kunstmatige lift aangepakt met lichte, goedkope en milieuvriendelijke, vezelversterkte thermoplastische pompstangen (FRTP) met hoge sterkte (Saponja et al., 2024)

• Publicatiedatum: 12/02/2024
• Auteurs: J. Saponja et al
• Methodologie: dit onderzoek behandelt de toepassing en evaluatie van FRTP-pompstangen voor diepe putten, in vergelijking met stalen en glasvezelvarianten. Het onderzoek omvat materiaalkeuze, CAD-ontwerp, prototyping met 3D-printen, structurele tests en veldproeven in operationele putten. De laboratoriumanalyse vergeleek FRTP-stangen met andere technologieën en FRTP-composieten.
• Belangrijkste bevindingen: FRTP-composietmaterialen bieden een ongeëvenaarde specifieke sterkte van meer dan 10.3 en een ongeëvenaarde specifieke trekmodulus van meer dan 1500, een nooit eerder bereikt niveau van slagvastheid en weerstand tegen vermoeiing, uitzonderlijke corrosiebestendigheid en een ongeëvenaarde prijs ten opzichte van staal. De uitzonderlijke schuifsterkte van FRTP maakt het mogelijk om volledige stangkolommen van dit materiaal te vervaardigen. Eerste veldproeven wijzen erop dat FRTP-pompstangen uitstekend presteren in diepe putten met een hoge productie en stangpompen.

2. Flexibele en lichte pompstangen verbeteren kunstmatige lift met vezelkunststoffen en thermische optimalisatie (Carpenter 2024)

• Gepubliceerd op: 1 oktober 2024
• Auteur: C. Carpenter (dit is een overzichtsartikel met een samenvatting van de bevindingen van Saponja et al. (2024))
• Methodologie: dit overzichtsartikel is gebaseerd op het artikel van Saponja et al. uit 2024. Het bespreekt de gevolgen van het onderzoek en de impact ervan op de olie- en gassector.
• Belangrijkste bevindingen: het artikel bevestigt de beweringen over de voordelen van FRTP-pompstangen ten opzichte van stalen stangen en stangen van thermohardend glasvezel, met name wat betreft aanpasbare eigenschappen van het buitenoppervlak met toegevoegde waarde. Bij Arps en sheds die onder schuifbreuk vallen, kunnen FRTP-materialen drukbelastingen opvangen. Alle FRTP-configuraties voor stangkolommen zijn toegestaan. Het artikel bespreekt ook de milieuvoordelen van FRTP.

3. Onderzoek naar de gevoeligheid voor spanningscorrosie van vier pompstangen met uiteenlopende sterktes in zoutrijke putvloeistoffen (Zhang et al., 2023)

• Gepubliceerd op: 15 september 2023
• Auteurs: Fenna Zhang en anderen
• Methodologie: de auteurs voerden een spanningscorrosietest met één variabele en een SSRT-test (slow strain rate test) uit op vier hoogsterkte-pompstangen. Daarbij varieerden de concentraties chloride en bicarbonaat voor verschillende bedrijfssterktes. Ze beoordeelden de gevoeligheid van alle stangen voor spanningscorrosiescheuren.
• Belangrijkste bevindingen: de 4330-stangen leken onder spanningscorrosieve omstandigheden meer geabsorbeerde energie te verliezen en sterker uit te rekken dan de andere stangen. De 30CrMoA-stang vertoonde onder sterk corrosieve omstandigheden de minste spanningscorrosie. Volgens de auteurs kan de schadelijke gevoeligheid voor spanningscorrosiescheuren niet uitsluitend worden toegeschreven aan een hoge treksterkte.

4. Hoe werkt een pomp met pompstangen? – MIT – Een uitvoerige beschrijving van pompen met pompstangen en hun werking.