ESPCP-Systeme

ESPCP-Systeme für anspruchsvolle Ölförderbohrungen

Mit zunehmender Betriebsdauer einer Lagerstätte reicht der natürliche Lagerstättendruck häufig nicht mehr aus, um Öl wirtschaftlich an die Oberfläche zu fördern. Artificial-Lift-Systeme übernehmen dann die notwendige Hebearbeit. Besonders anspruchsvoll wird diese Aufgabe bei hochviskosen Medien, abrasiven Feststoffen, Emulsionen und Multiphase-Anwendungen (beispielsweise Öl-, Wasser- und Gasgemische), freien Gasanteilen, hohen Temperaturen oder stark abgelenkten Bohrlochverläufen.

Für solche Bedingungen kombiniert das Daurex PAS-PMM-ESPCP-System drei aufeinander abgestimmte Technologien:

• eine Exzenterschneckenpumpe mit stangenlosem Downhole-Antrieb 
• die elastomerfreie PAS-Fördergeometrie 
• einen kompakten Permanentmagnetmotor mit Frequenzumrichtersteuerung 

Das Ergebnis ist ein regelbares Downhole-Pumpensystem, das auf hohe Effizienz, chemische Robustheit, Temperaturbeständigkeit und reduzierte Betriebskosten ausgelegt ist. 

Warum anspruchsvolle Förderbedingungen neue Pumpenkonzepte erfordern

Die Betriebsbedingungen in Ölbohrungen verändern sich im Laufe der Förderung. Druck, Temperatur, Förderrate und Zusammensetzung des Mediums können erheblich schwanken. Gleichzeitig erschließen Betreiber zunehmend reife Lagerstätten und schwer zugängliche Reserven.

Typische Herausforderungen sind:

• Hochviskose Öle: Schweröle und stabile Öl-Wasser-Emulsionen erzeugen hohe Strömungswiderstände und belasten Pumpen und Antriebe. 
• Sand und abrasive Feststoffe: Mitgeförderte Partikel können Bauteile erodieren, Lager belasten und enge Strömungsquerschnitte beschädigen. 
• Freie Gasanteile: Mehrphasenströmungen verändern das Förderverhalten und können bei bestimmten Pumpenprinzipien zu instabilen Betriebszuständen führen. 
• Chemisch aggressive Medien: H₂S, CO₂, Chloride und wechselnde pH-Werte stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. 
• Erhöhte Temperaturen: Thermische Förderverfahren und heiße Lagerstätten können die Einsatzgrenzen konventioneller Dichtungs- und Statormaterialien überschreiten. 
• Komplexe Bohrlochgeometrien: Abgelenkte und horizontale Bohrungen mit ausgeprägten Dog Legs erhöhen die mechanische Belastung langer Pumpensysteme und rotierender Gestängestränge.

Konventionelle Artificial-Lift-Verfahren stoßen unter solchen Bedingungen an unterschiedliche Grenzen. Gestängetriebene Systeme können in gekrümmten Bohrungen durch Reibung zwischen Gestänge und Tubing verschleißen. Tauchkreiselpumpen sind für große Fördermengen geeignet, können jedoch bei hoher Viskosität, Sand oder größeren freien Gasanteilen an Effizienz verlieren. Klassische Progressing-Cavity-Pumpen verarbeiten anspruchsvolle Medien vergleichsweise schonend, benötigen in ihrer gestängegetriebenen Ausführung jedoch eine mechanische Verbindung von der Oberfläche bis zur Pumpe.

Ein ESPCP-System verbindet die Vorteile einer Exzenterschneckenpumpe mit einem direkt im Bohrloch installierten elektrischen Antrieb.

Was ist ein ESPCP-System?

ESPCP steht für Electrical Submersible Progressing Cavity Pump. Es handelt sich um eine elektrisch angetriebene Exzenterschneckenpumpe, deren Motor gemeinsam mit der Pumpeneinheit in das Bohrloch eingebaut wird.

Das Förderprinzip basiert auf einem helixförmigen Rotor, der sich exzentrisch innerhalb einer entsprechenden Statorgeometrie dreht. Zwischen Rotor und Stator entstehen fortlaufende Förderkammern – sogenannte Kavitäten. Diese bewegen das Medium kontinuierlich von der Ansaug- zur Druckseite.

Die rotierende Verdrängertechnologie eignet sich besonders für Medien, die mit geringer Scherbeanspruchung gefördert werden sollen. Dazu gehören unter anderem hochviskose Öle und Öl-Wasser-Emulsionen. Auch Feststoffe oder Gasanteile können innerhalb der Kavitäten mit dem Flüssigkeitsstrom transportiert werden.

Stangenloser Downhole-Antrieb

Bei einer konventionellen, übertägig angetriebenen PCP wird die Drehbewegung über einen langen Gestängestrang auf den Rotor übertragen. Das ESPCP-System benötigt diesen Gestängestrang nicht. Der elektrische Tauchmotor befindet sich direkt unterhalb der Pumpe.

Damit entfallen typische gestängebezogene Belastungen wie:

• Reibung zwischen Pumpengestänge und Tubing 
• Gestängeverschleiß und Gestängebrüche 
• hohe Seitenlasten in gekrümmten Bohrlochabschnitten 
• gefährliche Rückrotation (Backspin) eines torsional vorgespannten Gestänges 
• zusätzlicher Platzbedarf für einen mechanischen Antrieb an der Oberfläche

Aufbau des Daurex ESPCP-Systems

Das System besteht aus mehreren funktional aufeinander abgestimmten Komponenten:

• PAS-Stator mit Rotor: übernimmt die eigentliche Förderung und den Druckaufbau.
• Intake: führt das Bohrlochmedium der Pumpe zu. 
• Suction Housing mit Flex Shaft: Der im Suction Housing integrierte Flex Shaft überträgt die zentrische Motorrotation auf den exzentrisch laufenden Pumpenrotor. Durch die Nutzung einer echten biegsamen Welle (Flex Shaft) anstelle klassischer Gelenke (Knuckle Joints) entfallen verschleißanfällige Gelenkbolzen. 
• Thrust Chamber / Bearing und Motor Seal: Diese in der Industrie oft als Protector bezeichnete Baugruppe nimmt nicht nur die axialen Kräfte der Pumpe auf. Sie sorgt als Motor Seal auch für den essenziellen Druckausgleich zwischen dem internen Motoröl und dem hydrostatischen Druck des Bohrlochfluids, um den Motor vor dem Zerdrücken zu schützen. 
• PM-Motor: stellt das erforderliche Drehmoment direkt im Bohrloch bereit. 
• VSD & Steuerung: regelt den Motor und damit die Pumpendrehzahl von der Oberfläche. 
• Downhole-Sensor (optional): kann wichtige Betriebsparameter zur Überwachung des Systems erfassen.

Die Systemgrafik der Daurex-Broschüre zeigt diese Komponenten in ihrer Einbaureihenfolge innerhalb der Bohrung. [Hier Link zur PDF einfügen]

Die Schwachstelle klassischer PCP-Systeme: der Elastomerstator

Bei vielen konventionellen Progressing-Cavity-Pumpen besteht der Stator aus einem elastischen Werkstoff. Der metallische Rotor ist dabei geringfügig größer als der Innenraum des Stators. Durch diese Vorspannung entsteht eine Dichtlinie, die benachbarte Förderkammern voneinander trennt.

Die elastische Konstruktion ermöglicht eine gute Abdichtung, bringt jedoch medien- und temperaturabhängige Einschränkungen mit sich. Je nach Elastomer, Fluidzusammensetzung und Betriebszustand können unter anderem folgende Veränderungen auftreten:

• Quellen oder Schrumpfen des Statormaterials 
• chemische Alterung 
• Versprödung bei thermischer Belastung 
• Veränderung der Vorspannung zwischen Rotor und Stator 
• Steigendes Reibmoment und erhöhte Wärmeentwicklung 
• Begrenzte Beständigkeit bei aggressiven Medien oder Druckwechseln 

Metallische PCP-Konstruktionen vermeiden zwar die unmittelbaren Elastomerprobleme, müssen jedoch ein anderes technisches Spannungsfeld lösen: Ein zu kleiner Spalt zwischen Rotor und Stator erhöht das Risiko eines mechanischen Kontakts. Ein zu großer Spalt begünstigt dagegen Rückströmungen zwischen den einzelnen Druckstufen.

Die Daurex PAS-Technologie bietet hier eine effiziente Lösung.

PAS: druckaktivierte Dichtwirkung ohne Elastomere

PAS steht für Pressure Actuated Seal Line. Die Technologie ersetzt das Wirkprinzip eines elastomeren PCP-Stators durch eine elastomerfreie, druckabhängig wirksame Förder- und Dichtgeometrie.

Wie funktioniert die Pressure Actuated Seal Line?

In einer Exzenterschneckenpumpe steigt der Druck über die aufeinanderfolgenden Förderstufen von der Ansaug- zur Druckseite an. Bei einer konventionellen Spielpassung kann dieser Differenzdruck Rückströmungen durch den Spalt zwischen Rotor und Stator verursachen.

Das PAS-System nutzt den Differenzdruck dagegen als funktionalen Bestandteil der Abdichtung:

• Die Pumpe beginnt, das Medium durch die Förderkammern zu bewegen.
• Zwischen Einlass- und Auslassseite entsteht eine Druckdifferenz.
• Der Differenzdruck aktiviert die konstruktiv definierte Seal Line.
• Mit zunehmender Druckbelastung erhöht sich die wirksame Abdichtung.
• Rückströmungen zwischen den Pumpenstufen werden reduziert.

Die Dichtwirkung entsteht somit nicht durch die permanente Vorspannung und Rückstellkraft eines Gummimaterials. Stattdessen besteht der Stator aus einem chemisch und thermisch beständigen Hochleistungskunststoff, der an seiner Außenseite spiralförmige Stege aufweist. In den Zwischenräumen zwischen dem Außenmantel, diesen Rippen und der eigentlichen Statorwandung wirkt der anliegende Druck von außen hydraulisch auf die Dichtlinie zum Rotor ein.

Diese Geometrie leitet anfallende Betriebswärme ab und kompensiert Materialausdehnungen sowie prozessbedingten Verschleiß zuverlässig. Die druckaktivierte, dynamische Abdichtung ermöglicht dabei Werte von bis zu 20 bar pro Statorstufe. Dadurch lassen sich die Statoren deutlich kürzer bauen, was das Führen der Pumpe durch direktionale Bohrungen erleichtert und eine anhaltend hohe volumetrische Effizienz bei großen Differenzdrücken aufrechterhält.

Elastomerfreie Medienbeständigkeit

Da die aktive Fördergeometrie ohne Elastomere auskommt, entfallen typische elastomerbedingte Veränderungen wie Quellen, Schrumpfen, Versprödung und Alterung. Ein entscheidender Vorteil bei wechselnden Gasanteilen ist zudem der Wegfall der sogenannten „explosiven Dekompression“. Bei Gummistatoren kann Gas unter hohem Druck in das Elastomer diffundieren. Fällt der Anlagendruck ab, dehnt sich dieses Gas schlagartig aus und zerstört den Stator. Die metallische PAS-Technologie schließt diesen Ausfallmechanismus systembedingt aus. 

Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten bei der Förderung anspruchsvoller Medien, beispielsweise bei:

• Öl-Wasser-Gemischen 
• wechselnden Gasanteilen 
• abrasiven Feststoffen 
• chloridhaltigen Medien 
• H₂S- oder CO₂-haltigen Fluiden 
• wechselnden chemischen Bedingungen 

Die konkrete Eignung hängt jedoch stets von der gewählten Werkstoffausführung und den tatsächlichen Betriebsbedingungen ab. Fluidzusammensetzung, Konzentration, Temperatur, Druck und Feststoffgehalt müssen daher bei der Systemauslegung gemeinsam bewertet werden.

Temperaturbeständigkeit bis 200 °C

Die Daurex-Systemauslegung ist – abhängig von der jeweiligen Werkstoffkonfiguration – für Einsatztemperaturen von bis zu 200 °C vorgesehen. Da kein Elastomerstator vorhanden ist, wird die thermische Einsatzgrenze nicht durch Quellen, Nachhärtung oder Versprödung eines Gummimaterials bestimmt.

Auch thermisch bedingte Maßänderungen der Bauteile werden innerhalb des PAS-Funktionsprinzips berücksichtigt. Das System eignet sich damit für Anwendungen, in denen konventionelle Elastomerstatoren aufgrund von Temperatur oder Medienzusammensetzung eingeschränkt wären.

Bis zu 20 bar Druckkapazität pro Stufe

Ein wesentlicher konstruktiver Vorteil ist die hohe Druckkapazität. Das PAS-System kann bis zu 20 bar pro Stufe erzeugen.

Eine hohe Druckleistung pro Stufe bedeutet, dass für eine vorgegebene Förderhöhe weniger aktive Pumpenstufen erforderlich sind. Daraus ergeben sich:

• kürzere Statoren 
• kompaktere Pumpendesigns 
• geringerer Einbauraum 
• reduzierte Biegebelastungen 
• geringere geometrische Einflüsse durch Dog Legs 
• verbesserte Voraussetzungen für anspruchsvolle Bohrlochverläufe 

Die kompakte Bauweise ist insbesondere bei stark abgelenkten Bohrungen relevant. Eine kürzere Pumpeneinheit lässt sich leichter durch gekrümmte Abschnitte führen als ein langer, starrer Pumpenstrang. Sie kann dadurch die Einbausicherheit unterstützen und die mechanischen Belastungen innerhalb des Downhole-Systems reduzieren.

Verbesserte Trockenlaufeigenschaften

Elastomere können bei fehlender Schmierung und Kühlung innerhalb kurzer Zeit thermisch geschädigt werden. Die elastomerfreie PAS-Geometrie besitzt gegenüber klassischen Elastomerstatoren verbesserte Trockenlaufeigenschaften und kann kurzzeitige instabile Förderzustände robuster bewältigen. Wichtig ist jedoch: Auch die aus Hochleistungskunststoff bestehende PAS-Dichtlinie benötigt zur Aufrechterhaltung ihrer volumetrischen Effizienz einen gewissen Flüssigkeitsanteil (Öl/Wasser) im Fördermedium. Bei reinem Gasfluss bricht die dynamische Dichtwirkung ab. Ein dauerhafter Trockenlauf ist daher nicht zulässig. Das System muss wie jede Downhole-Pumpe vor unzulässigem Trockenlauf, Überhitzung und ungeeigneten Betriebszuständen geschützt werden.

PMM und VSD: effizienter Antrieb bei variablen Bedingungen

Die Förderleistung einer PCP hängt nicht nur von ihrer hydraulischen Geometrie ab. Ebenso entscheidend ist ein Antrieb, der bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen zuverlässig ein hohes Drehmoment bereitstellt.

Das Daurex ESPCP-System nutzt dafür einen Permanentmagnetmotor, kurz PMM.

Vorteile des Permanentmagnetmotors

Bei einem Permanentmagnetmotor wird das magnetische Feld des Rotors durch fest integrierte Permanentmagnete erzeugt. Im Unterschied zu einem Asynchronmotor muss das erforderliche Rotorfeld nicht zunächst elektrisch induziert werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Der entscheidende mechanische Vorteil für das ESPCP-System liegt in der Antriebsart: Konventionelle Asynchronmotoren laufen bei hohen Drehzahlen und erfordern ein mechanisches Untersetzungsgetriebe (Speed Reducer) im Bohrloch, um die niedrigen Drehzahlen einer Exzenterschneckenpumpe zu erreichen. Der PMM fungiert hingegen als Direct Drive. Er liefert bereits bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment, wodurch das fehleranfällige und verschleißintensive Getriebe entfällt. Für den Downhole-Betrieb bietet der PMM somit mehrere Vorteile: 

• höherer Wirkungsgrad als Asynchronmotoren
• konstant hohe Effizienz über einen großen Drehzahlbereich
• Wegfall des mechanischen Untersetzungsgetriebes (Direct Drive)
• hohes Drehmoment bei kompakter Baugröße
• geringere Stromaufnahme
• weniger Wärmeentwicklung
• hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer

Anpassung über den Frequenzumrichter

Der PMM wird mit einem Variable Speed Drive, kurz VSD, betrieben. Der Frequenzumrichter steuert die Motordrehzahl und ermöglicht damit eine gezielte Anpassung der Pumpenleistung.

Die Drehzahl kann unter anderem auf folgende Größen abgestimmt werden:

• Zufluss aus der Lagerstätte 
• gewünschte Förderrate 
• Ansaug- und Förderdruck 
• Viskosität und Temperatur des Mediums 
• Gas- und Feststoffanteile 
• dynamischer Flüssigkeitsspiegel 

Dadurch lässt sich das System kontrolliert anfahren und an veränderte Bohrlochbedingungen anpassen. Statt dauerhaft mit einer fest vorgegebenen Drehzahl zu arbeiten, kann der Betriebspunkt innerhalb der zulässigen Systemgrenzen optimiert werden.

Ein geeignetes Steuerungs- und Schutzkonzept unterstützt außerdem die Erkennung kritischer Zustände, beispielsweise Überlast, Übertemperatur, blockierte Pumpenbewegung oder unzureichende Flüssigkeitsversorgung.

PAS + PMM: ein integriertes ESPCP-System

PAS, PMM und VSD sind nicht als voneinander isolierte Komponenten zu betrachten. Erst ihr Zusammenspiel bildet das vollständige Daurex ESPCP-System.

Die PAS-Pumpe stellt eine elastomerfreie, druckaktivierte Fördergeometrie bereit. Der PMM liefert das erforderliche Drehmoment in kompakter Bauform. Der VSD passt die Drehzahl an den tatsächlichen Betriebszustand an.

Daraus ergeben sich vier zentrale Systemvorteile

Hohe Effizienz

Die druckaktivierte Dichtlinie reduziert interne Rückströmungen. Zudem senkt der Verzicht auf eine permanente elastomere Vorspannung in Kombination mit dem eingesetzten Hochleistungskunststoff die Reibwerte zwischen Rotor und Stator signifikant. So geht weniger Antriebsenergie durch mechanische Reibungsverluste verloren. Gleichzeitig stellt der PMM die mechanische Leistung mit hoher elektrischer Effizienz bereit. Der VSD hilft dabei, die Pumpe nahe am erforderlichen Betriebspunkt zu betreiben.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Die elastomerfreie Fördergeometrie beseitigt eine wesentliche thermische Einschränkung konventioneller PCP-Systeme. Die aktuelle Systemauslegung ist werkstoffabhängig für Temperaturen bis 200 °C vorgesehen.

Chemische Robustheit

Quellen, Schrumpfen oder chemische Alterung eines Elastomerstators entfallen. Die eingesetzten Kunststoffe können gezielt an das jeweilige Fördermedium angepasst werden.

Reduzierte Betriebskosten

Ein effizienter Antrieb, eine kompakte Konstruktion und die Vermeidung typischer elastomer- und gestängebezogener Ausfallmechanismen können über den Lebenszyklus zu folgenden Effekten beitragen:

• geringerer Energiebedarf 
• weniger Wärmeentwicklung 
• längere Standzeiten 
• reduzierter Wartungsaufwand 
• weniger ungeplante Workover-Einsätze 
• höhere Anlagenverfügbarkeit 

Die tatsächlichen Einsparungen sind anwendungsspezifisch und hängen unter anderem von Bohrlochtiefe, Förderrate, Medium, Betriebsdauer und dem bisher eingesetzten Artificial-Lift-System ab. Die Daurex-Broschüre fasst die Positionierung der Gesamtlösung entsprechend unter den vier Leitbegriffen Effizienz, Temperaturbeständigkeit, Chemikalienresistenz und reduzierte Betriebskosten zusammen.

Typische Einsatzfelder

Das Daurex PAS-PMM-ESPCP-System ist insbesondere für Anwendungen interessant, bei denen mehrere anspruchsvolle Förderbedingungen zusammenkommen.

Dazu zählen:

• Schweröl und andere hochviskose Fluide 
• Öl-Wasser- oder Multiphase-Emulsionen 
• Medien mit Sand oder abrasiven Feststoffen 
• wechselnde oder erhöhte Gasanteile 
• chemisch aggressive Fördermedien 
• erhöhte Downhole-Temperaturen 
• abgelenkte und horizontale Bohrungen 
• ausgeprägte Dog-Leg-Geometrien 
• begrenzter Einbauraum 
• Anwendungen mit hohen Anforderungen an Energieeffizienz und Anlagenverfügbarkeit 

Für jede Anwendung ist eine individuelle technische Auslegung erforderlich. Zu berücksichtigen sind speziell Fördermenge, erforderlicher Differenzdruck, Viskosität, Temperatur, Gas- und Feststoffgehalt, chemische Zusammensetzung sowie Durchmesser und Verlauf des Bohrlochs.

Effiziente Ölförderung als abgestimmtes Gesamtsystem

Das Daurex ESPCP-System verbindet das Förderprinzip der Exzenterschneckenpumpe mit einem stangenlosen elektrischen Downhole-Antrieb. Die elastomerfreie PAS-Technologie adressiert typische Grenzen konventioneller Statoren, während der Permanentmagnetmotor ein hohes Drehmoment mit kompakter Baugröße und effizientem Betrieb kombiniert.

Gemeinsam mit der VSD-Drehzahlregelung entsteht ein flexibel einsetzbares Pumpensystem für anspruchsvolle Förderbedingungen – ausgelegt auf eine hohe volumetrische Effizienz, chemische und thermische Robustheit sowie reduzierte Betriebs- und Wartungskosten.

Sie planen eine Ölförderanwendung mit hoher Viskosität, anspruchsvollen Medien oder komplexer Bohrlochgeometrie? Daurex unterstützt Sie bei der technischen Bewertung und Auslegung eines passenden Systems.

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