ポンプジャック (Pumpjack)

但し、このページの最後の「井戸のポンプジャック」の箇所は割愛します。米国では井戸水で生活している人が多いようで、井戸で使用する非常に小型のポンプジャックがあるようですが、実物の写真などが掲載されていないので誤訳をする可能性があり、翻訳しないことにしました。

ピストン・ポンプには主に 2 種類あり、ポンプ・ジャックはリフト・ポンプです。

とも呼ばれ、陸上の油井 (oil well) にある往復運動ピストン・ポンプの駆動装置である。

この装置は液体を井戸からくみ上げることに使用される。但し液体をはるばる地下から地上まで運ぶ際に底部の圧力が大きくなりすぎないことが条件である。この配置はあまり石油を生産していない陸上の油井で普通に使用される。ポンプジャックは石油が豊富な地帯では普通なものである。

ポンプの大きさにもよるが、ポンプジャックは一般に 1 ストロークで 5 リットルから 30 リットルの液体を汲み上げる。しばしば、この液体は原油と水のエマルションになっている。ポンプの大きさは取り出したい石油の深さと重さに依存し、より深い場所から汲み上げるにはポンプのパワーがもっと必要になる。これは排出カラム (排出ヘッド) の重さが増えるからである。

ポンプジャックはモーターの回転運動を垂直な往復運動に変更して、ポンプ軸を駆動し、特徴のある「うなずく動作」を表示する。この形式の機械は技術用語ではウォーキング・ビームと呼ばれる。これは 18 世紀と 19 世紀にしばしば固定蒸気エンジンと海洋蒸気エンジンに使用された。

初期にはポンプジャックは地面の上を水平に走る棒線 (rod lines) で動作し、棒線は「中央動力」と呼ばれる機械 (mechanism) の中心のずれたホイールに接続されていた。「中央動力」は、1 ダースあるいはそれ以上のポンプジャックを操作し、蒸気エンジン、内燃エンジン、あるいは電動モーターで駆動された。このシステムでの困難さは全体のバランスをとることで、個々の油井の負荷が変化したからである。

訳注

この部分は米国の歴史に基づいて書かれているようです。「初期には」とあるのは米国の歴史における初期です。原文のこの箇所には Oil History/Central Powerにリンクが張ってあり、ここに詳細な説明があり、米国の原油生産のことが書かれています。「中央動力」と呼ばれる装置には中心のずれた水平なホイールが複数あり、ここにつながれた棒線の往復運動が提供され、これがポンプジャックのヘッドの上下運動を引き起こしており、ポンプジャック自身の形も本来の形とは違っております。蒸気エンジンで効率よくポンプジャックを駆動するためには一台の蒸気エンジンで複数のポンプジャックを駆動する必要があり、そのためにポンプジャックを水平方向の往復運動で駆動するように作り替えたのが米国の「初期の」ポンプジャックなのです。

現代のポンプジャックは原動力で動力を得る。これは普通は電動モーターであるが、電気が使用できない孤立した場所では内燃エンジンが使用される。電源網に接続されていない普通のポンプジャックは油井から産出されるガスを燃料にするが、ポンプジャックは多くの形式の燃料で走ってきた。これには例えばプロパンガスやディーゼル燃料がある。厳しい環境では、モーターやエンジンを環境から保護するために小屋の中に入れることもできる。

ポンプジャックの原動力は一連のプーリーを走らせて伝動装置を駆動し、伝動装置は一対のクランクを駆動する。クランクにはカウンター・ウェイトが付いていて、モーターが重い「連結された棒」 (string of rods) を持ち上げる時の補助をした。クランクはビームの一方の端を上下し、ビームは A フレーム (文字 A の形をした枠) で自由に回転する。ビームの反対側の端には湾曲した金属の箱があり、この箱はホース・ヘッド (馬の頭、horse head) とかドンキー・ヘッド (ロバの頭、donkey head) と呼ばれ、外見の理由からこのように呼ばれる。鋼 (時には繊維ガラス) 製のケーブル -- ブライドル (bridle) と呼ばれる -- がホース・ヘッドと研磨された棒を接続し、研磨された棒は詰物箱を通り抜けている。

研磨された棒は詰物箱にきっちりと収まり、棒が配管組織 (tubing) から出入りする時に液体がこぼれ出ることがない。 (配管組織とは井戸の底まで走っているパイプのことで、これにより液体が生産される。) ブライドルはホース・ヘッドが上下する時にホース・ヘッドの曲線に沿い、ほとんど垂直なストロークになる。研磨された棒は「吸い込み棒」 (sucker) と呼ばれる「連結された棒」に接続され、吸い込み棒は配管組織を走り抜けて、ダウン・ホール・ポンプ (down-hole pump) に至っている。ダウン・ホール・ポンプは通常は井戸の底近くにある。

訳注

この記述から、ポンプジャックの頭の部分はビームの軸を中心にした円弧になっていることが分かります。しかも「ほとんど垂直な」ではなく、「厳密に垂直な」ストロークになります。無論装置が正確に作られていることが前提です。

配管組織の底にはダウン・ホール・ポンプがある。このポンプは 2 台のボール式逆流防止バルブである：底にある 1 台の固定バルブは「静止バルブ」 (standing valve) と呼ばれ、「吸い込み棒」の底に接続されたバルブ-- これは棒が上下に往復運動をする時に移動する -- は「移動バルブ」 (traveling valve) と呼ばれる。埋蔵液体は保護組織 (casing) とセメントを貫く「抜き穴」 (perforation) を通って、ボーリングされた穴の底部に進入する。 (保護組織は大きな金属製のパイプで、井戸の全長を走り、この外側にセメントの壁がある。配管組織、ポンプ、吸い込み棒はすべて保護組織の中にある。)

ポンプの端にある棒が上に移動すれば、「移動バルブ」が閉鎖され、「静止バルブ」が開放される。 (これはポンプのシリンダーの圧力の低下による。) この結果、ポンプのシリンダーはまわりの組織からの液体で満たされ、同時に移動ピストンが直前の筒の中身を上方に持ち上げる。ピストンが下方に押されると「移動バルブ」が開放され、「静止バルブ」が閉鎖される。 (これはポンプのシリンダーの圧力の増加による。) 「移動バルブ」はシリンダーの中の液体を通り抜けて下に降りる。 (シリンダーの中の液体は上方ストロークの時に吸い込まれたものである。) 「移動バルブ」は次にストロークの端に到達して、上方への動きを開始し、工程が繰り返される。

しばしば、ガスが石油と同じ「抜き穴」で産出される。もしガスがポンプの中に進入すればこれは問題になる。というのはガス閉鎖 (gas locking) と呼ばれるものが結果として起きるからである。これにより、ポンプのシリンダーにガスが充満し (ガスは圧縮されるため) バルブを解放できなくなり、ほとんど何も汲み上げることができなくなる。これを排除するために、ポンプの注入口を「抜き穴」よりも下に設置すればよい。ガスを含んだ液体が「抜き穴」から井戸に進入すればガスは環状部 (annulus) (保護組織と配管組織の間の空間) であぶくとなって抜け出、一方液体は「静止バルブ」の注入口に流れ落ちる。ガスは地表に出れば環状部に接続されたパイプにより集められる。


カリフォルニアのポンプジャック	カリフォルニア州の密集開発されたカーン川油田。フル・サイズにすると何百ものポンプジャックが見える。この開発形式は 20 世紀初頭の原油ブームでは普通であった。