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Apr 18, 2024

Auswahl von Dichtungen für den Aufschwung in der Upstream-Ölförderung

Im Laufe der Jahre haben vorgelagerte Ölbetriebe ihre Effizienz und Fähigkeit, größere Ölmengen aus dem Boden zu fördern, verbessert. Ingenieure erreichen dies, indem sie tiefer bohren

Im Laufe der Jahre haben vorgelagerte Ölbetriebe ihre Effizienz und Fähigkeit, größere Ölmengen aus dem Boden zu fördern, verbessert. Ingenieure erreichen dies, indem sie tiefer bohren, die verbesserte Ölrückgewinnung (EOR) nutzen und bei höheren Temperaturen als je zuvor laufen. Obwohl diese Taktiken effektiv sind, können sie eine Herausforderung für die in Pumpen und Kompressoren verwendeten Dichtungen darstellen, da sie häufig anspruchsvolle Umgebungen für den Betrieb der Dichtungen schaffen.

Der Ölgehalt in Bohrlöchern variiert und kann vom Standort, dem Klima und der Höhenlage sowie anderen Faktoren abhängen. Eine häufige Variation bei Rohöl besteht darin, ob es als schwer oder leicht gilt. Leichtes Rohöl enthält hauptsächlich Kohlenwasserstoffe. Mit zunehmender Verunreinigung des Öls wird es schwerer, dicker und viskoser und wird als schweres Rohöl bezeichnet. Zu den Verunreinigungen können Schwermetalle, aromatische Verbindungen (Chemikalien wie Toluol, Xylol und Benzol) und Harze gehören, wodurch das schwere Rohöl weniger wertvoll und die Verarbeitung zeitaufwändiger wird. Als schwer gelten Teersande, Bitumen und Asphalt. Je schwerer das Rohöl ist, desto anspruchsvoller ist es für die Dichtungen im Verarbeitungsprozess, da Schleifmittel und klebrige Harze die Dichtungen zerreißen und zerstören, während aromatische Verbindungen potenzielle chemische Angriffe verursachen können.

Auch der Schwefelgehalt kann von Brunnen zu Brunnen variieren. Öl mit geringem Schwefelgehalt wird als süßes Rohöl bezeichnet. Saures Rohöl hingegen enthält viel Schwefel, was gefährlich sein kann. Je höher der Schwefelgehalt, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins von Schwefelwasserstoff (H2S), einem giftigen, ätzenden und brennbaren Gas. Sowohl Schwefel als auch H2S haben einen charakteristischen Geruch nach faulen Eiern, der sie leicht identifizierbar macht.

Allerdings ist H2S gefährlich und kann in höheren Konzentrationen tödlich sein. Selbst in geringen Mengen kann H2S Dichtungen chemisch angreifen – während Polytetrafluorethylen (PTFE) vollständig kompatibel ist, ist Nitrilkautschuk (NBR) typischerweise in Konzentrationen von weniger als 10 Teilen pro Million (ppm) und Fluorelastomer (FKM) von weniger als 2.000 ppm kompatibel und hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) weniger als 50.000 ppm (5 %).

In vielen Ölquellen werden nur etwa 10 % des Öls einfach aus dem Boden gepumpt. Als nächstes kommt typischerweise die Enhanced Oil Recovery (EOR) zum Einsatz, bei der eine separate Leitung gebohrt und Dampf, Wasser, Kohlendioxid (CO2) oder andere Medien hinter das Öl injiziert werden, um es aufzulockern und leichter zu entfernen. Die Art des in die Ölquelle eingespritzten Mediums kann einen erheblichen Einfluss darauf haben, was das optimale Dichtungsmaterial enthalten sollte. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen jedes einzelnen Mediums zu verstehen.

Die Wasserinjektion ist die beliebteste EOR-Methode. Während das für die Injektion verwendete Wasser aus externen Quellen stammen kann, wird häufig Produktionswasser verwendet (bei dem es sich um überschüssiges Wasser handelt, das aus einem anderen Brunnen abgepumpt wird) und kann Öl, Gas, H2S und abrasive Partikel wie Rost, Sand, Salze und Asphalte enthalten und Wachse. Diese Partikel können die Lebensdauer einer Dichtung verkürzen. Darüber hinaus gilt Wasser als nicht schmierend, sodass Dichtungen, die in Öl arbeiten, bei Verwendung mit großen Wassermengen kleben bleiben und reißen können.

Dampfinjektion, eine weitere EOR-Methode, wird für schweres Rohöl verwendet, das dick und viskos ist. Der eingespritzte Dampf erzeugt feuchte Hitze, die das schwere Rohöl auflockert. Bei Dampf gibt es zusätzlich Überlegungen zu höheren Temperaturen sowie Bedenken hinsichtlich der chemischen Beständigkeit und der Dampfkompatibilität mit dem Dichtungsmaterial.

Mit EOR kann Kohlendioxid auch hinter das Öl injiziert werden, um es herauszudrücken. Ölquellen enthalten oft Grundwasser, und wenn Kohlendioxid mit Wasser in Kontakt kommt, kann es Kohlensäure bilden. Daher ist es wichtig, die chemische Verträglichkeit zu bestätigen. Ein größeres Problem bei Kohlendioxid ist die explosive Dekompression, bei der unter Druck stehende Gase Gummidichtungen durchdringen. Bei einem schnellen Druckabfall kann sich das Gas im Gummi stark ausdehnen, wodurch ein Riss entsteht, der zu einer sofortigen Undichtigkeit führt. Für die EOR von Kohlendioxid oder anderen Gasen ist es wichtig, Dichtungen zu wählen, die einen hervorragenden Permeationswiderstand oder eine minimale Porosität aufweisen, um zu verhindern, dass Gas in die Dichtung eindringt.

Neben künstlich injizierten Gasen können auch natürlich vorkommende Gase wie Methan, Butan, Propan und Erdgas vorhanden sein. Generell können Gase eine Herausforderung für Dichtungen sein. Gase haben eine kleinere Partikelgröße als Flüssigkeiten, wodurch sie schwieriger abzudichten sind. Gase sind außerdem nicht schmierend, sodass Dichtungen – insbesondere Gummidichtungen – häufig beschädigt werden, wenn die bewegliche Ausrüstung das trockene Gummi zerreißt und zerreißt.

Bei hohen Geschwindigkeiten oder großen Hublängen verschärft sich die Problematik nichtschmierender Werkstoffe. Hohe Geschwindigkeiten können Reibung erzeugen, daher ist die Schmierung der Dichtungen unter diesen Umständen besonders wichtig. Lange Hublängen sind ein weiteres Problem, das viele vielleicht nicht kennen. Wenn das Medium selbst nicht schmierend ist, wenn das Gerät über weite Strecken transportiert wird und an der Dichtung reibt, kann eventuell vorhandene anfängliche Schmierung von der Dichtung abgezogen werden, was zu Rissen oder Schäden führt. Sowohl für Gas- als auch für Langhubanwendungen wird empfohlen, einen Laternenring zu verwenden, um Fett in den Dichtungshohlraum einzuspritzen, um ihn geschmiert zu halten. Sollte dies nicht möglich sein, verwenden Sie ein Dichtungsmaterial mit bester Trockenlauffunktionalität.

NBR- und Mischkautschukdichtungen eignen sich zwar hervorragend für Grundölanwendungen, können jedoch beim Einsatz in EOR oder anderen Anwendungen, in denen mehr als nur süßes Rohöl gefördert wird, Schwierigkeiten bereiten. Für Pumpenheber-Stopfbuchspackungen, Kolben- und Transferpumpenpackungen sowie Kompressordichtungen gibt es drei Hauptmaterialien, die sich bei diesen schwierigen Anwendungen gut eignen: HNBR, Fluorelastomer (Viton) und PTFE. Diese Materialien können auch mit Stoff kombiniert werden, um eine zusätzliche Verstärkung für höhere Drücke zu bieten.

HNBR, Viton und PTFE haben unterschiedliche Temperaturbereiche, Chemikalien- und Permeationsbeständigkeit sowie Reibungseigenschaften. Es gibt viele Online-Ressourcen, um nach Chemikalienbeständigkeitswerten für diese Materialien zu suchen, aber in der Regel weist PTFE die beste Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit auf, gefolgt von Viton und schließlich HNBR. Warum nicht einfach PTFE für alles verwenden?

PTFE allein kann zu Verformungen neigen und mit der Zeit seine Elastizität verlieren, was ein häufiges Nachziehen erforderlich macht. PTFE mit Gewebeverstärkung ist in der Regel hart, und obwohl es zäh ist, erreicht es keine hervorragende Abdichtung. Beim Vergleich von Elastomeren ist HNBR zäher und abriebfester als Viton, außerdem eignet es sich gut für nicht schmierende Anwendungen und weist eine ausgezeichnete Permeationsbeständigkeit für Gasanwendungen auf.

Stoff in Kombination mit Gummi oder PTFE macht das Material stärker, haltbarer, widerstandsfähiger und steifer. Das alles sieht nach guten Eigenschaften aus; Warum also keine Gewebeverstärkung verwenden? Die Antwort darauf liegt in der Flexibilität des Produkts. Dichtungen mit der charakteristischen V-Ring-Form sind druckaktiviert, was bedeutet, dass sie den Systemdruck nutzen, um das „V“ aufzuweiten und eine Abdichtung zu erreichen. Bei diesen Dichtungstypen stellt ein niedriger Druck ein Problem dar, da der Druck möglicherweise nicht hoch genug ist, um die Dichtlippen aufzuweiten. Hier kommt es auf den Stoff und die tatsächliche Härte des Materials an.

Durch das Hinzufügen von Stoff zum Gummi oder Kunststoff wird es steifer, es stehen jedoch viele verschiedene Stoffarten zur Auswahl, die unterschiedliche Auswirkungen haben können. Außerdem ist es wichtig, einen Stoff zu wählen, der mit den Medien chemisch kompatibel ist. Es gibt auch unterschiedliche Durometer oder Härten von Gummi und Kunststoff, die Sie je nach Anwendungsanforderungen auswählen können.

Bei Niederdruckanwendungen dichtet im Allgemeinen ein weiches Material ohne Gewebe am besten ab, aber wenn der Druck zunimmt, müssen Gewebeverstärkung und härtere Materialien verwendet werden. Dies kann komplex werden, wenn der Druck von niedrig nach hoch schwankt oder wenn die Ausrüstung älter und abgenutzt ist. Bei diesen Anwendungen sind härtere Dichtungen möglicherweise nicht die beste Wahl für die Abdichtung.

In den meisten Anwendungen scheint die Dichtung, die am besten funktioniert, eine Kombination verschiedener Materialien und Steifigkeiten zu sein, wodurch ein Schichteffekt entsteht, bei dem sich die härteren Dichtungen außen und die weicheren Dichtungen innen befinden. Dadurch entsteht eine ausgewogene Lösung, die die Stärken jedes Dichtungstyps optimiert. Die weichen Dichtungen passen sich etwaigen Unvollkommenheiten der Anlage an und ermöglichen das Erreichen einer potenziellen Leckagefreiheit. Die harten Dichtungen sind der Hauptlast des Drucks ausgesetzt und bilden die erste Verteidigungslinie gegen Schleifmittel, indem sie die weicheren inneren Dichtungen schützen.

Dieses geschichtete Stopfbuchspackungsset-Design wurde zur erfolgreichen Abdichtung vieler schwieriger vorgelagerter Ölproduktionsanwendungen eingesetzt. Es verfügt über versiegelte Dampfanwendungen mit bis zu 30 % H2S bei über 500 F (260 °C). Es hat sich in einer Transferpumpe mit 300 F (149 C) hervorragend bewährt, die Schleifmittel mit hohen Geschwindigkeiten fördert. Es hat die herkömmliche Packung in einem Kompressor überdauert, die nicht schmierende Bohrlochgase, einschließlich H2S, abdichtet.

Die Auswahl einer Dichtung kann komplex sein, und das Pumpen von Ölquellen kann aufgrund der vielen zu berücksichtigenden Variablen und der bei jeder Anwendung auftretenden Unterschiede noch komplexer sein. Bei der Auswahl der Materialien für eine Dichtung ist es wichtig, die chemische Kompatibilität des Mediums sowie andere Anwendungsdetails wie Temperatur und Druck zu bestätigen.

Darüber hinaus wird immer empfohlen, den Dichtungshersteller zu konsultieren, um die richtige Empfehlung für das Dichtungsprodukt zu erhalten.

Sarah Young ist Projektingenieurin für Garlock Sealing Technologies und Brett Yoder ist Anwendungsingenieur für Garlock. Weitere Informationen finden Sie unter garlock.com.