Dampf voraus: Kann ein Dichtungsmaterial die Zuverlässigkeit von ESP in der Öl- und Gasindustrie verbessern?

von:Seema Gangatirkar

Wenn es um Dichtungen unter rauen Betriebsbedingungen geht, gehören die Anwendungen in der Upstream-Öl- und Gasindustrie zu den härtesten, die es gibt. Flüssigkeiten wie Kohlenwasserstoffe und Gase wie H2S in Kombination mit Drücken von weit über 20k psi und Temperaturen von 200° C und mehr machen zuverlässige Dichtungen zu einem absoluten Muss, um unproduktive Ausfallzeiten zu vermeiden. Die Zugabe von Dampf und Korrosionsinhibitoren auf Aminbasis zu dieser Mischung macht die Materialauswahl in einer Bohrlochumgebung zusätzlich komplex.

Für die Abdichtung von Bohrlöchern steht eine Vielzahl von Elastomerwerkstoffen zur Verfügung. Perfluorelastomere(FFKM) bieten jedoch die höchste Temperaturbeständigkeit und die größte chemische Beständigkeit aller Gummimaterialien. Über die gesamte Lebensdauer einer Anwendung hinweg bieten FFKMs hervorragende Gesamtbetriebskosten, da sie aufgrund ihrer größeren Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und korrosiven Flüssigkeitsbedingungen die Ausfallzeiten von Anlagen minimieren. In dem Maße, wie sich die Ölfeldtechnologie weiterentwickelt, um die Effizienz zu steigern und die Produktion zu optimieren, muss sich auch die Dichtungstechnologie weiterentwickeln.

In einem aktuellen Beispiel nutzte Greene Tweed sein Anwendungs-Know-how, um zu untersuchen, wie sich die Lebensdauer einer kritischen Komponente wie einer elektrischen Tauchpumpe (ESP) in SAG-D-Bohrungen verlängern ließe. Die Anwendungsdaten zeigten, dass ESP typischerweise zwischen 135° C und 220° C arbeiten, mit maximalen Betriebstemperaturen um 250° C. Die interne Analyse der öffentlich gemeldeten Daten1 zeigte, dass die Kombination von Betriebsverbesserungen mit der Aufrüstung kritischer Komponenten wie Dichtungen auf hochtemperaturbeständige Materialien wie FFKM das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls verringern kann. Durch die Verlängerung der Lebensdauer des E-Filters können Betreiber unproduktive Ausfallzeiten und die Kosten für das Herausziehen eines E-Filters aus einem Bohrloch vor einer geplanten Wartung vermeiden.

Nach der Analyse der Daten und der wichtigsten Fehlermodi sammelte Greene Tweed Kundenrückmeldungen, die die Hypothese stützten, dass hohe Temperaturen in Verbindung mit Dampf die Lebensdauer bestehender Dichtungslösungen in SAG-D-Bohrlöchern verringern. Diese Erkenntnisse zeigten, dass zur Verbesserung der Zuverlässigkeit bei SAG-D-Anwendungen eine Dichtungslösung der nächsten Generation erforderlich war, die eine breite chemische Beständigkeit gegen typische Ölfeldchemikalien und -flüssigkeiten sowie eine bessere Beibehaltung der physikalischen Eigenschaften nach der Dampfalterung bietet.

In Zusammenarbeit mit unseren Kunden haben wir für eine neue Mischung nach einem aggressiven Dampfalterungstest von 1 Woche bei 260°C eine akzeptable Eigenschaftserhaltung festgestellt. Dieses Compound zeigte eine Beibehaltung der Zugfestigkeit, der Zugdehnung und des Moduls mit einem maximalen Verlust von weniger als 30 Prozent sowie eine geringe Härte und Volumenänderung.Wir haben eine FFKM-Vergleichsmischung entwickelt, die für ihre Dampfbeständigkeit und Hochtemperaturfähigkeit bekannt ist. Die Vergleichstests zeigten, dass diese Mischung nach dem einwöchigen Dampfalterungstest unter Verwendung von AS568-214 O-Ringen mehr als 50 Prozent an Zugfestigkeit und Modul verlor, obwohl sie nach dem Dampfalterungstest eine geringe Härte- und Volumenänderung aufwies.

Die nächsten Schritte im Entwicklungsprozess umfassten die Bewertung von FFKM-Basispolymeren von vier verschiedenen Anbietern, die Prüfung verfügbarer FFKM-Aushärtungssysteme und dann die Bewertung von über 20 verschiedenen Füllstoffpaketen, um durchgängig gute Ergebnisse beim Dampfalterungstest zu erzielen.Anschließend führten wir die oben beschriebenen Langzeittests (1000 Stunden) für den Druckverformungsrest durch und berechneten die Temperatur, bei der AS568A-214 O-Ringe in Luft über 1000 Stunden bei 258°C einen Druckverformungsrest von 80 % erreichen würden. Der Druckverformungsrest, der die Verformung des Materials über Zeit und Temperatur misst, kann einen guten Hinweis auf die Lebensdauer eines bestimmten Materials bei einer bestimmten Temperatur geben. Es wurden mehrere Formulierungen getestet und angepasst, bis wir den erforderlichen Druckverformungsrest erreicht hatten, der eine Verbesserung gegenüber der Kontrollmischung darstellte.

Der umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsprozess endete mit der endgültigen Optimierung der Formulierung, die dann für die Verwendung von Chemraz® 694 kommerzialisiert wurde. Umfassende Tests haben gezeigt, dass Chemraz® 694 nach einer längeren Zeit bei 260°C in Dampf und einer kurzzeitigen Belastung durch einen Spitzenwert von 316˚C besser abschneidet als konkurrierende Materialien. Andere umfassende Tests, die unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt wurden, haben Chemraz® 694 als die "Go-To"-Lösung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Anlagen in kritischen Hochtemperatur-Dampfumgebungen, einschließlich SAG-D, erwiesen.

1 Quelle: https://www.aer.ca/providing-information/data-and-reports/activity-and-data/in-situ-performance-presentations


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