Dampf voraus: Kann ein Dichtungsmaterial die Zuverlässigkeit von Öl- und Gas-ESPs verbessern?

Hinsichtlich der Abdichtung unter rauen Betriebsbedingungen gehören die Anwendungen in der Upstream-Öl- und Gasindustrie weltweit zu den härtesten. Bei Flüssigkeiten wie Kohlenwasserstoffen und Gasen wie H2S in Verbindung mit Drücken von weit über 20000 psi und Temperaturen von 200 °C und mehr ist eine zuverlässige Abdichtung von entscheidender Bedeutung, um unproduktive Ausfallzeiten zu vermeiden. Wenn zu dieser Mischung auch noch Dampf und Korrosionsinhibitoren auf Aminbasis hinzugefügt werden, wird die Materialauswahl in einer Bohrlochumgebung noch komplexer.

Für die Abdichtung von Bohrlöchern ist eine Vielzahl von elastomerischen Materialien verfügbar. 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 die Ausfallzeiten von Maschinen und Geräten aufgrund ihrer größeren Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen und korrosiven Flüssigkeiten minimieren. In dem Maße, wie sich die Ölfeldtechnologie zur Steigerung der Effizienz und zur Optimierung der Produktion weiterentwickelt, muss sich auch die Dichtungstechnologie weiterentwickeln.

In einem aktuellen Beispiel nutzte Greene Tweed seine Fachkenntnisse im Anwendungsbereich für eine Untersuchung darüber, wie die Lebensdauer von kritischen Komponenten wie einer elektrischen Tauchpumpe (ESP) in SAG-D-Bohrungen verlängert werden kann. Anwendungsdaten zeigten, dass ESPs üblicherweise zwischen 135 °C und 220 °C mit maximalen Betriebstemperaturen um 250 °C betrieben werden. Interne Analysen von öffentlich zugänglichen Daten1 haben ergeben, dass die Kombination von Betriebsverbesserungen mit der Aufrüstung kritischer Komponenten wie Dichtungen auf Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit wie FFKM das Risiko vorzeitiger Ausfälle verringern kann. Durch die Verlängerung der Lebensdauer der ESP können Betreiber unproduktive Ausfallzeiten und die Kosten für das Entfernen einer ESP aus dem Bohrloch vor der geplanten Wartung vermeiden.

Nach einer Analyse der Daten und der häufigsten Ausfallursachen sammelte Greene Tweed Feedback von Kunden. Damit konnte die Hypothese bestätigt werden, dass hohe Temperaturen im Zusammenhang mit Dampf die Lebensdauer bestehender Dichtungslösungen in SAG-D-Bohrlöchern verkürzen. Diese Ergebnisse zeigten, dass zur Verbesserung der Zuverlässigkeit bei SAG-D-Anwendungen eine Dichtungslösung der nächsten Generation erforderlich ist, die eine breite chemische Beständigkeit gegen Chemikalien und Flüssigkeiten bietet, die üblicherweise auf Ölfeldern eingesetzt werden, sowie eine bessere Beibehaltung der physikalischen Eigenschaften nach der Dampfalterung gewährleisten.

In Zusammenarbeit mit unseren Kunden haben wir für einen neuen Werkstoff im Rahmen eines aggressiven Dampfalterungstests von 1 Woche bei 260 °C eine akzeptable Eigenschaftserhaltung ermittelt. Dieser Werkstoff wies eine Beibehaltung der Zugfestigkeit, der Zugdehnung und des Moduls von weniger als 30 Prozent Maximalverlust auf, zusätzlich zu einer geringen Härte und Volumenänderung. Auf dieser Grundlage haben wir einen FFKM-Referenzwerkstoff entwickelt, der sich durch hohe Dampfbeständigkeit und Hochtemperaturfähigkeit auszeichnet. Die Vergleichstests zeigten, dass dieser Werkstoff nach dem 1-wöchigen Dampfalterungstest mit AS568-214-O-Ringen über 50 Prozent an Zugfestigkeit und Modul verlor, wenngleich die Härte und die Volumenänderung nach dem Dampfalterungstest gering waren.

Die nächsten Schritte im Entwicklungsprozess umfassten die Evaluierung von FFKM-Basispolymeren von vier verschiedenen Anbietern, die Prüfung verfügbarer FFKM-Härtungssysteme und die Bewertung von mehr als 20 verschiedenen Füllstoffpaketen, um durchgängig gute Ergebnisse beim Dampfalterungstest zu erzielen. Anschließend führten wir die zuvor beschriebenen Langzeittests (1000 Stunden) mit Druckverformung durch und berechneten die Temperatur, bei der AS568A-214 O-Ringe 80 Prozent Druckverformungsrest in Luft für 1000 Stunden bei 258 °C erreichen würden. Der Druckverformungsrest zur Messung der Verformung des Materials über Zeit und Temperatur kann einen guten Hinweis auf die Lebensdauer des jeweiligen Materials bei einer bestimmten Temperatur geben. Es wurden mehrere Formulierungen getestet und angepasst, bis wir den erforderlichen Druckverformungsrest erreicht hatten, um eine Verbesserung gegenüber dem Referenzwerkstoff nachzuweisen.

Der umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsprozess endete mit der endgültigen Optimierung der Formulierung, die dann für den Einsatz unter Chemraz® 694 vermarktet wurde. Umfassende Tests haben gezeigt, dass Chemraz® 694 nach einer längeren Zeit bei 260 °C in Dampf und einer kurzzeitigen Exposition gegenüber einem Spitzenwert von 316 ˚C bessere Ergebnisse liefert als Materialien der Konkurrenz. Weitere groß angelegte Tests wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt und zeigten, dass Chemraz® 694 als Standardlösung die Zuverlässigkeit von Maschinen und Geräten in kritischen Hochtemperatur-Dampfumgebungen wie z. B. SAG-D verbessert.

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