Selección de sellos para el repunte de la producción de petróleo upstream

A lo largo de los años, las operaciones petroleras aguas arriba han mejorado su eficiencia y capacidad para extraer mayores cantidades de petróleo del subsuelo. Los ingenieros están logrando esto perforando más profundo, utilizando la recuperación mejorada de petróleo (EOR) y operando a temperaturas más altas que nunca. Si bien son efectivas, estas tácticas pueden plantear desafíos para los sellos utilizados en bombas y compresores, ya que a menudo crean entornos exigentes para que funcionen los sellos.

El contenido de petróleo que se encuentra en los pozos varía y puede depender de la ubicación, el clima y la elevación, así como de otros factores. Una variación común en el petróleo crudo es si se considera pesado o liviano. El petróleo crudo ligero contiene principalmente hidrocarburos. A medida que aumentan las impurezas en el petróleo, se vuelve más pesado, espeso y viscoso y se lo denomina crudo pesado. Las impurezas pueden incluir metales pesados, compuestos aromáticos (sustancias químicas como tolueno, xileno y benceno) y resinas, lo que hace que el crudo pesado sea menos valioso y más lento de procesar. Las arenas bituminosas, el betún y el asfalto se consideran pesados. Cuanto más pesado es el petróleo crudo, más desafiante es para los sellos en la operación de procesamiento, ya que los abrasivos y las resinas pegajosas rasgan y destruyen los sellos, mientras que los compuestos aromáticos pueden provocar posibles ataques químicos.

De un pozo a otro, la cantidad de contenido de azufre también puede variar. El petróleo con bajas cantidades de azufre se llama crudo dulce. El petróleo crudo agrio, por el contrario, tiene altas cantidades de azufre, lo que puede ser peligroso. Cuanto mayor sea el contenido de azufre, mayor será la probabilidad de la presencia de sulfuro de hidrógeno (H2S), que es un gas venenoso, corrosivo e inflamable. Tanto el azufre como el H2S tienen un característico olor a huevo podrido, lo que los hace fácilmente identificables.

Sin embargo, el H2S es peligroso y puede ser mortal en concentraciones más altas. Incluso en pequeñas cantidades, el H2S puede atacar químicamente los sellos; mientras que el politetrafluoroetileno (PTFE) es totalmente compatible, el caucho de nitrilo (NBR) suele ser compatible en concentraciones inferiores a 10 partes por millón (ppm), el fluoroelastómero (FKM) inferior a 2000 ppm y caucho de nitrilo butadieno hidrogenado (HNBR) menos de 50,000 ppm (5%).

En muchos pozos de petróleo, solo alrededor del 10% del petróleo simplemente se extrae del suelo. A continuación, se suele utilizar la recuperación mejorada de petróleo (EOR), que es donde se perfora una línea separada y se inyecta vapor, agua, dióxido de carbono (CO2) u otros medios detrás del petróleo para aflojarlo y facilitar su extracción. El tipo de medio inyectado en el pozo de petróleo puede tener un impacto significativo en lo que debe contener el material de sellado óptimo, por lo que es importante comprender los efectos de cada uno.

La inyección de agua es el método EOR más popular. Si bien el agua utilizada para la inyección puede provenir de fuentes externas, a menudo se usa agua producida (que es un exceso de agua bombeada de un pozo diferente) y puede contener petróleo, gas, H2S y partículas abrasivas, como óxido, arena, sales, asfaltenos. y ceras. Estas partículas pueden acortar la vida útil de un sello. Además, el agua se considera no lubricante, por lo que los sellos que funcionan con aceite pueden adherirse y rasgarse cuando se usan con grandes cantidades de agua.

La inyección de vapor, otro método EOR, se usa para crudo pesado que es espeso y viscoso. El vapor inyectado produce calor húmedo que afloja el crudo pesado. Con el vapor, existen consideraciones adicionales de tener temperaturas más altas, además de preocupaciones sobre la resistencia química de la compatibilidad del vapor con el material del sello.

Con EOR, también se puede inyectar dióxido de carbono detrás del petróleo para expulsarlo. Los pozos de petróleo a menudo contienen agua subterránea y, cuando el dióxido de carbono entra en contacto con el agua, puede formar ácido carbónico, por lo que es importante confirmar la compatibilidad química. Un problema mayor con el dióxido de carbono es la descompresión explosiva, que es cuando los gases presurizados penetran en los sellos de goma. Si ocurre una rápida reducción de la presión, el gas dentro del caucho puede expandirse violentamente, creando una fisura que resulta en una fuga inmediata. Para dióxido de carbono o cualquier gas EOR, es importante elegir sellos que tengan una excelente resistencia a la permeación o una porosidad mínima para evitar que el gas entre en el sello.

Además de los gases inyectados artificialmente, también pueden estar presentes gases naturales como metano, butano, propano y gas natural. En general, los gases pueden ser un desafío para las focas. Los gases tienen un tamaño de partícula más pequeño que los líquidos, lo que los hace más difíciles de sellar. Los gases tampoco son lubricantes, por lo que los sellos, en particular los sellos de goma, a menudo se dañan cuando el equipo en movimiento rasga y rasga la goma seca.

El problema de los materiales no lubricantes se complica cuando hay altas velocidades involucradas o carreras largas. Las altas velocidades pueden generar fricción, por lo que la lubricación de los sellos es muy importante en estas circunstancias. La longitud del trazo largo es otra preocupación que muchos pueden no saber. Si el medio en sí no está lubricando, cuando el equipo viaja largas distancias y se frota contra el sello, cualquier lubricación inicial presente puede desprenderse del sello y provocar roturas o daños. Tanto para aplicaciones de gas como de carrera larga, se recomienda usar un anillo linterna para inyectar grasa en la cavidad del sello para mantenerlo lubricado. Si esto no es posible, utilice un material de sellado con la mejor funcionalidad de funcionamiento en seco.

Si bien son excelentes para aplicaciones básicas de petróleo, los sellos de NBR y caucho mixto pueden tener dificultades cuando se usan en EOR u otras aplicaciones que ven más que solo petróleo crudo dulce. Hay tres materiales principales que funcionan bien en estas aplicaciones difíciles para el empaque de la caja de prensaestopas del gato de bomba, el empaque del émbolo y la bomba de transferencia y los sellos del compresor: HNBR, fluoroelastómero (Viton) y PTFE. Estos materiales también se pueden combinar con tela para proporcionar un refuerzo adicional para presiones más altas.

HNBR, Viton y PTFE tienen diferentes clasificaciones de temperatura, resistencia química y de permeación y características de fricción. Hay muchos recursos en línea para buscar clasificaciones de resistencia química para estos materiales, pero como regla general, PTFE tiene la mejor resistencia química y de temperatura, luego Viton y finalmente HNBR. ¿Por qué no usar PTFE para todo?

El PTFE por sí solo puede ser propenso a la deformación y puede perder su resiliencia con el tiempo, lo que genera la necesidad de volver a apretar con frecuencia. El PTFE con refuerzo de tela generalmente termina siendo duro y, si bien es resistente, no logra un sellado excelente. Cuando se comparan los elastómeros, el HNBR es más duro y más resistente a la abrasión que el Viton, además funciona bien en aplicaciones no lubricantes y tiene una excelente resistencia a la permeación para aplicaciones de gas.

La tela combinada con caucho o PTFE hará que el material sea más fuerte, duradero, resistente y rígido. Todos estos parecen buenas características; Entonces, ¿por qué optar por no usar refuerzo de tela? La respuesta a eso radica en la flexibilidad del producto. Los sellos que tienen una forma distintiva de tipo anillo en V se activan a presión, lo que significa que usan la presión del sistema para abrir la "V" y lograr un sello. La baja presión es una preocupación para este tipo de sellos porque es posible que la presión no sea lo suficientemente alta como para abrir los labios del sello. Aquí es donde entran en juego la tela y la dureza real del material.

Solo agregar tela al caucho o al plástico lo hará más rígido, pero hay muchos tipos diferentes de tela para elegir que pueden tener diferentes efectos. Además, es importante elegir una tela que sea químicamente compatible con el medio. También hay diferentes durómetros o durezas tanto de caucho como de plástico que puede elegir según las necesidades de la aplicación.

En aplicaciones de baja presión, generalmente, un material suave sin tela sellará mejor, pero a medida que aumente la presión, será necesario usar refuerzo de tela y materiales más duros. Esto puede volverse complejo si la presión varía de baja a alta o si el equipo es más antiguo y está desgastado. En estas aplicaciones, los sellos más duros pueden no ser la mejor opción para sellar.

En la mayoría de las aplicaciones, el sello que parece funcionar mejor es una combinación de diferentes materiales y rigidez, creando un efecto de capas donde los sellos más duros están en el exterior y los más blandos en el interior. Esto crea una solución equilibrada que optimiza las fortalezas de cada tipo de sello. Los sellos blandos se adaptan a cualquier imperfección en el equipo y permiten el logro potencial de cero fugas. Los sellos duros ven la peor parte de la presión y son la primera línea de defensa contra los abrasivos, protegiendo los sellos internos más blandos.

Este diseño de conjunto de empaquetadura de caja de empaquetadura en capas se ha utilizado para sellar con éxito muchas aplicaciones difíciles de producción de petróleo aguas arriba. Tiene aplicaciones de vapor selladas con hasta un 30 % de H2S a más de 260 C (500 F). Ha sobresalido en una bomba de transferencia de 300 F (149 C) que hace funcionar abrasivos a altas velocidades. Ha sobrevivido al empaque tradicional en un compresor que sella gases de pozo no lubricantes, incluido H2S.

Seleccionar un sello puede ser complejo y el bombeo de pozos de petróleo aún más, debido a las muchas variables a considerar y las diferencias observadas en cada aplicación. Es importante confirmar la compatibilidad química de los medios, junto con otros detalles de la aplicación, como la temperatura y la presión, al seleccionar los materiales para un sello.

Además, siempre se recomienda consultar con el fabricante del sello para obtener la recomendación correcta del producto de sellado.

Sarah Young es ingeniera de proyectos de Garlock Sealing Technologies y Brett Yoder es ingeniero de aplicaciones de Garlock. Para obtener más información, visite garlock.com.