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Apr 18, 2024

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

A lo largo de los años, las operaciones petroleras upstream han mejorado su eficiencia y capacidad de extraer mayores cantidades de petróleo del suelo. Los ingenieros están logrando esto perforando más profundamente, utilizando

A lo largo de los años, las operaciones petroleras upstream han mejorado su eficiencia y capacidad de extraer mayores cantidades de petróleo del suelo. Los ingenieros están logrando esto perforando a mayor profundidad, utilizando recuperación mejorada de petróleo (EOR) y funcionando a temperaturas más altas que nunca. Aunque efectivas, estas tácticas pueden plantear desafíos para los sellos utilizados en bombas y compresores, ya que a menudo crean entornos exigentes para el funcionamiento de 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, más espeso y más viscoso y se lo conoce como petróleo crudo pesado. Las impurezas pueden incluir metales pesados, compuestos aromáticos (productos químicos como tolueno, xileno y benceno) y resinas, lo que hace que el petróleo crudo pesado sea menos valioso y su procesamiento requiera más tiempo. Las arenas bituminosas, el betún y el asfalto se consideran pesados. Cuanto más pesado es el petróleo crudo, más desafiante resulta 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 causar 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 petróleo crudo dulce. El petróleo crudo agrio, por el contrario, tiene altas cantidades de azufre, lo que puede ser peligroso. Cuanto mayor es el contenido de azufre, mayor es 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 olor característico 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), y 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, sólo alrededor del 10% del petróleo 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 eliminación. El tipo de medio inyectado en el pozo petrolero 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 el exceso de agua bombeada de un pozo diferente) y puede contener petróleo, gas, H2S y partículas abrasivas, como óxido, arena, sales y 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 atascarse y romperse cuando se usan con grandes cantidades de agua.

La inyección de vapor, otro método EOR, se utiliza para crudo pesado que es espeso y viscoso. El vapor inyectado produce calor húmedo que afloja el petróleo crudo pesado. Con el vapor, existen consideraciones adicionales relacionadas con temperaturas más altas, además de preocupaciones sobre la resistencia química y 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 petroleros 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 ocurre cuando los gases presurizados permean los sellos de goma. Si se produce una reducción rápida 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 entre gas 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 caucho, a menudo se dañan cuando el equipo en movimiento rasga y desgarra el caucho seco.

El problema de los materiales no lubricantes se agrava cuando hay altas velocidades involucradas o carreras de gran longitud. Las altas velocidades pueden generar fricción, por lo que la lubricación del sello es muy importante en estas circunstancias. La longitud de carrera larga es otra preocupación que muchos quizás no conozcan. Si el medio en sí no es lubricante, cuando el equipo recorre largas distancias y roza el sello, cualquier lubricación inicial presente puede desprenderse del sello y provocar desgarros o daños. Tanto para aplicaciones de gas como de carrera larga, se recomienda utilizar un anillo de linterna para inyectar grasa en la cavidad del sello para mantenerla lubricada. Si esto no es posible, utilice un material de sellado con la mejor funcionalidad de funcionamiento en seco.

Si bien son excelentes para aplicaciones de petróleo básico, los sellos de NBR y caucho mixto pueden tener dificultades cuando se usan en EOR u otras aplicaciones que involucran algo más que petróleo crudo dulce. Para empaquetaduras de prensaestopas de bombas, empaquetaduras de bombas de transferencia y émbolo y sellos de compresores, existen tres materiales principales que funcionan bien en estas aplicaciones difíciles: 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, el PTFE tiene la mejor resistencia química y a la temperatura, luego el Viton y finalmente el HNBR. ¿Por qué no utilizar PTFE para todo?

El PTFE por sí solo puede ser propenso a deformarse y perder su resistencia con el tiempo, lo que resulta en la necesidad de reapretarlo con frecuencia. El PTFE con refuerzo de tela normalmente termina siendo duro y, aunque es resistente, no logra un sellado excelente. Al comparar elastómeros, el HNBR es más duro y 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, más duradero, más resistente y más rígido. Todas estas parecen buenas características; Entonces, ¿por qué optar por no utilizar refuerzo de tela? La respuesta está en la flexibilidad del producto. Los sellos que tienen una forma característica de tipo anillo en V se activan por 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 de sellado. Aquí es donde entran en juego la tela y la dureza real del material.

Simplemente agregar tela al caucho o al plástico lo hará más rígido, pero hay muchos tipos diferentes de telas para elegir que pueden tener diferentes efectos. Además, es importante elegir una tela que sea químicamente compatible con el medio. También existen 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 aumenta la presión, será necesario usar refuerzo de tela y materiales más duros. Esto puede resultar complejo si la presión varía de baja a alta o si el equipo es viejo y está desgastado. En estas aplicaciones, los sellos más duros podrían 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 suaves 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 del equipo y permiten el logro potencial de cero fugas. Los sellos duros son los más afectados por la presión y son la primera línea de defensa contra los abrasivos, protegiendo los sellos internos más blandos.

Este diseño de juego de empaquetadura de prensaestopas 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 500 F (260 C). Se ha destacado en una bomba de transferencia de 300 F (149 C) que ejecuta abrasivos a altas velocidades. Ha durado más que el empaque tradicional en un compresor que sella gases de pozo no lubricantes, incluido el H2S.

Seleccionar un sello puede ser complejo y el bombeo de pozos petroleros lo es aún más, debido a las muchas variables a considerar y las diferencias que se observan en cada aplicación. Es importante confirmar la compatibilidad química del medio, 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.