上流の石油生産の増加に対応するシールの選択

長年にわたって、上流の石油操業は効率と、より大量の石油を地中から引き出す能力を向上させてきました。 エンジニアは、より深く掘削し、石油増進回収 (EOR) を使用し、これまでよりも高い温度で稼働することにより、これを達成しています。 これらの戦術は効果的ではありますが、シールの動作に厳しい環境を生み出すことが多いため、ポンプやコンプレッサーで使用されるシールに課題をもたらす可能性があります。

井戸に含まれる石油の含有量はさまざまで、場所、気候、標高、その他の要因によっても異なります。 原油の一般的な違いは、重油とみなされるか軽油とみなされるかです。 軽質原油には主に炭化水素が含まれています。 油中の不純物が増加すると、重さ、粘度、粘度が増し、重質原油と呼ばれます。 不純物には重金属、芳香族化合物（トルエン、キシレン、ベンゼンなどの化学物質）、樹脂が含まれる可能性があり、重質原油の価値が低くなり、処理に時間がかかります。 タールサンド、アスファルト、アスファルトはすべて重いと考えられています。 原油が重ければ重いほど、研磨剤や粘着性の樹脂がシールを引き裂いて破壊する一方、芳香族化合物が潜在的な化学攻撃を引き起こす可能性があるため、シールの処理作業はより困難になります。

井戸ごとに、硫黄含有量も異なります。 硫黄分が少ない油をスイート原油と呼びます。 対照的に、サワー原油には大量の硫黄が含まれており、危険となる可能性があります。 硫黄含有量が多いほど、有毒、腐食性、引火性のガスである硫化水素 (H2S) が存在する可能性が高くなります。 硫黄と H2S は両方とも腐った卵の特有の臭いがあり、簡単に識別できます。

しかし、H2S は危険であり、高濃度では致死的になる可能性があります。 H2S は少量であってもシールを化学的に攻撃する可能性があります。ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は完全に適合しますが、ニトリルゴム (NBR) は通常 10 ppm 未満の濃度で適合し、フルオロエラストマー (FKM) は 2,000 ppm 未満の濃度で適合します。水素化ニトリルブタジエンゴム (HNBR) は 50,000 ppm (5%) 未満。

多くの油井では、単純に地中から汲み出される石油はわずか約 10% です。 次に、石油増進回収 (EOR) が通常使用されます。ここでは、別のラインが掘削され、蒸気、水、二酸化炭素 (CO2) またはその他の媒体が油の後ろに注入されて、油が緩められて除去しやすくなります。 油井に注入される媒体の種類は、最適なシール材料に何を含めるべきかに大きな影響を与える可能性があるため、それぞれの影響を理解することが重要です。

水注入は最も一般的な EOR 方法です。 注射に使用される水は外部源から供給されることもありますが、多くの場合、生成水（別の井戸から汲み出された過剰な水）が使用され、石油、ガス、H2S、および錆、砂、塩、アスファルテンなどの研磨粒子が含まれる場合があります。そしてワックス。 これらの粒子はシールの寿命を縮める可能性があります。 さらに、水は非潤滑であると考えられているため、油中で機能するシールは、大量の水を使用すると固着したり破れたりする可能性があります。

別の EOR 方法である蒸気噴射は、濃厚で粘性のある重質原油に使用されます。 注入された蒸気は湿熱を発生させ、重質原油を緩めます。 蒸気の場合は、高温になるという追加の考慮事項に加えて、シール材料と蒸気の適合性に関する耐薬品性の懸念もあります。

EOR を使用すると、石油の後ろに二酸化炭素を注入して石油を押し出すこともできます。 油井には地下水が含まれることが多く、二酸化炭素が水と接触すると炭酸が形成される可能性があるため、化学的適合性を確認することが重要です。 二酸化炭素に関するさらに大きな問題は、加圧ガスがゴム製シールに浸透する爆発的な減圧です。 圧力が急激に低下すると、ゴム内のガスが激しく膨張して亀裂が生じ、直ちに漏れが発生する可能性があります。 二酸化炭素やその他のガス EOR の場合、シールへのガスの侵入を防ぐために、優れた耐透過性、または最小限の気孔率を備えたシールを選択することが重要です。

人工的に注入されたガスに加えて、メタン、ブタン、プロパン、天然ガスなどの自然発生ガスも存在する場合があります。 一般に、ガスはシールにとって困難な場合があります。 気体は液体よりも粒子サイズが小さいため、密閉することがより困難になります。 ガスは非潤滑性でもあるため、移動機器によって乾燥したゴムが引き裂かれたり、シール、特にゴム製シールが損傷を受けることがよくあります。

非潤滑材料の問題は、高速回転やストローク長が長い場合にはさらに悪化します。 高速では摩擦が発生する可能性があるため、このような状況ではシールの潤滑が特に重要です。 ストローク長が長いことも、あまり知られていない懸念事項です。 メディア自体が潤滑されていない場合、装置が長距離を移動してシールをこすったときに、存在する初期の潤滑剤がシールから剥がれ、破れや損傷が発生する可能性があります。 ガス用途とロングストローク用途の両方の場合、ランタン リングを使用してシール キャビティにグリースを注入し、潤滑を維持することをお勧めします。 それが不可能な場合は、最適な空運転機能を備えたシール材を使用してください。

NBR および混合ゴムシールは、基本的なオイル用途には最適ですが、EOR やスイート原油以上のものを対象とするその他の用途で使用すると問題が発生する可能性があります。 ポンプジャックのスタッフィング ボックスのパッキン、プランジャーと移送ポンプのパッキン、およびコンプレッサーのシールには、これらの困難な用途に適した 3 つの主な材料、HNBR、フルオロエラストマー (バイトン)、PTFE があります。 これらの材料を布地と組み合わせて、より高い圧力に対する追加の補強を提供することもできます。

HNBR、バイトン、PTFE は、温度定格、耐薬品性、耐浸透性、摩擦特性が異なります。 これらの材料の耐薬品性評価を調べるためのオンライン リソースは数多くありますが、一般的に、PTFE が最も優れた耐薬品性と温度耐性を持ち、次にバイトン、最後に HNBR が続きます。 すべてに PTFE を使用しないのはなぜでしょうか?

PTFE だけでは変形しやすく、時間の経過とともに弾力性が失われるため、頻繁に締め直す必要が生じます。 繊維強化された PTFE は通常、最終的に硬くなり、丈夫ではありますが、優れたシールを実現することはできません。 エラストマーを比較すると、HNBR はバイトンよりも靭性が高く、耐摩耗性に優れています。さらに、非潤滑用途で優れた性能を発揮し、ガス用途では優れた耐透過性を備えています。

生地にゴムまたは PTFE を組み合わせると、材料の強度、耐久性、靭性、剛性が向上します。 これらはすべて良い特性のように見えます。 では、なぜ生地補強を使用しないことを選択するのでしょうか? その答えは製品の柔軟性にあります。 特徴的な V リング タイプの形状を持つシールは圧力によって作動します。つまり、システムの圧力を使用して「V」字形を広げてシールを実現します。 この種のシールでは、シール リップが開くほど圧力が高くない可能性があるため、低圧力が懸念されます。 ここで、生地と素材の実際の硬さが影響します。

ゴムやプラスチックに生地を追加するだけで堅くなりますが、さまざまな効果をもたらすさまざまな種類の生地から選択できます。 さらに、メディアと化学的に適合する生地を選択することが重要です。 ゴムとプラスチックの両方にはさまざまなデュロメーターまたは硬度もあり、用途のニーズに基づいて選択できます。

低圧力の用途では、一般に、生地のない柔らかい素材が最もよく密閉されますが、圧力が増加すると、生地の補強とより硬い素材を使用する必要があります。 圧力が低圧から高圧まで変化する場合、または機器が古くて磨耗している場合、これは複雑になる可能性があります。 このような用途では、より硬いシールはシールに最適な選択ではない可能性があります。

ほとんどの用途では、最も効果があると思われるシールは、異なる素材と剛性を組み合わせたもので、硬いシールが外側に、柔らかいシールが内側にある層状の効果を生み出します。 これにより、各タイプのシールの強度を最適化するバランスの取れたソリューションが作成されます。 ソフトシールは機器のあらゆる欠陥に適合し、漏れゼロを達成できる可能性があります。 硬いシールは圧力の矢面に当たり、研磨剤に対する防御の第一線として、より柔らかい内側のシールを保護します。

この層状スタッフィング ボックス パッキング セットの設計は、多くの困難な上流石油生産用途のシールに成功してきました。 500 F (260 C) 以上で最大 30% の H2S を含む密閉蒸気アプリケーションに対応します。 研磨材を高速で動作させる 300 F (149 C) の移送ポンプで優れた性能を発揮します。 これは、H2S を含む非潤滑油井ガスをシールするコンプレッサー内の従来のパッキンよりも長持ちします。

シールの選択は複雑になる可能性があり、油井のポンピングでは、考慮すべき多くの変数と各用途で見られる違いがあるため、さらに複雑になります。 シールの材料を選択する際には、温度や圧力などのその他の用途の詳細とともに、媒体の化学的適合性を確認することが重要です。

さらに、正しいシーリング製品の推奨については、常にシールのメーカーに相談することをお勧めします。

Sarah Young は Garlock Sealing Technologies のプロジェクト エンジニアであり、Brett Yoder は Garlock のアプリケーション エンジニアです。 詳細については、garlock.com をご覧ください。