Застосування ущільнень із ПЕЕК у обладнанні для видобутку нафти та газу

У складному світі видобутку нафти та газу вибір матеріалу для ущільнювальних елементів ніколи не є тривіальним. Ущільнення із ПЕЕК стало одним із найнадійніших рішень для інженерів, яким потрібна стабільна робота в умовах надвисокого тиску, підвищеної температури та агресивного хімічного впливу. ПЕЕК (поліефір-ефір-кетон) — це високопродуктивний термопластичний полімер, що поєднує механічну міцність із винятковою стійкістю до хімічних впливів, завдяки чому ущільнення із ПЕЕК є ідеальним рішенням на багатьох етапах видобутку нафти та газу.

Від узлів устя свердловин і інструментів для роботи в стовбурі свердловин до поверхневих блоків обробки та регулюючих клапанів нафтопроводів — ущільнення з ПЕЕК застосовуються там, де стандартні еластомерні або металеві ущільнення не відповідають вимогам. Зростаюче використання технології ущільнень з ПЕЕК у нафтовому обладнанні відображає загальний тренд у галузі щодо переходу на матеріали, які продовжують термін експлуатації, зменшують незаплановані простої та витримують умови, що призводять до деградації традиційних ущільнювальних матеріалів протягом кількох тижнів. Розуміння того, де й чому ущільнення з ПЕЕК показують найкращі результати, допомагає інженерам з закупівель, службам технічного обслуговування та конструкторам обладнання приймати більш обґрунтовані рішення.

Основні властивості, що роблять ущільнення з ПЕЕК придатними для нафтової та газової промисловості

Термічна та хімічна стійкість ущільнення з ПЕЕК

Ущільнення з ПЕЕК розраховане на тривалу експлуатацію при температурах до приблизно 260 °C, а короткочасне перевищення цього діапазону також допустиме. У середовищі видобутку нафти та газу технологічні рідини, такі як сира нафта, кислий газ, що містить сірководень, вуглекислий газ, бурові розчини та рідини для гідравлічних систем, створюють хімічно агресивні умови. Ущільнення з ПЕЕК стійке до деградації під впливом вуглеводнів, пари, більшості кислот і широкого спектру промислових розчинників. Ця хімічна інертність означає, що ущільнення з ПЕЕК зберігає свою розмірну стабільність і силу ущільнення протягом тривалого терміну експлуатації, на відміну від еластомерів на основі нітрилу або ЕПДМ, які можуть набухати, тріскатися або твердіти за аналогічних умов.

Механічна міцність та тискова стійкість

Ущільнення з ПЕЕК — це не просто хімічно стійкий компонент. Воно також відрізняється надзвичайно високою межею міцності на розтяг і низькою повзучістю під тривалим механічним навантаженням. У застосуваннях у свердловині перепад тиску може перевищувати кілька тисяч фунтів на квадратний дюйм (PSI), і ущільнення з ПЕЕК має зберігати свою форму та контактне ущільнення під такими силами, не витискаючись у зазори. Напівкристалічна структура ПЕЕК надає ущільненню з ПЕЕК жорсткості, що забезпечує точні допуски в прецизійно оброблених корпусах. При посиленні вуглецевим або скловолокном ущільнення з ПЕЕК досягає ще більшої твердості та розмірної стабільності, що робить його придатним для найбільш механічно навантажених конфігурацій обладнання для видобутку нафти та газу.

Основні сфери застосування ущільнень з ПЕЕК у видобувному обладнанні

Застосування у нижньосвердловинному інструменті та на устьї свердловини

Ущільнення з ПЕЕК широко використовується в інструментах для буріння у свердловинах, приладах для вимірювання під час буріння та обладнанні для завершення свердловин. Ці інструменти працюють за високих тисків і температур у свердловині, які циклічно змінюються під час експлуатації. Ущільнення з ПЕЕК забезпечує стабільну ізоляцію між потоками рідин у багатопортових корпусах клапанів, ущільнювальних комплектах та каротажних приладах. На гирлі свердловини ущільнення з ПЕЕК застосовується в затворних клапанах, дросельних клапанах та комплектах «новорічних дерев» (Christmas tree), де критично важливе як утримання технологічної рідини, так і збереження герметичності під тиском. Оскільки ущільнення з ПЕЕК не вбирає вологу й не набухає при контакті з розсолом або пластовою водою, воно зберігає розрахунковий контактний тиск значно довше, ніж еластомерні аналоги в цих застосуваннях.

Поверхневе обладнання та трубопровідне обладнання

Над устям свердловини ущільнювальне кільце з ПЕЕК-полімеру продовжує відігравати важливу роль у поверхневому обладнанні для видобутку. Сепараційні резервуари, теплообмінники, газові компресорні установки та насоси для інжекції хімічних реагентів усі вимагають ущільнювальних елементів, стійких до змін у технологічному процесі. Ущільнювальні кільця з ПЕЕК використовуються в ущільненнях валів насосів, ущільнювальних кільцях штоків клапанів та опорних кільцях для обертового обладнання, де так само важлива стійкість до зносу, як і хімічна стійкість. У трубопровідних застосуваннях ущільнювальне кільце з ПЕЕК використовується як резервне або основне ущільнення в кульових клапанах та обладнанні для очищення трубопроводів («пігах»), оскільки абразивна дія твердих частинок у потоці швидко пошкодила б ущільнення з м’яких полімерів. Поєднання низького коефіцієнта тертя й високої твердості робить ущільнювальне кільце з ПЕЕК особливо придатним для динамічних ущільнень у поверхневому обладнанні.

Рекомендації щодо вибору ущільнювальних кілець з ПЕЕК для проектувальників обладнання нафтової та газової промисловості

Вибір між ненаповненими та наповненими марками ущільнювальних кілець з ПЕЕК

При виборі ущільнення з ПЕЕК для нафтогазової галузі першим рішенням є вибір між незаповненим або заповненим сортом матеріалу. Незаповнений матеріал ущільнення з ПЕЕК забезпечує найширшу хімічну сумісність і є переважним варіантом у випадках, коли середовище ущільнення містить агресивні хімікати, які можуть реагувати з волокнистими наповнювачами. Сорти ущільнення з ПЕЕК, заповнені вуглецем, значно підвищують стійкість до зносу та теплопровідність, що є перевагою в застосуваннях, де поверхня ущільнення генерує тертяльне тепло під час динамічної роботи. Сорти ущільнення з ПЕЕК, заповнені склом, забезпечують оптимальний баланс жорсткості й ударної в’язкості, що робить їх придатними для статичного ущільнення в високотискових клапанних зборках. З’ясування конкретного складу рідини, робочого тиску, температурного профілю та того, чи є ущільнення статичним чи динамічним, визначить, який сорт ущільнення з ПЕЕК забезпечить найдовший термін надійної експлуатації.

Розмірні та монтажні аспекти ущільнення з ПЕЕК

Ущільнення з ПЕЕК зазвичай виготовляють шляхом механічної обробки з прутків або трубок із точним дотриманням допусків. Оскільки ПЕЕК є жорсткішим матеріалом, ніж еластомери, геометрію паза та посадку в корпусі необхідно ретельно розрахувати, щоб забезпечити правильне стискання або натяг, необхідні для ефективного ущільнення. Недостатньо стиснуте ущільнення з ПЕЕК буде протікати; надто стиснуте може потріснути або створити надмірне навантаження на супряжні деталі. Інженери також повинні враховувати порівняно низький коефіцієнт теплового розширення ПЕЕК при проектуванні для застосувань із істотними коливаннями температури. Правильний момент затягування, якість обробки поверхонь супряжних компонентів та змащення контактної поверхні ущільнення з ПЕЕК сприяють досягненню очікуваної продуктивності та терміну служби обладнання для видобутку нафти й газу.

Часті запитання

Який діапазон температур може витримувати ущільнення з ПЕЕК у нафтогазових застосуваннях?

Ущільнення з ПЕЕК може працювати при постійних температурах до приблизно 260 °C. За короткочасних пікових навантажень, які часто виникають у свердловинному середовищі, ущільнення з ПЕЕК здатне витримувати короткочасне перевищення цього діапазону температур без постійного структурного пошкодження, хоча тривалу роботу при екстремальних температурах завжди слід попередньо узгодити з виробником ущільнення з урахуванням конкретного сорту матеріалу та профілю застосування.

Чи сумісне ущільнення з ПЕЕК із середовищем кислого газу, що містить сірководень?

Так, ущільнення з ПЕЕК демонструє хорошу стійкість до середовищ, що містять сірководень і вуглекислий газ, які зазвичай зустрічаються при видобутку кислого газу. На відміну від певних еластомерів, які піддаються експлозивному розтисканню або хімічній деградації в умовах високих концентрацій H₂S, ущільнення з ПЕЕК зберігає свою структурну цілісність. Для застосувань у середовищах з надвисокою концентрацією кислого газу рекомендується обрати відповідний сорт ущільнення з ПЕЕК та підтвердити його сумісність за допомогою тестування на занурення перед повномасштабним впровадженням.

Як відбувається порівняння ущільнення з ПЕЕК і еластомерного ущільнення у високотискових підземних застосуваннях?

Ущільнення з ПЕЕК забезпечує вищу стабільність розмірів, меншу повзучість та кращу стійкість до витиснення під високим тиском порівняно зі стандартними еластомерними ущільненнями. Тоді як еластомерні ущільнення покладаються на пружність для прилягання до супряжних поверхонь, ущільнення з ПЕЕК покладається на точне механічне оброблення та контрольований натяг. У високотискових підземних інструментах, де тиск може перевищувати кілька тисяч фунтів на квадратний дюйм (PSI), ущільнення з ПЕЕК менш схильне до витиснення, що робить його переважним вибором для тривалих операцій у свердловині, де втручання є коштовним і складним.