Sélection de joints pour la hausse de la production pétrolière en amont

Au fil des ans, les opérations pétrolières en amont ont amélioré leur efficacité et leur capacité à extraire de plus grandes quantités de pétrole du sol. Les ingénieurs y parviennent en forant plus profondément, en utilisant la récupération assistée du pétrole (EOR) et en fonctionnant à des températures plus élevées que jamais auparavant. Bien qu'efficaces, ces tactiques peuvent poser des problèmes aux joints utilisés dans les pompes et les compresseurs, car elles créent souvent des environnements exigeants dans lesquels les joints peuvent fonctionner.

La teneur en pétrole trouvée dans les puits varie et peut dépendre de l'emplacement, du climat et de l'altitude, ainsi que d'autres facteurs. Une variation courante du pétrole brut est de savoir s'il est considéré comme lourd ou léger. Le pétrole brut léger contient principalement des hydrocarbures. À mesure que les impuretés dans le pétrole augmentent, il devient plus lourd, plus épais et plus visqueux et est appelé pétrole brut lourd. Les impuretés peuvent inclure des métaux lourds, des composés aromatiques (des produits chimiques comme le toluène, le xylène et le benzène) et des résines, ce qui rend le pétrole brut lourd moins précieux et plus long à traiter. Les sables bitumineux, le bitume et l'asphalte sont tous considérés comme lourds. Plus le pétrole brut est lourd, plus il est difficile pour les joints lors de l'opération de traitement, car les abrasifs et les résines collantes déchirent et détruisent les joints, tandis que les composés aromatiques peuvent provoquer des attaques chimiques potentielles.

D'un puits à l'autre, la teneur en soufre peut également varier. Le pétrole à faible teneur en soufre est appelé pétrole brut non corrosif. Le pétrole brut acide, en revanche, contient de grandes quantités de soufre, ce qui peut être dangereux. Plus la teneur en soufre est élevée, plus la probabilité de présence de sulfure d'hydrogène (H2S) est élevée, qui est un gaz toxique, corrosif et inflammable. Le soufre et le H2S ont tous deux une odeur caractéristique d'œuf pourri, ce qui les rend facilement identifiables.

Cependant, le H2S est dangereux et peut être mortel à des concentrations plus élevées. Même en petites quantités, le H2S peut attaquer chimiquement les joints. Alors que le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est entièrement compatible, le caoutchouc nitrile (NBR) est généralement compatible à des concentrations inférieures à 10 parties par million (ppm), le fluoroélastomère (FKM) inférieur à 2 000 ppm et le caoutchouc nitrile butadiène hydrogéné (HNBR) inférieur à 50 000 ppm (5 %).

Dans de nombreux puits de pétrole, environ 10 % seulement du pétrole est simplement pompé hors du sol. La récupération assistée du pétrole (EOR) est généralement utilisée ensuite, c'est-à-dire qu'une conduite séparée est forée et de la vapeur, de l'eau, du dioxyde de carbone (CO2) ou d'autres fluides sont injectés derrière le pétrole pour le desserrer et faciliter son élimination. Le type de média injecté dans le puits de pétrole peut avoir un impact significatif sur ce que le matériau d'étanchéité optimal doit contenir, il est donc important de comprendre les effets de chacun.

L'injection d'eau est la méthode EOR la ​​plus populaire. Bien que l'eau utilisée pour l'injection puisse provenir de sources extérieures, l'eau produite est souvent utilisée (c'est-à-dire l'excès d'eau pompée d'un autre puits) et peut contenir du pétrole, du gaz, du H2S et des particules abrasives telles que la rouille, le sable, les sels, les asphaltènes et les cires. Ces particules peuvent raccourcir la durée de vie d'un joint. De plus, l'eau est considérée comme non lubrifiante, de sorte que les joints qui fonctionnent dans l'huile peuvent coller et se déchirer lorsqu'ils sont utilisés avec de grandes quantités d'eau.

L'injection de vapeur, une autre méthode EOR, est utilisée pour les bruts lourds épais et visqueux. La vapeur injectée produit de la chaleur humide qui détache le pétrole brut lourd. Avec la vapeur, il y a des considérations supplémentaires d'avoir des températures plus élevées, ainsi que des problèmes de résistance chimique de la compatibilité de la vapeur avec le matériau du joint.

Avec EOR, le dioxyde de carbone peut également être injecté derrière le pétrole pour le faire sortir. Les puits de pétrole contiennent souvent des eaux souterraines et, lorsque le dioxyde de carbone entre en contact avec l'eau, il peut former de l'acide carbonique. Il est donc important de confirmer la compatibilité chimique. Un problème plus important avec le dioxyde de carbone est la décompression explosive, qui se produit lorsque des gaz sous pression imprègnent les joints en caoutchouc. Si une réduction rapide de la pression se produit, le gaz à l'intérieur du caoutchouc peut se dilater violemment, créant une fissure entraînant une fuite immédiate. Pour le dioxyde de carbone ou tout gaz EOR, il est important de choisir des joints qui ont une excellente résistance à la perméation, ou une porosité minimale, pour empêcher le gaz de pénétrer dans le joint.

En plus des gaz injectés artificiellement, des gaz naturels tels que le méthane, le butane, le propane et le gaz naturel peuvent également être présents. En général, les gaz peuvent être difficiles pour les joints. Les gaz ont une taille de particules plus petite que les liquides, ce qui les rend plus difficiles à sceller. Les gaz sont également non lubrifiants, de sorte que les joints, en particulier les joints en caoutchouc, sont souvent endommagés lorsque l'équipement en mouvement déchire et déchire le caoutchouc sec.

Le problème des matériaux non lubrifiants est aggravé lorsqu'il s'agit de vitesses élevées ou de longues longueurs de course. Les vitesses élevées peuvent générer des frottements, la lubrification des joints est donc extrêmement importante dans ces circonstances. La longue longueur de course est une autre préoccupation que beaucoup ne connaissent peut-être pas. Si le média lui-même ne lubrifie pas, lorsque l'équipement parcourt de longues distances et frotte contre le joint, toute lubrification initiale présente peut être retirée du joint, entraînant des déchirures ou des dommages. Pour les applications à gaz et à course longue, il est recommandé d'utiliser une lanterne pour injecter de la graisse dans la cavité du joint afin de la maintenir lubrifiée. Si cela n'est pas possible, utilisez un matériau d'étanchéité avec la meilleure fonctionnalité de fonctionnement à sec.

Bien qu'ils soient parfaits pour les applications d'huile de base, les joints en caoutchouc NBR et mixtes peuvent rencontrer des difficultés lorsqu'ils sont utilisés dans l'EOR ou d'autres applications qui ne se limitent pas au pétrole brut non corrosif. Pour la garniture de presse-étoupe de vérin de pompe, la garniture de piston et de pompe de transfert et les joints de compresseur, il existe trois principaux matériaux qui fonctionnent bien dans ces applications difficiles : HNBR, fluoroélastomère (Viton) et PTFE. Ces matériaux peuvent également être combinés avec du tissu pour fournir un renforcement supplémentaire pour des pressions plus élevées.

Le HNBR, le Viton et le PTFE ont des températures nominales, une résistance chimique et à la perméation et des caractéristiques de frottement différentes. Il existe de nombreuses ressources en ligne pour rechercher les indices de résistance chimique de ces matériaux, mais en règle générale, le PTFE a la meilleure résistance chimique et thermique, puis le Viton et enfin le HNBR. Pourquoi ne pas simplement utiliser du PTFE pour tout ?

Le PTFE seul peut être sujet à la déformation et peut perdre sa résilience avec le temps, ce qui nécessite un resserrage fréquent. Le PTFE avec renfort en tissu finit généralement par être dur et, bien qu'il soit résistant, il n'offre pas une excellente étanchéité. Lorsque l'on compare les élastomères, le HNBR est plus résistant et plus résistant à l'abrasion que le Viton, en plus il se comporte bien dans les applications non lubrifiantes et a une excellente résistance à la perméation pour les applications au gaz.

Le tissu combiné avec du caoutchouc ou du PTFE rendra le matériau plus solide, plus durable, plus résistant et plus rigide. Tout cela ressemble à de bonnes caractéristiques; alors, pourquoi choisir de ne pas utiliser de renfort textile ? La réponse réside dans la flexibilité du produit. Les joints qui ont une forme caractéristique de type v-ring sont activés par la pression, ce qui signifie qu'ils utilisent la pression du système pour évaser le "V" afin d'obtenir un joint. La basse pression est une préoccupation pour ces types de joints car la pression peut ne pas être suffisamment élevée pour évaser les lèvres d'étanchéité. C'est là que le tissu et la dureté réelle du matériau entrent en jeu.

Le simple fait d'ajouter du tissu au caoutchouc ou au plastique le rendra plus rigide, mais il existe de nombreux types de tissus différents parmi lesquels choisir qui peuvent avoir des effets variables. De plus, il est important de choisir un tissu chimiquement compatible avec le support. Il existe également différents duromètres ou duretés de caoutchouc et de plastique que vous pouvez choisir en fonction des besoins de l'application.

Dans les applications à basse pression, généralement, un matériau souple sans tissu scellera le mieux, mais à mesure que la pression augmente, un renfort en tissu et des matériaux plus durs devront être utilisés. Cela peut devenir complexe si la pression varie de faible à élevée ou si l'équipement est plus ancien et usé. Dans ces applications, les joints plus durs peuvent ne pas être le meilleur choix pour l'étanchéité.

Dans la plupart des applications, le joint qui semble fonctionner le mieux est une combinaison de différents matériaux et rigidités, créant un effet superposé où les joints les plus durs sont à l'extérieur et les joints les plus souples à l'intérieur. Cela crée une solution équilibrée qui optimise les forces de chaque type de joint. Les joints souples s'adaptent à toutes les imperfections de l'équipement et permettent d'atteindre l'absence potentielle de fuite. Les joints durs subissent le poids de la pression et constituent la première ligne de défense contre les abrasifs, protégeant les joints intérieurs plus souples.

Cette conception d'ensemble de garniture de presse-étoupe en couches a été utilisée pour sceller avec succès de nombreuses applications de production de pétrole en amont difficiles. Il a des applications de vapeur scellées avec jusqu'à 30 % de H2S à plus de 500 F (260 C). Il a excellé dans une pompe de transfert de 300 F (149 C) exécutant des abrasifs à grande vitesse. Il a survécu à l'emballage traditionnel dans un compresseur scellant les gaz de puits non lubrifiants, y compris le H2S.

La sélection d'un joint peut être complexe et le pompage de puits de pétrole l'est encore plus, en raison des nombreuses variables à prendre en compte et des différences observées dans chaque application. Il est important de confirmer la compatibilité chimique du support, ainsi que d'autres détails d'application tels que la température et la pression, lors de la sélection du ou des matériaux pour un joint.

De plus, il est toujours recommandé de consulter le fabricant du joint pour la recommandation correcte du produit d'étanchéité.

Sarah Young est ingénieur de projet pour Garlock Sealing Technologies et Brett Yoder est ingénieur d'applications pour Garlock. Pour plus d'informations, rendez-vous sur garlock.com.