石油和天然气的4个主要增长领域为关键密封圈和高分子材料创造需求

2019年09月11日

核心系统关键零部件设计的来源： 
四年前，随着石油价格的稳步下降，石油和天然气勘探和生产企业达到最低迷状态。上游、中游和下游的少数企业通过深入挖掘资源工具箱，以开发创新型应对方式及采用新技术而得以幸免。他们的韧性最终获得回报。到了2018年，全球石油需求达到每天1亿桶的有史以来最高水平。通过降低成本并提高生产率的创新技术，美国有望超越沙特阿拉伯和俄罗斯成为世界领先的石油生产国，今年2月份的石油产量高达每天1200多万桶。World Oil预测墨西哥湾的钻探和进尺分别增加7.7％和8.3％。与此类似，分析公司Westwood表示，经过四年的下滑后，海湾地区的勘探预计2019年将增长30％。石油和天然气巨头的重点项目均支持这一增长；壳牌公司已宣布其Appomattox的侏罗系成藏，BP表示将在Atlantis三期重点关注该领域，而雪佛龙则致力于其超高压锚杆项目。 
为了确保行业更加安全、高效且环保，技术进步存在多种形式：水力压裂和定向钻井作业；数字传感器数据采集和生产建模；安全无人机规程以及处理极端温度和压力并避免设备故障和泄漏的密封解决方案。根据市场研究公司(Research and Markets)的数据，石油和天然气行业密封圈的全球市场正在处于上升时期，预计2018年行业产值为57亿美元，到2023年达到64亿美元。

哪些趋势推动了石油和天然气勘探领域密封圈的使用？另外哪些方面正在变得愈加重要？ 
圣戈班密封件的区域销售经理Jake Lester在其位于德克萨斯州休斯顿的办公室敞开心扉，分享了他在为国内及国际石油和天然气客户提供密封解决方案支持其各种挑战性应用方面的体会。 
Lester 五年前作为应用工程师加入圣戈班密封件事业部, 现从事销售工作并致力于该行业，负责评估客户需求、协助设计过程，并确保掌握从首次接触到样件、测试、按时交付、安装和最终结果的所有客户需求。他认为自己观察到四个关键领域的增长。 
1. 液化天然气-“美国的液化天然气的生产和转运正在不断增长。液化形式的天然气作为一种超低温应用，正在大幅提高产量和转运，Lester说：“我们可以看到液化天然气的显著增加，为了让德克萨斯州和路易斯安那州的海岸能够容纳更多的船舶，很多公司正在海岸上建造全新的码头，那里的各种施工非常活跃。”美国能源信息署（EIA）的统计数据表明，液化天然气出口能力预计将在2019年底翻一番。诸如浮动储存和再气化等其他类型的液化天然气项目预计也将增加。 
2. 地面生产-“我们发现与海底相比，这一领域的工程量更大，”Lester说。“但是由于‘地面生产’一词可能包括那些低至500英尺但仍被视为钻井平台或陆上的极浅项目，因此可能会产生误导。”随着先前已关闭油井的重新返工，地面生产的增长正在崭露头角，这类油井在经济上更容易优化性能。 
3. 深水勘探-仍然是进一步寻找新储量的动力-随着要求更高温度和压力等条件的新项目不再成为主流-其也将变得更加经济，Lester也认为过多年受限的深水勘探和生产，预计2019年将会复苏。该研究公司预计2019年到2022年的深水勘探投资将达到每年2300亿美元。 
 Lester表示：尤其是“由于深度问题，现在海底或海岸极深的20,000 psi应用存在着很大的需求压力。” 
4. 低逸散性排放（LFE）-Lester表示他看到低逸散性排放需求出现激增，特别是地面和钻井平台应用存在这些要求。关注减少甲烷排放也是德勤在其展望中所指出的趋势。一到两年前，石油公司所寻求的是达到B类，ISO 15848-1排放标准，而现在他们致力于达到A级，这是圣戈班密封件事业部去年在逸散性排放峰会分享优化阀杆密封解决方案的进展时曾经提出的一个主题。 
  
尽管有些公司可能声称他们的弹簧密封圈符合A级标准；但是需要注意的是：他们是否也使用弹性体和石墨密封圈作为冗余，还是致力于在同一个密封圈上将其实现？

密封技术：解决石油回收过程更高需求所面临的变化 
圣戈班<a href="https://www.saint-gobain.com.cn/plastics/product/seals">OmniSeal®</a>弹簧式密封圈于二十世纪七十年代首次引入石油和天然气市场。其目的在于解决弹性密封圈无法解决的极端可靠性和耐用性问题。这种密封包括PTFE,PEEK或其他聚合物材料的夹套，以及金属蓄能弹簧，并且通常与防挤出支撑环配合使用。 
Lester说，他认为密封圈的最大需求在于解决液化天然气的低温以及其他应用极高温度问题。 
圣戈班密封件经常在液化天然气的LFE密封解决方案以及低温应用中使用Fluoroloy®AO2（其具有低透气性、改善蠕变和抗挤压性、以及-200°至+260°C[-328°至+500°F]的工作温度）。其他常用的石油和天然气聚合物材料包括： 
• <a href="https://www.seals.saint-gobain.com/document/meldin-5301-xiii-material-d…®5301</a>-一种专有定制PEEK，其具有化学和环境惰性，在高达+260°C[+500°F]的温度条件下具有良好的强度，并具有耐高压和耐高温性。 
• Fluoroloy®A16-一种专有定制PTFE，其特别适用于-268°至+316°C [-450°至+600°F]的温度条件、以及存在耐磨性要求的应用。 
• Fluoroloy®A21-与Fluoroloy®A16相似，其具有更高的硬度和耐磨损性。 
在解决存在极端温度或压力的应用问题时，石油和天然气制造商应当将重点放在最佳材料上，并留意可能需要稍微进行一些修改。随着作业进一步向井下延伸，压力变得非常极端，以至于设备（如果未经专门设计和配置）可能会发生膨胀或压缩，造成密封所在配合硬件的直径发生改变。如果又处于运动状态，还会产生更多的挑战。 
为了降低所承受的极限压力，石油和天然气制造商通常用诸如矿物油等惰性温和材料填充开放区域来消除零件中的空隙。在利用储油器的情况下，井下20,000 psi的压力通过密封件可以降低到5,000 psi。当涉及到高压和避免交叉污染的情况时，也可以考虑采用双向密封。 
圣戈班密封件事业部经常收到有关确保材料适配大型长期项目的测试请求。最近，一家美国大型石油和天然气公司要求将其用于墨西哥湾的超高压采油的<a href="https://www.seals.saint-gobain.com/news/fluoroloy-polymer-being-qualifi…®和聚合物密封材料</a>进行验证。这种非金属材料被要求能够耐受强腐蚀性的氢氟酸流体以及高达20,000 psi的压力。 
该材料的测试是通过将其老化并将一组密封浸没在压力20,000psi和温度300°F（149℃）的氢氟酸混合物中保持160小时完成的。一家独立第三方测试公司对曝露前后的物理性质测量值进行了记录，并对拉伸、硬度、质量、密度、体积和形变的变化进行评估。最终确定圣戈班密封件的四种Fluoroloy®材料均符合行业要求。 
  
密封专业知识：重要客户注意事项 
Lester表示，对客户来说最重要的是我们是否已经拥有类似应用的成功经验。 
圣戈班密封件拥有在陆上和海上勘探、生产以及其他领域从事石油和天然气密封解决方案设计的六十年成功经验。这些方案应用于多个知名项目，其中包括挪威海世界首个深度3,000米（9,842英尺）的海底压缩站，并且在穿越阿拉斯加管道的严酷恶劣环境中安然无恙。具体应用包括： 
• 上游和下游系统中的阀座和阀杆密封、阀体/阀盖和阀体/阀盖静密封、V型填料和阀座嵌件 
• 海底钻探、生产和运输中的阀门和歧管密封圈以及支撑环 
• 低温生产和运输中的主要和次要旋转面密封、水密封 
• 浮动生产转塔旋转堆叠系统中的密封圈 
• 可再生能源中的低逸散性排放密封 
由于拥有上述专业知识，美国一家大型石油和天然气客户要求他们为石油和天然气API 6D隔离阀中聚合物唇形密封的选型开发一本<a href="https://www.seals.saint-gobain.com/news/valve-guidelines-manual-polymer…;。 
  
密封测试：极限条件投入 
也许对于圣戈班密封件而言最独特的一面是其在有限元分析（FEA）方面的战略优势。现有的FEA模型对于金属材料（例如很多密封圈中的弹簧）是准确的。然而，Lester表示，对于塑料材料而言现成的模型则并非如此。圣戈班花费超过三年时间开发非金属热塑性塑料模型，将其用于对比试验台和阀门设备的物理测试，以便能够更准确地确定密封圈承受磨损和损坏的情况。通过FEA进行仿真也比购买样件进行测试效率更高，更便宜。 
  
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