Wenn Sie eine bessere Saugrute bauen, werden die Käufer dann bereit sein, sie zu ändern?

Oct 28, 2023

Wenn die Pumpe ausfällt und kein Öl mehr fließt, liegt dies höchstwahrscheinlich an einer defekten Saugstange.

„Die Statistiken sind ziemlich aussagekräftig. Man könnte meinen, dass die Stabpumpe oder die Exzenterschneckenpumpe die Komponente mit den meisten Problemen ist, aber am häufigsten ist der Stabstrang dafür verantwortlich“, sagte Lonnie Dunn, Vizepräsident für Technologie bei Lifting Lösungen.

Das ist eine entscheidende Tatsache für Dunn, der für den größten Hersteller sogenannter kontinuierlicher Saugstangen arbeitet. Anstatt einzelne Stäbe zu einem Strang zu verbinden, der lang genug ist, um von der Oberfläche bis zur Pumpe zu verlaufen, wird ein einzelner langer Stab wie ein Spiralrohr in das Bohrloch geführt.

Während er auf der SPE Artificial Lift Conference and Exhibition über gewickelte Saugstangen sprach, kündigte ein Konkurrent der Konferenz, ChampionX, eine Neuheit an: eine schützende anodische Beschichtung für seine durchgehenden Saugstangen, die Korrosion verhindert und den Widerstand verringert, wenn eine Stange reibt gegen das umgebende Rohr (SPE 209751).

Im Gegensatz zu Wettbewerbern, die sich auf Beschichtungen verlassen, die eine physische Barriere bieten, basiert die Verteidigung von ChampionX auf einer pulverförmigen Metallbeschichtung, die elektrochemische Reaktionen kurzschließt, die zu schneller Korrosion führen können.

Dabei handelt es sich um eine aufstrebende Technologie, bei der sich die Schlüsselkomponenten seit langem bewährt haben. Durchgehende Stangen wurden vor fast 50 Jahren patentiert, und Methoden, die anodische Korrosionsschutzmethoden verwenden, gibt es noch länger, wobei die Anwendungen vom Schutz von Unterwassersteigleitungen bis hin zu verzinkten Nägeln reichen.

Dennoch sind beide Ideen neu in diesem sich langsam verändernden Dienstleistungssektor, in dem sich die Abmessungen der Stäbe kaum verändert haben und wichtige Designelemente normalerweise auf API-Spezifikationen basieren.

Diese Unternehmen gehören zu den wenigen Innovatoren, die daran arbeiten, Betreiber davon zu überzeugen, dass ein durchgehender Stab die bessere Wahl ist, und zwar in einer Zeit, in der Bohrlöcher größere Herausforderungen mit sich bringen, von Bohrlöchern, die konstruktionsbedingt oder versehentlich gekrümmt sind, bis hin zu Reservoirs, die zunehmend korrosive Flüssigkeiten produzieren.

Es handelte sich um einen langsamen Wandel, denn „Saugerruten gibt es schon lange und die Produkt- und Wartungspraktiken sind gut etabliert, wohingegen kontinuierliche Ruten, insbesondere auf der Wartungsseite, eine bedeutende Veränderung darstellen“, sagte Dunn.

Obwohl es Vorteile gibt, von schnelleren Laufzeiten bis hin zu weniger Ausfällen, wenn es um dieses seit langem etablierte Ölfeldprodukt geht, vermutet er, dass einige Kunden davon ausgehen, dass „alles getan wird, was getan werden kann“.

Durch die durchgehenden Stangen entfällt die Zeit, die für die Herstellung der Hunderten von Verbindungen erforderlich ist, die zum Aufbau einer Stangenkette erforderlich sind. Das Risiko von Verbindungsfehlern wird verringert, indem mehrere Stangen durch eine lange Stange ersetzt werden, die nur Verbindungen an der Pumpeinheit an der Oberfläche und an der Pumpe im Bohrloch erfordert.

Um das Versprechen langlebigerer Stäbe zu untermauern, fügen die Unternehmen in diesem Sektor korrosionsbeständige Beschichtungen hinzu. „Der allgemeine Konsens besteht darin, dass die Bohrlöcher immer korrosiver werden und die Industrie unter härteren Bedingungen nach Öl und Gas greifen wird“, sagte Alex Perri, Produktliniendirektor bei ChampionX.

ChampionX versucht, Konkurrenten zu überholen, die durchgehende Stäbe mit schützenden Barrierebeschichtungen verkaufen.

Lifting Solutions überzieht die Oberfläche mit einer Barriereschicht aus hochdichtem Polyethylen, während Weatherford eine eigene proprietäre nichtmetallische Beschichtung verwendet, sagte Dunn.

Die Stabbeschichtung ist auf mehreren Ebenen eine knifflige technische Herausforderung.

Alles, was auf die Oberfläche einer Stange aufgetragen wird, muss rauer Handhabung standhalten, angefangen beim Durchlaufen der Greifer während der Installation bis hin zum Reiben der ständig bewegten Stange am Rohr, was bei gekrümmten Bohrlöchern immer wahrscheinlicher wird.

Als Perri die Überlegungen hinter der Beschichtungsentwicklung von ChampionX erläuterte, kam das einer Kritik an der Konkurrenz gleich, deren Beschichtungen als Barrieren zum Schutz der Stahlstangen vor der in vielen Bohrlöchern vorkommenden korrosiven Flüssigkeit dienen sollen.

Als ChampionX Kunden befragte, die diese Stäbe mit Barrierebeschichtung verwendeten, antworteten sie, dass sie anfangs gut funktionierten, aber mit der Zeit nachließen und der Schutz mit der Zeit nachließ.

Dunn antwortete, dass sie über 3.000 beschichtete, durchgehende Gestängestränge in korrosiven Richtbohranwendungen eingesetzt haben und die Laufzeiten von nur wenigen Monaten mit blankem Gestänge auf mehrere Jahre oder mehr mit ihrem beschichteten Gestänge verlängert haben.

Basierend auf dem Papier von ChampionX kann seine Beschichtung die Reibung bei Kontakt mit Metall um 25 % reduzieren und weiterhin Bereiche schützen, in denen es abgerieben wurde.

Die Methoden von ChampionX basieren auf wissenschaftlichen Erklärungen, die es seit langem gibt, wie chemische Reaktionen einen elektrischen Strom erzeugen und zu Korrosion führen können, sowie auf jüngsten Fortschritten in der Materialwissenschaft, die zur Schaffung einer robusten Beschichtung verwendet wurden, die fest am Stab haftet.

Anodische Schutzmethoden begrenzen die Korrosion, indem sie eine Beschichtung aus einem Metall hinzufügen, das geopfert wird, um die Stahlstangen vor Korrosion zu schützen.

Ohne Schutz interagiert die saure Umgebung in einem Bohrloch – die Testflüssigkeit von ChampionX enthielt Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) – direkt mit dem Stahlstab. Elektronen aus dem Stahl wandern durch die Bohrflüssigkeit, wodurch der Stahl schnell korrodiert.

Es funktioniert im Grunde wie eine Batterie. „Das Eisen ist sowohl Anode als auch Kathode, und die Flüssigkeit, die H2S und CO2 enthält, fungiert als Elektrolyt. Die komplizierten Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten führen aufgrund des Elektronenverlusts auf der Stahloberfläche zu einer Oxidationsreaktion, die zu Lochfraß und mehr führt.“ Wenn es unbehandelt bleibt, kann es zu erheblichen Schäden kommen“, sagte Angela Sultanian, leitende Materialingenieurin bei ChampionX.

Die Beschichtung schließt diesen Prozess kurz, indem sie ein Metall hinzufügt, dessen Ladung im Verhältnis zum Eisen es zur Anode macht, während seine Elektronen zum Stahl fließen, wodurch diese zerstörerische Reaktion unterbrochen wird. Dieser Schutz bleibt auch dann bestehen, wenn ein Teil der Eloxalschicht abgerieben oder zerkratzt wurde, da er nicht auf die Schaffung einer physischen Barriere angewiesen ist.

Dennoch arbeitete ChampionX daran, diese Lücken zu minimieren, indem es eine Methode entwickelte, um die anodische Beschichtung mithilfe einer kontinuierlichen Auftragungsmethode fest mit der flexiblen Oberfläche der Rohrwendel zu verbinden, wodurch die Kosten für das Aufbringen der Beschichtung auf Tausende Fuß von Stangen gesenkt wurden.

Dieser Schutz hält nicht ewig. Sie wird durch das Volumen des Metalls in der anodischen Schutzschicht begrenzt. Die Technik der Stangenbeschichtung erfordert ein Gleichgewicht zwischen der Notwendigkeit, die Lebensdauer der Stangen zu maximieren, die letztendlich durch Metallermüdung begrenzt wird, und dem Preis, den Käufer bereit sind, für ein Ölfeld-Rohstoffprodukt zu zahlen.

Obwohl von der US-Luftfahrt- und Raumfahrtbehörde NASA ultrahochleistungsfähige Schutzbeschichtungen entwickelt wurden, kosten sie mehr, als irgendjemand für den Schutz eines Saugrohrs zu zahlen bereit ist, sagte Dunn.

ChampionX testete seine Beschichtung, indem es einen 2.620 Fuß langen Stab in ein Bohrloch einführte, in dem die Flüssigkeit ätzend war (2,3 % H2S und 15,7 % CO2). Die oberen 820 Fuß des Stahlstabs (AISI 4120M) waren unbeschichtet, während die unteren 1.800 Fuß mit einer anodischen Beschichtung versehen waren.

Nach 22 Wochen zogen sie die Saugstange ab und stellten an der unbehandelten Stelle Korrosionsschäden mit Lochfraß und punktuellen Durchmesserverringerungen von bis zu 5 % fest. Das Papier meldete „keinen nennenswerten Verschleiß“ im beschichteten unteren Bereich.

Nach 38 Wochen brach der unbeschichtete Abschnitt der Saite an einer Stelle einige Fuß unter der Erdoberfläche, wo es zu „erheblichen Korrosionsschäden“ kam, schrieben die Autoren der Studie.

Sie ersetzten den unbeschichteten Abschnitt und verlegten ihn in den unteren Teil der Stange unterhalb des beschichteten Abschnitts. Seitdem lief die Kombination 158 Wochen lang ohne Zwischenfälle, was laut Sultanian eine „dramatische Verlängerung der Laufzeit“ darstellt.

Der Test entspricht dem Muster längerer Laufzeiten für durchgehende Stäbe mit Korrosionsschutz. Vergleiche sind jedoch schwierig, da die Laufzeit von Sauggestängen stark schwankt und unter anderem von der Chemie des Bohrlochs, den Gestängespezifikationen, der Qualität des Bohrlochs und der Wartung des Pumpsystems abhängt.

Hersteller von Endlosstäben investieren in Beschichtungen, da sie davon ausgehen, dass in Zukunft ein größerer Schutz erforderlich sein wird, sagte Perri.

Die härteste Konkurrenz für die Unternehmen, die Endlosstangen verkaufen, sind herkömmliche Saugstangen.

Gewickelte Ruten werden in Kanada, wo sie geboren wurden, häufig verwendet und haben sich bis in den Oman, Kolumbien und einige andere kleinere Ölförderländer ausgebreitet. In den USA ist die Nachfrage nach kontinuierlichen Geräten in Kalifornien relativ stark, und es gibt Benutzer in North Dakota, Texas, New Mexico und Colorado, darunter einige Test- oder potenzielle Kunden, sagte Dunn.

Die Gründe für die langsame Verbreitung in den USA reichen von einem Mangel an Ausrüstung und Personal für den kontinuierlichen Rutenbetrieb – der immer besser wird – bis hin zur zeitaufwändigen Aufgabe, Nutzer von Saugruten davon zu überzeugen, dass es eine bessere Saugruten gibt.

Veränderungen erfordern die Berücksichtigung der Kompromisse, sagte Dunn.

Einerseits werden durch den Wegfall der Verbindungen die zylindrischen Manschetten entfernt, die von der Stange abstehen. Diese 4 Zoll langen Anschlüsse erzeugen alle 25 Fuß einen Kontaktpunkt, der sich beim Drehen oder Schwingen des Schlauchs abnutzen kann. Dunn sagte, dass den verbundenen Saugstangen häufig Führungen hinzugefügt werden, um den Kontakt gleichmäßiger zu verteilen. Dies führt jedoch zu Strömungseinschränkungen und Turbulenzen im Rohr und erhöht die Kosten.

Auch ein durchgehender Stab kann mit dem Rohr in Kontakt kommen, aber durch die gleichmäßige Oberfläche wird die Kraft breiter verteilt als bei einem Kragen. In Bohrlöchern, in denen Wachs produziert wird, sei der durchgehende Stab jedoch im Nachteil, da keine Verbindungen oder Führungen vorhanden seien, die dazu dienen würden, Wachsansammlungen im Schlauch zu verhindern, sagte er.

Es ist nicht so, dass die Probleme, die mit den Hunderten von Anschlüssen verbunden sind, die für einen durchschnittlichen Brunnen im Perm erforderlich sind, unbekannt wären. Ein auf der Aufzugskonferenz vorgestelltes Papier von Occidental Petroleum bot eine detaillierte Analyse der hohen Ausfallrate bei einem Betrieb mit Glasfaser-Saugstangen.

Basierend auf der Analyse und dem Feedback von Fachleuten waren die Verbindungselemente das schwache Glied, das einen hohen Prozentsatz der Rutenbrüche verursachte. Occidental reagierte mit Änderungen, einschließlich eines Programms, um sicherzustellen, dass die Verbindungen ordnungsgemäß hergestellt wurden (SPE 209731).

Dunn räumte ein, dass die Liebe zum Detail die Ausfallrate erheblich reduzieren könne, der Einsatz einer durchgehenden Stange jedoch die Ursache des Problems vollständig beseitigen würde.

Der Verkauf von kontinuierlichen Pumpgestängen im Perm erfordert eine Anpassung des Produkts an die enorme Größe der Pumpeinheiten und die Tiefe der produktiven Bohrlöcher. Um dies zu erreichen, so Dunn, „wird eine Anpassung an die tiefen, hochbelasteten Bohrlöcher und die mit ihren Bohrlochprofilen verbundene Gewundenheit erforderlich sein, die gegenüber der derzeitigen Basis kontinuierlicher Stangenanwendungen eine Steigerung des Schwierigkeitsgrads darstellen.“

Um den Wert kontinuierlicher Saugstangen zu beweisen, muss man potenzielle Kunden davon überzeugen, dass sie tatsächlich viel länger halten, „was bedeutet, dass der Testprozess Zeit braucht“, sagte Dunn.

Zur weiteren Lektüre

SPE 209751 Anodischer Spiralstab mildert Korrosionsschäden in Bohrlöchern unter aggressiven CO2- und H2S-Bedingungen von Alexander Claudio Perri und Angela Sultanian, ChampionX.

SPE 209731 Kosteneffizienz des Fiberglas-Saugstabs: Eine Fallstudie aus dem Perm-Becken von Melanie Brewer und Chaohui Su, Occidental; Steve Gault, Occidental (im Ruhestand)