CC BY
32УДК 622.244.4.06
А.Я. соловьев, ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет
БУРОВЫЕ СМАЗОЧНЫЕ ДОБАВКИ -МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ
В статье приведены уникальные материалы, касающиеся достоверности испытаний буровых лубрикантов. В частности, показано, что пренебрежение шероховатостью контактных поверхностей в процессе трения и зазором в их сопряжении способно приводить к грубым ошибкам в определяемых показателях смазочной способности промывочной жидкости, а вследствие этого выбору лубрикантов, неэффективных в условиях скважины. В связи с этим предлагаются пути повышения надежности экспериментальной оценки триботехнических свойств буровых растворов, а также иллюстрируются возможности нового поколения лубрикантов, способных комплексно улучшать смазочную способность обрабатываемых растворов в любых условиях работы.
Предпосылками к написанию данной статьи послужили публикации, в которых производители смазочных добавок дают информацию, касающуюся эффективности работы своих продуктов. Так, например, авторы [1] приводят экспериментальные данные, подтверждающие факт снижения динамического коэффициента трения полимерглинистого бурового раствора при его обработке 0,2% смазочной добавки в 40 раз, причем указанный эффект сохраняется в достаточно широком диапазоне удельных нагрузок, реализуемых во фрикционном контакте сталь-сталь. Заявляемые коэффициенты трения абразивного бурового раствора в присутствии смазочной добавки составили
0,005-0,03, что практически соответствует их значениям,реализуемым в подшипниках скольжения, работающих в среде масел и СОЖ.
Предмет обсуждения данной статьи возник при сопоставлении результатов, получаемых непосредственно на скважинах, с результатами лабораторного тестирования растворов, используемых на тех же скважинах. В противоположность указанным выше показателям эффективности смазочных добавок реальное снижение крутящего момента при вращении бурильной колонны в скважине, вызванное введением лубрикантов в буровой раствор, не превышает 40% при среднем значении данного показателя
20%. Это заставило нас усомниться в достоверности результатов лабораторных исследований и выполнить анализ их методик на предмет выявления причин указанных несоответствий. Определение динамического коэффициента трения в лабораторных условиях производится по API [2] при помощи тестера смазочных свойств - Lubricity Tester, например модели FANN M-212. Тестер оснащается стандартной парой трения, состоящей из блока и кольца, материал которых - закаленная сталь имеет твердость, специально подобранную для моделирования условий трения замков бурильных труб по стенке обсадных труб. Стандартизация пары трения осуществляется путем ее приработки на двух видах абразива, тариро-вочных испытаний в воде и вычисления на основе результатов этих испытаний поправочного коэффициента, который должен учитывать изменение кристаллографической структуры стали, влияющее на соотношение микротвердостей контактных поверхностей. Основанием для перекалибровки, притирки или замены пары трения в рамках стандартной методики служит выход показаний прибора при тарировке за границы допустимой зоны, лежащей в пределах 18-37 делений, а также нарушение контактных поверхностей в результате царапания при испытании в среде абразивного бурового раствора, определяемое ви-
зуально. Кроме того, нормируется положение и площадь контактного пятна, которое должно находиться по центру рабочей поверхности блока или иметь небольшое смещение к его передней части, а площадь пятна должна составлять не менее 60% от площади рабочей поверхности блока.
Многолетняя практика работы автора на данном приборе показала существование взаимосвязи определяемого на нем коэффициента динамического трения с факторами, не учитываемыми стандартной методикой, а именно: шероховатостью и геометрией контактных поверхностей. Формирование особенностей геометрии контактных поверхностей поясняется рис. 1.
В идеализированном варианте схема взаимодействия замков бурильных труб, моделируемых кольцом 1, с обсадной колонной, моделируемой блоком 2, сводится к скольжению цилиндрической боковой поверхности кольца по радиальной выработке на блоке при совпадении их радиусов, как показано на рис. 1(а). При этом контакт происходит по всей поверхности выработки, что на практике соответствует приработке пары трения на абразиве, являющейся одной из составляющих ее стандартизации. Приработка выполняется при определенном усилии прижатия N создаваемом посредством нагрузочного плеча длиной L, вращающегося на оси, закрепленной в
Рис. 1. Схема взаимодействия тела с контртелом, реализуемая при трении на приборе Lubricity Tester FANN M-212
корпусе прибора 3 на подшипнике скольжения. На ось при помощи динамометрического ключа передается нагружающий момент Мн регламентируемой величины, что приводит к появлению силы трения Fтр, равнодействующая которой направлена вдоль плеча от блока к оси, а также реакции опоры, возникающей на подшипниках приводного вала кольца и направленной в противоположном направлении. Коэффициент трения определяется данным прибором на основе момента трения Мт, регистрируемого индукционным датчиком на приводном валу, величина которого при постоянных скорости скольжения и усилии прижатия, как предполагается в рамках данного варианта схемы взаимодействия, зависит только от свойств граничных слоев смазочных материалов на контактных поверхностях.
Однако в реальности все элементы систем нагружения и измерения имеют конечную жесткость, что приводит к смещению осей приводного вала и нагрузочного плеча относительно корпуса прибора. Указанные деформации существуют во всех случаях, когда в системе появляется сила трения, но значение для измеряемого момента трения имеют только изменения этих деформаций относительно их величин, действующих в процессе приработки пары, чем в рамках стандартной методики измерений пренебрегают. Формальным основанием для этого является малость деформаций по абсолютному значению, что необоснованно истолковывается в пользу столь же малой относительной погрешности измерений прибора. Поскольку
относительные изменения деформаций находятся в пределах нескольких десятков процентов от их абсолютной величины при стандартизации, тезис о независимости от них результатов измерений автоматически распространяется на весь диапазон реализуемых прибором моментов трения,что, как показано нашими исследованиями, неправомерно.
На рис. 1(б) представлена реалистичная схема работы пары трения с учетом относительных деформаций Д1а и Д12, возникающих вследствие отклонения моментов трения при испытании промывочных жидкостей от значения этого параметра, действующего при формировании первоначальной контактной поверхности блока в процессе притирки. Главным следствием указанного отклонения моментов, как показано на схеме, является изменение характера взаимодействия блока с кольцом, выраженное в появлении пятна интенсивного контакта, смещенного либо к передней (которая первой взаимодействует с поверхностью кольца, выходящей из среды промывочной жидкости), если текущий момент больше чем при стандартизации, либо к задней стенке блока, если текущий момент меньше. Соответственно на противоположной пятну интенсивного контакта части поверхности блока образуется зона разгрузки, где износ практически отсутствует, тогда как в области пятна износ, наоборот, максимален. По сути, появление пятна означает перераспределение удельной нагрузки в зоне контакта с выделением характерного колоколообразного
пика с несимметричными крыльями, в противоположность относительно равномерному параболическому ее распределению, имеющемуся на момент конца приработки пары трения. Такое перераспределение удельной нагрузки с позиций формальной логики должно приводить к ужесточению условий трения и соответственно некоторому завышению его коэффициента в сравнении с идеализированной схемой взаимодействия, что, в принципе, позволяет считать условия испытания адекватными задачам последующего инженерного расчета бурильных и обсадных колонн, выполняемого «в запас». Однако при ближайшем рассмотрении, с учетом особенностей образования граничных смазочных слоев, такой подход выглядит весьма сомнительным.
В частности, локализация удельной нагрузки приводит к интенсификации износа в зоне пятна и искажению контактной поверхности блока за счет образования характерных желобообразных выработок, показанных на рис. 1(г). С учетом функционального назначения прибора - определения эффективности лубрикантов, а также принятой методологии соответствующих испытаний, предусматривающей поочередное испытание сначала базового раствора, а затем раствора, обработанного смазочной добавкой, выработки образуются как в передней, так и в задней части контактной поверхности блока. Как правило, при испытании базового раствора момент трения и износ максимальны, что приводит к смещению центра окружности кольца из точки О1, в
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ бурение \\ 21
Рис. 2. Результаты оценки смазочной способности 20% суспензии куганакского глинопорошка
до (БАЗА) и после (ЛУБРИОЛ) обработки 0,5% лубриканта, полученные при различных состояниях пары трения
которой он находился при стандартизации, в точку О2, тогда как после обработки лубрикантом коэффициент трения и износ снижаются в 3-5 раз, вызывая смещение центра окружности кольца в точку О3. Поскольку испытание на каждом растворе ведется до стабилизации показаний прибора, что по времени соответствует 5-15 минутам трения только при одном значении усилия прижатия, кольцо успевает истереть поверхность блока сформировать образующую, характер которой демонстрируется кривой 4 на рис. 1(г). Действительные отклонения формы данной кривой от идеальной дуги окружности гораздо меньше, так как вследствие высокой износостойкости материалов пары трения, толщина, сработанного за время одного опыта слоя металла, не превышает нескольких микрометров. Поэтому внешне рабочая поверхность блока выглядит гладкой, а истинную ее форму чрезвычайно сложно установить посредством прямых измерений геометрии блока. Это является основной причиной того, что отклонениями образующей рабочей поверхности блока от идеальной дуги пренебрегают, считая условия испытаний идентичными, если отсутствуют визуально определяемые выработки и задиры. Однако при наличии в составе испытываемой промывочной жидкости глобул смазочного вещества, диспергированного до микронных размеров, именно указанные отклонения, считаемые несущественными, приоб-
ретают главенствующее значение. Это связано со способностью мелких глобул вязко-упругого вещества при попадании в клиновидные щелевые зазоры создавать жидкостной разделительный слой, способный нести значительную нагрузку. Под действием вращения в зазоре создается расклинивающий эффект, следствием которого является своеобразное «всплытие» кольца над поверхностью блока с переходом в режим гидродинамического трения. Если щель имеет слишком большую раскры-тость, соответствующую максимальной величине зазора свыше 0,1 мм, или, наоборот, слишком малую, когда глобулы смазки не могут пройти в зазор даже в его наиболее широкой части, расклинивающий эффект не проявляется, и пара работает в свойственном ей режиме граничного трения. Переход от режима граничного трения к гидродинамическому сопровождается скачкообразным снижением коэффициента трения в 10-40 раз, поэтому производители лу-брикантов делают упор на расклинивающем эффекте, который, однако, в свете вышеизложенного является не более чем спекуляцией на конструктивных особенностях тестера смазочных свойств. В скважине, где типичное отношение диаметра скважины к диаметру замка бурильной трубы составляет 0,65, раскрытость щели много больше той, при которой обеспечивает расклинивающий эффект, из-за чего практическая реализация гидродинамического
трения невозможна, несмотря на результаты лабораторных исследований, свидетельствующие об обратном.
Все перечисленное в полной мере относится к таким известным импортным лубрикантам, как LUBRIOL и LUBRICANT F/458, а также отечественной смазочной добавке БИОЛУБ LWL, доля которых в общем объеме буровых лубрикантов, потребляемых отечественными подрядчиками, составляет порядка 40%. Исследования, проведенные нами в отношении влияния состояния поверхности блока на результаты оценки смазочной способности буровых растворов, обработанных данными реагентами, однозначно показали на наличие взаимосвязи между состоянием пары трения и результатами, получаемыми на Lubricity Tester. В случае ЛУБРИОЛа, данные, подтверждающие данное положение, представлены на рис. 2. Данные, имеющиеся на рисунке, были получены в лаборатории ООО «АНЕГА-бурение» в ходе независимых испытаний разработанных автором адаптивных лубрикантов, в которых ЛУБРИОЛ использовался в качестве базы сравнения. Пара трения, установленная на Lubricity Tester, имеющийся в лаборатории промывочных жидкостей этой организации, к моменту проведения испытаний наработала порядка 5 часов, что соответствует проверке около 12 образцов раствора, и имела следы износа на рабочей поверхности блока в виде отчетливо различимого пятна
контакта, занимающего 75% ее площади. Подготовка пары включала следующий перечень работ: 1) зачистку рабочих поверхностей блока и кольца шкуркой нулевого размера с последующей их промывкой смесью спирта, толуола и ацетона, а затем просушкой; 2) тарировку пары по воде, которая выполнялась в стандартном режиме до стабилизации показаний прибора. После завершения подготовительных работ был испытан базовый раствор в диапазоне удельных нагрузок от 0,7 до 3,5 МПа, что иллюстрируется кривой «БАЗА на неравномерно изношенном блоке» на рис. 2. Сразу за этим был испытан образец того же раствора, предварительно обработанный 0,5% (об.) ЛУБРИОЛа, в ходе тестирования которого наблюдалось резкое снижение момента трения практически до нижнего предела чувствительности прибора, что иллюстрируется кривой «ЛУБРИОЛ на неравномерно изношенном блоке» на том же рисунке. В связи с появлением аномально низкого коэффициента трения, составляющего 0,022 при стандартном режиме испытаний, возникли сомнения в достоверности результатов измерений. По рекомендации автора для разрешения возникших вопросов пара трения была подвергнута нормализации посредством длительной притирке в среде чистой воды,выполнявшейся в стандартном режиме испытаний. В результате площадь пятна контакта возросла до 83% рабочей поверхности блока, а его поверхность зашлифова-лась до зеркального блеска. Повторные испытания базового раствора (кривая
«БАЗА на блоке, нормализованном путем притирки в воде»), а также образца с ЛУБРИОЛом, проведенные непосредственно после нормализации, показали существенное изменение результатов, касающееся в основном работы лубри-канта и выраженное в значительном росте коэффициента трения,особенно в области высоких удельных нагрузок, что демонстрируется кривой «ЛУБРИОЛ на блоке, нормализованном путем притирки в воде». Поскольку, таким образом, выявилась существенная динамика коэффициента трения в зависимости от изменения условий сопряжения взаимодействующих тел, приработка пары была продолжена, но уже с использованием базового раствора, так как он содержит значительное количество песка и лучше изнашивает контактные поверхности. С учетом вышеизложенной теории образования щелевых зазоров, приработка по рекомендации автора выполнялась при постоянном усилии прижатия, составляющем 445 Н, что позволило избежать ступенчатого изменения момента трения и сформировать образующую рабочей поверхности блока максимально близкую к дуге окружности. Визуальный осмотр блока после его притирки в растворе показал увеличение площади пятна контакта до 95% рабочей поверхности блока, которая отличалась от предыдущего случая притирки в воде характерной матовостью. Как позволяет заключить анализ кривой «ЛУБРИОЛ на блоке, нормализованном путем притирки в растворе», данный вид приработки весьма эффективно выполнил задачу
устранения щелевых зазоров и привел к устойчивому возрастанию коэффициента трения в присутствии лубриканта в растворе с 0,022 до 0,32, т.е. в 15 раз, причем во всем исследуемом диапазоне нагрузок.
Для окончательной проверки гипотезы
о влиянии состояния поверхности блока на результаты испытаний лубрикантов пара трения была заменена на новую, и выполнен весь цикл ее стандартизации, включая приработку на корундовой абразивной пасте с известной шероховатостью получаемой поверхности Rz=9. Тарировка пары трения по воде не выполнялась во избежание полировки контактных поверхностей. Вместо этого использовали притирку в базовом растворе при постоянном усилии прижатия 445 Н. Результаты испытаний базового раствора и того же раствора, обработанного ЛУБРИОЛом, оставшихся от предыдущих испытаний, на новой паре трения показаны на рис. 2 кривыми «БАЗА после приработки на абразиве» и «ЛУБРИОЛ после приработки на абразиве» соответственно. Анализ указанных кривых показывает, что в беззазорных условиях сопряжения тела с контртелом средний показатель смазочного действия ЛУБРИОЛа LP=3,02%, тогда как при наличии зазоров значение этого показателя достигало 90,1%. Таким образом, результаты оценки эффективности этого лубриканта отличаются в 30 раз. Аналогичным образом изменяются измеряемые показатели смазочной способности образцов базовой глинистой суспензии, обработанной синтетическим лубрикантом F/458, результаты
Рис. 3. Результаты оценки смазочной способности 20% суспензии куганакского глинопорошка
до (БАЗА) и после (F/458) обработки 0,5% лубриканта, полученные при различных состояниях пары трения
испытаний которых,полученные в лаборатории ООО «ТЕКСОЙЛ», приведены на рис. 3.
Обработка данных, представленных на рис. 3, дает значения показателя смазочной способности F/458 равные 21,7% и 92,1% для приработанного на абразиве и неравномерно изношенного блоков соответственно. Как следует из приведенных цифр, результаты испытаний в этом случае отличаются в 4,3 раза, что в сопоставлении с ЛУБРИОЛом характеризует F/458 как лубрикант с более стабильной работой.
Сходные результаты, полученные при испытании двух различных лубрикантов на разных приборах в двух независимых лабораториях, хорошо воспроизводимые при замене пары трения на новую, позволяют говорить о существовании устойчивой закономерности в изменении коэффициента трения, достаточно хорошо объясняемой авторской теорией, основанной на расклинивающем эффекте. Ввиду наличия объективных препятствий для проявления данного эффекта в условиях скважины, результаты, полученные на Lubricity Tester c неравномерно изношенной рабочей поверхностью блока, искажают реальную картину работы бурильных колонн, так как возможное занижение прогнозируемого коэффициента трения составляет от 4 до 30 раз. Поэтому необходимы однозначные критерии, позволяющие оценить адекватность лабораторных испытаний лубрикантов.
Сопоставительный анализ динамики коэффициента трения при изменении удельной нагрузки (рис. 2-3) показывает, что при наличии узких щелевых зазоров между блоком и кольцом зависимость, соответствующая базовому раствору, приобретает характерный S-образный вид. В противоположность ему, зависимости, полученные для базового раствора при беззазорном сопряжении блока с кольцом, хорошо описываются квадратичным полиномом, т.е. имеют вид параболы. При этом, за исключением изменения формы, эти зависимости весьма близки друг к другу по абсолютным значениям, т.е. при измерении только при одном стандартном значении удельной нагрузки установить факт нарушения поверхности блока невозможно. Этот вывод крайне важен, так как основным способом проверки текущего состояния пары трения в большинстве специализированных лабораторий является замер момента трения на каком-либо тарировочном растворе при некотором фиксированном значении удельной нагрузки. Факт совпадения получаемого при этом момента трения с моментом, фиксируемым в предыдущих сериях опытов, истолковывается как эквивалентность текущего и предшествующего состояния пары трения, что как следует из вышеизложенного совершенно не так. Основываясь же на мнимом постоянстве свойств пары трения, исполнители работ в стремлении продлить ее ресурс принимают решение
об отсутствии необходимости в очередной стандартизации даже тогда, когда искажение рабочей поверхности блока определяется визуально, как, например, в случае, показанном на рис. 4.
Данная практика приводит к тому, что пары трения работают без стандартизации годами, так как их состояние, на уровне принятых в методике API [2] формальных критериев его оценки (наличие царапин на рабочей поверхности, глубина износа, результат тарировки по воде или другой тарировочной жидкости, площадь и расположение пятна контакта), идентифицируется как нормальное. Таким образом, в базу данных изобретений попадают практически малоэффективные лубриканты, но зато с такими показателями лабораторного тестирования, превзойти которые технически невозможно, так как коэффициенту трения 0,022 соответствуют 2,5 деления на шкале измерения момента тестера смазочных свойств, т.е. меньшая величина находится на уровне ошибки измерения этого прибора. Появление на рынке подобных лубрикантов, со временем обрастающих актами о положительных промысловых испытаниях, заставляет остальных производителей аналогичных реагентов воспроизводить некорректную методику измерений и форсировать расклинивающий эффект, изменяя компонентный состав своей продукции. Причем делается это просто потому, что говорить сегодня о снижении лубрикантом коэффициента трения в
на правах рекламы
Рис. 4. Состояние рабочих поверхностей блоков, используемых в составе пар трения на приборе Lubricity Tester FANN M-212
2,5 раза, что вполне реально для граничного режима трения, на фоне рекламы других реагентов, обещающих это снижение в 20-40 раз, просто несерьезно. Факт того, что ни один из производителей якобы столь эффективных лубрикантов не подтвердил заявляемых в рекламе данных промысловыми испытаниями, в актах которых сплошь встречаются либо размытые формулировки, либо реальные данные, говорящие именно о 1,5-2,5 кратном снижении крутящих моментов на роторе, как правило, замалчивается. Поэтому лаборатории промывочных жидкостей НИПИ и отделов бурения буровых организаций находятся сейчас в сложном положении, так как вынуждены выбирать между несколькими лубрикан-тами, которые на уровне лаборатории демонстрируют возможность уменьшения коэффициента трения, один в 20, а другой в 40 раз, хотя заранее известно,
что на практике будет другой, причем плохо предсказуемый результат. В этой ситуации выбор определяется чаще всего стоимостью, поэтому вместо Р/458, продаваемого по цене 125 тыс.руб/т, покупают ЛУБРИОЛ, который вчетверо дешевле, несмотря на то, что при корректной методике измерений эффективность последнего, как показано нами выше, составляет 3% против 21% для Р/458, т.е. в 7 раз ниже.
Очевидный выход из данной ситуации -использовать корректную методику испытаний сталкивается с серьезной проблемой, состоящей в том, что стандартом АР1 [2] четко регламентированы признаки отбраковки пары трения, в соответствии с которыми блок на рис. 4(а), обеспечивающий требуемое беззазорное сопряжение частей пары трения, как раз должен быть выбракован по расплывчатому требованию «отсут-
ствия значительного количества царапин на рабочей поверхности». При этом блок на рис. 4(б), носящий явные следы выработки, наоборот, как нельзя лучше подходит под определение нормального, так как не имеет царапин, значительного износа, и присутствует пятно контакта площадью более 60% рабочей поверхности блока, смещенное к его передней стенке. Поскольку вопросы, что считать царапиной, какое их количество можно принять за значительное, почему площадь пятна контакта должна быть свыше 60%, а не 90% площади рабочей поверхности блока, не получили должного освещения в данном стандарте, с формальной точки зрения, использование изношенного блока правомерно, а лаборатории, использующие такие блоки, получают адекватные результаты испытаний. В условиях, когда отечественные ГОСТы на определение смазочной способности буровых рас-
Производит и реализует
запчасти
К буровому iff*»**
оборудованию — 1'-"'
462431, Россия, Оренбургская обл*, г. Орск, ул. Крупской, 1, Тел./факс: (3537) 34-80-53,34-80-55. E-mail: [email protected]. Http://www.ormash.ru.
Рис. 5. Результаты оценки смазочной способности полимерглинистого раствора (а) и того же раствора, обработанного 2% абразива (б), до (БАЗА) и после (АСОЛ-П, ЛУБРИОЛ) введения 0,5% лубриканта
творов отсутствуют, так как отсутствуют и соответствующие отечественные приборы, лаборатории сертифицируются по стандартам API и соответственно не могут противоречить этим стандартам. Инициирование пересмотра стандартов Американского Института Нефти отечественными буровыми подрядчиками и проектными институтами невозможно, поэтому необходима разработка отечественного ГОСТа на соответствующие процедуры испытаний, учитывающего состояние пары трения. Пока же такого нормативного документа нет, наиболее оправданным является использование методик испытания смазочной способности бурового раствора, по крайней мере, моделирующих шероховатость поверхностей, находящихся во фрикционном контакте. Используя закономерности теории гидродинамического трения, полученные для подшипников скольжения [3], и проводя аналогию между подшипниками скольжения и парой трения, применяемой в приборе Lubricity Tester, приходим к выводу, что неравномерный износ блока приводит к увеличению диаметрального зазора - Д, эксцентричности - X и, в конечном счете, влияет на минимальную толщину смазочного слоя - h. Известность величины h позволяет сформулировать условие перехода от гидродинамического режима трения к граничному h~Ra, где Ra - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности трения. Таким об-
разом, при любой геометрии пары трения, работающей в гидродинамическом режиме, всегда можно подобрать шероховатость, при которой преобладающим становится режим граничного трения. Применительно к бурению скважин не имеет смысл подбирать эту критическую шероховатость, так как текущее ее значение определяется размером зерна и абразивностью разбуриваемых пород и может быть достоверно воспроизведено добавкой шлама в исследуемый буровой раствор. Таким образом, достаточно испытать лубрикант при произвольном состоянии пары трения, но в среде за-шламленного раствора, чтобы получить оценку вероятности возникновения гидродинамического трения в условиях скважины.
Соответствующие эксперименты были проведены нами на высококачественном полимерглинистом растворе, используемым фирмой «БУРИНТЕХ», который отличает использование небольших количеств безабразивного бентонитового глинопорошка класса «Medium», соответствующего зарубежным стандартам, и импортного полиэфирного понизителя фильтрации. Как результат - достигается достаточно высокая естественная смазочная способность этого раствора, что увеличивает вероятность обеспечения гидродинамического режима трения в присутствии лубрикантов. С той же целью создания предпосылок к возникновению расклинивающего эффекта
при испытаниях смазочной способности этого раствора использовалась неравномерно изношенная пара трения, состояние которой соответствовало рис. 4(б). В качестве лубриканта в данной серии опытов был выбран ЛУБРИОЛ, так как предшествующие исследования показали его предрасположенность к потере эффективности под влиянием изменения условий сопряжения пары трения. Альтернативой ЛУБРИОЛу послужил разработанный автором адаптивный синтетический олеофильный лубрикант АСОЛ-П, устойчиво работающий в условиях абразивных сред за счет образования наночастиц [4]. Абразивом послужил промытый спирто-толуольной смесью не окатанный кварцевый песок фракции 0,08-0,16 мм, который вводился в раствор в количестве 2% (масс.), чем моделировалось бурение песчаника. Поверхность пары трения после работы в среде раствора, содержащего данный абразив, становилась матовой из-за наличия микроцарапин хорошо различимых при увеличении в 2-5 раз, тогда как при использовании безабра-зивного варианта данного раствора она сильно блестела. Таким образом, становилась очевидной разница в шероховатости поверхности пары трения, которая, как можно видеть на рис. 5, серьезно сказалась на результатах оценки эффективности лубрикантов.
Особо стоит отметить, что аналогично результатам, полученным на пресной
Рис. 6. Результаты оценки смазочной способности 20% суспензии куганакского глинопорошка
до (БАЗА) и после (АСОЛ-П, Р/458) обработки 0,5% лубриканта, полученные на приработанной паре трения
глинистой суспензии (рис. 2-3) при оценке влияния зазоров в паре трения на результаты испытания смазочной способности, шероховатость контактных поверхностей также мало повлияла на базовый раствор, зато глобально сказалась на работе лубрикантов. Это еще раз доказывает, что текущее состояние пары трения невозможно оценить по результатам испытаний в тарировоч-ной жидкости. В целом полученные результаты подтвердили возможность перехода от гидродинамического трения к граничному только под действием шлама, содержащегося в буровом растворе, даже при условии сопряжения пары трения с щелевым зазором, что доказывается соответствующим увеличением коэффициента трения образца раствора, обработанного ЛУБРИОЛом, в 16 раз. В отличие от ЛУБРИОЛа, АСОЛ-П продемонстрировал большую устойчивость к действию абразива, повлекшего увеличение коэффициента трения всего в 1,4 раза. Сопоставление рис. 5 (а) и (б) наглядно демонстрирует, что результаты оценки эффективности сопоставляемых лубрикантов в условиях абразивной и малообразивной сред прямо противоположны. Поэтому необходимо учитывать шероховатость контактных поверхностей при трении, либо моделируя ее добавками шлама в испытываемый раствор, либо воспроизводя ее до опытов с лубрикантом путем приработки на соответствующей пасте.
С учетом шероховатости для использования в полимерглинистом растворе предпочтителен АСОЛ-П, который в концентрации 0,5% (об.) дает средний показатель смазочной способности 80,3% и 64,1% для малоабразивного и абразивного вариантов раствора соответственно.
Формирование наночастиц на контактных поверхностях, по-видимому, должно делать АСОЛ-П некритичным к величине зазора в сопряжении пары трения, поэтому была выполнена проверка его эффективности в условиях, соответствующих рис. 4(а). При этом использовалась та же глинистая суспензия, которая служила основой при проверках ЛУБРИОЛа и F/458, результаты которой показаны на рис. 2-3. Проверялись четыре образца АСОЛ-П, отличающиеся концентрацией антифрикционной присадки, которая увеличивалась от №1 к №4. Как следует из данных испытаний, представленных на рис. 6, концентрация присадки, изменяющаяся в 3 раза при переходе от
1 первого образца к четвертому, незначительно меняет показатель смазочной способности. При этом более стабильной работой характеризуется образец №2, превосходящий F/458 по этому показателю в 3 раза - 66,7% у АСОЛ-П против 21,6% у Р/458.
Таким образом, АСОЛ-П сохраняет эффективность смазочного действия в любых условиях сопряжения пары
трения, а также в присутствии абразива, обеспечивая снижение динамического коэффициента трения в 3-5 раз. Его применением устраняется неоднозначность лабораторной оценки смазочной способности промывочной жидкости, что делает процесс бурения более предсказуемым. В условиях, когда нет утвержденных методик нормализации пар трения и не нормируется абразивность проверяемых растворов, закономерно требовать от лубрикантов эффективности в любых условиях проверки, а в этом разрезе АСОЛ-П может служить основоположником нового поколения комплексных смазочных материалов для бурения скважин.
Продолжение читайте в следующем номере.
Литература:
1. Лушпеева О.А., Лодина И.В., Лосева Н.Т., Вахрушев Л.П. Биолуб-LWL - новая высокоэффективная смазочная добавка. Oil&Gas Eurasia, 2006, №5, с.16-22.
2. RP13I, Standard Procedure for Laboratory Testing Drilling Fluids, fourth edition, API, Washington, D.C. (1990).
3. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Кн. 2. Т66/ Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1979. - 358 с.
4. Соловьев А.Я. Адаптивные смазочные лубриканты - ключ к новым горизонтам в повышении смазочной способности буровых промывочных жидкостей. Территория НЕФТЕГАЗ, 2007, №11, с.14-23.
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ бурение \\ 27
