CC BY
31УДК 622.24.06
А.Р. Яхин, ассистент; Г.В. Конесев, д.т.н., профессор; Ф.Н. Янгиров, к.т.н., доцент; А.М. Фролов, аспирант, кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин», ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»; e-mail: 9406622@mail.ru
исследование износостойкости замков бурильных труб при трении о горную породу в различных средах
одной из причин отказа бурильных колонн при бурении скважин является их износ, при этом наибольшее количество отказов приходится на износ замков бурильных труб. В статье рассматривается влияние различных промывочных жидкостей на износостойкость и коэффициент трения замковой стали 40Хн при трении о керны горных пород на специализированной установке.
Ключевые слова: износ бурильной колонны, пара трения «металл - горная порода», смазочные добавки.
В процессе механического бурения скважины буровой инструмент (БИ) находится в непрерывном или прерывном подвижном контакте с горными породами и, как следствие, постепенно изнашивается. Конфигурация современных сложнопрофильных скважин во многом способствует этому. При этом разрушение БИ происходит преимущественно вследствие поверхностного износа, который в некоторых случаях может сопровождаться усталостным разрушением
[1]. Поверхностный износ, возникающий в результате трения инструмента о горные породы, называют абразивным. В процессе абразивного изнашивания БИ постепенно изменяются формы и размеры деталей. Это происходит в результате съема металла с поверхности изнашивания при взаимодействии с твердыми абразивными частицами горной породы
[2]. Как следствие, одной из причин отказа бурильных колонн (БК) при бурении скважин является износ бурильных труб (рис. 1), интенсивность которого особенно значительна при роторном способе бурения. При этом наибольшее количество отказов БК приходится на износ замков бурильных труб. Поэтому повышение их износостойкости является одним из перспективных путей повышения долговечности бурильных колонн в целом. Важным аспектом для буровой
технологии является снижение затрат энергии на трение БК о горные породы стенок скважины.
Существуют различные пути повышения износостойкости бурового инструмента. Можно идти путем разработки новых износостойких материалов, оптимальных режимов термообработки для уже используемых материалов, применения новых химико-термических методов повышения износостойкости, внедрения в производство новых способов: магнитной обработки, обработки холодом, совершенствования конструкции узла и режима его работы, а также разработки новых улучшенных промывочных жидкостей. В целом работы по повышению износостойкости пар трения проводятся в трех взаимосвязанных направлениях:
• конструкторско-технологическом;
• металловедческом, включающем вопросы о составе, структуре и свойствах материалов;
Рис. 1. Износ бурильных труб
• физико-химическом (создание новых и совершенствование существующих смазочных добавок и материалов). В настоящее время [3] в основном все исследовательские работы по повышению износостойкости БИ тесно связаны с созданием новых материалов, обладающих необходимыми объемными и поверхностными свойствами, созданием смазочных композиций, способствующих формированию износостойких поверхностей трения. Последний путь является наиболее легко реализуемым и требующим минимальных материальных и временных затрат. Расчеты показывают, что доля снижения величины сопротивлений движению инструмента в колонне, обусловленная смазочным эффектом, составляет более 60% [4]. В зависимости от абразивности разбуриваемых пород износ БИ варьирует в широких пределах. Оценка противо-износных свойств промывочной жидкости (ПЖ) должна производиться на участках, наиболее однородных по физико-механическим свойствам горных пород (ГП), с целью получения наиболее достоверных данных о смазывающих способностях добавки. К сожалению, результаты определения абразивной способности пород и других показателей по промысловым данным зависят от большого числа природных и техно-
логических факторов и не поддаются обобщениям. Поэтому основные усилия исследователей направлены на разработку простых и быстрых методов определения противоизносных свойств ПЖ в лабораторных условиях с применением специально подготовленных образцов ГП или керна. Чтобы выяснить основные закономерности изнашивания, достаточно схематизировать условия трения на лабораторном образце, форма и размеры которого значительно упрощены и уменьшены по сравнению с натурными. В настоящей работе приводятся результаты изучения влияния различных добавок в промывочную жидкость на износостойкость замковой стали 40ХН при трении о керны горных пород на установке АИ-3М [5, 6]. Методика проведения опытов на установке АИ-3М и обработки результатов заключается в следующем. Перед проведением опыта устанавливаются необходимые частота вращения (скорость скольжения) образца металла и скорость подачи образца горной породы. Подготовленный к опыту образец металла (диск) взвешивается на аналитических весах (с точностью до 0,0001 г). Затем образец металла закрепляется на шпинделе установки. Образец горной породы устанавливается горизонтально на столе установки и крепится тисочками. Включаются двигатели насосов силового привода и подачи образца горной породы, и с помощью системы нагружения вращающийся диск и горная порода приводятся в контакт (рис. 2).
Рис. 2. Схема взаимодействия пары «диск -горная порода»
В процессе опыта непрерывно записывается на портативном компьютере значение силы трения диска о ГП. Время опыта фиксируется на полученном графике изменения силы трения. С помощью специальных грузов изменяя вертикальную нагрузку диска на горную породу, получаем различную энергетическую загрузку взаимодействующей пары. Более подробно методика и сама установка описаны в работах [5, 6]. Погрешность измерения скорости изнашивания стали и коэффициента трения пары не превышает 1,5%. Поскольку численные значения износа и коэффициента трения существенно зависят от физико-химических условий трения, в опытах использовались реальные образцы (керны) горных пород нефтегазовых месторождений и буровых промывочных жидкостей, а изнашиваемые образцы металла изготавливались из материалов, прошедших соответствующую химико-технологическую обработку.
Скорости скольжения пар трения бурового инструмента в буровой технологии изменяются в широких пределах в зависимости от способа бурения, типа и размеров бурильных труб. Частота вращения бурильной колонны практически изменяется от 60 до 150 об./мин. при роторном способе бурения и доходит до 300 об./мин. при бурении установками с верхним приводом. Исходя из этого, при выполнении экспериментальных исследований нами было принято среднее значение скорости скольжения 0,2 м/с. Поскольку геометрические размеры взаимодействующих образцов в паре трения «диск - ГП» могут изменяться, значения выходных параметров, в частности скорости изнашивания (или энергоемкости изнашивания) и коэффициента трения, находятся в зависимости от удельной нагрузки или интенсивности нагрузки. Расчеты показывают, что применительно к изнашиванию пары трения «замок бурильной трубы - горная порода» интенсивность нагрузки изменяется в пределах от 16 до 160 Н/мм. Установка АИ-3М позволяет достаточно надежно переносить результаты лабораторных испытаний на промысловые условия бурения.
Так как абразивность горных пород является одним из существенных факторов, определяющих долговечность бурового инструмента и уровень проявления противоизносных и смазочных свойств буровых растворов, экспериментальные исследования были проведены при взаимодействии диска стали 40ХН с разны-
а) б)
Рис. 3. Зависимость скорости изнашивания стали 40ХН от интенсивности нагрузки при разрушении различных образцов ГП в водной среде: а) песчаник; б) доломит
а) б) в)
Рис. 4. Снимки рабочей поверхности диска (увеличение х24): а) исходного; б) отработавшего по доломиту; в) отработавшего по песчанику
ми по абразивности образцами горных пород: песчаник № 1 (предел текучести по штампу 470 - Н/мм2, размер зерен - 0,1-0,7 мм), песчаник № 2 (предел текучести по штампу - 390 Н/мм2, размер зерен - 0,1-0,45 мм), доломит № 1 (твердость по штампу - 2000 Н/мм2, размер зерен - 0,15-0,23 мм) и доломит № 2 (твердость по штампу - 1700 Н/мм2, размер зерен - 0,05-0,1 мм). Для характеристики абразивности использованных в опытах пород на рисунке 3 приведены графики зависимости скорости изнашивания стали 40ХН (V) при взаимодействии с образцами песчаника (а) и доломита (б) при промывке водой от интенсивности нагрузки (Ри). Из рисунка 3 видно, что образцы горных пород по абразивной способности значительно отличаются. Связано это, очевидно, с различием механизма изнашивания стали при взаимодействии с песчаником и доломитом. Анализ рабочей поверхности дисков под ми-
кроскопом (рис. 4) показывает, что для поверхности трения диска, отработанного по песчанику, характерно наличие глубоких царапин и намазывание материала породы в борозды,оставляемые зернами песчаника. Происходит срезание высокоабразивными зернами песчаника металла с поверхности диска. У диска, работавшего в контакте с доломитом, поверхность гладкая, неровности примяты, нет резких теней от царапин.
Если для работы диска по доломиту характерно нормальное трение [7], то при работе по песчанику процесс трения может достигать области катастрофических форм изнашивания. Обусловлено это тем, что микротвердость зерен песчаника выше микротвердости рабочей поверхности стального образца, а также тем, что реализация энергии осуществляется через меньшую фактическую площадь контакта, и это приводит к более высокой напряженности работы
стальной поверхности. При этом возможен разогрев поверхности диска до температур высокого отпуска, снижение микротвердости стали, и, как следствие, при прочих равных условиях зерна песчаника внедряются в сталь на большую глубину, облегчается блокирование и пропахивание поверхности диска при проскальзывании и циклическом взаимодействии его с ГП. В подобных условиях, очевидно, среда с лучшей охлаждающей способностью будет повышать износостойкость инструмента. Вода, имея высокую охлаждающую способность, в целом обладает низкими противоизносными и смазочными свойствами. С целью улучшения смазывающих, противоприхватных свойств ПЖ, повышения износостойкости БИ, показателей работы долот в промывочную жидкость вводят различные смазочные добавки (СД).
В качестве промывочной жидкости при проведении экспериментов использовался полимер-глинистый раствор (ПГР) с различными широко применяемыми СД отечественного и зарубежного производства. В таблице 1 представлены основные характеристики исследуемых растворов со СД (указаны их коммерческие названия).
На рисунках 5 и 6 приведены графики зависимости скорости изнашивания замковой стали 40ХН и коэффициента трения от интенсивности нагрузки при взаимодействии диска с песчаником № 2.
Рис. 5. Влияние различных СД на скорость изнашивания замковой стали пары «сталь - песчаник № 2»
Рис. 6. Влияние различных СД на коэффициент трения пары «сталь -песчаник № 2»
Таблица 1. Значения основных параметров исследуемых ПЖ
№ Состав раствора Параметры раствора
р, кг/м3 УВ с 200/100' ПФ, см3/30мин. rv мПа*с т0 , дПа pH 91/10, дПа
1 мин. 10 мин.
1 ПГР № 1: вода + 4% Бентонит + 0,4% ПАЦ НВ + 5% СаС03 1060 21 6 11,2 13 8 11 36
2 № 1+ 1% Д^-303 1030 25 6 12,7 16,8 8 7,2 34,6
3 № 1+ 1% БКР-5 1060 20 8 5 11,5 8 3,36 23
4 № 1+1%Лубриол 1050 28 6 12,2 14,9 8 14,4 46
5 № 1+ 1% Есо1иЬе 1060 26,5 6 11,4 21,6 8 18,7 50,9
6 № 1+ 1% Vertead 1030 27 4 11,2 20,6 8 15,4 45,6
7 № 1+ 1% БКР-7М 1060 21 8 12,3 13 8 6,36 38,5
Таблица 2. Значения основных параметров исследуемых ПЖ
№ Состав раствора Параметры раствора
^ кг/ м3 УВ с 200/100' ПФ, см3/ 30 мин. pH
1 ПГР: вода + 4% Бентонит + 0,4% ПАЦ-НВ + 5% СаС03 1060 21 6 8
2 ББР: вода + 11% СаСОЗ + 0,4% ПАЦ-НВ + 0,2% Ксантановая камедь + 0,1% Бактерицид + 0,1% МаОН 1070 24 7 10
3 ПГЭР: вода + 4% Бентонит + 0,4% ПАЦ-НВ + 5% СаСО3 + 20% масло ВМГЗ 1050 48 6 8
4 ИЭР: Масло ВМГЗ + 30% вода + 0,4% СЭТ + 7% СаСО3 1040 59 7 8
Из приведенных графиков видно, что с ростом удельной нагрузки скорость изнашивания стали увеличивается при всех образцах СД. При этом основные смазочные добавки показали примерно одинаковый результат, существенно не отличающийся от исходного раствора ПГР № 1. Это позволяет сделать вывод об их малоэффективности в процессах изнашивания БК о стенку открытого ствола скважины. Наилучший результат как по скорости изнашивания, так и по коэффициенту трения в области нагрузок малой интенсивности показала опытная смазочная добавка БКР-7М. Отметим, что коэффициент трения для указанных растворов лежит в пределах 0,4-0,7. Задача нахождения величин коэффициентов трения для различных пар трения имеет большое самостоятельное значение, в частности они необходимы для прочностных расчетов бурильных
колонн, оценки энергозатрат на спу-ско-подъемные операции, при разработке средств улучшения антифрикционных свойств промывочных жидкостей, повышения долговечности соответствующего бурового инструмента и др. Аналогичные исследования различных СД были проведены на образце доломита № 1. Результаты носят схожий характер и здесь не приводятся.
Также интерес представляет влияние различных видов, применяемых в бурении, промывочных жидкостей на изучаемые триботехнические параметры пары трения «сталь - горная порода». С этой целью были взяты четыре типовых буровых раствора: безглинистый биополимерный (ББР), полимерглини-стый (ПГР), полимерглинистый эмульсионный (ПГЭР)и инвертный эмульсион-
Рис. 8. Влияние различных видов ПЖ на коэффициент трения пары «сталь - песчаник № 2»
Рис. 7. Влияние различных видов ПЖ на скорость изнашивания замковой стали пары «сталь - песчаник № 2»
ный (ИЭР). Их основные характеристики и состав приведены в таблице 2. На рисунках 7 и 8 приведены графики зависимости скорости изнашивания стали и значения коэффициента трения от интенсивности нагрузки при взаимодействии диска с песчаником № 2. Из приведенных графиков видно, что ИЭР значительно снижает скорость изнашивания бурового инструмента: почти в 2 раза при малых интенсивно-стях нагрузки и в 3,75 раза при больших нагрузках. Кроме того, при промывке с ИЭР значение коэффициента трения практически не зависит от энергетической загрузки пары трения. Также положительный результат показал ПГЭР: скорость изнашивания снизилась в 1,2-1,3 раза. Оба типа эмульсионных растворов (ПГЭР и ИЭР) обладают рядом преимуществ и недостатков. Углеводородный состав фильтрата, высокая
смазывающая способность являются несомненными достоинствами ИЭР. Благодаря этим качествам ИЭР оказывает минимальное воздействие на гидратацию терригенных отложений и позволяет бурить скважины со значительными зенитными углами и протяженными горизонтальными участками [8]. Поэтому его дальнейшее применение в строительстве сложнопрофильных скважин вполне оправданно. Величины коэффициента трения при промывке водой, ББР и ПГР практически одинаковые. Скорость изнашивания последнего несколько ниже остальных ПЖ, особенно при большой интенсивности нагрузки, что может быть связано с меньшим содержанием твердой фазы (СаС03) в растворе.
Таким образом, управление триботех-ническими свойствами ПЖ, используемых при бурении нефтегазовых
скважин, является одним из основных и результативных методов повышения эффективности строительства последних. Перспективным направлением совершенствования триботехнических свойств ПЖ для бурения нефтегазовых скважин является разработка реагентов комплексного действия, в частности эффективных смазочных добавок. Их применение особенно необходимо в сложных условиях бурения протяженных горизонтальных окончаний и участков с большими зенитными углами. Анализ многочисленных исследований причин, характера и форм износа элементов БИ указывает на повышенный интерес к проблемам, связанным с влиянием режимов работы бурового инструмента на износ, а также к вопросам,связанным с влиянием среды на долговечность глубинного оборудования.
UDC 622.24.06
A.R. Yakhin, teacher; G.V. Konecev, dr. tech. sci., prof.; F.N. Yangirov, Ph.D., docent; A^. Frolov, post-graduate student, chair «Drilling
of oil and gas wells», FSBEI HPE USPTU, e-mail: 9406622@mail.ru
Study of drill pipe joint wear resisting properties under friction against rock in various media
Оne of the causes of drill pipe string failure during well drilling is its fatigue, considering that most failures are caused by wear-
out of drill pipe joints. The article analyses effect of various drilling fluids on wear resisting properties and friction factor of joint
steel 40 XH under friction against core samples on a special-purpose unit.
Keywords: drill pipe string fatigue, friction pair «metal - rock», lubricating additives.
References:
1. Balitsky P.V. Vzaimodeistvie buril'noi kolonny s zaboem skvazhiny (Drilling string interaction with the well bottom). - Moscow: Nedra, 1975.
2. Vinogradov V.N., Sorokin G.M. Mekhanizm abrazivnogo iznashivaniya (Abrasive wear mechanism) // Oil and Gas. - 1977. - No. 11. - P. 51-56.
3. Tekhnologiya za kruglym stolom: buril'nye truby i vspomogatel'naya produktsiya (Technology at the round table: drill pipes and auxiliary products) / Bruno Lefevr [and colleagues] // ROGTEC Russian oil and gas technologies. - 2010. - No. 12. - P. 60-85.
4. Teoriya i praktika zakanchivaniya skvazhin (Well completion. Theory and practice) / A.I. Bulatov [and colleagues]. - Moscow: Nedra, 1997. -Volume 1. -395 p.
5. Sovershenstvovanie metodiki registratsii silovykh parametrov raboty sistemy «metall - gornaya poroda» pri burenii skvazhin (Improvement of the methods for recording the power parameters of «metal - rock» system operation when drilling wells) / A.R. Yakhin [and colleagues] // Oil and Gas Engineering. - 2013. - No. 4. - P. 30-40.
6. Konesev G.V., Mavlyutov M.R., Spivak A.I., Mulyukov R.A. Smazochnoe deistvie sred v burovoi tekhnologii (Lubrication effect of media in drilling technology). - Moscow: Nedra, 1993. - 272 p.
7. Kostetsky B.N., Natenson M.E., Vernadsky L.I. Mekhaniko-khimicheskie protsessy pri granichnom trenii (Mechanical and chemical processes in threshold friction). - Moscow: Nedra, 1972. -169 p.
8. Emul'sionnye rastvory v neftegazovykh protsessakh (Emulsion muds in oil and gas processes) / N.A. Petrov [and colleagues]. - Moscow: Chemistry, 2008. - 439 p.
Литература:
1. Балицкий П.В. Взаимодействие бурильной колонны с забоем скважины. - М.: Недра, 1975.
2. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механизм абразивного изнашивания // Нефть и газ. - 1977. - № 11. - С. 51-56.
3. Технология за круглым столом: бурильные трубы и вспомогательная продукция / Бруно Лефевр и др. // ROGTEC Российские нефтегазовые технологии. - 2010. - № 12. - С. 60-85.
4. Теория и практика заканчивания скважин / Булатов А.И. и др. - М.: «Недра», 1997. - Т. 1. - 395 с.
5. Совершенствование методики регистрации силовых параметров работы системы «металл - горная порода» при бурении скважин / А.Р. Яхин и др. // Нефтегазовое дело. - 2013. - № 4. - С. 30-40.
6. Конесев Г.В., Мавлютов М.Р., Спивак А.И., Мулюков Р.А. Смазочное действие сред в буровой технологии. - М.: «Недра», 1993. - 272 с.
7. Костецкий Б.Н., Натенсон М.Э., Вернадский Л.И. Механико-химические процессы при граничном трении. - М.: «Недра», 1972. - 169 с.
8. Эмульсионные растворы в нефтегазовых процессах / Н.А. Петров и др. - М.: «Химия», 2008. - 439 с.
