Совершенствование методики изучения триботехнических аспектов работы силовой секции винтовых забойных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

БУРЕНИЕ

УДК 622.24.062

М.Х. Аль-сухили, аспирант, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин (БНГС), e-mail: mohammed_15b@hotmail.com; Д.В. Гладченко, магистрант, кафедра БНГС; Р.А. Исмаков, д.т.н, профессор, зав. кафедрой БНГС, e-mail: ismakovrustem@ gmail.com; Ф.Н. Янгиров, к.т.н., доцент, кафедра БНГС, Уфимский государственный нефтяной технический университет

Совершенствование методики изучения триботехнических аспектов работы силовой секции

^ W W

винтовых забойных двигателей

Приведены результаты комплексных исследований в области изучения процессов трения и изнашивания пары трения «эластомер - металл» с целью разработки и совершенствования буровых растворов для повышения эффективности применения ВЗД при бурении и ремонте скважин.

Ключевые слова: винтовой забойный двигатель, «резина - металл», эластомер, ИИ5018, трения и изнашивания.

Винтовые забойные двигатели (ВЗД) являются одним из основных технических средств для бурения нефтяных и газовых скважин в нашей стране и во всем мире. Объем бурения с применением ВЗД в настоящее время по большинству нефтегазодобывающих районов России составляет 30-50%. В России ВЗД изготавливают Пермский филиал ВНИИБТ, Кунгурский и Павловский машиностроительные заводы. Крупнейшими зарубежными фирмами, изготавливающими ВЗД и винтовые пары, являются Baker Hughes, AnadLriLL Schlumberger, Robbins and Myers, Mono Pumps, Roper, Drilex и др. Вместе с тем эффективность реализации современных технологий бурения и ремонта скважин предъявляет все более высокие требования к надежности бурового оборудования в целом и к повышению износостойкости забойного привода в частности.

Наиболее важной задачей в совершенствовании ВЗД является повышение надежности и долговечности их рабочих органов, основным из которых является винтовая пара внутреннего зацепления, состоящая из металлического ротора и резинометаллического статора. Из анализа работы рабочей пары следует, что резинометаллический статор

является элементом, лимитирующим работоспособность пары двигателя. Актуальностью данной работы является не только повышение эффективности и технологичности использования винтовых забойных двигателей за счет оптимизации режимов бурения, но и подбор оптимальных растворов и смазочных добавок, обеспечивающих увеличение ресурса работы статора и его термостойкость. Целью работы является совершенствование методики и исследования работы системы «металл - промывочная жид-

кость - эластомер» и изучение кинетики воздействия различных рабочих жидкостей на эластомер статора ВЗД [1]. Задачи исследования:

1. Анализ конструктивных особенностей, определяющих долговечность эксплуатации ВЗД.

2. Обоснование выбора экспериментальной установки, моделирующей условия контактного взаимодействия силовой пары ВЗД.

3. Проведение экспериментальных исследований с подбором смазочных добавок, уменьшающих скорость изна-

24

№ 8 август 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

Рис. 2. Установка ИИ-5018

шивания резиновой обкладки статора. 4. Разработка методики проведения исследований «металл - промывочная жидкость - эластомер». Исследования в рамках данной работы проводились на основе имеющегося у нас экземпляра статора ДРУ 1-98 РС производства Пермского филиала ВНИИБТ.

выбор методики

экспериментальных

исследований

Основные направления экспериментальных и лабораторных исследований данной работы можно сформулировать так:

• разработка методики исследований;

• экспериментальные исследования по изучению влияния основных эксплуатационных факторов на интенсивность изнашивания пары трения «резина - промывочная жидкость - металл» в режиме контактно-динамического нагружения при смазке рабочей жидкостью. Наибольший интерес с точки зрения анализа износостойкости представляют результаты стандартизованных испытаний по определению истираемости и эластичности исследуемых резин. Испытания резин на истираемость предлагается проводить на трибо-технической установке типа ИИ-5018. Сущность метода испытаний состоит в

истирании испытываемого резинового образца по поверхности стального ролика. Так как реальные условия контактного взаимодействия в паре трения «ротор - статор» значительно отличаются от условий и режима проведения данного вида испытаний, нами проводится качественный анализ по ошибке эксперимента и критериям подобия РО ВЗД и лабораторной установки ИИ-5018.

В период цикла взаимодействия в паре трения «ротор - статор» ВЗД, когда режим контакта поверхностей обусловлен скольжением,реализуется наиболее опасный вид изнашивания - абразивный, характеризующийся максимальной интенсивностью. Именно такой режим контакта обеспечивает ИИ-5018 с точки зрения выбора метода моделирования триботехнического взаимодействия (рис. 1, 2) [3].

Принцип работы установки состоит в следующем. Специализированная программа, установленная на компьютере 8, подает сигнал на тиристорный привод 9, который управляет электродвигателем 10 и обеспечивает заданную частоту вращения. Через зубчатую ременную передачу 11 и датчик момента 7 вращение передается на нижний образец - диск 2, к которому с помощью узла нагружения 3 прижимается с задаваемой силой Р образец - вкладыш 1. Создающийся момент трения регистрируется датчиком момента 7 и передается на компьютер.

Изнашивание вкладыша о вращающийся диск происходит в закрытой камере 4, заполненной исследуемой промывочной жидкостью. Циркуляция обеспечивается насосом 5, подающим жидкость из расходной емкости 6. Установка ИИ-5018 была реконструирована нами с целью изучения трибологи-ческих свойств «эластомер - промывоч-

Рис. 3. Схема испытания на трение на установке ИИ-5018:

1 - вкладыш (резина); 2 - ролик (сталь)

ная жидкость - металл» применительно к взаимодействию пары трения «статор - ротор» в ВЗД. С этой целью максимально приближена к реальности пара трения «резина - металл». Испытания проводятся по схеме награждения, представленной на рисунке 3. Принцип действия установки заключается в прижатии с задаваемой силой Р верхнего образца (эластомера) к вращающемуся нижнему образцу (ролику) 2, при этом на нижнем образце измеряется момент трения МТР. Эластомер взят с реального ВЗД (ДРУ1-98 РС) (рис. 4), таким образом, все свойства и характеристики образца (вкладыша, рис. 5) идентичны реальным условиям.

Ролик для испытаний был изготовлен в компании «Буринтех» в соответствии со всеми параметрами, аналогично ротору винтового забойного двигателя (рис. 6). Характеристики ролика:

1) твердость - 34-38 HRC;

2) материал - сталь 40 ХН;

Рис. 4. Статор ВЗД

Рис. 5. Вкладыш

Рис. 6. Ролик для испытаний на ИИ-5018

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 8 август 2014

25

БУРЕНИЕ

Таблица 1. Результаты исследования пары «металл - резина» в различных типах промывочной жидкости

Номер опыта Раствор Нагрузка, кг Масса резины,г Коэффициент трения Скорость изнашивания, мм/ч

До После

1 Вода 20 2,8776 2,8771 0,0019648 0,00462963

2 Вода 30 2,8755 2,8741 0,001766667 0,002314815

3 Вода 40 2,8755 2,8739 0,0024 0,005555556

1 Полимерглинистый 20 2,649 2,6485 0,00152 0,002314815

2 Полимерглинистый 30 2,7927 2,7919 0,001468 0,003703704

3 Полимерглинистый 40 2,6487 2,6477 0,00167 0,00462963

1 Безглинистый, карбонатный 20 2,5295 2,5287 0,001812 0,003703704

2 Безглинистый, карбонатный 30 2,7916 2,7905 0,002805333 0,005092593

3 Безглинистый, карбонатный 40 2,5301 2,5283 0,00265 0,008333333

1 Куганакский 20 2,3689 2,3675 0,00244 0,006481481

2 Куганакский 30 2,5266 2,524 0,002817333 0,012037037

3 Куганакский 40 2,7965 2,7918 0,002747 0,021759259

3) диаметр под покрытие - 50 мм;

4) шероховатость поверхности - А;

5) покрытие поверхности А, В - Х.36 б ГОСТ 9.301-86.

В общем виде скорость изнашивания эластомера статора представлена в виде зависимости:

а = ^Руд, л, V НВ, Аж, ^ I) (1)

где Руд - удельная нагрузка; ^ - частота взаимодействия; V - скорость скольжения; qc - удельный расход жидкости; НВ - твердость; Аж - качество промывочной жидкости; R - радиус кривизны

поверхности трения; I - геометрические характеристики пары трения. Коэффициент трения и скорость изнашивания эластомера определяются по формулам:

м

Фс=|# (2)

где Мтр - момент трения, Н.м; R - радиус диска, м; Р - нагрузка на вкладыш, Н.

где Дт - массовый износ вкладыша, мг; t - время опыта, мин.; р - плотность материала вкладыша, мг/мм3; S - рабочая площадь вкладыша, см2.

т /

Р=у (4)

где V - объем образца, мм3; т - средний вес образца.

Построив деталь «вкладыш» в программной среде Компас 3D, мы определили объем тела, его площадь и площадь рабочей поверхности. В таблице 1 показаны результаты исследования пары «металл - резина» в различных типах промывочной жидкости.

На рисунках 7 и 8 приведены графики зависимости скорости изнашивания роторной стали и коэффициента трения от интенсивности нагрузки при взаимодействии диска с резиновым вкладышем. В качестве промывочной жидкости использовался полимерглинистый рас-

1Ш

Ь я а ю. н щ л

1|н |ГНГИ(НИТЬ н>гррин Р«,

Рис. 7. Зависимость скорости изнашивания от нагрузки

|1 Я Л И II М <1

Интгшиниость НМ]1у1КК Р». Н/мм

Рис. 8. Зависимость коэффициента трения от нагрузки

26

№ 8 август 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

5НАИ001\Ю КЕРШ РЕТ1Ю[-ЕиМ ЕОШРМЕМТ

рборудоааи не дл ч пиоокрэффгктчВДЙЙ разработки н дайычи г-к-ето дождем иш нефти и газа

Головной г>фис в Китае

КМГ. г!|.-ч-Ь. ШнНМУН, К ДуШиМ. у.1 НИЩ^,!^ Ч Г -. ■ ■ 1Г- .(Г ■ Н " №. ■

Фн- нйл В РОССИИ

-АдЛгг Рпл.и:, 1ШЯ!. г. Млата,пр. В«1И14.-.гиага,л. 609

Тс-.т.: П^-ПЛ ЗЙ.1 С<г Г.1 Флкг: Чг I ■)<?

Ьуровэя установка арктического исполнения

У л ер г<к берега но I цн 11 ъл е ктродвн гател ь

Газоны ш компрессор

ЯЭГОТг.ЩЛ^НиК)

БУРЕНИЕ

Таблица 2. Результаты исследования пары «резина - металл» в полимерглинистом растворе с добавлением смазок ФК 200+ и Лубриол

Номер опыта Раствор Нагрузка, кг Масса резины,г Коэффициент трения Скорость изнашивания, мм/ч

До После

1 Полимерглинистый р-р + 0,5% Лубриол 40 2,7922 2,7915 0,00061 0,003240741

2 Полимерглинистый р-р + 1% Лубриол 40 2,5303 2,5298 0,00169 0,002314815

3 Полимерглинистый р-р + 1,5% Лубриол 40 2,7918 2,7916 0,000678 0,000925926

1 Полимерглинистый р-р + 0,5% ФК-2000+ 40 2,3663 2,3656 0,000775 0,003240741

2 Полимерглинистый р-р + 1% ФК-2000+ 40 2,3018 2,3014 0,001096 0,001851852

3 Полимерглинистый р-р + 1,5% ФК-2000+ 40 2,3658 2,3657 0,000769 0,000462963

1 Безглинистый карбонатный р-р + 0,5% Лубриол 40 2,7913 2,79 0,00076 0,006018519

2 Безглинистый карбонатный р-р + 1% Лубриол 40 2,5283 2,5273 0,001242 0,00462963

3 Безглинистый карбонатный р-р + 1,5% Лубриол 40 2,7882 2,7876 0,001324 0,002777778

1 Куганакский р-р + 0,5% Лубриол 40 2,4562 2,4525 0,002095 0,01712963

2 Куганакский р-р + 1% Лубриол 40 2,3685 2,3655 0,001657 0,013888889

3 Куганакский р-р + 1,5% Лубриол 40 2,4555 2,4535 0,001476 0,009259259

твор (ББР № 1), безглинистый раствор (ББР), полимерглинистый раствор на основе куганакской глины (ББР № 2) и вода. В таблице 1 приведены их коммерческие названия. Из получившихся графиков мы видим, что при минимальной нагрузке в 20 кг на 1 см2 наименьший коэффициент трения получился при испытании на воде, но скорость изнашивания при этом относительно высокая. Наиболее благоприятные показатели продемонстрировал полимерглинистый раствор, т.к. амплитуда изменения коэффициента трения и скорости износа относительно линейна и полученные значения минимальны по сравнению с другими растворами и водой.

Вторая серия экспериментов направлена на установление лучшей смазочной добавки и ее концентрации. Для этого раствор с лучшими показателями (полимерглинистый) исследуем с двумя смазками (ФК 200+ и Лубриол). Они взаимозаменяемы и интересны исследованию с позиции неизученности механизма смазочных материалов в паре трения «резина - металл» (табл. 2). Все ранние исследования по механизму и природе поведения смазочных добавок ФК 2000+ и Лубриол проводились в паре трения «металл - металл». На рисунках 9 и 10 показаны зависимости скорости изнашивания роторной стали и содержания смазочных добавок при взаимодействии диска с резиновым вкладышем.

Из получившегося графика видим, что при минимальной концентрации в 0,5% (рис. 9) коэффициент трения и скорость изнашивания наименьшие при использовании полимерглинистого раствора со смазочной добавкой как ФК 2000+1, так и Лубриола. Но при увели-

чении концентрации смазок до 1% разница между графиками увеличивается (рис. 10). Так, скорость изнашивания и коэффициент трения со смазкой Лубриол возросла. Раствор на основе куганакской глины и безглинистый раствор демонстрируют наихудшие результаты

? ■

ип »№» мп I »V ЕМЧ

И>Л«мал«№С1е МГр^КИ Рн, н/мм

-•- ЦГ-ПППЖ ■■■'-Ы-'ЧИ'.ТИППЧ!

Рис. 9. Влияние различных концентраций смазок на скорость изнашивания

(МП

9 ъчн» 4 444 (1 «н. I .чч ¡до 1 до

И НТ£ н£ н ВИйС 1 ь мгруздн РМГ Н/МН

Рис. 10. Коэффициент трения при нагрузке 40 кг

28

№ 8 август 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

]Г

7Ъ

эффективность

м НОГО-

а&разн;;

МадпосИеш: Больше выбор. Больше возможностей.

Концерн К5В - всемирный поставщик комплексных решений для всех областей применения, включая сложнейшие условия эксплуатации в химической промышленности.

На основе мирового бестселлера, стандартного химического насоса серии MegaCPK, представляем Вашему вниманию инновационную разработку - насос с магнитным приводом Ма§посЬеш для надежной транспортировки крайне агрессивных, токсичных, взрывоопасных, ценных, легковоспламеняющихся, опасных для экологии и вредных для здоровья жидкостей.

Многообразие: новые режимы работы для сред с низкой температурой кипения и высоким содержанием твердых примесей

Энергоэффективность: модульный принцип подбора магнитной муфты позволяет адаптировать производительность насоса к оптимальной рабочей точке Инновации: передовые методы производства и самые современные разработки

Более подробная информация на сайте: www.ksb.ru > Наши технологии. Ваш успех.

Насосы ■ Арматура ■ Сервис

БУРЕНИЕ

Таблица 3. Результаты исследования пары «резина - металл» в полимерглинистом растворе с добавлением 1% СД ФК 2000+ и двух видов присадок -имидазолина или меди хлорной

Номер опыта Раствор Нагрузка, кг Масса резины, г Коэффициент трения Скорость изнашивани, мм/ч

До После

1 Полимерглинистый р-р + 1,5% СД ФК 2000 + медь хлорная 1% 40 2,296 2,2961 0,002095 0,001851852

2 Полимерглинистый р-р + 1,5% СД ФК 2000 + медь хлорная 1% 50 2,36 2,359 0,00168 0,003703704

3 Полимерглинистый р-р + 1,5% СД ФК 2000 + медь хлорная 1% 55 2,296 2,2955 0,002290909 0,005555556

1 Полимерглинистый р-р + 1,5% СД ФК 2000 + имидазолин 1% 40 2,359 2,3588 0,001325 0,001851852

2 Полимерглинистый р-р + 1,5% СД ФК 2000 + имидазолин 1% 50 2,3 2,2952 0,00108 0,002777778

3 Полимерглинистый р-р + 1,5% СД ФК 2000 + имидазолин 1% 55 2,359 2,3582 0,001345455 0,005555556

Рис. 11. Влияние присадок на скорость износа

Рис. 12. График зависимости коэффициента трения от нагрузки с присадками

независимо от концентрации смазки или ее вида.

Для полноты исследования принято решение модифицировать состав раствора, наилучшим образом зарекомендовавшего себя во время испытаний (полимерглинистого раствора с добавлением 1% СД ФК 2000+), добавив в него два вида присадок, и посмотреть, какая из них наиболее благоприятно отразится на испытании пары трения «резина - металл».

нами были приняты две присадки:

1) имидазолин - кафедральная присадка;

2) медь хлорная - широко используется в бурении.

Имидазолин - продукт конденсации карбоновых кислот растительного происхождения, полученных из таловых масел с полиэтиленами. Результаты опытов приведены в таблице 3. Следующие графики демонстрируют влияние присадок на скорости износа (рис. 11) и зависимость коэффициента трения от нагрузки с присадками (рис. 12).

Проанализировав графики, можно сделать выводы о том, что медь хлорную в качестве присадки использовать нельзя (рис. 11), т.к. она не только по скорости изнашивания и коэффициенту трения хуже имидазолина, но и образует коррозию на нехромиро-ванной поверхности ролика. При использовании имидазолина в качестве присадки мы видим, что коэффициент

30

№ 8 август 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

трения при начальной нагрузке даже выше, чем у исходного полимергли-нистого раствора без присадок, но на продолжении интервала коэффициент трения снижается. График скорости изнашивания резины при использовании имидазолина схож с графиком коэффициента трения (рис. 12), однако на более высоких нагрузках линии графика не совмещаются, как в первом варианте, напротив, скорость изнашивания с присадкой имидазолин снижается.

Можем сделать вывод, что использование смазочной добавки ФК 2000+ однозначно благоприятно влияет на устойчивость резины к износу, снижая коэффициент трения и скорость изнашивания. Преимущества использования присадки имидазолин не выявлены, так как результат исследования получился неоднозначный.

ЗАключЕниЕ:

• реконструкция узла трения позволила нам проводить эксперименты для подбора оптимального раствора или смазочных добавок, уменьшающих скорость истирания резины статора;

• ИИ-5018 по своим основным параметрам обеспечивает физическое подобие процесса изнашивания пары «статор -ротор» в винтовом забойном двигателе;

• разработана система обработки результатов, позволяющая быстро получить необходимые данные;

• разработаны методики проведения серии опытов для построения графиков зависимостей трения и скорости износа эластомера;

• рекомендуется использовать данную методику для совершенствования знаний о механике и свойствах эластомеров с различными рабочими жидкостями.

Литература:

1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособие. - М.: Недра, 1999. - 375 с.

2. Ганелина С.А. Резинометаллические детали гидравлических забойных двигателей. - М.: Недра, 1981. - 117 с.

3. Хебда М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехнике: В 3 тт. - Т. 2. -М.: Машиностроение, 1990. - 416 с.

4. Зуев Ю.С. Износ резин. Объяснение противоречивости расчетных формул // Каучук и резина. - 1993. - 7-11 с.

UDC 622.24.062

M.H. Al-suhili, PHD student of «Oil and gas well drilling» (OGWD) cathedra, e-mail: mohammed_15b@hotmail.com; D.V. Gladchenko, master degree of OGWD cathedra; R.A. Ismakov, head department of DPGW, Doctor of technical sciences, professor, e-mail: ismakovrustem@gmail.com; F.N. Yangirov, docent in OGWD cathedra, Ufa State Petroleum Technological University

Development methods of studying tribotechnicals aspects of employment power section in the downhole motor

The results of complex investigations in the field of studying the processes of friction and wear of friction pairs elastomer-metal with the purpose of development and improvement of drilling fluids to increase the efficiency application of downhole drilling motors for drilling and repairing wells.

Keywords: donwhole drew motors, rubber-metal, elastomer, II5018, friction and deterioration.

References:

1. Baldenko D.F., Baldenko F.D., Gnoyevykh A.N. Vintovye zaboinye dvigateli (Downhole drilling motors): Reference Book. - Moscow: Nedra, 1999 - 375 p.

2. Ganelina S.A. Rezinometallicheskie detail gidravlicheskikh zaboinykh dvigatelei (Rubber and metal parts of hydraulic downhole motors). - Moscow: Nedra, 1981 - 117 p.

3. Khebda M., Chichinadze A.V. Spravochnik po tribotekhnike (Triboengineering reference book): In 3 volumes. - V. 2. - Moscow: Mashinostroyeniye, 1990. - 416 p.

4. Zuyev Yu.S. Iznos rezin. Ob'yasnenie protivorechivosti raschetnykh formul (Rubber wear. Explanation of the contradictions between calculations formulas) // Rubber. - 1993. - P. 7-11.

РОССИИСКИИ РАЗРАБОТЧИК И ПРОИЗВОДИТЕЛЬ противокоррозионных и огнезащитных лакокрасочных материалов марки Акрус®, специального и промышленного назначения.

НАДЕЖНЫЕ СТРАТЕГИИ ЗАЩИТЫ

Мы производим

только защитные покрытия.

Это позволяет нам

концентрироваться

на особенностях

их изготовления

и потребления.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: ► Нефтехимическая индустрия

Нефтегазодобывающая промышленность Судостроение Машиностроение Мостостроение Гражданское строительство Огнезащитные покрытия

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 8 август 2014

------

\т J

IjKWf

«ллли.акрус.рф www.akrus-akz.ru infoaakrus-akz.ru 117420, г. Москва, ул. Наметкина, д. 10Б тел./факс: +7(495) 363 5669