ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Овецький Сергій Олександрович
УДК (622.24.05+622.244.442):620.169.1
ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ БУРОВОГО ОБЛАДНАННЯ НА ОСНОВІ ЗАСТОСУВАННЯ МОДИФІКОВАНИХ БУРОВИХ РОЗЧИНІВ
Спеціальність: 05.02.04 – тертя та зношування в машинах
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Хмельницький – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Дрогомирецький Ярослав Миколайович,
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, кафедра
зносостійкості та відновлення деталей, професор кафедри
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Гладкий Ярослав Миколайович
Хмельницький національний університет, кафедра
технології машинобудування, професор кафедри,
декан факультету заочного та дистанційного навчання
кандидат технічних наук, доцент
Псьол Сергій Васильович
Національна академія Державної прикордонної служби України ім. Богдана Хмельницького (м. Хмельницький),
кафедра автомобільної та бойової техніки
Провідна установа Національний авіаційний університет, Аерокосмічний інститут,
кафедра машинознавства, Міністерство освіти і науки України, м. Київ
Захист відбудеться “13 “ жовтня 2006 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 70.052.02 Хмельницького національного університету за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, Україна, м. Хмельницький, вул. Кам’янецька, 110/1.
Автореферат розісланий “7” вересня 2006 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Калда Г.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Більш ніж сторічна практика промислового буріння на нафту і газ привела до необхідності розв'язання великої кількості складних завдань. Деяка частина з них на даний момент вирішена, але, оскільки, коло знань постійно розширюється, виникає все більше запитань, що потребують термінової відповіді. Вивченням зношування елементів бурового обладнання і пошуком методів підвищення їх зносостійкості займалося багато дослідників. Незважаючи на це, проблема підвищення довговічності бурового обладнання залишається і буде залишатися завжди актуальною, оскільки умови буріння свердловин постійно ускладнюються, а інтенсивність зношування деталей обладнання постійно збільшується.
У складних умовах, з точки зору зношування, працюють елементи обладнання, що контактують з буровим розчином, крім цього ці ж елементи є найбільш відповідальними, а саме - бурове долото, колона бурильних труб, вертлюг, бурові та шламові насоси і т. д. Звідси - постійно висока зацікавленість бурових організацій у розробці бурових розчинів з високими протизношувальними властивостями. Питанням підвищення протизношувальних властивостей бурових розчинів займалися такі відомі дослідники, як Ангелопуло О.К., Бейкер Р., Бєлгородскій І.М., ВанДайк К., Гарєєв А.А., Гільман К.М., Голікова Н.А., Дрогомирецький Я.М., Жидовцев Н.А., Кєндіс М.Ш., Конєсєв Г.В., Косарєвич И.В., Мавлютов М.Р., Мкртичан С.М., Пічугін В.Ф., Проскуров А.П., Рахманкулов Д.Н., Северинчик Н.А., Сіре Є.М., Співак А.И., Ялунін М.Д., Яров А.Н. Ці вчені зробили вагомий внесок в розвиток теорії і практики введення протизношувальних домішок у бурові розчини, проте і на сьогоднішній день багато проблем залишаються не вирішеними, кількість аварій, які пов'язані з низькими протизношувальними властивостями бурових розчинів постійно зростає. Поза увагою дослідників залишилися такі питання, як: можливість комплексного дослідження протизношувальних властивостей бурових розчинів з точки зору багатоваріантності процесів тертя, які проходять у різних типах вузлів насосно-циркуляційного комплексу бурової установки; велика номенклатура видів бурових розчинів вимагає з однієї сторони уніфікації, а з іншої - диференціації застосування різних видів протизношувальних домішок; деякі види бурових розчинів, а саме розчини на нафтовій основі використовуються взагалі без протизношувальних домішок; при дослідженнях протизношувальних домішок важливими є не тільки мастильні, а і протиприхоплювальні властивості бурових розчинів тощо.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи пов'язана з плановими державними науково-дослідними програмами з розвитку нафтопромислового комплексу України (держбюджетна тема Д-7 державний реєстраційний № 0101U001667) і координаційним планом Міністерства освіти і науки "Наукові основи розробки нових технологій видобутку нафти і газу, газопромислового обладнання, поглибленої переробки нафти і газу з метою одержання високоякісних моторних палив, мастильних матеріалів, допоміжних продуктів і нафтохімічної сировини", який входить до національної програми "Нафта і газ України до 2010 року".
Мета і задачі дослідження. Підвищення довговічності деталей вузлів насосно-циркуляційного комплексу бурової установки, які працюють у середовищі бурового розчину, шляхом розробки нових і оптимізації застосування існуючих протизношувальних домішок до бурових розчинів різних типів.
Для досягнення вказаної мети були поставлені наступні задачі дослідження.
1. Визначити основні пари тертя насосно-циркуляційного комплексу, деталі яких піддаються зношуванню у середовищі бурових розчинів і виявити можливості по підвищенню їх довговічності.
2. Виділити основні класи найрозповсюдженіших бурових розчинів, що дозволяє диференціювати застосування різних типів протизношувальних домішок в залежності від специфіки умов зношування деталей насосно-циркуляційного комплексу.
3. Розробити і оптимізувати склад протизношувальних домішок до бурових розчинів різних типів.
4. Розробити нову схему і обладнання для випробувань протизношувальних властивостей бурових розчинів, яка б дозволяла випробувати дані властивості в промислових і лабораторних умовах.
5. Встановити залежності параметрів зношування від основних факторів для різних видів пар тертя і класів бурових розчинів.
6. Довести лабораторними випробуваннями ефективність розроблених протизношувальних домішок.
7. Визначити технічну ефективність застосування розроблених протизношувальних домішок при впровадженні їх у процесі буріння свердловин.
Об'єкт дослідження: пари тертя вузлів насосно-циркуляційного комплексу, які працюють у бурових розчинах.
Предмет дослідження: підвищення довговічності пар тертя деталей насосно-циркуляційного комплексу, які працюють у середовищі бурових розчинів, шляхом введення протизношувальних домішок у останні.
Методи дослідження: Проведення експериментальних досліджень з використанням низки сучасних методів і засобів для трибологічних випробувань, які відповідають реальним умовам роботи пар тертя деталей насосно-циркуляційного комплексу, металографічних досліджень, інфрачервоної спектрометрії. При цьому використовувались сучасні методи раціонального планування експерименту, а саме випадкового балансу і симплекс-гратчастого планування.
Наукова новизна:
- за протизношувальними властивостями виділено чотири найрозповсюдженіших класи бурових розчинів: глинисті, обважнені, мінералізовані і бурові розчини на нафтовій основі;
- методом інфрачервоної спектрометрії досліджено процес формування адсорбційних плівок з протизношувальними домішками на поверхнях тертя з бурових розчинів різних типів;
- на основі аналізу залежностей швидкісної і кількісної складових адсорбції вперше розрахунково-дослідним шляхом обґрунтовано застосування колоїдного графіту у якості протизношувальної домішки до глинистих і створено модифікований антифрикційний графіт для обважнених бурових розчинів;
- доведено можливість використання зшитого поліакриламіду в якості протизношувальної домішки до мінералізованих бурових розчинів i натрієвих мил до бурових розчинів на нафтовій основі;
- методом випадкового балансу відсіяні маловпливові і виділено суттєві фактори процесу зношування за кожним видом пар тертя вузлів бурового обладнання, які працюють у середовищі бурового розчину;
- встановлено експериментальні залежності основних параметрів зношування кожного виду пар тертя від визначальних факторів.
Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні та експериментальні дослідження використані для розробки методик застосування нових протизношувальних домішок до бурових розчинів різних типів. Розроблені домішки пройшли незалежне лабораторне випробування у Центральній науково-дослідній лабораторії ВАТ "Укрнафта" і промислові випробування на свердловинах Стрийського відділення бурових робіт бурового управління "Укрбургаз" дочірньої компанії "Укргазвидобування" Національної акціонерної компанії "Нафтогаз України". Незалежні лабораторні випробування довели достовірність отриманих автором результатів, а промислові випробування показали зростання стійкості бурових доліт при застосуванні відповідних протизношувальних домішок у глинистих бурових розчинах на 24 %, у обважнених - на 20,5%, у мінералізованих - на 28%, а також підвищення працездатності швидкозношуваних деталей бурових насосів у глинистих розчинах на 21%,у обважнених - на 15%, у мінералізованих - на 23%.
Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримані автором самостійно:
виділено основні види бурових розчинів за протизношувальними властивостями [12];
запропоновано метод отримання модифікованого антифрикційного графіту [10], дія якого [2], як і дія колоїдного графіту [1] теоретично обґрунтована;
відсіяні маловпливові і виділено визначальні фактори для процесів зношування деталей бурового обладнання, які працюють у бурових розчинах [1-4, 8];
розроблено нову конструкцію чотирикулькового пристрою тертя для визначення протизношувальних характеристик бурових розчинів [5, 11];
розроблено комплексну програму випробування протизношувальних характеристик бурових розчинів, яка включає в себе дослідження в умовах, які максимально наближені до умов роботи вузлів тертя бурового обладнання, що працює у середовищі бурового розчину [1-4, 6];
запропоновано застосовувати, обґрунтовано експериментально і визначено методику додавання протизношувальних домішок: до глинистих бурових розчинів - колоїдний графіт [1, 9], до обважнених - модифікований антифрикційний графіт [2], до мінералізованих - зшитий поліакриламід [3], до бурових розчинів на нафтовій основі - натрієві мила [4];
одержані експериментальні залежності процесу зношування пар тертя бурового обладнання від основних визначальних факторів і перевірено їх придатність в умовах промислових випробувань [7].
Постановка задач, аналіз та трактування результатів проведено спільно з науковим керівником Дрогомирецьким Я.М. та, частково, зі співавторами публікацій.
Автор висловлює вдячність та засвідчує своє визнання докторам технічних наук Яремійчуку Р.С., Акульшину О.О., інженерам Андрусяку А.М., Гурському С.А., Мельнику І.С., від яких він отримав консультації і підтримку при виконанні дисертаційної роботи.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу національного технічного університету нафти і газу (Івано-Франківськ, ІФНТУНГ, 1996, 1999, 2001 рр.), 7-ій міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України 2002" (Київ, УНГА, 2002 р).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт, зокрема 8 статей у фахових виданнях та 3 патенти України.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 139 назв і додатків. Загальний обсяг роботи 237 сторінок, в т.ч. 50 рисунків і 36 таблиць (з них 45 рисунків і таблиць займають повну сторінку), список використаних джерел на 15 сторінках, чотири додатки на 39 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У першому розділі “Аналіз умов роботи і видів зношування основних деталей насосно-циркуляційного комплексу бурової установки” дається аналіз вітчизняних та зарубіжних досліджень зношування бурового обладнання, який дозволив виявити, що основними видами зношування для обладнання, яке працює в контакті з буровими розчинами:
- для циліндро-поршневої групи і групи шток-ущільнення штока насоса - абразивне зношування при підвищеній температурі тертя;
- для клапанної групи насоса - контактне втомне зношування поверхонь при багаторазовій посадці тарелі на сідло з ударним впливом абразивних частинок у зоні контакту;
- для колони бурильних труб - абразивне і корозійно-втомне зношування;
- для бурового долота - втомне руйнування елементів опори.
Визначено, що при роботі бурове обладнання піддається наступним навантаженням:
- циліндро-поршнева група і група шток-ущільнення штока насоса: висока температура - до 2400C і контактні напруження - до 25 МПа за умов робочого тиску до 40 МПа і середньої швидкості поршня до 2 м/с при наявних абразивних частинках мікротвердістю від 1350 МПа (барит) до 12500 МПа (кварц) і коефіцієнті тертя до 0,02 (ресурс ущільнення даної групи не перевищує 400 годин);
- колона бурильних труб: крутний момент біля 20 кНЧм, гідравлічний зовнішній тиск бурового розчину і внутрішній тиск на труби - 40 МПа, сила тертя до 2 - 3 МН;
- бурове долото: контактний тиск складає 3000 - 5000 МПа на опорі кочення, швидкість обертання шарошок складає 150 - 350 хв-1 при роторному бурінні і 800 - 1500 хв-1 при турбінному бурінні, навантаження на долото 176,47 кН, температура в опорі долота - до 4000С, абразивно-корозійна дія середовища, яке попадає до опори під тиском до 80 МПа (іноді навіть 150 МПа) (ресурс 15,5 -100 год.).
Не зважаючи на виявлену в результаті аналізу, широку номенклатуру технологічних, конструктивних та експлуатаційних методів підвищення зносостійкості елементів пар тертя вузлів бурового обладнання, встановлено, що підвищення протизношувальних властивостей бурового розчину дозволяє комплексно підвищити ресурс одразу всіх деталей бурового обладнання, які працюють у бурових розчинах. При цьому підвищення довговічності цих деталей можливе, як мінімум в 1,25 - 1,3 рази.
Встановлено, що всі відомі попередні дослідження проводилися з буровими розчинами одного виду, а потім перевірялися на інших видах розчинів і рекомендувалися для них не зважаючи на можливість різкого зниження їх ефективності. Тому нами введена нова класифікація бурових розчинів, в залежності від їх протизношувальних властивостей, яка включає в себе такі основні класи: вода і бурові розчини на водній основі (виключаючи обважнені і мінералізовані), які в загальному можна назвати власне глинистими; обважнені бурові розчини, які відрізняються підвищеним вмістом абразивних частинок; мінералізовані бурові розчини, які виділяються підвищеною активністю по відношенню до поверхні тертя; бурові розчини на нафтовій основі, які вирізняються підвищеними антифрикційними характеристиками.
У другому розділі “Розробка експериментальної установки та методики обробки експериментальних даних для визначення протизношувальних властивостей бурових розчинів” встановлено, що оскільки бурові розчини повинні виконувати і інші функції, крім змащувальної (наприклад, винесення вибуреної породи, утримання стінок свердловини від обвалів та ін.) при визначенні даних властивостей обмеженням, крім окремо обумовлених випадків, повинна бути незмінність технологічних властивостей бурових розчинів.
Встановлено, що для визначення протизношувальних властивостей бурових розчинів необхідно відтворити роботу різних пар тертя і відповідно використати різні лабораторні установки. Як встановлено у першому розділі, найбільш жорсткі умови зношування виникають у опорі шарошкового долота, тому відтворення цих умов у лабораторних умовах повинно бути виконано у першу чергу. З цією метою нами у співавторстві запатентовано конструкцію чотирикулькового пристрою тертя, який на відміну від відомих пристроїв дозволяє досягнути необхідного масштабу навантажень і дозволяє випробовувати бурові розчини. Кульки, які використовуються при дослідженнях, виготовлені з такого ж матеріалу (сталь ШХ15), який використовується при виготовленні опор бурових доліт, а чашка приладу – з матеріалу бігових доріжок опор (високоміцна долотна сталь 14ХН3МА). Розроблена методика передбачає визначення наступних параметрів: навантаження зварювання, індекс задиру, середня площа плями зносу, коефіцієнт зношування, ступінь моделі зношування. Два останні показники дають можливість отримати функціональну модель зношування даного вузла.
Стосовно лабораторного відтворення тертя бурильної колони по обсадній колоні, найбільш придатні для цієї мети режими показує машина тертя СМЦ-2 за схемою "диск-колодка". При цьому використано наявний в комплекті вузол для рідких середовищ. Елементи тертя повинні бути виконані зі сталей, які використовуються при виготовленні бурильних і обсадних труб (20ХН), з відповідною термообробкою і чистотою поверхні тертя.
Для бурильної колони при терті її по стінці свердловини пропонується застосовувати прилад тертя ПТ-2 за схемою "стальний диск - фільтраційна кірка бурового розчину”. При цьому можна отримати дані за протиприхоплювальними властивостями бурових розчинів, що є важливим, оскільки саме в цій зоні існує найбільша небезпека прихоплення колони до стінки свердловини.
Випробування дії протизношувальних домішок на елементи тертя бурового насоса ("поршень - гільза" і "шток - ущільнення штока") через складність відтворення умов їх роботи і простоту технічного обслуговування пропонується провести на виробництві.
Для визначення хімічних і фізичних характеристик адсорбованої плівки на поверхнях тертя досліджуваних зразків доцільно застосовувати методи інфрачервоної спектрометрії.
При скороченні кількості експериментів, скориставшись оптимальним методом відсіювання другорядних факторів процесу зношування, методом випадкового балансу, визначили, що визначальними характеристиками для протизношувальних характеристик бурових розчинів є:
- на чотирикульковому приладі тертя - навантаження, вид протизношувальної домішки і її концентрація, а маловпливовими - коефіцієнт зсуву кірки і вміст глинистого порошку;
- на машині тертя СМЦ-2 - навантаження, час роботи, тип протизношувальної домішки, її вміст, і маловпливовими - розхід бурового розчину, шорсткість зразків;
- на буровому насосі - частота переміщення, розхід бурового розчину, тип і вміст протизношувальної домішки, час роботи, а незначним - зміна контактного навантаження.
Для визначення оптимального складу бурового розчину з огляду на його протизношувальні властивості найдоцільніше застосовувати метод симплекс-гратчастого планування, який з цією метою застосовується вперше. Для вирішення поставленої задачі найбільш пристосований метод симплекс-градчастого планування, який одночасно дозволяє мінімізувати кількість дослідів (насичені плани експерименту) при визначенні оптимального складу розчину і отримати математичну модель, за допомогою якої "послідовно уточнюють апроксимацію експерименту". Крім того, даний метод дозволяє порівняти властивості різних протизношувальних домішок не тільки кількісно - за допомогою значень певних параметрів, а і якісно - через порівняння відповідних математичних моделей.
У третьому розділі “Розробка нових протизношувальних домішок і визначення їх концентрації у бурових розчинах різних типів”, на основі кількісної характеристики адсорбції (1) вперше теоретично обґрунтована можливість застосування колоїдного графіту, як протизношувальної домішки до бурових розчинів першого класу (згідно прийнятої класифікації). В результаті розгляду поверхонь тертя вузлів бурового обладнання і бурового розчину як термодинамічної системи вперше обґрунтована можливість застосування кількісної характеристики адсорбції з бурового розчину для визначення його протизношувальних властивостей, а саме:
, (1)
де – константа Генрі, яка дорівнює константі рівноваги компонента і в адсорбованому стані, і в стані розчину, виражена в одиницях адсорбції і концентрації (при Т = const) в так званій "області Генрі";
Cі – молярна концентрація, моль/м3;
і – відповідний коефіцієнт активності.
При цьому основною відмінністю колоїдного графіту є його тонкодисперсність, і як наслідок, ромбоедрична структура (характеризується зниженням коефіцієнту форми (відношення довжини кристалу до його товщини) з 12 для звичайного сріблястого графіту, до 2 - 1,5 для колоїдного графіту). Підвищена протизношувальна спроможність колоїдного графіту в воді і глинистому буровому розчині підтверджується збільшенням хімічного потенціалу колоїдного графіту в об'ємі розчину порівняно з застосовуваним раніше сріблястим (через збільшення мольної концентрації), а також збільшенням гіббсовської адсорбції частинок на поверхню графіту (це переважно зв'язаний, а також вільний кисень у воді), через збільшення константи рівноваги адсорбованого компонента у (1). Не менш важлива швидкісна характеристика адсорбції - значення часу релаксації адсорбованого шару, оскільки при перевищенні цієї величини часом існування плям фактичного контакту поверхонь тертя інтенсивність їх зношування зростає. Використовуючи перший і другий закони Фіка, знайдено час утворення моношару адсорбованих молекул в плямах контакту, враховуючи наявність ближнього порядку в буровому розчині і "конкуренції" між молекулами за центри адсорбції для визначення дифузійного потоку вихідним є нестаціонарне рівняння адсорбції виду:
(2)
при наступних граничних і початкових умовах: сі(r0,t)=0; c(R,0)= c0,
де r0 - радіус фактичної плями контакту, м;
R - половина відстані між сусідніми плямами, м;
t - час, с;
D - коефіцієнт дифузії, який визначається D=1/2nl, м2/с;
де n - теплова швидкість руху частинок, м/с;
l - довжина вільного пробігу частинки, м.
Розв'язок рівняння (2) при початковій умові с(0)=с0 дає вираз для квазістаціонарного потоку дифузійного потоку на плями фактичного контакту.
Враховуючи, що площа фактичного контакту s дорівнює s=np; де n - кількість плям контакту на одиниці площі контакту, м-2, а кількість частинок, необхідна для утворення моношару в точках контакту (а - площа, яку займає одна молекула); ступінь покриття , отримаємо безрозмірний вираз для часу утворення половини моношару в точках фактичного контакту:
. (3)
Звідси, для обважнених бурових розчинів нами вперше на основі кількісної (1) і швидкісної (3) характеристик адсорбції розроблено нову протизношувальну домішку - модифікований антифрикційний графіт. Полідиметилсилоксан, який присутній у порах та між кристалітами графітових частинок, і навіть утворює хімічні з'єднання (за електронно-акцепторним принципом), скорочує час утворення моношару адсорбованих молекул середовища у плямах контакту поверхонь тертя практично до нуля, чим підвищує адгезійну міцність шару середовища та його антифрикційність.
Вперше висунута гіпотеза про можливість часткового розкриття глобул зшитого поліакриламіду у середовищі мінералізованого бурового розчину і обґрунтована можливість використання цієї властивості для підвищення протизношувальної здатності бурового розчину. Обґрунтована можливість і необхідність підвищення протиспрацьовувальних властивостей бурових розчинів на нафтовій основі і вперше запропоновано використовувати для цього відходи виробництва концерну "Лукор", основною складовою якої є натрієве мило.
Визначення основних технологічних характеристик бурових розчинів з протизношувальними домішками і без них дозволили встановити допустимі концентрації останніх, з підтримуванням незмінними необхідних технологічних властивостей, навіть за умов підвищених температур.
Проведені у четвертому розділі “Лабораторно-промислові випробування протизношу-вальних характеристик бурових розчинів з розробленими домішками” випробування на чотирикульковому приладі тертя бурових розчинів з різними протизношувальними домішками показали ефективність останніх для підвищення довговічності в середньому у 1,5 рази опор ковзання і замкових (кулькових) опор кочення шарошкових доліт, особливо при високих контактних навантаженнях (рис. 1 – 4). Вихідними розчинами в даному випадку були: глинистий розчин (рис. 1) – 15%-ва глиниста суспензія + 0,5% NaCO3 + 0,2 % карбоксиметилцелюлози + 0,5 % концентрованої сульфатспиртової барди; обважнений розчин (рис. 2) – аналогічний глинистому з додаванням відповідної кількості гематиту; мінералізований розчин (рис. 3) – аналогічний глинистому з додаванням 10 % NaCl; розчин на нафтовій основі (рис. 4) – 60% дизельного пального + 6% води + 10% бітуму+ 24% СаО; Крім того, дані дослідження дозволили отримати функціональні моделі зношування, які дозволяють визначати ресурс даного спряження. Ефективність домішок підтверджена також мікроструктурними дослідженнями.
Вдалося підняти протизадирні і протиприхоплювальні властивості бурових розчинів також за рахунок введення протизношувальних домішок. Індекс задиру для глинистих розчинів зріс з 13,2 до 23,6 при введенні колоїдного графіту; для обважнених – з 8,3 до 19,7 при введенні модифікованого антифрикційного графіту; для мінералізованих – з 12,3 до 36,1 при введенні зшитого поліакриламіду; для бурових розчинів на нафтовій основі – з 38,1 до 61,6 при введенні натрієвих мил.
При відтворенні умов тертя бурильної колони по обсадній виявлено значну перевагу застосування колоїдного графіту і модифікованого антифрикційного графіту у глинистих розчинах, МАГ у обважнених розчинах, “Полікару” у мінералізованих розчинах і натрієвого мила у бурових розчинах на нафтовій основі, порівняно з іншими протизношувальними домішками,
Рис. 1. Залежність діаметру плями зносу на кульках зі сталі 15ХН від навантаження в середовищі бурового розчину: 1 – глинистий розчин; 2 – глинистий розчин + 2 % сріблястого графіту; 3 – глинистий розчин+0,5% колоїдного графіту; 4 – глинистий розчин + 0,3 % модифікованого антифрикційного графіту.
Рис. 2. Залежність інтенсивності зношування сталі 20ХН3А від концентрації гематиту (за густиною) в буровому розчині: 1, 3, 6 – без домішок; 2, 5, 8 – з домішкою МАГ; 4, 7 – з домішкою С-1.
Рис. 3. Залежність інтенсивності зношування кульок зі сталі ШХ15 при випробуванні на 4КПТ у середовищі мінералізовано бурового розчину від навантаження:
1 – мінералізований розчин; 2 – розчин з колоїдним графітом; 3 – розчин з модифікованим антифрикційним графітом; 4 – розчин з сріблястим графітом; 5 – розчин з поліакриламідом; 6 – розчин з зшитим поліакриламідом.
Рис. 4. Залежність швидкості зношування кульок зі сталі ШХ 15 при випробуваннях на 4КПТ у середовищі бурового розчину на нафтовій основі:
1 – розчин складу – 60% ДП+ 6% води + 10% бітуму+ 24% СаО; 2 – розчин складу з 1% сульфонолу; 3 – розчин з 4 % окисленого петролатуму у суміші з дизельним пальним; 4 – розчин 6% натрієвого мила.
особливо при навантаженнях, які відповідають робочим для даної пари. Ефективність домішок підтверджена мікроструктурними дослідженнями поверхонь представлених пар тертя. Отримані в процесі випробувань на машині тертя СМЦ-2 зразки, використані з метою визначення хімічних і фізичних характеристик адсорбованого з бурового розчину на поверхнях тертя шару.
Фізико-хімічні дослідження адсорбованих плівок тертя довели обґрунтованість висунутих за допомогою загальних теоретичних положень тертя і адсорбції механізми підвищення протизношувальних властивостей різних типів бурових розчинів введенням відповідних домішок, а саме:–
при введенні колоїдного графіту у глинистий розчин підвищується кількість адсорбованого кисню на поверхні тертя, що вказує на зменшення коефіцієнту тертя у присутності графіту;–
при введенні модифікованого антифрикційного графіту у обважнений буровий розчин різко підвищується кількість адсорбованих на поверхні тертя полімерів, що суттєво зменшуєзношування даної поверхні;–
при введенні зшитого поліакриламіду у мінералізований буровий розчин з’являються нові неідентифіковані види сполук, що очевидно свідчить про підтвердження часткового розкриття глобули зшитого полімеру і її адсорбції на поверхні тертя;–
при введенні натрієвих мил у склад бурових розчинів на нафтовій основі на поверхні тертя з’являється комплекс різноманітних полімерних сполук, що очевидно і зменшує коефіцієнт тертя порівняно з іншими домішками.
Промислові дослідження довели ефективність застосування наведених протизношувальних домішок і для збільшення довговічності деталей циліндро-поршневої групи і групи “шток – ущільнення штока” бурового насоса. Довговічність деталей збільшилась на 21 % у глинистому розчині, на 15 % у обважненому і на 23 % у мінералізованому буровому розчині.
Виведені для різних типів розчинів залежності, при їх розв’язуванні у системі з аналогічними рівняннями для інших пар тертя, дозволять мінімізувати оптимізаційні фактори з досягненням максимальної довговічності деталей, які працюють у середовищі бурового розчину.
У п’ятому розділі “Впровадження розроблених протизношувальних домішок на виробництві і економічне обґрунтування доцільності їх використання” виявлено, що запропоновані протизношувальні домішки при їх застосуванні не вимагають розробки додаткового технологічного обладнання, і можуть бути введені у розчин за допомогою існуючого обладнання.
Промислові випробування протизношувальних домішок у глинистих, обважнених і мінералізованих бурових розчинах показали їх високі мастильні, протиприхоплювальні та протизношувальні властивості.
Доведено необхідність проведення спеціальних заходів щодо впровадження розроблених інновацій у виробництво. Розроблені заходи дозволять впровадити протизношувальні домішки на бурових підприємствах України, а також ближнього зарубіжжя.
Запропонована формула визначення економічної ефективності дозволила показати високий економічний ефект від впровадження розроблених протизношувальних домішок.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в необхідності підвищення довговічності деталей бурового обладнання, яке працює в середовищі бурових розчинів шляхом введення протизношувальних домішок у їх склад. Визначення умов роботи деталей бурового обладнання у бурових розчинах дозволило удосконалити систему дослідження протизношувальних властивостей бурових розчинів. Виділення особливостей основних видів бурових розчинів за їх протизношувальними властивостями дозволило запропонувати для кожного виду ефективну протизношувальну мастильну домішку.
1. Розроблено методику визначення протизношувальних властивостей бурових розчинів, яка включає випробування з моделюванням роботи:
опори шарошкового долота (чотирикульковий прилад тертя);
тертя елементів бурильних труб по обсадним трубам (машина тертя СМЦ-2 за схемою „диск-колодка”);
тертя бурильних труб по стінці свердловини (прилад тертя ПТ-2 за схемою „стальний диск по фільтраційній кірці”);
поршневої групи бурового насоса (промислові випробування).
2. На основі кількісної характеристики адсорбції розрахунковим шляхом встановлена можливість застосування в якості протизношувальної домішки до глинистих бурових розчинів колоїдного графіту. В результаті його застосування інтенсивність зношування елементів опори долота знижено на 25,3%, їх контактну витривалість на 29,2%, індекс задиру зріс з 13,2 Н до 23,6 Н, момент тертя бурильної колони по обсадній впав на 16%, зменшення небезпеки прихоплювання на 47 %, довговічність елементів циліндро-поршневої групи збільшилась на 21 % (при порівнянні з базовою мастильною домішкою).
3. На основі кількісної і швидкісної характеристик адсорбції нами розроблено нову протизношувальну домішку - модифікований антифрикційний графіт до обважнених бурових розчинів, яка при випробуванні знижує інтенсивність зношування елементів опори долота в середньому на 53 %, їх контактну витривалість на 23,5 %, індекс задиру зріс з 8,3 Н до 19,7 Н, момент тертя бурильної колони по обсадній впав на 20 %, зменшення небезпеки прихоплювання на 66 %, довговічність елементів циліндро-поршневої групи збільшилась на 15 % (при порівнянні з базовою мастильною домішкою).
4. Вперше висунута гіпотеза про можливість часткового розкриття глобул зшитого поліакриламіду у середовищі мінералізованого бурового розчину і експериментально обґрунтована можливість використання цієї властивості для підвищення протизношувальної здатності бурового розчину. При цьому знижується інтенсивність зношування елементів опори долота в середньому на 60 %, їх контактну витривалість на 31,6 %, індекс задиру зріс з 12,3 Н до 36,1 Н, момент тертя бурильної колони по обсадній впав на 30 %, зменшення небезпеки прихоплювання на 92 % , довговічність елементів циліндро-поршневої групи збільшилась на 23 % (при порівнянні цих показників з базовою мастильною домішкою).
5. Доведено необхідність і можливість застосування суміші натрієвих мил в якості протизношувальних домішок до бурових розчинів на нафтовій основі, в результаті випробування яких знижується інтенсивність зношування елементів опори долота в середньому на 86 %, їх контактну витривалість на 21,6 %, індекс задиру зріс з 38,1 Н до 61,6 Н, момент тертя бурильної колони по обсадній впав на 28 %, зменшення небезпеки прихоплювання на 89 % (при порівнянні з базовою мастильною домішкою).
6. Вищенаведені положення підтверджені мікроструктурними дослідженнями і спектральним аналізом в інфрачервоному діапазоні адсорбованих на поверхнях тертя плівок бурових розчинів, який показав збільшення кількості адсорбованих молекул і сили адсорбції при застосуванні колоїдного графіту відповідно на 46% і 85% (порівняно з сріблястим графітом), модифікованого антифрикційного графіту – 10,6% і 47 % (порівняно з колоїдним графітом), зшитого поліакриламіду – 26,3% і 11 % (порівняно зі звичайним поліакриламідом), суміші натрієвих мил – 48,8% і 33,3% (порівняно з домішкою СМАД-1) у відповідних видах бурових розчинів.
7. В результаті промислових досліджень розроблених протизношувальних домішок виявлено високий техніко-економічний ефект їх використання.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Дрогомирецький Я.М., Овецький С.О. Мастильна та протизношувальна добавка до бурового розчину на основі колоїдного графіту С-1 // Розвідка та розробка нафт. і газ. свердловин: Держ. міжвідом. наук-техн. зб. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 1996. - Вип. 33. - С. 28 – 36. (Здобувачем теоретично обґрунтовано і експериментально досліджено використання протизношувальної домішки до глинистих бурових розчинів (70%)).
2. Овецький С.О. Вдосконалення протизношувальних добавок до обважнених бурових розчинів // Розвідка та розробка нафт. і газ. свердловин: Держ. міжвідом. наук-техн. зб. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 1997. - Вип. 34. - С. 125 – 136.
3. Овецький С.О., Дрогомирецький Я.М. Розробка протизношувальної домішки до бурового розчину на нафтовій основі // Розвідка та розробка нафт. і газ. свердловин: Держ. міжвідом. наук-техн. зб. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 1999. - Вип. 36 (том 2). - С. 140 – 145. (Здобувачем досліджено вплив протизношувальної домішки до бурового розчину на нафтовій основі, теоретично і експериментально обґрунтовано її дію (70%)).
4. Овецький С.О., Акульшин О.О., Дрогомирецький Я.М. Протиспрацьовувальна домішка до мінералізованих бурових розчинів // Розвідка та розробка нафт. і газ. свердловин: Держ. міжвідом. наук-техн. зб. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 2001.- Вип. 38 (том 2). - С. 184 – 190. (Здобувачем проведено теоретичні та експериментальні дослідження впливу протизношувальної домішки до мінералізованих бурових розчинів на елементи різних вузлів тертя бурового обладнання ( 60%)).
5. Пристрій та метод для визначення протиспрацювальних властивостей середовищ / Я.М. Дрогомирецький, С.О. Овецький, О.Я. Плахетко, Я.С. Яремійчук // Нафт. і газова пром-сть. - 1998. - № 6. - С.16-17. (Здобувачем розроблено технічну документацію на виготовлення дослідного зразка, проведено його виготовлення та випробування, розроблено методику проведення випробувань (35%)).
6. Характер і класифікація спрацювань поверхонь шарошок і зубків тришарошкових доліт / Дрогомирецький Я.М., Овецький С.О., Одосій З.М., Яцків Т.В., Чернов О.Б. // Розвідка та розробка нафт. і газ. свердловин: Держ. міжвідом. наук-техн. зб. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 2001. - Вип. 38 (Т. 4). - С. 127 – 134. (Здобувачем визначено характер спрацювань поверхонь шарошок і мікроструктурні їх дослідження (25%)).
7. Кузьменко А.Г., Овецький С.О., Диха А.В., Дрогомирецький Я.М. Формування моделей зношування при випробуванні протизношувальних і мастильних властивостей бурових розчинів на чотирикульковому приладі тертя // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). - 2004. - № 1. - C. 125 – 129. (Здобувачем проведені дослідження, обробка результатів, створення моделей зношування (30%)).
8. Овецький С.О., Дрогомирецький Я.М., Тимошенко В.А. Визначення фізико-хімічних характеристик адсорбованого з бурових розчинів на поверхнях тертя шару із застосуванням інфрачервоної спектрометрії // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. – 2004. – № 3 (9). – С. 44 – 49. (Здобувачем проведені трибологічні та спектрометричні дослідження, інтерпретація спектрограм (50%)).
9. Буровий розчин: Пат. 28925 А Україна, МКИ С 09 К 7/02. / Я.М. Дрогомирецький, С.О. Овецький (Україна); Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу. - № 97115424; Заявлено 12.11.97; Опубл. 29.12.99, Бюл. № 8; 16.10.2000, Бюл. № 5-ІІ. - 4 с. іл. (Здобувачем визначені оптимальні концентрації протизношувальної домішки, теоретично обґрунтовано механізму змащування колоїдним графітом, лабораторні випробування ефективності його застосування (50%)).
10. Модифікований антифрикційний графіт: Пат. 35804 А Україна, МКИ С 10 М 103/02, С 08 G 77/04. / Я.М. Дрогомирецький, С.О. Овецький, О.Я. Плахетко, І.С. Мельник (Україна); Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу. - № 98105421; Заявлено 15.10.98; Опубл. 16.04.2001, Бюл. № 3. - 2 с. (Здобувачем теоретично обґрунтовано механізм змащування модифікованим антифрикційним графітом, проведені лабораторні випробування ефективності його застосування (35%)).
11. Вузол тертя чотирьохкулькової машини тертя: Пат. 35796 А Україна, МКИ G 01 N 3/56 / Я.М. Дрогомирецький, С.О. Овецький, О.Я. Плахетко (Україна); Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу. - № 98105243; Заявлено 05.10.98; Опубл. 16.04.2001, Бюл. № 3. - 3 с. (Здобувачем розроблено технічну документацію на виготовлення дослідного зразка, проведено його виготовлення та випробування (40%)).
12. Овецький С.О. Класифікація бурових розчинів стосовно їх протиспрацьовувальних властивостей // Тези наук.-техн. конф. проф.-виклад. складу ун-ту (секція механічного факультету). - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ. - 2001. - С. 44 - 46.
АНОТАЦІЯ
Овецький С.О. Підвищення довговічності елементів бурового обладнання на основі застосування модифікованих бурових розчинів.
Дисертація (рукопис) на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, 2006 р.
Захищається 12 наукових праць, які містять теоретичні, експериментальні та промислові дослідження пов’язані з вдосконаленням протизношувальної та змащувальної дії бурових розчинів. Визначені основні види і характеристики умов зношування бурового обладнання та інструменту, елементи тертя яких працюють у середовищі бурового розчину – опор бурового долота, бурильної колони, що треться по обсадній колоні та стінці свердловини; поршень бурового насоса. Виділені основні види бурових розчинів, стосовно їх протизношувальних властивостей, а саме: водні та на водній основі (глинисті), обважнені, мінералізовані, на нафтовій основі. Визначено, що на поверхні тертя для її зносостійкості має значення не тільки кількісна характеристика адсорбції, а і швидкісна її складова. Врахувавши це автор запропонував наступні протизношувальні домішки до бурових розчинів: до водних (глинистих) – колоїдний графіт; до обважнених – модифікований антифрикційний графіт; до мінералізованих – зшитий поліакриламід; до нафтових – суміш натрієвих мил. Проведені лабораторні випробування з імітацією роботи опори бурового долота (чотирикульковий прилад тертя), тертя бурильної колони по обсадній (машина тертя СМЦ-2), по стінці свердловини (прилад тертя ПТ-2), дозволили довести переваги запропонованих протизношувальних домішок над іншими і отримати параметричні та функціональні моделі зношування. Спектрограми адсорбованих плівок в інфрачервоному діапазоні довели справедливість висунутих теорій змащування. Розроблено напрямки практичного використання і впровадження результатів досліджень. Проведено промислові випробування розробок.
Ключові слова: протизношувальна домішка, змащувальна домішка, буровий розчин, машина тертя, адсорбція.
АННОТАЦИЯ
Овецкий С.О. Повышение долговечности элементов бурового оборудования на основе применения модифицированных буровых растворов.
Диссертация (рукопись) на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и изнашивание в машинах. - Хмельницкий национальный университет, г. Хмельницкий, 2006 г.
Защищаются 12 научных работ, которые содержат теоретические, экспериментальные и промышленные исследования, связанные с усовершенствованием противоизносным и смазывающим действием буровых растворов.
В отличие от предшествующих работ, где рассматривались отдельные пары трения и один из многочисленных видов буровых растворов, в данной работе определены основные виды и характеристики условий изнашивания бурового оборудования и инструмента, элементы трения которых работают в среде бурового раствора – опор бурового долота, бурильной колоны, которая трётся по обсадной колоне и стенке скважины; поршень бурового насоса. Также выделены основные виды буровых растворов, относительно их противоизносных свойств, а именно: водные и на водной основе (глинистые), утяжеленные, минерализованные, на нефтяной основе.
Установлено, что на поверхности трения для её износостойкости имеет значения не только количественная характеристика адсорбции, а и скоростная её составляющая. Учитывая это, автор предложил следующие противоизносные добавки для буровых растворов: для водных (глинистых) – коллоидный графит; для утяжеленных – модифицированный антифрикционный графит; для минерализированных – сшитый полиакриламид; для нефтяных – смесь натриевых мыл. Проведены лабораторные испытания с имитацией работы опоры бурового долота (четырехшариковый прибор трения), трения бурильной колоны по обсадной колоне (машина трения СМЦ-2), по стенке скважины (прибор трения по глинистой корке бурового раствора ПТ-2). Они позволили доказать
