Анализ тенденций развития техники для строительства нефтяных и газовых скважин показывает, что в настоящее время одним из основных приводов породоразрушающих инструментов являются винтовые забойные двигатели (ВЗД) [3]. Широкое применение ВЗД объясняется совершенствованием конструкций долот, имеющих повышенную моментоёмкость, развитием технологии бурения, а также важными эксплуатационными преимуществами этих двигателей:

•                оптимальные кинематические характеристики, обеспечивающие эффективную отработку долот;

•                минимальные осевые габариты, позволяющие использовать ВЗД при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, боковых стволов; 

•                простота сборки и ремонта.

              Двигатель состоит из рабочей пары: ротора и статора, шпиндельной секции, соединительных и переходных узлов и деталей. Ротор и обрезиненный статор многозаходных ВЗД являются наиболее ответственными узлами двигателя, поскольку от качества их изготовления зависят работоспособность и надежность машин. Ротор ВЗД представляет собой многозаходный винт с нарезанным специальным профилем и большим шагом винтовой линии. Статор конструктивно представляет собой корпус в виде металлической трубы с привулканизированной к ней изнутри эластомерной обкладкой с внутренней винтовой поверхностью. В процессе работы обкладка статора воспринимает циклически изменяющиеся нагрузки, реактивный момент и радиальные силы, что обуславливает повышенные требования к точности расчета, проектирования и изготовления статора [3].

Но при всех своих достоинствах винтовой забойный двигатель имеет существенный недостаток – быстрый износ двигательной секции.

Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) статора в процессе эксплуатации упомянутого выше двигателя с кинематическим отношением 9:10, в качестве инструмента анализа  был   выбран  программный комплекс  ANSYS,  реализующий  метод

конечных элементов [5].

Трехмерная геометрическая модель статора была построена в пакете «Компас». Профиль статора при нулевом смещении исходного контура рейки очерчивался эквидистантой укороченной гипоциклоиды [3]. После импорта геометрической модели в пакет ANSYS была произведена ее дискретизация на конечные элементы типа SOLID92. Затем были приложены следующие граничные условия: на внешних поверхностях, привулканизованных к металлической трубе, указана жесткая заделка, на торцевых поверхностях заданы условия симметрии, в качестве нагрузки приложено давление 7 МПа на внутренние поверхности статора.

На рис. 1 графически изображены распределения напряжений  в местах контакта по внутренней поверхности статора. Как видно из этого рисунка, максимальное контактное давление приходится на место контакта впадины статора с зубом ротора.     

 

                                                                                                                            

                                                                                                                             

                                                           Рис. 1. Давление в местах контакта  пары «ротор – статор».

 

                                                                                                                                                                                                                                                                

 

         Рис. 2.  Распределение суммарных перемещений в статоре.

 

Максимальное значение контактного давления составляет 0,78 МПа. Величины  деформации  внутренней  поверхности представлены на рис. 2. Максимальное значение перемещения  составляет 0,31 мм, что примерно соответствует половине заложенного в моделях диаметрального начального натяга в 0,6 мм.

Как было показано выше, резинометаллический статор является элементом, лимитирующим работоспособность двигателя. Одним из актуальных направлений решения задачи повышения его эффективности и технологичности является подбор оптимальных буровых промывочных жидкостей, смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), а также смазочных добавок к последним, обеспечивающих увеличение ресурса работы статора.                              

Исследования в рамках данной работы были проведены на основе имеющихся образцов статора от двигателей: ДРУ1-98РС производства Пермского филиала ВНИИБТ и 7LZ-172 производства КНР. Весь комплекс работ по изучению влияния различных реагентов СОЖ применительно к паре трения «эластомер – металл» был проведен на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» УГНТУ.

Экспериментальные исследования проводились на стандартной машине трения типа ИИ-5018 с модифицированным узлом испытаний [1]. Сущность метода испытаний состоит в истирании испытываемого резинового образца по поверхности стального ролика в соответствующей среде. Поскольку реальные условия контактного взаимодействия ВЗД в паре трения «ротор - статор» часто отличаются от условий и режима проведения лабораторных испытаний, нами также были проведены качественный анализ погрешностей результатов эксперимента и расчет критериев подобия упомянутой установки [2].

Скорость изнашивания эластомера «статора» в общем виде представляет собой следующую зависимость:

                               

                                      (1)

 

где  – удельная нагрузка;

       – частота взаимодействия;

      – скорость скольжения;

       – удельный расход жидкости;

     HB – твёрдость стального диска;

      – качество СОЖ;

     R – радиус кривизны поверхности трения;

     l – геометрические характеристики пары трения.

Коэффициент трения и скорость изнашивания эластомера определяются по формулам:

                                                                                                                       (2)

 

где   – момент трения,;

          R – радиус стального диска, м;

          P – нагрузка на вкладыш (эластомер), H.

 

                                                                                                                           (3)                                                      

 

где   – массовый износ вкладыша, мг;

           t – время опыта, мин;

         – плотность материал вкладыша, мг/;

           S – рабочая площадь контакта вкладыша,.

                                                                                                                                  (4)

 

где  V – объём образца,; m – средний вес образца.

 

Исходя из предыдущей серии экспериментов [4] с различными видами СОЖ (буровыми промывочными жидкостями), удовлетворительные противоизносные и антифрикционные свойства показал полимер-глинистый раствор (ПГР). Его состав: вода, бентонит – 3,5%, мел – 14%, баразан – 0,05%, бактерицид – 0,1%, ПАЦ ВН – 0,2%, ФХЛС – 1%. Параметры: плотность 1100 кг/м3, показатель фильтрации (по ВМ-6) 5,0 см3/30 мин., условная вязкость (по СПВ-5) 60 сек. Добавки вводились постепенно, по 1% от общего объема раствора.

Из табл. 1 видно, что реагенты ФК2000 и Эклюб практически не оказывают влияния на скорость изнашивания образца, а реагенты БКР-7 и СМ-1 оказали более существенное и неоднозначное влияние на противоизносные свойства исходного раствора. При Руд менее 40÷55 Н/см2 и больших удельных нагрузках эти реагенты снизили скорость износа: БКР-7  до 2,5 раз, а СМ-1  до 10 раз.

Полученные данные согласуются с известным явлением химического модифицирования поверхностей трения присадками, содержащими такие элементы, как сера, фосфор, цинк, барий и др. [4].

Таблица 1

Значения относительной скорости изнашивания пары трения

«эластомер – металл» в различных средах (СОЖ)

№	СОЖ	Значения относительной скорости изнашивания  при удельной нагрузке Руд , Н/см2
		30		40		50		55
		№1	№2	№1	№2	№1	№2	№1	№2
1	Вода	0,0176	0,022	0,021	0,026	0,024	0,031	0,027	0,033
2	ПГР № 1	0,007	0,013	0,008	0,015	0,009	0,017	0,010	0,020
3	ПГР № 1+1% СМ1	0,003	0,003	0,004	0,005	0,009	0,012	0,012	0,018
4	ПГР № 1+1% БКР7	0,0037	0,0037	0,0074	0,0083	0,0124	0,0166	0,0244	0,025
5	ПГР № 1+1% ФК2000	0,0055	0,0064	0,0112	0,0129	0,0223	0,025	0,0324	0,0351
6	ПГР № 1+1% эклюб	0,0074	0,0046	0,0148	0,0101	0,0277	0,0203	0,0370	0,0296
7	ПГР № 1+1% луброил	0,0120	0,0102	0,0194	0,0176	0,0333	0,0296	0,0416	0,0379

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             б) до                                                                  б) после                        

                                                 

Рис. 3. Вид поверхности образцов эластомеров ( х 25): а)  7LZ-172;    б) ДРУ1-98 РС.

На рис. 3 представлены фотографии поверхностей образцов эластомеров после проведения испытаний при максимальных значениях первоначального натяга в паре трения.

 Анализируя топографию поверхностей образцов, можно сделать вывод о том, что в данном случае в паре трения реализуется усталостный механизм изнашивания. Об этом свидетельствует наличие характерных складок, перпендикулярных  к направлению движения в процессе испытаний.

Такие складки возникают в результате многократного деформирования, обусловленного наличием сдвиговых напряжений в зоне контакта.

 У образца резины б (ДРУ1-98РС) наблюдается сравнительно большее количество сильно выраженных усталостных складок, что характерно для случая возникновения больших контактных напряжений при проскальзывании.

 Это может быть связано с тем, что резины на основе СКН реализуют более высокие значения коэффициента трения по металлу в сравнении с резинами на основе СКД.                 

Из представленных фотографий видно, что поверхность образцов в зоне контакта зашлифована и имеет низкие значения шероховатости по сравнению с первоначальной. Незначительные усталостные складки имеют очень размытый вид.

Результаты исследований соответствуют общепринятым представлениям о влиянии скорости скольжения на интенсивность изнашивания в парах трения «эластомер - металл» (диаграмма Герси-Штрибека) и подтверждаются работами ВНИИБТ по исследованию интенсивности износа в рабочих органах ВЗД [6].

В целом выполненные исследования доказывают, что высокие показатели противоизносных и антифрикционных свойств реагентов связаны с наличием в них таких функциональных групп, как гидроксильная, карбоксильная, простого и сложного эфиров, азотсодержащих и некоторых элементоорганических соединений. Однако соотношение в комплексном реагенте компонентов, содержащих указанные группы, существенно влияет на технологичность реагента, в т.ч. на его растворимость, эмульгируемость, пенообразование и пеногашение. Поскольку реагенты разрабатываются для технологических жидкостей на водной основе, то неизбежны процессы гидролиза и омыления определенных компонентов при взаимодействии реагента с водой и металлами, особенно в щелочной среде. Поэтому научный и практический интерес представляет задача установления зависимости эффективности различных целевых свойств реагентов от соотношения в них функциональных групп, особенно спиртовой и кислотной.

Согласно проведённым исследованиям напряженно-деформированного состояния  статора в процессе его эксплуатации, установлено, что максимальное значение контактного давления составляет 0,78 МПа, а величина максимальных значений перемещения ротора  составляет 0,31 мм, что примерно соответствует половине заложенного в моделях диаметрального начального натяга в 0,6 мм.

              Реконструкция узла трения экспериментальной установки ИИ-5018, с учетом выявленных при моделировании параметров, позволила исследовать влияния СОЖ на работоспособность рабочих органов ВЗД. Модернизированная машина трения обеспечила имитацию физического подобия процесса изнашивания и трения пары «статор – ротор».

              Рекомендуется использовать данную методику для совершенствования знаний о механике и свойствах эластомеров при взаимодействии с различными СОЖ.                                                                                                                                                                                     

Рецензенты:

Бастриков С.Н., д.т.н., профессор, СибНИИНП, г. Тюмень;

Мулявин С.Ф., д.т.н., профессор, СибНИИНП, г. Тюмень.