Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

RESEARCH OF WORK OF THE ELASTOMER-METAL COUPLES ON THE POWER SECTION OF DOWNHOLE DRILLING MOTORS

Ismakov R.A. 1 Zakirov N.N. 2 Al-sukhili M.Kh. 1 Toropov E.S. 2
1 Ufa State oil technical university
2 Tyumen State Oil and Gas University
1238 KB
In the current drilling technology today pointed out the problems associated with the instability of workdo wnhole drilling motors, they stop, short service life of working devices (WD) and accidents (lapels, destruction elements DDM) layout of the drill string (DS). In particular, the timing of the engines, depending on the size and operating conditions, ranging from 90 to 235 hours. Failures DDM according to drilling companies "Gazprom drilling" and "CSA Deutag» - from 5 to 12 per year; which leads to long-term recovery efforts in the well, or the complete elimination of the latter. From the practice of using found that about 50% of all failures associated with DDM wear working devices are a pair of friction rubber-metal (stainless steel rotor - rubbersteel-stator).Solving complex scientific and engineering problems calls for a considerable amount of experimental research and testing in order to study and obtain an objective assessment of the impact of various factors on the change in the studied parameters. In this regard, we install II-5018 was reconstructed to study the tribological properties of the "elastomer - rinsing liquid - the metal" as applied to the interaction of the friction pair "stator - rotor" in the PDM. To this end, as close to reality friction pair "rubber - metal". The article discusses the problem of choosing the methods of laboratory tests, which must meet the requirements and standards applicable standards and regulations to carry out standardized tribological tests and studies to determine the physical and mechanical properties of rubber.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 improvement of a technique of study of tribological aspects of the power section of screw downhole motors.
tribologicalaspects.
frictionanddeterioration
II-5018
elastomer
rubber-metal
Donwhole drilling motors
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

 

 

 

 

 

           
 
 
               а) до                                                                а) после

 

 

 

 

 

 

 

             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.