Некоторые аспекты трения металлов в буровой технологии

Some aspects of metal friction in drilling technology

R.A. Ismakov,
D.I. Chistov,
Abusal Yusef,
A.R. Yakhin
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Ufa State
Petroleum Technical University
Ufa, 450064, Russian Federation
A.G. Fedotov
«ML VAN Solutions» LLC
Moscow, 115114,
Russian Federation

В связи с развитием инновационных технологий строительства скважин, таких как бурение на обсадной колонне, применение технологии раскатки обсадных колонн, зарезка боковых стволов и крепление боковых стволов на высоких уровнях TAML, исследования трения и изнашивания специального инструмента по схеме «металл-металл» приобретают важное значение. Все эти технологии снижают затраты и ускоряют процессы строительства подземных сооружений, что важно для повышения эффективности добычи нефти и газа. В частности, идея настоящего исследования заключается в определении коэффициентов трения на машине для испытания на трение ИИ-5018 при определенных режимах и по схемам, аналогичным скважинным условиям. Поскольку взаимодействие между металлами во многом определяется твердостью взаимодействующих деталей, эксплуатационными свойствами рабочих поверхностей и составом смазочно-охлаждающей жидкости – изучены и эти аспекты.

With the development of innovative well construction technologies such as casing drilling, casing rolling technology, sidetracking and sidetracking at high TAML levels, studies of friction and wear of special “metal-to-metal” tools have become important. All of these technologies reduce costs and speed up the construction process of underground structures, which is important for increasing the efficiency of oil and gas production. In particular, the idea of this study is to determine the friction coefficients on the AI-5018 friction testing machine under certain modes and according to patterns similar to well conditions. Since the interaction between metals is largely determined by the hardness of the interacting parts, the operational properties of the working surfaces and the composition of the cutting fluid, these aspects have also been studied.

Цель исследования – определение коэффициента трения для пары «металл-металл» по двум схемам: качение ролика внутри трубы и качение ролика с подшипником также внутри трубы. Для проведения лабораторных исследований использовалась машина для испытания на трение ИИ-5018 с некоторой ее модернизацией, поскольку на ней возможна реализация режимов, аналогичных скважинным [1–2]. Ввиду того, что показатели смазочно-охлаждающих свойств важны также для обеспечения долговечности породоразрушающих и специальных инструментов, забойных двигателей, элементов компоновки бурильных колонн, взаимодействующих с горными породами стенок скважин и внутренними поверхностями стальных обсадных колонн [3–6], исследовались буровые растворы со смазочной добавкой разного состава. Несмотря на обширный спектр смазывающих добавок, была выбрана наиболее оптимальная из них, исходя из предыдущих исследований [7–10]. В табл. 1 приведены составы исследованных буровых промывочных жидкостей.
В табл. 2 приведены параметры бурового раствора.

Методика проведения испытания на установке ИИ-5018
Как уже было упомянуто ранее, для испытания была выбрана лабораторная установка ИИ-5018, схема которой представлена на рис. 1, а внешний вид – на рис. 2.
Принцип работы установки состоит в следующем. Специализированная программа, установленная на компьютере 6, подает сигнал на тиристорное управление 7 и электродвигатель 8, что позволяет приводу в целом обеспечивать заданную частоту вращения. Через зубчатую ременную передачу 9 и датчик момента 5 вращение передается на нижний образец – труба 2, к которому с помощью узла нагружения 3 прижимается с задаваемой силой Р образец, диск 1 (с подшипником или без). Создающийся момент трения регистрируется датчиком момента 5 и передается на компьютер.
Исходный прижим образцов с пружинной и с электрическим измерением нагрузки заменен на рычажный с грузами. Трение вращающейся трубы происходит от силы прижатия 3 (обозначено «P») диска 1, имитирующего трение пары о стенку металлической обсадной трубы в скважине. Камера 4 заполняется исследуемой смазочно-охлаждающей жидкостью (буровым промывочным раствором).
Схема взаимодействия при проведении экспериментов в узле трения установки представлена на рис. 3. Следует обратить внимание, что до начала выполнения экспериментов необходимо проверить точность калибровки машины трения ИИ-5018 и также – совпадает ли фактическая частота вращения вала с полученным результатом, отражающимся на экране компьютера. В случае несовпадения, необходимо сделать новую калибровку и исправить полученную частоту вращения на компьютере.

Получение и обработка экспериментальных данных
Испытания проводились с двумя роликами: с подшипником и без подшипника. Измерение коэффициента трения для пары «металл-металл» по схеме труба-ролик с подшипником в среде бурового раствора представлено на рис. 4 и рис. 5.
Образец устанавливается на машине трения и каретка опускается в среду бурового раствора, как показано на рис. 5. Включают систему измерения момента трения, фиксируют время начала опыта, запускают электропривод вала с диском, создают заданную нагрузку на пару трения. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.
Коэффициент трения определялся по формуле [11–12]:

где Мтр - момент трения, Н∙м;
R – радиус диска, м;
P – нагрузка на трубу, Н.
Построенные по полученным результатам графики зависимости коэффициента трения от частоты вращения для схемы с подшипником, при различных нагрузках (рис. 6).
Далее проводились испытания трения в паре «металл-металл» без подшипника, как показано на рис. 7.
Результаты исследования трения в паре «металл-металл» без подшипника [11].
Обработанные результаты экспериментов представлены в табл. 4 и на графиках на рис. 8.

 

Выводы
1. Проведенные на установке ИИ-5018 лабораторные исследования показывают, что применение в паре трения «металл-металл» подшипников, позволяет (в среде исследуемого бурового раствора) снизить коэффициент трения в 4,57 раза при нагрузке на узел в 20 кг, почти в 5 раз при нагрузке 30 кг и в 5,8 раза при нагрузке 40 кг, что необходимо учитывать при разработке технологий и конструировании специальных инструментов для внутрискважинных работ.
2. Частота вращения при трении пары «металл-металл» в среде бурового раствора влияет незначительно, как при взаимодействии по схеме с подшипником, так и без.
3. При проведении работ по реконструкции, капитальном ремонте скважин и других действиях внутри обсаженных стволов нефтяных и газовых скважин, применение подшипников в устройствах и оборудовании, предполагающих трение их элементов о металл колонн, позволяет значительно (в 4–6 раз) снизить трение и, соответственно, износ узлов и механизмов.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации по соглашению
№ 075-15-2022-297 в рамках программы развития НЦМУ.

Литература

1. Абусал Юсеф, Яхин А.Р., Газизов Р.Р. Заявка на изобретение № 2023103803/28(008329) Российская Федерация от 6.02.23 г. Устройство для измерения коэффициента трения пары «металл-металл» / заявитель ФГБОУ ВО УГНТУ. – Текст: непосредственный.
2. Яхин А.Р., Салихов И.Ф., Исмаков Р.А., Гимаев Р.Г. Совершенствование методики регистрации силовых параметров работы системы «металл – горная порода» при бурении скважин // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2013. – № 4. – С. 30–40.
3. Исмаков Р.А., Конесев В.Г., Янгиров Ф.Н., Гаймалетдинова Г.Л., Яхин А.Р. Исследование кинетики изменения толщины граничных слоев смазочных материалов применительно к буровой технологии // SOCAR Proceedings. – 2021. – №. 2. – С. 115–120.
4. Мухаметгалиев И.Д., Аглиуллин А.Х., Исмаков Р.А., Логинова М.Е., Яхин А.Р. Развитие моделирования параметров КНБК для наклонно-направленного бурения // Научные труды НИПИ Нефтегаз ГНКАР. – 2020. – № 4. – С. 15–23.
5. Яхин А.Р. Улучшение триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей применением добавок комплексного действия: дис. … канд. техн. наук. – Уфа. – 2015. – 172 с.
6. Исмаков Р.А., Конесев В.Г., Мамаева О.Г. и др. Исследование смазочных добавок к буровым промывочным жидкостям // История науки и техники. – 2011. – № 12. – С. 152–156.
7. Янгиров Ф.Н., Яхин А.Р., Мустафин Т.С., Дихтярь Т.Д. Обоснование выбора смазочных материалов для буровой технологии // Известия ТПУ. Инжиниринг георесурсов. – 2018. – 239(1). – С. 51–58.
8. Исмаков Р.А., Абусал Юсеф, Маршев В.И. Результаты исследования влияния смазочной добавки для буровых промывочных жидкостей на коэффициент трения пары «металл-металл» // Бурение и нефть. – 2022. – № 7–8. – С. 49.
9. Янгиров Ф.Н., Яхин А.Р., Михеев Л.Д. Совершенствование смазочных добавок к буровым растворам // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов.
– 2016. – № 4 (106). – С. 21–27.
10. Юров В.М., Гученко С.А., Ибраев Н.Х. Определение коэффициента трения скольжения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2010. – № 8. – С. 148–148.
11. Выдрин А.В., Кузнецов В.И., Яковлева К.Ю. Интенсификация процесса волочения за счет расширения диапазона применимости смазочного материала // Механическое оборудование металлургических заводов. – 2016. – № 2 (7). – С. 34–40.

References

1. Abusal Yusef, Yakhin A.R., Gazizov R.R. Application for invention No. 2023103803/28(008329) Russian Federation dated February 6, 23. Device for measuring the coefficient of friction of a «metal-to-metal» pair / applicant FSBEI HE USPTU.
2. Yakhin A.R., Salikhov I.F., Ismakov R.A., Gimaev R.G. Improving the methodology for recording power parameters of the «metal-rock» system when drilling wells // Electronic scientific journal Oil and Gas Business. – 2013. – No. 4. – Pp. 30–40.
3. Ismakov R.A., Konesev V.G., Yangirov F.N., Gaimaletdinova G.L., Yakhin A.R. Study of the kinetics of changes in the thickness of boundary layers of lubricants in relation to drilling technology // SOCAR Proceedings. – 2021. – No. 2. – Pp. 115–120.
4. Mukhametgaliev I.D., Agliullin A.Kh., Ismakov R.A., Loginova M.E., Yakhin A.R. Development of modeling of BHA parameters for directional drilling // Scientific works of NIPI Neftegaz SOCAR. – 2020. – No. 4. – Pp. 15–23.
5. Yakhin A.R. Improving the tribotechnical properties of drilling fluids using complex additives: dis. ...cand. tech. Sci. – Ufa.
– 2015. – P. 172.
6. Ismakov R.A., Konesev V.G., Mamaeva O.G. and others. Research of lubricant additives to drilling fluids // History of science and technology. – 2011. – No.12. – Pp. 152–156.
7. Yangirov F.N., Yakhin A.R., Mustafin T.S., Dikhtyar T.D. Justification for the choice of lubricants for drilling technology // Izvestia TPU. Georesources Engineering. –2018. – 239(1). – Pp. 51–58.
8. Ismakov R.A., Abusal Yusef, Marshev V.I. Results of a study of the influence of a lubricant additive for drilling fluids on the coefficient of friction of a metal-to-metal pair //Drilling and Oil. – 2022. – No. 7–8. – Pp. 49.
9. Yangirov F.N., Yakhin A.R., Mikheev L.D. Improving lubricant additives for drilling fluids // Problems of collection, preparation and transport of oil and petroleum products. – 2016. – No. 4 (106). – Pp. 21–27.
10. Yurov V.M., Guchenko S.A., Ibraev N.Kh. Determination of the sliding friction coefficient // International Journal of Applied and Fundamental Research. – 2010. – No. 8. – Pp. 148.
11. Vydrin A.V., Kuznetsov V.I., Yakovleva K.Yu. Intensification of the drawing process by expanding the range of applicability of the lubricant // Mechanical equipment of metallurgical plants. – 2016. – No. 2 (7). – Pp. 34–40.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей

    Авторизация


    регистрация

    Исмаков Р.А.

    Исмаков Р.А.

    д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Бурение нефтяных и газовых скважин»

    Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)

    Чистов Д.И.

    Чистов Д.И.

    к.т.н., доцент кафедры «Механика и конструирование машин»

    ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» г. Уфа, 450064, РФ

    Абусал Юсеф

    Абусал Юсеф

    аспирант, ассистент кафедры

    Уфимский государственный нефтяной технический университет г. Уфа, 450062, РФ

    Яхин А.Р.

    Яхин А.Р.

    к.т.н, доцент кафедры БНГС, главный специалист отдела развития технологий заканчивания ТРИЗ

    Уфимский государственный нефтяной технический университет г. Уфа, 450064, РФ 2ООО РН-БашНИПИнефть г. Уфа, 450006, РФ

    Федотов А.Г.

    Федотов А.Г.

    зам. генерального директора по развитию технологий

    ООО «МЛ ВАН Солюшенс» г. Москва, 115114, РФ

    Просмотров статьи: 1062

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru