Некоторые аспекты трения металлов в буровой технологии

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.