Исследование влияния различных реагентов на противоизносные и антифрикционные свойства буровых промывочных жидкостей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

УДК 622.243.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ РЕАГЕНТОВ НА ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ И АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

© 2011 Р.А. Исмаков1, В.Р. Рахматуллин1, В.Г. Конесев2, В.П. Матюшин1,

А.Р. Яхин1, В.Ю. Никитенко3, Д.Д. Сумароков4

1 ФГБОУ ВПО «Уфимский нефтяной технический университет», г. Уфа 2 ООО «Газпромнефть НТЦ», г. Санкт-Петербург 3 Иркутский филиал ООО «РН-бурение», г. Красноярск 4 ЗАО «Ванкорнефть», г. Красноярск

Поступила в редакцию 10.11.2011

При строительстве глубоких нефтегазовых скважин сложного профиля промывочные жидкости выполняют ответственную функцию смазочноохлаждающей жидкости по отношению к породоразрушающим инструментам, бурильным и обсадным колоннам.

В данной работе приведены некоторые результаты выполненных на кафедре бурения нефтяных и газовых скважин УГНТУ исследований влияния различных реагентов на показатели триботехнических свойств промывочных жидкостей применительно к паре трения «замок бурильной трубы -внутренняя поверхность обсадной трубы». Методика экспериментов приведена в [1], сущность ее заключается в изнашивании образца (вкладыша) из материала обсадной колонны о вращающийся диск из материала замков бурильных труб (схема диск -вкладыш) в среде буровых промывочных жидкостей с различными реагентами.

Удовлетворительные триботехнические свойства показали опытные реагенты БКР-1...БКР-4, представляющие собой комбинации химических соединений с различными функциональными группами. Все модификации реагентов защищены патентами РФ.

В качестве базы сравнения использовались достаточно известные смазочные добавки ДСБ-4ТМ, ФК-2000. Результаты опытов представлены в относительных единицах (по отношению к показателям изнашивания в растворах с базовыми добавками).

На рис. 1 приведены графики зависимости относительной скорости изнашивания стали 45 от удельной нагрузки при промывке различными жидкостями.

Исходный полимерглинистый раствор (ПГР) состоял из воды, глинопорошка куганакского, 0,4% КМЦ и 0,2% кальцинированной соды и имел параметры: плотность 1100 кг/м3, показатель фильтрации (по ВМ-6) 5,0 см3/30 мин., условная вязкость (по СПВ-5) 60 сек. Добавки вводились по 1% от объёма раствора.

Рис. 1. Влияние различных реагентов на относительную скорость изнашивания стали 45.

Для рассматриваемых условий в табл.1 приведены значения коэффициентов трения пары «сталь 45 - сталь 40 Х».Как видно из рис. 1, относительная скорость изнашивания стали 45 при добавлении изучаемых реагентов с ростом удельной нагрузки снижается, что указывает на повышение их эффективности при увеличении энергетической загрузки пары трения. Энергия трения стимулирует защитную роль смазочных добавок, что может быть связано с возрастанием хемосорбционной составляющей в образовании адсорбционных граничных смазочных слоев. Из табл.1 видно, что исследуемые реагенты проявляют достаточно высокие антифрикционные свойства: снижение коэффициента трения пары «сталь - сталь» составляет от 30^40% до двух раз. Благодаря этому снижаются затраты энергии на трение, повышается долговечность бурильных и обсадных колонн.

Из приведенных данных также видно, что опытные реагенты БКР-1 и БКР-2 являются вполне конкурентоспособными по триботехническим показателям с известными смазочными добавками. Следует однако отметить, что указанные опытные реагенты слабо совмещаются с жидкостями на водной основе, и это может создать трудности при их применении на буровой. В то же время они достаточно хороши для получения и регулирования свойств ИЭР.

1066

Механика и машиностроение

Таблица 1. Значения коэффициентов трения пары «сталь 45 - сталь 40Х» в

различных средах

№ Промывочная жидкость Коэффициент трения при удельной нагрузке, Н/см2

95 168 241

1 ПГР 0,33 0,32 0,28

2 №1 + 1% ДСБ-4ТМ 0,22 0,19 0,17

3 №1 + 1% ФК-2000 0,23 0,20 0,18

4 №1 + 1% БКР-1 0,25 0,22 0,20

5 №1 + 1% БКР-2 0,15 0,16 0,17

Поскольку БКР-2 обладает несколько лучшими показателями триботехнических свойств, чем БКР-1, были выполнены исследования по улучшению его совместимости с водными системами и повышению антифрикционных и противоизносных свойств. Это было достигнуто улучшением эмульгирующей способности реагента путем ввода неионогенного ПАВ Синтанол БВ (ТУ 6-36-5744684-85-90) и сернистой присадки на основе пипериленовой фракции, являющейся крупнотоннажным побочным продуктом получения изопрена [2].

Противоизносные и антифрикционные свойства разработанного модифицированного реагента БКР-2М охарактеризуем на при-мере обработки им и его аналогами безглинистого биополимерного промывочного раствора.

На рис. 2 и 3 приведены графики зависимости соответственно относительного коэффициента трения пары «сталь 45 - сталь 40Х» и относительной скорости изнашивания стали 45 от удельной нагрузки при промывке безглинистым раствором с различными добавками. Исходный промывочный раствор (ИР) содержал: 0,2% ^СОз; 0,2% NaOH;

0,4% биополимера «Гаммаксан»; 1,5% модифицированного крахмала «Фито РК»; 5% СаСО3 и имел следующие параметры: плотность 1010 кг/м3, вязкость (по СПВ-5) 46с, показатель фильтрации (по ВМ-6) 17 см3/30 мин.

Из рис. 2 видно, что реагенты БКР-1 и БКР-2 практически не влияют на коэффициент трения стали, а реагенты ФК-2000 и БКР-2М снизили его на 15^17% и 30^35% соответственно. Более существенное и неоднозначное влияние оказали изучаемые реагенты на противоизносные свойства исходного раствора (рис. 3).

при Руд менее 150^170 Н/см2. При больших удельных нагрузках эти реагенты снизили скорость изнашивания стали: БКР-1 - незначительно, БКР-2 -до 2,5 раз, а БКР-2М до 10 раз. Приведённые данные согласуются с известным явлением химического модифицирования поверхностей трения присадками, содержащими такие элементы как сера, фосфор, цинк, барий и др. Для расширения области положительного влияния серосодержащих присадок на три-

ботехнические свойства сред рекомендуется вводить в них фосфор, цинк, хлор и ряд других элементов [3].

Рис. 2. Влияние различных реагентов на относительный коэффициент трения пары «сталь - сталь».

Рис. 3. Влияние различных реагентов на относительную скорость изнашивания стали 45.

Реагенты комплексного действия БКР-3 и БКР-4 разрабатывались нами с целью профилактики затяжек и прихватов бурильных и обсадных колонн в скважинах, а также как противоизносные и смазочные добавки к промывочным жидкостям на водной основе. Для характеристики их триботехнических свойств на рис. 4 и в табл. 2 приведены соответст-

1067

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

венно графики зависимости коэффициента трения от удельной нагрузки и значения относительной скорости изнашивания стали 45 при промывке по-лимерглинистым раствором с различными добавками.

Рис. 4. Влияние различных реагентов на коэффициент трения пары «сталь - сталь».

В целом, выполненные исследования показали, что высокие показатели противоизносных и анти-

фрикционных 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, эмуль-гируемость, пенообразование и пеногашение. Поскольку реагенты разрабатываются для технологических жидкостей на водной основе, то неизбежны процессы гидролиза и омыления определённых 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.

Таблица 2. Значения относительной скорости изнашивания стали 45 в различных средах

№ Промывочная жидкость Значения относительной скорости изнашивания при удельной нагрузке Руд , Н/см2

95 168 241

1 ПГР 1 1 1

2 №1 + 1% ДСБ-4ТМ 0,69 0,74 0,95

3 №1 + 1% БКР-3 0,38 0,43 0,52

4 №1 + 1% БКР-4 0,55 0,60 0,68

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Некоторые аспекты методологии изучения процесса изнашивания нефтепромыслового оборудования/В.П. Матюшин, В.Г. Конесев, Р.А. Исмаков, Ф.Н. Янгиров// Материалы Всероссийской научно-технической конференции. 2010. - С. 240-243.

2. Biglova R.Z., Galimzyanova A.U., Konesev G.V, Zaikov G.E.,

Talipov R.F. Functionalazing of low-molecular, oligomers di-ens and olefins with S-, O-containing compounds.// Book «Syntesis and Properties of Low- and High-molecular Compounds: Quatitative Level» (ed. by G.E. Zaikov, I.V. Saven-kova and K.Z. Gumargalieva). - New York: Nova Science Publishers. 2006. - p. 183-196.

A STUDY INTO THE EFFECTS OF VARIOUS CHEMICAL AGENTS ON ANTIWEAR AND ANTIFRICTION PROPERTIES OF DRILLING FLUIDS

© 2011 R.A. Ismakov1, V.R. Rakhmatullin1, V.G. Konesev2, V.P. Matyushin1, A.R. Yakhin1, V.Yu. Nikitenko3, D.D. Sumarokov4

1 Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia 2 LLC Gazpromneft NTC, Saint Petersburg, Russia 3 LLC RN-Bureniye, Irkutsk branch, Krasnoyarsk, Russia 4 JSC Vankorneft, Krasnoyarsk, Russia

3. Виноградова И.Э. Противоизносные присадки к маслам. -М.: Химия, 1972.-272 с.

4. Пат. 2199570 РФ. Реагент комплексного действия для технологических жидкостей, применяемых в бурении и капитальном ремонте скважин/Г.В. Конесев, В.А. Доки-чев, Р.А. Мулюков и др.//Открытия и изобретения. 2003. - № 6.

5. Конесев Г.В., МавлютовМ.Р., СпивакА.И. и др. Смазочное действие сред в буровой технологии. - М.: Недра, 1993. -272 с.

6. Костецкий Б.И. Структурно-энергетическая приспосаб-ливаемость материалов при трении.//Трение и износ. 1985, Т.2. - С. 201-202.

1068