Влияние градиента температуры на устойчивость эластомера ВЗД при имитации спуско-подъемных операций

Статья посвящена эксперименту по оценке устойчивости эластомера винтового забойного двигателя под действием температурного градиента при имитации спуско-подъемных операций.

Исследовано изменение диаметра образцов резины ИРП-1226 в присутствии различных дисперсионных сред, а также скорость их износа под воздействием режущего элемента.

Подтверждена актуальность разработки теоретического подхода к описанию процессов, происходящих в эластомере под воздействием скважинных условий на различных этапах эксплуатации винтового забойного двигателя. Отмечено, что повышение изностойкости образцов при длительном нахождении под воздействием температуры в соляном растворе может использоваться для увеличения долговечности статора.

В течение последних десятилетий винтовые забойные двигатели прошли эволюционный путь развития, превратившись в эффективное техническое средство для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин, обеспечивающее получение высоких технико-экономических показателей. В каждом нефтяном регионе в определенных интервалах бурения винтовые забойные двигатели обеспечили кратное повышение проходки за долбление по сравнению с турбобурами при незначительном снижении механической скорости, что привело к существенному повышению рейсовой скорости бурения и снижению стоимости 1 метра проходки. Решение задач ремонта скважин самых различных категорий стало значительно проще и дешевле, расширились технические возможности капитального ремонта, что позволило в ряде случаев ввести в число действующих длительно простаивавшие аварийные скважины [1, 2].

«Рабочая пара» - это одно из названий двигательной секции винтового забойного двигателя, именно этот узел определяет основные энергетические параметры забойного двигателя, а также его ресурс и межремонтный период. При всех своих существующих достоинствах, недостатком винтовых забойных двигателей является быстрый износ двигательной секции, реальная наработка двигателя составляет до 150-200 часов относительно расчетной в 400-500 часов [3].

В процессе эксплуатации винтового забойного двигателя, в зависимости от режимов работы, свойств и состава перекачиваемой жидкости, наблюдаются различные виды износа рабочих поверхностей ротора и статора. Анализ условий эксплуатации и характер изношенных деталей рабочих органов демонстрирует сочетания не одного, а нескольких видов износа. Главным образом нарушение работоспособности двигателя связано с износом эластомерной обкладки статора [3-5].

Трение металлического профилированного ротора по сопряженной винтовой поверхности резиновой обкладки статора вызывает односторонний фрикционный износ поверхностей рабочих органов - на левой стороне зубьев ротора или правой части ветви профиля статора, если смотреть со стороны входа жидкости в рабочие органы. Увеличение нагрузки (давления) и скорости скольжения (частоты вращения) влечет за собой повышение фрикционного износа деталей и преждевременный вывод из строя двигательной секции [4].

Работоспособность эластомера зависит от сочетания напряженно-деформированного состояния обкладки и агрессивных свойств перекачиваемой жидкости, поэтому при эксплуатации винтового забойного двигателя необходимо уделять особое внимание выбору подходящего бурового раствора. Эластомеру как техническому материалу необходимо иметь низкую газо- и водонепроницаемость, химическую стойкость. Однако большинство эластомеров способны впитывать в себя газы и легкие агрессивные жидкости. Типичными изменениями, которым подвергаются эластомеры под воздействием агрессивных рабочих агентов, являются: набухание; усадка; затвердевание; размягчение [2, 4, 5].

Кроме того, забойная температура является фактором, ограничивающим эксплуатацию двигателя. Серийные отечественные двигатели рассчитаны на длительную работу при забойной температуре до 100°С. При повышении температуры в резине ИРП-1226, используемой в большинстве отечественных двигателей, происходят необратимые изменения механических свойств, которые приводят к ускоренному износу эластомерной обкладки статора, снижению рабочих характеристик и преждевременному выходу из строя рабочей секции винтового забойного двигателя.

В связи с этим было принято решение провести экспериментальные исследования по оценке устойчивости образцов резины ИРП-1226, к увеличению температуры в двигателе при воздействии различных сред. В ходе эксперимента был сымитирован процесс спуска бурильной колонны, при этом скорость спуска была принята равной 1,5 м/с. В качестве исходных параметров были определены: проектная глубина скважины - 2670 м, геотермический градиент - 3°С/100 м, длина бурильной свечи - 30 м (условно, время операции по наращиванию труб - 4 мин). Согласно исходным данным было рассчитано время эксперимента - 384 мин и конечная температура двигателя - 80°С.

Имитация спуска бурильной колонны и, следовательно, повышения температуры бурового раствора проводилась в сушильном шкафу. Опытные образцы были изготовлены в форме цилиндров диаметром до 43 мм и толщиной до11,5 мм. Они выдерживались в пластиковых контейнерах с полным погружением в жидкую среду при атмосферном давлении. При обработке результатов эксперимента оценивались изменения массы образца и его диаметра с увеличением температуры при нахождении в жидкой среде.

Первоначальное измерение исходных параметров было выполнено при температуре 25°С, последующие измерения производились после каждого повышения температуры на 5°С, за которые имитировался спуск колонны бурильных труб на 165 м (23,5 мин эксперимента). При достижении глубины в 1680 м, измерение параметров образцов стало производиться после каждого повышения температуры на 10°С, за которые имитировался спуск колонны бурильных труб на 330 м (50 мин эксперимента).

В ходе обработки и анализа полученных данных были выявлены следующие закономерности. Для всех образцов было замечено уменьшение массы по окончании эксперимента. Тем не менее в температурном интервале от 25 до 50°С большая часть образцов не имела выраженной тенденции в изменении массы, наблюдалось ее хаотичное изменение. Исключение составили образцы, погруженные в соляной раствор, которые в ходе всего эксперимента имели тенденцию к уменьшению массы. Наибольшему относительному изменению массы подверглись образцы, погруженные в раствор на основе дизельного топлива, нефти и ВМГЗ (см. таблицу 1). Уменьшение массы может быть обусловлено вымыванием из образцов ИРП-1226 пластификатора резины.

Для всех образцов было зафиксировано увеличение диаметра по мере приближения к температуре в 80°С. Температурный интервал от 25 до 40-50°С не имеет четкого тренда к увеличению или уменьшению размера образцов, что свидетельствует о потенциальной опасности для эластомера. Наибольшее относительное изменение диаметра продемонстрировали образцы, погруженные в ВМГЗ, соляной раствор и нефть. Наименьшему относительному увеличению диаметра подверглись образцы, помещенные в щелочной раствор (см. таблицу 1). Таким образом, весь исследованный температурный интервал для рассмотренных дисперсионных сред может оказать негативное воздействие на статор ВЗД. В интервале 25-50°С может наблюдаться неконтролируемое изменение эксплуатационных характеристик двигателя из-за изменения величины зазора, а соответственно, натяга пары «ротор-статор». При больших температурах наблюдается набухание эластомера, которое может стать причиной преждевременного выхода из строя статора двигателя за счет увеличения фрикционных нагрузок на него.

РИС. 1. Зависимость изменения диаметра образцов ИРП-1226 от величины температуры в присутствии различных дисперсионных сред

ТАБЛИЦА 1.

Максимальные значения отклонения массы и объема от исходных параметров

Раствор	Максимальное отклонение от исходной массы, г (температура среды, °С)	Максимальное отклонение от исходного диаметра, мм (температура среды, °С)
Нефть	+0,43 (70)	+0,71 (80)
Дизельное топливо	+0,59 (50)	+0,46 (80)
ВМГЗ	-0,39 (30)	+1,17 (80)
Соляной раствор	-0,14 (35, 80)	+0,92 (80)
Щелочной раствор	+0,25 (40)	+0,43 (80)
Водяной раствор	+0,2 (35)	+0,59 (80)

1^м этапом исследования стала оценка износостойкости образцов резины ИРП-1226, которые подверглись воздействию градиента температуры 25-80°С при имитации спуска винтового забойного двигателя в скважину. Условия износа создавались в специальном цилиндрическом стакане, конструкция которого позволяет зафиксировать неподвижно образец (см. рис. 2). После установки и фиксации образца, стакан наполнялся дисперсионной средой бурового раствора.

Абразивное воздействие на образец создавалось с помощью специального инструмента с режущим профилем размером 2х25 мм (см. рис. 3). Выбор инструмента сделан с целью ускорения процесса эксперимента до полного износа образца. В качестве привода экспериментального стенда был использован вертикальный сверлильный станок. Частота вращения была постоянной для всех экспериментов и равна 180 об/мин. Нагрузка на инструмент создавалась с помощью навески грузов на штурвал станка и составляла для всех экспериментов 2 кг. Результаты исследований приведены в таблице 2.

РИС. 2. Цилиндрический стакан для исследований: 1 - стакан, 2 - крышка-зажим

РИС. 3. Инструмент для абразивного воздействия на образец

ТАБЛИЦА 2.

Результаты эксперимента по оценке времени износа образцов эластомеров после имитации спуско-подъемной операции

Дисперсионная среда	Масса, г	Диаметр, мм	Время износа, мин	Среднее время износа, мин
Нефть	20,63	42,55	42	36,67
	21,34	43,17	33
	19,64	43,43	35
Соляной раствор	22,71	43,11	3	4,33
	19,82	43,27	4
	19,97	42,79	6
Дизельное топливо	19,82	42,62	33	40,33
	21,35	42,82	43
	22,15	42,56	45
Щелочной раствор	20,46	42,76	3	2,67
	20,17	42,32	2
	21,75	42,68	3
Вода	19,75	42,65	2	4,00
	28,23	43,33	6
	23,53	42,69	4
ВМГЗ	20,01	42,84	4	4,67
	21,75	42,29	5
	20,68	42,39	5

ТАБЛИЦА 3.

Время износа образцов эластомера при различных условиях проведения эксперимента

Дисперсионная среда	Без предварительной выдержки в дисперсионной среде	Выдержка более 300 часов при температуре 75°С	Выдержка более 300 часов при температуре 25°С после предварительной заморозки на 72 часа	Имитация спуско-подъемной операции - выдержка 6,5 часа при изменении температуры от 25 до 80°С
Дизельное топливо	17,6 минуты	9,8 минуты	1,3 минуты	40,3 минуты
Соляной раствор	2,6 минуты	25 минут	8,1 минуты	4,3 минуты

Обработка и анализ полученных данных позволили выявить следующие закономерности. Наиболее износостойкими оказались образцы, которые подвергались воздействию температуры, а затем разрушались в присутствии нефти и дизельного топлива. Среднее время полного износа составило 35-40 минут. Остальные дисперсионные среды показали схожие значения времени износа 2-4 минуты. Наименьшие значения были зафиксированы для щелочного раствора.

Отмечено, что полученные результаты не согласуются с ранними исследованиями, в которых разрушались образцы эластомера, находившиеся в дисперсионной среде 300-400 часов при различных температурах. В таблице 3 приведены значения времени износа образцов при различных условиях подготовки образцов к эксперименту на примере дисперсионных сред: дизельное топливо и соляной раствор. Анализируя данные таблицы можно отметить сильное влияние температурного фактора на износостойкость при проведении экспериментов с дизельным топливом. Для соляного раствора замечена обратная тенденция - нахождение эластомера в растворе под воздействием температуры в течение длительного времени приводит к значительному увеличению износостойкости.

Таким образом, подтверждается актуальность разработки теоретического подхода к описанию процессов, происходящих в эластомере под воздействием скважинных условий в различные моменты эксплуатации винтового забойного двигателя. Кроме того, повышение изностойкости образцов при длительном нахождении под воздействием температуры в соляном растворе может использоваться для увеличения долговечности статора в целом. В качестве направления следующих исследований предлагается провести серию экспериментов по оценке скорости износа образца эластомера в присутствии дизельного топлива после предварительной выдержки его в соляном растворе.

Работа выполнена при поддержке Фонда РФФИ (проект №16-38-00701 мол_а).

Литература

1. Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Винтовые гидравлические машины. Том 2. Винтовые забойные двигатели. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 470 с
2. Фуфачев О.И. Исследование и разработка новых конструкций рабочих органов винтовых забойных двигателей для повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик: автореф. дис. ... кандидата технических наук: 05.02.13 / Фуфачев Олег Игоревич. - Москва, 2011. - 138 с.
3. Балденко Д.Ф., Коротаев Ю.А. Современное состояние и перспективы развития отечественных винтовых забойных двигателей [Электронный ресурс] // Журнал «Бурение и нефть», №3, 2012
4. Голдобин Д.А., Коротаев Ю.А. Особенности конструкции и технологии изготовления статоров винтовых забойных двигателей ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент», армированных стальной тонкостенной винтовой оболочкой // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». - 2010. - № 11. - С. 2-4.
5. Фуфачев О.И., Голдобин Д.А. Новые конструкции статоров винтовых забойных двигателей производства ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент» // Бурение и нефть. - 2010. - №6. - С.50-55.

Автор: А.В.Епихин, Р.Э.Щербаков, Институт природных ресурсов