Характер изнашивания уплотнительного элемента герметизатора колтюбинговой установки

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», №4,2015

удк62-762:620:186 Копченков В. Г. [Kopchenkov V. G.], Мацко А. В. [Matsko А. V.]

ХАРАКТЕР ИЗНАШИВАНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ГЕРМЕТИЗАТОРА КОЛТЮБИНГОВОЙ УСТАНОВКИ

Nature of wear stripper coiled tubing unit

В статье описываются преимущества колтюбинговых технологий и проблемы малого срока службы уплотнительного элемента герметизатора устья скважины колтюбинговой установки. Выполнены экспериментальные исследования поверхности трения уплотнительных элементов колтюбинговых установок и получены изображения поверхностей пары трения. Для исследований применялись оптический и атомно-силовой микроскопы. В результате анализа изображений поверхностей безмуфтовых длинномерных труб была определена среднестатистическая шероховатость и характер выступов участвующих в фрикционном контакте. Приведены топографии поверхностей изношенных уплотнительных элементов. Подробно описаны механизмы образования трех видов изнашивания, встречающихся на поверхности трения уплотнителя. Рассмотрены условия, при которых реализуется тот или иной вид изнашивания. Анализ большого эмпирического материала позволил выделить основополагающий вид и механизмы изнашивания уплотнительного элемента.

Ключевые слова: колтюбинговые технологии, безмуфтовая длинномерная труба, герметизатор устья скважины, уплотнительный элемент, износ резин, трение, вид изнашивания, механизм истирания.

The article outlines the benefits of coiled tubing technology and problems of small service life of the sealing element dock wellhead coiled tubing unit. Experimental research of surface friction sealing elements coiled tubing units, and obtained images of surfaces of friction pair. For research used optical and atomic force microscopes. As a result of the analysis of images of surfaces coiled tubing string it was determined the average surface roughness and the nature of projections involved in frictional contact. Given the topography of surfaces worn sealing elements. Describes in detail the mechanisms of formation of three types of wear occurring on the surface of the friction of the seal. The conditions under which a one or another type of wear. Analysis of a large empirical material allowed to identify the underlying mechanisms of appearance and wear of the sealing element.

Key words: coiled tubing technologies, coiled tubing string, wellhead stripper, sealing element, tire wear, friction, kind of wear and tear.

Среди современных проблем добывающих предприятий нефтегазового комплекса России можно выделить геологические, технологические и экономические [1]. К наиболее значимым проблемам технологического характера можно отнести высокую степень интенсивности изнашивания оборудования, что как следствие приводит к поломкам тех-

ники. В частности, к такому оборудованию относится герметизатор устья скважины колтюбинговой установки.

В настоящее время на нефтегазовых промыслах для ремонта скважин все большую популярность набирают колтюбинговые технологии. Особенность гибких труб - безопасное применение на герметизированном устье скважины. Изоляция межтрубного пространства от внешней среды осуществляется с помощью герметизатора. Самым важным требованием является надежная работа уплотнительного элемента, обеспечивающего необходимую герметичность в ходе возвратно-поступательного движения безмуфтовой длинномерной трубы (БДТ).

В процессе эксплуатации резиновый уплотнитель подвергается воздействию большого числа факторов, приводящих к быстрой потере им работоспособности, что может повлечь за собой различные осложнения и простои. Простои и осложнения неминуемо влекут за собой нарушение технологического процесса и экономические издержки. Возникает задача по максимально возможному продлению срока службы уплотнительного элемента. В зависимости от механизма изнашивания физико-механические свойства резин по-разному влияют на износостойкость, поэтому важно знать характер изнашивания. Это позволит в будущем более обоснованно подбирать рецептуру резины для уплотнителя. Определение механизма изнашивания выполнялось через фиксацию топографии поверхности трения. Следует отметить, что подобные исследования поверхности трения уплотнителей колтюбинговых установок в нашей стране не проводились.

Для определения характера изнашивания было выполнено планирование эксперимента, подготовлены образцы БДТ и нескольких изношенных уплотнительных элементов.

Для изучения образцов использовался оптический микроскоп 1М7200, позволяющий сфокусироваться на изображении при 200-кратном увеличении. Проведены исследования участка БДТ, эксплуатируемой в течение года и выполняющей технологические операции по интенсификации призабойной зоны пласта глинокислотными растворами. Шероховатость трубы в результате эксплуатации в агрессивных жидкостях

изменяется. Исследования значительного количества образцов труб дали среднестатистическую эксплуатационную шероховатость К2= 101 мкм. Образец трубы был разрезан в продольном сечении и обработан на шлифовальном станке. После обработки в продольном и поперечном сечении под оптическим микроскопом получили изображения неровностей, участвующих в фрикционном контакте. Можно сделать вывод, что труба имеет сравнительно окатанную поверхность.

Рис. 1. Шероховатость БДТ (х50).

а - поперечное сечение; б - продольное сечение

Для исследований уплотнительных элементов использовались резиновые образцы прямоугольной формы, вырезанные из тела изношенных уплотнителей работавших в разных условиях.

Анализ изношенных образцов уплотнителя с использованием оптического микроскопа 1М7200 показал, что изнашивание идет с образованием продольных совпадающих с направлением движения трубы полос, каверн различной глубины и размеров, перпендикулярных направлению действия силы трения трещин, а также специфического гребенчатого микрорельефа. Для более детального изучения топографии поверхности трения резины использовался электронный атомно-силовой микроскоп «ЛАЙФ» научно-исследовательской лаборатории «Нанотехнологии и биофизика» центра коллективного пользования Северо-Кавказского федерального университета.

На основе анализа изношенных поверхностей уплотнителя выделены три вида изнашивания: усталостный, абразивный и фрикционный.

Основным и пока еще недостаточно решенным вопросом является выбор критерия перехода от преобладающего влияния одного вида износа к другому.

Необходимо отметить что процесс спуска трубы сопровождается смазыванием ее внешней поверхности, чего нельзя в достаточной мере осуществить при подъеме инструмента. В процессе подъема смазывание осуществляется средой, находящейся в скважине. Жидкости в скважине могут быть агрессивными и абразивными или отсутствовать. Следовательно, фрикционная пара работает в совершенно разных условиях, и картина изношенной поверхности будет сильно отличаться в зависимости от присутствия или отсутствия смазочной среды. Когда обильная смазка имеет место, реализуется наименее интенсивный вид изнашивания - усталостный.

Усталостный износ (рис. 2) реализуется, когда единичный акт касания с достаточно окатанными неровностями поверхности трубы (рис. 1) не может вызвать мгновенного разрушения, так как концентрация напряжений относительно невелика, и усилия, характерные для однократного разрушения, не достигаются[2].

В результате многократного действия растягивающих нагрузок и поглощения энергии, на границе контакта формируется слой, подвер-

Рис. 2. Усталостный вид изнашивания поверхности уплотнителя

(х200 (Зй)).

гающийся интенсивной усталостной деструкции. Под действием поля механических и температурных деформаций происходит разрыв межмолекулярных и внутримолекулярных химических связей. В результате этого поверхностный слой разрыхляется, резко снижаются его прочностные свойства и происходит разрыв с образованием множества микротрещин (рис. 3, 4). Последующее действие сдвигающих и сжимающих сил, создаваемых контртелом, ведет к раздиру микротрещин с образованием микрозадиров или чешуек. Изношенная поверхность характеризуется беспорядочным расположением относительно небольших впадин и выступов (рис. 2), а продуктами износа являются мелкие частицы.

В результате абразивного изнашивания на поверхности образуются продольные борозды (рис. 5), совпа-

Рис. 4.

Трещина перпендикулярная движению БДТ (х200).

дающие с направлением движения (показано стрелкой). Механизм изнашивания - микрорезание поверхности острыми гранями конртела и абразивными частицами, которые могут быть закрепленными и находиться в прослойке.

Рис. 5. Поверхность износа со следами продольных царапин

(х200 (30)).

Данный вид износа в определенной степени встречается на всех образцах. В роли абразивных частиц здесь выступают песчинки, поднятые с забоя на трубе, в особенности во время ликвидации песчаных пробок. Фрагменты износа представляют собой стружку или микросколы. Износ характеризуется высоким уровнем интенсивности изнашивания и отсутствием инкубаци-

онного периода [3]. Абразивный износ подробно изучен в работах А. Шалламаха [7], И. В. Крагельского [5]. С. Б. Ратнера [6].

а -

оптический микросокоп 1М7200;

б-

электронный атомно-сило-вой микроскоп «ЛАЙФ».

Рис 6.

Фрикционный вид изнашивания на поверхности уплотнителя.

На поверхности трения уплотнителей, работавших в условиях дефицита смазки, прослеживается гребенчатый микрорельеф (рис. 6). Такая структура поверхности формируется при фрикционном изнашивании и называется «рисунком Шалламаха» [3]. Он состоит из системы гребней и борозд, перпендикулярных направлению движения. Фрикционный вид изнашивания имеет несколько подвидов в соответствии с механизмом изнашивания. Можно выделить износ по механизму образования скаток и зад ирный.

Когда трение осуществляется по относительно гладким поверхностям в условиях высоких коэффициентов трения, повышенных давлений и сравнительно невысоких значений удельной энергии раздира, обнаруживается специфический для высокоэластических материалов износ посредством «скатывания» [2]. Этот интенсивный вид износа характеризуется образованием на поверхности резины «скаток», или рулонов. Он начинается с возникновения трещины на участке максимального растяжения и раздира (разрастания трещины), при котором отделяющийся слой в виде «лоскута» свертывается. Завершением акта разрушения является отделение образовавшейся «скатки».

Задирный механизм [4] и по кинематике, и по топографии изношенной поверхности близок к механизму изнашивания посредством образования скаток. На первом этапе своего развития в результате множественной деформации, вызванной шероховатостью контртела, на поверхности резины образуется трещина. На втором этапе на пятнах контакта образуется система сил, нагружающая поверхностный слой, что ведет к раздиру трещины. Глубина трещины имеет ограничения и, как выяснено, зависит от давления, коэффициента трения, усталостно-прочностных и упруго-гистерезисных свойств резины. После достижения трещиной предельной глубины начинается третий этап изнашивания - задир образовавшейся трещины. На этом этапе трещина резко меняет свое направление, так как дальнейшие ее углубление становится невозможным, вследствие изменения направления и величины напряжений. В результате трещина развивается перпендикулярно прежнему направлению, а в сечении поверхност-

ного слоя образуется след вырыва материала, имеющий форму близкую к треугольник}'. Картина износа поверхностного слоя формируется из большого количества одинаково расположенных вырывов.

Схема разрушения резин при задирном механизме изнашивания приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема разрушения резин при задирном механизме изнаши-

вания:

1 - образование трещины, 2 - отделение фрагмента материала, 3 - развитие трещины в глубь поверхностного слоя, 4 -отделение микрофрагментов большего размера, 5 - развитие трещины на большую глубину

Среднестатистический профиль изношенной рабочей поверхности резинового уплотнителя приведен на рис. 8. На поверхности образуются гребенчатая структура, имеющая в сечении профиль прямоугольного тре-

угольника, средний угол вершины которого равен 12 45°. Шаг гребней определяется шероховатостью контртела, физико-механическими и фрикционными свойствами резины. Средний шаг гребней для данных условий эксплуатации равен 4^13 мкм. Стоит также отметить тот факт, что угол наклона осей гребней стремится к 90

AWWWV/vVW

0 о 40 60 0 100 120

Рис 8. Профиль гребенчатой поверхности полученный

с помощью ATM «ЛАЙФ»

Коэффициент трения не определяет однозначно износ и в частном случае может вообще не влиять на него [2]. При любом режиме, по-видимому, можно предположить существование некоторых критических значений сдвиговых напряжений в контакте, ниже которых для износа необходимо несколько циклов нагружения (усталостное разрушение), а при напряжениях, равным критическим, реализуется однократное разрушение посредством фрикционного механизма (на сравнительно гладких или шероховатых поверхностях с острыми выступами) или абразивный износ (на шероховатых поверхностях с острыми выступами).

В результате анализа механизмов изнашивания, участвующих в создании топографии изношенной поверхности, можно сделать следующий вывод. На образцах одновременно реализуется сразу несколько видов изнашивания. Усталостный и абразивный износ имеют место, и следы их участия в разрушении поверхности трения уплотнителя прослеживаются локально. В большей степени изнашивание реализуется по фрикционному виду. Так как задирный механизм близок к механизму изнашивания посредством образования «скаток», выделить его как основной сложно. Можно предполагать, что при образовании гребенчатой структуры реализуются сразу два этих механизма.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Калашникова И. В., Воприкова А. А. Состояние и проблемы развития нефтегазового комплекса России. Электронное научное издание «Ученые заметки ТОГУ» 2015. Том 6. №2. С. 152-156.

2. Лукомская А. И., Евстратов В. Ф. Основы прогнозирования механического поведения каучуков и резин. М.: Химия, 1975. С. 360.

3. Бродский Г. И., Евстратов В. Ф. Истирание резин. М.: Химия, 1975. С. 240.

4. Копченков В. Г. Исследование закономерностей разрушения резин при ударе под углом к поверхности // Вестник машиностроения. 2004. № 11. С. 38-40.

5. Крагельский И. В. Трение и износ. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

6. Ратнер C.B. Механизм истирания полимеров и критерий подобия //ДАН СССР. 1960. Т. 135. № 2. С. 294-297.

7. Schallamach A., Friction and abrasion of rubber // Wear. 1957/58. V. 1. P. 384-417.; Хим. итехнол. полимеров. 1959. №4. С. 20-54.