УДК 622.24

Анализ влияния различных сред на резину эластомера винтового забойного двигателя

Мотигулин Ренат Рустемович – студент кафедры «Бурения нефтяных и газовых скважин» Санкт-Петербургского государственного университета императрицы Екатерины II.

Аннотация: в связи с активным развитие наклонно-направленного бурения все больше возникает потребность в двигателях с оптимальным набором характеристик. Поэтому широкое распространение получили винтовые забойные двигатели с частотой вращения до 150 об/мин и c высоким крутящим моментом, что является основополагающим фактором в эффективности разрушения горных пород. Одним из недостатков такого двигателя является низкий срок службы рабочей пары. В связи с этим возникают дополнительные издержки, связанные с необходимостью замены двигателя и увеличением спускоподъемных операций.

Ключевые слова: бурение, винтовой забойный двигатель, буровой раствор, эластомер, каучук.

Общие вопросы износостойкости резины

В общем случае состав резины эластомера выглядит следующим образом:

• каучук
• вулканизатор (чаще всего это атомы серы)
• наполнители (углерод)
• смягчающие добавки
• технологические добавки
• противостарители

Наиболее часто в нефтегазовом деле используют бутадиен-нитриловый каучук, который отличается своей маслостойкостью и большой жесткостью. Строение цепи полимера представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Строение БНК

В первую очередь, износостойкость эластомера связана со степенью механического взаимодействия поверхностей, их взаимной адгезии. Было установлено, что коэффициент трения резин снижается с ростом температуры, по причине вымывания пластификатора, но после прохождения определенного значения происходит небольшой рост.

После достижения критической концентрации агрессивной среды резина набухает и это приводит к еще большему износу. В бурении это играет важную роль поскольку в контакте ротор и эластомер происходит постоянный циклический поверхностный контакт в среде многокомпонентного бурового раствора.

Экспериментально установлен факт, что большая часть смягчающих элементов, некоторые вулканизующие вещества, ускорители и активаторы вулканизации, добавки, снижающие старение, под действием углеводородов экстрагируются.

«Вид технического углерода определяет износостойкость резиновых изделий. Экспериментально установлено, что изменение происходит в 6–8 раз, а при использовании резины СКС и СКД износостойкость может увеличиться в 25–30 раз по сравнению с ненаполненными материалами». [4]

Отмечено, что фторкаучуки обладают наибольшей устойчивостью к воздействию нефтепродуктов. Также хорошие показатели демонстрируют резины на основе БНК и эпихлоргидриновых каучуков. Несколько меньшая стойкость наблюдается у полиуретановых и наиритовых резин.

Влияние различных сред на резину эластомера

Все каучуки инертны по отношению к воде. Резиновые изделия должны сохранять свои свойства при взаимодействии с различными веществами, например, во время бурения нефтяных и газовых скважин на большой глубине.

Большинство растворов в современном бурении в своем составе имеют различные компоненты, которые так или иначе влияют на эластомер, и актуальной задачей на сегодня является изучения влияния каждого отдельного элемента раствора.

В некоторых работах отмечено влияние солей на эластомер. Были проведены эксперименты, в ходе которых выяснилось, что истирание образцов среде натрия намного меньше, чем в растворах, содержащих другие соли, например, бария или магния.

Существенное влияние на резину эластомера оказывает температурный фактор. Бактерицид, содержащийся в растворе, также может привести к значительному набуханию. На рисунке 2 продемонстрировано поведение эластомера в среде СНПХ-ПКД-515. [1]

Рисунок 2. Зависимость изменения диаметра образцов эластомера от длительности эксперимента

Развитие буровых растворов на углеводородной основе порождает проблему в использовании винтовых забойных двигателей с такими системами. Поэтому на сегодняшний день необходимо изучения влияния конкретных видов углеводородных сред на резиновую обкладку.

Традиционно для производства статоров ВЗД применялась резина на базе БНК — ИРП-1226. Но в процессе использования двигателя были обнаружены недостатки. Во-первых, это малая усталостная прочность, а во-вторых, неустойчивость к низким температурам. [2]

«Реагенты ФК2000 и Эклюб, которые являются основными смазывающими компонентами в буровых растворах, практически не оказывают влияния на скорость изнашивания эластомеров, а реагенты БКР-7 и
 СМ-1 оказали наибольшее влияние на противоизносные свойства исходного раствора. При больших удельных нагрузках эти реагенты снизили скорость износа: БКР-7 до 2,5 раз, а СМ-1 до 10 раз».[6]

Общие требования к эластомерам, как техническим материалам, включают низкую газопроницаемость и водопроницаемость, а также химическая стойкость. Однако большинство материалов склонны к поглощению газов и лёгких агрессивных жидкостей.

Особо важным фактором является забойная температура. Ее высокий перепад при эксплуатации может привести к преждевременному выходу из строя оборудования, аварийным ситуациям и увеличению себестоимости строительства скважины.

При повышении температуры в резине ИРП-1226, которая используется в большинстве отечественных двигателей, происходят необратимые изменения механических свойств. Это приводит к повышенному износу эластомерной обкладки статора, снижению рабочих характеристик и быстрому выходу из строя двигательной секции. [3]

Список литературы

1. Сулеймов, М. Т. Изучение влияния растворов солей на эластомер с целью повышения ресурса винтового забойного двигателя / М. Т. Сулеймов // Технические науки.  Уфа: 2019.  С. 21-23.
2. Балденко Д.Ф. Винтовые забойные двигатели: Справочное пособ.  М.: ОАО "Издательство "Недра", 1999. - 375 с.
3. Исмаков Р.А., Закиров Н.Н., Аль-Сухили М.Х., Торопов Е.С. Исследование работы пары «эластомер - металл» силовой секции винтового забойного двигателя // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-3.
4. Епихин А.В. Исследование влияния дизельного топлива на резину эластомера винтового забойного двигателя в температурном интервале 25–90 °С / А.В. Епихин, В.В. Мельников, А.А. Бер, К.М. Минаев // Экспозиция Нефть Газ. – Набережные Челны, 2016. № 6 (52). С. 68-70.
5. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков ЮМ. Буровые промывочные и тампонажные растворы: Учеб, пособие для вузов. — М.: ОАО «Издательство «Недра», 1999.  424 с.
6. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. Учеб, для вузов. — М.: Недра, 1974. - 456 с.