Определение коэффициента трения в системе бурильные трубы - промывочная жидкость - стенка ствола скважины

Установка СР-1 (рисунок 4.22) представляет собой четырехшариковую машину трения (ЧШМ).

Ванна-обойма 1 установки служит для жесткого закреп­ления нижних шаров в чаше 2 и емко­стью для исследуемой промывочной жидкости. Верхний шар, неподвижно закрепленный в обойме 3 шпинделя 4, прижимается к нижним шарам усилием Р и вращается с частотой n. Возникаю­щий при трении шаров момент трения воспринимается тарированной

пружи­ной (торсионом) 5, жестко связанной со шкалой 6, и определяется по формуле (4.36) где: К - константа прибора (цена деле­ния шкалы), Н × м; j - число делений шкалы (отсчет по шкале). В ЧШМ центры шаров образуют в пространстве правильный тетраэдр, угол между высотой и ребром которого равен 35020¢. Исходя из этого: (4.37)

Рисунок 4.22 – Установка СР-1

Кроме того, существуют трибометры, базирующиеся на оценке коэффициента трения по затратам мощности. Этот метод определения коэффициента трения реализуется, в частности, в установке УСР-1, разработанной ОАО НПО «Бурение» совместно с заводом «ЗИП-Спецтехника» и по сути являющейся аналогом EP/Lubricity Tester фирмы Fann Instrument.

4.6.2 Измерение коэффициента трения пары «бурильные трубы – фильтрационная корка»

Фрикционные свойства характеризуются коэффициентом трения, измеряемом на приборах типа ФСК или КТК-2. Схема прибора КТК-2 приведена на рисунке 4.23 Принцип действия прибора основан на измерении "угла трения".

Порядок работы:

- столик 1 вместе с подвижной плитой 6 приводят в горизонтальное положение с помощью винтов 2 и уровня;

- протирают авиационным бензином или спиртом и просушивают груз 9;

Рисунок 4.23 - Прибор для определения коэффициента трения фильтрационной корки буровой промывочной жидкости КТК-2

- фильтрационную корку, полученную на приборе ВМ-6, устанавливают на вогнутое ложе 8, на корку кладут груз 9;

- медленным непрерывным вращением винта 7 по часовой стрелке приводят в движение подвижную плиту 6 и наблюдают за положе­нием груза;

- в момент страгивания груза прекращают вращение вин­та, по шкале 10 и стрелке 11 определяют значение утла трения;

- полученное в результате измерения показание угла в градусах по табл. 1 переводят в коэффициент трения;

(4.38)

- заносят в журнал регистрации параметров промывоч­ной жидкости подученное значение коэффициента трения. По величине коэффициента трения корки можно косвенно оценить также абразивность твердой фазы промывочной жидкости.

В таблице 4.2 приведены значения коэффициента трения при фиксированном угле наклона подвижной плиты прибора КТК-2.

Таблица 4.2 - Значения коэффициента трения при фиксированном угле наклона подвижной плиты прибора КТК-2

4.6.3 Определение cмазочных свойств БПЖ на приборе фирмы «Бароид»

Комбинированный прибор фирмы «Бароид» для измерения давления и определения смазывающей способности представляет собой высококачественное устройство, применяемое для измерения смазывающей способности буровых растворов и получения данных для оценки типа и количества смазочной добавки (рисунок 4.24).

Рисунок 4.24 - Комбинированный прибор фирмы «Бароид» для измерения давления и определения смазывающей способности

Коэффициент трения m между двумя твердыми телами определяется как F / W, где F - обозначает силу трения, а W - нагрузку или силу перпендикулярную поверхностям. Применительно к прибору для исследования смазочных свойств, W - это сила, с которой блок прижимается к кольцу с помощью рукоятки крутящего момента. Сила F, необходимая для скольжения поверхностей блока и кольца относительно друг друга с заданной скоростью, измеряется числом ампер, необходимых для вращения кольца при заданном числе оборотов в минуту.

Порядок работы:

- очищают кольцо и блок с помощью обычного очистителя (AJAX или COMET) и тщательно ополаскивают водой. Перед началом испытаний все части устройства в зоне нахождения образца очищают. В их состав входят чашка из нержавеющей стали, в водный изолятор, держатель чашки, держатель блока и нижняя часть оси;

- помещают кольцо на основную ось и, используя гаечный ключ, закрепляют его на держателе. Кольцо должно быть расположено перпендикулярно конусу оси. Так как загрязнение может исказить результаты испытания, желательно не дотрагиваться до кольца;

- помещают блок в держатель (плоская часть должна быть справа);

- подключают прибор через трансформатор к источнику электроэнергии и дают поработать в течение 15 минут;

- устанавливают счетчик крутящего момента на 60 об/мин. (верхний регулятор - RPM), а показатель счетчика (нижний регулятор - TORQUE) в положение «0»;

- заполняют чашку для образца дистиллированной водой и ставят на подставку;

- подставку поднимают так, чтобы пара «кольцо-блок» была погружена в жидкость, и закрепляют винтом;

- определяют положение динамометрического ключа так, чтобы подогнать его под внутреннюю вогнутую часть зажима рукоятки. Поворачивают рукоятку зажима несколько раз против часовой стрелки, чтобы убедиться, что никакая сила на блок не действует;

- повторно устанавливают счетчик крутящего момента на 60 об/мин. (верхний регулятор - RPM), а показатель счетчика (нижний регулятор - TORQUE) в положение «0»;

- дают прибору поработать в течение 5 минут;

- устанавливают «0» на шкале динамометрического ключа;

- поворачивают рукоятку зажима по часовой стрелке так, чтобы получить значение 150 дюйм-фунтов крутящего момента;

- дают прибору поработать в течение 4-5 минут;

- по истечении 4-5 минут проверяют показания счетчика. Они должны быть между 33 и 37 ± 2.

Коэффициент трения составляет показания счетчика крутящего момента, деленное на 100. Значение коэффициента трения для воды должно находиться в диапазоне от 0,33 до 0,37 при 60 об/мин. и силе 150 дюйм-фунтов. Если значение коэффициента трения для воды находится в этих пределах, приступают к очистке и измерению образца.

Измерение образца:

- перемешивают жидкость образца в течение 10 минут;

- вливают жидкость в чашку, помещают чашку на подставку и поднимают до погружения всех металлических поверхностей (держатель блока и кольцо) в жидкость;

- закрепляют данное положение винтом;

- повторно проверяют RPM (60 об/мин.) и крутящий момент («0»);

- прикладывают крутящий момент 150 дюйм-фунтов и дают прибору поработать 3-5 минут;

- после 3-5 минут работы прибора записывают показания крутящего момента, затем снижают крутящий момент.

Для определения смазочной способности другой испытуемой жидкости проводят тщательную очистку всех элементов прибора.

Если значение коэффициента трения для воды не попадает в требуемый диапазон значений, то поверхности кольца и блока повторно подвергают обработке или калибровке. Если блок калиброван, то он должен иметь значительную часть (по крайней мере 1/2) его искривленной поверхности изношенной до блеска с минимальным количеством бороздчатых линий через эту полированную поверхность.

Режимы обработки:

- проверяют все поверхности на чистоту и центрируют поверхность износа по середине кривизны блока;

- во время работы прибора со скоростью от 100 до 200 об/мин повторно обрабатывают поверхности водой, применяя шлифовальную смесь, наносимую на кольцо, и прикладывая силу 150 дюйм-фунтов. После 5 минут останавливают вращение, чтобы повторно нанести шлифовальную смесь на кольцо. Затем повторно в течение 5 минут необходимо приложить силу 150 дюйм-фунтов. Эту процедуру повторяют от 3 до 4 раз.

- используют AJAX или COMET с хлоринолом для удаления смазки и тщательно ополаскивают. Смешивают две столовые ложки окиси алюминия с чашкой дистиллированной воды и погружают блок и кольцо в эту смесь.

- при силе 50 дюйм-фунтов между кольцом и блоком включают прибор на 5 минут со скоростью 700-1000 об/мин. Затем сокращают крутящий момент до 25 дюйм-фунтов еще на 5 минут.

- проверяют, чтобы кольцо и блок имели гладкую поверхность с минимальным количеством рубцов. Очищают поверхности (как в п. 4.11.2) и применяют силу в 150 дюйм-фунтов в чистой воде. Если показания 33-37 все еще не будут достигнуты, обращаются к самостоятельной калибровке.