Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА
ОБСАДНЫЕ ТРУБЫ
2.1. Методика исследований триботехнических характеристик пары трения «замок –
обсадная труба»
При работе замков бурильных труб, у которых наружная поверхность наплавлена
износостойким материалом, в обсаженном стволе скважины, особую актуальность
приобретает вопрос изнашивания внутренней поверхности обсадных труб. Изучению
этого вопроса посвящен ряд работ [84 – 87], авторы которых, в лабораторных
условиях моделировали взаимодействие замка и обсадной трубы.
В.Я. Воротников, В.Н. Куценко и С.В.Иванов [85] исследовали изнашивание
образцов, которые изготовлены из наплавленных износостойкими материалами
замков, при их работе по закрепленному вкладышу, выполненному из обсадной
трубы. Исследования проводили при контактном давлении 5 МПа, частоте вращения
подвижного образца замка 2,0 с-1 с подачей в зону трения технической воды.
Недостатком этой методики является проведение исследований только при одном
значении нагрузки без подачи в зону трения широко применяемых в бурении
глинистых растворов и отсутствие возможности измерения коэффициента трения.
Авторы работы [84] провели исследование изнашиваемости материала легкосплавных
бурильных труб (Д16Т) и стали 40ХН при их работе по горной породе. Эксперименты
проводили в реальном диапазоне контактных давлений (0,15...4,0 МПа) с подачей в
зону трения глинистого раствора. В результате анализа выполненных исследований
Р. Г. Голубевым и А. А. Новиковым [84] сделан вывод о необходимости
износостойкой наплавки, в частности наружной поверхности замков. Однако
исследования износостойкости наплавочных материалов и их воздействие на
обсадные трубы не проводили, что, очевидно, не входило в задачи указанных
экспериментов.
Несомненный интерес представляет методика исследований, приведенная в работе
[86], предусматривающая отработку пар трения из стали 40ХН и 45Г по схеме "диск
– колодка" в среде насыщенного раствора MnCl2, проходящего через медную трубку.
Однако возможность использования явления избирательного переноса, полученного
авторами в реальных условиях контакта наружной поверхности замка с обсадной
трубой вызывает сомнение.
Известна методика [87], согласно которой моделирование взаимодействия замка с
обсадной трубой осуществляли вращающимся диском из стали 40ХН, к которому
прижимается неподвижная колодка из стали группы прочности Д. Площадь контакта
пары трения составляла 10-4 м2 . Исследования проводили при различных усилиях
прижатия образцов (200...500 Н), что соответствует контактным давлениям 2...5
МПа, с подачей в зону трения глинистого раствора. Свойства материалов,
составляющих пару трения, оценивали по весовому износу и коэффициенту трения.
Автором проведен большой объем исследований различных материалов обсадных труб
при трении их по стали 40ХН, однако в задачи методики не входило исследование
влияния наплавочных материалов на изнашивание обсадных труб.
Таким образом, износ в условиях непосредственного взаимодействия наружной
поверхности замка, упрочненного износостойким материалом, мало изучен. В связи
с этим представляется целесообразным проведение исследований, основная цель
которых состоит в оценке влияния наплавочных материалов, повышающих
износостойкость наружной поверхности замков бурильных труб, на износ обсадной
колонны. Определение качественных процессов, происходящих на поверхности
контакта трения, не входило в задачи исследований.
В настоящей работе для исследования триботехнических характеристик пары трения
«замок – обсадная труба» была выбрана схема трения: диск – колодка (рис. 2.1).
При этом вращающийся диск имитирует вращающийся замок, а неподвижная колодка –
обсадную трубу. В качестве базовой пары трения выбраны диск из стали 40ХН, и
колодка из стали группы прочности Д (сталь 45Г). Механические характеристики
сталей, из которых выпускаются обсадные трубы, регламентируются ГОСТ 632 – 80
(табл. 2.1).
Таблица 2.1
Механические свойства сталей, применяемых для изготовления обсадных труб (ГОСТ
632 – 80)
Группа прочности
Предел текучести, МПа
Временное сопротивление разрыву, МПа
Относительное удлинение,
5
10
314
539
18
14
372
537
16
12
490
686
12
10
539
735
12
10
637
784
12
10
735
882
12
10
931
1078
12
10
Для исследования пар трения "износостойкий металл – сталь группы прочности Д"
диски изготавливали из Ст. 3 с последующей наплавкой поверхности контакта
(рис.2.2). В качестве наплавочных материалов использовали серийно выпускаемые
порошковые проволоки, отличающиеся высокой износостойкостью в условиях
абразивного изнашивания: ПП-АН135 (250Х10Б8С2), БН-23 (350Х10Б8Т2), ПП-АН170
(80Х20Р3Т), а также композиционные материалы – ленточный релит с армирующими
зернами следующих размеров: 0,40...0,63, 0,63...0,90, 0,90...1,6 мм с матрицей
на основе низкоуглеродистой стали 08кп (табл. 2.2). Наружный диаметр диска
после механической обработки составлял 50 мм, а шероховатость поверхности
обеспечивалась не более Rz 6,3.
Рис.2.1. Схема трения «диск – колодка»:
1– обойма; 2 – колодка; 3 – диск
Рис. 2.2. Диск из Ст.3, наплавленный порошковой проволокой
ПП-АН135 (250Х10Б8С2)
Таблица 2.2
Наплавочные материалы для исследования взаимодействия с обсадной трубой
Наплавочный
материал
Химический состав наплавленного металла, мас. %
Твердость,
HRCэ
Cr
Mn
Si
Ti
Nb
250Х10Б8С2
2,3…2,7
8,5…11,5
1,5…2,5
0,5…1,2
6,5…9,0
56…58
350Х10Б8Т2
3,2…3,8
8,0…12,0
1,4…2,2
0,2…0,6
7,0…12,0
50…56
80Х20Р3Т
0,5…1,0
18,0…23,0
не более 1,0
не более 1,0
0,1…0,8
2,7…3,6