Коэффициенты граничного трения

Рис. 16. Схема стенда для исследования трения муфт, штанг и центраторов

Сухое трение сопровождается заеданием трущихся тел, по­вышенным износом труб и штанг. Если в продукции скважины, в которой пара трения труба - штанга работает в режиме сухого трения, содержится большое количество пластовой воды и аг­рессивных газов, износ может принять катастрофический ха­рактер, что служит причиной частых отказов насосного обо­рудования.

Увеличение числа Зоммерфельда во избежание режима сухого трения может быть достигнуто повышением вязкости откачи­ваемой жидкости и добавлением высокомолекулярных соединений или применением технико-технологических средств для умень­шения прижимающей силы.

Третья серия экспериментальных исследований трения штанг, муфт и штанговых центраторов проведена на лабораторной ус­тановке (рис. 16) [21].

Стенд содержит механизм возвратно-поступательного дви­жения, приводящий в движение раму, на которой закреплена модель колонны штанг 2. Возникающая при этом сила трения непрерывно фиксируется при помощи тензометрической аппа­ратуры 1.

Имитатор НКТ прижимается снизу к модели штанг посред­ством узла нагружения 3. Воспроизводство натурных (скважинных) условий обеспечивается циркуляцией жидкости в зоне трения. Гидравлическая система 4 позволяет варьировать вяз­кость и обеспечивает естественный вынос продуктов износа. В скважинных условиях в зоне трения штанг и муфт о насосные трубы в основном жидкость движется в ламинарном режиме. Ламинарный режим достигается применением в качестве рабочей

Рис. 17. Коэффициент трения штанг, муфт и центраторов:

1 - штанга диаметром 19 мм; 2 - штанга 22 мм; 3 - муфта 46 мм; 4 - муфта 42 мм; 5 -шариковый центратор 12,7 мм; б - то же, 11,5 мм; 7 - то же, 10,5 мм; 8 - центратор сбор­ный из двух частей; 9 - цент­ратор цельный цилиндрический

жидкости индустриального масла И - 40А вязкостью 0,064 Па*с и регулированием его расхода. Прижимающая сила в опытах составляла от 70 до 700 Н. Скорость движения образца ко­лонны штанг изменяется по синусоидальному закону, что соответствует скважинным условиям. Достигаемая максималь­ная скорость на стендах равна 0,7 м/с при S = 0,15 м и п = 90 мин^-1, на скважинах наиболее распространенный режим характеризуется S = 2,5 м, п = 6 мин^-1 и максимальной ско­ростью 0,78 м/с.

В скважине из-за высокой гибкости штанг касание штанговой муфты стенок трубы происходит в большинстве случаев по всей ее длине. Поэтому при исследовании штанговых муфт и поли­мерных центраторов обеспечивался контакт по всей длине об­разцов. Исследуемые имитаторы до начала опыта предварительно притирают друг к другу при максимальной (700 Н) нагрузке в течение часа, так как в период первичной притирки коэффи­циент трения резко изменяется во времени. Полученные ре­зультаты без предварительной притирки показали, что проис­ходит заметное снижение значений коэффициента трения при одном и том же прижимающем усилии в течение первого часа притирки. Сказывается значительное уменьшение шероховатости поверхностей новых образцов штанг, муфт и НКТ.

Исследования проводили при увеличивающейся (от 0 до 700 Н) удельной прижимающей нагрузке, при этом фиксировали силу трения в паре. Для исключения случайных ошибок при

Рис. 18. Зависимость коэффициента трения штанг, муфт и центра-торов от приведенно­го числа Зоммерфельда (Обозначения см. рис. 17)

измерении силы трения установку выводили на режим в течение 30 мин. После этого производили запись силы трения. При за­мене имитатора колонны штанг имитатор НКТ не меняли, а только поворачивали вокруг своей оси для смены места трения. Опыты проводили с использованием натурных образцов штанг диаметром 19 и 22 мм (рис. 17, кривые 1, 2), а также соот­ветствующих им штанговых муфт (кривые 3, 4). Кроме того, исследовались специально разработанные шариковые металли­ческие центраторы штанг трех типов (кривые 5, 6, 7) и ци­линдрические полимерные центраторы двух типов (кривые 8, 9) для штанг диаметром 22 мм. Исследования проводили с ис­пользованием образцов длиной 50 см в качестве имитатора штанг, а также образца НКТ длиной 26 см.

На графиках показана зависимость коэффициента трения штанг, муфт и центраторов от числа Зоммерфельда. Расчет производили для максимальной скорости движения образца. Си­лу трения определяли соответствующую этой скорости.

На рис. 18 показаны графики, для которых число

Рис. 19. Зависимость коэффициента трения:

а - от прижимающей нагрузки для муфт диаметром 42 мм; 1 - нефть вязкостью 35 МПа*с; 2 - то же, 64 МПа * с; 3 - то же, 262 МПа * с; 4 - масло И-40А; б -от числа Зоммерфельда; 1,1' - тело штанг диаметром 22 мм; 2,2 - муфта 42 мм; 3,3' - полиэтиленовый центратор 53 мм; 4,4' - шариковый центратор 46 мм; I - нефть вязкостью 35 МПа*с; II - то же, 262 МПа * с; III - то же, 64 МПа * с; IV - смазочное масло И-40А вязкостью 64 МПа * с

Зоммерфельда приведено на длину штанги (0,5 м) с целью упрощения сопоставительного анализа коэффициентов трения разных конструкций центраторов при одинаковых удельных прижимающих силах на длину штанги.

Анализ результатов показывает, что наименьший коэффициент трения имеют полимерные центраторы обеих вариантов в до­вольно большом диапазоне изменения So (см. рис. 17, кривые 8, 9), причем он меньше для цилиндрического удлиненного ва­рианта. Металлические центраторы имеют больший коэффициент трения (см. рис. 17, кривые 5, 6, 7) по сравнению с поли­мерными центраторами, но меньший по сравнению со штанговыми муфтами. Это достигается частичной заменой трения скольжения на трение качения - конструкция центраторов предусматривает применение шариков, свободно вращающихся в обоймах. Данные центраторы отличаются друг от друга лишь диаметром шариков. Больший коэффициент трения для тела штанг (см. рис. 17, кривые 7, 2) по сравнению с муфтами (кривые 3, 4) объяс­няется большей шероховатостью поверхности именьшим диамет­ром. Результаты опытов, показанные на рис. 17, 18, позволяют определить предпочтительность применения предлагаемых цент­раторов путем сравнения соответствующих значений коэффи­циентов трения.

На рис. 19, а представлена зависимость коэффициента тре­ния от усилия, приложенного к штанговой муфте для нефтей различной вязкости. Из графиков видно, что характер зави­симости коэффициента трения от прижимающей нагрузки с из­менением вязкости нефти меняется. Для нефтей высокой вязкос­ти (262 МПа * с) с увеличением прижимающей нагрузки коэффици­ент трения вначале падает до минимума, а затем монотонно возрастает, а для нефтей меньшей вязкости (35 и 64 МПа*с) имеет только возрастающий характер.

По этим же данным построен график в координатах (рис. 19, б, кривая 2). Такая обработка данных позволила установить закономерность изменения коэффициента трения от числа Зоммерфельда. Причем данные, дающие разный характер графиков на рис. 19, а и 19, б, четко располагаются на одной кривой 2 [21].

В опытах с применением полимерных центраторов наблюдался их значительный механический износ [13]. Металлические центраторы не изнашиваются, но подвергают незначительному износу образец НКТ. Следует отметить, что присутствие аб­разивных механических примесей, особенно мелких фракций, существенно уменьшает срок службы центраторов.