Коэффициенты граничного трения
Пара трения | а | b | с | d |
Труба - муфта | 7,01 | 0,10 | 0,54 | 9,13 * 103 |
Труба - штанга | 30,51 | 0,06 | 0,49 | 5,77 * 103 |
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.
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 429;