mzm-500型油井鉆桿-套管摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研制

mzm-500型油井鉆桿-套管摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研制

mzm—引言隨著定向井、大位移井、水平井和井的比例增加，鉆頭長(zhǎng)度大，溝腳嚴(yán)重，鉆頭與套筒接觸的正壓極大，鉆頭與套筒之間的磨損嚴(yán)重，甚至損壞管道，導(dǎo)致鉆孔事故。此外，由于巨大的摩擦阻力，也可能發(fā)生卡鉆。因此,對(duì)預(yù)測(cè)和預(yù)防鉆井中鉆桿與套管磨損的研究提出了更高的要求。目前所做的鉆桿-套管摩擦磨損試驗(yàn)大多是由插銷式試驗(yàn)機(jī)完成的。插銷式試驗(yàn)機(jī)所做的兩平面之間的對(duì)磨試驗(yàn)不能有效地模擬現(xiàn)場(chǎng)工況。針對(duì)鉆桿在地層里不同工況下的磨損,燕山大學(xué)與濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的MZM—500型油井鉆桿-套管摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以模擬鉆桿在井下的不同工況(包括溫度、正壓力、鉆桿轉(zhuǎn)速、套管磨損時(shí)間、鉆井液性能、鉆桿鋼級(jí)、套管鋼級(jí)、完井水泥的性能等),通過選定的組合做鉆桿-套管摩擦磨損試驗(yàn)或?qū)Ρ仍囼?yàn)。自主研制的雙通道全數(shù)字放大器,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)的正壓力、摩擦力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)、溫度及工作時(shí)間的計(jì)算機(jī)顯示,并可以根據(jù)需要設(shè)定試驗(yàn)力、主軸轉(zhuǎn)速、磨損時(shí)間、工作溫度。試驗(yàn)軟件包采用計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù),用VC編程,操作簡(jiǎn)單,界面美觀實(shí)用。軟件實(shí)現(xiàn)了正壓力、磨損量、摩擦因數(shù)、溫度等曲線的屏幕顯示、存儲(chǔ)和文本輸出。技術(shù)分析鉆桿-套管摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、電控柜、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等幾部分組成。其中,主機(jī)分為主軸及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、杠桿施力系統(tǒng)、摩擦副及摩擦力測(cè)量系統(tǒng)、鉆井液箱溫度調(diào)控系統(tǒng)等,如圖1所示。1—小帶輪;2—主軸電動(dòng)機(jī);3—滑動(dòng)導(dǎo)軌;4—連桿;5—外試樣固定板夾具;6—鉆井液箱;7—鉆井液箱支柱;8—鉆井液箱升降板;9—中層板;10—鉆井液箱電動(dòng)機(jī);11—鉆井液箱升降絲杠副;12—砝碼座電動(dòng)機(jī);13—砝碼座;14—滑動(dòng)座;15—主軸;16—主軸箱;17—彈性連接軸;18—扭矩傳感器;19—大帶輪;20—光電編碼器按照模擬井下工況設(shè)計(jì),能在設(shè)定條件下研究鉆桿外壁沿套管內(nèi)壁的旋轉(zhuǎn)摩擦磨損。其中套管用水泥固定在外試樣(套管)固定板上,再通過外試樣固定板夾具固定在滑動(dòng)座上,模擬鉆井中的固井,裝載在附具體上的鉆桿隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng),模擬鉆井中的轉(zhuǎn)速,通過杠桿施力系統(tǒng)給套管和鉆桿組合施加正壓力。1.轉(zhuǎn)速測(cè)量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速是鉆桿與套管磨損的一個(gè)重要參數(shù)。鉆井中轉(zhuǎn)盤給鉆桿提供轉(zhuǎn)速和克服摩擦扭矩,在同樣的時(shí)間下,轉(zhuǎn)速越高,磨損量越大(磨損量為套管最大磨損厚度)。轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦副的溫度、材料的表面特性、鉆井液形成的潤(rùn)滑膜都有影響,轉(zhuǎn)速不同摩擦因數(shù)不同。試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量是整個(gè)試驗(yàn)?zāi)M精度的關(guān)鍵。試驗(yàn)機(jī)的主軸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由交流電動(dòng)機(jī)、圓弧齒形帶、圓弧齒形帶輪、主軸、主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量控制系統(tǒng)和主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示系統(tǒng)等組成。主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量控制系統(tǒng)采用的是交流變頻調(diào)速器,它可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,光電編碼器將測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)分別傳至主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)主軸速度的測(cè)量及顯示。主軸經(jīng)過精密加工,能使鉆桿沿套管內(nèi)壁均勻旋轉(zhuǎn),減小摩擦振動(dòng)產(chǎn)生的誤差。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以根據(jù)試驗(yàn)需要通過電控柜設(shè)定轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速可以使試驗(yàn)機(jī)模擬鉆桿不大于350r/min的轉(zhuǎn)速。2.試樣固定板鉆桿安裝該試驗(yàn)機(jī)主要是以內(nèi)外環(huán)面對(duì)磨的形式評(píng)定材料的抗磨損性能。試驗(yàn)時(shí),將外試樣用水泥對(duì)中固定在帶有方形孔的外試樣固定板上,再裝到能沿滑動(dòng)導(dǎo)軌自由滑動(dòng)的滑動(dòng)座上,用外試樣固定板夾具加緊,防止外試樣在試驗(yàn)時(shí)沿滑動(dòng)座滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。將內(nèi)試樣(鉆桿)裝載在附具體上,再將附具體裝在主軸上,并用鎖緊螺母鎖緊。施力杠桿對(duì)外試樣固定板施加一個(gè)側(cè)向力,使得外試樣內(nèi)環(huán)面與內(nèi)試樣的外環(huán)面線形接觸。主軸帶動(dòng)內(nèi)試樣轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外試樣的對(duì)磨。(1)軸扭矩計(jì)算摩擦力的測(cè)量通過安裝在兩彈性連軸節(jié)之間的扭矩傳感器采集主軸扭矩后經(jīng)計(jì)算得出。計(jì)算公式如下:F=Μ/R(1)F=M/R(1)式中F——摩擦力,N;M——扭矩,N·m;R——內(nèi)試樣半徑,mm。其中,M值已經(jīng)減去了試驗(yàn)機(jī)本身產(chǎn)生的扭矩。(2)腐蝕磨損量測(cè)定在加載輪小徑上用鋼絲與位移傳感器相連,隨著磨損量的變化,施力杠桿繞軸微動(dòng),帶動(dòng)加載輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而牽引鋼絲,位移傳感器把信號(hào)傳到電控柜,再由電控柜把信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)。每間隔1s讀取1個(gè)值。由于摩擦產(chǎn)生振動(dòng),對(duì)磨損量的測(cè)量有影響,用VC編制的軟件可以繪制平均磨損量曲線,減小誤差。也可以輸出磨損量數(shù)據(jù)。電控柜可設(shè)定磨損量,當(dāng)套管磨損量達(dá)到設(shè)定值時(shí),試驗(yàn)機(jī)停止工作。套管磨損量也可由套管磨損前后的質(zhì)量差根據(jù)下面的公式計(jì)算:A=x|√r2-x2-√R2-x2|+2(h+R-r)x+r2arcsin(xr)-R2arcsin(xR)(2)x=√R2-[r2-R2-(h+R-r)2]24(h+R-r)2(3)A=VL(4)V=mρ(5)式中A——磨損面積,m2;r——鉆桿半徑,mm;R——套管內(nèi)半徑,mm;ρ——套管密度,kg/m3;m——套管磨損前后質(zhì)量差,kg;L——套管磨損的長(zhǎng)度,m;V——磨損體積,m3;h——磨損量,mm。將公式(3)、(4)、(5)代入公式(2)求解,可求得磨損量h。磨損量測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨損量的變化。由套管質(zhì)量差根據(jù)公式計(jì)算的磨損量比較精確,但只能試驗(yàn)結(jié)束后才能測(cè)量。若通過卡尺測(cè)量,操作過程要產(chǎn)生誤差,并且由于摩擦產(chǎn)生的犁溝效應(yīng),在磨損量不大的情況下,測(cè)量誤差較大。建議在磨損量不大的情況下不要使用卡尺測(cè)量。3.試驗(yàn)力的加載杠桿施力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。鉆桿與套管之間的接觸正壓力是管材磨損原因之一,為了使試驗(yàn)機(jī)能模擬鉆井過程中套管與鉆桿之間的正壓力,試驗(yàn)機(jī)的施力系統(tǒng)由圖1中的砝碼盤、砝碼電動(dòng)機(jī)組及圖2中的施力杠桿、加載輪、加載砝碼、試驗(yàn)力測(cè)量系統(tǒng)組成。其中施力杠桿連接在圖1中的主軸箱上,砝碼放在圖1中的砝碼盤上,砝碼與加載輪大徑之間、加載輪小徑與杠桿之間由鋼絲相連。放有外試樣固定板的滑動(dòng)座可以前后移動(dòng),通過施力杠桿水平作用在外試樣固定板上,使外試樣與內(nèi)試樣接觸受力,從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)力的加載。其中,不同規(guī)格的加載砝碼可以滿足模擬鉆桿在各種工況下的接觸力。加載輪大徑與小徑直徑比為3∶1,所以施加的試驗(yàn)力與加載砝碼質(zhì)量比為3∶1。施力杠桿為等臂杠桿,可以保證在摩擦過程中試驗(yàn)力為恒定值。根據(jù)試驗(yàn)需要將配制好的砝碼放在砝碼盤上,按下“砝碼盤降”按鈕,使砝碼與砝碼盤脫離,從而實(shí)現(xiàn)加載。4.溫度載荷溫度在摩擦中起重要作用,可以改變鉆井液的性能,甚至摩擦副表面的材料特性。對(duì)吸附膜而言,有一定的臨界溫度,超過這一溫度將使吸附膜脫落、亂向,使?jié)櫥?從而增大摩擦副間的摩擦因數(shù),因此需要在磨損試驗(yàn)中模擬井下溫度。通過在鉆井液箱中安裝加熱器,由溫度傳感器把數(shù)據(jù)傳到電控柜,也可以在電控柜上自主設(shè)定試驗(yàn)需要的溫度,當(dāng)鉆井液達(dá)到所需的溫度時(shí),自動(dòng)停止加熱,保持恒溫。試驗(yàn)機(jī)能在不同的溫度下,研究鉆井液對(duì)鉆桿和套管磨損的影響,以及在相同溫度下的各種試驗(yàn)對(duì)比。鉆井液箱由耐腐蝕性材料制作,可以盛裝不同性能的鉆井液。鉆井液箱電動(dòng)機(jī)固定在中層板上,通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉆井液箱升降絲杠副帶動(dòng)鉆井液箱升降板運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)鉆井液箱的升降。按下“鉆井液箱升”按鈕可以使鉆桿和套管浸入鉆井液,按下“鉆井液箱降”按鈕則脫離鉆井液。該法設(shè)計(jì)新穎,操作安全方便。5.試驗(yàn)過程最大試驗(yàn)力:500N;主軸最大轉(zhuǎn)速:350r/min;內(nèi)試樣尺寸:最大內(nèi)徑125mm,最小內(nèi)徑62mm,最大外徑140mm,最小外徑73mm;外試樣尺寸:最大外徑200mm;鉆井液溫度:最高100℃;鉆井液箱體積:20L;鉆井液箱升降速度:110mm/min;砝碼盤升降速度:80mm/min;鉆井液箱最大行程:320mm;砝碼盤最大行程:50mm。當(dāng)鉆井液箱、砝碼盤升降至上下極限位置時(shí),減速電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止,當(dāng)摩擦力超過最大試驗(yàn)力的2%~5%時(shí),自動(dòng)停止試驗(yàn)。應(yīng)用情況為了檢驗(yàn)?zāi)Σ聊p試驗(yàn)機(jī)的性能,使用鉆桿與套管材料進(jìn)行磨損測(cè)試。其間試驗(yàn)機(jī)工作穩(wěn)定,振動(dòng)較小,轉(zhuǎn)速恒定與設(shè)定值相同;在試驗(yàn)過程中用溫度計(jì)測(cè)試鉆井液溫度,其結(jié)果與溫度調(diào)控系統(tǒng)所設(shè)一致;磨損量實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)處理,精確度高,能夠反映磨損規(guī)律;試驗(yàn)機(jī)軟件處理功能強(qiáng)大,記錄數(shù)據(jù)多,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)磨損情況,根據(jù)需要選擇曲線數(shù)據(jù)打印保存圖表,有利于試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理。另外,在試驗(yàn)中有一些問題值得注意和改進(jìn),鉆桿和套管材料的加工和裝載非常關(guān)鍵,材料的圓度一定要保證,裝載時(shí)要求鉆桿和套管都垂直放置線形接觸;試驗(yàn)開始時(shí)需要預(yù)磨10min,預(yù)磨過程中通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速達(dá)到理想狀態(tài);當(dāng)鉆井液粘度較高時(shí),由于外試樣固定板浸在鉆井液中,實(shí)際作用在外試樣