книги из ГПНТБ / Мискарли, А. К. Влияние состава дисперсионной среды на абразивные свойства утяжеленных промывочных систем

ГЛАВА V

АБРАЗИВНО-КОРРОЗИОННОЕ ДЕЙСТВИЕ УТЯЖЕЛЕННЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ Д-16

В последние годы в бурении вместо стальных бурильных труб стали широко применяться бурильные трубы из алюми­ ниевых сплавов. Преимущества последних оказались настоль­ ко существенными, что они стали распространяться весьма быстрыми темпами. Достаточно сказать, что американская фирма Рейнолдз Металз, которая стала изготовлять такие трубы только в 1962 г., уже в середине 1963 г. имела общую проходку на бурильных трубах своего производства в размере 369 403 м [125]. Также быстро распространяется применение бурильных труб из алюминиевых сплавов и в Советском Со­ юзе, в частности в Азербайджане [126].

Однако с введением бурильных труб из алюминиевых сплавов остро возникает проблема коррозии. Алюминий и его сплавы не стойки в щелочной среде, а промывочные жидкости, применяемые ныне в бурении, имеют в подавляющем боль­ шинстве случаев именно щелочную среду.

Таким образом, наряду с абразивным износом стального оборудования, с которым мы имели дело раньше, нам прихо­ дится сталкиваться с абразивно-коррозионным износом.

В классификации видов износа М. М. Хрущова [77] особое место отведено коррозионно-механическому изнашиванию. Несмотря на важность и значительную распространенность этого вида износа, исследования в этой области, однако, весь­ ма малочисленны. Остановимся на некоторых из этих работ.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [61] исследовали абразив­ ный износ металлов на машине Х2-М в присутствии жидкой среды — 0,5%-ного раствора К2СГ2О7. В результате общий износ увеличился в 2,5 раза по сравнению с водой, очевидно за счет комбинированного абразивно-коррозионного процесса. Вместе с тем, авторы установили, что при этом все же сох­ ранились закономерности, ранее выведенные ими для чисто абразивного износа.

71

Аналогичная работа на той же машине Х2-М была про­ ведена И. В. Васильевым [127]. Коррозионной средой служи­ ли в одном случае 1,0%'-ный раствор NaOH, в другом — 15%-ный раствор серной кислоты. Работа проводилась также под углом зрения влияния коррозионной среды на закономер­ ности абразивного износа.

А. В. Рябченков и О. Н. Муравкии [128] исследовали абра­ зивно-коррозионный износ на специальном стенде, в котором к среде чистого азота добавлялся кварцевый песок в качестве абразивного элемента и SO2 или SO2+ H2O в качестве кор­ розионного элемента.

Таким образом, имелась возможность определить как чистый абразивный износ, так и абразивно-коррозионный. Оказалось, что в последнем случае износ был в 4—5 раз боль­ ше, чем в первом случае.

Авторы также утверждают, что при совместном действии абразивного фактора и коррозионной среды интенсивность разрушения металла возрастает в несколько раз по сравнению с интенсивностью разрушения за счет только механического изнашивания или процесса газовой коррозии в данных усло­ виях.

Б. Б. Круман и В. А. Крупицына [130] изучали влияние различных факторов коррозионного и механического харак­ тера на интенсивность коррозионно-механического износа стали и механизм изнашивания в нейтральных растворах.

Отметим еще работу В. А. Красова [65], сконструировав­ шего специальную машину для исследования абразивно-кор­ розионного износа, а также В. А. Кислика и А. М. Самойленко [129], которые изучали абразивно-коррозионную среду в виде дымовых газов низкосортного топлива.

Из рассмотрения приведенного литературного материала можно заключить, что общие закономерности коррозионно­ агрессивного процесса еще недостаточно раскрыты. Высказы­ вание М. М. Хрущова (1956), что «для этого процесса долж­ на быть еще создана теория изнашивания» [44], по-видимому, имеет силу еще в настоящее время.

Абразивно-коррозионный процесс имеет весьма сложный характер. В нем переплетаются воздействия абразивного и коррозионного факторов, которые імогут протекать по-разно­ му, в зависимости от природы коррозионного и абразивного элементов, соотношения скоростей обоих процессов, методики определения и др.

На практике приходится иметь дело с различными добав­ ками ингибирующего или коллоидно-структурного назначения, которые могут по-разному влиять на каждый из действующих процессов, изменяя их соотношения, а соответственно, и сум­ марный износ.

72

Исследование коррозионно-абразивного процесса должно дать ответы на следующие вопросы:

1. Имеет ли совместное действие коррозионного и абра­ зивного процессов аддитивный характер? 2. Не 'происходит ли общего усиления износа в сравнении с суммой взносов, обус­ ловленных каждым фактором в отдельности [128]? 3. Не происходит ли наоборот, перекрытие абразивным износом коррозионного процесса, поскольку чисто коррозионные раз­ рушения непрерывно сдираются абразивным материалом? 4. Не оказывает ли коррозия частичное влияние на абразив­ ный износ и каково это влияние? 5. Как действуют разные добавки на коррозионно-абразивный процесс?

Наша работа по изучению абразивного износа алюминие­ вых сплавов проводилась под углом зрения возможного уяс­ нения указанных вопросов. Элементом коррозии являлась щелочь, содержащаяся в промывочных жидкостях, элементом абразивности, как и раньше—дашкесанский магнетит.

В табл. 20 приведены химический анализ и некоторые ме­ ханические свойства алюминиевого сплава Д-16.

Т а б л и ц а 20

Химический состав и механические свойства алюминиевого сплава Д-16

Применявшаяся для этих исследований методика анало­ гична той, которая использовалась нами при изучении чисто абразивного износа стали. Прибор абразивометр А-2 приспо­ соблен для раздельного определения коррозионного и абра­ зивного износа, а также суммарного износа при совместном действии обоих факторов. Это дает возможность выяснить взаимоотношения между обоими процессами и их взаимо­ влияние.

Кроме чисто коррозионно-абразивного износа, необхо­ димо было выяснить влияние различных реагентов и добавок, всегда сопутствующих на практике коррозионно-абразивным системам.

Исследовались следующие реагенты, имеющие практиче­ ское применение в бурении: бихромат калия, сульфит-спирто- вая барда, сульфанол.

Бихромат калия проявляет антиабразивные свойства не только по отношению к стали, но также по отношению к алю­

73

миниевому сплаву Д-16. В то же время бихромат калия явля­ ется ингибитором коррозии [120]. Поэтому в его присутствии мы должны иметь чисто абразивный процесс, ослабленный частичным абразивноингибирующим действием.

Антиабразивные свойства бихромата калия следует оче­ видно объяснить адсорбцией атомов хрома на поверхности металла, приводящей к усилению связи между атомами и к залечиванию дефектов поверхностной структуры металла [119]. Тот факт, что, несмотря на различие в строении кристалличе­ ской решетки у стали и алюминиевого сплава, К2СГ2О7 ока­ зывает одинаковое антиабразивное, следовательно, упрочняю­ щее действие на их поверхность, позволяет предполагать, что в данных случаях речь идет не о внедрении и достройке крш сталлической решетки, а о явлении адсорбции атомов хрома или соединений храма на поверхности металла.

В табл. 21 приведены экспериментальные данные, харак­ теризующие влияние добавки бихромата калия на абразивные

свойства системы.

Т а б л и ц а 21

Абразивно-коррозионный износ алюминиевого сплава Д-16 в магнетитовой суспензии в зависимости от концентрации различных добавок

П р и м е ч а н и е : Эталон—суспензия магнетита в воде:

Эталон*—суспензия магнетита в 0,25 %-ном Na ОН; продолжительность определения— 15 м и н .

74

На графике рис. 26 показано, что абразивный износ магнетитовой системы (кривая 1) в водной среде уже при добав­ лении 0,5%' К2СГ2О7 понижается на 25%.

Далее в результате исследования абразивно-коррозион­ ного износа стандартной суспензии магнетита, содержащей 0,25% NaOH, в зависимости от концентрации К2СГ2О7 в жид­ кой фазе (кривая 2) установлено, что абразивно-коррозион­ ный износ при малых добавках бихромата калия (0,1%' К2СГ2О7) резко падает с 25% износа по отношению к эталону до 96,5%', а с увеличением концентрации его до 0,5% в жид­ кой фазе износ доходит до 72%.

Таким образом, обе кривые располагаются близко друг от друга, что подтверждает элиминацию коррозионного фак­ тора вследствие антиабразивного действия бихромата калия.

Как видно из табл. 21, добавка сульфит-спиртовой барды повышает абразивные свойства системы по отношению к алюминиевому сплаву Д-16. В то же время сульфит-спиртовая барда является ингибитором коррозии, поэтому можно было ожидать, что подобно предыдущему случаю коррозия будет элиминирована и кривые абразивного износа в воде и в ще­ лочной среде (коррозионно-абразивный износ) будут совпа­ дать.

В действительности, как видно из графика рис. 27, кри­ вая 2 идет значительно выше кривой 1, следовательно, корро­ зионный фактор в данном случае продолжает действовать

3 —коррозия раствора с 0,25% NaOH.

75

несмотря на ингибирующее действие сульфит-спиртовой бар* ды. Вместе с тем, это показывает, что абразивный износ здесь не перекрывает коррозионного износа, хотя сильно подавляет его, если сопоставить с чисто коррозионным износом (ли­ ния 3).

Различное действие бнхромата калия и сульфит-спирто­ вой барды по отношению к коррозионному фактору обуслов­ лено, очевидно, различием их воздействия на поверхность ме­ талла. Бихромат калия обладает упрочняющим действием, поэтому затрудняет коррозию; сульфит-спиртовая барда дей­ ствует как понизитель твердости, поэтому, усиливая абразив­ ное сдирание поверхностных слоев, обнажает новые участки, частично устраняет ингибирующий эффект и тем самым бла­ гоприятствует коррозионному действию.

Отмеченные здесь явления в более резкой форме обна­ руживаются при добавке сульфанола к утяжеленным систе­ мам. Сульфанол обладает склонностью к пенообразованию. В зависимости от степени пенообразования влияние на абра­ зивный износ сульфанола проявляется различно. В присут­ ствии пены он обладает антиабразивными свойствами, в отсутствии — наоборот, повышает абразивность.

Приведенные в табл. 21 и на рис. 28 данные относятся к опытам, проведенным в отсутствии пены, следовательно, в условиях повышенного абразивного износа. Суль­ фанол повышает абразив­ ный износ буровой и нер­ жавеющей стали (см. рис.

12, 15). Это свойство его подтвердилось также на алюминиевом сплаве Д-16г уже небольшие концентра­ ции сульфанола в раство­ ре (0,1%) увеличивает абразивность до 180% по отношению к эталону (кривая /).

Как видно из графиче­ ского материала, приведенного на рис. 28 (кривая 2), величина абразивно-коррозионного износа достигает 557% при 0,1%-

76

ГЛАВА VI

ИСПЫТАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРА АБРАЗИВОМЕТР А-2 В ЗАВОДСКОЙ

И ПРОМЫСЛОВОЙ ПРАКТИКЕ

При разработке методики и конструировании абразиво­ метра большое место занимала возможность использования его для контроля за абразивными свойствами утяжеленных буровых растворов и утяжелителей непосредственно в прак­ тических условиях.

Отсутствие такого контроля не является результатом недостаточного осознания значимости абразивного износа бурового оборудования как фактора материального ущерба и тормоза развития глубокого бурения. Значение абразив­ ного износа бурового оборудования общепризнано. Но разрешение проблемы усматривалось в замене абразивного утяжелителя менее абразивными, — в попытке до сих пор оставшейся, однако, безуспешной. Между тем, наша работа показала, что имеются возможности частичного уменьшения абразивности одного и того же утяжелителя. Если это умень­ шение в процентном отношении может оказаться не совсем достаточным, то весьма внушительными должны получаться результаты в абсолютных величинах, особенно если принять во внимание громадность масштаба бурения.

Увеличение срока службы деталей бурового оборудова­ ния позволит значительно сократить затраты на бурение, которые составляют более 40% от всех капиталовложений, выделяемых на нефтедобывающую промышленность [138].

Только по трестам «Азнефтеразведка» и «АзМорнефтеразведка» за 1964—ІІ965 гг. в результате сработки списано 35 140 м (.1252 т) бурильных труб, т. е. на 1 м проходки рас­ ход металла составил 1,41 кг (без учета веса замков) [131].

Однако высокий удельный расход металла в бурении вследствие износа является только одной стороной пробле­ мы. Особо важное значение имеет влияние износа бурового

78

Т а б л и ц а 22

Исследование дашкесанского концентрата на Карадагском заводе «Утяжелитель и утяжеленные препараты»

79