Смазка для резьбовых соединений Советский патент 1983 года по МПК C10M7/02 C10M7/04 C10M7/08 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в качестве уплотняющей смазки для замковых резьб деталей бурильной колонны. В процессе работы скважины замковая резьба.долж на быть защищена от влияния коррозионной среды при помощи смазки, что на 3Q% повышает коррозионно-усталост ную прочность соединения. .Известны смазки для резьбовых сое динений на нефтяной основе с добавле нием мыл к ирных кислот и наполнителей С1 . Однако указанные смазки при буреНИИ скважин из резьбы вымываются, kT время подъема инструмента можно набл дать частичное или полное отсутствие смазки в. соединении. Наиболее близко1 1 по составу и достигаемому результату к предлагаемой является смазка для резьбовых соединений на жировой основе В качестве связующего,- с добавлением . цинка и свинца 2. Известная смазка имеет слабую адгезионную способность к металлу резь бы и низкие водоотталкивающие свойства. В результате смазка вымывается буровым раствором, не обеспечивает герметичность резьбового соединения и его эффективную защиту от влияния коррозионно-активной среды. Цель изобретения - разработка смазки, обеспечивающей повышение герметичности и прочности соединения за счет улучшения адгезионных свойств смазки и придания ей высоких водоотталкивающих свойств С гидрофобности ). Поставленная цель достигается тем, что смазка для резьбовых соединеий, содержащая связующее и порошок цинка дополнительно содержит порошок графита и в качестве связующего алкилрезорциноаую эпоксифёнольную смолу при следующем содержании компонентов , мае.%: Пороиюк цинка Порошок графита Аэросил ; Алкилрезорциновая i эпоксифенольнап смола (АРЭФС) Остальное Для.приготовления смазки использована АРЭФС согласно ТУ 3830.937-75 имеющая следунядую физико-химическую характеристику: .вязкость по ВЗ- при (гост 8420-7t); плот.ность при 1,0-1,1 r/Cf(rOCT 3900содержание эпоксидных групп не менее it lrOCT 10587-76); содержание сухог остатка не менее А5 1ГОСТ 17537 72) термостойкость до 80°С; гарантийньй срок хранения 12 месяцев при температуре от минус kS до В составе смазки использован цинковы порошок (гост 12601-67), аэросил (А-380, ГОСТ 1 922-69), графит (ГОСТ -8295-73). I Предложенные соотношения смолы (основы) и наполнителей выбраны опытным путем, исходя из необходимости обеспечения требуемого коэффициента тре;ния (0,07-0,09) и консистентности смазки (пенетрация при 220-280). Содержание аэросила установлено для обеспечения требуемого коэффициента трения (о,07-0,09) в резьбе. Аэросил имеет высокую удельную поверхность, его присутствие в смазке изменяет ее объемно-механические свойства, существенно увеличиваются силы молекулярного взаимодействия. Цинк оказывает влияние на схватываемость трущихся поверхностей и обеспечивает анодную защиту стали от коррозии. При содержании цинкового порошка выше заявленного максимума происходит загустевание смазки и воз можно нарушение ее структуры. Нижняя граница концентрации цинка в смазке определена скоростью его раст ворения в KOHTaKTie со сталью в корро зионной среде с рН . Добавление графита обеспечивает противозадирные свойства смазки, осо бенно в период приработки резьб. Предложенные количественные соотношения компонентов, входящих в состав смазки, установлены в результате лабораторных и промысловых испытаний проведенных с целью определения коэф фициента трения, конси стенции, адге,зионных свойств смазки, влияния ее wa коррозионно-усталостную прочность 1 84 Стальных образцов и износостойкость замковых резьбовых соединений бурильного инструмента. Известно, что адгезионные свойства смазок оказывают влияние на износ и коррозию контактирующих поверхностей. С увеличением адгезии смазки к металлу повышается износостойкость трущихся пар и обеспечивается эффективная защита металла от воздействия коррозионно-активной среды.Это свойство смазки имеет важное эксплуатационное значение, особенно для смазок резьбовых соединений бурильного инструмента, критерием долговечности которых является коррозионно-усталостная прочность и износостойкость. В табл.1 приведены рецептуры смазок для испытания. . Адгезионные свойства определяют по силе адгезии, возникающей между твердым телом и смазкой, и оценивают величиной усилия, обеспечивающего отрыв контактирующих пар или их сдвиг при отсутствии нормально приложенной прижимаемой нагрузки. Учитывая, что условия работы смазок в резьбовом соединении характеризуются перемещениями (сдвигами) его элементов (ниппеля и муфты), сравнительная оценка адгезионных свойств смазок проводится по величине сил молекулярного притяжения согласно закона Амонтона-Кулона рNкоэффициент трения; где М- сила трения; сила адгезии; нормальная нагрузка, приложенная к паре трения. Согласно закона Амонтона-Кулона величина силы адгезии при сдвиге определяется экстрополяцией зависимости - f(N) до пересечения с осью ординат. Для испытаний изготовлена пара трения (цилиндрические дис.ки ) из стали ОХН. Испытания проводятся при 5-7 различных удельных нагрузках. Опыты повторяются 8 раз. В табл.2 представлены результаты сравнительных испытаний. Предлагаемые образцы смазки обладают высокой адгезионной способностью к металлу замковой резьбы. Результаты испытаний серийной смазки и предлагаемой показывают, что адгезионная способность последней в 1,5 раза выше. Предлагаемые составы являются гидрофобными, благодаря чему резьба полностью изолируется от коррозионного воздействия буровых растворов. Введение в смазку ци ковой пыли существенно повышает ее защитные свойства в коррозионно-активных средах, поскольку цинк обладает более отрицательным электродным потенциалом (-0,763 В), чем сталь -(), В . Более низкий коэффициент трения у предлагаемых образцов обусловливает предотвращение схватывания металла резьбы при многократном свинчивании и развинчи вании. При разработке смазки появились опасения, что ее основной компонент алкилрезорциновая i эпоксифенольная смола, которая является высокоактив ным поверхностно-активным веществом (ПАВ), может оказывать резупрочняго щее воздействие на металл. Для проверки указанного предположения пров дены исследования коррозионно-усталостной прочности стандартных образ цов с несплошным покрытием их рабочей части исследуемойсмазкой. Экспериментальные исследования, проведенные на усталостной машине ИМА-5 при испытаниях образцов 5 мм из стали в буровом растворе, показывают, что предлагаемая смазка почти на 90% металл от коррозионно-усталостного разрушения Предел коррозионной усталости в результате защиты рабочей поверхности образца предлагаемой смазкой повыша ется с 9 до 27 кгс/мм2,т.е. в 3 раз Сравнительные опыты по оценке эффективности смазки показывают что она в аналогичных условиях не з щищает сталь от влияние среды, т.е. смывается с образца. Наблюдение в процессе лабораторн и промысловых экспериментов показыв ет, что предлагаемая смазка обеспе.чивает эффективную защиту от корро58И благодаря хорошим адгезионным свойствам и гидрофобности не смувается водным буровым раствором. Без пов-; торного нанесения смазки на резьбу можно проводить три спуско-подъемные операции в бурении. Исследование эффективности смазки при многократном свинчивании-развинчивании замковых резьб проводится на установке АПР, приспособленной для процессов сборки-разборки соединений с имитацией веса бурильной свечи. Испытывают стандартные резьбовые соединения из стали tOXH. Сравнительные испытания ведут при свинчивании разьб на смазке и предлагаемой. В качестве сравнительного критерия износа замкового резьбового соединения принято снижение осевого натяга резьбы, который для резьб при наличии смазки равен 150 кгс-см. В табл.3 представлены результаты исследований. Исследования показывают (табл.З), что износостойкость резьбы, смазанной при 50 циклах свинчиванияразвинчивания в 3 раза ниже, чем в случае применения опытной смазки. Все образцы предлагаемой смазки показывают одинаковые результаты. Повышение износостойкости резьбы при свинчивании-развинчивании можно объяснить наличием прочной структурированной пленки между трущимися поверхностями. После развинчивания резьбы она равномерно распределена на ее поверхности и прочно сцепляется с металлом таким образом, что смыть ее водой невозможно. Таким образом, проведенные исследования показывают, что предлагаемая смазка для резьбовых соединений (ГС-1) благодаря своей гидрофобности и высокой силе адгезии обеспечивает герметичность резьбовых сое ияений нефтепромысловых труб и защиту их от коррозии. Та б л и ц а 1

7100iti 58 . 8

Наименование

компонентов Состав смазки, N , мас.%

рафитный порошок 86,05,08,0

эросил1211,010,012,0

.

Состав смазки, N Коэффициент Сила адгезии,

12 3 0,09

20,082370

30,07300 k 0,086600

Смазка Число Смещение рисок по

циклов . наружной поверхности

10 30 50

предлагаемая 10 30 50

Продолжение табл.1

L:: II:: ::II::::I

Таблица 2

трения ГС

0,

Таблица 3 замка, мм

0,7 0,9 1,0 0,1 0,2 0,3

Формула изобретения Смазка для резьбовых соединений, содержащая связующее и порошок цинка, отличающ-аяся тем, что, с целью повышения герметичности и прочности соединений, смазка дополнительно содержит порошок графита.

аэросил и в качествесвязующего алкилрезорциновую эпоксифенольную смолу при следующем содержании компонентов, мае. %:

Порошок цинка Порошок графита Аэросил10-12

9lOOltiiSe10

Алкилреэорциновая. 1. Синицын В.В. Подбор и применеэпоксифенольнаямие пластичных сназок. М., Химия,

смолаОстальное 197, с.АОб.

Источники информации,..

принятые во внимание при экспертизе $ 2. ТУ 3,8 301-А7 72 чпрототип).