不同高温浆体中螺杆钻具定子衬套的摩擦规律

韩传军　郑继鹏　张　杰　陈　飞

西南石油大学，成都，610500



不同高温浆体中螺杆钻具定子衬套的摩擦规律

韩传军郑继鹏张杰陈飞

西南石油大学，成都，610500

摘要：定子橡胶衬套的磨损易导致螺杆钻具工作效率降低或过早发生失效。为研究钻井工况下橡胶衬套的摩擦磨损特性，对定子橡胶衬套在干磨状态以及不同浆体介质中的状态进行了摩擦学试验，并对橡胶磨损量进行称量。试验结果表明：在干磨和各浆体介质中,中低载荷和低转速情况下，橡胶的摩擦因数随着载荷和转速增大而减小，橡胶的磨损量随载荷和转速的增大而增大；在浆体介质中，橡胶磨损量随泥浆密度的增大而增大。衬套的磨损机理主要表现为滞后磨损、氧化降解和微切削作用磨损。

关键词：螺杆钻具;定子衬套;摩擦磨损;失效;泥浆

0引言

螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液压能转化为机械能的容积式井下动力钻具，具有功率大、长度小、压降高、效率高等优点，广泛用于定向钻井、深井钻井以及修井等行业[1-3]。

螺杆马达是螺杆钻具的核心部件，其主要组成部分为马达转子和定子衬套，其中，马达转子为钢制的螺杆，定子由钢套和浇铸硫化在钢套内壁上的橡胶衬套(主要材料为丁腈橡胶)组成[4]。工作过程中，定子衬套的变形不但影响螺杆钻具的工作效率，还影响其力学性能[5]。橡胶的耐热性较差，工作过程中，地层温度较高，转子与定子之间的摩擦生热，加速了橡胶的温升，使橡胶的物理性能发生改变，进而影响其工作性能，使其工作效率降低[6-7]。高温摩擦加速了定子橡胶结构的疲劳破坏[8-10]，导致定子橡胶过早失效，使用寿命缩短。不少学者对螺杆钻具定子衬套进行过研究，如韩传军等[2]对螺杆钻具等壁厚衬套进行了力学性能的分析，郑华林等[9]设计了一种新型的等壁厚定子衬套并进行了力学性能分析。以上学者只是在简化工况下，从仿真方面对定子衬套的力学性能进行分析，并未深入研究定子橡胶的磨损机理。

为研究橡胶衬套的摩擦磨损机理，本文开展高温泥浆介质下定子衬套与转子的摩擦磨损试验，研究定子衬套高温、转速、法向载荷对橡胶衬套摩擦磨损的影响。

1试验材料和装置

试验装置为MDW-100微型控制立式多功能摩擦磨损试验机。采用大销盘摩擦副方法进行试验，试验过程中实时观察试验介质温度、摩擦因数、摩擦力、扭矩等参数。

试验方法：将定子橡胶试件固定在调速装置底端，将钢件固定在加载装置上部的凹槽里，如图1所示。通过加载装置使橡胶试件和钢件表面接触，形成摩擦副，通过电机将不同转速施加给固定在其底端的橡胶试件，实现运动摩擦。同时，在加载装置外部安装钢筒，钢筒高出安装钢件30 mm，以保证摩擦磨损试验中橡胶和钢件接触部位能够完全浸没在泥浆中。

图1　试验装置示意图

试验材料：试验用钢件为表面镀铬的45钢，其尺寸为外径54 mm，内径38 mm，厚度10.5 mm。为方便试验顺利进行，将橡胶硫化在50 mm的钢质圆盘上，结构如图2所示。试验定子橡胶主要物理性能如表1所示。

图2　试验试件图

主要物理性能经验标准值丁腈橡胶邵氏A型硬度(度)65±572拉伸强度(MPa)≥1222.5断裂伸长率(%)500±50579200%定伸强度(MPa)≥8.511撕裂强度(kN/m)30～5063

试验介质：33-4#泥浆(水基)、505#泥浆(油基)、33-4#泥浆与润滑剂的混合物、505#泥浆与润滑剂的混合物。其中，33-4#泥浆密度为1.924 g/cm3，505#泥浆密度为2.196 g/cm3，润滑剂与混合物的质量比均为1.5%。

2试验方法

多头螺杆钻具的输出转速为90～180 r/min；不同井段的工作环境温度不同，环境温度随着井段的加深而升高(升高梯度约为3℃/100 m)。工作过程中，由于钻井液的存在，螺杆钻具在不同井段的工作压力不同，井层越深，压力越大。螺杆钻具定转子之间采用过盈配合，因此，定子衬套不但受到钻井液的作用，还承受转子的摩擦力和挤压力。依据其工作特性，通过转化分析，得到不同介质中定子橡胶摩擦磨损试验条件：试验环境温度为75 ℃；施加法向载荷分别取90 N、120 N、150 N；试验转速分别取100 r/min、150 r/min、200 r/min；将橡胶试样在干磨以及不同浆体体系中进行摩擦磨损试验。为保证试验结果的准确性，在试验温度恒定情况下，对同等载荷、同种介质、相同转速条件下的磨损进行3次试验(总共进行135组试验)，对试验所得的数据进行处理，取同等条件下的3组试验数据的平均值为最终试验结果。试验结束后，对橡胶试件进行清洗，利用超声发生器装置以及石油醚材料，将橡胶表面的泥浆、油污等污物清洗干净，然后放置干燥。干燥完后，用电子天平(精确到0.01 mg)测量橡胶磨损量，采用电子显微镜观察试验后橡胶表面的磨损形貌。

为排除因橡胶试样表面粗糙度不同产生的影响，在试验前，对橡胶试样表面进行预研磨，使试样表面粗糙度尽量一致，保证试验结果的准确性。

3试验结果及分析

3.1干磨条件下定子橡胶的摩擦磨损特性

75 ℃环境下，法向载荷和转速对定子橡胶的摩擦磨损影响如表2、表3所示。干磨过程中，橡胶与钢件的接触界面产生大量摩擦热，导致橡胶表面发生软化效应[11]。从表2可知，在转速恒定的干磨条件下，定子橡胶的摩擦因数随着法向载荷的增大而逐渐减小；法向载荷恒定时，定子橡胶的摩擦因数随着转速的增加而逐渐减小。由于试验过程中，加载的法向载荷较小且转速较低，故认为环境温度恒定时，在中低载荷和中低转速下，定子橡胶的摩擦因数随着载荷和转速的增大而逐渐减小。从表3可知，橡胶磨损量随着法向载荷和转速的增大而增大；转速越高，法向载荷越大，橡胶磨损量越大。表3中，法向载荷150 N、转速200 r/min条件下，磨损量最大，为2.10 mg。橡胶的导热性极差，随着转速增加，摩擦产生的热量增多且无法及时排出，橡胶表面因温升发生氧化降解反应，导致表面发生熔融现象，在橡胶表面形成熔融层。熔融层具有一定的润滑作用，导致摩擦因数减小。同时，形成的熔融层不断地被撕裂磨损，往复循环，使橡胶不断被磨损。磨损机理上主要表现为滞后磨损[12-13]。

表2　不同载荷和转速下的摩擦因数

表3　不同载荷和转速下的磨损量　mg

3.2不同浆体中定子橡胶的摩擦磨损特性

75 ℃的环境温度下，不同浆体中，法向载荷和转速对定子橡胶摩擦磨损影响如图3所示。由图3可知，在取样时间内，各浆体的摩擦因数在某一值附近上下浮动，基本保持稳定。其中，505#泥浆的摩擦因数最大，其次为505#泥浆与润滑剂混合物的摩擦因数，33-4#泥浆与润滑剂混合物的摩擦因数最小。

(a)90 N，100 r/min

(b)90 N，200 r/min

(c)150 N，100 r/min

图3不同浆体中定子橡胶摩擦因数变化情况

由图3a、图3b可知，在法向载荷恒定的同种浆体中，定子橡胶摩擦因数随着载荷的增大而减小。由图3a、图3c可知，在转速恒定的同种浆体中，定子橡胶摩擦因数随载荷的增大而减小。此种条件下，橡胶摩擦因数的变化与干磨条件下橡胶摩擦因数的变化趋势相符。与干摩条件下橡胶摩擦因数相比，浆体中的橡胶摩擦因数较小，主要原因是浆体中含有液体，除此之外，个别浆体中还含有润滑剂。在试验过程中，浆体与润滑剂会在橡胶和钢件接触部位形成一层润滑膜，润滑膜减小了橡胶和钢件之间的作用力，导致橡胶摩擦因数减小。从含润滑剂的浆体与未含润滑剂的浆体对比可知，润滑剂能够起到一定的保护作用。505#泥浆和33-4#泥浆的摩擦因数相差较大的主要原因是：①前者为水基泥浆，后者为油基泥浆，油的润滑作用比水的润滑作用好；②前者所含有的固相(砂粒)浓度比后者的大，固相(砂粒)对橡胶表面具有微切削作用，固相(砂粒)的含量越高，对橡胶表面微切削力也就越大，固相(砂粒)在钢件表面滑动和滚动时受到的阻力也相对增大，因此摩擦因数增大[14-15]。

由图4可知，转速一定时，磨损量随着法向载荷的增大而增大；法向载荷一定时，磨损量随着转速的增大而增加。橡胶磨损量曲线在两种泥浆中的变化趋势相似，橡胶在505#泥浆中的磨损量(最大磨损量为1.3 mg)大于在33-4#泥浆中的磨损量(最大磨损量为1.167 mg)。由泥浆密度可知，505#泥浆密度高于33-4#泥浆密度。结合泥浆密度以及橡胶磨损量分析数据可知，随着泥浆密度的增大，橡胶的磨损量增大。磨损机理上表现为：①运动过程中，固相(砂粒)在橡胶表面产生微切削力，使橡胶表面发生变形和撕裂；②运动过程中，摩擦产生的热量使橡胶表面发生氧化降解，并形成熔融层。融熔层被磨损掉时，受切削力以及摩擦热影响，新的融熔层会出现，此过程重复出现，往复循环，使得橡胶磨损。

(a)33-4#泥浆

(b)505#泥浆图4　定子橡胶在泥浆中的磨损量曲线变化图

3.3SEM形貌分析

试验温度75 ℃、法向载荷100 N、转速150 r/min条件下，橡胶在干摩擦和505#泥浆中磨损后的表面形态如图5所示。图5a所示为干摩擦条件下，试验结束后定子橡胶的表面形态，橡胶表面有明显的不连续裂痕，并且表面呈现层状分布的轻微卷曲，与其磨损机理相符，说明橡胶表面形成的融熔层逐渐被撕裂磨损掉。图5b所示为505#泥浆中试验后定子橡胶的表面形态，表面划痕明显，且呈不规则分布，表面有很多明显凹坑。主要原因是橡胶与钢件相对转动时，泥浆中的不规则固相(砂粒)受法向载荷作用，在橡胶表面沿滑动方向运动，并对橡胶表面产生切削作用，同时，固相颗粒还存在滚动，二者共同作用导致橡胶表面沿滑动方向被犁削磨损。此过程往复循环，砂粒的滑动摩擦和滚动摩擦导致橡胶表面不断被切削磨损掉，形成如图5b所示的形貌。

(a)干摩条件下橡胶的表面形貌

(b)505#泥浆条件下橡胶的表面形貌图5　不同实验条件下定子橡胶的表面形貌

4结论

(1)在高温环境、中低转速、中低载荷作用下，定子衬套的摩擦因数随着转速和法向载荷的增大而减小。定子衬套的磨损量随着转速和载荷的增大而增大，随着泥浆密度的增大而增大。

(2)干摩擦的磨损机理主要表现为滞后磨损。高温泥浆中，橡胶与钢件发生相对运动，固相(砂粒)导致橡胶表面形成不规则的划痕以及凹坑，其磨损机理主要表现为：摩擦产生的热量使橡胶表面发生氧化降解，形成熔融层，融熔层不断被撕裂和磨损掉，新的融熔层出现，再被撕裂磨损掉，此过程循环往复；固相(砂粒)的微切削作用，使橡胶表面不断发生变形，撕裂，此过程往复循环，定子橡胶最终因氧化降解和切削作用被磨损掉。

参考文献：

[1]苏义脑. 螺杆钻具研究及应用[M].北京：石油工业出版社，2001.

[2]韩传军，邱亚玲，刘清友，等. 螺杆钻具等壁厚衬套性能分析[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2008，30(4):163-165.

Han Chuanjun, Qiu Yaling, Liu Qingyou, et al. Performance Analysis of Equidistant Bushing of PDM[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 2008, 30(4): 163-165.

[3]李继志，陈荣振. 石油钻采机械概论[M].北京：中国石油大学出版社，2006.

[4]韩传军，张杰，刘洋. 常规螺杆钻具定子衬套的热力耦合分析[J].中南大学学报(自然科学版)，2013, 44(6): 2311-2317.

Han Chuanjun, Zhang Jie, Liu Yang. Thermal-structure Coupling Analysis for General Stator Lining of PDM[J]. Journal of Central South University(Science & Technology Edition), 2013, 44(6): 2311-2317.

[5]魏纪德. 螺杆泵工作特性研究及应用[D]. 大庆：大庆石油学院，2007.

[6]张嗣伟. 橡胶磨损原理[M]．北京：石油工业出版社，1998.

[7]Han C J，Zhang J，Liang Z. Thermal Failure of Rubber Bushing of a Positive Displacement Motor: A Study Based on Thermo-mechanical Coupling[J]. Applied Thermal Engineering，2014，67：489-493.

[8]操建平，孟庆昆，高圣平，等. 螺杆泵定子热力耦合的计算方法研究[J]. 力学季刊，2012，33(2)：331-338.

Cao Jianping，Meng Qingkun，Gao Shengping，et al. Computational Method for Thermal-mechanical Coupling of Progressing Cavity Pump[J].Chinese Quarterly of Mechanics，2012，33(2):331-338.

[9]郑华林， 郭高垒，马建禄. 新型等壁厚螺杆钻具定子结构设计及力学分析[J]. 石油矿场机械，2011，40(8): 74-77.

Zheng Hualin，Guo Gaolei，Ma Jianlu. Design and Mechanical Analysis of a New Type of Uniform Thickness Screw Drill Stator Structure [J]. Oil Field Equipment，2011，40(8):74-77.

[10]韩传军，张杰，刘洋. 螺杆钻具橡胶衬套的生热及热力耦合分析[J]. 四川大学学报(工程科学版)，2012，44(6)：191-196.

Han Chuanjun, Zhang Jie, Liu Yang. Heat Build-up and Thermal-structure Coupling Analysis for Rubber Lining of PDM[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2012, 44(6): 191-196.

[11]尤聿宁，李贵谋. 橡胶摩擦的磨合过程和软化效应[J].武汉水利电力大学学报，1995，28(4):348-351.

You Yuning, Li Guimou. Wearing-in Process and Softening Effect of Rubber Friction[J]. Journal of Wuhan University of Hydr. & Elec., 1995, 28(4):348-351.

[12]王哲，王世杰，吕晓仁. 潜油螺杆泵定子橡胶摩擦磨损行为研究[J]. 机械设计与制造，2014，52(2)：163-166.

Wang Zhe, Wang Shijie, Lü Xiaoren. Research of Friction and Wear for Stator Rubber of Oli Extraction Progressing Cavity Pump[J]. Machinery Design & Manufacture, 2014, 52(2): 163-166.

[13]Lü Xiaoren，Wang Shijie，Huo Xuyao. The Effect of Water Content in Crude Oil on the Tribological Behavior of Screw Pump’s Stator Rubber[J]. Science China Press，2014，59(23)：2868-2874.

[14]吕晓仁，王世杰，孙浩. 干摩擦和原油润滑下丁腈橡胶、氟橡胶磨损行为研究[J]. 润滑与密封，2011，36(8)：63-66.

Lü Xiaoren, Wang Shijie, Sun Hao. Wear Behavior of Nitrile Butadiene Rubber and Fluorubber under Dry Sliding and Base Oil Lubricanting[J]. Lubrication Engineering, 2011,36(8)：63-66.

[15]王哲，王世杰，王晨旭. 采油螺杆泵定子橡胶的磨粒侵蚀磨损机理[J]. 沈阳工业大学学报，2014，36(4)：416-420.

Wang Zhe, Wang Shijie, Wang Xuchen. Abrasive-erosive Mechanism for Stator Rubber of Oil Extraction Progressing Cavity Pump[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2014, 36(4):416-420.

(编辑张洋)

收稿日期：2015-10-09

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474180)

中图分类号：TE921

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.018

作者简介：韩传军，男，1979年生。西南石油大学机电工程学院副教授、博士后研究人员。主要研究方向为石油矿场机械现代设计、制造及仿真。发表论文30余篇。郑继鹏(通信作者)，男，1990年生。西南石油大学机电工程学院硕士研究生。张杰，男，1987年生。西南石油大学机电工程学院博士研究生。陈飞，男，1989年生。西南石油大学机电工程学院硕士研究生。

Friction Regularity of Screwdrill’s Stator Lining in Different Hot Muds

Han ChuanjunZheng JipengZhang JieChen Fei

Southwest Petroleum University，Chengdu，610500

Abstract:The abrasion of the stator rubber lining easily led to the premature failure of the screw drill and lower efficiency. The tribological experiments of the stator rubber lining were carried out in dry mill state and different muds to study the friction and wear characteristics of rubber lining in drilling conditions, and the rubber wear was measured by using electronic measuring scales . The results show that: under low load and speed conditions, the friction coefficient of the rubber decreases with the increase of the load and the speed in each slurry and dry grinding medium. The amount of wear of the rubber increases with the increase of load and speed; in mud medium, the amount of wear rubber also increases with the increase of mud density. The wear mechanism was mainly affected by lagged wear, oxidation degradation and micro-cutting action wear.

Key words:screwdrill; stator lining; frictional wear; failure; mud