Файл: Мискарли, А. К. Влияние состава дисперсионной среды на абразивные свойства утяжеленных промывочных систем.pdf

ли они могут сколько-нибудь надежно определяться эмпири­

чески опытным путем.

Исследователи, разумеется, считаются с изменчивостью абразивного материала. Однако они выходят из положения тем, что устанавливают определенную продолжительность опыта [см., напр., 49, 58], считая, что в течение данного условно выбранного промежутка времени изменение абра­ зивного состояния будет еще недостаточно велико, или же будет протекать одинаковым, воспроизводным образом. Кроме того, авторы прибегают к средним значениям значи­ тельного числа опытов. Однако в отношении абразивной прослойки вряд ли можно найти надежное средство для устранения влияния изменения состояния абразивного мате­ риала. В методе ввода в контакт абразивного материала путем захвата его из нижерасположенной ванны при движе­ нии металлических частей узлов трения следует еще учесть изменчивость концентрации абразива в суспензии. Надо иметь в виду, что суспензии абразивного порошка в воде или масле представляют собою нестабильные системы, склонные к более или менее быстрому распаду, для устранения кото­ рого масса должна непрерывно перемешиваться. Однако, как видно из обзора конструкций, ванны не снабжены соответствующими мешалкамн.

В абразивном потоке в этом отношении дело обстоит луч­ ше, поскольку масса все время находится в принудительном движении. С другой стороны, в абразивном потоке имеются два источника, вызывающие изменения в абразиве: во-пер­ вых, в результате трения абразивных частиц о поверхность металла; во-вторых, в результате трения между частицами при вихревом движении. Ослабление первого фактора может быть достигнуто путем сильного увеличения объема абразив­ ной массы по отношению к поверхности металла, подверга­ ющегося трению. Возможно, что и действие второго фактора в этом случае будет тоже уменьшено.

При «абразивной массе» действие второго фактора будет незначительно, поэтому увеличение объема абразивного ма­ териала может дать лучший эффект. В общем, все же сле­ дует признать, что применение абразива в дисперсном со­ стоянии не может полностью устранить влияние изменений в состоянии абразива в ходе опыта. В этом отношении показа­ тельна уже упомянутая работа В. Н. Кащеева [52], прово­ дившего параллельные опыты в потоке и массе. Полученные результаты сильно различались между собою. Также отли­ чались результаты, полученные при параллельном исследова­ нии абразивного износа минералов в виде монолита и в раз­ дробленном виде А. И. Спиваком [73].

Но, если нельзя устранить полностью влияние изменения абразива, то можно добиться приближения к эффективному

22

постоянству абразива. Критерием для суждения об этом может служить изменение абразивного износа во времени. Форма соответствующей кривой может дать ясное представ­ ление, в какой мере даниаія методика приближает к эффек­ тивному постоянству абразива.

Под рассматриваемым углом зрения заслуживает вни­ мания методика, применяемая В. Н. Ткачевым [69]. Она за­ ключается в там, что уплотненная абразивная масса выдав­ ливается шнекам навстречу вращающемуся металлическому диску. Износ оценивался по изменению линейных размеров образца до и после испытания. Тот факт, что автор получил зависимость е —Н соответствующей закономерности, уста­ новленной М. М. Хрущовыім для абразивного износа, свиде­ тельствует о там, что данная методика позволяет в достаточ­ ной степени приблизиться к постоянству абразивного мате­ риала.

Каково же влияние на абразивный износ величины зерна абразива? Этот вопрос имел и имеет важное значение при разработке норм помола утяжелителей для бурения. Уста­ новлено, что чем тоньше помол, тем меньше абразивный износ. Поэтому раньше была установлена норма высокой тонкости помола, характеризующаяся 3%. остатком на сите в 4900 отверстий на 1 см2 [74]. Нужно, однако, отметить, что в бурении тонкость помола имеет двоякий смысл. С одной стороны, она обусловливает определенную степень абразив­ ного износа. С этой точки зрения следует стремиться к наи­ более тонкому помолу. С другой стороны, с увеличением тонкости помола повышается вязкость бурового раствора и, соответственно, понижается утяжеляющая способность утя­ желителя; с этой точки зрения большая тонкость помола вредна. Очевидно, необходимо установить некоторую опти­ мальную степень помола. Согласно норме, принятой в на­ стоящее время, степень помола определяется остаткам на сите 4900 отверстий на 1 см2 в 5—6%.

Прямая зависимость между крупностью зерна и абра­ зивным износом установлена А. И. Спиваком и Л. А. Шрейнѳрам [4] на большом числе утяжелителей и минералов. Однако для каждого утяжелителя эта зависимость различа­ ется количественно и имеет линейный характер. Это следует также из утверждения А. В. Кольченко и А. А. 'Силина [71]: чем крупнее частица абразива, тем больше износ.

Согласно В. Е. Маеву [72], с уменьшением размера частицы уменьшается износ, а при величине частицы

в1 (1 абразивное действие фактически прекращается.

23

дальнейшем увеличении крупности частицы износ уменьша­ ется. Этот же автор [55] при исследовании абразивного пото­ ка нашел, что износ практически не зависит от величины абразивной частицы. Г. В. Топоров [64], исследуя абразивную прослойку, установил, что изменение размера абразивной частицы в пределах 50—140 у не влияет на величину изно­ са. Г. В. Виноградов и В. А. Вишняков [66], изучая абразив­ ный износ при трении качения на 4-шариковой машине,

ется.

В. Н. Виноградов, Г. К- Шрейбер и Д. Я. Соболев [67] при исследовании абразивного износа пластиков установили, что влияние величины частицы на износ зависит от эластич­ ности пластика. Для жестких пластиков наблюдается паде­ ние износа с увеличением крупности абразивной частицы. Для полужестких и мягких пластиков имеет место обратное отношение. Авторы объясняют это различной возможностью внедрения частиц в жесткие и мягкие пластики.

Несовпадение результатов исследования влияния круп­ ности абразивных частиц на износ у разных авторов следует в основном приписать различиям применявшихся методик. Это лишний раз указывает на плохую «обобщаемость» ре­ зультатов многих исследований.

Наряду с крупностью, большое значение имеет форма частицы. Влияние формы частицы на износ признают все авторы, однако в большинстве случаев это является резуль­ татом чисто логических умозаключений. Попытка В. Э. Вайн­ штейна [82] исследовать форму частиц микроскопическим и радиографическим методами не дала существенных резуль­ татов. Это можно объяснить, главным образом, эксперимен­ тальными трудностями, в особенности, если принять во внимание, что обычно мы имеем дело с полидисперсными частицами, как в отношении крупности, так и в отношении формы. По-видимому, для изучения влияния формы частиц следовало бы исходить из действия одиночных частиц. Такое исследование было проведено Н. И. Богомоловым [83], кото­ рый для этой цели сконструировал особый прибор. Однако задача, поставленная автором, относится к изучению меха­ низма абразивного процесса. Влияние формы частицы авто­ ром не рассматривалось.

Остановимся теперь на вопросе о характере действия абразива на поверхность металла. Оказалось, что оно не выражается в простом сдирании стружек с поверхности ме­ талла, а имеет значительно более сложный, еще недостаточно исследованный характер.

Согласно М. М. Хрущову [44, 47], общим является режу­ щее, царапающее действие абразива. Причем он различает

24

три разновидности воздействия: 1) пластическая деформация без отделения частиц; 2) образование и отделение стружки; 3) выкалывание мелких и крупных частиц. Различие дей­ ствия обусловлено различием ориентаций абразивных зерен своими режущими краями к поверхности металла. Автор отмечает, что этот процесс почти не изучен.

М. М. Хрущов [76] излагает также современные взгляды на механизм абразивного изнашивания. По его мнению, главным процессом, обусловливающим абразивное изнаши­ вание, является .микрорезание, т. е. снятие абразивными зер­ нами микроскопически малой стружки с поверхностного слоя металла. Режут не все абразивные зерна, а только те, кото­ рые случайно благоприятно ориентированы своими гранями.

И. В. Крагельский считает, что основным процессом абразивного изнашивания является повторное деформирова­ ние поверхностного слоя абразивными зернами, в результате чего в одних и тех же объемах вследствие переформирова­ ния возникают усталостные трещины и происходит хрупкое отделение частиц металла.

Оо мнению П. Н. Львова, уже при однократном произ­ водстве абразивным зерном выдавленной царапины мате­ риал по ее краям становится настолько предразрушенным, что легко отделяется другими абразивными зернами. Итак, основной процесс разрушения при этом изнашивании состоит в производстве выдавленных царапин, а не в резании.

Как видно, общего взгляда на механизм абразивного изнашивания не существует. Это совершенно понятно, ибо процесс абразивного воздействия на металл отличается боль­ шим многообразием, обусловленным различием в природе металла и абразива, их физико-химцческих свойств, способе введения абразива в контакте с металлической поверхностью и пр. Однако некоторые общие закономерности установить все же возможно. В частности, это относится к вопросу, как влияет абразивное изнашивание на свойства участков по­ верхности, окружающих места разрушения; или в более общем виде: как изменяются свойства уцелевшей поверхно­ сти при абразивном изнашивании. Разумеется, это зависит от природы металла, но на одном и том же металле должна соблюдаться определенная закономерность.

Этот вопрос явился предметом многих исследований. Однако имеющиеся в литературе данные не совпадают. Сог­ ласно приведенному взгляду П. Н. Львова, края царапин находятся в предразрушенном состоянии и легко отделяются. К. Веллингер [55] указывает, что вокруг места удара абра­ зивной частицы образуется выпуклость из частично разрых­ ленного материала. Это, очевидно, надо истолковывать как явление ослабления, а не упрочнения поверхности. С другой стороны, В. Н. Кащеев и В. М. Глазков [51] установили, что

25

ГЛАВА II

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБРАЗИВНЫХ СВОЙСТВ УТЯЖЕЛЕННЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И УТЯЖЕЛИТЕЛЕЙ

Сформулированная во введении задача предопределяла следующие основные принципы методики:

1. Поскольку центр тяжести работы кроется в исследо­ вании влияния среды на абразивный износ металла, то необ­ ходимо было обеспечить возможность массовых определений многочисленных абразивных сред; следовательно, методика должна манипулировать с весьма малыми объемами (не боль­ ше 500 м л).

2.Абразивный износ бурового оборудования обусловлен

восновном утяжеленными буровыми растворами, поэтому це­ лесообразно в качестве объектов исследования использовать утяжеленные системы большого удельного веса (у =2,0— 2,25 г/см3), реально применяемые при бурении глубоких сква­ жин в осложненных геологических условиях.

3.Одной из целей работы являлось введение в практику бурения контроля над абразивными свойствами буровых ра­ створов и утяжелителей. Это обусловило требование, чтобы

прибор для определения абразивности отличался максималь­ ной простотой конструкции и манипуляций с ним, с тем, что­ бы его можно было применять непосредственно в промысло­ вой практике.

4. Устойчивость утяжеленных растворов, главным обра­ зом, обеспечивается тиксотропной структурированностью, при отсутствии которой система склонна к распаду. Поэтому мето­ дика должна обеспечить поддержание раствора во время оп­ ределения в однородном состоянии.

5. Из двух категорий износа, характерных для бурового «оборудования, — абразивная прослойка и абразивный по-

27