本文關鍵詞：納米改性鉆井液及對鋁合金鉆桿減摩性能研究

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【摘要】：在鉆井和修井作業(yè)過程中,鉆桿柱在井中起鉆及下鉆時,將不可避免的與套管內(nèi)壁接觸造成摩擦磨損,特別是在深井、超深井、水平井、叢式井或大斜度井鉆進過程中,情況更為嚴重。鋁合金鉆桿雖然具有密度小、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點,但其耐磨性較差。由于其彈性模量小,橫向位移大,鋁合金鉆桿和井壁或套管的碰撞摩擦比鋼鉆桿更為頻繁,并在近井壁附近高速渦動。在復雜的鉆井條件下,鋁合金鉆桿比鋼鉆桿更容易發(fā)生摩擦磨損而失效。為解決此問題,一方面可設法提高鋁合金自身的耐摩性能,但難度很大;另一方面,則可從降低鋁合金鉆桿與套管(或孔壁)間的摩擦系數(shù)著手考慮。鉆井液的潤滑性能是影響鉆進產(chǎn)生的扭矩、鉆柱的旋轉阻力和提拉阻力以及鉆具磨損的最主要的可調控因素,因此具有良好潤滑性能的鉆井液不僅能夠減少鉆頭、鉆桿等鉆具的磨損,同時還能夠有效地防止粘附卡鉆,易于處理井內(nèi)事故。納米微粒具有小尺寸效應及表面效應,國內(nèi)外已開始將其用于鉆井液改性,且用量少、符合鉆井液向低固相或無固相發(fā)展的趨勢,還具有優(yōu)異的潤滑性和流變性,有利于鉆井液性能的改善,發(fā)展?jié)摿Υ�。本研究通過在水基鉆井液中添加納米材料,來改善其潤滑性能。選用3種納米氧化顆粒(納米Al2O3、TiO2及SiO2顆粒)、納米金剛石顆粒、石墨烯、氧化石墨烯(GO)作為鉆井液改性添加劑,利用極壓潤滑儀及銷盤摩擦磨損實驗儀研究了添加不同種類和添加量的納米材料對水基鉆井液的潤滑性能及減摩效果的影響。結果表明,添加球形納米SiO2顆粒的鉆井液的潤滑性能、濾失性能以及減摩效果都是最好的。當納米SiO2顆粒加量為0.4%時,濾失量最小,潤滑系數(shù)降低率達到15.6%,摩擦系數(shù)降低率為32.0%,磨盤材料(鋁合金鉆桿材料)磨痕軌跡平滑,減摩效果最為明顯,會使磨損體積減少26.1%。其次是石墨烯/GO對鉆井液各項性能改善效果明顯,其中添加量為0.075%的GO改善水基鉆井液的潤滑性能最好,潤滑系數(shù)降低率達到12.6%,添加量為0.075%GO摩擦系數(shù)降低率達到19.8%,添加0.075%GO的減摩效果突出,會使磨損體積下降21.7%,略低于添加0.4%納米SiO2的減磨效果。鉆井液添加納米金剛石顆粒也會使摩擦系數(shù)降低,只不過沒有納米氧化物顆粒以及納米石墨烯的影響大。納米TiO2、納米Al2O3顆粒對水基鉆井液性能改善有限。當納米氧化物顆粒添加量超過0.5%時,在磨盤表面可觀察到鋁合金的層狀脫落,甚至形成淺坑。即加量過多反而會影響減摩效果。石墨烯/GO添加量超過0.075%時,磨盤磨損體積會增加。當納米金剛石添加量超過0.2%時,會使磨損加劇�；谏鲜鲈囼灲Y果,將0.4%納米SiO2、0.075%GO、0.2%納米金剛石分別加入到松遼盆地大陸科學鉆探SK-II鉆井所用的鉆井液中,以改善其潤滑性能。結果表明,GO和納米金剛石對現(xiàn)場鉆井液均具有較好的潤滑減摩改善效果,效果最優(yōu)的是納米SiO2材料。0.4%納米SiO2改性現(xiàn)場鉆井液各項性能最優(yōu),使現(xiàn)場鉆井流體的潤滑系數(shù)減少了20.3%,摩擦系數(shù)降低率提高了29.7%,而鋁盤磨損量下降24.3%。
【關鍵詞】：納米材料 石墨烯 鉆井液 潤滑性能 銷盤式摩擦磨損實驗
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TE254.1;TE921.2
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 選題目的和意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀12
• 1.3 納米材料概念及特性12-13
• 1.3.1 納米材料的概念12
• 1.3.2 納米材料的特性12-13
• 1.4 納米材料的分散13-14
• 1.5 納米材料應用14-15
• 1.5.1 納米氧化物應用14
• 1.5.2 石墨烯/GO應用14
• 1.5.3 納米金剛石應用14-15
• 1.6 鋁合金鉆桿的摩擦行為15-16
• 1.7 本文主要研究內(nèi)容16-17
• 第2章 實驗用納米材料17-24
• 2.1 實驗用納米材料17
• 2.2 實驗用納米材料分散17-19
• 2.3 納米材料粒徑分析19-21
• 2.4 微觀形貌分析21-23
• 2.5 本章小結23-24
• 第3章 納米材料對水基鉆井液性能影響研究24-46
• 3.1 實驗儀器及材料24-30
• 3.1.1 實驗儀器24-28
• 3.1.2 實驗材料28-30
• 3.2 實驗方法30-31
• 3.3 納米材料對鉆井液基漿性能的影響31-45
• 3.3.1 降濾失性能分析31-32
• 3.3.2 基漿流變性32-35
• 3.3.3 對基漿潤滑性能的改善35-38
• 3.3.4 對基漿減磨性能的影響38-45
• 3.4 本章小結45-46
• 第4章 添加納米鉆井液對鋁合金鉆桿材料磨盤磨損研究46-58
• 4.1 鉆桿磨損機理簡介46-47
• 4.2 鋁合金鉆桿磨損形貌分析47-52
• 4.3 鋁合金鉆桿材料磨盤磨痕數(shù)據(jù)分析52-57
• 4.4 本章小結57-58
• 第5章 納米材料對 松科二井‖現(xiàn)場鉆井液的改性研究58-71
• 5.1 松科二井‖58-60
• 5.1.1 松科二井‖簡介58
• 5.1.2 松科二井‖鉆探任務58
• 5.1.3 松科二井‖現(xiàn)場鉆進采用常規(guī)取心鉆井方法58-60
• 5.2 現(xiàn)場鉆井液類型與體系要求60
• 5.3 現(xiàn)場鉆井液完井液設計60-62
• 5.4 泥漿成分與性能參數(shù)62-63
• 5.5 現(xiàn)場鋁合金鉆桿摩擦磨損情況63-66
• 5.6 現(xiàn)場鉆井液各項性能測試66-67
• 5.7 納米材料對現(xiàn)場鉆井液各項性能改善67-70
• 5.7.1 納米材料改善現(xiàn)場鉆井液潤滑性能67-68
• 5.7.2 納米材料改善現(xiàn)場鉆井液減磨性能68-69
• 5.7.3 納米材料改善現(xiàn)場鉆井液對鉆桿的磨損69-70
• 5.8 本章小結70-71
• 第6章 結論71-73
• 參考文獻73-79
• 作者簡介及科研成果79-80
• 致謝80

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