Нефтяное буровое оборудование — подшипники долота, резьбовые соединения утяжеленных бурильных труб и системы верхнего привода — постоянно подвергается воздействию высоких забойных температур, высокого давления и агрессивной буровой среды. Традиционная смазка быстро карбонизируется и выходит из строя при продолжительных температурах выше 150°C и контактных давлениях свыше 50МПа. Дисульфид молибдена (MoS2) как твердый смазочный материал выдерживает температуру до 1100°C в вакууме или инертной атмосфере и стабильно работает до 350°C на воздухе. В сочетании с высокотемпературной базовой смазкой он может значительно продлить интервалы техобслуживания бурового оборудования.

Проблемы смазки бурового оборудования

Забойный температурный градиент при глубоком бурении составляет примерно 3°C на 100м. На глубине 5000м забойная температура может достигать 150-180°C, а на сверхглубоких скважинах свыше 7000м — 200-250°C. Давление циркуляции бурового раствора может достигать 30-50МПа, а контактное напряжение на подшипниках долота — 2000-3000МПа.

Эти условия создают тройную проблему для смазочных материалов. Во-первых, высокие температуры превышают температуру каплепадения смазки на минеральной основе (обычно 170-190°C), вызывая её плавление и вытекание. Во-вторых, высокое давление резко снижает толщину смазочной пленки, переводя её из режима эластогидродинамической смазки (EHL) в режим граничной смазки. В-третьих, буровой раствор содержит агрессивные среды — сероводород, углекислый газ и ионы хлора, ускоряющие химическую коррозию и износ смазываемых компонентов.

Механизм высокотемпературной высокобарической смазки MoS2

Механизм смазки дисульфида молибдена при высоких температурах отличается от традиционной смазки. MoS2 не полагается на гидродинамическое давление для образования масляной пленки; вместо этого он формирует перенесенную пленку на металлической поверхности в результате трибохимических реакций. Толщина перенесенной пленки обычно составляет 0,1-1мкм и она непрерывно обновляется в процессе трения.

При повышенных температурах смазочные свойства MoS2 демонстрируют две стадии. Ниже 350°C MoS2 сохраняет кристаллическую структуру 2H (гексагональная сингония) с низкой межслойной прочностью на сдвиг (0,08МПа) и стабильным коэффициентом трения в диапазоне 0,05-0,10. В диапазоне 350-500°C MoS2 постепенно окисляется до MoO3, однако MoO3 сам по себе обладает удовлетворительными смазочными свойствами (коэффициент трения 0,15-0,20), что предотвращает внезапный отказ смазки.

Данные четырехшариковых испытаний показывают, что комплексная сульфонат-кальциевая смазка (температура каплепадения выше 300°C) с добавлением 5% MoS2 достигает нагрузки сваривания 4900Н при 150°C — на 68% выше, чем у той же смазки без MoS2. Диаметр пятна износа снизился с 0,85мм до 0,52мм, то есть на 38,8%.

Решение для смазки подшипников долота

Подшипники скольжения в шарошечных долотах и PDC-долотах являются зонами с высокой частотой отказов смазки. Удельная нагрузка подшипников скольжения обычно составляет 30-100МПа, линейная скорость 0,5-2м/с, рабочая температура 100-180°C.

В буровой отрасли обычно применяется конструкция с герметизированными подшипниками, где в полость подшипника заполняется высокотемпературная смазка с MoS2. Типовая рецептура: комплексная сульфонат-кальциевая базовая смазка (температура каплепадения ≥300°C) + 5% дисульфида молибдена (D50=1,2-1,5мкм, чистота ≥99%) + 1% антиокислительная присадка. Измеренные характеристики: изменение пенетрации при высокой температуре (150°C/24ч) <8%, выделение масла металлической сеткой (150°C/30ч) <3%, нагрузка OK по Тимкену ≥178Н.

В промысловом сравнительном испытании на одном из участков Бохайского месторождения подшипники долота со смазкой, содержащей MoS2, имели средний срок службы 185 часов по сравнению с 112 часами для долот с обычной высокотемпературной смазкой — улучшение на 65,2%. Эти данные представляют статистическое среднее по 3 последовательным скважинам.

Применение резьбовой смазки для утяжеленных труб

Резьбовые соединения утяжеленных бурильных труб (серии API REG/IF) подвергаются двойному воздействию момента свинчивания и забойной вибрации. Стандартная по API резьбовая смазка обычно содержит 40-60% свинцового порошка, однако экологические ограничения на свинец становятся всё более жёсткими, и бессвинцовые резьбовые смазки становятся тенденцией.

Бессвинцовые резьбовые смазки с заменой свинцового порошка на дисульфид молибдена имеют множество сертификатов API 7A1. Типовая бессвинцовая рецептура: 40% MoS2 + 20% цинковый порошок + 20% графит + базовая смазка. Коэффициент трения этой рецептуры составляет 0,08-0,12, при стабильном коэффициенте момента свинчивания в диапазоне 0,95-1,05, обеспечивая надёжное соединение с натягом. Стандарт API RP 7G specifies устанавливает коэффициент трения резьбовой смазки 1,0±0,1, чему бессвинцовая рецептура полностью соответствует.

В промысловых условиях резьбовые соединения утяжеленных труб с использованием бессвинцовой смазки с MoS2 показали снижение частоты задиров резьбы с 3,2% до 0,8% при осмотрах при подъёме инструмента, а средняя проходка за один рейс увеличилась на 12%.

Рекомендации по выбору и применению

При выборе смазки с дисульфидом молибдена для бурового оборудования следует учитывать три момента. Выбирать высокотемпературную базовую смазку (комплексную сульфонат-кальциевую или полиуретановую) с температурой каплепадения как минимум на 30°C выше максимальной забойной температуры. Контролировать добавление MoS2 на уровне 3-5%, чистота ≥99%, размер частиц D50=1,2-3мкм; слишком крупные частицы могут вызывать абразивный эффект в узких зазорах. Применять в сочетании с герметизированной конструкцией для предотвращения вымывания смазки буровым раствором и шламом, а также регулярно контролировать изменение пенетрации и кислотного числа смазки.

Теги: нефтяное буровое оборудование, MoS2 drilling lubrication, высокотемпературная смазка, подшипник долота, резьбовая смазка УБТ, экстремальное давление противоизнос, забойные условия, твердая смазка, смазка при высоком давлении, дисульфид молибдена