Смазка для герметизации резьбовых соединений

Изобретение относится к эксплуатационным смазкам, в частности к смазке для герметизации резьбовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб. Смазка содержит жировую основу - масло индустриальное, литиевую комплексную смазку металлургическую «ЛКС-М» и графит, а также дополнительно содержит высокодисперсную медную пудру, имеющую мелкочешуйчатую структуру, с содержанием чистой меди 99,1%-99,7%. Использование предложенной смазки обеспечивает равномерное возрастание крутящего момента от зацепления первых витков резьбы, что позволяет в разы увеличить количество свинчиваний-развинчиваний. 1 табл.

 

Смазка для герметизации резьбовых соединений относится к эксплуатационным смазкам и может быть использована для свинчивания резьбовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб с резьбовыми соединениями с уплотнением «металл-металл», в том числе для газоплотных соединений типа VAM и гармонизированных с ним соединений VGAT, SECFR, SPMS2 при эксплуатации труб на сероводородсодержащих месторождениях. Смазка также может использоваться как консервационная.

Одной из важнейших проблем в строительстве и эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин является обеспечение надежной герметичности резьбовых соединений колонн (эксплуатационных, лифтовых и т.д.), так как нарушение герметичности зачастую приводит к серьезным осложнениям: межколонным и заколонным газопроявлениям, перетокам газа в вышележащие горизонты, грифонам и т.д.

Для обеспечения герметичности резьбовых соединений были разработаны указанные выше виды резьбы (VAM и гармонизированных с ним соединений VGAT, SECFR, SPMS2), таким образом, первостепенными задачами смазочного материала используемого в этом виде соединений являются:

- снижение износа резьбового соединения (потеря массы деталей после многократного свинчивания-развинчивания);

- увеличение ресурса резьбового соединения (увеличение количества свинчивания-развинчивания резьбы без ухудшения эксплуатационных и технических характеристик);

- защита резьбового соединения от коррозии;

- увеличение межремонтных сроков;

- равномерное заполнение всех витков резьбы с целью предотвращения образования «сухих» зон трения;

- при плановом износе и старении резьбового соединения компенсация потери герметичности, заложенной видом резьбы, за счет своей герметизирующей способности;

- не препятствовать образованию газоплотного соединения и соединения «металл-металл», но обеспечивать смазывание образующих эти соединения поверхностей;

- не вызывать внутреннего напряжения на витках резьбы трубы и муфты за счет определенного содержания порошков металла и их высокодисперсных фракций.

В общем случае смазки для резьбовых соединений труб, например, нефтяного сортамента, должны отвечать следующим международным требованиям API 5A3 «Рекомендуемая практика на смазки для резьбы обсадных, насосно-компрессионных и трубопроводных труб»: и ISO 16738:

- легко наноситься на поверхность резьбы (кистью, шпателем);

- испаряемость за 24 часа при температуре 212°F (100°C) не должна превышать 3,75% объема;

- температура каплепадения, определяющая верхний предел применения смазок, должна быть не ниже 300°F (149°C);

- объем газовыделения (показатель химической стабильности при повышенной температуре по рекомендуемой практике API 5A3, приложение F, не должен превышать 20 см³ в течение 120 часов при 150°F (66°С);

- максимальные потери на выделение масла (показатель физической/химической стабильности при повышенной температуре относительно базовой консистентной/жидкой смазки) должны составлять 10% по объему при испытании с использованием воронки с никелевой сеткой в течение 24 часов при температуре 212°F (100°С);

- пенетрация (проницаемость - характеризует устойчивость консистентной смазки: с какой легкостью при нанесении распределяется смазка по резьбе и как долго на ней остается; как долго не расслаивается при хранении) при температуре 77°F (25°C) без перемешивания должна быть в интервале 320…380 ед.;

- диапазон удельного веса для конкретной резьбовой смазки (показатель постоянства производства) не должен различаться более чем на 5% от установленного изготовителем среднего значения (удельный вес, г/см³, определяется по составным частям, используемым в композиции смазки);

- потеря веса при водном выщелачивании резьбовых смазок (показатель физической/химической стабильности) не должна превышать 5% при продолжительности воздействия 2 часа при 66°С.

Резьбовые соединения работают в условиях высоких переменных давлений, как правило, коррозионно-активных сред. Обычно пластичные смазки, изготовленные на основе минеральных масел (типа Р-416, Р-113, Р-402), вымываются из резьбовых соединений, и резьбовое соединение оказывается в непосредственном контакте с коррозионно-активными средами. Это неизменно приводит к частичной или даже полной потере ими работоспособности (разгерметизация, коррозионно-механический износ, фреттинг-коррозия).

Известен металлоплакирующий смазочный состав (Д. Н. Гаркунов. Триботехника. М.: Машиностроение. 1989, с.139, 144). В качестве плакирующей присадки к смазочному маслу или глицерину применяются порошки меди или латуни, полученные диспергированием жидкого металла химическим или электрохимическим восстановлением и т.д. Применение масла с порошком меди или латуни позволяет уменьшить износ за счет образования металлической пленки на поверхности пар трения.

При применении этого смазочного состава наблюдается высокий коэффициент трения при переменных и знакопеременных нагрузках.

Известна также «Смазка для герметизации резьбовых соединений» по патенту РФ 2032712 от 27.03.90 г., опубл. 10.04.95 г., бюл. №10, содержащая мас.%: кальциевая пластичная смазка 7-15; графит 30-40; вода 0.5-8; минеральное масло - остальное

Для обеспечения герметичности резьбовых соединений широкое применение нашли резьбоуплотнительные смазки на жировой основе с наполнителями в виде порошков (графит, вермикулит, цинк, свинец, алюминий и др.).

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является резьбовая смазка Р-402, которая имеет в своем составе жировую основу, свинцовый порошок, цинковую пыль, медную пудру и графит, содержащая, мас.%: порошки свинца ПСА - 29 и цинка ПЦВ - 14, LiSt - 6, AlSt - 1, медная пудра - 5, смесь масла индустриального И-50А и полисилоксановой жидкости - 132-24 или ПЭС-5(1:2) - остальное (Синицын В.В. Пластичные смазки в СССР. Справочник, М.: Химия, 1984, стр 164, табл.51).

При высоком содержании порошка металлов, особенно низкой дисперсности, в том числе свинца, возникает высокая вероятность ухудшения свойств смазки. Это проявляется в неравномерности заполнения витков после свинчивания вследствие выдавливания дисперсионной среды смазки. Такой эффект можно объяснить тем, что при свинчивании резьбы введенные в состав смазки порошки свинца не успевают равномерно распределиться в межвитковом пространстве. Дополнительно возникает внутреннее напряжение и деформация резьбового соединения. В свою очередь указанные недостатки известных смазок могут нарушать технологически заложенные свойства резьбовых соединений, а также привести к преждевременному износу и выходу из строя.

Принимая во внимание, что некоторые резьбовые составы на жировой основе могут обладать высокими герметизирующими свойствами (это подтверждается непродолжительными по времени стендовыми испытаниями), следует отметить основной недостаток этих и им подобных составов. Он заключается в том, что жировая основа известных композиций подвержена воздействию углеводородной среды, а сами композиции с течением времени могут постепенно выдавливаться из резьбовых соединений. Это в свою очередь приводит к возникновению утечек и перетоков газа.

Вероятность задиров и заеданий возникает на начальном этапе свинчивания резьбы, так как имеют место высокие нагрузки, а время, за которое проходит операция свинчивания (зацепление первых витков), недостаточно для реализации присадок имеющих поверхностно-активный или химически-модифицированный принцип действия.

При этом происходит выдавливание смазки из контактной поверхности и соответственно высокий износ резьбы, появление задиров.

Одним из основных недостатков такой смазки является наличие в составе свинцовосодержащих наполнителей - дефицитных и токсичных.

Основная функция металлических порошков заключается в предотвращении заеданий при соединении - разъединении обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб. Расход таких смазок велик за счет большой плотности и удельного веса. Каждая из указанных резьбоуплотнительных смазок имеет определенный предел применения и обладает как положительными, так и отрицательными свойствами.

Задачей предлагаемого технического решения является создание смазки, удобной в применении и обеспечивающей при многократном свинчивании-развинчивании термическую стойкость в широком диапазоне температур, коррозионную инертность, герметизацию, предотвращение износов, задиров и заедания резьбовых соединений в коррозионно-агрессивных сероводородсодержащих средах.

Поставленная задача решается за счет того, что смазка для герметизации резьбовых соединений, содержащая жировую основу и графит, отличается тем, что она дополнительно содержит литиевую комплексную смазку металлургическую ЛКС-М и медь в виде пудры, имеющей мелкочешуйчатую структуру, высокую дисперсность, с содержанием чистой меди 99.1%-99,7%, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: масло ИГП-18 24-30; ЛКС-М 8-19; медь 8-10; графит ГЛС остальное.

При введении меди в виде пудры имеющей мелко чешуйчатую структуру, высокую дисперсность с содержанием чистой меди 99.1%-99,7%, в совокупности с ЛКС-М был обнаружен следующий эффект.

ЛКС-М обеспечивает образование дополнительного трехмерного каркаса, в матрице которого располагаются компоненты основного вещества (жировая основа) и наполнители (графит, цинковая пыль). При введении в эту систему медной пудры, содержащей высокодисперсные частички чешуйчатой формы, с содержанием чистой меди 99,1%-99,7% частицы медной пудры равномерно распределяются по всему объему смазки вдоль волокон трехмерного каркаса ЛКС-М.

Причем частички располагаются на наружной поверхности матриц, когда остальные компоненты внутри. Таким образом, происходит улучшение механических свойств смазки, а за счет высокого содержания чистой меди реализуется антикоррозионный эффект, однако в сочетании с ЛКС-М эффект выражен значительнее, чем при использовании этих компонентов по отдельности.

Особенно важно отметить то, что совместное использование ЛКС-М и медной пудры в приведенных соотношениях является наиболее рациональным как с точки зрения обеспечения смазки и защиты резьбовой поверхности, так и экономической.

При введении компонентов в оптимальном соотношении медные чешуйки находятся на поверхности волокон каркаса ЛКС-М. Только указанные в формуле соотношения позволяют реализовать следующий эффект: при нанесении смазки на резьбу медные чешуйки с волокнами ЛКС-М располагаются вдоль поверхности скольжения витков резьбы в количестве 5-10 слоев. Это количество слоев обеспечивает исключение вероятности контакта металл-металл с образованием задиров, позволяет полностью контролировать момент свинчивания, так как оно происходит плавно без рывков, и позволяет контролировать качество сборки соединения. Также на первых витках резьбы остается достаточное количество работоспособной смазки, которая может обеспечить антикоррозионный эффект и препятствует попаданию агрессивных сред, содержащих H₂S и СО₂, и их ингибирование.

При меньшем содержании ЛКС-М с медной пудрой вероятны задиры и заедания на начальном этапе свинчивания резьбы, так как имеют место высокие нагрузки при зацеплении первых витков. Образованного трехмерного каркаса недостаточно для того, чтобы весь объем жировой массы и наполнителя равномерно распределился в его матрице. Это сопровождается неоднородностью структуры, хаотичным расположением компонентов, в том числе медной пудры, по всему объему смазки.

А большее содержание нецелесообразно не только экономически, но и может привести к полному вытеснению жировой основы и полному разрушению каркаса, образованного ЛКС-М.

Совокупность признаков нова и приводит к техническому результату, заключающемуся в создании смазки, удобной в применении и обеспечивающей при многократном свинчивании-развинчивании термическую стойкость в широком диапазоне температур, коррозионную инертность, герметизацию, предотвращение износов, задиров и заедания резьбовых соединений в коррозионно-агрессивных сероводородсодержащих средах за счет того, что она дополнительно содержит литиевую комплексную смазку металлургическую ЛКС-М и медь в виде пудры, имеющей мелкочешуйчатую структуру, высокую дисперсность, с содержанием чистой меди 99.1%-99,7%.

При заявленных составе и соотношении ингредиентов предложенная смазка для герметизации резьбовых соединений обладает таким сочетанием свойств, которое не присуще ни одному из входящих в нее ингредиентов или другим известным смазкам, что позволяет использовать ее по указанному назначению в различных климатических условиях, в том числе и в условиях Крайнего Севера и у экватора. Смазку изготавливают следующим образом.

При постоянном перемешивании в реактор вводят масло ИГП-18 в количестве 24-30%, добавляют 8-19% литиевой комплексной смазки металлургической ЛКС-М. При диспергировании происходит образование и распределение трехмерного каркаса ЛКС-М по всему объему. После добавления графита ГЛС при диспергировании происходит распределение графита внутри каркаса. Медную пудру в виде мелкочешуйчатого порошка в количестве 8-10% вводят и производят гомогенизирование смазки.

При введении в эту систему медной пудры, содержащей высокодисперсные частички от 0,045-0,1 мм, чешуйчатой формы с содержанием чистой меди 99,1%-99,7% частицы медной пудры равномерно распределяются по всему объему смазки вдоль волокон трехмерного каркаса ЛКС-М. Причем частички располагаются на наружной поверхности матриц, когда остальные компоненты внутри.

При этом был обнаружен следующий эффект.

ЛКС-М обеспечивает образование дополнительного трехмерного каркаса, в матрице которого располагаются компоненты основного вещества - жировая основа и наполнители - графит, и при оптимальном соотношении медные чешуйки находятся на поверхности волокон каркаса ЛКС-М.

Только указанные в формуле соотношения позволяют реализовать следующий эффект: при нанесении смазки на резьбу медные чешуйки с волокнами ЛКС-М располагаются вдоль поверхности скольжения витков резьбы в количестве 5-10 слоев. Это количество слоев исключает вероятность контакта металл-металл с образованием задиров и позволяет полностью контролировать момент свинчивания, которое происходит плавно, без рывков, и позволяет контролировать качество сборки соединения. Также на первых витках резьбы остается достаточное количество работоспособной смазки, которая может обеспечить антикоррозионный эффект и препятствует попаданию агрессивных сред содержащих H₂S и СО₂ и их ингибирование.

Особенно важно отметить то, что совместное использование ЛКС-М и медной пудры в приведенных соотношениях является наиболее рациональным как с точки зрения обеспечения смазки и защиты резьбовой поверхности, так и экономической.

При этом происходит улучшение механических свойств смазки за счет высокого содержания чистой меди реализуется антикоррозионный эффект.

Опытные партии заявляемой смазки под названием РУС-Премиум были поставлены на Северский трубный завод в г.Ноябрьске, г.Челябинске, г.Каменске-Уральском, и другие.

Как показали многочисленные наблюдения и экспериментальные исследования, данная смазка мазеобразного вида, однородная по составу, без посторонних примесей состоит из основного компонента, твердых частиц и специальных добавок в пропорциях, соответствующих рецептуре.

Смазке присущи заявляемые показатели:

- пенетрация при 25°С без перемешивания, мм·10 - 325

- температура каплепадения, не ниже - +190

- температурный интервал применения, °С - -50+200

- допустимое удельное давление при гидроиспытании не менее 70 МПа;

- коррозийное воздействие на металлы (сталь 40, 45, 50) не обнаружено;

- полное заполнение межвитковых резьбовых пространств, что способствует полной герметизации резьбовых соединений;

- при свинчивании-развинчивании отсутствуют задиры, заедания и сваривание резьбовых соединений.

Ниже приведены примеры свойств смазки при крайних значениях содержания компонентов.

Пример 1. Компоненты загружают в реактор в следующих соотношениях в %: индустриальное масло типа ИГП-18 24-30, пластичная смазка типа ЛКС-М 8, медь 8, графит - остальное.

При наименьшем содержанием ЛКС-М и медной пудры наблюдаются следующее. Из-за малого количества ЛКС-М в общем объеме смазки не происходит образования прочного дополнительного трехмерного каркаса. Результатом этого является неравномерное распределение медной пудры, некоторое снижение механических свойств смазки. Также увеличивается износ и появляется вероятность образования задиров.

Из-за низкого содержания медной пудры нет равномерного распределения слоев чешуек на резьбе. Высока вероятность появления задиров на первых витках резьбы. Антикоррозионный эффект очень слабо выражен.

Пример 2. Компоненты загружают в реактор в следующих соотношениях в %: индустриальное масло типа ИГП-18 24-30, пластичная смазка типа ЛКС-М 24, медь 10, графит - остальное.

При крайнем наибольшем содержанием ЛКС-М и медной пудры наблюдаются следующее. Из-за большого количества ЛКС-М в общем объеме смазки происходит образования прочного, грубого дополнительного трехмерного каркаса. Результатом этого является неравномерное распределение медной пудры, значительное упрочнение смазки, образование комочков. Затруднение нанесения смазки особенно при низких температурах. Также увеличивается износ и появляется вероятность образования задиров.

Из-за высокого содержания медной пудры нет равномерного распределения слоев чешуек на резьбе. Высока вероятность расслоения смазки за счет оседания меди при длительном хранении или после транспортировки, что препятствует образованию газоплотного соединения. В резьбе появляется напряжение, что ведет к появлению задиров на первых витках резьбы вследствие выдавливания жировой основы металлическим наполнителем.

Пример 3. Компоненты загружают в реактор в следующих соотношениях в %: индустриальное масло типа ИГП-18 24-30, пластичная смазка типа ЛКС-М 8, медь 10, графит - остальное.

При наименьшем содержании ЛКС-М и высоком содержании медной пудры наблюдаются следующее. Из-за малого количества ЛКС-М в общем объеме смазки не происходит образования прочного дополнительного трехмерного каркаса. Результатом этого является неравномерное распределение медной пудры, некоторое снижение механических свойств смазки. Также увеличивается износ и появляется вероятность образования задиров.

Из-за высокого содержания медной пудры нет равномерного распределения слоев чешуек на резьбе. Высока вероятность расслоения смазки за счет оседания меди при длительном хранении или после транспортировки, появления задиров на первых витках резьбы вследствие выдавливания жировой основы металлическим наполнителем, что является препятствием образованию газоплотного соединения, способствует появлению напряжения в резьбе.

Пример 4. Компоненты загружают в реактор в следующих соотношениях в %: индустриальное масло типа ИГП-18 24-30, пластичная смазка типа ЛКС-М 24, медь 8, графит - остальное.

При крайнем наибольшем содержании ЛКС-М и наименьшем содержании медной пудры наблюдаются следующее. Из-за большого количества ЛКС-М в общем объеме смазки происходит образования прочного, грубого дополнительного трехмерного каркаса. Результатом этого является неравномерное распределение медной пудры, значительное упрочнение смазки, образование комочков. Затруднение нанесения смазки особенно при низких температурах. Также увеличивается износ и появляется вероятность образования задиров.

Из-за низкого содержания медной пудры нет равномерного распределения слоев чешуек на резьбе. Высока вероятность появления задиров на первых витках резьбы. Антикоррозионный эффект очень слабо выражен.

Сравнительная таблица
Показатели	РУС-ПРЕМИУМ ТУ 0254-008-540044229-2005	Р-416 ТУ 301-04-020-92	Р-402 ТУ 301-04-020-92	Р-113 ТУ 301-04-020-92
Темпереатура каплепадения, °С не ниже	190	130	130	125
Коллоидная стабильность, опресс. масла, %, не более	7,0	7,0	7,0	7,0
Пенетрация при 250°С без перемешивания, мм·10-1	325	130-180	250-330	270-330
Коррозийное воздействие на металлы (сталь 40, 45, 50)	Не воздействует	Выдерживает	Выдерживает	Выдерживает
Массовая доля воды, %, не более	0,1	0,1
Испарение за 24 часа, % при 100°С	3,5	2,0
Температурный интервал применения, °С	- 50+200	- 30+200	- 30+200
Назначение	Свинчивание резьбовых соединений насосно-компрессорных и обсадных труб с резьбовыми соединениями с уплотнением «металл-металл», в том числе для газоплотных соединений типа VAM и гармонизированных с ним соединений VAGT, SEC FR, SPMS2 при эксплуатации труб на сероводородсодержащих месторождениях. Смазка может использоваться как консервационная.	Герметизация резьбовых соединений замков бурильных труб с рабочими температурами в забое от -30 до +100°С и давлением до 30МПа.	Герметизация резьбовых соединений обсадных и насосно-компрессорных труб любого диаметра, подвергаемых многократному свинчиванию и работающих в скважинах с температурой от - 40 до +200°С.	Герметизация резьбовых соединений забойных двигателей, переводников, долот, замков бурильных труб глубоких и сверхглубоких скважин. Работоспособна от - 40 до +200°С.

Смазка для герметизации резьбовых соединений, содержащая жировую основу - масло индустриальное, литиевую комплексную смазку металлургическую «ЛКС-М» и графит, отличающаяся тем, что дополнительно содержит высокодисперсную медную пудру, имеющую мелко чешуйчатую структуру, с содержанием чистой меди 99,1-99,7% при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

индустриальное масло «ИГП-18»	24-30
литиевая комплексная смазка металлургическая «ЛКС-М»	8-24
указанная медная пудра	8-10
графит «ГЛС»	остальное