The advantage of composite materials used in downhole cutting tools

• Autorzy: Mustafayev Amir G. , Nasirov Chingiz R.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2024.01.03

Warianty tytułu

PL

Zalety materiałów kompozytowych stosowanych w otworowych narzędziach skrawających

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the important reserves for the growth of oil and gas production is the acceleration of emergency recovery work in production and exploration wells at minimal cost. A significant amount of work in downhole conditions is performed using downhole destructive and cutting tools. Each oil and gas producing country annually uses more than 100 standard sizes, thousands of cutting tool sets: downhole, annular, combined, pilot, internal and external pipe cutters, as well as reamers for cutting side “windows” in production strings. Therefore, the need for them is growing significantly every year. The conducted experiments show that during the operation of cutting tools, the working abrasive-cutting part of the tool wears out and collapses, but the body, other elements and the connecting thread remain suitable for further operation. Therefore, the restoration of working bodies, consisting of crushed particles of used borehole cutting tools, is an urgent scientific and technical task for the oil and gas industry. When repairing oil and gas wells, as well as eliminating the most complex accidents, more than a hundred standard sizes of downhole cutting and destructive tools are used. Currently, an acute shortage of this equipment in oilfield facilities makes it necessary to reconsider the technologies for restoring downhole cutting and destructive tools and introduce them into production. The conducted studies show that there is not enough information about the thickness and height of the layers of the material applied to the damaged area of the cutting and destructive tool, as well as the information necessary for the optimal mode of its operation and its effectiveness after restoration. Composite materials are widely used in the preparation of cutting-chopping and destructive elements of oil-field tools and equipment used in the drilling, operation and repair of wells. In order to increase the cutting capacity of the cutting part of the tool, it is necessary to investigate the advantages of tungsten-carbide (TC) type composite materials compared to other materials and ensure their resistance to high temperatures. As a result of theoretical studies, the stress-deformation state of the contact areas of the composite elements, where the working areas of the cutting and destructive tools are reinforced, and the dependence of the productivity of the composite materials on the speed of transition to metal and the sizes of the composite grains were determined by using the finite element method (two-dimensional simplex elements).

PL

Jedną z ważnych kwestii wpływających na wzrost wydobycia ropy naftowej i gazu ziemnego jest przyspieszenie awaryjnych prac naprawczych w odwiertach eksploatacyjnych przy minimalnych kosztach. Znacząca ilość pracy w warunkach wgłębnych w otworach wykonywana jest z zastosowaniem otworowych narzędzi niszczących i skrawających. Każdy kraj produkujący ropę i gaz rocznie stosuje ponad sto standardowych rozmiarów zestawów tysięcy narzędzi skrawających: otworowych, pierścieniowych, łączonych, pilotażowych, wewnętrznych i zewnętrznych przecinaków do rur, jak również rozwiertaki do wycinania „okien” bocznych w rurach eksploatacyjnych. Tym samym każdego roku zapotrzebowanie na te narzędzia znacząco wzrasta. Przeprowadzone doświadczenia pokazują, że podczas pracy narzędzi skrawających część robocza ścierająco-tnąca narzędzia zużywa sie i zapada, lecz korpus, inne elementy i gwint łączący pozostają odpowiednie do dalszej pracy. Tym samym, odbudowa korpusów roboczych, składających się ze zmiażdżonych cząstek zużytych otworowych narzędzi skrawających, jest pilnym zadaniem badawczym i technicznym dla przemysłu ropno-gazowego. Podczas naprawy odwiertów ropnych i gazowych oraz likwidacji najbardziej skomplikowanych awarii stosuje się ponad sto standardowych rozmiarów otworowych narzędzi skrawających i niszczących. Obecnie poważny niedobór tego sprzętu na złożach ropy naftowej wymusza konieczność ponownego rozważenia technologii dla naprawy otworowych narzędzi skrawających i niszczących oraz wprowadzania ich do produkcji. Przeprowadzone badania pokazują, że brak jest wystarczających informacji o grubości i wysokości warstw materiału nakładanych na uszkodzoną powierzchnię narzędzia skrawającego i niszczącego, oraz informacji koniecznych dla optymalnego trybu jego pracy i jej skuteczności po renowacji. Materiały kompozytowe są szeroko stosowane w przygotowywaniu elementów tnąco-skrawających i niszczących dla narzędzi naftowych i sprzętu stosowanego przy wierceniu, pracy i naprawie odwiertów. W celu zwiększenia wydajności cięcia części tnącej narzędzia konieczne jest zbadanie zalet materiałów kompozytowych typu węglik wolframu (TC) w porównaniu z innymi materiałami, oraz zapewnienie ich odporności na wysokie temperatury. W wyniku badań teoretycznych określono stan naprężeniowo-odkształceniowy obszarów styku elementów kompozytowych, w których wzmocnione są obszary robocze narzędzi skrawających i niszczących oraz zależność wydajności materiałów kompozytowych od prędkości przejścia w metal i rozmiarów ziaren kompozytowych metodą elementów skończonych (dwuwymiarowe elementy sympleksowe).

Słowa kluczowe

EN

composite material; finite elements; stress-deformation state; cutting-chopping destructive tools

PL

materiał kompozytowy; elementy skończone; stan naprężenie-odkształcenie; tnąco-skrawające narzędzia niszczące

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 80, nr 1
• Strony: 19--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys.

Twórcy

autor

Mustafayev Amir G.

• Azerbaijan State Oil and Industry University

autor

Nasirov Chingiz R.

• Azerbaijan State Oil and Industry University

Bibliografia

• Balasubramanian M., 2014. Composite materials and processing. LLC CRC Press, 648. DOI: 10.1201/b15551.
• Campbell F.C., 2006. Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials. Elsevier, Amsterdam, 616. DOI: 10.1016/ B978-1-85617-495-4.X5000-8.
• Efimochkin I.Yu., Shchetanov B.V., Paegle S.V., Dvoretskov R.M., 2018. Investigation of the features of mechanical alloying in the synthesis of in-situ composites based on refractory metals. Scientific and Techical Journal “Proceedings of VIAM”, 4(64): 38–50, Art. 05. (http://viam-works.ru).
• Emelyanov V.S., Evstyukhin A.I., Shulepov V.I. et al., 1977. Molybdenum in nuclear power engineering. Atomizdat, 160.
• Ershova I.O., 1997. Physico-mechanical properties of industrial refractory alloys. Tsvetnye metally, 7: 49–54.
• Ershova I.O., 2003. Influence of nitrides of refractory metals on the properties of sintered tungsten and molybdenum. Materialscience and Heat Treatment of Metals, 2: 26–30.
• Goulon J.M., 2010. Hybrid Silicide-Based Lightweight Components for Turbine and Energy Applications. Final Report Summary.<https://cordis.europa.eu/project/id/266214> (access: May, 2023).
• Grashchenkov D.V., Shchetanov B.V., Efimochkin I.Yu., 2011a. Development of powder metallurgy of heat-resistant materials. All materials. Encyclopedic reference book, 5: 13–26.
• Grashchenkov D.V., Shchetanov B.V., Efimochkin I.Yu., 2011b. Development of powder metallurgy of heat-resistant materials. All materials. Encyclopedic reference book, 6: 10–22.
• Grashchenkov D.V., Shchetanov B.V., Efimochkin I.Yu., Sevostyanov N.V., 2016. Composite materials based on refractory metals. Structures from Composite Materials, 4: 16–22.
• Hu P., Wang K.S., He H.Ch., Kang X.Q, Wang H., Wang. P.Z., 2013. Preparation and properties of La-TZM alloy plates. Applied Mechanics and Materials, 320: 350–353. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.320.350.
• Kablov E.N., 2015. Innovative developments of the Federal State Unitary Enterprise “VIAM” of the State Scientific Center of the Russian Federation for the implementation of the “Strategic directions for the development of materials and technologies for their processing for the period up to 2030”. Aviation Materials and Technologies, 1(34): 3–33. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
• Kablov E.N., 2016. What is the future to be made of? Materials of a new generation, technologies for their creation and processing – the basis of innovation. Wings of the Motherland, 5: 8–18.
• Kablov E.N., Bondarenko Yu.A., Echin A.B., 2017a. Development of technology for directed crystallization of cast high-temperature alloys with variable controlled temperature gradient. Aviation Materials and Technologies, S: 24–38. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-24-38.
• Kablov E.N., Svetlov I.L., Neiman A.V., Min P.G., Karachevtsev F.N.,
• Karpov M.I., 2017b. High-temperature composites based on the Nb–Si system reinforced with niobium silicides. Inorganic Materials: Applied Research, 8(4): 609–617. DOI: 10.1134/ S2075113317040104.
• Kostikov V.I., Varenkov A.N., 2003. Superhigh-temperature composite materials. Intermet, Engineering, 506.
• Kovtunov A.I., Myamin S.V., Semistenova T.V., 2017. Layered composite materials: electron. Textbook allowance. Togliatti: Publishing House of TSU.
• Mustafayev A.G., 2017a. Investigation of the influence of interrelated factors on the thermal regime of a rock-destroying instrument. Modern technologies in the oil and gas business-2017, Collection of works of the international scientific and technical conference, Ufa, State Petroleum Technical University, 128–132.
• Mustafayev A.G., 2017b. Investigation of thermal processes on the contact surfaces of wellbore destruction tools. Modern technologies in the oil and gas business – 2017. Proceedings of Science Technical Conference, Ufa, State Petroleum Technical University, 136–138.
• Mustafayev A.G., Amirova A.M., 2017. Influence of dispersed particles of the composite material welded into the cutting part of the well tool on the specific productivity of the milling process. Modern technologies in oil and gas business 2017. Proceedings of International Scientific and Technical Conference, Ufa, State Petroleum Technical University, 368–373.
• Mustafayev A.G., Nasirov Ch.R., 2021. Development of operational parameters of milling devices taking into account the physical and mechanical characteristics of the cutting part of the tool reinforced with composite alloys. GSOTU, Proceedings of the X All-Russian Scientific and Practical Conference “Youth, Science, Innovations”, 391–398.
• Mustafayev A.G., Nasirov Ch.R., 2022. Development of a method for improving the performance of well drilling tools, Problems of geology, development and exploitation of deposits, transport and processing of hard-to-extract heavy oil. Proceedings of the All-Russian Scientific and Technical Conference, Ukhta. ISBN 978-5-6045345-9-5, 208.
• Mustafayev A.G., Nasirov Ch.R., Dzhafarov A.G., 2021a. Method of Projecting Cutting Parts of Well Milling Devices on the Basis of Composite Alloys. Modern Science Founders: Scientific and Information Publishing Center “Institute of Strategic Studies”, Moscow. ISSN: 2414-9918, 410-417.
• Mustafayev A.G., Nasirov Ch.R., Nagiyev A.E., 2021b. Improvement of the cutting ability of well milling tools reinforced with composite matrix materials. GSOTU, Proceedings of the X All-Russian Scientific and Practical Conference “Youth, Science, Innovations”, 383–390.
• Mustafayev A.G., Pashayeva V.B., 2017. Investigation of improving the performance of well-destroying instruments. Actual Problems of Humanities and Natural Sciences, Russia, 7: 50–53.
• Ohser-Wiedemann R., Weck Ch., Martin U., Müller A., Seifert H.J., 2012. Spark plasma sintering of TiC partical-reinforced molybdenum composites. International Journal Refractory Metals and Hard Materials, 32: 1–6. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2011.12.001.
• Portnoy K.I., Babich B.N., 1974. Advances in modern metallurgy. Metallurgy, 200.
• Portnoy K.I., Salibekov S.E., Svetlov I.L., Chubarov V.M., 1979. Structure and properties of composite materials. Mashinostroenie, 255.
• Seemüller H.C.M., 2016. Evaluation of Powder Metallurgical Processing Routes for Multi-Component Niobium Silicide-BasedHigh-Temperature Alloys. Materials Science, DOI: 10.5445/IR/1000054464.
• Structural applications of mechanical alloying, 1990. Proceedings of an ASM International Conference, 320.
• Wang Y.K., Miao S., Xie Z.M., Liu R., Zhang T., Fang Q.F., Hao T., Wang X.P., Liu C.S., Liu X., Cai L.H., 2017. Thermal stability and mechanical properties of HfС dispersion strengthened W alloys as plasma-facing components in fusion devices. Journal of Nuclear Materials, 492: 260–268. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2017.05.038.