افزایش عمرکاری و بهبود عملکرد موتورهای درون‎چاهی با استفاده از الاستومر نانوکامپوزیتی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده توسعه تکنولوژی، جهاد دانشگاهی، تهران، ایران

2 هییت علمی جهاد دانشگاهی شریف

3 دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22078/pr.2018.3388.2556

چکیده

با در نظر گرفتن شرایط کار موتورهای درون‎چاهی، تقویت استحکام مکانیکی و حرارتی آنها ضروری به نظر می‌رسد. برخی تحقیقات به منظور بهبود عملکرد موتور از طریق تغییر در طراحی انجام شده است ولی فقدان افزایش استحکام از طریق تقویت الاستومر در تحقیقات گذشته چشمگیر به نظر می‌رسد. در این تحقیق نمونه‌های کامپوزیت NBR/Nanoclay با مقادیر مختلف از نانو رس از طریق اختلاط مذابی در مخلوط‌کننده داخلی آماده شده است. به منظور ارزیابی عملکرد الاستومر موتور، آزمون‌های مختلف مکانیکی و حرارتی با در نظر گرفتن شرایط درون چاهی، از جمله سیال حفاری و دما انجام گرفته است. نتایج آزمون‌های مکانیکی نشان می‌دهد که سختی و چقرمگی نمونه‌ها افزایش یافته و در آزمون خستگی نمونه‌های کامپوزیت تعداد سیکل بیشتری در مقایسه با نمونه‌های معمولی تحمل نموده‌اند. همچنین آزمون دینامیکی مکانیکی نشان از کاهش ضریب اتلاف دارد که به معنای تولید کمتر حرارت در هر سیکل برخورد بوده و لذا افزایش عمر نمونه‌ها قابل دست‌یابی است. نانو کامپوزیت حاصل شده استحکام مکانیکی، حرارتی و نفوذناپذیری بالاتری در مقایسه با الاستومر معمولی داشته و افزایش عمر و کارایی موتور با استفاده از این نانوکامپوزیت قابل دست‌یابی است. افزایش عمر موتور به کاهش دفعات لازم برای بالا پایین کردن لوله‌ها و در نتیجه کمتر شدن زمان حفر چاه و همچنین کمتر شدن هزینه حفاری منجر خواهد شد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Increasing the Working Life and Performance Improvements of Down Whole Mud Motors Using Nanocomposite Elastomer

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Izadi 1
  • Mohamad Tabatabaee Ghomi 2
  • Gholamreza Pircheraghi 3
1 Technology Development Institute, Academic Center for Education, Culture and Research (ACECR)
3 Department of Materials Science and Engineering, Sharif University
چکیده [English]

Considering the working conditions of down hole mud motors, enhancing the mechanical and thermal strengths of their elastomeric parts is crucial. Some attempts have been done to increase the motor performance through geometrical changes, but lack of material improvement is significant in previous studies. In this study, NBR/nanoclay composite was prepared through melt intercalation in an internal mixer. In order to evaluate the mud motor performance with regard to down hole working conditions, different mechanical and thermal tests were done. Moreover, tensile test results showed that the stiffness and toughness of prepared composites are increased simultaneously. While, tensile fatigue test results revealed the enhanced fatigue life of NBR/nanoclay composite samples in comparison with neat NBR sample. Dynamic mechanical analysis also showed a decrease in the damping factor, tan δ of composite samples compared to neat elastomer, indicating the less dissipation heat production in each cycle and hence increasing fatigue life of the samples. Based on the results of this study, it is confirmed that the incorporation of right selected nanoclay into NBR matrix offers increased mechanical and thermal strengths and barrier properties over conventional virgin elastomer. Therefore increasing the working life and performance of the motor is achievable through replacing its elastomeric stator lining with the NBR/nanoclay composite.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Down Whole Mud Motors
  • Nitrile Rubber
  • Nanoclay
  • Viscoelastic materials
  • Nanocomposit

[1]. Nguyen T., Al-Safran E., Saasen A. and Nes O. M., “Modeling the design and performance of progressing cavity pump using 3-D vector approach,” Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 122, pp. 180–186, 2014.##

[2]. Zhang J., Liang Z. and Han C., “Failure analysis and finite element simulation of key components of PDM,” Engineering Failure Analysis, Vol. 45, pp. 15–25, 2014. ##

[3]. Zhang Z., Yu X., Zhao W., Zhang L. and Zhang R., “Exploring wear detection method for special drilling parts in liquid media,” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 61, pp. 249–258, 2016.##

[4]. Delpassand M. S., “Stator life of a positive displacment downhole drilling motor,” Journal of Energy Resources Technology, Vol. 121, No. 2, pp. 110–116, 1999.##

[5]. Han C., Zhang J. and Liang Z., “Thermal failure of rubber bushing of a Positive displacement motor: A study based on thermo-mechanical coupling,” Applied Thermal Engineering, Vol. 67, No. 1–2, pp. 489–493, 2014.##

[6]. Lukawski M. Z., Anderson B. J., Augustine Ch., Capuano Jr.L. E., Beckers K. F. and J. Tester W., “Cost analysis of oil, gas, and geothermal well drilling,” Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 118, pp. 1–14, 2014.##

[7]. Zhang J., Han C. and Liang Z., “Physics of failure analysis of power section assembly for positive displacement motor,” Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 44, pp. 414–423, 2016.##

[8]. Azizov A., Davila W., Nnanna O. and Rizen A., “Positive displacement motor innovation drives increased performance with PDC in unconventional plays,” In Spe/iadc Middle East Drilling Technology Conference and Exhibition, Society of Petroleum Engineers, pp. 1–15, 2011.##

[9]. E. K. Ross K. C., Pugh T. and Huycke J., “Performance characteristics of drilling equipment elastomers evaluated in various drilling fluids,” In Spe/iadc Drilling Conference. Society of Petroleum Engineers, SPE 21960, 1991. ##

[10]. Hendrik J., “Elastomers in mud motors for oil field application,” in Corrosion 97. NACE International, 1997. ##

[11]. Liu J., Li X., Xu L. and Zhang P., “Investigation of aging behavior and mechanism of nitrile-butadiene rubber (NBR) in the accelerated thermal aging environment,” Polymer Testing, Vol. 54, pp. 59–66, 2016. ##

[12]. Pavlidou S. and Papaspyrides C. D., “A review on polymer-layered silicate nanocomposites,” Progress in Polymer Science, Vol. 33, No. 12, pp. 1119–1198, 2008.##

[13]. Santamaría P., González I. and Eguiazábal J. I., “Mechanical and barrier properties of ternary nanocomposite films based on polycarbonate/amorphous polyamide blends modified with a nanoclay,” Polymers for Advanced Technologies, Vol. 26, No. 6, pp. 665–673, 2015.##

[14]. Tolooei S., Naderi G., Shokoohi S. and Soltani S., “Elastomer nanocomposites based on NBR/BR/nanoclay: Morphology and mechanical properties,” Journal of Polymer Engineering, Vol. 33, No. 2, pp. 133–139, 2013.##

[15]. Islam M. S., Masoodi R. and Rostami H., “The effect of nanoparticles percentage on mechanical behavior of silica-epoxy nanocomposites,” Journal of Nanoscience, Vol. 2013, pp. 1–10, 2013. ##

[16]. Nah C., Ryu H. J., Han S. H., Rhee J. M. and Lee M. H., “Fracture behaviour of acrylonitrile-butadiene rubber/clay nanocomposite,” Polymer International, Vol. 50, No. 11, pp. 1265–1268, 2001.##

[17]. Paul D. R. and Robeson L. M., “Polymer nanotechnology: Nanocomposites,” Polymer, Vol. 49, No. 15, pp. 3187–3204, 2008.

[18]. Mahallati P., Arefzar A. and Naderi G., “Thermoplastic elastomer nanocomposites based on PA6 / NBR,” International Polymer Processing, Vol. 25, No. 2, pp. 132–138, 2010. ##

[19]. Alberola N. D., Benzarti K., Bas C. and Bomal Y., “Interface effects in elastomers reinforced by modified precipitated silica,” Polymer Composites, Vol. 22, No. 2, pp. 312–325, 2001.##