EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF WEAR CHARACTERISTICS OF A NOVEL CERAMIC–EPOXY–KEVLAR COMPOSITE CASING LINING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Yassin Yahia Abdelrahman Fouad.pdf Restricted to Repository staff only until 31 December 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

يتناول هذا العمل الأداء التريبيولوجي لمركب جديد يتكون من السيراميك–الإيبوكسي–الكيفلار، لاستخدامه كبطانة في الوصلات بين الأنابيب (DP-TJ) وأنابيب التغليف، وخاصة في سياق عمليات الحفر الموجه في صناعة النفط والغاز. غالبًا ما يؤدي الحفر الموجه إلى تآكل مفرط في التغليف نتيجة الاحتكاك بين التغليف ووصلات أنابيب الحفر، مما يتسبب في فشل التغليف، وقصر عمره التشغيلي، وزيادة تكاليف الصيانة. يهدف هذا البحث إلى توصيف مادة مركبة جديدة من السيراميك–الإيبوكسي–الكيفلار لتخفيف هذه المشكلات، مما يوفر بديلاً عن الأغلفة المعدنية التقليدية ووصلات أنابيب الحفر. يتكون المركب قيد الدراسة من مزيج من الزركونيا والإيبوكسي والكيفلار (ZEK) إلى جانب نظام مواد مالئة خاص. يتم تشكيل ألياف الكيفلار في بنية خلوية مملوءة بمصفوفة إيبوكسية محسّنة بجسيمات ميكروية من الزركونيا المعالجة سطحيًا (بمتوسط قطر 80 ميكرومتر، بنسبة حجمية 2.5٪) لمقاومة التآكل، إلى جانب عناصر أخرى خاصة. تم تقييم سلوك التآكل لبطانة هذا المركب باستخدام نوعين من التجارب: الأولى احتكاك جاف مع وصلة أدوات فولاذية، والثانية احتكاك مشحم ضد وصلة أدوات مغطاة بالمركب تحت تشحيم بمحلول طيني مائي (WBM). تم اختبارهما تحت أحمال مختلفة (500، 700، و1000 نيوتن لتجارب WBM – و1000، 1200، و1400 نيوتن للاحتكاك الجاف) وسرعات دوران مختلفة (65، 115، و154 دورة في الدقيقة)، والتي تعادل سرعات انزلاق (0.43، 0.76، و1.02 م\ث) في اختبارات الاحتكاك الجاف. أجريت هذه الاختبارات على أغلفة حقيقية ووصلات DP-TJ باستخدام إعداد مخرطة معدلة، حيث تعرضت الطلاءات المركبة للتآكل لفترة اختبار تصل إلى 5 ساعات. في ظروف الاحتكاك الجاف، تم تسجيل أعلى معدل تآكل محدد يبلغ 20.3×10−8 مم³\نيوتن·م عند حمل 1200 نيوتن وسرعة 1.02 م\ث، بينما تم تسجيل أقل معدل تآكل بلغ 0.33×10−8 مم³\نيوتن·م عند 1400 نيوتن و0.43 م\ث، مما يشير إلى تأثير وقائي للطبقة المزدوجة المكونة من حطام الإيبوكسي والكيفلار المعزز بجسيمات الزركونيا عند الأحمال العالية. أما بالنسبة لتجارب WBM، فقد تراوحت معدلات التآكل المحددة (K) بين 0.28×10−8 إلى 115.16×10−8 مم³\نيوتن·م تحت أحمال وسرعات مختلفة، مع أقل معدل تآكل (0.28×10−8 مم³\نيوتن·م) عند 500 نيوتن و65 دورة في الدقيقة. كشفت النتائج أن التشحيم لا يقتصر فقط على تبريد السطح بل يقلل أيضًا من التآكل عن طريق تشكيل نظام تشحيم حدودي عند السرعات والأحمال المتوسطة. أثناء اختبار التآكل، تم قياس معامل الاحتكاك (COF) وتذبذب مع الحمل والسرعة، حيث أظهرت قيمًا منخفضة عند السرعات العالية بسبب الحركة الدحرجية لجسيمات الزركونيا. في الاختبارات الجافة، تراوح معامل الاحتكاك بين 0.21 و0.38، مع أقل قيمة لوحظت عند 1.02 م\ث تحت حمل 1400 نيوتن. وأُرجِع انخفاض الاحتكاك إلى وجود طبقة نقل مزدوجة تتكون من جسيمات الزركونيا وحطام الإيبوكسي، والتي تعمل كحاجز. تحت الإجهاد المتزايد، أثبتت هذه الطبقة فعاليتها في تقليل عمق التآكل. أظهرت تحليلات السطح باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن آليات التآكل أثناء الاختبارات الجافة كانت في المقام الأول كشطية ولصقية. لوحظ انكسار ألياف الكيفلار، وانفصال الطبقات، وتشقق المصفوفة تحت الضغوط المرتفعة. ساهمت محاذاة جسيمات الزركونيا على طول اتجاه الانزلاق عند الأحمال 1200 نيوتن و1400 نيوتن في تحسين مقاومة التآكل، حيث عملت هذه الجسيمات كعناصر دحرجة تقلل من التلامس الكاشط. أظهرت فحوصات SEM وEDS محاذاة جسيمات الزركونيا الميكروية نتيجة لتشكيل طبقة نقل مزدوجة على سطح البطانة. أما بالنسبة لعينات WBM، فقد تم استخدام المجهر الرقمي لتحليل آليات التآكل، وأظهرت الفرق في الثقوب الناتجة عن إزالة جسيمات الزركونيا أثناء التجربة. ومع ذلك، لم تعتمد آليات التآكل على الحمل التلامسي أو سرعة الدوران، حيث كان هناك وجود لكل من التآكل الكشطي واللصقي في كلا الحالتين. تخلص هذه الدراسة إلى أن مركب ZEK يظهر مقاومة تآكل ممتازة، خصوصًا في البيئات القاسية لعمليات الحفر، حيث كانت قيم معدل التآكل المحدد للبطانة في بعض الحالات قابلة للمقارنة مع الأغلفة الفولاذية التقليدية (مثل درجات L-80 وP110 ) التي تم اختبارها تحت ظروف مماثلة في اختبارات الاحتكاك الجاف. تقدم بطانة المركب تآكلاً منخفضًا بشكل كبير مقارنة بالأغلفة المعدنية التقليدية، مما يوفر بديلاً عمليًا، مع إمكانية تقليل التكاليف التشغيلية وزيادة عمر مواد التغليف في الحقل

English Abstract

The present work investigates the tribological performance of a novel ceramic–epoxy–Kevlar composite for use as a lining in casing and drill pipe tool joint (DP-TJ) applications, particularly in the context of directional drilling operations in the oil and gas industry. Directional drilling frequently leads to excessive wear on the casing due to the frictional interaction between the casing and the drill pipe tool joint, resulting in casing failure, reduced operational lifespan, and increased maintenance costs. This research aims to characterize a newly developed Zirconia–Epoxy–Kevlar composite material that is expected to mitigate these wear issues, offering an alternative to traditional metallic casings and DP-TJ. The composite under study consists of Zirconia-Epoxy-Kevlar (ZEK) along with a Proprietary filler system. The Kevlar fibers are shaped into honeycomb structure filled with epoxy matrix enhanced with surface-treated zirconia micro-particles (mean diameter of 80 µm, 2.5% volume fraction) for wear resistance, along with other proprietary elements. The wear behavior of this composite lining was evaluated using two types of experiments. The first one was dry sliding against a steel tool joint and the second one was lubricated friction against a composite-coated tool joint under water-based mud lubrication (WBM). They were tested under various loads (500, 700, and 1000 N for WBM – 1000 N, 1200 N, and 1400 N for dry friction) and rotational speeds (65, 115, and 154 rpm), which correspond to sliding velocities of 0.43, 0.76, and 1.02 m/s in the dry friction tests. These tests were conducted on real casings and DP-TJ, using a modified lathe machine setup, with composite coatings subjected to prolonged wear over a testing period of up to 5 hours. Under dry friction conditions, the highest specific wear rate of 20.3×10−8 mm³/Nm was observed at a load of 1200 N and a speed of 154 rpm (1.02 m/s), while the lowest wear rate of 0.33×10−8 mm³/Nm occurred at 1400 N and 65 rpm (0.43 m/s). This suggests a protective effect of the double-transfer layer formed by the epoxy debris and Kevlar debris reinforced with zirconia particles at higher loads. As for the WBM tests, the specific wear rates (K) range from 0.28×10−8 to 115.16×10−8 mm³/Nm under different contact loads and speeds with the lowest wear rate (0.28×10−8 mm³/Nm) at 500 N and 65 rpm. The results revealed that lubrication not only cools the surface but also reduces wear by forming a boundary lubrication regime at moderate speeds and loads. During the wear test, the COF was measured and it fluctuated with both load and speed, exhibiting reduced values at elevated speeds owing to the rolling motion of zirconia particles. In dry tests, the coefficient of friction (COF) varied from 0.21 to 0.38, with the minimum COF observed at 154 rpm (1.02 m/s) under a load of 1400 N. The decrease in friction was ascribed to the presence of a double-transfer layer consisting of zirconia particles and epoxy debris, which serves as a barrier. Under increased stress, this layer proved to be more effective in decreasing the wear depth. In addition to the casing wear tests, scratch tests were used to obtain the coefficient of friction (COF) and was found to be 0.38. Surface analysis by Scanning Electron Microscopy (SEM) indicated that the wear mechanisms during dry tests were primarily abrasive and adhesive. Breakage of Kevlar fibers, delamination, and matrix cracking were noted under elevated pressures. The alignment of zirconia particles along the sliding direction at loads of 1200 N and 1400 N contributed to improved wear resistance, as these particles functioned as rolling elements that reduced abrasive contacts. The SEM and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) examination indicated the alignment of Zirconia microparticles which could be as a result of the formation of a double transfer layer on the surface of the lining. For the WBM samples, the digital microscope was utilized to analyze the wear mechanisms of the lining, and they showed the difference in holes produced through the removal of Zirconia particles during the experiment. However, the wear mechanisms were not dependent on either the contact load or rotational speed, with the presence of both abrasive and adhesive wear in both cases. This thesis concludes that the ZEK composite demonstrates excellent wear resistance, particularly in harsh drilling environments, showing the values of the specific wear rate of the lining where some of them were comparable to traditional steel casings (e.g., L-80 and P110 grades, tested under water-based mud and oil-based mud lubrication) under similar testing conditions for dry friction tests. The composite lining has a significantly low casing wear under dry friction, offering a viable alternative to conventional metallic casings, with the potential to reduce operational costs and extend the lifespan of casing materials in the field.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Merah, N.
Committee Members:	Merah, N. and Al-Qutub, A. M. and Gasem, Z. M.
Depositing User:	YASSIN FOUAD (g202213740)
Date Deposited:	31 Dec 2024 08:42
Last Modified:	31 Dec 2024 08:42
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143202