TRIBOLOGICAL PERFORMANCE OF SHORT GLASS FIBERREINFORCED EPOXY COMPOSITES CASING COATING UNDER DRY SLIDING CONDITIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (AHMAD BAWAGNIH THESIS) Ahmad Hatem Bawagnih.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 December 2026. Download (8MB)

Arabic Abstract

لا يزال تأكل جدار غلاف الحماية في اثناء عمليات حفر آبار النفط والغاز يمثل تحديًا جوهريًا ، حيث يحدث احتكاك مستمر بين الجدار الداخلي للغلاف ومفصل أداة الحفر الدوّارة (DP-TJ). تهدف هذه الدراسة إلى تقييم الأداء التريبولوجي لنوعين من الاغلفة الرقيقة من مواد مركبة غير معدنية تم تطويرهما حديثًا وتستخدمان كبطانة داخلية لأنابيب غلافية مصنوعة من الإيبوكسي المدعم بالألياف الزجاجية (GFRE) يتكون نوعا الطلاء أساسا من مصفوفة من الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية القصيرة لكنهما يختلفان من حيث نوع وحجم مواد الحشو المضافة؛ حيث يحتوي أحدهما على جسيمات نانوية من كربونات الكالسيوم ، وأكسيد الألمنيوم ، وكربيد السيليكون ، بينما يحتوي الآخر على جسيمات ميكروية من أكسيد الزركون والرماد المتطاير.أُجريت اختبارات التآكل باستخدام جهاز اختبار مصمم خصيصًا لمحاكاة الاحتكاك الواقعي بين الغلاف ومفصل أداة الحفر. وقد تم اختبار نوعا الاغلفة تحت ظروف انزلاق جافة عند ثلاث سرعات دورانية لمفصل الأداة (65، 115، و154 دورة في الدقيقة) وثلاثة مستويات من الأحمال الجانبية (500، 700، و1000 نيوتن). حيث تم قياس معدل التآكل النوعي ومعامل الاحتكاك (COF ) بالإضافة إلى درجة الحرارة الموضعية في منطقة التآكل .تحت الظروف القاسية (700 نيوتن، و154 دورة/دقيقة)، أظهر الغلاف المحتوي على الجسيمات النانوية أعلى معدل تآكل نوعي بلغ 52.33 × 10⁻⁸ ميغاباسكال⁻¹، في حين قدم الغلاف المحتوي على الحشوات الميكروية أداءً فائقًا بمعدل تآكل منخفض بلغ 1.03 × 10⁻⁸ ميغاباسكال⁻¹، مما يبرز التأثير المثبّت للجسيمات الميكروية الصلبة في مقاومة التآكل في البيئات ذات الاحتكاك العالي.كما لوحظت تقلبات كبيرة في معامل الاحتكاك وارتفاع في درجات الحرارة تتجاوز 160 درجة مئوية تحت الأحمال والسرعات العالية، مما يشير إلى عدم استقرار الطبقة المنتقلة في منطقة الاحتكاك بين طبقتا التلامس التريبولوجية في كلا النظامين المركّبين. أُجريت تحليلات على أسطح العينات بعد تعرضها لاختبار التأكل باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومطياف الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) لتوضيح آليات التآكل السائدة، بالإضافة إلى تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) لحطام التآكل لتحديد مصدر وتركيب المواد المنتقلة في أثناء اختبار الاحتكاك. أظهرت النتائج أن التآكل الكاشط واللاصق هي الاليات المسيطرة في تآكل الطلاء. وقد أظهر الاغلفة المحتويه على الجسيمات النانوية علامات على تليّن المصفوفة وانفصالها، في حين حافظ النظام المحتوي على الحشوات الميكروية على استقرار سطحي أكبر من خلال الية تآكل ثنائي الجسم، حيث تعمل جسيمات أكسيد الزركون كعناصر قاسية على السطح المقابل. تُظهر هذه الدراسة أن نوعا الطلاء كلاهما يوفران مقاومة جيدة للتآكل تحت ظروف الانزلاق الجاف المعتدلة، لكن الطلاء المعزز بالجسيمات الميكروية الصلبة يتفوق بشكل واضح على النظام النانوية تحت ظروف الاتصال القاسية. وتدعم هذه النتائج تطوير حلول غلاف غير معدنية بالكامل وذات تكلفة منخفضة، كما تسلط الضوء على الدور المهم لنوع مادة الحشوة في تحديد سلوك تآكل طلاء المواد المركبة البوليمرية.

English Abstract

Casing wear remains a critical challenge in oil and gas drilling operations, where continuous frictional contact occurs between the inner casing wall and the rotating drill pipe tool joint (DP-TJ). The present study investigates the tribological performance of two novel nonmetallic composite linings applied internally to a glass fiber-reinforced epoxy (GFRE) casing. Both linings are based on short-glass-fiber-reinforced epoxy matrices but differ in incorporated filler type and size, one incorporates nanoparticles of CaCO₃, Al₂O₃, and SiC, while the other utilizes microparticles of zirconia and fly ash products. A wear test was conducted using a custom-built rig that replicates realistic casing, and tool joint contact. The linings were tested under dry sliding conditions at three DP-TJ rotational speeds (65, 115, and 154 rpm) and three side loads (500, 700, and 1000 N). The specific wear rate and coefficient of friction (COF) were measured, along with bulk temperature at wear region. Under the severe condition at 700 N and 154 rpm, the lining incorporates nanoparticles of CaCO₃, Al₂O₃, and SiC exhibited the highest specific wear rate of 52.33 × 10⁻⁸ MPa⁻¹, while the microparticles filled system lining demonstrated superior performance, with a much lower wear rate of 1.03 × 10⁻⁸ MPa⁻¹, highlighting the stabilizing effect of hard ceramic microparticles in high-friction environments. Significant COF fluctuations and temperature exceeding 160 °C were observed at high side loads and rotational speeds conditions, indicating unstable tribofilm behavior in both composite systems. Surface characterization using scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was performed to elucidate dominant wear mechanisms. Additionally, X-ray diffraction (XRD) analysis of the wear debris was conducted to identify the origin and composition of transfer materials formed during testing. Results show that abrasive and adhesive wear are the dominant mechanisms in both linings. The nanoparticle-filled lining exhibited matrix softening and delamination, whereas the microparticles filled system maintained greater surface stability through two-body abrasion, with zirconia particles acting as hard contact elements against the counterface. This study concludes that both coatings offer good wear resistance under moderate dry conditions, but the composite incorporating hard microparticles significantly outperforms the nanoparticles filled system under severe contact conditions. These findings support the development of fully non-metallic, cost-effective casing solutions and provide insights into the critical role of filler type in governing the wear behavior of polymer composite linings.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Badour, Fadi
Committee Members:	Merah, Nesar and Gasem, Zuhair
Depositing User:	AHMAD BAWAGNIH (g202308850)
Date Deposited:	30 Dec 2025 10:43
Last Modified:	30 Dec 2025 10:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143950