Uzura termică și îndepărtarea cobaltului de pe PDC

I. Uzura termică și îndepărtarea cobaltului de la PDC

În procesul de sinterizare la presiune înaltă a PDC, cobaltul acționează ca un catalizator pentru a promova combinarea directă dintre diamant și diamant, formând un întreg între stratul de diamant și matricea de carbură de tungsten, rezultând dinți de tăiere PDC potriviți pentru foraj geologic în câmpuri petroliere, cu tenacitate ridicată și rezistență excelentă la uzură.

Rezistența la căldură a diamantelor este destul de limitată. Sub presiune atmosferică, suprafața diamantului se poate transforma la temperaturi de aproximativ 900℃ sau mai mari. În timpul utilizării, PDC-urile tradiționale tind să se degradeze la aproximativ 750℃. La forarea prin straturi de rocă dură și abrazivă, PDC-urile pot atinge cu ușurință această temperatură datorită căldurii prin frecare, iar temperatura instantanee (adică temperatura localizată la nivel microscopic) poate fi chiar mai mare, depășind cu mult punctul de topire al cobaltului (1495°C).

Comparativ cu diamantul pur, datorită prezenței cobaltului, diamantul se transformă în grafit la temperaturi mai scăzute. Drept urmare, uzura diamantului este cauzată de grafitizarea rezultată din căldura localizată prin frecare. În plus, coeficientul de dilatare termică al cobaltului este mult mai mare decât cel al diamantului, astfel încât în timpul încălzirii, legătura dintre granulele de diamant poate fi perturbată de expansiunea cobaltului.

În 1983, doi cercetători au efectuat un tratament de îndepărtare a diamantelor pe suprafața straturilor standard de diamant PDC, îmbunătățind semnificativ performanța dinților PDC. Cu toate acestea, această invenție nu a primit atenția pe care o merita. Abia după anul 2000, odată cu o înțelegere mai profundă a straturilor de diamant PDC, furnizorii de burghie au început să aplice această tehnologie la dinții PDC utilizați în forajul de rocă. Dinții tratați cu această metodă sunt potriviți pentru formațiuni extrem de abrazive cu uzură termică-mecanică semnificativă și sunt denumiți în mod obișnuit dinți „decobaltați”.

Așa-numitul „decobalt” este produs în mod tradițional pentru a produce PDC, iar apoi suprafața stratului său de diamant este imersată în acid puternic pentru a îndepărta faza de cobalt prin procesul de gravare acidă. Adâncimea de îndepărtare a cobaltului poate ajunge la aproximativ 200 de microni.

Un test de uzură la sarcini grele a fost efectuat pe doi dinți PDC identici (unul dintre aceștia suferise un tratament de îndepărtare a cobaltului pe suprafața stratului de diamant). După tăierea a 5000 m de granit, s-a constatat că rata de uzură a PDC-ului fără cobalt a început să crească brusc. În schimb, PDC-ul cu cobalt îndepărtat a menținut o viteză de tăiere relativ stabilă în timp ce tăia aproximativ 15000 m de rocă.

2. Metoda de detectare a PDC

Există două tipuri de metode pentru detectarea dinților PDC, și anume testarea distructivă și testarea nedistructivă.

1. Testare distructivă

Aceste teste sunt destinate să simuleze condițiile din gaura de sondă cât mai realist posibil pentru a evalua performanța dinților tăietori în astfel de condiții. Cele două forme principale de testare distructivă sunt testele de rezistență la uzură și testele de rezistență la impact.

(1) Test de rezistență la uzură

Trei tipuri de echipamente sunt utilizate pentru efectuarea testelor de rezistență la uzură PDC:

A. Strung vertical (VTL)

În timpul testului, fixați mai întâi burghiul PDC pe strungul VTL și plasați o mostră de rocă (de obicei granit) lângă burghiul PDC. Apoi rotiți mostra de rocă în jurul axei strungului la o anumită viteză. Burghiul PDC taie în mostra de rocă cu o adâncime specifică. Atunci când se utilizează granit pentru testare, această adâncime de tăiere este în general mai mică de 1 mm. Acest test poate fi fie uscat, fie umed. În „testarea VTL uscată”, când burghiul PDC taie prin rocă, nu se aplică nicio răcire; toată căldura generată prin frecare intră în PDC, accelerând procesul de grafitizare a diamantului. Această metodă de testare dă rezultate excelente la evaluarea burghielor PDC în condiții care necesită o presiune mare de găurire sau o viteză mare de rotație.

„Testul VTL umed” detectează durata de viață a PDC-ului în condiții de încălzire moderată prin răcirea dinților PDC cu apă sau aer în timpul testării. Prin urmare, principala sursă de uzură a acestui test este măcinarea probei de rocă, mai degrabă decât factorul de încălzire.

B, strung orizontal

Acest test se efectuează și cu granit, iar principiul testului este practic același ca și VTL. Timpul de testare este de doar câteva minute, iar șocul termic dintre granit și dinții PDC este foarte limitat.

Parametrii de testare a granitului utilizați de furnizorii de angrenaje PDC vor varia. De exemplu, parametrii de testare utilizați de Synthetic Corporation și DI Company în Statele Unite nu sunt exact aceiași, dar folosesc același material granit pentru testele lor, o rocă magmatică policristalină de grad grosier spre mediu, cu porozitate foarte mică și o rezistență la compresiune de 190 MPa.

C. Instrument de măsurare a raportului de abraziune

În condițiile specificate, stratul de diamant al PDC este utilizat pentru a șlefui discul abraziv din carbură de siliciu, iar raportul dintre rata de uzură a discului abraziv și rata de uzură a PDC este considerat indice de uzură al PDC, numit raport de uzură.

(2) Test de rezistență la impact

Metoda de testare la impact implică instalarea dinților PDC la un unghi de 15-25 de grade și apoi aruncarea unui obiect de la o anumită înălțime pentru a lovi vertical stratul de diamant de pe dinții PDC. Greutatea și înălțimea obiectului care cade indică nivelul energiei de impact resimțit de dintele testat, care poate crește treptat până la 100 de jouli. Fiecare dinte poate fi lovit de 3-7 ori până când nu mai poate fi testat. În general, cel puțin 10 mostre din fiecare tip de dinte sunt testate la fiecare nivel de energie. Deoarece există o gamă de rezistență a dinților la impact, rezultatele testelor la fiecare nivel de energie reprezintă aria medie de exfoliere a diamantului după impact pentru fiecare dinte.

2. Testare nedistructivă

Cea mai utilizată tehnică de testare nedistructivă (altele decât inspecția vizuală și microscopică) este scanarea cu ultrasunete (Cscan).

Tehnologia de scanare C poate detecta defecte mici și poate determina locația și dimensiunea defectelor. Când efectuați acest test, introduceți mai întâi dintele PDC într-un rezervor de apă, apoi scanați cu o sondă cu ultrasunete;

Acest articol este retipărit din „Rețeaua Internațională de Prelucrare a Metalelor„