Desgast tèrmic i eliminació de cobalt del PDC

I. Desgast tèrmic i eliminació de cobalt del PDC

En el procés de sinterització a alta pressió del PDC, el cobalt actua com a catalitzador per promoure la combinació directa de diamant i diamant, i fa que la capa de diamant i la matriu de carbur de tungstè es converteixin en un tot, donant lloc a dents de tall PDC adequades per a la perforació geològica de camps petrolífers amb una alta tenacitat i una excel·lent resistència al desgast.

La resistència a la calor dels diamants és força limitada. Sota pressió atmosfèrica, la superfície del diamant es pot transformar a temperatures al voltant de 900 ℃ o superiors. Durant l'ús, els PDC tradicionals tendeixen a degradar-se a uns 750 ℃. Quan es perforen capes de roca dura i abrasiva, els PDC poden assolir fàcilment aquesta temperatura a causa de la calor per fricció, i la temperatura instantània (és a dir, la temperatura localitzada a nivell microscòpic) pot ser encara més alta, superant amb escreix el punt de fusió del cobalt (1495 °C).

En comparació amb el diamant pur, a causa de la presència de cobalt, el diamant es converteix en grafit a temperatures més baixes. Com a resultat, el desgast del diamant és causat per la grafitització resultant de la calor de fricció localitzada. A més, el coeficient de dilatació tèrmica del cobalt és molt més alt que el del diamant, de manera que durant l'escalfament, la unió entre els grans de diamant es pot veure alterada per l'expansió del cobalt.

El 1983, dos investigadors van realitzar un tractament d'eliminació de diamants a la superfície de capes de diamant PDC estàndard, millorant significativament el rendiment de les dents PDC. Tanmateix, aquesta invenció no va rebre l'atenció que mereixia. No va ser fins després del 2000 que, amb una comprensió més profunda de les capes de diamant PDC, els proveïdors de broques van començar a aplicar aquesta tecnologia a les dents PDC utilitzades en la perforació de roca. Les dents tractades amb aquest mètode són adequades per a formacions altament abrasives amb un desgast tèrmic i mecànic significatiu i es coneixen comunament com a dents "descobaltades".

L'anomenat "descobalt" es fabrica de la manera tradicional per fer PDC, i després la superfície de la seva capa de diamant s'immergeix en àcid fort per eliminar la fase de cobalt mitjançant el procés de gravat àcid. La profunditat d'eliminació del cobalt pot arribar a unes 200 micres.

Es va dur a terme una prova de desgast resistent en dues dents PDC idèntiques (una de les quals havia estat sotmesa a un tractament d'eliminació de cobalt a la superfície de la capa de diamant). Després de tallar 5000 m de granit, es va observar que la taxa de desgast del PDC sense cobalt va començar a augmentar bruscament. En canvi, el PDC amb cobalt va mantenir una velocitat de tall relativament estable mentre tallava aproximadament 15000 m de roca.

2. Mètode de detecció de PDC

Hi ha dos tipus de mètodes per detectar dents PDC, és a dir, les proves destructives i les proves no destructives.

1. Assajos destructius

Aquestes proves tenen com a objectiu simular les condicions del fons del pou de la manera més realista possible per avaluar el rendiment de les dents de tall en aquestes condicions. Les dues formes principals d'assaigs destructius són les proves de resistència al desgast i les proves de resistència a l'impacte.

(1) Prova de resistència al desgast

Per realitzar proves de resistència al desgast de PDC s'utilitzen tres tipus d'equips:

A. Torn vertical (VTL)

Durant la prova, primer fixeu la broca PDC al torn VTL i col·loqueu una mostra de roca (normalment granit) al costat de la broca PDC. A continuació, gireu la mostra de roca al voltant de l'eix del torn a una velocitat determinada. La broca PDC talla la mostra de roca amb una profunditat específica. Quan s'utilitza granit per a les proves, aquesta profunditat de tall és generalment inferior a 1 mm. Aquesta prova pot ser en sec o en humit. En les "proves VTL en sec", quan la broca PDC talla la roca, no s'aplica refredament; tota la calor de fricció generada entra al PDC, accelerant el procés de grafitització del diamant. Aquest mètode de prova dóna resultats excel·lents a l'hora d'avaluar les broques PDC en condicions que requereixen una alta pressió de perforació o una alta velocitat de rotació.

La "prova VTL humida" detecta la vida útil del PDC en condicions d'escalfament moderades refredant les dents del PDC amb aigua o aire durant la prova. Per tant, la principal font de desgast d'aquesta prova és la mòlta de la mostra de roca en lloc del factor d'escalfament.

B, torn horitzontal

Aquesta prova també es realitza amb granit, i el principi de la prova és bàsicament el mateix que el VTL. El temps de prova és de només uns minuts i el xoc tèrmic entre el granit i les dents PDC és molt limitat.

Els paràmetres de prova de granit que utilitzen els proveïdors d'engranatges PDC varien. Per exemple, els paràmetres de prova utilitzats per Synthetic Corporation i DI Company als Estats Units no són exactament els mateixos, però utilitzen el mateix material de granit per a les seves proves, una roca ígnia policristal·lina de grau gruixut a mitjà amb molt poca porositat i una resistència a la compressió de 190 MPa.

C. Instrument de mesura de la relació d'abrasió

En les condicions especificades, la capa de diamant del PDC s'utilitza per retallar la mola de carbur de silici, i la relació entre la taxa de desgast de la mola i la taxa de desgast del PDC es pren com a índex de desgast del PDC, que s'anomena relació de desgast.

(2) Prova de resistència a l'impacte

El mètode per a les proves d'impacte consisteix a instal·lar dents PDC en un angle de 15-25 graus i després deixar caure un objecte des d'una certa alçada per colpejar verticalment la capa de diamant de les dents PDC. El pes i l'alçada de l'objecte que cau indiquen el nivell d'energia d'impacte que experimenta la dent de prova, que pot augmentar gradualment fins a 100 joules. Cada dent pot ser impactada de 3 a 7 vegades fins que no es pugui provar més. Generalment, es proven almenys 10 mostres de cada tipus de dent a cada nivell d'energia. Com que hi ha un rang en la resistència de les dents a l'impacte, els resultats de la prova a cada nivell d'energia són l'àrea mitjana d'esquerdament del diamant després de l'impacte per a cada dent.

2. Assajos no destructius

La tècnica d'assaig no destructiu més utilitzada (a part de la inspecció visual i microscòpica) és l'escaneig ultrasònic (Cscan).

La tecnologia d'escaneig C pot detectar petits defectes i determinar la ubicació i la mida dels defectes. Quan feu aquesta prova, primer col·loqueu la dent PDC en un dipòsit d'aigua i després escanegeu amb una sonda ultrasònica;

Aquest article està reproduït de "Xarxa Internacional de Metal·lúrgia"