Zużycie cieplne i usuwanie kobaltu z PDC

I. Zużycie cieplne i usuwanie kobaltu z PDC

W procesie spiekania wysokociśnieniowego PDC kobalt działa jako katalizator, który wspomaga bezpośrednie połączenie diamentu i diamentu, dzięki czemu warstwa diamentu i matryca węglika wolframu stają się całością, co skutkuje uzyskaniem zębów tnących PDC nadających się do wierceń geologicznych w złożach ropy naftowej, charakteryzujących się wysoką wytrzymałością i doskonałą odpornością na zużycie.

Odporność diamentów na ciepło jest dość ograniczona. Pod wpływem ciśnienia atmosferycznego powierzchnia diamentu może ulec transformacji w temperaturze około 900°C lub wyższej. Podczas użytkowania tradycyjne PDC ulegają degradacji w temperaturze około 750°C. Podczas wiercenia przez twarde i ścierne warstwy skalne, PDC mogą łatwo osiągnąć tę temperaturę z powodu ciepła tarcia, a temperatura chwilowa (tj. temperatura lokalna na poziomie mikroskopowym) może być jeszcze wyższa, znacznie przekraczając temperaturę topnienia kobaltu (1495°C).

W porównaniu z czystym diamentem, ze względu na obecność kobaltu, diament przekształca się w grafit w niższych temperaturach. W rezultacie zużycie diamentu jest spowodowane grafityzacją wynikającą z lokalnego ciepła tarcia. Ponadto współczynnik rozszerzalności cieplnej kobaltu jest znacznie wyższy niż diamentu, dlatego podczas nagrzewania wiązania między ziarnami diamentu mogą zostać przerwane przez rozszerzanie się kobaltu.

W 1983 roku dwóch badaczy przeprowadziło obróbkę powierzchni standardowych warstw diamentowych PDC, usuwając diamenty, co znacznie poprawiło wydajność zębów PDC. Wynalazek ten nie zyskał jednak należnego mu uznania. Dopiero po 2000 roku, dzięki głębszemu zrozumieniu warstw diamentowych PDC, dostawcy wierteł zaczęli stosować tę technologię w zębach PDC używanych w wierceniu skał. Zęby poddane tej metodzie nadają się do silnie ściernych formacji o znacznym zużyciu termiczno-mechanicznym i są powszechnie nazywane zębami „odkobaltowanymi”.

Tak zwany „dekobalt” jest wytwarzany tradycyjną metodą PDC, a następnie powierzchnia jego warstwy diamentowej jest zanurzana w mocnym kwasie w celu usunięcia fazy kobaltu poprzez trawienie kwasem. Głębokość usuwania kobaltu może sięgać około 200 mikronów.

Przeprowadzono test zużycia w warunkach dużego obciążenia na dwóch identycznych zębach PDC (z których jeden został poddany obróbce polegającej na usunięciu kobaltu z powierzchni warstwy diamentowej). Po przecięciu 5000 m granitu stwierdzono, że tempo zużycia zęba PDC bez usunięcia kobaltu zaczęło gwałtownie rosnąć. Natomiast ząb PDC z usuniętym kobaltem utrzymywał stosunkowo stabilną prędkość skrawania podczas przecinania około 15000 m skały.

2. Metoda wykrywania PDC

Istnieją dwie metody wykrywania zębów PDC: badania niszczące i badania nieniszczące.

1. Badania niszczące

Testy te mają na celu symulację warunków panujących w otworze wiertniczym w sposób jak najbardziej realistyczny, aby ocenić wydajność zębów skrawających w takich warunkach. Dwiema głównymi metodami badań niszczących są badania odporności na zużycie i badania odporności na uderzenia.

(1) Badanie odporności na zużycie

Do przeprowadzania testów odporności na zużycie PDC stosuje się trzy rodzaje sprzętu:

A. Tokarka pionowa (VTL)

Podczas testu najpierw zamocuj wiertło PDC do tokarki VTL i umieść próbkę skały (zazwyczaj granitu) obok wiertła PDC. Następnie obracaj próbkę skały wokół osi tokarki z określoną prędkością. Wiertło PDC wcina się w próbkę skały na określoną głębokość. W przypadku granitu do testów głębokość ta wynosi zazwyczaj mniej niż 1 mm. Test ten może być przeprowadzony na sucho lub na mokro. W „suchym teście VTL”, gdy wiertło PDC wcina się w skałę, nie stosuje się chłodzenia; całe generowane ciepło tarcia wnika do PDC, przyspieszając proces grafityzacji diamentu. Ta metoda testowania daje doskonałe wyniki przy ocenie wierteł PDC w warunkach wymagających wysokiego ciśnienia wiercenia lub wysokiej prędkości obrotowej.

„Mokry test VTL” mierzy żywotność PDC w warunkach umiarkowanego nagrzewania poprzez chłodzenie zębów PDC wodą lub powietrzem podczas testu. Dlatego głównym źródłem zużycia w tym teście jest szlifowanie próbki skały, a nie czynnik nagrzewający.

B, tokarka pozioma

Ten test przeprowadza się również z granitem, a jego zasada jest zasadniczo taka sama jak w przypadku VTL. Czas trwania testu wynosi zaledwie kilka minut, a szok termiczny między granitem a zębami PDC jest bardzo ograniczony.

Parametry badań granitu stosowane przez dostawców przekładni PDC mogą się różnić. Na przykład parametry badań stosowane przez Synthetic Corporation i DI Company w Stanach Zjednoczonych nie są dokładnie takie same, ale do badań używają tego samego granitu – grubej lub średniej jakości polikrystalicznej skały magmowej o bardzo małej porowatości i wytrzymałości na ściskanie 190 MPa.

C. Przyrząd do pomiaru współczynnika ścieralności

W określonych warunkach warstwa diamentowa PDC jest używana do przycinania ściernicy z węglika krzemu, a stosunek szybkości zużycia ściernicy do szybkości zużycia PDC jest przyjmowany jako wskaźnik zużycia PDC, który jest nazywany współczynnikiem zużycia.

(2) Badanie odporności na uderzenia

Metoda badania udarności polega na zainstalowaniu zębów PDC pod kątem 15–25 stopni, a następnie upuszczeniu przedmiotu z określonej wysokości, aby uderzył pionowo w warstwę diamentu na zębach PDC. Ciężar i wysokość spadającego przedmiotu wskazują na poziom energii uderzenia, jakiej doświadcza badany ząb, który może stopniowo wzrastać do 100 dżuli. Każdy ząb może być uderzany 3–7 razy, aż do momentu, w którym nie będzie można go już dalej badać. Zazwyczaj testuje się co najmniej 10 próbek każdego rodzaju zęba dla każdego poziomu energii. Ponieważ odporność zębów na uderzenia jest zróżnicowana, wyniki testu dla każdego poziomu energii to średnia powierzchnia odprysków diamentu po uderzeniu dla każdego zęba.

2. Badania nieniszczące

Najpowszechniej stosowaną techniką badań nieniszczących (oprócz kontroli wizualnej i mikroskopowej) jest skanowanie ultradźwiękowe (Cscan).

Technologia skanowania C pozwala wykryć drobne defekty oraz określić ich lokalizację i rozmiar. Podczas wykonywania tego testu należy najpierw umieścić ząb PDC w zbiorniku z wodą, a następnie zeskanować go sondą ultradźwiękową.

Niniejszy artykuł jest przedrukowany z „Międzynarodowa Sieć Obróbki Metali„