Termičko trošenje i uklanjanje kobalta iz PDC-a

I. Termičko trošenje i uklanjanje kobalta iz PDC-a

U procesu sinterovanja pod visokim pritiskom PDC-a, kobalt djeluje kao katalizator koji promoviše direktno spajanje dijamanta i dijamanta, čineći da dijamantski sloj i matrica volfram karbida postanu cjelina, što rezultira PDC reznim zubima pogodnim za geološko bušenje naftnih polja sa visokom žilavošću i odličnom otpornošću na habanje.

Otpornost dijamanata na toplinu je prilično ograničena. Pod atmosferskim pritiskom, površina dijamanta se može transformirati na temperaturama oko 900℃ ili više. Tokom upotrebe, tradicionalni PDC-ovi imaju tendenciju degradacije na oko 750℃. Prilikom bušenja kroz tvrde i abrazivne slojeve stijena, PDC-ovi mogu lako dostići ovu temperaturu zbog toplote trenja, a trenutna temperatura (tj. lokalizirana temperatura na mikroskopskom nivou) može biti čak i viša, daleko premašujući tačku topljenja kobalta (1495°C).

U poređenju sa čistim dijamantom, zbog prisustva kobalta, dijamant se pretvara u grafit na nižim temperaturama. Kao rezultat toga, habanje dijamanta uzrokovano je grafitizacijom koja nastaje usljed lokalizovane toplote trenja. Osim toga, koeficijent termičkog širenja kobalta je mnogo veći od dijamanta, tako da tokom zagrijavanja, veza između dijamantskih zrna može biti poremećena širenjem kobalta.

Godine 1983., dva istraživača su izvršila tretman uklanjanja dijamanata na površini standardnih PDC dijamantskih slojeva, značajno poboljšavajući performanse PDC zuba. Međutim, ovaj izum nije dobio pažnju koju je zaslužio. Tek nakon 2000. godine, s dubljim razumijevanjem PDC dijamantskih slojeva, dobavljači bušilica počeli su primjenjivati ovu tehnologiju na PDC zube koji se koriste u bušenju stijena. Zubi tretirani ovom metodom pogodni su za visoko abrazivne formacije sa značajnim termičko-mehaničkim trošenjem i obično se nazivaju "dekobaltovanim" zubima.

Takozvani "de-kobalt" se pravi na tradicionalan način za PDC, a zatim se površina njegovog dijamantskog sloja uranja u jaku kiselinu kako bi se uklonila kobaltna faza procesom kiselog nagrizanja. Dubina uklanjanja kobalta može doseći oko 200 mikrona.

Test habanja u teškim uslovima proveden je na dva identična PDC zuba (od kojih je jedan podvrgnut tretmanu uklanjanja kobalta na površini dijamantskog sloja). Nakon rezanja 5000 m granita, utvrđeno je da je stopa habanja PDC-a bez uklonjenog kobalta počela naglo rasti. Nasuprot tome, PDC s uklonjenim kobaltom održao je relativno stabilnu brzinu rezanja dok je rezao približno 15000 m stijene.

2. Metoda detekcije PDC-a

Postoje dvije vrste metoda za otkrivanje PDC zuba, a to su destruktivna ispitivanja i nerazorna ispitivanja.

1. Destruktivna ispitivanja

Ovi testovi imaju za cilj da što realnije simuliraju uslove u bušotini kako bi se procijenile performanse reznih zuba u takvim uslovima. Dva glavna oblika destruktivnog ispitivanja su testovi otpornosti na habanje i testovi otpornosti na udar.

(1) Ispitivanje otpornosti na habanje

Za izvođenje PDC testova otpornosti na habanje koriste se tri vrste opreme:

A. Vertikalni strug (VTL)

Tokom ispitivanja, prvo se PDC svrdlo pričvrsti na VTL strug i pored PDC svrdla postavi uzorak stijene (obično granit). Zatim se uzorak stijene rotira oko ose struga određenom brzinom. PDC svrdlo reže u uzorak stijene do određene dubine. Kada se za ispitivanje koristi granit, ova dubina rezanja je uglavnom manja od 1 mm. Ovo ispitivanje može biti suho ili mokro. Kod "suhog VTL ispitivanja", kada PDC svrdlo reže kroz stijenu, ne primjenjuje se hlađenje; sva generirana toplina trenja ulazi u PDC, ubrzavajući proces grafitizacije dijamanta. Ova metoda ispitivanja daje odlične rezultate prilikom procjene PDC svrdla u uslovima koji zahtijevaju visok pritisak bušenja ili veliku brzinu rotacije.

"Mokri VTL test" detektuje vijek trajanja PDC-a pod umjerenim uslovima zagrijavanja hlađenjem PDC zuba vodom ili zrakom tokom ispitivanja. Stoga je glavni izvor habanja kod ovog testa brušenje uzorka stijene, a ne faktor zagrijavanja.

B, horizontalni strug

Ovaj test se također provodi s granitom, a princip testa je u osnovi isti kao i kod VTL-a. Vrijeme testa je samo nekoliko minuta, a termički šok između granita i PDC zuba je vrlo ograničen.

Parametri ispitivanja granita koje koriste dobavljači PDC zupčanika će varirati. Na primjer, parametri ispitivanja koje koriste Synthetic Corporation i DI Company u Sjedinjenim Državama nisu potpuno isti, ali oni koriste isti granitni materijal za svoja ispitivanja, polikristalnu magmatsku stijenu grube do srednje kvalitete s vrlo malom poroznošću i tlačnom čvrstoćom od 190 MPa.

C. Instrument za mjerenje koeficijenta abrazije

Pod određenim uslovima, dijamantski sloj PDC-a se koristi za obrezivanje brusnog točka od silicijum-karbida, a odnos brzine habanja brusnog točka i brzine habanja PDC-a uzima se kao indeks habanja PDC-a, koji se naziva koeficijent habanja.

(2) Ispitivanje otpornosti na udar

Metoda ispitivanja udarom uključuje postavljanje PDC zuba pod uglom od 15-25 stepeni, a zatim ispuštanje predmeta sa određene visine kako bi vertikalno udario u dijamantski sloj na PDC zubima. Težina i visina padajućeg predmeta ukazuju na nivo energije udara koji doživljava testirani zub, a koji se postepeno može povećavati do 100 džula. Svaki zub može biti podvrgnut udaru 3-7 puta dok se dalje ne može testirati. Generalno, najmanje 10 uzoraka svake vrste zuba se testira na svakom energetskom nivou. Budući da postoji raspon otpornosti zuba na udar, rezultati ispitivanja na svakom energetskom nivou predstavljaju prosječnu površinu ljuštenja dijamanta nakon udara za svaki zub.

2. Nerazorna ispitivanja

Najčešće korištena tehnika nerazornih ispitivanja (osim vizualnog i mikroskopskog pregleda) je ultrazvučno skeniranje (Cscan).

C tehnologija skeniranja može otkriti male nedostatke i odrediti lokaciju i veličinu defekata. Prilikom ovog testa, prvo stavite PDC zub u rezervoar za vodu, a zatim skenirajte ultrazvučnom sondom;

Ovaj članak je preštampan sa stranice „Međunarodna mreža za obradu metala"