Tepelné opotřebení a odstraňování kobaltu z PDC

I. Tepelné opotřebení a odstraňování kobaltu z PDC

V procesu vysokotlakého spékání PDC působí kobalt jako katalyzátor, který podporuje přímou kombinaci diamantu a diamantu a vytváří tak jeden celek z diamantové vrstvy a matrice karbidu wolframu, což vede k řezným zubům PDC vhodným pro geologické vrtání v ropných polích s vysokou houževnatostí a vynikající odolností proti opotřebení.

Tepelná odolnost diamantů je poměrně omezená. Za atmosférického tlaku se povrch diamantu může transformovat při teplotách kolem 900 °C nebo vyšších. Během používání mají tradiční PDC tendenci degradovat při teplotě kolem 750 °C. Při vrtání skrz tvrdé a abrazivní vrstvy hornin mohou PDC snadno dosáhnout této teploty v důsledku třecího tepla a okamžitá teplota (tj. lokalizovaná teplota na mikroskopické úrovni) může být ještě vyšší a daleko překročit bod tání kobaltu (1495 °C).

Ve srovnání s čistým diamantem se diamant v důsledku přítomnosti kobaltu při nižších teplotách přeměňuje na grafit. V důsledku toho je opotřebení diamantu způsobeno grafitizací v důsledku lokálního třecího tepla. Koeficient tepelné roztažnosti kobaltu je navíc mnohem vyšší než u diamantu, takže během zahřívání může být vazba mezi diamantovými zrny narušena expanzí kobaltu.

V roce 1983 provedli dva výzkumníci ošetření pro odstranění diamantů z povrchu standardních diamantových vrstev PDC, čímž výrazně zlepšili výkonnost zubů PDC. Tento vynález však nezískal zaslouženou pozornost. Až po roce 2000, s hlubším pochopením diamantových vrstev PDC, začali dodavatelé vrtáků tuto technologii aplikovat na zuby PDC používané při vrtání hornin. Zuby ošetřené touto metodou jsou vhodné pro vysoce abrazivní formace s významným tepelně-mechanickým opotřebením a běžně se označují jako „dekobaltované“ zuby.

Takzvaný „dekobalt“ se vyrábí tradičním způsobem jako PDC, načež se povrch jeho diamantové vrstvy ponoří do silné kyseliny, aby se kobaltová fáze odstranila procesem leptání kyselinou. Hloubka odstranění kobaltu může dosáhnout přibližně 200 mikronů.

Zkouška opotřebení v těžkém prostředí byla provedena na dvou identických zubech PDC (z nichž jeden prošel ošetřením diamantovou vrstvou k odstranění kobaltu z povrchu). Po prořezání 5000 m žuly se zjistilo, že míra opotřebení PDC bez odstraněného kobaltu začala prudce stoupat. Naproti tomu PDC s odstraněným kobaltem si udržel relativně stabilní řeznou rychlost při prořezání přibližně 15 000 m horniny.

2. Metoda detekce PDC

Existují dva druhy metod pro detekci zubů PDC, a to destruktivní testování a nedestruktivní testování.

1. Destruktivní testování

Tyto testy mají za cíl co nejrealističtěji simulovat podmínky ve vrtu a vyhodnotit výkon řezných zubů za takových podmínek. Dvěma hlavními formami destruktivního testování jsou testy odolnosti proti opotřebení a testy odolnosti proti nárazu.

(1) Zkouška odolnosti proti opotřebení

Pro provádění zkoušek odolnosti proti opotřebení PDC se používají tři typy zařízení:

A. Vertikální soustruh (VTL)

Během testu se nejprve upevní vrták PDC k soustruhu VTL a vedle vrtáku PDC se umístí vzorek horniny (obvykle žula). Poté se vzorek horniny otáčejte kolem osy soustruhu určitou rychlostí. Vrták PDC se zařezává do vzorku horniny do určité hloubky. Při testování se žula obvykle zařezává do hloubky menší než 1 mm. Tento test může být suchý nebo mokrý. Při „suchém testování VTL“ se vrták PDC při prořezávání horniny neaplikuje žádné chlazení; veškeré generované třecí teplo vstupuje do vrtáku PDC, což urychluje proces grafitizace diamantu. Tato testovací metoda poskytuje vynikající výsledky při hodnocení vrtáků PDC za podmínek vyžadujících vysoký vrtací tlak nebo vysokou rychlost otáčení.

„Mokrá zkouška VTL“ zjišťuje životnost PDC za mírných podmínek ohřevu ochlazováním zubů PDC vodou nebo vzduchem během zkoušky. Hlavním zdrojem opotřebení v této zkoušce je proto spíše broušení vzorku horniny než faktor ohřevu.

B, horizontální soustruh

Tento test se provádí také s žulou a princip testu je v podstatě stejný jako u VTL. Doba testu je pouze několik minut a tepelný šok mezi žulou a zuby PDC je velmi omezený.

Parametry zkoušek žuly používané dodavateli převodovek PDC se budou lišit. Například zkušební parametry používané společnostmi Synthetic Corporation a DI Company ve Spojených státech nejsou úplně stejné, ale pro své testy používají stejný žulový materiál, hrubou až středně kvalitní polykrystalickou vyvřelou horninu s velmi malou pórovitostí a pevností v tlaku 190 MPa.

C. Přístroj pro měření poměru oděru

Za specifikovaných podmínek se diamantová vrstva PDC používá k opracování brusného kotouče z karbidu křemíku a poměr míry opotřebení brusného kotouče a míry opotřebení PDC se považuje za index opotřebení PDC, který se nazývá poměr opotřebení.

(2) Zkouška odolnosti proti nárazu

Metoda rázových zkoušek spočívá v instalaci zubů PDC pod úhlem 15–25 stupňů a následném puštění předmětu z určité výšky, který svisle narazí na diamantovou vrstvu na zubech PDC. Hmotnost a výška padajícího předmětu udávají úroveň energie nárazu, kterou testovaný zub zažívá, a která se může postupně zvyšovat až na 100 joulů. Každý zub může být vystaven nárazu 3–7krát, dokud jej nelze dále testovat. Obecně se na každé energetické úrovni testuje alespoň 10 vzorků každého typu zubu. Vzhledem k tomu, že existuje rozsah odolnosti zubů vůči nárazu, výsledky zkoušek na každé energetické úrovni představují průměrnou plochu odlupování diamantu po nárazu pro každý zub.

2. Nedestruktivní testování

Nejrozšířenější metodou nedestruktivního testování (kromě vizuální a mikroskopické kontroly) je ultrazvukové skenování (Cscan).

Technologie C-skenování dokáže detekovat malé vady a určit jejich umístění a velikost. Při tomto testu nejprve umístěte zub PDC do vodní nádrže a poté jej naskenujte ultrazvukovou sondou;

Tento článek je převzat z „Mezinárodní síť pro zpracování kovů„