Термічний знос та видалення кобальту з PDC

I. Термічний знос та видалення кобальту з PDC

У процесі спікання PDC під високим тиском кобальт діє як каталізатор, що сприяє безпосередньому поєднанню алмазу та алмазу, і робить шар алмазу та матрицю карбіду вольфраму єдиним цілим, в результаті чого ріжучі зуби PDC, придатні для геологічного буріння нафтових родовищ, мають високу міцність та відмінну зносостійкість.

Термостійкість алмазів досить обмежена. Під атмосферним тиском поверхня алмазу може трансформуватися за температури близько 900℃ або вище. Під час використання традиційні алмазні сплави (PDC) мають тенденцію до деградації приблизно за 750℃. Під час буріння твердих та абразивних шарів гірських порід PDC можуть легко досягати цієї температури через тепло тертя, а миттєва температура (тобто локалізована температура на мікроскопічному рівні) може бути навіть вищою, значно перевищуючи температуру плавлення кобальту (1495°C).

Порівняно з чистим алмазом, через наявність кобальту, алмаз перетворюється на графіт за нижчих температур. В результаті знос алмазу спричиняється графітизацією, що виникає внаслідок локалізованого тертя. Крім того, коефіцієнт теплового розширення кобальту набагато вищий, ніж у алмазу, тому під час нагрівання зв'язок між алмазними зернами може бути порушений розширенням кобальту.

У 1983 році два дослідники провели обробку для видалення алмазів з поверхні стандартних алмазних шарів PDC, що значно покращило продуктивність зубців PDC. Однак цей винахід не отримав належної уваги. Лише після 2000 року, маючи глибше розуміння алмазних шарів PDC, постачальники свердел почали застосовувати цю технологію до зубців PDC, що використовуються для буріння гірських порід. Зубці, оброблені цим методом, підходять для високоабразивних утворень зі значним термомеханічним зносом і зазвичай називаються «декобальтованими» зубцями.

Так званий «декобальт» виготовляється традиційним способом для виготовлення PDC, а потім поверхня його алмазного шару занурюється в сильну кислоту для видалення кобальтової фази шляхом процесу кислотного травлення. Глибина видалення кобальту може сягати близько 200 мікрон.

Випробування на зносостійкість у важких умовах було проведено на двох ідентичних зубцях PDC (один з яких пройшов обробку для видалення кобальту з поверхні алмазного шару). Після різання 5000 м граніту було виявлено, що швидкість зносу PDC без видалення кобальту почала різко зростати. Натомість, PDC з видаленням кобальту підтримував відносно стабільну швидкість різання під час різання приблизно 15000 м породи.

2. Метод виявлення PDC

Існує два види методів виявлення зубів PDC, а саме: руйнівний контроль та неруйнівний контроль.

1. Руйнівний контроль

Ці випробування призначені для максимально реалістичного моделювання умов свердловини, щоб оцінити роботу ріжучих зубів за таких умов. Двома основними видами руйнівного контролю є випробування на зносостійкість та випробування на ударостійкість.

(1) Випробування на зносостійкість

Для проведення випробувань на зносостійкість PDC використовується три типи обладнання:

A. Вертикальний токарний верстат (VTL)

Під час випробування спочатку закріпіть долото PDC на токарному верстаті VTL та помістіть зразок породи (зазвичай граніт) поруч із долотом PDC. Потім обертайте зразок породи навколо осі токарного верстата з певною швидкістю. Долото PDC ріже зразок породи на певну глибину. Під час випробувань граніту ця глибина різання зазвичай менше 1 мм. Це випробування може бути як сухим, так і мокрим. Під час «сухого випробування VTL», коли долото PDC ріже породу, охолодження не застосовується; все тепло, що утворюється від тертя, потрапляє в PDC, прискорюючи процес графітизації алмазу. Цей метод випробування дає чудові результати під час оцінки долотів PDC в умовах, що вимагають високого тиску свердління або високої швидкості обертання.

«Вологе випробування VTL» визначає термін служби PDC за умов помірного нагрівання шляхом охолодження зубців PDC водою або повітрям під час випробування. Тому основним джерелом зносу в цьому випробуванні є шліфування зразка породи, а не коефіцієнт нагрівання.

B, горизонтальний токарний верстат

Це випробування також проводиться з гранітом, і принцип випробування в основному такий самий, як і у VTL. Час випробування становить лише кілька хвилин, а тепловий шок між гранітом та зубцями PDC дуже обмежений.

Параметри випробувань граніту, що використовуються постачальниками шестерень PDC, можуть відрізнятися. Наприклад, параметри випробувань, що використовуються компаніями Synthetic Corporation та DI Company у Сполучених Штатах, не зовсім однакові, але вони використовують один і той самий гранітний матеріал для своїх випробувань – полікристалічну магматичну породу від грубої до середньої міцності з дуже малою пористістю та міцністю на стиск 190 МПа.

C. Прилад для вимірювання коефіцієнта стирання

За заданих умов алмазний шар PDC використовується для обробки карбід-кремнієвого шліфувального круга, а співвідношення швидкості зносу шліфувального круга та швидкості зносу PDC приймається як індекс зносу PDC, який називається коефіцієнтом зносу.

(2) Випробування на ударостійкість

Метод ударних випробувань включає встановлення зубців PDC під кутом 15-25 градусів, а потім падіння предмета з певної висоти, щоб вертикально вдарити по алмазному шару на зубцях PDC. Вага та висота падіння предмета вказують на рівень енергії удару, який відчуває випробуваний зуб, і який може поступово збільшуватися до 100 джоулів. Кожен зуб може зазнавати ударів 3-7 разів, доки його неможливо буде випробувати далі. Як правило, на кожному рівні енергії випробовують щонайменше 10 зразків кожного типу зубців. Оскільки існує діапазон стійкості зубців до удару, результати випробувань на кожному рівні енергії є середньою площею відколювання алмазів після удару для кожного зубця.

2. Неруйнівний контроль

Найбільш широко використовуваним методом неруйнівного контролю (окрім візуального та мікроскопічного контролю) є ультразвукове сканування (Cscan).

Технологія сканування C може виявляти невеликі дефекти та визначати їх розташування та розмір. Під час проведення цього тесту спочатку помістіть зуб PDC у резервуар з водою, а потім проскануйте ультразвуковим зондом;

Цю статтю передруковано з «Міжнародна мережа металообробки«