Usura termica e rimozione del cobalto del PDC

I. Usura termica e rimozione del cobalto del PDC

Nel processo di sinterizzazione ad alta pressione del PDC, il cobalto agisce come catalizzatore per promuovere la combinazione diretta di diamante e diamante e fa sì che lo strato di diamante e la matrice di carburo di tungsteno diventino un tutt'uno, con conseguente denti da taglio PDC adatti alla perforazione geologica dei giacimenti petroliferi con elevata tenacità ed eccellente resistenza all'usura.

La resistenza al calore dei diamanti è piuttosto limitata. Sotto pressione atmosferica, la superficie del diamante può trasformarsi a temperature intorno ai 900 °C o superiori. Durante l'uso, i tradizionali diamanti amorfo tendono a degradarsi a circa 750 °C. Durante la perforazione di strati di roccia dura e abrasiva, i diamanti amorfo possono facilmente raggiungere questa temperatura a causa del calore da attrito, e la temperatura istantanea (ovvero la temperatura localizzata a livello microscopico) può essere ancora più elevata, superando di gran lunga il punto di fusione del cobalto (1495 °C).

Rispetto al diamante puro, grazie alla presenza di cobalto, il diamante si converte in grafite a temperature più basse. Di conseguenza, l'usura del diamante è causata dalla grafitizzazione derivante dal calore da attrito localizzato. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica del cobalto è molto più elevato di quello del diamante, quindi durante il riscaldamento, il legame tra i grani di diamante può essere interrotto dall'espansione del cobalto.

Nel 1983, due ricercatori hanno eseguito un trattamento di rimozione del diamante sulla superficie di strati di diamante PDC standard, migliorando significativamente le prestazioni dei denti PDC. Tuttavia, questa invenzione non ha ricevuto l'attenzione che meritava. Solo dopo il 2000, con una comprensione più approfondita degli strati di diamante PDC, i fornitori di punte hanno iniziato ad applicare questa tecnologia ai denti PDC utilizzati nella perforazione delle rocce. I denti trattati con questo metodo sono adatti a formazioni altamente abrasive con significativa usura termomeccanica e sono comunemente chiamati denti "decobaltati".

Il cosiddetto "de-cobalto" viene prodotto secondo il metodo tradizionale per ottenere il PDC, immergendo poi la superficie dello strato di diamante in un acido forte per rimuovere la fase di cobalto attraverso il processo di incisione acida. La profondità di rimozione del cobalto può raggiungere circa 200 micron.

È stato condotto un test di usura intensiva su due denti identici di PDC (uno dei quali era stato sottoposto a trattamento di rimozione del cobalto sulla superficie dello strato di diamante). Dopo aver tagliato 5000 m di granito, si è riscontrato che il tasso di usura del PDC non sottoposto a rimozione del cobalto ha iniziato ad aumentare bruscamente. Al contrario, il PDC sottoposto a rimozione del cobalto ha mantenuto una velocità di taglio relativamente stabile durante il taglio di circa 15000 m di roccia.

2. Metodo di rilevamento del PDC

Esistono due tipi di metodi per rilevare i denti PDC: i test distruttivi e i test non distruttivi.

1. Prove distruttive

Questi test hanno lo scopo di simulare le condizioni di fondo pozzo nel modo più realistico possibile per valutare le prestazioni dei denti da taglio in tali condizioni. Le due principali forme di test distruttivi sono i test di resistenza all'usura e i test di resistenza all'impatto.

(1) Test di resistenza all'usura

Per eseguire i test di resistenza all'usura PDC vengono utilizzati tre tipi di apparecchiature:

A. Tornio verticale (VTL)

Durante la prova, fissare innanzitutto la punta PDC al tornio VTL e posizionare un campione di roccia (solitamente granito) accanto alla punta PDC. Quindi ruotare il campione di roccia attorno all'asse del tornio a una certa velocità. La punta PDC taglia il campione di roccia a una profondità specifica. Quando si utilizza il granito per la prova, questa profondità di taglio è generalmente inferiore a 1 mm. Questa prova può essere eseguita a secco o a umido. Nella "prova VTL a secco", quando la punta PDC taglia la roccia, non viene applicato alcun raffreddamento; tutto il calore generato per attrito entra nella punta PDC, accelerando il processo di grafitizzazione del diamante. Questo metodo di prova produce risultati eccellenti nella valutazione delle punte PDC in condizioni che richiedono un'elevata pressione di perforazione o un'elevata velocità di rotazione.

Il "test VTL a umido" rileva la durata del PDC in condizioni di riscaldamento moderato raffreddando i denti del PDC con acqua o aria durante la prova. Pertanto, la principale fonte di usura di questo test è la macinazione del campione di roccia piuttosto che il fattore di riscaldamento.

B, tornio orizzontale

Anche questo test viene eseguito con il granito e il principio è sostanzialmente lo stesso del test VTL. La durata del test è di pochi minuti e lo shock termico tra il granito e i denti in PDC è molto limitato.

I parametri di prova del granito utilizzati dai fornitori di ingranaggi PDC variano. Ad esempio, i parametri di prova utilizzati da Synthetic Corporation e DI Company negli Stati Uniti non sono esattamente gli stessi, ma utilizzano lo stesso granito per i loro test, una roccia ignea policristallina di grado da grossolano a medio con pochissima porosità e una resistenza alla compressione di 190 MPa.

C. Strumento di misura del rapporto di abrasione

Nelle condizioni specificate, lo strato diamantato di PDC viene utilizzato per rifinire la mola abrasiva in carburo di silicio e il rapporto tra il tasso di usura della mola abrasiva e il tasso di usura del PDC viene preso come indice di usura del PDC, denominato rapporto di usura.

(2) Prova di resistenza all'impatto

Il metodo per la prova d'impatto prevede l'installazione di denti PDC con un'angolazione di 15-25 gradi e la successiva caduta di un oggetto da una certa altezza per colpire verticalmente lo strato di diamante sui denti PDC. Il peso e l'altezza dell'oggetto in caduta indicano il livello di energia d'impatto sperimentato dal dente di prova, che può aumentare gradualmente fino a 100 joule. Ogni dente può essere impattato da 3 a 7 volte, fino a quando non è più possibile testarlo ulteriormente. Generalmente, vengono testati almeno 10 campioni di ciascun tipo di dente a ciascun livello di energia. Poiché esiste un intervallo nella resistenza dei denti all'impatto, i risultati del test a ciascun livello di energia rappresentano l'area media di scheggiatura del diamante dopo l'impatto per ciascun dente.

2. Prove non distruttive

La tecnica di controllo non distruttivo più ampiamente utilizzata (oltre all'ispezione visiva e microscopica) è la scansione ultrasonica (Cscan).

La tecnologia di scansione C è in grado di rilevare piccoli difetti e determinarne la posizione e le dimensioni. Per eseguire questo test, posizionare prima il dente PDC in una vasca d'acqua e quindi scansionarlo con una sonda a ultrasuoni;

Questo articolo è ristampato da “Rete internazionale di lavorazione dei metalli“