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 da catalizzatore per promuovere la combinazione diretta del diamante e del diamante, e fa sì che lo strato di diamante e la matrice di carburo di tungsteno diventino un tutt'uno, ottenendo così denti da taglio in 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. A pressione atmosferica, la superficie del diamante può trasformarsi a temperature intorno ai 900 °C o superiori. Durante l'uso, i tradizionali diamanti in polvere tendono a degradarsi a circa 750 °C. Quando si perforano strati di roccia dura e abrasiva, i diamanti in polvere possono facilmente raggiungere questa temperatura a causa del calore generato dall'attrito, e la temperatura istantanea (ovvero la temperatura localizzata a livello microscopico) può essere persino superiore, superando di gran lunga il punto di fusione del cobalto (1495 °C).

Rispetto al diamante puro, a causa della presenza di cobalto, il diamante si trasforma in grafite a temperature inferiori. Di conseguenza, l'usura del diamante è causata dalla grafitizzazione derivante dal calore di 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 dalla dilatazione del cobalto.

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

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

È stato condotto un test di usura gravoso su due denti PDC identici (uno dei quali aveva subito un trattamento di rimozione del cobalto sulla superficie dello strato diamantato). Dopo aver tagliato 5000 m di granito, si è constatato che il tasso di usura del dente PDC non trattato con cobalto ha iniziato ad aumentare bruscamente. Al contrario, il dente PDC trattato con cobalto ha mantenuto una velocità di taglio relativamente stabile durante la lavorazione di circa 15000 m di roccia.

2. Metodo di rilevamento del PDC

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

1. Test distruttivi

Questi test hanno lo scopo di simulare le condizioni di fondo pozzo nel modo più realistico possibile, al fine di valutare le prestazioni dei denti di 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 si utilizzano tre tipi di apparecchiature:

A. Tornio verticale (VTL)

Durante il test, si fissa innanzitutto la punta PDC al tornio verticale e si posiziona un campione di roccia (solitamente granito) accanto alla punta. Quindi si fa ruotare il campione di roccia attorno all'asse del tornio a una determinata velocità. La punta PDC penetra nel campione di roccia a una profondità specifica. Quando si utilizza il granito per il test, questa profondità di taglio è generalmente inferiore a 1 mm. Questo test può essere eseguito a secco o a umido. Nel "test VTL a secco", quando la punta PDC taglia la roccia, non viene applicato alcun raffreddamento; tutto il calore generato dall'attrito viene trasferito alla punta PDC, accelerando il processo di grafitizzazione del diamante. Questo metodo di test fornisce 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 in questo test è la rettifica del campione di roccia piuttosto che il fattore di riscaldamento.

B, tornio orizzontale

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

I parametri di prova del granito utilizzati dai fornitori di ingranaggi PDC possono variare. Ad esempio, i parametri di prova utilizzati da Synthetic Corporation e DI Company negli Stati Uniti non sono esattamente gli stessi, ma entrambe utilizzano lo stesso materiale di granito per i loro test: una roccia ignea policristallina di granulometria da grossolana a media, con porosità molto bassa e una resistenza alla compressione di 190 MPa.

C. Strumento di misurazione del rapporto di abrasione

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

(2) Prova di resistenza all'impatto

Il metodo per la prova d'urto prevede l'installazione di denti in 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 in PDC. Il peso e l'altezza dell'oggetto in caduta indicano il livello di energia d'impatto subito dal dente in prova, che può aumentare gradualmente fino a 100 joule. Ogni dente può essere sottoposto a impatti da 3 a 7 volte prima di non poter essere ulteriormente testato. Generalmente, vengono testati almeno 10 campioni di ogni tipo di dente per ciascun livello di energia. Poiché la resistenza dei denti all'impatto varia, i risultati del test per ciascun livello di energia rappresentano l'area media di distacco del diamante dopo l'impatto per ciascun dente.

2. Prove non distruttive

La tecnica di controllo non distruttivo più diffusa (oltre all'ispezione visiva e microscopica) è la scansione a ultrasuoni (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 innanzitutto 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“