Thermische slijtage en kobaltverwijdering van PDC

I. Thermische slijtage en kobaltverwijdering van PDC

Bij het hogedruk-sinterproces van PDC fungeert kobalt als katalysator om de directe verbinding van diamant en diamant te bevorderen en de diamantlaag en de wolfraamcarbidematrix één geheel te laten worden, wat resulteert in PDC-snijtanden die geschikt zijn voor geologisch boren in olievelden met een hoge taaiheid en uitstekende slijtvastheid.

De hittebestendigheid van diamanten is vrij beperkt. Onder atmosferische druk kan het oppervlak van diamant transformeren bij temperaturen rond de 900 °C of hoger. Tijdens gebruik degraderen traditionele PDC's bij temperaturen rond de 750 °C. Bij het boren door harde en abrasieve gesteentelagen kunnen PDC's deze temperatuur gemakkelijk bereiken door wrijvingswarmte. De momentane temperatuur (d.w.z. de lokale temperatuur op microscopisch niveau) kan zelfs nog hoger zijn en het smeltpunt van kobalt (1495 °C) ver overschrijden.

Vergeleken met puur diamant, verandert diamant, door de aanwezigheid van kobalt, bij lagere temperaturen in grafiet. Hierdoor treedt slijtage van diamant op door grafitisatie als gevolg van lokale wrijvingswarmte. Bovendien is de thermische uitzettingscoëfficiënt van kobalt veel hoger dan die van diamant, waardoor de binding tussen de diamantkorrels tijdens verhitting kan worden verstoord door de uitzetting van kobalt.

In 1983 voerden twee onderzoekers een diamantverwijderingsbehandeling uit op het oppervlak van standaard PDC-diamantlagen, wat de prestaties van PDC-tanden aanzienlijk verbeterde. Deze uitvinding kreeg echter niet de aandacht die ze verdiende. Pas na 2000 begonnen boorleveranciers, met een beter begrip van PDC-diamantlagen, deze technologie toe te passen op PDC-tanden die worden gebruikt bij het boren in gesteente. Tanden die met deze methode zijn behandeld, zijn geschikt voor zeer abrasieve formaties met aanzienlijke thermische mechanische slijtage en worden vaak "ontkobalde" tanden genoemd.

Het zogenaamde "kobaltvrij maken" wordt op de traditionele manier geproduceerd, zoals bij PDC. Vervolgens wordt het oppervlak van de diamantlaag ondergedompeld in sterk zuur om de kobaltfase te verwijderen door middel van zuuretsen. De diepte van de kobaltverwijdering kan oplopen tot ongeveer 200 micron.

Een zware slijtagetest werd uitgevoerd op twee identieke PDC-tanden (waarvan er één een kobaltverwijderingsbehandeling op het diamantoppervlak had ondergaan). Na het zagen van 5000 m graniet bleek dat de slijtage van de PDC zonder kobaltverwijdering sterk toenam. De PDC met kobaltverwijdering daarentegen behield een relatief stabiele snijsnelheid tijdens het zagen van ongeveer 15.000 m gesteente.

2. Detectiemethode van PDC

Er zijn twee soorten methoden om PDC-tanden te detecteren: destructief onderzoek en niet-destructief onderzoek.

1. Destructief testen

Deze tests zijn bedoeld om de omstandigheden in de boorput zo realistisch mogelijk te simuleren en zo de prestaties van snijtanden onder dergelijke omstandigheden te evalueren. De twee belangrijkste vormen van destructief onderzoek zijn slijtage- en slagvastheidstests.

(1) Slijtvastheidstest

Voor het uitvoeren van PDC-slijtageweerstandstesten worden drie soorten apparatuur gebruikt:

A. Verticale draaibank (VTL)

Bevestig tijdens de test eerst de PDC-bit aan de VTL-draaibank en plaats een gesteentemonster (meestal graniet) naast de PDC-bit. Draai vervolgens het gesteentemonster met een bepaalde snelheid rond de draaibankas. De PDC-bit snijdt met een specifieke diepte in het gesteentemonster. Bij het testen van graniet is deze snijdiepte over het algemeen minder dan 1 mm. Deze test kan zowel droog als nat worden uitgevoerd. Bij "droge VTL-testen" wordt er geen koeling toegepast wanneer de PDC-bit door het gesteente snijdt; alle gegenereerde wrijvingswarmte komt in de PDC terecht, waardoor het grafitisatieproces van de diamant wordt versneld. Deze testmethode levert uitstekende resultaten op bij het evalueren van PDC-bits onder omstandigheden die een hoge boordruk of een hoge rotatiesnelheid vereisen.

De "natte VTL-test" meet de levensduur van PDC-platen onder gematigde verhittingsomstandigheden door de PDC-tanden tijdens de test te koelen met water of lucht. De belangrijkste oorzaak van slijtage bij deze test is daarom het slijpen van het gesteentemonster en niet de verhittingsfactor.

B, horizontale draaibank

Deze test wordt ook met graniet uitgevoerd en het testprincipe is in principe hetzelfde als bij VTL. De testduur bedraagt slechts enkele minuten en de thermische schok tussen graniet en PDC-tanden is zeer beperkt.

De testparameters voor graniet die PDC-tandwielleveranciers gebruiken, variëren. Zo zijn de testparameters die Synthetic Corporation en DI Company in de Verenigde Staten gebruiken niet exact hetzelfde, maar gebruiken ze wel hetzelfde granietmateriaal voor hun tests: een grof tot middelmatig polykristallijn stollingsgesteente met zeer weinig porositeit en een druksterkte van 190 MPa.

C. Meetinstrument voor slijtageverhouding

Onder de opgegeven omstandigheden wordt de diamantlaag van PDC gebruikt om een siliciumcarbide slijpschijf te bewerken. De verhouding tussen de slijtagesnelheid van de slijpschijf en de slijtagesnelheid van PDC wordt de slijtage-index van PDC genoemd, wat slijtageverhouding wordt genoemd.

(2) Slagvastheidstest

De methode voor impacttesten omvat het plaatsen van PDC-tanden onder een hoek van 15-25 graden en vervolgens een voorwerp vanaf een bepaalde hoogte laten vallen om de diamantlaag op de PDC-tanden verticaal te raken. Het gewicht en de hoogte van het vallende voorwerp geven de impactenergie aan die de testtand ervaart, die geleidelijk kan oplopen tot 100 joule. Elke tand kan 3-7 keer worden geraakt totdat deze niet verder kan worden getest. Over het algemeen worden ten minste 10 monsters van elk type tand getest op elk energieniveau. Omdat er een bereik is in de weerstand van tanden tegen impact, geven de testresultaten op elk energieniveau de gemiddelde oppervlakte van diamantafbrokkeling na impact voor elke tand weer.

2. Niet-destructief onderzoek

De meest gebruikte niet-destructieve testtechniek (naast visuele en microscopische inspectie) is ultrasoon scannen (Cscan).

C-scantechnologie kan kleine defecten detecteren en de locatie en grootte ervan bepalen. Plaats bij deze test de PDC-tand eerst in een watertank en scan vervolgens met een ultrasone sonde;

Dit artikel is overgenomen uit “Internationaal Metaalbewerkingsnetwerk“