Thermische slijtage en verwijdering van kobalt uit PDC

I. Thermische slijtage en verwijdering van kobalt uit PDC

Bij het hogedruksinterproces van PDC fungeert kobalt als katalysator om de directe combinatie van diamant en diamant te bevorderen, waardoor de diamantlaag en de wolfraamcarbide matrix één geheel vormen. Dit resulteert in PDC-snijtanden die geschikt zijn voor geologische boringen in de olie- en gasindustrie en die een hoge taaiheid en uitstekende slijtvastheid bezitten.

De hittebestendigheid van diamant is vrij beperkt. Onder atmosferische druk kan het oppervlak van diamant vervormen bij temperaturen van ongeveer 900 °C of hoger. Traditionele PDC's (Phase Diamond Compounds) degraderen tijdens gebruik bij ongeveer 750 °C. Bij het boren door harde en schurende gesteentelagen kunnen PDC's deze temperatuur gemakkelijk bereiken door wrijvingswarmte, en de momentane temperatuur (d.w.z. de lokale temperatuur op microscopisch niveau) kan zelfs nog hoger oplopen, ver boven het smeltpunt van kobalt (1495 °C).

In vergelijking met zuiver diamant, zet diamant door de aanwezigheid van kobalt bij lagere temperaturen om in grafiet. Hierdoor wordt slijtage aan diamant veroorzaakt door de grafietvorming die het gevolg is van plaatselijke wrijvingswarmte. Bovendien is de thermische uitzettingscoëfficiënt van kobalt veel hoger dan die van diamant, waardoor tijdens verhitting de binding tussen diamantkorrels kan worden verbroken door de uitzetting van kobalt.

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

Het zogenaamde "de-kobalt" wordt op de traditionele manier gemaakt voor de productie van PDC, waarna het oppervlak van de diamantlaag in een sterk zuur wordt ondergedompeld om de kobaltfase te verwijderen door middel van een zuuretsingsproces. De diepte van de kobaltverwijdering kan ongeveer 200 micron bedragen.

Er werd een zware slijtagetest uitgevoerd op twee identieke PDC-tanden (waarvan er één een behandeling had ondergaan om kobalt van het diamantoppervlak te verwijderen). Na het snijden van 5000 meter graniet bleek dat de slijtage van de PDC zonder kobaltbehandeling sterk begon toe te nemen. De PDC met kobaltbehandeling daarentegen behield een relatief stabiele snijsnelheid tijdens het snijden van ongeveer 15.000 meter gesteente.

2. Detectiemethode van PDC

Er zijn twee soorten methoden om PDC-tanden op te sporen, namelijk destructief onderzoek en niet-destructief onderzoek.

1. Destructieve testen

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

(1) Slijtvastheidstest

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

A. Verticale draaibank (VTL)

Tijdens de test wordt eerst de PDC-boor op de VTL-draaibank bevestigd en wordt een gesteentemonster (meestal graniet) naast de PDC-boor geplaatst. Vervolgens wordt het gesteentemonster met een bepaalde snelheid rond de as van de draaibank gedraaid. De PDC-boor snijdt in het gesteentemonster tot een specifieke diepte. Bij gebruik van graniet voor de test 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-boor door het gesteente snijdt; alle wrijvingswarmte die ontstaat, komt in de PDC terecht, waardoor het grafitisatieproces van de diamant wordt versneld. Deze testmethode levert uitstekende resultaten op bij de evaluatie van PDC-boren onder omstandigheden die een hoge boordruk of een hoge rotatiesnelheid vereisen.

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

B, horizontale draaibank

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

De testparameters voor graniet die door leveranciers van PDC-tandwielkasten worden gebruikt, variëren. De testparameters die Synthetic Corporation en DI Company in de Verenigde Staten gebruiken, zijn bijvoorbeeld niet exact hetzelfde, maar ze gebruiken wel hetzelfde granietmateriaal voor hun tests: een grof tot middelkorrelig polykristallijn stollingsgesteente met een zeer lage porositeit en een druksterkte van 190 MPa.

C. Instrument voor het meten van de slijtageverhouding

Onder de gespecificeerde omstandigheden wordt de diamantlaag van PDC gebruikt om een ​​siliciumcarbide slijpschijf te slijpen. De verhouding tussen de slijtagesnelheid van de slijpschijf en de slijtagesnelheid van de PDC wordt genomen als de slijtage-index van de PDC, ook wel slijtageverhouding genoemd.

(2) Slagvastheidstest

De methode voor impacttesten houdt in dat PDC-tanden onder een hoek van 15-25 graden worden geplaatst en vervolgens een object vanaf een bepaalde hoogte wordt laten vallen, zodat het de diamantlaag op de PDC-tanden verticaal raakt. Het gewicht en de hoogte van het vallende object geven het impactenergieniveau aan dat de testtand ondervindt, dat geleidelijk kan oplopen tot 100 joule. Elke tand kan 3-7 keer worden getest totdat deze niet meer geschikt is voor verdere tests. Over het algemeen worden minstens 10 exemplaren van elk type tand getest op elk energieniveau. Omdat de impactbestendigheid van tanden varieert, zijn de testresultaten op elk energieniveau de gemiddelde oppervlakte van de diamantafschilfering na impact voor elke tand.

2. Niet-destructief onderzoek

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

Met behulp van C-scantechnologie kunnen kleine defecten worden opgespoord en kan de locatie en grootte ervan worden bepaald. Bij deze test wordt de tand eerst in een watertank geplaatst en vervolgens gescand met een ultrasone sonde.

Dit artikel is overgenomen uit “Internationaal Metaalbewerkingsnetwerk“