A PDC termikus kopása és kobalteltávolítása

I. A PDC termikus kopása és kobalteltávolítása

A PDC nagynyomású szinterelési folyamatában a kobalt katalizátorként működik, elősegíti a gyémánt és a gyémánt közvetlen kombinációját, és a gyémántréteget és a volfrám-karbid mátrixot egésszé formálja, ami nagy szívósságú és kiváló kopásállóságú olajmező geológiai fúrásokhoz alkalmas PDC vágófogakat eredményez.

A gyémántok hőállósága meglehetősen korlátozott. Légköri nyomás alatt a gyémánt felülete körülbelül 900 ℃-os vagy annál magasabb hőmérsékleten átalakulhat. Használat közben a hagyományos PDC-k körülbelül 750 ℃-on hajlamosak lebomlani. Kemény és abrazív kőzetrétegeken átfúrva a PDC-k könnyen elérhetik ezt a hőmérsékletet a súrlódási hő miatt, és a pillanatnyi hőmérséklet (azaz a mikroszkopikus szinten lokalizált hőmérséklet) még magasabb is lehet, messze meghaladva a kobalt olvadáspontját (1495 °C).

A tiszta gyémánttal összehasonlítva a kobalt jelenléte miatt a gyémánt alacsonyabb hőmérsékleten grafittá alakul. Ennek eredményeként a gyémánt kopását a lokalizált súrlódási hő okozta grafitizálódás okozza. Ezenkívül a kobalt hőtágulási együtthatója sokkal magasabb, mint a gyémánté, így hevítés közben a gyémántszemcsék közötti kötés a kobalt tágulása miatt megszakadhat.

1983-ban két kutató gyémánteltávolító kezelést végzett a standard PDC gyémántrétegek felületén, jelentősen javítva a PDC fogak teljesítményét. Ez a találmány azonban nem kapta meg a megérdemelt figyelmet. Csak 2000 után, a PDC gyémántrétegek mélyebb megértésével kezdték a fúrógyártók ezt a technológiát alkalmazni a kőzetfúrásban használt PDC fogakra. Az ezzel a módszerrel kezelt fogak alkalmasak jelentős termikus mechanikai kopással járó, erősen abrazív képződményekhez, és általában „kobaltmentes” fogaknak nevezik őket.

Az úgynevezett „dekobaltot” a PDC előállításához használt hagyományos módon állítják elő, majd a gyémántréteg felületét erős savba merítik, hogy savas maratási eljárással eltávolítsák a kobaltfázist. A kobalteltávolítás mélysége elérheti a körülbelül 200 mikront.

Két azonos PDC fogon (amelyek közül az egyik gyémántréteg felületén kobaltmentesítési kezelést végeztek) nagy igénybevételű kopásvizsgálatot végeztek. 5000 m gránit vágása után azt tapasztalták, hogy a kobaltmentes PDC kopási sebessége meredeken növekedni kezdett. Ezzel szemben a kobaltmentes PDC viszonylag stabil vágási sebességet tartott fenn, miközben körülbelül 15 000 m kőzetet vágásott.

2. A PDC kimutatási módszere

A PDC fogak kimutatásának kétféle módszere létezik, nevezetesen a roncsolásos vizsgálat és a roncsolásmentes vizsgálat.

1. Roncsolásos vizsgálat

Ezek a tesztek a fúrólyuk körülményeit a lehető legrealisztikusabban szimulálják, hogy felmérjék a vágófogak teljesítményét ilyen körülmények között. A roncsolásos vizsgálatok két fő formája a kopásállósági vizsgálat és az ütésállósági vizsgálat.

(1) Kopásállósági vizsgálat

Háromféle berendezést használnak a PDC kopásállósági vizsgálatok elvégzéséhez:

A. Függőleges eszterga (VTL)

A vizsgálat során először rögzítse a PDC fúrófejet a VTL esztergához, és helyezzen egy kőzetmintát (általában gránitot) a PDC fúrófej mellé. Ezután forgassa a kőzetmintát az eszterga tengelye körül egy bizonyos sebességgel. A PDC fúrófej egy meghatározott mélységgel vág a kőzetmintába. Gránit vizsgálatakor ez a vágási mélység általában kevesebb, mint 1 mm. Ez a vizsgálat lehet száraz vagy nedves. A „száraz VTL vizsgálat” során, amikor a PDC fúrófej átvágja a kőzetet, nem alkalmaznak hűtést; a keletkező súrlódási hő teljes egészében a PDC-be jut, felgyorsítva a gyémánt grafitizációs folyamatát. Ez a vizsgálati módszer kiváló eredményeket ad a PDC fúrófejek nagy fúrási nyomást vagy nagy forgási sebességet igénylő körülmények között történő értékelése során.

A „nedves VTL-teszt” a PDC élettartamát mérsékelt melegítési körülmények között méri úgy, hogy a PDC fogait vízzel vagy levegővel hűti a vizsgálat során. Ezért a teszt fő kopási forrása a kőzetminta őrlése, nem pedig a melegítési tényező.

B, vízszintes eszterga

Ezt a tesztet gránittal is elvégzik, és a teszt elve alapvetően megegyezik a VTL-lel. A tesztidő mindössze néhány perc, és a gránit és a PDC fogak közötti hősokk nagyon korlátozott.

A PDC fogaskerék-beszállítók által használt gránitvizsgálati paraméterek eltérőek lehetnek. Például az Egyesült Államokban a Synthetic Corporation és a DI Company által használt vizsgálati paraméterek nem teljesen ugyanazok, de ugyanazt a gránitanyagot használják a tesztjeikhez, egy durva vagy közepes szemcseméretű, polikristályos magmás kőzetet, nagyon kis porozitással és 190 MPa nyomószilárdsággal.

C. Kopási arány mérőeszköz

Meghatározott körülmények között a PDC gyémántrétegét szilícium-karbid köszörűkorong csiszolására használják, és a köszörűkorong kopási sebességének és a PDC kopási sebességének arányát a PDC kopási indexének tekintik, amelyet kopási aránynak neveznek.

(2) Ütésállósági vizsgálat

Az ütővizsgálat módszere magában foglalja a PDC fogak 15-25 fokos szögben történő behelyezését, majd egy bizonyos magasságból egy tárgy leejtését, amely függőlegesen a PDC fogakon lévő gyémántrétegre csapódik. A leeső tárgy súlya és magassága jelzi a vizsgált fog által tapasztalt ütési energiaszintet, amely fokozatosan akár 100 joule-ig is növekedhet. Minden fog 3-7 alkalommal üthető meg, amíg tovább nem vizsgálható. Általában legalább 10 mintát vizsgálnak minden fogtípusból minden energiaszinten. Mivel a fogak ütésállósága változó, az egyes energiaszinteken kapott vizsgálati eredmények az egyes fogak ütés utáni átlagos gyémántleválás területét jelentik.

2. Roncsolásmentes vizsgálat

A vizuális és mikroszkópos vizsgálaton kívül a legszélesebb körben használt roncsolásmentes vizsgálati technika az ultrahangos szkennelés (Cscan).

A C szkennelési technológia képes kis hibákat észlelni, meghatározni azok helyét és méretét. A teszt elvégzésekor először a PDC fogat egy víztartályba helyezik, majd ultrahangos szondával szkennelik;

Ez a cikk újranyomtatva a következő forrásból: „Nemzetközi Fémmegmunkáló Hálózat„