Termična obraba in odstranjevanje kobalta iz PDC-ja

I. Termična obraba in odstranjevanje kobalta iz PDC-ja

Pri postopku sintranja pod visokim tlakom PDC kobalt deluje kot katalizator, ki spodbuja neposredno kombinacijo diamanta in diamanta ter omogoča, da diamantna plast in matrica volframovega karbida postaneta celota, kar ima za posledico rezalne zobe PDC, primerne za geološko vrtanje naftnih polj z visoko žilavostjo in odlično odpornostjo proti obrabi.

Toplotna odpornost diamantov je precej omejena. Pod atmosferskim tlakom se lahko površina diamanta preoblikuje pri temperaturah okoli 900 ℃ ali več. Med uporabo se tradicionalni PDC-ji ponavadi razgradijo pri približno 750 ℃. Pri vrtanju skozi trde in abrazivne kamninske plasti lahko PDC-ji zaradi trenja zlahka dosežejo to temperaturo, trenutna temperatura (tj. lokalizirana temperatura na mikroskopski ravni) pa je lahko še višja in daleč presega tališče kobalta (1495 °C).

V primerjavi s čistim diamantom se diamant zaradi prisotnosti kobalta pri nižjih temperaturah pretvori v grafit. Posledično grafitizacija, ki je posledica lokalizirane toplote zaradi trenja, povzroči obrabo diamanta. Poleg tega je koeficient toplotnega raztezanja kobalta veliko višji od koeficienta diamanta, zato se lahko med segrevanjem vez med diamantnimi zrni prekine zaradi raztezanja kobalta.

Leta 1983 sta dva raziskovalca izvedla obdelavo z odstranjevanjem diamantov na površini standardnih diamantnih plasti PDC, kar je znatno izboljšalo delovanje zob PDC. Vendar ta izum ni bil deležen pozornosti, ki si jo je zaslužil. Šele po letu 2000 so dobavitelji svedrov z globljim razumevanjem diamantnih plasti PDC začeli uporabljati to tehnologijo za zobe PDC, ki se uporabljajo pri vrtanju kamnin. Zobje, obdelani s to metodo, so primerni za zelo abrazivne formacije z znatno toplotno-mehansko obrabo in se običajno imenujejo "dekobaltirani" zobje.

Tako imenovani "dekobalt" se izdela na tradicionalen način za izdelavo PDC-ja, nato pa se površina diamantne plasti potopi v močno kislino, da se s postopkom jedkanja s kislino odstrani kobaltova faza. Globina odstranitve kobalta lahko doseže približno 200 mikronov.

Na dveh identičnih zobeh PDC (eden od njiju je bil obdelan z odstranjevanjem kobalta na površini diamantne plasti) je bil izveden preizkus obrabe v težkih pogojih. Po rezanju 5000 m granita je bilo ugotovljeno, da se je stopnja obrabe PDC-ja brez odstranjenega kobalta začela močno povečevati. Nasprotno pa je PDC z odstranjenim kobaltom ohranil relativno stabilno hitrost rezanja pri rezanju približno 15000 m kamnine.

2. Metoda zaznavanja PDC

Obstajata dve vrsti metod za odkrivanje zob PDC, in sicer destruktivno testiranje in nedestruktivno testiranje.

1. Destruktivno testiranje

Namen teh preskusov je čim bolj realistično simulirati pogoje v vrtini, da se oceni delovanje rezalnih zob v takšnih pogojih. Dve glavni obliki destruktivnega testiranja sta preskusi odpornosti proti obrabi in preskusi odpornosti proti udarcem.

(1) Preskus odpornosti proti obrabi

Za izvajanje testov odpornosti proti obrabi PDC se uporabljajo tri vrste opreme:

A. Vertikalni stružnik (VTL)

Med preskusom najprej pritrdite sveder PDC na stružnico VTL in poleg svedra PDC postavite vzorec kamnine (običajno granit). Nato vzorec kamnine zavrtite okoli osi stružnice z določeno hitrostjo. Sveder PDC zareže v vzorec kamnine do določene globine. Pri uporabi granita za testiranje je ta globina rezanja običajno manjša od 1 mm. Ta preskus je lahko suh ali moker. Pri "suhem testiranju VTL", ko sveder PDC zareže skozi kamnino, se ne uporablja hlajenje; vsa ustvarjena toplota trenja vstopi v PDC, kar pospeši proces grafitizacije diamanta. Ta metoda testiranja daje odlične rezultate pri ocenjevanju svedrov PDC v pogojih, ki zahtevajo visok vrtalni tlak ali visoko hitrost vrtenja.

»Mokri VTL test« zazna življenjsko dobo PDC-ja pri zmernih pogojih segrevanja s hlajenjem zob PDC-ja z vodo ali zrakom med preskušanjem. Zato je glavni vir obrabe pri tem testu brušenje vzorca kamnine in ne faktor segrevanja.

B, horizontalni stružnik

Ta test se izvaja tudi z granitom, načelo testa pa je v osnovi enako kot pri VTL. Čas testa je le nekaj minut, toplotni šok med granitom in zobmi PDC pa je zelo omejen.

Parametri preskusov granita, ki jih uporabljajo dobavitelji zobnikov PDC, se razlikujejo. Na primer, parametri preskusov, ki jih uporabljata podjetji Synthetic Corporation in DI Company v Združenih državah Amerike, niso povsem enaki, vendar za svoje preskuse uporabljajo isti granitni material, grobo do srednje trdno polikristalno magmatsko kamnino z zelo majhno poroznostjo in tlačno trdnostjo 190 MPa.

C. Instrument za merjenje stopnje obrabe

Pod določenimi pogoji se diamantna plast PDC uporablja za obrezovanje brusilnega kolesa iz silicijevega karbida, razmerje med stopnjo obrabe brusilnega kolesa in stopnjo obrabe PDC pa se vzame kot indeks obrabe PDC, ki se imenuje razmerje obrabe.

(2) Preskus odpornosti na udarce

Metoda za preizkušanje udarcev vključuje namestitev zob PDC pod kotom 15–25 stopinj in nato spuščanje predmeta z določene višine, ki navpično udari v diamantno plast na zobeh PDC. Teža in višina padajočega predmeta kažeta raven energije udarca, ki jo doživi preizkušani zob, ki se lahko postopoma poveča do 100 joulov. Vsak zob je mogoče udariti 3–7-krat, dokler ga ni mogoče več preizkušati. Na splošno se pri vsaki energijski ravni preizkuša vsaj 10 vzorcev vsake vrste zoba. Ker obstaja razpon odpornosti zob na udarce, so rezultati preskusa pri vsaki energijski ravni povprečna površina odluščenega diamanta po udarcu za vsak zob.

2. Nedestruktivno testiranje

Najpogosteje uporabljena tehnika nedestruktivnega testiranja (poleg vizualnega in mikroskopskega pregleda) je ultrazvočno skeniranje (Cscan).

Tehnologija skeniranja C lahko zazna majhne napake ter določi lokacijo in velikost napak. Pri tem preizkusu najprej postavite zob PDC v rezervoar za vodo in nato skenirajte z ultrazvočno sondo;

Ta članek je ponatisnjen iz »Mednarodna mreža za obdelavo kovin"