Termisk slid og fjernelse af kobolt fra PDC

I. Termisk slid og fjernelse af kobolt fra PDC

I PDC's højtrykssintringsprocessen fungerer kobolt som en katalysator, der fremmer den direkte kombination af diamant og diamant, og gør diamantlaget og wolframcarbidmatrixen til en helhed, hvilket resulterer i PDC-skæretænder, der er egnede til geologisk boring i oliefelter med høj sejhed og fremragende slidstyrke.

Diamanters varmebestandighed er ret begrænset. Under atmosfærisk tryk kan diamantens overflade transformeres ved temperaturer omkring 900 ℃ eller højere. Under brug har traditionelle PDC'er en tendens til at nedbrydes ved omkring 750 ℃. Ved boring gennem hårde og slibende bjergartslag kan PDC'er nemt nå denne temperatur på grund af friktionsvarme, og den øjeblikkelige temperatur (dvs. lokaliseret temperatur på mikroskopisk niveau) kan være endnu højere og langt overstige smeltepunktet for kobolt (1495 °C).

Sammenlignet med ren diamant omdannes diamant til grafit ved lavere temperaturer på grund af tilstedeværelsen af kobolt. Som følge heraf forårsages slid på diamant af grafitisering som følge af lokal friktionsvarme. Derudover er kobolts termiske udvidelseskoefficient meget højere end diamants, så under opvarmning kan bindingen mellem diamantkornene forstyrres af kobolts udvidelse.

I 1983 udførte to forskere diamantfjernelsesbehandling på overfladen af standard PDC-diamantlag, hvilket forbedrede PDC-tændernes ydeevne betydeligt. Denne opfindelse fik dog ikke den opmærksomhed, den fortjente. Det var først efter år 2000, at boreleverandører, med en dybere forståelse af PDC-diamantlag, begyndte at anvende denne teknologi på PDC-tænder, der blev brugt til bjergboring. Tænder behandlet med denne metode er velegnede til meget abrasive formationer med betydelig termisk mekanisk slid og kaldes almindeligvis "dekobolterede" tænder.

Den såkaldte "de-kobolt" fremstilles på den traditionelle måde til fremstilling af PDC, og derefter nedsænkes overfladen af diamantlaget i stærk syre for at fjerne koboltfasen gennem syreætsningsprocessen. Dybden af koboltfjernelsen kan nå op på omkring 200 mikron.

En kraftig slidtest blev udført på to identiske PDC-tænder (hvoraf den ene havde gennemgået en koboltfjernelsesbehandling på diamantlagets overflade). Efter at have skåret 5000 m² granit, blev det konstateret, at slidhastigheden for den ikke-koboltfjernede PDC begyndte at stige kraftigt. I modsætning hertil opretholdt den koboltfjernede PDC en relativt stabil skærehastighed, mens den skåret cirka 15000 m² bjergart.

2. Detektionsmetode for PDC

Der er to slags metoder til at detektere PDC-tænder, nemlig destruktiv testning og ikke-destruktiv testning.

1. Destruktiv prøvning

Disse tests har til formål at simulere borehullets forhold så realistisk som muligt for at evaluere skæretændernes ydeevne under sådanne forhold. De to primære former for destruktiv testning er slidstyrketest og slagfasthedstest.

(1) Slidstyrketest

Tre typer udstyr bruges til at udføre PDC-slidstyrketest:

A. Vertikal drejebænk (VTL)

Under testen fastgøres først PDC-boret til VTL-drejebænken, og en stenprøve (normalt granit) placeres ved siden af PDC-boret. Roter derefter stenprøven omkring drejebænkens akse med en bestemt hastighed. PDC-boret skærer i stenprøven med en bestemt dybde. Når der anvendes granit til test, er denne skæredybde generelt mindre end 1 mm. Denne test kan være enten tør eller våd. Ved "tør VTL-testning" anvendes der ingen køling, når PDC-boret skærer gennem stenen; al den genererede friktionsvarme kommer ind i PDC'en, hvilket accelererer diamantens grafitiseringsproces. Denne testmetode giver fremragende resultater ved evaluering af PDC-bor under forhold, der kræver højt boretryk eller høj rotationshastighed.

Den "våde VTL-test" måler PDC'ens levetid under moderate opvarmningsforhold ved at afkøle PDC-tænderne med vand eller luft under testen. Derfor er den primære slidkilde i denne test slibningen af stenprøven snarere end opvarmningsfaktoren.

B, vandret drejebænk

Denne test udføres også med granit, og princippet for testen er stort set det samme som VTL. Testtiden er kun et par minutter, og termisk chok mellem granit og PDC-tænder er meget begrænset.

De granittestparametre, der anvendes af leverandører af PDC-gear, vil variere. For eksempel er de testparametre, der anvendes af Synthetic Corporation og DI Company i USA, ikke nøjagtig de samme, men de bruger det samme granitmateriale til deres test, en grov til mellemkvalitets polykrystallinsk magmatisk bjergart med meget lav porøsitet og en trykstyrke på 190 MPa.

C. Instrument til måling af slidforhold

Under de specificerede betingelser anvendes diamantlaget af PDC til at trimme siliciumcarbidslibeskiven, og forholdet mellem slibeskivens slidhastighed og PDC'ens slidhastighed tages som PDC'ens slidindeks, der kaldes slidforhold.

(2) Slagfasthedsprøve

Metoden til slagtestning involverer at installere PDC-tænder i en vinkel på 15-25 grader og derefter lade en genstand falde fra en bestemt højde for at ramme diamantlaget på PDC-tænderne lodret. Vægten og højden af den faldende genstand indikerer det slagenerginiveau, som testtanden oplever, hvilket gradvist kan stige op til 100 joule. Hver tand kan blive ramt 3-7 gange, indtil den ikke kan testes yderligere. Generelt testes mindst 10 prøver af hver tandtype på hvert energiniveau. Da der er et interval i tændernes modstandsdygtighed over for slag, er testresultaterne på hvert energiniveau det gennemsnitlige område med diamantafskalning efter slag for hver tand.

2. Ikke-destruktiv prøvning

Den mest anvendte ikke-destruktive testteknik (ud over visuel og mikroskopisk inspektion) er ultralydsscanning (Cscan).

C-scanningsteknologi kan detektere små defekter og bestemme placeringen og størrelsen af defekter. Når du udfører denne test, skal du først placere PDC-tanden i en vandtank og derefter scanne med en ultralydssonde;

Denne artikel er genoptrykt fra “Internationalt metalbearbejdningsnetværk"