I. Термический износ и удаление кобальта из PDC
В процессе спекания PDC под высоким давлением кобальт действует как катализатор, способствуя непосредственному соединению алмаза с алмазом и превращая алмазный слой и матрицу карбида вольфрама в единое целое, в результате чего режущие зубья PDC, подходящие для геологического бурения нефтяных месторождений, обладают высокой прочностью и превосходной износостойкостью.
Термостойкость алмазов весьма ограничена. Под атмосферным давлением поверхность алмаза может изменяться при температурах около 900 °C и выше. В процессе эксплуатации традиционные алмазные коронки (PDC) обычно разрушаются при температуре около 750 °C. При бурении твёрдых и абразивных пород алмазные коронки (PDC) могут легко достигать этой температуры из-за трения, а мгновенная температура (то есть локальная температура на микроскопическом уровне) может быть ещё выше, значительно превышая температуру плавления кобальта (1495 °C).
По сравнению с чистым алмазом, благодаря присутствию кобальта, алмаз превращается в графит при более низких температурах. В результате износ алмаза обусловлен графитизацией, возникающей в результате локального выделения тепла при трении. Кроме того, коэффициент теплового расширения кобальта значительно выше, чем у алмаза, поэтому при нагревании связь между алмазными зернами может быть нарушена расширением кобальта.
В 1983 году два исследователя провели обработку поверхности стандартных алмазных слоёв PDC, значительно повысив производительность зубьев PDC. Однако это изобретение не получило должного внимания. Лишь после 2000 года, благодаря более глубокому пониманию свойств алмазных слоёв PDC, поставщики буровых установок начали применять эту технологию к зубьям PDC, используемым в бурении горных пород. Зубья, обработанные таким методом, подходят для высокоабразивных пород со значительным термомеханическим износом и обычно называются «декобальтированными».
Так называемый «декобальт» изготавливается традиционным способом для PDC, после чего поверхность алмазного слоя погружается в концентрированную кислоту для удаления кобальтовой фазы посредством кислотного травления. Глубина удаления кобальта может достигать около 200 микрон.
Испытание на износ в тяжелых условиях было проведено на двух идентичных зубьях PDC (один из которых прошел обработку алмазным слоем для удаления кобальта). После резки 5000 м² гранита было обнаружено, что скорость износа зубьев PDC без удаления кобальта начала резко возрастать. В отличие от этого, зубья PDC без удаления кобальта сохраняли относительно стабильную скорость резания при резке примерно 15000 м² горной породы.
2. Метод обнаружения ПДК
Существует два вида методов обнаружения зубьев PDC, а именно разрушающий контроль и неразрушающий контроль.
1. Разрушающий контроль
Эти испытания призваны максимально реалистично имитировать скважинные условия для оценки эффективности работы режущих зубьев в таких условиях. Двумя основными видами разрушающих испытаний являются испытания на износостойкость и испытания на ударопрочность.
(1) Испытание на износостойкость
Для проведения испытаний на износостойкость PDC используются три типа оборудования:
А. Вертикальный токарный станок (ВТС)
Во время испытания сначала закрепляют долото PDC на токарном станке VTL и располагают образец горной породы (обычно гранит) рядом с долотом PDC. Затем вращают образец горной породы вокруг оси токарного станка с определенной скоростью. Долото PDC врезается в образец горной породы на определенную глубину. При использовании гранита для испытания эта глубина врезания обычно составляет менее 1 мм. Это испытание может быть как сухим, так и мокрым. При «сухом испытании VTL», когда долото PDC врезается в породу, охлаждение не применяется; все выделяющееся при трении тепло поступает в долото PDC, ускоряя процесс графитизации алмаза. Этот метод испытания дает превосходные результаты при оценке долот PDC в условиях, требующих высокого давления бурения или высокой скорости вращения.
«Влажный VTL-тест» позволяет определить срок службы PDC в условиях умеренного нагрева, охлаждая зубья PDC водой или воздухом во время испытания. Следовательно, основным источником износа в этом тесте является измельчение образца горной породы, а не нагревание.
B, горизонтальный токарный станок
Это испытание также проводится с гранитом, и принцип его проведения практически аналогичен испытанию VTL. Время испытания составляет всего несколько минут, а термический удар между гранитом и зубьями PDC весьма ограничен.
Параметры испытаний гранита, используемые поставщиками PDC-приводов, различаются. Например, параметры испытаний, используемые компаниями Synthetic Corporation и DI Company в США, не совсем одинаковы, но для своих испытаний они используют один и тот же гранитный материал – крупно-среднезернистую поликристаллическую магматическую породу с очень низкой пористостью и прочностью на сжатие 190 МПа.
C. Прибор для измерения коэффициента истирания
При указанных условиях алмазный слой PDC используется для заточки шлифовального круга из карбида кремния, а соотношение скорости износа шлифовального круга и скорости износа PDC принимается за показатель износа PDC, который называется коэффициентом износа.
(2) Испытание на ударопрочность
Метод испытания на удар заключается в установке зубьев PDC под углом 15–25 градусов и последующем падении предмета с определённой высоты для удара по алмазному слою зубьев PDC вертикально. Вес и высота падающего предмета определяют уровень энергии удара, испытываемой испытуемым зубом, который может постепенно увеличиваться до 100 джоулей. Каждый зуб может подвергаться ударам 3–7 раз до тех пор, пока дальнейшие испытания не станут невозможными. Как правило, на каждом уровне энергии испытывают не менее 10 образцов каждого типа зубьев. Поскольку существует диапазон ударной стойкости зубьев, результаты испытаний на каждом уровне энергии представляют собой среднюю площадь скола алмаза после удара для каждого зуба.
2. Неразрушающий контроль
Наиболее широко используемым методом неразрушающего контроля (помимо визуального и микроскопического контроля) является ультразвуковое сканирование (УЗСкан).
Технология сканирования типа C позволяет обнаружить небольшие дефекты и определить их местоположение и размер. При проведении этого теста сначала поместите зуб PDC в резервуар с водой, а затем просканируйте его ультразвуковым датчиком.
Эта статья перепечатана из «Международная сеть металлообработки«
Время публикации: 21 марта 2025 г.
