Mài mòn nhiệt và loại bỏ coban của PDC

I. Mài mòn do nhiệt và loại bỏ coban của PDC

Trong quá trình thiêu kết áp suất cao của PDC, coban đóng vai trò là chất xúc tác để thúc đẩy sự kết hợp trực tiếp giữa kim cương và kim cương, làm cho lớp kim cương và ma trận cacbua vonfram trở thành một khối thống nhất, tạo ra răng cắt PDC phù hợp cho khoan địa chất dầu khí với độ bền cao và khả năng chống mài mòn tuyệt vời,

Khả năng chịu nhiệt của kim cương khá hạn chế. Dưới áp suất khí quyển, bề mặt kim cương có thể biến dạng ở nhiệt độ khoảng 900°C hoặc cao hơn. Trong quá trình sử dụng, PDC thông thường có xu hướng bị phân hủy ở khoảng 750°C. Khi khoan qua các lớp đá cứng và mài mòn, PDC có thể dễ dàng đạt đến nhiệt độ này do nhiệt ma sát, và nhiệt độ tức thời (tức là nhiệt độ cục bộ ở cấp độ vi mô) thậm chí có thể cao hơn, vượt xa nhiệt độ nóng chảy của coban (1495°C).

So với kim cương nguyên chất, do sự hiện diện của coban, kim cương chuyển hóa thành than chì ở nhiệt độ thấp hơn. Kết quả là, sự mài mòn kim cương là do quá trình than hóa do nhiệt ma sát cục bộ. Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt của coban cao hơn nhiều so với kim cương, do đó trong quá trình gia nhiệt, liên kết giữa các hạt kim cương có thể bị phá vỡ do sự giãn nở của coban.

Năm 1983, hai nhà nghiên cứu đã thực hiện xử lý loại bỏ kim cương trên bề mặt các lớp kim cương PDC tiêu chuẩn, cải thiện đáng kể hiệu suất của răng PDC. Tuy nhiên, phát minh này không nhận được sự chú ý xứng đáng. Mãi đến sau năm 2000, với sự hiểu biết sâu sắc hơn về các lớp kim cương PDC, các nhà cung cấp mũi khoan mới bắt đầu áp dụng công nghệ này cho răng PDC dùng trong khoan đá. Răng được xử lý bằng phương pháp này phù hợp với các cấu trúc mài mòn cao với độ mài mòn cơ học nhiệt đáng kể và thường được gọi là răng "khử coban".

Cái gọi là "de-coban" được chế tạo theo phương pháp truyền thống để tạo ra PDC, sau đó bề mặt lớp kim cương được ngâm trong axit mạnh để loại bỏ pha coban thông qua quá trình khắc axit. Độ sâu loại bỏ coban có thể đạt khoảng 200 micron.

Một thử nghiệm mài mòn chịu tải nặng đã được thực hiện trên hai răng PDC giống hệt nhau (một trong số đó đã được xử lý loại bỏ coban trên bề mặt lớp kim cương). Sau khi cắt 5000m đá granit, người ta thấy tốc độ mài mòn của PDC không loại bỏ coban bắt đầu tăng mạnh. Ngược lại, PDC loại bỏ coban vẫn duy trì tốc độ cắt tương đối ổn định khi cắt khoảng 15000m đá.

2. Phương pháp phát hiện PDC

Có hai loại phương pháp để phát hiện răng PDC, đó là kiểm tra phá hủy và kiểm tra không phá hủy.

1. Kiểm tra phá hủy

Các thử nghiệm này nhằm mục đích mô phỏng điều kiện đáy giếng một cách chân thực nhất có thể để đánh giá hiệu suất của răng cắt trong những điều kiện như vậy. Hai hình thức chính của thử nghiệm phá hủy là thử nghiệm khả năng chống mài mòn và thử nghiệm khả năng chống va đập.

(1) Thử nghiệm khả năng chống mài mòn

Có ba loại thiết bị được sử dụng để thực hiện thử nghiệm khả năng chống mài mòn PDC:

A. Máy tiện đứng (VTL)

Trong quá trình thử nghiệm, trước tiên hãy cố định mũi khoan PDC vào máy tiện VTL và đặt một mẫu đá (thường là đá granit) bên cạnh mũi khoan PDC. Sau đó, xoay mẫu đá quanh trục máy tiện với một tốc độ nhất định. Mũi khoan PDC cắt vào mẫu đá với độ sâu cụ thể. Khi sử dụng đá granit để thử nghiệm, độ sâu cắt này thường nhỏ hơn 1 mm. Thử nghiệm này có thể được thực hiện khô hoặc ướt. Trong "thử nghiệm VTL khô", khi mũi khoan PDC cắt qua đá, không có quá trình làm mát nào được áp dụng; toàn bộ nhiệt ma sát sinh ra sẽ đi vào PDC, đẩy nhanh quá trình than hóa kim cương. Phương pháp thử nghiệm này mang lại kết quả tuyệt vời khi đánh giá mũi khoan PDC trong điều kiện yêu cầu áp suất khoan cao hoặc tốc độ quay cao.

"Thử nghiệm VTL ướt" phát hiện tuổi thọ của PDC trong điều kiện gia nhiệt vừa phải bằng cách làm mát răng PDC bằng nước hoặc không khí trong quá trình thử nghiệm. Do đó, nguồn mài mòn chính của thử nghiệm này là quá trình nghiền mẫu đá chứ không phải hệ số gia nhiệt.

B, máy tiện ngang

Thử nghiệm này cũng được thực hiện với đá granit, nguyên lý thử nghiệm về cơ bản giống với VTL. Thời gian thử nghiệm chỉ vài phút, và độ sốc nhiệt giữa đá granit và răng PDC rất hạn chế.

Các thông số thử nghiệm đá granit được các nhà cung cấp thiết bị PDC sử dụng sẽ khác nhau. Ví dụ, các thông số thử nghiệm được Synthetic Corporation và DI Company tại Hoa Kỳ sử dụng không hoàn toàn giống nhau, nhưng họ sử dụng cùng một loại vật liệu đá granit cho các thử nghiệm của mình, một loại đá macma đa tinh thể có hàm lượng thô đến trung bình, độ xốp rất thấp và cường độ nén 190MPa.

C. Dụng cụ đo tỷ lệ mài mòn

Trong điều kiện quy định, lớp kim cương của PDC được sử dụng để cắt đá mài silicon carbide và tỷ lệ giữa tốc độ mài mòn của đá mài và tốc độ mài mòn của PDC được coi là chỉ số mài mòn của PDC, được gọi là tỷ lệ mài mòn.

(2) Thử nghiệm khả năng chống va đập

Phương pháp thử nghiệm va đập bao gồm lắp răng PDC ở góc 15-25 độ, sau đó thả một vật từ độ cao nhất định xuống, đập thẳng đứng vào lớp kim cương trên răng PDC. Trọng lượng và chiều cao của vật rơi cho biết mức năng lượng va đập mà răng thử nghiệm chịu, có thể tăng dần lên đến 100 joule. Mỗi răng có thể chịu va đập từ 3-7 lần cho đến khi không thể kiểm tra thêm nữa. Thông thường, ít nhất 10 mẫu của mỗi loại răng được thử nghiệm ở mỗi mức năng lượng. Vì khả năng chịu va đập của răng có một khoảng nhất định, kết quả thử nghiệm ở mỗi mức năng lượng là diện tích trung bình của kim cương bị vỡ sau va đập của mỗi răng.

2. Kiểm tra không phá hủy

Kỹ thuật kiểm tra không phá hủy được sử dụng rộng rãi nhất (ngoài kiểm tra bằng mắt thường và kính hiển vi) là quét siêu âm (Cscan).

Công nghệ quét C có thể phát hiện các khuyết tật nhỏ và xác định vị trí cũng như kích thước của khuyết tật. Khi thực hiện kiểm tra này, trước tiên hãy đặt răng PDC vào bể nước, sau đó quét bằng đầu dò siêu âm;

Bài viết này được in lại từ “Mạng lưới gia công kim loại quốc tế“