I. Sự mài mòn nhiệt và sự loại bỏ coban của PDC
Trong quá trình thiêu kết áp suất cao của PDC, coban đóng vai trò là chất xúc tác thúc đẩy sự kết hợp trực tiếp giữa kim cương và các hạt kim cương, làm cho lớp kim cương và ma trận cacbua vonfram trở thành một thể thống nhất, tạo ra các răng cắt PDC phù hợp cho khoan địa chất mỏ dầu 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 đổi ở nhiệt độ khoảng 900℃ hoặc cao hơn. Trong quá trình sử dụng, các loại mũi khoan PDC truyền thống có xu hướng bị phân hủy ở khoảng 750℃. Khi khoan xuyên qua các lớp đá cứng và mài mòn, các mũi khoan 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 điểm nóng chảy của coban (1495°C).
So với kim cương nguyên chất, do có sự hiện diện của coban, kim cương chuyển hóa thành graphit ở nhiệt độ thấp hơn. Kết quả là, sự mài mòn trên kim cương là do quá trình graphit hóa gây ra bởi nhiệt ma sát cục bộ. Thêm vào đó, hệ số giãn nở nhiệt của coban cao hơn nhiều so với kim cương, vì vậy trong quá trình nung nóng, 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, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của răng khoan PDC. Tuy nhiên, phát minh này đã 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 vào răng khoan PDC được sử dụng trong khoan đá. Răng được xử lý bằng phương pháp này phù hợp với các tầng địa chất có độ mài mòn cao và chịu mài mòn cơ học nhiệt đáng kể, và thường được gọi là răng "khử coban".
Loại kim cương được gọi là “khử 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 ăn mòn axit. Độ sâu loại bỏ coban có thể đạt khoảng 200 micron.
Một thử nghiệm mài mòn cường độ cao đã được tiến hành 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 nhận thấy rằng tốc độ mài mòn của răng PDC không được xử lý loại bỏ coban bắt đầu tăng mạnh. Ngược lại, răng PDC được xử lý loại bỏ coban duy trì tốc độ cắt tương đối ổn định trong khi cắt khoảng 15000m đá.
2. Phương pháp phát hiện PDC
Có hai phương pháp phát hiện răng bị sâu răng (PDC), đó là phương pháp phá hủy và phương pháp không phá hủy.
1. Thử nghiệm phá hủy
Các thử nghiệm này nhằm mô phỏng điều kiện dưới lòng đất một cách thực tế nhất có thể để đánh giá hiệu suất của các răng cắt trong điều kiện đó. Hai hình thức thử nghiệm phá hủy chính 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 các thử nghiệm độ bền mài mòn PDC:
A. Máy tiện đứng (VTL)
Trong quá trình thử nghiệm, trước tiên hãy gắn 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 sẽ cắt vào mẫu đá với một 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 xuyên qua đá, không có hệ thống làm mát nào được sử dụng; toàn bộ nhiệt ma sát sinh ra sẽ truyền vào PDC, đẩy nhanh quá trình graphit hóa của kim cương. Phương pháp thử nghiệm này cho kết quả tuyệt vời khi đánh giá các mũi khoan PDC trong điều kiện yêu cầu áp suất khoan cao hoặc tốc độ quay cao.
Thử nghiệm “VTL ướt” xác định tuổi thọ của PDC trong điều kiện nhiệt độ vừa phải bằng cách làm mát các răng PDC bằng nước hoặc không khí trong quá trình thử nghiệm. Do đó, nguồn mài mòn chính của thử nghiệm này là do quá trình mài mẫu đá chứ không phải do yếu tố nhiệt độ.
B, máy tiện ngang
Thử nghiệm này cũng được thực hiện với đá granit, và nguyên lý thử nghiệm về cơ bản giống như VTL. Thời gian thử nghiệm chỉ vài phút, và sự thay đổi nhiệt giữa đá granit và răng PDC là 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 ở Hoa Kỳ sử dụng không hoàn toàn giống nhau, nhưng họ đều sử dụng cùng một loại vật liệu đá granit cho các thử nghiệm của mình, một loại đá magma đa tinh thể có kích thước từ thô đến trung bình, độ xốp rất thấp và độ bền nén là 190MPa.
C. Dụng cụ đo tỷ lệ mài mòn
Trong các điều kiện đã xác định, lớp kim cương của PDC được sử dụng để mài đá mài silicon carbide, và tỷ lệ giữa tốc độ mài mòn của đá mài và tốc độ mài mòn của PDC được lấy làm 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 việc lắp đặt các răng PDC ở góc 15-25 độ, sau đó thả một vật từ độ cao nhất định xuống để tác động thẳng đứng vào lớp kim cương trên các răng PDC. Trọng lượng và độ cao của vật rơi cho biết mức năng lượng va đập mà răng thử nghiệm phải chịu, mức năng lượng này có thể tăng dần lên đến 100 joule. Mỗi răng có thể được thử nghiệm va đập 3-7 lần cho đến khi không thể thử nghiệm 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 sự khác nhau, nên kết quả thử nghiệm ở mỗi mức năng lượng là diện tích trung bình của lớp kim cương bị bong tróc sau va đập đối với 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 chúng. Khi thực hiện thử nghiệm 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“
Thời gian đăng bài: 21/03/2025
