I. Tepelné opotrebenie a odstraňovanie kobaltu z PDC
V procese vysokotlakového spekania PDC pôsobí kobalt ako katalyzátor, ktorý podporuje priame spojenie diamantu a diamantu a vytvára celok medzi diamantovou vrstvou a matricou karbidu volfrámu, čo vedie k rezným zubom PDC vhodným na geologické vŕtanie v ropných poliach s vysokou húževnatosťou a vynikajúcou odolnosťou proti opotrebovaniu.
Tepelná odolnosť diamantov je pomerne obmedzená. Pri atmosférickom tlaku sa povrch diamantu môže transformovať pri teplotách okolo 900 ℃ alebo vyšších. Počas používania majú tradičné PDC tendenciu degradovať pri teplote okolo 750 ℃. Pri vŕtaní cez tvrdé a abrazívne vrstvy hornín môžu PDC ľahko dosiahnuť túto teplotu v dôsledku trecieho tepla a okamžitá teplota (t. j. lokalizovaná teplota na mikroskopickej úrovni) môže byť ešte vyššia a ďaleko presahovať bod topenia kobaltu (1495 °C).
V porovnaní s čistým diamantom sa diamant v dôsledku prítomnosti kobaltu pri nižších teplotách premieňa na grafit. V dôsledku toho je opotrebovanie diamantu spôsobené grafitizáciou v dôsledku lokálneho trecieho tepla. Okrem toho je koeficient tepelnej rozťažnosti kobaltu oveľa vyšší ako u diamantu, takže počas zahrievania môže byť väzba medzi diamantovými zrnami narušená rozťažnosťou kobaltu.
V roku 1983 dvaja výskumníci vykonali úpravu na odstránenie diamantov z povrchu štandardných diamantových vrstiev PDC, čím výrazne zlepšili výkonnosť zubov PDC. Tento vynález však nezískal zaslúženú pozornosť. Až po roku 2000, s hlbším pochopením diamantových vrstiev PDC, začali dodávatelia vrtákov túto technológiu používať na zuby PDC používané pri vŕtaní hornín. Zuby ošetrené touto metódou sú vhodné pre vysoko abrazívne formácie s výrazným tepelno-mechanickým opotrebením a bežne sa označujú ako „dekobaltované“ zuby.
Takzvaný „dekobalt“ sa vyrába tradičným spôsobom ako PDC a potom sa povrch jeho diamantovej vrstvy ponorí do silnej kyseliny, aby sa odstránila kobaltová fáza procesom leptania kyselinou. Hĺbka odstránenia kobaltu môže dosiahnuť približne 200 mikrónov.
Na dvoch identických zuboch PDC (jeden z nich bol ošetrený diamantovou vrstvou na odstránenie kobaltu) sa vykonal test opotrebenia v náročných podmienkach. Po prerezaní 5 000 m žuly sa zistilo, že miera opotrebenia PDC bez odstráneného kobaltu sa začala prudko zvyšovať. Naproti tomu PDC s odstráneným kobaltom si udržal relatívne stabilnú rýchlosť rezania pri rezaní približne 15 000 m horniny.
2. Metóda detekcie PDC
Existujú dva druhy metód na detekciu zubov PDC, a to deštruktívne testovanie a nedeštruktívne testovanie.
1. Deštruktívne testovanie
Tieto testy sú určené na čo najrealistickejšiu simuláciu podmienok vo vrte, aby sa vyhodnotil výkon rezných zubov za takýchto podmienok. Dve hlavné formy deštruktívneho testovania sú testy odolnosti proti opotrebeniu a testy odolnosti proti nárazu.
(1) Skúška odolnosti proti opotrebovaniu
Na vykonávanie testov odolnosti proti opotrebeniu PDC sa používajú tri typy zariadení:
A. Vertikálny sústruh (VTL)
Počas testu sa najskôr pripevní vrták PDC k sústruhu VTL a vedľa vrtáka PDC sa umiestni vzorka horniny (zvyčajne žula). Potom sa vzorka horniny otáča okolo osi sústruhu určitou rýchlosťou. Vrták PDC sa zarezáva do vzorky horniny do určitej hĺbky. Pri testovaní sa žula zvyčajne zarezáva do hĺbky menej ako 1 mm. Tento test môže byť buď suchý, alebo mokrý. Pri „suchom testovaní VTL“, keď vrták PDC prerezáva horninu, sa neaplikuje žiadne chladenie; všetko generované trecie teplo vstupuje do PDC, čím sa urýchľuje proces grafitizácie diamantu. Táto testovacia metóda prináša vynikajúce výsledky pri hodnotení vrtákov PDC za podmienok vyžadujúcich vysoký vŕtací tlak alebo vysokú rýchlosť otáčania.
„Mokrý test VTL“ zisťuje životnosť PDC za miernych podmienok ohrevu ochladzovaním zubov PDC vodou alebo vzduchom počas testovania. Hlavným zdrojom opotrebenia pri tomto teste je preto skôr brúsenie vzorky horniny než faktor ohrevu.
B, horizontálny sústruh
Tento test sa vykonáva aj s žulou a princíp testu je v podstate rovnaký ako pri VTL. Čas testu je len niekoľko minút a tepelný šok medzi žulou a zubami PDC je veľmi obmedzený.
Parametre testov žuly používané dodávateľmi prevodov PDC sa budú líšiť. Napríklad parametre testov používané spoločnosťami Synthetic Corporation a DI Company v Spojených štátoch nie sú úplne rovnaké, ale na testy používajú rovnaký žulový materiál, hrubú až stredne triedenú polykryštalickú vyvretú horninu s veľmi malou pórovitosťou a pevnosťou v tlaku 190 MPa.
C. Prístroj na meranie miery oderu
Za špecifikovaných podmienok sa diamantová vrstva PDC používa na opracovanie brúsneho kotúča z karbidu kremíka a pomer miery opotrebenia brúsneho kotúča a miery opotrebenia PDC sa berie ako index opotrebenia PDC, ktorý sa nazýva miera opotrebenia.
(2) Skúška odolnosti voči nárazu
Metóda nárazového testovania zahŕňa inštaláciu zubov PDC pod uhlom 15 – 25 stupňov a následné pustenie predmetu z určitej výšky, aby vertikálne narazil na diamantovú vrstvu na zuboch PDC. Hmotnosť a výška padajúceho predmetu udávajú úroveň nárazovej energie, ktorú testovaný zub zažíva a ktorá sa môže postupne zvyšovať až na 100 joulov. Každý zub môže byť vystavený nárazu 3 – 7-krát, kým sa už nedá ďalej testovať. Vo všeobecnosti sa na každej energetickej úrovni testuje najmenej 10 vzoriek každého typu zuba. Keďže existuje rozsah odolnosti zubov voči nárazu, výsledky testov na každej energetickej úrovni predstavujú priemernú plochu odlupovania diamantu po náraze pre každý zub.
2. Nedeštruktívne testovanie
Najpoužívanejšou technikou nedeštruktívneho testovania (okrem vizuálnej a mikroskopickej kontroly) je ultrazvukové skenovanie (Cscan).
Technológia C-skenovania dokáže odhaliť malé chyby a určiť ich umiestnenie a veľkosť. Pri tomto teste najskôr umiestnite zub PDC do vodnej nádrže a potom ho naskenujte ultrazvukovou sondou;
Tento článok je prevzatý z „Medzinárodná sieť pre spracovanie kovov„
Čas uverejnenia: 21. marca 2025
