Desgaste térmico e remoção de cobalto do PDC

I. Desgaste térmico e remoção de cobalto do PDC

No processo de sinterização de alta pressão do PDC, o cobalto atua como catalisador para promover a combinação direta do diamante com a matriz de carboneto de tungstênio, tornando-a uma única peça. Isso resulta em dentes de corte de PDC adequados para perfuração geológica em campos petrolíferos, apresentando alta tenacidade e excelente resistência ao desgaste.

A resistência térmica dos diamantes é bastante limitada. Sob pressão atmosférica, a superfície do diamante pode sofrer transformações a temperaturas em torno de 900 °C ou superiores. Durante o uso, os diamantes de ponta plana (PDCs) tradicionais tendem a se degradar a cerca de 750 °C. Ao perfurar camadas de rocha duras e abrasivas, os PDCs podem facilmente atingir essa temperatura devido ao calor gerado pelo atrito, e a temperatura instantânea (ou seja, a temperatura localizada em nível microscópico) pode ser ainda maior, ultrapassando em muito o ponto de fusão do cobalto (1495 °C).

Em comparação com o diamante puro, devido à presença de cobalto, o diamante se converte em grafite em temperaturas mais baixas. Como resultado, o desgaste no diamante é causado pela grafitização resultante do calor friccional localizado. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do cobalto é muito maior que o do diamante, de modo que, durante o aquecimento, a ligação entre os grãos de diamante pode ser rompida pela expansão do cobalto.

Em 1983, dois pesquisadores realizaram um tratamento de remoção de diamante na superfície das camadas de diamante PDC padrão, melhorando significativamente o desempenho dos dentes de PDC. No entanto, essa invenção não recebeu a atenção que merecia. Foi somente após o ano 2000 que, com um conhecimento mais profundo das camadas de diamante PDC, os fornecedores de brocas começaram a aplicar essa tecnologia aos dentes de PDC usados ​​na perfuração de rochas. Os dentes tratados com esse método são adequados para formações altamente abrasivas com desgaste termomecânico significativo e são comumente chamados de dentes "descobaltados".

O chamado "descobalto" é produzido da maneira tradicional para fabricar PDC, e então a superfície de sua camada de diamante é imersa em ácido forte para remover a fase de cobalto através do processo de ataque ácido. A profundidade de remoção do cobalto pode atingir cerca de 200 micrômetros.

Um teste de desgaste severo foi realizado em dois dentes de diamante perfurado idênticos (um dos quais havia passado por um tratamento de remoção de cobalto na superfície da camada de diamante). Após o corte de 5000 m de granito, constatou-se que a taxa de desgaste do diamante perfurado sem remoção de cobalto começou a aumentar acentuadamente. Em contraste, o diamante perfurado com remoção de cobalto manteve uma velocidade de corte relativamente estável durante o corte de aproximadamente 15000 m de rocha.

2. Método de detecção de PDC

Existem dois tipos de métodos para detectar dentes com periodontite crônica: testes destrutivos e testes não destrutivos.

1. Testes destrutivos

Esses testes têm como objetivo simular as condições de fundo de poço da forma mais realista possível, para avaliar o desempenho dos dentes de corte nessas condições. As duas principais formas de testes destrutivos são os testes de resistência ao desgaste e os testes de resistência ao impacto.

(1) Teste de resistência ao desgaste

Três tipos de equipamentos são usados ​​para realizar testes de resistência ao desgaste por PDC:

A. Torno vertical (VTL)

Durante o teste, primeiro fixe a broca PDC ao torno VTL e coloque uma amostra de rocha (geralmente granito) ao lado da broca. Em seguida, gire a amostra de rocha em torno do eixo do torno a uma determinada velocidade. A broca PDC corta a amostra de rocha a uma profundidade específica. Ao usar granito para o teste, essa profundidade de corte é geralmente inferior a 1 mm. Este teste pode ser realizado a seco ou com fluido refrigerante. No teste VTL a seco, quando a broca PDC corta a rocha, nenhum resfriamento é aplicado; todo o calor gerado pelo atrito entra no diamante PDC, acelerando o processo de grafitização. Este método de teste produz excelentes resultados na avaliação de brocas PDC em condições que exigem alta pressão de perfuração ou alta velocidade de rotação.

O “teste VTL úmido” detecta a vida útil do PDC sob condições de aquecimento moderado, resfriando os dentes do PDC com água ou ar durante o teste. Portanto, a principal fonte de desgaste neste teste é a abrasão da amostra de rocha, e não o fator de aquecimento.

B, torno horizontal

Este teste também é realizado com granito, e o princípio do teste é basicamente o mesmo que o do VTL. O tempo de teste é de apenas alguns minutos, e o choque térmico entre o granito e os dentes de PDC é muito limitado.

Os parâmetros de teste de granito usados ​​pelos fornecedores de engrenagens PDC variam. Por exemplo, os parâmetros de teste usados ​​pela Synthetic Corporation e pela DI Company nos Estados Unidos não são exatamente os mesmos, mas elas usam o mesmo material de granito para seus testes: uma rocha ígnea policristalina de granulometria grossa a média, com porosidade muito baixa e resistência à compressão de 190 MPa.

C. Instrumento de medição da taxa de abrasão

Sob as condições especificadas, a camada de diamante do PDC é usada para aparar a rebolo de carboneto de silício, e a razão entre a taxa de desgaste da rebolo e a taxa de desgaste do PDC é considerada o índice de desgaste do PDC, denominado taxa de desgaste.

(2) Teste de resistência ao impacto

O método de teste de impacto envolve a instalação de dentes de diamante policristalino (PDC) em um ângulo de 15 a 25 graus e, em seguida, a queda de um objeto de uma determinada altura para atingir verticalmente a camada de diamante presente nos dentes. O peso e a altura da queda do objeto indicam o nível de energia de impacto recebido pelo dente testado, que pode aumentar gradualmente até 100 joules. Cada dente pode ser impactado de 3 a 7 vezes até que não possa mais ser testado. Geralmente, pelo menos 10 amostras de cada tipo de dente são testadas em cada nível de energia. Como existe uma variação na resistência dos dentes ao impacto, os resultados dos testes em cada nível de energia representam a área média de lascamento do diamante após o impacto para cada dente.

2. Ensaios não destrutivos

A técnica de ensaio não destrutivo mais utilizada (além da inspeção visual e microscópica) é a varredura ultrassônica (Cscan).

A tecnologia de escaneamento C pode detectar pequenos defeitos e determinar a localização e o tamanho dos mesmos. Ao realizar este teste, primeiro coloque o dente PDC em um tanque de água e, em seguida, faça o escaneamento com uma sonda ultrassônica;

Este artigo foi reimpresso de “Rede Internacional de Metalurgia“