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 um catalisador para promover a combinação direta de diamante e diamante, e fazer com que a camada de diamante e a matriz de carboneto de tungstênio se tornem um todo, resultando em dentes de corte de PDC adequados para perfuração geológica de campos petrolíferos com alta tenacidade e excelente resistência ao desgaste,

A resistência ao calor dos diamantes é bastante limitada. Sob pressão atmosférica, a superfície do diamante pode se transformar a temperaturas em torno de 900°C ou mais. Durante o uso, os PDCs tradicionais tendem a se degradar a cerca de 750°C. Ao perfurar camadas de rocha dura e abrasiva, os PDCs podem facilmente atingir essa temperatura devido ao calor de atrito, e a temperatura instantânea (ou seja, a temperatura localizada em nível microscópico) pode ser ainda mais alta, excedendo em muito o ponto de fusão do cobalto (1495°C).

Comparado ao diamante puro, devido à presença de cobalto, o diamante se converte em grafite em temperaturas mais baixas. Como resultado, o desgaste do diamante é causado pela grafitização resultante do calor de atrito localizado. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do cobalto é muito maior do que o do diamante, portanto, 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 de camadas de diamante PDC padrão, melhorando significativamente o desempenho dos dentes de PDC. No entanto, essa invenção não recebeu a atenção merecida. Somente após 2000, com um conhecimento mais aprofundado das camadas de diamante PDC, os fornecedores de brocas começaram a aplicar essa tecnologia aos dentes de PDC utilizados na perfuração de rochas. Dentes tratados com esse método são adequados para formações altamente abrasivas com desgaste termomecânico significativo e são comumente chamados de dentes "descobalizados".

O chamado "descobalto" é produzido da maneira tradicional para produzir PDC, e então a superfície de sua camada de diamante é imersa em ácido forte para remover a fase de cobalto por meio do processo de corrosão ácida. A profundidade de remoção do cobalto pode atingir cerca de 200 mícrons.

Um teste de desgaste pesado foi realizado em dois dentes de PDC idênticos (um dos quais havia passado por tratamento de remoção de cobalto na superfície da camada de diamante). Após o corte de 5.000 m de granito, constatou-se que a taxa de desgaste do PDC sem remoção de cobalto começou a aumentar acentuadamente. Em contraste, o PDC sem remoção de cobalto manteve uma velocidade de corte relativamente estável ao cortar aproximadamente 15.000 m de rocha.

2. Método de detecção de PDC

Existem dois tipos de métodos para detectar dentes PDC: testes destrutivos e testes não destrutivos.

1. Testes destrutivos

Esses testes visam simular as condições de fundo de poço da forma mais realista possível, a fim de 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 do PDC:

A. Torno vertical (VTL)

Durante o teste, fixe primeiro a broca PDC ao torno VTL e coloque uma amostra de rocha (geralmente granito) próxima à broca PDC. 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 com uma profundidade específica. Ao usar granito para teste, essa profundidade de corte é geralmente inferior a 1 mm. Este teste pode ser realizado a seco ou úmido. No "teste VTL a seco", quando a broca PDC corta a rocha, nenhum resfriamento é aplicado; todo o calor de atrito gerado entra no PDC, acelerando o processo de grafitização do diamante. Este método de teste produz excelentes resultados ao avaliar 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 deste teste é a trituração 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 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 utilizados pelos fornecedores de engrenagens PDC variam. Por exemplo, os parâmetros de teste utilizados pela Synthetic Corporation e pela DI Company nos Estados Unidos não são exatamente os mesmos, mas utilizam o mesmo material de granito para seus testes: uma rocha ígnea policristalina de grau grosso a médio, 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 roda de retificação de carboneto de silício, e a razão entre a taxa de desgaste da roda de retificação e a taxa de desgaste do PDC é considerada o índice de desgaste do PDC, que é chamado de taxa de desgaste.

(2) Teste de resistência ao impacto

O método de teste de impacto envolve a instalação de dentes de PDC em um ângulo de 15 a 25 graus e, em seguida, a queda de um objeto de uma determinada altura para atingir a camada de diamante nos dentes de PDC verticalmente. O peso e a altura do objeto em queda indicam o nível de energia de impacto experimentado pelo dente de teste, 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 há uma variação na resistência dos dentes ao impacto, os resultados do teste em cada nível de energia são a área média de fragmentação do diamante após o impacto para cada dente.

2. Ensaios não destrutivos

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

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

Este artigo foi reimpresso de “Rede Internacional de Metalurgia“