בלאי תרמי והסרת קובלט של PDC

א. שחיקה תרמית והסרת קובלט של PDC

בתהליך הסינטר בלחץ גבוה של PDC, קובלט משמש כזרז לקידום השילוב הישיר של יהלום ויהלום, והופך את שכבת היהלום ומטריצת טונגסטן קרביד לשלם, וכתוצאה מכך שיני חיתוך PDC מתאימות לקידוח גיאולוגי בשדות נפט עם קשיחות גבוהה ועמידות מעולה בפני שחיקה.

עמידות החום של יהלומים מוגבלת למדי. תחת לחץ אטמוספרי, פני השטח של היהלום יכולים להשתנות בטמפרטורות של כ-900 מעלות צלזיוס ומעלה. במהלך השימוש, שכבות PDC מסורתיות נוטות להתפרק בכ-750 מעלות צלזיוס. בעת קידוח דרך שכבות סלע קשות ושוחקות, שכבות PDC יכולות להגיע בקלות לטמפרטורה זו עקב חום חיכוך, והטמפרטורה הרגעית (כלומר, טמפרטורה מקומית ברמה המיקרוסקופית) יכולה להיות גבוהה אף יותר, ולעלות בהרבה על נקודת ההיתוך של קובלט (1495 מעלות צלזיוס).

בהשוואה ליהלום טהור, בשל נוכחותו של קובלט, יהלום הופך לגרפיט בטמפרטורות נמוכות יותר. כתוצאה מכך, בלאי של היהלום נגרם עקב גרפיטיזציה הנובעת מחום חיכוך מקומי. בנוסף, מקדם ההתפשטות התרמית של קובלט גבוה בהרבה מזה של יהלום, כך שבמהלך החימום, הקשר בין גרגירי היהלום עלול להיפגע עקב התפשטות הקובלט.

בשנת 1983, שני חוקרים ביצעו טיפול להסרת יהלומים על פני השטח של שכבות יהלום PDC סטנדרטיות, מה ששיפור משמעותי של ביצועי שיני PDC. עם זאת, המצאה זו לא זכתה לתשומת הלב הראויה לה. רק לאחר שנת 2000, עם הבנה מעמיקה יותר של שכבות יהלום PDC, החלו ספקי מקדחים ליישם טכנולוגיה זו על שיני PDC המשמשות בקידוחי סלעים. שיניים שטופלו בשיטה זו מתאימות לתצורות שוחקות מאוד עם שחיקה תרמית מכנית משמעותית ומכונות בדרך כלל שיניים "נטול קובלט".

מה שנקרא "דה-קובלט" מיוצר בדרך המסורתית לייצור PDC, ולאחר מכן פני השטח של שכבת היהלום שלו טובלים בחומצה חזקה כדי להסיר את פאזת הקובלט באמצעות תהליך איכול חומצי. עומק הסרת הקובלט יכול להגיע לכ-200 מיקרון.

בדיקת שחיקה בעומס רב נערך על שתי שיני PDC זהות (אחת מהן עברה טיפול להסרת קובלט על פני שכבת היהלום). לאחר חיתוך 5000 מטר של גרניט, נמצא כי קצב הבלאי של ה-PDC ללא הסרת קובלט החל לעלות בחדות. לעומת זאת, ה-PDC ללא קובלט שמר על מהירות חיתוך יציבה יחסית תוך חיתוך של כ-15000 מטר של סלע.

2. שיטת גילוי של PDC

ישנן שתי שיטות לאיתור שיניים מסוג PDC, בדיקה הרסנית ובדיקה לא הרסנית.

1. בדיקות הרסניות

בדיקות אלו נועדו לדמות תנאי קידוח בצורה מציאותית ככל האפשר כדי להעריך את ביצועי שיני החיתוך בתנאים כאלה. שתי הצורות העיקריות של בדיקות הרסניות הן בדיקות עמידות בפני שחיקה ובדיקות עמידות בפני פגיעות.

(1) בדיקת עמידות בפני שחיקה

שלושה סוגי ציוד משמשים לביצוע בדיקות עמידות בפני שחיקה של PDC:

א. מחרטה אנכית (VTL)

במהלך הבדיקה, ראשית יש לחבר את חרט ה-PDC למחרטת ה-VTL ולהניח דגימת סלע (בדרך כלל גרניט) ליד חרט ה-PDC. לאחר מכן יש לסובב את דגימת הסלע סביב ציר המחרטה במהירות מסוימת. חרט ה-PDC חותך את דגימת הסלע בעומק מסוים. בעת שימוש בגרניט לבדיקה, עומק חיתוך זה בדרך כלל פחות מ-1 מ"מ. בדיקה זו יכולה להיות יבשה או רטובה. ב"בדיקת VTL יבשה", כאשר חרט ה-PDC חותך את הסלע, לא מתבצע קירור; כל חום החיכוך שנוצר נכנס ל-PDC, ומאיץ את תהליך הגרפיטיזציה של היהלום. שיטת בדיקה זו מניבה תוצאות מצוינות בעת הערכת חרטי PDC בתנאים הדורשים לחץ קידוח גבוה או מהירות סיבוב גבוהה.

"מבחן VTL רטוב" מזהה את אורך חיי ה-PDC בתנאי חימום מתונים על ידי קירור שיני ה-PDC במים או באוויר במהלך הבדיקה. לכן, מקור הבלאי העיקרי בבדיקה זו הוא שחיקת דגימת הסלע ולא גורם החימום.

ב', מחרטה אופקית

בדיקה זו מתבצעת גם עם גרניט, ועיקרון הבדיקה זהה בעיקרו לזה של VTL. זמן הבדיקה הוא דקות ספורות בלבד, וההלם התרמי בין הגרניט לשיני PDC מוגבל מאוד.

פרמטרי הבדיקה של גרניט בהם משתמשים ספקי ציוד PDC ישתנו. לדוגמה, פרמטרי הבדיקה בהם משתמשים Synthetic Corporation ו-DI Company בארצות הברית אינם זהים לחלוטין, אך הם משתמשים באותו חומר גרניט לבדיקות שלהם, סלע מגמטי רב-גבישי בדרגה גסה עד בינונית עם נקבוביות נמוכה מאוד וחוזק דחיסה של 190MPa.

ג. מכשיר למדידת יחס שחיקה

בתנאים שצוינו, שכבת היהלום של PDC משמשת לחיתוך גלגל השחזה של סיליקון קרביד, והיחס בין קצב הבלאי של גלגל השחזה לקצב הבלאי של PDC נלקח כמדד הבלאי של PDC, הנקרא יחס בלאי.

(2) בדיקת עמידות בפני פגיעות

שיטת בדיקת הפגיעה כוללת התקנת שיני PDC בזווית של 15-25 מעלות ולאחר מכן הפלת חפץ מגובה מסוים כדי לפגוע בשכבת היהלום על שיני ה-PDC אנכית. משקלו וגובהו של החפץ הנופל מצביעים על רמת אנרגיית הפגיעה שחוותה השן הנבדקת, שיכולה לעלות בהדרגה עד 100 ג'אול. כל שן יכולה להיפגע 3-7 פעמים עד שלא ניתן להמשיך בבדיקה. באופן כללי, נבדקות לפחות 10 דגימות מכל סוג שן בכל רמת אנרגיה. מכיוון שיש טווח בהתנגדות השיניים לפגיעה, תוצאות הבדיקה בכל רמת אנרגיה הן השטח הממוצע של התקלפות היהלום לאחר הפגיעה עבור כל שן.

2. בדיקות לא הרסניות

טכניקת הבדיקה הלא-הרסנית הנפוצה ביותר (מלבד בדיקה חזותית ומיקרוסקופית) היא סריקה אולטרסאונד (Cscan).

טכנולוגיית סריקת C יכולה לזהות פגמים קטנים ולקבוע את מיקום הפגמים וגודלם. בעת ביצוע בדיקה זו, ראשית יש להניח את שן ה-PDC במיכל מים, ולאחר מכן לסרוק באמצעות גשש אולטרסאונד;

מאמר זה נדפס מחדש מתוך "רשת עיבוד מתכת בינלאומית"