Usure thermique et élimination du cobalt du PDC

I. Usure thermique et élimination du cobalt du PDC

Dans le processus de frittage à haute pression du PDC, le cobalt agit comme catalyseur pour favoriser la combinaison directe du diamant et du carbure de tungstène, et pour que la couche de diamant et la matrice de carbure de tungstène ne fassent qu'un, ce qui donne des dents de coupe en PDC adaptées au forage géologique des champs pétrolifères avec une ténacité élevée et une excellente résistance à l'usure.

La résistance thermique du diamant est assez limitée. Sous pression atmosphérique, sa surface peut se dégrader à des températures avoisinant les 900 °C, voire plus. En utilisation, les diamants diamantés traditionnels ont tendance à se dégrader aux alentours de 750 °C. Lors du forage de couches rocheuses dures et abrasives, ces diamants peuvent facilement atteindre cette température en raison de la chaleur de friction, et la température instantanée (c'est-à-dire la température localisée à l'échelle microscopique) peut être encore plus élevée, dépassant largement le point de fusion du cobalt (1 495 °C).

Comparé au diamant pur, le diamant, en raison de la présence de cobalt, se transforme en graphite à des températures plus basses. Par conséquent, l'usure du diamant est due à la graphitisation résultant de la chaleur de frottement localisée. De plus, le coefficient de dilatation thermique du cobalt étant bien supérieur à celui du diamant, la dilatation du cobalt peut perturber la liaison entre les grains de diamant lors du chauffage.

En 1983, deux chercheurs ont réalisé un traitement de décobalage de la surface des couches de diamant PDC standard, améliorant considérablement les performances des dents PDC. Cependant, cette invention n'a pas reçu l'attention qu'elle méritait. Ce n'est qu'après 2000, grâce à une meilleure compréhension des couches de diamant PDC, que les fabricants de forets ont commencé à appliquer cette technologie aux dents PDC utilisées pour le forage de roches. Les dents traitées par cette méthode conviennent aux formations très abrasives présentant une usure thermomécanique importante et sont communément appelées dents « décorbées ».

Le procédé dit « décabolisé » consiste à fabriquer le PDC de manière traditionnelle, puis à immerger la surface de sa couche de diamant dans un acide fort afin d'éliminer la phase cobalt par un procédé de gravure acide. La profondeur d'élimination du cobalt peut atteindre environ 200 microns.

Un test d'usure intensif a été réalisé sur deux dents de scie diamantées identiques (dont l'une avait subi un traitement de décapage du cobalt en surface). Après la coupe de 5 000 m de granit, le taux d'usure de la dent non décapée a fortement augmenté. En revanche, la dent décapée a conservé une vitesse de coupe relativement stable sur environ 15 000 m de roche.

2. Méthode de détection du PDC

Il existe deux types de méthodes pour détecter les dents PDC, à savoir les tests destructifs et les tests non destructifs.

1. Essais destructifs

Ces essais visent à simuler au mieux les conditions de fond de puits afin d'évaluer les performances des dents de coupe dans ces conditions. Les deux principaux types d'essais destructifs sont les essais de résistance à l'usure et les essais de résistance aux chocs.

(1) Essai de résistance à l'usure

Trois types d'équipements sont utilisés pour réaliser les tests de résistance à l'usure PDC :

A. Tour vertical (VTL)

Lors du test, fixez d'abord le trépan PDC sur le tour vertical et placez un échantillon de roche (généralement du granit) à proximité. Faites ensuite tourner l'échantillon autour de l'axe du tour à une vitesse déterminée. Le trépan PDC pénètre dans l'échantillon à une profondeur précise. Avec du granit, cette profondeur est généralement inférieure à 1 mm. Ce test peut être réalisé à sec ou avec refroidissement. Lors d'un test à sec, aucun refroidissement n'est appliqué pendant la coupe ; la chaleur de friction générée est absorbée par le diamant, accélérant ainsi sa graphitisation. Cette méthode de test donne d'excellents résultats pour évaluer les trépans PDC dans des conditions exigeant une pression de forage ou une vitesse de rotation élevées.

Le test « VTL humide » évalue la durée de vie des dents de coupe PDC sous des conditions de chauffage modérées en refroidissant ces dents à l’eau ou à l’air pendant le test. Ainsi, la principale source d’usure lors de ce test est le broyage de l’échantillon de roche plutôt que le facteur thermique.

B, tour horizontal

Ce test est également réalisé avec du granit, et son principe est fondamentalement le même que celui du test VTL. La durée du test n'est que de quelques minutes, et le choc thermique entre le granit et les dents PDC est très limité.

Les paramètres de test du granit utilisés par les fournisseurs d'engrenages PDC varient. Par exemple, les paramètres utilisés par Synthetic Corporation et DI Company aux États-Unis ne sont pas exactement les mêmes, bien qu'elles utilisent le même matériau : une roche ignée polycristalline de granulométrie grossière à moyenne, très peu poreuse et présentant une résistance à la compression de 190 MPa.

C. Instrument de mesure du rapport d'abrasion

Dans les conditions spécifiées, la couche de diamant du PDC est utilisée pour rectifier la meule en carbure de silicium, et le rapport entre le taux d'usure de la meule et le taux d'usure du PDC est considéré comme l'indice d'usure du PDC, appelé taux d'usure.

(2) Essai de résistance aux chocs

La méthode d'essai d'impact consiste à installer les dents PDC selon un angle de 15 à 25 degrés, puis à laisser tomber un objet d'une certaine hauteur afin de percuter verticalement la couche de diamant des dents. Le poids et la hauteur de chute de l'objet indiquent le niveau d'énergie d'impact subi par la dent testée, qui peut augmenter progressivement jusqu'à 100 joules. Chaque dent peut être soumise à 3 à 7 impacts avant de devenir inutilisable. Généralement, au moins 10 échantillons de chaque type de dent sont testés à chaque niveau d'énergie. La résistance des dents à l'impact étant variable, les résultats des essais à chaque niveau d'énergie correspondent à la surface moyenne d'écaillage du diamant après impact pour chaque dent.

2. Essais non destructifs

La technique de contrôle non destructif la plus utilisée (autre que l'inspection visuelle et microscopique) est le balayage ultrasonique (Cscan).

La technologie de numérisation C permet de détecter les petits défauts et de déterminer leur emplacement et leur taille. Pour effectuer ce test, placez d'abord la dent PDC dans un réservoir d'eau, puis effectuez une numérisation avec une sonde ultrasonique ;

Cet article est une reproduction de «Réseau international de la métallurgie«