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 diamant, et faire en sorte que la couche de diamant et la matrice de carbure de tungstène deviennent un tout, ce qui donne des dents de coupe PDC adaptées au forage géologique des champs pétrolifères avec une ténacité élevée et une excellente résistance à l'usure,

La résistance à la chaleur des diamants est assez limitée. Sous pression atmosphérique, leur surface peut se transformer à des températures avoisinant 900 °C ou plus. En utilisation, les PDC traditionnels ont tendance à se dégrader vers 750 °C. Lors du perçage de couches rocheuses dures et abrasives, les PDC peuvent facilement atteindre cette température sous l'effet de la chaleur de frottement. La température instantanée (c'est-à-dire la température localisée à l'échelle microscopique) peut même être plus élevée, dépassant largement le point de fusion du cobalt (1 495 °C).

Comparé au diamant pur, en raison de la présence de cobalt, le diamant se transforme en graphite à basse température. 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 liaison entre les grains de diamant peut être perturbée lors du chauffage par la dilatation du cobalt.

En 1983, deux chercheurs ont réalisé un traitement d'élimination du diamant sur la surface de couches de diamant PDC standard, améliorant ainsi 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 fournisseurs de forets ont commencé à appliquer cette technologie aux dents PDC utilisées pour le forage de roches. Les dents traitées selon cette méthode sont adaptées aux formations hautement abrasives présentant une usure thermomécanique importante et sont communément appelées dents « décobaltées ».

Le « décobalt » est fabriqué selon la méthode traditionnelle de fabrication du PDC. La surface de sa couche de diamant est ensuite immergée dans un acide fort pour éliminer la phase cobalt par gravure acide. La profondeur d'élimination du cobalt peut atteindre environ 200 microns.

Un essai d'usure intensif a été réalisé sur deux dents PDC identiques (dont l'une avait subi un traitement de décobaltisation de la surface de la couche diamantée). Après avoir coupé 5 000 m de granit, on a constaté que la vitesse d'usure de la PDC non décobaltée a fortement augmenté. En revanche, la PDC décobaltée a conservé une vitesse de coupe relativement stable lors de la coupe d'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 les conditions de fond de trou de la manière la plus réaliste possible afin d'évaluer les performances des dents de coupe dans ces conditions. Les deux principales formes d'essais destructifs sont les essais de résistance à l'usure et les essais de résistance aux chocs.

(1) Test 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 de l'essai, fixez d'abord le trépan PDC sur le tour VTL et placez un échantillon de roche (généralement du granit) à côté du trépan. Faites ensuite tourner l'échantillon autour de l'axe du tour à une vitesse donnée. Le trépan PDC pénètre dans l'échantillon à une profondeur spécifique. Dans le cas du granit, cette profondeur de coupe est généralement inférieure à 1 mm. Cet essai peut être réalisé à sec ou en milieu humide. Lors d'un essai VTL à sec, lorsque le trépan PDC traverse la roche, aucun refroidissement n'est appliqué ; toute la chaleur de frottement générée pénètre dans le PDC, accélérant ainsi le processus de graphitisation du diamant. Cette méthode d'essai donne d'excellents résultats lors de l'évaluation des trépans PDC dans des conditions exigeant une pression de forage ou une vitesse de rotation élevée.

L'essai VTL humide permet de mesurer la durée de vie des dents PDC dans des conditions de chauffage modéré en refroidissant les dents PDC à l'eau ou à l'air pendant l'essai. Par conséquent, la principale source d'usure de cet essai est le broyage de l'échantillon de roche plutôt que le facteur de chauffage.

B, tour horizontal

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

Les paramètres d'essai du granit utilisés par les fournisseurs d'engrenages PDC varient. Par exemple, ceux utilisés par Synthetic Corporation et DI Company aux États-Unis ne sont pas exactement identiques, mais ils utilisent le même granit pour leurs essais : une roche ignée polycristalline de granulométrie grossière à moyenne, présentant une très faible porosité et une résistance à la compression de 190 MPa.

C. Instrument de mesure du taux d'abrasion

Dans les conditions spécifiées, la couche de diamant du PDC est utilisée pour tailler 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 des dents PDC à un angle de 15 à 25 degrés, puis à laisser tomber un objet d'une certaine hauteur pour percuter verticalement la couche de diamant recouvrant les dents PDC. Le poids et la hauteur de l'objet tombant indiquent le niveau d'énergie d'impact subi par la dent d'essai, qui peut augmenter progressivement jusqu'à 100 joules. Chaque dent peut être impactée de 3 à 7 fois avant de pouvoir être testée plus avant. Généralement, au moins 10 échantillons de chaque type de dent sont testés à chaque niveau d'énergie. La résistance des dents aux impacts 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 par ultrasons (Cscan).

La technologie de balayage C permet de détecter les petits défauts et d'en déterminer l'emplacement et la taille. Pour ce test, placez d'abord la dent PDC dans un réservoir d'eau, puis scannez-la avec une sonde à ultrasons ;

Cet article est reproduit à partir de «Réseau international de la métallurgie«