การสึกหรอจากความร้อนและการกำจัดโคบอลต์ของ PDC

I. การสึกหรอจากความร้อนและการกำจัดโคบอลต์ของ PDC

ในกระบวนการเผาผนึกด้วยแรงดันสูงของ PDC โคบอลต์ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อส่งเสริมการรวมตัวกันโดยตรงของเพชรและเพชร ทำให้ชั้นเพชรและเมทริกซ์ทังสเตนคาร์ไบด์กลายเป็นเนื้อเดียวกัน ส่งผลให้ฟันตัด PDC เหมาะสำหรับการเจาะทางธรณีวิทยาในแหล่งน้ำมัน มีความเหนียวสูงและทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม

ความทนทานต่อความร้อนของเพชรค่อนข้างจำกัด ภายใต้ความดันบรรยากาศ พื้นผิวของเพชรสามารถเปลี่ยนแปลงได้ที่อุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียสหรือสูงกว่านั้น ในระหว่างการใช้งาน เพชรแบบดั้งเดิมมักจะเสื่อมสภาพที่ประมาณ 750 องศาเซลเซียส เมื่อเจาะผ่านชั้นหินแข็งและมีฤทธิ์กัดกร่อน เพชรสามารถมีอุณหภูมิสูงถึงระดับนี้ได้ง่ายเนื่องจากความร้อนจากการเสียดสี และอุณหภูมิ ณ ขณะนั้น (เช่น อุณหภูมิเฉพาะจุดในระดับจุลภาค) อาจสูงกว่านั้นมาก เกินจุดหลอมเหลวของโคบอลต์ (1495 องศาเซลเซียส)

เมื่อเปรียบเทียบกับเพชรบริสุทธิ์ เนื่องจากมีโคบอลต์เป็นส่วนประกอบ เพชรจะเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ส่งผลให้การสึกหรอของเพชรเกิดจากการเปลี่ยนสภาพเป็นกราไฟต์อันเนื่องมาจากความร้อนจากการเสียดสีเฉพาะจุด นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของโคบอลต์ยังสูงกว่าของเพชรมาก ดังนั้นในระหว่างการให้ความร้อน พันธะระหว่างเม็ดเพชรอาจถูกทำลายได้เนื่องจากการขยายตัวของโคบอลต์

ในปี 1983 นักวิจัยสองคนได้ทำการปรับปรุงพื้นผิวของชั้นเพชร PDC มาตรฐานโดยการกำจัดเพชรออก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของฟันเจาะ PDC อย่างมาก อย่างไรก็ตาม สิ่งประดิษฐ์นี้ไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควร จนกระทั่งหลังปี 2000 เมื่อผู้ผลิตดอกสว่านมีความเข้าใจเกี่ยวกับชั้นเพชร PDC มากขึ้น จึงเริ่มนำเทคโนโลยีนี้มาประยุกต์ใช้กับฟันเจาะ PDC ที่ใช้ในการเจาะหิน ฟันเจาะที่ได้รับการปรับปรุงด้วยวิธีนี้เหมาะสำหรับชั้นหินที่มีการเสียดสีสูงและมีการสึกหรอทางความร้อนเชิงกลอย่างมาก และมักเรียกกันว่าฟันเจาะ "ที่กำจัดโคบอลต์ออก"

กระบวนการที่เรียกว่า “การกำจัดโคบอลต์” นั้นทำขึ้นตามวิธีการดั้งเดิมในการผลิต PDC จากนั้นจึงนำพื้นผิวของชั้นเพชรไปแช่ในกรดเข้มข้นเพื่อกำจัดเฟสโคบอลต์ออกไปโดยกระบวนการกัดกรด ความลึกของการกำจัดโคบอลต์สามารถทำได้ประมาณ 200 ไมครอน

ได้ทำการทดสอบการสึกหรออย่างหนักกับฟัน PDC สองซี่ที่เหมือนกัน (ซี่หนึ่งได้รับการบำบัดกำจัดโคบอลต์ออกจากผิวชั้นเพชร) หลังจากตัดหินแกรนิตไป 5,000 เมตร พบว่าอัตราการสึกหรอของฟัน PDC ที่ไม่ได้กำจัดโคบอลต์เริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในทางตรงกันข้าม ฟัน PDC ที่กำจัดโคบอลต์แล้วยังคงรักษาความเร็วในการตัดที่ค่อนข้างคงที่ขณะตัดหินประมาณ 15,000 เมตร

2. วิธีการตรวจจับ PDC

มีวิธีการตรวจหาฟันผุสองประเภท ได้แก่ การทดสอบแบบทำลาย และการทดสอบแบบไม่ทำลาย

1. การทดสอบแบบทำลายล้าง

การทดสอบเหล่านี้มีจุดประสงค์เพื่อจำลองสภาวะใต้ดินให้สมจริงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อประเมินประสิทธิภาพของฟันตัดภายใต้สภาวะดังกล่าว การทดสอบแบบทำลายล้างหลักๆ มีสองรูปแบบ ได้แก่ การทดสอบความต้านทานการสึกหรอและการทดสอบความต้านทานแรงกระแทก

(1) การทดสอบความต้านทานการสึกหรอ

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบความต้านทานการสึกหรอของ PDC มี 3 ประเภท ได้แก่:

ก. เครื่องกลึงแนวตั้ง (VTL)

ระหว่างการทดสอบ ขั้นแรกให้ยึดดอกสว่าน PDC เข้ากับเครื่องกลึง VTL และวางตัวอย่างหิน (โดยปกติคือหินแกรนิต) ไว้ข้างๆ ดอกสว่าน PDC จากนั้นหมุนตัวอย่างหินรอบแกนเครื่องกลึงด้วยความเร็วที่กำหนด ดอกสว่าน PDC จะตัดเข้าไปในตัวอย่างหินด้วยความลึกที่เฉพาะเจาะจง เมื่อใช้หินแกรนิตในการทดสอบ ความลึกในการตัดนี้โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1 มม. การทดสอบนี้สามารถทำได้ทั้งแบบแห้งหรือแบบเปียก ใน “การทดสอบ VTL แบบแห้ง” เมื่อดอกสว่าน PDC ตัดผ่านหิน จะไม่มีการระบายความร้อน ความร้อนจากการเสียดสีทั้งหมดที่เกิดขึ้นจะเข้าสู่ PDC ทำให้กระบวนการกราไฟต์ของเพชรเร็วขึ้น วิธีการทดสอบนี้ให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมเมื่อประเมินดอกสว่าน PDC ภายใต้สภาวะที่ต้องการแรงดันการเจาะสูงหรือความเร็วในการหมุนสูง

การทดสอบ “VTL แบบเปียก” ตรวจสอบอายุการใช้งานของ PDC ภายใต้สภาวะความร้อนปานกลางโดยการระบายความร้อนฟันของ PDC ด้วยน้ำหรืออากาศระหว่างการทดสอบ ดังนั้น แหล่งที่มาหลักของการสึกหรอในการทดสอบนี้คือการเจียรตัวอย่างหินมากกว่าปัจจัยด้านความร้อน

B, เครื่องกลึงแนวนอน

การทดสอบนี้ดำเนินการกับหินแกรนิตเช่นกัน และหลักการทดสอบโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับ VTL ระยะเวลาการทดสอบเพียงไม่กี่นาที และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันระหว่างหินแกรนิตกับฟัน PDC นั้นมีจำกัดมาก

พารามิเตอร์การทดสอบหินแกรนิตที่ผู้ผลิตอุปกรณ์ PDC ใช้จะแตกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น พารามิเตอร์การทดสอบที่ใช้โดย Synthetic Corporation และ DI Company ในสหรัฐอเมริกาอาจไม่เหมือนกันทุกประการ แต่ทั้งสองบริษัทใช้หินแกรนิตชนิดเดียวกันในการทดสอบ ซึ่งเป็นหินอัคนีชนิดผลึกหลายเหลี่ยมขนาดหยาบถึงปานกลาง มีรูพรุนน้อยมาก และมีความแข็งแรงรับแรงอัด 190 MPa

ค. เครื่องมือวัดอัตราส่วนการสึกหรอ

ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ชั้นเพชรของ PDC จะถูกนำมาใช้ในการปรับแต่งล้อเจียรซิลิคอนคาร์ไบด์ และอัตราส่วนของอัตราการสึกหรอของล้อเจียรและอัตราการสึกหรอของ PDC จะถูกนำมาใช้เป็นดัชนีการสึกหรอของ PDC ซึ่งเรียกว่าอัตราส่วนการสึกหรอ

(2) การทดสอบความต้านทานแรงกระแทก

วิธีการทดสอบแรงกระแทกเกี่ยวข้องกับการติดตั้งฟัน PDC ในมุม 15-25 องศา จากนั้นปล่อยวัตถุจากความสูงที่กำหนดลงมาชนชั้นเพชรบนฟัน PDC ในแนวตั้ง น้ำหนักและความสูงของวัตถุที่ตกลงมาบ่งบอกถึงระดับพลังงานแรงกระแทกที่ฟันทดสอบได้รับ ซึ่งสามารถเพิ่มขึ้นได้เรื่อยๆ จนถึง 100 จูล ฟันแต่ละซี่สามารถรับแรงกระแทกได้ 3-7 ครั้ง จนกว่าจะไม่สามารถทดสอบต่อไปได้อีก โดยทั่วไปแล้ว จะทดสอบฟันแต่ละประเภทอย่างน้อย 10 ตัวอย่างในแต่ละระดับพลังงาน เนื่องจากฟันแต่ละซี่มีความต้านทานต่อแรงกระแทกแตกต่างกัน ผลการทดสอบในแต่ละระดับพลังงานจึงเป็นค่าเฉลี่ยของพื้นที่ที่เพชรหลุดลอกหลังจากได้รับแรงกระแทกสำหรับฟันแต่ละซี่

2. การทดสอบแบบไม่ทำลาย

เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด (นอกเหนือจากการตรวจสอบด้วยสายตาและกล้องจุลทรรศน์) คือ การสแกนด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (Cscan)

เทคโนโลยีการสแกน C สามารถตรวจจับข้อบกพร่องขนาดเล็กและระบุตำแหน่งและขนาดของข้อบกพร่องได้ เมื่อทำการทดสอบนี้ ให้วางฟัน PDC ลงในถังน้ำก่อน จากนั้นจึงสแกนด้วยหัววัดอัลตราโซนิก

บทความนี้พิมพ์ซ้ำจาก “เครือข่ายงานโลหะระหว่างประเทศ-