I. Desgaste térmico y eliminación de cobalto del PDC
En el proceso de sinterización a alta presión de PDC, el cobalto actúa como catalizador para promover la combinación directa de diamante y diamante, y hacer que la capa de diamante y la matriz de carburo de tungsteno se conviertan en un todo, lo que da como resultado dientes de corte de PDC adecuados para la perforación geológica de yacimientos petrolíferos con alta tenacidad y excelente resistencia al desgaste.
La resistencia térmica de los diamantes es bastante limitada. Bajo presión atmosférica, la superficie del diamante puede transformarse a temperaturas de alrededor de 900 °C o superiores. Durante su uso, los PDC tradicionales tienden a degradarse a unos 750 °C. Al perforar capas de roca dura y abrasiva, los PDC pueden alcanzar fácilmente esta temperatura debido al calor por fricción, y la temperatura instantánea (es decir, la temperatura localizada a nivel microscópico) puede ser incluso mayor, superando con creces el punto de fusión del cobalto (1495 °C).
En comparación con el diamante puro, debido a la presencia de cobalto, el diamante se convierte en grafito a temperaturas más bajas. Como resultado, el desgaste del diamante se debe a la grafitización resultante del calor por fricción localizada. Además, el coeficiente de expansión térmica del cobalto es mucho mayor que el del diamante, por lo que, durante el calentamiento, la unión entre los granos de diamante puede verse alterada por la expansión del cobalto.
En 1983, dos investigadores realizaron un tratamiento de eliminación de diamante en la superficie de capas de diamante PDC estándar, mejorando significativamente el rendimiento de los dientes de PDC. Sin embargo, esta invención no recibió la atención que merecía. No fue hasta después del año 2000 que, con un conocimiento más profundo de las capas de diamante PDC, los proveedores de perforadoras comenzaron a aplicar esta tecnología a los dientes de PDC utilizados en la perforación de rocas. Los dientes tratados con este método son adecuados para formaciones altamente abrasivas con un desgaste termomecánico significativo y se conocen comúnmente como dientes "descobaltados".
El llamado "descobalto" se fabrica de forma tradicional con PDC. Posteriormente, la superficie de su capa de diamante se sumerge en un ácido fuerte para eliminar la fase de cobalto mediante un proceso de grabado ácido. La profundidad de eliminación del cobalto puede alcanzar unas 200 micras.
Se realizó una prueba de desgaste de alta resistencia en dos dientes de PDC idénticos (uno de los cuales se había sometido a un tratamiento de eliminación de cobalto en la superficie de la capa de diamante). Tras cortar 5000 m de granito, se observó que la tasa de desgaste del PDC sin eliminación de cobalto comenzó a aumentar considerablemente. En cambio, el PDC con eliminación de cobalto mantuvo una velocidad de corte relativamente estable al cortar aproximadamente 15000 m de roca.
2. Método de detección de PDC
Hay dos tipos de métodos para detectar dientes PDC, a saber, pruebas destructivas y pruebas no destructivas.
1. Pruebas destructivas
Estas pruebas tienen como objetivo simular las condiciones del fondo del pozo con la mayor realismo posible para evaluar el rendimiento de los dientes de corte en dichas condiciones. Las dos formas principales de pruebas destructivas son las pruebas de resistencia al desgaste y las pruebas de resistencia al impacto.
(1) Prueba de resistencia al desgaste
Para realizar pruebas de resistencia al desgaste de PDC se utilizan tres tipos de equipos:
A. Torno vertical (VTL)
Durante la prueba, primero fije la broca PDC al torno VTL y coloque una muestra de roca (generalmente granito) junto a ella. A continuación, gire la muestra alrededor del eje del torno a una velocidad determinada. La broca PDC corta la muestra a una profundidad específica. Al utilizar granito para la prueba, esta profundidad de corte suele ser inferior a 1 mm. Esta prueba puede ser en seco o en húmedo. En la "prueba VTL en seco", cuando la broca PDC corta la roca, no se aplica refrigeración; todo el calor generado por fricción entra en el PDC, acelerando el proceso de grafitización del diamante. Este método de prueba ofrece excelentes resultados al evaluar brocas PDC en condiciones que requieren alta presión de perforación o alta velocidad de rotación.
La prueba de VTL húmedo detecta la vida útil del PDC en condiciones de calentamiento moderado enfriando los dientes con agua o aire durante la prueba. Por lo tanto, la principal causa de desgaste en esta prueba es el desgaste de la muestra de roca, más que el factor de calentamiento.
B, torno horizontal
Esta prueba también se realiza con granito, y el principio es básicamente el mismo que el de la VTL. El tiempo de prueba es de solo unos minutos y el choque térmico entre el granito y los dientes de PDC es muy limitado.
Los parámetros de prueba de granito que utilizan los proveedores de engranajes de PDC varían. Por ejemplo, los parámetros de prueba que emplean Synthetic Corporation y DI Company en Estados Unidos no son exactamente los mismos, pero utilizan el mismo material de granito para sus pruebas: una roca ígnea policristalina de grano grueso a medio con muy poca porosidad y una resistencia a la compresión de 190 MPa.
C. Instrumento de medición de la relación de abrasión
En las condiciones especificadas, la capa de diamante de PDC se utiliza para recortar la muela de carburo de silicio, y la relación entre la tasa de desgaste de la muela y la tasa de desgaste del PDC se toma como el índice de desgaste del PDC, que se denomina relación de desgaste.
(2) Prueba de resistencia al impacto
El método de prueba de impacto consiste en instalar dientes de PDC en un ángulo de 15 a 25 grados y dejar caer un objeto desde cierta altura para impactar verticalmente la capa de diamante de los dientes de PDC. El peso y la altura del objeto que cae indican la energía de impacto que experimenta el diente de prueba, la cual puede aumentar gradualmente hasta 100 julios. Cada diente puede impactarse de 3 a 7 veces hasta que no se pueda realizar más pruebas. Generalmente, se prueban al menos 10 muestras de cada tipo de diente en cada nivel de energía. Dado que la resistencia de los dientes al impacto varía, los resultados de la prueba en cada nivel de energía corresponden al área promedio de desprendimiento de diamante después del impacto para cada diente.
2. Pruebas no destructivas
La técnica de pruebas no destructivas más utilizada (además de la inspección visual y microscópica) es el escaneo ultrasónico (Cscan).
La tecnología de escaneo C puede detectar pequeños defectos y determinar su ubicación y tamaño. Para realizar esta prueba, primero coloque el diente de PDC en un tanque de agua y luego escanéelo con una sonda ultrasónica.
Este artículo se reimprime de “Red Internacional de Metalurgia"
Hora de publicación: 21 de marzo de 2025
