Desgaste térmico y eliminación de cobalto del PDC

I. Desgaste térmico y eliminación de cobalto del PDC

En el proceso de sinterización a alta presión del 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, dando como resultado dientes de corte de PDC adecuados para la perforación geológica de campos petrolíferos con alta tenacidad y excelente resistencia al desgaste.

La resistencia al calor del diamante 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 duras y abrasivas, los PDC pueden alcanzar fácilmente esta temperatura debido al calor de 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 transforma en grafito a temperaturas más bajas. Como consecuencia, el desgaste del diamante se produce por la grafitización resultante del calor de fricción localizado. Además, el coeficiente de dilatación térmica del cobalto es mucho mayor que el del diamante, por lo que, durante el calentamiento, la expansión del cobalto puede romper la unión entre los granos de diamante.

En 1983, dos investigadores realizaron un tratamiento de eliminación de diamante en la superficie de las capas de diamante PDC estándar, mejorando significativamente el rendimiento de los dientes PDC. Sin embargo, este invento 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 brocas comenzaron a aplicar esta tecnología a los dientes 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 denominado “descobalto” se fabrica mediante el método tradicional de PDC, y 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 aproximadamente 200 micras.

Se realizó una prueba de desgaste intensiva en dos dientes PDC idénticos (uno de los cuales había sido 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 tratamiento de eliminación de cobalto comenzó a aumentar bruscamente. En cambio, el PDC con tratamiento de eliminación de cobalto mantuvo una velocidad de corte relativamente estable al cortar aproximadamente 15 000 m de roca.

2. Método de detección de PDC

Existen dos tipos de métodos para detectar dientes con PDC: las pruebas destructivas y las pruebas no destructivas.

1. Ensayos destructivos

Estas pruebas tienen como objetivo simular las condiciones del fondo del pozo con el mayor realismo posible para evaluar el rendimiento de los dientes de corte en dichas condiciones. Las dos principales formas de ensayos destructivos son las pruebas de resistencia al desgaste y las pruebas de resistencia al impacto.

(1) Prueba de resistencia al desgaste

Para realizar las pruebas de resistencia al desgaste 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. Luego, gire la muestra de roca alrededor del eje del torno a una velocidad determinada. La broca PDC penetra en la muestra de roca a una profundidad específica. Al usar granito para la prueba, esta profundidad de corte suele ser inferior a 1 mm. Esta prueba puede realizarse en seco o en húmedo. En la prueba VTL en seco, cuando la broca PDC atraviesa la roca, no se aplica refrigeración; todo el calor de fricción generado se transfiere al 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 VTL húmeda detecta la vida útil de los dispositivos PDC en condiciones de calentamiento moderado, enfriando los dientes de estos dispositivos con agua o aire durante la prueba. Por lo tanto, la principal fuente de desgaste en esta prueba es el desgaste de la muestra de roca, y no el calentamiento.

B, torno horizontal

Esta prueba también se realiza con granito, y el principio es básicamente el mismo que el de la prueba VTL. El tiempo de prueba es de solo unos minutos, y el choque térmico entre el granito y los dientes PDC es muy limitado.

Los parámetros de prueba del granito que utilizan los proveedores de engranajes PDC varían. Por ejemplo, los parámetros de prueba que utilizan 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 para medir la relación de abrasión

En las condiciones especificadas, la capa de diamante del PDC se utiliza para recortar la muela abrasiva de carburo de silicio, y la relación entre la tasa de desgaste de la muela abrasiva y la tasa de desgaste del PDC se toma como el índice de desgaste del PDC, que se denomina índice de desgaste.

(2) Prueba de resistencia al impacto

El método de prueba de impacto consiste en instalar dientes PDC con un ángulo de 15 a 25 grados y dejar caer un objeto desde cierta altura para que impacte verticalmente la capa de diamante sobre los dientes PDC. El peso y la altura del objeto que cae indican el nivel de energía de impacto que experimenta el diente de prueba, el cual puede aumentar gradualmente hasta 100 julios. Cada diente puede recibir entre 3 y 7 impactos hasta que ya no se pueda probar más. Generalmente, se prueban al menos 10 muestras de cada tipo de diente en cada nivel de energía. Dado que existe un rango en la resistencia de los dientes al impacto, los resultados de la prueba en cada nivel de energía representan el área promedio de desprendimiento de diamante después del impacto para cada diente.

2. Ensayos no destructivos

La técnica de ensayo no destructiva más utilizada (aparte de la inspección visual y microscópica) es el escaneo ultrasónico (Cscan).

La tecnología de escaneo C puede detectar pequeños defectos y determinar la ubicación y el tamaño de los mismos. Al realizar esta prueba, primero coloque el diente PDC en un tanque de agua y luego escanéelo con una sonda ultrasónica;

Este artículo se reproduce de “Red Internacional de Metalurgia“