I. Thermischer Verschleiß und Kobaltabtrag von PDC
Beim Hochdrucksinterprozess von PDC dient Kobalt als Katalysator, um die direkte Verbindung von Diamant und Diamant zu fördern und die Diamantschicht und die Wolframcarbidmatrix zu einer Einheit zu verbinden. Das Ergebnis sind PDC-Schneidzähne, die sich für geologische Bohrungen in Erdölfeldern eignen und eine hohe Zähigkeit und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen.
Die Hitzebeständigkeit von Diamanten ist recht begrenzt. Unter Atmosphärendruck kann sich die Diamantoberfläche bei Temperaturen um 900 °C oder höher verändern. Herkömmliche PDCs (Pulver-Diamant-Komposite) neigen im Gebrauch dazu, sich bei etwa 750 °C zu zersetzen. Beim Bohren durch harte und abrasive Gesteinsschichten können PDCs aufgrund der Reibungswärme diese Temperatur leicht erreichen, und die momentane Temperatur (d. h. die lokale Temperatur auf mikroskopischer Ebene) kann sogar noch höher sein und den Schmelzpunkt von Kobalt (1495 °C) weit übersteigen.
Im Vergleich zu reinem Diamant wandelt sich Diamant aufgrund des enthaltenen Kobalts bei niedrigeren Temperaturen in Graphit um. Der Verschleiß von Diamant entsteht daher durch die Graphitisierung infolge lokaler Reibungswärme. Zudem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kobalt deutlich höher als der von Diamant, sodass sich beim Erhitzen die Bindungen zwischen den Diamantkörnern durch die Ausdehnung des Kobalts lösen können.
1983 führten zwei Forscher eine Diamantentfernungsbehandlung an der Oberfläche von Standard-PDC-Diamantschichten durch und verbesserten so die Leistung von PDC-Zähnen deutlich. Diese Erfindung fand jedoch nicht die ihr gebührende Beachtung. Erst nach dem Jahr 2000, mit einem tieferen Verständnis der PDC-Diamantschichten, begannen Bohrgerätehersteller, diese Technologie auf PDC-Zähne für Gesteinsbohrungen anzuwenden. Mit diesem Verfahren behandelte Zähne eignen sich für stark abrasive Formationen mit hohem thermomechanischem Verschleiß und werden üblicherweise als „entkobaltierte“ Zähne bezeichnet.
Die sogenannte „Entkobaltierung“ erfolgt nach dem traditionellen Verfahren zur Herstellung von PDC. Anschließend wird die Oberfläche der Diamantschicht in starke Säure getaucht, um die Kobaltphase durch Säureätzung zu entfernen. Die Entfernungstiefe des Kobalts kann bis zu 200 Mikrometer betragen.
An zwei identischen PDC-Zähnen (bei einem davon war die Diamantschichtoberfläche von Kobalt befreit worden) wurde ein Hochleistungsverschleißtest durchgeführt. Nach dem Schneiden von 5000 m Granit zeigte sich, dass die Verschleißrate des nicht von Kobalt befreiten PDC-Zähnes rapide anstieg. Im Gegensatz dazu behielt das von Kobalt befreite PDC-Zähne beim Schneiden von ca. 15000 m Gestein eine relativ konstante Schnittgeschwindigkeit bei.
2. Nachweisverfahren für PDC
Es gibt zwei Arten von Methoden zur Erkennung von PDC-Zähnen, nämlich zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren.
1. Zerstörende Prüfung
Diese Tests sollen die Bedingungen im Bohrloch so realistisch wie möglich simulieren, um die Leistungsfähigkeit der Schneidzähne unter solchen Bedingungen zu bewerten. Die beiden wichtigsten zerstörenden Prüfverfahren sind Verschleißfestigkeitsprüfungen und Schlagfestigkeitsprüfungen.
(1) Verschleißfestigkeitsprüfung
Für die Durchführung von PDC-Verschleißfestigkeitsprüfungen werden drei Gerätetypen verwendet:
A. Vertikaldrehmaschine (VTL)
Beim Test wird zunächst der PDC-Meißel an der VTL-Drehmaschine befestigt und eine Gesteinsprobe (üblicherweise Granit) daneben platziert. Anschließend wird die Gesteinsprobe mit einer bestimmten Geschwindigkeit um die Drehmaschinenachse gedreht. Der PDC-Meißel schneidet bis zu einer definierten Tiefe in die Gesteinsprobe ein. Bei Granit beträgt diese Schnitttiefe in der Regel weniger als 1 mm. Der Test kann trocken oder nass durchgeführt werden. Beim „trockenen VTL-Test“ erfolgt beim Durchtrennen des Gesteins durch den PDC-Meißel keine Kühlung; die gesamte Reibungswärme gelangt in den PDC und beschleunigt die Graphitisierung des Diamanten. Diese Testmethode liefert hervorragende Ergebnisse bei der Bewertung von PDC-Meißeln unter Bedingungen, die hohen Bohrdruck oder hohe Drehzahlen erfordern.
Der „VTL-Test bei Nässe“ ermittelt die Lebensdauer von PDC-Zähnen unter moderaten Erwärmungsbedingungen, indem die Zähne während des Tests mit Wasser oder Luft gekühlt werden. Daher ist die Hauptverschleißursache bei diesem Test das Schleifen der Gesteinsprobe und nicht die Erwärmung selbst.
B, horizontale Drehbank
Dieser Test wird auch mit Granit durchgeführt, und das Testprinzip ist im Wesentlichen dasselbe wie beim VTL-Test. Die Testdauer beträgt nur wenige Minuten, und der Temperaturschock zwischen Granit und PDC-Zähnen ist sehr gering.
Die von PDC-Zahnradherstellern verwendeten Granitprüfparameter variieren. Beispielsweise sind die von Synthetic Corporation und DI Company in den USA verwendeten Prüfparameter nicht exakt gleich, obwohl sie für ihre Tests dasselbe Granitmaterial verwenden: ein grob- bis mittelkörniges polykristallines magmatisches Gestein mit sehr geringer Porosität und einer Druckfestigkeit von 190 MPa.
C. Messgerät zur Bestimmung des Abriebverhältnisses
Unter den festgelegten Bedingungen wird die Diamantschicht des PDC zum Trimmen einer Siliziumkarbid-Schleifscheibe verwendet, und das Verhältnis der Verschleißrate der Schleifscheibe zur Verschleißrate des PDC wird als Verschleißindex des PDC herangezogen, der als Verschleißverhältnis bezeichnet wird.
(2) Schlagfestigkeitsprüfung
Das Verfahren zur Schlagprüfung sieht vor, dass PDC-Zähne in einem Winkel von 15–25 Grad montiert und anschließend ein Objekt aus einer bestimmten Höhe senkrecht auf die Diamantschicht der PDC-Zähne fallen gelassen wird. Gewicht und Fallhöhe des Objekts bestimmen die auf den Testzahn einwirkende Aufprallenergie, die schrittweise bis zu 100 Joule erhöht werden kann. Jeder Zahn kann 3–7 Mal belastet werden, bis er nicht mehr getestet werden kann. Im Allgemeinen werden mindestens 10 Exemplare jedes Zahntyps pro Energiestufe geprüft. Da die Schlagfestigkeit der Zähne variiert, geben die Testergebnisse pro Energiestufe die durchschnittliche Fläche der Diamantabplatzungen nach dem Aufprall für jeden Zahn an.
2. Zerstörungsfreie Prüfung
Die am weitesten verbreitete zerstörungsfreie Prüfmethode (neben der Sicht- und Mikroskopprüfung) ist die Ultraschallprüfung (Cscan).
Die C-Scan-Technologie kann kleine Defekte erkennen und deren Lage und Größe bestimmen. Bei diesem Test wird der PDC-Zahn zunächst in ein Wasserbecken gelegt und anschließend mit einer Ultraschallsonde abgetastet;
Dieser Artikel ist ein Nachdruck aus „Internationales Metallbearbeitungsnetzwerk„
Veröffentlichungsdatum: 21. März 2025
