I. Thermischer Verschleiß und Kobaltentfernung von PDC
Beim Hochdrucksinterprozess von PDC wirkt Kobalt als Katalysator, um die direkte Verbindung von Diamant und Diamant zu fördern und die Diamantschicht und die Wolframkarbidmatrix zu einer Einheit zu verbinden. Das Ergebnis sind PDC-Schneidzähne, die für geologische Bohrungen auf Ölfeldern geeignet sind und eine hohe Zähigkeit und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aufweisen.
Die Hitzebeständigkeit von Diamanten ist recht begrenzt. Unter atmosphärischem Druck kann sich die Oberfläche von Diamanten bei Temperaturen um 900 °C oder höher verändern. Herkömmliche PDCs neigen im Gebrauch dazu, bei etwa 750 °C zu zerfallen. Beim Bohren durch harte und abrasive Gesteinsschichten können PDCs aufgrund der Reibungswärme leicht diese Temperatur 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 überschreiten.
Im Vergleich zu reinem Diamant wandelt sich Diamant aufgrund des Kobaltgehalts bei niedrigeren Temperaturen in Graphit um. Infolgedessen entsteht Verschleiß durch Graphitisierung infolge lokaler Reibungswärme. Zudem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kobalt deutlich höher als der von Diamant, sodass beim Erhitzen die Bindung zwischen den Diamantkörnern durch die Ausdehnung des Kobalts gestört werden kann.
1983 führten zwei Forscher eine Diamantentfernungsbehandlung auf der Oberfläche von Standard-PDC-Diamantschichten durch und verbesserten so die Leistung der PDC-Zähne deutlich. Diese Erfindung erhielt jedoch nicht die verdiente Aufmerksamkeit. Erst nach dem Jahr 2000 begannen Bohrerhersteller mit einem tieferen Verständnis der PDC-Diamantschichten, diese Technologie auf PDC-Zähne anzuwenden, die beim Gesteinsbohren verwendet werden. Mit dieser Methode behandelte Zähne eignen sich für stark abrasive Formationen mit erheblichem thermisch-mechanischem Verschleiß und werden allgemein als „entkobaltete“ Zähne bezeichnet.
Die sogenannte „Entkobaltung“ erfolgt auf traditionelle Weise zur Herstellung von PDC. Anschließend wird die Oberfläche der Diamantschicht in eine starke Säure getaucht, um die Kobaltphase durch Säureätzen zu entfernen. Die Kobaltentfernungstiefe kann bis zu 200 Mikrometer betragen.
Ein Hochleistungsverschleißtest wurde an zwei identischen PDC-Zähnen durchgeführt (einer davon mit einer Kobaltentfernung auf der Diamantschichtoberfläche). Nach dem Schneiden von 5000 m Granit zeigte sich, dass die Verschleißrate des nicht kobaltentfernungsbehandelten PDC stark anstieg. Im Gegensatz dazu behielt der kobaltentfernungsbehandelte PDC beim Schneiden von etwa 15000 m Gestein eine relativ stabile Schnittgeschwindigkeit bei.
2. Nachweismethode für PDC
Es gibt zwei Methoden zum Erkennen von PDC-Zähnen, nämlich zerstörende Prüfungen und zerstörungsfreie Prüfungen.
1. Zerstörende Prüfung
Diese Tests simulieren die Bedingungen im Bohrloch so realistisch wie möglich, um die Leistung der Schneidzähne unter diesen Bedingungen zu bewerten. Die beiden wichtigsten Formen der zerstörenden Prüfung sind Verschleißfestigkeitsprüfungen und Schlagfestigkeitsprüfungen.
(1) Verschleißfestigkeitstest
Zur Durchführung von PDC-Verschleißfestigkeitstests werden drei Arten von Geräten verwendet:
A. Vertikaldrehmaschine (VTL)
Während des Tests wird zunächst der PDC-Bohrer an der VTL-Drehbank befestigt und eine Gesteinsprobe (normalerweise Granit) neben den PDC-Bohrer gelegt. Anschließend wird die Gesteinsprobe mit einer bestimmten Geschwindigkeit um die Drehbankachse gedreht. Der PDC-Bohrer schneidet sich bis zu einer bestimmten Tiefe in die Gesteinsprobe ein. Bei Tests mit Granit beträgt diese Schnitttiefe in der Regel weniger als 1 mm. Dieser Test kann trocken oder nass durchgeführt werden. Beim „trockenen VTL-Test“ wird beim Schneiden des PDC-Bohrers durch das Gestein keine Kühlung angewendet; die gesamte erzeugte Reibungswärme gelangt in den PDC und beschleunigt den Graphitisierungsprozess des Diamanten. Diese Testmethode liefert hervorragende Ergebnisse bei der Bewertung von PDC-Bohrern unter Bedingungen, die hohen Bohrdruck oder hohe Rotationsgeschwindigkeiten erfordern.
Der „nasse VTL-Test“ ermittelt die Lebensdauer von PDC unter moderaten Heizbedingungen, indem die PDC-Zähne während des Tests mit Wasser oder Luft gekühlt werden. Die Hauptverschleißursache dieses Tests ist daher das Schleifen der Gesteinsprobe und nicht der Heizfaktor.
B, Horizontaldrehmaschine
Dieser Test wird ebenfalls mit Granit durchgeführt. Das Testprinzip ist grundsätzlich dasselbe wie bei VTL. Die Testdauer beträgt nur wenige Minuten und der Temperaturschock zwischen Granit und PDC-Zähnen ist sehr gering.
Die von PDC-Ausrüstungslieferanten verwendeten Granitprüfparameter variieren. Beispielsweise sind die Prüfparameter der Synthetic Corporation und der DI Company in den USA nicht exakt identisch, sie verwenden jedoch dasselbe Granitmaterial für ihre Tests: ein grob- bis mittelgradiges polykristallines magmatisches Gestein mit sehr geringer Porosität und einer Druckfestigkeit von 190 MPa.
C. Messgerät für das Abriebverhältnis
Unter den angegebenen Bedingungen wird die Diamantschicht von PDC zum Trimmen einer Siliziumkarbid-Schleifscheibe verwendet, und das Verhältnis der Verschleißrate der Schleifscheibe zur Verschleißrate von PDC wird als Verschleißindex von PDC verwendet, der als Verschleißverhältnis bezeichnet wird.
(2) Schlagfestigkeitsprüfung
Bei der Aufprallprüfung werden PDC-Zähne in einem Winkel von 15–25 Grad installiert und anschließend ein Gegenstand aus einer bestimmten Höhe fallen gelassen, sodass er senkrecht auf die Diamantschicht auf den PDC-Zähnen trifft. Gewicht und Höhe des fallenden Gegenstands geben Aufprallenergie für den Prüfzahn an, die schrittweise auf bis zu 100 Joule ansteigen kann. Jeder Zahn kann drei- bis siebenmal aufprallen, bis er nicht mehr weiter getestet werden kann. In der Regel werden mindestens zehn Proben jedes Zahntyps bei jeder Energiestufe getestet. Da die Schlagfestigkeit von Zähnen unterschiedlich stark ist, geben die Testergebnisse bei jeder Energiestufe die durchschnittliche Fläche der Diamantabplatzungen nach dem Aufprall für jeden Zahn an.
2. Zerstörungsfreie Prüfung
Die am weitesten verbreitete zerstörungsfreie Prüftechnik (neben der visuellen und mikroskopischen Prüfung) ist die Ultraschalluntersuchung (Cscan).
Die C-Scan-Technologie kann kleine Defekte erkennen und deren Lage und Größe bestimmen. Bei diesem Test legen Sie den PDC-Zahn zunächst in einen Wassertank und scannen ihn dann mit einer Ultraschallsonde.
Dieser Artikel ist ein Nachdruck von „Internationales Metallverarbeitungsnetzwerk„
Veröffentlichungszeit: 21. März 2025
