U industrijskim poljima kao što su bušenje nafte i gasa i geološka istraživanja, polikristalni dijamantski kompakt (PDC) je postao ključni materijal koji podržava ekstremne radne uslove zbog svoje ultra-visoke tvrdoće, otpornosti na habanje i otpornosti na udar. Globalna naftna i plinska polja imaju godišnju potražnju za PDC-om od preko 4,5 milijardi američkih dolara, a preko 90% ukupnog materijala u bušenju nafte i plina je završeno PDC bitovima. Međutim, izazovi dubokih i složenih slojeva - visoke-abrazivne stijene visoke tvrdoće, jaka udarna opterećenja i visoke temperature - guraju PDC u "usko grlo": niska brzina mehaničkog bušenja (ROP) svrdla, kratak vijek trajanja, lako odvajanje i cijepanje dijamantskog sloja, pa čak i ozbiljna termička efikasnost habajućeg sloja.
Kao odgovor na ovu industrijsku bolnu tačku, istražena je tehnologija kriogenog tretmana za primenu u poboljšanju performansi PDC-a. Kriogena obrada, koja uključuje izlaganje materijala okolini ispod -130 stepeni za "modifikacije na ultra niskim temperaturama", ranije je pokazala značajne efekte na čelik, legure aluminija i alate od tvrdih legura: precipitiranjem faza ojačanja i optimizacijom zaostalog naprezanja, značajno je poboljšala čvrstoću i otpornost materijala na habanje. Dakle, za PDC, kompozitni materijal od "tvrde legure + dijamant", može li kriogena obrada probiti svoje usko grlo u performansama?
Nedavno se pojavila inovativna metoda dubokog kriogenog tretmana za PDC kompozitne ploče. Ova metoda uključuje preciznu kontrolu brzine promjene temperature, postepeno hlađenje PDC kompozitnih ploča na -196 stepeni i držanje na ovoj temperaturi 24 sata, a zatim ih lagano zagrijavanje natrag na sobnu temperaturu. Ovaj proces se ponavlja dva puta kako bi se završio duboki kriogeni tretman. Eksperimentalni podaci pokazuju da se nakon dubokog kriogenog tretmana mikrotvrdoća PDC povećava za 10,4% (povećanje od 5,3 GPa), otpornost na habanje (mjerena omjerom habanja) se poboljšava za 11,8%, a udarna žilavost raste za 79,4% (sa približno 234 J na 420 J). Ovi podaci direktno pokazuju značajno poboljšanje u performansama PDC-a koje je donijelo dubinsko kriogeno liječenje.
Fig. 1. Šematski dijagram PDC uzorka.
Fig. 2. Šematski dijagram sistema za kriogenu obradu CDW-196.
Fig. 3. Proces kriogenog tretmana.
Fig. 4. Šematski dijagram VTL testa.
Fig. 5. Šematski dijagram PDC ispitivanja udarne žilavosti.
Fig. 6. Šematski dijagram pozicija Ramanovog testa na PCD sloju.
Fig. 7. Slike PDC svrdla (lijevo) i ispitnog stola za bušenje (desno).
Fig. 8. Mikrotvrdoća neobrađenog i kriogenski tretiranog PDC-a.
Slika. 9. Omjer istrošenosti neobrađenog i kriogenski tretiranog PDC-a.
Fig. 10. Nosite ravno nakon 30 prolaza (a) neobrađenog PDC-a i (b) kriogenski tretiranog PDC-a.
Slika. 11. Rezultati ispitivanja otpornosti na udar neobrađenog i kriogenski tretiranog PDC-a.
Slika. 12. Poređenje prosječnog ROP-a svakog povratnog putovanja.
Nadalje, putem metode ispitivanja JB-T3235-1999 za omjer habanja sintetičkih dijamantskih sinteriranih tijela, uporedni test je proveden na PDC kompozitnim pločama koje su bile podvrgnute dubokoj kriogenoj obradi i onima koje nisu. Rezultati su pokazali da je omjer trošenja PDC kompozitnih limova nakon dubokog kriogenog tretmana smanjen za 42%, što ukazuje na značajno povećanje njihove otpornosti na habanje. U terenskim testovima bušenja, brzina mehaničkog bušenja PDC burgija sa dubokim kriogenim tretmanom povećana je za 27,8%, a novost po izlasku iz bušotine povećana je za 35%, što dodatno potvrđuje efikasnost tehnologije dubokog kriogenog tretmana u poboljšanju performansi PDC burgija.
Dakle, kako se kriogenim tretmanom postiže ovaj skok performansi? Skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM), energetska disperzivna spektroskopija (EDS) i analize difrakcije X- zraka (XRD) otkrivaju promjene u njegovoj mikrostrukturi: kriogeni tretman pokreće taloženje više η-Co (faza jačanja kobalta) i WC (faza vezan za volfram, karbid i postaje zrnat ") uži", tkajući gušću "zaštitnu mrežu" unutar materijala, povećavajući njegovu otpornost na habanje i termičku stabilnost. U međuvremenu, analiza Ramanove spektroskopije pokazuje da se unutarnje tlačno naprezanje PDC-a značajno povećava nakon kriogenog tretmana, vlačno naprezanje se smanjuje ili se čak "obrće u tlačno naprezanje" i pojavljuje se veliki broj "intergranularnih pukotina". Ova preraspodjela naprezanja i transformacija načina loma su upravo ključni mehanizmi skoka udarne žilavosti.
Dubinski kriogeni tretman tekućim dušikom ne samo da značajno povećava tvrdoću, otpornost na habanje i udarnu žilavost PDC kompozitnih ploča, već i optimizira njihovu mikrostrukturu, značajno poboljšavajući njihova mehanička svojstva i performanse bušenja, donoseći revolucionarne promjene na polju bušenja nafte i plina. Postigao je efikasnu transformaciju od laboratorijskog istraživanja do inženjerske primjene. Ova tehnologija ubrizgava novu vitalnost u tradicionalne materijale i postala je jedan od važnih načina da se probije kroz usko grlo efikasnosti dubokog bušenja.
