Teollisilla aloilla, kuten öljyn ja kaasun porauksessa ja geologisessa etsinnässä, monikiteisestä timanttikompakteista (PDC) on tullut avainmateriaali, joka tukee äärimmäisiä työolosuhteita sen erittäin -korkean kovuuden, kulutuskestävyyden ja iskunkestävyyden ansiosta. Maailman öljy- ja kaasukentillä on PDC:n vuotuinen kysyntä yli 4,5 miljardia Yhdysvaltain dollaria, ja yli 90 % öljyn ja kaasun porauksen kokonaismateriaalista valmistetaan PDC-terillä. Kuitenkin syvien ja monimutkaisten kerrosten - korkeakovuus-hiomakivi, voimakkaat iskukuormat ja korkeat lämpötilat - aiheuttavat haasteet työntää PDC:n "pullonkaulaan": poranterän alhainen mekaaninen porausnopeus (ROP), lyhyt käyttöikä, helppo delaminoituminen ja timanttikerroksen halkeilu, mikä vaikuttaa vakavasti sen lämpökulumiseen.
Vastauksena tähän teolliseen kipupisteeseen on tutkittu kryogeenistä hoitotekniikkaa, jota voidaan soveltaa PDC:n suorituskyvyn parantamiseen. Kryogeeninen käsittely, jossa materiaalit altistetaan alle -130 asteen ympäristölle "erittäin alhaisen lämpötilan modifioimiseksi", on aiemmin osoittanut merkittäviä vaikutuksia teräkseen, alumiiniseoksiin ja kovaseostyökaluihin: saostamalla vahvistusvaiheita ja optimoimalla jäännösjännitystä se on parantanut merkittävästi materiaalien lujuutta ja kulutuskestävyyttä. Voiko kryogeeninen käsittely siis murtaa sen suorituskyvyn pullonkaulasta PDC:n, "kovaseoksesta + timantista" koostuvan komposiittimateriaalin, tapauksessa?
Äskettäin on ilmaantunut innovatiivinen syväkryogeeninen käsittelymenetelmä PDC-komposiittilevyille. Tämä menetelmä sisältää lämpötilan muutosnopeuden tarkan säätelyn, PDC-komposiittilevyjen jäähdyttämisen asteittain -196 asteeseen ja niiden pitämisen tässä lämpötilassa 24 tuntia, minkä jälkeen ne lämmitetään hitaasti takaisin huoneenlämpötilaan. Tämä prosessi toistetaan kahdesti syväkryogeenisen käsittelyn suorittamiseksi loppuun. Kokeelliset tiedot osoittavat, että syvän kryogeenisen käsittelyn jälkeen PDC:n mikrokovuus kasvaa 10,4 % (lisäys 5,3 GPa), kulutuskestävyys (kulutussuhteella mitattuna) paranee 11,8 % ja iskunkestävyys nousee 79,4 % (noin 234 J:sta 420 J:iin). Nämä tiedot osoittavat suoraan syvän kryogeenisen käsittelyn aikaansaaman PDC-suorituskyvyn merkittävän parantumisen.
Kuva. 1. PDC-näytteen kaavio.
Kuva. 2. CDW-196 kryogeenisen käsittelyjärjestelmän kaavio.
Kuva. 3. Kryogeeninen käsittelyprosessi.
Kuva. 4. VTL-testin kaavio.
Kuva. 5. PDC:n iskusitkeystestin kaavio.
Kuva. 6. Kaaviokaavio Raman-testipaikoista PCD-kerroksessa.
Kuva. 7. Kuvia PDC-teristä (vasemmalla) ja poraustestipenkistä (oikealla).
Kuva. 8. Käsittelemättömän ja kryogeenisesti käsitellyn PDC:n mikrokovuus.
Kuva. 9. Käsittelemättömän ja kryogeenisesti käsitellyn PDC:n kulumissuhde.
Kuva. 10. Käytä tasaisena 30 ajon jälkeen (a) käsittelemättömällä PDC:llä ja (b) kryogeenisesti käsitellyllä PDC:llä.
Kuva. 11. Käsittelemättömän ja kryogeenisesti käsitellyn PDC:n iskunkestävyystestin tulokset.
Kuva. 12. Kunkin edestakaisen matkan keskimääräisen ROP:n vertailu.
Lisäksi JB{0}}T3235-1999-testimenetelmällä synteettisten timanttisintrattujen kappaleiden kulumissuhteelle suoritettiin vertaileva testi PDC-komposiittilevyille, jotka oli läpikäynyt syvän kryogeenisen käsittelyn, ja niille, joita ei ollut tehty. Tulokset osoittivat, että PDC-komposiittilevyjen kulutussuhde syvän kryogeenisen käsittelyn jälkeen laski 42 %, mikä osoitti niiden kulumiskestävyyden merkittävää paranemista. Kenttäporauskokeissa syvän kryogeenisen käsittelyn PDC-poranterien mekaaninen porausnopeus kasvoi 27,8 % ja uutuus kaivosta poistuttaessa kasvoi 35 %, mikä vahvistaa edelleen syvän kryogeenisen käsittelytekniikan tehokkuutta PDC-poranterien suorituskyvyn parantamisessa.
Joten miten kryogeeninen käsittely saavuttaa tämän suorituskyvyn harppauksen? Pyyhkäisyelektromikroskopia (SEM), energiadispersiospektroskopia (EDS) ja röntgendiffraktio (XRD) -analyysit paljastavat sen mikrorakenteen muutokset: kryogeeninen käsittely laukaisee enemmän η-Co:n (koboltin vahvistusvaihe) ja WC:n (volframikarbidin kapenevia vaiheita) saostumisen. tiheämpi "suojaverkko" materiaalin sisällä, mikä parantaa sen kulutuskestävyyttä ja lämpöstabiilisuutta. Samaan aikaan Raman-spektroskopiaanalyysi osoittaa, että PDC:n sisäinen puristusjännitys kasvaa merkittävästi kryogeenisen käsittelyn jälkeen, vetojännitys vähenee tai jopa "kääntyy puristusjännitykseen" ja suuri määrä "rakeidenvälisiä halkeamia" ilmaantuu. Tämä jännityksen uudelleenjakauma ja murtumismuodon muunnos ovat juuri iskunkestävyyden harppauksen ydinmekanismeja.
Nestemäisen typen syväkryogeeninen käsittely ei ainoastaan lisää merkittävästi PDC-komposiittilevyjen kovuutta, kulutuskestävyyttä ja iskunkestävyyttä, vaan myös optimoi niiden mikrorakennetta, parantaa merkittävästi niiden mekaanisia ominaisuuksia ja poraussuorituskykyä, mikä tuo vallankumouksellisia muutoksia öljyn ja kaasun porauskenttään. Se on saavuttanut tehokkaan muutoksen laboratoriotutkimuksesta suunnittelusovellukseksi. Tämä tekniikka tuo uutta elinvoimaa perinteisiin materiaaleihin ja siitä on tullut yksi tärkeimmistä tavoista murtautua syväporauksen tehokkuuden pullonkaulasta.
