أولا: التآكل الحراري وإزالة الكوبالت من PDC
في عملية التلبيد عالية الضغط لـ PDC، يعمل الكوبالت كمحفز لتعزيز التركيبة المباشرة للماس والماس، وجعل طبقة الماس ومصفوفة كربيد التنغستن تصبح وحدة واحدة، مما يؤدي إلى أسنان قطع PDC مناسبة للحفر الجيولوجي لحقول النفط مع صلابة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل،
مقاومة الماس للحرارة محدودة للغاية. تحت الضغط الجوي، يمكن أن يتحول سطح الماس عند درجات حرارة تبلغ حوالي 900 درجة مئوية أو أعلى. أثناء الاستخدام، تميل مركبات PDC التقليدية إلى التدهور عند حوالي 750 درجة مئوية. عند الحفر عبر طبقات الصخور الصلبة والكاشطة، يمكن أن تصل مركبات PDC بسهولة إلى هذه الدرجة بسبب الحرارة الاحتكاكية، ويمكن أن تكون درجة الحرارة اللحظية (أي درجة الحرارة الموضعية على المستوى المجهري) أعلى من ذلك بكثير، متجاوزةً درجة انصهار الكوبالت (1495 درجة مئوية).
مقارنةً بالماس النقي، يتحول الماس إلى جرافيت عند درجات حرارة منخفضة بفضل وجود الكوبالت. ونتيجةً لذلك، يحدث تآكل الماس نتيجةً للجرافيت الناتج عن حرارة الاحتكاك الموضعي. إضافةً إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري للكوبالت أعلى بكثير من معامل الماس، لذا أثناء التسخين، قد يتعطل الترابط بين حبيبات الماس بسبب تمدد الكوبالت.
في عام ١٩٨٣، أجرى باحثان معالجة لإزالة الماس على سطح طبقات الماس القياسية من مادة PDC، مما حسّن بشكل كبير من أداء أسنان PDC. إلا أن هذا الاختراع لم يحظَ بالاهتمام الذي يستحقه. ولم يبدأ موردو المثاقب بتطبيق هذه التقنية على أسنان PDC المستخدمة في حفر الصخور إلا بعد عام ٢٠٠٠، مع فهم أعمق لطبقات الماس PDC. تُعدّ الأسنان المعالجة بهذه الطريقة مناسبة للتكوينات شديدة الاحتكاك ذات التآكل الميكانيكي الحراري الكبير، ويُشار إليها عادةً باسم الأسنان "المنزوعة الكوبالت".
يُصنع ما يُسمى "إزالة الكوبالت" بالطريقة التقليدية لإنتاج PDC، ثم يُغمر سطح طبقة الماس في حمض قوي لإزالة طور الكوبالت من خلال عملية النقش الحمضي. يمكن أن يصل عمق إزالة الكوبالت إلى حوالي 200 ميكرون.
أُجري اختبار تآكل شديد التحمل على سنّين متطابقين من PDC (أحدهما خضع لمعالجة إزالة الكوبالت على سطح طبقة الماس). بعد قطع 5000 متر من الجرانيت، وُجد أن معدل تآكل PDC غير المُزال من الكوبالت بدأ يزداد بشكل حاد. في المقابل، حافظ PDC المُزال من الكوبالت على سرعة قطع مستقرة نسبيًا أثناء قطع حوالي 15000 متر من الصخور.
2. طريقة الكشف عن PDC
هناك نوعان من الطرق للكشف عن أسنان PDC، وهما الاختبار المدمر والاختبار غير المدمر.
1. الاختبار التدميري
تهدف هذه الاختبارات إلى محاكاة ظروف قاع البئر بأكبر قدر ممكن من الواقعية لتقييم أداء أسنان القطع في مثل هذه الظروف. النوعان الرئيسيان من الاختبارات التدميرية هما اختبارات مقاومة التآكل واختبارات مقاومة الصدمات.
(1) اختبار مقاومة التآكل
يتم استخدام ثلاثة أنواع من المعدات لإجراء اختبارات مقاومة التآكل PDC:
أ. مخرطة عمودية (VTL)
أثناء الاختبار، ثبّت أولاً مثقاب PDC على مخرطة VTL، ثم ضع عينة صخرية (عادةً من الجرانيت) بجوار مثقاب PDC. ثم أدر عينة الصخر حول محور المخرطة بسرعة معينة. يقطع مثقاب PDC عينة الصخر بعمق محدد. عند استخدام الجرانيت للاختبار، يكون عمق القطع هذا عادةً أقل من 1 مم. يمكن إجراء هذا الاختبار جافًا أو رطبًا. في "اختبار VTL الجاف"، عندما يقطع مثقاب PDC الصخر، لا يُطبق أي تبريد؛ بل تدخل جميع الحرارة الناتجة عن الاحتكاك إلى مثقاب PDC، مما يُسرّع عملية تحويل الماس إلى غرافيت. تُعطي طريقة الاختبار هذه نتائج ممتازة عند تقييم مثقاب PDC في ظروف تتطلب ضغط حفر عاليًا أو سرعة دوران عالية.
يكشف اختبار "الرطوبة VTL" عن عمر مادة PDC في ظروف تسخين معتدلة عن طريق تبريد أسنانها بالماء أو الهواء أثناء الاختبار. لذلك، فإن المصدر الرئيسي للتآكل في هذا الاختبار هو طحن عينة الصخور، وليس عامل التسخين.
ب، مخرطة أفقية
يُجرى هذا الاختبار أيضًا باستخدام الجرانيت، ومبدأه مشابهٌ تمامًا لاختبار VTL. يستغرق الاختبار بضع دقائق فقط، وتكون الصدمة الحرارية بين الجرانيت وأسنان PDC محدودةً جدًا.
تختلف معايير اختبار الجرانيت التي يستخدمها موردو معدات PDC. على سبيل المثال، معايير الاختبار التي تستخدمها شركتا Synthetic Corporation وDI Company في الولايات المتحدة ليست متطابقة تمامًا، إلا أنهما تستخدمان نفس مادة الجرانيت في اختباراتهما، وهي صخرة نارية متعددة البلورات، تتراوح درجة كثافتها بين الخشنة والمتوسطة، ذات مسامية ضئيلة جدًا وقوة ضغط تبلغ 190 ميجا باسكال.
ج. أداة قياس نسبة التآكل
في ظل الظروف المحددة، يتم استخدام طبقة الماس من PDC لقص عجلة طحن كربيد السيليكون، ويتم أخذ نسبة معدل تآكل عجلة الطحن ومعدل تآكل PDC كمؤشر تآكل PDC، والذي يسمى نسبة التآكل.
(2) اختبار مقاومة التأثير
تتضمن طريقة اختبار الصدم تركيب أسنان PDC بزاوية 15-25 درجة، ثم إسقاط جسم من ارتفاع معين ليصطدم بطبقة الماس عليها عموديًا. يشير وزن الجسم الساقط وارتفاعه إلى مستوى طاقة الصدم الذي يتعرض له السن المختبر، والذي يمكن أن يزداد تدريجيًا حتى 100 جول. يمكن صدم كل سن من 3 إلى 7 مرات حتى يصبح غير قابل للاختبار مرة أخرى. بشكل عام، يتم اختبار 10 عينات على الأقل من كل نوع من الأسنان عند كل مستوى طاقة. ونظرًا لاختلاف مقاومة الأسنان للصدمات، فإن نتائج الاختبار عند كل مستوى طاقة تمثل متوسط مساحة تقشر الماس بعد الصدم لكل سن.
2. الاختبار غير المدمر
تقنية الاختبار غير المدمرة الأكثر استخدامًا (بخلاف التفتيش البصري والمجهري) هي المسح بالموجات فوق الصوتية (Cscan).
تستطيع تقنية المسح الضوئي C اكتشاف العيوب الصغيرة وتحديد موقعها وحجمها. لإجراء هذا الفحص، ضع سن PDC أولاً في خزان ماء، ثم امسحه بمسبار الموجات فوق الصوتية.
تمت إعادة طباعة هذه المقالة من "الشبكة الدولية لتصنيع المعادن"
وقت النشر: ٢١ مارس ٢٠٢٥
