التآكل الحراري وإزالة الكوبالت من مادة PDC

أولاً: التآكل الحراري وإزالة الكوبالت من مادة PDC

في عملية التلبيد بالضغط العالي لـ PDC، يعمل الكوبالت كمحفز لتعزيز الاندماج المباشر بين الماس والماس، ويجعل طبقة الماس ومصفوفة كربيد التنجستن وحدة متكاملة، مما ينتج عنه أسنان قطع PDC مناسبة للحفر الجيولوجي في حقول النفط تتميز بصلابة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل.

مقاومة الألماس للحرارة محدودة للغاية. تحت الضغط الجوي، يمكن أن يتحول سطح الألماس عند درجات حرارة تصل إلى 900 درجة مئوية أو أعلى. أثناء الاستخدام، تميل أحجار الماس التقليدية إلى التلف عند حوالي 750 درجة مئوية. عند الحفر عبر طبقات صخرية صلبة وكاشطة، يمكن أن تصل أحجار الماس بسهولة إلى هذه الدرجة بسبب حرارة الاحتكاك، وقد تكون درجة الحرارة اللحظية (أي درجة الحرارة الموضعية على المستوى المجهري) أعلى بكثير، متجاوزة بكثير نقطة انصهار الكوبالت (1495 درجة مئوية).

بالمقارنة مع الماس النقي، يتحول الماس إلى جرافيت عند درجات حرارة منخفضة بسبب وجود الكوبالت. ونتيجة لذلك، يحدث تآكل الماس بسبب عملية التغرافيت الناتجة عن الحرارة الاحتكاكية الموضعية. إضافةً إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري للكوبالت أعلى بكثير من معامل التمدد الحراري للماس، لذا أثناء التسخين، قد تتفكك الروابط بين حبيبات الماس بفعل تمدد الكوبالت.

في عام ١٩٨٣، أجرى باحثان عملية إزالة الماس من سطح طبقات الماس القياسية في رؤوس الحفر المصنوعة من الماس متعدد الكوبالت (PDC)، مما أدى إلى تحسين أداء هذه الرؤوس بشكل ملحوظ. مع ذلك، لم يحظَ هذا الابتكار بالاهتمام الكافي. ولم يبدأ موردو أدوات الحفر بتطبيق هذه التقنية على رؤوس الحفر المستخدمة في حفر الصخور إلا بعد عام ٢٠٠٠، وذلك بفضل فهم أعمق لطبقات الماس في رؤوس الحفر المصنوعة من الماس متعدد الكوبالت. تُعدّ الرؤوس المعالجة بهذه الطريقة مناسبة للتكوينات الصخرية شديدة الكشط التي تتعرض لتآكل حراري وميكانيكي كبير، ويُشار إليها عادةً باسم رؤوس الحفر "المُزالة منها الكوبالت".

تُصنع ما يُسمى بـ"إزالة الكوبالت" بالطريقة التقليدية المستخدمة في صناعة الماس متعدد البلورات، ثم يُغمر سطح طبقة الماس في حمض قوي لإزالة طور الكوبالت من خلال عملية التخريش الحمضي. ويمكن أن يصل عمق إزالة الكوبالت إلى حوالي 200 ميكرون.

أُجري اختبار تآكل شديد على سنّين متطابقين من أسنان قاطع الماس متعدد البلورات (خضع أحدهما لمعالجة إزالة الكوبالت من سطح طبقة الماس). بعد قطع 5000 متر من الجرانيت، وُجد أن معدل تآكل سن قاطع الماس غير المُزال منه الكوبالت بدأ في الارتفاع بشكل حاد. في المقابل، حافظ سن قاطع الماس المُزال منه الكوبالت على سرعة قطع ثابتة نسبيًا أثناء قطع ما يقارب 15000 متر من الصخور.

2. طريقة الكشف عن PDC

هناك نوعان من الطرق للكشف عن أسنان PDC، وهما الاختبار التخريبي والاختبار غير التخريبي.

1. الاختبارات الإتلافية

تهدف هذه الاختبارات إلى محاكاة ظروف قاع البئر بأكبر قدر ممكن من الواقعية لتقييم أداء أسنان القطع في ظل هذه الظروف. ويتمثل الشكلان الرئيسيان للاختبارات التدميرية في اختبارات مقاومة التآكل واختبارات مقاومة الصدمات.

(1) اختبار مقاومة التآكل

تُستخدم ثلاثة أنواع من المعدات لإجراء اختبارات مقاومة التآكل في مادة PDC:

أ. مخرطة عمودية (VTL)

أثناء الاختبار، يتم أولاً تثبيت رأس الحفر PDC على مخرطة VTL، ثم توضع عينة صخرية (عادةً من الجرانيت) بجوار رأس الحفر. بعد ذلك، تُدار العينة الصخرية حول محور المخرطة بسرعة محددة. يقطع رأس الحفر PDC العينة الصخرية بعمق معين. عند استخدام الجرانيت للاختبار، يكون عمق القطع عادةً أقل من 1 مم. يمكن إجراء هذا الاختبار جافًا أو رطبًا. في "اختبار VTL الجاف"، لا يتم تبريد رأس الحفر PDC عند قطعه للصخر؛ إذ تدخل كل الحرارة الناتجة عن الاحتكاك إلى رأس الحفر PDC، مما يُسرّع عملية تحويل الماس إلى جرافيت. تُعطي هذه الطريقة نتائج ممتازة عند تقييم رؤوس الحفر PDC في ظروف تتطلب ضغط حفر عالٍ أو سرعة دوران عالية.

يكشف اختبار "VTL الرطب" عن عمر أسنان PDC في ظل ظروف تسخين معتدلة، وذلك بتبريدها بالماء أو الهواء أثناء الاختبار. لذا، فإن المصدر الرئيسي للتآكل في هذا الاختبار هو طحن عينة الصخر وليس عامل التسخين.

ب، مخرطة أفقية

يُجرى هذا الاختبار أيضًا باستخدام الجرانيت، ومبدأ الاختبار هو نفسه مبدأ اختبار VTL. مدة الاختبار بضع دقائق فقط، والصدمة الحرارية بين الجرانيت وأسنان PDC محدودة للغاية.

تختلف معايير اختبار الجرانيت التي يستخدمها موردو معدات PDC. فعلى سبيل المثال، لا تتطابق معايير الاختبار التي تستخدمها شركتا Synthetic Corporation وDI Company في الولايات المتحدة تمامًا، لكنهما تستخدمان نفس مادة الجرانيت في اختباراتهما، وهي صخر ناري متعدد البلورات خشن إلى متوسط ​​الحجم ذو مسامية منخفضة جدًا وقوة ضغط تبلغ 190 ميجا باسكال.

ج. جهاز قياس نسبة التآكل

في ظل الظروف المحددة، يتم استخدام طبقة الماس من PDC لتشذيب عجلة الطحن المصنوعة من كربيد السيليكون، ويتم اعتبار نسبة معدل تآكل عجلة الطحن ومعدل تآكل PDC بمثابة مؤشر تآكل PDC، والذي يسمى نسبة التآكل.

(2) اختبار مقاومة الصدمات

تتضمن طريقة اختبار الصدم تثبيت أسنان PDC بزاوية تتراوح بين 15 و25 درجة، ثم إسقاط جسم من ارتفاع محدد ليصطدم بطبقة الماس على أسنان PDC عموديًا. يشير وزن الجسم الساقط وارتفاعه إلى مستوى طاقة الصدم التي يتعرض لها السن المختبر، والتي يمكن أن تزداد تدريجيًا حتى 100 جول. يمكن تعريض كل سن للصدم من 3 إلى 7 مرات حتى يتعذر اختباره. عمومًا، يتم اختبار 10 عينات على الأقل من كل نوع من الأسنان عند كل مستوى طاقة. نظرًا لوجود تفاوت في مقاومة الأسنان للصدم، فإن نتائج الاختبار عند كل مستوى طاقة تمثل متوسط ​​مساحة تقشر الماس بعد الصدم لكل سن.

2. الاختبارات غير المدمرة

إن أكثر تقنيات الاختبار غير المدمرة استخدامًا (بخلاف الفحص البصري والمجهري) هي المسح بالموجات فوق الصوتية (Cscan).

تستطيع تقنية المسح الضوئي C اكتشاف العيوب الصغيرة وتحديد موقعها وحجمها. عند إجراء هذا الاختبار، ضع سن PDC أولاً في خزان ماء، ثم قم بمسحه باستخدام مسبار الموجات فوق الصوتية؛

هذه المقالة مُعاد نشرها من "شبكة دولية لتصنيع المعادن"