PDC의 열 마모 및 코발트 제거

I. PDC의 열 마모 및 코발트 제거

PDC의 고압 소결 공정에서 코발트는 촉매 역할을 하여 다이아몬드와 다이아몬드의 직접적인 결합을 촉진하고, 다이아몬드 층과 탄화텅스텐 기지가 하나로 결합되도록 하여 높은 인성과 우수한 내마모성을 갖춘 유전 지질 시추에 적합한 PDC 절삭날을 생성합니다.

다이아몬드의 내열성은 상당히 제한적입니다. 대기압 하에서 다이아몬드 표면은 약 900℃ 이상에서 변형될 수 있습니다. 기존의 PDC(펄스형 다이아몬드 드릴)는 사용 중에 약 750℃에서 열화되는 경향이 있습니다. 단단하고 마모성이 강한 암석층을 뚫을 때 마찰열로 인해 PDC는 쉽게 이 온도에 도달할 수 있으며, 순간 온도(즉, 미시적 수준에서의 국부 온도)는 코발트의 융점(1495℃)을 훨씬 초과할 정도로 더 높아질 수 있습니다.

순수한 다이아몬드와 비교했을 때, 코발트의 존재로 인해 다이아몬드는 더 낮은 온도에서 흑연으로 변환됩니다. 결과적으로, 다이아몬드의 마모는 국부적인 마찰열로 인한 흑연화 현상 때문에 발생합니다. 또한, 코발트의 열팽창 계수는 다이아몬드보다 훨씬 크기 때문에, 가열 시 코발트의 팽창으로 인해 다이아몬드 입자 간의 결합이 파괴될 수 있습니다.

1983년, 두 연구원은 표준 PDC 다이아몬드 층 표면에서 다이아몬드 제거 처리를 수행하여 PDC 드릴 비트의 성능을 크게 향상시켰습니다. 그러나 이 발명은 마땅히 받아야 할 주목을 받지 못했습니다. 2000년 이후에야 PDC 다이아몬드 층에 대한 이해가 깊어지면서 드릴 공급업체들이 암반 시추에 사용되는 PDC 드릴 비트에 이 기술을 적용하기 시작했습니다. 이 방법으로 처리된 비트는 열적 기계적 마모가 심한 고마모성 지층에 적합하며, 일반적으로 "탈코발트" 비트라고 불립니다.

소위 "탈코발트화"는 PDC를 만드는 전통적인 방식으로 제조한 후, 다이아몬드 층 표면을 강산에 담가 산 에칭 공정을 통해 코발트 상을 제거하는 것입니다. 코발트 제거 깊이는 약 200 마이크론에 달할 수 있습니다.

동일한 PDC 날 두 개(그중 하나는 다이아몬드 층 표면의 코발트 제거 처리를 함)에 대해 고강도 마모 시험을 실시했습니다. 화강암 5,000m를 절삭한 후, 코발트 제거 처리를 하지 않은 PDC 날의 마모율이 급격히 증가하기 시작했습니다. 반면, 코발트 제거 처리를 한 PDC 날은 약 15,000m의 암석을 절삭하는 동안 비교적 안정적인 절삭 속도를 유지했습니다.

2. PDC 검출 방법

PDC 치아를 검출하는 방법에는 파괴 검사와 비파괴 검사 두 가지가 있습니다.

1. 파괴 시험

이러한 시험은 시추공 내부 환경을 최대한 현실적으로 모사하여 그러한 조건에서 절삭날의 성능을 평가하기 위한 것입니다. 파괴 시험의 두 가지 주요 형태는 내마모성 시험과 내충격성 시험입니다.

(1) 내마모성 시험

PDC 마모 저항 시험을 수행하는 데에는 세 가지 유형의 장비가 사용됩니다.

A. 수직 선반(VTL)

시험 중에는 먼저 PDC 비트를 VTL 선반에 고정하고 암석 시료(일반적으로 화강암)를 PDC 비트 옆에 놓습니다. 그런 다음 암석 시료를 선반 축을 중심으로 특정 속도로 회전시킵니다. PDC 비트는 암석 시료를 특정 깊이까지 절삭합니다. 화강암을 시험에 사용할 경우, 이 절삭 깊이는 일반적으로 1mm 미만입니다. 이 시험은 건식 또는 습식으로 진행할 수 있습니다. "건식 VTL 시험"에서는 PDC 비트가 암석을 절삭할 때 냉각이 적용되지 않습니다. 발생하는 모든 마찰열이 PDC에 전달되어 다이아몬드의 흑연화 과정을 가속화합니다. 이 시험 방법은 높은 드릴링 압력이나 높은 회전 속도가 요구되는 조건에서 PDC 비트를 평가할 때 탁월한 결과를 제공합니다.

"습식 VTL 테스트"는 테스트 중 물이나 공기로 PDC 이빨을 냉각시켜 적당한 가열 조건에서 PDC의 수명을 측정합니다. 따라서 이 테스트의 주요 마모 원인은 가열 요인보다는 암석 시료의 연삭입니다.

B, 수평 선반

이 테스트 역시 화강암을 사용하여 진행되며, 테스트 원리는 기본적으로 VTL과 동일합니다. 테스트 시간은 단 몇 분에 불과하며, 화강암과 PDC 치아 사이의 열충격은 매우 제한적입니다.

PDC 장비 공급업체들이 사용하는 화강암 시험 매개변수는 다양합니다. 예를 들어, 미국의 Synthetic Corporation과 DI Company에서 사용하는 시험 매개변수는 완전히 동일하지는 않지만, 두 회사 모두 동일한 화강암 재료를 사용합니다. 이 화강암은 기공이 거의 없고 압축 강도가 190MPa인 조립 내지 중간 크기의 다결정질 화성암입니다.

C. 마모율 측정 기기

명시된 조건 하에서, PDC의 다이아몬드 층은 탄화규소 연삭 휠을 다듬는 데 사용되며, 연삭 휠의 마모율과 PDC의 마모율의 비율을 PDC의 마모 지수로 간주하는데, 이를 마모율이라고 한다.

(2) 충격 저항 시험

충격 시험 방법은 PDC 치아를 15~25도 각도로 설치한 후, 특정 높이에서 물체를 떨어뜨려 PDC 치아의 다이아몬드 층에 수직으로 충격을 가하는 방식입니다. 낙하하는 물체의 무게와 높이는 시험 치아가 받는 충격 에너지 수준을 나타내며, 이 에너지 수준은 최대 100줄까지 점진적으로 증가시킬 수 있습니다. 각 치아는 더 이상 시험이 불가능할 때까지 3~7회 충격 시험을 진행합니다. 일반적으로 각 에너지 수준에서 각 유형의 치아 샘플을 최소 10개 이상 시험합니다. 치아의 충격 저항성은 일정 범위 내에 있으므로, 각 에너지 수준에서의 시험 결과는 충격 후 각 치아의 다이아몬드 박리 면적의 평균값으로 나타냅니다.

2. 비파괴 검사

(육안 및 현미경 검사를 제외하고) 가장 널리 사용되는 비파괴 검사 기술은 초음파 스캐닝(Cscan)입니다.

C 스캐닝 기술은 미세한 결함을 감지하고 결함의 위치와 크기를 파악할 수 있습니다. 이 검사를 진행할 때는 먼저 PDC 치아를 수조에 넣은 후 초음파 탐침으로 스캔합니다.

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