В таких отраслях промышленности, как бурение нефти и газа и геологоразведка, поликристаллическая алмазная прессовка (PDC) стала ключевым материалом, выдерживающим экстремальные условия труда, благодаря своей сверх-высокой твердости, износостойкости и ударопрочности. На мировых нефтегазовых месторождениях годовая потребность в PDC превышает 4,5 миллиарда долларов США, и более 90% общего объема бурения нефти и газа выполняется долотами PDC. Однако проблемы, связанные с глубокими и сложными пластами - высоко-абразивных пород, сильными ударными нагрузками и высокими температурами - толкают PDC в "узкое место": низкая механическая скорость бурения (МСП) долота, короткий срок службы, легкое отслаивание и скалывание алмазного слоя и даже отказ от термического износа, что серьезно влияет на срок его службы и эффективность бурения.
В ответ на эту проблему в промышленности была изучена технология криогенной обработки для повышения производительности PDC. Криогенная обработка, при которой материалы подвергаются воздействию окружающей среды ниже -130 градусов для «сверхнизкотемпературной модификации», ранее уже продемонстрировала значительное влияние на сталь, алюминиевые сплавы и инструменты из твердых сплавов: за счет выделения упрочняющих фаз и оптимизации остаточных напряжений она значительно улучшила прочность и износостойкость материалов. Итак, для PDC, композитного материала «твердый сплав + алмаз», может ли криогенная обработка преодолеть узкое место в его производительности?
Недавно появился инновационный метод глубокой криогенной обработки композитных пластин PDC. Этот метод включает в себя точный контроль скорости изменения температуры, постепенное охлаждение композитных пластин PDC до -196 градусов и выдерживание их при этой температуре в течение 24 часов, а затем медленное нагревание до комнатной температуры. Этот процесс повторяется дважды для завершения глубокой криогенной обработки. Экспериментальные данные показывают, что после глубокой криогенной обработки микротвердость ПДК увеличивается на 10,4 % (увеличение на 5,3 ГПа), износостойкость (измеренная по коэффициенту изнашивания) улучшается на 11,8 %, ударная вязкость возрастает на 79,4 % (приблизительно с 234 Дж до 420 Дж). Эти данные непосредственно демонстрируют значительное улучшение характеристик PDC, вызванное глубокой криогенной обработкой.
Рис. 1. Принципиальная схема образца PDC.
Рис. 2. Принципиальная схема системы криогенной обработки CDW-196.
Рис. 3. Процесс криогенной обработки.
Рис. 4. Схематическая диаграмма теста VTL.
Рис. 5. Принципиальная схема испытания PDC на ударную вязкость.
Рис. 6. Схематическая диаграмма положений рамановского теста на слое PCD.
Рис. 7. Фотографии долот PDC (слева) и испытательного стенда для бурения (справа).
Рис. 8. Микротвердость необработанного и криогенно обработанного ПДК.
Рис. 9. Коэффициент износа необработанного и криогенно обработанного PDC.
Рис. . 10. Износ после 30 проходов необработанного (а) ПДК и (б) криогенно обработанного ПДК.
Рис. 11. Результаты испытаний на ударную вязкость необработанного и криогенно обработанного ПДК.
Рис. 12. Сравнение средней скорости проходки каждого рейса туда и обратно.
Кроме того, с помощью метода испытаний JB-T3235-1999 на степень износа спеченных изделий из синтетического алмаза было проведено сравнительное испытание на композитных листах PDC, прошедших глубокую криогенную обработку, и тех, которые не подвергались такой обработке. Результаты показали, что степень изнашивания композитных листов ПДК после глубокой криогенной обработки снизилась на 42%, что свидетельствует о значительном повышении их износостойкости. В ходе полевых буровых испытаний скорость механического бурения долот PDC с глубокой криогенной обработкой увеличилась на 27,8%, а новизна при выходе из скважины увеличилась на 35%, что еще раз подтверждает эффективность технологии глубокой криогенной обработки в повышении производительности долот PDC.
Итак, как криогенная обработка обеспечивает такой скачок производительности? Сканирующая электронная микроскопия (SEM), энергодисперсионная спектроскопия (EDS) и рентгеноструктурный анализ (XRD) выявляют изменения в его микроструктуре: криогенная обработка вызывает осаждение большего количества фаз η-Co (упрочняющая фаза кобальта) и WC (карбид вольфрама), а границы зерен становятся «более четкими и узкими», создавая более плотную «защитную сеть» внутри материала, улучшая его износостойкость и термостабильность. Между тем, анализ рамановской спектроскопии показывает, что после криогенной обработки внутренние сжимающие напряжения ПДК значительно увеличиваются, растягивающие напряжения уменьшаются или даже «обратятся к сжимающим напряжениям», появляется большое количество «межкристаллитных трещин». Это перераспределение напряжений и трансформация режима разрушения являются именно основными механизмами скачка в ударной вязкости.
Глубокая криогенная обработка жидким азотом не только значительно повышает твердость, износостойкость и ударную вязкость композитных пластин PDC, но также оптимизирует их микроструктуру, значительно улучшая их механические свойства и производительность бурения, внося революционные изменения в сферу бурения нефти и газа. Он достиг эффективного перехода от лабораторных исследований к инженерному применению. Эта технология придаёт новую жизнь традиционным материалам и стала одним из важных способов преодолеть узкое место в эффективности глубокого сверления.
