Pramoninėse srityse, tokiose kaip naftos ir dujų gręžimas ir geologiniai tyrinėjimai, polikristalinis deimantinis kompaktiškas (PDC) tapo pagrindine medžiaga, palaikančia ekstremaliomis darbo sąlygomis dėl savo ypač didelio kietumo, atsparumo dilimui ir smūgiams. Pasaulinių naftos ir dujų telkinių metinis PDC poreikis viršija 4,5 milijardo JAV dolerių, o daugiau nei 90% visos naftos ir dujų gręžimo filmuotos medžiagos yra užpildyta PDC bitais. Tačiau dėl gilių ir sudėtingų sluoksnių - didelio-kietumo abrazyvinių uolienų, stiprių smūginių apkrovų ir aukštų temperatūrų - keliami iššūkiai stumia PDC į „butelio kaklelį“: mažas grąžto mechaninio gręžimo greitis (ROP), trumpas tarnavimo laikas, lengvas deimantinio sluoksnio atsisluoksniavimas ir įskilimas, o tai rimtai veikia terminį gręžimo gedimą.
Reaguojant į šį pramoninį skausmo tašką, buvo ištirta kriogeninio apdorojimo technologija, skirta pagerinti PDC veikimą. Kriogeninis apdorojimas, apimantis medžiagų veikimą žemesnėje nei -130 laipsnių aplinkoje, kad būtų galima modifikuoti itin žemą temperatūrą, anksčiau parodė didelį poveikį plienui, aliuminio lydiniams ir kietojo lydinio įrankiams: nusodinant stiprinimo fazes ir optimizuojant liekamąjį įtempį, žymiai pagerėjo medžiagų stiprumas ir atsparumas dilimui. Taigi, ar gali kriogeninis apdorojimas, naudojant PDC, sudėtinę medžiagą iš „kieto lydinio + deimanto“, įveikti kliūtis?
Neseniai atsirado naujoviškas giluminio kriogeninio PDC kompozicinių plokščių apdorojimo metodas. Šis metodas apima tikslų temperatūros kitimo greičio valdymą, laipsnišką PDC kompozicinių plokštelių atšaldymą iki -196 laipsnių ir tokioje temperatūroje palaikymą 24 valandas, po to lėtai šildant iki kambario temperatūros. Šis procesas kartojamas du kartus, kad būtų užbaigtas gilus kriogeninis apdorojimas. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad po giluminio kriogeninio apdorojimo PDC mikrokietumas padidėja 10,4% (padidėja 5,3 GPa), atsparumas dilimui (matuojant nusidėvėjimo koeficientą) pagerėja 11,8%, o atsparumas smūgiams padidėja 79,4% (nuo maždaug 234 J iki 420 J). Šie duomenys tiesiogiai parodo didelį PDC veikimo pagerėjimą, kurį sukėlė gilus kriogeninis apdorojimas.
Pav{0}} PDC pavyzdžio schema.
Pav{0}} CDW-196 kriogeninio apdorojimo sistemos schema.
Pav{0}} Kriogeninio apdorojimo procesas.
Pav{0}} VTL testo schema.
Pav{0}} PDC atsparumo smūgiams bandymo schema.
Pav{0}} Ramano bandymo pozicijų PCD sluoksnyje schema.
Pav{0}} PDC antgalių (kairėje) ir gręžimo bandymo stendo (dešinėje) nuotraukos.
Pav{0}} Neapdoroto ir kriogeniniu būdu apdoroto PDC mikrokietumas.
Pav{0}} Neapdoroto ir kriogeniškai apdoroto PDC nusidėvėjimo santykis.
Pav
Pav
Pav{0}} Kiekvienos kelionės pirmyn ir atgal vidutinio ROP palyginimas.
Be to, taikant JB{0}}T3235-1999 sintetinių deimantų sukepintų kūnų nusidėvėjimo santykio bandymo metodą, buvo atliktas lyginamasis PDC kompozicinių lakštų, kurie buvo giliai apdoroti kriogeniniu būdu, ir tų, kurie nebuvo apdoroti, lyginamasis testas. Rezultatai parodė, kad PDC kompozicinių lakštų nusidėvėjimo santykis po gilaus kriogeninio apdorojimo sumažėjo 42%, o tai rodo reikšmingą jų atsparumo dilimui padidėjimą. Atliekant lauko gręžimo bandymus, PDC grąžtų su giliuoju kriogeniniu apdorojimu mechaninis gręžimo greitis padidėjo 27,8%, o naujiena išėjus iš gręžinio padidėjo 35%, tai dar labiau patvirtino gilaus kriogeninio apdorojimo technologijos efektyvumą gerinant PDC grąžtų veikimą.
Taigi, kaip kriogeninis apdorojimas pasiekia šį efektyvumo šuolį? Skenuojančioji elektroninė mikroskopija (SEM), energijos dispersinė spektroskopija (EDS) ir rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) analizė atskleidžia jo mikrostruktūros pokyčius: kriogeninis apdorojimas sukelia daugiau η-Co (kobalto stiprėjimo fazės) ir WC (volframo karbido) susiaurėjimo fazių. tankesnis "apsauginis tinklas" medžiagoje, padidinantis jos atsparumą dilimui ir šiluminį stabilumą. Tuo tarpu Ramano spektroskopijos analizė rodo, kad po kriogeninio apdorojimo žymiai padidėja PDC vidinis gniuždymo įtempis, sumažėja tempimo įtempis arba net „atsikeičia į gniuždymo įtempį“, atsiranda daug „tarpkristalinių įtrūkimų“. Šis įtempių perskirstymas ir lūžių režimo transformacija yra būtent pagrindiniai smūgio atsparumo šuolio mechanizmai.
Gilus kriogeninis apdorojimas skystu azotu ne tik žymiai padidina PDC kompozicinių plokščių kietumą, atsparumą dilimui ir atsparumą smūgiams, bet ir optimizuoja jų mikrostruktūrą, žymiai pagerindamas jų mechanines savybes ir gręžimo našumą, atnešdamas revoliucinius pokyčius naftos ir dujų gręžimo srityje. Ji pasiekė veiksmingą transformaciją iš laboratorinių tyrimų į inžinerinį pritaikymą. Ši technologija suteikia tradicinėms medžiagoms naujo gyvybingumo ir tapo vienu iš svarbių būdų įveikti gilaus gręžimo efektyvumo kliūtis.
