Σε βιομηχανικούς τομείς όπως οι γεωτρήσεις πετρελαίου και φυσικού αερίου και η γεωλογική εξερεύνηση, το συμπαγές πολυκρυσταλλικό διαμάντι (PDC) έχει γίνει βασικό υλικό που υποστηρίζει ακραίες συνθήκες εργασίας λόγω της εξαιρετικά-υψηλής σκληρότητας, της αντοχής στη φθορά και της αντοχής σε κρούση. Τα παγκόσμια κοιτάσματα πετρελαίου και φυσικού αερίου έχουν ετήσια ζήτηση για PDC που υπερβαίνει τα 4,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ και πάνω από το 90% του συνολικού πλάνα σε γεώτρηση πετρελαίου και φυσικού αερίου ολοκληρώνεται με ψηφίδες PDC. Ωστόσο, οι προκλήσεις των βαθιών και πολύπλοκων στρωμάτων - υψηλής-σκληρότητας λειαντικών πετρωμάτων, ισχυρών κρουστικών φορτίων και υψηλών θερμοκρασιών - ωθούν το PDC σε "σημείο συμφόρησης": χαμηλός ρυθμός μηχανικής διάτρησης (ROP) του τρυπανιού, μικρή διάρκεια ζωής, εύκολη αποκόλληση και θρυμματισμός του στρώματος διαμαντιού, η οποία επηρεάζει ακόμη και τη σοβαρή φθορά του στρώματος διαμαντιού. αποτελεσματικότητα.
Σε απόκριση σε αυτό το σημείο βιομηχανικού πόνου, η τεχνολογία κρυογονικής επεξεργασίας έχει διερευνηθεί για εφαρμογή στη βελτίωση της απόδοσης του PDC. Η κρυογονική επεξεργασία, η οποία περιλαμβάνει την υποβολή υλικών σε περιβάλλον κάτω των -130 μοιρών για "τροποποίηση εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας", έχει προηγουμένως επιδείξει σημαντικές επιδράσεις σε χάλυβα, κράματα αλουμινίου και εργαλεία σκληρού κράματος: με την κατακρήμνιση φάσεων ενίσχυσης και τη βελτιστοποίηση της υπολειπόμενης τάσης, έχει βελτιώσει σημαντικά την αντοχή και την αντοχή στη φθορά των υλικών. Λοιπόν, για το PDC, ένα σύνθετο υλικό "σκληρού κράματος + διαμαντιού", μπορεί η κρυογονική επεξεργασία να ξεπεράσει το στενό της απόδοσης;
Πρόσφατα, εμφανίστηκε μια καινοτόμος μέθοδος βαθιάς κρυογονικής επεξεργασίας για σύνθετες πλάκες PDC. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει τον ακριβή έλεγχο του ρυθμού μεταβολής της θερμοκρασίας, τη σταδιακή ψύξη των σύνθετων πλακών PDC στους -196 βαθμούς και τη διατήρησή τους σε αυτή τη θερμοκρασία για 24 ώρες, και στη συνέχεια σιγά σιγά τη θέρμανση τους ξανά σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται δύο φορές για να ολοκληρωθεί η βαθιά κρυογονική επεξεργασία. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι μετά από βαθιά κρυογονική επεξεργασία, η μικροσκληρότητα του PDC αυξάνεται κατά 10,4% (αύξηση 5,3 GPa), η αντίσταση στη φθορά (μετρούμενη από το λόγο φθοράς) βελτιώνεται κατά 11,8% και η αντοχή στην κρούση αυξάνεται κατά 79,4% (από περίπου 230 J σε 42). Αυτά τα δεδομένα καταδεικνύουν άμεσα τη σημαντική βελτίωση στην απόδοση του PDC που επιφέρει η βαθιά κρυογονική επεξεργασία.
Εικ. 1. Σχηματικό διάγραμμα δείγματος PDC.
Εικ. 2. Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος κρυογονικής επεξεργασίας CDW-196.
Εικ. 3. Διαδικασία κρυογονικής επεξεργασίας.
Εικ. 4. Σχηματικό διάγραμμα δοκιμής VTL.
Εικ. 5. Σχηματικό διάγραμμα δοκιμής σκληρότητας κρούσης PDC.
Εικ. 6. Σχηματικό διάγραμμα των θέσεων δοκιμής Raman στο στρώμα PCD.
Εικ. 7. Εικόνες των κομματιών PDC (αριστερά) και του πάγκου δοκιμής διάτρησης (δεξιά).
Εικ. 8. Μικροσκληρότητα μη επεξεργασμένου και κρυογονικά επεξεργασμένου PDC.
Εικ. 9. Αναλογία φθοράς μη επεξεργασμένου και κρυογονικά επεξεργασμένου PDC.
Εικ. 10. Φορέστε το επίπεδο μετά από 30 περάσματα (α) μη επεξεργασμένου PDC και (β) PDC που έχει υποστεί κρυογονική επεξεργασία.
Εικ. 11. Αποτελέσματα δοκιμής σκληρότητας κρούσης μη επεξεργασμένου και κρυογονικά επεξεργασμένου PDC.
Εικ. 12. Σύγκριση του μέσου ROP κάθε διαδρομής μετ' επιστροφής.
Επιπλέον, μέσω της μεθόδου δοκιμής JB-T3235-1999 για την αναλογία φθοράς σωμάτων συντετηγμένων με συνθετικό διαμάντι, πραγματοποιήθηκε συγκριτική δοκιμή σε σύνθετα φύλλα PDC που είχαν υποστεί βαθιά κρυογονική επεξεργασία και σε αυτά που δεν είχαν υποστεί επεξεργασία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αναλογία φθοράς των σύνθετων φύλλων PDC μετά από βαθιά κρυογονική επεξεργασία μειώθηκε κατά 42%, υποδεικνύοντας σημαντική ενίσχυση στην αντοχή τους στη φθορά. Σε δοκιμές γεώτρησης πεδίου, ο ρυθμός μηχανικής γεώτρησης των τρυπανιών PDC με βαθιά κρυογονική επεξεργασία αυξήθηκε κατά 27,8%, και η νέα κατά την έξοδο από το φρεάτιο αυξήθηκε κατά 35%, επαληθεύοντας περαιτέρω την αποτελεσματικότητα της τεχνολογίας βαθιάς κρυογονικής επεξεργασίας στη βελτίωση της απόδοσης των τρυπανιών PDC.
Πώς, λοιπόν, η κρυογονική επεξεργασία επιτυγχάνει αυτό το άλμα απόδοσης; Οι αναλύσεις της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM), της φασματοσκοπίας διασποράς ενέργειας (EDS) και της διάθλασης ακτίνων Χ (XRD) αποκαλύπτουν τις αλλαγές στη μικροδομή του: η κρυογονική επεξεργασία πυροδοτεί την κατακρήμνιση περισσότερου η{{1}Co (η φάση ενίσχυσης του κοβαλτίου) και του WC (φάση βολφραμίου, καρβιδίου και βαθύτερου καρβιδίου" ύφανση ενός πιο πυκνού «προστατευτικού διχτυού» μέσα στο υλικό, ενισχύοντας την αντοχή στη φθορά και τη θερμική του σταθερότητα. Εν τω μεταξύ, η ανάλυση φασματοσκοπίας Raman δείχνει ότι η εσωτερική θλιπτική τάση του PDC αυξάνεται σημαντικά μετά την κρυογονική επεξεργασία, η τάση εφελκυσμού μειώνεται ή ακόμη και «αντιστρέφεται σε θλιπτική τάση» και εμφανίζεται ένας μεγάλος αριθμός «ενδοκοκκωδών ρωγμών». Αυτή η ανακατανομή της τάσης και ο μετασχηματισμός του τρόπου θραύσης είναι ακριβώς οι βασικοί μηχανισμοί του άλματος στην αντοχή στην κρούση.
Η βαθιά κρυογονική επεξεργασία υγρού αζώτου όχι μόνο ενισχύει σημαντικά τη σκληρότητα, την αντοχή στη φθορά και την αντοχή σε κρούση των σύνθετων πλακών PDC, αλλά και βελτιστοποιεί τη μικροδομή τους, βελτιώνοντας σημαντικά τις μηχανικές τους ιδιότητες και την απόδοση διάτρησης, φέρνοντας επαναστατικές αλλαγές στο πεδίο γεώτρησης πετρελαίου και αερίου. Έχει επιτύχει έναν αποτελεσματικό μετασχηματισμό από την εργαστηριακή έρευνα σε εφαρμογή μηχανικής. Αυτή η τεχνολογία διοχετεύει νέα ζωντάνια στα παραδοσιακά υλικά και έχει γίνει ένας από τους σημαντικούς τρόπους για να ξεπεράσετε το στενό της αποτελεσματικότητας της βαθιάς γεώτρησης.
