У индустријским пољима као што су бушење нафте и гаса и геолошка истраживања, поликристални дијамантски компакт (ПДЦ) је постао кључни материјал који подржава екстремне услове рада због своје ултра-високе тврдоће, отпорности на хабање и отпорности на удар. Глобална нафтна и гасна поља имају годишњу потражњу за ПДЦ која премашује 4,5 милијарди америчких долара, а преко 90% укупног материјала у бушењу нафте и гаса је завршено ПДЦ битовима. Међутим, изазови дубоких и сложених слојева - високе-абразивне стене високе-, јаких ударних оптерећења и високих температура - гурају ПДЦ у „уско грло“: ниска брзина механичког бушења (РОП) бургије, кратак радни век, лако раслојавање и ломљење дијамантског слоја, па чак и озбиљна ефикасност термичког квара на хабајућем слоју.
Као одговор на ову индустријску болну тачку, истражена је технологија криогеног третмана за примену у побољшању перформанси ПДЦ-а. Криогена обрада, која укључује излагање материјала околини испод -130 степени ради „модификације на ултра ниским температурама“, раније је показала значајне ефекте на челик, легуре алуминијума и алате од тврдих легура: таложењем фаза ојачања и оптимизацијом заосталог напрезања, значајно је побољшала чврстоћу и отпорност материјала на хабање. Дакле, за ПДЦ, композитни материјал од "тврде легуре + дијамант", може ли криогена обрада пробити уско грло у перформансама?
Недавно се појавила иновативна метода дубоког криогеног третмана за ПДЦ композитне плоче. Ова метода укључује прецизну контролу брзине промене температуре, постепено хлађење ПДЦ композитних плоча на -196 степени и држање на овој температури 24 сата, а затим их полако загревајући назад на собну температуру. Овај процес се понавља два пута да би се завршио дубоки криогени третман. Експериментални подаци показују да се након дубоког криогеног третмана микротврдоћа ПДЦ повећава за 10,4% (повећање од 5,3 ГПа), отпорност на хабање (мерена односом хабања) се побољшава за 11,8%, а ударна жилавост расте за 79,4% (са приближно 234 Ј на 420 Ј). Ови подаци директно демонстрирају значајно побољшање перформанси ПДЦ-а које је донео дубоки криогени третман.
Фиг. 1. Шематски дијаграм ПДЦ узорка.
Фиг. 2. Шематски дијаграм система за криогену обраду ЦДВ-196.
Фиг. 3. Процес криогеног третмана.
Фиг. 4. Шематски дијаграм ВТЛ теста.
Слика. 5. Шематски дијаграм ПДЦ теста ударне жилавости.
Фиг. 6. Шематски дијаграм позиција Рамановог теста на ПЦД слоју.
Слика. 7. Слике ПДЦ сврдла (лево) и стола за испитивање бушења (десно).
Фиг. 8. Микротврдоћа необрађеног и криогенски третираног ПДЦ-а.
Слика. 9. Однос хабања необрађеног и криогенски третираног ПДЦ-а.
Слика. 10. Носите равно након 30 пролаза (а) необрађеног ПДЦ-а и (б) криогенски третираног ПДЦ-а.
Слика. 11. Резултати испитивања жилавости на удар необрађеног и криогенски третираног ПДЦ-а.
Слика. 12. Поређење просечног РОП-а сваког повратног путовања.
Штавише, путем методе испитивања ЈБ-Т3235-1999 за однос хабања синтетичких дијамантских синтерованих тела, упоредни тест је спроведен на ПДЦ композитним плочама које су биле подвргнуте дубоком криогеном третману и онима које нису. Резултати су показали да је однос хабања ПДЦ композитних плоча након дубоког криогеног третмана смањен за 42%, што указује на значајно побољшање њихове отпорности на хабање. У теренским тестовима бушења, брзина механичког бушења ПДЦ бургија са дубоким криогеним третманом повећана је за 27,8%, а новост по изласку из бушотине порасла је за 35%, што додатно потврђује ефикасност технологије дубоког криогеног третмана у побољшању перформанси ПДЦ бургија.
Дакле, како се криогеним третманом постиже овај скок перформанси? Скенирајућа електронска микроскопија (СЕМ), енергетска дисперзивна спектроскопија (ЕДС) и анализе дифракције Кс- зрака (КСРД) откривају промене у његовој микроструктури: криогена обрада покреће таложење више η-Цо (фаза јачања кобалта) и ВЦ (фаза везана за волфрам, карбид и постаје „зрнат“) ужи“, ткајући гушћу „заштитну мрежу“ унутар материјала, повећавајући његову отпорност на хабање и термичку стабилност. У међувремену, анализа Раманове спектроскопије показује да се унутрашњи компресивни напон ПДЦ значајно повећава након криогеног третмана, затезни напон се смањује или се чак "обрће на напон притиска", а појављује се велики број "интергрануларних пукотина". Ова прерасподела напона и трансформација начина лома су управо основни механизми скока ударне жилавости.
Дубински криогени третман течним азотом не само да значајно повећава тврдоћу, отпорност на хабање и ударну жилавост ПДЦ композитних плоча, већ и оптимизује њихову микроструктуру, значајно побољшавајући њихова механичка својства и перформансе бушења, доносећи револуционарне промене на пољу бушења нафте и гаса. Постигао је ефикасну трансформацију од лабораторијског истраживања до инжењерске примене. Ова технологија убризгава нову виталност у традиционалне материјале и постала је један од важних начина да се пробије кроз уско грло ефикасности дубоког бушења.
