Trong các lĩnh vực công nghiệp như khoan dầu khí và thăm dò địa chất, kim cương nén đa tinh thể (PDC) đã trở thành vật liệu chính hỗ trợ các điều kiện làm việc khắc nghiệt nhờ độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống va đập cực cao. Các mỏ dầu khí toàn cầu có nhu cầu hàng năm về PDC vượt quá 4,5 tỷ đô la Mỹ và hơn 90% tổng số cảnh quay trong hoạt động khoan dầu khí được hoàn thành bằng các bit PDC. Tuy nhiên, những thách thức của đá mài mòn có độ cứng cao- cao và phức tạp -, tải trọng va đập mạnh và nhiệt độ cao - đang đẩy PDC vào tình trạng "nút cổ chai": tốc độ khoan cơ học (ROP) của mũi khoan thấp, tuổi thọ ngắn, lớp kim cương dễ bị tách lớp và sứt mẻ, thậm chí cả hư hỏng do mài mòn nhiệt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ sử dụng và hiệu quả khoan.
Để giải quyết vấn đề khó khăn này của ngành, công nghệ xử lý đông lạnh đã được khám phá để ứng dụng nhằm nâng cao hiệu suất của PDC. Xử lý đông lạnh, bao gồm việc đưa vật liệu vào môi trường dưới -130 độ để "sửa đổi nhiệt độ cực thấp", trước đây đã chứng minh tác dụng đáng kể đối với thép, hợp kim nhôm và các công cụ bằng hợp kim cứng: bằng cách kết tủa các pha tăng cường và tối ưu hóa ứng suất dư, nó đã cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chống mài mòn của vật liệu. Vì vậy, đối với PDC, vật liệu tổng hợp của "hợp kim cứng + kim cương", liệu xử lý đông lạnh có thể vượt qua nút thắt hiệu suất của nó không?
Gần đây, một phương pháp xử lý đông lạnh sâu cải tiến dành cho tấm composite PDC đã xuất hiện. Phương pháp này bao gồm việc kiểm soát chính xác tốc độ thay đổi nhiệt độ, làm nguội dần các tấm composite PDC xuống -196 độ và giữ chúng ở nhiệt độ này trong 24 giờ, sau đó làm ấm chúng từ từ trở lại nhiệt độ phòng. Quá trình này được lặp lại hai lần để hoàn thành quá trình xử lý đông lạnh sâu. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy sau khi xử lý đông lạnh sâu, độ cứng vi mô của PDC tăng 10,4% (tăng 5,3 GPa), khả năng chống mài mòn (được đo bằng tỷ lệ hao mòn) cải thiện 11,8% và độ bền va đập tăng 79,4% (từ khoảng 234 J lên 420 J). Những dữ liệu này trực tiếp chứng minh sự cải thiện đáng kể về hiệu suất PDC do xử lý đông lạnh sâu mang lại.
Hình. 1. Sơ đồ nguyên lý của mẫu PDC.
Hình. 2. Sơ đồ hệ thống xử lý đông lạnh CDW-196.
Hình. 3. Quy trình xử lý đông lạnh.
Hình. 4. Sơ đồ kiểm tra VTL.
Hình. 5. Sơ đồ kiểm tra độ bền va đập của PDC.
Hình. 6. Sơ đồ các vị trí kiểm tra Raman trên lớp PCD.
Hình. 7. Hình ảnh của các bit PDC (trái) và bàn thử nghiệm khoan (phải).
Hình. 8. Độ cứng vi mô của PDC chưa được xử lý và xử lý đông lạnh.
Hình. 9. Tỷ lệ hao mòn của PDC chưa được xử lý và xử lý bằng phương pháp đông lạnh.
Hình. 10. Mòn phẳng sau 30 lần đi qua (a) PDC chưa được xử lý và (b) PDC được xử lý đông lạnh.
Hình. 11. Kết quả kiểm tra độ bền va đập của PDC chưa được xử lý và xử lý đông lạnh.
Hình. 12. So sánh ROP trung bình của mỗi chuyến đi khứ hồi.
Hơn nữa, thông qua phương pháp thử nghiệm JB{0}}T3235-1999 về tỷ lệ mài mòn của thân thiêu kết kim cương tổng hợp, một thử nghiệm so sánh đã được tiến hành trên các tấm composite PDC đã trải qua quá trình xử lý đông lạnh sâu và những tấm chưa trải qua quá trình xử lý đông lạnh. Kết quả cho thấy tỷ lệ hao mòn của tấm composite PDC sau khi xử lý đông lạnh sâu giảm 42%, cho thấy khả năng chống mài mòn của chúng được cải thiện đáng kể. Trong các thử nghiệm khoan tại hiện trường, tốc độ khoan cơ học của mũi khoan PDC được xử lý đông lạnh sâu tăng 27,8% và độ mới khi ra khỏi giếng tăng 35%, khẳng định thêm tính hiệu quả của công nghệ xử lý đông lạnh sâu trong việc cải thiện hiệu suất của mũi khoan PDC.
Vì vậy, làm thế nào để xử lý đông lạnh đạt được bước nhảy vọt về hiệu suất này? Phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ tán sắc năng lượng (EDS) và nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy những thay đổi trong cấu trúc vi mô của nó: xử lý đông lạnh kích hoạt sự kết tủa của nhiều pha η-Co (giai đoạn tăng cường của coban) và WC (cacbua vonfram), đồng thời các ranh giới hạt trở nên "rõ ràng và hẹp hơn", dệt nên một "lưới bảo vệ" dày đặc hơn bên trong vật liệu, tăng cường khả năng chống mài mòn và độ ổn định nhiệt. Trong khi đó, phân tích quang phổ Raman cho thấy ứng suất nén bên trong của PDC tăng đáng kể sau khi xử lý đông lạnh, ứng suất kéo giảm hoặc thậm chí "ngược lại với ứng suất nén" và xuất hiện một số lượng lớn "vết nứt giữa các hạt". Sự phân phối lại ứng suất và chuyển đổi chế độ đứt gãy này chính xác là cơ chế cốt lõi của bước nhảy vọt về độ bền va đập.
Xử lý đông lạnh sâu bằng nitơ lỏng không chỉ tăng cường đáng kể độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền va đập của tấm composite PDC mà còn tối ưu hóa cấu trúc vi mô của chúng, cải thiện đáng kể tính chất cơ học và hiệu suất khoan, mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho lĩnh vực khoan dầu khí. Nó đã đạt được sự chuyển đổi hiệu quả từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng kỹ thuật. Công nghệ này tiếp thêm sức sống mới vào các vật liệu truyền thống và đã trở thành một trong những cách quan trọng để vượt qua nút thắt hiệu quả của việc khoan sâu.
