PDCの熱摩耗とコバルト除去

I. PDCの熱摩耗とコバルト除去

PDCの高圧焼結プロセスでは、コバルトが触媒として作用し、ダイヤモンドとダイヤモンドの直接結合を促進し、ダイヤモンド層と炭化タングステンマトリックスが一体化し、油田地質掘削に適した高靭性と優れた耐摩耗性を備えたPDC切削歯が得られます。

ダイヤモンドの耐熱性は非常に限られています。大気圧下では、ダイヤモンドの表面は900℃以上の温度で変質する可能性があります。従来のPDCは使用中に約750℃で劣化する傾向があります。硬く摩耗しやすい岩層を掘削する場合、PDCは摩擦熱によって容易にこの温度に達し、瞬間温度（つまり、微視的レベルでの局所温度）はさらに高くなり、コバルトの融点（1495℃）をはるかに超えることがあります。

純粋なダイヤモンドと比較して、コバルトの存在により、ダイヤモンドはより低い温度でグラファイトに変化します。その結果、局所的な摩擦熱によるグラファイト化がダイヤモンドの摩耗を引き起こします。さらに、コバルトの熱膨張係数はダイヤモンドよりもはるかに高いため、加熱時にコバルトの膨張によってダイヤモンド粒子間の結合が破壊される可能性があります。

1983年、2人の研究者が標準的なPDCダイヤモンド層の表面にダイヤモンド除去処理を施し、PDC歯の性能を大幅に向上させました。しかし、この発明は本来の注目を集めませんでした。PDCダイヤモンド層への理解が深まった2000年以降、ドリルメーカーはようやくこの技術を岩盤掘削に使用されるPDC歯に適用し始めました。この方法で処理された歯は、熱による機械摩耗が著しい、摩耗性の高い地層に適しており、一般に「脱コバルト」歯と呼ばれています。

いわゆる「脱コバルト」は、PDCを製造する従来の方法で製造され、その後、ダイヤモンド層の表面を強酸に浸漬し、酸エッチング処理によってコバルト相を除去します。コバルトの除去深さは約200ミクロンに達します。

2枚の同一のPDC歯（うち1枚はダイヤモンド層表面にコバルト除去処理を施したもの）を用いて、高負荷摩耗試験を実施しました。花崗岩を5,000m切削した後、コバルト除去処理を施していないPDCの摩耗速度が急激に増加し始めたことが確認されました。一方、コバルト除去処理を施したPDCは、約15,000mの岩石を切削する間、比較的安定した切削速度を維持しました。

2. PDCの検出方法

PDC 歯を検出する方法には、破壊検査と非破壊検査の 2 種類があります。

1. 破壊試験

これらの試験は、坑井内の状況を可能な限りリアルに再現し、そのような条件下での切削歯の性能を評価することを目的としています。破壊試験の主な形態は、耐摩耗試験と耐衝撃試験の2つです。

（1）耐摩耗試験

PDC 耐摩耗性テストには、次の 3 種類の機器が使用されます。

A. 立旋盤（VTL）

試験では、まずPDCビットをVTL旋盤に固定し、岩石サンプル（通常は花崗岩）をPDCビットの隣に置きます。次に、岩石サンプルを旋盤軸を中心に一定の速度で回転させます。PDCビットは岩石サンプルを特定の深さまで切り込みます。試験に花崗岩を使用する場合、この切削深さは通常1mm未満です。この試験は乾式または湿式で行うことができます。「乾式VTL試験」では、PDCビットが岩石を切削する際に冷却は行われず、発生した摩擦熱はすべてPDCに伝わり、ダイヤモンドの黒鉛化プロセスが加速されます。この試験方法は、高い掘削圧力または高い回転速度が求められる条件下でPDCビットを評価する際に優れた結果をもたらします。

「湿式VTL試験」は、試験中にPDCの歯を水または空気で冷却することにより、中程度の加熱条件下でPDCの寿命を検出する試験です。したがって、この試験における主な摩耗源は、加熱要因ではなく、岩石サンプルの研磨です。

B、水平旋盤

この試験も花崗岩を用いて実施され、試験原理はVTLと基本的に同じです。試験時間はわずか数分で、花崗岩とPDC歯の間の熱衝撃は極めて限定的です。

PDCギアサプライヤーが使用する花崗岩の試験パラメータはそれぞれ異なります。例えば、米国のSynthetic CorporationとDI Companyが使用する試験パラメータは完全に同じではありませんが、両社とも試験に同じ花崗岩を使用しています。これは、粗粒度から中粒度の多結晶火成岩で、多孔性が非常に低く、圧縮強度が190MPaです。

C. 摩耗率測定装置

指定された条件下で、PDC のダイヤモンド層を使用してシリコンカーバイド研削ホイールをトリミングし、研削ホイールの摩耗率と PDC の摩耗率の比率を PDC の摩耗指数として取得し、これを摩耗率と呼びます。

（２）耐衝撃試験

衝撃試験方法は、PDC歯を15～25度の角度で設置し、一定の高さから物体を落下させてPDC歯のダイヤモンド層を垂直に衝突させるというものです。落下物体の重量と高さは、試験歯が受ける衝撃エネルギーレベルを示し、最大100ジュールまで徐々に増加します。各歯は、それ以上試験できなくなるまで3～7回衝撃を受けることができます。通常、各種類の歯について少なくとも10個のサンプルを各エネルギーレベルで試験します。歯の耐衝撃性には幅があるため、各エネルギーレベルでの試験結果は、各歯の衝撃後のダイヤモンド剥離の平均面積となります。

2. 非破壊検査

最も広く使用されている非破壊検査技術（目視検査および顕微鏡検査以外）は超音波スキャン（Cscan）です。

Cスキャン技術は、小さな欠陥を検出し、欠陥の位置と大きさを特定することができます。この検査では、まずPDC歯を水槽に入れ、超音波プローブでスキャンします。

この記事は「国際金属加工ネットワーク「