Thermischer Effekt auf PDC-Cutter

Es ist bekannt, dass PDC-Bohrer viel effizienter sind als Rollenmeißel, aber dies wird traditionell nur beim Bohren von weichem Gestein beobachtet. Dies könnte daran liegen, dass 50 % der Bohrenergie durch eine verschlissene Schneide abgebaut werden können. Zusätzlich zu dem Verschleiß, der durch die Wechselwirkung zwischen Gestein und Fräser verursacht wird, können thermische Effekte die Verschleißrate eines Fräsers beschleunigen.

Wenn thermische Effekte vernachlässigt würden, könnte dies dazu führen, dass der Meißelverschleiß einfach eine Funktion der auf einen Meißel ausgeübten Last und der während des Kontakts mit dem Gestein zurückgelegten Entfernung ist. Wie wir wissen, ist dies nicht der Fall. Thermische Effekte wirken sich auf die Verschleißrate der Bits aus.

Es wird festgestellt, dass der abrasive Verschleiß von Metall mit dem Härteverhältnis von abrasivem Material und Metall zusammenhängt. Bei weichen Schleifmitteln mit einem Verhältnis von weniger als 1,2 ist das Verschleißverhältnis gering. Wenn das Verhältnis der relativen Härte 1,2 übersteigt, nimmt die Verschleißrate beträchtlich zu.

Betrachtet man Quarz, der zwischen 20 und 40 % vieler Gesteinsformationen ausmacht, liegt die Härte zwischen 9,8 und 11,3 GPa und die von Wolframcarbid bei 10 bis 15 GPa. Diese Bereiche ergeben ein Verhältnis, das von 0,65 bis 1,13 reicht, was dieses Verhältnis als weiches Schleifmittel klassifiziert. Wenn Wolframcarbid zum Schneiden von Steinen bei oder unter 350 oC verwendet wird, erfahren sie eine Verschleißrate, die der eines weichen Schleifmittels ähnlich ist, wie erwartet.

Wenn die Temperatur 350 oC übersteigt, wird der Verschleiß beschleunigt und entspricht besser dem eines harten Schleifmittels. Daraus wird geschlossen, dass der Verschleiß durch thermische Einwirkung zunimmt. Um den PDC-Verschleiß zu verringern, wäre es vorteilhaft, die Temperatur der Schneidwerkzeuge zu steuern.

Als die Untersuchung der thermischen Auswirkungen auf den PDC-Verschleiß begann, war 750 °C die maximale sichere Betriebstemperatur. Diese Temperatur wurde festgelegt, da unterhalb dieser Temperatur Mikrochips als Abnutzungserscheinungen an der Schneide zu sehen waren.

Über 750℃ wurden vollständige Diamantkörner aus der Diamantschicht entfernt und bei Erreichen von Temperaturen über 950℃ erfuhr der Wolframkarbidbolzen eine plastische Verformung. Das Verständnis der Fräser und der PDC-Bitgeometrie muss genau sein, um bei der Auswahl eines Bits angemessene Informationen bereitzustellen.

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