En campos industriales como la perforación de petróleo y gas y la exploración geológica, el compacto de diamante policristalino (PDC) se ha convertido en un material clave que soporta condiciones de trabajo extremas debido a su dureza ultra-alta, resistencia al desgaste y resistencia al impacto. Los yacimientos mundiales de petróleo y gas tienen una demanda anual de PDC que supera los 4.500 millones de dólares estadounidenses, y más del 90% del material total de perforación de petróleo y gas se completa con brocas de PDC. Sin embargo, los desafíos de los estratos profundos y complejos - rocas abrasivas de alta-dureza, fuertes cargas de impacto y altas temperaturas - están empujando al PDC a un "cuello de botella": baja velocidad de perforación mecánica (ROP) de la broca, corta vida útil, fácil delaminación y desprendimiento de la capa de diamante e incluso falla por desgaste térmico, que afectan seriamente su vida útil y eficiencia de perforación.
En respuesta a este problema industrial, se ha explorado la aplicación de la tecnología de tratamiento criogénico para mejorar el rendimiento del PDC. El tratamiento criogénico, que implica someter los materiales a un ambiente por debajo de -130 grados para una "modificación de temperatura ultrabaja", ha demostrado previamente efectos significativos en el acero, las aleaciones de aluminio y las herramientas de aleaciones duras: al precipitar las fases de refuerzo y optimizar la tensión residual, ha mejorado significativamente la resistencia al desgaste de los materiales. Entonces, para el PDC, un material compuesto de "aleación dura + diamante", ¿puede el tratamiento criogénico superar su cuello de botella en el rendimiento?
Recientemente, ha surgido un innovador método de tratamiento criogénico profundo para placas compuestas de PDC. Este método implica controlar con precisión la tasa de cambio de temperatura, enfriar gradualmente las placas compuestas de PDC a -196 grados y mantenerlas a esta temperatura durante 24 horas, luego calentarlas lentamente hasta que alcancen la temperatura ambiente. Este proceso se repite dos veces para completar el tratamiento criogénico profundo. Los datos experimentales muestran que después de un tratamiento criogénico profundo, la microdureza del PDC aumenta un 10,4% (un aumento de 5,3 GPa), la resistencia al desgaste (medida por la relación de desgaste) mejora un 11,8% y la tenacidad al impacto aumenta un 79,4% (de aproximadamente 234 J a 420 J). Estos datos demuestran directamente la mejora significativa en el rendimiento del PDC provocada por el tratamiento criogénico profundo.
Fig. 1. Diagrama esquemático de la muestra de PDC.
Fig. 2. Diagrama esquemático del sistema de tratamiento criogénico CDW-196.
Fig. 3. Proceso de tratamiento criogénico.
Fig. 4. Diagrama esquemático de la prueba VTL.
Fig. 5. Diagrama esquemático de la prueba de resistencia al impacto de PDC.
Fig. 6. Diagrama esquemático de las posiciones de prueba Raman en la capa PCD.
Fig. 7. Imágenes de las brocas PDC (izquierda) y el banco de pruebas de perforación (derecha).
Fig. 8. Microdureza de PDC no tratado y tratado criogénicamente.
Fig. 9. Relación de desgaste del PDC no tratado y tratado criogénicamente.
Fig. 10. Desgaste plano después de 30 pasadas de (a) PDC sin tratar y (b) PDC tratado criogénicamente.
Fig. 11. Resultados de la prueba de resistencia al impacto de PDC no tratado y tratado criogénicamente.
Fig. 12. Comparación del ROP promedio de cada viaje de ida y vuelta.
Además, a través del método de prueba JB-T3235-1999 para la relación de desgaste de cuerpos sinterizados de diamante sintético, se realizó una prueba comparativa en láminas compuestas de PDC que habían sido sometidas a un tratamiento criogénico profundo y aquellas que no. Los resultados mostraron que la tasa de desgaste de las láminas compuestas de PDC después del tratamiento criogénico profundo disminuyó en un 42 %, lo que indica una mejora significativa en su resistencia al desgaste. En las pruebas de perforación de campo, la tasa de perforación mecánica de las brocas PDC con tratamiento criogénico profundo aumentó en un 27,8% y la novedad a la salida del pozo aumentó en un 35%, lo que verifica aún más la efectividad de la tecnología de tratamiento criogénico profundo para mejorar el rendimiento de las brocas PDC.
Entonces, ¿cómo logra el tratamiento criogénico este salto de rendimiento? Los análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de dispersión de energía (EDS) y difracción de rayos X (XRD) revelan los cambios en su microestructura: el tratamiento criogénico desencadena la precipitación de más fases η-Co (la fase de fortalecimiento del cobalto) y WC (carburo de tungsteno), y los límites de los granos se vuelven "más claros y estrechos", tejiendo una "red protectora" más densa dentro del material, mejorando su resistencia al desgaste y estabilidad térmica. Mientras tanto, el análisis de espectroscopia Raman muestra que la tensión de compresión interna del PDC aumenta significativamente después del tratamiento criogénico, la tensión de tracción disminuye o incluso "se invierte en tensión de compresión" y aparece una gran cantidad de "grietas intergranulares". Esta redistribución de tensiones y transformación del modo de fractura son precisamente los mecanismos centrales del salto en la resistencia al impacto.
El tratamiento criogénico profundo con nitrógeno líquido no solo mejora significativamente la dureza, la resistencia al desgaste y la tenacidad al impacto de las placas compuestas de PDC, sino que también optimiza su microestructura, mejorando significativamente sus propiedades mecánicas y el rendimiento de la perforación, lo que trae cambios revolucionarios al campo de la perforación de petróleo y gas. Ha logrado una transformación efectiva de la investigación de laboratorio a la aplicación de ingeniería. Esta tecnología inyecta nueva vitalidad a los materiales tradicionales y se ha convertido en una de las formas importantes de superar el cuello de botella de eficiencia de la perforación profunda.
