Mecanismo de corte y fabricación del cortador PDC

MECANISMO DE CORTE Y FABRICACION DEL CORTADOR PDC

Mecanismos de Corte •

En el pasado los pozos de petróleo y gas se perforaban con Brocas de tricónicas y de diamante natural.

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La “Energía Específica” se define como la cantidad de energía requerida para cortar una unidad de volumen de formación.

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La acción de corte de una Broca juega un papel muy importante en la determinación de la energía requerida para perforar a través de

Mecanismos de Corte •

Las Brocas de conos perforan triturando y quebrando la roca.

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Requieren de altos pesos para hacer que la roca falle.

Broca de Conos - Triturado

Mecanismos de Corte •

Las Brocas de Diamante perforan arando o raspando y moliendo la roca.

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Normalmente requieren altas RPM Broca de Diamante Natural Raspado/Arado para compensar el poco volumen de cortes generados por revolución.

Mecanismos de Corte •

El cortador PDC corta la formación por cizallamiento.

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El cizallado es el mecanismo de corte más eficiente si se compara con los otrosBroca PDC - Cizallado mecanismos a idénticas condiciones operacionales y con la

Mecanismos de Corte •

El cortador PDC exhibe desgaste Auto-Afilado debido a la diferencia de la tasa de desgaste entre los dos materiales del mismo cortador

Auto-Afilado del Cortador PDC

Mecanismos de Corte •

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A medida que el cortador se desgasta la energía específica requerida aumenta reduciendo la eficiencia de perforación.

Auto-Afilado del Cortador PDC

El mecanismo de Auto-Afilado del cortador PDC ayuda a

Desarrollo del Cortador PDC Propiedades del Diamante •

Es el material más duro conocido por el hombre.

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Tiene el coeficiente de fricción más bajo y la mejor conductividad térmica.

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Comparado con el Carburo de Tungsteno, el diamante es 1.5 veces más resistente a la compresividad y 100 veces más resistente a la

Desarrollo del Cortador PDC Diamante Sintético •

General Electric produjo los primeros diamantes sintéticos en 1956.

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Sometieron Carbón (en forma de Grafito) y Cobalto (catalizador) a muy alta temperatura (1,400-1,500 °C) y presión (1,500,000 psi).

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El Cobalto fundido disuelve el Grafito y deposita cristales de diamante en su lugar.

Desarrollo del Cortador PDC Compacto de Diamante Policristalino (PDC) En 1975 GE introdujo a la industria de perforación un elemento cortante de diamante sintético llamado Substrato de Carburo .110” STRATAPAX que podía ser usado en Brocas para cortar la roca. .330”

Capa de Diamante .020”

Desarrollo del Cortador PDC Compacto de Diamante Policristalino (PDC) • El PDC esta compuesto por una capa de cristales de diamante unidos formando una pastilla “pegada” a un substrato de Carburo de Tungsteno. • El PDC puede ser unido a un elemento portador para

Fabricación del PDC Para la fabricación de los cortadores PDC se utilizan las mismas prensas usadas para la obtención de los cristales de diamante (Correa, Tetraédrica o Cúbica).

Diagrama de la Prensa de Correa

Fabricación del PDC PRENSA CUBICA

Fabricación del PDC ESQUEMA DEL PROCESO DE FABRICACION DEL CORTADOR PDC

Fabricación del PDC •

El polvo de diamante de tamaño predeterminado de partículas, es colocado en un recipiente de metal refractario.

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El recipiente es hecho de Molibdeno de Zirconio que tiene un alto coeficiente de fusión.

Fabricación del PDC •

Una cantidad pre-determinada de polvo de diamante es colocada en el fondo del recipiente y encima de ésta se coloca un cilindro de carburo de tungsteno. El recipiente es sellado mecánicamente.

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Entonces es colocado dentro de un tubo “calentador” de grafito que contiene sal común que aisla el recipiente de la electricidad usada para producir la alta temperatura necesitada para el proceso.

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Varios componentes PDC pueden ser producidos por ciclo dependiendo del

Fabricación del PDC •

Este ensamblaje es ubicado dentro de un cubo hecho de Pirofilita que es un mineral con excelentes propiedades para transmitir la presión uniformemente.

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El cubo es pintado con óxido de hierro para proporcionar una superficie de alta fricción entre el cubo y los émbolos de la prensa.

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Durante el proceso de prensado el cubo forma unos salientes en las

Fabricación del PDC •

El ensamblaje es colocado en la prensa

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A una presión de 1,500,000 psi y una temperatura de ~1,400 °C ocurre la unión entre los cristales de diamante

Cristales de Diamante

Cristales de Diamante Unidos

Fabricación del PDC DIAGRAMA DE FASES DEL CARBON

Fabricación del PDC •

El cobalto contenido en el cilindro de carburo de tungsteno se filtra a través de los poros de los cristales formando un fuerte vínculo entre el substrato y la recién formada pastilla PDC resultando en un solo componente integral

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Después del ciclo de prensado, el cubo es destruido, el recipiente de metal refractario es abierto y el componente es limpiado y rectificado

Estabilidad Térmica del PDC •

La presencia del cobalto le confiere una limitación térmica al PDC la cual es considerablemente más baja que la del diamante natural

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Cuando el PDC es calentado, el cobalto se expande a 700 °C. La expansión del cobalto empieza a romper la unión entre las partículas de diamante resultando en una degradación térmica del PDC

Diamante Policristalino Térmicamente Estable (TSP) •

La estabilidad térmica del PDC es mejorada mediante la remoción del cobalto con ácido

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Con la ausencia del cobalto el PDC es térmicamente estable hasta una temperatura de 1,150 °C

Diamante Policristalino Térmicamente Estable (TSP) (cont.) El “TSP” es entonces cortado al tamaño y forma deseado de acuerdo a la aplicación •

El “TSP” no es humectable, por lo tanto no puede ser unido o “soldado” a un material de soporte, lo que limita su aplicación •

Resistencia al Impacto y a la Abrasividad •

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El diamante posee excelente resistencia a la abrasividad, pero es susceptible a daño por impactos. Los cortadores nuevos son muy susceptibles a daños por impacto debido a la concentración de esfuerzos residuales en el filo cortante.

Filo Diamante

Substrato

Resistencia al Impacto y a la Abrasividad El maquinado de un pequeño bisel reduce en alto grado los daños durante el establecimiento del patrón de fondo de la Broca (“breakin”) •

Bisel Diamante

Substrato

Resistencia al Impacto y a la Abrasividad •

Las propiedades mecánicas del PDC son dependientes del tamaño del grano y del volumen de cobalto.

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Granos de diamante grandes mejoran la resistencia al impacto pero disminuyen la resistencia a la abrasividad.

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Granos de diamante pequeños incrementan la resistencia a la