Mecanismo de corte y fabricación del cortador PDC

MECANISMO DE CORTEMECANISMO DE CORTEY FABRICACION DEL Y FABRICACION DEL

CORTADOR PDCCORTADOR PDC

MECANISMO DE CORTEMECANISMO DE CORTEY FABRICACION DEL Y FABRICACION DEL

CORTADOR PDCCORTADOR PDC

Mecanismos de CorteMecanismos de CorteMecanismos de CorteMecanismos de Corte

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

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

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

Las Brocas de conos Las Brocas de conos perforan triturando y perforan triturando y quebrando la roca.quebrando la roca.

Requieren de altos Requieren de altos pesos para hacer que la pesos para hacer que la roca falle.roca falle. Broca de Conos - TrituradoBroca de Conos - Triturado


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

Normalmente requieren altas Normalmente requieren altas RPM para compensar el poco RPM para compensar el poco volumen de cortes generados volumen de cortes generados por revolución. por revolución.


Broca de Diamante NaturalBroca de Diamante NaturalRaspado/AradoRaspado/Arado

El cortador PDC corta la El cortador PDC corta la formación por cizallamiento.formación por cizallamiento.

El cizallado es el mecanismo de El cizallado es el mecanismo de corte más eficiente si se corte más eficiente si se compara con los otros compara con los otros mecanismos a idénticas mecanismos a idénticas condiciones operacionales y condiciones operacionales y con la misma formación. con la misma formación.

Broca PDC - CizalladoBroca PDC - Cizallado


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

Auto-Afilado del Cortador PDCAuto-Afilado del Cortador PDC


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

El mecanismo de Auto-Afilado El mecanismo de Auto-Afilado del cortador PDC ayuda a del cortador PDC ayuda a mantener el nivel de eficiencia. mantener el nivel de eficiencia. Auto-Afilado del Cortador PDCAuto-Afilado del Cortador PDC


Propiedades del DiamantePropiedades del Diamante

Es el material más duro conocido por el hombre.Es el material más duro conocido por el hombre.

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

Comparado con el Carburo de Tungsteno, el diamante Comparado con el Carburo de Tungsteno, el diamante es 1.5 veces más resistente a la compresividad y 100 es 1.5 veces más resistente a la compresividad y 100 veces más resistente a la abrasividad. La única veces más resistente a la abrasividad. La única desventaja: Baja Resistencia al Impacto.desventaja: Baja Resistencia al Impacto.

Desarrollo del Cortador PDCDesarrollo del Cortador PDCDesarrollo del Cortador PDCDesarrollo del Cortador PDC

Diamante Sintético Diamante Sintético

General Electric produjo los primeros diamantes General Electric produjo los primeros diamantes sintéticos en 1956.sintéticos en 1956.

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

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


Compacto de Diamante Policristalino (PDC)Compacto de Diamante Policristalino (PDC)

En 1975 GE introdujo a la industria de perforación un En 1975 GE introdujo a la industria de perforación un elemento cortante de diamante sintético llamado elemento cortante de diamante sintético llamado STRATAPAX que podía ser usado en Brocas para cortar STRATAPAX que podía ser usado en Brocas para cortar la roca.la roca.

Substrato de Carburo .110”

Capa de Diamante .020”

.330”


Compacto de Diamante Policristalino (PDC)Compacto de Diamante Policristalino (PDC)

El PDC esta compuesto por una capa de El PDC esta compuesto por una capa de cristales de diamante unidos formando cristales de diamante unidos formando una pastilla “pegada” a un substrato de una pastilla “pegada” a un substrato de Carburo de Tungsteno.Carburo de Tungsteno.

El PDC puede ser unido a un elemento El PDC puede ser unido a un elemento portador para facilitar su instalación a la portador para facilitar su instalación a la Broca.Broca.


Fabricación del PDCFabricación del PDC

Diagrama de la Prensa de Correa

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

PRENSA CUBICAPRENSA CUBICA


ESQUEMA DEL PROCESO DE FABRICACION DEL CORTADOR ESQUEMA DEL PROCESO DE FABRICACION DEL CORTADOR PDCPDC


El polvo de diamante de tamaño El polvo de diamante de tamaño pre-determinado de partículas, es pre-determinado de partículas, es colocado en un recipiente de colocado en un recipiente de metal refractario. metal refractario.

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

La forma del recipiente determina La forma del recipiente determina la forma final del compacto. la forma final del compacto.


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

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

Varios componentes PDC pueden ser producidos por ciclo Varios componentes PDC pueden ser producidos por ciclo dependiendo del tamaño de los componentes.dependiendo del tamaño de los componentes.


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

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

Durante el proceso de prensado el cubo forma unos Durante el proceso de prensado el cubo forma unos salientes en las aristas del cubo que previenen el salientes en las aristas del cubo que previenen el contacto entre los émbolos y evitan su rotura.contacto entre los émbolos y evitan su rotura.


El ensamblaje es colocado en la prensaEl ensamblaje es colocado en la prensa

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

Cristales de Diamante Cristales de Diamante Unidos


DIAGRAMA DE FASES DEL CARBON


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

Después del ciclo de prensado, el cubo es destruido, Después del ciclo de prensado, el cubo es destruido, el recipiente de metal refractario es abierto y el el recipiente de metal refractario es abierto y el componente es limpiado y rectificado a las componente es limpiado y rectificado a las dimensiones específicas.dimensiones específicas.


Estabilidad Térmica del PDCEstabilidad Térmica del PDC

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

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

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

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

Diamante Policristalino Diamante Policristalino Térmicamente Estable (TSP)Térmicamente Estable (TSP)

El “TSP” es entonces cortado al tamaño y forma El “TSP” es entonces cortado al tamaño y forma deseado de acuerdo a la aplicacióndeseado de acuerdo a la aplicación

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

Diamante Policristalino Diamante Policristalino Térmicamente Estable (TSP)Térmicamente Estable (TSP)

(cont.)(cont.)

El diamante posee excelente resistencia a la El diamante posee excelente resistencia a la abrasividad, pero es susceptible a daño por abrasividad, pero es susceptible a daño por impactos.impactos.

Los cortadores nuevos son muy Los cortadores nuevos son muy susceptibles a daños por impacto debido a susceptibles a daños por impacto debido a la concentración de esfuerzos residuales en la concentración de esfuerzos residuales en el filo cortante.el filo cortante.

Substrato

Diamante

Filo

Resistencia al ImpactoResistencia al Impactoy a la Abrasividady a la Abrasividad


Substrato

Diamante

Bisel El maquinado de un pequeño bisel El maquinado de un pequeño bisel reduce en alto grado los daños durante el reduce en alto grado los daños durante el establecimiento del patrón de fondo de la establecimiento del patrón de fondo de la Broca (“break-in”)Broca (“break-in”)



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

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

Granos de diamante pequeños incrementan la Granos de diamante pequeños incrementan la resistencia a la abrasividad pero disminuyen la resistencia a la abrasividad pero disminuyen la resistencia al impacto.resistencia al impacto.



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