Dans les domaines industriels tels que le forage pétrolier et gazier et l'exploration géologique, le compact de diamant polycristallin (PDC) est devenu un matériau clé supportant des conditions de travail extrêmes en raison de sa dureté, de sa résistance à l'usure et de sa résistance aux chocs ultra-élevées. Les champs pétroliers et gaziers mondiaux ont une demande annuelle de PDC dépassant 4,5 milliards de dollars américains, et plus de 90 % de la superficie totale des forages pétroliers et gaziers est réalisée par des forets PDC. Cependant, les défis posés par les strates profondes et complexes - les roches abrasives à haute dureté -, les fortes charges d'impact et les températures élevées - poussent le PDC dans un « goulot d'étranglement » : faible taux de forage mécanique (ROP) du trépan, courte durée de vie, délaminage et écaillage faciles de la couche de diamant, et même défaillance par usure thermique, qui affectent sérieusement sa durée de vie et l'efficacité du forage.
En réponse à ce problème industriel, la technologie de traitement cryogénique a été explorée pour être appliquée à l’amélioration des performances du PDC. Le traitement cryogénique, qui consiste à soumettre les matériaux à un environnement inférieur à -130 degrés pour une « modification à très basse température », a déjà démontré des effets significatifs sur l'acier, les alliages d'aluminium et les outils en alliage dur : en précipitant les phases de renforcement et en optimisant les contraintes résiduelles, il a considérablement amélioré la résistance et la résistance à l'usure des matériaux. Alors, pour le PDC, un matériau composite « alliage dur + diamant », le traitement cryogénique peut-il surmonter le goulot d'étranglement de ses performances ?
Récemment, une méthode innovante de traitement cryogénique profond des plaques composites PDC a vu le jour. Cette méthode consiste à contrôler avec précision le taux de changement de température, à refroidir progressivement les plaques composites PDC jusqu'à -196 degrés et à les maintenir à cette température pendant 24 heures, puis à les réchauffer lentement à température ambiante. Ce processus est répété deux fois pour compléter le traitement cryogénique en profondeur. Les données expérimentales montrent qu'après un traitement cryogénique en profondeur, la microdureté du PDC augmente de 10,4 % (soit une augmentation de 5,3 GPa), la résistance à l'usure (mesurée par le taux d'usure) s'améliore de 11,8 % et la résistance aux chocs augmente de 79,4 % (d'environ 234 J à 420 J). Ces données démontrent directement l’amélioration significative des performances du PDC apportée par le traitement cryogénique en profondeur.
Fig . 1. Diagramme schématique d'un exemple de PDC.
Fig. 2. Diagramme schématique du système de traitement cryogénique CDW-196.
Fig. 3. Processus de traitement cryogénique.
Fig. 4. Diagramme schématique du test VTL.
Fig . 5. Diagramme schématique du test de résistance aux chocs PDC.
Fig. 6. Diagramme schématique des positions de test Raman sur la couche PCD.
Fig. 7. Photos des embouts PDC (à gauche) et du banc d'essai de forage (à droite).
Fig. 8. Microdureté du PDC non traité et traité cryogéniquement.
Fig. 9. Taux d'usure des PDC non traités et traités cryogéniquement.
Fig. 10. Usure à plat après 30 passages de (a) PDC non traité et (b) PDC traité cryogéniquement.
Fig. 11. Résultats des tests de résistance aux chocs d'un PDC non traité et traité cryogéniquement.
Fig. 12. Comparaison du ROP moyen de chaque aller-retour.
De plus, grâce à la méthode de test JB-T3235-1999 pour le taux d'usure des corps frittés en diamant synthétique, un test comparatif a été réalisé sur des feuilles composites PDC ayant subi un traitement cryogénique profond et sur celles qui ne l'avaient pas subi. Les résultats ont montré que le taux d'usure des feuilles composites PDC après traitement cryogénique en profondeur a diminué de 42 %, indiquant une amélioration significative de leur résistance à l'usure. Lors des tests de forage sur le terrain, le taux de forage mécanique des trépans PDC avec traitement cryogénique en profondeur a augmenté de 27,8 % et la nouveauté à la sortie du puits a augmenté de 35 %, vérifiant ainsi l'efficacité de la technologie de traitement cryogénique en profondeur pour améliorer les performances des trépans PDC.
Alors, comment le traitement cryogénique permet-il de réaliser ce saut de performance ? Les analyses par microscopie électronique à balayage (MEB), spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) et par diffraction des rayons X- (DRX) révèlent les changements dans sa microstructure : le traitement cryogénique déclenche la précipitation de plus de phases η-Co (la phase de renforcement du cobalt) et WC (carbure de tungstène), et les joints de grains deviennent "plus clairs et plus étroits", tissant un "filet de protection" plus dense au sein du matériau, améliorant sa résistance à l'usure. et stabilité thermique. Pendant ce temps, l'analyse par spectroscopie Raman montre que la contrainte de compression interne du PDC augmente considérablement après le traitement cryogénique, la contrainte de traction diminue ou même « s'inverse en contrainte de compression », et un grand nombre de « fissures intergranulaires » apparaissent. Cette redistribution des contraintes et cette transformation du mode de rupture sont précisément les mécanismes essentiels du progrès en matière de résistance aux chocs.
Le traitement cryogénique en profondeur à l'azote liquide améliore non seulement considérablement la dureté, la résistance à l'usure et la résistance aux chocs des plaques composites PDC, mais optimise également leur microstructure, améliorant considérablement leurs propriétés mécaniques et leurs performances de forage, apportant ainsi des changements révolutionnaires dans le domaine du forage pétrolier et gazier. Il a réussi une transformation efficace de la recherche en laboratoire vers les applications techniques. Cette technologie injecte une nouvelle vitalité dans les matériaux traditionnels et est devenue l’un des moyens importants pour surmonter le goulot d’étranglement en matière d’efficacité du forage profond.
