Insert anti-usure à haute teneur en diamant

S’il parait évident que la résistance à l’usure est proportionnelle à la teneur en diamant de l’insert diamanté, il existe une série de limitations rendant nécessaire d’optimiser la teneur en diamant.

Diarotech a ainsi étudié l’effet de la teneur en diamant de ses inserts sur leur résistance à l’usure, et ce afin de leur offrir le meilleur rapport performances/coûts.

Généralités sur la coupe et l’anti-usure

Le diamant est l’élément permettant de donner aux outils diamantés leurs pouvoirs de coupe et de résistance à l’usure.

Pour la coupe, il peut être bon de diminuer la teneur en diamant afin d’accroitre l’agressivité de l’outils (au détriment de sa durée de vie).

Le graphique ci-contre montre ainsi l’évolution du taux de pénétration (ROP) en fonction de la teneur volumique en diamant pour une roche et un liant donné dans des conditions de travail identique.

On y constate qu’une diminution de la teneur en diamant permet d’améliorer considérablement le taux de pénétration.

On va généralement travailler à plus forte teneur en diamant pour les applications nécessitant une bonne résistance à l’usure. En effet, l’augmentation de la teneur volumique en diamant a comme conséquence une augmentation de la surface diamantée et donc une diminution de la surface métallique (la matrice) en contact avec la roche. Ce qui a pour effet d’une part de limiter l’usure de la matrice et d’autre part de limiter le coefficient de friction entre l’outils et la paroi forée. On peut ainsi s’attendre à trouver une relation non-linéaire (exponentielle) entre la teneur en diamant et la résistance à l’usure.

Limitations technologiques

Il est donc tentant de vouloir maximiser la teneur en diamant dans l’outils, cependant plusieurs limitations apparaissent.

Premièrement, il existe une limite géométrique à la teneur en diamant admissible dans un outil. En effet, si l’on considère que les diamants sont sphériques et sont empilés de manière optimale (empilement dit « cubique à faces centrées ») on voit apparaitre une limite à 74% Vol. En pratique, la limite est autour de 67%.

Cependant, une telle teneur volumique en diamant laisse apparaître une grande fragilité dans les outils. En effet, ces empilements compactes ne peuvent être atteint que si les diamants sont en contact les uns avec les autres. Les diamants en contact formant ainsi des plans de ruptures privilégiées. En pratique, ces points de contact diamant-diamant augmentent considérablement au-delà d’une teneur volumique de 50%.

Finalement, La dernière limite technologique expliquant entre-autre l’augmentation du coût de ces inserts à haute teneur en diamant, est l’usure des matrices de préformations qui se trouve être considérablement augmentée à partir de 29% Vol. Cette limite au-delà de la quelle on augmente les contact diamant-matrice est mise en évidence dans le graphique ci-contre par démonstration géométrique et où R est la teneur volumique en diamant

Optimum trouvé

En tenant compte de toutes ces limites, Il apparait que la teneur volumique en diamant maximisant le rapport performances/coûts est de 40% !

En effet, cette teneur volumique permet de contenir l’usure des matrices dans des gammes acceptables tout en assurant une excellente résistance à l’usure et en garantissant une bonne résistance à la rupture.  

Comme le montre le faciès d’usure ci-contre. A cette teneur volumique on obtient une couverture surfacique très importante des diamants tout en évitant les points de contact diamant-diamant.

Evaluation de la résistance à l’usure

Afin d’évaluer au mieux la résistance à l’usure de ses inserts, Diarotech a développé un banc d’essai en interne permettant une caractérisation rapide et reproductible dont les résultats corrèlent avec ceux sur chantier.

En effet, les tests normés (G65 ASTM, G99ASTM, …) se trouvent ne pas être adapté à la caractérisation de matériaux composites et donnent des résultats qui ne sont pas en adéquation avec les observations de terrain. Ceci s’explique notamment par des conditions de tests très différentes des conditions réelles (WOB, RPM, débit de fluide, taux de charge du fluide, …). Le banc conçu intègre tout ces aspects et permet de faire de la mesure en temps réel de l’usure grâce à de la mesure de déplacement LASER.

Finalement, le graphique ci-contre expose les résultats d’essais d’usures réalisés sur les grands standards de l’anti-usure du secteur du forage pétrolier. On y met en évidence l’intérêt certain de la solution anti-usure de Diarotech qui offre comparativement des résistances à l’usure 4.000x plus importante qu’un insert carbure, 400x par rapport à un insert TSP et 10x par rapport à un imprégné à 25% volumique de diamant.