Development of a new light weight and low cost drill bits for geothermal drilling and related applications

Arbeidet med å kvalifisere og teste resirkulering av infiltrert hardmetall-pulver er ferdig. Det resirkulerte pulveret er en sterk kandidat som et lav-kost materiale. Den utviklede teknologien muliggjør betydelige besparelser i material-kost. Dette har blitt bekreftet av en studie av effekten av å skalere opp prosessen til relevante produksjonsvolum. Arbeidet med å kvalifisere og teste stål-pulver som en kandidat til lav-kost materialet har resultert i en pulver / bindemetall kombinasjon med akseptabel kvalitet. Material-kombinasjonen har blitt produksjons-testet på komponenter i full størrelse, men forbedringer av slitestyrke (erosjon og abrasjon) er nødvendig. For a bedre slitestyrken utvikles det en belegningsteknikk som kan benyttes både eksternt og internt (innvendige strømningsveier). Belegget kan inneholde en høy fraksjon av harde partikler. Det fokuseres nå på å kunne belegge komplekse / innvendige geometrier med et slikt slitesterkt belegg. Det er opnådd gode resultater i slitasjetester med belegg som inneholder harde partikler. Belegging av innvendige geometrier har blitt tested på mindre komponenter. Infiltreringsforsøkene med Cu-Ti-Sn legering i prøver av alumina gav begrenset metallinntrengning. Imidlertid fuktet metallet grafittformen, en effekt som er lite ønskelig siden det gjør det enda vanskeligere å fjerne grafitten fra borkronematerialet. Ved å justere bindfasen i det porøse keramet med tilsats av CuO og titan metall ble det oppnådd inntrengning av Cu og Mn til en dybde av 4-6 mm ved 1200 °C på prøver som var forsintret ved 1200°C i luft før infiltreringssyklusen. En stor utfordring er temperaturbergrensningen som er satt i prosjektet. For å oppnå full metallinntrengning i de nye keramsystemene er det mulig at temperaturen må økes 200-300°C over den som brukes i dag. Det er utført forsøk med alumina og en Cu-Mn-Ni legering der bindfasen i aluminasystemet ble tilsatt titan i tillegg til CuO for å bedre fuktingsegenskapene og øke graden av metallinntrengning. Resultatet ble at metallet fuktet keramet godt, men samtidig ble en for stor del av keramet løst opp pga. for kraftig reaksjon mellom alumina og metallegeringen som ble brukt. For å løse dette problemet må infiltreringstemperaturen begrenses til ca. 1200°C og en helt ny metallegering som reagerer mindre med alumina må utvikles. Det er også utført forsøk med samme system som LD bruker i dag (WC/metall) for å verifisere metoden som brukes ved SINTEF i utviklingen av de nye metall/keram systemene. Forsøkene med wolframkarbid resulterte i fullstendig metallinntrengning og viser at metoden som brukes er god nok. Det er utført analyser og karakterisering av mikrostrukturen i borekronemateriale basert på ny wolframkarbid og på resirkulert wolframkarbid. Prøvematerialene ble framstilt ved SINTEF. Analysene viser at bindingen mellom resirkulert wolframkarbid og bindemetallet synes vel så god som for ny wolframkarbid. Tester utført av Lyng Drilling på prototyper laget med resirkulert wolframkarbid fungerer like bra eller bedre enn borkroner laget med ny wolframkarbid. For å bedre slitasjestyrken på stålbits er det aktuelt å blande inn mikropartikler av harde keramer (karbider, nitrider, borider, oksider). Innblanding av keramer kan kreve endringer i sammensetningen av bindemetallet. Dersom segrergering mellom stål- og kerampartikler blir et problem kan mekanisk legrering bli aktuelt, f.eks. ved å bruke en attrittormølle. I første omgang vil det kjøres forsøk uten mekanisk legering. Det er søkt Norges Forskningsråd om støtte til å utføre slike eksperimenter. LoCodrillbitprosjektet er nå avsluttet.

The main objective of the project is to develop new high performance low weight and low cost drill bits for the geothermal drilling market. The project will be run as a cooperative project between Lyng Drilling AS (LD) and SINTEF Materials and Chemistry ( SMC). It will last for 4 years with a total funding from RCN of 4 MNOK. LD is one of the leading manufacturers worldwide of advanced high performance drill bits for oil well drilling and intend to develop drill bits for the growing renewable geothermal e nergy market. Due to very high drilling cost this market demands low cost drill bits. If successful, the present project is expected to put LD on the map in the geothermal drill segment. By utilizing the long experience of LD and their mother company Schl umberger Ltd., and the expertise at SMC on net shape ceramics processing, testing and analysis the project will hopefully result in new drill bit materials and new manufacturing processes. The new technology is expected to significantly reduce the cost of drill bits. Based on a review of materials developed for drilling, crushing, grinding and tribology markets as well as the latest developments in net shape forming of ceramic based products, a series of candidate materials will be manufactured. The n ew materials will be tested in a specialized screening test in order to select the best candidates for further processing. The preferred materials will be used to make full scale prototype drill bits for drilling tests. The best of the materials that pas the drilling tests will form the basis for LDs efforts in the geothermal market