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Tribología de las rocas

TRIBOLOGÍA DE ROCAS

USO DEL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas de granos de minerales. El tipo y abundancia de estos minerales, así como la fuerza de los enlaces químicos entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. Dependiendo de los ciclos geológicos de las rocas, las rocas pueden sufrir transformaciones y normalmente se clasifican en tres tipos principales: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas exhiben diferentes composiciones minerales y químicas, permeabilidades y tamaños de partículas, y tales características contribuyen a su variada resistencia al desgaste. La tribología de rocas explora los comportamientos de desgaste y fricción de las rocas en diversas condiciones geológicas y ambientales.

IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA DE ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste de las rocas, incluidos la abrasión y la fricción, lo que provoca importantes pérdidas directas y consecuentes atribuidas a la reparación y sustitución de brocas y herramientas de corte. Por lo tanto, el estudio de la perforabilidad, la capacidad de perforación, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de tribología de rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficientes y rentables, mejorando así la eficiencia general y contribuyendo a la conservación de materiales, energía y medio ambiente. Además, minimizar la fricción de la superficie es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que resulta en un menor desgaste de la herramienta y una mejor eficiencia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos las propiedades tribológicas de dos tipos de rocas para mostrar la capacidad de la NANOVEA T50. Tribómetro en la medición del coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las rocas de forma controlada y monitorizada.

NANOVEA

T50

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LAS MUESTRAS

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca se evaluaron mediante el tribómetro NANOVEA T50 utilizando un módulo de desgaste de pasador sobre disco. Como contramaterial se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro). La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de prueba se resumen a continuación. 

La tasa de desgaste, K, se evaluó utilizando la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área de la sección transversal de la pista de desgaste, y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de la pista de desgaste se evaluaron con el perfilómetro óptico NANOVEA y la morfología de la pista de desgaste se examinó utilizando un microscopio óptico. 

Tenga en cuenta que en este estudio se utilizó como ejemplo la bola de Al2O3 como material de contador. Se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas utilizando un dispositivo personalizado para simular la situación de aplicación real.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

SUPERFICIE DE ACERO

Piedra caliza, Mármol

RADIO DEL ANILLO DE DESGASTE 5 mm
FUERZA NORMAL 10 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA 10 minutos
VELOCIDAD 100 rpm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de piedra caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del probador mecánico NANOVEA. La muestra de piedra caliza exhibió valores más bajos de H y E, midiendo 0,53 y 25,9 GPa, respectivamente, en contraste con el mármol, que registró valores de 1,07 para H y 49,6 GPa para E. La variabilidad relativamente mayor en los valores de H y E observada en la La muestra de piedra caliza se puede atribuir a su mayor falta de homogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca se muestra en la FIGURA 2. La piedra caliza inicialmente experimenta un rápido aumento en el COF a aproximadamente 0,8 al comienzo de la prueba de desgaste, manteniendo este valor durante toda la prueba. Este cambio abrupto en el COF se puede atribuir a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, como resultado de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que ocurre en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. En contraste, la muestra de mármol exhibe un aumento notable en COF a valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa su resistencia al desgaste superior en comparación con la piedra caliza.

FIGURA 1: Comparación de dureza y módulo de Young entre muestras de piedra caliza y mármol.

FIGURA 2: Evolución del Coeficiente de Fricción (COF) en muestras de piedra caliza y mármol durante ensayos de desgaste.

La FIGURA 3 compara los perfiles transversales de las muestras de piedra caliza y mármol después de las pruebas de desgaste, y la Tabla 1 resume los resultados del análisis de la huella de desgaste. La FIGURA 4 muestra las huellas de desgaste de las muestras bajo el microscopio óptico. La evaluación de la huella de desgaste se alinea con la observación de la evolución del COF: la muestra de mármol, que mantiene un COF bajo durante un período más largo, exhibe una tasa de desgaste más baja de 0,0046 mm³/N m, en comparación con 0,0353 mm³/N m para la piedra caliza. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su mejor resistencia al desgaste que la piedra caliza.

FIGURA 3: Perfiles de sección transversal de las pistas de desgaste.

ZONA DEL VALLE PROFUNDIDAD DEL VALLE TASA DE DESGASTE
CALIZA 35,3±5,9 × 104 µm2 229±24 micras 0,0353 milímetros3/Nuevo Méjico
MÁRMOL 4,6 ± 1,2 × 104 µm2 61±15 micras 0,0046 milímetros3/Nuevo Méjico

TABLA 1: Resumen de resultados del análisis de la pista de desgaste.

FIGURA 4: Huellas de desgaste bajo el microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro NANOVEA para evaluar el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca, a saber, mármol y piedra caliza, de forma controlada y monitoreada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta la perforación o el corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, su vida útil se prolonga significativamente cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como por ejemplo las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de prueba de desgaste y fricción precisas y repetibles, cumpliendo con los estándares ISO y ASTM tanto en modo rotativo como lineal. Además, proporciona módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todos perfectamente integrados en un solo sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar la gama completa de propiedades tribológicas de recubrimientos, películas, sustratos y tribología de rocas delgadas o gruesas, blandas o duras.

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