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Tribologie des roches

TRIBOLOGIE ROCHE

UTILISATION DU TRIBOMÈTRE NANOVEA

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Les roches sont composées de grains de minéraux. Le type et l'abondance de ces minéraux, ainsi que la force de liaison chimique entre les grains minéraux, déterminent les propriétés mécaniques et tribologiques des roches. En fonction des cycles géologiques des roches, les roches peuvent subir des transformations et sont généralement classées en trois grands types : ignées, sédimentaires et métamorphiques. Ces roches présentent différentes compositions minérales et chimiques, perméabilités et tailles de particules, et ces caractéristiques contribuent à leur résistance à l'usure variée. La tribologie des roches explore les comportements d'usure et de friction des roches dans diverses conditions géologiques et environnementales.

IMPORTANCE DE LA TRIBOLOGIE ROCK

Divers types d'usure des roches, notamment l'abrasion et la friction, se produisent pendant le processus de forage des puits, entraînant d'importantes pertes directes et consécutives attribuées à la réparation et au remplacement des trépans et des outils de coupe. Par conséquent, l’étude de la forabilité, de la forabilité, de la découpabilité et de l’abrasivité des roches est essentielle dans les industries pétrolière, gazière et minière. La recherche en tribologie des roches joue un rôle central dans la sélection des stratégies de forage les plus efficaces et les plus rentables, améliorant ainsi l'efficacité globale et contribuant à la conservation des matériaux, de l'énergie et de l'environnement. De plus, minimiser le frottement de surface est très avantageux pour réduire l'interaction entre le trépan de forage et la roche, ce qui entraîne une diminution de l'usure de l'outil et une efficacité de forage/coupe améliorée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons simulé et comparé les propriétés tribologiques de deux types de roches pour mettre en valeur la capacité du NANOVEA T50 Tribomètre en mesurant le coefficient de frottement et le taux d'usure des roches de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

EN SAVOIR PLUS

LES ÉCHANTILLONS

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement, COF et la résistance à l'usure de deux échantillons de roche ont été évalués par le tribomètre NANOVEA T50 à l'aide du module d'usure Pin-on-Disc. Une bille d'Al2O3 (diamètre 6 mm) a été utilisée comme contre-matériau. La trace d'usure a été examinée à l'aide du profilomètre sans contact NANOVEA après les tests. Les paramètres de test sont résumés ci-dessous. 

Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(F×s)=A/(F×n), où V est le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de la section transversale de la piste d'usure, et n est le nombre de tours. La rugosité de la surface et les profils des traces d'usure ont été évalués avec le profilomètre optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique. 

Veuillez noter que la bille Al2O3 comme matériau de comptoir a été utilisée comme exemple dans cette étude. N'importe quel matériau solide de formes différentes peut être appliqué à l'aide d'un dispositif personnalisé pour simuler la situation réelle de l'application.

PARAMÈTRES D'ESSAI

SURFACE EN ACIER

Calcaire, Marbre

RAYON DE L'ANNEAU D'USURE 5 mm
FORCE NORMALE 10 N
DURÉE DU TEST 10 minutes
VITESSE 100 tr/min

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La dureté (H) et le module élastique (E) des échantillons de calcaire et de marbre sont comparés dans la FIGURE 1, en utilisant le module Micro Indentation du testeur mécanique NANOVEA. L'échantillon de calcaire présentait des valeurs H et E inférieures, mesurant respectivement 0,53 et 25,9 GPa, contrairement au marbre, qui enregistrait des valeurs de 1,07 pour H et 49,6 GPa pour E. La variabilité relativement plus élevée des valeurs H et E observée dans le L'échantillon de calcaire peut être attribué à sa plus grande inhomogénéité de surface, provenant de ses caractéristiques granulées et poreuses.

L'évolution du COF lors des essais d'usure des deux échantillons de roche est représentée dans la FIGURE 2. Le calcaire connaît initialement une augmentation rapide du COF jusqu'à environ 0,8 au début de l'essai d'usure, maintenant cette valeur pendant toute la durée de l'essai. Ce changement brusque du COF peut être attribué à la pénétration de la bille d'Al2O3 dans l'échantillon de roche, résultant d'un processus rapide d'usure et de rugosité se produisant au niveau de la face de contact à l'intérieur de la piste d'usure. En revanche, l’échantillon de marbre présente une augmentation notable du COF jusqu’à des valeurs plus élevées après environ 5 mètres de distance de glissement, ce qui signifie sa résistance à l’usure supérieure à celle du calcaire.

FIGURE 1: Comparaison de la dureté et du module d'Young entre des échantillons de calcaire et de marbre.

FIGURE 2 : Evolution du Coefficient de Friction (COF) dans des échantillons de calcaire et de marbre lors d'essais d'usure.

La FIGURE 3 compare les profils en coupe transversale des échantillons de calcaire et de marbre après les tests d'usure, et le tableau 1 résume les résultats de l'analyse des traces d'usure. La FIGURE 4 montre les traces d'usure des échantillons au microscope optique. L'évaluation de la trace d'usure s'aligne sur l'observation de l'évolution du COF : l'échantillon de marbre, qui maintient un faible COF pendant une période plus longue, présente un taux d'usure inférieur de 0,0046 mm³/N·m, contre 0,0353 mm³/N·m pour le calcaire. Les propriétés mécaniques supérieures du marbre contribuent à sa meilleure résistance à l’usure que le calcaire.

FIGURE 3 : Profils en coupe des traces d'usure.

ZONE DE LA VALLÉE PROFONDEUR DE LA VALLÉE TAUX D'USURE
CALCAIRE 35,3 ± 5,9 × 104 µm2 229 ± 24 μm 0,0353 mm3/Nm
MARBRE 4,6 ± 1,2 × 104 µm2 61 ± 15 μm 0,0046 mm3/Nm

TABLEAU 1 : Résumé des résultats de l’analyse des traces d’usure.

FIGURE 4 : Traces d'usure au microscope optique.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons présenté la capacité du tribomètre NANOVEA à évaluer le coefficient de frottement et la résistance à l'usure de deux échantillons de roche, à savoir le marbre et le calcaire, de manière contrôlée et surveillée. Les propriétés mécaniques supérieures du marbre contribuent à sa résistance exceptionnelle à l’usure. Cette propriété rend difficile le forage ou la coupe dans l’industrie pétrolière et gazière. À l’inverse, il prolonge considérablement sa durée de vie lorsqu’il est utilisé comme matériau de construction de haute qualité, comme les carreaux de sol.

Les tribomètres NANOVEA offrent des capacités de test d'usure et de friction précises et reproductibles, conformes aux normes ISO et ASTM en modes rotatif et linéaire. De plus, il fournit des modules optionnels pour l'usure à haute température, la lubrification et la tribocorrosion, le tout parfaitement intégré dans un seul système. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films, substrats fins ou épais, souples ou durs, et de la tribologie des roches.

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