У техніці буріння для розвідки та розробки нафти і газу бурове долото, як інструмент для безпосереднього руйнування пластів, безпосередньо визначає ефективність буріння та експлуатаційні витрати. З моменту появи в 1970-х роках різець Polycrystalline Diamond Compact (PDC) з його чудовою зносостійкістю та здатністю до різання поступово став основним технологічним компонентом у галузі буріння нафти та газу, змінивши технологічну парадигму буріння твердих порід.
Фреза PDC — це, по суті, компонент із над-композитного матеріалу. Його основна структура складається з поверхневого полікристалічного алмазного шару та матриці цементованого карбіду, спеченої під високою температурою та високим тиском. Полікристалічний алмазний шар, утворений шляхом спікання частинок алмазу мікрон-розміру через металевий каталізатор для створення безперервної три-вимірної мережевої структури, має твердість, близьку до твердості природного алмазу (твердість за Віккерсом досягає 8000–10000 HV), і чудову термічну стабільність. Матриця з цементованого карбіду забезпечує механічну підтримку та ударну в’язкість, пом’якшуючи високочастотні ударні навантаження, які несе алмазний шар під час свердління. Ця «жорстка-гнучка» композитна конструкція дозволяє фрезі PDC ефективно зрізати м’які та середньо{11}}тверді утворення за допомогою гострої ріжучої кромки, а також протистояти стиранню та ударам твердих порід. Це долає обмеження традиційних бурових коронок із карбіду вольфраму, які страждають від низької ефективності буріння та короткого терміну служби у твердих породах.
Що стосується принципу роботи, фреза PDC відмовляється від ударного-режиму дроблення шарошечних бурових коронок, використовуючи механізм безперервного скребка та зсуву-руйнування породи. Коли бурове долото обертається та просувається, алмазний шар фрези PDC прилипає до поверхні породи на дні свердловини під постійним тиском. Зсувна сила, створювана високо-швидкісним відносним рухом, викликає пластичну деформацію та мікро-поширення тріщин у породі, зрештою розбиваючи її на фрагменти. Порівняно з ударним-дробленням режим скребка значно зменшує споживання енергії, особливо в однорідних пісковиках, глинистих сланцях і деяких вапнякових утвореннях, досягаючи вищої швидкості проникнення (ROP) і нижчого коефіцієнта споживання енергії. Експериментальні дані показують, що за тих самих умов середня механічна швидкість свердління свердла PDC може досягати в 2-5 разів більше, ніж у свердла з шарошечними бурами, а ширина свердла може бути збільшена в 3-10 разів, що значно скорочує цикл свердління.
Переваги продуктивності різців PDC тісно пов’язані з їх геометричними параметрами. Форму (круглу, конічну, сокироподібну-і т. д.), діаметр, товщину алмазного шару та висоту ріжучої кромки різця потрібно налаштовувати відповідно до характеристик утворення: для твердих і крихких утворень використовуються різці малого-діаметра з товстими алмазними шарами для підвищення ударостійкості; для м’яких і пластичних утворень вибираються фрези великого-діаметра з тонкими алмазними шарами, щоб підвищити ефективність різання. Крім того, щільність зубів і розташування різця (наприклад, радіального або спірального) повинні відповідати профілю коронки бурового долота, щоб забезпечити рівномірне покриття на дні свердловини та зменшити повторне різання та нерівномірний знос.
За десятиліття технологічних ітерацій різці PDC перетворилися з єдиного камене-елемента в системний інженерний проект, який об’єднує матеріалознавство, механічне проектування та виробничі процеси. Його широке застосування в бурінні нафти та газу не лише сприяло розвитку технологій буріння глибоких, над-свердловин і складних пластів, але також стало ключовою підтримкою для зниження витрат на розвідку та розробку та підвищення ефективності отримання енергії. У майбутньому, з розвитком наноалмазної композитної технології та градуйованих функціональних процесів підготовки матеріалів, межі продуктивності різців PDC продовжуватимуть розширюватися, забезпечуючи міцнішу підтримку інструменту для розробки нафтових і газових ресурсів у екстремальних геологічних умовах.
