W technice wiertniczej w poszukiwaniu i zagospodarowaniu złóż ropy naftowej i gazu wiertło, jako narzędzie do bezpośredniego rozbijania formacji, bezpośrednio determinuje wydajność wiercenia i koszty operacyjne. Od czasu wprowadzenia na rynek w latach 70. XX w. frez polikrystaliczny Diamond Compact (PDC), charakteryzujący się doskonałą odpornością na zużycie i zdolnością skrawania, stopniowo stał się głównym elementem technologicznym w dziedzinie wierceń ropy i gazu, zmieniając paradygmat technologiczny wierceń w twardych skałach.
Frez PDC to zasadniczo-bardzo twardy komponent z materiału kompozytowego. Jego podstawowa struktura składa się z powierzchniowej warstwy polikrystalicznego diamentu i osnowy z węglika spiekanego, spiekanej w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Warstwa polikrystalicznego diamentu, utworzona przez spiekanie cząstek diamentu-wielkości mikronów za pomocą metalowego katalizatora w celu utworzenia ciągłej trójwymiarowej-struktury sieciowej, ma twardość zbliżoną do naturalnego diamentu (twardość Vickersa sięga 8000–10000 HV) i doskonałą stabilność termiczną. Osnowa z węglika spiekanego zapewnia wsparcie mechaniczne i udarność, łagodząc obciążenia udarowe o wysokiej-częstotliwości przenoszone przez warstwę diamentu podczas wiercenia. Ta „sztywna-elastyczna” konstrukcja kompozytowa umożliwia frezowi PDC skuteczne ścinanie miękkich i średniotwardych-formacji za pomocą ostrej krawędzi tnącej, a jednocześnie jest odporna na ścieranie i uderzenia twardej skały. Eliminuje to ograniczenia tradycyjnych wierteł z węglika wolframu, które charakteryzują się niską wydajnością wiercenia i krótką żywotnością w twardych formacjach.
Jeśli chodzi o zasadę działania, frez PDC rezygnuje z trybu{{0}kruszenia udarowego wierteł stożkowych, wykorzystując mechanizm ciągłego zgarniania i łamania skały-ścinająco. W miarę obracania się i przesuwania wiertła warstwa diamentu frezu PDC przylega do powierzchni skały na dnie odwiertu pod stałym ciśnieniem. Siła ścinająca generowana przez ruch względny-z dużą prędkością powoduje odkształcenie plastyczne i propagację mikro-pęknięć w skale, ostatecznie rozbijając ją na fragmenty. W porównaniu do kruszenia-udarowego, tryb zgarniania znacznie zmniejsza zużycie energii, szczególnie w przypadku jednorodnych formacji piaskowca, łupków i niektórych wapieni, osiągając wyższy współczynnik penetracji (ROP) i niższe wskaźniki zużycia energii. Dane eksperymentalne pokazują, że w tych samych warunkach średnia prędkość wiercenia mechanicznego wierteł PDC może osiągnąć od 2 do 5 razy większą niż w przypadku wierteł stożkowych rolkowych, a ilość materiału na wiertło może zostać zwiększona od 3 do 10 razy, co znacznie skraca cykl wiercenia.
Zalety użytkowe frezów PDC są ściśle związane z ich konstrukcją parametrów geometrycznych. Kształt (okrągły, stożkowy,-w kształcie siekiery itp.), średnicę, grubość warstwy diamentu i wysokość krawędzi tnącej frezu należy dostosować do charakterystyki formowania: w przypadku formacji twardych i kruchych stosuje się frezy o małej-średnicy z grubymi warstwami diamentu, aby zwiększyć odporność na uderzenia; w przypadku formacji miękkich i plastycznych wybiera się frezy-o dużej średnicy z cienkimi warstwami diamentu, aby poprawić wydajność cięcia. Ponadto gęstość zębów i układ frezu (promieniowy lub spiralny) muszą odpowiadać profilowi korony wiertła, aby zapewnić równomierne pokrycie dna studni i ograniczyć powtarzające się cięcia i nierównomierne zużycie.
W ciągu dziesięcioleci iteracji technologicznych frezy PDC ewoluowały od pojedynczego-elementu do kruszenia skał w projekt inżynierii systemowej integrujący materiałoznawstwo, projektowanie mechaniczne i procesy produkcyjne. Jego szerokie zastosowanie w odwiertach ropy i gazu nie tylko przyczyniło się do rozwoju technologii wierceń w przypadku odwiertów głębokich,-ultragłębokich i złożonych formacji, ale stało się także kluczowym wsparciem w ograniczaniu kosztów poszukiwań i zagospodarowania złóż oraz poprawie efektywności pozyskiwania energii. W przyszłości, wraz z rozwojem technologii kompozytów nanodiamentowych i stopniowanymi procesami funkcjonalnego przygotowania materiału, granice wydajności frezów PDC będą nadal się poszerzać, zapewniając silniejsze wsparcie narzędziowe dla zagospodarowania zasobów ropy i gazu w ekstremalnych warunkach geologicznych.
