Auteur：Danny E. Scott--Les ingénieurs R&D de PDC Cutter sont originaires de Élément six

Élément sixfiliale du groupe De Beers, est un leader mondial dans le domaine du diamant synthétique et des matériaux superdurs. Basée au Royaume-Uni, elle développe et fabrique des produits tels que Fraises PDC, outils diamantés industriels et diamant monocristallin de qualité semi-conducteurL'Agence européenne pour la sécurité et la santé au travail (ESA) est au service d'industries allant du forage pétrolier et gazier à l'usinage de précision, en passant par l'électronique, la gestion thermique et les technologies quantiques.

Avec des décennies d'expertise dans la synthèse à haute pression et haute température (HPHT) et l'innovation en matière de matériaux avancés, Element Six est reconnu comme l'un des principaux pionniers mondiaux de l'industrie des fraises PDC, aux côtés d'US Synthetic.

Qu'est-ce qu'un cutter Pdc ?

La fraise PDC, dont le nom complet est Polycrystalline Diamond Compact Cutter, n'est pas un simple diamant, mais un matériau composite de haute performance.

Composition du matériau et avantages en termes de performances

En termes de composition des matériaux, les fraises PDC sont principalement composées de deux parties : une couche de poudre de diamant et une couche de substrat en carbure de tungstène. Imaginez le frittage de micropoudres de diamant sélectionnées avec un substrat de carbure de tungstène résistant à des températures et des pressions extrêmement élevées. Ce processus revient à doter le diamant d'une "armure" solide, qui améliore considérablement ses performances.

La résistance à l'usure et la dureté des dents de coupe traditionnelles en carbure sont souvent insuffisantes face à certaines formations extrêmes. L'apparition des fraises en PDC a complètement changé ces situations. La couche de diamant confère à la dent de coupe une dureté et une résistance à l'usure inégalées, ce qui signifie qu'elle peut conserver une durée de vie plus longue et une efficacité de forage plus élevée lors du forage dans des formations dures et très abrasives. Parallèlement, le substrat en carbure de tungstène offre une ténacité et une résistance aux chocs excellentes, empêchant efficacement les dents de coupe de s'ébrécher dans des conditions de travail complexes.

En termes simples, l'avantage de la fraise PDC est qu'elle combine la très grande dureté du diamant avec l'excellente ténacité du carbure de tungstène, créant ainsi un effet de synergie qui lui permet d'être performante dans des environnements de forage extrêmement difficiles.

Bien entendu, les fraises PDC se présentent sous diverses formes pour s'adapter aux différentes formations et aux besoins de forage.

Conception et application d'une fraise Pdc de différentes formes

A. Fraise planaire PDC

Concept de design : Il s'agit de notre forme de base la plus couramment utilisée. En termes simples, il s'agit de maximiser la zone de coupe afin de fournir une force de coupe stable et efficace. Cette conception permet de briser la roche de la manière la plus directe et la plus efficace dans les strates moyennes et dures.

Scénario d'application : à mon avis, il est synonyme d'efficacité de forage. Lorsque vous souhaitez forer rapidement et obtenir un taux de pénétration élevé, les dents plates sont souvent le premier choix.

Le défi de la recherche et du développement : Bien qu'il semble simple, il n'est pas facile de le rendre performant. Notre plus gros problème est l'uniformité de l'usure et la gestion de la stabilité thermique. Les mèches PDC sont soumises à une rotation à grande vitesse et à une pression élevée, et les dents de coupe génèrent beaucoup de chaleur. Comment dissiper efficacement la chaleur et éviter une surchauffe locale conduisant à une défaillance est un problème que nous avons surmonté. Dans le même temps, nous devons également régler avec précision l'angle de coupe et l'angle arrière afin d'optimiser les performances et de garantir un effet maximal dans différentes formations.

B. Fraise conique pour PDC

 Concept de conception : Par rapport au contact "superficiel" des dents de coupe planes, la fraise PDC conique se caractérise par sa géométrie tranchante, qui peut exercer une plus grande contrainte par unité de surface sur une zone de contact plus petite. Cette conception est destinée à mieux rompre les strates dures et denses.

 Scénario d'application : Lorsque nous sommes confrontés à des strates dures ou extrêmement abrasives, l'avantage de la résistance à l'impact de la fraise PDC conique est mis en évidence. Il permet de réduire efficacement le risque d'endommagement de la fraise PDC et de prolonger la durée de vie du trépan.

 Les défis de la recherche et du développement : La clé est de trouver le meilleur équilibre entre le tranchant et la résistance aux dommages. Nous voulons toujours le rendre plus tranchant, mais un tranchant excessif peut à son tour l'amener à se briser plus facilement sous l'effet d'un impact. Nous étudierons également différentes conicités, telles que les formes hémisphériques ou paraboliques, et ces changements géométriques subtils peuvent avoir un impact significatif sur l'efficacité de la coupe et la durée de vie.

C. Fraise PDC ovale/arc

Concept de design : Je pense personnellement que cette forme est la première combinaison intelligente des avantages du plan et du cône. La transition en forme d'arc peut offrir une plus grande résistance aux chocs et une durée de vie plus longue, tout en maintenant une bonne efficacité de coupe.

Scénarios d'application : formations complexes, formations alternées, situations très complexes. La fraise PDC ovale/arc peut réduire efficacement les vibrations pendant le forage et améliorer la stabilité du forage.

Défi de développement : Le contrôle précis de cette géométrie est essentiel. Nous devons veiller à ce que chaque arc, chaque surface puisse atteindre la meilleure répartition des contraintes, afin de tirer le meilleur parti de ses avantages. Par exemple, la conception du radian affectera directement l'effet de l'élimination des débris et l'auto-affûtage de la fraise PDC, qui sont des détails techniques importants que nous devons prendre en compte.

D. Fraise PDC à profil géométrique

Concept de conception : Ces fraises PDC sont souvent conçues avec de grands trous cérébraux, des géométries asymétriques ou complexes, et sont spécialement conçues pour répondre à des défis de forage spécifiques, tels que le besoin de meilleures capacités de coupe latérale, ou pour résoudre certains problèmes de torsion.

Scénario d'application : lors du guidage du forage, de l'élargissement du trou de forage ou de la rencontre de certaines formations spéciales, il est nécessaire de briser la méthode de coupe traditionnelle, la dent de coupe de forme spéciale sera très utile.

Défis en matière de recherche et de développement : La complexité du processus de fabrication est le principal défi. Ensuite, il faut beaucoup de calculs et d'expériences pour simuler avec précision sa force dans la formation et évaluer son mécanisme de rupture des roches. Par exemple, les dents de coupe avec des rainures, des bosses ou des arêtes polygonales modifient la façon dont les roches se brisent, mais l'optimisation de ces détails nécessite une analyse technique approfondie.