Fiind elementul de rupere a pietrei-miezului burghiilor moderni, frezele PDC pentru petrol și gaze nu sunt formate pur și simplu dintr-un singur material, ci mai degrabă dintr-un sistem compozit bazat pe proprietăți mecanice complementare și integrare funcțională. Prin combinația organică a unui strat de diamant și a unei matrice de carbură cimentată, și controlul precis al mai multor parametri de rezistență la uzură, îndeplinesc cerințele extreme ale construcției geometrice. medii de foraj, luând în considerare, de asemenea, rezistența la impact și stabilitatea termică, formând un avantaj structural de „combinare a rigidității și flexibilității, a atacului și a apărării”.
Structura principală a frezei PDC poate fi împărțită în două componente principale: stratul funcțional de suprafață și stratul suport al matricei. Stratul de suprafață este un strat de diamant policristalin, format prin sinterizarea particulelor de diamant cu un diametru de câțiva micrometri până la zeci de micrometri cu un catalizator metalic (de obicei cobalt, nichel sau aliajele acestora) la temperatură ridicată (aproximativ 1400–1600 grade) și presiune înaltă (aproximativ 5–8 GPa5). Particulele de diamant, sub acțiune catalitică, se blochează pentru a forma o structură cristalină de rețea tri-dimensională continuă, conferind acestui strat duritate și rezistență la uzură extrem de ridicate, permițându-i să taie și să forfecare direct formațiunile de rocă din fundul gropii. Simultan, diamantul în sine posedă o conductivitate termică excelentă și un coeficient scăzut de dilatare termică, menținând stabilitatea dimensională la temperaturile ridicate instantanee generate în timpul tăierii cu viteză mare-și atenuând daunele termice. Stratul suport al matricei este realizat din carbură de tungsten-cobalt cimentată, cu carbură de tungsten ca cadru și cobalt ca fază de liant, având atât o rezistență ridicată la compresiune, cât și un anumit grad de tenacitate. Acest lucru îi permite să absoarbă și să disperseze forțele de reacție și încărcările de impact din fundul puțului, prevenind fracturarea sau desprinderea stratului de diamant din cauza fragilității excesive. Prin lipirea metalurgică se formează o interfață robustă între cele două straturi, asigurând un transfer eficient de sarcină între straturi fără eșecuri de delaminare.
În ceea ce privește geometria, forma și dimensiunile frezei PDC au fost riguros optimizate pentru a se adapta la diferite condiții de găurire. Formele obișnuite includ forme circulare, conice, în formă de topor-și neregulate în trepte, frezele circulare fiind utilizate pe scară largă datorită tensiunii lor circumferențiale uniforme și procesului de fabricație matur. Diametrul variază de obicei între 8 și 19 mm și poate fi selectat în funcție de dimensiunea burghiului și duritatea formării. Grosimea stratului de diamant este în general de 0,5 până la 2,0 mm; Grosimea crescută îmbunătățește durata de viață la uzură, dar poate reduce rezistența la fisuri în medii cu impact puternic. Înălțimea proeminenței (distanța la care iese stratul de diamant de suprafața matricei) determină adâncimea de tăiere și spațiul de îndepărtare a așchiilor. O înălțime prea mare poate provoca cu ușurință daune prin impact, în timp ce o înălțime prea mică reduce eficiența tăierii; trebuie să se potrivească în funcție de indicele de foraj al formației.
Dispunerea frezelor este, de asemenea, crucială în designul general al burghiului. Mai multe freze PDC sunt aranjate într-o matrice radială sau elicoidală pe coroana burghiului. Distanța și unghiul fiecărei freze sunt coordonate cu curba profilului coroanei pentru a obține o acoperire completă a găurii de tăiere și pentru a reduce zona de impact repetat. Dispunerea dintilor cu densitate mare-poate crește rata de rupere a rocii, dar crește riscul acumulării de căldură în matrice și concentrarea tensiunilor; Dispunerea dinților cu densitate redusă-este benefică pentru disiparea căldurii și tamponarea impactului, dar poate reduce viteza de foraj mecanic. Prin urmare, designul structural trebuie să atingă un echilibru între eficiența tăierii, capacitatea de disipare a căldurii și durabilitatea structurală.
În plus, structura interfeței și tehnicile de post{0}}procesare influențează și mai mult performanța serviciului de tăiere. Unele produse-de ultimă generație folosesc straturi de tranziție în gradient sau structuri compozite cu mai multe-strat, introducând o zonă de tranziție cu compoziția care se schimbă treptat între stratul de diamant și matrice pentru a atenua stresul interfacial cauzat de diferențele dintre coeficienții de dilatare termică. Microtexturarea suprafeței sau tratamentele de gravare cu laser pot îmbunătăți condițiile de îndepărtare a așchiilor și pot reduce scăderea performanței de tăiere cauzată de aderența tăierilor de rocă.
În rezumat, construcția frezei PDC este o unitate organică de materiale compozite, optimizare geometrică și aspect funcțional. Obține-eficiență ridicată la spargerea rocii și durabilitate fiabilă prin relația complementară dintre duritatea ridicată și rezistența la uzură a stratului de diamant și capacitatea de încărcare puternică-a matricei și, printr-un design dimensional și de aspect precis, a devenit un purtător tehnologic cheie pentru abordarea provocărilor formațiunilor complexe de foraj în domeniul petrolului și gazelor.
