Les outils de forage en diamant polycristallin compact (PDC) et les trépans PDC sont commercialisés depuis plusieurs décennies. Durant cette longue période, les outils et trépans PDC ont connu des difficultés initiales, mais aussi d'importants progrès. Progressivement, grâce à des améliorations constantes apportées à l'outil, à la stabilité et à la structure hydraulique des trépans, ces derniers ont remplacé les trépans coniques. Aujourd'hui, les trépans PDC représentent plus de 90 % du volume total de forage dans le monde.
Le coupe-coupe PDC a été inventé initialement par General Electric (GE) en 1971. Les premiers coupe-coupes PDC pour l'industrie pétrolière et gazière ont été réalisés en 1973 et, après 3 ans d'essais expérimentaux et sur le terrain, il a été commercialisé en 1976 après avoir prouvé qu'il était beaucoup plus efficace que les actions de broyage des trépans à boutons en carbure.
Au début, la structure d'une fraise PDC était la suivante : une pointe ronde en carbure (diamètre 8,38 mm, épaisseur 2,8 mm) et une couche de diamant (épaisseur 0,5 mm sans chanfrein). À cette époque, il existait également une fraise PDC Compax à « manchon ». La structure de cette fraise était la suivante : la fraise PDC Compax était soudée à un mandrin en carbure cémenté, ce qui facilitait son installation sur le corps en acier du foret et offrait ainsi un plus grand confort au concepteur du foret.
En 1973, GE a testé son premier trépan PDC dans un puits de la région de King Ranch, au sud du Texas. Lors de ce forage d'essai, un problème de nettoyage du trépan a été constaté. Trois dents ont cédé au niveau de la brasure, et deux autres se sont brisées avec la partie en carbure de tungstène. Par la suite, la société a testé un second trépan dans la région de Hudson, au Colorado. Ce trépan, doté d'une structure hydraulique améliorée pour résoudre le problème de nettoyage, a permis d'obtenir de meilleures performances dans les formations de grès et de schiste, avec une vitesse de forage élevée. Cependant, plusieurs écarts par rapport à la trajectoire prévue du puits ont été observés lors du forage, et une légère perte de fraises PDC s'est encore produite en raison de la brasure.
En avril 1974, un troisième trépan fut testé dans la région de San Juan, dans l'Utah (États-Unis). Ce trépan présentait une structure de dents et une forme améliorées. Il remplaça les trépans à cône en acier du puits adjacent, mais la buse se détacha et le trépan fut endommagé. À l'époque, on attribua cet incident à la fin du forage dans une formation dure ou à un problème causé par la chute de la buse.
De 1974 à 1976, différents fabricants de forets et entrepreneurs ont évalué diverses améliorations des fraises PDC. De nombreux problèmes existants ont fait l'objet de recherches approfondies. Les résultats de ces recherches ont été intégrés aux fraises Stratapax PDC, lancées par GE en décembre 1976.
Le changement de nom de Compax à Stratapax a permis d'éliminer la confusion dans l'industrie des forets entre les forets à plaquettes en carbure de tungstène et les forets Compax en diamant.
Au milieu des années 90, la technologie de chanfreinage des dents de coupe PDC a commencé à être largement utilisée, et la technologie multi-chanfrein a été brevetée en 1995. Si elle est appliquée correctement, la résistance à la rupture des dents de coupe PDC peut être augmentée de 100 %.
Dans les années 1980, les sociétés GE (États-Unis) et Sumitomo (Japon) ont étudié l'élimination du cobalt de la surface de travail des dents des trépans PDC afin d'améliorer leurs performances. Cependant, leurs recherches n'ont pas abouti à un succès commercial. Une technologie a ensuite été redéveloppée et brevetée par Hycalog (États-Unis). Il a été démontré que l'élimination du cobalt des interstices entre les grains améliore considérablement la stabilité thermique des dents PDC, permettant ainsi un forage plus efficace dans les formations plus dures et abrasives. Cette technologie d'élimination du cobalt accroît la résistance à l'usure des dents PDC dans les formations rocheuses dures et très abrasives et élargit le champ d'application des trépans PDC.
Depuis 2000, l'utilisation des trépans PDC s'est rapidement développée. Les formations qui étaient auparavant inaccessibles aux trépans PDC peuvent désormais être forées de manière économique et fiable grâce à ces mêmes trépans.
En 2004, dans le secteur des trépans, les trépans PDC représentaient environ 50 % du chiffre d'affaires et près de 60 % des distances de forage. Cette croissance se poursuit encore aujourd'hui. La quasi-totalité des trépans utilisés actuellement en Amérique du Nord pour le forage sont des trépans PDC.
En résumé, depuis son lancement dans les années 70 et malgré une croissance initiale lente, la technologie PDC a progressivement favorisé le développement continu de l'industrie des trépans pour l'exploration et le forage pétroliers et gaziers. L'impact de cette technologie sur le secteur du forage est considérable.
Les nouveaux entrants sur le marché des dents de coupe PDC de haute qualité, ainsi que les principaux fabricants de forets, continuent de mener la réforme et l'innovation en matière de matériaux et de procédés de production innovants afin d'améliorer continuellement les performances des dents de coupe PDC et des forets PDC.
Date de publication : 7 avril 2023