Trong kỹ thuật khoan để thăm dò và phát triển dầu khí, mũi khoan, với vai trò là công cụ phá vỡ trực tiếp các thành tạo, trực tiếp quyết định hiệu quả khoan và chi phí vận hành. Kể từ khi được giới thiệu vào những năm 1970, máy cắt Poly Crystal Diamond Compact (PDC), với khả năng chống mài mòn và khả năng cắt vượt trội, đã dần trở thành thành phần công nghệ cốt lõi trong lĩnh vực khoan dầu khí, định hình lại mô hình công nghệ khoan đá cứng.
Máy cắt PDC về cơ bản là một thành phần vật liệu composite siêu cứng. Cấu trúc cơ bản của nó bao gồm một lớp kim cương đa tinh thể bề mặt và ma trận cacbua xi măng được thiêu kết dưới nhiệt độ cao và áp suất cao. Lớp kim cương đa tinh thể, được hình thành bằng cách nung kết các hạt kim cương có kích thước micron-thông qua chất xúc tác kim loại để tạo ra cấu trúc mạng ba{4} chiều liên tục, có độ cứng gần bằng độ cứng của kim cương tự nhiên (độ cứng Vickers đạt 8000–10000 HV) và độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Ma trận cacbua xi măng cung cấp khả năng hỗ trợ cơ học và độ bền va đập, giảm thiểu-tải trọng tác động tần số cao do lớp kim cương sinh ra trong quá trình khoan. Thiết kế hỗn hợp "cứng{10}}linh hoạt" này cho phép máy cắt PDC cắt các hình dạng từ mềm đến trung bình{11}cứng một cách hiệu quả với lưỡi cắt sắc bén, đồng thời chống lại sự mài mòn và tác động của đá cứng. Điều này khắc phục những hạn chế của mũi khoan cacbua vonfram truyền thống, vốn có hiệu suất khoan thấp và tuổi thọ ngắn ở các dạng cứng.
Về nguyên lý làm việc, máy cắt PDC loại bỏ chế độ nghiền tác động{0}}của mũi khoan côn con lăn, sử dụng cơ chế phá đá-cạo và cắt liên tục. Khi mũi khoan quay và tiến lên, lớp kim cương của máy cắt PDC bám dính vào bề mặt đá ở đáy giếng với áp suất không đổi. Lực cắt được tạo ra bởi chuyển động tương đối tốc độ cao-gây ra biến dạng dẻo và sự lan truyền vết nứt vi mô-trong đá, cuối cùng khiến đá vỡ thành nhiều mảnh. So với phương pháp nghiền tác động-, chế độ cạo giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, đặc biệt là trong đá sa thạch đồng nhất, đá phiến sét và một số thành tạo đá vôi, đạt được tỷ lệ thâm nhập (ROP) cao hơn và tỷ lệ tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy, trong cùng điều kiện, tốc độ khoan cơ học trung bình của mũi khoan PDC có thể đạt gấp 2 đến 5 lần tốc độ khoan cơ học trung bình của mũi khoan côn lăn và số cảnh quay trên mỗi mũi khoan có thể tăng từ 3 đến 10 lần, rút ngắn đáng kể chu trình khoan.
Ưu điểm về hiệu suất của máy cắt PDC có liên quan chặt chẽ đến thiết kế thông số hình học của chúng. Hình dạng (hình tròn, hình nón, hình trục-, v.v.), đường kính, độ dày lớp kim cương và chiều cao lưỡi cắt của dao cắt cần phải được tùy chỉnh theo đặc điểm hình thành: đối với các hình dạng cứng và giòn, máy cắt có đường kính-nhỏ với các lớp kim cương dày được sử dụng để tăng cường khả năng chống va đập; đối với các hình dạng mềm và dẻo, máy cắt có đường kính-lớn với các lớp kim cương mỏng được chọn để cải thiện hiệu quả cắt. Ngoài ra, mật độ răng và cách sắp xếp của dao cắt (chẳng hạn như hướng tâm hoặc xoắn ốc) phải phù hợp với hình dạng của vương miện mũi khoan để đảm bảo độ bao phủ đồng đều ở đáy giếng và giảm việc cắt lặp đi lặp lại và mài mòn không đồng đều.
Qua nhiều thập kỷ lặp lại công nghệ, máy cắt PDC đã phát triển từ một bộ phận phá đá-thành một dự án kỹ thuật hệ thống tích hợp khoa học vật liệu, thiết kế cơ khí và quy trình sản xuất. Ứng dụng rộng rãi của nó trong khoan dầu khí không chỉ thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ khoan cho giếng sâu, giếng cực-sâu và các thành tạo phức tạp mà còn trở thành hỗ trợ chính để giảm chi phí thăm dò và phát triển cũng như cải thiện hiệu quả thu năng lượng. Trong tương lai, với sự phát triển của công nghệ hỗn hợp kim cương nano và các quy trình chuẩn bị vật liệu chức năng được phân loại, ranh giới hiệu suất của máy cắt PDC sẽ tiếp tục mở rộng, cung cấp công cụ hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho việc phát triển tài nguyên dầu khí trong điều kiện địa chất khắc nghiệt.
