Jusque dans les années 1900, la plupart des puits de pétrole étaient creusés à l'aide de foreuses à percussion, technologie déjà utilisée par les Chinois en 1 100 avant J.C. et qui reste une méthode très répandue pour le forage des puits d'eau (voir le lien en anglais www.avalon.net/~cmissen/wellsprn/drildesc.htm). Une foreuse à percussion est constituée d'un pieu avec un embout lourd en métal. La foreuse est levée et abaissée de manière répétée dans un trou, l'approfondissant petit à petit. Autrefois, pour forer un seul puits, beaucoup d'hommes devaient se relayer pendant de nombreuses années. A présent, ce travail est généralement effectué par des outils motorisés.

Tout au long du 19^ème et du 20^ème siècles, la technologie de l'acier a fait des progrès, permettant de construire des trépans rotatifs capables de forer des roches tendres. Même tendres, ces roches peuvent user l'acier très rapidement. C'est pourquoi ces pièces en acier sont souvent recouvertes d'inserts ou d'une couche de carbure de tungstène, plus friable que l'acier, mais plus résistante à l'érosion. Si cela ne suffit pas, des diamants synthétiques sont ajoutés, mais les roches les plus dures peuvent être forées uniquement à l'aide de diamants véritables.

Le diamant, matériau le plus résistant connu de l'homme, est 10 fois plus dur que l'acier, 2 fois plus dur et 10 fois plus résistant que le carbure de tungstène et sa force de compression est 20 fois plus élevée que le granit.

C'est aux alentours de 1910 que les géologues ont pour la première fois utilisé des diamants naturels dans des couronnes de carottage permettant de forer des trous circulaires et d'extraire des colonnes de roche pour les analyser. Au cœur des diamants ont pour la première fois été utilisés dans le forage plein diamètre des puits de pétrole. La qualité des diamants naturels employés est industrielle et non joaillière. Ce sont des pierres naturellement formées qui sont concassées et traitées, afin d'obtenir des tailles spécifiques et des formes arrondies et régulières.

Ce trépan comporte des lames en carbure de tungstène imprégnées de petits grains de diamants permettant de creuser à travers des roches très dures. Le carbure de tungstène s'use sur la surface de coupe et les grains de diamants usés tombent, faisant place à des grains non usés.

Ce trépan creuse à travers des roches dures à l'aide de diamants naturels alignés selon un modèle donné sur des lames en carbure de tungstène

Homme tenant un insert en diamant polycristallin (PCD)
à l'aide d'une pince à épiler

Les diamants naturels se forment à un niveau profond dans le sol, dans des conditions de chaleur intense et de pression extrême maintenues pendant des milliers d'années. Au début des années 1970, le groupe américain General Electric a développé un procédé de fabrication de diamants synthétiques. De fines couches circulaires de graphite de carbone et de cobalt, superposées en alternance, sont entassées dans de petites boîtes et compressées à 130 733 MPa (2 millions de psi), puis chauffées à 1 500 °C pendant cinq minutes. Ce procédé donne de petits cristaux de diamant synthétique qui, liés les uns aux autres, forment du diamant polycristallin (PCD). Contrairement aux diamants naturels, les cristaux individuels de PCD sont trop petits pour creuser la roche dure. C'est pourquoi les inserts en PCD sont incorporés aux bords des trépans, afin de broyer la roche, un peu comme du papier de verre extrêmement dur.

De nombreux trépans sont constitués d'acier, de carbure de tungstène, de PCD et de bords tranchants et broyeurs en diamants. Il existe de nombreuses formules différentes, chacune spécialisée dans le forage d'un type de roche donné.

Les pastilles noires sur
le bord tranchant des
lames de ce trépan
sont des inserts en PCD

A gauche : ce trépan « hybride » comporte des inserts tranchants en PCD et des goujons imprégnés de diamants. Cette photo montre également les buses entre les lames à l'extrémité du trépan. Une boue spéciale est pompée via ces buses, afin de refroidir le trépan et de récupérer les morceaux de roche des bords tranchants, pour les remonter à la surface, où elles sont analysées par les géologues.

Ci-dessous à gauche : les trépans à mollettes comportent des cônes métalliques qui tournent indépendamment. Chaque cône dispose de dents constituées d'acier dur, de carbure de tungstène, de PCD et de diamants ou d'une combinaison de certains de ces éléments.

Ci-dessous à droite : cette vue latérale d'un trépan à mollettes montre des diamants polycristallins et naturels insérés dans l'ensemble des parties exposées du trépan, ainsi que ses dents tranchantes. Cette disposition a pour objectif de limiter l'usure lors du forage de roches très abrasives.

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