金剛石鉆頭的發展趨勢

趙爾信

(北京探礦工程研究所,北京,100083)

金剛石鉆頭的發展趨勢

趙爾信

(北京探礦工程研究所,北京,100083)

國產地質鉆探用金剛石鉆頭的水平已接近國際先進水平,差距較小,但油氣鉆探用復合片鉆頭水平與國際先進水平相比差距較大,為此,需提高復合片的性能,包括耐磨性、抗沖擊韌性及耐熱性,研制新型的高耐磨、高抗沖及高耐熱的三高復合片,熱別是耐熱性能的復合片,為我國鉆探全面提速奠定物質基礎。

金剛石鉆頭;復合片鉆頭;耐磨性;抗沖擊韌性;耐熱性

前言

在鉆探過程和技術鏈中,鉆頭永遠處于前沿和核心的位置。鉆探的本質就是破碎巖石,其他鉆探技術,如信息、控制、泥漿等都在為破巖而服務,雖說首推鉆頭,但不是說要降低其他方面的重要性。只有將所有技術組成一個整體,發揮作用才是關鍵。

我國金剛石鉆頭發展取得了重大進步,但與世界先進水平相比還有一定差距,目前我們仍然在走仿制和跟蹤的路子,自主創新特別是原創性的技術少。另外,金剛石鉆頭研制與國內超硬材料科學技術的基礎研究水平密切相關。可以說沒有優質的超硬材料(人造金剛石和復合片)就沒有優質的金剛石鉆頭,反之金剛石鉆頭的發展又推動了人造金剛石事業的發展。

我國超硬材料行業取得實飛猛進的發展,已成為世界上生產人造金剛石的大國,短期內取得如此成就,十分值得自豪。

我們更殷切希望超硬材料行業能批量生產出世界一流的大顆粒高強度人造單品和三高(高耐磨、高沖擊韌性和高耐熱)的復合片,讓我們地質和石油鉆探事業像高鐵一樣的全面提速,超過國際上的先進水平。

1 金剛石鉆頭發展態勢

我國金剛石鉆頭的研制從1960年開始,至今已55年,人造金剛石鉆頭的研制從1970年開始至今已45年。我們用中國的速度快速發展,無論從數量和質量上我們已滿足了國內鉆探事業的需求,其鉆頭水平已接近國外先進水平。我們用55年的時間完成了國外153年的發展過程,特別是人造金剛石鉆頭的發展中國是領先的,當外國人以天然金剛石制造表鑲和孕鑲鉆頭時,中國已經開始了人造金剛石鉆頭的研究,我們走在了國際人造金剛石鉆頭制造的前列,這歸功于人造金剛石行業的快速發展。沒有人造金剛石就沒有人造金剛石鉆頭。同樣人造金剛石鉆頭的廣泛使用,又促進了人造金剛石的發展。

1.1 地質找礦向深部發展,需深孔鉆探用新型金剛石鉆頭

目前鉆探工作已由淺部、中深部鉆探向深部發展,由于淺部礦藏已勘探和開發完成,必須向找礦第二空間——深部找礦,孔深由幾百米向數千米發展,深孔鉆探狀況復雜,鉆探效率低下,迫切需要新型深孔用金剛石鉆頭。

1.2 地球科學探測需要深部鉆探用新型金剛石鉆頭

要揭開大陸演化的奧秘,更有效地尋找資源,保護環境、減輕災害,就要進行地球深部探測,進行地球深部大陸科學鉆探工程。該工程被形象地譽為“深入地球內部的望遠鏡”,是“入地”之門的鑰匙。深部探測計劃的初期在全國七個地區完成了七個深孔,就像七個望遠鏡從不同的方位觀察地球的內部。有助于研究板塊匯聚邊界的深部動力學,重要礦產資源集聚區的成礦背景、成礦條件和成礦前景,盆山結合帶對油氣資源制約以及火山——地熱資源等方面開展地質、地球物理的預研究,大比例地質調查填圖和科學選址。

1.3 地質鉆探工作量迅猛增長,需要節能高效低成本的新型鉆頭

2013年以前金剛石鉆進發展態勢很好,從表1中所列數據可見。

依據表1的鉆探工作量,可推算出全國所需金剛石鉆頭和擴孔器數量和相應所需的人造金剛石用量。

表1 歷年鉆探工作量增長表Table 1 growth of the yearly drilling workload

(1)金剛石鉆頭數約70萬個/年

(2)擴孔器數約35萬個/年

(3)人造金剛石數約4200萬克拉

如采用高效金剛石鉆頭,將鉆探提速30%粗略估計可節約40億元,由此而帶來的提前完成鉆探任務,其經濟效益和社會效益更是可觀的。

所以鉆探工作應像鐵路一樣全面提速,加快地質找礦的速度,全面提速的關鍵、突破口是金剛石鉆頭,而鉆頭提速的突破口是人造金剛石和復合片。

1.4 金剛石鉆頭曾創下的相關記錄

隨著鉆探工作量的發展,金剛石鉆頭在過去和現在皆取得過好的效果,有些成績亦是喜人的,曾有若干金剛石鉆頭較高進尺的記錄。

①中國大陸科學鉆探——在大直徑(Φ157mm)硬巖中8～9級花崗片麻巖中二次鑲嵌式金剛石鉆頭進尺75.23m。

②在河北冀東鐵礦鉆探——深孔硬巖中,繩索取心二次鑲嵌式鉆頭,最高進尺達180米。

③山東乳山2000米鉆機配套實驗中,雙層水口超高胎體鉆頭最高進尺117.9米。

④江西二六五隊——中深孔、砂頁巖地層中,高濃度孕鑲鉆頭最高進尺1027.59米。

⑤山東六隊二次鑲嵌式鉆頭在金屬礦中鉆頭最高進尺198米。

⑥石油鉆探——復合片鉆頭最高鉆頭記錄10027.59米。

⑦鉀鹽鉆進,繩索取芯鉆頭最高壽命為700米,平均210米。

⑧南海深水取樣,取樣深度為海底以下300米,用一個Φ241mm的復合片鉆頭(圖1)一個回次鉆完一口取樣井,為未來“一個鉆頭一口井”的目標奠定了良好的基礎。

圖1 海洋取樣復合片鉆頭Fig.1 PDC drill bit for ocean sampling

1.5 深孔鉆探對新型金剛石鉆頭技術指標的要求

(1)高效——這是首先的也要必須的,只有高效鉆探才能全面提速,才能低耗降低鉆探成本,才能降低鉆孔事故率。

不同地層建議鉆頭的鉆速為:

堅硬致密地層——0.8～1.2m/h

硬—堅硬地層——1.5～2.0m/h

中硬—硬地層——2～3m/h

軟—中硬地層——3～6m/h

(2)高效條件下的長壽命

深孔鉆探中延長壽命,減少提下鉆時間,大幅度提高純鉆進時間,直接提高效率。

不同地層中鉆頭壽命建議為:

軟至中硬度層——150～200m

中硬至硬地層——100～150m

硬至堅硬地層——50～100m

堅硬致密打滑地層——40～60m

硬·脆·碎地層——30～50m

假如新型金剛石鉆頭整體平均壽命達100m,鉆一個千米的鉆孔僅需十個回次,鉆完一個2000米的深孔僅需20個回次。而目前估計常規鉆頭平均壽命為40m,即新型金剛石鉆頭壽命是常規鉆頭壽命的2.25倍,使用新型鉆頭能減少提下鉆回次數,在其他鉆進條件相同條件下,效率提高近似2.25倍,能大幅度節約成本。

2 與國外先進的金剛石鉆頭技術相比存在一定差距

2.1 人造金剛石孕鑲鉆頭

國內鉆頭與國外鉆頭比仍有一定差距,通過幾次對國外鉆頭的試用發現,國內鉆頭鉆速比國外低20%,鉆頭壽命低40%左右,這個差距表現為下列幾個方面:

(1)鉆頭結構設計理念

(2)鉆頭內在性能

(3)鉆頭燒結工藝的研究

(4)鉆頭井底流場的模擬研究

2.2 金剛石復合片鉆頭

2.2.1 地質鉆探用復合片鉆頭

國內研發的金剛石復合片鉆頭所用的復合片近幾年有快速而穩定的進步。已基本能滿足國內地質、煤田、核工業的軟—中硬地層的鉆探及油氣鉆探的部分地層鉆探的需求。即通常所說的地質鉆探復合片鉆頭已基本滿足要求,與國外相比雖有差距,但不十分明顯。

2.2.2 油氣井鉆探用復合片鉆頭

油氣井鉆探中的國產復合片鉆頭僅能局限用于軟至中等地層,而鉆遇較硬的砂礫石地層即止步不前,而與國外合資的克拉瑪依—DBS復合片鉆頭卻可順利通過上述地層,即油氣井鉆探中的硬地層成為中、外復合片鉆頭使用的分水嶺,說明油氣井鉆探用復合片鉆頭國產的與國外的相比尚存在差距。

2.2.3 油氣井鉆探用國產復合片鉆頭與國外新型復合片鉆頭的差距及改進措施

2.2.3.1 大刀翼新型復合片鉆頭

該類型的復合片鉆頭性能優越,無論從技術經濟指標、鉆頭結構基體材料、復合片的性能和形狀等方面與國內復合片鉆頭相比差異皆很大,現分別說明。

①技術經濟指標

②鉆頭結構

與國外合資的該類型鉆頭特點為:大刀翼、高出刃、寬水路。刀翼較薄能提高鉆進效率,高出刃寬水路易于排粉,防止巖粉的重復破碎(見圖2)

圖2 大刀翼復合片鉆頭Fig.2 Broadsword wing PDC drill bit

③鉆頭基體材料

通常國產復合片鉆頭的基體采用粉末冶金的方法,在箱式電爐中燒結,其胎體性能軟脆,故在砂礫石地層中由于沖擊作用會發生鉆頭刀翼折斷事故。而大刀翼新型鉆頭是采用鋼基體的鉆頭(鋼基體性能接近35鉻鉬),其刀翼韌性好,不易發生折斷,可將刀翼做高,做薄,十分有利于提高鉆速,鋼基體的加工完全由現代化的五軸聯動機床加工完成,不需要耗費大量電能的箱式電爐燒結,節約大量能量,是鉆頭行業升級改造,轉變生產結構一種實例。

④刀翼表面的化學處理

鉆頭的大刀翼表面進行化學處理,使刀翼帶有正電荷,排斥泥漿中帶正電荷的巖粉顆粒,防止巖粉黏附于鉆頭刀翼上形成糊鉆,輕則影響鉆進效率,重則誘發鉆頭泥包事故。

⑤優質性能的復合片

大刀翼新型復合片鉆頭所用復合片的性能為高耐磨,高抗沖,高耐熱的三高復合片,其磨耗比為20～22萬,抗沖擊韌性＞600J,耐熱性能≥750℃。

⑥大刀翼新型復合片所用復合片,不是常用的圓片狀而是圓錐形,如圖3所示。

圖3 圓錐形復合片(右邊第四個)Fig.3 Conical PDC(the fourth from the right)

同樣刀翼上所預留的復合片定位穴也是錐形的,將錐形復合片鑲嵌于錐形的定位穴內,焊接面積大,鑲嵌牢固,復合片不會脫落。

⑦刀翼表面噴涂耐沖蝕涂層

刀翼本體是鋼材強度高,抗沖擊,但抗泥漿沖蝕能力較差,因此,在刀翼表面噴涂一層合金粉末層,可抗泥漿高速液流的沖蝕,保持刀翼耐磨的壽命。

2.2.3.2 復合片與牙輪組合鉆頭(圖4)

眾所周知,牙輪鉆頭的碎巖作用是沖擊,復合片鉆頭的碎巖作用是刮削,現在國外已研制出一種把牙輪鉆頭和復合片鉆頭組合起來的新型的鉆頭,這種鉆頭將鉆頭的沖擊作用和刮削作用結合在一起,達到高效長壽的目的。在塔里木油田,一個牙輪加復合片的組合鉆頭,單價達180萬元,盡管價格昂貴,但節省了20%的鉆井成本費用,且耐用,不用起下鉆,提高了鉆探效率,減少了事故。

圖4 牙輪與復合片組合鉆頭Fig.4 combined drill bit of roller and PDC

該類型鉆頭鉆進中的特點:

①在軟硬互層地層中提供更快的機械鉆速;

②與傳統牙輪鉆頭相比,鉆進過程更加平穩;

③在定向鉆進過程中側向切削力強及能更好控制工具面,定向能力強;

④在難鉆進硬地層中,能減小鉆頭的扭矩。

2.2.3.3 混鑲式金剛石鉆頭(見圖5),對付硬地層的又一銳器

國內松遼盆地和川東北油氣田在鉆進致密泥巖,砂礫巖互層中,使用北京探礦工程研究所研制的混鑲式金剛石鉆頭是十分有效的。該類型鉆頭的特點是,采用表鑲天然金剛石加人造孕鑲金剛石熱壓孕鑲齒作為切割齒,在表層天然金剛石消耗完后,鉆頭仍可利用孕鑲層繼續工作,從而使鉆頭壽命和進尺大幅度提高。

該類型鉆頭與牙輪鉆頭相比,鉆速提高1.5倍,壽命提高6.5倍,至少可減少5趟提下鉆回次,提高了鉆井效率。

需注意的是,此類型鉆頭要與高速螺桿鉆具配套使用,方可取得好的鉆進效果。

圖5 混鑲式金剛石鉆頭切割結構圖Fig.5 cutting structure of mixed inlay type diamond drill bit

2.2.4 油氣井鉆探用復合片國內外之差距

2.2.4.1 國際金剛石復合片的水平

目前國內外復合片性能指標已發生質的飛躍,指標大幅度的提高,為鉆進硬地層奠定了堅實的基礎。

復合片的性能,包括下列幾項指標:

1、耐磨性(亦稱磨耗比)

2、抗沖擊韌性(焦耳)

3、熱穩定性(燒結前后上述指標的變化)

國內外復合片性能指標,分三個階段進行對比:

起始階段20世紀80年代至90年代

國內復合片磨耗比為4～6萬(國外8～10萬)

國內復合片抗沖擊韌性為100～200J(國外為200～300J)

熱穩定性系數為70(國外為85)

發展階段(上世紀90年代～2000年)

國內復合片磨耗比為8～12萬(國外10～18萬)

國內復合片抗沖擊韌性為200～400J(國外＞400J)

熱穩定性系數為80(國外為90)

提高階段(2000～現在)

國內復合片磨耗比為15～20萬(國外20～22萬)

國內復合片抗沖擊韌性為400～600J(國外＞600J)

熱穩定性系數為80(國外為95～100)

發展到今天可見國內復合片的磨耗比,抗沖韌性的指標和國外已比較接近,為什么在使用的效果方面仍有相當差距?導致售價差距更大呢?

這是我們要深入研究的問題。

2.2.4.2 復合片發展方向

鉆進硬地層的三高PDC復合片,即高耐磨,高沖擊強度、高耐熱性。復合片的主要性能通常指的是耐磨性和抗沖擊韌性,現在進一步的研究和試驗發現了第三種性能——熱性能更為重要,它導致PDC的熱損壞,其原因是熱侵蝕后形成的磨損和應力,即熱侵蝕導致PDC金剛層中金剛石的碳化和氧化及產生裂紋,這是PDC損壞的重要原因之一。

所以高質量的復合片其性能除了耐磨性、抗沖擊韌性要高以外,高耐熱性亦十分重要。

熱損傷破壞的類型:

(1)裂紋:隱裂紋

微裂紋——裂紋擴展——脫層崩落(見圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11)。

圖6 微小裂紋(放大10倍)Fig.6 Micro cracks(×10)

圖7 微小裂紋(放大500倍)Fig.7 Micro cracks(×500)

圖8 裂紋擴展(放大10倍)Fig.8 crack growth(×10)

圖9 裂紋擴展(放大500倍)Fig.9 crack growth(×500)

圖10 使用后,美國GE復合片Fig.10 American GE PDC after use

圖11 使用后,美國GE復合片Fig.11 American GE PDC after use

圖12 復合片的硬質合金后襯出現裂紋Fig.12 cracks in the cemented carbide rear lining of the PDC

(2)金剛石碳化:微碳化——嚴重碳化——磨損加速。

(3)硬質合金后襯出現裂紋(見圖12)。

研究提高復合片的熱損傷,應從以下幾個方面。

2.2.4.2 鉆探用復合片性能提高的途徑

2.2.4.2.1 金剛石復合片制造工藝

(1)原料金剛石的凈化(圖13)

在真空凈化系統中進行表面處理。

包括真空——加熱,兩部分,真空凈化裝置見圖13。

真空10-2～10-6Pa加熱400℃～500℃

正離子轟擊(清潔、活化顆粒表面)

圖13 真空凈化裝置Fig.13 Vacuum purification device

(2)金剛石單晶粉末

粒度:70～90μm和30μm周圍(國內5μm 25μm 50μm)

韌度系統:＞60(抗沖擊強度)即沖擊試驗后篩上留有60%金剛石;

單晶長寬比:0.8(0.85、0.87);

晶體形狀:輪廓分明的立方八面體晶形好,熱穩定性好,耐磨性高;

大粒單晶:占30%(如90μm)。

(3)為提高PDC熱穩定性脫鈷工藝

由于金屬鈷的熱膨脹系數比周圍聚晶金剛石粒子大,在700℃～760℃范圍內鈷的膨脹會使金剛石粒子之間的連接發生分離,導致金剛石層的迅速破壞,從而降低PDC鈷頭的耐磨性。

據稱國外已廣泛應用脫鈷技術,大幅度提高了脫鈷凈度和脫鈷深度,國外已達到0.5～0.6毫米,而國內技術只能達到0.1毫米。

(4)改變接觸面的結構形狀

①改變內接觸面結構(圖14)

在PDC制造和井下鉆進過程中都會受到熱的影響,金剛石層的膨脹系數＜硬質合金的膨脹系數,勢必在兩種不同材料的接觸面上產生一個較大的應力,易使金剛石層產生應力。消除或減少此應力的方法是:設計一種特殊形狀的接觸面,即金剛石層和硬質合金柱之間的內接觸表面設計為階梯狀,以此來減緩兩種材料的膨脹率的差別,相應地膨脹(或收縮)的尺寸相對接近,減少了熱膨脹帶來的損傷。

圖14 改變內接觸面結構的復合片Fig.14 PDC with altered structure of inner contact surface

②改變端面接觸面的結構

采用爪形的接觸面(圖15),多條溝槽吸收熱過程中的殘余力,不易發生金剛石層的裂紋和碎裂,而且增加了金剛石層的金剛石量,也增加了PDC的耐磨性。

圖15 復合片端面槽型結構合面提速Fig.15 occlusal plane of the transverse groove type structure of PDC

③金剛石層表面設有通水槽(圖16、17)

PDC表面設計有通水槽或在PDC切割端面設計有尖齒形,在鉆進過程中,槽中和尖齒間始終會有冷卻水,有利于散熱,減少熱損傷。

圖16 復合片表面有通水槽Fig.16 surface water groove of PDC

圖17 復合片端面有尖齒水槽Fig.17 sharp teeth water groove of PDC

(5)采用過渡層的結構,減少金剛石層和硬質合金襯底之間的殘余應力(圖18)

過渡層中金剛石由不同粒度組成,靠近硬質合金底襯的金剛石粒度細,遠離硬質合金的地方金剛石粒度粗,即過渡金剛石層中金剛石粒度逐漸連續的變化,靠近硬質合金底襯的金剛石粒度細,而與巖石接觸的切削面處是粗粒金剛石,以此改善PDC的由熱而產生的殘余應力

(6)硬質合金底襯

復合片由金剛石層和硬質合金底襯組成,其中硬質合金底襯的抗沖擊強度也至關重要,如果底襯強度低,不能抵御鉆進中的沖擊強度,提前損傷,勢必金剛石層也將損壞導致復合塊失效,因此選擇優質的硬質

圖18 PDC梯度結構示意圖Fig.18 gradient structure diagram of PDC

合金片是十分重要的。

3 結語

(1)地質鉆探人造孕鑲金剛石鉆頭水平接近國際先進水平。

(2)油氣井鉆探金剛石復合片鉆頭水平與國際先進水平尚有差距。

(3)油氣井鉆探復合片的性能特別是熱性能有待進一步提高。

(4)優質大顆粒人造單晶應走向批量生產,以代替天然表鑲金剛石。

(5)地質、石油鉆探必須全面提速,其突破口是金剛石鉆頭,而金剛石鉆頭的關鍵是超硬材料。

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Development Trend of Diamond Drill Bit

ZHAO Er-xin
(Beijing Prospecting Engineering Research Institute,Beijing,100083,China)

The quality of diamond drill bit for geological drilling has been close to the international advanced level but the Polycrystalline Diamond Compact(PDC)drill bit for oil and gas drilling is far behind the international advanced products.Therefore,it is neccessary to improve the performance of the PDC,including its abrasive resistance,impact toughness and heat resistance,to reseach and produce new type of PDC with high abrasive resistance,impact toughness and heat resistance,especially the PDC with high heat resistance to establish a material fundation for the fast development of the drilling industry in China.

Diamond drill bit;PDC drill bit;abrasive resistance;impact toughness;heat resistance

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0052-08

2015-02-11

趙爾信,男,漢族,1941年生,教授級高工,從事地質鉆探、科學鉆探,環境鉆探,海洋鉆探,北京市海淀區學院路29號探工樓207,zhaoex @bjiee.com.cn。

趙爾信.金剛石鉆頭的發展趨勢[J].超硬材料工程,2015,27(1):52-59.