金刚石烧结体(PCD与PDC)的发展概况(五)①

赵云良,赵爽之,闫森

(郑州新亚复合超硬材料有限公司,河南郑州 450001)

金刚石烧结体(PCD与PDC)的发展概况(五)①

赵云良,赵爽之,闫森

(郑州新亚复合超硬材料有限公司,河南郑州 450001)

简单介绍了金刚石烧结体的发明、合成机理、制造方法、品种规格、性能检测、应用效果及其发展前景,可供超硬材料科研与生产人员学习参考。

金刚石烧结体;聚晶;复合片;钻头;刀具;拉丝模

6 PCD与PDC应用领域及效果

6.1 石油、地质钻探用PDC的应用

PDC在石油钻探中最主要的应用就是制造石油钻头,PDC钻头所完成的石油与天然气钻井工作量达总工作量的70%左右。

人造金刚石的耐磨性远远高于硬质合金。PDC钻头的主要技术特点是钻头结构简单,主要工作部件PDC切削齿极其耐磨,钻头本身没有旋转部件,故也称之为固定式钻头。最初,PDC钻头只能被用于软页岩地层中,原因是硬的夹层会损坏钻头上的PDC切削齿。但由于PDC切削齿的性能不断提升以及钻头结构的优化,目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的中硬岩地层了。PDC钻头正越来越多地为人们所选用,其量的提升是随着PDC齿质量的不断提高而提升的。

牙轮钻头以硬质合金作为切削齿,在旋转时具有冲击和压碎地层岩石的作用。所以,牙轮钻头能够适应软、中、硬的各种地层。牙轮钻头工作时需要较高的钻压,单齿比压高,易于吃入地层,切削齿交替接触井底,切削齿与井底接触面积小,工作效率低。由于结构上有旋转部件,密封件的磨损成为牙轮钻头一大软肋。

经过30多年的不断发展,如今在石油天然气钻采行业,PDC钻头从无到有、从弱到强、从浅部地层到深至4500～6000米的深井都取得了骄人业绩。根据国内外用户反馈的信息,2011年至2012年期间新亚公司生产的超深井油田钻探用PDC的部分使用效果如表5。使用效果表明:新亚公司生产的PDC切削齿,其耐磨性、耐热性、抗冲击强度等性能指标已经符合超深井油田钻进的需要。

以吉林油田深层天然气钻井为例,经过数年的不断科研攻关,实现了4100米深井二开进段应用PDC钻头全面钻进至二开完钻的目标,并实现了三开井段PDC钻头钻至3500米的突破。在这个井段用PDC钻头取代了以前所用的硬质合金牙轮钻头,实现了全面提速。

PDC钻头对地层的针对性很强,长庆油田地层非常复杂。必须根据各区块、不同深度地层的特点进行具有针对性的工艺试验和PDC钻头的选型。实践证明,PDC钻头机械钻速明显高于牙轮钻头,采用较小的钻压就可取得牙轮钻头高压下才能取得的机械钻速,可降低钻机负荷,并能使整个系统的运行成本得以降低。

表5 超深井PDC钻探的使用效果Table Chart 5 Application of PDC cutters for extra-Super-deep well

图28 *OTS制造的8-1/2”钻头在墨西哥Postoria地区完钻后的照片,钻头基本上完整无损,可以继续钻井

位于鄂尔多斯盆地中部的苏里格气田是我国目前已发现的最大的陆上天然气气田,井深大约在3400米上下。该气田的地质构造非常复杂,属非均质性较强的致密岩性气田,开发难度大。由于地层多变,需频烦更换钻头和钻具。一些地层较容易形成斜井(700～1100米段),有些地层可钻性很差,难以一次钻穿,不得不降低机械钻速。受上部地层巨大压力的作用,地层越深,其密实性越高,PDC的钻进就越发困难。在2200m以深地层钻井工作深度只占全部钻进深度的1/3左右,但实际这部分距离所用钻井时间占全井时间的70%。下部地层钻速明显低于上部地层,同时也预示着下部井段存在提高钻井效率的巨大潜能。根据不同地层的可钻性,适当选择不同的PDC钻头设计,结合其它钻井技术可有效攻克该天然气井的钻井难题。

2013年5月,新亚公司生产的新产品SHP在华北油田定向井—水平井也取得了较好的效果,钻井效果如表6所示。

钻头使用效果评价:该钻头适用于三开水平段,从井深2800m至3501m,累计进尺701m,纯钻时为34h,整体机钻为20.62m/h,使用效果较好,创山2段机钻最高纪录。从钻头磨损情况看,山2段岩性属于中粗砂岩,钻头后期还能维持6～7min/m机钻,说明钻头抗研磨性强、机钻速度快,钻头起出后发现五个刀翼均属于正常磨损,最大处磨损3mm,保径从152.4mm至151mm,磨损1.4mm。

表6 DPHS-72-4井7#6″GM1605TX钻头的使用情况Table 6 Application of the bit 7#6″GM1605TX in the well DPHS-72-4

煤田用PDC钻头主要用作煤矿井巷锚杆支护的钻孔作业,现已被大多数煤矿企业采用,其主要优势是与硬质合金锚杆钻头相比,钻井速度成倍提高。单只钻头的工作寿命延长数十倍,井巷支护施工速度提高,降低了巷道成本,深受煤矿企业欢迎。由于此类PDC售价大幅度降低,使得PDC锚杆钻头迅速普及,中国是世界上最大的产煤国,这类PDC的市场发展很快。

以硅为结合剂的TSP产品现在主要用于石油钻头的保径和部分地质钻头。

6.2 切削刀具用PDC的应用

PDC几乎绝大部分都是用作切削刀具的切削刃,只有少许PDC用作某些支撑件的耐磨面。

PDC最主要的应用领域为汽车、家电、航空、木料加工行业,其加工对象主要有活塞、缸体、轮毂、轴瓦、电机部件、航空零部件、强化木地板、家具型材等。从早期的铝、铜等典型的有色金属,到如今已扩展到木材、石材、工程塑料、石墨及纤维增强材料、金属基复合材料等。早期过高的售价一直是影响客户接受PDC刀具的一大障碍,但现在发生了很大变化。PDC材料本身的价格下降和刀具制造技术的提升都使得PDC刀具得以普及,其增长速度超过硬质合金刀具的增长速度。

PDC刀具的第一大市场为汽车制造,硅铝合金被汽车行业大量采用,硅铝合金中添加硅的百分比含量,决定了材料的可加工性能。过共晶态铝合金(含硅超过12.6%)具有非常高的耐磨性、强度和抗疲劳性能,但合金中有硅元素以固体粒子形式从铝基体中析出,此时只有采用具有锋利切削刃和非常耐磨的PDC刀具才能进行有效加工并获得良好的表面质量。切削铝合金材料时PDC刀具的寿命为硬质合金刀具寿命的20～50倍,一般推荐细粒度(或中粒度) PDC来加工低硅铝合金,采用粗粒度PDC加工高硅铝合金。

PDC刀具的刃口强化使得经PDC刀具加工过的工件表面产生特别的光亮感,例如汽车轮毂的加工,单纯的锋利切削无法满足人们对美观的要求,必须对刀具的刃口进行纯圆处理,使其对工作表面有强烈的挤光作用,甚至能达到接近镜面的效果。

PDC刀具在木材加工行业的应用近年来获得高速发展。典型案例是在强化复合地板中的使用,由于强化地板的表面覆有一层氧化铝耐磨层,只有PDC刀具能够对其加工。高密度纤维板,由于基板的密度远高于普通木材,对刀具的磨损较为严重,也是PDC刀具的用武之地。除了应用面大的地板榫头成形刀具外,金刚石圆切锯片、镂铣刀、钻头等在木材加工领域的应用也越来越广泛。PDC木工刀具还有环保的优势,PDC刀具刃口锋利、切削平稳、噪音低、能够有效降低粉尘污染,由于切削产生的切屑90%以上被除尘系统吸走,能改善车间的工作环境。

6.3 拉丝模用的聚晶PCD

聚晶PCD主要用拉拔有色金属与黑色金属线材,其耐用度相当硬质合金拉丝模的数百倍,超过天然和人造大颗粒单晶金刚石拉丝模。现在市场上用于制造拉丝模的PCD主要是以钴作结合剂的,因为它的耐磨性好、强度高、使用寿命长,拉丝成本低。以硅作结合剂的用量相对减少了许多。

7 PCD与PDC的发展前景

7.1 石油、地质钻探用PDC的发展前景

在浅层油气资源经过近百年不断开采,其可采储量越来越少,和全球的经济发展对油气资源的依赖程度越来越重的双重压力下,人们不断探索开采更深地层储藏石油天然气以及页岩气的可能性。随着科学技术的进步和人们对深层地质构造认识的不断加深,在愈来愈深的地层中发现并开采石油天然气资源已经成为一个现实的科学问题。

但过去生产的复合片大多适合钻进3000m以浅的软—中硬地层,其强度与抗磨损能力还不能满足中硬以上地层以及研磨性强的地层、非均质破碎地层的钻井要求,石油与天然气钻井工业的发展,对于复合片质量及复合片钻头设计、制造及使用提出了越来越高的要求,复合片钻头的钻探领域已经由0～3000m的软、中硬地层向3000～6000m深的硬地层、强磨蚀性地层和含硬夹层的地层拓展,以勘探与开采储藏在地层深处的石油与天然气。以往的金刚石复合片性能要求已不能满足日益变化的油气井开采的需求,井的深度越来越深,地层压实密度越来越高,钻头在井底的工作温度越来越高,这些都意味着,承担钻井工作主要负荷的金刚石复合片应具有更高的耐磨性和抗冲击性能,但这两项性能要求与人造金刚石这种脆性材料是一对难以调和的矛盾。

定向井技术是当今世界石油勘探开采领域最先进技术之一,所谓定向井是由优质可靠的PDC钻头、特殊井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井轨迹,使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面和地下条件受到限制的油气资源得到经济、有效的开发,能大幅提高油气产量和降低钻井成本,有利于保护自然环境,具有显著的经济效益。简单地说,定向井与以往用钻头从地面垂直向下钻进的直井有明显不同之处,定向井是使钻头沿着预先设计的井斜和方位,或垂直或倾斜或水平钻达预定的油气层,打定向井的目的是为了避开高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等地面条件的限制,避开地下断层、盐丘、穹窿等复杂地层,定向井有用于开发低渗透、低孔隙油气藏、页岩气藏等的普通定向井、多目标定向井、丛式定向井、水平井、分支井,有利于解决井底落物的测钻井,以及发生油气燃烧事故时的救援井(如图29所示)。

图29 定向井钻井的种类Fig.29 Types of directional drilling well

定向井钻头对PDC的要求很高,譬如水平井钻进时,在2000～3000米甚至更深处须改变垂直钻井的路径,沿水平方向钻进,将分散储油、储气地块连通起来,提高单井采油(气)量。长半径水平井的水平段长度可达1000米以上,特别是在页岩气开采时,水平井将多个含裂隙的储气层联通、贯穿,是页岩气开采的关键技术之一。

随着我国经济的飞速发展,对石油的需求不断增加,石油不但是关系国计民生的重要消耗品,同时也是一个国家重要的战略物资,保障石油的充分供应对一个国家的经济发展和国家安全都具有十分重要的意义。我国是仅次于美国的第二大石油消耗国,2012我国石油产量为2.05亿吨,天然气产量为1067.6亿立方米,目前中国人均石油可开采储量仅为2.6吨,是世界人均石油开采量平均值的1/10,这意味着我国石油消耗对国际市场的依赖程度将越来越大,2012年我国进口石油2亿多吨,占石油消耗的一半左右。目前我国探明的石油储量为1040亿吨,天然气为54万亿立方米,但由于受到地面或地下条件的限制以及钻井技术的影响,石油可采储量仅为135～160亿吨,天然气可采储量约为10～12万亿立方米。在剩余的“不可采储量”中,低渗或特低渗、稠油和深度大于3500米的超过50%,难开采的比重越来越大,勘探难度越来越高,隐蔽而复杂油气藏已成为勘探主要对象,地表及地质条件复杂地区正成为勘探的重点目标区。另外现在世界各国和油气能源公司几乎都将页岩气开采提到了重要日程,中国是全球除北美以外率先开发页岩气的国家,在四川盆地北部中生代,鄂尔多斯盆地三叠系等多个地区页岩气的勘探取得了突破,预测显示,中国页岩气资源丰富,地质资源量为(3～16.6)万亿立方米。然而页岩气储层比任何致密油气储层都还要致密,有效开发难度非常大,地质结构复杂、地层断裂切割严重,是勘探开发面临的重大挑战。21世纪以来的10余年中,随着页岩气地质与开发理论的创新,开发关键技术的进步,尤其是定向井钻头用高品质PDC的突破性进展以及定向井PDC钻头制造技术及相关技术的进步,采用水平井钻完井与分段水压裂技术,使页岩气开发迈进了大发展阶段。

综上所述,高品质、高稳定性、高可靠性PDC的研发,对于解决难开采地层的油气资源以及页岩气资源的勘探与开采难题将奠定非常重要的基础,对于探明我国更多的油气储量及可采储量具有非常重要的经济意义和战略意义,充足的能源供应将为中国经济在新世纪里持续、健康和稳定高速发展保驾护航。

7.2 切削刀具用PDC发展前景

国产切削刀具用PDC的品质尚有待提高,单片的尺寸尚需加大,目前商品化的PDC直径一般为Ф38～Ф46mm,材料利用率低,分摊到每件刀具上的刀头成本偏高。PDC圆片中心处与靠近边缘处的性能存在较大的差异,进一步降低了材料利用率。由于产品质量难以满足有色金属切削刀具要求,故多用于要求稍低的木工刀具,以及耐磨件的支撑面。国内机械加工用PDC复合片市场容量很大,目前以进口为主。随着国产Φ50或更大尺寸复合片技术的成熟,依靠成本优势,取代进口产品,所产生的市场空间会很大,如果将中国大尺寸复合片反向向国外输出,更有扩展空间。

随着国产大压机和配套大顶锤技术逐渐成熟,国产大直径PDC的研发已在几家专业公司取得了显著进展,直径50mm的切削刀具用PDC已有突破,并能很快进入商品化。与进口产品相比,凭借较低的制造成本和及时方便的售前、售后服务,在许多应用领域会取得更高的占有率。

7.3 拉丝模用聚晶PCD

以钴为结合剂的聚晶PCD拉丝模坯料试制成功并投入大规模生产之后,已经取代进口的同类产品,而且其品种、规格也越来越完善。现在拉丝模用PCD的金刚石粒度向细颗粒发展,我国已经能生产出质量优异的5μm,3μm,1μm的聚晶PCD拉丝模坯料。

以硅为结合剂的TSP聚晶拉丝模坯料,如果能改进提高其耐磨性与强度,使之接近以钴为结合剂的聚晶PCD拉丝模,并保留其良好的耐热性,或许在应用方面会有新的突破。

[1] 赵云良,赵爽之.金刚石烧结机理的探讨.

[2] 赵云良,江晓乐,赵爽之.复合超硬材料发展概况.

The Development of sintered polycrystalline diamond compact(PCD&PDC)

ZHAO Yun-liang,ZHAO Shuang-zhi,YAN Sen
(Zhengzhou New Asia Superhard Material Composite Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,Henan)

This article briefly describes the invention,the theory of sintering,manufacturing methods,specifications,methods of performance evaluation,application and development prospects of sintered polycrystalline diamond compact.It could be the reference information for scientific research and production of superhard abrasives.

sintered diamond compact;TSP;polycrystalline diamond compact;drill bit; cutting tool;polycrystalline diamond wire die

TQ164

A

1673-1433(2014)02-0045-05

2013-10-10

赵云良,教授级高工,郑州新亚复合超硬材料有限公共场所司总经理,从事PDC、PCD、PcBN研究与工业化生产。