金刚石钻头的发展趋势

赵尔信

(北京探矿工程研究所,北京,100083)

金刚石钻头的发展趋势

赵尔信

(北京探矿工程研究所,北京,100083)

国产地质钻探用金刚石钻头的水平已接近国际先进水平,差距较小,但油气钻探用复合片钻头水平与国际先进水平相比差距较大,为此,需提高复合片的性能,包括耐磨性、抗冲击韧性及耐热性,研制新型的高耐磨、高抗冲及高耐热的三高复合片,热别是耐热性能的复合片,为我国钻探全面提速奠定物质基础。

金刚石钻头;复合片钻头;耐磨性;抗冲击韧性;耐热性

前言

在钻探过程和技术链中,钻头永远处于前沿和核心的位置。钻探的本质就是破碎岩石,其他钻探技术,如信息、控制、泥浆等都在为破岩而服务,虽说首推钻头,但不是说要降低其他方面的重要性。只有将所有技术组成一个整体,发挥作用才是关键。

我国金刚石钻头发展取得了重大进步,但与世界先进水平相比还有一定差距,目前我们仍然在走仿制和跟踪的路子,自主创新特别是原创性的技术少。另外,金刚石钻头研制与国内超硬材料科学技术的基础研究水平密切相关。可以说没有优质的超硬材料(人造金刚石和复合片)就没有优质的金刚石钻头,反之金刚石钻头的发展又推动了人造金刚石事业的发展。

我国超硬材料行业取得实飞猛进的发展,已成为世界上生产人造金刚石的大国,短期内取得如此成就,十分值得自豪。

我们更殷切希望超硬材料行业能批量生产出世界一流的大颗粒高强度人造单品和三高(高耐磨、高冲击韧性和高耐热)的复合片,让我们地质和石油钻探事业像高铁一样的全面提速,超过国际上的先进水平。

1 金刚石钻头发展态势

我国金刚石钻头的研制从1960年开始,至今已55年,人造金刚石钻头的研制从1970年开始至今已45年。我们用中国的速度快速发展,无论从数量和质量上我们已满足了国内钻探事业的需求,其钻头水平已接近国外先进水平。我们用55年的时间完成了国外153年的发展过程,特别是人造金刚石钻头的发展中国是领先的,当外国人以天然金刚石制造表镶和孕镶钻头时,中国已经开始了人造金刚石钻头的研究,我们走在了国际人造金刚石钻头制造的前列,这归功于人造金刚石行业的快速发展。没有人造金刚石就没有人造金刚石钻头。同样人造金刚石钻头的广泛使用,又促进了人造金刚石的发展。

1.1 地质找矿向深部发展,需深孔钻探用新型金刚石钻头

目前钻探工作已由浅部、中深部钻探向深部发展,由于浅部矿藏已勘探和开发完成,必须向找矿第二空间——深部找矿,孔深由几百米向数千米发展,深孔钻探状况复杂,钻探效率低下,迫切需要新型深孔用金刚石钻头。

1.2 地球科学探测需要深部钻探用新型金刚石钻头

要揭开大陆演化的奥秘,更有效地寻找资源,保护环境、减轻灾害,就要进行地球深部探测,进行地球深部大陆科学钻探工程。该工程被形象地誉为“深入地球内部的望远镜”,是“入地”之门的钥匙。深部探测计划的初期在全国七个地区完成了七个深孔,就像七个望远镜从不同的方位观察地球的内部。有助于研究板块汇聚边界的深部动力学,重要矿产资源集聚区的成矿背景、成矿条件和成矿前景,盆山结合带对油气资源制约以及火山——地热资源等方面开展地质、地球物理的预研究,大比例地质调查填图和科学选址。

1.3 地质钻探工作量迅猛增长,需要节能高效低成本的新型钻头

2013年以前金刚石钻进发展态势很好,从表1中所列数据可见。

依据表1的钻探工作量,可推算出全国所需金刚石钻头和扩孔器数量和相应所需的人造金刚石用量。

表1 历年钻探工作量增长表Table 1 growth of the yearly drilling workload

(1)金刚石钻头数约70万个/年

(2)扩孔器数约35万个/年

(3)人造金刚石数约4200万克拉

如采用高效金刚石钻头,将钻探提速30%粗略估计可节约40亿元,由此而带来的提前完成钻探任务,其经济效益和社会效益更是可观的。

所以钻探工作应像铁路一样全面提速,加快地质找矿的速度,全面提速的关键、突破口是金刚石钻头,而钻头提速的突破口是人造金刚石和复合片。

1.4 金刚石钻头曾创下的相关记录

随着钻探工作量的发展,金刚石钻头在过去和现在皆取得过好的效果,有些成绩亦是喜人的,曾有若干金刚石钻头较高进尺的记录。

①中国大陆科学钻探——在大直径(Φ157mm)硬岩中8～9级花岗片麻岩中二次镶嵌式金刚石钻头进尺75.23m。

②在河北冀东铁矿钻探——深孔硬岩中,绳索取心二次镶嵌式钻头,最高进尺达180米。

③山东乳山2000米钻机配套实验中,双层水口超高胎体钻头最高进尺117.9米。

④江西二六五队——中深孔、砂页岩地层中,高浓度孕镶钻头最高进尺1027.59米。

⑤山东六队二次镶嵌式钻头在金属矿中钻头最高进尺198米。

⑥石油钻探——复合片钻头最高钻头记录10027.59米。

⑦钾盐钻进,绳索取芯钻头最高寿命为700米,平均210米。

⑧南海深水取样,取样深度为海底以下300米,用一个Φ241mm的复合片钻头(图1)一个回次钻完一口取样井,为未来“一个钻头一口井”的目标奠定了良好的基础。

图1 海洋取样复合片钻头Fig.1 PDC drill bit for ocean sampling

1.5 深孔钻探对新型金刚石钻头技术指标的要求

(1)高效——这是首先的也要必须的,只有高效钻探才能全面提速,才能低耗降低钻探成本,才能降低钻孔事故率。

不同地层建议钻头的钻速为:

坚硬致密地层——0.8～1.2m/h

硬—坚硬地层——1.5～2.0m/h

中硬—硬地层——2～3m/h

软—中硬地层——3～6m/h

(2)高效条件下的长寿命

深孔钻探中延长寿命,减少提下钻时间,大幅度提高纯钻进时间,直接提高效率。

不同地层中钻头寿命建议为:

软至中硬度层——150～200m

中硬至硬地层——100～150m

硬至坚硬地层——50～100m

坚硬致密打滑地层——40～60m

硬·脆·碎地层——30～50m

假如新型金刚石钻头整体平均寿命达100m,钻一个千米的钻孔仅需十个回次,钻完一个2000米的深孔仅需20个回次。而目前估计常规钻头平均寿命为40m,即新型金刚石钻头寿命是常规钻头寿命的2.25倍,使用新型钻头能减少提下钻回次数,在其他钻进条件相同条件下,效率提高近似2.25倍,能大幅度节约成本。

2 与国外先进的金刚石钻头技术相比存在一定差距

2.1 人造金刚石孕镶钻头

国内钻头与国外钻头比仍有一定差距,通过几次对国外钻头的试用发现,国内钻头钻速比国外低20%,钻头寿命低40%左右,这个差距表现为下列几个方面:

(1)钻头结构设计理念

(2)钻头内在性能

(3)钻头烧结工艺的研究

(4)钻头井底流场的模拟研究

2.2 金刚石复合片钻头

2.2.1 地质钻探用复合片钻头

国内研发的金刚石复合片钻头所用的复合片近几年有快速而稳定的进步。已基本能满足国内地质、煤田、核工业的软—中硬地层的钻探及油气钻探的部分地层钻探的需求。即通常所说的地质钻探复合片钻头已基本满足要求,与国外相比虽有差距,但不十分明显。

2.2.2 油气井钻探用复合片钻头

油气井钻探中的国产复合片钻头仅能局限用于软至中等地层,而钻遇较硬的砂砾石地层即止步不前,而与国外合资的克拉玛依—DBS复合片钻头却可顺利通过上述地层,即油气井钻探中的硬地层成为中、外复合片钻头使用的分水岭,说明油气井钻探用复合片钻头国产的与国外的相比尚存在差距。

2.2.3 油气井钻探用国产复合片钻头与国外新型复合片钻头的差距及改进措施

2.2.3.1 大刀翼新型复合片钻头

该类型的复合片钻头性能优越,无论从技术经济指标、钻头结构基体材料、复合片的性能和形状等方面与国内复合片钻头相比差异皆很大,现分别说明。

①技术经济指标

②钻头结构

与国外合资的该类型钻头特点为:大刀翼、高出刃、宽水路。刀翼较薄能提高钻进效率,高出刃宽水路易于排粉,防止岩粉的重复破碎(见图2)

图2 大刀翼复合片钻头Fig.2 Broadsword wing PDC drill bit

③钻头基体材料

通常国产复合片钻头的基体采用粉末冶金的方法,在箱式电炉中烧结,其胎体性能软脆,故在砂砾石地层中由于冲击作用会发生钻头刀翼折断事故。而大刀翼新型钻头是采用钢基体的钻头(钢基体性能接近35铬钼),其刀翼韧性好,不易发生折断,可将刀翼做高,做薄,十分有利于提高钻速,钢基体的加工完全由现代化的五轴联动机床加工完成,不需要耗费大量电能的箱式电炉烧结,节约大量能量,是钻头行业升级改造,转变生产结构一种实例。

④刀翼表面的化学处理

钻头的大刀翼表面进行化学处理,使刀翼带有正电荷,排斥泥浆中带正电荷的岩粉颗粒,防止岩粉黏附于钻头刀翼上形成糊钻,轻则影响钻进效率,重则诱发钻头泥包事故。

⑤优质性能的复合片

大刀翼新型复合片钻头所用复合片的性能为高耐磨,高抗冲,高耐热的三高复合片,其磨耗比为20～22万,抗冲击韧性＞600J,耐热性能≥750℃。

⑥大刀翼新型复合片所用复合片,不是常用的圆片状而是圆锥形,如图3所示。

图3 圆锥形复合片(右边第四个)Fig.3 Conical PDC(the fourth from the right)

同样刀翼上所预留的复合片定位穴也是锥形的,将锥形复合片镶嵌于锥形的定位穴内,焊接面积大,镶嵌牢固,复合片不会脱落。

⑦刀翼表面喷涂耐冲蚀涂层

刀翼本体是钢材强度高,抗冲击,但抗泥浆冲蚀能力较差,因此,在刀翼表面喷涂一层合金粉末层,可抗泥浆高速液流的冲蚀,保持刀翼耐磨的寿命。

2.2.3.2 复合片与牙轮组合钻头(图4)

众所周知,牙轮钻头的碎岩作用是冲击,复合片钻头的碎岩作用是刮削,现在国外已研制出一种把牙轮钻头和复合片钻头组合起来的新型的钻头,这种钻头将钻头的冲击作用和刮削作用结合在一起,达到高效长寿的目的。在塔里木油田,一个牙轮加复合片的组合钻头,单价达180万元,尽管价格昂贵,但节省了20%的钻井成本费用,且耐用,不用起下钻,提高了钻探效率,减少了事故。

图4 牙轮与复合片组合钻头Fig.4 combined drill bit of roller and PDC

该类型钻头钻进中的特点:

①在软硬互层地层中提供更快的机械钻速;

②与传统牙轮钻头相比,钻进过程更加平稳;

③在定向钻进过程中侧向切削力强及能更好控制工具面,定向能力强;

④在难钻进硬地层中,能减小钻头的扭矩。

2.2.3.3 混镶式金刚石钻头(见图5),对付硬地层的又一锐器

国内松辽盆地和川东北油气田在钻进致密泥岩,砂砾岩互层中,使用北京探矿工程研究所研制的混镶式金刚石钻头是十分有效的。该类型钻头的特点是,采用表镶天然金刚石加人造孕镶金刚石热压孕镶齿作为切割齿,在表层天然金刚石消耗完后,钻头仍可利用孕镶层继续工作,从而使钻头寿命和进尺大幅度提高。

该类型钻头与牙轮钻头相比,钻速提高1.5倍,寿命提高6.5倍,至少可减少5趟提下钻回次,提高了钻井效率。

需注意的是,此类型钻头要与高速螺杆钻具配套使用,方可取得好的钻进效果。

图5 混镶式金刚石钻头切割结构图Fig.5 cutting structure of mixed inlay type diamond drill bit

2.2.4 油气井钻探用复合片国内外之差距

2.2.4.1 国际金刚石复合片的水平

目前国内外复合片性能指标已发生质的飞跃,指标大幅度的提高,为钻进硬地层奠定了坚实的基础。

复合片的性能,包括下列几项指标:

1、耐磨性(亦称磨耗比)

2、抗冲击韧性(焦耳)

3、热稳定性(烧结前后上述指标的变化)

国内外复合片性能指标,分三个阶段进行对比:

起始阶段20世纪80年代至90年代

国内复合片磨耗比为4～6万(国外8～10万)

国内复合片抗冲击韧性为100～200J(国外为200～300J)

热稳定性系数为70(国外为85)

发展阶段(上世纪90年代～2000年)

国内复合片磨耗比为8～12万(国外10～18万)

国内复合片抗冲击韧性为200～400J(国外＞400J)

热稳定性系数为80(国外为90)

提高阶段(2000～现在)

国内复合片磨耗比为15～20万(国外20～22万)

国内复合片抗冲击韧性为400～600J(国外＞600J)

热稳定性系数为80(国外为95～100)

发展到今天可见国内复合片的磨耗比,抗冲韧性的指标和国外已比较接近,为什么在使用的效果方面仍有相当差距?导致售价差距更大呢?

这是我们要深入研究的问题。

2.2.4.2 复合片发展方向

钻进硬地层的三高PDC复合片,即高耐磨,高冲击强度、高耐热性。复合片的主要性能通常指的是耐磨性和抗冲击韧性,现在进一步的研究和试验发现了第三种性能——热性能更为重要,它导致PDC的热损坏,其原因是热侵蚀后形成的磨损和应力,即热侵蚀导致PDC金刚层中金刚石的碳化和氧化及产生裂纹,这是PDC损坏的重要原因之一。

所以高质量的复合片其性能除了耐磨性、抗冲击韧性要高以外,高耐热性亦十分重要。

热损伤破坏的类型:

(1)裂纹:隐裂纹

微裂纹——裂纹扩展——脱层崩落(见图6、图7、图8、图9、图10、图11)。

图6 微小裂纹(放大10倍)Fig.6 Micro cracks(×10)

图7 微小裂纹(放大500倍)Fig.7 Micro cracks(×500)

图8 裂纹扩展(放大10倍)Fig.8 crack growth(×10)

图9 裂纹扩展(放大500倍)Fig.9 crack growth(×500)

图10 使用后,美国GE复合片Fig.10 American GE PDC after use

图11 使用后,美国GE复合片Fig.11 American GE PDC after use

图12 复合片的硬质合金后衬出现裂纹Fig.12 cracks in the cemented carbide rear lining of the PDC

(2)金刚石碳化:微碳化——严重碳化——磨损加速。

(3)硬质合金后衬出现裂纹(见图12)。

研究提高复合片的热损伤,应从以下几个方面。

2.2.4.2 钻探用复合片性能提高的途径

2.2.4.2.1 金刚石复合片制造工艺

(1)原料金刚石的净化(图13)

在真空净化系统中进行表面处理。

包括真空——加热,两部分,真空净化装置见图13。

真空10-2～10-6Pa加热400℃～500℃

正离子轰击(清洁、活化颗粒表面)

图13 真空净化装置Fig.13 Vacuum purification device

(2)金刚石单晶粉末

粒度:70～90μm和30μm周围(国内5μm 25μm 50μm)

韧度系统:＞60(抗冲击强度)即冲击试验后筛上留有60%金刚石;

单晶长宽比:0.8(0.85、0.87);

晶体形状:轮廓分明的立方八面体晶形好,热稳定性好,耐磨性高;

大粒单晶:占30%(如90μm)。

(3)为提高PDC热稳定性脱钴工艺

由于金属钴的热膨胀系数比周围聚晶金刚石粒子大,在700℃～760℃范围内钴的膨胀会使金刚石粒子之间的连接发生分离,导致金刚石层的迅速破坏,从而降低PDC钴头的耐磨性。

据称国外已广泛应用脱钴技术,大幅度提高了脱钴净度和脱钴深度,国外已达到0.5～0.6毫米,而国内技术只能达到0.1毫米。

(4)改变接触面的结构形状

①改变内接触面结构(图14)

在PDC制造和井下钻进过程中都会受到热的影响,金刚石层的膨胀系数＜硬质合金的膨胀系数,势必在两种不同材料的接触面上产生一个较大的应力,易使金刚石层产生应力。消除或减少此应力的方法是:设计一种特殊形状的接触面,即金刚石层和硬质合金柱之间的内接触表面设计为阶梯状,以此来减缓两种材料的膨胀率的差别,相应地膨胀(或收缩)的尺寸相对接近,减少了热膨胀带来的损伤。

图14 改变内接触面结构的复合片Fig.14 PDC with altered structure of inner contact surface

②改变端面接触面的结构

采用爪形的接触面(图15),多条沟槽吸收热过程中的残余力,不易发生金刚石层的裂纹和碎裂,而且增加了金刚石层的金刚石量,也增加了PDC的耐磨性。

图15 复合片端面槽型结构合面提速Fig.15 occlusal plane of the transverse groove type structure of PDC

③金刚石层表面设有通水槽(图16、17)

PDC表面设计有通水槽或在PDC切割端面设计有尖齿形,在钻进过程中,槽中和尖齿间始终会有冷却水,有利于散热,减少热损伤。

图16 复合片表面有通水槽Fig.16 surface water groove of PDC

图17 复合片端面有尖齿水槽Fig.17 sharp teeth water groove of PDC

(5)采用过渡层的结构,减少金刚石层和硬质合金衬底之间的残余应力(图18)

过渡层中金刚石由不同粒度组成,靠近硬质合金底衬的金刚石粒度细,远离硬质合金的地方金刚石粒度粗,即过渡金刚石层中金刚石粒度逐渐连续的变化,靠近硬质合金底衬的金刚石粒度细,而与岩石接触的切削面处是粗粒金刚石,以此改善PDC的由热而产生的残余应力

(6)硬质合金底衬

复合片由金刚石层和硬质合金底衬组成,其中硬质合金底衬的抗冲击强度也至关重要,如果底衬强度低,不能抵御钻进中的冲击强度,提前损伤,势必金刚石层也将损坏导致复合块失效,因此选择优质的硬质

图18 PDC梯度结构示意图Fig.18 gradient structure diagram of PDC

合金片是十分重要的。

3 结语

(1)地质钻探人造孕镶金刚石钻头水平接近国际先进水平。

(2)油气井钻探金刚石复合片钻头水平与国际先进水平尚有差距。

(3)油气井钻探复合片的性能特别是热性能有待进一步提高。

(4)优质大颗粒人造单晶应走向批量生产,以代替天然表镶金刚石。

(5)地质、石油钻探必须全面提速,其突破口是金刚石钻头,而金刚石钻头的关键是超硬材料。

[1] 刘广志.金刚石钻探手册[M].北京:地质出版社,1991.

[2] 王达.深孔岩心钻探的技术关键[J].探矿工程,2009.279.

[3] 赵尔信.金刚石钻头与扩孔器[M].北京:地质出版社,1982.

[4] 张金昌.地质岩心钻探关键技术与装备论文集[M].北京:地质出版社,2012.

[5] 蔡家品.元坝地区新型金刚石钻头的研究与应用[J].探矿工程, 2010.11

[6] 贾美玲.深孔钻探金刚石钻头技术研究[J].探矿工程,2010.12.

[7] 梁涛.金3井混镶金刚石钻头的设计和应用[J].探矿工程, 2014.2.

[8] 赵尔信.3000m深海钻进钻头设计取样试验研究(中国超硬材料与制品50周年精选文集[M].杭州:浙江大学出版社,2014. 383.

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

赵尔信,男,汉族,1941年生,教授级高工,从事地质钻探、科学钻探,环境钻探,海洋钻探,北京市海淀区学院路29号探工楼207,zhaoex @bjiee.com.cn。

赵尔信.金刚石钻头的发展趋势[J].超硬材料工程,2015,27(1):52-59.