金剛石燒結(jié)體(PCD與PDC)的發(fā)展概況(五)①

趙云良,趙爽之,閆森

(鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司,河南鄭州 450001)

金剛石燒結(jié)體(PCD與PDC)的發(fā)展概況(五)①

趙云良,趙爽之,閆森

(鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司,河南鄭州 450001)

簡(jiǎn)單介紹了金剛石燒結(jié)體的發(fā)明、合成機(jī)理、制造方法、品種規(guī)格、性能檢測(cè)、應(yīng)用效果及其發(fā)展前景,可供超硬材料科研與生產(chǎn)人員學(xué)習(xí)參考。

金剛石燒結(jié)體;聚晶;復(fù)合片;鉆頭;刀具;拉絲模

6 PCD與PDC應(yīng)用領(lǐng)域及效果

6.1 石油、地質(zhì)鉆探用PDC的應(yīng)用

PDC在石油鉆探中最主要的應(yīng)用就是制造石油鉆頭,PDC鉆頭所完成的石油與天然氣鉆井工作量達(dá)總工作量的70%左右。

人造金剛石的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金。PDC鉆頭的主要技術(shù)特點(diǎn)是鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要工作部件PDC切削齒極其耐磨,鉆頭本身沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件,故也稱(chēng)之為固定式鉆頭。最初,PDC鉆頭只能被用于軟頁(yè)巖地層中,原因是硬的夾層會(huì)損壞鉆頭上的PDC切削齒。但由于PDC切削齒的性能不斷提升以及鉆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,目前PDC鉆頭已能夠用于鉆硬夾層和長(zhǎng)段的中硬巖地層了。PDC鉆頭正越來(lái)越多地為人們所選用,其量的提升是隨著PDC齒質(zhì)量的不斷提高而提升的。

牙輪鉆頭以硬質(zhì)合金作為切削齒,在旋轉(zhuǎn)時(shí)具有沖擊和壓碎地層巖石的作用。所以,牙輪鉆頭能夠適應(yīng)軟、中、硬的各種地層。牙輪鉆頭工作時(shí)需要較高的鉆壓,單齒比壓高,易于吃入地層,切削齒交替接觸井底,切削齒與井底接觸面積小,工作效率低。由于結(jié)構(gòu)上有旋轉(zhuǎn)部件,密封件的磨損成為牙輪鉆頭一大軟肋。

經(jīng)過(guò)30多年的不斷發(fā)展,如今在石油天然氣鉆采行業(yè),PDC鉆頭從無(wú)到有、從弱到強(qiáng)、從淺部地層到深至4500～6000米的深井都取得了驕人業(yè)績(jī)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外用戶(hù)反饋的信息,2011年至2012年期間新亞公司生產(chǎn)的超深井油田鉆探用PDC的部分使用效果如表5。使用效果表明:新亞公司生產(chǎn)的PDC切削齒,其耐磨性、耐熱性、抗沖擊強(qiáng)度等性能指標(biāo)已經(jīng)符合超深井油田鉆進(jìn)的需要。

以吉林油田深層天然氣鉆井為例,經(jīng)過(guò)數(shù)年的不斷科研攻關(guān),實(shí)現(xiàn)了4100米深井二開(kāi)進(jìn)段應(yīng)用PDC鉆頭全面鉆進(jìn)至二開(kāi)完鉆的目標(biāo),并實(shí)現(xiàn)了三開(kāi)井段PDC鉆頭鉆至3500米的突破。在這個(gè)井段用PDC鉆頭取代了以前所用的硬質(zhì)合金牙輪鉆頭,實(shí)現(xiàn)了全面提速。

PDC鉆頭對(duì)地層的針對(duì)性很強(qiáng),長(zhǎng)慶油田地層非常復(fù)雜。必須根據(jù)各區(qū)塊、不同深度地層的特點(diǎn)進(jìn)行具有針對(duì)性的工藝試驗(yàn)和PDC鉆頭的選型。實(shí)踐證明,PDC鉆頭機(jī)械鉆速明顯高于牙輪鉆頭,采用較小的鉆壓就可取得牙輪鉆頭高壓下才能取得的機(jī)械鉆速,可降低鉆機(jī)負(fù)荷,并能使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本得以降低。

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

圖28 *OTS制造的8-1/2”鉆頭在墨西哥Postoria地區(qū)完鉆后的照片,鉆頭基本上完整無(wú)損,可以繼續(xù)鉆井

位于鄂爾多斯盆地中部的蘇里格氣田是我國(guó)目前已發(fā)現(xiàn)的最大的陸上天然氣氣田,井深大約在3400米上下。該氣田的地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜,屬非均質(zhì)性較強(qiáng)的致密巖性氣田,開(kāi)發(fā)難度大。由于地層多變,需頻煩更換鉆頭和鉆具。一些地層較容易形成斜井(700～1100米段),有些地層可鉆性很差,難以一次鉆穿,不得不降低機(jī)械鉆速。受上部地層巨大壓力的作用,地層越深,其密實(shí)性越高,PDC的鉆進(jìn)就越發(fā)困難。在2200m以深地層鉆井工作深度只占全部鉆進(jìn)深度的1/3左右,但實(shí)際這部分距離所用鉆井時(shí)間占全井時(shí)間的70%。下部地層鉆速明顯低于上部地層,同時(shí)也預(yù)示著下部井段存在提高鉆井效率的巨大潛能。根據(jù)不同地層的可鉆性,適當(dāng)選擇不同的PDC鉆頭設(shè)計(jì),結(jié)合其它鉆井技術(shù)可有效攻克該天然氣井的鉆井難題。

2013年5月,新亞公司生產(chǎn)的新產(chǎn)品SHP在華北油田定向井—水平井也取得了較好的效果,鉆井效果如表6所示。

鉆頭使用效果評(píng)價(jià):該鉆頭適用于三開(kāi)水平段,從井深2800m至3501m,累計(jì)進(jìn)尺701m,純鉆時(shí)為34h,整體機(jī)鉆為20.62m/h,使用效果較好,創(chuàng)山2段機(jī)鉆最高紀(jì)錄。從鉆頭磨損情況看,山2段巖性屬于中粗砂巖,鉆頭后期還能維持6～7min/m機(jī)鉆,說(shuō)明鉆頭抗研磨性強(qiáng)、機(jī)鉆速度快,鉆頭起出后發(fā)現(xiàn)五個(gè)刀翼均屬于正常磨損,最大處磨損3mm,保徑從152.4mm至151mm,磨損1.4mm。

表6 DPHS-72-4井7#6″GM1605TX鉆頭的使用情況Table 6 Application of the bit 7#6″GM1605TX in the well DPHS-72-4

煤田用PDC鉆頭主要用作煤礦井巷錨桿支護(hù)的鉆孔作業(yè),現(xiàn)已被大多數(shù)煤礦企業(yè)采用,其主要優(yōu)勢(shì)是與硬質(zhì)合金錨桿鉆頭相比,鉆井速度成倍提高。單只鉆頭的工作壽命延長(zhǎng)數(shù)十倍,井巷支護(hù)施工速度提高,降低了巷道成本,深受煤礦企業(yè)歡迎。由于此類(lèi)PDC售價(jià)大幅度降低,使得PDC錨桿鉆頭迅速普及,中國(guó)是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó),這類(lèi)PDC的市場(chǎng)發(fā)展很快。

以硅為結(jié)合劑的TSP產(chǎn)品現(xiàn)在主要用于石油鉆頭的保徑和部分地質(zhì)鉆頭。

6.2 切削刀具用PDC的應(yīng)用

PDC幾乎絕大部分都是用作切削刀具的切削刃,只有少許PDC用作某些支撐件的耐磨面。

PDC最主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槠?chē)、家電、航空、木料加工行業(yè),其加工對(duì)象主要有活塞、缸體、輪轂、軸瓦、電機(jī)部件、航空零部件、強(qiáng)化木地板、家具型材等。從早期的鋁、銅等典型的有色金屬,到如今已擴(kuò)展到木材、石材、工程塑料、石墨及纖維增強(qiáng)材料、金屬基復(fù)合材料等。早期過(guò)高的售價(jià)一直是影響客戶(hù)接受PDC刀具的一大障礙,但現(xiàn)在發(fā)生了很大變化。PDC材料本身的價(jià)格下降和刀具制造技術(shù)的提升都使得PDC刀具得以普及,其增長(zhǎng)速度超過(guò)硬質(zhì)合金刀具的增長(zhǎng)速度。

PDC刀具的第一大市場(chǎng)為汽車(chē)制造,硅鋁合金被汽車(chē)行業(yè)大量采用,硅鋁合金中添加硅的百分比含量,決定了材料的可加工性能。過(guò)共晶態(tài)鋁合金(含硅超過(guò)12.6%)具有非常高的耐磨性、強(qiáng)度和抗疲勞性能,但合金中有硅元素以固體粒子形式從鋁基體中析出,此時(shí)只有采用具有鋒利切削刃和非常耐磨的PDC刀具才能進(jìn)行有效加工并獲得良好的表面質(zhì)量。切削鋁合金材料時(shí)PDC刀具的壽命為硬質(zhì)合金刀具壽命的20～50倍,一般推薦細(xì)粒度(或中粒度) PDC來(lái)加工低硅鋁合金,采用粗粒度PDC加工高硅鋁合金。

PDC刀具的刃口強(qiáng)化使得經(jīng)PDC刀具加工過(guò)的工件表面產(chǎn)生特別的光亮感,例如汽車(chē)輪轂的加工,單純的鋒利切削無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)美觀的要求,必須對(duì)刀具的刃口進(jìn)行純圓處理,使其對(duì)工作表面有強(qiáng)烈的擠光作用,甚至能達(dá)到接近鏡面的效果。

PDC刀具在木材加工行業(yè)的應(yīng)用近年來(lái)獲得高速發(fā)展。典型案例是在強(qiáng)化復(fù)合地板中的使用,由于強(qiáng)化地板的表面覆有一層氧化鋁耐磨層,只有PDC刀具能夠?qū)ζ浼庸?。高密度纖維板,由于基板的密度遠(yuǎn)高于普通木材,對(duì)刀具的磨損較為嚴(yán)重,也是PDC刀具的用武之地。除了應(yīng)用面大的地板榫頭成形刀具外,金剛石圓切鋸片、鏤銑刀、鉆頭等在木材加工領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。PDC木工刀具還有環(huán)保的優(yōu)勢(shì),PDC刀具刃口鋒利、切削平穩(wěn)、噪音低、能夠有效降低粉塵污染,由于切削產(chǎn)生的切屑90%以上被除塵系統(tǒng)吸走,能改善車(chē)間的工作環(huán)境。

6.3 拉絲模用的聚晶PCD

聚晶PCD主要用拉拔有色金屬與黑色金屬線(xiàn)材,其耐用度相當(dāng)硬質(zhì)合金拉絲模的數(shù)百倍,超過(guò)天然和人造大顆粒單晶金剛石拉絲模?，F(xiàn)在市場(chǎng)上用于制造拉絲模的PCD主要是以鈷作結(jié)合劑的,因?yàn)樗哪湍バ院?、?qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng),拉絲成本低。以硅作結(jié)合劑的用量相對(duì)減少了許多。

7 PCD與PDC的發(fā)展前景

7.1 石油、地質(zhì)鉆探用PDC的發(fā)展前景

在淺層油氣資源經(jīng)過(guò)近百年不斷開(kāi)采,其可采儲(chǔ)量越來(lái)越少,和全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源的依賴(lài)程度越來(lái)越重的雙重壓力下,人們不斷探索開(kāi)采更深地層儲(chǔ)藏石油天然氣以及頁(yè)巖氣的可能性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)深層地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識(shí)的不斷加深,在愈來(lái)愈深的地層中發(fā)現(xiàn)并開(kāi)采石油天然氣資源已經(jīng)成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的科學(xué)問(wèn)題。

但過(guò)去生產(chǎn)的復(fù)合片大多適合鉆進(jìn)3000m以淺的軟—中硬地層,其強(qiáng)度與抗磨損能力還不能滿(mǎn)足中硬以上地層以及研磨性強(qiáng)的地層、非均質(zhì)破碎地層的鉆井要求,石油與天然氣鉆井工業(yè)的發(fā)展,對(duì)于復(fù)合片質(zhì)量及復(fù)合片鉆頭設(shè)計(jì)、制造及使用提出了越來(lái)越高的要求,復(fù)合片鉆頭的鉆探領(lǐng)域已經(jīng)由0～3000m的軟、中硬地層向3000～6000m深的硬地層、強(qiáng)磨蝕性地層和含硬夾層的地層拓展,以勘探與開(kāi)采儲(chǔ)藏在地層深處的石油與天然氣。以往的金剛石復(fù)合片性能要求已不能滿(mǎn)足日益變化的油氣井開(kāi)采的需求,井的深度越來(lái)越深,地層壓實(shí)密度越來(lái)越高,鉆頭在井底的工作溫度越來(lái)越高,這些都意味著,承擔(dān)鉆井工作主要負(fù)荷的金剛石復(fù)合片應(yīng)具有更高的耐磨性和抗沖擊性能,但這兩項(xiàng)性能要求與人造金剛石這種脆性材料是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。

定向井技術(shù)是當(dāng)今世界石油勘探開(kāi)采領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)之一,所謂定向井是由優(yōu)質(zhì)可靠的PDC鉆頭、特殊井下工具、測(cè)量?jī)x器和工藝技術(shù)有效控制井軌跡,使鉆頭沿著特定方向鉆達(dá)地下預(yù)定目標(biāo)的鉆井工藝技術(shù)。采用定向井技術(shù)可以使地面和地下條件受到限制的油氣資源得到經(jīng)濟(jì)、有效的開(kāi)發(fā),能大幅提高油氣產(chǎn)量和降低鉆井成本,有利于保護(hù)自然環(huán)境,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。簡(jiǎn)單地說(shuō),定向井與以往用鉆頭從地面垂直向下鉆進(jìn)的直井有明顯不同之處,定向井是使鉆頭沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的井斜和方位,或垂直或傾斜或水平鉆達(dá)預(yù)定的油氣層,打定向井的目的是為了避開(kāi)高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等地面條件的限制,避開(kāi)地下斷層、鹽丘、穹窿等復(fù)雜地層,定向井有用于開(kāi)發(fā)低滲透、低孔隙油氣藏、頁(yè)巖氣藏等的普通定向井、多目標(biāo)定向井、叢式定向井、水平井、分支井,有利于解決井底落物的測(cè)鉆井,以及發(fā)生油氣燃燒事故時(shí)的救援井(如圖29所示)。

圖29 定向井鉆井的種類(lèi)Fig.29 Types of directional drilling well

定向井鉆頭對(duì)PDC的要求很高,譬如水平井鉆進(jìn)時(shí),在2000～3000米甚至更深處須改變垂直鉆井的路徑,沿水平方向鉆進(jìn),將分散儲(chǔ)油、儲(chǔ)氣地塊連通起來(lái),提高單井采油(氣)量。長(zhǎng)半徑水平井的水平段長(zhǎng)度可達(dá)1000米以上,特別是在頁(yè)巖氣開(kāi)采時(shí),水平井將多個(gè)含裂隙的儲(chǔ)氣層聯(lián)通、貫穿,是頁(yè)巖氣開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對(duì)石油的需求不斷增加,石油不但是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要消耗品,同時(shí)也是一個(gè)國(guó)家重要的戰(zhàn)略物資,保障石油的充分供應(yīng)對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全都具有十分重要的意義。我國(guó)是僅次于美國(guó)的第二大石油消耗國(guó),2012我國(guó)石油產(chǎn)量為2.05億噸,天然氣產(chǎn)量為1067.6億立方米,目前中國(guó)人均石油可開(kāi)采儲(chǔ)量?jī)H為2.6噸,是世界人均石油開(kāi)采量平均值的1/10,這意味著我國(guó)石油消耗對(duì)國(guó)際市場(chǎng)的依賴(lài)程度將越來(lái)越大,2012年我國(guó)進(jìn)口石油2億多噸,占石油消耗的一半左右。目前我國(guó)探明的石油儲(chǔ)量為1040億噸,天然氣為54萬(wàn)億立方米,但由于受到地面或地下條件的限制以及鉆井技術(shù)的影響,石油可采儲(chǔ)量?jī)H為135～160億噸,天然氣可采儲(chǔ)量約為10～12萬(wàn)億立方米。在剩余的“不可采儲(chǔ)量”中,低滲或特低滲、稠油和深度大于3500米的超過(guò)50%,難開(kāi)采的比重越來(lái)越大,勘探難度越來(lái)越高,隱蔽而復(fù)雜油氣藏已成為勘探主要對(duì)象,地表及地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)正成為勘探的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)。另外現(xiàn)在世界各國(guó)和油氣能源公司幾乎都將頁(yè)巖氣開(kāi)采提到了重要日程,中國(guó)是全球除北美以外率先開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的國(guó)家,在四川盆地北部中生代,鄂爾多斯盆地三疊系等多個(gè)地區(qū)頁(yè)巖氣的勘探取得了突破,預(yù)測(cè)顯示,中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富,地質(zhì)資源量為(3～16.6)萬(wàn)億立方米。然而頁(yè)巖氣儲(chǔ)層比任何致密油氣儲(chǔ)層都還要致密,有效開(kāi)發(fā)難度非常大,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地層斷裂切割嚴(yán)重,是勘探開(kāi)發(fā)面臨的重大挑戰(zhàn)。21世紀(jì)以來(lái)的10余年中,隨著頁(yè)巖氣地質(zhì)與開(kāi)發(fā)理論的創(chuàng)新,開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步,尤其是定向井鉆頭用高品質(zhì)PDC的突破性進(jìn)展以及定向井PDC鉆頭制造技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,采用水平井鉆完井與分段水壓裂技術(shù),使頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)邁進(jìn)了大發(fā)展階段。

綜上所述,高品質(zhì)、高穩(wěn)定性、高可靠性PDC的研發(fā),對(duì)于解決難開(kāi)采地層的油氣資源以及頁(yè)巖氣資源的勘探與開(kāi)采難題將奠定非常重要的基礎(chǔ),對(duì)于探明我國(guó)更多的油氣儲(chǔ)量及可采儲(chǔ)量具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義,充足的能源供應(yīng)將為中國(guó)經(jīng)濟(jì)在新世紀(jì)里持續(xù)、健康和穩(wěn)定高速發(fā)展保駕護(hù)航。

7.2 切削刀具用PDC發(fā)展前景

國(guó)產(chǎn)切削刀具用PDC的品質(zhì)尚有待提高,單片的尺寸尚需加大,目前商品化的PDC直徑一般為Ф38～Ф46mm,材料利用率低,分?jǐn)偟矫考毒呱系牡额^成本偏高。PDC圓片中心處與靠近邊緣處的性能存在較大的差異,進(jìn)一步降低了材料利用率。由于產(chǎn)品質(zhì)量難以滿(mǎn)足有色金屬切削刀具要求,故多用于要求稍低的木工刀具,以及耐磨件的支撐面。國(guó)內(nèi)機(jī)械加工用PDC復(fù)合片市場(chǎng)容量很大,目前以進(jìn)口為主。隨著國(guó)產(chǎn)Φ50或更大尺寸復(fù)合片技術(shù)的成熟,依靠成本優(yōu)勢(shì),取代進(jìn)口產(chǎn)品,所產(chǎn)生的市場(chǎng)空間會(huì)很大,如果將中國(guó)大尺寸復(fù)合片反向向國(guó)外輸出,更有擴(kuò)展空間。

隨著國(guó)產(chǎn)大壓機(jī)和配套大頂錘技術(shù)逐漸成熟,國(guó)產(chǎn)大直徑PDC的研發(fā)已在幾家專(zhuān)業(yè)公司取得了顯著進(jìn)展,直徑50mm的切削刀具用PDC已有突破,并能很快進(jìn)入商品化。與進(jìn)口產(chǎn)品相比,憑借較低的制造成本和及時(shí)方便的售前、售后服務(wù),在許多應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)取得更高的占有率。

7.3 拉絲模用聚晶PCD

以鈷為結(jié)合劑的聚晶PCD拉絲模坯料試制成功并投入大規(guī)模生產(chǎn)之后,已經(jīng)取代進(jìn)口的同類(lèi)產(chǎn)品,而且其品種、規(guī)格也越來(lái)越完善?，F(xiàn)在拉絲模用PCD的金剛石粒度向細(xì)顆粒發(fā)展,我國(guó)已經(jīng)能生產(chǎn)出質(zhì)量?jī)?yōu)異的5μm,3μm,1μm的聚晶PCD拉絲模坯料。

以硅為結(jié)合劑的TSP聚晶拉絲模坯料,如果能改進(jìn)提高其耐磨性與強(qiáng)度,使之接近以鈷為結(jié)合劑的聚晶PCD拉絲模,并保留其良好的耐熱性,或許在應(yīng)用方面會(huì)有新的突破。

[1] 趙云良,趙爽之.金剛石燒結(jié)機(jī)理的探討.

[2] 趙云良,江曉樂(lè),趙爽之.復(fù)合超硬材料發(fā)展概況.

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

趙云良,教授級(jí)高工,鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公共場(chǎng)所司總經(jīng)理,從事PDC、PCD、PcBN研究與工業(yè)化生產(chǎn)。