金剛石鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)

趙爾信

(北京探礦工程研究所,北京,100083)

金剛石鉆頭的發(fā)展趨勢(shì)

趙爾信

(北京探礦工程研究所,北京,100083)

國(guó)產(chǎn)地質(zhì)鉆探用金剛石鉆頭的水平已接近國(guó)際先進(jìn)水平,差距較小,但油氣鉆探用復(fù)合片鉆頭水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距較大,為此,需提高復(fù)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(fù)合片,熱別是耐熱性能的復(fù)合片,為我國(guó)鉆探全面提速奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

金剛石鉆頭;復(fù)合片鉆頭;耐磨性;抗沖擊韌性;耐熱性

前言

在鉆探過(guò)程和技術(shù)鏈中,鉆頭永遠(yuǎn)處于前沿和核心的位置。鉆探的本質(zhì)就是破碎巖石,其他鉆探技術(shù),如信息、控制、泥漿等都在為破巖而服務(wù),雖說(shuō)首推鉆頭,但不是說(shuō)要降低其他方面的重要性。只有將所有技術(shù)組成一個(gè)整體,發(fā)揮作用才是關(guān)鍵。

我國(guó)金剛石鉆頭發(fā)展取得了重大進(jìn)步,但與世界先進(jìn)水平相比還有一定差距,目前我們?nèi)匀辉谧叻轮坪透櫟穆纷?自主創(chuàng)新特別是原創(chuàng)性的技術(shù)少。另外,金剛石鉆頭研制與國(guó)內(nèi)超硬材料科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)研究水平密切相關(guān)?？梢哉f(shuō)沒(méi)有優(yōu)質(zhì)的超硬材料(人造金剛石和復(fù)合片)就沒(méi)有優(yōu)質(zhì)的金剛石鉆頭,反之金剛石鉆頭的發(fā)展又推動(dòng)了人造金剛石事業(yè)的發(fā)展。

我國(guó)超硬材料行業(yè)取得實(shí)飛猛進(jìn)的發(fā)展,已成為世界上生產(chǎn)人造金剛石的大國(guó),短期內(nèi)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(yè)能批量生產(chǎn)出世界一流的大顆粒高強(qiáng)度人造單品和三高(高耐磨、高沖擊韌性和高耐熱)的復(fù)合片,讓我們地質(zhì)和石油鉆探事業(yè)像高鐵一樣的全面提速,超過(guò)國(guó)際上的先進(jìn)水平。

1 金剛石鉆頭發(fā)展態(tài)勢(shì)

我國(guó)金剛石鉆頭的研制從1960年開(kāi)始,至今已55年,人造金剛石鉆頭的研制從1970年開(kāi)始至今已45年。我們用中國(guó)的速度快速發(fā)展,無(wú)論從數(shù)量和質(zhì)量上我們已滿足了國(guó)內(nèi)鉆探事業(yè)的需求,其鉆頭水平已接近國(guó)外先進(jìn)水平。我們用55年的時(shí)間完成了國(guó)外153年的發(fā)展過(guò)程,特別是人造金剛石鉆頭的發(fā)展中國(guó)是領(lǐng)先的,當(dāng)外國(guó)人以天然金剛石制造表鑲和孕鑲鉆頭時(shí),中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了人造金剛石鉆頭的研究,我們走在了國(guó)際人造金剛石鉆頭制造的前列,這歸功于人造金剛石行業(yè)的快速發(fā)展。沒(méi)有人造金剛石就沒(méi)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(jìn)了人造金剛石的發(fā)展。

1.1 地質(zhì)找礦向深部發(fā)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(fā)展,由于淺部礦藏已勘探和開(kāi)發(fā)完成,必須向找礦第二空間——深部找礦,孔深由幾百米向數(shù)千米發(fā)展,深孔鉆探狀況復(fù)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(xué)探測(cè)需要深部鉆探用新型金剛石鉆頭

要揭開(kāi)大陸演化的奧秘,更有效地尋找資源,保護(hù)環(huán)境、減輕災(zāi)害,就要進(jìn)行地球深部探測(cè),進(jìn)行地球深部大陸科學(xué)鉆探工程。該工程被形象地譽(yù)為“深入地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡”,是“入地”之門的鑰匙。深部探測(cè)計(jì)劃的初期在全國(guó)七個(gè)地區(qū)完成了七個(gè)深孔,就像七個(gè)望遠(yuǎn)鏡從不同的方位觀察地球的內(nèi)部。有助于研究板塊匯聚邊界的深部動(dòng)力學(xué),重要礦產(chǎn)資源集聚區(qū)的成礦背景、成礦條件和成礦前景,盆山結(jié)合帶對(duì)油氣資源制約以及火山——地?zé)豳Y源等方面開(kāi)展地質(zhì)、地球物理的預(yù)研究,大比例地質(zhì)調(diào)查填圖和科學(xué)選址。

1.3 地質(zhì)鉆探工作量迅猛增長(zhǎng),需要節(jié)能高效低成本的新型鉆頭

2013年以前金剛石鉆進(jìn)發(fā)展態(tài)勢(shì)很好,從表1中所列數(shù)據(jù)可見(jiàn)。

依據(jù)表1的鉆探工作量,可推算出全國(guó)所需金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器數(shù)量和相應(yīng)所需的人造金剛石用量。

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

(1)金剛石鉆頭數(shù)約70萬(wàn)個(gè)/年

(2)擴(kuò)孔器數(shù)約35萬(wàn)個(gè)/年

(3)人造金剛石數(shù)約4200萬(wàn)克拉

如采用高效金剛石鉆頭,將鉆探提速30%粗略估計(jì)可節(jié)約40億元,由此而帶來(lái)的提前完成鉆探任務(wù),其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益更是可觀的。

所以鉆探工作應(yīng)像鐵路一樣全面提速,加快地質(zhì)找礦的速度,全面提速的關(guān)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(fù)合片。

1.4 金剛石鉆頭曾創(chuàng)下的相關(guān)記錄

隨著鉆探工作量的發(fā)展,金剛石鉆頭在過(guò)去和現(xiàn)在皆取得過(guò)好的效果,有些成績(jī)亦是喜人的,曾有若干金剛石鉆頭較高進(jìn)尺的記錄。

①中國(guó)大陸科學(xué)鉆探——在大直徑(Φ157mm)硬巖中8～9級(jí)花崗片麻巖中二次鑲嵌式金剛石鉆頭進(jìn)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(jìn)尺達(dá)180米。

③山東乳山2000米鉆機(jī)配套實(shí)驗(yàn)中,雙層水口超高胎體鉆頭最高進(jìn)尺117.9米。

④江西二六五隊(duì)——中深孔、砂頁(yè)巖地層中,高濃度孕鑲鉆頭最高進(jìn)尺1027.59米。

⑤山東六隊(duì)二次鑲嵌式鉆頭在金屬礦中鉆頭最高進(jìn)尺198米。

⑥石油鉆探——復(fù)合片鉆頭最高鉆頭記錄10027.59米。

⑦鉀鹽鉆進(jìn),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(gè)Φ241mm的復(fù)合片鉆頭(圖1)一個(gè)回次鉆完一口取樣井,為未來(lái)“一個(gè)鉆頭一口井”的目標(biāo)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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

1.5 深孔鉆探對(duì)新型金剛石鉆頭技術(shù)指標(biāo)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(jiān)硬致密地層——0.8～1.2m/h

硬—堅(jiān)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(zhǎng)壽命

深孔鉆探中延長(zhǎng)壽命,減少提下鉆時(shí)間,大幅度提高純鉆進(jìn)時(shí)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(jiān)硬地層——50～100m

堅(jiān)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(dá)100m,鉆一個(gè)千米的鉆孔僅需十個(gè)回次,鉆完一個(gè)2000米的深孔僅需20個(gè)回次。而目前估計(jì)常規(guī)鉆頭平均壽命為40m,即新型金剛石鉆頭壽命是常規(guī)鉆頭壽命的2.25倍,使用新型鉆頭能減少提下鉆回次數(shù),在其他鉆進(jìn)條件相同條件下,效率提高近似2.25倍,能大幅度節(jié)約成本。

2 與國(guó)外先進(jìn)的金剛石鉆頭技術(shù)相比存在一定差距

2.1 人造金剛石孕鑲鉆頭

國(guó)內(nèi)鉆頭與國(guó)外鉆頭比仍有一定差距,通過(guò)幾次對(duì)國(guó)外鉆頭的試用發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)鉆頭鉆速比國(guó)外低20%,鉆頭壽命低40%左右,這個(gè)差距表現(xiàn)為下列幾個(gè)方面:

(1)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念

(2)鉆頭內(nèi)在性能

(3)鉆頭燒結(jié)工藝的研究

(4)鉆頭井底流場(chǎng)的模擬研究

2.2 金剛石復(fù)合片鉆頭

2.2.1 地質(zhì)鉆探用復(fù)合片鉆頭

國(guó)內(nèi)研發(fā)的金剛石復(fù)合片鉆頭所用的復(fù)合片近幾年有快速而穩(wěn)定的進(jìn)步。已基本能滿足國(guó)內(nèi)地質(zhì)、煤田、核工業(yè)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(shuō)的地質(zhì)鉆探復(fù)合片鉆頭已基本滿足要求,與國(guó)外相比雖有差距,但不十分明顯。

2.2.2 油氣井鉆探用復(fù)合片鉆頭

油氣井鉆探中的國(guó)產(chǎn)復(fù)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(guó)外合資的克拉瑪依—DBS復(fù)合片鉆頭卻可順利通過(guò)上述地層,即油氣井鉆探中的硬地層成為中、外復(fù)合片鉆頭使用的分水嶺,說(shuō)明油氣井鉆探用復(fù)合片鉆頭國(guó)產(chǎn)的與國(guó)外的相比尚存在差距。

2.2.3 油氣井鉆探用國(guó)產(chǎn)復(fù)合片鉆頭與國(guó)外新型復(fù)合片鉆頭的差距及改進(jìn)措施

2.2.3.1 大刀翼新型復(fù)合片鉆頭

該類型的復(fù)合片鉆頭性能優(yōu)越,無(wú)論從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、鉆頭結(jié)構(gòu)基體材料、復(fù)合片的性能和形狀等方面與國(guó)內(nèi)復(fù)合片鉆頭相比差異皆很大,現(xiàn)分別說(shuō)明。

①技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

②鉆頭結(jié)構(gòu)

與國(guó)外合資的該類型鉆頭特點(diǎn)為:大刀翼、高出刃、寬水路。刀翼較薄能提高鉆進(jìn)效率,高出刃寬水路易于排粉,防止巖粉的重復(fù)破碎(見(jiàn)圖2)

圖2 大刀翼復(fù)合片鉆頭Fig.2 Broadsword wing PDC drill bit

③鉆頭基體材料

通常國(guó)產(chǎn)復(fù)合片鉆頭的基體采用粉末冶金的方法,在箱式電爐中燒結(jié),其胎體性能軟脆,故在砂礫石地層中由于沖擊作用會(huì)發(fā)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(fā)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(xiàn)代化的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工完成,不需要耗費(fèi)大量電能的箱式電爐燒結(jié),節(jié)約大量能量,是鉆頭行業(yè)升級(jí)改造,轉(zhuǎn)變生產(chǎn)結(jié)構(gòu)一種實(shí)例。

④刀翼表面的化學(xué)處理

鉆頭的大刀翼表面進(jìn)行化學(xué)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(jìn)效率,重則誘發(fā)鉆頭泥包事故。

⑤優(yōu)質(zhì)性能的復(fù)合片

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

⑥大刀翼新型復(fù)合片所用復(fù)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(fù)合片(右邊第四個(gè))Fig.3 Conical PDC(the fourth from the right)

同樣刀翼上所預(yù)留的復(fù)合片定位穴也是錐形的,將錐形復(fù)合片鑲嵌于錐形的定位穴內(nèi),焊接面積大,鑲嵌牢固,復(fù)合片不會(huì)脫落。

⑦刀翼表面噴涂耐沖蝕涂層

刀翼本體是鋼材強(qiáng)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(fù)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(fù)合片鉆頭的碎巖作用是刮削,現(xiàn)在國(guó)外已研制出一種把牙輪鉆頭和復(fù)合片鉆頭組合起來(lái)的新型的鉆頭,這種鉆頭將鉆頭的沖擊作用和刮削作用結(jié)合在一起,達(dá)到高效長(zhǎng)壽的目的。在塔里木油田,一個(gè)牙輪加復(fù)合片的組合鉆頭,單價(jià)達(dá)180萬(wàn)元,盡管價(jià)格昂貴,但節(jié)省了20%的鉆井成本費(fèi)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(fù)合片組合鉆頭Fig.4 combined drill bit of roller and PDC

該類型鉆頭鉆進(jìn)中的特點(diǎn):

①在軟硬互層地層中提供更快的機(jī)械鉆速;

②與傳統(tǒng)牙輪鉆頭相比,鉆進(jìn)過(guò)程更加平穩(wěn);

③在定向鉆進(jìn)過(guò)程中側(cè)向切削力強(qiáng)及能更好控制工具面,定向能力強(qiáng);

④在難鉆進(jìn)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(jiàn)圖5),對(duì)付硬地層的又一銳器

國(guó)內(nèi)松遼盆地和川東北油氣田在鉆進(jìn)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(diǎn)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(xù)工作,從而使鉆頭壽命和進(jìn)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(jìn)效果。

圖5 混鑲式金剛石鉆頭切割結(jié)構(gòu)圖Fig.5 cutting structure of mixed inlay type diamond drill bit

2.2.4 油氣井鉆探用復(fù)合片國(guó)內(nèi)外之差距

2.2.4.1 國(guó)際金剛石復(fù)合片的水平

目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合片性能指標(biāo)已發(fā)生質(zhì)的飛躍,指標(biāo)大幅度的提高,為鉆進(jìn)硬地層奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

復(fù)合片的性能,包括下列幾項(xiàng)指標(biāo):

1、耐磨性(亦稱磨耗比)

2、抗沖擊韌性(焦耳)

3、熱穩(wěn)定性(燒結(jié)前后上述指標(biāo)的變化)

國(guó)內(nèi)外復(fù)合片性能指標(biāo),分三個(gè)階段進(jìn)行對(duì)比:

起始階段20世紀(jì)80年代至90年代

國(guó)內(nèi)復(fù)合片磨耗比為4～6萬(wàn)(國(guó)外8～10萬(wàn))

國(guó)內(nèi)復(fù)合片抗沖擊韌性為100～200J(國(guó)外為200～300J)

熱穩(wěn)定性系數(shù)為70(國(guó)外為85)

發(fā)展階段(上世紀(jì)90年代～2000年)

國(guó)內(nèi)復(fù)合片磨耗比為8～12萬(wàn)(國(guó)外10～18萬(wàn))

國(guó)內(nèi)復(fù)合片抗沖擊韌性為200～400J(國(guó)外＞400J)

熱穩(wěn)定性系數(shù)為80(國(guó)外為90)

提高階段(2000～現(xiàn)在)

國(guó)內(nèi)復(fù)合片磨耗比為15～20萬(wàn)(國(guó)外20～22萬(wàn))

國(guó)內(nèi)復(fù)合片抗沖擊韌性為400～600J(國(guó)外＞600J)

熱穩(wěn)定性系數(shù)為80(國(guó)外為95～100)

發(fā)展到今天可見(jiàn)國(guó)內(nèi)復(fù)合片的磨耗比,抗沖韌性的指標(biāo)和國(guó)外已比較接近,為什么在使用的效果方面仍有相當(dāng)差距?導(dǎo)致售價(jià)差距更大呢?

這是我們要深入研究的問(wèn)題。

2.2.4.2 復(fù)合片發(fā)展方向

鉆進(jìn)硬地層的三高PDC復(fù)合片,即高耐磨,高沖擊強(qiáng)度、高耐熱性。復(fù)合片的主要性能通常指的是耐磨性和抗沖擊韌性,現(xiàn)在進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了第三種性能——熱性能更為重要,它導(dǎo)致PDC的熱損壞,其原因是熱侵蝕后形成的磨損和應(yīng)力,即熱侵蝕導(dǎo)致PDC金剛層中金剛石的碳化和氧化及產(chǎn)生裂紋,這是PDC損壞的重要原因之一。

所以高質(zhì)量的復(fù)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(kuò)展——脫層崩落(見(jiàn)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(kuò)展(放大10倍)Fig.8 crack growth(×10)

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

圖10 使用后,美國(guó)GE復(fù)合片F(xiàn)ig.10 American GE PDC after use

圖11 使用后,美國(guó)GE復(fù)合片F(xiàn)ig.11 American GE PDC after use

圖12 復(fù)合片的硬質(zhì)合金后襯出現(xiàn)裂紋Fig.12 cracks in the cemented carbide rear lining of the PDC

(2)金剛石碳化:微碳化——嚴(yán)重碳化——磨損加速。

(3)硬質(zhì)合金后襯出現(xiàn)裂紋(見(jiàn)圖12)。

研究提高復(fù)合片的熱損傷,應(yīng)從以下幾個(gè)方面。

2.2.4.2 鉆探用復(fù)合片性能提高的途徑

2.2.4.2.1 金剛石復(fù)合片制造工藝

(1)原料金剛石的凈化(圖13)

在真空凈化系統(tǒng)中進(jìn)行表面處理。

包括真空——加熱,兩部分,真空凈化裝置見(jiàn)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(guó)內(nèi)5μm 25μm 50μm)

韌度系統(tǒng):＞60(抗沖擊強(qiáng)度)即沖擊試驗(yàn)后篩上留有60%金剛石;

單晶長(zhǎng)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(wěn)定性好,耐磨性高;

大粒單晶:占30%(如90μm)。

(3)為提高PDC熱穩(wěn)定性脫鈷工藝

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

據(jù)稱國(guó)外已廣泛應(yīng)用脫鈷技術(shù),大幅度提高了脫鈷凈度和脫鈷深度,國(guó)外已達(dá)到0.5～0.6毫米,而國(guó)內(nèi)技術(shù)只能達(dá)到0.1毫米。

(4)改變接觸面的結(jié)構(gòu)形狀

①改變內(nèi)接觸面結(jié)構(gòu)(圖14)

在PDC制造和井下鉆進(jìn)過(guò)程中都會(huì)受到熱的影響,金剛石層的膨脹系數(shù)＜硬質(zhì)合金的膨脹系數(shù),勢(shì)必在兩種不同材料的接觸面上產(chǎn)生一個(gè)較大的應(yīng)力,易使金剛石層產(chǎn)生應(yīng)力。消除或減少此應(yīng)力的方法是:設(shè)計(jì)一種特殊形狀的接觸面,即金剛石層和硬質(zhì)合金柱之間的內(nèi)接觸表面設(shè)計(jì)為階梯狀,以此來(lái)減緩兩種材料的膨脹率的差別,相應(yīng)地膨脹(或收縮)的尺寸相對(duì)接近,減少了熱膨脹帶來(lái)的損傷。

圖14 改變內(nèi)接觸面結(jié)構(gòu)的復(fù)合片F(xiàn)ig.14 PDC with altered structure of inner contact surface

②改變端面接觸面的結(jié)構(gòu)

采用爪形的接觸面(圖15),多條溝槽吸收熱過(guò)程中的殘余力,不易發(fā)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(fù)合片端面槽型結(jié)構(gòu)合面提速Fig.15 occlusal plane of the transverse groove type structure of PDC

③金剛石層表面設(shè)有通水槽(圖16、17)

PDC表面設(shè)計(jì)有通水槽或在PDC切割端面設(shè)計(jì)有尖齒形,在鉆進(jìn)過(guò)程中,槽中和尖齒間始終會(huì)有冷卻水,有利于散熱,減少熱損傷。

圖16 復(fù)合片表面有通水槽Fig.16 surface water groove of PDC

圖17 復(fù)合片端面有尖齒水槽Fig.17 sharp teeth water groove of PDC

(5)采用過(guò)渡層的結(jié)構(gòu),減少金剛石層和硬質(zhì)合金襯底之間的殘余應(yīng)力(圖18)

過(guò)渡層中金剛石由不同粒度組成,靠近硬質(zhì)合金底襯的金剛石粒度細(xì),遠(yuǎn)離硬質(zhì)合金的地方金剛石粒度粗,即過(guò)渡金剛石層中金剛石粒度逐漸連續(xù)的變化,靠近硬質(zhì)合金底襯的金剛石粒度細(xì),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(chǎn)生的殘余應(yīng)力

(6)硬質(zhì)合金底襯

復(fù)合片由金剛石層和硬質(zhì)合金底襯組成,其中硬質(zhì)合金底襯的抗沖擊強(qiáng)度也至關(guān)重要,如果底襯強(qiáng)度低,不能抵御鉆進(jìn)中的沖擊強(qiáng)度,提前損傷,勢(shì)必金剛石層也將損壞導(dǎo)致復(fù)合塊失效,因此選擇優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)

圖18 PDC梯度結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 gradient structure diagram of PDC

合金片是十分重要的。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)地質(zhì)鉆探人造孕鑲金剛石鉆頭水平接近國(guó)際先進(jìn)水平。

(2)油氣井鉆探金剛石復(fù)合片鉆頭水平與國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距。

(3)油氣井鉆探復(fù)合片的性能特別是熱性能有待進(jìn)一步提高。

(4)優(yōu)質(zhì)大顆粒人造單晶應(yīng)走向批量生產(chǎn),以代替天然表鑲金剛石。

(5)地質(zhì)、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(guān)鍵是超硬材料。

[1] 劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[2] 王達(dá).深孔巖心鉆探的技術(shù)關(guān)鍵[J].探礦工程,2009.279.

[3] 趙爾信.金剛石鉆頭與擴(kuò)孔器[M].北京:地質(zhì)出版社,1982.

[4] 張金昌.地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備論文集[M].北京:地質(zhì)出版社,2012.

[5] 蔡家品.元壩地區(qū)新型金剛石鉆頭的研究與應(yīng)用[J].探礦工程, 2010.11

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[7] 梁濤.金3井混鑲金剛石鉆頭的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].探礦工程, 2014.2.

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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(jí)高工,從事地質(zhì)鉆探、科學(xué)鉆探,環(huán)境鉆探,海洋鉆探,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓207,zhaoex @bjiee.com.cn。

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