金剛石復(fù)合片的現(xiàn)狀及新的應(yīng)用范圍

趙爾信(北京探礦工程研究所,北京 100083)

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金剛石復(fù)合片的現(xiàn)狀及新的應(yīng)用范圍

趙爾信
(北京探礦工程研究所,北京 100083)

摘 要:國產(chǎn)金剛石復(fù)合片的水平已有大幅度提高,但與國外復(fù)合片相比,仍有差距,主要是復(fù)合片熱性能較差,為此采用有效技術(shù)措施,進(jìn)行脫鈷技術(shù)的研究。為充分發(fā)揮復(fù)合片的性能,研究一種復(fù)合片與牙輪的組合式鉆頭,已在頁巖氣鉆進(jìn)中發(fā)揮了顯著的作用。

關(guān)鍵詞:金剛石復(fù)合片;組合式鉆頭;齒狀復(fù)合片

我國金剛石復(fù)合片產(chǎn)業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,可以說是世界上的生產(chǎn)大國,基本上能滿足國內(nèi)油氣田和地質(zhì)勘探的需求,但尚存在一些問題,特別是對(duì)金剛石復(fù)合片的熱性能仍研究不深,致使復(fù)合片僅限用于軟——中硬地層,要擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,應(yīng)研究提高復(fù)合片的抗熱性能以及改變復(fù)合片的結(jié)構(gòu),更為有效的是研究復(fù)合片和牙輪鉆頭的組合,可使復(fù)合片應(yīng)用于復(fù)雜地層,拓展復(fù)合片的應(yīng)用領(lǐng)域。

1　國內(nèi)外金剛石復(fù)合片的水平

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

在上世紀(jì)90年代,我國復(fù)合片耐磨性平均值為8.3萬,抗沖擊韌性平均值為327J,而國外復(fù)合片耐磨性達(dá)到20萬,抗沖擊韌性達(dá)到400～600J。

目前國內(nèi)復(fù)合片耐磨性平均值已達(dá)到18～22 萬,抗沖擊韌性平均值達(dá)到400～600J,而國外復(fù)合片耐磨性卻達(dá)到20～25萬,抗沖擊韌性＞600J。

上述檢測指標(biāo)和方法是按照“國土資源地質(zhì)鉆探工具監(jiān)督與檢測中心”的檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。

發(fā)展到今天,可見國內(nèi)復(fù)合片的磨耗比,抗沖擊韌性指標(biāo)和國外已十分接近,為什么在使用中的效果仍有相當(dāng)差距?導(dǎo)致售價(jià)差距更大?這是我們要深入研究的問題。

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,是該材料的發(fā)展方向。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)一步地研究和試驗(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磨損和應(yīng)力,即熱侵蝕導(dǎo)致PDC金剛石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,高耐熱性也十分重要。

研究提高復(fù)合片的耐熱損傷,應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手:

(1)原料金剛石的凈化,在真空凈化系統(tǒng)中進(jìn)行表面處理。

(2)金剛石單晶粉末的配置。

(3)為提高PDC熱穩(wěn)定性濾去鈷粘結(jié)相。

由于金屬鈷的熱膨脹系數(shù)比周圍聚晶金剛石顆粒大,在700℃～760℃范圍內(nèi)鈷的膨脹會(huì)使金剛石顆粒之間的聯(lián)接發(fā)生分離。導(dǎo)致金屬石層的迅速破壞,從而降低PDC鉆頭的耐磨性。

一般采用的工藝是用酸濾去金剛石層金剛石顆粒之間的鈷,使金剛石層出現(xiàn)更多的孔隙,因此降低了PDC機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,對(duì)策是在PDC金剛石層外圈加上一個(gè)金剛石環(huán),因此形成了兩個(gè)切削刃即形成兩個(gè)月牙,在增加切削力的同時(shí)也增強(qiáng)了切削齒的整體強(qiáng)度。

根據(jù)有關(guān)報(bào)道,國內(nèi)脫鈷的深度為0.1～0.2mm。而國外脫鈷達(dá)到0.5mm。故國外復(fù)合片的抗熱性較高。

(4)金剛石層表面設(shè)計(jì)通水槽,設(shè)計(jì)爪型復(fù)合片。

在PDC表面設(shè)計(jì)通水槽,在鉆進(jìn)過程中,槽中會(huì)始終有冷卻水,有利于散熱,減少熱損傷。

復(fù)合片綜合性能的提高,除耐磨性和抗沖擊韌性之外,耐熱性能亦是十分重要的,重視它的研究深度,方可提高復(fù)合片的質(zhì)量,使之達(dá)到國際先進(jìn)水平。

重視原始金剛石單晶的精選、表面真空處理、金剛石層與硬質(zhì)合金之間接觸面的結(jié)構(gòu)及硬質(zhì)合金后襯的性能,更重要的是進(jìn)行脫鈷的研究。最好研究金剛石和金剛石之間的直接相連,完全除去鈷粘結(jié)相的影響,增強(qiáng)金剛石復(fù)合片的熱穩(wěn)定性。

3　金剛石復(fù)合片在鉆探方面的新用途

目前某國頁巖氣開發(fā)取得成功,不僅使其本國的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,而且也改變了全球能源的市場格局,具有重要意義。但是頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣能源,開發(fā)技術(shù)難度大,投資成本高,為減低成本,增加利潤,開展了技術(shù)創(chuàng)新,尤以鉆頭的創(chuàng)新更為突出,取得了顯著的進(jìn)展。國內(nèi)在鈾礦勘探中為解決硬的泥巖鉆進(jìn)效率低,打滑不進(jìn)尺而設(shè)計(jì)了尖齒形復(fù)合片鉆頭,國外為在油氣田鉆進(jìn)中大幅度全面提速,設(shè)計(jì)了大刀翼新型復(fù)合片鉆頭,現(xiàn)分別介紹如下。

3.1Kymera組合式鉆頭

隨著近年來金剛石復(fù)合片性能不斷提高,其應(yīng)用范圍已逐步由軟至中硬巖層向硬巖層擴(kuò)展。但是,對(duì)于堅(jiān)硬、高研磨性地層,特別是非均質(zhì)、軟硬互層和含夾層的地層,PDC鉆頭的鉆進(jìn)效果仍不理想。此外,在上述地層定向鉆進(jìn)中井底產(chǎn)生較大扭震時(shí),PDC鉆頭控制工具面向角效果差,易引起鉆井偏離設(shè)計(jì)方向。

2009年,貝克·休斯公司克里斯坦森(Baker Hughes Christensen)分公司研發(fā)出將金剛石復(fù)合片與牙輪相結(jié)合的鉆頭——Kymera組合式鉆頭(圖1)。借助于牙輪在硬巖層中的侵入能力,可提高碎巖效率,改善PDC的冷卻,還能明顯降低鉆頭在井底的扭矩,提高鉆井方向的控制能力。該新型組合式鉆頭特別適用于頁巖氣鉆井鉆進(jìn)堅(jiān)硬地層、黏-滑(stickslip)地層、軟硬互層與含夾層的地層,以及定向井、水平井鉆進(jìn)等,但卻不適宜在較軟地層中鉆進(jìn)。

圖1　Kymera組合式鉆頭Fig.1 Kymera integral drill bit

該型鉆頭發(fā)展到2012年,已應(yīng)用于世界上21個(gè)國家,下井鉆進(jìn)超過1000個(gè)回次,圖2為現(xiàn)場應(yīng)用照片。

圖2　Kymera組合式鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用Fig.2 field application of Kymera integral drill bit

3.2第二代Kymera組合式鉆頭

經(jīng)過不斷地改進(jìn)提高,誕生了第二代Kymera組合式鉆頭。其中Kymera FSR定向鉆進(jìn)鉆頭配置雙牙輪和4個(gè)強(qiáng)力PDC雙翼(圖3),可以在控制鉆井方向的同時(shí)提高鉆進(jìn)效率。Kymera FSR鉆頭于2014年四季度在美國鷹潭(Eagle Ford)頁巖氣田,運(yùn)用于鉆進(jìn)3口水平井(平均每井深度3840m)的曲線井段(平均長度240m),地層為奧斯汀白堊統(tǒng)和Anacacho巖層。油田原先所使用的PDC鉆頭存在三個(gè)問題:(1)井底鉆頭產(chǎn)生強(qiáng)烈扭震,迫使鉆工減輕鉆壓,以致引起鉆速下降;(2)井底鉆具組合偏離設(shè)計(jì)軌跡,引起井斜;(3)每鉆一口水平井曲線井段至少需要消耗2個(gè)鉆頭,耗時(shí)費(fèi)錢。而選用新型Kymera FSR定向鉆進(jìn)鉆頭,在3口水平井曲線井段各只用一個(gè)鉆頭,分別以11m/h的鉆速鉆進(jìn)22h,14.2m/h的鉆速鉆進(jìn)17h,12.5m/h的鉆速鉆進(jìn)19h并完成。并且, 這3個(gè)鉆頭在使用后仍保持完好可繼續(xù)使用。而在相鄰的另2口井中,用原先所用的PDC鉆頭完成同樣的鉆井任務(wù),分別用3個(gè)鉆頭以7.2m/h的速度鉆進(jìn)了35h、用2個(gè)鉆頭以9.8m/h的速度鉆進(jìn)了27h。經(jīng)計(jì)算,運(yùn)用Kymera FSR鉆頭每英尺鉆探成本至少節(jié)約36%。

3.3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內(nèi)復(fù)合片鉆頭相比差異皆很大,現(xiàn)分別說明。

圖3　第二代Kyme r a FSR定向鉆進(jìn)鉆頭Fig.3 Second generation of Kymera FSR directional drilling bit

(1)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

在新疆塔北油田,經(jīng)常在4000米至5000米井深鉆遇較硬的沙礫巖地層,層厚在100～300米之間,國產(chǎn)復(fù)合片鉆頭一般鉆進(jìn)不到50米即磨損報(bào)廢,被迫進(jìn)行深井提鉆,依據(jù)井況,需要1～2天的時(shí)間,大約消耗成本10萬元左右,而且提鉆容易誘發(fā)井內(nèi)事故,這是鉆探工作者最擔(dān)心的事情。而與國外合資的大刀翼新型復(fù)合片鉆頭(實(shí)際完全是國外的制造技術(shù))一個(gè)鉆頭就能鉆穿較硬的砂礫層。有的甚至可鉆穿2口井的硬地層,鉆進(jìn)效率也高于國產(chǎn)鉆頭50%～100%,評(píng)價(jià)是國外鉆頭的性價(jià)比高,雖然一個(gè)國外81/2鉆頭價(jià)格為12萬元,而國產(chǎn)僅為5萬元,但在鉆探現(xiàn)場人們?nèi)栽敢馐褂煤腺Y的大刀翼新型復(fù)合片鉆頭。

(2)鉆頭結(jié)構(gòu)

與國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(見圖4)。

圖4　大刀翼復(fù)合片鉆頭Fig.4 Broadsword wing compact drill

(3)鉆頭基體材料

通常國產(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,在砂礫石地層中由于沖擊作用易發(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,不需在耗費(fèi)大量電能的箱式電爐中燒結(jié),可節(jié)約大量能源,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

在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,因?yàn)檫@輕則影響鉆進(jìn)效率,重則會(huì)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,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狀。

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)合片不易脫落。

(7)刀翼表面噴涂有耐沖蝕涂層

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。

3.3齒狀復(fù)合片鉆頭

在鉆進(jìn)鈾礦和油頁巖礦的地層中,常出現(xiàn)堅(jiān)硬致密的泥巖和頁巖,其壓入硬度并不高,但鉆進(jìn)時(shí)表現(xiàn)為致密、打滑、黏性等,其鉆進(jìn)效果較差,普通復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)效果僅為0.3～0.5m/h,嚴(yán)重時(shí)甚至打滑不進(jìn)尺。針對(duì)這種地層研究其破碎機(jī)理,首先用尖齒犁削作用,抓破地層表面,破壞其致密的結(jié)構(gòu),提高碎巖的效率。采用齒形復(fù)合片鉆頭,在上述地層中鉆進(jìn)效率達(dá)1～1.5m/h。以此解決復(fù)合片鉆頭在堅(jiān)硬致密泥(頁)巖地層中的效率低的嚴(yán)重問題。

建議在鈾礦的致密泥(頁)巖中采用圖5的單尖齒狀復(fù)合片鉆頭,在油頁巖的致密頁巖中采用圖6的細(xì)齒狀復(fù)合片鉆頭。

圖5　單尖齒狀復(fù)合片鉆頭Fig.5 Single head dentate compact drill bit

圖6　細(xì)齒狀復(fù)合片鉆頭Fig.6 Denticulate compact drill bit

4　結(jié)論

(1)金剛石復(fù)合片除了提高耐磨性和抗沖擊韌性以外應(yīng)提高其熱性能,方能擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

(2)金剛石復(fù)合切削具與牙輪相組合是提高復(fù)合片使用效果的有效途徑。

(3)改變復(fù)合片的表面結(jié)構(gòu)和形狀是擴(kuò)大復(fù)合片鉆進(jìn)硬地層的應(yīng)用范圍的有效方法。

參考文獻(xiàn):

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

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

[3]左汝強(qiáng).國際油氣井鉆頭進(jìn)展概述[J].探礦工程,2016(1).

[4]趙爾信.金剛石鉆頭的發(fā)展趨勢[J].超硬材料工程,2015(1).

Current Status and New Application Scope of Diamond Compact

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

Abstract:The standard of domestic diamond compact has been substantially improved.But it is still not as good as that of the other countries.The main weakness of our product is the poor thermal properties.In order to solve this problem,the research of cobalt-elimination technology has been conducted through effective technical measures.To bring the performance of the diamond compact into full play,a type of integral drill bit which combines diamond compact and roller cone has been under research and it has been playing a remarkable role in shale gas drilling.

Keywords:diamond compact;integral drill bit;dentate compact

作者簡介:趙爾信(1941-),男,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。Zhaoex@bjiee.com.cn。

收稿日期:2016-02-04

中圖分類號(hào):TQ164

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1673-1433(2016)02-0050-04

引文格式:趙爾信.金剛石復(fù)合片的現(xiàn)狀及新的應(yīng)用范圍[J].超硬材料工程,2016,28(2):50-53.