超硬材料應用于鉆探的新領(lǐng)域

趙爾信

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

引 言

著名的油氣鉆探院士蘇義腦曾精辟地評價金剛石鉆頭在鉆探領(lǐng)域的位置：在鉆探過程和技術(shù)鏈中，鉆頭永遠處于前沿和核心的位置，鉆探的本質(zhì)就是破碎巖石，其它鉆探技術(shù)，如信息、控制、泥漿等都在為破巖而服務(wù)，雖說首推鉆頭，但不是說要降低其它方面的重要性。只有將所有技術(shù)組成一個整體發(fā)揮作用才是關(guān)鍵。

由上述論述可知，金剛石鉆頭是鉆探體系中的先導，是關(guān)鍵，是鉆探提速的突破口。鉆探必須提速，因為鉆探影響了國民經(jīng)濟的多個領(lǐng)域包括地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探，科學鉆探、城市地質(zhì)鉆探、環(huán)境地質(zhì)鉆探、農(nóng)田地質(zhì)鉆探、海洋深水地質(zhì)鉆探、南極冰上鉆探及月球月壤的取樣鉆探，所以鉆探已從過去狹獈的礦產(chǎn)鉆探迅猛發(fā)展為多方位多領(lǐng)域的“大鉆探”的概念。

與“大鉆探”緊密相連的金剛石鉆頭亦將廣泛地應用于多個領(lǐng)域，有的進入了某些領(lǐng)域，有的領(lǐng)域尚未進入，有待我們攻堅克難，提高金剛石的制造技術(shù)，滿足不同領(lǐng)域的需求。與金剛石鉆頭息息相關(guān)的行業(yè)——超硬材料行業(yè)，也必須要先行，發(fā)展速度要走在金剛石鉆頭行業(yè)的前面。俗話說“好鋼用在刀刃上”，鉆探行業(yè)急需“好鋼”。例如大顆粒高強度，表面鍍覆金屬外衣的人造單晶；高強度，高抗沖能力，高磨耗比，熱穩(wěn)定性高的復合片；牙輪鉆頭，沖擊鉆頭用的金剛石復合齒；適用于干鉆的人造單晶和復合片(可用于月球鉆探)以及萬米深鉆及未來三萬米超深鉆(鉆入地幔)用的耐地下高溫、高壓的單晶和復合片[1-4]。

向地球的未知領(lǐng)域地幔進軍，最少要3萬米以深的鉆孔，這是美國科學家至今未敢做的事，我們中國人要敢于做起來，讓中國走在地球科學研究的前沿，在世界地球科學的研究中處于領(lǐng)跑地位而不是以前的模仿和跟跑的地位。

地球深部科學研究勢在必行，習近平主席2016年5月30日在全國科技創(chuàng)新大會的講話中指示“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題！”。為此，科技部、財政部支持，國土資源部組織實施了一項大科學計劃——深部探測專項。這僅是一個預研究項目，真正開展地球深部地幔的研究，尚需一段時間，但我們鉆頭領(lǐng)域和超硬材料行業(yè)，需提前研制耐高溫、高壓的長壽高效的鉆頭和超硬材料，否則鉆進地幔的計劃將難以完成。

下面介紹與金剛石鉆探相關(guān)的幾個領(lǐng)域

1 地質(zhì)鉆探領(lǐng)域

2016年我國地質(zhì)勘查投入延續(xù)了近年來下滑的態(tài)勢，以2012年為拐點，繼續(xù)下行(如圖所示)。

全國地質(zhì)勘查投入資金247.29億元，同比減少24.6%。

圖1 2006-2016年全國地質(zhì)勘查投入對比圖Fig.1 The national geological exploration input contrast in 2006-2016

資金投入排名前5位的省份依次是：新疆(56.80億元)，內(nèi)蒙古(26.99億元)，云南(10.30億元)，甘肅(10.14億元)，四川(9.45億元)(如圖2所示)。

圖2 2016年各省(區(qū)、市)地質(zhì)勘查投入示意圖Fig.2 Sketch map of geological exploration input in each province (region, city) in 2016

2016年完成鉆探工作量913萬米，同比減少31.0%。完成鉆探量前5位的省份依次是新疆(162.26萬米)，內(nèi)蒙(130.29萬米)，山東(80.95萬米)，云南(42.31萬米)，貴州(39.10萬米)(如圖3所示)。

圖3 2016年各省(區(qū)、市)鉆探工作量示意圖Fig.3 Sketch map of drilling workload in each province (region, city) in 2016

2016年主要礦種勘查資金投入和鉆探工作量完成情況見表1。

表1 2016年主要礦種勘查資金投入和鉆探工作量完成情況

歷年來我國地質(zhì)鉆探工作量見表2。

表2 歷年我國地質(zhì)鉆探工作量

依據(jù)表2所列的歷年鉆探工作量，可以推算出2017年全國所需的金剛石和擴孔器的數(shù)量以及所需金剛石的使用量。

(1)人造金剛石鉆頭約需20萬個/年

(2)擴孔器約需10萬個/年

(3)人造金剛石約需1200萬克拉/年。

按照2016年礦產(chǎn)勘查投入資金169.84億元來計算，估計用于鉆探100億元，采用高效金剛石鉆頭，將鉆速提高30%，粗略估計可節(jié)約30億元，由此而帶來的間接經(jīng)濟效益和社會效益更是可觀的。

2 石油與天然氣鉆探領(lǐng)域

受油價持續(xù)低迷影響，2015年我國油氣資源勘查開采投資，實物工作量下降明顯，但新增油氣探明儲量仍保持較高水平。其中，石油新增探明地質(zhì)儲量11.18億噸，天然氣新增6772.2億立方米。石油產(chǎn)量小幅增長，達到2.15億噸，天然氣產(chǎn)量連續(xù)五年超千億方，達到1243.57億立方米，煤層氣與頁巖氣產(chǎn)量均創(chuàng)新高。

2015年，全國油氣勘查投資600.06億元，同比下降19.2%，完成探井3023口，同比下降13.7%，全國油氣開采投資189.43億元，完成開發(fā)井20079口，同比下降29.7%和25.6%，估計油氣鉆探總進尺為7600萬米。

頁巖氣勘探開采投入134.77億元，完成探井108口，進尺18.78萬米，完鉆開發(fā)井178口，總進尺59.1萬米。

煤層氣勘查開采投入25.61億元，鉆井274口，進尺38.28萬米。

將上述油氣鉆探、頁巖氣鉆探及煤層氣鉆探的進尺總加，即可獲得進尺總量為7697.38萬米。

3 海洋鉆探領(lǐng)域

海洋鉆探主要介紹四方面內(nèi)容：(1)深水天然氣水合物鉆探；(2)深水油氣鉆探；(3)深水固體礦產(chǎn)鉆探；(4)大洋鉆探。

3.1 深水天然氣水合物鉆探

中國曾在南中國海的北部進行2次鉆探天然氣水合物的試驗，第一次是2007年在神弧地區(qū)；第二次是2013年在珠江口東部。兩次探索都取得了天然氣水合物實物樣品。鉆探天然氣水合物不是最終目標，開采海底的天然氣水合物才是目的。其開采的方法是鉆孔開采法。

我國于2017年6月18日上午10時許，在距祖國大陸300多公里的我國南海北部神弧海域“藍鯨一號”海上鉆井平臺，進行的首次可燃冰試采實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣，取得了天然氣水合物試開采的歷史性突破，首次可燃冰試采宣告成功。

這是我國，也是世界首次海域天然氣水合物試采成功。截止7月21日15時，連續(xù)42天總量試采23萬立方米，平均日產(chǎn)超過1.6萬立方米，其中甲烷含量高達99.5%，實現(xiàn)了理論、技術(shù)和工程的重大創(chuàng)新。

天然氣水合物是可供世界使用1000年的清潔能源，這個成果對促進能源安全保障，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，甚至對改變世界能源格局，都具有里程碑意義。

這種采用鉆探方法勘查和開采的能源將是鉆探工作發(fā)展的又一新的領(lǐng)域。

3.2 深水油氣鉆探

“南海是世界油氣資源富集地區(qū)之一，是第二個波斯灣”，美國能源信息局網(wǎng)站這樣評價南海蘊藏的豐富資源。

在2012年3月前在資源最密集的南海水域沒有中國自己鉆采的一口井。

2012年5月9日，中國首座代表當今世界最先水平的第六代半淺式深水鉆井平臺“海洋石油981”，在南海荔灣區(qū)域1500m的水下鉆入地層，標志著我國“深水戰(zhàn)略”由此邁出了實質(zhì)性的一步，實現(xiàn)了零的突破，使中國成為第一個在南海自營勘探開發(fā)深水油氣資源的國家，給石油鉆探又開辟了一個新領(lǐng)域，新的市場。

2014年8月31日，“海洋石油981”在南海深水區(qū)陵水17-2-1#測試獲得高產(chǎn)油氣流，是中國海域自營深水勘探的第一個重大油氣發(fā)現(xiàn)。

海洋石油鉆探的現(xiàn)狀是，我國2010年～2015年新增鉆井平臺70多座，海上油田30多個，在2005年我國共有鉆井平臺46座，估計我國鉆井平臺多于120臺，估計每年鉆探工作量為30～40萬米。

3.3 深水固體礦產(chǎn)鉆探

占地球面積70%的海洋就是一個海底金屬礦產(chǎn)資源的大寶庫，除了油氣等能源資源外，最具開發(fā)價值的應屬大洋多金屬結(jié)核，富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物3種潛在的海底多金屬礦產(chǎn)資源。

其中硫化物礦床的調(diào)查工作難度最大，一是硫化物礦床是三維分布的礦床，二是分布在海底2～3千米以下，一般的技術(shù)手段難以了解，最好的方法是鉆探。

3.4 大洋鉆探

南海大洋鉆探共進行三次，皆是我國的專家擔當首席科學家，由我國制訂航線，航次及鉆位，采用的是美國鉆探船決心號。

3.4.1 第一次南海大洋鉆探

1999年2月18日～4月12日，國際大洋鉆探船“決心號”在南海實施ODP(Ocean Drilling Program)第184航次，這是中國南海的首次大洋鉆探航次。184航次在南海北6個深水區(qū)鉆孔17個，從水深2000～3300m的海底鉆入地層，最深一口井深入海底850m，取得了高質(zhì)量巖心5500m。

184航次的重大科研成果：

(1)建立了西太平洋區(qū)最佳深海地層剖面；

(2)揭示了熱帶過程在碳循環(huán)及氣候周期演變中的作用；

(3)取得了東亞季風演變的深海記錄。

3.4.2 第二次南海大洋鉆探

2014年1月29日～3月30日進行了國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃，IODP(Integrated Ocean Drilling Program)第349航次。該航次是IODP計劃的首個航次。

該航次一共完成5個鉆位的取心，如同在海底打下5顆“金釘子”，獲取了具有極高價值的巖心。

取得的科學成就：確定了母親海南海形成的年齡約在1600萬年前。

3.4.3 第三次南海大洋鉆探

2017年2月8日，“決心號”在香港起航，6月11日緩緩地?？可虾Ｄ细鄞a頭，象征著中國科學家主導的為期四個月的南海大洋鉆探科考任務(wù)圓滿落幕。

本次鉆探包括367和368兩個航次，總鉆探進尺7669.3m，鉆取了2542.1m具有極高科學價值的巖心。

其科學價值，或改寫南海形成的原因。

4 其它特殊領(lǐng)域

鉆探已廣泛深入多個領(lǐng)域，用鉆探手段取出陸地、海洋、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、城市、南極、深空星體等的樣品，也能為新興的農(nóng)業(yè)地質(zhì)、城市地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地下煤炭氣化服務(wù)。

鉆探已成為服務(wù)國民經(jīng)濟多個領(lǐng)域的不可或缺的技術(shù)手段，已成為真正意義上的“大鉆探”。

5 從大數(shù)據(jù)來分析鉆探市場的規(guī)范

(1)地質(zhì)鉆探

2016年估計投資鉆探100億元，鉆探工作量913萬米，估算鉆探成本1000元/米。需金剛石鉆頭20萬只/年，擴孔器10萬只/年，人造金剛石約需1200萬克拉/年。

(2)油氣鉆探

2015年油氣勘查和開發(fā)總共投資2493.46億元，鉆井23102口，估計油氣鉆探總進尺7600萬米。鉆井成井0.33萬元/米。假設(shè)一半的鉆探工作量用PDC鉆頭完成，即需12萬～13萬只/年，需用復合片600萬～650萬片。

(3)頁巖氣鉆探

2016年勘查開采投入134.77億元完成鉆井286口，總進尺77.88萬米，約需1萬個PDC鉆頭，約需用20萬片/年的PDC。

(4)煤層氣鉆探

2016年勘查開采投入25.61億元，鉆井274口，總進尺38.28萬米，PDC鉆頭約需5000只/年，PDC復合片約需10萬片/年。

(5)海洋鉆探

估計近期鉆井工作量為30～40萬米/年，約需800個PDC鉆頭，約需3.2萬片復合片。

其它領(lǐng)域鉆探，估計有20萬米，約需1300個PDC鉆頭，約需PDC1.5萬片/年。

(6)科學鉆探20000米，完成7個鉆孔。約需500個鉆頭，約需2萬克拉金剛石。

2016年，全國鉆探行業(yè)每年需PDC684.7萬片，人造金剛單晶1202萬克拉。展望未來，再加上銷售國外的市場，人造金剛石單晶和復合片的市場是很有前景的。

6 結(jié)束語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，環(huán)境清潔能源的需求引發(fā)一些新興領(lǐng)域的誕生。例如可燃冰(天然氣水合物)、頁巖氣、煤層氣、干熱巖及煤炭的地下氣化等，皆屬于鉆孔開采法。即采用鉆探方式進行采礦，勢必增加鉆探工作量，即增加鉆探用超硬材料的用量。

雖然常規(guī)的地質(zhì)鉆探延續(xù)了近年來下滑的態(tài)勢，但上述新興發(fā)展的領(lǐng)域給鉆探帶來了新的機遇，鉆探工作發(fā)展大有前途，超硬材料的發(fā)展同樣大有前途。