深海深地鉆探用復(fù)合片鉆頭的現(xiàn)狀和展望

趙爾信, 方嘯虎

(1. 北京探礦工程研究所,北京 100083;2. 上海昌潤(rùn)極銳超硬材股份有限公司,上海 201108 )

0 引言

深部鉆探(包括海洋和陸地)無(wú)論是獲得資源礦產(chǎn)或是深部地球科學(xué),皆具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。2016年5月,習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)上指出:“向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科學(xué)問(wèn)題?！蓖瑫r(shí)還指出我國(guó)科技實(shí)力正在從量的積累邁向質(zhì)的飛躍,以點(diǎn)的突破向系統(tǒng)能力的提升。在深海深地等領(lǐng)域積極搶占科技制高點(diǎn)。

深地鉆探,我國(guó)首口萬(wàn)米超深井工作全面展開(kāi),試驗(yàn)井位于塔里木盆地塔克拉瑪干大沙漠中,每天以500 m的速度快速前進(jìn),這種高的鉆速是復(fù)合片鉆頭起主導(dǎo)作用。

近來(lái)全國(guó)新增油氣的儲(chǔ)量,主要來(lái)源深層,深地探測(cè)重大突破也將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)如機(jī)械設(shè)備、超硬材料、化學(xué)原料、高強(qiáng)度金屬及碳纖維等的發(fā)展,是落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記向深地進(jìn)軍,把能源飯碗牢牢地端在自己手上的戰(zhàn)略行動(dòng)。位于塔里木盆地的中國(guó)石油“深地塔科1井”(圖1)正式開(kāi)鉆施工[2],向設(shè)計(jì)深度11 000米挺進(jìn),這一深度將刷新亞洲最深井記錄[3],為我國(guó)進(jìn)軍萬(wàn)米深地鉆探提供核心技術(shù)和裝備儲(chǔ)備,特別是在井內(nèi)高溫高壓的條件下,研制優(yōu)質(zhì)復(fù)合片鉆頭(圖2)是萬(wàn)米深鉆的首選。所謂深水鉆探是鉆探水深超過(guò)4 km,深水鉆探我國(guó)已開(kāi)始行動(dòng),研制了世界上鉆探能力最深達(dá)萬(wàn)米的鉆探船(圖3),現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)主船體貫通[4]。力爭(zhēng)海上鉆探一個(gè)鉆頭一個(gè)回次一個(gè)井,即通常所說(shuō)的“一趟鉆”鉆探工藝[5],減少海上鉆探時(shí)換新鉆頭的時(shí)間,防止新鉆頭再入井時(shí)尋找井口的時(shí)間,一般海上鉆探水深幾百米和幾千米,要使船上的鉆頭尋找海底的鉆井井口需耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)到幾天。同時(shí)也減少了提升舊鉆頭時(shí)井壁的抽吸作用,防止井壁的坍塌掉塊引起井中的卡鉆事故和埋鉆的井內(nèi)事故,避免造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 沙漠中的“深地塔科1井”

圖2 萬(wàn)米深井中使用的復(fù)合片鉆頭

圖3 鉆探萬(wàn)米的科考鉆探船

圍繞深部鉆探的戰(zhàn)略行動(dòng)尚有:

(1)深部干熱巖的開(kāi)發(fā)。

河北省唐山海港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)在3 965m深度,鉆獲清潔可再生的干熱巖,一般干熱巖埋藏深度為4km以深,在鉆探這些深井時(shí)也同樣需要金剛石復(fù)合片。

(2)我國(guó)南海天然氣水合物試采成功,創(chuàng)造了產(chǎn)氣時(shí)長(zhǎng)和總量最高的世界紀(jì)錄,實(shí)現(xiàn)了歷史性突破,為此中共中央,國(guó)務(wù)院發(fā)來(lái)賀電,以表彰圓滿完成試采任務(wù)的中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局,而南海天然氣儲(chǔ)量大,開(kāi)發(fā)時(shí)將會(huì)大量使用復(fù)合片鉆頭。

此外還有地?zé)徙@探,冰上鉆探,煤層氣鉆探,月球鉆探及火星鉆探等。

深水深地的鉆探宏偉目標(biāo)是進(jìn)軍萬(wàn)米,向地球深部尋求資源及石油和天然氣,這個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有相當(dāng)?shù)碾y度,應(yīng)當(dāng)像太空計(jì)劃一樣分三步走,即:

(1)鉆出國(guó)內(nèi)最深的鉆井;

(2)突破亞洲最深井記錄;

(3)打破世界最深井記錄12 262m。

(4)上述深部鉆探工作大部分要依靠金剛石復(fù)合片鉆頭來(lái)完成,力爭(zhēng)我國(guó)的復(fù)合片在國(guó)內(nèi)外鉆探領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1 PDC的國(guó)內(nèi)外鉆探市場(chǎng)

1.1 地質(zhì)鉆探市場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)

2022年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表1),全國(guó)地質(zhì)鉆探工作量為913萬(wàn)米,從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,鉆探工作量有所緩慢回升。從表一中可見(jiàn)我國(guó)歷年鉆探工作量,近幾年皆是下行趨勢(shì),但從2022年開(kāi)始,從谷底的528萬(wàn)米上升到913萬(wàn)米,發(fā)展趨勢(shì)較好,說(shuō)明國(guó)家新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)已經(jīng)啟動(dòng),并希望在短期內(nèi)能夠見(jiàn)到成效,因此我們要加強(qiáng)碎巖工具——金剛石鉆頭的研究,用以提高鉆探效率,找出國(guó)家急需的地質(zhì)礦產(chǎn)[6]。

表1 我國(guó)歷年鉆探工作量

為了滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,我國(guó)科研工作者必須研制出高效長(zhǎng)壽的金剛石鉆頭[7],國(guó)內(nèi)鉆頭與國(guó)外鉆頭相比仍有一些差距,但差距不大。從性價(jià)比綜合來(lái)看,我國(guó)鉆頭的競(jìng)爭(zhēng)能力是相當(dāng)強(qiáng)大的。

1.1.1 地質(zhì)鉆探用復(fù)合片鉆頭

國(guó)內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的復(fù)合片性能基本已滿足地質(zhì)鉆探、煤田鉆探、核工業(yè)鉆探、煤層氣鉆探、地下煤碳?xì)饣こ蹄@探、冰上鉆探等的需要,無(wú)需再尋找國(guó)外市場(chǎng)高品級(jí)的復(fù)合片。

1.1.2 地質(zhì)鉆探用復(fù)合片鉆頭胎體內(nèi)在性能理念需要更新

(1)超細(xì)合金粉末的研究[8]。制造金剛石鉆頭用合金粉末粒度,通常采用200目以細(xì),最好采用納米級(jí)的粉末,混料時(shí)均勻,燒結(jié)時(shí)的溫度會(huì)降低,有利于保持金剛石的原始強(qiáng)度,促使金剛石鉆頭延長(zhǎng)工作壽命和提高效率。

(2)以鐵基粉末代替銅基粉末的研究。由于鐵基粉末和碳基的金剛石互相浸潤(rùn)性較好,即鉆頭中金剛石被包鑲牢固,把持力較強(qiáng),鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭中的金剛石不易脫落,能保持鉆頭有較長(zhǎng)的工作壽命。

(3)微量元素加入量的研究。鉆頭胎體可適量加入稀有金屬鋰、銣、銫等,其加量很少,一般在百分之零點(diǎn)幾,但加量合適可提高鉆頭胎體的強(qiáng)度,可延長(zhǎng)鉆頭的工作壽命和鉆進(jìn)效率。

1.1.3 地質(zhì)鉆探復(fù)合片鉆頭井底流場(chǎng)的模擬研究[9]

圖4是Φ91 mm高效復(fù)合片地質(zhì)鉆頭的井底場(chǎng)速度矢量圖,是在FLUENT下進(jìn)行的流場(chǎng)數(shù)值模擬,從圖中可看出復(fù)合片周圍井底的流暢運(yùn)動(dòng)情況,可以看出復(fù)合片前面流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)比較混亂,不利于排屑和復(fù)合片冷卻。鉆頭水路結(jié)構(gòu)改進(jìn)的井底速度流場(chǎng)見(jiàn)圖5。

圖4 Φ91 mm高效復(fù)合片地質(zhì)鉆頭的井底流場(chǎng)速度矢量圖

從圖4可以看出Φ91 mm高效復(fù)合片地質(zhì)鉆頭改進(jìn)水路后井底流場(chǎng)速度放射狀流動(dòng),無(wú)明顯的回流和繞流。有利于井底巖粉排出和復(fù)合片的冷卻。

1.2 石油天然氣鉆探市場(chǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)

近十年世界石油天然氣鉆探工作量有緩慢回升的趨勢(shì)。美國(guó)維持每年30 000口鉆井左右,中國(guó)2017年鉆井?dāng)?shù)維持在23 424口鉆井,東歐(包括前蘇聯(lián))2015年石油鉆井?dāng)?shù)為8 605口,加拿大2015年石油鉆井為6 279口,不完全統(tǒng)計(jì)全球每年鉆進(jìn)64 500口鉆井,可以粗略算出全球每年鉆進(jìn)油氣井24 000萬(wàn)米。按85%的鉆頭采用PDC鉆進(jìn),鉆探工作量為20 400萬(wàn)米,約需40.8萬(wàn)個(gè)PDC鉆頭,每個(gè)鉆頭平均用50片PDC(按常用規(guī)格計(jì)算),即需要2 040萬(wàn)片PDC這樣宏大的市場(chǎng)。我們?nèi)フ碱I(lǐng)這些市場(chǎng),可獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和PDC質(zhì)量在世界上的領(lǐng)先地位。

1.2.1 攻克PDC鉆頭鉆進(jìn)硬巖難關(guān)

在國(guó)內(nèi)PDC鉆頭的難點(diǎn)是攻克硬地層的鉆進(jìn),具體是鉆進(jìn)硬的砂礫石地層,在鉆進(jìn)該地層時(shí),表現(xiàn)為鉆進(jìn)效率低,鉆頭壽命短,一個(gè)新的PDC鉆頭,鉆不穿幾百米的沙礫石地層,只能被迫提鉆,既耽誤鉆進(jìn)時(shí)間,又容易引發(fā)孔壁坍塌,誘發(fā)鉆井事故。

1.2.2 提高PDC復(fù)合片的質(zhì)量

為此,從兩方面加強(qiáng)研究。

(1)提高復(fù)合片的內(nèi)在質(zhì)量,如耐熱性,耐磨性,抗沖擊性等。

特別是PDC的耐熱性能,易引起PDC微燒,微裂,崩刃等現(xiàn)象,特別在硬地層中表現(xiàn)更加明顯。為此,要真正提高熱性能,必須加強(qiáng)金剛石表面的真空熱處理。使其表面活化,燒結(jié)過(guò)程中金剛石與金剛石直接合成,少加或不加粘結(jié)鈷,省去脫鈷的過(guò)程,增強(qiáng)PDC的耐熱性能。提高PDC的耐磨性,在PDC填裝和封裝的過(guò)程全部都在真空凈化環(huán)境下完成,真空系統(tǒng)真空度為10-2～10-6Pa,加熱溫度400～500 ℃,金剛石表面用正離子轟擊單晶表面以達(dá)到單晶表面的清潔、活化。處理后的單晶表面,在燒結(jié)過(guò)程中容易形成D-D鍵的結(jié)合,可以減少鈷的加量,或者不用加入鈷,即可合成高質(zhì)量的金剛石復(fù)合片。

(2)改善PDC復(fù)合片的幾何形狀,即不是常規(guī)的圓片狀而是圓錐形(圖6),錐形的尾部更適合焊接復(fù)合片工藝的需要,便于復(fù)合片的導(dǎo)正和對(duì)中,保證銀銅焊料厚度均勻,增強(qiáng)復(fù)合片的焊接強(qiáng)度。金剛石層厚度為2～2.5 mm,PDC復(fù)合片高度由常規(guī)的16 mm增加至19 mm,并且尾部帶錐形,錐度為30度,錐度的長(zhǎng)度為8 mm。

圖6 錐形復(fù)合片

1.2.3 研制硬地層用新型復(fù)合鉆頭[10](圖7)

圖7 硬地層用新型復(fù)合片鉆頭

(1)復(fù)合片鉆頭的刀翼由35鉻鉬材料加工而成。

(2)在刀翼的表面采用金層噴涂的方式,噴涂材料為耐磨的合金顆粒。

(3)在鉆頭刀翼上鉆出與錐形復(fù)合片相應(yīng)的錐形孔。

(4)在刀翼上的復(fù)合片后方放置孕鑲塊,其孕鑲塊出露高度比切主削復(fù)合片的出露高度低2mm。

1.2.4 PDC復(fù)合片鉆頭在硬巖鉆進(jìn)的設(shè)計(jì)理念

擴(kuò)大復(fù)合片鉆頭在硬地層中的應(yīng)用,有效地?cái)U(kuò)展了PDC鉆頭的應(yīng)用范圍,其鉆進(jìn)效果與其他PDC鉆頭相比,提高了硬地層的鉆進(jìn)速度和工作壽命。

硬巖鉆進(jìn)中的PDC鉆頭在設(shè)計(jì)理念有如下要求:

(1)PDC鉆頭受力要達(dá)到整體平衡的概念。

作用在鉆頭上的力有軸向力,橫向力和彎曲力矩,以前PDC鉆頭力平衡的概念僅指橫向力平衡,認(rèn)為一旦橫向力平衡了,彎曲力矩也就平衡了,這種考慮是不全面的。

(2)PDC鉆頭的能量平衡概念。

由于鉆進(jìn)中每個(gè)切削具切削地層的量不同,因此,每個(gè)切削具上的作用力亦不同。而且每個(gè)刀翼上的切削具數(shù)量不同,每個(gè)刀翼上的作用力也不同。因此,能量平衡鉆頭必須要研究切削具在切削地層時(shí)的工作量,盡量保持切削的工作量趨于一致,以使刀翼所受的切削力分布受到控制,與力平衡的原則一樣,這種特有的設(shè)計(jì)在不斷發(fā)展,其要求設(shè)計(jì)所鉆進(jìn)的區(qū)域內(nèi)切削具的平均力矩。

2 搶占世界復(fù)合片市場(chǎng)

按文中所估計(jì)的數(shù)據(jù),世界每年油氣田的鉆進(jìn)工作量為24 000萬(wàn)米,其中采用PDC鉆頭鉆進(jìn)的工作量約為20 400萬(wàn)米,約需40.8萬(wàn)個(gè)PDC鉆頭,約需2 040萬(wàn)片PDC。

有這樣龐大的PDC市場(chǎng),我們必須研制出高耐熱性,高耐磨性及高抗沖擊的PDC和研制鉆頭能量平衡切削力均勻的新型PDC鉆頭,有了頂級(jí)的PDC和頂級(jí)的鉆頭,我國(guó)將會(huì)占領(lǐng)大份額的市場(chǎng),創(chuàng)出中國(guó)名牌產(chǎn)品,讓我們領(lǐng)跑世界先進(jìn)水平,發(fā)展到PDC市場(chǎng)我們說(shuō)了算。

3 看法與建議

(1)加強(qiáng)PDC超硬材料基礎(chǔ)理論的研究,如同我國(guó)芯片的研究一樣,要打破外國(guó)封鎖,自主研發(fā),加快速度占領(lǐng)PDC的頂級(jí)市場(chǎng)。

(2)加強(qiáng)地質(zhì)鉆頭井底流場(chǎng)的模擬研究。

(3)采用能量平衡的新理論指導(dǎo)PDC鉆頭的設(shè)計(jì)。

(4)加強(qiáng)研究硬地層鉆進(jìn)技術(shù),使PDC鉆頭更加適應(yīng)所鉆進(jìn)的地層,爭(zhēng)取做到一個(gè)鉆頭一個(gè)回次鉆完一口井,大幅度提高鉆井的鉆進(jìn)效率和增加深井鉆進(jìn)的安全性。

(5)設(shè)計(jì)地質(zhì)復(fù)合片鉆頭時(shí),加強(qiáng)鉆頭的井底流場(chǎng)的研究。

(6)加強(qiáng)高耐熱,高耐磨,高沖擊強(qiáng)度的PDC復(fù)合片研究。