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)

簡單介紹了金剛石燒結(jié)體的發(fā)明、合成機理、制造方法、品種規(guī)格、性能檢測、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總工作量的70%左右。

人造金剛石的耐磨性遠遠高于硬質(zhì)合金。PDC鉆頭的主要技術(shù)特點是鉆頭結(jié)構(gòu)簡單,主要工作部件PDC切削齒極其耐磨,鉆頭本身沒有旋轉(zhuǎn)部件,故也稱之為固定式鉆頭。最初,PDC鉆頭只能被用于軟頁巖地層中,原因是硬的夾層會損壞鉆頭上的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段的中硬巖地層了。PDC鉆頭正越來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鉆頭從無到有、從弱到強、從淺部地層到深至4500～6000米的深井都取得了驕人業(yè)績。根據(jù)國內(nèi)外用戶反饋的信息,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、抗沖擊強度等性能指標已經(jīng)符合超深井油田鉆進的需要。

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

PDC鉆頭對地層的針對性很強,長慶油田地層非常復(fù)雜。必須根據(jù)各區(qū)塊、不同深度地層的特點進行具有針對性的工藝試驗和PDC鉆頭的選型。實踐證明,PDC鉆頭機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械鉆速,可降低鉆機負荷,并能使整個系統(tǒng)的運行成本得以降低。

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)性較強的致密巖性氣田,開發(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,不得不降低機械鉆速。受上部地層巨大壓力的作用,地層越深,其密實性越高,PDC的鉆進就越發(fā)困難。在2200m以深地層鉆井工作深度只占全部鉆進深度的1/3左右,但實際這部分距離所用鉆井時間占全井時間的70%。下部地層鉆速明顯低于上部地層,同時也預(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,適當選擇不同的PDC鉆頭設(shè)計,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。

鉆頭使用效果評價:該鉆頭適用于三開水平段,從井深2800m至3501m,累計進尺701m,純鉆時為34h,整體機鉆為20.62m/h,使用效果較好,創(chuàng)山2段機鉆最高紀錄。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機鉆,說明鉆頭抗研磨性強、機鉆速度快,鉆頭起出后發(fā)現(xiàn)五個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數(shù)十倍,井巷支護施工速度提高,降低了巷道成本,深受煤礦企業(yè)歡迎。由于此類PDC售價大幅度降低,使得PDC錨桿鉆頭迅速普及,中國是世界上最大的產(chǎn)煤國,這類PDC的市場發(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)域為汽車、家電、航空、木料加工行業(yè),其加工對象主要有活塞、缸體、輪轂、軸瓦、電機部件、航空零部件、強化木地板、家具型材等。從早期的鋁、銅等典型的有色金屬,到如今已擴展到木材、石材、工程塑料、石墨及纖維增強材料、金屬基復(fù)合材料等。早期過高的售價一直是影響客戶接受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,其增長速度超過硬質(zhì)合金刀具的增長速度。

PDC刀具的第一大市場為汽車制造,硅鋁合金被汽車行業(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。過共晶態(tài)鋁合金(含硅超過12.6%)具有非常高的耐磨性、強度和抗疲勞性能,但合金中有硅元素以固體粒子形式從鋁基體中析出,此時只有采用具有鋒利切削刃和非常耐磨的PDC刀具才能進行有效加工并獲得良好的表面質(zhì)量。切削鋁合金材料時PDC刀具的壽命為硬質(zhì)合金刀具壽命的20～50倍,一般推薦細粒度(或中粒度) PDC來加工低硅鋁合金,采用粗粒度PDC加工高硅鋁合金。

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

PDC刀具在木材加工行業(yè)的應(yīng)用近年來獲得高速發(fā)展。典型案例是在強化復(fù)合地板中的使用,由于強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,由于基板的密度遠高于普通木材,對刀具的磨損較為嚴重,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)用也越來越廣泛。PDC木工刀具還有環(huán)保的優(yōu)勢,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材,其耐用度相當硬質(zhì)合金拉絲模的數(shù)百倍,超過天然和人造大顆粒單晶金剛石拉絲?！，F(xiàn)在市場上用于制造拉絲模的PCD主要是以鈷作結(jié)合劑的,因為它的耐磨性好、強度高、使用壽命長,拉絲成本低。以硅作結(jié)合劑的用量相對減少了許多。

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)過近百年不斷開采,其可采儲量越來越少,和全球的經(jīng)濟發(fā)展對油氣資源的依賴程度越來越重的雙重壓力下,人們不斷探索開采更深地層儲藏石油天然氣以及頁巖氣的可能性。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人們對深層地質(zhì)構(gòu)造認識的不斷加深,在愈來愈深的地層中發(fā)現(xiàn)并開采石油天然氣資源已經(jīng)成為一個現(xiàn)實的科學(xué)問題。

但過去生產(chǎn)的復(fù)合片大多適合鉆進3000m以淺的軟—中硬地層,其強度與抗磨損能力還不能滿足中硬以上地層以及研磨性強的地層、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,對于復(fù)合片質(zhì)量及復(fù)合片鉆頭設(shè)計、制造及使用提出了越來越高的要求,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、強磨蝕性地層和含硬夾層的地層拓展,以勘探與開采儲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足日益變化的油氣井開采的需求,井的深度越來越深,地層壓實密度越來越高,鉆頭在井底的工作溫度越來越高,這些都意味著,承擔鉆井工作主要負荷的金剛石復(fù)合片應(yīng)具有更高的耐磨性和抗沖擊性能,但這兩項性能要求與人造金剛石這種脆性材料是一對難以調(diào)和的矛盾。

定向井技術(shù)是當今世界石油勘探開采領(lǐng)域最先進技術(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、測量儀器和工藝技術(shù)有效控制井軌跡,使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預(yù)定目標的鉆井工藝技術(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、有效的開發(fā),能大幅提高油氣產(chǎn)量和降低鉆井成本,有利于保護自然環(huán)境,具有顯著的經(jīng)濟效益。簡單地說,定向井與以往用鉆頭從地面垂直向下鉆進的直井有明顯不同之處,定向井是使鉆頭沿著預(yù)先設(shè)計的井斜和方位,或垂直或傾斜或水平鉆達預(yù)定的油氣層,打定向井的目的是為了避開高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等地面條件的限制,避開地下斷層、鹽丘、穹窿等復(fù)雜地層,定向井有用于開發(fā)低滲透、低孔隙油氣藏、頁巖氣藏等的普通定向井、多目標定向井、叢式定向井、水平井、分支井,有利于解決井底落物的測鉆井,以及發(fā)生油氣燃燒事故時的救援井(如圖29所示)。

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

定向井鉆頭對PDC的要求很高,譬如水平井鉆進時,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,將分散儲油、儲氣地塊連通起來,提高單井采油(氣)量。長半徑水平井的水平段長度可達1000米以上,特別是在頁巖氣開采時,水平井將多個含裂隙的儲氣層聯(lián)通、貫穿,是頁巖氣開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,對石油的需求不斷增加,石油不但是關(guān)系國計民生的重要消耗品,同時也是一個國家重要的戰(zhàn)略物資,保障石油的充分供應(yīng)對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和國家安全都具有十分重要的意義。我國是僅次于美國的第二大石油消耗國,2012我國石油產(chǎn)量為2.05億噸,天然氣產(chǎn)量為1067.6億立方米,目前中國人均石油可開采儲量僅為2.6噸,是世界人均石油開采量平均值的1/10,這意味著我國石油消耗對國際市場的依賴程度將越來越大,2012年我國進口石油2億多噸,占石油消耗的一半左右。目前我國探明的石油儲量為1040億噸,天然氣為54萬億立方米,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,石油可采儲量僅為135～160億噸,天然氣可采儲量約為10～12萬億立方米。在剩余的“不可采儲量”中,低滲或特低滲、稠油和深度大于3500米的超過50%,難開采的比重越來越大,勘探難度越來越高,隱蔽而復(fù)雜油氣藏已成為勘探主要對象,地表及地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)正成為勘探的重點目標區(qū)。另外現(xiàn)在世界各國和油氣能源公司幾乎都將頁巖氣開采提到了重要日程,中國是全球除北美以外率先開發(fā)頁巖氣的國家,在四川盆地北部中生代,鄂爾多斯盆地三疊系等多個地區(qū)頁巖氣的勘探取得了突破,預(yù)測顯示,中國頁巖氣資源豐富,地質(zhì)資源量為(3～16.6)萬億立方米。然而頁巖氣儲層比任何致密油氣儲層都還要致密,有效開發(fā)難度非常大,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地層斷裂切割嚴重,是勘探開發(fā)面臨的重大挑戰(zhàn)。21世紀以來的10余年中,隨著頁巖氣地質(zhì)與開發(fā)理論的創(chuàng)新,開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的進步,尤其是定向井鉆頭用高品質(zhì)PDC的突破性進展以及定向井PDC鉆頭制造技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的進步,采用水平井鉆完井與分段水壓裂技術(shù),使頁巖氣開發(fā)邁進了大發(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),對于解決難開采地層的油氣資源以及頁巖氣資源的勘探與開采難題將奠定非常重要的基礎(chǔ),對于探明我國更多的油氣儲量及可采儲量具有非常重要的經(jīng)濟意義和戰(zhàn)略意義,充足的能源供應(yīng)將為中國經(jīng)濟在新世紀里持續(xù)、健康和穩(wěn)定高速發(fā)展保駕護航。

7.2 切削刀具用PDC發(fā)展前景

國產(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,分攤到每件刀具上的刀頭成本偏高。PDC圓片中心處與靠近邊緣處的性能存在較大的差異,進一步降低了材料利用率。由于產(chǎn)品質(zhì)量難以滿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。國內(nèi)機械加工用PDC復(fù)合片市場容量很大,目前以進口為主。隨著國產(chǎn)Φ50或更大尺寸復(fù)合片技術(shù)的成熟,依靠成本優(yōu)勢,取代進口產(chǎn)品,所產(chǎn)生的市場空間會很大,如果將中國大尺寸復(fù)合片反向向國外輸出,更有擴展空間。

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

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)取代進口的同類產(chǎn)品,而且其品種、規(guī)格也越來越完善?，F(xiàn)在拉絲模用PCD的金剛石粒度向細顆粒發(fā)展,我國已經(jīng)能生產(chǎn)出質(zhì)量優(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,如果能改進提高其耐磨性與強度,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)用方面會有新的突破。

[1] 趙云良,趙爽之.金剛石燒結(jié)機理的探討.

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