趙爾信(北京探礦工程研究所,北京 100083)

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金剛石復合片的現(xiàn)狀及新的應用范圍

趙爾信
(北京探礦工程研究所,北京 100083)

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

關鍵詞:金剛石復合片;組合式鉆頭;齒狀復合片

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

1　國內外金剛石復合片的水平

目前國內外復合片性能指標已發(fā)生質的飛躍,指標的大幅度提高,為鉆進硬地層奠定了堅實的基礎。

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

目前國內復合片耐磨性平均值已達到18～22 萬,抗沖擊韌性平均值達到400～600J,而國外復合片耐磨性卻達到20～25萬,抗沖擊韌性＞600J。

上述檢測指標和方法是按照“國土資源地質鉆探工具監(jiān)督與檢測中心”的檢測標準進行的。

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

2　復合片發(fā)展方向

鉆進硬地層的三高PDC復合片,即高耐磨、高沖擊強度、高耐熱性,是該材料的發(fā)展方向。復合片的主要性能通常指的是耐磨性和抗沖擊韌性,現(xiàn)在進一步地研究和試驗發(fā)現(xiàn)了第三種性能——熱性能更為重要,它導致PDC的熱損壞,其原因是熱侵蝕后形成磨損和應力,即熱侵蝕導致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。

所以高質量的復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。

研究提高復合片的耐熱損傷,應從以下幾個方面著手:

(1)原料金剛石的凈化,在真空凈化系統(tǒng)中進行表面處理。

(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℃范圍內鈷的膨脹會使金剛石顆粒之間的聯(lián)接發(fā)生分離。導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機械結構強度,對策是在PDC金剛石層外圈加上一個金剛石環(huán),因此形成了兩個切削刃即形成兩個月牙,在增加切削力的同時也增強了切削齒的整體強度。

根據(jù)有關報道,國內脫鈷的深度為0.1～0.2mm。而國外脫鈷達到0.5mm。故國外復合片的抗熱性較高。

(4)金剛石層表面設計通水槽,設計爪型復合片。

在PDC表面設計通水槽,在鉆進過程中,槽中會始終有冷卻水,有利于散熱,減少熱損傷。

復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,方可提高復合片的質量,使之達到國際先進水平。

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

3　金剛石復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構發(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)技術難度大,投資成本高,為減低成本,增加利潤,開展了技術創(chuàng)新,尤以鉆頭的創(chuàng)新更為突出,取得了顯著的進展。國內在鈾礦勘探中為解決硬的泥巖鉆進效率低,打滑不進尺而設計了尖齒形復合片鉆頭,國外為在油氣田鉆進中大幅度全面提速,設計了大刀翼新型復合片鉆頭,現(xiàn)分別介紹如下。

3.1Kymera組合式鉆頭

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

2009年,貝克·休斯公司克里斯坦森(Baker Hughes Christensen)分公司研發(fā)出將金剛石復合片與牙輪相結合的鉆頭——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堅硬地層、黏-滑(stickslip)地層、軟硬互層與含夾層的地層,以及定向井、水平井鉆進等,但卻不適宜在較軟地層中鉆進。

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

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

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

3.2第二代Kymera組合式鉆頭

經(jīng)過不斷地改進提高,誕生了第二代Kymera組合式鉆頭。其中Kymera FSR定向鉆進鉆頭配置雙牙輪和4個強力PDC雙翼(圖3),可以在控制鉆井方向的同時提高鉆進效率。Kymera FSR鉆頭于2014年四季度在美國鷹潭(Eagle Ford)頁巖氣田,運用于鉆進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鉆頭存在三個問題:(1)井底鉆頭產(chǎn)生強烈扭震,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計軌跡,引起井斜;(3)每鉆一口水平井曲線井段至少需要消耗2個鉆頭,耗時費錢。而選用新型Kymera FSR定向鉆進鉆頭,在3口水平井曲線井段各只用一個鉆頭,分別以11m/h的鉆速鉆進22h,14.2m/h的鉆速鉆進17h,12.5m/h的鉆速鉆進19h并完成。并且, 這3個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,分別用3個鉆頭以7.2m/h的速度鉆進了35h、用2個鉆頭以9.8m/h的速度鉆進了27h。經(jīng)計算,運用Kymera FSR鉆頭每英尺鉆探成本至少節(jié)約36%。

3.3大刀翼新型復合片鉆頭

該類型的復合片鉆頭性能優(yōu)越,無論從技術經(jīng)濟指標、鉆頭結構基體材料、復合片的性能和形狀等方面與國內復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定向鉆進鉆頭Fig.3 Second generation of Kymera FSR directional drilling bit

(1)技術經(jīng)濟指標

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)復合片鉆頭一般鉆進不到50米即磨損報廢,被迫進行深井提鉆,依據(jù)井況,需要1～2天的時間,大約消耗成本10萬元左右,而且提鉆容易誘發(fā)井內事故,這是鉆探工作者最擔心的事情。而與國外合資的大刀翼新型復合片鉆頭(實際完全是國外的制造技術)一個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,鉆進效率也高于國產(chǎn)鉆頭50%～100%,評價是國外鉆頭的性價比高,雖然一個國外81/2鉆頭價格為12萬元,而國產(chǎn)僅為5萬元,但在鉆探現(xiàn)場人們仍愿意使用合資的大刀翼新型復合片鉆頭。

(2)鉆頭結構

與國外合資的該類型鉆頭特點為:大刀翼、高出刃、寬水路。刀翼較薄能提高鉆進效率,高出刃寬水路易于排粉,防止巖粉的重復破碎(見圖4)。

圖4　大刀翼復合片鉆頭Fig.4 Broadsword wing compact drill

(3)鉆頭基體材料

通常國產(chǎn)復合片鉆頭的基體采用粉末冶金的方法,在箱式電爐中燒結,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)動機床加工完成,不需在耗費大量電能的箱式電爐中燒結,可節(jié)約大量能源,是鉆頭行業(yè)升級改造,轉變生產(chǎn)結構一種實例。

(4)刀翼表面的化學處理

在鉆頭的大刀翼表面進行化學處理,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,因為這輕則影響鉆進效率,重則會誘發(fā)鉆頭泥包事故。

(5)優(yōu)質性能的復合片

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

(6)大刀翼新型復合片所用復合片,不是常用的圓片狀而是圓錐狀。

同樣,刀翼上所預留的復合片定位穴也是錐形的,將錐形復合片鑲嵌于錐形的定位穴內,焊接面積大,鑲嵌牢固,復合片不易脫落。

(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齒狀復合片鉆頭

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

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

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

圖6　細齒狀復合片鉆頭Fig.6 Denticulate compact drill bit

4　結論

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

(2)金剛石復合切削具與牙輪相組合是提高復合片使用效果的有效途徑。

(3)改變復合片的表面結構和形狀是擴大復合片鉆進硬地層的應用范圍的有效方法。

參考文獻:

[1]劉廣志.金剛石鉆探手冊[M].北京:地質出版社,1991.

[2]趙爾信.金剛石鉆頭與擴孔器[M].北京:地質出版社,1982.

[3]左汝強.國際油氣井鉆頭進展概述[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,教授級高工,從事地質鉆探、科學鉆探、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:TQ164

文獻標識碼:A

文章編號:1673-1433(2016)02-0050-04

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