一、金剛石鉆頭研制及應(yīng)用
1、PCD三刮刀鉆頭
勝利油田會(huì)戰(zhàn)初期,針對(duì)該油區(qū)第三系軟至中硬地層,一般采用鋼體式硬質(zhì)合金刮刀鉆頭鉆進(jìn),由于硬質(zhì)合金耐磨性較低,只能用于1500m以淺井段。當(dāng)時(shí)的國(guó)產(chǎn)牙輪鉆頭因軸承質(zhì)量問(wèn)題,單只進(jìn)尺只有150~200m,且時(shí)效較低。解決刮刀鉆頭打1500m以深井段成為當(dāng)時(shí)較迫切的問(wèn)題。1973年,勝利油田石油勘探開(kāi)發(fā)研究所(鉆井工藝研究院前身)與鄭州磨料磨具研究所協(xié)作開(kāi)展“人造金剛石聚晶刮刀鉆頭研制”課題。利用鄭州磨料磨具磨削研究所研制的Φ6×6mm人造金剛石聚晶(簡(jiǎn)稱PCD),以冷壓浸漬焊接工藝方法將PCD包鑲于碳化鎢等組份的胎體內(nèi),再將此孕鑲塊鑲裝于刮刀片的槽及孔內(nèi),表鋪硬質(zhì)合金塊,在還原氣氛下進(jìn)行整體焊接。試制的Φ216mm三刮刀鉆頭于1974年7月在3252鉆井隊(duì)辛123井試用,取得單只鉆頭一次下井進(jìn)尺2260.64m,機(jī)械鉆速42.77m/h的較好使用效果。1975年又取得單只鉆頭一次下井進(jìn)尺2412.30m的新成效,達(dá)到了勝利油田提出的一只金剛石刮刀鉆頭一次下井進(jìn)尺2300~2500m的課題指標(biāo)要求。1975年8月,得到石油工業(yè)部與第一機(jī)械工業(yè)部相關(guān)單位組織的課題鑒定會(huì)的好評(píng),并定型為“75型人造金剛石聚晶刮刀鉆頭”,但在使用中發(fā)現(xiàn)有PCD顆粒脫落的現(xiàn)象。為進(jìn)一步提高鉆頭的使用效果,1975年雙方又簽訂了開(kāi)展“噴射式人造金剛石聚晶刮刀鉆頭制造工藝的研究”課題。利用無(wú)壓浸漬焊接工藝方法,將Φ6×6mm和Φ4×6mmPCD較牢固地包鑲于碳化鎢等組份的胎體內(nèi),制成圓柱形和方型孕鑲塊,分別鑲裝于刮刀片的孔和槽內(nèi);采用加長(zhǎng)的25SiMnMoV新鋼種(原用35CrMo)刀片并增加孕鑲塊的鑲裝密度。為適應(yīng)高壓噴射鉆進(jìn)的需要,優(yōu)選了Φ9~14mm硬質(zhì)合金水眼,用中頻焊接工藝鑲裝于鉆頭體內(nèi)。1977~1978年,研制的20只Φ216mmPCD三刮刀鉆頭,分別由3252、32626、32358鉆井隊(duì)在勝利油田郝家、永安鎮(zhèn)、東辛等地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),分別取得單只鉆頭一次下井進(jìn)尺2611.85m、2777.69m和2858.56m的使用效果,接連三次刷新該鉆頭單只進(jìn)尺的全國(guó)最高紀(jì)錄。1978年10月12日,該課題通過(guò)石油工業(yè)部組織的鑒定,并定型為“78型人造金剛石聚晶刮刀鉆頭”投入生產(chǎn),同年獲全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。1979年2月,一只78型刮刀鉆頭在32694鉆井隊(duì)施工的新義11-1井一次下井進(jìn)尺2901.17m,再創(chuàng)該鉆頭單只進(jìn)尺的全國(guó)最高紀(jì)錄。1979年3月,在3239鉆井隊(duì)施工的利22井,使用一只Φ216mm78型刮刀鉆頭一次下井進(jìn)尺3018.0m,首創(chuàng)該類鉆頭單只進(jìn)尺的世界最高紀(jì)錄;同年5月,在32693鉆井隊(duì)施工的利11井,一只Φ216mm78型刮刀鉆頭一次下井進(jìn)尺3135.78m,再創(chuàng)該類鉆頭單只進(jìn)尺的世界最高紀(jì)錄。1979年該鉆頭獲國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。但由于刮刀鉆頭在鉆進(jìn)中扭矩較大(與牙輪鉆頭相比)、易蹩鉆、易井斜、易損傷鉆具和設(shè)備,對(duì)司鉆的技術(shù)要求較高。在油田逐漸進(jìn)入正??碧介_(kāi)發(fā)的情況下,1990年以后刮刀鉆頭的用量逐漸減少,1998年左右停用。這就迫使超硬材料及其制品行業(yè)盡快研制出新型金剛石鉆頭以適應(yīng)油田不同地層鉆進(jìn)的需要。
2、再制多棱人造金剛石聚晶取芯鉆頭
1984年勝利油田鄭家地區(qū)取心鉆遇硬而破碎的古潛山花崗片麻巖地層,現(xiàn)有的取心鉆頭不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要。采用Φ6×6mmPCD的再制多棱體(不同大小碎塊),以表鑲和孕鑲相結(jié)合的形式,首次應(yīng)用整體無(wú)壓浸漬焊接工藝方法試制成功胎體式“SLY-1型取心鉆頭”,在鄭4-2井1547.32~1677.37m花崗片麻巖井段使用的7只Φ215mm鉆頭,平均單只進(jìn)尺7.5m,平均機(jī)械鉆速0.31m/h,單只最高進(jìn)尺12.28m,達(dá)到國(guó)內(nèi)同類鉆頭的先進(jìn)水平。該鉆頭于1985年2月通過(guò)勝利油田科委鑒定,于1986年獲勝利油田科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),開(kāi)拓了應(yīng)用超硬材料的新路子。
3、圓柱聚晶單錐型取心鉆頭
1987年,利用耐磨性和抗沖擊強(qiáng)度較高、錐角為85o的Φ6×6mmPCD研制出“圓柱聚晶單錐型取心鉆頭”。在勝利油田草橋、樁西地區(qū)1051.81~3586.30m井段使用的15只Φ215mm鉆頭,平均單只進(jìn)尺68.09m,平均機(jī)械鉆速0.89m/h,單只最高進(jìn)尺200.94m,達(dá)到國(guó)內(nèi)同類鉆頭的先進(jìn)水平,并創(chuàng)國(guó)內(nèi)中到中硬地層取心鉆頭單只進(jìn)尺的最高紀(jì)錄。該鉆頭于1988年6月通過(guò)勝利油田科委鑒定,1990年獲勝利油田科技成果二等獎(jiǎng)。
4、三角聚晶金剛石取心鉆頭
美國(guó)克里斯坦森公司于20世紀(jì)80年代初研制成功三角聚晶金剛石鉆頭。該鉆頭具有壓剪作用的破巖機(jī)理,適用于塑性及塑脆性地層,在高泥漿密度的深井油層鉆進(jìn)更為有利,為提高勝利油田砂泥巖地層的取心效果,1986年開(kāi)展了“三角聚晶金剛石取心鉆頭研制”課題。在解決了三角形PCD鉆頭型模的制造難題后,試制的22只Φ215mm三角形PCD取心鉆頭,在勝利油田純化、渤南地區(qū)1285~3590m的砂泥巖地層取心,平均單只進(jìn)尺47.8m,平均機(jī)械鉆速1.27m/h,單只最高進(jìn)尺115.71m,達(dá)到國(guó)內(nèi)同類鉆頭的先進(jìn)水平,創(chuàng)國(guó)內(nèi)同類鉆頭單只進(jìn)尺的最高紀(jì)錄。該課題于1989年12月通過(guò)勝利油田科委鑒定,1993年12月獲中國(guó)石油天然氣總公司科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
5、復(fù)合型PCD取心鉆頭
為充分發(fā)揮Φ5×5×85oPCD較高的耐沖擊性和三角形PCD的剪切破巖效應(yīng),減少三角形PCD在鉆進(jìn)中易碎斷的弊端,1995年又研制成功復(fù)合形PCD(圓柱形1/3+三角形2/3)取心鉆頭并投產(chǎn)應(yīng)用至今,取代了單一的三角形PCD鉆頭。該鉆頭于2003年被授權(quán)國(guó)家實(shí)用新型專利(專利號(hào):ZL 02 2 14357.2)。
6、PDC鉆頭
美國(guó)GE公司于20世紀(jì)70年代研制出金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合片(PDC)并用于石油鉆頭制造。國(guó)內(nèi)各油田于20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)使用該鉆頭,在軟至中硬地層鉆進(jìn)見(jiàn)到明顯優(yōu)于其它類型鉆頭的使用效果。1985年我院開(kāi)展了鋼體式PDC鉆頭的研制課題。與航空工業(yè)部703所協(xié)作利用真空擴(kuò)散焊解決了PDC復(fù)合片與硬質(zhì)合金齒柱的焊接問(wèn)題;采用過(guò)盈熱裝固齒工藝將支柱式PDC片鑲裝于鉆頭鋼體內(nèi),研制出鋼體式PDC全面鉆進(jìn)鉆頭和取心鉆頭。試制的12只Φ215mm全面鉆進(jìn)鉆頭,在2121~3581m東營(yíng)至沙三段地層,平均單只進(jìn)尺752.13m,平均機(jī)械鉆速5.58m/h。1987年10月在孤南134井單只鉆頭一次下井進(jìn)尺1124.59m,機(jī)械鉆速5.16m/h,創(chuàng)國(guó)產(chǎn)PDC鉆頭單只進(jìn)尺的最高紀(jì)錄。1988年7月,PDC-Z1-215型全面鉆進(jìn)鉆頭通過(guò)石油工業(yè)部鑒定,1990年10月獲中國(guó)石油天然氣總公司科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。PDC-Z型取心鉆頭的使用效果也達(dá)到國(guó)內(nèi)同類鉆頭的先進(jìn)水平,1988年6月通過(guò)勝利油田科委鑒定,1989年6月獲勝利科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。碳化鎢胎體式PDC全面鉆進(jìn)鉆頭和取心鉆頭也相繼研制成功。
由于國(guó)內(nèi)超硬材料行業(yè)對(duì)PDC復(fù)合片的研制及生產(chǎn)比較重視,產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高,使PDC鉆頭的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大,其產(chǎn)品用量大大多于上述各類PCD鉆頭,特別是Φ8×8mmPDC片用于制作的胎體式取心鉆頭使用效果較好,替代了部分三角形PCD鉆頭。
我院主要使用鄭州新亞復(fù)合超硬材料有限公司提供的PDC片生產(chǎn)鉆頭。2001年以來(lái),產(chǎn)量逐年提高,近幾年達(dá)到了年產(chǎn)不同類型不同規(guī)格的鉆頭1500只左右。
7、孕鑲金剛石鉆頭
2000年以前,勝利油田取心鉆遇硬而強(qiáng)研磨性地層,大多采用表鑲天然金剛石鉆頭,也引進(jìn)少量國(guó)外孕鑲金剛石鉆頭試用,鉆進(jìn)成本大大提高。隨著國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度人造金剛石單晶的大量產(chǎn)出,為研制國(guó)產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭提供了有利條件。2001年我院應(yīng)邀為中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井提供鉆頭試用,利用國(guó)產(chǎn)的人造金剛石首次試制的Φ157×Φ97mm孕鑲金剛石取心鉆頭,在177.38~180.72m角閃石化榴輝巖地層取心,單只進(jìn)尺3.34m(約一筒取心量),機(jī)械鉆速1.63m/h,得到施工現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)可。
在國(guó)家“穩(wěn)定東部,開(kāi)發(fā)西部”的能源戰(zhàn)略布署下,油田鉆井隊(duì)伍逐步轉(zhuǎn)向四川、新疆等地?,F(xiàn)有的PCD、PDC鉆頭在較深井段硬而強(qiáng)研磨性地層鉆進(jìn)難度較大。史密期公司的孕鑲金剛石鉆頭配高速渦輪鉆具的使用效果較好,但鉆井成本較高(約1萬(wàn)元/m)。為提高西部鉆井的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,研制孕鑲金剛石鉆頭和渦輪鉆具勢(shì)在必行。2006年使用南陽(yáng)中南金剛石有限公司提供的人造金剛石試制的Φ150mm全面鉆進(jìn)鉆頭,在四川大邑1井張家河組須三段4835.95~4908.7m(定向井,8~15o斜度)頁(yè)巖井段鉆進(jìn)中,單只一次下井進(jìn)尺72.75m,機(jī)械鉆速0.78m/h,達(dá)到了預(yù)期的使用效果。2011年9月使用同樣的人造金剛石試制的Φ215.9mm全面鉆進(jìn)鉆頭,在新疆烏參1井5576~5640m石炭系馬塔碼山依內(nèi)山組凝灰?guī)r(含石英47%)地層鉆進(jìn),單只一次下井進(jìn)尺64m,機(jī)械鉆速0.86m/h,與同井此前使用的其它類型鉆頭相比,取得了比較滿意的使用效果??煽闯鰢?guó)產(chǎn)人造金剛石可適應(yīng)石油鉆頭研制的需求。
二、金剛石鉆具配件的研制
隨著石油勘探開(kāi)發(fā)深井和超深井的不斷增多,提高鉆具配件的耐用度也引起關(guān)注。將超硬材料用于制造鉆具配件是提高鉆具壽命的有效途徑。我院用PDC復(fù)合片鑲焊出的扶正器、擴(kuò)孔器和垂鉆配件耐磨片均可滿足使用要求。
中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井,要求在高硬度強(qiáng)研磨性的結(jié)晶巖中完成Φ157mm、深度達(dá)5000m的連續(xù)取心,鉆遇地層巖石可鉆性級(jí)值多為8~9,少量達(dá)10以上。鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭直徑磨損不可避免,如果在鉆頭外徑磨損較嚴(yán)重的情況下繼續(xù)鉆進(jìn),將造成大段井眼縮徑,使新鉆頭難以下至井底,必須進(jìn)行劃眼(擴(kuò)孔),如果操作不當(dāng)將造成卡鉆或鉆具變形等事故。因此,該井在鉆具組合中,巖心筒的上下部位各裝一套擴(kuò)孔器(直徑較鉆頭大0.3mm,上部擴(kuò)孔器主要起穩(wěn)定作用),當(dāng)鉆頭外徑有明顯磨損時(shí),其上部的擴(kuò)孔器將起到擴(kuò)孔作用,此時(shí)鉆速明顯下降,應(yīng)盡快起鉆,更換新鉆頭。2001年本院受邀為該井提供擴(kuò)孔器試用。擴(kuò)孔器的規(guī)格為Φ157.3×Φ116×530mm(擴(kuò)孔段為90mm)的長(zhǎng)筒薄壁形制件,其報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)是直徑磨損超過(guò)0.4mm。采用無(wú)壓浸漬焊接工藝,研制出碳化鎢胎體式表鑲Φ3×5mm(出刃高度0.5~0.6mm)PCD擴(kuò)孔器。全井共使用99只擴(kuò)孔器,其中正常使用的64只擴(kuò)孔器,平均使用時(shí)間74.1h/只,單只最長(zhǎng)使用時(shí)間251.35h,滿足了該井取心鉆進(jìn)的需要,有助于進(jìn)一步提高與完善我國(guó)石油地質(zhì)鉆探領(lǐng)域深井硬巖大直徑取心鉆進(jìn)技術(shù)。
三、超硬材料研制
20世紀(jì)70年代是我國(guó)超硬材料行業(yè)快速發(fā)展的時(shí)期,PCD刮刀鉆頭在勝利油田勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮的重要作用,使油田對(duì)研制、生產(chǎn)超硬材料予以重視。1976年9月,勝利油田會(huì)戰(zhàn)指揮部決定由當(dāng)時(shí)的石油勘探開(kāi)發(fā)研究所負(fù)責(zé)籌建人造金剛石生產(chǎn)作業(yè)線。在鄭州磨料磨具磨削研究所的無(wú)私大力支援下,邊籌建邊派人赴鄭州實(shí)地學(xué)習(xí)金剛石制造工藝技術(shù)。1977年4月試制出人造金剛石和聚晶產(chǎn)品,同時(shí)結(jié)合鉆頭的使用情況及國(guó)內(nèi)外超硬材料研制方面的新動(dòng)態(tài),開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)研究工作。
1、圓柱狀復(fù)合聚晶人造金剛石
1979年1月,為解決圓柱形PCD在刮刀鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中過(guò)早脫落的問(wèn)題,在分析其原因主要是PCD(基本上無(wú)可焊性)與孕鑲塊胎體仍屬機(jī)械結(jié)合形式的基礎(chǔ)上,試驗(yàn)研制有關(guān)金屬及其合金與金剛石在高溫高壓下成鍵結(jié)合的可能性,確定了能與金剛石復(fù)合的硬質(zhì)合金粉料配方,利用人造金剛石聚晶合成過(guò)程,同時(shí)在PCD外圓復(fù)合一層硬質(zhì)合金,合成出圓柱狀復(fù)合聚晶人造金剛石,這是聚晶復(fù)合體的一次創(chuàng)新,屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。它增強(qiáng)了PCD在鉆頭上的耐沖擊性,并可直接鑲焊于鉆頭體上,省去了孕鑲塊的制造工序,有利于提高鉆頭的使用效果。1981年3月,該成果獲勝利油田科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
2、含硼人造金剛石聚晶
1978年,利用自產(chǎn)的耐高溫含硼金剛石,研制出含硼聚晶產(chǎn)品用于鉆頭制造,有利于提高鉆頭使用效果,該成果于1979年4月獲勝利油田科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
3、Φ6×10mm人造金剛石聚晶
1980年研制出Φ6×10mm人造金剛石聚晶新產(chǎn)品,提高了金剛石聚晶的生產(chǎn)率,減少了在鉆頭上應(yīng)用時(shí)兩粒聚晶間的連接縫隙,有利于發(fā)揮聚晶效力。
4、SL-4型人造金剛石聚晶
1981年開(kāi)始,通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研制出合成金剛石聚晶用鈦—硅—硼新結(jié)合劑,取代國(guó)內(nèi)常用的鎳、硅結(jié)合劑,研制成功SL-4型人造金剛石聚晶。1983年11月該成果通過(guò)勝利油田科委組織的有關(guān)專家鑒定,1985年獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
5、三角形人造金剛石聚晶
1986年12月研制成功三角形人造金剛石聚晶,被大量用于鉆頭制造見(jiàn)到了較好的使用效果,1987年8月該成果通過(guò)勝利油田科委組織的技術(shù)鑒定。1990年獲國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
6、PDC復(fù)合片
為適應(yīng)國(guó)內(nèi)研制和推廣應(yīng)用PDC鉆頭的需要,1986年研制出不同規(guī)格的PDC復(fù)合片。
7、TSP聚晶系列產(chǎn)品和大聚晶
1987年~1990年研制出TSP(耐熱)金剛石聚晶系列產(chǎn)品,共有6個(gè)品種、12種規(guī)格的異形聚晶,半圓楔形、五邊形和Φ10×3mm片式聚晶用于鉆頭制造,均有較好的使用效果。方形聚晶有小批量出口。1989年在國(guó)內(nèi)率先研制出Φ13.3×10mm和Φ13.3×12×90o、Φ13.3×3.8mm大聚晶。
四、深切感受
1975年本人有幸參與“78型人造金剛石聚晶刮刀鉆頭研制”課題,并一直從事石油鉆頭的研制工作。親身感受到我國(guó)超硬材料工業(yè)快速發(fā)展以及在石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用的明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。Φ6×6mm人造金剛石聚晶在研制75型、78型刮刀鉆頭上的成功應(yīng)用,是超硬材料被推廣用于石油鉆頭制作的一個(gè)里程碑式的新突破。2011中國(guó)(鄭州)國(guó)際磨料磨具磨削展覽會(huì)上琳瑯滿目的超硬材料及其制品,讓人驚羨不已。超硬材料企業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈造成的優(yōu)勝劣汰,使東營(yíng)地區(qū)原有的5家金剛石廠僅存2家堅(jiān)持生產(chǎn)。同時(shí)也看到當(dāng)油田鉆井遇到難以鉆進(jìn)的地層時(shí),引進(jìn)國(guó)外鉆頭或PDC片自制鉆頭的情況。我院鉆頭生產(chǎn)每年進(jìn)口的PDC片占使用總量的1/4左右。用105元購(gòu)一粒進(jìn)口的三角形PCD與用4~5元/粒的國(guó)產(chǎn)三角形PCD進(jìn)行磨耗比對(duì)比檢測(cè)試驗(yàn),當(dāng)國(guó)產(chǎn)三角形PCD被磨至與砂輪接觸面較大時(shí)就出現(xiàn)受熱發(fā)紅現(xiàn)象,進(jìn)口產(chǎn)品未見(jiàn)此類情況,可見(jiàn)二種產(chǎn)品自銳性的差別,使國(guó)產(chǎn)三角形PCD難以發(fā)揮期剪切破巖效能,只能用于一般地層鉆頭的制造。研制性能優(yōu)異的PCD和PDC產(chǎn)品仍是超硬材料行業(yè)應(yīng)盡快認(rèn)真研究的問(wèn)題。(節(jié)選自《中國(guó)超硬材料工業(yè)五十年》)