1963年12月6日，中國(guó)研制出第一顆人造金剛石。50年來(lái)，我國(guó)超硬材料行業(yè)在科研、生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域的共同努力和相互促進(jìn)下得到快速發(fā)展，早已成為超硬材料生產(chǎn)大國(guó)。從20世紀(jì)70年代僅有單一的圓柱形PCD，發(fā)展到現(xiàn)有的PCD、PDC、CBN、PCBN、PDCBN及納米金剛石、CVD金剛石、粗顆粒高強(qiáng)度金剛石等多品種多系列產(chǎn)品。產(chǎn)品性能可適應(yīng)使用需求，有的已接近國(guó)際先進(jìn)水平，被廣泛應(yīng)用于鋸切工具、石材工具、精密磨具、切削刀具、石油地質(zhì)鉆頭等領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。勝利油田及所在的東營(yíng)地區(qū)先后有5家金剛石廠和7家金剛石鉆頭廠。本文主要概述勝利油田鉆井工藝研究院在超硬材料及其制品的研制和應(yīng)用情況，以表對(duì)中國(guó)人造金剛石問(wèn)世50周年的慶賀之意。

　　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》）