1963年12月6日，中國研制出第一顆人造金剛石。50年來，我國超硬材料行業(yè)在科研、生產(chǎn)及應用領(lǐng)域的共同努力和相互促進下得到快速發(fā)展，早已成為超硬材料生產(chǎn)大國。從20世紀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、粗顆粒高強度金剛石等多品種多系列產(chǎn)品。產(chǎn)品性能可適應使用需求，有的已接近國際先進水平，被廣泛應用于鋸切工具、石材工具、精密磨具、切削刀具、石油地質(zhì)鉆頭等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟的快速發(fā)展做出了重要貢獻。勝利油田及所在的東營地區(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用情況，以表對中國人造金剛石問世50周年的慶賀之意。

　　一、金剛石鉆頭研制及應用

　　1、PCD三刮刀鉆頭

　　勝利油田會戰(zhàn)初期，針對該油區(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，由于硬質(zhì)合金耐磨性較低，只能用于1500m以淺井段。當時的國產(chǎn)牙輪鉆頭因軸承質(zhì)量問題，單只進尺只有150～200m，且時效較低。解決刮刀鉆頭打1500m以深井段成為當時較迫切的問題。1973年，勝利油田石油勘探開發(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，在還原氣氛下進行整體焊接。試制的Φ216mm三刮刀鉆頭于1974年7月在3252鉆井隊辛123井試用，取得單只鉆頭一次下井進尺2260.64m，機械鉆速42.77m/h的較好使用效果。1975年又取得單只鉆頭一次下井進尺2412.30m的新成效，達到了勝利油田提出的一只金剛石刮刀鉆頭一次下井進尺2300~2500m的課題指標要求。1975年8月，得到石油工業(yè)部與第一機械工業(yè)部相關(guān)單位組織的課題鑒定會的好評，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。為進一步提高鉆頭的使用效果，1975年雙方又簽訂了開展“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)；采用加長的25SiMnMoV新鋼種（原用35CrMo）刀片并增加孕鑲塊的鑲裝密度。為適應高壓噴射鉆進的需要，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鉆井隊在勝利油田郝家、永安鎮(zhèn)、東辛等地區(qū)進行現(xiàn)場試驗，分別取得單只鉆頭一次下井進尺2611.85m、2777.69m和2858.56m的使用效果，接連三次刷新該鉆頭單只進尺的全國最高紀錄。1978年10月12日，該課題通過石油工業(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)，同年獲全國科學大會獎。1979年2月，一只78型刮刀鉆頭在32694鉆井隊施工的新義11-1井一次下井進尺2901.17m，再創(chuàng)該鉆頭單只進尺的全國最高紀錄。1979年3月，在3239鉆井隊施工的利22井，使用一只Φ216mm78型刮刀鉆頭一次下井進尺3018.0m，首創(chuàng)該類鉆頭單只進尺的世界最高紀錄；同年5月，在32693鉆井隊施工的利11井，一只Φ216mm78型刮刀鉆頭一次下井進尺3135.78m，再創(chuàng)該類鉆頭單只進尺的世界最高紀錄。1979年該鉆頭獲國家發(fā)明二等獎。但由于刮刀鉆頭在鉆進中扭矩較大（與牙輪鉆頭相比）、易蹩鉆、易井斜、易損傷鉆具和設(shè)備，對司鉆的技術(shù)要求較高。在油田逐漸進入正?？碧介_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油田不同地層鉆進的需要。

　　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現(xiàn)場需要。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，首次應用整體無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，平均單只進尺7.5m，平均機械鉆速0.31m/h，單只最高進尺12.28m，達到國內(nèi)同類鉆頭的先進水平。該鉆頭于1985年2月通過勝利油田科委鑒定，于1986年獲勝利油田科技進步二等獎，開拓了應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，平均單只進尺68.09m，平均機械鉆速0.89m/h，單只最高進尺200.94m，達到國內(nèi)同類鉆頭的先進水平，并創(chuàng)國內(nèi)中到中硬地層取心鉆頭單只進尺的最高紀錄。該鉆頭于1988年6月通過勝利油田科委鑒定，1990年獲勝利油田科技成果二等獎。

　　4、三角聚晶金剛石取心鉆頭

　　美國克里斯坦森公司于20世紀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更為有利，為提高勝利油田砂泥巖地層的取心效果，1986年開展了“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，平均單只進尺47.8m，平均機械鉆速1.27m/h，單只最高進尺115.71m，達到國內(nèi)同類鉆頭的先進水平，創(chuàng)國內(nèi)同類鉆頭單只進尺的最高紀錄。該課題于1989年12月通過勝利油田科委鑒定，1993年12月獲中國石油天然氣總公司科技進步三等獎。

　　5、復合型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，減少三角形PCD在鉆進中易碎斷的弊端，1995年又研制成功復合形PCD（圓柱形1/3+三角形2/3）取心鉆頭并投產(chǎn)應用至今，取代了單一的三角形PCD鉆頭。該鉆頭于2003年被授權(quán)國家實用新型專利（專利號：ZL 02 2 14357.2）。

　　6、PDC鉆頭

　　美國GE公司于20世紀70年代研制出金剛石硬質(zhì)合金復合片（PDC）并用于石油鉆頭制造。國內(nèi)各油田于20世紀80年代開始引進使用該鉆頭，在軟至中硬地層鉆進見到明顯優(yōu)于其它類型鉆頭的使用效果。1985年我院開展了鋼體式PDC鉆頭的研制課題。與航空工業(yè)部703所協(xié)作利用真空擴散焊解決了PDC復合片與硬質(zhì)合金齒柱的焊接問題；采用過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全面鉆進鉆頭和取心鉆頭。試制的12只Φ215mm全面鉆進鉆頭，在2121~3581m東營至沙三段地層，平均單只進尺752.13m，平均機械鉆速5.58m/h。1987年10月在孤南134井單只鉆頭一次下井進尺1124.59m，機械鉆速5.16m/h，創(chuàng)國產(chǎn)PDC鉆頭單只進尺的最高紀錄。1988年7月，PDC-Z1-215型全面鉆進鉆頭通過石油工業(yè)部鑒定，1990年10月獲中國石油天然氣總公司科技進步三等獎。PDC-Z型取心鉆頭的使用效果也達到國內(nèi)同類鉆頭的先進水平，1988年6月通過勝利油田科委鑒定，1989年6月獲勝利科技進步二等獎。碳化鎢胎體式PDC全面鉆進鉆頭和取心鉆頭也相繼研制成功。

　　由于國內(nèi)超硬材料行業(yè)對PDC復合片的研制及生產(chǎn)比較重視，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，使PDC鉆頭的應用面不斷擴大，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合超硬材料有限公司提供的PDC片生產(chǎn)鉆頭。2001年以來，產(chǎn)量逐年提高，近幾年達到了年產(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研磨性地層，大多采用表鑲天然金剛石鉆頭，也引進少量國外孕鑲金剛石鉆頭試用，鉆進成本大大提高。隨著國內(nèi)高強度人造金剛石單晶的大量產(chǎn)出，為研制國產(chǎn)孕鑲金剛石鉆頭提供了有利條件。2001年我院應邀為中國大陸科學鉆探工程科鉆一井提供鉆頭試用，利用國產(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，單只進尺3.34m（約一筒取心量），機械鉆速1.63m/h，得到施工現(xiàn)場認可。

　　在國家“穩(wěn)定東部，開發(fā)西部”的能源戰(zhàn)略布署下，油田鉆井隊伍逐步轉(zhuǎn)向四川、新疆等地。現(xiàn)有的PCD、PDC鉆頭在較深井段硬而強研磨性地層鉆進難度較大。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1萬元/m）。為提高西部鉆井的技術(shù)經(jīng)濟效益，研制孕鑲金剛石鉆頭和渦輪鉆具勢在必行。2006年使用南陽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）頁巖井段鉆進中，單只一次下井進尺72.75m，機械鉆速0.78m/h，達到了預期的使用效果。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，單只一次下井進尺64m，機械鉆速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a(chǎn)人造金剛石可適應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復合片鑲焊出的扶正器、擴孔器和垂鉆配件耐磨片均可滿足使用要求。

　　中國大陸科學鉆探工程科鉆一井，要求在高硬度強研磨性的結(jié)晶巖中完成Φ157mm、深度達5000m的連續(xù)取心，鉆遇地層巖石可鉆性級值多為8~9，少量達10以上。鉆進過程中鉆頭直徑磨損不可避免，如果在鉆頭外徑磨損較嚴重的情況下繼續(xù)鉆進，將造成大段井眼縮徑，使新鉆頭難以下至井底，必須進行劃眼（擴孔），如果操作不當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孔器（直徑較鉆頭大0.3mm，上部擴孔器主要起穩(wěn)定作用），當鉆頭外徑有明顯磨損時，其上部的擴孔器將起到擴孔作用，此時鉆速明顯下降，應盡快起鉆，更換新鉆頭。2001年本院受邀為該井提供擴孔器試用。擴孔器的規(guī)格為Φ157.3×Φ116×530mm（擴孔段為90mm）的長筒薄壁形制件，其報廢標準是直徑磨損超過0.4mm。采用無壓浸漬焊接工藝，研制出碳化鎢胎體式表鑲Φ3×5mm（出刃高度0.5~0.6mm）PCD擴孔器。全井共使用99只擴孔器，其中正常使用的64只擴孔器，平均使用時間74.1h/只，單只最長使用時間251.35h，滿足了該井取心鉆進的需要，有助于進一步提高與完善我國石油地質(zhì)鉆探領(lǐng)域深井硬巖大直徑取心鉆進技術(shù)。

　　三、超硬材料研制

　　20世紀70年代是我國超硬材料行業(yè)快速發(fā)展的時期，PCD刮刀鉆頭在勝利油田勘探開發(fā)中發(fā)揮的重要作用，使油田對研制、生產(chǎn)超硬材料予以重視。1976年9月，勝利油田會戰(zhàn)指揮部決定由當時的石油勘探開發(fā)研究所負責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私大力支援下，邊籌建邊派人赴鄭州實地學習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，同時結(jié)合鉆頭的使用情況及國內(nèi)外超硬材料研制方面的新動態(tài)，開展相應的試驗研究工作。

　　1、圓柱狀復合聚晶人造金剛石

　　1979年1月，為解決圓柱形PCD在刮刀鉆頭鉆進過程中過早脫落的問題，在分析其原因主要是PCD（基本上無可焊性）與孕鑲塊胎體仍屬機械結(jié)合形式的基礎(chǔ)上，試驗研制有關(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合的硬質(zhì)合金粉料配方，利用人造金剛石聚晶合成過程，同時在PCD外圓復合一層硬質(zhì)合金，合成出圓柱狀復合聚晶人造金剛石，這是聚晶復合體的一次創(chuàng)新，屬國內(nèi)首創(chuàng)。它增強了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步三等獎。

　　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步三等獎。

　　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，減少了在鉆頭上應用時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年開始，通過反復試驗研制出合成金剛石聚晶用鈦—硅—硼新結(jié)合劑，取代國內(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月該成果通過勝利油田科委組織的有關(guān)專家鑒定，1985年獲國家科技進步三等獎。

　　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到了較好的使用效果，1987年8月該成果通過勝利油田科委組織的技術(shù)鑒定。1990年獲國家科技進步三等獎。

　　6、PDC復合片

　　為適應國內(nèi)研制和推廣應用PDC鉆頭的需要，1986年研制出不同規(guī)格的PDC復合片。

　　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。親身感受到我國超硬材料工業(yè)快速發(fā)展以及在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域中應用的明顯技術(shù)經(jīng)濟效益。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用，是超硬材料被推廣用于石油鉆頭制作的一個里程碑式的新突破。2011中國（鄭州）國際磨料磨具磨削展覽會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)品市場競爭的激烈造成的優(yōu)勝劣汰，使東營地區(qū)原有的5家金剛石廠僅存2家堅持生產(chǎn)。同時也看到當油田鉆井遇到難以鉆進的地層時，引進國外鉆頭或PDC片自制鉆頭的情況。我院鉆頭生產(chǎn)每年進口的PDC片占使用總量的1/4左右。用105元購一粒進口的三角形PCD與用4~5元/粒的國產(chǎn)三角形PCD進行磨耗比對比檢測試驗，當國產(chǎn)三角形PCD被磨至與砂輪接觸面較大時就出現(xiàn)受熱發(fā)紅現(xiàn)象，進口產(chǎn)品未見此類情況，可見二種產(chǎn)品自銳性的差別，使國產(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)應盡快認真研究的問題。（節(jié)選自《中國超硬材料工業(yè)五十年》）