【doc】钻井工程用超硬材料及钻头的发展

【doc】钻井 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 用超硬材料及钻头的发展 钻井工程用超硬材料及钻头的发展 第34卷第2期 1998年3月 地质与t'舅l GEOLOGYANDPROSPE(rING ?.34No.2 March.1998 一T/JlJ钻井工程用超硬材料及钻头的发展 堡堡垫孙友宏 (长春科技大学?长春?130026) ,}? 成并2-程,f刮囊关键词皇堕丛发展应用千r住,墨f』 美国WC.Maurea等人 1990年统计指出,在深井施工 中,大约有7O%的时间花费在 岩土工程钻进和起下钻过程中,所以钻 头质量好坏,在钻孔施工中显得尤为重要,因 此研制高效,长寿命的切削具及钻头,一直是 钻井工作者所追求的永恒主 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 半个世纪以来,钻井工程的发展与金刚 石超硬材料及钻头的发展密切相关.5O年 代人造金刚石的合成及后来人造金刚石钻头 的应用,使得钻井成本大幅度降低;70年代 初期聚晶金刚石(PCD)的兴起及应用.大大 提高了钻进效率,并在7O年代中期广泛地应 用于软一中硬地层;80年代热稳定聚晶金刚 石超硬材料及钻头的发展,使得在硬地层中 钻进成为可能. 目前,立方氮化硼单晶(CBN)及聚晶 (P(mN)在钻井工程中的应用已开始引起人 们的重视;金刚石薄膜合成技术的发展.已能 满足钻井工程中制造钻头切削具的需要(厚 度已达2ram,耐磨性不低于天然金刚石);近 年来精密陶瓷技术的进步,使得部分钻头已 开始使用陶瓷散为切削具.这些新技术,新 方法和新材料的应用和推广,必将推动钻井 工程的快速发展. 本文1997年7月收到,王梅编辑. 50 l金刚石超硬复台钻头 钻井工程中应用最为广泛的是金刚石单 晶及其复合材料.目前在该领域应用的金刚 石复合材料可以分为:聚晶金刚石复合片 (PDC),金刚石复合烧结体和热稳定聚晶. 西方在1972年前后开始将复合片Compax 和Syndite应用于钻井工程,I976年又开始 使用Stratapax和Syndnll,而前苏联差不多 也在同时开始使用金刚石与硬质合金混合烧 结体斯拉乌季契(cJIAByTPIq);80年代初 期,西方和前苏联相继推出了Ge06et,Syn. dax3和CBC一?等热稳定聚晶金刚石复合 材料. 我国从1969年开始研究聚晶金刚石, 1972年研制成功JRSN多晶金刚石(以, Ni做为结合剂合成的PCD),应用于地质钻 探,取得了很好的效果.80年代以来,郑州 三磨所,上海硅酸盐研究所,六砂,地矿部探 矿工程研究所和北京钻探工具厂等单位,也 先后研制出聚晶金刚石及复合片,并大批量 生产. l1聚晶佥刚石复合材料 聚晶金刚石复合材料一般由两部分组 成:聚晶金刚石和硬质合金基体,采用高温高 压(HTHP)工艺合成.这里硬质合金的作用 有两点:一是提高材料的抗冲击韧性;二是在 第2期马保松:钻井工程用超硬材料及钻头的发展 钻头的制造和钻进过程中,起到保护聚晶金 刚石的作用. 在常压下,聚晶部分的热稳定性很差(仅 为700?左右),这主要是起粘结和触媒作用 的Co元素造成的.Co元素不仅造成聚晶金 刚石的石墨化,而且由于Co或Co的化合物 的热膨胀系数和金刚石的热膨胀系数相差很 大,聚晶层极易受热损伤,除了Co元素的影 响外,聚晶金刚石和硬质合金热膨胀系数的 不同,也易造成聚晶金刚石从硬质合金基体 上脱落,造成切削具失效.为了克服上述不 利因素,聚晶金刚石复合材料可以做成各种 不同的结构.图l,2给出了两种典型的改善 聚晶金刚石复合材料性能的结构.图1是采用复合过渡层技术研制成功的聚晶金刚石加 强拄齿,它在保持传统PDC高耐磨性的前提 下,具有更高的抗冲击韧性.该强化柱齿每 层中金刚石的含量各不相同,依次递减.该 强化柱齿经过相同于烧结聚晶金刚石的高温 高压处理,在金刚石之间形成晶界键接,在 PcD与预烧WC/Co颗粒间微小区域形成 化学键.该强化柱齿用于牙轮钻头和潜孔锤 钻头,取得了很好的效果.图2也是在高温 高压条件下台成的聚晶金刚石(或CBN)复 合材料,其特点是金刚石层可以用CBN或金 刚石与CBN的混合物代替,具有多相结构, 圈1盒剐石加强柱齿 中间设有?一相区,提高了材料的抗冲击韧 性. 1.2金刚石复合烧结体 金刚石复合烧结悼与聚晶金刚石的区别 在于:金刚石烧结体中金刚石的含量相对较 低,聚晶不是单一的金刚石之间的聚晶,有的 烧结体中金刚石问甚至不形成聚晶,金刚石 叠雕石或(I 慨诂烧钴WC 高诂烧锖WC n一相区 烧锖WC 图2新型聚晶金刚石加强镶嵌体 仅为增硬加强材料.这类超硬材料以前苏联 的斯拉乌季契最具有代表性,它的制造方法 是采用无压高温烧结法,将金刚石颗粒和硬 质合金基粉料均匀混合后置人硬质合金粉料 形成的外壳内,压制成型,然后在保护气氛下 经高温无压烧结而成,由于外壳的收缩系数 较大,压缩了其内部的烧结料,有利于烧结体 密宴,该外壳的成分为硬质合金,便于制造钻 头时镶焊.与太颗粒天然金刚石相比,斯拉 乌季契具有一系列的优越性:?耐磨性不亚 于大颗粒天然金刚石;?强度太大超过了太 颗粒天然金刚石;?斯拉乌季契可以制成任 何形状和尺寸;?成本比太颗粒天然金剐石 低得多.斯拉乌季契的这种较高的使用性 能,促进了其在工业上的广泛应用,大量用来 制造碎岩工具.早在1982年,前苏联就有 50%的钻探工作量使用了斯拉乌季契. 由于斯拉乌季契仍是以钴为粘结剂,存 在着热膨胀系数和石墨化问题,从而在制造 钻头和钻进岩石的过程中产生高温易使其性 能下降. 日本利用WC/Co和金刚石在液体中的 沉淀速度不同,在一端形成高密度的盒刚石, 一 端形成高密度的WC/Co层,中段的成分 51 地质与勘探1998正 是渐变的,这样烧结形成的烧结体,其富含 WC/Co的一端可以直接焊到基柱上. 我国地矿部门也研制成功了用于钻井工 程的人造金刚石烧结复合体SDC,WHJ和勘 探奈特等.SDC是一种以硬质合金为基体, 以人造金刚石单晶为增硬材料的超硬烧结复 合体,它是采用常规烧结设备,利用活化热压 法烧结而成,具有优良的综合机械性能和较 高的热稳定性.SDC钻头与常规硬质合金 钻头相比,寿命可提高3,9倍,钻进速度可 提高5%,5O%,钻头成本可降低3O%, 15096.勘探奈特通常为园片状,也可制成其 它形状.其中间是金刚石层,厚度为4rD.m , 6.5mm,两端面分别是焊接层和保护层, 厚度分别为0.25rD.m和0.15mm,其周围一 佣也可有0.15mrD.厚的焊接层;金刚石为人 造金刚石单晶或与热稳定金刚石组成的复合 材料.勘探奈特钻头既能钻进软硬互层,又 能钻进坚硬地层,寿命长,钻速高,适应性强, 在坚硬,弱研磨性地层中钻进仍能保持恒定 钻速,能显着降低钻井成本. 1.3热稳定性聚晶佥刚石 所谓热稳定性聚晶金剐石,就是指在高 温(1200?)下能保持原有物理机械性能的聚 晶金刚石,它不需要硬质合金做衬底,它与复 合片上的聚晶不同点在于不是采用钴而是用 低熔点的硅合金(如svndax3)或者不用任何 粘结剂在超高温,高压下直接结合(如 Geoset),并且只用微米级的单晶金刚石而不 用石墨粉.由于采用了硅合金做粘结剂或者 不用结合剂,大大提高了金刚石的临界石墨 化温度,并且硅的碳化物与金刚石的热性能 (包括膨胀系数)更为一致,提高了聚晶金刚 石的性能,热稳定聚晶金刚石可以直接镶焊 到钻头胎体上.还有一种热稳定聚晶金刚石 是用酸浸析出聚晶金刚石中活泼的金属粘结 相,从而减少了金刚石向石墨转化的触媒作 用,提高了聚晶金刚石的热稳定性.表l列 出了天然金刚石,檗晶金刚石复合片(Syn. dril1),热稳定性聚晶(Syndax3)和PCBN的 性能比较. 由于热稳定聚晶金刚石的出现,使得 PCD钻头钻进岩层的范围从软一中硬地层 扩大到中硬一硬研磨性地层,特别是在含软 表1天然佥刚石,SyndriLI,Syndax3,PCBN的性能比较 密度抗压强度断裂韧性努氏硬度扬氏接量热膨胀系数导熟事 'cm一3GPaNiPa,m1GPaGPB1O一K_.Wm—tK—I研磨系数 SdrilI3.997.619.80508104.67603.97 Syadax33424.196.89509253.B1202.99 天拣盒尉石3528.6834057,1041141l5,48500,2O00214,549 PCBN3l238010O2B680491002.O1 硬夹层的地层中钻进,取得了很好的效果. 2陶瓷钻头 陶瓷材料是一种新型工具材料,可分为 氧化物陶瓷,氧化物一金属陶瓷,氧化物一碳 化物陶瓷,氧化物一碳化物一金属陶瓷,氮化 硅陶瓷和SIALON陶瓷等.陶瓷具有较高 的硬度(高于硬质合金),抗压强度与硬质合 金相当,但其高温硬度和抗压强度较高,另 外,陶瓷还具有较高的化学稳定性,是工具材 52 料中最耐腐蚀的一种.但是由于陶瓷是脆性 材料,其抗冲击韧性很差. 近年来由于精密陶瓷技术和纳米技术的 进步,大大改善了陶瓷的性能,各种高性能的 陶瓷已应用于各个领域,部分钻头也开始使 用陶瓷. 陶瓷钻头在钻进中硬一硬岩层时,寿命 是硬质舍金的几倍,不需频繁更换,因而能够 减少起下钻次数,提高纯钻进时间;对于硬质 合金钻头不能钻进的极硬岩层,陶瓷钻头也 第2期马保松:钻井工程用超硬材料及钻头的发展 能有效地钻进.由于钻头寿命长,大大降低 了钻井成本,但是由于陶瓷脆性较大,其端部 易损坏,然而使用新开发出来的韧性陶瓷做 钻头,陶瓷的上述优点就丧失了,其特性和硬 质台金钻头相同.为了克服上述缺陷,日本 研制成了耐振动抗冲击的陶瓷钻头(图3). 图3陶瓷钻头 该陶瓷钻头的制造方法是:?将针状陶 瓷插入钢体中事先加工好的固定孔内,将钢 体放人粉末成型模中;?从钻头唇面7向胎 体都分充填粉末;?在常温下将胎体加压成 型;?对钻头进行精加工;?将成型,精加工 好的钻头放入高压容器内进行高温高压处 理,胎体被加压烧结. 3金刚石膜切削具 随着金刚石膜(DiMilm)合成技术的发 展,制造大片的厚度达2mm的金刚石膜已成 为现实.并且已大量投放市场.这种新材料 的特性主要表现在:?具有良好的均匀磨损 机制:?优越的硬度和耐磨性:?良好的导热 性;?高温下钻进效果好;?易与其它材料形 成层状结构. 金刚石膜切削具结构如图4,这种用金 刚石膜,热稳定性聚晶(TSP),聚晶金刚石 (PCD)和WC/Co硬质台金制成的多层复合 切削具.为 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 钻头提供了以下功效:?在硬 而裂隙发育的岩层中钻进能抗冲击载荷;? 可进行抗热设计以限制切削具刃都温升;? 分层组装的几何造型使金刚石膜处于受压状 态;?可用计算机模拟法具体研究钻头外形 参数. 石 图4金刚石膜切削具设计 每一种新型金刚石制品的出现,都会对 设计和开发新式钻头做出贡献,CVD金刚石 膜也不例外,金刚石膜切削具在不久的将来, 将做为全新设计概念的切削具得到应用.其 结构将是层状的或成层的复合式结构. 4CBN为基的复合材料及钻头 立方氮化硼(CBN)自1957年问世以来, 以其优异的性能显示出巨大的生命力,在世 界上普遍为工业发达国家所重视,发展十分 迅速.和金刚石相比,CBN除具有高硬度, 高耐磨性,低摩擦系数等特性外.还有比金刚 石优越的化学惰性和较高的热稳定性 (1300?,1400?),特别是对铁族金属材料 呈化学惰性. 目前,这类材料绝大部分仍用在机械加 工切削上,前苏联对它应用于地质钻探做了 一 些试验,如一种称为埃利鲍尔(~9JI%BOP) 的CBN基复合材料.其强度和热稳定性可与 天然金刚石相比.硬度虽不及天然金刚石的 80%,但大大高于硬质台金,以其为切削具制 造的PK3型钻头,在可钻性为5.3级的岩层 中钻进,机械钻速可达到2.9m/h. 53 地质与勘探1998芷 前苏联白俄罗斯科学院固体物理与半导 体研究所研制的布拉尼特(BypamiT)立方氮 化硼聚晶(P(=BN),其制造与一般的PCBN 制造方法不而,为改善其物理机械性能,原料 中加人了在空气中稳定并能括化mN— CBN转化的添加剂,从而保证了PCBN的细 粒结构.该Pa硬度为1OGPa,抗压强度 却3(a,空气中的热稳定为10O0?,尺寸 为045.51TIrll柱悼用该PCBN制造 的钻头,在孔深1.2m,可钻性为V,?级的 岩层中钻进,其寿命比天然金刚石钻头提高 72%,钻进速度提高25%. 4结论 根据本文阐述的内容,可以得出以下几 点结论: (1)超硬复合材料的出现大大推动了钻 井技术的发展.聚晶金刚石钻头和孔底马 达,随钻测量并称为石油,天然气钻井的三大 技术.日前已开始应用在矿山和固体矿床勘 探中; (2)热稳定聚晶是聚晶金刚石复合材料 出现以来的又一次飞跃,使聚晶金刚石在硬 岩钻进中的应用成为可能,特别是对地质勘 探钻进具有重要意义; (3)CBN及PCBN钻头的初步试用,显 示出了这类钻头的优越性,特剐是在钻进铁 族元素矿床时.具有不可替代的作用: (4)新型抗冲击陶瓷钻头的出现.为陶 瓷钻头的进一步推,使用打下了基础; (5)金刚石膜合成技术的发展,使其在 钻井工程中的应用成为可能. 参考文献 1USP5217081TootsforCuttingRockDriLling 2张链臣,等立占氧化硼吉林大学出版社1993 3庞譬萍泽陶瓷钻头及其制造方法探矿工程译丛, 1993.4 4刘r志泽用鞋状盎刚石睦如削具设汁钻头新概急摄 矿r程泽1997,1 5地部情}叵研究所编聚晶盘刚村蚪驶钻*外谍 矿I程情报.19863,4 6DeBeeralr~dustrinlD~amcmdDivisionProductlnfo~ation I,eat'let—S?AX3 DEVEL0MENT0DRILLINGULTRAHARDMATERIALANDITSB? MaBac~ong,Zhan~Zupei,SunYouhong Thedeve~opmt.ntofdrillingdtrahardmaterial~(includingPDC,PCBN,ceramicanddiamo ndmrn)andthemantd:acturingand ?plic自d?.ftheirbltsweD8introduced.Baaedttpotttheirapzo~ememofdiamondf 【msyttthetirtechnologytitp?p0sedthatit ispossibletomakedrillingcuttel"usingdiamondfilm Ke.v_埘-血ultrBhardmateria1.bitdevdotmmeat.叩eati~ 第一作者简介- 马保松男,1968年生.1992年毕业于长春科技大学赫寨工程秉赫寨工程专业,1995 卓在长春科技大学赫工系获硕士学位.现任长春科技大学赫工系讲师,在职攻读挺矿工程 专业博士学位,主要从事赫工专业科研和教学工作. 通讯地址:吉林省长春市西民主走街6号长春科技大学勘寨工程系邮政鳙码: 130026