钻采业用复合片(PDC)和聚晶(PCD)的最新进展

金刚石复合片(PDC)和聚晶(PCD)是金刚石产品的重要分支。在分析国内外资料基础上,提出提高其产品质量的主要方法,采取各种措施完善PDC性能,探讨了提高钻采业用复合材料工具(PDC、PCD、DEI、TSP)质量的有效途径及前景。     

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1000℃升高到1500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。      

热损伤聚晶金刚石的耐磨性试验研究

聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)是由粒度为微米级(0.5～1.0μm)的金刚石颗粒与Si、Co、Ni等金属粉末均匀混合后,在超高压高温条件下烧结而成的一种超硬材料.现在PCD在我国的地质勘探、油气钻井以及机械加工等许多领域得到了广泛应用[1-3].PCD的耐磨性、热稳定性是衡量PCD质量的主要指标.对于这些主要性能指标,国内外学者已进行了大量的研究[4-5].     

硬岩钻进用石油钻头研究现状及发展趋势

能源与矿产的持续安全供给是经济快速增长的保证,而中硬岩层钻进一直限制着油气钻井向深部发展。针对硬岩地层钻进,地质行业主要采用金刚石钻头钻进,而油气钻井行业除按传统方法采用牙轮钻头和金刚石钻头钻进之外,也逐渐开展了PDC钻头钻进硬岩的研究。本文分别介绍了牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头在油气勘探硬岩钻进中的应用研究现状。其中,牙轮钻头研究主要集中在增强轴承密封性能、改进布齿结构和提高切削齿强度三个方面,而金刚石钻头研究则集中在碎岩机理、金刚石参数和胎体性能,以及钻头结构三个方面。提出了三类钻头的研究方向和发展趋势,为硬岩钻探技术发展提供参考。     

日本PDC全面钻头的研究

一、概要过去，对PDC（金刚石复合片）钻头的评价是“钻进均质中硬岩具有优异的钻进性能，对于降低钻探成本做出了巨大贡献，但是由于强度原因不能钻进非均质硬岩”。于此情况下，日本有关厂家开发出高温、硬岩钻进用新型PDC。作为“阳光计划”的一环，日本资源环境技术综合研究所着手研制镶焊新型PDC的地热钻头。     

金刚石压腔(DAC)实验技术

金刚石压腔实验技术自20世纪50年代发明以来就被广泛应用于高压领域的研究,特别是近年来,随着温度、压力标定技术及各种测试方法的发展,现在已经被广泛应用于物理、化学、地球科学和生物学研究领域。文章通过Mao Bell压腔说明金刚石压腔实验装置的结构及原理。此外,根据温度和压力测定原理,将金刚石压腔的加热装置分为外加热和激光加热,并将压力测量方法划分为三种:(1)矿物谱学压力测定;(2)状态方程压力测量;(3)矿物相变法压力标定。     

锥形聚晶金刚石复合片和可旋转切削齿技术简介

PDC钻头有着较高的钻进效率,一直受到客户们的青睐,但它受所钻地层、孔深和温度等因素的制约,使得钻头切削齿寿命较低。最近几年,国内外专家针对如何提高切削齿性能开展了诸多研究,并取得了不少成绩。主要介绍了美国史密斯钻头的2项最新PDC切削齿技术——锥形聚晶金刚石复合片和ONXY 360旋转切削齿。实钻试验表明,采用这2种新型切削齿技术的PDC钻头,钻进效率和寿命都有了明显提高。     

孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头的应用研究

采用普通硬质合金钻头、PDC钻头或普通孕镶金刚石钻头钻进卵砾石层,钻头磨损特别快,使用寿命短,时效低,钻探成本高。本文介绍的孕镶金刚石-针状合金复合式取心钻头综合了普通孕镶金刚石钻头与自磨式硬质合金钻头的特点,胎体具有较高的耐磨性和抗冲击韧性。钻头胎体中孕镶的针状合金除了增韧外,还起硬支点的作用。该钻头与普通硬质合金钻头、PDC钻头、普通孕镶金刚石钻头相比,具有较好的钻进性能,使用寿命长,在卵砾石层钻进能保持较高的机械钻速和回次进尺长度。     

高研磨性地层复合式钻头的研制与应用

金山气田、龙凤山构造、长岭断陷等登娄库组以下深部地层可钻性差,研磨性强,导致钻头磨损严重,使用效率低。在对牙轮钻头、PDC钻头及孕镶金刚石钻头在高研磨性地层中的适应性进行细致和全面分析的基础上,提出了把PDC钻头机械钻速高和孕镶金刚石钻头进尺多的技术优势相结合的研制思路,开展PDC+孕镶复合式钻头设计。现场应用取得了良好的试验效果。提出了合理化的建议。     

温度对不同外形PDC切削齿性能的影响

为了探究不同温度下PDC切削齿性能,以适应不同的钎焊温度,并合理选用外形来提高效率,从影响金刚石复合片（PDC）质量的主要参数:耐磨性、磨削时间、平稳性、抗冲击韧性等出发,对不同厂家、不同外形的PDC在受热前后的性能进行试验,同时比较了平面片、微弧片和弧面片性能上的差异。结果表明:随着温度的升高,磨耗比呈现出降低的趋势;加热到750℃后,PDC磨耗比降低约30%~50%,磨削时间增加,进尺变慢;当温度达到800℃时,磨耗比小于10万,冲击功小于100 J;PDC切削齿对温度的敏感度不同,可根据不同温度下的性能对其分级,以满足不同的钎焊温度的焊接;对于不同外形的PDC,平面片磨削时间短,磨削效率高,而微弧片和弧面片磨耗比略低,磨削时间长,但冲击韧性大大提高。因此,在制造PDC钻头的过程中合理选择PDC形状,并将不同性能的PDC用于钻头的不同部位,能够有效提高PDC钻头的寿命。      

PDC复合层厚度对金刚石钻头性能影响的现场试验分析

在PDC钻头切削齿磨损机理研究基础上，进行了现场试验。结果表明，PDC切削齿复合层厚度对金刚石钻头的寿命及机械钻速有较大影响，因而切削齿复合层厚度的选择在金刚石钻头优化设计中是非常重要的。     

PCD在钻进业的应用

本文简要介绍了聚晶金刚石（PCD）的特性及其发展过程,并分别列出了其在钻进业中的应用领域,包括石油、天然气钻进和地质与矿山钻进,阐述了这两种钻进领域对PCD钻头的不同要求。     

国际油气井钻头进展概述 (四)——PDC钻头发展进程及当今态势（下）

近年来,非平面PDC切削齿,如浅凹面PDC齿、Stinger毒牙中心锥形齿、Stinger毒牙刀翼锥形齿、AxeBlade斧式脊形PDC齿和StayCool保持冷却PDC齿等制造的钻头,逐步在油气钻井中得到有效的应用。这些钻头能够以较高的钻进效率和工作寿命钻进某些硬岩和研磨性地层。为了满足水平钻井,特别在页岩气水平井中能够强力排除岩屑,并具有优良的钻井导向性能,国际著名公司推出了许多新型钻头,如ONXY Ⅱ矛式PDC钻头、Seeker导向PDC钻头、CounterForce反力PDC钻头、Speed快速PDC钻头等用于当代油气钻井,取得了良好的效果。文章还介绍了Defyer DPA套管钻头与CuttPro PDC防剪切保护帽。提出了以下建议：继续深入研究PDC钻头,以提高其性能,更好地满足油气钻井的要求;组合化钻头是油气钻头发展的重要趋势;比金刚石性能更好的钻头切削材料有可能今后发现或合成,可用于制作更佳钻井钻头;我国钻头企业需重组和发展状大;各种钻头技术创新应该加强。     

国际油气井钻头进展概述(三）——PDC钻头发展进程及当今态势（上）

自1973年PDC钻头应用以来,油气钻井发生了很大变化。但是PDC钻头在早期约15年时间内发展缓慢。此后,由于加强技术创新,如多层聚晶金刚石层、非平面界面专利、防回旋技术、滤钴工艺、优化水力学设计以及计算机建模等,促进了PDC钻头迅猛发展、广泛应用。目前,PDC钻头在世界上所钻进尺数已占到约90%。NOV公司近年推出4种太阳神PDC切削齿,由其制作的PDC钻头提高了热稳定性、抗研磨性、抗冲击韧性与导向性等。这类钻头可以钻进硬岩与研磨性地层,以及一些难钻地层,具有较高的钻进效率和较好的耐用性。Helios太阳神系列PDC钻头成功地应用于挪威、中东、澳大利亚以及美国等地的油气田。斯伦贝谢公司推出的ONYX玛瑙360°滚动PDC可保持刀齿锐利、相对冷却及延长寿命,显著地提高了钻头耐用性。在美国许多油气田应用表明,这种滚动PDC制造的钻头比固定齿PDC钻头平均钻进效率可提高40%以上,而钻头的工作寿命则可提高40%～70%。     

关于Fe-C(H)系高温高压合成金刚石多晶形成机制的一些思考

Fe-C(H)系高温高压金刚石多晶在合成片上呈成堆聚集状、不均匀分布.多晶中的金刚石晶粒多为八面体晶形、随机定向、大小无规律,表面发育"锯齿状"生长台阶,普遍发育塑性形变等缺陷.多晶中的金刚石晶粒间接触界线清晰、呈突变状.无论是利用品体成核、还是晶体长大理论都只能解释多晶中存在的部分现象.利用碳原子配位四面体生长基元模型分析多晶的形成机制值得探索.深入分析Fe-C(H)系高温高压合成金刚石多晶的形成机制不但有利于改善金刚石合成的工艺、提高合成金刚石多晶的品级.而且有利于为人们探讨天然金刚石多晶的形成机制及其深部意义提供科学线索.     

聚晶金刚石取心钻头的研究与应用

煤田勘探中存在大硬度、弱研磨性、高胶结强度地层的低钻效问题，为此进行了聚晶金刚石取心钻头的研制。该聚晶钻头底唇设计为阶梯状，水口不超过8个，聚晶在底唇上采用抛物线布局。聚品金刚石取心钻头经与PDC钻头、金刚石钻头对比，其在大部分地层磨损正常，钻效有较大提高。     

俄罗斯地台北缘和东北缘的曲面金刚石(英文)

曲面金刚石广泛产于金刚石砂矿和含金刚石的金伯利岩管及钾镁煌斑岩中。曲面金刚石是一种特殊的晶体类型 ,它与平坦面金刚石相比 ,不仅晶习不同 ,曲面金刚石常呈四六面体 ,而平坦面金刚石常呈八面体 ,而且它更坚实 ,更具宝石价值。热力学计算和实验表明 ,八面体金刚石比立方八面体和立方体金刚石的形成温度高 ,意味着曲面金刚石形成深度较浅 ,可能在石墨 -金刚石稳定区的边界上。目前对曲面金刚石是生长形还是由平坦面金刚石熔蚀而成尚有不同见解。文章对俄罗斯地台北缘和东北缘的曲面金刚石进行了综合研究。经切割抛光 ,用 X射线形貌法、阴极发光法和普通光学法进行了结构研究 ,还对金刚石进行了光学荧光、 X射线荧光 ( T=77～ 2 90 K)、ESR电子自旋共振、可见光区的吸收谱等研究。用光学测角仪和扫描电镜查明 ,研究区的金刚石中四六面体单形占 60 %～ 80 %、 { 0 65} +{ 365} +{ 1 1 1 }聚形占 8%～35%、平坦面八面体占 0～ 8%且无菱形十二面体。研究发现金刚石表面覆有成分不同的薄膜 ,厚约 0 .1～ 1 μm,其成分有 2 9种之多。表明天然金刚石是在多种金属和碳的熔体中结晶的 ,乌拉尔 -巴西型金刚石的曲面晶为生长晶而非熔蚀晶。在罗蒙诺索夫金伯利岩管中获取的金刚石表面附有超基性岩的原生矿物组合?     

提高胎体金属与金刚石粘结性能的研究

从研究粘结金属在液态时与骨架材料和石墨(代替金刚石)的相互作用规律人手,对加入有强碳化物形成元素的几种铜基系列粘结材料做一系列实验,从中选择对金刚石润湿性好,附着功大的一种制成预合金化粉末粘结剂,同时采用金刚石表面离子化和改进烧结工艺,提高和改善胎体性能.本文以大量的实验资料对提高胎体金属与金刚石的粘结性能作一些讨论.     

镀覆技术对硬质合金复合齿性能的影响

通过对比镀覆金刚石增强型硬质合金复合齿和普通金刚石增强型硬质合金复合齿的磨耗比、抗冲击韧性,说明添加真空蒸镀W的金刚石的复合齿具有良好的抗冲击性能和耐磨性。研究表明,真空蒸镀W的金刚石相对于未镀和化学镀的金刚石,具有较强抵抗热损伤和胎体侵蚀的能力,而化学镀覆Ni-W-B和Ni-W-P则会加剧胎体金属对金刚石的侵蚀和热损伤,金刚石的强度大大降低,复合齿的磨耗比远小于真空蒸镀W复合齿。金刚石真空蒸镀W镀覆技术的应用必然大大地提高复合齿的性能。      

金刚石粒度对孕镶金刚石钻头性能的影响

孕镶金刚石钻头已获得了广泛的应用,但人们对其性能和钻头金刚石参数间的一些问题仍需进一步认识。本文通过理论计算得出了钻头唇面上金刚石的分布模型,其结论与实际相吻合;并以此为依据,探讨了金刚石粒度对钻头性能的影响