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　　1963年12月6日，中国研制出第一颗人造金刚石。50年来，我国超硬材料行业在科研、生产及应用领域的共同努力和相互促进下得到快速发展，早已成为超硬材料生产大国。从20世纪70年代仅有单一的圆柱形PCD，发展到现有的PCD、PDC、CBN、PCBN、PDCBN及纳米金刚石、CVD金刚石、粗颗粒高强度金刚石等多品种多系列产品。产品性能可适应使用需求，有的已接近国际先进水平，被广泛应用于锯切工具、石材工具、精密磨具、切削刀具、石油地质钻头等领域，对国民经济的快速发展做出了重要贡献。胜利油田及所在的东营地区先后有5家金刚石厂和7家金刚石钻头厂。本文主要概述胜利油田钻井工艺研究院在超硬材料及其制品的研制和应用情况，以表对中国人造金刚石问世50周年的庆贺之意。

　　一、金刚石钻头研制及应用

　　1、PCD三刮刀钻头

　　胜利油田会战初期，针对该油区第三系软至中硬地层，一般采用钢体式硬质合金刮刀钻头钻进，由于硬质合金耐磨性较低，只能用于1500m以浅井段。当时的国产牙轮钻头因轴承质量问题，单只进尺只有150～200m，且时效较低。解决刮刀钻头打1500m以深井段成为当时较迫切的问题。1973年，胜利油田石油勘探开发研究所（钻井工艺研究院前身）与郑州磨料磨具研究所协作开展“人造金刚石聚晶刮刀钻头研制”课题。利用郑州磨料磨具磨削研究所研制的Φ6×6mm人造金刚石聚晶（简称PCD），以冷压浸渍焊接工艺方法将PCD包镶于碳化钨等组份的胎体内，再将此孕镶块镶装于刮刀片的槽及孔内，表铺硬质合金块，在还原气氛下进行整体焊接。试制的Φ216mm三刮刀钻头于1974年7月在3252钻井队辛123井试用，取得单只钻头一次下井进尺2260.64m，机械钻速42.77m/h的较好使用效果。1975年又取得单只钻头一次下井进尺2412.30m的新成效，达到了胜利油田提出的一只金刚石刮刀钻头一次下井进尺2300~2500m的课题指标要求。1975年8月，得到石油工业部与第一机械工业部相关单位组织的课题鉴定会的好评，并定型为“75型人造金刚石聚晶刮刀钻头”，但在使用中发现有PCD颗粒脱落的现象。为进一步提高钻头的使用效果，1975年双方又签订了开展“喷射式人造金刚石聚晶刮刀钻头制造工艺的研究”课题。利用无压浸渍焊接工艺方法，将Φ6×6mm和Φ4×6mmPCD较牢固地包镶于碳化钨等组份的胎体内，制成圆柱形和方型孕镶块，分别镶装于刮刀片的孔和槽内；采用加长的25SiMnMoV新钢种（原用35CrMo）刀片并增加孕镶块的镶装密度。为适应高压喷射钻进的需要，优选了Φ9～14mm硬质合金水眼，用中频焊接工艺镶装于钻头体内。1977~1978年，研制的20只Φ216mmPCD三刮刀钻头，分别由3252、32626、32358钻井队在胜利油田郝家、永安镇、东辛等地区进行现场试验，分别取得单只钻头一次下井进尺2611.85m、2777.69m和2858.56m的使用效果，接连三次刷新该钻头单只进尺的全国最高纪录。1978年10月12日，该课题通过石油工业部组织的鉴定，并定型为“78型人造金刚石聚晶刮刀钻头”投入生产，同年获全国科学大会奖。1979年2月，一只78型刮刀钻头在32694钻井队施工的新义11-1井一次下井进尺2901.17m，再创该钻头单只进尺的全国最高纪录。1979年3月，在3239钻井队施工的利22井，使用一只Φ216mm78型刮刀钻头一次下井进尺3018.0m，首创该类钻头单只进尺的世界最高纪录；同年5月，在32693钻井队施工的利11井，一只Φ216mm78型刮刀钻头一次下井进尺3135.78m，再创该类钻头单只进尺的世界最高纪录。1979年该钻头获国家发明二等奖。但由于刮刀钻头在钻进中扭矩较大（与牙轮钻头相比）、易蹩钻、易井斜、易损伤钻具和设备，对司钻的技术要求较高。在油田逐渐进入正常勘探开发的情况下，1990年以后刮刀钻头的用量逐渐减少，1998年左右停用。这就迫使超硬材料及其制品行业尽快研制出新型金刚石钻头以适应油田不同地层钻进的需要。

　　2、再制多棱人造金刚石聚晶取芯钻头

　　1984年胜利油田郑家地区取心钻遇硬而破碎的古潜山花岗片麻岩地层，现有的取心钻头不能适应现场需要。采用Φ6×6mmPCD的再制多棱体（不同大小碎块），以表镶和孕镶相结合的形式，首次应用整体无压浸渍焊接工艺方法试制成功胎体式“SLY-1型取心钻头”，在郑4-2井1547.32~1677.37m花岗片麻岩井段使用的7只Φ215mm钻头，平均单只进尺7.5m，平均机械钻速0.31m/h，单只最高进尺12.28m，达到国内同类钻头的先进水平。该钻头于1985年2月通过胜利油田科委鉴定，于1986年获胜利油田科技进步二等奖，开拓了应用超硬材料的新路子。

　　3、圆柱聚晶单锥型取心钻头

　　1987年，利用耐磨性和抗冲击强度较高、锥角为85o的Φ6×6mmPCD研制出“圆柱聚晶单锥型取心钻头”。在胜利油田草桥、桩西地区1051.81~3586.30m井段使用的15只Φ215mm钻头，平均单只进尺68.09m，平均机械钻速0.89m/h，单只最高进尺200.94m，达到国内同类钻头的先进水平，并创国内中到中硬地层取心钻头单只进尺的最高纪录。该钻头于1988年6月通过胜利油田科委鉴定，1990年获胜利油田科技成果二等奖。

　　4、三角聚晶金刚石取心钻头

　　美国克里斯坦森公司于20世纪80年代初研制成功三角聚晶金刚石钻头。该钻头具有压剪作用的破岩机理，适用于塑性及塑脆性地层，在高泥浆密度的深井油层钻进更为有利，为提高胜利油田砂泥岩地层的取心效果，1986年开展了“三角聚晶金刚石取心钻头研制”课题。在解决了三角形PCD钻头型模的制造难题后，试制的22只Φ215mm三角形PCD取心钻头，在胜利油田纯化、渤南地区1285~3590m的砂泥岩地层取心，平均单只进尺47.8m，平均机械钻速1.27m/h，单只最高进尺115.71m，达到国内同类钻头的先进水平，创国内同类钻头单只进尺的最高纪录。该课题于1989年12月通过胜利油田科委鉴定，1993年12月获中国石油天然气总公司科技进步三等奖。

　　5、复合型PCD取心钻头

　　为充分发挥Φ5×5×85oPCD较高的耐冲击性和三角形PCD的剪切破岩效应，减少三角形PCD在钻进中易碎断的弊端，1995年又研制成功复合形PCD（圆柱形1/3+三角形2/3）取心钻头并投产应用至今，取代了单一的三角形PCD钻头。该钻头于2003年被授权国家实用新型专利（专利号：ZL 02 2 14357.2）。

　　6、PDC钻头

　　美国GE公司于20世纪70年代研制出金刚石硬质合金复合片（PDC）并用于石油钻头制造。国内各油田于20世纪80年代开始引进使用该钻头，在软至中硬地层钻进见到明显优于其它类型钻头的使用效果。1985年我院开展了钢体式PDC钻头的研制课题。与航空工业部703所协作利用真空扩散焊解决了PDC复合片与硬质合金齿柱的焊接问题；采用过盈热装固齿工艺将支柱式PDC片镶装于钻头钢体内，研制出钢体式PDC全面钻进钻头和取心钻头。试制的12只Φ215mm全面钻进钻头，在2121~3581m东营至沙三段地层，平均单只进尺752.13m，平均机械钻速5.58m/h。1987年10月在孤南134井单只钻头一次下井进尺1124.59m，机械钻速5.16m/h，创国产PDC钻头单只进尺的最高纪录。1988年7月，PDC-Z1-215型全面钻进钻头通过石油工业部鉴定，1990年10月获中国石油天然气总公司科技进步三等奖。PDC-Z型取心钻头的使用效果也达到国内同类钻头的先进水平，1988年6月通过胜利油田科委鉴定，1989年6月获胜利科技进步二等奖。碳化钨胎体式PDC全面钻进钻头和取心钻头也相继研制成功。

　　由于国内超硬材料行业对PDC复合片的研制及生产比较重视，产品质量不断提高，使PDC钻头的应用面不断扩大，其产品用量大大多于上述各类PCD钻头，特别是Φ8×8mmPDC片用于制作的胎体式取心钻头使用效果较好，替代了部分三角形PCD钻头。

　　我院主要使用郑州新亚复合超硬材料有限公司提供的PDC片生产钻头。2001年以来，产量逐年提高，近几年达到了年产不同类型不同规格的钻头1500只左右。

　　7、孕镶金刚石钻头

　　2000年以前，胜利油田取心钻遇硬而强研磨性地层，大多采用表镶天然金刚石钻头，也引进少量国外孕镶金刚石钻头试用，钻进成本大大提高。随着国内高强度人造金刚石单晶的大量产出，为研制国产孕镶金刚石钻头提供了有利条件。2001年我院应邀为中国大陆科学钻探工程科钻一井提供钻头试用，利用国产的人造金刚石首次试制的Φ157×Φ97mm孕镶金刚石取心钻头，在177.38~180.72m角闪石化榴辉岩地层取心，单只进尺3.34m（约一筒取心量），机械钻速1.63m/h，得到施工现场认可。

　　在国家“稳定东部，开发西部”的能源战略布署下，油田钻井队伍逐步转向四川、新疆等地。现有的PCD、PDC钻头在较深井段硬而强研磨性地层钻进难度较大。史密期公司的孕镶金刚石钻头配高速涡轮钻具的使用效果较好，但钻井成本较高（约1万元/m）。为提高西部钻井的技术经济效益，研制孕镶金刚石钻头和涡轮钻具势在必行。2006年使用南阳中南金刚石有限公司提供的人造金刚石试制的Φ150mm全面钻进钻头，在四川大邑1井张家河组须三段4835.95~4908.7m（定向井，8~15o斜度）页岩井段钻进中，单只一次下井进尺72.75m，机械钻速0.78m/h，达到了预期的使用效果。2011年9月使用同样的人造金刚石试制的Φ215.9mm全面钻进钻头，在新疆乌参1井5576~5640m石炭系马塔码山依内山组凝灰岩（含石英47%）地层钻进，单只一次下井进尺64m，机械钻速0.86m/h，与同井此前使用的其它类型钻头相比，取得了比较满意的使用效果。可看出国产人造金刚石可适应石油钻头研制的需求。

　　二、金刚石钻具配件的研制

　　随着石油勘探开发深井和超深井的不断增多，提高钻具配件的耐用度也引起关注。将超硬材料用于制造钻具配件是提高钻具寿命的有效途径。我院用PDC复合片镶焊出的扶正器、扩孔器和垂钻配件耐磨片均可满足使用要求。

　　中国大陆科学钻探工程科钻一井，要求在高硬度强研磨性的结晶岩中完成Φ157mm、深度达5000m的连续取心，钻遇地层岩石可钻性级值多为8~9，少量达10以上。钻进过程中钻头直径磨损不可避免，如果在钻头外径磨损较严重的情况下继续钻进，将造成大段井眼缩径，使新钻头难以下至井底，必须进行划眼（扩孔），如果操作不当将造成卡钻或钻具变形等事故。因此，该井在钻具组合中，岩心筒的上下部位各装一套扩孔器（直径较钻头大0.3mm，上部扩孔器主要起稳定作用），当钻头外径有明显磨损时，其上部的扩孔器将起到扩孔作用，此时钻速明显下降，应尽快起钻，更换新钻头。2001年本院受邀为该井提供扩孔器试用。扩孔器的规格为Φ157.3×Φ116×530mm（扩孔段为90mm）的长筒薄壁形制件，其报废标准是直径磨损超过0.4mm。采用无压浸渍焊接工艺，研制出碳化钨胎体式表镶Φ3×5mm（出刃高度0.5~0.6mm）PCD扩孔器。全井共使用99只扩孔器，其中正常使用的64只扩孔器，平均使用时间74.1h/只，单只最长使用时间251.35h，满足了该井取心钻进的需要，有助于进一步提高与完善我国石油地质钻探领域深井硬岩大直径取心钻进技术。

　　三、超硬材料研制

　　20世纪70年代是我国超硬材料行业快速发展的时期，PCD刮刀钻头在胜利油田勘探开发中发挥的重要作用，使油田对研制、生产超硬材料予以重视。1976年9月，胜利油田会战指挥部决定由当时的石油勘探开发研究所负责筹建人造金刚石生产作业线。在郑州磨料磨具磨削研究所的无私大力支援下，边筹建边派人赴郑州实地学习金刚石制造工艺技术。1977年4月试制出人造金刚石和聚晶产品，同时结合钻头的使用情况及国内外超硬材料研制方面的新动态，开展相应的试验研究工作。

　　1、圆柱状复合聚晶人造金刚石

　　1979年1月，为解决圆柱形PCD在刮刀钻头钻进过程中过早脱落的问题，在分析其原因主要是PCD（基本上无可焊性）与孕镶块胎体仍属机械结合形式的基础上，试验研制有关金属及其合金与金刚石在高温高压下成键结合的可能性，确定了能与金刚石复合的硬质合金粉料配方，利用人造金刚石聚晶合成过程，同时在PCD外圆复合一层硬质合金，合成出圆柱状复合聚晶人造金刚石，这是聚晶复合体的一次创新，属国内首创。它增强了PCD在钻头上的耐冲击性，并可直接镶焊于钻头体上，省去了孕镶块的制造工序，有利于提高钻头的使用效果。1981年3月，该成果获胜利油田科技进步三等奖。

　　2、含硼人造金刚石聚晶

　　1978年，利用自产的耐高温含硼金刚石，研制出含硼聚晶产品用于钻头制造，有利于提高钻头使用效果，该成果于1979年4月获胜利油田科技进步三等奖。

　　3、Φ6×10mm人造金刚石聚晶

　　1980年研制出Φ6×10mm人造金刚石聚晶新产品，提高了金刚石聚晶的生产率，减少了在钻头上应用时两粒聚晶间的连接缝隙，有利于发挥聚晶效力。

　　4、SL-4型人造金刚石聚晶

　　1981年开始，通过反复试验研制出合成金刚石聚晶用钛—硅—硼新结合剂，取代国内常用的镍、硅结合剂，研制成功SL-4型人造金刚石聚晶。1983年11月该成果通过胜利油田科委组织的有关专家鉴定，1985年获国家科技进步三等奖。

　　5、三角形人造金刚石聚晶

　　1986年12月研制成功三角形人造金刚石聚晶，被大量用于钻头制造见到了较好的使用效果，1987年8月该成果通过胜利油田科委组织的技术鉴定。1990年获国家科技进步三等奖。

　　6、PDC复合片

　　为适应国内研制和推广应用PDC钻头的需要，1986年研制出不同规格的PDC复合片。

　　7、TSP聚晶系列产品和大聚晶

　　1987年~1990年研制出TSP（耐热）金刚石聚晶系列产品，共有6个品种、12种规格的异形聚晶，半圆楔形、五边形和Φ10×3mm片式聚晶用于钻头制造，均有较好的使用效果。方形聚晶有小批量出口。1989年在国内率先研制出Φ13.3×10mm和Φ13.3×12×90o、Φ13.3×3.8mm大聚晶。

　　四、深切感受

　　1975年本人有幸参与“78型人造金刚石聚晶刮刀钻头研制”课题，并一直从事石油钻头的研制工作。亲身感受到我国超硬材料工业快速发展以及在石油勘探开发领域中应用的明显技术经济效益。Φ6×6mm人造金刚石聚晶在研制75型、78型刮刀钻头上的成功应用，是超硬材料被推广用于石油钻头制作的一个里程碑式的新突破。2011中国（郑州）国际磨料磨具磨削展览会上琳琅满目的超硬材料及其制品，让人惊羡不已。超硬材料企业产品市场竞争的激烈造成的优胜劣汰，使东营地区原有的5家金刚石厂仅存2家坚持生产。同时也看到当油田钻井遇到难以钻进的地层时，引进国外钻头或PDC片自制钻头的情况。我院钻头生产每年进口的PDC片占使用总量的1/4左右。用105元购一粒进口的三角形PCD与用4~5元/粒的国产三角形PCD进行磨耗比对比检测试验，当国产三角形PCD被磨至与砂轮接触面较大时就出现受热发红现象，进口产品未见此类情况，可见二种产品自锐性的差别，使国产三角形PCD难以发挥期剪切破岩效能，只能用于一般地层钻头的制造。研制性能优异的PCD和PDC产品仍是超硬材料行业应尽快认真研究的问题。（节选自《中国超硬材料工业五十年》）