超硬材料應用于鉆探的新領域

趙爾信

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

引 言

著名的油氣鉆探院士蘇義腦曾精辟地評價金剛石鉆頭在鉆探領域的位置：在鉆探過程和技術鏈中，鉆頭永遠處于前沿和核心的位置，鉆探的本質就是破碎巖石，其它鉆探技術，如信息、控制、泥漿等都在為破巖而服務，雖說首推鉆頭，但不是說要降低其它方面的重要性。只有將所有技術組成一個整體發揮作用才是關鍵。

由上述論述可知，金剛石鉆頭是鉆探體系中的先導，是關鍵，是鉆探提速的突破口。鉆探必須提速，因為鉆探影響了國民經濟的多個領域包括地質礦產鉆探，科學鉆探、城市地質鉆探、環境地質鉆探、農田地質鉆探、海洋深水地質鉆探、南極冰上鉆探及月球月壤的取樣鉆探，所以鉆探已從過去狹獈的礦產鉆探迅猛發展為多方位多領域的“大鉆探”的概念。

與“大鉆探”緊密相連的金剛石鉆頭亦將廣泛地應用于多個領域，有的進入了某些領域，有的領域尚未進入，有待我們攻堅克難，提高金剛石的制造技術，滿足不同領域的需求。與金剛石鉆頭息息相關的行業——超硬材料行業，也必須要先行，發展速度要走在金剛石鉆頭行業的前面。俗話說“好鋼用在刀刃上”，鉆探行業急需“好鋼”。例如大顆粒高強度，表面鍍覆金屬外衣的人造單晶；高強度，高抗沖能力，高磨耗比，熱穩定性高的復合片；牙輪鉆頭，沖擊鉆頭用的金剛石復合齒；適用于干鉆的人造單晶和復合片(可用于月球鉆探)以及萬米深鉆及未來三萬米超深鉆(鉆入地幔)用的耐地下高溫、高壓的單晶和復合片[1-4]。

向地球的未知領域地幔進軍，最少要3萬米以深的鉆孔，這是美國科學家至今未敢做的事，我們中國人要敢于做起來，讓中國走在地球科學研究的前沿，在世界地球科學的研究中處于領跑地位而不是以前的模仿和跟跑的地位。

地球深部科學研究勢在必行，習近平主席2016年5月30日在全國科技創新大會的講話中指示“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題！”。為此，科技部、財政部支持，國土資源部組織實施了一項大科學計劃——深部探測專項。這僅是一個預研究項目，真正開展地球深部地幔的研究，尚需一段時間，但我們鉆頭領域和超硬材料行業，需提前研制耐高溫、高壓的長壽高效的鉆頭和超硬材料，否則鉆進地幔的計劃將難以完成。

下面介紹與金剛石鉆探相關的幾個領域

1 地質鉆探領域

2016年我國地質勘查投入延續了近年來下滑的態勢，以2012年為拐點，繼續下行(如圖所示)。

全國地質勘查投入資金247.29億元，同比減少24.6%。

圖1 2006-2016年全國地質勘查投入對比圖Fig.1 The national geological exploration input contrast in 2006-2016

資金投入排名前5位的省份依次是：新疆(56.80億元)，內蒙古(26.99億元)，云南(10.30億元)，甘肅(10.14億元)，四川(9.45億元)(如圖2所示)。

圖2 2016年各省(區、市)地質勘查投入示意圖Fig.2 Sketch map of geological exploration input in each province (region, city) in 2016

2016年完成鉆探工作量913萬米，同比減少31.0%。完成鉆探量前5位的省份依次是新疆(162.26萬米)，內蒙(130.29萬米)，山東(80.95萬米)，云南(42.31萬米)，貴州(39.10萬米)(如圖3所示)。

圖3 2016年各省(區、市)鉆探工作量示意圖Fig.3 Sketch map of drilling workload in each province (region, city) in 2016

2016年主要礦種勘查資金投入和鉆探工作量完成情況見表1。

表1 2016年主要礦種勘查資金投入和鉆探工作量完成情況

歷年來我國地質鉆探工作量見表2。

表2 歷年我國地質鉆探工作量

依據表2所列的歷年鉆探工作量，可以推算出2017年全國所需的金剛石和擴孔器的數量以及所需金剛石的使用量。

(1)人造金剛石鉆頭約需20萬個/年

(2)擴孔器約需10萬個/年

(3)人造金剛石約需1200萬克拉/年。

按照2016年礦產勘查投入資金169.84億元來計算，估計用于鉆探100億元，采用高效金剛石鉆頭，將鉆速提高30%，粗略估計可節約30億元，由此而帶來的間接經濟效益和社會效益更是可觀的。

2 石油與天然氣鉆探領域

受油價持續低迷影響，2015年我國油氣資源勘查開采投資，實物工作量下降明顯，但新增油氣探明儲量仍保持較高水平。其中，石油新增探明地質儲量11.18億噸，天然氣新增6772.2億立方米。石油產量小幅增長，達到2.15億噸，天然氣產量連續五年超千億方，達到1243.57億立方米，煤層氣與頁巖氣產量均創新高。

2015年，全國油氣勘查投資600.06億元，同比下降19.2%，完成探井3023口，同比下降13.7%，全國油氣開采投資189.43億元，完成開發井20079口，同比下降29.7%和25.6%，估計油氣鉆探總進尺為7600萬米。

頁巖氣勘探開采投入134.77億元，完成探井108口，進尺18.78萬米，完鉆開發井178口，總進尺59.1萬米。

煤層氣勘查開采投入25.61億元，鉆井274口，進尺38.28萬米。

將上述油氣鉆探、頁巖氣鉆探及煤層氣鉆探的進尺總加，即可獲得進尺總量為7697.38萬米。

3 海洋鉆探領域

海洋鉆探主要介紹四方面內容：(1)深水天然氣水合物鉆探；(2)深水油氣鉆探；(3)深水固體礦產鉆探；(4)大洋鉆探。

3.1 深水天然氣水合物鉆探

中國曾在南中國海的北部進行2次鉆探天然氣水合物的試驗，第一次是2007年在神弧地區；第二次是2013年在珠江口東部。兩次探索都取得了天然氣水合物實物樣品。鉆探天然氣水合物不是最終目標，開采海底的天然氣水合物才是目的。其開采的方法是鉆孔開采法。

我國于2017年6月18日上午10時許，在距祖國大陸300多公里的我國南海北部神弧海域“藍鯨一號”海上鉆井平臺，進行的首次可燃冰試采實現連續穩定產氣，取得了天然氣水合物試開采的歷史性突破，首次可燃冰試采宣告成功。

這是我國，也是世界首次海域天然氣水合物試采成功。截止7月21日15時，連續42天總量試采23萬立方米，平均日產超過1.6萬立方米，其中甲烷含量高達99.5%，實現了理論、技術和工程的重大創新。

天然氣水合物是可供世界使用1000年的清潔能源，這個成果對促進能源安全保障，優化能源結構，甚至對改變世界能源格局，都具有里程碑意義。

這種采用鉆探方法勘查和開采的能源將是鉆探工作發展的又一新的領域。

3.2 深水油氣鉆探

“南海是世界油氣資源富集地區之一，是第二個波斯灣”，美國能源信息局網站這樣評價南海蘊藏的豐富資源。

在2012年3月前在資源最密集的南海水域沒有中國自己鉆采的一口井。

2012年5月9日，中國首座代表當今世界最先水平的第六代半淺式深水鉆井平臺“海洋石油981”，在南海荔灣區域1500m的水下鉆入地層，標志著我國“深水戰略”由此邁出了實質性的一步，實現了零的突破，使中國成為第一個在南海自營勘探開發深水油氣資源的國家，給石油鉆探又開辟了一個新領域，新的市場。

2014年8月31日，“海洋石油981”在南海深水區陵水17-2-1#測試獲得高產油氣流，是中國海域自營深水勘探的第一個重大油氣發現。

海洋石油鉆探的現狀是，我國2010年～2015年新增鉆井平臺70多座，海上油田30多個，在2005年我國共有鉆井平臺46座，估計我國鉆井平臺多于120臺，估計每年鉆探工作量為30～40萬米。

3.3 深水固體礦產鉆探

占地球面積70%的海洋就是一個海底金屬礦產資源的大寶庫，除了油氣等能源資源外，最具開發價值的應屬大洋多金屬結核，富鈷結殼和多金屬硫化物3種潛在的海底多金屬礦產資源。

其中硫化物礦床的調查工作難度最大，一是硫化物礦床是三維分布的礦床，二是分布在海底2～3千米以下，一般的技術手段難以了解，最好的方法是鉆探。

3.4 大洋鉆探

南海大洋鉆探共進行三次，皆是我國的專家擔當首席科學家，由我國制訂航線，航次及鉆位，采用的是美國鉆探船決心號。

3.4.1 第一次南海大洋鉆探

1999年2月18日～4月12日，國際大洋鉆探船“決心號”在南海實施ODP(Ocean Drilling Program)第184航次，這是中國南海的首次大洋鉆探航次。184航次在南海北6個深水區鉆孔17個，從水深2000～3300m的海底鉆入地層，最深一口井深入海底850m，取得了高質量巖心5500m。

184航次的重大科研成果：

(1)建立了西太平洋區最佳深海地層剖面；

(2)揭示了熱帶過程在碳循環及氣候周期演變中的作用；

(3)取得了東亞季風演變的深海記錄。

3.4.2 第二次南海大洋鉆探

2014年1月29日～3月30日進行了國際大洋發現計劃，IODP(Integrated Ocean Drilling Program)第349航次。該航次是IODP計劃的首個航次。

該航次一共完成5個鉆位的取心，如同在海底打下5顆“金釘子”，獲取了具有極高價值的巖心。

取得的科學成就：確定了母親海南海形成的年齡約在1600萬年前。

3.4.3 第三次南海大洋鉆探

2017年2月8日，“決心號”在香港起航，6月11日緩緩地停靠上海南港碼頭，象征著中國科學家主導的為期四個月的南海大洋鉆探科考任務圓滿落幕。

本次鉆探包括367和368兩個航次，總鉆探進尺7669.3m，鉆取了2542.1m具有極高科學價值的巖心。

其科學價值，或改寫南海形成的原因。

4 其它特殊領域

鉆探已廣泛深入多個領域，用鉆探手段取出陸地、海洋、農業、環境、城市、南極、深空星體等的樣品，也能為新興的農業地質、城市地質、環境地質、地下煤炭氣化服務。

鉆探已成為服務國民經濟多個領域的不可或缺的技術手段，已成為真正意義上的“大鉆探”。

5 從大數據來分析鉆探市場的規范

(1)地質鉆探

2016年估計投資鉆探100億元，鉆探工作量913萬米，估算鉆探成本1000元/米。需金剛石鉆頭20萬只/年，擴孔器10萬只/年，人造金剛石約需1200萬克拉/年。

(2)油氣鉆探

2015年油氣勘查和開發總共投資2493.46億元，鉆井23102口，估計油氣鉆探總進尺7600萬米。鉆井成井0.33萬元/米。假設一半的鉆探工作量用PDC鉆頭完成，即需12萬～13萬只/年，需用復合片600萬～650萬片。

(3)頁巖氣鉆探

2016年勘查開采投入134.77億元完成鉆井286口，總進尺77.88萬米，約需1萬個PDC鉆頭，約需用20萬片/年的PDC。

(4)煤層氣鉆探

2016年勘查開采投入25.61億元，鉆井274口，總進尺38.28萬米，PDC鉆頭約需5000只/年，PDC復合片約需10萬片/年。

(5)海洋鉆探

估計近期鉆井工作量為30～40萬米/年，約需800個PDC鉆頭，約需3.2萬片復合片。

其它領域鉆探，估計有20萬米，約需1300個PDC鉆頭，約需PDC1.5萬片/年。

(6)科學鉆探20000米，完成7個鉆孔。約需500個鉆頭，約需2萬克拉金剛石。

2016年，全國鉆探行業每年需PDC684.7萬片，人造金剛單晶1202萬克拉。展望未來，再加上銷售國外的市場，人造金剛石單晶和復合片的市場是很有前景的。

6 結束語

隨著國民經濟的發展，能源結構的調整，環境清潔能源的需求引發一些新興領域的誕生。例如可燃冰(天然氣水合物)、頁巖氣、煤層氣、干熱巖及煤炭的地下氣化等，皆屬于鉆孔開采法。即采用鉆探方式進行采礦，勢必增加鉆探工作量，即增加鉆探用超硬材料的用量。

雖然常規的地質鉆探延續了近年來下滑的態勢，但上述新興發展的領域給鉆探帶來了新的機遇，鉆探工作發展大有前途，超硬材料的發展同樣大有前途。