超硬材料应用于钻探的新领域

赵尔信

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

引 言

著名的油气钻探院士苏义脑曾精辟地评价金刚石钻头在钻探领域的位置：在钻探过程和技术链中，钻头永远处于前沿和核心的位置，钻探的本质就是破碎岩石，其它钻探技术，如信息、控制、泥浆等都在为破岩而服务，虽说首推钻头，但不是说要降低其它方面的重要性。只有将所有技术组成一个整体发挥作用才是关键。

由上述论述可知，金刚石钻头是钻探体系中的先导，是关键，是钻探提速的突破口。钻探必须提速，因为钻探影响了国民经济的多个领域包括地质矿产钻探，科学钻探、城市地质钻探、环境地质钻探、农田地质钻探、海洋深水地质钻探、南极冰上钻探及月球月壤的取样钻探，所以钻探已从过去狭獈的矿产钻探迅猛发展为多方位多领域的“大钻探”的概念。

与“大钻探”紧密相连的金刚石钻头亦将广泛地应用于多个领域，有的进入了某些领域，有的领域尚未进入，有待我们攻坚克难，提高金刚石的制造技术，满足不同领域的需求。与金刚石钻头息息相关的行业——超硬材料行业，也必须要先行，发展速度要走在金刚石钻头行业的前面。俗话说“好钢用在刀刃上”，钻探行业急需“好钢”。例如大颗粒高强度，表面镀覆金属外衣的人造单晶；高强度，高抗冲能力，高磨耗比，热稳定性高的复合片；牙轮钻头，冲击钻头用的金刚石复合齿；适用于干钻的人造单晶和复合片(可用于月球钻探)以及万米深钻及未来三万米超深钻(钻入地幔)用的耐地下高温、高压的单晶和复合片[1-4]。

向地球的未知领域地幔进军，最少要3万米以深的钻孔，这是美国科学家至今未敢做的事，我们中国人要敢于做起来，让中国走在地球科学研究的前沿，在世界地球科学的研究中处于领跑地位而不是以前的模仿和跟跑的地位。

地球深部科学研究势在必行，习近平主席2016年5月30日在全国科技创新大会的讲话中指示“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题！”。为此，科技部、财政部支持，国土资源部组织实施了一项大科学计划——深部探测专项。这仅是一个预研究项目，真正开展地球深部地幔的研究，尚需一段时间，但我们钻头领域和超硬材料行业，需提前研制耐高温、高压的长寿高效的钻头和超硬材料，否则钻进地幔的计划将难以完成。

下面介绍与金刚石钻探相关的几个领域

1 地质钻探领域

2016年我国地质勘查投入延续了近年来下滑的态势，以2012年为拐点，继续下行(如图所示)。

全国地质勘查投入资金247.29亿元，同比减少24.6%。

图1 2006-2016年全国地质勘查投入对比图Fig.1 The national geological exploration input contrast in 2006-2016

资金投入排名前5位的省份依次是：新疆(56.80亿元)，内蒙古(26.99亿元)，云南(10.30亿元)，甘肃(10.14亿元)，四川(9.45亿元)(如图2所示)。

图2 2016年各省(区、市)地质勘查投入示意图Fig.2 Sketch map of geological exploration input in each province (region, city) in 2016

2016年完成钻探工作量913万米，同比减少31.0%。完成钻探量前5位的省份依次是新疆(162.26万米)，内蒙(130.29万米)，山东(80.95万米)，云南(42.31万米)，贵州(39.10万米)(如图3所示)。

图3 2016年各省(区、市)钻探工作量示意图Fig.3 Sketch map of drilling workload in each province (region, city) in 2016

2016年主要矿种勘查资金投入和钻探工作量完成情况见表1。

表1 2016年主要矿种勘查资金投入和钻探工作量完成情况

历年来我国地质钻探工作量见表2。

表2 历年我国地质钻探工作量

依据表2所列的历年钻探工作量，可以推算出2017年全国所需的金刚石和扩孔器的数量以及所需金刚石的使用量。

(1)人造金刚石钻头约需20万个/年

(2)扩孔器约需10万个/年

(3)人造金刚石约需1200万克拉/年。

按照2016年矿产勘查投入资金169.84亿元来计算，估计用于钻探100亿元，采用高效金刚石钻头，将钻速提高30%，粗略估计可节约30亿元，由此而带来的间接经济效益和社会效益更是可观的。

2 石油与天然气钻探领域

受油价持续低迷影响，2015年我国油气资源勘查开采投资，实物工作量下降明显，但新增油气探明储量仍保持较高水平。其中，石油新增探明地质储量11.18亿吨，天然气新增6772.2亿立方米。石油产量小幅增长，达到2.15亿吨，天然气产量连续五年超千亿方，达到1243.57亿立方米，煤层气与页岩气产量均创新高。

2015年，全国油气勘查投资600.06亿元，同比下降19.2%，完成探井3023口，同比下降13.7%，全国油气开采投资189.43亿元，完成开发井20079口，同比下降29.7%和25.6%，估计油气钻探总进尺为7600万米。

页岩气勘探开采投入134.77亿元，完成探井108口，进尺18.78万米，完钻开发井178口，总进尺59.1万米。

煤层气勘查开采投入25.61亿元，钻井274口，进尺38.28万米。

将上述油气钻探、页岩气钻探及煤层气钻探的进尺总加，即可获得进尺总量为7697.38万米。

3 海洋钻探领域

海洋钻探主要介绍四方面内容：(1)深水天然气水合物钻探；(2)深水油气钻探；(3)深水固体矿产钻探；(4)大洋钻探。

3.1 深水天然气水合物钻探

中国曾在南中国海的北部进行2次钻探天然气水合物的试验，第一次是2007年在神弧地区；第二次是2013年在珠江口东部。两次探索都取得了天然气水合物实物样品。钻探天然气水合物不是最终目标，开采海底的天然气水合物才是目的。其开采的方法是钻孔开采法。

我国于2017年6月18日上午10时许，在距祖国大陆300多公里的我国南海北部神弧海域“蓝鲸一号”海上钻井平台，进行的首次可燃冰试采实现连续稳定产气，取得了天然气水合物试开采的历史性突破，首次可燃冰试采宣告成功。

这是我国，也是世界首次海域天然气水合物试采成功。截止7月21日15时，连续42天总量试采23万立方米，平均日产超过1.6万立方米，其中甲烷含量高达99.5%，实现了理论、技术和工程的重大创新。

天然气水合物是可供世界使用1000年的清洁能源，这个成果对促进能源安全保障，优化能源结构，甚至对改变世界能源格局，都具有里程碑意义。

这种采用钻探方法勘查和开采的能源将是钻探工作发展的又一新的领域。

3.2 深水油气钻探

“南海是世界油气资源富集地区之一，是第二个波斯湾”，美国能源信息局网站这样评价南海蕴藏的丰富资源。

在2012年3月前在资源最密集的南海水域没有中国自己钻采的一口井。

2012年5月9日，中国首座代表当今世界最先水平的第六代半浅式深水钻井平台“海洋石油981”，在南海荔湾区域1500m的水下钻入地层，标志着我国“深水战略”由此迈出了实质性的一步，实现了零的突破，使中国成为第一个在南海自营勘探开发深水油气资源的国家，给石油钻探又开辟了一个新领域，新的市场。

2014年8月31日，“海洋石油981”在南海深水区陵水17-2-1#测试获得高产油气流，是中国海域自营深水勘探的第一个重大油气发现。

海洋石油钻探的现状是，我国2010年～2015年新增钻井平台70多座，海上油田30多个，在2005年我国共有钻井平台46座，估计我国钻井平台多于120台，估计每年钻探工作量为30～40万米。

3.3 深水固体矿产钻探

占地球面积70%的海洋就是一个海底金属矿产资源的大宝库，除了油气等能源资源外，最具开发价值的应属大洋多金属结核，富钴结壳和多金属硫化物3种潜在的海底多金属矿产资源。

其中硫化物矿床的调查工作难度最大，一是硫化物矿床是三维分布的矿床，二是分布在海底2～3千米以下，一般的技术手段难以了解，最好的方法是钻探。

3.4 大洋钻探

南海大洋钻探共进行三次，皆是我国的专家担当首席科学家，由我国制订航线，航次及钻位，采用的是美国钻探船决心号。

3.4.1 第一次南海大洋钻探

1999年2月18日～4月12日，国际大洋钻探船“决心号”在南海实施ODP(Ocean Drilling Program)第184航次，这是中国南海的首次大洋钻探航次。184航次在南海北6个深水区钻孔17个，从水深2000～3300m的海底钻入地层，最深一口井深入海底850m，取得了高质量岩心5500m。

184航次的重大科研成果：

(1)建立了西太平洋区最佳深海地层剖面；

(2)揭示了热带过程在碳循环及气候周期演变中的作用；

(3)取得了东亚季风演变的深海记录。

3.4.2 第二次南海大洋钻探

2014年1月29日～3月30日进行了国际大洋发现计划，IODP(Integrated Ocean Drilling Program)第349航次。该航次是IODP计划的首个航次。

该航次一共完成5个钻位的取心，如同在海底打下5颗“金钉子”，获取了具有极高价值的岩心。

取得的科学成就：确定了母亲海南海形成的年龄约在1600万年前。

3.4.3 第三次南海大洋钻探

2017年2月8日，“决心号”在香港起航，6月11日缓缓地停靠上海南港码头，象征着中国科学家主导的为期四个月的南海大洋钻探科考任务圆满落幕。

本次钻探包括367和368两个航次，总钻探进尺7669.3m，钻取了2542.1m具有极高科学价值的岩心。

其科学价值，或改写南海形成的原因。

4 其它特殊领域

钻探已广泛深入多个领域，用钻探手段取出陆地、海洋、农业、环境、城市、南极、深空星体等的样品，也能为新兴的农业地质、城市地质、环境地质、地下煤炭气化服务。

钻探已成为服务国民经济多个领域的不可或缺的技术手段，已成为真正意义上的“大钻探”。

5 从大数据来分析钻探市场的规范

(1)地质钻探

2016年估计投资钻探100亿元，钻探工作量913万米，估算钻探成本1000元/米。需金刚石钻头20万只/年，扩孔器10万只/年，人造金刚石约需1200万克拉/年。

(2)油气钻探

2015年油气勘查和开发总共投资2493.46亿元，钻井23102口，估计油气钻探总进尺7600万米。钻井成井0.33万元/米。假设一半的钻探工作量用PDC钻头完成，即需12万～13万只/年，需用复合片600万～650万片。

(3)页岩气钻探

2016年勘查开采投入134.77亿元完成钻井286口，总进尺77.88万米，约需1万个PDC钻头，约需用20万片/年的PDC。

(4)煤层气钻探

2016年勘查开采投入25.61亿元，钻井274口，总进尺38.28万米，PDC钻头约需5000只/年，PDC复合片约需10万片/年。

(5)海洋钻探

估计近期钻井工作量为30～40万米/年，约需800个PDC钻头，约需3.2万片复合片。

其它领域钻探，估计有20万米，约需1300个PDC钻头，约需PDC1.5万片/年。

(6)科学钻探20000米，完成7个钻孔。约需500个钻头，约需2万克拉金刚石。

2016年，全国钻探行业每年需PDC684.7万片，人造金刚单晶1202万克拉。展望未来，再加上销售国外的市场，人造金刚石单晶和复合片的市场是很有前景的。

6 结束语

随着国民经济的发展，能源结构的调整，环境清洁能源的需求引发一些新兴领域的诞生。例如可燃冰(天然气水合物)、页岩气、煤层气、干热岩及煤炭的地下气化等，皆属于钻孔开采法。即采用钻探方式进行采矿，势必增加钻探工作量，即增加钻探用超硬材料的用量。

虽然常规的地质钻探延续了近年来下滑的态势，但上述新兴发展的领域给钻探带来了新的机遇，钻探工作发展大有前途，超硬材料的发展同样大有前途。