工程钻探与取样技术：金刚石用途分析

6.4.1.1　钻探用金刚石的分类

金刚石是迄今人类发现的最坚硬研磨切削材料，它在机械、采矿、冶金、光学仪器、电子等工业部门得到广泛应用，地质钻探用金刚石约占世界工业金刚石用量的20%。

钻探用金刚石有天然金刚石和人造金刚石两大类。国际上用于制造钻头的天然金刚石可分为“包布兹”（Bortz）、“刚果”（Congo）、“卡邦纳多”（Carbonado）、“巴拉斯”（Ballas）和“雅库特”（Якут）5类。其中，“包布兹”主要用于制造表镶钻头，“刚果”主要用于孕镶钻头，“卡邦纳多”和“巴拉斯”现已很少用于钻头，“雅库特”主要在俄罗斯等国使用。

但是天然金刚石资源非常有限，而且十分昂贵，因此，人造金刚石成为人们追求的破岩磨料。人造金刚石包括单晶、聚晶和金刚石复合片等品种。目前我国已成为全球人造金刚石第一生产大国，世界上每年的人造金刚石总产量中有80%来自中国。我国在地质钻探领域中大量使用以人造金刚石单晶为原料的孕镶钻头。

6.4.1.2　与钻探有关的金刚石物理力学性质

1）硬度

硬度是金刚石最重要的性能之一。金刚石的硬度极高，莫氏硬度为10级，显微硬度为95 000～100 600MPa，研磨硬度是刚玉的150倍，是石英的1000倍。

2）强度

金刚石具有极大的抗静压强度。天然金刚石的抗压强度大约8600MPa，约为刚玉的3.5倍，硬质合金的1.5倍，钢的9倍。用于钻探的人造金刚石一般要求强度达2500MPa以上。

3）耐磨性

金刚石的弹性模量极大（8800MPa），在空气中与金属的摩擦系数小于0.1，所以具有极高的耐磨性，是刚玉的90倍，硬质合金的40～200倍，钢的2000～5000倍。用于钻探的人造金刚石聚晶体一般要求与中硬碳化硅砂轮的磨耗比在1∶30 000以上。

4）热性能

金刚石是热的良导体，它散热比硬质合金刃具快。金刚石的线膨胀系数很低，仅为硬质合金的1/4～1/5，钢的1/8～1/10，但随温度的升高而增长较快，这对金刚石钻头的包镶和使用产生不利影响。金刚石容易受到热损伤，虽然温度尚低于其燃烧温度，但金刚石的强度、耐磨性已受到严重影响。

金刚石作为钻头切削具也存在着明显的弱点：①它的脆性较大，遇到冲击载荷会出现碎裂；②热稳定性较差，在高温下遇氧便氧化并被转化为石墨，称为“石墨化”。因此，在金刚石工具的制造过程中，须隔氧，避免长时间受高温；在使用中，须避免承受冲击载荷并及时冷却切削刃，防止发生金刚石钻头烧钻事故。

6.4.1.3　钻探用金刚石的粒度和品级

1）钻探用金刚石的粒度

国际上通用的金刚石计量单位是克拉（carat）（1克拉=0.2g）。钻探用金刚石常用一克拉多少粒或用过筛网目数（每英寸长度内的网格数）“目”来衡量。

钻探用的金刚石粒度：

粗粒——5～20粒/克拉；

中粒——20～40粒/克拉；(www.xing528.com)

细粒——40～100粒/克拉；

粉粒——100～400粒/克拉。

其中，粗、中粒多用于表镶钻头和表镶扩孔器，细、粉粒多用于孕镶钻头和孕镶扩孔器，石油钻井表镶钻头常用0.5～15粒/克拉的金刚石。

金刚石颗粒的粒度与尺寸的对应关系见表6-11。

表6-11　金刚石颗粒的粒度与尺寸对照表

2）人造金刚石单晶

人造金刚石单晶是我国制造人造金刚石钻头的主要原料。用于钻探的国产人造金刚石单晶分级方法及性能指标如表6-12所示。

表6-12　国产钻探用人造金刚石单晶分级方法及性能指标

注：表中J—金刚石；R—人造金刚石；T—特级；Y—优质级；B—标准级。
其他要求：①等积形不低于80%；②连晶、聚晶体不超过3%；③高于强度规定值的颗粒不低于45%。

表6-12中提及的完整晶形、等积形、连晶、聚晶等形态的具体含义如下：

（1）完整晶形。晶面、晶棱清晰，晶体生长饱满；没有两个以上孪生或共生晶体；允许有1/4的缺角或蚀坑。

（2）等积形。晶体长轴与短轴之比不超过1.5∶1的为等积形。

（3）连晶。凡有两个以上晶面或晶棱的晶体及若干非完整晶体连生者为连晶。

（4）聚晶。许多微小的晶体无规则地聚合丛生称为聚晶。

3）人造金刚石聚晶

所谓“聚晶”是由许多细颗粒单晶在高温高压下烧结而成。聚晶中的晶粒呈无序排列，其硬度、耐磨性在各方向上相对接近，同时具有很好的断裂韧性。国内外在钻探工具中常用的人造金刚石聚晶材料有两种：一是在硬质合金衬垫底上烧结一层细粒人造聚晶金刚石，形成金刚石-硬质合金复合片（简称PDC），具有金刚石耐磨性高和硬质合金韧性好的优点，因此复合片具有很高的强度、耐热性和冲击韧性；二是利用人造金刚石微粉进行二次聚合，形成尺寸较大的圆柱形、圆锥形和三角形聚晶金刚石。金刚石聚晶体的特点是热稳定性好，可以耐1000～1100℃的高温，并可直接烧结成切削齿的形状，但耐磨性、抗冲击性较差。在PDC生产技术尚未成熟的一段时间内，这类产品在国内曾大量应用于石油、煤田及地质钻探，取代大颗粒天然金刚石表镶钻头。大颗粒聚晶还可用作钻头保径。

国内用磨耗比作为人造金刚石聚晶品级的分类依据。以借助JS-71A型磨耗比测定仪测得的PDC和砂轮失重量来确定PDC的磨耗比。虽然这种方法的检测误差较大，但仍是目前国内使用最广泛的聚晶分级依据。国产人造金刚石聚晶品级分类表见表6-13。

考虑到近年来PDC钻头已广泛应用于油气钻井和地质钻探，并取得优异的钻进效率和经济效益，所以把PDC钻头及其孔底碎岩过程单独列一节展开讨论。

表6-13　人造金刚石聚晶品级分类表