打穿万米深井的金刚钻——国产聚晶金刚石复合片（PDC）钻头
马氏体
02-23 05:26
2025年2月20日，中国石油宣布，我国首口万米科学探索井——深地塔科1井在地下10910米成功完钻（2025年1月5日），正式成为垂直深度亚洲第一、世界第二的深井，标志着我国登顶“地下珠峰”。
上天易，入地难。坚硬的岩层和高温高压的环境阻碍着人类向地下深处探索的步伐，我们为什么还要孜孜以求？
首先是因为地下深处蕴含着丰富的油气资源。
埋深超过4500米的深层、超过6000米的超深层油气资源占全国油气资源总量的34%，是维护能源安全的未来保障。塔里木盆地是我国陆上超深层油气资源开发的主战场，占我国陆上超深层油气资源总量50%以上。目前我国在塔里木盆地打成8000米以深井超300口，占全国的80%以上。中国石油塔里木油田的超深层油气年产量超2000万吨，占总产量比例超60%；2023年11月15日完钻的中国石化“深地工程”顺北油气田顺北3-3斜井深达9432米，是当时的亚洲陆上最深井。
塔里木盆地丰富的超深层油气资源来源于“厚重”的沉积历史。地质历史上，塔里木盆地曾多次在海域和陆地间转换，直至3000多万年前海水彻底退去，成为一片内陆盆地。盆地内沉积岩最厚可达15000米，记载着6亿多年来的沧海桑田。
深地塔科1井位于新疆阿克苏地区沙雅县的塔克拉玛干沙漠腹地，地质上属于北部坳陷（大致位于红色虚线圈内），拥有1万米以上深度的完整的沉积岩层。隆起和坳陷是盆地（地质学上的盆地指整体沉降而接受沉积物的区域）基底（地下深处古老的岩浆岩、变质岩基础）发生相对抬升和下降的次级区域。
向深地挺进就是在回溯亿万年的地质历史。深地塔科1井从地表向下打穿了12套地层，到达5.4亿年前的古生界寒武系。“界”和“系”是划分地层年代的两级单位，分别对应于地质时代的“代”和“纪”。沉积于震旦纪（又名埃迪卡拉纪，距今6.35亿~5.41亿年，新元古代的最后一个纪）到寒武纪远古海底的页岩、泥岩、碳酸盐岩是塔里木盆地深层油气资源的重要来源。
深地塔科1井肩负着科学探索和油气勘探的双重任务。通过测井（在井孔中使用仪器对地层进行测量）和录井（在井口对取出的岩石标本进行分析，左图为标本切片的显微照片），我国绘制出亚洲首份万米深度地质剖面图。更难能可贵的是，深地塔科1井从万米深地提取出完整的圆柱形岩芯（右图），从中找到了油气资源的痕迹，将推动超深层油气资源形成过程的理论研究和未来的开发。
目前世界上垂直深度最大的井是苏联在“科拉超深钻孔”的科学钻探项目中于1989年打出的12262米，但相较于地球6400千米的半径，我们对地下世界的了解还非常“肤浅”，连最外层的地壳（大陆地壳平均厚度33千米，海洋地壳平均厚度6千米）都还没打穿。地壳深处的岩石是构成大陆的古老基石，地幔构成了地球的绝大部分体积和质量，但我们对它们的了解仅能通过地质运动、火山活动带到地表的片羽吉光，或通过地震波、电磁、重力等提供的间接信息来推测。通过钻探直接获取地下更深处的样品具有诱人的科学前景，但也是对钻探技术的极限挑战。
俗话说“没有金钢钻，不揽瓷器活”，钻井就要依靠字面意义上的“金刚钻”。
石油钻井所用的钻头主要有牙轮钻头（右侧两个蓝色的）和PDC（聚晶金刚石复合片）钻头（左侧金色的）。
牙轮钻头中最典型的是三牙轮钻头。工作时牙轮旋转，切削齿交替接触岩石，通过压力、冲击、剪切的作用使岩石破碎，而自身的磨损比较小，适用于较硬的地层。切削齿是直接从牙轮毛坯上铣削出来的，或者是镶嵌到牙轮上的硬质合金齿。
PDC钻头上则镶嵌着人造金刚石制成的牙齿，随着钻头的旋转切削岩石。
PDC（聚晶金刚石复合片）是金刚石微粉与钨钴类硬质合金衬底在高温高压条件下烧结而成的复合超硬材料，其表面较薄的金刚石层具有极高的硬度、较高的耐磨性与导热性；硬质合金衬底具有较高的强度和一定的韧性，为金刚石层提供良好支撑，克服了金刚石受冲击易破损的问题，可谓强强联合。
金刚石微粉主要是由人造金刚石经过破碎、整形、提纯得到的微米级颗粒，仿佛一颗颗微小的利齿，镶嵌于钻头中啃开坚硬的岩层，亦或是在机床刀具上削铁如泥。
金刚石微粉与作为催化剂的金属钴混合，叠放在硬质合金衬底上，于8GPa（ 8万个大气压）、1500℃的高温下烧结。金属钴熔化，把金刚石表层的碳原子溶解。当液态钴中的碳浓度达到饱和，且环境条件满足金刚石的稳定性>石墨的稳定性时（金刚石在高温高压下更稳定），便重新析出金刚石。随着液态钴在金刚石颗粒间渗透，不断发生金刚石的溶解-析出过程，填充了颗粒的间隙，从而烧结成一个整体。硬质合金衬底是由金属钴粘结起来的碳化钨，在金刚石烧结的过程中也与金刚石相连。
烧结过程在六面顶压机中实现，即用六个压头均匀地向合成腔施加压力，高温则来源于合成腔内组装体的电阻热。这与高温高压法合成金刚石的过程是类似的。
然而，钴的热膨胀系数远大于金刚石，还会在一定条件下催化金刚石的石墨化，降低复合片的稳定性，因此合成出的复合片要经过酸洗或电解脱钴。
为了检验PDC的耐磨性，在重载性能试验机上，把PDC以数吨的压力压在旋转的花岗岩上，模拟PDC在井下破岩的工作状态。
PDC齿是用钎焊的方法连接到钢制钻头基体上的。这是考虑到PDC在七八百度以上有石墨化的倾向，必须控制焊接的温度。所谓钎焊是以熔点较低的金属作为钎料，熔化填充于焊件的间隙中，而焊件本身不发生熔化。用焊锡焊接电路板就是一种钎焊，而PDC钎焊常用的是银基钎料。
作为钻头上的核心切削元件，高端的聚晶金刚石复合片曾经长期受制于人，如今已取得突破。深地塔科1井在8000米以下深度使用的PDC钻头是由中国石化机械江钻公司（位于湖北武汉，是国内领先、亚洲最大的石油钻头制造商）自主研制的。
在万米深的地下，上千个大气压的巨大压力把岩石压得更加致密，而温度升高到200℃以上，使钻井变得极为艰难。深地塔科1井从地表打到5800米深度只换了3个钻头，每天最多能打五六百米，但在9000米以深每天只能打十多米，而且要打穿软（石膏）硬（燧石）交替的地层，对钻头的破岩性能、耐磨能力、抗冲击能力提出了极限挑战（上图是刚从地下提出的旧钻头，可见严重的磨损）。国产PDC钻头经受住了这最严苛的考验。
操纵金刚钻的12000米特深井自动化钻机更是一款大国重器，由中国石油宝石机械公司（位于陕西宝鸡）研制。井下的钻头是被钻杆带动旋转的，万米深井有1000多根钻杆首尾相接，自重超过350吨，需要钻机输出强大的扭矩才能驱动；上万米长的钻杆如面条般柔软，万米下的井孔如蚁穴般狭窄，需要高强度的钻杆，也需要高精度的控制。
从2023年5月30日开钻，仅仅279天（2024年3月4日），深地塔科1井就到达万米深度，但最后的910米却打了300多天。在这个过程中，我国攻克了超深层、超高温、超高压等难题，实现了大量工程技术测试，带动了深井工程技术的迭代升级。
紧随深地塔科1井的脚步，深地川科1井也于2023年7月20日在四川盆地西北部的广元市剑阁县开钻，设计井深10520米。四川盆地同样是一座古老而丰饶的深层、超深层油气资源宝库。
在开发油气资源的现实目标之外，超越“哀吾生之须臾，羡长江之无穷”的人类生命局限性，解读亿万年地质运动的沧海桑田，不也是一种科学的浪漫吗？
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“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。世上无难事，只要肯登攀。”除了“深地”，近年来我国在深空、深海探测领域也已取得举世瞩目的成就，请看：
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参考资料和主要素材来源：
中央电视台. 《经济半小时》 20240103 科技创新“深处”突破：挺进“地下珠峰”.
https://tv.cctv.com/2024/01/03/VIDE8gkxsfyeVIcRg9CEKIiy240103.shtml
中央电视台.《新闻直播间》20250221新疆 10910米！我国首口超万米科探井完钻.
中央电视台. 《朝闻天下》20240215我国首口万米深井即将钻穿油气盖层 国产金刚石钻头成万米破岩神器.
https://tv.cctv.com/2024/02/15/VIDEibcHloNHRbsYbA0ZI5Fo240215.shtml
中央电视台. 《远方的家》20210817行走海岸线（16） 万米钻杆 海下“穿针引线”..
https://tv.cctv.com/2021/08/17/VIDEvETfp03ytmJ27ntmDUQw210817.shtml
聂孟杰,裴夤崟,黄成志,等. PDC性能优化及其钎焊技术研究现状. 电焊机,2023,53(4):63-72.
朱培,卢灿华,张涛,等. 钻探用聚晶金刚石复合片的显微组织及性能. 金刚石与磨料磨具工程,2023,43(4):482-488.
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