三維激光掃描技術(shù)在PDC鉆頭制造中的應(yīng)用

王占偉

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163461）

三維激光掃描技術(shù)在PDC鉆頭制造中的應(yīng)用

王占偉*

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163461）

三維激光掃描技術(shù)是最前沿的復(fù)雜外形數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有數(shù)據(jù)精確、自定位、多功能等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用到建筑、船舶設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。PDC鉆頭設(shè)計(jì)技術(shù)要求較高，冠部形狀及切削齒空間位置復(fù)雜，用一般的檢測設(shè)備難以測量，給PDC鉆頭檢驗(yàn)和制造帶來很多不便。通過兩種技術(shù)的完美結(jié)合，不但可以縮短PDC鉆頭的設(shè)計(jì)周期，而且還能提高PDC鉆頭的質(zhì)量水平。

三維激光掃描；PDC鉆頭；數(shù)據(jù)模型；切削齒

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，對鉆井成本的控制要求越來越高。PDC鉆頭具有使用壽命長、機(jī)械鉆速快的特點(diǎn)，越來越多的應(yīng)用到鉆井作業(yè)中。在一些深井作業(yè)中，也開始使用PDC鉆頭代替牙輪鉆頭，因此對于PDC鉆頭的技術(shù)水平和質(zhì)量穩(wěn)定性提出了更高的挑戰(zhàn)。三維激光掃描技術(shù)為最前沿的高新技術(shù)，將此技術(shù)應(yīng)用到PDC鉆頭產(chǎn)品研發(fā)中，會大大地提高PDC鉆頭的技術(shù)含量和質(zhì)量穩(wěn)定性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1　三維激光掃描的原理

手持激光掃描儀通過三角形測距法構(gòu)建出3D圖形：通過手持式裝置，對待測物發(fā)射出激光光點(diǎn)或線性激光。以2個(gè)或2個(gè)以上的偵測器測量待測物的表面到手持激光裝置的距離，通常還需要借助定位點(diǎn)用作掃描儀的空間定位及校準(zhǔn)使用。這些掃描儀獲得的數(shù)據(jù)，會被導(dǎo)入電腦中，由軟件轉(zhuǎn)換成3D模型。手持式激光掃描儀，還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出更完整的待測物3D模型。

2　三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

三維激光掃描生成精確、高重復(fù)性、高分辨率的3D數(shù)據(jù)（0.04～0.05mm），達(dá)到了機(jī)械制造行業(yè)對精度的一般要求。通過在掃描件表面粘貼激光反射定位貼片，可實(shí)現(xiàn)任意移動工件，而不影響掃描效果，可實(shí)現(xiàn)狹窄區(qū)域或復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的掃描，而且不受工件尺寸大小、復(fù)雜程度、材質(zhì)或者顏色的影響。

3　PDC鉆頭切削齒的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在PDC鉆頭設(shè)計(jì)過程中，最核心的內(nèi)容是確定每個(gè)PDC齒的空間位置。PDC齒的空間位置由以下3個(gè)基本參數(shù)確定。法向角是指PDC齒軸線與鉆頭軸線的夾角；前傾角是指PDC齒工作面與PDC齒軸線的夾角；側(cè)轉(zhuǎn)角是指在垂直于PDC齒軸線PDC齒工作面與鉆頭半徑平面的夾角。以上3個(gè)參數(shù)由鉆頭結(jié)構(gòu)確定，其中法向角取決于鉆頭冠部輪廓和徑向布置，而前傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角由PDC切削齒的工作角度確定。

其中前傾角和側(cè)轉(zhuǎn)角是對PDC切削齒影響最大的2個(gè)結(jié)構(gòu)角。前傾角決定切削齒破巖力的方向，合理的前傾角將提高PDC鉆頭的切削效率和使用壽命。側(cè)轉(zhuǎn)角則決定巖屑排出的方向，合理的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于排屑，減小鉆頭泥包現(xiàn)象。

4　PDC鉆頭的設(shè)計(jì)周期

首先根據(jù)特定的地層狀況如巖性、地層硬度等，設(shè)計(jì)出相適應(yīng)的PDC鉆頭，然后加工制造，再后上井試驗(yàn)，最后對試驗(yàn)鉆頭進(jìn)行磨損分析，這是一個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)。如果試驗(yàn)鉆頭磨損不正常，需要根據(jù)實(shí)際的磨損情況調(diào)整鉆頭設(shè)計(jì)，如調(diào)整PDC鉆頭切削齒的空間角度等參數(shù)，然后再進(jìn)行試驗(yàn)。一般一種型號的鉆頭產(chǎn)品要經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)才能定型，因此PDC鉆頭的設(shè)計(jì)周期比較長。

5　三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

5.1在PDC鉆頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在PDC鉆頭設(shè)計(jì)循環(huán)鏈中，鉆頭上井實(shí)驗(yàn)后的磨損分析是設(shè)計(jì)更改的主要依據(jù)，也是整個(gè)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的靠肉眼和經(jīng)驗(yàn)的磨損分析很不科學(xué)，很可能忽視細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，造成誤導(dǎo)設(shè)計(jì)更改，拉長了PDC鉆頭的設(shè)計(jì)周期。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到PDC鉆頭磨損分析上，改變了這種現(xiàn)狀，使得磨損分析的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而且全面，因此對PDC鉆頭各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)更改，就會事半功倍。

通過手持式三維激光掃描儀，先將未使用的新鉆頭進(jìn)行三維掃描（圖1所示），得到一個(gè)三維數(shù)據(jù)模型，即基礎(chǔ)模型；再將上井試驗(yàn)后的PDC鉆頭進(jìn)行三維掃描，得到鉆頭磨損后的三維數(shù)據(jù)模型，即試驗(yàn)?zāi)Ｐ停辉賹⒒A(chǔ)模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擬合，得到對比模型。通過對比模型可以生成每個(gè)切削齒的偏差分布圖和標(biāo)準(zhǔn)偏差圖,，可以清楚地看到使用前后PDC鉆頭的磨損情況和對比數(shù)據(jù)，如圖2所示。通過這些數(shù)據(jù)，可以有針對性的調(diào)整PDC鉆頭切削齒布置等設(shè)計(jì)參數(shù)，使PDC鉆頭更加適合實(shí)際的鉆井工況。采用這種方法，2個(gè)設(shè)計(jì)循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭的定型。

圖1　掃描成品鉆頭過程

例如，從A型號胎體PDC鉆頭完鉆一口井后的磨損情況進(jìn)行的掃描對比分析結(jié)果來看，有2個(gè)突出問題。問題一為一長刀翼切削齒基體沖蝕較大，數(shù)據(jù)顯示，1號齒基體沖蝕量為0.59mm3,2號齒基體沖蝕量為1.8mm3，3號齒基體沖蝕量為2.1mm3，4號齒基體沖蝕量為0.48mm3，5號齒基體沖蝕量為0.39mm3.。問題二為內(nèi)錐部位的切削齒磨損較重，6號齒磨損量為2.1mm3，7號齒磨損量為2.6mm3，8號齒磨損量為2.3mm3，9號齒磨損量為1.9mm3，其他部位的切削齒磨損量都小于1.5mm3。

圖2　偏差分布

分析結(jié)果為2號和3號切削齒基體沖蝕量過大，屬于非正常沖蝕。原因?yàn)?號噴嘴噴射角度設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成鉆井液噴射過程中，切削齒基體受到過度沖蝕；6～9號齒的金剛石層磨損量過大，分析為內(nèi)錐部位切削齒的前傾角設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成在切削過程中，切削齒金剛石層受到過度沖擊。針對2個(gè)原因，對該噴嘴進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，將噴射角由25°改為23°；對內(nèi)錐部位切削齒的前傾角進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，將前傾角由21°改為22°。設(shè)計(jì)更改后的鉆頭再次進(jìn)行試驗(yàn)，掃描數(shù)據(jù)顯示，問題刀翼5個(gè)主切削齒沖蝕量都低于0.5mm3，屬于正常沖蝕；內(nèi)錐部位切削齒磨損量都低于1.5mm3，屬于正常磨損，該設(shè)計(jì)更改有效,提高了PDC鉆頭的使用壽命。

5.2在PDC鉆頭檢驗(yàn)中的應(yīng)用

PDC鉆頭對切削齒精度要求較高。如果制作過程中出現(xiàn)偏差，將會對PDC鉆頭的實(shí)際應(yīng)用造成影響，主要影響鉆頭的機(jī)械鉆速和使用壽命。但是由于PDC鉆頭造型比較復(fù)雜，在冠部加工制造過程中，很難用檢測量具對其進(jìn)行檢測，因此出現(xiàn)偏差很難被發(fā)現(xiàn)，這將會造成制造出的PDC鉆頭與設(shè)計(jì)模型不一致，影響鉆頭的實(shí)際鉆井效果。

三維激光掃描技術(shù)可以在CAD設(shè)計(jì)模型和實(shí)際生產(chǎn)零件之間快速準(zhǔn)確且簡單直觀地進(jìn)行圖形比較，以便進(jìn)行首件檢驗(yàn)、在線檢驗(yàn)或現(xiàn)場檢驗(yàn)，并完成趨勢分析和詳盡評估報(bào)告，檢驗(yàn)和審核工作可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成，具體流程如圖3所示。

圖3　三維掃描檢驗(yàn)流程圖

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)將PDC鉆頭鋼體或者鉆頭模具進(jìn)行掃描，得到三維數(shù)據(jù)，即實(shí)物模型，再將實(shí)物模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對齊擬合，得到對比模型，通過軟件可以標(biāo)識出PDC鉆頭冠部任意位置的偏差值。通過數(shù)據(jù)可以看到PDC鉆頭成品或鉆頭模具與設(shè)計(jì)模型的差距。如果出現(xiàn)超差的PDC鉆頭切削齒空間位置等問題，可以有針對性地采取調(diào)換數(shù)控機(jī)床刀具或者改善模具成型工藝等措施，來保證鉆頭制造過程中的質(zhì)量水平。

例如，掃描B型號胎體PDC鉆頭石墨陰模數(shù)控加工實(shí)物，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)全部的切削齒齒穴與設(shè)計(jì)模型存在差異，數(shù)據(jù)顯示，主切削齒體積差1.75mm3，保徑齒體積差1.62mm3。根據(jù)此情況分析，數(shù)控加工刀具長時(shí)間使用出現(xiàn)磨損，而數(shù)控編程過程中未考慮刀補(bǔ)，造成了加工的石墨陰模齒穴小于設(shè)計(jì)模型的齒穴。通過此發(fā)現(xiàn)，在數(shù)控編程中加入相應(yīng)的刀具補(bǔ)償，經(jīng)過掃描檢驗(yàn)工藝更改后的石墨陰模，數(shù)據(jù)顯示，主切削齒體積差0.08mm3，保徑齒體積差0.05mm3，屬于正常公差，該工藝更改有效，提高了切削齒的空間位置精度。

6　結(jié)論

（1）在PDC鉆頭的設(shè)計(jì)循環(huán)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以精確地分析試驗(yàn)鉆頭的磨損情況，通過對比模型可以生成鉆頭試驗(yàn)前后的磨損情況數(shù)據(jù)表，給進(jìn)一步的設(shè)計(jì)更改提供了有效依據(jù)，可以大大地縮短PDC鉆頭的設(shè)計(jì)周期。

（2）在PDC鉆頭的檢驗(yàn)過程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以在鉆頭制造的關(guān)鍵工序，如胎體鉆頭制?；蛘咪擉wPDC鉆頭冠部加工過程中進(jìn)行監(jiān)控，通過設(shè)計(jì)模型與實(shí)物模型的對比，可以直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)工藝過程中出現(xiàn)的尺寸偏差，然后進(jìn)行針對性的工藝改進(jìn)，以提高PDC鉆頭的質(zhì)量。

[1]楊麗，陳康民.PDC鉆頭布齒方法研究[J].石油機(jī)械，2005，33（4）.

TE921

B

1004-5716(2015)07-0034-03

2014-07-18

2014-07-25

王占偉（1978-），男（漢族），吉林梅河口人，工程師，現(xiàn)從事PDC鉆頭的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)工作。