三維激光掃描技術在PDC鉆頭制造中的應用

王占偉

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163461）

三維激光掃描技術在PDC鉆頭制造中的應用

王占偉*

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163461）

三維激光掃描技術是最前沿的復雜外形數據采集技術，具有數據精確、自定位、多功能等特點,廣泛應用到建筑、船舶設計、汽車設計、大型復雜結構設計等領域。PDC鉆頭設計技術要求較高，冠部形狀及切削齒空間位置復雜，用一般的檢測設備難以測量，給PDC鉆頭檢驗和制造帶來很多不便。通過兩種技術的完美結合，不但可以縮短PDC鉆頭的設計周期，而且還能提高PDC鉆頭的質量水平。

三維激光掃描；PDC鉆頭；數據模型；切削齒

隨著油田開發進入中后期，對鉆井成本的控制要求越來越高。PDC鉆頭具有使用壽命長、機械鉆速快的特點，越來越多的應用到鉆井作業中。在一些深井作業中，也開始使用PDC鉆頭代替牙輪鉆頭，因此對于PDC鉆頭的技術水平和質量穩定性提出了更高的挑戰。三維激光掃描技術為最前沿的高新技術，將此技術應用到PDC鉆頭產品研發中，會大大地提高PDC鉆頭的技術含量和質量穩定性，具有很高的應用價值。

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建出3D圖形：通過手持式裝置，對待測物發射出激光光點或線性激光。以2個或2個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用作掃描儀的空間定位及校準使用。這些掃描儀獲得的數據，會被導入電腦中，由軟件轉換成3D模型。手持式激光掃描儀，還會綜合被動式掃描（可見光）獲得的數據，構建出更完整的待測物3D模型。

2　三維激光掃描技術的特點

三維激光掃描生成精確、高重復性、高分辨率的3D數據（0.04～0.05mm），達到了機械制造行業對精度的一般要求。通過在掃描件表面粘貼激光反射定位貼片，可實現任意移動工件，而不影響掃描效果，可實現狹窄區域或復雜結構工件的掃描，而且不受工件尺寸大小、復雜程度、材質或者顏色的影響。

3　PDC鉆頭切削齒的設計特點

在PDC鉆頭設計過程中，最核心的內容是確定每個PDC齒的空間位置。PDC齒的空間位置由以下3個基本參數確定。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；側轉角是指在垂直于PDC齒軸線PDC齒工作面與鉆頭半徑平面的夾角。以上3個參數由鉆頭結構確定，其中法向角取決于鉆頭冠部輪廓和徑向布置，而前傾角和側轉角由PDC切削齒的工作角度確定。

其中前傾角和側轉角是對PDC切削齒影響最大的2個結構角。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。側轉角則決定巖屑排出的方向，合理的側轉角有利于排屑，減小鉆頭泥包現象。

4　PDC鉆頭的設計周期

首先根據特定的地層狀況如巖性、地層硬度等，設計出相適應的PDC鉆頭，然后加工制造，再后上井試驗，最后對試驗鉆頭進行磨損分析，這是一個設計循環。如果試驗鉆頭磨損不正常，需要根據實際的磨損情況調整鉆頭設計，如調整PDC鉆頭切削齒的空間角度等參數，然后再進行試驗。一般一種型號的鉆頭產品要經過幾個循環才能定型，因此PDC鉆頭的設計周期比較長。

5　三維激光掃描技術的應用

5.1在PDC鉆頭設計中的應用

在PDC鉆頭設計循環鏈中，鉆頭上井實驗后的磨損分析是設計更改的主要依據，也是整個設計成功與否的關鍵因素。傳統的靠肉眼和經驗的磨損分析很不科學，很可能忽視細節數據，造成誤導設計更改，拉長了PDC鉆頭的設計周期。三維激光掃描技術應用到PDC鉆頭磨損分析上，改變了這種現狀，使得磨損分析的數據準確而且全面，因此對PDC鉆頭各項技術參數的設計更改，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行三維掃描（圖1所示），得到一個三維數據模型，即基礎模型；再將上井試驗后的PDC鉆頭進行三維掃描，得到鉆頭磨損后的三維數據模型，即試驗模型；再將基礎模型與試驗模型進行擬合，得到對比模型。通過對比模型可以生成每個切削齒的偏差分布圖和標準偏差圖,，可以清楚地看到使用前后PDC鉆頭的磨損情況和對比數據，如圖2所示。通過這些數據，可以有針對性的調整PDC鉆頭切削齒布置等設計參數，使PDC鉆頭更加適合實際的鉆井工況。采用這種方法，2個設計循環就可以實現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行的掃描對比分析結果來看，有2個突出問題。問題一為一長刀翼切削齒基體沖蝕較大，數據顯示，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。原因為1號噴嘴噴射角度設計不當，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，分析為內錐部位切削齒的前傾角設計不當，造成在切削過程中，切削齒金剛石層受到過度沖擊。針對2個原因，對該噴嘴進行設計更改，將噴射角由25°改為23°；對內錐部位切削齒的前傾角進行設計更改，將前傾角由21°改為22°。設計更改后的鉆頭再次進行試驗，掃描數據顯示，問題刀翼5個主切削齒沖蝕量都低于0.5mm3，屬于正常沖蝕；內錐部位切削齒磨損量都低于1.5mm3，屬于正常磨損，該設計更改有效,提高了PDC鉆頭的使用壽命。

5.2在PDC鉆頭檢驗中的應用

PDC鉆頭對切削齒精度要求較高。如果制作過程中出現偏差，將會對PDC鉆頭的實際應用造成影響，主要影響鉆頭的機械鉆速和使用壽命。但是由于PDC鉆頭造型比較復雜，在冠部加工制造過程中，很難用檢測量具對其進行檢測，因此出現偏差很難被發現，這將會造成制造出的PDC鉆頭與設計模型不一致，影響鉆頭的實際鉆井效果。

三維激光掃描技術可以在CAD設計模型和實際生產零件之間快速準確且簡單直觀地進行圖形比較，以便進行首件檢驗、在線檢驗或現場檢驗，并完成趨勢分析和詳盡評估報告，檢驗和審核工作可以在幾個小時內完成，具體流程如圖3所示。

圖3　三維掃描檢驗流程圖

應用三維激光掃描技術將PDC鉆頭鋼體或者鉆頭模具進行掃描，得到三維數據，即實物模型，再將實物模型與設計模型進行對齊擬合，得到對比模型，通過軟件可以標識出PDC鉆頭冠部任意位置的偏差值。通過數據可以看到PDC鉆頭成品或鉆頭模具與設計模型的差距。如果出現超差的PDC鉆頭切削齒空間位置等問題，可以有針對性地采取調換數控機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量水平。

例如，掃描B型號胎體PDC鉆頭石墨陰模數控加工實物，經過對比分析發現全部的切削齒齒穴與設計模型存在差異，數據顯示，主切削齒體積差1.75mm3，保徑齒體積差1.62mm3。根據此情況分析，數控加工刀具長時間使用出現磨損，而數控編程過程中未考慮刀補，造成了加工的石墨陰模齒穴小于設計模型的齒穴。通過此發現，在數控編程中加入相應的刀具補償，經過掃描檢驗工藝更改后的石墨陰模，數據顯示，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　結論

（1）在PDC鉆頭的設計循環中應用三維激光掃描技術，可以精確地分析試驗鉆頭的磨損情況，通過對比模型可以生成鉆頭試驗前后的磨損情況數據表，給進一步的設計更改提供了有效依據，可以大大地縮短PDC鉆頭的設計周期。

（2）在PDC鉆頭的檢驗過程中應用三維激光掃描技術，可以在鉆頭制造的關鍵工序，如胎體鉆頭制模或者鋼體PDC鉆頭冠部加工過程中進行監控，通過設計模型與實物模型的對比，可以直觀準確地發現工藝過程中出現的尺寸偏差，然后進行針對性的工藝改進，以提高PDC鉆頭的質量。

[1]楊麗，陳康民.PDC鉆頭布齒方法研究[J].石油機械，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，現從事PDC鉆頭的設計與制造技術工作。