逆向工程在8?″扭沖鉆頭設計中的應用

張軍鋒，李曉軍，張 欣

（西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

逆向工程在8?″扭沖鉆頭設計中的應用

張軍鋒，李曉軍，張 欣

（西部鉆探鉆井工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

為了更好的解決我國玉門等油田區域硬質地層難鉆的問題，扭力沖擊鉆井工具開始大量在現場應用，文章主要敘述了配合扭力沖擊鉆井的8?″扭沖鉆頭的逆向設計過程。本文的思路是采用Geomagic Design X軟件來對國外某類型鉆頭進行逆向處理，從而建立鉆頭CAD參數化模型，并對模型偏差、曲率進行分析，從而合理的調整設計參數，最終獲取鉆頭實體模型，后期建議采用Pro/ENGlNEER對鉆頭布齒進行了局部調整，并闡述了本鉆頭的主要特點。

硬質地層；逆向設計；扭沖鉆頭；鉆頭布齒

我國玉門油田作為一個開發了70年的老油田，對于鉆井提速更加迫切，尤其是青西油田。青西提速難點主要表現在白堊系地層，30%的進尺耗用60%的鉆井周期，有巨大潛力可挖。青西白堊系鉆井難點主要表現在以下幾個方面：①巖性硬脆、硬度大，最高達到6-8級，牙齒難以吃入地層；②裂縫發育，斷層交匯，鉆井液長時間對地層浸泡、掉塊及井塌嚴重，遇阻劃眼頻繁，復雜事故多；③富含黃鐵礦、礫石，對鉆頭磨損大。4200m以下白堊系井段PDC切削地層過程，受工藝工具影響，復合片出現脆性崩碎，造成快速損壞，單只鉆頭進尺少，機速下降快。面對玉門油田所存在的鉆井難題，目前各種旋轉沖擊鉆井工具以及扭力沖擊鉆井工具在玉門油田投入使用，本研究的目的是采用國際領先的Rapidform XOR軟件對配合扭力沖擊鉆井的8?″扭沖鉆頭進行逆向重構，最終設計出配合扭力沖擊器使用的剛體鉆頭，從而更大程度的提高扭力沖擊鉆井時的機械鉆速，延長單次純鉆時間，并且本結構的鉆頭具有很好的可修復性。

配合本次設計的軟件有Geomagic Design X軟件以及Pro/ENGINEER軟件。Geomagic Design X將通過掃描得到的3D鉆頭點云模型參數化實體模型，模型具有可編輯性，可將實體模型轉化為Parasolid、STEP、IGES和STL，可在任何的CAD/CAM/CAE應用程序使用。通過掃描得到的點云模型在Geomagic Design X中創建完整的實體模型所消耗的時間比直接在CAD中設計消耗更少。

1 PDC鉆頭點云數據的處理

1.1 PDC鉆頭點云文件的導入及精簡點云數據

Geomagic Design X采用實體和曲面建模技術，從PDC鉆頭從點云創建CAD模型和多邊形網格，所得到的靜態NURBS曲面可以被編輯（見圖1）。

1.2 領域劃分及面片擬合

對鉆頭點云進行領域劃分的主要目的是得到獨立的面片擬合區域，可以將點云劃分為5刀翼以及鉆頭的本體，其中還需要對5刀翼的布齒位置的領域進行局部細化目的是得到齒的具體位置，另外需要劃分鉆頭水眼所在的面片。領域劃分對于面片擬合而言極為重要，需要采用過濾器將掃面的點云進行編輯和強化，將掃描出來的雜店進行刪除、采樣以及平滑操作，進而對得到的面片進行FEM（有限元）分析、加工、RP等。

1.3 特征曲線、邊界曲線的擬合以及曲面的擬合

在已有點云的基礎上提取關鍵截面的點云，并將關鍵點云進行擬合成曲線，然后由曲線進行三維拉伸、旋轉、拔模、分割等操作生成三維體，對于曲面而言可以直接采用面片擬合的方式生成曲面，最后將曲面進行實體化（見圖2）。

1.4 模型誤差分析

圖1 PDC鉆頭掃描結果

圖2 采用曲面擬合的方式對模型進行重新構建

模型云圖誤差對比的目的是分析采用Geomagic Design X所得到的三維模型和原掃描數據之間的誤差，包括曲率大小，本設計所得到的誤差基本在-0.8-0之間，曲率變化基本在0-0.2之間。對于曲率不符合設計要求部分可以修改現有部件的設計參數，對于曲率檢查主要原因是在進行曲面擬合時可能存在多個微小的褶皺面，可能引起后期編程障礙，并提高加工難度最終導致加工成本的提高，因此需要對細小部分進行認真分析，在滿足鉆頭的功能實現性的基礎上盡量的簡化結構（見圖3、圖4）。

圖3 PDC鉆頭逆向設計誤差分析

圖4 PDC鉆頭逆向設計曲率檢查

2 切削齒調整原則

將所得到的鉆頭三維模型采用LiveTransfer（TM）命令導入到Pro/ENGINEER軟件當中，并且對齒進行局部優化。布齒調整切削角具有以下原則：

2.1 切削齒的齒前角

PDC鉆頭的切削齒的前角對提高切削效率、保護切削齒、延長壽命，從而提高鉆速起主要作用。普遍認為，齒前角減小能更有效地切削，相同鉆壓切削深度增加，機械鉆速增加，但小齒前角的切削齒耐沖擊的強度降低，遇較硬地層時易沖擊損壞。相反，齒前角增大，切削齒在較硬地層中耐用，鉆頭壽命長，而機械鉆速和切削效率下降。對于配合扭力沖擊器使用的PDC鉆頭而言，在硬質地層使用時齒前角應較大以防止沖擊引起的損壞。

2.2 切削齒的側轉角

PDC鉆頭切削齒布置的側轉角有利于鉆頭的清洗和巖屑的轉移，巖屑被剪切下來時主動向（

）排屑槽及環形空間轉移。側轉角對解決膠粘頁巖、泥巖地層的泥包問題有良好作用。側轉角應是可變數，設計時可調整側轉角以加強鉆頭清洗及提高鉆進效率（見表1）。

TE2

A

1671-3818（2016）10-0005-02