PDC钻头三维扫描及逆向设计技术
张栋     
中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院, 山东东营 257000
摘要: 利用常规技术设计制造PDC钻头存在精度低、效率不高、方法不系统等问题,为解决该问题,研究应用了三维扫描及逆向设计技术。简单介绍了三维扫描及逆向设计技术,分析了PDC钻头三维扫描及逆向设计的方法及优点;以ϕ215.9 mm五刀翼、ϕ16.0 mm复合片的PDC钻头为例,介绍了PDC钻头三维扫描及逆向设计步骤。采用三维扫描及逆向设计技术设计制造的PDC钻头在现场进行了试验,并分析了其磨损情况,根据分析结果对钻头又进行了改进。改进后的钻头在胜利油田和长庆油田进行了应用,应用情况显示,无论进尺还是机械钻速,改进后的钻头都较原型钻头有很大提高,并降低了发生泥包的概率。研究结果表明,利用三维扫描及逆向设计技术可以优化PDC钻头设计、提高钻头体加工精度、精确分析钻头磨损情况等,从而提高PDC钻头的研制水平和应用效果。
关键词: PDC钻头     三维扫描     逆向设计     质量检验     现场应用    
3D Scanning and Reverse Design Technology of PDC Bit
ZHANG Dong     
Drilling Technology Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation, Dongying, Shandong, 257000, China
Abstract: The design and manufacturing of PDC bit using conventional techniques experienced some problems like low precision, low efficiency and absence of systematic method.In order to overcome such problems, 3D scanning and reverse design techniques were studied and applied.This paper introduced the 3D scanning and reverse design techniques and their applications, and analyzed their advantages in the development of PDC bit.Taking PDC bit with five blades of ϕ215.9 mm and ϕ16.0 mm composite chip as an example, this paper introduced the steps of PDC bit 3D scanning and reverse design and specific methods of each step.Field test of PDC bit designed and manufactured using such technique was conducted in a well, after which the wear condition of PDC bit was analyzed.Based on the analysis results, the bit was improved.The improved drill bit was applied in Shengli Oilfield and Changqing Oilfield.The application results showed that such bit had obvious improvement in footage and ROP compared with the prototype bit before reverse design, and the probability of bit balling was reduced as well.The results proved that the design of PDC bit could be optimized, the machining accuracy of bit body could be improved, and the wear condition of bit could be analyzed accurately by utilizing 3D scanning and reverse design techniques, which could also improve the research and application of PDC bit effectively.
Key words: PDC bit     3D scanning     reverse design     quality inspection     field application    

在PDC钻头的设计制造中,主要使用传统的测量工具(如钻头量规、角度尺、千分尺等)进行测绘,一般很难得到精细的模型;对PDC钻头的加工质量进行检验时,一般也是使用上述传统的测量工具,或者只进行目测检验。这些常规技术都存在精度低、效率不高、方法不系统等问题。三维扫描及逆向设计技术具有技术先进、精度和效率高等特点,近年来在工业制造领域得到越来越广泛的应用[1-2]。因此,将三维扫描及逆向设计技术应用于PDC钻头的设计制造及加工质量检验成为了当前的研究热点。国内一些学者也对其进行了初步研究和探讨[3-9],不过截至目前尚无全面、系统化的研究成果。为此,笔者通过应用新型便携手持式三维扫描仪及相关设计软件,进行了PDC钻头逆向设计及改进、钻头体加工误差检验、钻头磨损分析及改进等工作,旨在拓宽三维扫描及逆向设计技术的应用范围,为PDC钻头的研制工作提供参考。

1 三维扫描及逆向设计技术简介

三维扫描技术是指[10-11],通过三维扫描仪测量空间物体表面点的三维坐标,得到物体表面的点云信息,并转化为计算机可以直接处理的三维模型的一种技术。该技术属于复杂外形高精度数据采集技术,具有自行定位、数据精确的特点,已广泛应用到建筑、船舶、汽车、大型复杂结构设计、模具制造等领域。

逆向设计一般是指[10-12],对实物表面进行数据采集和处理后,利用可实现逆向三维造型设计的软件重新构造实物的三维CAD模型,并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。逆向设计通常应用于产品外观表面设计。逆向设计一般的流程如图 1所示。

图 1 逆向设计的一般流程 Fig.1 General procedure of reverse design
2 PDC钻头三维扫描及逆向设计方法

在PDC钻头的加工制造中,利用三维扫描技术可以得到钻头的三维模型,从而进行逆向设计及加工误差检验。PDC钻头的体积不算大,数据量也不多,适合使用便携手持式三维扫描仪。该类型的扫描仪无需外部定位系统,用户可以在扫描期间按自己需要的方式移动物体(动态参考),而且周围环境的变化也不会影响数据采集的质量和精度,扫描的同时可以与计算机连接,将采集到的数据存储到计算机中,以便进行后处理。

对于PDC钻头的加工制造,利用逆向设计技术可以缩短设计周期、改进产品设计、通过实物重建丢失的模型文件等。在PDC钻头逆向设计中,最主要的问题是如何得到设计参数。这些参数一般包括切削齿、刀翼、水眼等的尺寸、位置及角度等,涉及到基准点、圆心、直线、圆、平面、圆柱体等不同类型的几何元素。基准点、圆心等属于特征点,属于最底层的几何元素。直线、圆属于特征曲线,平面、圆柱体等属于规则曲面。由于计算复杂,为了求取这些特征参数,一般需要借助于专业的逆向设计软件,先进行数据分块,将切削齿、刀翼、水眼等部位分割出来,然后对这些特征进行识别(可以是人机交互式的识别,也可以是软件自动识别),再利用最小二乘法等数据拟合方法进行拟合[10-11],得出所需要的设计参数,最后进行CAD模型重建,完成PDC钻头的逆向设计。

3 PDC钻头三维扫描及逆向设计步骤 3.1 钻头原型的选取

进行PDC钻头的三维扫描及逆向设计时,需要根据现场实际先选取钻头原型。笔者选取一只使用过的ϕ215.9 mm五刀翼、ϕ16.0 mm复合片的胎体PDC钻头作为原型(如图 2所示)进行研究。该钻头已经使用过,且受到损伤,需要对其进行三维扫描,然后逆向设计还原出三维CAD模型,并根据现场使用情况进行相关改进,然后用于生产制造。

图 2 选取的PDC钻头原型 Fig.2 PDC bit prototype
3.2 钻头模型的建立

使用便携手持式三维扫描仪,在钻头的非关键、光滑部位贴上扫描需要使用的面片,设置合适的分辨率和快门后进行扫描,得到初始的钻头模型(如图 3所示)。

图 3 初始的PDC钻头模型 Fig.3 Initial PDC bit model

初始的钻头模型由于存在无关网格、网格缺失、模型文件过大等问题,不能直接用于逆向设计,需要先进行预处理。使用三维逆向设计软件进行面片网格优化、裁切、简化、修补等操作,然后进行特征对齐,将初始坐标系转换成钻头设计需要的坐标系,以便于进行下一步的逆向设计。预处理后的模型如图 4所示。

图 4 预处理后的PDC钻头模型 Fig.4 PDC bit model after pre-treatment
3.3 钻头模型的分割

为了得到精确的布齿数据,利用逆向设计软件,对钻头模型进行分割(即数据分块),拾取切削齿位置,每个刀翼作为一个图层分别处理, 如图 5所示。

图 5 PDC钻头模型分割处理示意 Fig.5 Segmentation processing of PDC bit model
3.4 钻头参数的逆向求取

利用逆向设计软件对分割出的每个切削齿进行圆柱体拟合,拟合出切削齿所在的平面和圆。拾取圆心坐标(xyz),然后进行进一步的坐标换算,得出平面布齿坐标(yr),其中y表示切削齿的定位高度,r表示切削齿的定位半径。根据这些平面布齿坐标绘制布齿图。因为有误差,需要进行微调。对钻头冠部、接头、水眼、水槽等部位进行同样的处理,测量相关尺寸,最终得到设计所需要的参数,包括钻头冠部轮廓、切削结构(布齿图、各个切削齿的角度等)、各个刀翼间的夹角、水力结构(水眼的直径、位置、角度)等,处理结果如图 6所示。

图 6 PDC钻头参数逆向求取处理结果示意 Fig.6 Reverse processing results of PDC bit parameters
3.5 钻头的改进措施

原型钻头在现场使用过程中存在易泥包、耐磨性相对较差、钻速相对较低等问题,因此需要对其进行改进,包括增强耐磨性、加入防泥包设计、适当提高攻击性等。具体的改进措施有:

1) 冠部轮廓。内锥、外锥保留原型钻头的特征,保径加长10.0 mm,以增强钻头的耐磨性和稳定性。

2) 切削结构。主要从4个方面改进:布齿密度方面,相比原型钻头主切削齿不变,在主动保径部位增加2个齿,以提高耐磨性;后排齿直径13.0 mm,其与前排齿的高度差提高至2.0 mm(原型钻头为1.3 mm),以提高钻头的攻击性;主切削齿出露高度提高至8.0 mm(原型钻头6.0 mm左右),这样也可以适当提高钻头的攻击性;切削齿后倾角由心部15°向外逐渐增加到20°(原型钻头为15°),以提高外侧齿的抗冲击性。

3) 水力设计。刀翼厚度相比原型钻头较薄,水槽采用大而深的排屑槽; 仍保留7个喷嘴,但采用不同直径的喷嘴进行组合,以保证井底钻井液为紊流流态,增强清洗能力,降低泥包概率。

4) 稳定性设计。为提高稳定性,采用5°螺旋刀翼(原型钻头为直刀翼,没有螺旋),使切削齿不同时吃入地层。

逆向设计并改进后的钻头布齿如国7所示。

图 7 逆向设计并改进后的钻头布齿 Fig.7 Cutter distribution after reverse design and improvement
3.6 误差分析及设计结果

根据得到的钻头设计参数,使用三维设计软件绘制还原出三维模型。完成后,使用专业逆向设计检测软件(如Geomagic Control)对其进行误差分析(如图 8所示)。如果误差较大,返回模型阶段进行修改,直至误差减至要求的范围内。误差大小符合要求后,完成最终的逆向设计模型,如图 9所示。

图 8 PDC钻头逆向设计模型3D误差分析 Fig.8 3D error analysis of PDC bit reverse design model
图 9 PDC钻头逆向设计最终模型 Fig.9 Final PDC bit reverse design model
3.7 毛坯检验

将逆向设计得到的PDC钻头模型用数控机床加工成钻头毛坯,对其进行三维扫描,然后将扫描的模型和设计模型进行误差比对。初次加工的毛坯与设计模型的误差分析如图 10所示。图 10中,中心齿孔颜色为橙色—红色,说明加工的齿孔比原设计模型的齿孔要小,通过调整数控机床相关参数后该问题得以解决,加工精度满足要求。

图 10 PDC钻头毛坯加工精度检验 Fig.10 Machining accuracy test of PDC bit blank
4 现场应用

将逆向设计的ϕ215.9 mm五刀翼、ϕ16.0 mm复合片的PDC钻头在胜利油田盐22-B井试用后,利用三维扫描技术对其进行了磨损分析,然后根据分析结果进行了改进。截至目前,改进后的钻头已在胜利油田2口油井和长庆油田2口气井进行了应用,共应用4只钻头,相比同地区使用的原型钻头效果有明显提高。

4.1 钻头磨损分析及改进

逆向设计的PDC钻头在盐22-B井进行试用时钻遇沙4段地层,进尺255.00 m,机械钻速6.46 m/h,试用前后的钻头如图 11所示。

图 11 逆向设计PDC钻头试用前后的形貌 Fig.11 Pre/post field test morphology contrast of reverse designed PDC bit

对试用后的钻头进行三维扫描,将扫描的模型和设计模型进行了对比,然后进行了体积磨损量分析[13],磨损分析结果如图 12所示。

图 12 PDC钻头磨损分析 Fig.12 PDC bit wear analysis

图 12可以看出,磨损主要集中在钻头肩部齿及保径部位(蓝色部分)。为进一步提高钻头性能,进行了针对性的改进:1)在磨损较集中的肩部齿等部位选用耐磨性和抗冲击性强的PDC复合片;2)增加保径堆焊层的厚度及强度,以增强耐磨性及耐冲蚀性;3)调整肩部齿的角度,增大磨损特别严重切削齿的角度,在没有布置后排齿的位置设置减震元件,以保护前排齿。

4.2 改进后钻头的使用效果

改进后的PDC钻头分别在胜利油田2个地区和长庆油田2个地区进行了应用,应用情况见表 1。由表 1可知,应用逆向设计并进行改进后的PDC钻头,无论进尺还是机械钻速,都较原型钻头有很大提高,并且降低了发生泥包的概率。可见,将三维扫描及逆向设计技术应用于PDC钻头的设计制造,具有很好的效果。

表 1 逆向设计钻头与原型钻头现场使用情况对比 Table 1 Field application comparison between prototype bit and reverse designed bit
序号 钻头 使用地区 使用井号 钻遇地层 进尺/m 机械钻速/(m·h-1) 是否泥包
1 原型钻头 胜利东辛 盐22-A 沙4段 107.00 5.25
试验钻头 胜利东辛 盐22-B 沙4段 255.00 6.46
改进钻头 胜利东辛 盐22-C 沙4段 341.00 6.89
2 原型钻头 胜利桩西 桩169-A 沙河街组、中生界 410.00 8.72
改进钻头 胜利桩西 桩169-B 沙河街组、中生界 467.00 9.16
3 原型钻头 长庆靖南 G65-A 刘家沟组、石千峰组 330.00 5.69
改进钻头 长庆靖南 高桥-B 纸坊组、刘家沟组、石千峰组 502.00 6.88
4 原型钻头 长庆宜川 宜-A 纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组 820.00 10.00
改进钻头 长庆宜川 宜-B 延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组 1 108.00 15.61
5 结论与建议

1) 三维扫描及逆向设计技术作为先进的复杂外形数据采集及设计技术,完全可以应用于PDC钻头的加工制造,用来解决传统技术精度低、效率不高、方法不系统等问题,提高PDC钻头的研发制造水平。

2) 利用三维扫描技术,可以得到PDC钻头或钻头体毛坯的三维模型,用来进行逆向设计、钻头体加工误差检验、钻头磨损分析等工作;利用逆向设计技术,可以逆向得到相对应的PDC钻头CAD模型,用来优化改进PDC钻头设计,以缩短设计周期、提高PDC钻头现场应用水平。

3) 三维扫描及逆向设计技术在PDC钻头研制中的作用突出,用该技术设计制造的PDC钻头现场应用效果良好,建议推广应用。同时,为进一步提高扫描精度和逆向设计效率,建议开展更深入的研究。

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文章信息

张栋
ZHANG Dong
PDC钻头三维扫描及逆向设计技术
3D Scanning and Reverse Design Technology of PDC Bit
石油钻探技术, 2018, 46(1): 62-67.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(1): 62-67.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018019

文章历史

收稿日期: 2017-08-23
改回日期: 2018-01-13

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