三维激光扫描技术在PDC钻头制造中的应用

王占伟

（大庆钻探工程公司钻技一公司，黑龙江大庆163461）

三维激光扫描技术在PDC钻头制造中的应用

王占伟*

（大庆钻探工程公司钻技一公司，黑龙江大庆163461）

三维激光扫描技术是最前沿的复杂外形数据采集技术，具有数据精确、自定位、多功能等特点,广泛应用到建筑、船舶设计、汽车设计、大型复杂结构设计等领域。PDC钻头设计技术要求较高，冠部形状及切削齿空间位置复杂，用一般的检测设备难以测量，给PDC钻头检验和制造带来很多不便。通过两种技术的完美结合，不但可以缩短PDC钻头的设计周期，而且还能提高PDC钻头的质量水平。

三维激光扫描；PDC钻头；数据模型；切削齿

随着油田开发进入中后期，对钻井成本的控制要求越来越高。PDC钻头具有使用寿命长、机械钻速快的特点，越来越多的应用到钻井作业中。在一些深井作业中，也开始使用PDC钻头代替牙轮钻头，因此对于PDC钻头的技术水平和质量稳定性提出了更高的挑战。三维激光扫描技术为最前沿的高新技术，将此技术应用到PDC钻头产品研发中，会大大地提高PDC钻头的技术含量和质量稳定性，具有很高的应用价值。

1　三维激光扫描的原理

手持激光扫描仪通过三角形测距法构建出3D图形：通过手持式装置，对待测物发射出激光光点或线性激光。以2个或2个以上的侦测器测量待测物的表面到手持激光装置的距离，通常还需要借助定位点用作扫描仪的空间定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据，会被导入电脑中，由软件转换成3D模型。手持式激光扫描仪，还会综合被动式扫描（可见光）获得的数据，构建出更完整的待测物3D模型。

2　三维激光扫描技术的特点

三维激光扫描生成精确、高重复性、高分辨率的3D数据（0.04～0.05mm），达到了机械制造行业对精度的一般要求。通过在扫描件表面粘贴激光反射定位贴片，可实现任意移动工件，而不影响扫描效果，可实现狭窄区域或复杂结构工件的扫描，而且不受工件尺寸大小、复杂程度、材质或者颜色的影响。

3　PDC钻头切削齿的设计特点

在PDC钻头设计过程中，最核心的内容是确定每个PDC齿的空间位置。PDC齿的空间位置由以下3个基本参数确定。法向角是指PDC齿轴线与钻头轴线的夹角；前倾角是指PDC齿工作面与PDC齿轴线的夹角；侧转角是指在垂直于PDC齿轴线PDC齿工作面与钻头半径平面的夹角。以上3个参数由钻头结构确定，其中法向角取决于钻头冠部轮廓和径向布置，而前倾角和侧转角由PDC切削齿的工作角度确定。

其中前倾角和侧转角是对PDC切削齿影响最大的2个结构角。前倾角决定切削齿破岩力的方向，合理的前倾角将提高PDC钻头的切削效率和使用寿命。侧转角则决定岩屑排出的方向，合理的侧转角有利于排屑，减小钻头泥包现象。

4　PDC钻头的设计周期

首先根据特定的地层状况如岩性、地层硬度等，设计出相适应的PDC钻头，然后加工制造，再后上井试验，最后对试验钻头进行磨损分析，这是一个设计循环。如果试验钻头磨损不正常，需要根据实际的磨损情况调整钻头设计，如调整PDC钻头切削齿的空间角度等参数，然后再进行试验。一般一种型号的钻头产品要经过几个循环才能定型，因此PDC钻头的设计周期比较长。

5　三维激光扫描技术的应用

5.1在PDC钻头设计中的应用

在PDC钻头设计循环链中，钻头上井实验后的磨损分析是设计更改的主要依据，也是整个设计成功与否的关键因素。传统的靠肉眼和经验的磨损分析很不科学，很可能忽视细节数据，造成误导设计更改，拉长了PDC钻头的设计周期。三维激光扫描技术应用到PDC钻头磨损分析上，改变了这种现状，使得磨损分析的数据准确而且全面，因此对PDC钻头各项技术参数的设计更改，就会事半功倍。

通过手持式三维激光扫描仪，先将未使用的新钻头进行三维扫描（图1所示），得到一个三维数据模型，即基础模型；再将上井试验后的PDC钻头进行三维扫描，得到钻头磨损后的三维数据模型，即试验模型；再将基础模型与试验模型进行拟合，得到对比模型。通过对比模型可以生成每个切削齿的偏差分布图和标准偏差图,，可以清楚地看到使用前后PDC钻头的磨损情况和对比数据，如图2所示。通过这些数据，可以有针对性的调整PDC钻头切削齿布置等设计参数，使PDC钻头更加适合实际的钻井工况。采用这种方法，2个设计循环就可以实现PDC钻头的定型。

图1　扫描成品钻头过程

例如，从A型号胎体PDC钻头完钻一口井后的磨损情况进行的扫描对比分析结果来看，有2个突出问题。问题一为一长刀翼切削齿基体冲蚀较大，数据显示，1号齿基体冲蚀量为0.59mm3,2号齿基体冲蚀量为1.8mm3，3号齿基体冲蚀量为2.1mm3，4号齿基体冲蚀量为0.48mm3，5号齿基体冲蚀量为0.39mm3.。问题二为内锥部位的切削齿磨损较重，6号齿磨损量为2.1mm3，7号齿磨损量为2.6mm3，8号齿磨损量为2.3mm3，9号齿磨损量为1.9mm3，其他部位的切削齿磨损量都小于1.5mm3。

图2　偏差分布

分析结果为2号和3号切削齿基体冲蚀量过大，属于非正常冲蚀。原因为1号喷嘴喷射角度设计不当，造成钻井液喷射过程中，切削齿基体受到过度冲蚀；6～9号齿的金刚石层磨损量过大，分析为内锥部位切削齿的前倾角设计不当，造成在切削过程中，切削齿金刚石层受到过度冲击。针对2个原因，对该喷嘴进行设计更改，将喷射角由25°改为23°；对内锥部位切削齿的前倾角进行设计更改，将前倾角由21°改为22°。设计更改后的钻头再次进行试验，扫描数据显示，问题刀翼5个主切削齿冲蚀量都低于0.5mm3，属于正常冲蚀；内锥部位切削齿磨损量都低于1.5mm3，属于正常磨损，该设计更改有效,提高了PDC钻头的使用寿命。

5.2在PDC钻头检验中的应用

PDC钻头对切削齿精度要求较高。如果制作过程中出现偏差，将会对PDC钻头的实际应用造成影响，主要影响钻头的机械钻速和使用寿命。但是由于PDC钻头造型比较复杂，在冠部加工制造过程中，很难用检测量具对其进行检测，因此出现偏差很难被发现，这将会造成制造出的PDC钻头与设计模型不一致，影响钻头的实际钻井效果。

三维激光扫描技术可以在CAD设计模型和实际生产零件之间快速准确且简单直观地进行图形比较，以便进行首件检验、在线检验或现场检验，并完成趋势分析和详尽评估报告，检验和审核工作可以在几个小时内完成，具体流程如图3所示。

图3　三维扫描检验流程图

应用三维激光扫描技术将PDC钻头钢体或者钻头模具进行扫描，得到三维数据，即实物模型，再将实物模型与设计模型进行对齐拟合，得到对比模型，通过软件可以标识出PDC钻头冠部任意位置的偏差值。通过数据可以看到PDC钻头成品或钻头模具与设计模型的差距。如果出现超差的PDC钻头切削齿空间位置等问题，可以有针对性地采取调换数控机床刀具或者改善模具成型工艺等措施，来保证钻头制造过程中的质量水平。

例如，扫描B型号胎体PDC钻头石墨阴模数控加工实物，经过对比分析发现全部的切削齿齿穴与设计模型存在差异，数据显示，主切削齿体积差1.75mm3，保径齿体积差1.62mm3。根据此情况分析，数控加工刀具长时间使用出现磨损，而数控编程过程中未考虑刀补，造成了加工的石墨阴模齿穴小于设计模型的齿穴。通过此发现，在数控编程中加入相应的刀具补偿，经过扫描检验工艺更改后的石墨阴模，数据显示，主切削齿体积差0.08mm3，保径齿体积差0.05mm3，属于正常公差，该工艺更改有效，提高了切削齿的空间位置精度。

6　结论

（1）在PDC钻头的设计循环中应用三维激光扫描技术，可以精确地分析试验钻头的磨损情况，通过对比模型可以生成钻头试验前后的磨损情况数据表，给进一步的设计更改提供了有效依据，可以大大地缩短PDC钻头的设计周期。

（2）在PDC钻头的检验过程中应用三维激光扫描技术，可以在钻头制造的关键工序，如胎体钻头制模或者钢体PDC钻头冠部加工过程中进行监控，通过设计模型与实物模型的对比，可以直观准确地发现工艺过程中出现的尺寸偏差，然后进行针对性的工艺改进，以提高PDC钻头的质量。

[1]杨丽，陈康民.PDC钻头布齿方法研究[J].石油机械，2005，33（4）.

TE921

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1004-5716(2015)07-0034-03

2014-07-18

2014-07-25

王占伟（1978-），男（汉族），吉林梅河口人，工程师，现从事PDC钻头的设计与制造技术工作。