逆向工程在8?″扭沖鉆頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張軍鋒，李曉軍，張 欣

（西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

逆向工程在8?″扭沖鉆頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張軍鋒，李曉軍，張 欣

（西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

為了更好的解決我國(guó)玉門等油田區(qū)域硬質(zhì)地層難鉆的問題，扭力沖擊鉆井工具開始大量在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(shè)計(jì)過程。本文的思路是采用Geomagic Design X軟件來對(duì)國(guó)外某類型鉆頭進(jìn)行逆向處理，從而建立鉆頭CAD參數(shù)化模型，并對(duì)模型偏差、曲率進(jìn)行分析，從而合理的調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，最終獲取鉆頭實(shí)體模型，后期建議采用Pro/ENGlNEER對(duì)鉆頭布齒進(jìn)行了局部調(diào)整，并闡述了本鉆頭的主要特點(diǎn)。

硬質(zhì)地層；逆向設(shè)計(jì)；扭沖鉆頭；鉆頭布齒

我國(guó)玉門油田作為一個(gè)開發(fā)了70年的老油田，對(duì)于鉆井提速更加迫切，尤其是青西油田。青西提速難點(diǎn)主要表現(xiàn)在白堊系地層，30%的進(jìn)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(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①巖性硬脆、硬度大，最高達(dá)到6-8級(jí)，牙齒難以吃入地層；②裂縫發(fā)育，斷層交匯，鉆井液長(zhǎng)時(shí)間對(duì)地層浸泡、掉塊及井塌嚴(yán)重，遇阻劃眼頻繁，復(fù)雜事故多；③富含黃鐵礦、礫石，對(duì)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(fù)合片出現(xiàn)脆性崩碎，造成快速損壞，單只鉆頭進(jìn)尺少，機(jī)速下降快。面對(duì)玉門油田所存在的鉆井難題，目前各種旋轉(zhuǎn)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(guó)際領(lǐng)先的Rapidform XOR軟件對(duì)配合扭力沖擊鉆井的8?″扭沖鉆頭進(jìn)行逆向重構(gòu)，最終設(shè)計(jì)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(shí)的機(jī)械鉆速，延長(zhǎng)單次純鉆時(shí)間，并且本結(jié)構(gòu)的鉆頭具有很好的可修復(fù)性。

配合本次設(shè)計(jì)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(diǎn)云模型參數(shù)化實(shí)體模型，模型具有可編輯性，可將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為Parasolid、STEP、IGES和STL，可在任何的CAD/CAM/CAE應(yīng)用程序使用。通過掃描得到的點(diǎn)云模型在Geomagic Design X中創(chuàng)建完整的實(shí)體模型所消耗的時(shí)間比直接在CAD中設(shè)計(jì)消耗更少。

1 PDC鉆頭點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

1.1 PDC鉆頭點(diǎn)云文件的導(dǎo)入及精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

Geomagic Design X采用實(shí)體和曲面建模技術(shù)，從PDC鉆頭從點(diǎn)云創(chuàng)建CAD模型和多邊形網(wǎng)格，所得到的靜態(tài)NURBS曲面可以被編輯（見圖1）。

1.2 領(lǐng)域劃分及面片擬合

對(duì)鉆頭點(diǎn)云進(jìn)行領(lǐng)域劃分的主要目的是得到獨(dú)立的面片擬合區(qū)域，可以將點(diǎn)云劃分為5刀翼以及鉆頭的本體，其中還需要對(duì)5刀翼的布齒位置的領(lǐng)域進(jìn)行局部細(xì)化目的是得到齒的具體位置，另外需要?jiǎng)澐帚@頭水眼所在的面片。領(lǐng)域劃分對(duì)于面片擬合而言極為重要，需要采用過濾器將掃面的點(diǎn)云進(jìn)行編輯和強(qiáng)化，將掃描出來的雜店進(jìn)行刪除、采樣以及平滑操作，進(jìn)而對(duì)得到的面片進(jìn)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(diǎn)云的基礎(chǔ)上提取關(guān)鍵截面的點(diǎn)云，并將關(guān)鍵點(diǎn)云進(jìn)行擬合成曲線，然后由曲線進(jìn)行三維拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔模、分割等操作生成三維體，對(duì)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(jìn)行實(shí)體化（見圖2）。

1.4 模型誤差分析

圖1 PDC鉆頭掃描結(jié)果

圖2 采用曲面擬合的方式對(duì)模型進(jìn)行重新構(gòu)建

模型云圖誤差對(duì)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(shù)據(jù)之間的誤差，包括曲率大小，本設(shè)計(jì)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(duì)于曲率不符合設(shè)計(jì)要求部分可以修改現(xiàn)有部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于曲率檢查主要原因是在進(jìn)行曲面擬合時(shí)可能存在多個(gè)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(dǎo)致加工成本的提高，因此需要對(duì)細(xì)小部分進(jìn)行認(rèn)真分析，在滿足鉆頭的功能實(shí)現(xiàn)性的基礎(chǔ)上盡量的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)（見圖3、圖4）。

圖3 PDC鉆頭逆向設(shè)計(jì)誤差分析

圖4 PDC鉆頭逆向設(shè)計(jì)曲率檢查

2 切削齒調(diào)整原則

將所得到的鉆頭三維模型采用LiveTransfer（TM）命令導(dǎo)入到Pro/ENGINEER軟件當(dāng)中，并且對(duì)齒進(jìn)行局部?jī)?yōu)化。布齒調(diào)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(duì)提高切削效率、保護(hù)切削齒、延長(zhǎng)壽命，從而提高鉆速起主要作用。普遍認(rèn)為，齒前角減小能更有效地切削，相同鉆壓切削深度增加，機(jī)械鉆速增加，但小齒前角的切削齒耐沖擊的強(qiáng)度降低，遇較硬地層時(shí)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(zhǎng)，而機(jī)械鉆速和切削效率下降。對(duì)于配合扭力沖擊器使用的PDC鉆頭而言，在硬質(zhì)地層使用時(shí)齒前角應(yīng)較大以防止沖擊引起的損壞。

2.2 切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角

PDC鉆頭切削齒布置的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于鉆頭的清洗和巖屑的轉(zhuǎn)移，巖屑被剪切下來時(shí)主動(dòng)向（

）排屑槽及環(huán)形空間轉(zhuǎn)移。側(cè)轉(zhuǎn)角對(duì)解決膠粘頁巖、泥巖地層的泥包問題有良好作用。側(cè)轉(zhuǎn)角應(yīng)是可變數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)可調(diào)整側(cè)轉(zhuǎn)角以加強(qiáng)鉆頭清洗及提高鉆進(jìn)效率（見表1）。

TE2

A

1671-3818（2016）10-0005-02