PDC鉆頭三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)

張　棟

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

在PDC鉆頭的設(shè)計制造中，主要使用傳統(tǒng)的測量工具(如鉆頭量規(guī)、角度尺、千分尺等)進(jìn)行測繪，一般很難得到精細(xì)的模型；對PDC鉆頭的加工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)時，一般也是使用上述傳統(tǒng)的測量工具，或者只進(jìn)行目測檢驗(yàn)。這些常規(guī)技術(shù)都存在精度低、效率不高、方法不系統(tǒng)等問題。三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、精度和效率高等特點(diǎn)，近年來在工業(yè)制造領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。因此，將三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭的設(shè)計制造及加工質(zhì)量檢驗(yàn)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)一些學(xué)者也對其進(jìn)行了初步研究和探討[3-9]，不過截至目前尚無全面、系統(tǒng)化的研究成果。為此，筆者通過應(yīng)用新型便攜手持式三維掃描儀及相關(guān)設(shè)計軟件，進(jìn)行了PDC鉆頭逆向設(shè)計及改進(jìn)、鉆頭體加工誤差檢驗(yàn)、鉆頭磨損分析及改進(jìn)等工作，旨在拓寬三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用范圍，為PDC鉆頭的研制工作提供參考。

1　三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)簡介

三維掃描技術(shù)是指[10-11]，通過三維掃描儀測量空間物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，得到物體表面的點(diǎn)云信息，并轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以直接處理的三維模型的一種技術(shù)。該技術(shù)屬于復(fù)雜外形高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有自行定位、數(shù)據(jù)精確的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到建筑、船舶、汽車、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具制造等領(lǐng)域。

逆向設(shè)計一般是指[10-12]，對實(shí)物表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理后，利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計的軟件重新構(gòu)造實(shí)物的三維CAD模型，并進(jìn)一步用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。逆向設(shè)計通常應(yīng)用于產(chǎn)品外觀表面設(shè)計。逆向設(shè)計一般的流程如圖1所示。

圖1　逆向設(shè)計的一般流程Fig.1　General procedure of reverse design

2　PDC鉆頭三維掃描及逆向設(shè)計方法

在PDC鉆頭的加工制造中，利用三維掃描技術(shù)可以得到鉆頭的三維模型，從而進(jìn)行逆向設(shè)計及加工誤差檢驗(yàn)。PDC鉆頭的體積不算大，數(shù)據(jù)量也不多，適合使用便攜手持式三維掃描儀。該類型的掃描儀無需外部定位系統(tǒng)，用戶可以在掃描期間按自己需要的方式移動物體(動態(tài)參考)，而且周圍環(huán)境的變化也不會影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和精度，掃描的同時可以與計算機(jī)連接，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)中，以便進(jìn)行后處理。

對于PDC鉆頭的加工制造，利用逆向設(shè)計技術(shù)可以縮短設(shè)計周期、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、通過實(shí)物重建丟失的模型文件等。在PDC鉆頭逆向設(shè)計中，最主要的問題是如何得到設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)一般包括切削齒、刀翼、水眼等的尺寸、位置及角度等，涉及到基準(zhǔn)點(diǎn)、圓心、直線、圓、平面、圓柱體等不同類型的幾何元素?；鶞?zhǔn)點(diǎn)、圓心等屬于特征點(diǎn)，屬于最底層的幾何元素。直線、圓屬于特征曲線，平面、圓柱體等屬于規(guī)則曲面。由于計算復(fù)雜，為了求取這些特征參數(shù)，一般需要借助于專業(yè)的逆向設(shè)計軟件，先進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊，將切削齒、刀翼、水眼等部位分割出來，然后對這些特征進(jìn)行識別(可以是人機(jī)交互式的識別，也可以是軟件自動識別)，再利用最小二乘法等數(shù)據(jù)擬合方法進(jìn)行擬合[10-11]，得出所需要的設(shè)計參數(shù)，最后進(jìn)行CAD模型重建，完成PDC鉆頭的逆向設(shè)計。

3　PDC鉆頭三維掃描及逆向設(shè)計步驟

3.1　鉆頭原型的選取

進(jìn)行PDC鉆頭的三維掃描及逆向設(shè)計時，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際先選取鉆頭原型。筆者選取一只使用過的φ215.9 mm五刀翼、φ16.0 mm復(fù)合片的胎體PDC鉆頭作為原型(如圖2所示)進(jìn)行研究。該鉆頭已經(jīng)使用過，且受到損傷，需要對其進(jìn)行三維掃描，然后逆向設(shè)計還原出三維CAD模型，并根據(jù)現(xiàn)場使用情況進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，然后用于生產(chǎn)制造。

圖2　選取的PDC鉆頭原型Fig.2　PDC bit prototype

3.2　鉆頭模型的建立

使用便攜手持式三維掃描儀，在鉆頭的非關(guān)鍵、光滑部位貼上掃描需要使用的面片，設(shè)置合適的分辨率和快門后進(jìn)行掃描，得到初始的鉆頭模型(如圖3所示)。

圖3　初始的PDC鉆頭模型Fig.3　Initial PDC bit model

初始的鉆頭模型由于存在無關(guān)網(wǎng)格、網(wǎng)格缺失、模型文件過大等問題，不能直接用于逆向設(shè)計，需要先進(jìn)行預(yù)處理。使用三維逆向設(shè)計軟件進(jìn)行面片網(wǎng)格優(yōu)化、裁切、簡化、修補(bǔ)等操作，然后進(jìn)行特征對齊，將初始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成鉆頭設(shè)計需要的坐標(biāo)系，以便于進(jìn)行下一步的逆向設(shè)計。預(yù)處理后的模型如圖4所示。

圖4　預(yù)處理后的PDC鉆頭模型Fig.4　PDC bit model after pre-treatment

3.3　鉆頭模型的分割

為了得到精確的布齒數(shù)據(jù)，利用逆向設(shè)計軟件，對鉆頭模型進(jìn)行分割(即數(shù)據(jù)分塊)，拾取切削齒位置，每個刀翼作為一個圖層分別處理,如圖5所示。

圖5　PDC鉆頭模型分割處理示意Fig.5　Segmentation processing of PDC bit model

3.4　鉆頭參數(shù)的逆向求取

利用逆向設(shè)計軟件對分割出的每個切削齒進(jìn)行圓柱體擬合，擬合出切削齒所在的平面和圓。拾取圓心坐標(biāo)(x，y，z)，然后進(jìn)行進(jìn)一步的坐標(biāo)換算，得出平面布齒坐標(biāo)(y，r)，其中y表示切削齒的定位高度，r表示切削齒的定位半徑。根據(jù)這些平面布齒坐標(biāo)繪制布齒圖。因?yàn)橛姓`差，需要進(jìn)行微調(diào)。對鉆頭冠部、接頭、水眼、水槽等部位進(jìn)行同樣的處理，測量相關(guān)尺寸，最終得到設(shè)計所需要的參數(shù)，包括鉆頭冠部輪廓、切削結(jié)構(gòu)(布齒圖、各個切削齒的角度等)、各個刀翼間的夾角、水力結(jié)構(gòu)(水眼的直徑、位置、角度)等，處理結(jié)果如圖6所示。

3.5　鉆頭的改進(jìn)措施

原型鉆頭在現(xiàn)場使用過程中存在易泥包、耐磨性相對較差、鉆速相對較低等問題，因此需要對其進(jìn)行改進(jìn)，包括增強(qiáng)耐磨性、加入防泥包設(shè)計、適當(dāng)提高攻擊性等。具體的改進(jìn)措施有：

圖6　PDC鉆頭參數(shù)逆向求取處理結(jié)果示意Fig.6　Reverse processing results of PDC bit parameters

1) 冠部輪廓。內(nèi)錐、外錐保留原型鉆頭的特征，保徑加長10.0 mm，以增強(qiáng)鉆頭的耐磨性和穩(wěn)定性。

2) 切削結(jié)構(gòu)。主要從4個方面改進(jìn)：布齒密度方面，相比原型鉆頭主切削齒不變，在主動保徑部位增加2個齒，以提高耐磨性；后排齒直徑13.0 mm，其與前排齒的高度差提高至2.0 mm(原型鉆頭為1.3 mm)，以提高鉆頭的攻擊性；主切削齒出露高度提高至8.0 mm(原型鉆頭6.0 mm左右)，這樣也可以適當(dāng)提高鉆頭的攻擊性；切削齒后傾角由心部15°向外逐漸增加到20°(原型鉆頭為15°)，以提高外側(cè)齒的抗沖擊性。

3) 水力設(shè)計。刀翼厚度相比原型鉆頭較薄，水槽采用大而深的排屑槽;仍保留7個噴嘴，但采用不同直徑的噴嘴進(jìn)行組合，以保證井底鉆井液為紊流流態(tài)，增強(qiáng)清洗能力，降低泥包概率。

4) 穩(wěn)定性設(shè)計。為提高穩(wěn)定性，采用5°螺旋刀翼(原型鉆頭為直刀翼，沒有螺旋)，使切削齒不同時吃入地層。

逆向設(shè)計并改進(jìn)后的鉆頭布齒如國7所示。

圖7　逆向設(shè)計并改進(jìn)后的鉆頭布齒Fig.7　Cutter distribution after reverse design and improvement

3.6　誤差分析及設(shè)計結(jié)果

根據(jù)得到的鉆頭設(shè)計參數(shù)，使用三維設(shè)計軟件繪制還原出三維模型。完成后，使用專業(yè)逆向設(shè)計檢測軟件(如Geomagic Control)對其進(jìn)行誤差分析(如圖8所示)。如果誤差較大，返回模型階段進(jìn)行修改，直至誤差減至要求的范圍內(nèi)。誤差大小符合要求后，完成最終的逆向設(shè)計模型，如圖9所示。

圖8　PDC鉆頭逆向設(shè)計模型3D誤差分析Fig.8　3D error analysis of PDC bit reverse design model

圖9　PDC鉆頭逆向設(shè)計最終模型Fig.9　Final PDC bit reverse design model

3.7　毛坯檢驗(yàn)

將逆向設(shè)計得到的PDC鉆頭模型用數(shù)控機(jī)床加工成鉆頭毛坯，對其進(jìn)行三維掃描，然后將掃描的模型和設(shè)計模型進(jìn)行誤差比對。初次加工的毛坯與設(shè)計模型的誤差分析如圖10所示。圖10中，中心齒孔顏色為橙色—紅色，說明加工的齒孔比原設(shè)計模型的齒孔要小，通過調(diào)整數(shù)控機(jī)床相關(guān)參數(shù)后該問題得以解決，加工精度滿足要求。

圖10　PDC鉆頭毛坯加工精度檢驗(yàn)Fig.10　Machining accuracy test of PDC bit blank

4　現(xiàn)場應(yīng)用

將逆向設(shè)計的φ215.9 mm五刀翼、φ16.0 mm復(fù)合片的PDC鉆頭在勝利油田鹽22-B井試用后，利用三維掃描技術(shù)對其進(jìn)行了磨損分析，然后根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)。截至目前，改進(jìn)后的鉆頭已在勝利油田2口油井和長慶油田2口氣井進(jìn)行了應(yīng)用，共應(yīng)用4只鉆頭，相比同地區(qū)使用的原型鉆頭效果有明顯提高。

4.1　鉆頭磨損分析及改進(jìn)

逆向設(shè)計的PDC鉆頭在鹽22-B井進(jìn)行試用時鉆遇沙4段地層，進(jìn)尺255.00 m，機(jī)械鉆速6.46 m/h，試用前后的鉆頭如圖11所示。

圖11　逆向設(shè)計PDC鉆頭試用前后的形貌Fig.11　Pre/post field test morphology contrast of reverse designed PDC bit

對試用后的鉆頭進(jìn)行三維掃描，將掃描的模型和設(shè)計模型進(jìn)行了對比，然后進(jìn)行了體積磨損量分析[13]，磨損分析結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出，磨損主要集中在鉆頭肩部齒及保徑部位(藍(lán)色部分)。為進(jìn)一步提高鉆頭性能，進(jìn)行了針對性的改進(jìn)：1)在磨損較集中的肩部齒等部位選用耐磨性和抗沖擊性強(qiáng)的PDC復(fù)合片；2)增加保徑堆焊層的厚度及強(qiáng)度，以增強(qiáng)耐磨性及耐沖蝕性；3)調(diào)整肩部齒的角度，增大磨損特別嚴(yán)重切削齒的角度，在沒有布置后排齒的位置設(shè)置減震元件，以保護(hù)前排齒。

圖12　PDC鉆頭磨損分析Fig.12　PDC bit wear analysis

4.2　改進(jìn)后鉆頭的使用效果

改進(jìn)后的PDC鉆頭分別在勝利油田2個地區(qū)和長慶油田2個地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用情況見表1。

由表1可知，應(yīng)用逆向設(shè)計并進(jìn)行改進(jìn)后的PDC鉆頭，無論進(jìn)尺還是機(jī)械鉆速，都較原型鉆頭有很大提高，并且降低了發(fā)生泥包的概率?？梢?，將三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭的設(shè)計制造，具有很好的效果。

表1　逆向設(shè)計鉆頭與原型鉆頭現(xiàn)場使用情況對比Table 1　Field application comparison between prototype bit and reverse designed bit

5　結(jié)論與建議

1) 三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)作為先進(jìn)的復(fù)雜外形數(shù)據(jù)采集及設(shè)計技術(shù)，完全可以應(yīng)用于PDC鉆頭的加工制造，用來解決傳統(tǒng)技術(shù)精度低、效率不高、方法不系統(tǒng)等問題，提高PDC鉆頭的研發(fā)制造水平。

2) 利用三維掃描技術(shù)，可以得到PDC鉆頭或鉆頭體毛坯的三維模型，用來進(jìn)行逆向設(shè)計、鉆頭體加工誤差檢驗(yàn)、鉆頭磨損分析等工作；利用逆向設(shè)計技術(shù)，可以逆向得到相對應(yīng)的PDC鉆頭CAD模型，用來優(yōu)化改進(jìn)PDC鉆頭設(shè)計，以縮短設(shè)計周期、提高PDC鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用水平。

3) 三維掃描及逆向設(shè)計技術(shù)在PDC鉆頭研制中的作用突出，用該技術(shù)設(shè)計制造的PDC鉆頭現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，建議推廣應(yīng)用。同時，為進(jìn)一步提高掃描精度和逆向設(shè)計效率，建議開展更深入的研究。

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