逆向工程在8½″扭冲钻头设计中的应用

张军锋，李晓军，张 欣

（西部钻探钻井工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

逆向工程在8½″扭冲钻头设计中的应用

张军锋，李晓军，张 欣

（西部钻探钻井工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

为了更好的解决我国玉门等油田区域硬质地层难钻的问题，扭力冲击钻井工具开始大量在现场应用，文章主要叙述了配合扭力冲击钻井的8½″扭冲钻头的逆向设计过程。本文的思路是采用Geomagic Design X软件来对国外某类型钻头进行逆向处理，从而建立钻头CAD参数化模型，并对模型偏差、曲率进行分析，从而合理的调整设计参数，最终获取钻头实体模型，后期建议采用Pro/ENGlNEER对钻头布齿进行了局部调整，并阐述了本钻头的主要特点。

硬质地层；逆向设计；扭冲钻头；钻头布齿

我国玉门油田作为一个开发了70年的老油田，对于钻井提速更加迫切，尤其是青西油田。青西提速难点主要表现在白垩系地层，30%的进尺耗用60%的钻井周期，有巨大潜力可挖。青西白垩系钻井难点主要表现在以下几个方面：①岩性硬脆、硬度大，最高达到6-8级，牙齿难以吃入地层；②裂缝发育，断层交汇，钻井液长时间对地层浸泡、掉块及井塌严重，遇阻划眼频繁，复杂事故多；③富含黄铁矿、砾石，对钻头磨损大。4200m以下白垩系井段PDC切削地层过程，受工艺工具影响，复合片出现脆性崩碎，造成快速损坏，单只钻头进尺少，机速下降快。面对玉门油田所存在的钻井难题，目前各种旋转冲击钻井工具以及扭力冲击钻井工具在玉门油田投入使用，本研究的目的是采用国际领先的Rapidform XOR软件对配合扭力冲击钻井的8½″扭冲钻头进行逆向重构，最终设计出配合扭力冲击器使用的刚体钻头，从而更大程度的提高扭力冲击钻井时的机械钻速，延长单次纯钻时间，并且本结构的钻头具有很好的可修复性。

配合本次设计的软件有Geomagic Design X软件以及Pro/ENGINEER软件。Geomagic Design X将通过扫描得到的3D钻头点云模型参数化实体模型，模型具有可编辑性，可将实体模型转化为Parasolid、STEP、IGES和STL，可在任何的CAD/CAM/CAE应用程序使用。通过扫描得到的点云模型在Geomagic Design X中创建完整的实体模型所消耗的时间比直接在CAD中设计消耗更少。

1 PDC钻头点云数据的处理

1.1 PDC钻头点云文件的导入及精简点云数据

Geomagic Design X采用实体和曲面建模技术，从PDC钻头从点云创建CAD模型和多边形网格，所得到的静态NURBS曲面可以被编辑（见图1）。

1.2 领域划分及面片拟合

对钻头点云进行领域划分的主要目的是得到独立的面片拟合区域，可以将点云划分为5刀翼以及钻头的本体，其中还需要对5刀翼的布齿位置的领域进行局部细化目的是得到齿的具体位置，另外需要划分钻头水眼所在的面片。领域划分对于面片拟合而言极为重要，需要采用过滤器将扫面的点云进行编辑和强化，将扫描出来的杂店进行删除、采样以及平滑操作，进而对得到的面片进行FEM（有限元）分析、加工、RP等。

1.3 特征曲线、边界曲线的拟合以及曲面的拟合

在已有点云的基础上提取关键截面的点云，并将关键点云进行拟合成曲线，然后由曲线进行三维拉伸、旋转、拔模、分割等操作生成三维体，对于曲面而言可以直接采用面片拟合的方式生成曲面，最后将曲面进行实体化（见图2）。

1.4 模型误差分析

图1 PDC钻头扫描结果

图2 采用曲面拟合的方式对模型进行重新构建

模型云图误差对比的目的是分析采用Geomagic Design X所得到的三维模型和原扫描数据之间的误差，包括曲率大小，本设计所得到的误差基本在-0.8-0之间，曲率变化基本在0-0.2之间。对于曲率不符合设计要求部分可以修改现有部件的设计参数，对于曲率检查主要原因是在进行曲面拟合时可能存在多个微小的褶皱面，可能引起后期编程障碍，并提高加工难度最终导致加工成本的提高，因此需要对细小部分进行认真分析，在满足钻头的功能实现性的基础上尽量的简化结构（见图3、图4）。

图3 PDC钻头逆向设计误差分析

图4 PDC钻头逆向设计曲率检查

2 切削齿调整原则

将所得到的钻头三维模型采用LiveTransfer（TM）命令导入到Pro/ENGINEER软件当中，并且对齿进行局部优化。布齿调整切削角具有以下原则：

2.1 切削齿的齿前角

PDC钻头的切削齿的前角对提高切削效率、保护切削齿、延长寿命，从而提高钻速起主要作用。普遍认为，齿前角减小能更有效地切削，相同钻压切削深度增加，机械钻速增加，但小齿前角的切削齿耐冲击的强度降低，遇较硬地层时易冲击损坏。相反，齿前角增大，切削齿在较硬地层中耐用，钻头寿命长，而机械钻速和切削效率下降。对于配合扭力冲击器使用的PDC钻头而言，在硬质地层使用时齿前角应较大以防止冲击引起的损坏。

2.2 切削齿的侧转角

PDC钻头切削齿布置的侧转角有利于钻头的清洗和岩屑的转移，岩屑被剪切下来时主动向（

）排屑槽及环形空间转移。侧转角对解决胶粘页岩、泥岩地层的泥包问题有良好作用。侧转角应是可变数，设计时可调整侧转角以加强钻头清洗及提高钻进效率（见表1）。

TE2

A

1671-3818（2016）10-0005-02