姚長江

（大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163461）

1 概述

PDC鉆頭按冠部材料不同可以劃分成胎體式鉆頭和鋼體式鉆頭，胎體式是通過混合的鑄造碳化鎢粉、浸漬料、助熔劑、鐵粉等經(jīng)無壓浸潰燒結(jié)而成；鋼體式是采用合金鋼圓棒，通過數(shù)控加工成型。胎體式的表面質(zhì)量高、耐沖蝕性強、保徑效果好，唯一的難點在于制造工藝異常復雜致使其加工質(zhì)量難以得到有效保證。鋼體式的優(yōu)勢在于可數(shù)控加工復雜曲面及多水眼孔，制造成本低、精度高，質(zhì)量可控，易修復，適合市場化、大批量生產(chǎn)。近幾年國際原油價格不斷探底，各大油田鉆井開發(fā)由原來只注重進尺的提升轉(zhuǎn)而注重質(zhì)量的提升及成本的降低，對于鉆井鉆頭提出了新的要求，迫切需要開發(fā)出更快速高效的鉆頭，以此來提升鉆井效率、節(jié)約鉆井成本。國內(nèi)外知名的鉆頭生產(chǎn)廠家已經(jīng)針對制造成本更低、鉆井效率更高的鋼體鉆頭開展了系統(tǒng)的研究與推廣應用，形成了自己的鋼體鉆頭生產(chǎn)線和系列產(chǎn)品。

2 鋼體PDC鉆頭冠部設計

PDC鉆頭的設計主要工作在其冠部形狀與布齒的研究上，冠部形狀及其布齒的好壞直接影響鉆頭的鉆進的速度和使用壽命。

2.1 鋼體PDC鉆頭冠部剖面形狀

冠部的設計要考慮到鉆頭的破巖效率、壽命和穩(wěn)定性。冠部形狀分為三個部分：內(nèi)錐、冠頂和外錐。設計人員選擇剖面線內(nèi)錐部分絕大情況下都是直線，冠頂部分為圓弧結(jié)構(gòu)，外錐部分有直線或圓弧。設計冠部輪廓曲線的基本設計模式有“直線—圓弧—直線形”、“直線—圓弧形”和“直線—圓弧—圓弧形”。

2.2 直線—圓弧—圓弧形剖面設計及參數(shù)

本文選擇直線—圓弧—圓弧形剖面設計結(jié)構(gòu)，圖1為直線—圓弧—圓弧形剖面的示意圖，該剖面由直線及雙圓弧構(gòu)成，直線與內(nèi)圓弧相切，兩圓弧相切，外圓弧與冠部外徑相切。

圖1 直線—圓弧—圓弧形剖面設計圖

該剖面形狀可用如下公式表示：

上式中具體參數(shù)計算如下：

其中：

式中：DP——冠部外徑，mm；

R0——冠頂半徑，mm；

α——內(nèi)錐半角，（°）；

R1——內(nèi)圓弧半徑，mm；

R2——外圓弧半徑，mm；

R02——外圓弧圓也徑向坐標，mm；

H1、H2——內(nèi)、外錐高度，mm。

通過上述DP、R0、α、R1、R2五個參數(shù)，鉆頭的冠部剖面形狀可基本確立下來。DP、R0、α、R1、R2為鉆頭剖面的設計參數(shù)。一般鋼體鉆頭冠部外徑從110~445mm，內(nèi)錐半角為57°~78°。

根據(jù)選擇的鉆頭的剖面形狀，依據(jù)計算公式可計算出鉆頭的剖面形狀并對其進行相應的處理。

3 鋼體鉆頭冠部數(shù)控加工工藝

目前國內(nèi)外知名的鉆頭制造廠家，擁有獨立自主產(chǎn)權(quán)的鉆頭設計軟件、模擬、加工軟件及設備,實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM的數(shù)字一體化應用[1-2]。研發(fā)部進行鉆頭冠部剖面、布齒、水眼設計，Creo、UG等三維軟件進行建模，專業(yè)編程軟件進行刀路生成、程序仿真加工、生成NC代碼，生產(chǎn)車間采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心進行鉆頭整體加工制造。目前，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心購買成本比較高而且購買難度大，此外五軸加工中心的加工費用很高。因而，大部分制造廠家為了節(jié)省成本一般采用數(shù)控車床進行合金坯料的冠部毛坯加工，三軸數(shù)控銑床進行鉆頭排屑槽加工，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心進行鉆頭齒窩、合金保徑孔和水眼的加工，三維掃描設備對加工后的鉆頭進行掃描并生成模型，最后用三維檢測軟件將掃描模型與設計模型進行對比分析,驗證加工質(zhì)量，形成鋼體鉆頭數(shù)控加工生產(chǎn)流水線，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)制造。

3.1 鋼體鉆頭數(shù)控加工工藝分析

根據(jù)鋼體鉆頭的三維建模模型，結(jié)合鉆頭的高度、直徑等特征進行分析。直徑215.9mm鉆頭毛坯加工后的高度為253mm，最大直徑225mm。因此采用直徑為228mm，高度258mm合金鍛造圓棒料。具體的加工工藝方案如下：首先數(shù)控車床車削加工毛坯，其次三軸數(shù)控銑削排屑槽，最后五軸數(shù)控鉆銑齒窩和水眼，在保證加工質(zhì)量的情況下，盡量降低成本和提高效率。

3.2 鋼體鉆頭冠部數(shù)控車削加工

鋼體鉆頭冠部車削加工尺寸對后續(xù)三軸和五軸數(shù)控加工具有重要的影響，為了避免后續(xù)數(shù)控加工過程出現(xiàn)由于尺寸偏差引起的撞刀、干涉等事件，因此必須嚴格保證車削加工尺寸和精度。采用數(shù)控車床，三爪卡盤裝夾，工序為鉆孔—車下端回轉(zhuǎn)體—車上端曲面。鉆孔工步為外圓車刀平端面中心鉆打中心孔—鉆頭鉆孔—鏜刀鏜孔—測量檢驗。車下端回轉(zhuǎn)體工步為外圓車刀平端面—外圓車刀粗車輪廓—切槽刀車端面槽—切槽刀倒角—外圓車刀精車輪廓—測量檢驗。車上端曲面工步為掉頭裝夾—外圓車刀平端面—粗車外輪廓—精車外輪廓—測量檢驗。

3.3 鋼體鉆頭數(shù)控三軸加工

鋼體鉆頭可直接采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心進行排屑槽、齒窩、水眼加工，但是由于鉆頭在加工制造的過程中需要被去除的材料較多，因此鉆頭加工占機時間長，加工成本過大。通過完善三軸數(shù)控加工工藝及參數(shù)，可極大地提高鋼體鉆頭的加工效率，有效降低制造成本。鋼體鉆頭三軸數(shù)控加工工序普遍選擇定位槽銑削—粗銑排屑槽與刀翼—精銑排屑槽與刀翼—冠部中心粗、半精、精銑。粗加工一般采用切深大、進給低、轉(zhuǎn)速小的方式，刀路須保持平緩，不宜使用產(chǎn)生大量的空行程的偏置法，會造成加工效率特別低。為了更好維護機床的使用性能，必須要限制刀具的切深。精加工在高轉(zhuǎn)速、高進給的條件下，一次進刀完成工件的精加工工藝，精加工后的工件表面精度高、效率也較高。依據(jù)設備、刀具及設計參數(shù)，進給速率可選擇600~1200mm/min,轉(zhuǎn)速可選擇600~2000r/min。也有學者研究發(fā)現(xiàn)一種更為高效的冠部成型方法，無需進行排屑槽及刀翼—冠部中心的三軸粗精銑加工。

3.4 鋼體鉆頭數(shù)控五軸加工

數(shù)控三軸銑削后，再利用五軸數(shù)控加工中心進行水眼、齒窩及保徑孔復雜曲面的加工。四刀翼鋼體鉆頭五軸數(shù)控加工工序為齒窩銑削—齒窩鉆削—球刀鉆孔—銑刀銑孔—鉆頭鉆孔—銑刀精銑水眼。常規(guī)設計一般鉆頭刀翼間隔較小，鉆頭冠部中心位置的齒窩在加工時，可能會使刀具或主軸與其他刀翼發(fā)生碰撞，為改進此類設計加工弊端出現(xiàn)，有的學者在設計時將主刀翼連接，還有人提出一種單獨加工刀翼的策略。加工鉆頭水眼在鉆銑加工過程中存在偏離預定加工位置，為防止鉆頭在鉆孔時孔打偏，需要提前在加工位置用中心鉆加工導引孔，在導引孔的基礎(chǔ)上進行直徑為8~19mm齒窩孔的加工。

4 結(jié)論

(1)鋼體PDC鉆頭采用合金結(jié)構(gòu)鋼,無需使用如鑄造碳化鎢粉、銅鎳錳等有色金屬原材料，有效降低了鉆頭制造成本。

(2)鋼體PDC鉆頭冠部主體力學性能好,可以設計更加開放的刀翼空間及流道結(jié)構(gòu),從而提高機械鉆速和鉆井效率。

(3)鋼體PDC鉆頭的基體易于修復,在包井市場可以有效節(jié)約鉆井成本。

(4)鋼體PDC鉆頭采用CAD/CAM數(shù)字化設計和加工制造，縮短鉆頭研發(fā)、設計、生產(chǎn)周期，保證鉆頭產(chǎn)品質(zhì)量。