在PDC钻头的设计制造中，主要使用传统的测量工具(如钻头量规、角度尺、千分尺等)进行测绘，一般很难得到精细的模型；对PDC钻头的加工质量进行检验时，一般也是使用上述传统的测量工具，或者只进行目测检验。这些常规技术都存在精度低、效率不高、方法不系统等问题。三维扫描及逆向设计技术具有技术先进、精度和效率高等特点，近年来在工业制造领域得到越来越广泛的应用[1-2]。因此，将三维扫描及逆向设计技术应用于PDC钻头的设计制造及加工质量检验成为了当前的研究热点。国内一些学者也对其进行了初步研究和探讨[3-9]，不过截至目前尚无全面、系统化的研究成果。为此，笔者通过应用新型便携手持式三维扫描仪及相关设计软件，进行了PDC钻头逆向设计及改进、钻头体加工误差检验、钻头磨损分析及改进等工作，旨在拓宽三维扫描及逆向设计技术的应用范围，为PDC钻头的研制工作提供参考。
1 三维扫描及逆向设计技术简介三维扫描技术是指[10-11]，通过三维扫描仪测量空间物体表面点的三维坐标，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型的一种技术。该技术属于复杂外形高精度数据采集技术，具有自行定位、数据精确的特点，已广泛应用到建筑、船舶、汽车、大型复杂结构设计、模具制造等领域。
逆向设计一般是指[10-12]，对实物表面进行数据采集和处理后，利用可实现逆向三维造型设计的软件重新构造实物的三维CAD模型，并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。逆向设计通常应用于产品外观表面设计。逆向设计一般的流程如图 1所示。
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| 图 1 逆向设计的一般流程 Fig.1 General procedure of reverse design |
在PDC钻头的加工制造中，利用三维扫描技术可以得到钻头的三维模型，从而进行逆向设计及加工误差检验。PDC钻头的体积不算大，数据量也不多，适合使用便携手持式三维扫描仪。该类型的扫描仪无需外部定位系统，用户可以在扫描期间按自己需要的方式移动物体(动态参考)，而且周围环境的变化也不会影响数据采集的质量和精度，扫描的同时可以与计算机连接，将采集到的数据存储到计算机中，以便进行后处理。
对于PDC钻头的加工制造，利用逆向设计技术可以缩短设计周期、改进产品设计、通过实物重建丢失的模型文件等。在PDC钻头逆向设计中，最主要的问题是如何得到设计参数。这些参数一般包括切削齿、刀翼、水眼等的尺寸、位置及角度等，涉及到基准点、圆心、直线、圆、平面、圆柱体等不同类型的几何元素。基准点、圆心等属于特征点，属于最底层的几何元素。直线、圆属于特征曲线，平面、圆柱体等属于规则曲面。由于计算复杂，为了求取这些特征参数，一般需要借助于专业的逆向设计软件，先进行数据分块，将切削齿、刀翼、水眼等部位分割出来，然后对这些特征进行识别(可以是人机交互式的识别，也可以是软件自动识别)，再利用最小二乘法等数据拟合方法进行拟合[10-11]，得出所需要的设计参数，最后进行CAD模型重建，完成PDC钻头的逆向设计。
3 PDC钻头三维扫描及逆向设计步骤 3.1 钻头原型的选取进行PDC钻头的三维扫描及逆向设计时，需要根据现场实际先选取钻头原型。笔者选取一只使用过的ϕ215.9 mm五刀翼、ϕ16.0 mm复合片的胎体PDC钻头作为原型(如图 2所示)进行研究。该钻头已经使用过，且受到损伤，需要对其进行三维扫描，然后逆向设计还原出三维CAD模型，并根据现场使用情况进行相关改进，然后用于生产制造。
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| 图 2 选取的PDC钻头原型 Fig.2 PDC bit prototype |
使用便携手持式三维扫描仪，在钻头的非关键、光滑部位贴上扫描需要使用的面片，设置合适的分辨率和快门后进行扫描，得到初始的钻头模型(如图 3所示)。
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| 图 3 初始的PDC钻头模型 Fig.3 Initial PDC bit model |
初始的钻头模型由于存在无关网格、网格缺失、模型文件过大等问题，不能直接用于逆向设计，需要先进行预处理。使用三维逆向设计软件进行面片网格优化、裁切、简化、修补等操作，然后进行特征对齐，将初始坐标系转换成钻头设计需要的坐标系，以便于进行下一步的逆向设计。预处理后的模型如图 4所示。
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| 图 4 预处理后的PDC钻头模型 Fig.4 PDC bit model after pre-treatment |
为了得到精确的布齿数据，利用逆向设计软件，对钻头模型进行分割(即数据分块)，拾取切削齿位置，每个刀翼作为一个图层分别处理, 如图 5所示。
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| 图 5 PDC钻头模型分割处理示意 Fig.5 Segmentation processing of PDC bit model |
利用逆向设计软件对分割出的每个切削齿进行圆柱体拟合，拟合出切削齿所在的平面和圆。拾取圆心坐标(x，y，z)，然后进行进一步的坐标换算，得出平面布齿坐标(y，r)，其中y表示切削齿的定位高度，r表示切削齿的定位半径。根据这些平面布齿坐标绘制布齿图。因为有误差，需要进行微调。对钻头冠部、接头、水眼、水槽等部位进行同样的处理，测量相关尺寸，最终得到设计所需要的参数，包括钻头冠部轮廓、切削结构(布齿图、各个切削齿的角度等)、各个刀翼间的夹角、水力结构(水眼的直径、位置、角度)等，处理结果如图 6所示。
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| 图 6 PDC钻头参数逆向求取处理结果示意 Fig.6 Reverse processing results of PDC bit parameters |
原型钻头在现场使用过程中存在易泥包、耐磨性相对较差、钻速相对较低等问题，因此需要对其进行改进，包括增强耐磨性、加入防泥包设计、适当提高攻击性等。具体的改进措施有：
1) 冠部轮廓。内锥、外锥保留原型钻头的特征，保径加长10.0 mm，以增强钻头的耐磨性和稳定性。
2) 切削结构。主要从4个方面改进：布齿密度方面，相比原型钻头主切削齿不变，在主动保径部位增加2个齿，以提高耐磨性；后排齿直径13.0 mm，其与前排齿的高度差提高至2.0 mm(原型钻头为1.3 mm)，以提高钻头的攻击性；主切削齿出露高度提高至8.0 mm(原型钻头6.0 mm左右)，这样也可以适当提高钻头的攻击性；切削齿后倾角由心部15°向外逐渐增加到20°(原型钻头为15°)，以提高外侧齿的抗冲击性。
3) 水力设计。刀翼厚度相比原型钻头较薄，水槽采用大而深的排屑槽; 仍保留7个喷嘴，但采用不同直径的喷嘴进行组合，以保证井底钻井液为紊流流态，增强清洗能力，降低泥包概率。
4) 稳定性设计。为提高稳定性，采用5°螺旋刀翼(原型钻头为直刀翼，没有螺旋)，使切削齿不同时吃入地层。
逆向设计并改进后的钻头布齿如国7所示。
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| 图 7 逆向设计并改进后的钻头布齿 Fig.7 Cutter distribution after reverse design and improvement |
根据得到的钻头设计参数，使用三维设计软件绘制还原出三维模型。完成后，使用专业逆向设计检测软件(如Geomagic Control)对其进行误差分析(如图 8所示)。如果误差较大，返回模型阶段进行修改，直至误差减至要求的范围内。误差大小符合要求后，完成最终的逆向设计模型，如图 9所示。
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| 图 8 PDC钻头逆向设计模型3D误差分析 Fig.8 3D error analysis of PDC bit reverse design model |
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| 图 9 PDC钻头逆向设计最终模型 Fig.9 Final PDC bit reverse design model |
将逆向设计得到的PDC钻头模型用数控机床加工成钻头毛坯，对其进行三维扫描，然后将扫描的模型和设计模型进行误差比对。初次加工的毛坯与设计模型的误差分析如图 10所示。图 10中，中心齿孔颜色为橙色—红色，说明加工的齿孔比原设计模型的齿孔要小，通过调整数控机床相关参数后该问题得以解决，加工精度满足要求。
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| 图 10 PDC钻头毛坯加工精度检验 Fig.10 Machining accuracy test of PDC bit blank |
将逆向设计的ϕ215.9 mm五刀翼、ϕ16.0 mm复合片的PDC钻头在胜利油田盐22-B井试用后，利用三维扫描技术对其进行了磨损分析，然后根据分析结果进行了改进。截至目前，改进后的钻头已在胜利油田2口油井和长庆油田2口气井进行了应用，共应用4只钻头，相比同地区使用的原型钻头效果有明显提高。
4.1 钻头磨损分析及改进逆向设计的PDC钻头在盐22-B井进行试用时钻遇沙4段地层，进尺255.00 m，机械钻速6.46 m/h，试用前后的钻头如图 11所示。
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| 图 11 逆向设计PDC钻头试用前后的形貌 Fig.11 Pre/post field test morphology contrast of reverse designed PDC bit |
对试用后的钻头进行三维扫描，将扫描的模型和设计模型进行了对比，然后进行了体积磨损量分析[13]，磨损分析结果如图 12所示。
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| 图 12 PDC钻头磨损分析 Fig.12 PDC bit wear analysis |
从图 12可以看出，磨损主要集中在钻头肩部齿及保径部位(蓝色部分)。为进一步提高钻头性能，进行了针对性的改进：1)在磨损较集中的肩部齿等部位选用耐磨性和抗冲击性强的PDC复合片；2)增加保径堆焊层的厚度及强度，以增强耐磨性及耐冲蚀性；3)调整肩部齿的角度，增大磨损特别严重切削齿的角度，在没有布置后排齿的位置设置减震元件，以保护前排齿。
4.2 改进后钻头的使用效果改进后的PDC钻头分别在胜利油田2个地区和长庆油田2个地区进行了应用，应用情况见表 1。由表 1可知，应用逆向设计并进行改进后的PDC钻头，无论进尺还是机械钻速，都较原型钻头有很大提高，并且降低了发生泥包的概率。可见，将三维扫描及逆向设计技术应用于PDC钻头的设计制造，具有很好的效果。
| 序号 | 钻头 | 使用地区 | 使用井号 | 钻遇地层 | 进尺/m | 机械钻速/(m·h-1) | 是否泥包 |
| 1 | 原型钻头 | 胜利东辛 | 盐22-A | 沙4段 | 107.00 | 5.25 | 否 |
| 试验钻头 | 胜利东辛 | 盐22-B | 沙4段 | 255.00 | 6.46 | 否 | |
| 改进钻头 | 胜利东辛 | 盐22-C | 沙4段 | 341.00 | 6.89 | 否 | |
| 2 | 原型钻头 | 胜利桩西 | 桩169-A | 沙河街组、中生界 | 410.00 | 8.72 | 否 |
| 改进钻头 | 胜利桩西 | 桩169-B | 沙河街组、中生界 | 467.00 | 9.16 | 否 | |
| 3 | 原型钻头 | 长庆靖南 | G65-A | 刘家沟组、石千峰组 | 330.00 | 5.69 | 是 |
| 改进钻头 | 长庆靖南 | 高桥-B | 纸坊组、刘家沟组、石千峰组 | 502.00 | 6.88 | 否 | |
| 4 | 原型钻头 | 长庆宜川 | 宜-A | 纸坊组、和尚沟组、刘家沟组、石千峰组 | 820.00 | 10.00 | 是 |
| 改进钻头 | 长庆宜川 | 宜-B | 延长组、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组 | 1 108.00 | 15.61 | 否 |
1) 三维扫描及逆向设计技术作为先进的复杂外形数据采集及设计技术，完全可以应用于PDC钻头的加工制造，用来解决传统技术精度低、效率不高、方法不系统等问题，提高PDC钻头的研发制造水平。
2) 利用三维扫描技术，可以得到PDC钻头或钻头体毛坯的三维模型，用来进行逆向设计、钻头体加工误差检验、钻头磨损分析等工作；利用逆向设计技术，可以逆向得到相对应的PDC钻头CAD模型，用来优化改进PDC钻头设计，以缩短设计周期、提高PDC钻头现场应用水平。
3) 三维扫描及逆向设计技术在PDC钻头研制中的作用突出，用该技术设计制造的PDC钻头现场应用效果良好，建议推广应用。同时，为进一步提高扫描精度和逆向设计效率，建议开展更深入的研究。
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