3D打印技术在石油钻头中的应用探究.pdf
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1、首都师范大学学报(自然科学版)Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition)No.6Dec.,2023第 44卷第 6期2023年 12月DOI:10.19789/j.1004-9398.2023.06.008文献引用:刘八仙.3D 打印技术在石油钻头中的应用探究 J.首都师范大学学报(自然科学版),2023,44(6):47-52.LIU B X.Application ofthree-dimensional printing technology to manufacture of petroleum drill
2、bits J.Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition),2023,44(6):47-52.3D打印技术在石油钻头中的应用探究*刘八仙*(四川文理学院智能制造产业技术研究院,四川 达州635000)摘要:针对钻头传统的制造工艺存在加工周期长、加工精度低等缺点,而 3D 打印技术具有成型速度快、成型精度高等优点,本文将 3D打印技术运用到胎体聚晶金刚石复片(PDC)钻头和牙轮-PDC混合钻头模具制造工艺中。与传统压模和铣模成型工艺相比,3D 打印技术模具成型工艺将误差0.502.00 mm 降低到 0.200.30
3、mm,将传统制造工艺流程简化,提高制造的加工效率,同时 3D 打印技术能制作任意复杂曲面形状的模具,实现了钻头复杂的结构研制。通过对 3D 打印技术模具成型生产的 PDC 钻头现场实验,结果表明 3D 打印的新钻头机械钻速提高 25.8%,进尺平均提高7.7%,新钻头破岩效率有较大提升,3D打印技术融入到石油钻头制造中是可行且有实际价值的。关键词:3D打印技术;加工精度;模具成型;石油钻头;机械钻速中图分类号:TE921文献标识码:AApplication of three-dimensional printing technologyto manufacture of petroleum d
4、rill bits*LIU Baxian*(Industry Technology Research Institute of Intelligent Manufacturing,Sichuan University ofArts and Science,Dazhou Sichuan635000)Abstract:In allusion to traditional manufacturing technology of drill has the disadvantages of longmachining cycle and low machining accuracy,while the
5、 3D printing technology has the advantages offast molding speed and high molding accuracy.In this paper,3D printing technology is applied to themolds manufacturing of fetal polycrystalline diamond compact(PDC)drill bits and cone-PDC hybriddrill bits.Compared with the traditional press mold and milli
6、ng mold molding process,3D printingtechnology mold molding process reduces the error of 0.50 to 2.00 mm to 0.20 to 0.30 mm,simplifiesthe traditional manufacturing process,and improves the manufacturing efficiency.At the same time,3Dprinting technology is capable of producing any mold of complex surf
7、ace shape,making the complexstructure of the drill manufacturing possible.The field experiments of PDC drill bits produced by 3Dprinting technology were conducted,and the research results show that the mechanical drilling speed ofthe new 3D printing drill bit increased by 25.8%,the feed rate increas
8、ed by 7.7%on average,and therock breaking efficiency of the new drill bit was greatly improved.It is feasible and practical to收稿日期:2023-01-02*智能制造产业技术研究院开放基金项目(ZNZZ2217)*通信作者:47首都师范大学学报(自然科学版)2023年integrate 3D printing technology into the production of petroleum drill bit manufacturing.Keywords:3D p
9、rinting technology;machining accuracy;mold forming;petroleum drill bit;mechanicalpenetration rateCLC:TE921DC:A0引言钻头是石油钻采中重要破岩工具,其性能的优劣将极大地决定整个钻井的质量、效率和成本,常见石油钻头包括牙轮钻头、聚晶金刚石复片(polycrystalline diamond compact,PDC)钻 头 以 及 牙 轮-PDC混合钻头1。这些钻头模具制造工艺主要有压模和铣模成型 2 种,传统的制造工艺存在加工周期长、加工精度低等缺点,不利于对钻头个性化设计做出快速反应。三
10、维(three dimensional,3D)打印技术是一种累积法制造技术,是快速成型技术的一种2。其以数字模型文件为基础,将三维模型分层为多个二维平面图形,再利用可粘合粉末材料逐层打印二维图形以堆叠成为三维实体,包括三维模型的建模、机械及其自动控制(机电一体化)、模型分层并转化为打印指令代码软件等技术3。3D 打印通常是采用数字技术材料打印机来实现,应用领域是模具制造和工业设计等领域。3D 打印技术因为具有成型速度快和加工精度高等优点而被广泛应用在工业制造、生物医学和航空航天等领域4-6。目前关于 PDC 钻头 3D 打印技术加工方法的研究较多,仅限于钻头模型的加工,钻头实际制造和现场实验研
11、究较少,尤其在牙轮-PDC混合钻头方面应用研究更少。本文将 3D 打印技术引入到 PDC 钻头和牙轮-PDC混合钻头模具的制造工艺中,对比分析 3D 打印与传统加工工艺的制造精度,完成 PDC钻头的现场应用对比试验,为 3D 打印技术融入石油钻头制造工艺提供数据支持。13D打印技术原理及优点1.13D打印技术原理3D打印技术是随着计算机技术发展起来的,首先通过计算机设计需要打印对象的三维数字模型,然后采用层层堆积的方法使零件成型,该技术已经广泛应用于小批量复杂形状零部件的个性化定制中。目前,3D 打印技术主要有激光烧结、光固化和熔融沉积造型 3种打印方式,本文使用光固化方式,该技术通过采用特定
12、波长与强度的激光照射到材料表面使光固化材料逐渐进行凝固成型,其工作原理如图 1 所示7-8。由于光固化具有成型快、通用性强、加工精度高和加工性价比高等优点,非常适合用于钻头不同模具、模型的制造中9-11。1.23D打印技术优点与传统加工方法相比,3D打印技术在石油钻头中运用具有如下优点:(1)钻头制造时间短。通过计算机辅助设计(computer aided design,CAD)直接建立钻头的三维数字模型,然后驱动打印设备直接打印钻头模具。在缩短了钻头的制造周期同时,还能降低成本,降低投资风险12-14。(2)钻头精度高。通过减小打印材料的粒径和分层厚度,3D打印出来的钻头精度高于传统钻头,在
13、加工过程中通过改变分层厚度即可满足精度要求15-18。(3)钻头模具通用。3D打印材料通常采用树脂和尼龙等进行激光照射烧结,烧结的模具能够满足强度和稳定性的要求19-20。23D打印技术在 PDC钻头制造中的应用胎体 PDC 钻头模具如图 2 所示。胎体 PDC 钻头加工精度和质量好坏的关键在于模具的制造,其决定着 PDC 钻头的最终性能。常见的钻头制造工艺主要有压模和铣模成型 2 种:铣模成型是在钻头外形轮廓上直接加工出钻头切削齿所需的偏转角度和深度,并在该位置放上水槽块,最后形成烧结注:1为激光器;2为固化树脂层;3为升降平台;4为液态树脂;5为激光束;6为扫描系统。图 1光固化技术工作原
14、理48刘八仙:3D打印技术在石油钻头中的应用探究第 6 期模具;压模成型是将加热的原材料倒入开放的母模中,接着封闭母模并加压,以使材料接触母模的所有区域,得到预成型产品,其中关键的母模一般是在数控机床上完成设计加工21-22。以上 2种传统的钻头模具成型工艺虽然技术成熟,但存在加工时间长,加工精度低等问题,在石油开采过程中,面对复杂的地层,也需要对现场的钻井需求做出快速反应。针对 2种传统的钻头模具成型工艺中遇到的问题,将 3D 打印技术引入到胎体 PDC 钻头的制造中,形成的新模具成型工艺解决了上述难题。3种加工工艺的加工误差如表 1 所示。3D 打印钻头模具的加工误差为 0.200.30
15、mm,压模和铣模成型模具的加工误差为 0.502.00 mm,3D 打印加工误差明显高于另外 2种传统加工方式。33D打印技术在牙轮-PDC混合钻头的应用PDC 钻头通过 PDC 齿刮切或剪切破坏岩石,牙轮钻头通过牙齿压入岩石产生破碎效果,将二者结合得到的牙轮-PDC 混合钻头具备 PDC 连续剪切破岩 和 牙 轮 压 碎 破 岩 2 种 破 岩 特 征23-26,休 斯 3+3PDC-牙轮混合钻头如图 3所示。混合钻头的 PDC切削齿在钻压的作用下吃入地层并随着钻头转动,这样 PDC 齿就以边吃入边剪切的方式破岩,同时牙轮齿也在钻压的作用下交替冲击地层并在井底压出间断的同心圆破碎坑。牙齿压出
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