石油射孔槍鉆孔深度檢測(cè)控制裝置

岳冠迪，張燕紅

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨著近年來(lái)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，石油勘探行業(yè)對(duì)石油射孔槍產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)加工需要經(jīng)驗(yàn)豐富的車工師父進(jìn)行加工，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，本文設(shè)計(jì)了一款用于石油射孔槍加工的鉆孔深度檢測(cè)控制裝置。用于石油射孔槍加工的鉆孔深度檢測(cè)控制裝置是面向石油鉆探行業(yè)推出的產(chǎn)品。石油開(kāi)采離不開(kāi)石油管道，油井的深層管道需要使用石油射孔槍鉆部件。射孔槍鉆部件通常為一井一套或一井多套，且為一次性使用。石油射孔槍鉆部件的制造難點(diǎn)是槍身徑向不透孔，且要確保精確控制鉆削盲孔深度的加工問(wèn)題。

石油射孔槍部件主體為薄壁細(xì)長(zhǎng)管件，加工時(shí)極易變形，現(xiàn)在許多地方都使用普通立式鉆床鉆孔，鉆削盲孔很難控制鉆削深度，利用本裝置可以做到精確控制鉆孔深度。本裝置是一款感應(yīng)接觸測(cè)量裝置，用于數(shù)控徑向鉆孔專用機(jī)加工過(guò)程中固定深度盲孔的自動(dòng)檢測(cè)控制循環(huán)加工，具有精確控制測(cè)量加工深度的優(yōu)點(diǎn)。用該裝置加工石油射孔槍鉆部件，可以有效、精確地控制鉆削深度，不但效率高、精度好，而且自動(dòng)化程度高，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有自動(dòng)化、一體化、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

1 背景

隨著油氣藏開(kāi)發(fā)類型的不斷豐富，油田開(kāi)發(fā)難度不斷增大，射孔槍產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，射孔槍的種類也不斷豐富，促進(jìn)了射孔槍行業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大。根據(jù)新思界發(fā)布的《2020—2024 年中國(guó)射孔槍行業(yè)市場(chǎng)行情監(jiān)測(cè)及未來(lái)發(fā)展前景研究報(bào)告》，2019 年中國(guó)射孔槍行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為4 億元。由于射孔槍的市場(chǎng)需求相對(duì)比較穩(wěn)定，行業(yè)進(jìn)入壁壘不高，因此對(duì)投資者的吸引力較強(qiáng)。無(wú)論全球范圍還是國(guó)內(nèi)，都有較多的射孔槍生產(chǎn)企業(yè)，而且其中以中小企業(yè)為主。

在理論研究方面，國(guó)外從事射孔研究的公司主要有哈里伯頓、斯倫貝謝和歐文等，都有專門的研究中心從事射孔器的理論研究和開(kāi)發(fā)，其中哈里伯頓公司的射流研究中心（JRC）在射孔領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。它的炸藥產(chǎn)品中心集研究、工程測(cè)試和生產(chǎn)車間于一體。在設(shè)計(jì)工作中使用最新的技術(shù)和設(shè)備，利用爆炸流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序模擬在炸藥加載過(guò)程中材料的高應(yīng)變率變形，并使用解析計(jì)算程序預(yù)測(cè)炸藥脈沖加載情況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石油射孔槍鉆孔深度檢測(cè)控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，底板通過(guò)3 個(gè)外六角圓柱頭螺栓固定在鉆孔專用機(jī)床主軸箱上，測(cè)頭支架分別通過(guò)2 個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺栓固定在底板上，測(cè)量撞塊的前、后端穿過(guò)測(cè)頭支架上面的過(guò)孔，彈簧可使測(cè)量撞塊復(fù)位。接近開(kāi)關(guān)通過(guò)螺母固定在開(kāi)關(guān)支架上，開(kāi)關(guān)支架的前、后端穿過(guò)測(cè)頭支架下面的過(guò)孔，開(kāi)關(guān)支架通過(guò)圓螺母調(diào)節(jié)位置并背緊固定。

圖1 鉆孔深度檢測(cè)控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 工作流程

在加工開(kāi)始前，需要將本裝置加裝到石油射孔槍專用機(jī)床的主軸箱上，調(diào)節(jié)3 個(gè)外六角螺栓位置使撞塊伸出端與鉆頭平行且位于鉆頭正上方。操作人員只需在工件夾緊后將本裝置測(cè)量撞塊與鉆頭之間的距離L 調(diào)整為所需鉆孔深度。然后按正常流程進(jìn)行鉆孔，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到要求的L 深度時(shí)，加工零件的表面會(huì)與撞塊的頂端相接觸，在鉆頭繼續(xù)向工件進(jìn)給時(shí)撞塊會(huì)隨著鉆頭的前進(jìn)向后退，撞塊在發(fā)生微小的位移后，接近開(kāi)關(guān)便會(huì)感應(yīng)到鉆孔達(dá)到預(yù)定深度，并將信號(hào)傳送至CNC 數(shù)控系統(tǒng)。CNC 數(shù)控系統(tǒng)收到指令后發(fā)出使鉆頭停止的命令，并升起鉆頭。與此同時(shí)，該裝置會(huì)在復(fù)位彈簧的作用下使撞塊恢復(fù)到工作初始位置。一個(gè)淺盲孔加工完成后，鉆孔平臺(tái)移動(dòng)至下一個(gè)鉆孔位置進(jìn)行鉆孔，無(wú)需再次調(diào)節(jié)即可直接鉆孔，達(dá)到預(yù)定深度后轉(zhuǎn)頭再次停止，如此循環(huán)往復(fù)，直至工件全部鉆孔完成。工作流程如圖2 所示。

圖2 工作流程

4 應(yīng)用前景

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的依賴越來(lái)越強(qiáng)，石油作為工業(yè)的血液，需求量逐步增加。石油射孔槍主要是指在石油鉆探施工中承載射孔彈定向爆破的密封元件，通常分為槍體、槍頭和槍尾等部分，由無(wú)縫鋼管制成，鋼管外部墻上有盲孔。

在實(shí)際工作中，一切準(zhǔn)備就緒后，射孔槍進(jìn)行引爆操作，導(dǎo)爆索處于高速、高壓狀態(tài)燃燒傳爆，然后引爆填充射孔槍的射孔彈。爆炸后，彈中的炸藥會(huì)釋放出很強(qiáng)的沖擊力，沖擊力將作用于射孔彈中的圓錐形襯套，將來(lái)自軸向的推力集中在一點(diǎn)上。圓錐形襯套頂部將受到超高壓力的推動(dòng)，以超高速度前進(jìn)，然后穿透套管、水泥環(huán)和地層，獲得所需的射孔孔道。石油射孔槍是開(kāi)采石油最重要的工具之一，并且一次性使用，導(dǎo)致其需求量很高，但由于射孔槍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)床生產(chǎn)難度高、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)精度差等缺點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的用于石油射孔槍加工的鉆孔深度檢測(cè)控制裝置改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，使之向智能化、自動(dòng)化、高效率的方向發(fā)展。本裝置安裝簡(jiǎn)便，不需要對(duì)傳統(tǒng)加工方案進(jìn)行太大變動(dòng)，僅需將本裝置安裝在傳統(tǒng)機(jī)床的主軸箱上。本裝置成本較低，自動(dòng)化、智能化程度高，普通技工在閱讀使用說(shuō)明手冊(cè)后便可上手操作，極大地降低了人工成本，可以有效提高了工廠效益。

本裝置還可用于各種材料、各種形式的薄壁型材的盲孔制作，應(yīng)用范圍極廣，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

5 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

（1）本裝置不僅適用于石油射孔槍專用機(jī)床，還可以加工各種薄壁工件。薄壁零件因其具有重量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，已日益廣泛地應(yīng)用在各工業(yè)部門，尤其在模具、航空航天和汽車工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。但薄壁零件的加工是車削中比較棘手的問(wèn)題，原因是薄壁零件剛性差、強(qiáng)度低，在加工中極容易變形，使零件的形位誤差增大，難以保證零件的加工質(zhì)量。本裝置可以在加工中極大地降低加工難度。

（2）本裝置可以在普通機(jī)床上直接加裝，使用方便快捷，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)即可上手，極大地節(jié)約了人工成本，加裝后可實(shí)現(xiàn)在易變形的曲面上鉆出確定深度的孔。使用傳統(tǒng)加工方法在易變形的工件上鉆孔難度極大，并且無(wú)法精確地鉆出確定深度的盲孔，加工效率低、精度差、成本高、成品率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。本裝置改變了現(xiàn)有的傳統(tǒng)加工方式，可以在不依賴工人加工經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的條件下在易變形的曲面上進(jìn)行盲孔加工。裝置中的高精度接近開(kāi)關(guān)和撞塊與CNC 數(shù)控系統(tǒng)配合，可以實(shí)現(xiàn)極高精度的鉆孔深度控制。

（3）本裝置可以應(yīng)用于徑向鉆孔專用機(jī)床加工固定深度的盲孔，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)加工，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化、智能化程度高。工人僅需將待加工工件加持好，啟動(dòng)機(jī)器，即可自動(dòng)開(kāi)始鉆孔。到達(dá)預(yù)定的鉆孔深度后，鉆頭自動(dòng)停止，并做好下一次鉆孔的準(zhǔn)備。也可通過(guò)編寫程序?qū)⒐ぜ苿?dòng)至下一個(gè)加工位置，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化加工，相比傳統(tǒng)加工方式更加節(jié)約成本，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著石油行業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)石油的需求量穩(wěn)步增加，隨著頁(yè)巖油技術(shù)革命的發(fā)生，在頁(yè)巖油行業(yè)也會(huì)有更多的技術(shù)突破，促使其開(kāi)采規(guī)模提升。石油射孔槍是石油開(kāi)采必需的裝置，并且射孔槍又是一次性產(chǎn)品，一旦經(jīng)過(guò)射孔作業(yè)就會(huì)報(bào)廢處理，所以在開(kāi)采過(guò)程中使用量大，市場(chǎng)需求量迅速提升。本裝置可以提高射孔槍生產(chǎn)效率、簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比精度更高、成本更低，并且更加自動(dòng)化、智能化。本裝置還可以用于加工其他薄壁工件，僅需對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝即可實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛。