石油射孔枪钻孔深度检测控制装置

岳冠迪，张燕红

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

随着近年来机械工业的快速发展，石油勘探行业对石油射孔枪产品的需求越来越大，传统加工需要经验丰富的车工师父进行加工，且费时费力。因此，本文设计了一款用于石油射孔枪加工的钻孔深度检测控制装置。用于石油射孔枪加工的钻孔深度检测控制装置是面向石油钻探行业推出的产品。石油开采离不开石油管道，油井的深层管道需要使用石油射孔枪钻部件。射孔枪钻部件通常为一井一套或一井多套，且为一次性使用。石油射孔枪钻部件的制造难点是枪身径向不透孔，且要确保精确控制钻削盲孔深度的加工问题。

石油射孔枪部件主体为薄壁细长管件，加工时极易变形，现在许多地方都使用普通立式钻床钻孔，钻削盲孔很难控制钻削深度，利用本装置可以做到精确控制钻孔深度。本装置是一款感应接触测量装置，用于数控径向钻孔专用机加工过程中固定深度盲孔的自动检测控制循环加工，具有精确控制测量加工深度的优点。用该装置加工石油射孔枪钻部件，可以有效、精确地控制钻削深度，不但效率高、精度好，而且自动化程度高，减轻了工人劳动强度，具有自动化、一体化、智能化等优点。

1 背景

随着油气藏开发类型的不断丰富，油田开发难度不断增大，射孔枪产品应用领域不断拓宽，射孔枪的种类也不断丰富，促进了射孔枪行业规模的扩大。根据新思界发布的《2020—2024 年中国射孔枪行业市场行情监测及未来发展前景研究报告》，2019 年中国射孔枪行业市场规模为4 亿元。由于射孔枪的市场需求相对比较稳定，行业进入壁垒不高，因此对投资者的吸引力较强。无论全球范围还是国内，都有较多的射孔枪生产企业，而且其中以中小企业为主。

在理论研究方面，国外从事射孔研究的公司主要有哈里伯顿、斯伦贝谢和欧文等，都有专门的研究中心从事射孔器的理论研究和开发，其中哈里伯顿公司的射流研究中心（JRC）在射孔领域处于领先地位。它的炸药产品中心集研究、工程测试和生产车间于一体。在设计工作中使用最新的技术和设备，利用爆炸流体动力学计算程序模拟在炸药加载过程中材料的高应变率变形，并使用解析计算程序预测炸药脉冲加载情况下的结构响应。

2 结构设计

石油射孔枪钻孔深度检测控制装置的结构如图1 所示，底板通过3 个外六角圆柱头螺栓固定在钻孔专用机床主轴箱上，测头支架分别通过2 个内六角圆柱头螺栓固定在底板上，测量撞块的前、后端穿过测头支架上面的过孔，弹簧可使测量撞块复位。接近开关通过螺母固定在开关支架上，开关支架的前、后端穿过测头支架下面的过孔，开关支架通过圆螺母调节位置并背紧固定。

图1 钻孔深度检测控制装置结构设计

3 工作流程

在加工开始前，需要将本装置加装到石油射孔枪专用机床的主轴箱上，调节3 个外六角螺栓位置使撞块伸出端与钻头平行且位于钻头正上方。操作人员只需在工件夹紧后将本装置测量撞块与钻头之间的距离L 调整为所需钻孔深度。然后按正常流程进行钻孔，当钻孔深度达到要求的L 深度时，加工零件的表面会与撞块的顶端相接触，在钻头继续向工件进给时撞块会随着钻头的前进向后退，撞块在发生微小的位移后，接近开关便会感应到钻孔达到预定深度，并将信号传送至CNC 数控系统。CNC 数控系统收到指令后发出使钻头停止的命令，并升起钻头。与此同时，该装置会在复位弹簧的作用下使撞块恢复到工作初始位置。一个浅盲孔加工完成后，钻孔平台移动至下一个钻孔位置进行钻孔，无需再次调节即可直接钻孔，达到预定深度后转头再次停止，如此循环往复，直至工件全部钻孔完成。工作流程如图2 所示。

图2 工作流程

4 应用前景

随着世界经济的发展，对工业产品的依赖越来越强，石油作为工业的血液，需求量逐步增加。石油射孔枪主要是指在石油钻探施工中承载射孔弹定向爆破的密封元件，通常分为枪体、枪头和枪尾等部分，由无缝钢管制成，钢管外部墙上有盲孔。

在实际工作中，一切准备就绪后，射孔枪进行引爆操作，导爆索处于高速、高压状态燃烧传爆，然后引爆填充射孔枪的射孔弹。爆炸后，弹中的炸药会释放出很强的冲击力，冲击力将作用于射孔弹中的圆锥形衬套，将来自轴向的推力集中在一点上。圆锥形衬套顶部将受到超高压力的推动，以超高速度前进，然后穿透套管、水泥环和地层，获得所需的射孔孔道。石油射孔枪是开采石油最重要的工具之一，并且一次性使用，导致其需求量很高，但由于射孔枪结构特点导致传统机床生产难度高、生产效率低、生产精度差等缺点。

本文设计的用于石油射孔枪加工的钻孔深度检测控制装置改变了传统生产模式，使之向智能化、自动化、高效率的方向发展。本装置安装简便，不需要对传统加工方案进行太大变动，仅需将本装置安装在传统机床的主轴箱上。本装置成本较低，自动化、智能化程度高，普通技工在阅读使用说明手册后便可上手操作，极大地降低了人工成本，可以有效提高了工厂效益。

本装置还可用于各种材料、各种形式的薄壁型材的盲孔制作，应用范围极广，具有广阔的市场前景。

5 创新点与项目特色

（1）本装置不仅适用于石油射孔枪专用机床，还可以加工各种薄壁工件。薄壁零件因其具有重量轻、节约材料、结构紧凑等特点，已日益广泛地应用在各工业部门，尤其在模具、航空航天和汽车工业等领域应用更为广泛。但薄壁零件的加工是车削中比较棘手的问题，原因是薄壁零件刚性差、强度低，在加工中极容易变形，使零件的形位误差增大，难以保证零件的加工质量。本装置可以在加工中极大地降低加工难度。

（2）本装置可以在普通机床上直接加装，使用方便快捷，简单学习即可上手，极大地节约了人工成本，加装后可实现在易变形的曲面上钻出确定深度的孔。使用传统加工方法在易变形的工件上钻孔难度极大，并且无法精确地钻出确定深度的盲孔，加工效率低、精度差、成本高、成品率低、生产周期长。本装置改变了现有的传统加工方式，可以在不依赖工人加工经验技术的条件下在易变形的曲面上进行盲孔加工。装置中的高精度接近开关和撞块与CNC 数控系统配合，可以实现极高精度的钻孔深度控制。

（3）本装置可以应用于径向钻孔专用机床加工固定深度的盲孔，并实现自动循环加工，操作简单，自动化、智能化程度高。工人仅需将待加工工件加持好，启动机器，即可自动开始钻孔。到达预定的钻孔深度后，钻头自动停止，并做好下一次钻孔的准备。也可通过编写程序将工件移动至下一个加工位置，实现完全自动化加工，相比传统加工方式更加节约成本，同时提高生产效率。

6 结束语

随着石油行业的发展，国内外对石油的需求量稳步增加，随着页岩油技术革命的发生，在页岩油行业也会有更多的技术突破，促使其开采规模提升。石油射孔枪是石油开采必需的装置，并且射孔枪又是一次性产品，一旦经过射孔作业就会报废处理，所以在开采过程中使用量大，市场需求量迅速提升。本装置可以提高射孔枪生产效率、简化生产步骤，与传统生产方式相比精度更高、成本更低，并且更加自动化、智能化。本装置还可以用于加工其他薄壁工件，仅需对普通机床进行简单改装即可实现，应用场合非常广泛。