石油钻头自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接工艺正交试验研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9年 1 2 月 第 3 1卷第 6期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J pI De c ． 2 0 0 9 V o 1 ． 3 1 N o ． 6 石油钻 头 自激振 荡脉 冲喷嘴真 空扩散焊接 工艺 正交试 验研 究 杨 雄 长江大学机械工程学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 [ 摘要]针对石油钻头 自激振荡脉冲喷嘴结构复杂和制造 困难 的问题，提 出用“ 模 压法分 段成形加真 空扩 散焊连接”制造的新工艺。采用 正交试验 法 ，通过 极差分析 和方差 分析 ，研 究 了扩散 焊接温 度、焊接 压 力和焊接时间等工艺参数对 自激振荡脉冲 喷嘴焊接 接头抗 剪强度 的影响 ，确 定 了因素的 主次顺序 、因素 的最佳水平组合及扩散焊接的最佳工艺参数。试验结果表明 ，当采用焊接温度 1 0 5 0 ℃、焊接压力 1 2 0 MP a 和焊接时间 2 0 mi n的参 数 组合 时， 可获 得 强 度 高、致 密性 好 和 耐 冲 蚀 的焊 接 接 头 ，其 抗 剪 强 度 ≥ 7 5 0 MP a 。该研 究可为选择 石油钻 头 自激振荡脉冲 喷嘴 真空扩散 焊接 的最佳 工艺方案提 供依 据。 [ 关键词]石油钻头 ；喷嘴； 自激振 荡脉 冲喷嘴 ；真 空扩散焊接 ；正交优化试验 [ 中图分类号]TE 9 2 1 ． 1 0 6 [ 文献标 识码]A [ 文章编号] 1 0 0 0～9 7 5 2 2 0 0 9 O 6 一 o 1 6 1 一O 4 在 牙轮钻 头和 P DC钻 头上采 用 自激振 荡脉 冲 喷 嘴 ，有 利 于 改 善井 底 流 场 ，提高 破 岩 能力 ，增 加 钻 头进尺 ，提高 机械钻 速 ，从 而降低 钻井成 本 。多年 来 国 内外 在研 制 自激振荡 脉 冲喷 嘴方 面作 了大量 的研 究 试验 工作 ，特别是 在理 论上 探讨 了在钻 井条 件下 射 流压力 和水 功率 衰减 的基本 规律 ，建 立 了射流 到达 井底 水力 能等 的计算模 式 ，为这 种新 型喷 嘴 的设 计 提供 了理论 依据 。各 高校 和工 厂也先 后设 计 出多种 自 激振 荡脉 冲喷 嘴 ] ，部 分 喷嘴正 在石 油钻 井工程 中试 验 和 推广 应用 ，但 大 多 数仍 停 留在设 计 阶段 。造 成这种局面的主要原因是这些喷嘴多为复杂型腔结构，材料一般为硬质合金 ，因此，加工和制造较为困 难 ，且 费用 高 。 为 了解决 石 油钻头 自激振 荡 脉 冲喷嘴制 造 困难 的问题 ，长 江大学 和江 汉油 田共 同开 发 了 “ 模压 法分 段成形 加真 空扩散 焊连 接” 的新 工艺 ，即先 采用技 术成 熟 、质量 高 、成本 低 的模 压法 和 粉末冶 金烧 结 的 方法制造 自激振荡脉 冲喷嘴的组件 ，再利用 高强度 、高致密 的真空扩 散焊将各组件连 接成形的新工 艺 ，以满足 各种石 油钻 头新型 喷 嘴制造 的需 要 。为此 ，笔 者通过 正交 试验来 研究 石 油钻头 自激 振荡 脉 冲喷嘴 真空扩 散焊接 时焊 接温度 、焊接压 力 、焊接 时 间等工 艺参数 对 焊接接 头力 学性 能 的影 响 ，确定 影 响接 头质 量 的主次 因素 和它们 的显 著性 ，并得 出最 佳焊 接工 艺参数 ，为石油 钻头 自激 振荡 脉 冲喷嘴真 空 扩散 焊接工 艺 参数 的确定 提供依 据 。 1 试验 目的及条件 1 ． 1 试验 目的 1 应用 极差分 析法 确定石 油钻 头 自激振 荡脉 冲喷 嘴 真空 扩散 焊 接 中焊 接 温 度 、焊接 压 力 和焊 接 时 间等 因素的主 次和各 试验 因素 的最佳 水 平 ； 2 应 用方 差分 析法判 断 因素 的主次 和显著 性 ； 3 依 据试验 因素 主次 、显 著性综 合平 衡得 出各 因素 在试验 范 围 内的最佳 组合 。 [ 收稿日期]2 0 0 9 1 0一 o 7 [ 基金项目] 湖； I -N高等学校优秀中青年科技创新 团队项 目 T 2 0 0 9 0 6 。 [ 作者简介]杨雄 1 9 6 0一 ，男，1 9 8 2年大学毕业 ，硕士 ，教授，现从事现代加工技术和工程测试与控 制等方面 的教学和研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 1 2 月 1 ． 2试 验条 件 试验 材料 为 Y G1 1硬质 合金 ，试样 尺寸为 1 5 mm1 0 mm，试 验 设备 为 V WS H6 5 0多 功能 真空 扩 散 焊机 ，采用 1 0 ff m 厚 度 的冷 轧 Ni 箔 作 中间层 材 料 ，全 部 试 验 在 1 ． 2 X l 0 一 。 P a的 真 空度 下 完 成 。 该 试验 以焊接 接头 的抗剪 强度作 为评 判焊接 质量 的标准 。 2 正交试验方案设计 在 真 空 度 和 中 间层 材 料 确 定 的 情 况 下 ， 对 焊接接 头抗剪 强度起 主要作 用 的因素 有 焊 接温度 A 、 焊接压力 B和焊接时间 c 。 选 用 这 3 个 因素作 为研究 对象 ，每 个试 验因素取 3个水平 ，即按 3因素 3水 平 正 交 试 验 设 计 ， 选 用 L 。 3 。 正 交 表 设 计 试 验 方 案 ] ，共 需 要 9次数 值模 拟 试 验 全 面试 验需 要 2 7次 。 正交 试验设 计 因素水 平如表 1 所示 ，正 交试验 设 计方案 如表 2所示 。 3 试验结果及分析 3 ． 1 试 验结果 YG1 1 硬质 合金 真空 扩 散焊 接 接 头 的抗剪 强 度试验 在万 能材料 试验机 上进 行 ，为保证数 据 的稳定 性 ，每个试 验 的数据 采 集 点都 大 于 3 个 。9次 的试 验结果 如表 2所示 。 3 ． 2极 差分析 该试 验极差 分析 的结果 如表 3所示 。从 表 3可知 ， R R R ， 表 明 因素 C 焊 接 时 问的不 同水 平对石 油钻 头 自激 振荡 脉冲喷 嘴 真 空扩散 焊接 接头 的抗剪 强度影 响最 大 ；因素 A 焊接温 度影 响 次之 ；因素 B 焊 接压 力 影 响最小 。理论 分 析 表 明 ， r 、 r 、 r 。 数 值 最大 者 所对应 的水 平 就是 该 因素 的最 优 水 平 - 。 因 此 ， 该试验 中各 因素 的最优水 平分 别是 A。 、 B 。 、 C ， 最 佳组合 是 A 。 B 。 C 。 3 ． 3 方差分 析 以上 分析是 通过 极差 的大小来 评 价各个 因 子 对抗剪 强度 的影 响程度 ，极 差要 4 ll 什么程 表 1因 素 水 平表 表 2 正交试验设计 方案及试验结果 试验 曼童 圈童旦 旦垂 抗剪强度 r 序号 焊接温度 ／ c 焊接压力 ／ MP a焊接时间 ／ rai n ／ MP a 注 r 、 r z 、 r 。 分别表示各因素水平 数抗剪强度之和； 、 、 分别表示 各 因素中水平数所对应 的抗剪强度的平 均值 ； 下标 J表示 因素A、 B、 C。 度才可以认为该因素水平的变化对抗剪强度影响不明显呢因此 ，需要对试验结果作进一步的分析，即 方 差分析 。方 差分析 计算 结果见 表 4 ，方 差分析 结果 见表 5 。 表 5所示方差分析结果表明，因素 C 焊接时间对石油钻头 自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接接头 抗剪强度的影响最显著 ，其次是因素 A 焊接温度 ，再次是因素 B 焊接压力影响。即因素 C 焊接 时间 对接 头抗剪 强度 的影 响显著 ，显著性 水平 0 ． 0 5 ；而 因素 A 焊 接温 度 、 B 焊接 压力 对接 头抗剪 强 度 的影 响显 著性较 低 ，显 著性 水平 0 ． 2 5 。这说 明 ，对 试 验数据极 差 直观 分析 的结果 是正 确的 。 ㈤㈤㈤ ㈣ 2 1 3 1 3 2 3 2 ㈣㈣ ㈣㈣㈣㈣ 1 2 3 1 2 3 1 2 i 0 O O O O O O O O O O 5 5 5 0 O 0 O 0 O O O 1 1 ；；1 l l{ 1 1 1 2 2 2 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 6期 杨雄 石油钻头自激振荡脉冲喷嘴真空扩散焊接工艺正交试验研究 1 6 3 表 5方 差 分析 注 F 为因素的偏差平方和与误差的平方和的比值 ，其 比值越大对指标的影响越显 著。 3 ． 4最佳 工艺 参数 的确定 在确定 石 油钻头 自激振 荡脉 冲 喷嘴真 空扩散 焊接 工艺 参数 时 ，首先选 取 显著性 因素 的优 水平 ，而对 显著 性较低 的 因素可从 降低 生产 成本 、防止 变 形 等 因素 综合 考 虑 来选 取 适 当 水平 。因此 ， 显 著 性 因素 C 应选 取优水 平 c 。 ， 而对 显著 性较低 的因素 A、 B可选 取 A 和 B 水 平 。 该试验 最终 确定 的最 佳 因素水 平组 合为 A。 B C 。 ，即在 该试 验条 件下 的最 佳 工 艺参 数 为 焊 接 温 度 1 0 5 0 ℃ 、焊 接压 力 1 2 0 MP a 、焊 接 时 间 2 0 mi n。 4 试验验证 在试 验数 据 的极 差 分析 中 ， 认 为 最好 的试验 条件 为 A。 B。 C 。 。 通 过方 差分 析后 ， 对显 著 因素 的 比较 ， 在 考 虑 降低 生产 成本 、 防止 变形 的前提 下 ， 又确定 为 A B 。 C 。 。 对 于后 者是 否 真 的符 合 要求 ， 必 须 再 通过 试 验 验证 。 对 A。 B C 。 条件 ， 重 复进 行 3次 试验 ，接 头 的抗 剪强 度分别 为 7 4 8 ． 8 、7 6 3 ． 5 、7 9 1 ． 6 MP a ，平 均值 为 7 6 8 ． 0 MP a ，与试 验 5的试 验数 据 见 表 2 、4 基 本相 符 ，可确定 为最 佳焊 接规 范 。 用该规 范焊 接 的石油钻 头 自激振 荡脉 冲喷 嘴 ，在 江汉 油 田进行 了现 场试 压和 耐冲蚀 试验 。试 验结 果 表 明 ，焊接 接头 致密 性高 ，无渗 漏 、刺 穿 和折 断现象 ，耐 冲蚀 和耐 冲击性 能好 ，完 全 能满足 钻井 工程 的 使用要 求 。 5结 论 1 通过 正交试 验 法 ，采 取 3 正 交表对 石 油钻头 脉 冲喷 嘴 的真 空扩 散 焊接 工艺 参 数进 行 了优 化试验；通过极差分析，确定了主次因素是 因素 C 焊接时间因素 A 焊接温度因素 B 焊接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 1 2月 压力 ， 各 因素 的优 水平 分别是 A。 、 B 。 、 C 。 。 2 正交 试验 的方 差分析 表 明 ，因素 C 焊接 时间 对 接头 抗剪 强度 的影 响显 著 ，而 因素 A 焊接 温 度 、因素 B 焊 接压力 对接 头抗 剪强度 的影 响显著性 较低 。因此 ， 因素 C应 选 取优 水 平 C 。 ，而 因素 A、 B可 从 降低 生产 成本 、防止 变形 等因 素考 虑来 选 取 A 和 B 水 平 ，其 最佳 因素水 平 组合 是 A B 2 C 。 ， 即该试 验条 件下 的最佳 工艺参 数为 焊接温 度 1 0 5 0 ℃ 、焊 接压力 1 2 0 MP a 、焊接 时 间 2 0 mi n 。 3 验证 试验 表 明 ，在该 最佳试 验工 艺条件 下 ，可获 得 高强 度 、高致 密 性 的焊 接接 头 ，石 油钻 头 自 激振 荡脉 冲喷嘴 扩散焊 接接 头 的抗 剪强度 ≥7 5 0 MP a ；现 场试 压 和 耐 冲蚀试 验 表 明 ，接 头 无渗 漏 、刺穿 和折 断现象 ，耐 冲蚀 和耐 冲击 的性 能好 ，完全 能满足钻 井 工程 的使用要 求 。 注 该研 究 又 为 辽 河 石 油勘 探 局 攻 关 项 目 根 据 电测 资 料 识 别 岩 性 设 计 个 性 钻 头 ，项 目编 号 O 8H05 1 3 [ 参考文献] [ 1 ]王循 明，祝勇仁 ，张炜 ，等 ．自激脉冲射 流喷嘴参数对装 置能耗 的影响分析 [ J ]． 轻 工机械 ，2 0 0 7 ，2 5 3 4 8 5 2 ． [ 2 ]杨雄 ．高压钻井用弯头脉动喷嘴的研制 [ J ]．石油天然气学报 ，2 0 0 5 ，2 7 4 3 9 4 ～3 9 5 ． [ 3 ]杨雄 ，刘昌明 ．牙轮钻头 Y Gl l 硬质合金 中心喷嘴真空扩散焊试验 [ J ]．石油机械 ，1 9 9 5 ，2 3 O 9 1 6 2 1 ． [ 4 ]杨雄 ． P DC钻头真空扩散焊机液压系统的节能改造 [ J ]．石油天然气学报 ，2 0 0 6 ，2 8 1 1 4 3 ～1 4 5 ． [ 5 ]杨雄 ，吴文秀 ．牙轮钻头 Y G1 1硬质合金喷嘴真空扩散焊工艺夹层材料选择试验 [ J ]．石油机械 ，1 9 9 5 ，2 3 1 0 1 5 2 0 ． [ 6 ]赵选 民 ．试验设计方法 [ M]．北京科学技术 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ]吴建福 ，迈克尔哈曼蒂 ．试验设计 与分析及参数优化 [ M]．张润楚译 ． 北 京中国统计出版社 ，2 0 0 3 ． [ 编辑] 苏开科 上 接 第 1 2 8页 2 在 有效应 力较 低 的情 况下 ，随 着 围压增 大 ，煤 岩 渗透率 急剧下 降 ；当有效 应力增 大 到一 定值 时 ， 渗透 率下 降速度 减慢 。 3 煤 样经 加压一 卸 压 图 2中蓝色 曲线为加 压过程 ，红 色 曲线为卸 压过程 ，渗 透率 无法得 到恢 复 。 加压 使渗 透率 降低 ，而卸压 时渗 透率 只能得 到一定程 度 的恢 复 ，从而 造成渗 透率 的损失 即所 谓渗透 性 滞后 现象 。从 z 一 1 2号 煤 样 试 验 结 果 可 以看 出 ，当 围压 增 加 到 5 MP a时 ，渗 透 率 下 降 到 2 ． 9 1 1 0 m ，进一 步增加 围压 到 1 0 MP a时 ，渗 透 率下 降 到 0 ． 9 5 6 1 0 _ 。 m ；但 在 卸 压 过 程 中 ，当 围压 卸 到 5 MP a时 ，渗 透率 只恢复 到 1 ． 2 4 1 0 m。 。该 现象 说 明 ，在 生 产 过 程 或 钻井 过 程 中如 果井 底 压 力 过 低 ，引起 井周 围煤岩 渗透率 下 降 ，即使 再恢 复压力 ，渗 透率仍 然恢 复不到初 始值 ，对地 层造 成永久性 的 伤 害 。 3 结 论 1 煤岩 单相气体 流 动时 ，渗透率 受气体 滑脱 效应 影 响 ，随气 体 压力 升 高 ，煤岩 心 渗透 率下 降 ，当 平 均压 力倒数 趋于零 时 ，渗透 率与液体 渗透 率等效 。 2 由于煤岩特殊的双重孔隙介质特征 ，有效应力对渗透率影响非常严重。当围压升高，孔隙压力 不 变 时 ，岩石 总有效 应 力增大 ，煤岩 渗透 率下降 。 3 增加 围压使 渗透 率降低 ，而 卸压 时渗透率 只能得 到一 定程 度 的恢 复 ，从 而造 成渗透 率 的损 失 。 [ 参考 文献] [ 1 ]P a l me r I D， Me t c a l f e R S ， Ye e D，等 ．煤层 甲烷储层评价及生产技术 [ M]．秦勇 译 ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ，1 9 9 6 ． [ 2 ]何应付 ，张亚蒲 ，刘学伟 ．煤层气藏单相气体渗流特征试验研究 [ J ]．中国煤层气，2 0 0 9 ，6 1 1 O ～1 4 ． [ 3 ]杨胜来 ，崔飞飞 ，杨思松 ． 煤层气渗流特征试验研究 [ J ]．中国煤层气 ，2 0 0 5 ，2 1 3 6 3 9 ． [ 编辑 ] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m