油田射孔槍優(yōu)化改進(jìn)及應(yīng)用

陳維國

摘要：筆者結(jié)合油田射孔槍的工作原理，并運用ANSYS智能優(yōu)化設(shè)計軟件，針對射孔槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有限元的數(shù)學(xué)幾何模型，來進(jìn)行優(yōu)化分析，在保證射孔槍滿足功能要求的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，以節(jié)約預(yù)算成本，提高工作效率。

關(guān)鍵字：射孔槍 優(yōu)化改進(jìn) 工作原理 分析應(yīng)用 有限元

引言：

射孔槍是油田開采作業(yè)能否順利完成的關(guān)鍵工具，是油田井下開孔的主要工具。針對射孔槍的工作原理，運用ANSYS智能優(yōu)化軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，不斷提高我國對于油田射孔槍的設(shè)計水平，對提高我國油田開采效率，滿足日益增加的原油需求量，具有非常重要的意義。

1. 射孔槍的工作原理

圖1：射孔槍的結(jié)構(gòu)圖

如圖1可見，石油射孔槍由槍頭、槍身、槍尾三部分組成，連接處均采用梯形螺紋來連接以保證具有較高的連接強度，槍身均勻分布外盲孔并嵌入定位銷釘來保證射孔與盲孔位置對正。目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的是聚能射孔彈對于射孔槍的強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求很高，不但要嚴(yán)格控制對輸油管道與水泥環(huán)的沖擊力，還需要具有良好的發(fā)射效率來保證射孔槍具有較高的工作效率，同時合理的盲孔深度設(shè)計能夠使得槍身具有較小的厚度與強度，更能夠有效提高發(fā)射率。

2. 射孔槍有限元分析

2.1 創(chuàng)建有限元的模型

實際工作中多采用創(chuàng)建有限元模型來分析復(fù)雜的井下油田狀態(tài)參數(shù)，具體過程可以分為：建立數(shù)學(xué)幾何模型、定義結(jié)構(gòu)材料特點、設(shè)計功能單元、施加載荷并根據(jù)載荷數(shù)據(jù)求解及劃分邊界條件、處理運算結(jié)果檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)。創(chuàng)建有限元模型即根據(jù)作業(yè)內(nèi)容設(shè)定模型標(biāo)題；ANSYS軟件無系統(tǒng)單位制，因此需要技術(shù)人員根據(jù)實際工作參數(shù)設(shè)定單位制，并保證在同一模型中具有統(tǒng)一單位制；ANSYS軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中儲存有不同類型的常用功能單元數(shù)據(jù)，且每種系統(tǒng)單元類型均具有特定編制符號，如OLID95、PLANE76；選定單元類型后需要嵌入與單元類型相符合的單元實常數(shù)，如BEAM3單元的截面面積；然后根據(jù)實際操作環(huán)境設(shè)定材料物理性能參數(shù)，如彈性模量數(shù)、材料密度、應(yīng)力狀態(tài)、線膨脹系數(shù)等；然后根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建幾何模型，并根據(jù)智能網(wǎng)格模擬功能產(chǎn)生物理分析模型。

2.2 對加載荷進(jìn)行有限次求解

有限元模型創(chuàng)建好后，可直接利用SOLUTION處理器來規(guī)定結(jié)構(gòu)類型和分析操作選項，然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，對模型施加可控制調(diào)節(jié)的動態(tài)載荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)載荷參數(shù)對有限元模型進(jìn)行有限次求解并可恢復(fù)初始化狀態(tài)。數(shù)據(jù)分析類型一般分為：靜態(tài)、瞬態(tài)、調(diào)諧等；在ANSYS軟件中對有限元模型施加的載荷可分為DOF(自由度)約束、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷等；求解初始化功能主要是從ANSYS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中選定相符的有限元模型以及載荷數(shù)據(jù)，來進(jìn)行運算求解，然后將計算結(jié)果輸入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲起來以備調(diào)用。

2.3 查詢分析結(jié)果

ANSYS程序完成數(shù)據(jù)運算后，就能夠利用POST1或POST26處理器的數(shù)據(jù)來查詢并分析運算結(jié)果；通用后處理器POST1功能是查詢?nèi)炕蛘卟糠謺r間段的運算結(jié)果；時間歷程后處理器POST26主要功能是查詢選定區(qū)域在不同時間段內(nèi)的所有運算結(jié)果。

3. 射孔槍的優(yōu)化設(shè)計分析

下面針對3000米礦井深度所使用的國產(chǎn)32CrMo的102型射孔槍為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其他型號射孔槍優(yōu)化設(shè)計原理與之相同。

3.1 射孔槍盲孔的優(yōu)化

上式中：tvol為體積，de、dia分別為射孔槍盲孔深度和盲孔直徑。Maxstress為射孔槍盲孔處的最大應(yīng)力，[o]為許用應(yīng)力。

射孔槍材料性能以及實際施工中所用射孔槍型號不相同，槍身結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑、外徑以及所處的鉆井深度等都不相同，從而導(dǎo)致射孔槍盲孔各點的應(yīng)力分布狀態(tài)不一，因此射孔槍盲孔的深度與內(nèi)外徑大小需要設(shè)計計算人員根據(jù)實際的作業(yè)狀態(tài)與功能要求，經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎銇泶_定。射孔槍盲孔的優(yōu)化設(shè)計流程為建立優(yōu)化數(shù)學(xué)分析模型，利用ANSYS軟件建立科學(xué)的參數(shù)分析模型、運算求解、然后根據(jù)運算結(jié)果進(jìn)行具體參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)，生成具有指導(dǎo)意義的優(yōu)化分析文件，根據(jù)軟件系統(tǒng)智能優(yōu)化功能選定優(yōu)化變量，利用系統(tǒng)優(yōu)化工具箱中的優(yōu)化工具與優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化分析，最后得出優(yōu)化結(jié)果，最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計射孔槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2 射孔槍壁厚的優(yōu)化

射孔槍壁厚的優(yōu)化主要受以下因素影響：射孔彈噴射爆炸時會瞬間產(chǎn)生很高的溫度與氣壓，如果射孔槍設(shè)計的強度過低，那么在作業(yè)中就會在高溫高壓環(huán)境中產(chǎn)生較大的塑性變形甚至發(fā)生斷裂。如果射孔槍結(jié)構(gòu)設(shè)計強度過高就會增加設(shè)備生產(chǎn)成本造成資源浪費，因此為保障油田射孔槍能夠高效、科學(xué)地實施作業(yè)，對射孔槍壁厚進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計計算，具有非常重要的實際意義。對于射孔槍壁厚的優(yōu)化設(shè)計與盲孔基本相同，同樣是利用ANSYS軟件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模型，針對特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷調(diào)整，在保證作業(yè)功能要求的前提下，盡可能地節(jié)約預(yù)算成本。

4.結(jié)語： 通過創(chuàng)建有限元模型對射孔槍不同部分有限元彈塑性分析比對，對射孔槍進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，為我國油田射孔槍結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)工作提供科學(xué)的設(shè)計方法與指導(dǎo)意見，以不斷提高我國射孔槍設(shè)計研發(fā)技術(shù)與制造水平。

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