變壁厚石油射孔彈聚能射流形成的影響因素分析

李換芝， 王 鄭

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

引 言

隨著現(xiàn)代石油開(kāi)采技術(shù)的深入發(fā)展，油井射孔成為一項(xiàng)非常重要的完井作業(yè)。該射孔技術(shù)以石油射孔彈為關(guān)鍵，利用聚能裝藥的聚能效應(yīng)形成的高能量密度、高溫、高壓金屬射流，在極短的時(shí)間內(nèi)射入油層巖石中，使得井筒以及底層的環(huán)境相互接通，形成一定的油井產(chǎn)油通道［1］。油井的產(chǎn)油率主要與聚能射流的速度和質(zhì)量有關(guān)，而藥型罩的錐角、壁厚是影響射流速度、質(zhì)量以及形狀等的關(guān)鍵因素［2］。因此，本文利用有限元顯示動(dòng)力分析程序，從藥型罩錐角、壁厚等參數(shù)入手，對(duì)石油射孔彈聚能射流的形成過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得到了藥型罩結(jié)構(gòu)與射流頭部速度之間的關(guān)系，為以后石油射孔技術(shù)的研究提供了有利的依據(jù)。

1 數(shù)值模擬模型的確定

1.1 幾何模型的確定

以工程普遍使用的石油射孔彈為例。由于該結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，所以，可以將模型簡(jiǎn)化為四分之一立體對(duì)稱問(wèn)題。如圖1所示。

分析起爆點(diǎn)為頂部中心點(diǎn)，并且假設(shè)藥型罩材料、炸藥為均勻連續(xù)介質(zhì)，整個(gè)作用過(guò)程為絕熱過(guò)程。

圖1 四分之一模型立體圖

1.2 網(wǎng)格劃分

由于使用Lagrange算法容易產(chǎn)生嚴(yán)重畸變單元，且變壁厚藥型罩在爆炸形成射流的過(guò)程中存在著大變形、大應(yīng)變，不適用Lagrange算法，故選用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，以滿足映射網(wǎng)格劃分應(yīng)用的特定要求［3-4］。選擇3Dsolid 164單元類型，采用cm-g-μs單位制，分別對(duì)炸藥、藥型罩和空氣進(jìn)行不同的材料定義，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。炸藥、藥型罩和空氣的網(wǎng)格如第58頁(yè)圖2所示。

1.3 材料模型的確定

該數(shù)值模擬中采用炸藥、藥型罩、空氣3種材料模型，具體確定如下。

1.3.1 藥型罩材料模型

藥型罩材料選用Johnson-Cook本構(gòu)模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述。Johnson-Cook本構(gòu)模型適合大部分金屬材料；Gruneisen狀態(tài)方程形式［4］為式（1）。

式中：γ0為Gruneisen常數(shù)；c為vs-vp曲線的截距；S1、S2、S3為vs-vp曲線的斜率系數(shù)；a為γ0和μ的一階體積修正量；μ＝ρ/ρ0-1。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.3.2 炸藥材料模型

采用LS-DYNA程序提供的高能炸藥材料模型（MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN），爆轟產(chǎn)物壓力與體積關(guān)系采用標(biāo)準(zhǔn)的JWL狀態(tài)方程，其一般形式［5］為式（2）。

式中：P為壓力；E為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；A、B、r1、r2、ω為試驗(yàn)參數(shù)。

1.3.3 空氣材料模型

空氣材料模型采用無(wú)偏應(yīng)力流體動(dòng)力模型（NULL），對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程為Gruneisen。密度ρ＝1.225×10-3g/cm3，氣體常數(shù)γ＝1.4，C＝0.344。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算分2階段進(jìn)行。第1階段，計(jì)算炸藥爆炸壓垮不同厚度藥型罩形成射流的過(guò)程；第2階段，計(jì)算炸藥爆炸壓垮不同錐角藥型罩形成射流的過(guò)程。

2.1 模擬石油射孔彈聚能射流形成過(guò)程

圖3給出了石油射孔彈聚能射流的形成過(guò)程。圖3（a）表明，炸藥引爆后3μs時(shí)刻爆轟產(chǎn)物擠壓藥型罩，罩中間部位正在爆轟波的引導(dǎo)下沿軸線運(yùn)動(dòng)；圖3（b）表明，聚能裝藥完成爆轟過(guò)程，藥型罩閉合區(qū)的前端已出現(xiàn)射流；圖3（c）為射流不斷延伸拉長(zhǎng)狀態(tài)，并出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，尾部逐漸形成“杵”；圖3（d）表明，射流速度趨于穩(wěn)定，由于拉伸作用，射流逐漸變的細(xì)長(zhǎng)；圖3（e）表示射流的最終狀態(tài)，杵體即將與射流分離。

圖3 石油射孔彈聚能射流的形成過(guò)程

2.2 不同壁厚藥型罩聚能射流形成過(guò)程的數(shù)值模擬

藥型罩的壁厚對(duì)聚能射流速度有較大的影響。為明確壁厚變化對(duì)聚能射流速度變化的影響規(guī)律，在保持RDX藥包尺寸和藥型罩材料不變的情況下，以錐角為60°作基準(zhǔn)，選取壁厚變化率為0.00%、0.50%、1.25%、2.00%壁厚藥型罩進(jìn)行仿真模擬對(duì)比，并觀察和分析50μs時(shí)形成的射流狀態(tài)。表1給出了模擬結(jié)果。

2.3 不同錐角藥型罩聚能射流形成過(guò)程的數(shù)值模擬

選用RDX炸藥和紫銅藥型罩，在保持40mm裝藥直徑與60mm裝藥高度不變的條件下改變藥型罩錐角的大小，建立有限元模型。藥型罩尺寸模型如第59頁(yè)圖4所示。選取45、75、90、105、120°藥型罩錐角進(jìn)行模擬比較，取50μs時(shí)的射流狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如第59頁(yè)表2所示。

表1 t＝50μs時(shí)不同壁厚藥型罩形成的射流狀態(tài)

表2 t＝50μs時(shí)聚能射流狀態(tài)

圖4 藥型罩尺寸模型

3 結(jié)論

1）通過(guò)模擬在不同錐角下聚能射流的形成和對(duì)比各個(gè)錐角對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻聚能射流頭部的速度得出，不同錐角裝藥形成射流時(shí)，射流頭部形狀區(qū)別不大，但頭部速度相差較大；錐角越大，射流速度越小，形成的杵體長(zhǎng)度相比于射流的長(zhǎng)度也越小。小錐角石油射孔彈，雖然形成杵體的體積較大，但相對(duì)于射流來(lái)說(shuō)所占的比重較小，更適合應(yīng)用于深層開(kāi)坑。

2）通過(guò)模擬在不同壁厚下聚能射流的形成和對(duì)比各個(gè)壁厚對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻聚能射流的頭部速度得出，在同一時(shí)刻下，同錐角藥型罩壁厚越小，聚能射流的形態(tài)發(fā)育得越好；藥型罩壁厚越大，射流速度越低，射流長(zhǎng)度和杵體的長(zhǎng)度越小，但是杵體情況會(huì)相對(duì)較輕。

3）在設(shè)計(jì)石油射孔彈時(shí)，藥型罩的錐角和壁厚都不宜過(guò)大或過(guò)小，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，既要讓射流速度達(dá)到預(yù)期值，又要使杵體的體積盡可能小。

［1］ 韓秀清，曹麗娜，曹新宇，等.聚能射流形成及破甲過(guò)程的數(shù)值模擬分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（23）：6960-6964.

［2］ 曹麗娜，韓秀清，董小剛，等.藥型罩結(jié)構(gòu)對(duì)聚能射流影響的數(shù)值模擬［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009，6（29）：98-105.

［3］ Jhanwar J C，Jethwa J L，Reddy A H.Influence of airdeck blasting on fragmentation in jointed rocks in an open-pit man-ganese mine［J］.Engineering Geology，2000，57（2）：13-29.

［4］ 譚多望，孫承緯，趙繼波.大錐角聚能射流實(shí)驗(yàn)研究［J］.高壓物理學(xué)報(bào)，2003，17（3）：204-208.

［5］ 惲壽榕，趙衡陽(yáng).爆炸力學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.