89型210 MPa射孔槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李奔馳，唐　凱，陳華彬，陳　鋒，任國(guó)輝，馬　峰

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司 測(cè)井公司，重慶 400021；

2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)①

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89型210 MPa射孔槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李奔馳1，唐凱1，陳華彬1，陳鋒1，任國(guó)輝1，馬峰2

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司 測(cè)井公司，重慶 400021；

2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)①

摘要：根據(jù)國(guó)內(nèi)深層油氣藏超高溫、超高壓儲(chǔ)層特征，研制超高溫超高壓射孔槍及組件。提出改善超高壓射孔槍整體耐壓性能的新結(jié)構(gòu)與成型控制技術(shù)，研制出工作壓力為210 MPa的89型超高壓射孔槍。經(jīng)過(guò)260 MPa極限壓力性能試驗(yàn)驗(yàn)證，該射孔槍的安全系數(shù)高。在塔里木油田克深9區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超深井；射孔槍?zhuān)唤Y(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

1高強(qiáng)度射孔槍原材料優(yōu)化

射孔槍是在井下復(fù)雜環(huán)境中工作，需要承受來(lái)自井筒液體和起爆時(shí)沖擊波的作用，因此射孔槍必須承受來(lái)自井筒很高的外部壓力，射孔瞬間還要承受射孔彈爆炸形成的沖擊波。

由拉美公式和第三強(qiáng)度理論公式

(1)

式中：pr為槍管所能承受的外壓；b為槍管外徑；a為槍管內(nèi)徑；σ為材料屈服強(qiáng)度 。

考慮兩種材料的屈服強(qiáng)度不同，將表1的參數(shù)代入式(1)計(jì)算可得，采用這兩種材料制造的89型射孔槍都能在210MPa的高壓環(huán)境下安全使用。但是，在所受最大外壓相同的情況下，可將材料A的槍管壁厚減少10%。

表1　210 MPa射孔槍理論計(jì)算參數(shù)

表1中的屈服強(qiáng)度是在常溫下測(cè)定的，但在超高溫情況下，槍管材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均會(huì)下降。本文通過(guò)對(duì)射孔槍槍管原材料在高溫下的拉伸試驗(yàn)分析，得到不同溫度下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。如圖1。

從試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以看出，屈服強(qiáng)度在100 ℃時(shí)下降5.5%，150 ℃時(shí)下降9.3%，200 ℃時(shí)下降12.3%，250 ℃時(shí)下降15.2%。由上述數(shù)據(jù)并且結(jié)合式(1)可以看出，槍管在高溫下的耐壓性能也會(huì)按照該溫度下屈服強(qiáng)度所下降的相應(yīng)比例下降。

為驗(yàn)證89型射孔槍承受210 MPa高壓的性能，將射孔槍委托給第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行超高壓試驗(yàn)。在高壓釜中最高壓力260 MPa下槍體仍保持完整性。

圖1　溫度對(duì)槍管材料性能的影響

雖然射孔槍強(qiáng)度和壁厚成正比關(guān)系，但壁厚的增加會(huì)影響射孔參數(shù)彈的裝配和射孔性能，因此可以利用屈服強(qiáng)度更高的材料達(dá)到提高射孔槍強(qiáng)度的目的。本文采用了具有高強(qiáng)度性能的材料B作為射孔槍槍管原料，在和原有175 MPa射孔槍相同壁厚情況下，將工作壓力指標(biāo)提高到210 MPa。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為提高射孔槍的承壓指標(biāo)，首先使用了一種具有高屈服強(qiáng)度的新材料作為射孔槍原料，在不增加壁厚的情況下，將射孔槍耐壓指標(biāo)由原來(lái)的175 MPa提升到210 MPa。為進(jìn)一步鞏固射孔槍的耐壓性能，本文通過(guò)對(duì)新材料的選用及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，使射孔槍的整體承壓強(qiáng)度和性能有了很大的提高。在原有射孔槍結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為接頭密封面設(shè)計(jì)了全新的密封方式，在原有O形密封圈的基礎(chǔ)上增加了擋圈，提高了O形密封圈在極限高壓條件下的穩(wěn)定性。為彈架增加支撐環(huán)結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)了接頭聚能傳爆結(jié)構(gòu)，提高槍與槍之間傳爆的可靠性。

2.1接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于射孔槍用密封結(jié)構(gòu)需要考慮高壓和高溫兩種情況，同時(shí)還需考慮射孔槍在井內(nèi)的流體介質(zhì)類(lèi)型。目前，射孔槍的接頭密封采用雙道O形密封圈結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)壓力大于一定值時(shí)，由于高壓作用，O形密封圈被壓力擠入密封結(jié)構(gòu)的間隙中，導(dǎo)致密封圈損傷，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為密封圈咬蝕，如圖2所示。

根據(jù)機(jī)械密封原理，為了防止密封圈咬蝕現(xiàn)象的發(fā)生，可在密封槽內(nèi)增加密封用擋圈。擋圈沒(méi)有密封功能，它只起到保護(hù)和支撐作用，通常和有彈性的密封件一起裝在溝槽中，由于擋圈在溝槽中的緊配合，可以有效防止受壓的彈性密封件被擠壓進(jìn)入密封間隙。當(dāng)壓力僅從一面施加時(shí)，在O形密封圈的下游側(cè)安裝一個(gè)擋圈；當(dāng)壓力從兩面施加時(shí)，在O形密封圈的兩側(cè)安裝兩個(gè)擋圈，如圖3所示。對(duì)于射孔槍來(lái)說(shuō)，壓力只來(lái)自一面，因此只需要加一個(gè)擋圈。

圖2　無(wú)擋圈結(jié)構(gòu)的密封圈咬蝕形態(tài)

a　單側(cè)受壓擋圈安裝方式

b　雙側(cè)受壓擋圈安裝方式

根據(jù)上述擋圈的特點(diǎn)，本文針對(duì)89型射孔槍設(shè)計(jì)了耐壓210 MPa的密封結(jié)構(gòu)、密封圈和擋圈。擋圈的材料采用耐高溫的高強(qiáng)度聚合材料，耐高溫260 ℃，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐沖擊、阻燃、耐酸堿、耐水解、耐磨、耐疲勞、耐輻照的特點(diǎn)?？稍?50 ℃下長(zhǎng)期使用。

新設(shè)計(jì)的射孔槍接頭采用擋圈結(jié)構(gòu)方案，擋圈安裝在O形密封圈的下游側(cè)。如圖4。該密封結(jié)構(gòu)加大了密封溝槽寬度，而接頭長(zhǎng)度尺寸和密封面內(nèi)外徑保持不變，密封面間隙仍然采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)保持不變。擋圈采用耐高溫的高強(qiáng)度聚合材料制成，具有良好的耐溫耐壓性能和耐腐蝕性能。

圖4　射孔槍接頭密封結(jié)構(gòu)

2.2接力支撐結(jié)構(gòu)

由數(shù)值仿真分析知，短槍比長(zhǎng)槍具有更好的耐壓性能。因此，為進(jìn)一步提高極限高壓射孔槍的使用安全性，彈架上設(shè)計(jì)了接力支撐結(jié)構(gòu)(如圖5)，設(shè)計(jì)合理的間隙，間接地完成長(zhǎng)槍變短槍的目的，增加射孔槍承壓性能。

為了驗(yàn)證接力支撐結(jié)構(gòu)對(duì)射孔槍耐壓性能影響，應(yīng)用Ansys軟件進(jìn)行了有限元分析。建模時(shí)使用2.3 m長(zhǎng)射孔槍?zhuān)瑯屩虚g有一個(gè)接力支撐結(jié)構(gòu)，射孔槍兩端施加固定約束，槍管外表面受210 MPa均勻壓力，接力支撐結(jié)構(gòu)與射孔槍之間定義Bond類(lèi)型的面面接觸。從表2有限元分析結(jié)果可以看出，增加接力支撐結(jié)構(gòu)可以在一定程度上降低槍管Von Mises應(yīng)力，并從圖6的應(yīng)力分布圖可以看出，接力支撐結(jié)構(gòu)附近槍管上的應(yīng)力比其他部位小300 MPa。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)彈架接力支撐結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高射孔槍管抗擠壓能力，防止射孔意外事件擠毀射孔槍。

表2　接力支撐結(jié)構(gòu)對(duì)槍管Von Mises應(yīng)力的影響

圖5　接力支撐結(jié)構(gòu)

圖6　接力支撐結(jié)構(gòu)附近應(yīng)力分布

2.3接頭聚能傳爆結(jié)構(gòu)

為降低因高溫井況下傳爆失敗而引起的射孔工程斷爆等事故，改進(jìn)了接頭結(jié)構(gòu)，從而提高射孔成功率。通過(guò)大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文得到了高溫下可控接頭聚能傳爆的間隙及軸向偏心距。設(shè)計(jì)出應(yīng)用于高溫下可靠使用的接頭聚能傳爆結(jié)構(gòu)，提高接頭間的能量輸出、接收，如圖7所示，掌握了影響傳爆質(zhì)量的因素及提高傳爆質(zhì)量的技術(shù)。

圖7　接頭聚能傳爆結(jié)構(gòu)

3器材成型控制技術(shù)

為最大程度保證射孔槍的質(zhì)量，對(duì)射孔槍的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行成型控制。從管材入廠(chǎng)，加工工藝到成品檢測(cè)，每一個(gè)過(guò)程都制定嚴(yán)格的質(zhì)量控制規(guī)范，如表3所示。

表3　射孔槍成型控制內(nèi)容

4超高壓射孔槍性能試驗(yàn)

根據(jù)Ansys仿真結(jié)果，結(jié)合提出提高耐壓性能的新方法，研制出工作壓力210 MPa的89型超高壓射孔槍。為驗(yàn)證耐壓性能，對(duì)89型210 MPa超高壓射孔槍進(jìn)行極限壓力試驗(yàn)。將射孔槍裝入高壓釜，在常溫下加壓至210 MPa后保壓30 min，泄壓。之后重新加壓至260 MPa后保壓5 min，泄壓后取出槍管，測(cè)量槍管直徑后可知槍管外形無(wú)變形。從圖8的加壓過(guò)程壓力變化曲線(xiàn)也可以看出高壓釜在加壓過(guò)程中壓力沒(méi)有減小，說(shuō)明槍管在加壓過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生形變。驗(yàn)證89型210 MPa射孔槍在常溫下至少能承受260 MPa壓力。根據(jù)圖1計(jì)算，89型210 MPa射孔槍在200 ℃下至少能承受226 MPa的壓力，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

a　最高試驗(yàn)壓力210 MPa

b　最高試驗(yàn)壓力260 MPa

5現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制成功的89型210 MPa超高壓射孔槍在塔里木油田克深9區(qū)塊得到了應(yīng)用。塔里木油田KS901井的射孔井段為7 910～7 930 m、井溫184 ℃、井底施工壓力175 MPa，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得成功。之后繼續(xù)在KS902、KS904井等投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，工藝成功率100%。

6結(jié)論

1)為了滿(mǎn)足超高溫、超高壓深井的射孔要求，研制成功89型210 MPa射孔槍?zhuān)ぷ餍阅苓_(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

2)應(yīng)用高屈服強(qiáng)度、高韌性的新材料作為射孔槍原料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使射孔槍的耐壓性能得到大幅度提高。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮影響射孔槍工作性能的因素，提出增強(qiáng)射孔槍耐壓性能的新結(jié)構(gòu)與成型控制技術(shù)。

4)開(kāi)展射孔槍功能性試驗(yàn)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了89型210 MPa射孔槍的性能，滿(mǎn)足塔里木油田克深9區(qū)塊等超高溫、超高壓井的射孔完井需求。

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Structural Optimization Design of 89 mm 210 MPa Perforating Gun

LI Benchi1，TANG Kai1，CHEN Huabin1，CHEN Feng1，REN Guohui1，MA Feng2

(1.WellLoggingCompany，ChuanqingDrillingEngineeringCo.，Ltd.，CNPN，Chongqing400021，China；2.StateKeyLabofExplosionScienceandTechnology，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China)

Abstract：This paper develops a perforating gun that can withstand ultra high temperature and ultra high pressure to meet the need in the ultra deep oil and gas exploration.New structures and manufacture control techniques are proposed to optimize the performance of perforating gun，and an 89 perforating gun which can withstand outer pressure of 210 MPa is developed successfully based on the results of optimization.An experiment is conduced to testify the perforating gun can actually withstand outer pressure up to 260 MPa，and the perforating gun is applied in Keshen 9 district of Tarim Oilfield successfully.

Keywords：ultra deep well；perforating gun；structure；technique parameter optimization

中圖分類(lèi)號(hào)：TE925.302

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.009

作者簡(jiǎn)介：李奔馳(1985-)，男，重慶人，工程師，博士，2013年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密儀器及機(jī)械專(zhuān)業(yè)，從事射孔工藝研究，E-mail：libenchi_cj@cnpc.com.cn。

收稿日期：①2015-08-07

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0042-05