射孔對油層套管動態(tài)力學(xué)研究進展

陳華彬, 陳鋒, 唐凱, 馬峰, 陳建波, 李奔馳

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司, 重慶 400021; 2.北京理工大學(xué), 北京 100081)

0 引 言

射孔彈射孔過程中裝藥爆轟驅(qū)動金屬藥型罩向軸心壓合,在軸心處發(fā)生高速碰撞,通過能量重新分配,產(chǎn)生超高速聚能金屬射流和速度相對較低的杵體,作用于槍管、井液、套管和水泥環(huán)并在油氣巖層形成通道。聚能射流是一種高塑性、高應(yīng)變率的流體,聚能射流侵徹金屬和巖層,碰撞點壓力為1011Pa量級,這個壓力級別,材料的強度[1]可以被忽略。

射孔彈除了聚能射流和杵體之外,裝藥本身在密閉空間內(nèi)爆炸,產(chǎn)生爆炸強沖擊波并伴有高溫、高壓爆轟產(chǎn)物[2]的急劇膨脹,通過聚能射流造成的射孔槍穿孔,在井液中形成沖擊波,并經(jīng)過復(fù)雜的耦合、疊加過程對套管[3]形成復(fù)雜的強沖擊加載。裝藥結(jié)構(gòu)本身的非對稱性,使作用于套管的沖擊載荷也不對稱、非均勻。射孔作業(yè)則是上百發(fā)或數(shù)百發(fā)射孔彈的時序爆炸[4]和作用,高溫高壓[5]井況條件更苛刻,爆轟流場存在極為復(fù)雜和一定時間范圍內(nèi)的持續(xù)性耦合和疊加效應(yīng),增加了套管所受沖擊載荷的復(fù)雜性,導(dǎo)致套管處于極為復(fù)雜的強沖擊載荷作用下的復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。套管的復(fù)雜應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)體現(xiàn)在強沖擊載荷直接作用的徑向擠壓、載荷振蕩和環(huán)壓聯(lián)合作用下的徑向拉伸以及載荷非均勻性導(dǎo)致的徑向剪切和軸向彎曲等。

研究了射孔爆轟理論模型,開展射孔對套管影響的動態(tài)響應(yīng)機理研究,建立射孔預(yù)制孔眼的套管系統(tǒng)仿真模型和射孔時彈藥量等效仿真模型,模擬計算等效條件下套管動態(tài)響應(yīng),初步總結(jié)了等效射孔對套管加載規(guī)律,提出緩解油層套管射孔動力學(xué)不平衡射孔對油層套管損傷的工藝措施。

1 研究思路和理論模型

1.1 基本研究思路

油氣井完井套管的核心科學(xué)問題為跨尺度、強非線性動力學(xué)問題。時間尺度大致跨越6個數(shù)量級,壓力尺度大致跨越5～6個數(shù)量級,加載時間達到微秒級、材料應(yīng)變率大致跨越8～10個數(shù)量級,涵蓋爆轟物理、爆炸力學(xué),材料力學(xué)[6]、應(yīng)力波理論、動力學(xué)分析以及考慮材料和結(jié)構(gòu)缺陷的斷裂力學(xué)[7]等多學(xué)科的交叉。事實上,現(xiàn)階段圓滿解決這一科學(xué)問題并指導(dǎo)相關(guān)的工程實踐是難以做到的,而且相關(guān)學(xué)科和理論的發(fā)展尚不成熟,不足以支撐問題的徹底解決。限于對該問題的科學(xué)認(rèn)知和理論發(fā)展水平,將其簡化分解為爆炸沖擊載荷解耦、復(fù)雜爆炸沖擊載荷的套管動態(tài)響應(yīng)、套管動態(tài)損傷準(zhǔn)則與判據(jù),經(jīng)過有機整合,以期盡可能指導(dǎo)現(xiàn)實工程問題。

(1) 爆炸沖擊載荷的形成、加載特性和規(guī)律與套管的動態(tài)響應(yīng)獨立考慮,分離處理。

(2) 研究數(shù)值模擬方法,對數(shù)值模型驗?zāi)：托拚?通過模擬得到反映爆炸沖擊載荷時空特性和變化規(guī)律的加載曲線和方程,作為套管的動態(tài)響應(yīng)分析的初始條件。

(3) 建立等效數(shù)值模擬方法,通過數(shù)值模擬研究套管的動態(tài)響應(yīng)特性和規(guī)律,獲得動態(tài)響應(yīng)參數(shù)時空分布特性和變化規(guī)律,進一步得到動力學(xué)參數(shù)的工程計算模型和計算方法。

(4) 應(yīng)用靜力學(xué)強度理論和動力學(xué)參數(shù)相結(jié)合的損傷準(zhǔn)則,提出合理的損傷判據(jù)形式。

1.2 套管的爆炸沖擊載荷

射孔彈爆轟在射孔槍內(nèi)形成爆炸沖擊波,爆炸沖擊波在不同界面上來回反射、透射,以壓應(yīng)力波的形式沿著槍體壁面向外擴展。槍管內(nèi)壁在爆炸波的作用下向外膨脹,隨著爆炸波通過槍管上孔眼向外傳播,遇到井液發(fā)生反射和透射,透射沖擊波抵達井筒內(nèi)壁同樣發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。此時,槍體內(nèi)因爆炸沖擊波向外膨脹瞬間壓力降低,受到反射波和井液動態(tài)高壓向內(nèi)的壓合作用。作用過程見圖1。

圖1 槍體在內(nèi)外壓力場作用的動態(tài)力學(xué)模型

完井套管所受沖擊載荷源為射孔彈爆炸沖擊波、爆炸產(chǎn)物氣體以及聚能射流。射孔彈爆炸后爆炸沖擊波及隨行爆炸產(chǎn)物氣體先穿過射孔彈起爆孔作用于射孔對側(cè)槍管壁面并通過井液傳向套管(見圖2);之后彈殼破裂,爆炸產(chǎn)物氣體持續(xù)作用于射孔對側(cè)管壁;高速射流依次穿過槍管、井液、套管、水泥環(huán)及巖層。射流屬超強沖擊作用。射流在與目標(biāo)物質(zhì)相互作用時存在巨大的徑向動能,射流撕開套管的孔徑往往遠大于射流直徑(橫向沖擊效應(yīng))。由于射流的定向作用,與射孔相對的一側(cè)管壁則不受沖擊。

圖2 射流穿透沖擊及徑向效應(yīng)示意圖

射流形成一段時間(微秒級)后,爆炸產(chǎn)物才能持續(xù)作用于射孔側(cè)管壁,形成的沖擊波通過槍管壁以及孔眼傳播進入井液再作用于套管內(nèi)壁,該過程會與射流沖擊壓力波產(chǎn)生時域耦合。射孔彈爆炸時刻起一直到巖層中形成完整孔道整個時間段,由爆炸所引起的強沖擊載荷一直以非對稱的形式加載于套管(見圖3)。

圖3 沖擊波非對稱加載示意圖

射流穿孔時徑向動能作用于套管壁使孔眼周圍出現(xiàn)橫向效應(yīng)區(qū)。相鄰孔眼橫向效應(yīng)疊加區(qū)域體現(xiàn)為管壁單元的軸向擠壓,交錯區(qū)則為軸向剪切(見圖4)。除此之外,2道應(yīng)力波正碰后同時反射稀疏波,在一定區(qū)域疊加后也會產(chǎn)生局部拉伸。射流在開孔過程中會使管壁局部區(qū)域產(chǎn)生軸向的拉、壓、剪或其疊加。非對稱耦合的爆炸載荷下,套管壁正、負(fù)壓力相位分部使套管整體響應(yīng)為扭轉(zhuǎn)、彎曲等屈服現(xiàn)象[8-9],但在管壁局部則形成徑向剪切。

圖4 套管在螺旋分布、周期加載載荷作用下扭轉(zhuǎn)、剪切示意圖

2 等效數(shù)值仿真

射孔槍爆炸沖擊動力學(xué)響應(yīng)是套管系統(tǒng)振動、變形乃至損傷的主要原因。射孔彈的殼體效應(yīng)、射孔槍的管道效應(yīng)以及多點爆炸產(chǎn)生的沖擊波耦合效應(yīng),使套管的沖擊波加載規(guī)律以及管柱動力學(xué)響應(yīng)規(guī)律變得極為復(fù)雜。射流速度極高,套管壁孔眼可認(rèn)為瞬時形成,以射流為載荷源時忽略對壁面沖擊作用而以射流橫向效應(yīng)為主。不同孔眼橫向效應(yīng)區(qū)分時序相互疊加則會使套管壁產(chǎn)生局部應(yīng)力集中(見圖5)。

圖5 射孔周圍橫向效應(yīng)區(qū)疊加示意圖

射孔作業(yè)系統(tǒng)包括射孔彈、射孔槍管、套管、槍管內(nèi)空氣、槍管外井液。射孔彈又包括了藥型罩、裝藥及殼體3部分?？諝?、井液、裝藥及藥型罩為流體材料,采用ALE算法;槍管和射孔彈殼體采用Lagrange單元算法。炸藥的起爆和爆炸過程是一種快速的化學(xué)反應(yīng)過程,描述采用CJ理論模型。

數(shù)值仿真模型采用等效方式,根據(jù)孔密、相位等參數(shù)[10]在套管和槍管壁都在建模時預(yù)制了孔眼,按射孔彈相位排布以模擬射孔孔眼。槍管內(nèi)射孔彈模型以等效炸藥塊替代,不會生成射流。該模型示意圖見圖6。

圖6 套管系統(tǒng)建模

以射孔孔眼圓心為基準(zhǔn)選取模型橫截面,可見套管與槍管間有2個單元厚度的井液模型網(wǎng)格。爆炸壓力波通過井液加載于套管內(nèi)壁之上;提取緊鄰套管的一層網(wǎng)格壓力數(shù)據(jù)峰值作為極坐標(biāo)系下ρ值,根據(jù)該層網(wǎng)格每1個單元網(wǎng)格中心點x、y坐標(biāo)值計算出該單元與水平直線間夾角作為坐標(biāo)系下θ值。按該方法,任意提取連續(xù)6枚射孔彈位置處爆炸加載曲線。

爆炸產(chǎn)生氣體會通過起爆孔溢出直接作用于管壁,管壁一側(cè)爆炸加載峰值高。套管預(yù)制射流孔,該處壓力值低;真實情況下藥型罩會阻礙爆炸氣體膨脹,當(dāng)射流幾乎完全通過孔眼后爆炸沖擊才作用于射孔側(cè)管壁,壓力峰值也會很低。射孔彈殼體碎裂須要消耗能量,彈殼主體部分所對應(yīng)的側(cè)向管壁壓力值也較低。理論上,相鄰上下2個彈間會相互影響,加載曲線形貌應(yīng)該類似于三瓣狀曲線,最高峰代表爆炸氣體沖擊,其余兩瓣次高峰代表上下2個彈干擾、疊加。將這6條曲線匯總于同一坐標(biāo)系中,所得結(jié)果見圖7。

圖7 連續(xù)6枚彈加載曲線

6條曲線峰值相差很大,且不同加載曲線出現(xiàn)差異很大的形貌,沒有辦法給出合理解釋。出于安全考慮,選取峰值最高的曲線作為爆炸加載基準(zhǔn)載荷,得到的套管響應(yīng)結(jié)果也是保守的。這些曲線并不是壓力—時程曲線,不能直接用于加載計算,仍需要對其做進一步處理。

將套管分為4段(見圖8),A、B區(qū)所占弧度分別為60°,C、D所占弧度分別為120°。A區(qū)代表射孔彈后側(cè)管壁,B區(qū)為射孔側(cè),C、D為射孔彈側(cè)面。根據(jù)圖9所示曲線特點提取各區(qū)內(nèi)所有單元的耦合壓力—時程曲線,再分別加載到新建立的套管壁上,相當(dāng)于將由復(fù)雜模型計算出的加載曲線“映射”到了相對簡單的套管壁上。

圖8 爆炸載荷示意圖

射孔時形成的爆炸沖擊波及爆炸產(chǎn)物膨脹做功,套管在非對稱耦合作用下會產(chǎn)生與射孔相位分布形式一致的壓力分布帶。射孔彈起爆后套管孔眼處的管壁與孔眼對側(cè)的管壁受力不均衡,存在響應(yīng)時間差,孔眼測與孔眼對側(cè)形成2條不同的壓力分布帶,爆炸沖擊波先到達射孔對側(cè)管壁,射孔側(cè)高壓區(qū)與射孔對側(cè)高壓區(qū)最終形成雙螺旋排布(見圖10)。

6枚射孔彈順序起爆,爆炸沖擊波在時間、空間2個維度耦合疊加,套管管壁一部分區(qū)域體現(xiàn)為壓力增強,另一些區(qū)域反而因為稀疏和拉伸效應(yīng)出現(xiàn)壓力減弱。

圖10 流場超壓區(qū)的雙螺旋排布

通過數(shù)值系列仿真研究,射孔彈爆炸的整個沖擊加載過程中應(yīng)力波在管壁中來回振蕩,壓縮波和拉伸波往復(fù)交替或同時作用,管壁局部承受拉伸或擠壓作用或二者耦合形成局部剪切,其中壓縮體現(xiàn)為正壓,拉伸體現(xiàn)為負(fù)壓。隨著射孔裝藥量的增加,作用于套管的沖擊載荷峰值增幅不大,但是其高幅值的載荷作用時間加長。

3 階段結(jié)論

(1) 架構(gòu)了管柱動力學(xué)分析的研究思路,利用數(shù)值仿真手段論證了其可行性;爆炸沖擊波透過槍管壁及井液,通過時間、空間非對稱耦合、疊加對套管形成強沖擊加載,可能使套管局部屈服。

(2) 爆炸產(chǎn)物氣體膨脹做功與沖擊波在時序上的疊加可能使套管二次屈服以及發(fā)生局部剪切。

(3) 射流橫向效應(yīng)疊加為管壁局部拉、壓、剪的組合破壞。

(4) 套管壁孔眼的形成破壞了套管完整結(jié)構(gòu),打破了套管力學(xué)平衡狀態(tài),使套管產(chǎn)生徑向位移及軸向扭轉(zhuǎn)的趨勢(該作用產(chǎn)生力、力矩大小雖低于上面3個過程,但隨著套管長期使用,扭轉(zhuǎn)、彎曲效應(yīng)不斷增強,套管更易發(fā)生疲勞損傷和斷裂)。

圖9 爆炸載荷曲線*非法定計量單位,1 bar=0.1 MPa,下同

4 建 議

(1) 提高套管井固井質(zhì)量,良好的固井質(zhì)量有助于抑制套管變形。

(2) 減少一次性起爆的裝藥量,特別是對于長井段射孔,建議減少孔密,推薦為13孔/m。可應(yīng)用分段延時的起爆方式,利用射孔起爆的時間差緩解套管的瞬間力學(xué)作用。

(3) 優(yōu)化配置射孔相位、孔間距等參數(shù)(比如用13孔/m)。

(3) 如果射孔藥量仍然較大,建議采用分段延時起爆方式,利用射孔起爆的時間差緩解套管的瞬間力學(xué)作用。

(4) 建議射孔采用60°相位,降低非對稱耦合、疊加對套管形成的強加載作用,有利于射孔時套管力學(xué)平衡。

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