等孔徑射孔彈數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

魯坤, 李必紅, 趙云濤, 王喜, 段嘉慶, 周明

(西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司, 西安 710061)

0 引 言

在油氣井射孔完井作業(yè)過(guò)程中,射孔管串在油氣井中處于不完全居中狀態(tài),尤其是在大斜度和水平井中,在重力作用下幾乎緊貼套管內(nèi)壁,采用常規(guī)射孔彈射孔后在套管周向上形成大小不一的孔眼。對(duì)油氣井進(jìn)行后續(xù)水力壓裂作業(yè)時(shí),孔眼大的通道注入壓力先達(dá)到儲(chǔ)層的破裂壓力而被壓開(kāi),隨著裂縫的增大,井筒壓力逐漸降低,小孔徑通道卻不能有效壓開(kāi),且容易形成大角度通道和橋接。因此,為了有效壓開(kāi)小孔徑通道需要更高的泵壓和消耗更多液體,其成本很高,且效果不佳[1-3]。基于上述原因,解決射孔器在不居中狀態(tài)下射孔后套管上形成孔眼不一致性問(wèn)題成為油氣田射孔完井作業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。等孔徑射孔彈是在這種背景下發(fā)展起來(lái)的新型射孔彈[4]。其具有孔眼一致性好,且具備孔眼大、深穿透的特性。在國(guó)外,主要是Halliburton公司的MaxForce?-FRAC系列射孔彈[5];在中國(guó),目前尚未見(jiàn)到相關(guān)公開(kāi)發(fā)表的論文。

本文采用數(shù)值模擬的方法,對(duì)比等孔徑射孔彈與常規(guī)深穿透射孔彈在井筒內(nèi)裝槍極限情況下侵徹鋼靶過(guò)程中射流形態(tài),分析了兩者藥型罩壓垮、射流形成、延伸和斷裂失穩(wěn)全過(guò)程的特點(diǎn),并通過(guò)地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,為等孔徑射孔彈的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供一定參考。

1 設(shè)計(jì)原理

等孔徑射孔彈是指在油氣井射孔完井作業(yè)過(guò)程中,射孔器在井筒中處于不完全居中狀態(tài)時(shí),射孔后能在套管周向上形成孔眼孔徑穩(wěn)定性較好的射孔彈。等孔徑射孔彈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是減小或消除井筒套管與射孔器之間間隙和液體(簡(jiǎn)稱(chēng)為槍套含水間隙)對(duì)穿孔性能的影響。爆炸成型彈丸(Explosively Formed Projectiles,簡(jiǎn)稱(chēng)EFP)是指利用聚能原理,通過(guò)裝藥的爆轟作用,使高溫高壓的爆轟產(chǎn)物作用于金屬藥型罩上,使罩材發(fā)生極大的塑性變形而被壓垮閉合形成具有較高速度和一定結(jié)構(gòu)形狀的彈丸來(lái)侵徹毀傷目標(biāo)物[6]。它具有對(duì)炸高不敏感、孔徑大等優(yōu)點(diǎn)。但是其穿深受限,因此,單純的EFP設(shè)計(jì)無(wú)法滿足施工作業(yè)要求。為了實(shí)現(xiàn)孔眼一致性好,并保證孔徑大、深穿透的特性,設(shè)計(jì)時(shí)將EFP與聚能射流相結(jié)合,通過(guò)調(diào)整爆轟波波形,控制射流質(zhì)量和射流速度梯度,形成桿式射流。

2 數(shù)值模擬仿真

2.1 計(jì)算方案

圖1 射孔器裝配示意圖

2.2 幾何模型建立

為節(jié)省計(jì)算單元,采用1/4有限元模型建模。具體模型如圖2所示,包括射孔彈、空氣、模擬槍身(盲孔)、井液(水)和鋼靶。其中,射孔彈包括殼體、炸藥和藥型罩。2種射孔彈模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 射孔彈侵徹鋼靶模型圖

2.3 數(shù)值模擬算法和材料參數(shù)

2.3.1 數(shù)值模擬算法

射孔彈爆炸屬于一種多物質(zhì)相互作用的大變形運(yùn)動(dòng),在高溫、高壓、高速射流形成的過(guò)程中,炸藥和藥型罩材料會(huì)發(fā)生極其劇烈變形,用Lagrange算法幾乎不可能準(zhǔn)確模擬[8]。而ALE(Arbitrary Lagrange Eulerian)算法適用于處理這種因超高速撞擊引起的大變形、材料流動(dòng)的問(wèn)題。因此,炸藥、藥型罩和空氣的單元算法均采用ALE算法;水為流體,若采用Lagrange算法會(huì)引起網(wǎng)格嚴(yán)重畸變,故對(duì)水的單元算法同樣采用ALE算法;同時(shí),殼體和鋼靶建模選用Lagrange算法,整體模型計(jì)算采用流固耦合算法。

表1 2種射孔彈模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.2 材料參數(shù)選擇

應(yīng)用LS-DYNA3D軟件進(jìn)行模擬計(jì)算中,炸藥采用High Explosive Burn模型和JWL狀態(tài)方程描述;藥型罩采用Johnson-Cook模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述;殼體、模擬槍身(盲孔)和鋼靶均采用各向同性隨動(dòng)硬化塑形模型(PLASTIC_KINEMATIC),空氣和水均采用空材料模型(null)和多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述[9-11]。具體模型參數(shù)如表2所示。

表2 材料模型參數(shù)

2.4 仿真結(jié)果分析

圖3 3 in型等孔徑射孔彈在不同時(shí)刻的射流形態(tài)

圖4 3 in型深穿透射孔彈在不同時(shí)刻的射流形態(tài)

由圖3和圖4可以看出,在t=14 μs時(shí),2種射孔彈侵徹完模擬槍身(盲孔),并在槍身上形成較小的孔眼,孔眼大小均為8 mm;在t=14～25 μs過(guò)程中,2類(lèi)射孔彈炸藥爆轟基本完成,藥型罩受爆轟波作用高速向裝藥軸線處壓垮閉合,射流頭部穿過(guò)模擬槍身和槍套含水間隙,開(kāi)始撞擊鋼靶,射流進(jìn)入開(kāi)坑侵徹階段;在t=25～103 μs過(guò)程中,等孔徑射孔彈藥型罩從壓垮變?yōu)榉D(zhuǎn),與前續(xù)射流發(fā)生耦合,使射流具有了桿式射流形態(tài)。而深穿透射孔彈藥型罩繼續(xù)被壓垮,射流不斷的被拉伸,變得又細(xì)又長(zhǎng);在t=103 μs時(shí),深穿透射孔彈射流出現(xiàn)頸縮斷裂,射流侵徹從準(zhǔn)定常階段進(jìn)入終止階段;在t=154 μs時(shí),射流侵徹基本結(jié)束,此時(shí)測(cè)量等孔徑射孔彈鋼靶上的孔眼孔徑為12.1 mm,深穿透射孔彈鋼靶上的孔眼孔徑為7.8 mm。

圖5 2種藥形罩外形圖

分析產(chǎn)生2種差別較大射流形態(tài)的原因主要是與它們裝配的藥形罩結(jié)構(gòu)有關(guān)(見(jiàn)圖5)。其中,圖5(a)為等孔徑射孔彈裝配的藥形罩,設(shè)計(jì)為多錐角形狀。上段錐角較小,射孔時(shí)首先被壓垮,能夠形成較細(xì)的聚能射流,在槍體上形成小的孔眼,防止彈殼或彈架碎片進(jìn)入孔眼,或者掉入井筒,造成孔眼堵塞或管柱遇卡。中、下段錐角較大,在炸藥爆炸壓垮藥形罩過(guò)程中能夠產(chǎn)生粗大的射流在套管上形成較大的孔眼,且部分發(fā)生翻轉(zhuǎn),與前續(xù)射流發(fā)生耦合,形成桿式射流,在射孔器偏心狀態(tài)下能在套管上形成孔徑穩(wěn)定性好的孔眼。圖5(b)為深穿透射孔彈藥形罩,設(shè)計(jì)為單錐角形狀。錐角較小,在整個(gè)侵徹過(guò)程為藥型罩向裝藥軸線壓垮閉合的過(guò)程,射流拉伸形成細(xì)長(zhǎng)的錐形射流,尾部形成粗大的杵體。因此,在射孔器偏心狀態(tài)下槍套含水間隙小的相位套管上形成的孔眼較大,反之間隙大的相位則在套管上形成的孔眼較小。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性,綜合數(shù)值模擬仿真計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)研究。主要開(kāi)展了地面模擬裝槍侵徹鋼靶試驗(yàn)和地面模擬裝槍侵徹柱狀混凝土靶試驗(yàn)。

3.1 地面模擬裝槍侵徹鋼靶試驗(yàn)

在地面模擬裝槍侵徹鋼靶試驗(yàn)中,對(duì)比等孔徑射孔彈和常規(guī)深穿透射孔彈在不同槍套含水間隙時(shí)穿模擬套管孔眼大小,試驗(yàn)裝配示意圖見(jiàn)圖6[12]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知,選擇4、10、25、33 mm等4種槍套含水間隙(模擬20孔/m、60°相位3in型射孔器裝5in套管)模擬裝槍侵徹鋼靶,常規(guī)3in型深穿透射孔彈射孔后在模擬套管上形成的孔眼大小相差很大,貼近套管時(shí)孔徑可以達(dá)到13～14 mm,遠(yuǎn)離套管時(shí)孔徑為7～8 mm左右,平均孔徑10 mm,孔徑穩(wěn)定性為76.3%;而選用3in型等孔徑射孔彈,射孔后在各相位模擬套管上形成的孔眼大小相差只有1 mm左右,平均孔徑為12.3 mm,孔徑穩(wěn)定性為96.7%。由此可知,后者比前者平均孔徑提高了2.3 mm,孔徑穩(wěn)定性提高了20.4%。說(shuō)明了后者具有較大的孔徑和較好的孔眼一致性。

圖6 射孔彈模擬裝槍試驗(yàn)示意圖

圖7 2類(lèi)射孔彈試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 地面模擬裝槍侵徹柱狀混凝土靶試驗(yàn)

模擬套管孔徑平均值

(1)

模擬套管孔徑標(biāo)準(zhǔn)偏差

(2)

模擬套管孔徑穩(wěn)定性

(3)

穿孔深度平均值

(4)

表3 地面模擬裝槍穿柱靶試驗(yàn)結(jié)果

注:模擬套管為5in套管,壁厚為10.54 mm。

4 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明,等孔徑射孔彈模擬裝槍侵徹鋼靶過(guò)程為頭部先壓垮,形成較細(xì)的聚能射流在槍身上形成較小的孔眼,隨后中下段部分發(fā)生翻轉(zhuǎn),與前續(xù)射流發(fā)生耦合,形成高速的桿式射流;而常規(guī)深穿透射孔彈侵徹過(guò)程為藥型罩向裝藥軸線壓垮閉合,頭部形成細(xì)長(zhǎng)的錐形射流,尾部形成粗大的杵體,最后發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

(2) 地面模擬裝槍侵徹鋼靶和地面模擬裝槍侵徹混凝土靶試驗(yàn)結(jié)果表明,3in型等孔徑射孔彈與同類(lèi)常規(guī)深穿透射孔彈相比,射孔后在套管上形成的孔眼具有較大的孔徑和好的孔眼一致性,且具有深穿透的特點(diǎn)。

(3) 地面試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符,說(shuō)明了采用的數(shù)值模擬方法和選用的材料模型參數(shù)滿足要求,這為后續(xù)理論研究的開(kāi)展打下了較好基礎(chǔ)。

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