提高超高溫射孔彈穿深性能研究

徐志國， 喬亞波

（大慶油田射孔器材有限公司，黑龍江大慶163853）

0 引 言

我國油藏分布及藏儲(chǔ)有其特殊性，勘探開發(fā)中超高溫井已在不同地方越來越多地出現(xiàn)，尤其是隨著海上油田、西部油田和非常規(guī)油氣田等深層油氣田勘探開發(fā)力度的加大，目的層超高溫條件下施工作業(yè)明顯增多，在超高溫特殊條件下，對(duì)射孔器提出更高要求。通過查閱相關(guān)資料和具體打靶試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)超高溫射孔彈的穿深性能較同型號(hào)的常溫射孔彈的穿深性能下降30%左右，嚴(yán)重制約了相關(guān)油氣層的勘探開發(fā)。為此我們開展了超高溫超深穿透射孔彈的研究,主要是在超高溫炸藥爆速爆壓低和爆轟總能量低兩方面進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)選主裝炸藥

在設(shè)計(jì)超高溫射孔彈時(shí)，我們首先進(jìn)行超高溫炸藥的選擇，從表1[1]列出的常用炸藥主要性能的對(duì)比中，我們可以發(fā)現(xiàn)2種超高溫炸藥PYX和HNS，無論是在爆速還是在耐溫性能上，PYX都要優(yōu)于HNS，我們選取PYX作為超高溫射孔彈的主裝炸藥。

表1 射孔彈常用炸藥性能

1.2 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

藥型罩是在炸藥爆轟波沖擊作用下形成射流，對(duì)目標(biāo)靶進(jìn)行侵徹，實(shí)現(xiàn)射孔的目的，炸藥的特性直接影響了射流的形狀、動(dòng)能等特性，所以我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分考慮炸藥的特性[2]。從表1中常用炸藥性能對(duì)比來看，PYX與常溫炸藥在主要性能上有多方面的差異，我們?cè)谘b藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也要突破常規(guī)的思維，考慮到PYX炸藥爆速爆壓低的特性，我們采用大封閉高度的裝藥結(jié)構(gòu)，即藥型罩頂部到起爆點(diǎn)的距離增加，使炸藥充分起爆后再對(duì)藥型罩進(jìn)行壓垮做功。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為裝藥結(jié)構(gòu)示意圖，h為封閉高度，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，把封閉高度在常規(guī)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上提高了1倍，同時(shí)，由于槍內(nèi)空間有限，設(shè)計(jì)中充分考慮了彈間干擾和炸高的影響[3]。并利用ANSYS AUTODYNE軟件對(duì)2種封閉高度方案進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。

我們通過對(duì)封閉高度為h和2h的2種不同裝藥結(jié)構(gòu)藥型罩能量分布曲線進(jìn)行了比較，分別如圖2和圖3所示。通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整封閉高度后的藥型罩在做功有效時(shí)間段內(nèi)，能量更高，分布也更合理，也說明了通過裝藥結(jié)構(gòu)的調(diào)整很好地匹配了超高溫炸藥的特性。同時(shí)，我們也對(duì)2種不同裝藥結(jié)構(gòu)的炸藥能量分布曲線進(jìn)行了分析，分別如圖4和圖5所示。

圖2 封閉高度為h藥型罩能量分布

圖3 封閉高度為2h藥型罩能量分布

圖4 封閉高度為h炸藥能量分布

圖5 封閉高度為2h炸藥能量分布

通過比較我們也可以發(fā)現(xiàn)，封閉高度調(diào)整后炸藥在做功有效時(shí)間段內(nèi)，能量更高，持續(xù)時(shí)間更長，分布也更加合理，炸藥的有效利用率得到了較大的提高。

最終我們采用大封閉高度的裝藥結(jié)構(gòu)，一方面提高了藥型罩的頂部裝藥，另一方面，可以使炸藥充分起爆后再對(duì)藥型罩進(jìn)行壓垮做功，起到了較好的效果，解決了超高溫炸藥爆速和爆壓較低的難題。

1.3 藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖6 三錐藥型罩

超高溫炸藥除了爆速爆壓低以外，其爆轟總能量也較常溫炸藥下降很多，我們針對(duì)這一問題，對(duì)藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，藥型罩的錐角作為重要參數(shù)對(duì)聚能射流形成和侵徹效果有直接影響[3]，設(shè)計(jì)中我們采用三錐結(jié)構(gòu)藥型罩如圖6所示。

我們?cè)诖┥钚阅茌^好的常溫產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行了增大藥型罩錐角的設(shè)計(jì)，延緩了同一橫截面上罩微面向母線匯聚的距離，從而避免了藥型罩母線處罩材料的堆積，有利于提高射流頭部速度和射流梯度，使射流充分拉伸，來增加射流穿靶的總作用時(shí)間，另外，對(duì)大錐角來說，壁厚變化率也可取大些，使其在低炸高情況下，射流充分拉長，從而提高穿靶深度，有力地克服了超高溫炸藥能量不足的問題，匹配了炸藥的相關(guān)性能。利用ANSYS AUTODYNE軟件對(duì)常用的102型射孔彈進(jìn)行射流模擬計(jì)算及對(duì)比分析。

圖7 A結(jié)構(gòu)裝常溫炸藥模擬射流

圖8 A結(jié)構(gòu)裝超高溫炸藥模擬射流

圖9 B結(jié)構(gòu)裝超高溫炸藥模擬射流

圖7為某102型射孔彈A結(jié)構(gòu)主裝常溫炸藥時(shí)，其計(jì)算機(jī)模擬射流結(jié)果，射流連續(xù)性非常好，當(dāng)該結(jié)構(gòu)裝填超高溫炸藥時(shí)，其計(jì)算機(jī)模擬射流結(jié)果如圖8所示，爆轟波損失較多，炸藥能量得不到有效的利用，射流效果欠佳，可以分析出此藥型罩結(jié)構(gòu)及配方等與主裝耐高溫炸藥不相匹配。當(dāng)在此基礎(chǔ)上增大藥型罩錐角時(shí)，仍裝填超高溫炸藥，其計(jì)算機(jī)模擬射流結(jié)果如圖9所示，射流連續(xù)性及分布都比較好，說明爆轟能量的有效利用率得到明顯改善。對(duì)藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用變壁厚多錐角結(jié)構(gòu)，不同錐角會(huì)產(chǎn)生藥型罩的壁厚變化，改變爆轟波對(duì)藥型罩的作用方向，從而調(diào)整射流的拉伸特性，射流的有效拉伸長度有所增加，杵體質(zhì)量明顯減少，提高了射流作用于穿深的有效能量，達(dá)到提高炸藥爆轟能量利用率的目的。

我們通過對(duì)圖8和圖9兩種方案在模擬計(jì)算過程中截取的不同時(shí)間段，對(duì)射流的頭部速度進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示，從表2中可以發(fā)現(xiàn)，A結(jié)構(gòu)在初始階段速度較高，而此階段射流尚未接觸到靶體，而B結(jié)構(gòu)雖然初始階段速度沒有A高，但后續(xù)有用功時(shí)間，速度較A結(jié)構(gòu)速度高且穩(wěn)定性好。所以可以通過改變藥型罩結(jié)構(gòu)起到調(diào)整射流速度梯度分布，從而達(dá)到提高炸藥利用率的目的。

表2 A、B兩種結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻的射流頭部速度比較

2 地面穿鋼靶性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬及分析結(jié)果是否符合實(shí)際情況，我們還對(duì)A、B兩種結(jié)構(gòu)的聚能射孔彈進(jìn)行了鋼靶穿孔測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)分別裝填不同類型炸藥進(jìn)行試驗(yàn)，采用60 mm炸高，地面穿鋼靶試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，裝填RDX炸藥后穿深性能較好的是A結(jié)構(gòu)。而裝填PYX炸藥后B結(jié)構(gòu)的穿深明顯優(yōu)于A結(jié)構(gòu)，這與分析和模擬計(jì)算的結(jié)果是吻合的。

表3 地面穿鋼靶性能試驗(yàn)結(jié)果

圖10 地面混泥土靶試驗(yàn)

3 地面穿混泥土靶性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)論，我們又在裝槍條件下進(jìn)行了地面穿混泥土靶試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4所示。

從表中對(duì)比可以得出，超高溫射孔彈在與地層條件較為接近的混泥土靶上進(jìn)行試驗(yàn)，其規(guī)律與穿鋼靶時(shí)一致。

表4 超高溫射孔彈地面混泥土靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

1）超高溫射孔彈穿深性能較同型號(hào)的常溫射孔彈出現(xiàn)明顯下降的原因，一方面是超高溫炸藥的爆轟性能較常溫炸藥低，另一方面主要是射孔彈在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未能匹配超高溫炸藥特性，而第二方面是可以通過設(shè)計(jì)改進(jìn)的。

2)通過對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尋求了殼體與藥型罩的最優(yōu)組合，采用大封閉高度的裝藥結(jié)構(gòu)，在提高了藥型罩的頂部裝藥的同時(shí)可以使炸藥充分起爆后再對(duì)藥型罩做功，起到了理想的效果，解決了超高溫炸藥爆速、爆壓低的難題。

3)通過對(duì)藥型罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，避免了藥型罩母線處罩材料的堆積，通過炸藥能量的合理釋放，可以極大地提高射流質(zhì)量和射流速度梯度，從而調(diào)整爆轟波波形，達(dá)到了提高炸藥爆轟能量利用效率的目的，有力地克服了超高溫炸藥能量不足的問題。

[1]陸大衛(wèi).油氣井射孔技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2012:14-17.

[2]北京理工大學(xué)爆炸及其作用編寫組.爆炸及其作用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[3]李祿蔭.炸藥成型彈丸技術(shù)綜述[R].北京:北京理工大學(xué)力學(xué)工程系,1987.

[4]石前.HSD89型深穿透射孔器研制[J].測(cè)井技術(shù),2007(1):76-79.