數(shù)值仿真技術(shù)在藥型罩配方優(yōu)化中的應(yīng)用

趙文杰 李哲雨 李必紅 李尚杰 魯 坤 王浩

西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司 （陜西西安 710061）

目前，射孔完井是國(guó)內(nèi)外各大油田公司最常用的完井方法，也是國(guó)內(nèi)使用最廣泛的完井方法[1]。射孔完井所采用的聚能射孔技術(shù)是利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的高能將藥型罩熔融并使其翻轉(zhuǎn)形成高速射流，進(jìn)而射穿套管和水泥環(huán)，最終進(jìn)入油氣藏，是目前為止石油開采所采用的主要技術(shù)[2]。

用來(lái)描述射孔孔眼形狀的參數(shù)是穿孔深度和入口孔徑[3]。隨著開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)射孔孔眼的要求是穿孔深度越深、入口孔徑越大，效果越好；而在結(jié)構(gòu)、藥型罩配方和能量一定的情況下，二者是矛盾的統(tǒng)一體——穿孔深度的增加是以犧牲孔徑為代價(jià)的[4]。射孔彈的核心零件是藥型罩，藥型罩的配方和形狀對(duì)孔眼形狀和穿孔深度起決定性作用[5]。能否找到一種配方使穿孔深度和入口孔徑都有所提高是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。本研究的目的是通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)不同配方的藥型罩所產(chǎn)生的效果進(jìn)行對(duì)比，不斷優(yōu)化藥型罩配方并使效果達(dá)到最佳。

1 深穿透藥型罩密度與孔眼形狀關(guān)系仿真

1.1 模型建立

射孔彈數(shù)值仿真系統(tǒng)采用多物質(zhì)Euler網(wǎng)格來(lái)模擬炸藥的爆轟、藥型罩的壓垮及射流的形成等過(guò)程，采用多物質(zhì)作用方法，并考慮裝藥爆轟和射流與靶板碰撞產(chǎn)生的高溫對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響，來(lái)計(jì)算炸藥與外殼體相互作用，射流侵徹鋼靶或套管、混凝土等過(guò)程。

在ANSYS大型運(yùn)算軟件中，LS-DYNA是其中一種顯示動(dòng)力學(xué)分析軟件。藥型罩、鋼靶采用*mat_elastic_plastic_hydro材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程；炸藥采用*mat_high_explosive_burn材料模型和JWL狀態(tài)方程；射孔彈殼體采用*mat_plastic_kinematic材料模型和多項(xiàng)式狀態(tài)方程；空氣采用ALE算法。

利用數(shù)值模擬模型的建立方法，可以生成二維CAD模型，然后進(jìn)行分析模型、邊界條件、材料性能等的建立，并修改待優(yōu)化的幾何參數(shù)和材料參數(shù)。

由于藥型罩的厚度在2 mm左右，而射流的侵徹深度一般為200～1000 mm，這決定了計(jì)算所需網(wǎng)格的數(shù)量在幾十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)以上，相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)與網(wǎng)格大小成正比，在10-9～10-8s左右。因此，模擬聚能裝藥起爆、炸藥爆轟、藥型罩壓垮、形成射流直到射流侵徹結(jié)束會(huì)消耗大量的精力和時(shí)間。為了減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，模型將采用1/4的三維有限元模型。

1.2 藥型罩密度與孔眼形狀關(guān)系數(shù)值模擬研究

采用DP45RDX-1射孔彈，裝藥量為38 g、裝藥密度為1.68 g/cm3、炸高為60 mm，在裝藥結(jié)構(gòu)不變的前提下，利用數(shù)值模擬的方法針對(duì)之前通過(guò)多次試驗(yàn)確定的藥型罩密度（7.4，8.0，9.0，11.0和13.4 g/cm3）進(jìn)行穿45#鋼靶穿孔形狀仿真，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 藥型罩穿孔深度隨密度變化的仿真結(jié)果

圖2 藥型罩孔徑隨密度變化的仿真結(jié)果

根據(jù)圖1和圖2可得出，藥型罩密度在7.4～13.4 g/cm3范圍內(nèi)時(shí)，隨著密度的增大，射流速度增大，穿孔深度呈拋物線增加，與入口孔徑負(fù)線性相關(guān)，即隨著藥型罩密度增大，穿孔深度增加緩慢，入口孔徑快速減小。藥型罩密度在7.4～11.0 g/cm3范圍內(nèi)時(shí)，穿孔深度增加7 mm，入口孔徑減小1 mm；藥型罩密度在11.0～13.4 g/cm3范圍內(nèi)時(shí)，穿孔深度增加1 mm，入口孔徑減小1.8 mm。綜合考慮，深穿透藥型罩的最佳密度在9.0～11.0 g/cm3之間。從曲線上可看出，密度9.0 g/cm3是拐點(diǎn)，因此，9.0 g/cm3是最佳密度。

采用DP45RDX-1射孔彈，裝藥量為38 g、裝藥密度為1.68 g/cm3、炸高為60 mm，在裝藥結(jié)構(gòu)不變的前提下，利用射孔彈數(shù)值仿真系統(tǒng)對(duì)相同藥型罩密度（9.0 g/cm3），屈服強(qiáng)度由 2.5×10-3GPa增加到5.0×10-3GPa，進(jìn)行穿45#鋼靶穿孔形狀仿真計(jì)算，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 屈服強(qiáng)度為2.5×10-3GPa時(shí)穿孔深度與時(shí)間的關(guān)系

圖4 屈服強(qiáng)度為5.0×10-3GPa時(shí)穿孔深度與時(shí)間的關(guān)系

比較圖3和圖4不同屈服強(qiáng)度下穿孔深度與時(shí)間的關(guān)系曲線可得出：在藥型罩密度為9.0 g/cm3的情況下，時(shí)間分別為 30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130 和 140 μs時(shí)，屈服強(qiáng)度為 2.5×10-3GPa下的穿孔深度比屈服強(qiáng)度為5.0×10-3GPa下的穿孔深度分別高 22%、9.6%、1.2%、4.3%、3.6%、1.5%、1.4%、1.3%、4.7%、2.7%、1.0%、2.3%?？梢姡禾岣咚幮驼值那?qiáng)度，不利于穿孔深度的提高，即降低藥型罩的屈服強(qiáng)度有利于穿孔深度的提高。

2 深穿透藥型罩材料配方的優(yōu)化

藥型罩配方技術(shù)是射孔彈的核心技術(shù)，配方優(yōu)劣直接關(guān)系到射孔彈性能指標(biāo)的高低。根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果分析，先后制定了以銅、鉍為主體原材料，分別添加一種既能增加藥型罩密度又能降低藥型罩屈服強(qiáng)度的材料X，Y，Z，按照不同比例分成3種配方（密度9 g/cm3），采用相同的制造工藝壓制藥型罩和射孔彈，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 藥型罩配方性能測(cè)試（DP45RDX-1射孔彈穿45#鋼靶）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，添加X(jué)粉的配方，穿孔深度和孔徑明顯大于原配方，因此選擇添加X(jué)粉，按不同比例配成4種配方，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可看出：配方2的平均穿孔深度為212.5 mm，比其他3種配方的平均穿孔深度要高；配方2平均孔徑為14.5 mm，與配方3平均孔徑相同，比配方1和3分別增大了1.5和1 mm。試驗(yàn)范圍內(nèi)配方2效果最佳，將其應(yīng)用在DP36RDX-1、DP43RDX-1、DP45RDX-1彈種上并與原配方進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

表2 添加X(jué)粉藥型罩配方性能測(cè)試（DP45RDX-1射孔彈穿45#鋼靶）

3 優(yōu)化后配方與原配方試驗(yàn)情況對(duì)比

地面穿45#鋼靶試驗(yàn)結(jié)果與原配方對(duì)比情況詳見表3。

表3 優(yōu)化后配方與原配方試驗(yàn)情況對(duì)比

從表3可看出，應(yīng)用優(yōu)化后的藥型罩配方，地面穿45#鋼靶情況：DP36RDX-1型射孔彈穿孔深度提高了7.6%，穿孔孔徑提高了15.7%；DP43RDX-1型射孔彈穿孔深度提高了9.4%，穿孔孔徑提高了3.4%；DP45RDX-1型射孔彈穿孔深度提高了16.1%，穿孔孔徑提高了17.7%。3個(gè)彈種在穿孔深度和穿孔孔徑上均有所提高。

4 結(jié)論

通過(guò)利用石油射孔彈數(shù)值仿真系統(tǒng)模擬射孔彈穿孔性能，得出深穿透藥型罩的穿孔深度隨藥型罩密度的增大而增加，密度增大到一定程度后，穿孔深度增加不明顯，9.0 g/cm3時(shí)為最佳密度。對(duì)密度為9.0 g/cm3不同屈服強(qiáng)下的穿孔深度進(jìn)行對(duì)比分析，屈服強(qiáng)度為2.5×10-3GPa時(shí)的穿孔深度比屈服強(qiáng)度為5.0×10-3GPa時(shí)的穿孔深度平均提高4.6%。對(duì)優(yōu)化后配方與原配方進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化配方對(duì)3種不同型號(hào)的射孔彈在穿孔深度和穿孔孔徑上均有所提高。這對(duì)深穿透藥型罩配方優(yōu)選方案給出了準(zhǔn)確的指導(dǎo)方向，降低了試驗(yàn)周期和費(fèi)用。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的最佳藥型罩配方，使用不同型號(hào)的射孔彈進(jìn)行試驗(yàn)，穿孔深度平均提高11%以上，穿孔孔徑平均提高12.3%以上，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。數(shù)值仿真技術(shù)在藥型罩優(yōu)化配方中的應(yīng)用將使得射孔彈的整體研究水平上一個(gè)新的高度，為射孔彈藥型罩配方優(yōu)化奠定了一定的基礎(chǔ)。