石油射孔彈爆轟波間疊加和干擾對射流的影響研究

摘 要：本文主要針對石油射孔彈轟間疊加和干擾對射流的影響，期間所使用的分析模型為動力學(xué)有限元程序。分析的重點在于不同孔密下某種型號的石油射孔彈的順序起爆和爆轟波在彼此作用下的相互疊加和干擾情況對聚能射流的影響，在次基礎(chǔ)上，對爆轟波疊加和干擾情況下聚能射流的偏轉(zhuǎn)角度進行計算，目的是提高射孔槍盲孔定位的準確性，為其定位設(shè)計提供有效的參考資料。

關(guān)鍵詞：石油;射孔彈;爆轟波;疊加;干擾;聚能射流;影響情況

油氣田開發(fā)過程中會產(chǎn)生石油射孔彈，此種物質(zhì)屬于一種聚能爆炸物，可以起到溝通油氣層和井筒的作用。石油射孔彈在爆炸的過程中，反應(yīng)界面會發(fā)生相應(yīng)變化，石油射孔彈爆炸時的炸藥會以超聲波的形式推進，因此形成巨大的爆轟波。研究人員將爆轟過程看成是流體動力學(xué)的變化的過程，爆轟期間會伴隨快速的化學(xué)反應(yīng)，并摻雜極高的能量釋放。目前研究學(xué)者對爆轟波理論的研究還處于不斷完善和發(fā)展的階段。其中關(guān)于爆轟波理論研究最具代表性的研究人員有柴普曼和柔格創(chuàng)建的C-J理論，C-J理論下沒有將化學(xué)反應(yīng)期間的爆轟波的流體力學(xué)理論納入其中。除了上述理論還有捷爾道維、達爾令以及馮紐曼的Z-N-D模型，此種模型主要針對沖擊波和化學(xué)反應(yīng)區(qū)組合結(jié)構(gòu)的分析。不管是哪一方面的理論，他們所做研究的前提都是一維定常流動。但是理論和實踐存在明顯的區(qū)別，最明顯的區(qū)別就是體現(xiàn)在石油射孔彈爆轟的過程不是并非一維。實際爆轟過程中可能因為橫波的存在，呈現(xiàn)出三維的立體結(jié)構(gòu)，分析聚能射流角度變化的原因就是在于兩個一樣強度的爆轟波彼此疊加干擾。

實際油氣井生產(chǎn)中最長采用的射孔槍的孔密度是小于20孔/m，但是高孔密石油射孔的射孔槍密度則可以達到30孔/m以上，40孔/m以下。本篇文章主要分析了高孔密石油射孔彈爆轟波疊加和干擾現(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了數(shù)值模型，分析此種現(xiàn)象對聚能射流的影響，由此得出三維立體模型，借助三維立體模型得出相應(yīng)的模擬結(jié)果。目的是提高射孔槍的盲孔定位的準確性，為其定位設(shè)計提供有效的參考資料。

1 數(shù)值計算模型的構(gòu)建

1.1 模型幾何尺寸的確定

圖1? ? 模型截面尺寸具體數(shù)值

本文選取的案例為油氣井工程中經(jīng)常采用的圓錐形藥型罩聚能射流，借助動力學(xué)有限元程序?qū)勰苌淞髡归_分析。假設(shè)40.0mm為裝藥高度，2.0mm為藥型罩壁厚，70°為藥型罩錐角，當(dāng)兩發(fā)射孔彈相位角一樣時，對模型截面尺寸進行計算，具體尺寸計算結(jié)果如圖1。分析整個爆轟過程的前提是藥型罩材料與炸藥均為連續(xù)介質(zhì)，且整個的爆轟過程屬于絕熱過程。

1.2 建立模型及確定材料參數(shù)

建模期間離不開動力學(xué)有限元程序，該程序可以對計算模型進行劃分，注意劃分計算模型期間不可缺少的工具就是SOLTID162單元。模擬數(shù)值期間藥型罩在爆炸作用下，會形成射流。射流在整個的反應(yīng)過程中會發(fā)生較大程度的變化，基于此為了應(yīng)對此種變化就需要構(gòu)建自適應(yīng)網(wǎng)格。其中采用CONTACT-2D-AUTOMATIC-SURFACE-TO-

SURFACE接觸算法對金屬罩和炸藥之間展開計算，金屬罩自身則采用CONTACT-2D-AUTOMATIC-SIN-GLE-SURFACE接觸算法計算。

2 結(jié)算結(jié)果分析及討論

石油井實際生產(chǎn)中10-40孔/m是射孔槍最常使用的射孔槍孔密。在演示模擬的過程中可以得出，射孔槍孔密在10孔/m時，射孔彈間爆轟波為正規(guī)反射，其原因是兩發(fā)射孔彈距離較遠，兩發(fā)射孔彈之間不會產(chǎn)生較為顯著的疊加和干擾，此時也不會對聚能射流造成較為嚴重的影響。基于此對石油射孔彈彈間爆轟波疊加干擾下對聚能射流造成影響的分析是在孔密為13、16、20、40孔/m下進行的。對本次研究結(jié)果進行過分析，可以發(fā)現(xiàn)兩發(fā)射孔彈彈間距為13孔/m時，出現(xiàn)疊加現(xiàn)象的情況是在彈間爆轟波為10us時，但是此種并不會對聚能射流造成影響。一直發(fā)展到15us，此時的兩發(fā)射孔彈正好處于壓垮藥型罩形成且出現(xiàn)射流狀態(tài)時，此時的爆轟波會被干擾，進而影響聚能射流，使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但是此種聚能射流偏轉(zhuǎn)的角度還不是太大。而當(dāng)16孔/m為彈間距時，干擾明顯加強是在15us時，此時聚能射流的偏轉(zhuǎn)角度會發(fā)生顯著變化，但是偏轉(zhuǎn)的幅度還是在誤差允許范圍之內(nèi)。一旦孔密為20孔/m，聚能射流進行壓垮藥型罩階段是在10us時，該時段的爆轟波彼此之間相互疊加并相互干擾，其中疊加和干擾最嚴重的程度出現(xiàn)在20us時，該時段疊加干擾最嚴重的爆轟波為藥型罩壓垮軸線附近的爆轟波，此時對聚能射流偏轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生的影響遠遠超出誤差允許范圍，不能忽略不計。現(xiàn)階段高孔密射孔槍是石油開采過程中最常使用的射孔槍，射孔槍的孔密為40孔/m，對此種孔密的射孔槍進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)爆轟波疊加和干擾最明顯的階段是在起爆后的10us，而進入20us時，聚能射流會出現(xiàn)明顯變化，延長程度會更長，爆轟波疊加和干擾影響更為明顯，此時聚能射流的偏轉(zhuǎn)角度是非常大的。該時段爆轟波對聚能射流的影響不可小覷，需要構(gòu)建計算模型對射流偏轉(zhuǎn)角度進行分析，以便提高射孔槍盲孔定位的準確性，為其定位設(shè)計提供有效的參考資料。

3 分析聚能射流偏轉(zhuǎn)角度受爆轟波疊加和干擾的影響

對本次研究的爆轟波對聚能射流產(chǎn)生的影響進行分析，發(fā)現(xiàn)爆轟波疊加和干擾對聚能射流偏轉(zhuǎn)角度影響不可忽視的情況是在彈間距大于20孔/m時。因此在此基礎(chǔ)上結(jié)合模型模擬的數(shù)據(jù)參數(shù)，對爆轟波疊加和干擾對聚能射流偏轉(zhuǎn)數(shù)值進行計算，可以得出以下計算結(jié)果。見表1。

對上述表格不同孔密下兩發(fā)彈的射流偏轉(zhuǎn)角度進行分析，發(fā)現(xiàn)不同孔密下兩發(fā)彈的射流偏轉(zhuǎn)角度，與孔密大小成正相關(guān)的關(guān)系，孔密增加的過程中偏轉(zhuǎn)角度也會增大。換句話說彈間距越小，爆轟波之間疊加和干擾成程度會越大，此時射流偏轉(zhuǎn)角度也會越大。

4 結(jié)語

綜上所述，對本次研究結(jié)果進行梳理，發(fā)現(xiàn)在動力學(xué)有限元理論下，可以順序起爆兩發(fā)射孔彈，并對爆轟波之間的疊加和干擾進行數(shù)值模擬分析。在數(shù)值模擬分析中可以發(fā)現(xiàn)石油射孔彈在孔密不一樣的情況下，爆轟波之間的疊加和干擾情況也是不一樣過的，且爆轟波孔密逐漸增大，爆轟波之間疊加和干擾程度也會越來越強，在此基礎(chǔ)上對聚能射流產(chǎn)生較大程度影響。總而言之，對石油射孔彈爆轟波間疊和干擾對射流偏轉(zhuǎn)角度的影響進行分析，可提高射孔槍盲孔定位的準確性，為其定位設(shè)計提供有效的參考資料。

參考文獻：

[1]李艷圃，韓秀清，董小剛.石油射孔彈爆轟波間疊加和干擾對射流的影響研究[J].工程爆破，2010，16（2）：19-21.

[2]李艷圃，韓秀清，董小剛，等.石油射孔彈爆轟波相互作用數(shù)值模擬分析[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，31（2）：121-125.

[3]曹銀萍，李明飛，竇益華，等.爆轟與聚能射流下射孔槍和套管的 應(yīng)力強度耦合仿真分析[J].石油鉆采工藝，2019，41（4）：480-488.

[4]曹麗娜，韓秀清，張永光，等.射孔彈爆轟波間干擾的有限元分析[J].爆炸與沖擊，2011，30（2）：220-224.

作者簡介：

劉志超（1987- ），男，籍貫：河北唐山，職稱：助理工程師，研究方向：石油射孔。