周海峰，馬峰，陳華彬，徐豫新，盧熹，王樹山

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶 400021）

0 引 言

近年來，為了提高低滲透油氣井的采油（氣）量，大裝藥量射孔彈、高密度射孔器以及加砂、測試聯(lián)作等技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致爆炸沖擊載荷強(qiáng)度大幅增加，管柱等井下設(shè)備處于十分復(fù)雜和惡劣的載荷環(huán)境［1－3］。這些載荷使管柱在一定應(yīng)力水平下變形。若應(yīng)力或變形過大，會(huì)導(dǎo)致管柱破壞、封隔器失封、控制頭上移等作業(yè)事故，對油氣井的開采造成巨大損失。

射孔段管柱的爆炸沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是管柱系統(tǒng)振動(dòng)、變形甚至損傷的主要原因，其載荷的主要來源為射孔槍內(nèi)高密度、一定相位配置的射孔彈爆炸產(chǎn)生的非對稱爆炸沖擊載荷。由于射孔彈的殼體效應(yīng)、射孔槍的管道效應(yīng)以及多點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的沖擊波耦合效應(yīng)［4－5］，射孔段管柱的沖擊波加載規(guī)律以及管柱動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律極為復(fù)雜，單一載荷作用下的管柱響應(yīng)情況不足以反映射孔過程。因此，設(shè)計(jì)并制作出適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的綜合測試系統(tǒng)采集記錄射孔管柱在射孔彈爆炸沖擊作用下的加速度、應(yīng)變和管柱外環(huán)壓等數(shù)據(jù)信息，對準(zhǔn)確分析射孔段管柱的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律具有十分重要的意義［6－7］，也為分析研究射孔段管柱承載特性對整個(gè)油井管柱體系的動(dòng)態(tài)影響提供重要的參考。

1 測試原理及系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)包括射孔段管柱內(nèi)壁／端部壓力載荷測試系統(tǒng)、管柱外壁應(yīng)變測試系統(tǒng)、管柱壁面／端部加速度測試系統(tǒng)3個(gè)測試子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)都屬于單次信號測試系統(tǒng)，而且是線性系統(tǒng)，當(dāng)爆炸或沖擊過程中的力學(xué)量f（t）（壓強(qiáng)、位移、加速度）作用于傳感器之后，傳感器將輸出一個(gè)電壓信號V0（t＋τ0）或電流信號I0（t＋τ0），τ0為響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。若V0（t＋τ0）或I0（t＋τ0）正比于f（t），則V0（t＋τ0）或I0（t＋τ0）為關(guān)于f（t）的電壓或電流模擬信號。當(dāng)模擬信號V0（t＋τ0）或I0（t＋τ0）經(jīng)傳輸線和放大器到達(dá)記錄儀器后，根據(jù)傳感器的輸入輸出關(guān)系便能得到相應(yīng)的壓力、應(yīng)變和加速度大小以及它們隨時(shí)間變化歷史［8］。測試系統(tǒng)測試原理見圖1。

圖1 測試原理框圖

測量井下聚能射孔過程環(huán)壓的設(shè)備需要承受高溫（100～300℃）和高壓（10～30 MPa）等作用，且要具備優(yōu)良的防水密封性能。針對這些技術(shù)難點(diǎn)，與北京理工大學(xué)具有豐富爆炸與沖擊電測經(jīng)驗(yàn)的黃正平教授合作研制了適用于聚能射孔過程環(huán)壓測試的柱塞式錳銅壓阻傳感器。該傳感器具有量程寬、溫漂小、線性好的特點(diǎn)。

采用電阻應(yīng)變片測試槍管管壁在射孔過程中可能產(chǎn)生的應(yīng)變。在爆炸沖擊載荷作用下，槍管外壁由于受力導(dǎo)致測點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片上的敏感柵也隨之變形而使其電阻發(fā)生變化。用專用儀器測得其電阻變化大小，并轉(zhuǎn)換為測點(diǎn)的應(yīng)變值。

射孔段管柱由于受到爆轟產(chǎn)物作用，在射孔瞬間管體會(huì)發(fā)生劇烈的動(dòng)態(tài)過載變化，將2個(gè)高加速度值的加速度傳感器安裝在射孔槍槍管的管壁和端面獲取射孔段槍管的動(dòng)態(tài)加速度響應(yīng)信息。加速度模擬信號通過傳輸電纜傳輸后由電荷放大器對采集到的信號進(jìn)行放大，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀采集后存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)中。整套測試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖見圖2。

圖2 測試系統(tǒng)框架

2 射孔段管柱模擬裝置組成及測點(diǎn)選取

射孔段管柱模擬裝置是由實(shí)際射孔作業(yè)時(shí)的結(jié)構(gòu)部件組裝而成，包括89型射孔槍管、彈架、射孔彈和槍管接頭，以及導(dǎo)爆索、雷管、電纜、起爆器?？紤]到爆炸作用場的分布以及爆炸沖擊波反射對測試的影響［4］，以及測試傳感器量程等使用條件的需要，槍管的長度定為550 mm，彈架中間部分的長度為350 mm，射孔彈安裝于槍管的中部。其中槍管和彈架的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 射孔槍槍管及彈架結(jié)構(gòu)

測試實(shí)驗(yàn)中要測試的力學(xué)參量包括槍管外壁面的應(yīng)變、加速度以及槍管內(nèi)壁面的爆炸沖擊壓力。全系統(tǒng)測點(diǎn)布置見圖4，有2個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)（4路信號輸出）、2個(gè)壓力測點(diǎn)（2路信號輸出）和2個(gè)加速度測點(diǎn)（2路信號輸出）。2個(gè)壓力測試點(diǎn)的中心連線與射孔彈軸線位于同一平面且水平距離為50 mm，2個(gè)加速度測試點(diǎn)位于射孔彈的另一側(cè)與壓力測點(diǎn)關(guān)于射孔彈軸線對稱。這樣便可以同時(shí)測得射孔作業(yè)時(shí)射流前后方向槍管上的力學(xué)響應(yīng)信息，便于觀測由于射孔彈聚能射流方向不同而導(dǎo)致的管柱承載差異。應(yīng)變測試點(diǎn)位于射孔彈正后方的槍管外壁面上，為保證能夠可靠地捕捉到信號，在同一測試點(diǎn)上對稱布置了2組應(yīng)變片。相互正交的2枚應(yīng)變片為1組，分別測量槍管環(huán)向和軸向2個(gè)方向上的應(yīng)變。

圖4 系統(tǒng)測試點(diǎn)布置

3 傳感器的選取和安裝

3.1 應(yīng)變片的選取與安裝

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試量程的選擇以及模擬射孔段管柱的結(jié)構(gòu)與材料特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選擇康銅應(yīng)變片。電阻值為120Ω，應(yīng)變系數(shù)為2.08。該應(yīng)變片尺寸小，靈敏系數(shù)分散性小，蠕變和機(jī)械滯后小，散熱性、絕緣性以及耐濕性都非常好。對槍管外壁進(jìn)行打磨清潔后，使用環(huán)氧樹脂膠作為應(yīng)變片粘貼的粘合劑，將應(yīng)變片固定在規(guī)定位置，并做好防水處理。

3.2 壓力傳感器的選取與安裝

測試系統(tǒng)中所采用的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸及實(shí)物見圖5，其主要的性能參數(shù)見表1。

圖5 壓力傳感器實(shí)物及尺寸圖

壓力傳感器的安裝不僅要考慮固定和防水密封，還要考慮與槍管的絕緣。因此設(shè)計(jì)了圖6中的工裝安裝固定加速度傳感器。首先在槍管側(cè)壁上開Φ6.8 mm的通孔，再在與該孔同心位置銑Φ14 mm深4 mm的凹槽，管壁外側(cè)重疊焊上2個(gè)M18的標(biāo)準(zhǔn)螺母，壓力傳感器與絕緣套相配合后一起擰入螺母中，傳感器底部與槍管內(nèi)壁面平齊。最后在穿線孔位置涂抹上環(huán)氧樹脂進(jìn)行防水處理。

表1 壓力傳感器主要性能參數(shù)

圖6 壓力傳感器工裝

3.3 加速度傳感器的選取與安裝

實(shí)驗(yàn)使用的加速度傳感器為中心壓縮式結(jié)構(gòu)。電纜引線的一端與加速度計(jì)固封在一起，外形結(jié)構(gòu)見圖7。其量程上限為100 000 g、靈敏度0.5 pC／g、頻率響應(yīng)為25 k Hz、諧振頻率為180 k Hz，工作溫度－10～70℃。

圖7 加速度傳感器尺寸圖

加速度傳感器前端有M5的螺紋柱，因此可直接在槍管外壁攻螺紋盲孔，然后以螺紋連接固定傳感器。

4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

4.1 觸發(fā)點(diǎn)選取

射孔彈殼體破裂的隨機(jī)性使沖擊波壓力場變得相當(dāng)復(fù)雜，其中包含透過殼體的投射沖擊波，從破裂殼體中沖出的爆炸產(chǎn)物形成的2次沖擊波，破片飛行形成的彈道波，再加上反射效應(yīng)和障礙物的干擾等，導(dǎo)致沖擊波的壓力場是不對稱的隨機(jī)分布［8］。因此，若選取某測點(diǎn)的輸出信號作為測試系統(tǒng)的觸發(fā)信號，系統(tǒng)觸發(fā)可靠性較低。為能準(zhǔn)確地捕獲所需信號，實(shí)驗(yàn)選擇在起爆射孔彈的同時(shí)觸發(fā)測試系統(tǒng)，利用定制的觸發(fā)同步器把射孔彈裝藥爆炸時(shí)的電探極開關(guān)狀態(tài)突變轉(zhuǎn)換作為測試系統(tǒng)輸出觸發(fā)信號，有效保證了系統(tǒng)觸發(fā)的可靠性和抗干擾能力。

4.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組裝

首先將所有傳感器按照規(guī)定安裝在槍管壁上，將射孔彈安裝在彈夾上并與槍管裝配在一起，從槍管頂端的接頭引出起爆線。然后將傳感器的輸出電纜依次與電荷放大器、應(yīng)變儀及應(yīng)力儀連接，再與多通道數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)連接起來。線路連接完畢后，利用繩索將射孔段模擬管柱放置到圓形水池中。待所有儀器調(diào)試穩(wěn)定后，引爆射孔彈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存入電腦進(jìn)行處理分析。

5 測試結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所建測試系統(tǒng)，共進(jìn)行了3發(fā)模擬射孔段爆炸動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試，共獲得22條有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。圖8為射孔段管柱內(nèi)部壓力載荷曲線、外壁應(yīng)變曲線和壁面加速度原始電信號曲線。其中應(yīng)變曲線4條，壓力和加速度曲線各2條。

圖8 原始電信號曲線

5.2 測試結(jié)果分析

3次實(shí)驗(yàn)在射孔彈正前方壓力測點(diǎn)處的壓力峰值分別為29.4、24和34 MPa，3發(fā)平均值為29 MPa。在射孔彈后方測點(diǎn)處的壓力峰值分別為24、17和22 MPa；3發(fā)射孔彈平均壓力峰值為21 MPa。

通過比較2個(gè)測點(diǎn)位置的壓力變化曲線可以明顯看出單發(fā)射孔彈的非對稱爆炸加載在射孔槍體上產(chǎn)生的強(qiáng)烈非對稱動(dòng)力學(xué)響應(yīng)效果，該非對稱動(dòng)力學(xué)響應(yīng)在整個(gè)管柱系統(tǒng)上就表現(xiàn)為強(qiáng)烈的徑向加載；分析在應(yīng)變測點(diǎn)處的應(yīng)變曲線可看出在測點(diǎn)處發(fā)生了很微小的應(yīng)變；加速度測點(diǎn)處的加速度峰值均達(dá)到8×104g左右。

6 結(jié) 論

（1）測試結(jié)果表明該測試系統(tǒng)便捷可靠，實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)合理，在一次實(shí)驗(yàn)中能同時(shí)測得射孔段管柱在射孔彈爆炸沖擊下的加速度、應(yīng)變和管柱外環(huán)壓信息，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

（2）由于射孔彈在槍內(nèi)的非對稱裝配以及聚能裝藥的定向作用，管柱射孔段徑向方向上的非對稱加載效應(yīng)較為嚴(yán)重。

（3）該實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法也可應(yīng)用射孔作業(yè)時(shí)測試多枚射孔彈爆炸時(shí)管柱加速度、應(yīng)變及管柱外環(huán)壓信息，可為井下管柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律研究提供了真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］ 曾志軍，胡衛(wèi)東，劉競成.高溫高壓深井天然氣測試管柱力學(xué)分析 ［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（2）：85－87.

［2］ 尹洪東，李世義，張建軍.射孔測試聯(lián)作管柱受力分析及井下儀器保護(hù)技術(shù) ［J］.石油鉆采工藝，2003，25（3）：61－63.

［3］ 林玉璽，張紹禮.射孔測試聯(lián)作技術(shù)在大慶油田的發(fā)展及應(yīng)用 ［J］.2004，13（6）：37－38.

［4］ 付春權(quán).現(xiàn)代試井分析 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［5］ 陳華彬，唐凱，任國輝，等.超深井射孔管柱動(dòng)態(tài)力學(xué)分析 ［J］.測井技術(shù)，2010，34（5）：487－492.

［6］ 竇益華，徐海軍，姜學(xué)海，等.射孔測試聯(lián)作封隔器中心管損壞原因分析 ［J］.石油機(jī)械，2007，32（9）：113－115.

［7］ 鄧雄，梁政.高溫高壓深井測試管柱三維力學(xué)分析［J］.天然氣工業(yè)，2000，20（4）：54－57.

［8］ 黃正平.爆炸與沖擊電測技術(shù) ［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.