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。對油氣井進(jìn)行后續(xù)水力壓裂作業(yè)時,孔眼大的通道注入壓力先達(dá)到儲層的破裂壓力而被壓開,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,且容易形成大角度通道和橋接。因此,為了有效壓開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。在國外,主要是Halliburton公司的MaxForce?-FRAC系列射孔彈[5];在中國,目前尚未見到相關(guān)公開發(fā)表的論文。

本文采用數(shù)值模擬的方法,對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)全過程的特點,并通過地面模擬試驗驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,為等孔徑射孔彈的設(shè)計和開發(fā)提供一定參考。

1 設(shè)計原理

等孔徑射孔彈是指在油氣井射孔完井作業(yè)過程中,射孔器在井筒中處于不完全居中狀態(tài)時,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(簡稱為槍套含水間隙)對穿孔性能的影響。爆炸成型彈丸(Explosively Formed Projectiles,簡稱EFP)是指利用聚能原理,通過裝藥的爆轟作用,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)形狀的彈丸來侵徹毀傷目標(biāo)物[6]。它具有對炸高不敏感、孔徑大等優(yōu)點。但是其穿深受限,因此,單純的EFP設(shè)計無法滿足施工作業(yè)要求。為了實現(xiàn)孔眼一致性好,并保證孔徑大、深穿透的特性,設(shè)計時將EFP與聚能射流相結(jié)合,通過調(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動,在高溫、高壓、高速射流形成的過程中,炸藥和藥型罩材料會發(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、材料流動的問題。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算法會引起網(wǎng)格嚴(yán)重畸變,故對水的單元算法同樣采用ALE算法;同時,殼體和鋼靶建模選用Lagrange算法,整體模型計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硬化塑形模型(PLASTIC_KINEMATIC),空氣和水均采用空材料模型(null)和多項式狀態(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刻的射流形態(tài)

圖4 3 in型深穿透射孔彈在不同時刻的射流形態(tài)

由圖3和圖4可以看出,在t=14 μs時,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過程中,2類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,射流頭部穿過模擬槍身和槍套含水間隙,開始撞擊鋼靶,射流進(jìn)入開坑侵徹階段;在t=25～103 μs過程中,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;在t=103 μs時,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,射流侵徹基本結(jié)束,此時測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)(見圖5)。其中,圖5(a)為等孔徑射孔彈裝配的藥形罩,設(shè)計為多錐角形狀。上段錐角較小,射孔時首先被壓垮,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)計為單錐角形狀。錐角較小,在整個侵徹過程為藥型罩向裝藥軸線壓垮閉合的過程,射流拉伸形成細(xì)長的錐形射流,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 試驗研究

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

3.1 地面模擬裝槍侵徹鋼靶試驗

在地面模擬裝槍侵徹鋼靶試驗中,對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穿模擬套管孔眼大小,試驗裝配示意圖見圖6[12]。試驗結(jié)果見圖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,貼近套管時孔徑可以達(dá)到13～14 mm,遠(yuǎn)離套管時孔徑為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示意圖

圖7 2類射孔彈試驗結(jié)果對比

3.2 地面模擬裝槍侵徹柱狀混凝土靶試驗

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程為藥型罩向裝藥軸線壓垮閉合,頭部形成細(xì)長的錐形射流,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結(jié)果表明,3in型等孔徑射孔彈與同類常規(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。

(3) 地面試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符,說明了采用的數(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)理論研究的開展打下了較好基礎(chǔ)。

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