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，射孔完井是國內(nèi)外各大油田公司最常用的完井方法，也是國內(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的[4]。射孔彈的核心零件是藥型罩，藥型罩的配方和形狀對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題的關(guān)鍵。本研究的目的是通過數(shù)值模擬技術(shù)對不同配方的藥型罩所產(chǎn)生的效果進(jìn)行對比，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)格來模擬炸藥的爆轟、藥型罩的壓垮及射流的形成等過程，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)生的高溫對材料屈服強(qiáng)度的影響，來計算炸藥與外殼體相互作用，射流侵徹鋼靶或套管、混凝土等過程。

在ANSYS大型運(yùn)算軟件中，LS-DYNA是其中一種顯示動力學(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，這決定了計算所需網(wǎng)格的數(shù)量在幾十萬甚至數(shù)百萬以上，相應(yīng)的計算時間步長與網(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)束會消耗大量的精力和時間。為了減少計算機(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)值模擬的方法針對之前通過多次試驗確定的藥型罩密度（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，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，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，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，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時穿孔深度與時間的關(guān)系

圖4 屈服強(qiáng)度為5.0×10-3GPa時穿孔深度與時間的關(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，時間分別為 30，40，50，60，70，80，90，100，110，120，130 和 140 μs時，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，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 藥型罩配方性能測試（DP45RDX-1射孔彈穿45#鋼靶）

根據(jù)試驗結(jié)果，添加X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粉，按不同比例配成4種配方，試驗結(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)行對比試驗。

表2 添加X粉藥型罩配方性能測試（DP45RDX-1射孔彈穿45#鋼靶）

3 優(yōu)化后配方與原配方試驗情況對比

地面穿45#鋼靶試驗結(jié)果與原配方對比情況詳見表3。

表3 優(yōu)化后配方與原配方試驗情況對比

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個彈種在穿孔深度和穿孔孔徑上均有所提高。

4 結(jié)論

通過利用石油射孔彈數(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時為最佳密度。對密度為9.0 g/cm3不同屈服強(qiáng)下的穿孔深度進(jìn)行對比分析，屈服強(qiáng)度為2.5×10-3GPa時的穿孔深度比屈服強(qiáng)度為5.0×10-3GPa時的穿孔深度平均提高4.6%。對優(yōu)化后配方與原配方進(jìn)行對比，優(yōu)化配方對3種不同型號的射孔彈在穿孔深度和穿孔孔徑上均有所提高。這對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，降低了試驗周期和費(fèi)用。

通過試驗驗證數(shù)值模擬計算結(jié)果的最佳藥型罩配方，使用不同型號的射孔彈進(jìn)行試驗，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)。