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        深井炸藥篩管式震源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究?

        2023-10-17 07:34:20張傳磊毛中華劉迎彬范志強(qiáng)康俊澤
        爆破器材 2023年5期
        關(guān)鍵詞:篩管震源裝藥

        張傳磊 馮 剛 毛中華 劉迎彬 范志強(qiáng) 康俊澤

        ①中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院(山西太原,030051)

        ②中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司(山東東營(yíng),257086)

        ③中北大學(xué)航空宇航學(xué)院(山西太原,030051)

        0 引言

        中國(guó)深層石油資源豐富,勘探開(kāi)發(fā)程度低,勘探開(kāi)發(fā)前景廣闊,是物探行業(yè)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-3]。 地震勘探最早是通過(guò)自然地震產(chǎn)生的地震波對(duì)地下地層進(jìn)行研究;但由于自然地震存在地域性和能量釋放不均衡等問(wèn)題,人們將目光轉(zhuǎn)向人工激發(fā)地震產(chǎn)生地震波,對(duì)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下資源進(jìn)行勘探。借助地層中產(chǎn)生的地震反射波,構(gòu)制可用于測(cè)定和分析地層結(jié)構(gòu)的地震圖來(lái)實(shí)現(xiàn)勘探目的[4]。 可在油井中激發(fā)、在地面接受的逆垂直地震剖面(vertical seismic profiling, VSP)技術(shù)[5]和隨鉆地震技術(shù)理論及工程應(yīng)用[6]等是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究的課題。

        近年來(lái),以炸藥震源為基礎(chǔ),采用裝藥殼體井下爆炸的方式[7],解決了效率低下、圖譜不清晰的問(wèn)題。 在井下激發(fā)過(guò)程中,為了讓爆炸能量轉(zhuǎn)化為地震波,可采用多個(gè)藥柱串聯(lián)、垂直間隔分布的裝藥結(jié)構(gòu);并且為了控制爆炸作用時(shí)間,可改變藥柱的間距[8]。 為了有效回收爆炸后產(chǎn)生的破片,基于炸藥水下爆炸沖擊波傳播速度和能量密度遠(yuǎn)高于空氣中爆炸的原理,研究者初步研制了篩管式震源,可與專(zhuān)用的遙爆系統(tǒng)同時(shí)、同步觸發(fā),在采集工藝技術(shù)、處理研究等方面取得了初步成果[9-10]。

        考慮到震源結(jié)構(gòu)和暴露在井液中的組件裝置需要滿(mǎn)足20~30 MPa 的抗壓強(qiáng)度,以確保在起爆前裝置完好無(wú)損;爆炸在產(chǎn)生足夠的能量的同時(shí),又不能破壞石油井管;另外,震源在井下爆炸后,應(yīng)保持井壁(主要包括10 mm 厚的鋼套管和20 mm 厚的C40混凝土套管)結(jié)構(gòu)基本安全,避免造成井壁擊穿破壞、套管失穩(wěn)屈曲等現(xiàn)象。 因此,目前篩管式震源產(chǎn)生的能量低,不適合長(zhǎng)距離勘探。

        本文中,采用數(shù)值模擬、地面實(shí)驗(yàn)等方式,對(duì)篩管式震源的裝藥直徑、孔隙率、殼體壁厚等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計(jì)出可滿(mǎn)足深井井下高能、安全指標(biāo)的震源結(jié)構(gòu)。

        1 篩管式震源的結(jié)構(gòu)

        篩管式震源設(shè)計(jì)主要基于炸藥水下爆炸沖擊波的傳播速度和能量密度遠(yuǎn)高于空氣中爆炸的原理,充分利用篩管回收殼體碎片的同時(shí),大幅衰減爆炸作用于石油套管的能量。

        篩管式震源的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 其中,篩管式震源設(shè)計(jì)總長(zhǎng)2 300 mm,裝藥殼體采用分段連接式設(shè)計(jì),金屬管狀裝藥單元長(zhǎng)度為250 mm,管內(nèi)徑20 mm,壁厚6 mm,兩端分別設(shè)置螺紋和密封圈。 在裝藥殼體表面開(kāi)設(shè)1 mm 深的V 型預(yù)置缺陷槽,控制殼體爆炸后的碎片均勻。 裝藥單元之間通過(guò)殼體連接套串聯(lián),可靈活調(diào)整震源裝藥段的總長(zhǎng)度。

        圖1 篩管式震源的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sieve tube seismic source

        采用降低炸藥爆速、提高起爆速度的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 殼體式裝藥為細(xì)長(zhǎng)型藥柱疊加裝藥;同時(shí),藥柱中心預(yù)留導(dǎo)爆索通孔。

        2 篩管式震源爆炸模擬實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

        在地面預(yù)制模擬井下環(huán)境的混凝土套管和鋼套管,填充水模擬井液,根據(jù)損傷情況調(diào)整藥量。 采用長(zhǎng)度2 300 mm、直徑145 mm 的套管預(yù)制3 口模擬井,將套管放置于內(nèi)徑約300 mm 塑料管中,作為混凝土的澆注模具,采用C40 素混凝土澆注混凝土套管。

        篩管式震源爆炸模擬實(shí)驗(yàn)的工況如表1 所示。工況1#,每一環(huán)向分布12 個(gè)泄壓孔,共49 圈,共計(jì)588 孔;工況2#,每一環(huán)向分布8 個(gè)泄壓孔,共19圈,共計(jì)152 孔。 孔隙率表示篩管泄壓孔的總面積占整個(gè)篩管表面積的百分?jǐn)?shù)。 篩管直徑102 mm,壁厚10 mm,裝藥殼體壁厚6. 5 mm,線(xiàn)裝藥密度約450 g/m。 篩管材質(zhì)均為油氣井專(zhuān)用射孔槍優(yōu)質(zhì)鋼,實(shí)驗(yàn)次數(shù)均為3。

        表1 篩管式震源實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Test condition of sieve tube seismic source

        實(shí)驗(yàn)布置如圖2 所示。 每個(gè)套管采用螺紋螺絲連接,接口處采用密封圈做防水處理。 槍管內(nèi)部用導(dǎo)爆索串聯(lián),使得每個(gè)藥柱都能按順序依次起爆。槍管尾部插入定位支架,并固定在油管中間的位置,使槍管能夠在油管中間起爆。 實(shí)驗(yàn)中,激發(fā)器采用導(dǎo)爆管引爆,在井口覆壓重物后,激發(fā)震源,并回收震源。

        圖2 篩管式實(shí)驗(yàn)布置(單位:mm)Fig.2 Equipment layout of sieve tube test (Unit: mm)

        2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        篩管式震源爆炸后的井口重物被拋灑,混凝土層基本被破壞,鋼套管也被不同程度地撕裂破壞,篩管均有明顯膨脹,但都能夠順利提出套管。 因?yàn)楫?dāng)前混凝土套管的外側(cè)約束較差,鋼套管和混凝土套管基本處于自由拉伸狀態(tài),因此,無(wú)法模擬地應(yīng)力的保護(hù)作用。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 篩管內(nèi)部存有大量尺寸2~5 cm 范圍內(nèi)的破片,可以有效回收。 相對(duì)于工況1#,工況2#實(shí)驗(yàn)后,篩管脹徑效果有所減弱;當(dāng)考慮到井下靜水壓力后,篩管的脹徑應(yīng)會(huì)進(jìn)一步受到抑制,足以滿(mǎn)足井下震源順利回收的要求。

        表2 篩管式震源爆炸模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of simulation experiments of sieve tube seismic source

        3 篩管式震源爆炸的數(shù)值模擬

        3.1 數(shù)值模型與材料參數(shù)

        為研究炸藥爆炸載荷作用下篩管參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響,通過(guò)ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件建立一定長(zhǎng)度的井下爆炸模型,并進(jìn)行數(shù)值仿真,通過(guò)改變篩管的孔徑和孔隙率,獲得井下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

        數(shù)值模型的立體圖和側(cè)視圖如圖3 所示。 模型自?xún)?nèi)向外依次為炸藥、鑄鐵殼體、水(模擬井液)與空氣、篩管、鋼套管、混凝土套管、外部巖石。 根據(jù)軸對(duì)稱(chēng)特征,將模型簡(jiǎn)化為1/4建模。其中,對(duì)稱(chēng)面上分別設(shè)置對(duì)稱(chēng)邊界,外周巖石設(shè)置無(wú)反射邊界以模擬外地層;另外,采用Lagrange 網(wǎng)格建立鑄鐵殼體,采用初始體積填充法在殼體內(nèi)部生成裝藥區(qū)域;炸藥、空氣與水采用Euler 算法。 計(jì)算時(shí),采用流固耦合的方法將炸藥、水、空氣與篩管、套管、鑄鐵殼體耦合;巖石與混凝土套管之間,混凝土套管與鋼套管之間采用面面接觸的方式。

        圖3 篩管式震源的數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of sieve tube seismic source

        模型中的鋼套管與鑄鐵均采用P110 型優(yōu)質(zhì)鋼管,材料參數(shù)如表3 所示。 混凝土套管和外側(cè)巖石均采用C40 素混凝土的材料模型。 其中,混凝土層厚度為20 mm;外圈巖層厚度為60 mm;模型總長(zhǎng)度為2 m;中間部位裝藥,長(zhǎng)度為1 m。 炸藥參數(shù)如表4 所示。

        表3 P110 鋼管模型參數(shù)Tab.3 Model parameters of P110 steel tube

        表4 炸藥參數(shù)Tab.4 Parameters of explosive

        JWL 狀態(tài)方程為

        式中:p是爆轟產(chǎn)物的壓力;E是單位體積內(nèi)能;V是相對(duì)體積;A、B、R1、R2、ω為常數(shù)。

        篩管參數(shù)如表5 所示,裝藥直徑均為20 mm。在裝藥軸線(xiàn)的兩端和中心位置設(shè)置3 個(gè)起爆點(diǎn),同時(shí)起爆。

        表5 篩管參數(shù)Tab.5 Parameters of sieve tube

        3 種篩管孔工況如表6 所示。 篩管內(nèi)部裝藥直徑20 mm,鑄鐵殼體壁厚8 mm。

        表6 不同工況時(shí)的篩管的泄壓孔參數(shù)Tab.6 Parameters of pressure relief holes on the sieve tube under different test conditions

        3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

        如圖4 所示,篩管的增加對(duì)殼體碎片的形成具有限制作用。 由于爆炸沖擊波在篩管內(nèi)表面的來(lái)回反射,裝藥殼體碎片在篩管內(nèi)部膨脹一定距離之后幾乎保持不動(dòng),向外擴(kuò)散的速度較小,基本全部被限制在篩管內(nèi)部。

        圖4 篩管對(duì)殼體碎片的限制Fig.4 Limitation of sieve tube to shell debris

        篩管管壁的徑向位移如圖5 所示。 對(duì)比可知,工況2#管壁孔隙率最低,篩管脹徑越小,平均脹徑約5.5 mm。 工況1#和工況3#的孔隙率接近。 但工況3#時(shí),泄壓孔直徑為工況1#的兩倍, 因此,孔壁最大脹徑約達(dá)到7.0 mm,工況1#的脹徑約6.5 mm。工況1#脹徑的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)誤差約1. 60 mm;工況2#脹徑的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相差約0.02 mm。 工況2#的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

        圖5 3 種工況時(shí)篩管的徑向位移Fig.5 Radial displacement of sieve tube under three test conditions

        4 篩管式震源能量的影響因素

        4.1 篩管孔隙率

        為了便于監(jiān)測(cè)篩管的泄壓孔參數(shù)對(duì)井內(nèi)爆炸壓力和篩管變形的影響,設(shè)置多組測(cè)點(diǎn),如圖6 所示。

        圖7 為從0 到100 μs 時(shí)3 種工況的篩管內(nèi)測(cè)點(diǎn)A的爆炸壓力變化情況。 當(dāng)泄壓孔直徑為10 mm和15 mm 時(shí),篩管內(nèi)部的入射壓力峰值和經(jīng)套管和篩管反射后篩管壓力峰值達(dá)到較高水平;當(dāng)孔徑擴(kuò)大到20 mm 時(shí),入射壓力峰值和反射壓力峰值降低約33.3%和30.4%。 由此得出:在孔隙率不變的情況下,孔徑增大,篩管內(nèi)產(chǎn)生的壓力減弱,且作用頻率趨于緩和;當(dāng)孔徑增大,孔隙率降低時(shí),篩管內(nèi)爆炸壓力及作用效果差別較小。

        圖7 3 種工況下篩管內(nèi)爆炸壓力曲線(xiàn)Fig.7 Explosion pressure curves inside the sieve tube under three test conditions

        圖8 為3 種工況下測(cè)點(diǎn)B和C的壓力時(shí)程曲線(xiàn)。 對(duì)比可知,同一工況下,測(cè)點(diǎn)B的壓力高于測(cè)點(diǎn)C;當(dāng)泄壓孔直徑減小時(shí),兩點(diǎn)壓力峰值的差增大;當(dāng)泄壓孔直徑約20 mm 時(shí),測(cè)點(diǎn)B和C的壓力峰值相差較小。 由此可得,當(dāng)孔徑達(dá)到20 mm 時(shí),篩管外側(cè)作用于套管上的壓力趨于均勻化。

        圖8 篩管外側(cè)壓力曲線(xiàn)Fig.8 Pressure curves outside the sieve tube

        圖9 為篩管和鋼套管管壁測(cè)點(diǎn)D和E的等效應(yīng)力曲線(xiàn)。 對(duì)比可知:3 種工況下水下壓力峰值過(guò)高,篩管和鋼套管均產(chǎn)生明顯的塑性變形。 篩管管壁測(cè)點(diǎn)D的應(yīng)力在內(nèi)部和外部壓力的作用下出現(xiàn)多次振蕩,但最終仍維持在較高的應(yīng)力水平。

        圖9 篩管和鋼套管的等效應(yīng)力Fig.9 Equivalent stress of sieve tube and steel tube

        可以得出,當(dāng)篩管泄壓孔的孔徑為15 mm 時(shí),孔內(nèi)、外的壓力峰值基本一致,孔壁側(cè)面的壓力略小。 高壓脈沖的持續(xù)時(shí)間約80 μs,作用于鋼套管的比沖約4.8 kPa/s。 因此,優(yōu)化后選用孔徑15 mm、孔間距50 mm 的工況可滿(mǎn)足深井勘探的要求。

        4.2 裝藥直徑

        為了探究裝藥直徑對(duì)爆炸能量的影響,選取工況2#和3#模型,采用裝藥直徑為16 mm 和20 mm 進(jìn)行模擬分析,如圖10 所示。

        圖10 16、20 mm 裝藥直徑篩管式的等效應(yīng)力與振速Fig.10 Equivalent stress and vibration velocity of sieve tube with 16 mm and 20 mm charge diameter

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:16 mm 裝藥直徑的震源爆炸后,鋼套管的直徑由145. 0 mm 增大為149. 2 mm,脹徑率為2.9%;篩管直徑由爆炸前的102.0 mm 增大為108.5 mm,脹徑率為6.4%。 當(dāng)裝藥直徑為20 mm 時(shí),震源爆炸后,篩管和鋼套管的直徑分別膨脹為112.3 mm 和150.7 mm,脹徑率分別為10.1%和3.9%。

        由圖10 可知,當(dāng)裝藥直徑由20 mm 縮小為16 mm 時(shí),鋼套管的等效應(yīng)力峰值降低了10%;同時(shí),巖石的峰值振速減少了40%。 爆炸后,鋼套管的脹徑率約為2.9%。 由此可得:當(dāng)裝藥直徑不大于20 mm 時(shí),鋼套管的脹徑率可控制在5%以?xún)?nèi)。

        由圖11 可看出,當(dāng)裝藥直徑逐漸增大,篩管脹徑幅度加快;加入篩管爆炸后,鋼套管脹徑與無(wú)篩管時(shí)相比略微減小。

        圖11 無(wú)篩管與篩管式爆炸效果隨裝藥直徑的變化Fig.11 Variation of explosive outcome with the charge diameter for no sieve tube explosion and sieve tube explosion

        4.3 裝藥殼體的厚度

        為了探究裝藥殼體厚度對(duì)爆炸能量的影響,選用厚度為6 mm 和8 mm 的殼體進(jìn)行模擬分析。

        如圖12 所示,減小殼體厚度能夠增加篩管內(nèi)、外環(huán)境的爆炸壓力峰值,但也會(huì)增加爆炸后篩管的脹徑。 總結(jié)發(fā)現(xiàn):篩管內(nèi)部裝藥殼體的壁厚不應(yīng)低于8 mm。 通過(guò)調(diào)整,當(dāng)孔隙率為7.7%時(shí),脹徑約為6~7 mm,能產(chǎn)生良好的爆炸效果。

        圖12 殼體厚度對(duì)壓力峰值的影響Fig.12 Influence of shell thickness on pressure peak

        5 結(jié)論

        針對(duì)井下特殊環(huán)境和地震勘探的特殊需求,通過(guò)數(shù)值模擬、地面實(shí)驗(yàn)的方法,研究影響篩管式震源爆炸效果的因素并進(jìn)行優(yōu)化:

        1)篩管式震源爆炸產(chǎn)生的能量輸出與密度和結(jié)構(gòu)變形程度均與裝藥直徑直接相關(guān)。

        2)同等裝藥量下,一定范圍內(nèi)的孔隙率條件下,孔隙率越高,篩管的脹徑越大。采用孔徑15 mm、孔間距50 mm、環(huán)向8 孔的優(yōu)化方案,且殼體壁厚不小于8 mm。

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