石油射孔枪弹间爆轰波干扰的仿真分析.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第6期 石 油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHI NERY ●专题研究 石油射孑 L 枪弹间爆轰波干扰的仿真分析 曹 丽娜 1 ．长春 工业 大学基础科 学学院 韩秀清 张永光 2 ．吉林大 学建设 工程 学院3 ． 曹宇新 大庆钻探 工程 公 司测井二公 司 摘要 通过有限元显式动力分析软件的显式算法对石油射孔弹顺序起爆后 ，弹间爆 轰冲击波 干扰的过程分别进行 了二维和三维数值模拟 ，对其模拟结果进行 了讨论。分 析认为 ，影响高孔 密 射孔枪射孔效果的弹间干扰产生的主要原 因是爆轰冲击波的压力场受到不 同程度 的干扰，破坏 了 弹体控制的爆轰波形。数值计算结果符合试验所得物理现象和规律。该模型对减小或 消除石油射 孔弹间干扰有借鉴作用。 关键词 射孔枪有限元分析 弹间干扰 射孔效率 数值仿真 随着油田开发技术 的不断发展 ，地层条件和井 况变得越来越复杂 ，对射孑 L 技术也相应地提出了更 高的要求。众所周知 ，高孔密是影响油气井产能的 主要射孔参数之一。由于其射T L T L 密高 、孔道容积 大、原油渗流面积大 ，可有效降低每个孔道的出油 压力 ，从 而可提高出油率。尤其对于 “ 三低一高 ” 低产 、低渗 、低 丰度 、高 出砂 地层效 果显 著 ， 具有良好 的发展前景和竞争优势 。然而 ，对于高孔 密射孑 L 系统而言 ，上级射孑 L 弹爆炸后产生 的爆轰产 物的冲击波会对下级射孑 L 弹产生强烈的影响 ，使射 孔性能大打折扣。利用有限元动力分析软件对射孔 弹装药顺序起爆 和干扰侵彻 过程进行数值 仿真分 析 ，成为一种重要 的研究方法 。该方法可在理论上 探索聚能射流爆轰引起 的冲击波对弹间干扰和射孔 效率的影响 ，对射孔枪 的优化设计 、射孔生产工艺 改进等具有十分重要的意义。 1 计算模型 1 ． 1 基本假设 笔者采用的有限元显式动力分析软件的显式算 法特别适合分析此类高度非线性 的力学过程 ，可以 真实地反映上位射孔弹药型罩的压垮 、射流形成过 程和爆轰产物的冲击波对下位射孔弹射流形成的影 响 ，以及下位射孔 弹微 差起爆后爆 轰波 的叠加效 应 。在对模型进行分析的基础上，给出如下基 本假设 ①炸药和药型罩都是均匀连续介质 ；②整 个爆炸过程为绝热过程 ；③计算采用顶部 中心点起 爆 ；④单发弹装药是严格 的轴对称结构。 I ． 2 几何模型 以工程普遍使用的石油射孔弹为例 ，射孔弹以 9 0 。 的相位螺旋 排列 ，孔密 为 4 0 T L ／ m。设 装药高 度 4 1 ． 5 I T l m，罩锥角 6 4 。 ，罩壁厚 1 ． 5 i i l m，其截面 尺寸如 图 1所 示 由于 结 构 的对 称 性 ，取 标 注 ，装药为 3 2 g R D X炸药 。 图 1 药 型 罩 截 面 尺 寸 1 ． 3 材料 模 型 在石油射孔枪弹问爆轰波干扰数值模拟中，涉 及到炸药和药型罩 2种材料模型。 1 ． 3 ． 1 炸 药模 型 程序提供 了 MA T H I G H E X P L O S I V E B U R N 高能炸药材料模型 ，爆轰产物压力与体积关系采用 J WL状态方程，其一般形式为 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 射孑 L 枪现代设计技术在海洋石油开发 中的应用” 2 0 0 6 A A 0 9 Z 3 2 6 。 一 2～ 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 P sA e x p 一 1 B e x p 一R 2 V C u 1 -R 1 V -R 2 V 2 式 中p 等熵压力 ； E 等熵 比热力学能； 爆轰产物的相对体积 ； 4、B、C、尺 、 和 待定常数。 1 ． 3 ． 2药型罩模 型 用 S T E I N B E R G本构模 型和 G R U N E I S E N状态 方程来描述 ，G R U N E I S E N状态方程为 2 一 一 I P ■ 【 1 _ 5 ， _ 1 s z 舟 J E 3 式 中 c 曲线 即剪切． 压缩波速曲线 的 截距； s 、s 和 s ， 一 曲线的斜率系数 ； 0 G R u N E I S E N常数 ； n y 0 和 的一阶体积修正量 ， P 一 一 1； po p 。 正常状态下的介质密度 ； p 介质压缩后 的密度。 1 ． 4建立有限元模型和网格划分 石油射孔枪弹问爆轰波干扰的数值计算过程包 括聚能装药的爆轰、药型罩 的压垮、射流的初步形 成以及拉伸 3个过程。这 3个过程与采用的圆锥形 药型罩具有轴对称特点 ，因此可简化为二维问题 。 计算模型使用 S O L I D 1 6 2单元进行划分 ，炸药和金 属罩之间的接触使用 C O N T A C T 一2 D A U T O MA T I C S URF ACE TO S U R F A C E接触算法 ， 金属罩 自 身的接 触使 用 C C O N T A C T 一 2 D A U T O M A T I C SI NGLE S U R F A C E接触算法。由于药型罩在爆炸 作用下形成射流的过程中存在大变形和大应变 ，使 用 L a g r a n g e 算法会造成单元严重畸变 ，所 以需要使 用 自适应网格 。 2 射孔弹弹间干扰的数值模拟 试验研究表明，在射孔弹起爆后 ，射孔枪 中传 播的爆轰波在绝大多数情况下不是理想的、定常传 播的爆轰波 ，而是复杂的三维波系 。这些波系相 互作用，在爆轰波 内形成复杂的胞格结构。因此 ， 对于高孑 L 密射孔枪 ，爆轰波问的干扰使得聚能射流 中心产生偏移，最终影响射孔效果。这里利用有限 元显式动力分析软件对海洋用石油射孔枪起爆后 ，2 发弹顺序起爆、干扰侵彻的过程进行数值模拟。 2 ． 1 弹间干扰的二维模拟 ‘ 由于射孔弹具有轴对称特性 ，且作为算例的射 孔弹以9 0 。 相位螺旋排列 ，那么每 3发射孔弹就有 2发处于同一相位 。于是，创建相距 1 0 c m的 2发 弹的二维模型 ，采用 L a g r a n g e 算法进行模拟。图 2 为起爆后几个典型瞬间的干扰图像。从图中可以看 到t 0 s 时，2发弹处于初始状态 ；t 6 s 时 ， 射流头部初步形成 ；t 8 s时，2发弹爆轰冲击 波开始互相干扰 ，并继续传播 ；t 1 0 s 时，射流 头部开始发生偏转；t 1 6 s 时，为爆轰波传播到 达被压垮 的药型罩的瞬间，杵体在冲击波的作用下 发生变形 ；t 1 8 s时 ，射 流已经断裂 ，偏 转 明 显。此后 ，射流继续拉伸 、翻转。 不难发现，以上 的二维模拟基于同时起爆。但 是 ，显然相距 1 0 e m的 2发弹在起爆后的弹间干扰 比较严重，射流头部速度在 t 8 s 时，水平方向的 分量可达到 1 1 1 6 ． 8 1 7 m ／ s 节点编号为 8 2 8 3 ，竖 直方向即射孔深度方向的分量仅为 9 1 8 ． 1 6 4 m ／ s ，而 单发弹 没有干扰的模拟结果显示，t 8 s 时 ， 水平方 向的分量为 1 ． 4 7 4 m ／ s 节点编号为 1 9 7 7 ， 竖直方向的分量为 3 3 4 8 ． 2 1 7 m ／ s 。这样势必对射孔 深度产生影响。事实上 ，以 9 0 。 的相位螺旋排列，孔 密为4 0孑 L ／ m的射孔枪是微差起爆的，相邻 2 弹的 起爆时间相隔 6 s 。为了真实地反映这一情况 ，对 射孔弹起爆后的弹间干扰进行了三维数值模拟。 2 ． 2 弹间干扰的三维模拟 射孔弹起爆后 ，爆轰波在弹壳内外壁进行多次 反射，直至爆轰产物的压力下降到装药稳定爆轰爆 压的 时 ，才不再对药 型罩 的压垮起 作用 。此 间 ，弹壳膨胀一塑性变形一裂解为碎片 ，这个时间 约 2 0 s ，而高孔密条件下 ，相邻 弹的起爆 时间间 隔几微妙。因此 ，忽略弹壳碎片引起 的干扰 ，创建 三维有限元模型如图 3所示 ，其模拟结果见图4 。t 0 s 时 ，2发弹处于初始状态 ；t 6 s 时 ，上 位射孔弹 即图 4中各个 瞬问右侧 的射孔 弹爆 轰波已经传到下位射孔弹 即图 4中各个瞬间左 侧的射孑 L 弹 ，在 爆轰产 物的作用 下杵体初 步形 成 ，下位射孔弹即将起爆 ，此时下位射孔弹处于上 位弹爆轰形成的压力场中，显然 ，靠近上位弹的一 侧的爆轰压力较大 ，也就是下位弹将在不对称的压 2 0 1 0年第3 8卷第 6期 曹丽娜等石油射孔枪弹间爆轰波干扰的仿真分析 ⋯ T i m e 。 黑 嚣嚣 T ⋯t 5的3 m t 螂7 I e m 靴3 C 0n of E t r e● ●H m l n⋯v ‘， e ⋯ e m O ．O OT g 03 9 S m 帅 l O 孜 墓 辫．957 e 03elem ⋯ ⋯ ue ⋯ 一 ⋯ 一 r4Ⅷ 21e ，n 687 ．⋯、 m ax 0㈣at 47 。 ’ ⋯ 上 J『 ．36 3c--0 l f l 。 _ 力场 中起爆 ； 1 2 s时，下位射孔弹产生 的爆轰 冲击波也传播 到上位 弹 ，且加 载到上位 弹上 ；此 后 ，每发弹都处于一种不对称 的应力场状态 ，相邻 弹爆轰波相互作用、相互叠加；在 t 1 8 IX s 时， 射流明显偏转致使射流不对称 、不完全 ，从而影 响 射孔效果。 ．1 2 3 c 0 3 ．。8 n7 4 。c 一 0 3 i ,42 m4 9 e 13 ．6 2 5 。e -- 0 l 0㈣ c O 0● ●■ 图 3 三维有限元模型 ◆ 图 4射孔 弹弹间干扰 的三维模拟 3 引起射孔弹弹间干扰 的因素 在实际应用 中，各种 因素 射孔 弹本身 的装 药量 、弹型结构 、弹间距 、导爆索爆速 以及射孔器 结构的影响等 都会影响弹间爆轰波 的相互作用 ， 引起弹问干扰 ，从而影响聚能射流 。但是归根结底 弹问干扰是由于爆炸冲击波相遇时强弱不同，也就 是弹体预设 的爆轰波形被破坏造成的。在研究 中， 总是 固定其 中某一些参数 ，改变其余参数 ，找出引 起干扰的最主要的因素 ，从而从相反的方向考虑减 小或消 除弹问干扰 ，合理提 高射 孔效率 。比如孔 密 、相位确定时 ，适当增加导爆索的爆速 ，高孔密 下 转 第 2 9页 一 Ⅲ 2 0 1 0年 第 3 8卷第 6期 马希金 等 油气混输泵混合 器不 同含 气体积分数模拟分析 保 了设计 的正确性 。 2 获得 了不 同含气体 积分数下 的气液相各 自的速度大小 ，可从数值模拟混输泵性能时 ，为吸 人 口的进 口边界条件设置较精确的气液相滑移速度 大小 ，为进一步研究混输泵进 口滑移速度对其性能 的影响提供参考。 3 气液 混合 程度 还 与进气 压力 大 小有 关 ， 从而可对气液相 的压力匹配 问题进行定量把握。 4 由于两相 流动 的复杂性 ，仅 从数值模 拟 上 尚不能解决所有实际问题 ，如能与流场测试相结 合 ，则可以更好地把握混合器流场参数分布状况 。 参考文献 [ 1 ] 赵宏 ，薛敦松 ．多相 泵气 液混合 实验装 置及现 场 用均化器设计 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 0 ，2 8 1 0 6 8，26 ． [ 2 ] 陈万鹏 ．两相流流型识别方法研究 [ D]．天津 天津 大学 ，2 0 0 6 ． [ 3 ] 马希金 ，王宏亮 ．油气混输泵进 口气液混合器的设 计 [ J ]．化工机械 ，2 0 0 4 ，3 1 5 2 6 9 2 7 1 ． [ 4 ] Ma n s u r E A，Y e M X，Wa n g Y D，e t a 1 ． A s t a t eo f t h e a r t r e v i e w o f mi x i n g i n mi c r o flu i d i c mi x e r s [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 第一作者简介见本刊2 0 1 0年第 5期。 收稿 日期 2 0 0 90 9 2 1 本文编辑赵连禄 上接第 3页 射孔枪 中相邻 2弹起爆时间间隔缩短 ，于是上位射 孔弹爆轰引起 的冲击波对延后爆轰 的射孔弹的作用 时间缩短 j ，即相 遇 的冲击 波叠加 时 问较短 ，从 而使弹间干扰作用降低。 4 结束语 运用大型有限元软件做前处理 ，利用通用显式 动力分析程序对石油射孔弹顺序起爆后 ，弹问爆轰 冲击波干扰 的过程 分别进行 了二 维和三 维数值模 拟 。这样可以在 不引入其 他干扰 因素 的理想情 况 下 ，对弹问干扰进行计算 ，得到可视化图形文件 ， 遇到特殊点还可以任意跟踪和放大观察 ，从而得到 现场试验无法得到的数据。数值计算结果符合试验 所得物理现象和规律 ，虽然存在一定程度的误差 ， 但在工程允许 范围之 内。该模型对减小或消除石油 射孔 弹问干扰有借鉴作用 。 实际上 ，石油射孔弹问爆轰波的干扰 中弹体是 非常重要 的，它可以用来调节爆轰波形。另外 ，在 聚能装药 中或相邻射孔 弹之间设置一定形状和材质 的隔板来获得破 甲最有利的爆轰波形 ，笔者没有考 虑这些 因素。因此为了更真实地模拟弹问干扰这一 过程 ，还需要做进一步 的研究。 参考文献 恽寿榕，赵衡 阳 ．爆炸力学 [ M]．北京国防工 业 出版社 ，2 0 0 5 8 0 8 9 ． 史 党 勇 ，李 裕春 ，张 胜 民 ．基 于 A N S Y S ／ L SD Y N A 8 ． 1 进行显式动力分析 [ M]．北京清华大学 出版社 ，2 0 0 5 2 5 02 8 1 ． 张 宝 ，张庆 明，黄风雷 ．爆 轰物 理学[ M]．北 京 兵器工业 出版社 ，2 0 0 1 1 9 5 2 0 5 ． 李东传，金成福，刘亚芬，等 ．射孑 L 弹问干扰消除 方法初 探[ J ]．测井 技术 ，2 0 0 6 ，3 0 5 4 7 6 4 78 ． 石前，姜伟华 ，刘丽敏，等 ． HS D 8 9型深穿透射 孑 L 器研制 [ J ]．测井技术，2 0 0 7 ，3 1 1 7 6 7 9． 第一作者简介曹丽娜 ，女 ，生于 1 9 8 2年 ，在读硕十 研究生 ，研究 方向为有 限元法 的工程 应用 。地址 1 3 0 0 1 2 吉林省长 春市 。E ma i l i a m c a o l i n a 8 2 7 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 0 91 2 2 4 本文编辑刘锋 ～ m 一 一 ～ 一 一一 一一一一一 一一一一一 一 一一 一一一一～ 一一一一一 一 一一一一一一一一 ～一一一一 卟 ．垂 清 ⋯ ． 一 ～～一～一一一一一一一一一～一 1J ]●J ] J ]J ]J 1 2 3 4 5