油田射孔槍優化改進及應用

陳維國

摘要：筆者結合油田射孔槍的工作原理，并運用ANSYS智能優化設計軟件，針對射孔槍的結構參數建立有限元的數學幾何模型，來進行優化分析，在保證射孔槍滿足功能要求的基礎上優化設計結構，以節約預算成本，提高工作效率。

關鍵字：射孔槍 優化改進 工作原理 分析應用 有限元

引言：

射孔槍是油田開采作業能否順利完成的關鍵工具，是油田井下開孔的主要工具。針對射孔槍的工作原理，運用ANSYS智能優化軟件對其進行結構優化設計，不斷提高我國對于油田射孔槍的設計水平，對提高我國油田開采效率，滿足日益增加的原油需求量，具有非常重要的意義。

1. 射孔槍的工作原理

圖1：射孔槍的結構圖

如圖1可見，石油射孔槍由槍頭、槍身、槍尾三部分組成，連接處均采用梯形螺紋來連接以保證具有較高的連接強度，槍身均勻分布外盲孔并嵌入定位銷釘來保證射孔與盲孔位置對正。目前國內廣泛應用的是聚能射孔彈對于射孔槍的強度與結構設計要求很高，不但要嚴格控制對輸油管道與水泥環的沖擊力，還需要具有良好的發射效率來保證射孔槍具有較高的工作效率，同時合理的盲孔深度設計能夠使得槍身具有較小的厚度與強度，更能夠有效提高發射率。

2. 射孔槍有限元分析

2.1 創建有限元的模型

實際工作中多采用創建有限元模型來分析復雜的井下油田狀態參數，具體過程可以分為：建立數學幾何模型、定義結構材料特點、設計功能單元、施加載荷并根據載荷數據求解及劃分邊界條件、處理運算結果檢測系統運行狀態。創建有限元模型即根據作業內容設定模型標題；ANSYS軟件無系統單位制，因此需要技術人員根據實際工作參數設定單位制，并保證在同一模型中具有統一單位制；ANSYS軟件系統數據庫中儲存有不同類型的常用功能單元數據，且每種系統單元類型均具有特定編制符號，如OLID95、PLANE76；選定單元類型后需要嵌入與單元類型相符合的單元實常數，如BEAM3單元的截面面積；然后根據實際操作環境設定材料物理性能參數，如彈性模量數、材料密度、應力狀態、線膨脹系數等；然后根據設定的結構創建幾何模型，并根據智能網格模擬功能產生物理分析模型。

2.2 對加載荷進行有限次求解

有限元模型創建好后，可直接利用SOLUTION處理器來規定結構類型和分析操作選項，然后調用數據庫中的數據，對模型施加可控制調節的動態載荷數據，并根據載荷參數對有限元模型進行有限次求解并可恢復初始化狀態。數據分析類型一般分為：靜態、瞬態、調諧等；在ANSYS軟件中對有限元模型施加的載荷可分為DOF(自由度)約束、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷等；求解初始化功能主要是從ANSYS數據庫系統中選定相符的有限元模型以及載荷數據，來進行運算求解，然后將計算結果輸入到系統數據庫中存儲起來以備調用。

2.3 查詢分析結果

ANSYS程序完成數據運算后，就能夠利用POST1或POST26處理器的數據來查詢并分析運算結果；通用后處理器POST1功能是查詢全部或者部分時間段的運算結果；時間歷程后處理器POST26主要功能是查詢選定區域在不同時間段內的所有運算結果。

3. 射孔槍的優化設計分析

下面針對3000米礦井深度所使用的國產32CrMo的102型射孔槍為例進行優化設計，其他型號射孔槍優化設計原理與之相同。

3.1 射孔槍盲孔的優化

上式中：tvol為體積，de、dia分別為射孔槍盲孔深度和盲孔直徑。Maxstress為射孔槍盲孔處的最大應力，[o]為許用應力。

射孔槍材料性能以及實際施工中所用射孔槍型號不相同，槍身結構的內徑、外徑以及所處的鉆井深度等都不相同，從而導致射孔槍盲孔各點的應力分布狀態不一，因此射孔槍盲孔的深度與內外徑大小需要設計計算人員根據實際的作業狀態與功能要求，經過科學嚴謹的計算來確定。射孔槍盲孔的優化設計流程為建立優化數學分析模型，利用ANSYS軟件建立科學的參數分析模型、運算求解、然后根據運算結果進行具體參數優化改進，生成具有指導意義的優化分析文件，根據軟件系統智能優化功能選定優化變量，利用系統優化工具箱中的優化工具與優化方法進行優化分析，最后得出優化結果，最后根據優化結果設計射孔槍的結構參數。

3.2 射孔槍壁厚的優化

射孔槍壁厚的優化主要受以下因素影響：射孔彈噴射爆炸時會瞬間產生很高的溫度與氣壓，如果射孔槍設計的強度過低，那么在作業中就會在高溫高壓環境中產生較大的塑性變形甚至發生斷裂。如果射孔槍結構設計強度過高就會增加設備生產成本造成資源浪費，因此為保障油田射孔槍能夠高效、科學地實施作業，對射孔槍壁厚進行科學的優化設計計算，具有非常重要的實際意義。對于射孔槍壁厚的優化設計與盲孔基本相同，同樣是利用ANSYS軟件系統優化設計模型，針對特定的結構參數不斷調整，在保證作業功能要求的前提下，盡可能地節約預算成本。

4.結語： 通過創建有限元模型對射孔槍不同部分有限元彈塑性分析比對，對射孔槍進行結構的優化設計，為我國油田射孔槍結構設計研發工作提供科學的設計方法與指導意見，以不斷提高我國射孔槍設計研發技術與制造水平。

5.參考文獻：

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