變壁厚石油射孔彈聚能射流形成的影響因素分析

李換芝， 王 鄭

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

引 言

隨著現代石油開采技術的深入發展，油井射孔成為一項非常重要的完井作業。該射孔技術以石油射孔彈為關鍵，利用聚能裝藥的聚能效應形成的高能量密度、高溫、高壓金屬射流，在極短的時間內射入油層巖石中，使得井筒以及底層的環境相互接通，形成一定的油井產油通道［1］。油井的產油率主要與聚能射流的速度和質量有關，而藥型罩的錐角、壁厚是影響射流速度、質量以及形狀等的關鍵因素［2］。因此，本文利用有限元顯示動力分析程序，從藥型罩錐角、壁厚等參數入手，對石油射孔彈聚能射流的形成過程進行數值模擬，分析得到了藥型罩結構與射流頭部速度之間的關系，為以后石油射孔技術的研究提供了有利的依據。

1 數值模擬模型的確定

1.1 幾何模型的確定

以工程普遍使用的石油射孔彈為例。由于該結構具有軸對稱性，所以，可以將模型簡化為四分之一立體對稱問題。如圖1所示。

分析起爆點為頂部中心點，并且假設藥型罩材料、炸藥為均勻連續介質，整個作用過程為絕熱過程。

圖1 四分之一模型立體圖

1.2 網格劃分

由于使用Lagrange算法容易產生嚴重畸變單元，且變壁厚藥型罩在爆炸形成射流的過程中存在著大變形、大應變，不適用Lagrange算法，故選用自適應網格技術，以滿足映射網格劃分應用的特定要求［3-4］。選擇3Dsolid 164單元類型，采用cm-g-μs單位制，分別對炸藥、藥型罩和空氣進行不同的材料定義，進行網格劃分。炸藥、藥型罩和空氣的網格如第58頁圖2所示。

1.3 材料模型的確定

該數值模擬中采用炸藥、藥型罩、空氣3種材料模型，具體確定如下。

1.3.1 藥型罩材料模型

藥型罩材料選用Johnson-Cook本構模型和Gruneisen狀態方程描述。Johnson-Cook本構模型適合大部分金屬材料；Gruneisen狀態方程形式［4］為式（1）。

式中：γ0為Gruneisen常數；c為vs-vp曲線的截距；S1、S2、S3為vs-vp曲線的斜率系數；a為γ0和μ的一階體積修正量；μ＝ρ/ρ0-1。

圖2 網格劃分圖

1.3.2 炸藥材料模型

采用LS-DYNA程序提供的高能炸藥材料模型（MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN），爆轟產物壓力與體積關系采用標準的JWL狀態方程，其一般形式［5］為式（2）。

式中：P為壓力；E為爆轟產物的內能；V為爆轟產物的相對體積；A、B、r1、r2、ω為試驗參數。

1.3.3 空氣材料模型

空氣材料模型采用無偏應力流體動力模型（NULL），對應的狀態方程為Gruneisen。密度ρ＝1.225×10-3g/cm3，氣體常數γ＝1.4，C＝0.344。

2 計算結果及分析

計算分2階段進行。第1階段，計算炸藥爆炸壓垮不同厚度藥型罩形成射流的過程；第2階段，計算炸藥爆炸壓垮不同錐角藥型罩形成射流的過程。

2.1 模擬石油射孔彈聚能射流形成過程

圖3給出了石油射孔彈聚能射流的形成過程。圖3（a）表明，炸藥引爆后3μs時刻爆轟產物擠壓藥型罩，罩中間部位正在爆轟波的引導下沿軸線運動；圖3（b）表明，聚能裝藥完成爆轟過程，藥型罩閉合區的前端已出現射流；圖3（c）為射流不斷延伸拉長狀態，并出現頸縮現象，尾部逐漸形成“杵”；圖3（d）表明，射流速度趨于穩定，由于拉伸作用，射流逐漸變的細長；圖3（e）表示射流的最終狀態，杵體即將與射流分離。

圖3 石油射孔彈聚能射流的形成過程

2.2 不同壁厚藥型罩聚能射流形成過程的數值模擬

藥型罩的壁厚對聚能射流速度有較大的影響。為明確壁厚變化對聚能射流速度變化的影響規律，在保持RDX藥包尺寸和藥型罩材料不變的情況下，以錐角為60°作基準，選取壁厚變化率為0.00%、0.50%、1.25%、2.00%壁厚藥型罩進行仿真模擬對比，并觀察和分析50μs時形成的射流狀態。表1給出了模擬結果。

2.3 不同錐角藥型罩聚能射流形成過程的數值模擬

選用RDX炸藥和紫銅藥型罩，在保持40mm裝藥直徑與60mm裝藥高度不變的條件下改變藥型罩錐角的大小，建立有限元模型。藥型罩尺寸模型如第59頁圖4所示。選取45、75、90、105、120°藥型罩錐角進行模擬比較，取50μs時的射流狀態進行分析，結果如第59頁表2所示。

表1 t＝50μs時不同壁厚藥型罩形成的射流狀態

表2 t＝50μs時聚能射流狀態

圖4 藥型罩尺寸模型

3 結論

1）通過模擬在不同錐角下聚能射流的形成和對比各個錐角對應某一時刻聚能射流頭部的速度得出，不同錐角裝藥形成射流時，射流頭部形狀區別不大，但頭部速度相差較大；錐角越大，射流速度越小，形成的杵體長度相比于射流的長度也越小。小錐角石油射孔彈，雖然形成杵體的體積較大，但相對于射流來說所占的比重較小，更適合應用于深層開坑。

2）通過模擬在不同壁厚下聚能射流的形成和對比各個壁厚對應某一時刻聚能射流的頭部速度得出，在同一時刻下，同錐角藥型罩壁厚越小，聚能射流的形態發育得越好；藥型罩壁厚越大，射流速度越低，射流長度和杵體的長度越小，但是杵體情況會相對較輕。

3）在設計石油射孔彈時，藥型罩的錐角和壁厚都不宜過大或過小，應綜合考慮各方面的因素，既要讓射流速度達到預期值，又要使杵體的體積盡可能小。

［1］ 韓秀清，曹麗娜，曹新宇，等.聚能射流形成及破甲過程的數值模擬分析［J］.科學技術與工程，2009，9（23）：6960-6964.

［2］ 曹麗娜，韓秀清，董小剛，等.藥型罩結構對聚能射流影響的數值模擬［J］.礦業研究與開發，2009，6（29）：98-105.

［3］ Jhanwar J C，Jethwa J L，Reddy A H.Influence of airdeck blasting on fragmentation in jointed rocks in an open-pit man-ganese mine［J］.Engineering Geology，2000，57（2）：13-29.

［4］ 譚多望，孫承緯，趙繼波.大錐角聚能射流實驗研究［J］.高壓物理學報，2003，17（3）：204-208.

［5］ 惲壽榕，趙衡陽.爆炸力學［M］.北京：國防工業出版社，2005.