提高超高溫射孔彈穿深性能研究

徐志國， 喬亞波

（大慶油田射孔器材有限公司，黑龍江大慶163853）

0 引 言

我國油藏分布及藏儲有其特殊性，勘探開發中超高溫井已在不同地方越來越多地出現，尤其是隨著海上油田、西部油田和非常規油氣田等深層油氣田勘探開發力度的加大，目的層超高溫條件下施工作業明顯增多，在超高溫特殊條件下，對射孔器提出更高要求。通過查閱相關資料和具體打靶試驗分析，發現超高溫射孔彈的穿深性能較同型號的常溫射孔彈的穿深性能下降30%左右，嚴重制約了相關油氣層的勘探開發。為此我們開展了超高溫超深穿透射孔彈的研究,主要是在超高溫炸藥爆速爆壓低和爆轟總能量低兩方面進行了針對性的設計。

1 方案設計

1.1 優選主裝炸藥

在設計超高溫射孔彈時，我們首先進行超高溫炸藥的選擇，從表1[1]列出的常用炸藥主要性能的對比中，我們可以發現2種超高溫炸藥PYX和HNS，無論是在爆速還是在耐溫性能上，PYX都要優于HNS，我們選取PYX作為超高溫射孔彈的主裝炸藥。

表1 射孔彈常用炸藥性能

1.2 裝藥結構設計

藥型罩是在炸藥爆轟波沖擊作用下形成射流，對目標靶進行侵徹，實現射孔的目的，炸藥的特性直接影響了射流的形狀、動能等特性，所以我們在結構設計中要充分考慮炸藥的特性[2]。從表1中常用炸藥性能對比來看，PYX與常溫炸藥在主要性能上有多方面的差異，我們在裝藥結構設計時也要突破常規的思維，考慮到PYX炸藥爆速爆壓低的特性，我們采用大封閉高度的裝藥結構，即藥型罩頂部到起爆點的距離增加，使炸藥充分起爆后再對藥型罩進行壓垮做功。

圖1 裝藥結構示意圖

圖1為裝藥結構示意圖，h為封閉高度，我們在設計時，把封閉高度在常規產品的基礎上提高了1倍，同時，由于槍內空間有限，設計中充分考慮了彈間干擾和炸高的影響[3]。并利用ANSYS AUTODYNE軟件對2種封閉高度方案進行了模擬計算分析。

我們通過對封閉高度為h和2h的2種不同裝藥結構藥型罩能量分布曲線進行了比較，分別如圖2和圖3所示。通過比較我們可以發現，調整封閉高度后的藥型罩在做功有效時間段內，能量更高，分布也更合理，也說明了通過裝藥結構的調整很好地匹配了超高溫炸藥的特性。同時，我們也對2種不同裝藥結構的炸藥能量分布曲線進行了分析，分別如圖4和圖5所示。

圖2 封閉高度為h藥型罩能量分布

圖3 封閉高度為2h藥型罩能量分布

圖4 封閉高度為h炸藥能量分布

圖5 封閉高度為2h炸藥能量分布

通過比較我們也可以發現，封閉高度調整后炸藥在做功有效時間段內，能量更高，持續時間更長，分布也更加合理，炸藥的有效利用率得到了較大的提高。

最終我們采用大封閉高度的裝藥結構，一方面提高了藥型罩的頂部裝藥，另一方面，可以使炸藥充分起爆后再對藥型罩進行壓垮做功，起到了較好的效果，解決了超高溫炸藥爆速和爆壓較低的難題。

1.3 藥型罩結構參數設計

圖6 三錐藥型罩

超高溫炸藥除了爆速爆壓低以外，其爆轟總能量也較常溫炸藥下降很多，我們針對這一問題，對藥型罩結構參數進行了優化設計。其中，藥型罩的錐角作為重要參數對聚能射流形成和侵徹效果有直接影響[3]，設計中我們采用三錐結構藥型罩如圖6所示。

我們在穿深性能較好的常溫產品基礎上進行了增大藥型罩錐角的設計，延緩了同一橫截面上罩微面向母線匯聚的距離，從而避免了藥型罩母線處罩材料的堆積，有利于提高射流頭部速度和射流梯度，使射流充分拉伸，來增加射流穿靶的總作用時間，另外，對大錐角來說，壁厚變化率也可取大些，使其在低炸高情況下，射流充分拉長，從而提高穿靶深度，有力地克服了超高溫炸藥能量不足的問題，匹配了炸藥的相關性能。利用ANSYS AUTODYNE軟件對常用的102型射孔彈進行射流模擬計算及對比分析。

圖7 A結構裝常溫炸藥模擬射流

圖8 A結構裝超高溫炸藥模擬射流

圖9 B結構裝超高溫炸藥模擬射流

圖7為某102型射孔彈A結構主裝常溫炸藥時，其計算機模擬射流結果，射流連續性非常好，當該結構裝填超高溫炸藥時，其計算機模擬射流結果如圖8所示，爆轟波損失較多，炸藥能量得不到有效的利用，射流效果欠佳，可以分析出此藥型罩結構及配方等與主裝耐高溫炸藥不相匹配。當在此基礎上增大藥型罩錐角時，仍裝填超高溫炸藥，其計算機模擬射流結果如圖9所示，射流連續性及分布都比較好，說明爆轟能量的有效利用率得到明顯改善。對藥型罩結構參數進行優化設計，選用變壁厚多錐角結構，不同錐角會產生藥型罩的壁厚變化，改變爆轟波對藥型罩的作用方向，從而調整射流的拉伸特性，射流的有效拉伸長度有所增加，杵體質量明顯減少，提高了射流作用于穿深的有效能量，達到提高炸藥爆轟能量利用率的目的。

我們通過對圖8和圖9兩種方案在模擬計算過程中截取的不同時間段，對射流的頭部速度進行了對比，對比結果如表2所示，從表2中可以發現，A結構在初始階段速度較高，而此階段射流尚未接觸到靶體，而B結構雖然初始階段速度沒有A高，但后續有用功時間，速度較A結構速度高且穩定性好。所以可以通過改變藥型罩結構起到調整射流速度梯度分布，從而達到提高炸藥利用率的目的。

表2 A、B兩種結構不同時刻的射流頭部速度比較

2 地面穿鋼靶性能試驗

為了進一步驗證模擬及分析結果是否符合實際情況，我們還對A、B兩種結構的聚能射孔彈進行了鋼靶穿孔測試試驗，對2種不同結構分別裝填不同類型炸藥進行試驗，采用60 mm炸高，地面穿鋼靶試驗結果如表3所示。

試驗結果表明，裝填RDX炸藥后穿深性能較好的是A結構。而裝填PYX炸藥后B結構的穿深明顯優于A結構，這與分析和模擬計算的結果是吻合的。

表3 地面穿鋼靶性能試驗結果

圖10 地面混泥土靶試驗

3 地面穿混泥土靶性能試驗

為了進一步驗證分析結論，我們又在裝槍條件下進行了地面穿混泥土靶試驗，試驗數據見表4所示。

從表中對比可以得出，超高溫射孔彈在與地層條件較為接近的混泥土靶上進行試驗，其規律與穿鋼靶時一致。

表4 超高溫射孔彈地面混泥土靶試驗數據表

4 結 論

1）超高溫射孔彈穿深性能較同型號的常溫射孔彈出現明顯下降的原因，一方面是超高溫炸藥的爆轟性能較常溫炸藥低，另一方面主要是射孔彈在結構設計時未能匹配超高溫炸藥特性，而第二方面是可以通過設計改進的。

2)通過對裝藥結構的設計，尋求了殼體與藥型罩的最優組合，采用大封閉高度的裝藥結構，在提高了藥型罩的頂部裝藥的同時可以使炸藥充分起爆后再對藥型罩做功，起到了理想的效果，解決了超高溫炸藥爆速、爆壓低的難題。

3)通過對藥型罩結構的設計和優化，避免了藥型罩母線處罩材料的堆積，通過炸藥能量的合理釋放，可以極大地提高射流質量和射流速度梯度，從而調整爆轟波波形，達到了提高炸藥爆轟能量利用效率的目的，有力地克服了超高溫炸藥能量不足的問題。

[1]陸大衛.油氣井射孔技術[M].北京:石油工業出版社,2012:14-17.

[2]北京理工大學爆炸及其作用編寫組.爆炸及其作用[M].北京:國防工業出版社,2001.

[3]李祿蔭.炸藥成型彈丸技術綜述[R].北京:北京理工大學力學工程系,1987.

[4]石前.HSD89型深穿透射孔器研制[J].測井技術,2007(1):76-79.