不同靶體對(duì)同孔重復(fù)射孔穿孔性能影響試驗(yàn)

李東傳,曹振斌

(石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,黑龍江大慶163853)

0 引 言

同孔重復(fù)聚能射孔是在常規(guī)聚能射孔形成的孔眼上再次聚能射孔,以期獲得更好的射孔效果,為油田現(xiàn)場(chǎng)提供一種可選的、適用于某些條件的射孔施工方式。文獻(xiàn)多見(jiàn)利用數(shù)值模擬的方法研究聚能射孔彈的射孔效果[1-5],但未考慮重復(fù)射孔,使用射流侵徹固體靶后在射孔孔道中建立水介質(zhì)模型,模擬計(jì)算同孔重復(fù)射孔的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏離大。李東傳等[6]利用DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶上同孔重復(fù)射孔的穿孔深度增加28%～46%,在40 mm厚鋁柱模擬水泥環(huán)的砂巖靶上穿孔深度增加明顯,但重復(fù)射孔深度增加幅度相對(duì)減少,表明鋁柱對(duì)射流侵徹影響小于水泥環(huán)、砂巖。重復(fù)射孔時(shí),射流通過(guò)注滿清水的孔道后在靶上繼續(xù)侵徹,近似于長(zhǎng)靶距下的射流運(yùn)動(dòng)。外國(guó)學(xué)者利用解析分析法完成了射流運(yùn)動(dòng)斷裂時(shí)速度[7]、時(shí)刻[8]以及斷裂時(shí)間和碎段數(shù)量[9]等研究。石廣玉[10]基于非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)程序AUTODYN,研究了靶距為等聚能射孔彈藥柱直徑的25～42倍時(shí)(空氣介質(zhì))侵徹的貫穿模擬并給出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。在射流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的研究中,針對(duì)間隔靶間介質(zhì)對(duì)射流侵徹的影響問(wèn)題,利用實(shí)驗(yàn)對(duì)水介質(zhì)間隔靶影響射流侵徹能力的程度進(jìn)行研究,高泓超等[11]得出水介質(zhì)比空氣介質(zhì)對(duì)射流侵徹的影響更不利的結(jié)論。史進(jìn)偉等[12]認(rèn)為射流剩余頭部速度在鋼靶中降低速度大于水介質(zhì)的降低速度。上述研究未考慮不同孔道壁材料性質(zhì)對(duì)重復(fù)射孔時(shí)射流作用的影響規(guī)律,以及孔道內(nèi)徑(狹窄域)對(duì)射流的影響程度。本文通過(guò)試驗(yàn)研究不同性質(zhì)靶體對(duì)重復(fù)射孔時(shí)射流侵徹效果的影響程度。

1 試 驗(yàn)

基于相同的聚能射孔彈設(shè)計(jì)2種試驗(yàn):①在穿過(guò)固體靶的情況下,比較研究靶體材料對(duì)射流侵徹結(jié)果的影響;②在穿過(guò)流體的情況下,比較研究射流侵徹區(qū)域的液體對(duì)射流侵徹效果的影響。在此基礎(chǔ)上增加了1組不同類型聚能射孔彈穿固體靶試驗(yàn),與相同類型的聚能射孔彈穿固體靶試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,分析優(yōu)化射孔彈組合后對(duì)射流侵徹結(jié)果的影響。

1.1 聚能射孔彈固體靶上的重復(fù)射孔試驗(yàn)

聚能射孔彈在模擬井筒施工條件下穿過(guò)固體靶,在孔道中注入清水模擬鉆井液,將聚能射孔彈對(duì)準(zhǔn)射孔眼再次射孔,對(duì)比重復(fù)射孔效果;更換靶體重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程,對(duì)比重復(fù)射孔在不同靶體上的作用效果。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 射孔彈穿固體靶試驗(yàn)裝置示意圖

該試驗(yàn)選用DP44RDX38-3型聚能射孔彈以及DP44RDX38-3、HS44RDX39-1型聚能射孔彈組合進(jìn)行同孔重復(fù)射孔。試驗(yàn)用靶選用具有代表性的鋼靶和砂巖靶,鋼靶以穩(wěn)定性好的特點(diǎn)在聚能射孔彈出廠檢驗(yàn)和油田現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用,鋼靶直接加工而成。砂巖靶最接近井下實(shí)際情況,砂巖靶選用直徑178 mm、長(zhǎng)690 mm的砂巖,按GB/T 20488—2006[13]要求干燥、飽和后用固結(jié)劑固結(jié)于內(nèi)徑200 mm、長(zhǎng)700 mm、厚10 mm的鋼殼內(nèi),室溫下養(yǎng)護(hù)48 h待用。

將聚能射孔彈如圖1所示組裝,在鋼靶和砂巖靶上重復(fù)射孔,聚能射孔彈炸高均為16 mm,模擬槍靶板均為6 mm低碳鋼板,間隙均為11 mm清水,模擬套管厚均為10 mm低碳鋼板。第1次射孔后,用游標(biāo)卡尺測(cè)量穿孔孔徑,探針測(cè)量穿孔深度,量筒加水測(cè)量孔容,由于靶滲透率較低且飽和,測(cè)量時(shí)損失可以忽略。將射孔孔眼內(nèi)注滿清水,重新組裝聚能射孔彈、模擬槍靶板、模擬套管靶板(鋼靶、混凝土靶試驗(yàn)時(shí),為了方便對(duì)位,用具有通孔的模擬套管靶板代替原靶板)等,進(jìn)行第2次、第3次同孔重復(fù)射孔和測(cè)量。固體-液體組合靶的射孔試驗(yàn)后僅測(cè)量穿孔深度,描述結(jié)果。

開(kāi)展4組同類型聚能射孔彈穿鋼靶同孔重復(fù)射孔試驗(yàn),DP44RDX38-3型聚能射孔彈在鋼靶上第2次同孔重復(fù)射孔平均穿孔深度比初次射孔增加6 mm,增加幅度4.1%,平均孔徑比初次射孔增加3.1 mm,增加幅度37.5%;第3次同孔重復(fù)射孔平均穿孔深度比初次射孔增加22 mm,增加幅度15.3%,平均孔徑比初次射孔增加3.6 mm,增加幅度44.3%(見(jiàn)表1)。

表1 聚能射孔彈鋼靶重復(fù)射孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

開(kāi)展5組同類型聚能射孔彈穿砂巖靶同孔重復(fù)射孔試驗(yàn),穿孔深度用直徑1.5 mm探針測(cè)量,同孔重復(fù)射孔因?yàn)榭椎雷冃巍⒅貜?fù)射孔的孔道未重合等造成2號(hào)試驗(yàn)第2次射孔穿孔深度比第1次減少1 mm;第3次同孔重復(fù)射孔時(shí)2號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)鋼靶破裂無(wú)法測(cè)量孔容及計(jì)算平均孔徑。DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶上第2次同孔重復(fù)射孔平均穿孔深度比初次射孔增加84 mm,增加幅度22.8%,平均孔徑比初次射孔增加3.9 mm,增加幅度40.8%;第3次同孔重復(fù)射孔平均穿孔深度比初次射孔增加120 mm,增加幅度32.0%,平均孔徑比初次射孔增加7.1 mm,增加幅度72.7%(見(jiàn)表2)。同種聚能射孔彈在砂巖靶上的2次同孔重復(fù)射孔穿的孔深度增加幅度明顯大于鋼靶。

表2 同種聚能射孔彈砂巖靶射孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

開(kāi)展3組不同類型的聚能射孔彈穿過(guò)砂巖靶同孔重復(fù)射孔試驗(yàn),DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶上射孔,后用HS44RDX39-1型聚能射孔彈在砂巖靶上第2次同孔重復(fù)射孔穿孔深度比初次射孔增加120 mm,增加幅度31.2%,平均孔徑比初次增加2.7 mm,增加幅度26.2%;第3次同孔重復(fù)射孔穿孔深度比初次射孔增加166 mm,增加幅度43.2%,平均孔徑比初次射孔增加6.0 mm,增加幅度58.5%(見(jiàn)表3)。優(yōu)化組合不同類型聚能射孔彈在砂巖靶上的2次同孔重復(fù)射孔平均穿孔深度增加幅度43.2%,最大提高幅度58.8%,明顯大于未優(yōu)化的同類型聚能射孔彈的增加幅度。

1.2 液體-固體組合靶的射孔試驗(yàn)

為了研究射孔后孔道內(nèi)徑對(duì)射流侵徹的影響程度,設(shè)計(jì)射流過(guò)小孔后穿靶的試驗(yàn)。液體-固體組合靶是對(duì)聚能射孔彈產(chǎn)生的孔眼直徑的進(jìn)一步擴(kuò)大,該組合靶是用混凝土靶澆注有孔道的靶,養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)用砂巖相似。

DP44RDX38-3型聚能射孔彈模擬砂巖靶射孔試驗(yàn)的第2次同孔重復(fù)射孔情況,射孔彈爆轟形成的射流穿過(guò)清水(模擬井液)后侵徹靶體,試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。聚能射孔彈炸高為16 mm,模擬槍靶板為6 mm低碳鋼板,清水介質(zhì)深度500 mm,砂巖靶高200 mm,其中,清水介質(zhì)深度據(jù)DP44RDX38-3型聚能射孔彈在砂巖靶同孔重復(fù)射孔最大深度498 mm確定。

表3 不種聚能射孔彈砂巖靶射孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2 液體-固體組合靶試驗(yàn)裝置示意圖

在射孔彈穿過(guò)液體-固體組合靶的試驗(yàn)中,DP44RDX38-3型聚能射孔彈穿透厚500 mm清水后在砂巖靶中開(kāi)孔,孔道直徑越大對(duì)射流的影響越小(見(jiàn)表4),注清水孔道直徑由20 mm增加到25 mm,平均穿孔深度增加1.9%;射流穿過(guò)注清水孔道直徑為200 mm時(shí),此時(shí)射流不再受孔道的有限邊界約束,穿孔深度比20 mm孔徑時(shí)增加18%。表明DP44RDX38-3型聚能射孔彈穿過(guò)500 mm清水后在砂巖靶穿孔深度僅為175 mm,此種產(chǎn)品同孔重復(fù)射孔的極限穿孔深度不超過(guò)675 mm。

表4 聚能射孔彈穿液體-固體結(jié)合靶試驗(yàn)結(jié)果

2 分析與探討

2.1 靶體材料影響試驗(yàn)結(jié)果

射孔時(shí)射流撞擊靶體,軸向開(kāi)孔、徑向擴(kuò)孔,在形成孔道的同時(shí)也受孔道壁的反作用,部分金屬顆粒回彈撞擊干擾射流,從而影響孔道的深度、直徑,射流與靶體相互作用的結(jié)果決定射孔孔道的最終形狀。史進(jìn)偉等[14]得出在侵徹水介質(zhì)間隔靶中,在射流環(huán)周形成水波、空腔,對(duì)射流影響比空氣中大,速度衰減更明顯。同孔重復(fù)射孔時(shí),射流進(jìn)入孔道撞擊水介質(zhì),軸向擠壓孔道壁并反彈再次作用射流,影響射流向前穿孔效果,射孔孔道直徑、深度增加,增加幅度由射流、介質(zhì)、孔道壁強(qiáng)度等因素共同決定。第2次同孔重復(fù)射孔與第1次作用機(jī)理相同,大孔道直徑對(duì)射流的影響小,穿孔深度的增加幅度更明顯。

DP44RDX38-3型聚能射孔彈產(chǎn)生的射流直徑為3～5 mm,由大量金屬顆粒組成,其在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中拉長(zhǎng)、發(fā)散。這些顆粒與接觸介質(zhì)撞擊、運(yùn)動(dòng),與鄰近的孔道壁相互作用,這可以理解為射流前進(jìn)過(guò)程中引起介質(zhì)振蕩反作用影響射流的穿孔性能,擴(kuò)大了孔道直徑。一般認(rèn)為射流在鋼靶上開(kāi)孔的有效速度高于2 000 m/s,在砂巖靶上開(kāi)孔的有效速度低于2 000 m/s,高于800 m/s。這部分射流的作用使不同型號(hào)聚能射孔彈在鋼靶、砂巖靶上的同孔重復(fù)射孔效果差別明顯,因此,可以探索利用該部分射流進(jìn)一步提高同孔重復(fù)射孔效果。

2.2 射流徑向穿過(guò)區(qū)域影響射孔效果

DP44RDX38-3型聚能射孔彈在鋼靶上重復(fù)射孔時(shí),射流的能量首先用于擴(kuò)展孔徑,將孔徑從8.0 mm擴(kuò)展到11.1 mm,然后小幅度增加穿孔深度,將穿孔深度從148 mm提高到154 mm;當(dāng)孔徑達(dá)到11.1 mm后對(duì)射流的影響減小,因此,第2次同孔重復(fù)射孔時(shí)徑向擴(kuò)孔減少,孔徑僅從11.1 mm增加到11.6 mm,而穿孔深度從154 mm提高到170 mm,表明重復(fù)射孔時(shí)只有先克服徑向影響后穿孔深度才能明顯增加。在砂巖靶及孔徑相應(yīng)擴(kuò)大的液體-固體組合靶上規(guī)律基本相同,當(dāng)砂巖靶中的孔徑從10.0 mm增加到17.1 mm時(shí),同孔重復(fù)射孔深度平均值提高32.0%～43.2%、最大提高幅度58.8%;當(dāng)孔徑超過(guò)20 mm時(shí),對(duì)同孔重復(fù)射孔深度影響逐漸降低。射流穿過(guò)200 mm孔徑、500 mm水后的穿孔深度僅比穿過(guò)狹窄域的20 mm孔徑、500 mm水時(shí)的穿孔深度提高18.0%。

聚能射孔彈在不同的靶上射孔形成的穿孔深度、孔徑不同,同孔重復(fù)射孔時(shí),金屬射流通過(guò)注滿清水的孔道時(shí)首先需要克服水、孔道壁的影響,如果能徑向擴(kuò)展孔道壁,則后續(xù)射流受到的反作用力減少,有利于進(jìn)一步提高穿孔深度,也可以通過(guò)提高射流的抗反作用能力來(lái)提高同孔重復(fù)射孔深度。

3 結(jié) 論

(1)同種聚能射孔彈在不同靶上同孔重復(fù)射孔穿孔深度變化規(guī)律不同,鋼靶、砂巖靶、清水對(duì)穿孔深度的影響依次降低。

(2)射流在侵徹時(shí),與周圍介質(zhì)相互作用形成射孔孔道,重復(fù)時(shí)射流與孔道內(nèi)的水介質(zhì)、孔道壁相互作用,產(chǎn)生的徑向反作用越強(qiáng)對(duì)射流的影響越大。

(3)利用不同孔徑、穿孔深度的聚能射孔彈的組合可有效減少重復(fù)射孔時(shí)孔道壁對(duì)射流的影響,獲得更高的穿孔深度。

(4)由于試驗(yàn)量的限制,試驗(yàn)結(jié)果還需要進(jìn)一步修正。建議針對(duì)性地開(kāi)展聚能射流侵徹影響因素研究,為研制針對(duì)井下油層的射孔、重復(fù)射孔用聚能射孔彈(器)、施工方案提供依據(jù)。