聚能射孔作用下環(huán)空壓力測試與數(shù)值分析

陳華彬,陳鋒,唐凱,王樹山,賈曦雨,羅苗壯

(1.中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶400021；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京100081)

0 引 言

從技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用角度看,中國套管、管柱動力學(xué)響應(yīng)研究仍然處于起始研究階段,研究機構(gòu)主要局限在非線性動力學(xué)數(shù)值模擬與仿真研究。國外研究機構(gòu)也在應(yīng)用模擬試驗技術(shù),可以進行測試射孔作業(yè)管柱動態(tài)響應(yīng)的壓力、應(yīng)變、加速度等有關(guān)力學(xué)參量隨時間變化,但無法建立動態(tài)力學(xué)響應(yīng)參量與宏觀失穩(wěn)及損傷之間的對應(yīng)關(guān)系。

開展了油氣井射孔對管柱的動態(tài)力學(xué)研究,研究了沖擊載荷理論模型,認識了爆炸沖擊波在不同界面上來回反射、透射,以壓應(yīng)力波的形式沿著槍體壁面向外擴展。由于射孔彈裝配的非對稱性以及起爆的時序性,射孔槍體及管柱承受著明顯的非對稱性不均勻沖擊過載,爆炸施加的側(cè)向加載會合成為繞中心軸線的剪切扭轉(zhuǎn)振動。為此,建立了射孔槍系統(tǒng)數(shù)值仿真模型,在試炮水池的進行了射孔槍力學(xué)響應(yīng)測試,完成測試槍管內(nèi)部和槍管端頭的軸向、徑向、周向加速度數(shù)據(jù),驗證了數(shù)值仿真模型的可靠性。同時,油層套管動態(tài)力學(xué)研究建立了射孔對套管影響的動態(tài)響應(yīng)機理,基于射孔槍的測試數(shù)據(jù),研究了套管系統(tǒng)仿真模型和射孔時彈藥量等效仿真模型,模擬計算等效條件下套管動態(tài)響應(yīng)。本文結(jié)合前期研究成果,繼續(xù)應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)和測試技術(shù)開展爆炸沖擊載荷下測試環(huán)空力學(xué)響應(yīng),獲取射孔下套管環(huán)空的壓力經(jīng)驗理論模型,推進套管、管柱動態(tài)力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)研究。

1 射孔能量分布以及影響

油氣井射孔作業(yè)溝通井筒與地層[1],在井下高溫高壓工況條件下,射孔彈在射孔槍管內(nèi)爆轟形成射流,高能炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波在整個射孔作業(yè)系統(tǒng)間傳遞。炸藥能量除用于擠壓藥型罩形成射流的部分外,其余的能量對于整個射孔系統(tǒng)來說均為負面作用,研究表明這一部分能量達到裝藥能量的70%左右[2]。射孔彈爆轟帶來的沖擊橫向效應(yīng)是井液載荷中的關(guān)鍵組成部分。射孔作業(yè)系統(tǒng)間接產(chǎn)生載荷作用包括:射孔彈殼體破裂碰撞射孔槍管壁產(chǎn)生的沖擊與振動載荷;射孔槍彈架在爆炸的驅(qū)動下?lián)p傷變形碰撞槍管壁產(chǎn)生應(yīng)力波。

聚能射孔彈起爆過程中,高能炸藥爆炸的能量一部分用于驅(qū)動藥型罩擠垮,形成金屬射流,射流頭部以6 000 m/s的平均速度侵徹,另一部分用于克服射孔彈殼體約束形成沖擊波[3]。沖擊波開始透過射孔彈結(jié)構(gòu)向空氣介質(zhì)中傳遞,再透過槍管傳遞進井液中,在這一載荷傳遞過程中,壓力依次突破裝藥界面、射孔彈殼體、空氣介質(zhì)、射孔槍管最終透射進入到井液中。在沖擊波的傳遞過程中,由于各個介質(zhì)材料的波阻抗不同,沖擊波每突破一種材料界面進入到另一材料時,強度都會被削弱。高能裝藥在爆炸瞬間的初始爆轟壓力約為20 GPa左右,在透過槍管最終傳遞到井液介質(zhì)中時,沖擊波在水中造成的壓力值約十幾兆帕,視裝藥相位的不同,周向差別較大,此時的沖擊波已經(jīng)衰減為弱沖擊波,但仍具有強間斷性質(zhì),波的脈寬也不斷拉伸,不具備沖擊波傳播的優(yōu)勢。

在金屬射流侵徹射孔槍管之后,射流頭部進入井液(見圖1),高速的金屬射流與井液碰撞,由于井液原有的狀態(tài)近似于靜態(tài),因此,這一過程也可以類似于侵徹過程,射流頭部與井液接觸時,在井液產(chǎn)生的擠壓壓力仍高達2 GPa。

圖1 射流侵徹井液示意圖

后續(xù)的壓力波在井液中沿射流周向環(huán)形傳播(見圖2),在射流近端可以維持較高的傳播壓力,高達400 MPa以上,這一瞬態(tài)的高壓在井液中直接與油氣井的套管內(nèi)壁、槍管等接觸,勢必會對井筒完整性造成影響[4]。

圖2 井液中的環(huán)形壓力波

除了上述2種載荷外,井液中沖擊波過后由于能量帶來的擾動,井液介質(zhì)會發(fā)生快速流動,這一部分壓力基于井液的快速流動,壓力值相對較低,也是強間斷性質(zhì)。但是這種壓力持續(xù)時間較長,作用范圍大,在實際工程中作為井液震蕩壓力的主要來源,直接作用于油氣井套管、油管柱,該載荷長時間超載會影響套管、油管柱的完整性,比如套管變形或油管彎曲等,需要研究槍管與套管間的環(huán)空壓力特征。因此,射孔作業(yè)在井液的沖擊波[5](即耦合裝藥爆炸壓力和射流侵徹壓力)和波后流場壓力是文章的仿真分析和實驗測試主要研究對象。

2 射孔環(huán)空流場壓力實驗測試

2.1 搭建地面模擬測試系統(tǒng)

建立一套與數(shù)值仿真模型一致的射孔實驗測試系統(tǒng),整個實驗系統(tǒng)主要由3部分組成,分別為套管系統(tǒng)裝置、槍管載荷源系統(tǒng)裝置、實驗測試系統(tǒng)[10]。

套管系統(tǒng)裝置作為整個實驗的主要載體,套管與槍管形成環(huán)空,環(huán)空充滿水介質(zhì)。套管尺寸為5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,內(nèi)徑108 mm,長度1 200 mm,在距離套管頂端200 mm處在安裝數(shù)據(jù)采集傳感器進行壓力采集,套管頂端具有良好密封性能。連接套管的接頭焊接鋼板上,與套管連接靠螺紋方式,同時焊接一件與槍管連接的89型死堵接頭,用來安裝89型射孔器。

槍管載荷源系統(tǒng)作為實驗測試的動態(tài)載荷來源。實驗器材包括89型射孔槍和89型射孔彈(SDP39HMX25-2),槍管長度500 mm,實驗射孔設(shè)計參數(shù)為相位60°,孔密16孔/m,裝配射孔彈3發(fā),裝藥為HMX,藥量25 g/發(fā)。射孔槍一端與套管居中連接,槍內(nèi)裝雷管和導(dǎo)爆索,雷管線與密封引線柱相連,射孔槍另外一端的接頭內(nèi)有密封引線柱,該系統(tǒng)可以避免導(dǎo)爆索起爆壓力觸發(fā)測試系統(tǒng)[11]。

實驗測試系統(tǒng)是實驗數(shù)據(jù)采集的中樞,需要測量不同射孔彈數(shù)量條件下射孔彈爆炸條件下槍管與套管間井液的壓力載荷。根據(jù)水下密閉管狀容器爆炸測試試驗的經(jīng)驗和結(jié)果,實驗選用CY-YD-214壓電式壓力傳感器與CY-YZ-050壓阻式壓力傳感器[12]。測量系統(tǒng)由壓力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀、上位機等4個部分組成。

2.2 測試數(shù)據(jù)與分析

實驗工況分為單發(fā)射孔彈以及三發(fā)射孔彈2種規(guī)格實驗。每種工況進行2次,以保證測試數(shù)據(jù)的科學(xué)性。

試驗數(shù)據(jù)記錄使用專用數(shù)據(jù)采集儀進行記錄,并在試驗結(jié)束后應(yīng)用Origin pro專用數(shù)據(jù)處理軟件進行后期處理(見圖3)。結(jié)果顯示,單發(fā)射孔彈作用條件下,距射孔彈位置600 mm處的沖擊波壓力峰值為42 MPa,沖擊波波形較為規(guī)整,井液流動壓力在距爆源60 cm與80 cm處的壓力值均在4.3 MPa,且壓力波形規(guī)整。三發(fā)射孔彈作用條件下,距離射孔彈位置600 mm處的沖擊波壓力峰值分別為64 MPa與81 MPa(該值可能受到對應(yīng)的實驗測試過程同軸線被炸斷影響,不予考慮),井液流動壓力在距爆源60 cm與80 cm處的壓力值均在10 MPa左右,壓力波形紊亂。

圖3 測試原始曲線圖

與單發(fā)射孔彈作用條件下的沖擊波壓力歷史曲線相比較,三發(fā)射孔彈耦合作用下的壓力波形具有較大的比沖量,即沖擊波的上升沿持續(xù)時間較長,壓力持續(xù)作用時間較長,可以認為是多發(fā)射孔彈作用條件下,多條射流在微秒量級的時間內(nèi)沖擊井液造成的壓力峰值相距較近,造成的疊加現(xiàn)象。

壓力疊加現(xiàn)象說明,多發(fā)射孔彈耦合作用條件下的沖擊波在峰值上并沒有太多幅度高于單發(fā)射孔彈作用條件下的沖擊波峰值,而增加了沖擊波作用的時長,依據(jù)基本的沖擊波毀傷評估方法,即超壓聯(lián)合比沖量準則,可以解釋多發(fā)射孔彈作用條件下壓力造成油管、井筒等負面損傷的事實。

3 實驗工況數(shù)值仿真

3.1 數(shù)值仿真

建立一套射孔作業(yè)系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型,包括了射孔彈、射孔槍管、套管、槍管內(nèi)空氣、環(huán)空水介質(zhì),整個模型是基于前期研究標定仿真模型基礎(chǔ)上,進而擴展。射孔彈包含藥型罩、裝藥及殼體3部分。數(shù)值仿真模型中的空氣、井液、裝藥及藥型罩是流體材料性質(zhì),采用ALE算法。槍管和射孔彈殼體是鋼材料,采用Lagrange單元算法。炸藥的起爆和爆炸過程是一種快速的化學(xué)反應(yīng)過程,對于該過程的描述,主要應(yīng)用CJ理論模型和ZND理論模型。

數(shù)值仿真[7]基于實驗的工況采用89型射孔彈,89型槍管以及5 in套管進行實驗測試(見圖4),射孔參數(shù)為射孔彈藥量25 g/發(fā),孔密16孔/m,相位60°。建立與實驗工況一樣的有限元分析模型[8-9],仿真系統(tǒng)基于合法性、相容性、逼近精確性、良好的單元形狀,網(wǎng)格的自適應(yīng)性原則劃分網(wǎng)格見圖5。

空氣采用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態(tài)方程,具體參數(shù)見表1。射孔彈殼體和槍管均采用MAT_PLASTIC_KENEMATIC隨動硬化模型描述,具體參數(shù)見表2。

圖4 三發(fā)射孔彈試驗測試壓力曲線

圖5 有限元網(wǎng)格模型圖

射孔彈的裝藥為HMX,采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程進行描述,具體參數(shù)見表3。數(shù)值仿真模型中水的材料模型參數(shù)見表4。

表1 空氣域材料參數(shù)(單位制:cm-μs-g-Mbar)

表2 槍管材料參數(shù)(單位制:cm-μs-g-Mbar)

表3 HMX炸藥材料參數(shù)(單位制:cm-μs-g-Mbar)

表4 水的材料模型參數(shù)

圖6 井液壓力歷史云圖

從圖6數(shù)值仿真可知,三發(fā)射孔彈間隔起爆,射流侵徹至井液液面時在井液中產(chǎn)生巨大的侵徹壓力,以射流侵徹位置為中心向射流周向展開,最大壓力峰值在400 MPa以上。當(dāng)高壓區(qū)半徑達到2.5 cm左右時,沖擊波陣面開始分離并且與下一發(fā)起爆的射孔彈之間發(fā)生干涉,沖擊波被沖散,只在兩沖擊波交匯處產(chǎn)生較大的壓力峰值。此時射流對井液進行穩(wěn)定侵徹,射流的橫向效應(yīng)在井液中產(chǎn)生了較小的穩(wěn)定高壓區(qū),并且此高壓持續(xù)至計算時長終止,壓力峰值穩(wěn)定在100 MPa以上。

圖7 傳播方向上井液單元提取示意圖

3.2 仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)比較

選取實驗測試獲得的沖擊波測試數(shù)據(jù)驗證數(shù)值仿真模型(見圖4),圖4中沖擊波壓力峰值為64 MPa,實驗測試的傳感器位置置于槍管頂端600 mm位置。在數(shù)值仿真中,完整地再現(xiàn)試驗系統(tǒng)需要非常龐大的計算資源。因此,在驗證仿真準確性時,聯(lián)合有限元法與數(shù)值分析方法,得到的分析結(jié)果同實驗進行對比,驗證模型的準確性。應(yīng)用有限元模型進行仿真求并對求解結(jié)果進行處理,在沿沖擊波載荷源傳播方向上選取一系列靠近套管內(nèi)壁面處的井液單元提取壓力歷史曲線(見圖7)。

輸出各個節(jié)點中的最大壓力值,按照距離載荷源遠近的方法進行排列。將得到的數(shù)值用Origin Pro數(shù)據(jù)仿真處理軟件進行擬合。得到擬合公式

y=58.83+459.47e-160.78x

(1)

式中,y為壓力值,MPa;x為距離,m。

在仿真模型中選取的20個特征點的壓力值與擬合得到的數(shù)學(xué)模型計算值重合度高度一致,擬合得到的數(shù)學(xué)模型,并且模型在該計算工況下可靠合理。

利用上述擬合得到的數(shù)學(xué)模型對實驗工況下的600 mm處壁面流場壓力進行求解,得到的壓力峰值為59 MPa,該壓力值對比實驗測試壓力峰值64 MPa相差5 MPa,兩者相差小于8%,學(xué)術(shù)研究范圍內(nèi)認為該聯(lián)合仿真方法真實可信。

3.3 環(huán)空壓力經(jīng)驗理論模型

對數(shù)值模擬仿真結(jié)果進行分析時,應(yīng)用一種數(shù)據(jù)分析的手段,對后處理程序進行了2次開發(fā),使其能夠?qū)⒄麄€套管內(nèi)壁面的環(huán)空壓力歷史曲線進行批量提取,同時使用matlab方法將其轉(zhuǎn)換為3D曲面圖,使得在同一靜態(tài)圖中包含了空間、時間、壓力3種信息。

圖8直觀地描繪了對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的壓力峰值,并描繪了各個峰值間出現(xiàn)的位置差異、衰減趨勢等信息,利用matlab的曲面公式擬合功能,對獲得的曲面進行了擬合,獲得曲面的解析方程基本形式為

(2)

公式(2)仍需要后續(xù)繼續(xù)深入研究,對不同工況條件下的三發(fā)射孔彈進行數(shù)值模擬并獲得該曲面后,均可以得到相應(yīng)工況條件下的參數(shù)Z、B、C、D、E、F、G、H。隨著數(shù)據(jù)工作量的積累,最終可以獲得成為的射孔壓力特征表征公式。

圖8 空間—時間—壓力曲面圖

4 結(jié) 論

(1)通過2種不同規(guī)格參數(shù)的實驗測試獲取了射孔沖擊波數(shù)據(jù)和波后流場壓力數(shù)據(jù),分析對比2種不同規(guī)格的實驗測試波后壓力峰值,射孔作業(yè)仿真系統(tǒng)通過實驗測試數(shù)據(jù)驗證,2種方式獲得的數(shù)據(jù)吻合度一致,也驗證了前期的數(shù)值仿真模型的可靠性。

(2)通過數(shù)值仿真模型研究,提取仿真模型的壓力歷史數(shù)據(jù),擬合井液壓力與載荷源距離相關(guān)性公式,形成包含空間、時間、壓力3種信息的環(huán)空壓力理論模型。為繼續(xù)開展套管動態(tài)響應(yīng)研究提供原始載荷數(shù)據(jù)來源以及較為完備的加載工作方法與工具,簡化并規(guī)范后續(xù)動靜耦合加載條件下套管抗擠毀性能仿真研究的工作。

(3)通過實驗與仿真研究可以指導(dǎo)后續(xù)射孔器研發(fā),為了更好地利用射孔彈炸藥能量做有用功,一方面需要研發(fā)性能更好的射孔彈,如射孔彈型腔設(shè)計、射孔彈殼體材料與強度、藥型罩工藝等方面,進一步提高射孔彈裝藥能量對射孔侵徹做功的利用率,降低裝藥的能量損失給油氣井帶來的負作用,進一步提高井筒的完整性和下井管柱的安全性;另一方面,在無法改變射孔彈能量損耗情況下,兼顧井筒完整和管柱安全,通過合理工藝將損失的能量利用起來,利用它對孔道清潔、提高儲層滲透率等,為后續(xù)流體注入和產(chǎn)出做貢獻,或者在射孔槍之間增加阻尼接頭,充分利用損失的能量對儲層進行正壓作用,制造微裂縫。