冲击载荷下射孔弹壳体大破片特性的设计及应用

以渤海油田稠油油藏的胶结疏松地质条件为研究背景,有针对性地设计了一种新型7in高孔密大破片射孔弹。采用AOTUDY和ANSYS/LS-DYNA软件对射孔弹的壳体爆炸破片和射流形成进行数值仿真分析,进行地面模拟装枪穿钢靶试验和单发射孔弹破片收集试验。数值仿真的破片形成效果和射流形态与地面试验结果吻合较好。新型射孔弹的大破片尺寸大于9.53mm,占有率达到85.95%,明显优于常规射孔弹的破片率。在渤海油田实际应用中,壳体形成大破片效果良好,多数留在枪体内,保证了射孔作业安全和后续完井工艺的顺利开展。     

BH38RDX-46-89型大孔径射孔弹性能优化

为满足复杂地质条件下射孔作业的需要,选择25 g装药量的BH38RDX-46-89型射孔弹进行性能优化.运用微差法设计药型罩与装药结构,用数值模拟分析射流成型和侵彻,按设计配方进行打靶实验.优化后的89型大孔径射孔弹BH38RDX-46-89性能有显著提升,其穿钢靶孔径达到了16 mm,穿深提高到了111 mm,达到了大孔径深穿透的效果.实际应用表明该结构可以推广应用,该设计思路与采用的理论分析、结构设计仿真及试验相结合的优化设计方法对进一步研发系列大孔径深穿透射孔弹有着一定的指导参考意义.     

等孔径射孔弹技术研究

射孔孔眼大小对水力压裂效果有很大影响。为克服因套管内壁和枪管外壁间的距离变化带来的套管孔径大小不一致问题,以M A Cook提出的射流侵彻靶板孔眼直径计算方法为指导,通过数值仿真分析等孔径射孔弹作用机理,设计一种锥曲线变壁厚组合式药型罩结构,开发出89、102、127型3种相应的等孔径射孔弹。3种射孔弹在模拟试验中的套管上孔径相对标准偏差分别为3.98%、4.19%、3.01%,实现了套管孔径大小基本一致的设计目标。     

粉末罩大孔径射孔弹研究

探讨了粉末罩大孔径射孔弹研制的理论依据和主要方法。通过爆炸成形侵彻体(EFP)与射流理论的结合,成功研制了粉末罩大孔径射孔弹,解决了杵堵问题;实际装枪混凝土靶的检测数据达到同型号铜板药型罩射孔弹的性能指标。     

系列大孔径深穿透射孔弹研制

目前大孔径射孔弹穿孔深度浅,不能满足一些特殊油气藏的射孔完井需求的现状.通过对射流形成与侵彻过程分析,结合射孔弹的作用目标特点,设计出一种多锥角形药型罩,在爆轰波的作用下,药型罩各分段形成具有不同特征的射流.应用该药型罩结构,研制出了89型、102型、127型大孔径深穿透射孔弹,经地面打靶测试,均超过了设计指标,实现了套管孔径大、穿孔深度深,且射孔枪孔径小的设计目的.大孔径深穿透射孔弹的研制成功,为低孔、低渗、低丰度及破裂压力异常油气藏的完井提供了一种新型射孔器材.     

聚能射孔弹侵彻性能评价方法

为弥补射孔打靶物理试验的不足,完善聚能射孔弹优化设计方法,基于爆炸冲击动力学分析程序AUTODYN,采用Lagrange算法建立了聚能射孔弹侵彻性能评价数值方法,研究了聚能射流侵彻过程混凝土靶孔道形态及射孔枪/套管/靶体的动态响应。与室外打靶试验相比,混凝土靶体孔深数值分析误差为4.27%,孔径数值分析误差为5.26%,数值结果可靠;根据射孔弹侵彻过程动态仿真结果数据,可得到射孔枪/套管的穿孔形态、毛刺高度、混凝土靶损伤程度与压实带厚度等关键数据,为射孔弹优化设计及型号优选提供依据。     

HSD89型深穿透射孔器研制

研制了集高穿深和高孔密于一体的HSD89型射孔器。分析了影响深穿透射孔器穿深性能的装枪孔密、射孔弹排列结构、弹间干扰、枪内炸高、射孔弹装药结构和药型罩等因素,阐述了在高孔密条件下弹间干扰对射孔器性能的影响及炸高对射孔弹性能的影响。认为当射孔器直径较小时,射孔弹的开口和高度是提高射孔器的穿深性能的2个关键参数。在设计中采取多种措施增加弹间距,以减少弹间干扰,保证穿深。详细介绍了多种设计方案的试验筛选过程。经检测,产品孔密26孔／m,混凝土靶平均穿深409mm、套管平均孔径9．0mm,达到了设计要求。     

大孔径射孔弹药型罩顶部的结构分析

运用射孔弹工程计算软件对大孔径射孔弹药型罩顶部不同结构进行计算分析．并对不同药型罩顶部结构的大孔径射孔弹射流侵彻的变化规律进行了实验研究．最后确定了不同炸高条件下药型罩顶部的参数设计。结果显示．射孔弹穿孔能力的大小是由碰靶时射流性能决定的，随着药型罩顶部孔眼尺寸的增加．射流头部动能、直径和质量也逐渐减小，侵彻孔道的最大直径点逐渐远离起爆点。为了提高大孔径射孔弹的性能．药型罩顶部的参数设计应采用模拟计算和试验相结合的方法进行优化。     

射孔弹穿深与孔径模拟分析理论研究

提出了一种在地层条件下确定聚能射孔弹穿透深度和套管孔径大小的等量模拟换算法.该方法是将射孔弹穿过的每种介质(完井液、套管或油管、水泥和岩层)的长度转化为较为均一的钢靶的长度,通过计算每种介质对钢靶的换算系数,结合油井的结构,计算出射孔器在地层穿深.通过采集的4个射孔枪间隙值,用多元回归求得孔径与间隙的关系曲线,根据曲线就可查找到间隙对应的套管孔径大小.行业内普遍接受的射孔弹穿深和孔径计算误差范围是士10%,而等量模拟换算法的误差范围可减小到士2%,提高了射孔弹地层穿深与孔眼直径计算的精度.     

大庆射孔弹国内领先

大庆石油管理局新开发研制出聚能深穿透射孔弹，经API混泥土靶试验表明，平均穿透深度1385mm、孔径为Ф15．4mm，在该类型的深穿透射孔弹中处于国内领先地位，将有助于提高油气井的射孔效果，具有广阔的市场前景。     

抽吸式微取心PDC钻头的研究与应用

常规PDC钻头切削产生的粉状或片状岩屑颗粒不便于地质录井,对此提出了一种新型抽吸式微取心PDC钻头。该抽吸式微取心PDC钻头取消了常规PDC钻头心部的主切削齿,设置特殊的水力结构,使钻头心部在钻进过程中形成一定直径的竖直岩心并适时折断,通过负压抽吸作用将断的微岩心从钻头体内部流道带离井底。结合破岩仿真与液固两相流理论,研究了在岩心、岩屑与钻井液混合流动的流场中,射流喷嘴直径的大小对取心通道中抽吸效果的影响规律。数值模拟结果表明,对于拟定条件下钻头直径为215.9 mm的微取心PDC钻头,当射流喷嘴直径为8 mm时,从排心孔排出的岩心、岩屑和钻井液的质量较高,其负压腔的抽吸效果较好。室内及现场试验表明:采集的岩心以柱状为主,岩心完整性和采集率高;在磨溪111井位嘉陵江组二段3亚段至长兴组上部地层,获总进尺805.65 m,平均机械钻速为4.57 m/h,最高机械钻速可达7.4 m/h;该钻头在嘉陵江组二段3亚段至飞仙关组一段(总进尺742 m)的机械钻速比该区块同层位的其他常规PDC钻头高出了50%以上。     

药型罩壁厚对聚能射流影响的数值模拟

利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元分析软件,在同种装药条件下,分别对3种不同壁厚药型罩的127型石油射孔弹形成射流的过程进行数值模拟并进行对比分析,结果表明,壁厚为1.5 mm的药型罩产生的射流头部速度高,动能大.验证了该数值仿真模型的正确性,为新型锥形装药产品的开发提供了一种高效的设计方法.     

An influence of explosive geometry on shaped charge jet performance

We have measured the velocities of the particles of a jet after breakup and found that the distribution contained an approximately constant velocity section of several particles immediately behind the tip. The jet was produced from a centrally initiated, 38 mm diameter conical shaped charge. Since the measurements were carried out after jet formation, the observation is not considered to be directly related to the inverse-velocity gradient effect that produces the tip particle. Comparison between calculated and measured jet penetration velocities show that the calculations assuming a uniformly stretching jet require modification to take account of the observation. A possible explanation for the origin of the non-ideal behaviour is that the short height of explosive between the detonator and liner (the explosive head height) produces a building detonation which strikes the liner with a varying impulse and curvature. Some support for the observation is found in earlier experimental work by DiPersio et al¹ and in a numerical modelling study by Coughlin².     

Jet Formation and Penetration Study of Double-Layer Shaped Charge

A theoretical analysis on detonation wave propagation in a double-layer shaped charge (DLSC) is performed. Numerical simulations using the AUTODYN software are carried out to compare the distinctions between jet formations in DLSC and ordinary shaped charge (OSC), in particular, the OSC made using a higher detonation velocity explosive, which is treated as the outer layer charge in the DLSC. The results show that the improved detonation velocity ratio and radial charge percentage of outer-to-inner layer charge are conducive to the formation of a convergent detonation wave, which contributes to enhancement of jet tip velocity in DLSC. The thickness and mass percentages of liner flowing into jet in DLSC closely follow the exponential distribution along the radial direction, but the percentages in DLSC and the mass of effective jet, which have significant influence on the penetration depth, are lower than those in OSC with the outer layer charge. This implies that the total charge energy is the major factor controlling the effective jet formation, which is confirmed by the verification tests using flash X-ray system and following penetration tests. The numerical simulation and test results compare well, while penetration test results indicate that the performance of DLSC is not better than that of OSC with the outer layer charge, due to the differences in jet formation.     

A Numerical Method for the Determination of the Virtual Origin Point of Shaped Charge Jets Instead of Using Flash X-ray Radiography

The effective jet length between the virtual origin (VO) point and the target surface is very important for the calculation of a shaped charge jet penetration. A numerical approach to determine the exact position of the VO of a small caliber shaped charge jet is presented in this paper. The numerical approach includes shaped charge jet formation algorithm using explicit Autodyn solver and estimates the precise location of the VO point using the hydrocode analysis. This is particularly important when the experimental flash X-ray radiograph is not available. The proposed VO model approach was validated by firing four small caliber shaped charges against concrete targets. The maximum difference between the experimental penetration depth and that calculated using the presented VO approach was less than 4%.     

水力喷射环空加砂压裂喷嘴结构分析与优化

在水力喷射环空加砂压裂射孔过程中,针对喷嘴射流质量低的问题,运用ANSYS-Fluent数值模拟仿真分析方法,对喷嘴重要结构参数进行分析对比,使喷嘴获得最优射流质量。研究结果表明,圆弧形喷嘴的射流质量优于常用的锥直形喷嘴; 当喷嘴出口直径4.5 ～4.8 mm、直柱段长度7～12 mm、入口曲率半径9 mm时,喷嘴可获得最优射流质量。通过对喷嘴结构的优化,可有效提高喷嘴射流质量,为水力喷射环空加砂压裂工艺提供有效的技术支持。     

超高温射孔弹高温高压条件下穿深性能试验研究

由于超高温射孔弹的地面测试的条件较实际工况条件存在较大差异,因此地面测试穿深性能并不能真实反映射孔弹在高温高压条件下的穿深水平。通过利用高温高压试验装置在不同温度压力条件下,开展89HNS型超高温射孔弹穿靶试验,研究了温度、压力、时间对超高温射孔弹穿深性能的影响。结果表明,温度升高对射孔弹穿深性能的影响较为有限,而压力升高会对穿深性能造成较大影响,在高温高压条件下射孔弹的穿深性能与地面测试存在巨大差异。     

射流式水粉混合器数值模拟分析与结构优化

针对国内分散溶解装置存在的水粉混合工作性能不理想,无法使聚合物干粉与水充分接触润湿等不足,采用CFD程序中的欧拉两相流模型对射流式水粉混合器进行数值模拟,得到流体压力分布云图和紊流强度云图,并在模拟的基础上对水嘴直径进行优化。模拟结果表明,混合的紊流强度最大值出现在水嘴附近,水嘴出口直径15mm入口形式是一种较好的入口结构形式,采用这种入口结构可以获得较大的紊流强度,从而获得较好的混合效果。     

旋转磨料射流破岩钻孔试验研究

针对径向水平井钻井技术中旋转水射流在硬地层和深井中破岩能力低的不足,利用磨料射流破岩能力强的优势,对旋转磨料射流进行了试验研究。结果表明,旋转磨料射流破岩具有钻孔直径大和破岩效率高的双重优点,并随泵压增加,钻孔直径也增加。与非旋转磨料射流相比,同样条件下旋转磨料射流钻孔直径和破岩体积都比前者高出多倍。该试验研究为磨料旋转射流应用于径向水平钻井提供了基础