射孔弹爆轰波间干扰的有限元分析*

曹丽娜，韩秀清，张永光，曹宇欣

（1.长春工业大学基础科学学院，吉林 长春 130012；

2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026；

3.大庆钻探工程公司测井二公司，吉林 松原 138000）

射孔弹爆轰波间干扰的有限元分析*

曹丽娜1，韩秀清1，张永光2，曹宇欣3

（1.长春工业大学基础科学学院，吉林 长春 130012；

2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026；

3.大庆钻探工程公司测井二公司，吉林 松原 138000）

通过有限元显式动力分析程序的显式算法，对石油射孔弹顺序起爆后弹间爆轰冲击波干扰的过程进行了2维数值模拟，并考虑了弹体对弹间干扰的影响，对模拟结果进行了讨论；分析了影响高孔密射孔技术的弹间干扰产生的原因，主要是爆轰冲击波的压力场受到不同程度的干扰，致使初始爆轰波形破坏。计算结果与已有的物理现象和规律吻合，说明该计算模型和模拟方法合理、可行，可用于高孔密射孔枪的优化设计。

爆炸力学；聚能射流；有限元分析；弹间干扰；偏转

随着油田勘探开发的不断深入，地层条件和井况条件越来越复杂，对射孔的工艺和技术相应地提出了更高的要求。在中、低渗透率和中、低压力的地层以及胶结疏松的砂岩储集层射孔时，为了获得较高的石油产出率，需要使用适宜这种地层作业的射孔枪。在国外，普遍采用深穿透高孔密射孔枪。在我国，只有在海洋油田的测井作业中应用，陆地油田很少应用高孔密射孔技术［1］。高孔密是影响油气井产能的主要射孔参数之一，高孔密射孔孔密高、孔道容积大、原油渗流面积大，油气井产能随孔密的增加而增加。另外，井筒液体流动时，当井眼压力低于储层压力时，就会产生拖曳力，使得地层砂粒向井内流动，从而引起出砂。高孔密射孔有效降低流体的速度，使流体对砂粒的拖曳力小于岩层的胶结强度，从而使岩粒粘结在一起，达到防止地层出砂的目的。这两个优点使高孔密射孔技术具有良好的发展前景和竞争优势。

然而，对于高孔密射孔系统而言，往往由于上级射孔弹爆炸后产生爆轰产物的冲击波对下级射孔弹产生强烈的影响，即弹间干扰，使穿深和孔径有所下降，射孔性能大打折扣。利用有限元动力分析软件对射孔弹装药顺序起爆和干扰侵彻过程进行有限元数值模拟分析，是一种重要的研究方法。这种研究方法可探索聚能射流爆轰引起的冲击波对弹间干扰和射孔效率的影响，对射孔枪的优化设计、射孔生产工艺改进等都具有十分重要的意义。

1 有限元计算模型

1.1 基本假设

所采用的有限元显式动力分析软件的显式算法特别适合分析此类高度非线性的力学过程，可以真实地反映上位射孔弹药型罩的压垮、射流形成过程和爆轰产物的冲击波对下位射孔弹射流形成的影响，以及下位射孔弹微差起爆后爆轰波的叠加效应［2］。在对模型进行分析的基础上，给出如下基本假设：炸药和药型罩都是均匀连续介质，整个爆炸过程为绝热过程，计算采用顶部中心点起爆，单发弹装药是严格的轴对称结构。

1.2 几何模型

以工程普遍使用的某型号石油射孔弹为例，90°的相位螺旋排列，孔密为40m－1。设装药高度为41.5mm，罩锥角为64°，罩壁厚为1.5mm，截面尺寸如图1所示（由于结构的对称性，取一半标注），装药为32g的RDX炸药。

图1 截面尺寸Fig.1Sectional dimension

1.3 材料模型

石油射孔弹爆轰波间干扰的有限元数值模拟涉及炸药、药型罩和弹壳等3种材料模型。由于所使用的显式动力分析程序的前处理不支持高能炸药引爆燃烧材料模型，真实的材料模型和状态方程在生成的关键字文件中进行编辑修改。

高能炸药材料参数及JWL状态方程参数分别为：密度ρ＝1.787g／cm3，爆速D＝8.39km／s，爆压p＝34GPa，A＝5.814，B＝0.068，R1＝4.1，R2＝1.0，ω＝0.35，E0＝0.9mJ。

药型罩材料参数及状态方程参数分别为：密度ρ＝8.93 g／cm3，剪切模量G＝47.7GPa，σ0＝12MPa，β＝36.0，N＝0.45，σm＝64MPa，b＝2.83，b′＝2.83，h＝0.000 377，f＝0.001，A＝63.5，Tm0＝1 790K，γ0＝2.02，a＝1.50，σf＝－900GPa，破碎方式参数ts＝3.00，c＝0.394，S1＝1.49，A＝0.47，V0＝1.00。

弹壳材料为45钢，采用Johnson-Cook材料模型及其相应的状态方程描述，各参数分别为：密度ρ＝7.83g／cm3，剪切模量G＝77GPa，A＝0.007 92，B＝0.005 1，N＝0.26，C＝0.001 4，M＝1.03，熔点Tm＝1 793 K，室温T0＝294K，˙ε0＝10－6s－1，比热c＝477J／（kg·K），失效应力σf＝－900GPa，ts＝3.00，D2＝0.8，c＝0.456 9，S1＝1.49，γ0＝2.17，A＝0.46，V0＝1.00。

1.4 建立有限元模型和网格划分

石油射孔弹爆轰波间干扰的数值计算过程包括聚能装药的爆轰、药型罩的压垮、射流的初步形成以及拉伸3个过程。采用的圆锥形药型罩具有轴对称特点，因此可简化为2维问题。计算模型使用SOLID 162单元进行网格划分，炸药和金属罩之间的接触使用CONTACT＿2D＿AUTOMATIC＿SURFACE＿TO＿SURFACE接触算法［3］，金属罩自身的接触使用CCONTACT＿2D＿AUTOMATIC＿SINGLE＿SURFACE接触算法。由于药型罩在爆轰作用下形成射流的过程中存在大变形大应变，使用LAGERANGE算法会造成单元严重畸变，因此需要使用自适应网格。

2 射孔弹爆轰波间干扰的数值模拟

实验研究表明，在射孔弹起爆后，射孔枪中传播的爆轰波不是理想的、定常传播的爆轰波，而是复杂的3维波系［4］。所以，对于高孔密射孔枪，爆轰波间的干扰使得聚能射流中心产生偏移，最终影响射孔效果。这里对海洋用石油射孔枪起爆后，两发弹顺序起爆、干扰侵彻的过程进行数值模拟。

2.1 忽略弹体的弹间干扰的模拟结果及分析

由于射孔弹具有轴对称特性，且作为算例的弹以90°相位螺旋排列，那么每3发射孔弹就有2发处于同一相位。于是，创建相距10cm的两发弹的2维模型，采用Lagrange算法进行模拟。图2所示为起爆后几个典型瞬间的干扰图像。从图中可以看到，当t＝0时，两发弹处于初始状态；当t＝6μs时，射流头部初步形成；当t＝8μs时，两发弹爆轰冲击波开始互相干扰，并继续传播；当t＝10μs时，射流头部开始发生偏转；当t＝16μs时，为爆轰波传播到达被压垮的药型罩的瞬间，杵体在冲击波的作用下发生变形；当t＝18μs时，射流已经断裂，偏转明显。此后，射流继续拉伸、翻转。

这里的模拟基于同时起爆。显然，相距10cm的两发弹在起爆后的弹间干扰比较严重。当t＝8μs时，射流头部速度水平方向的分量可达到1 116.82m／s，竖直方向即射孔深度方向的分量仅为918.16 m／s。而单发弹（没有干扰）的模拟结果显示，当t＝8μs时，水平方向的分量为1.47m／s，竖直方向的分量为3 348.22m／s。这使射流中心发生偏移，偏离射孔枪盲孔位置，最终影响射孔深度。

图2 无弹体弹间干扰的等效应力图Fig.2 Equivalent stress figure of interference among charges without projectile body

2.2 考虑弹体的弹间干扰的模拟结果及分析

事实上，射孔弹起爆后，爆轰波在弹体内外壁进行多次反射，直至爆轰产物的压力下降到装药稳定爆轰爆压的1／8时，就不再对药型罩的压垮起作用［5］。此间，弹体经膨胀、塑性变形、裂解，成为碎片，这个过程约20μs。于是考虑弹体，对上面的模型再进行数值计算。计算结果如图3所示。

由以上模拟结果可以发现，弹体改变了爆轰波初始的传播方向，部分阻碍了爆轰波在射孔枪内的叠加和干扰。也就是说，弹体可以调整爆轰波波形结构。

3 引起射孔弹爆轰波间干扰的因素

在实际应用中，各种因素（包括射孔弹本身的装药量、弹型结构、弹间距、相位、导爆索爆速以及射孔器结构的影响等）都会影响弹间爆轰波的相互作用，引起弹间干扰，从而影响聚能射流。但是归根结底，弹间干扰是由于爆炸冲击波相遇时强弱不同，也就是弹体预设的爆轰波形被破坏造成的。在研究中，总是固定其中某些参数，改变其余参数，找出引起干扰的最主要的因素，从而从相反的方向考虑减小和消除弹间干扰，合理提高射孔效率。如孔密、相位确定时，适当增加导爆索的爆速，高孔密射孔枪中相邻两弹起爆时间间隔减小，于是上位射孔弹爆轰引起的冲击波对延后爆轰的射孔弹的作用时间减少［5］，即相遇的冲击波叠加时间变短，从而弹间干扰作用降低。

图3 带弹体弹间干扰的等效应力图Fig.3 Equivalent stress figure of interference among charges with projectile body

4 结 语

运用大型有限元软件做前处理，利用通用显式动力分析程序，对石油射孔弹顺序起爆后弹间爆轰冲击波干扰的过程进行了2维数值模拟。这样可以在不引入任何其他干扰因素的理想情况下，对弹间干扰进行计算，得到可视化图形文件，遇到特殊点还可以任意跟踪和放大观察，从而得到现场实验无法得到的数据。数值计算结果符合实验所得物理现象和规律，但存在一定程度的误差，误差在工程允许的范围之内。

实际上，由以上的分析得到启示，在相邻射孔弹之间放置一定形状和某种材料的介质是除调整相位、弹间距等因素获得破甲最有利的爆轰波形的有效途径，今后将作进一步的研究。

［1］董拥军，韩城，张维山，等.高孔密射孔技术研究与应用［J］.国外测井技术，2007，22（5）：49-53.

DONG Yong－jun，HAN Cheng，ZHANG Wei-shan，et al.Research and applying on perforating technology of high hole density［J］.Well Logging Technology Abroad，2007，22（5）：49-53.

［2］恽寿榕，赵衡阳.爆炸力学［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［3］史党勇，李裕春，张胜民.基于 ANSYS／LS-DYNA 8.1进行显式动力分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

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［5］李东传，金成福，刘亚芬，等.射孔弹间干扰消除方法初探［J］.测井技术，2006，30（5）：476-478.

LI Dong-chuan，JIN Cheng-fu，LIU Ya-fen，et al.On avoidance of interference among charges in perforation［J］.Well Logging Technology，2006，30（5）：476-478.

［6］石前，姜伟华，刘丽敏，等.HSD89型深穿透射孔器研制［J］.测井技术，2007，31（1）：76-79.

SHI Qian，JIANG Wei-hua，LIU Li-min，et al.Research on high shot density ＆deep penetration perforator［J］.Well Logging Technolygy，2007，31（1）：76-79.

Finite element analysis of detonation wave interference among perforating bullets＊

CAO Li-na1，HAN Xiu-qing1，ZHANG Yong－guang2，CAO Yu-xin3
（1.School of Basic Science，Changchun University of Technology，Changchun130012，Jilin，China；
2.Construction Engineering College，Jilin University，Changchun130026，Jilin，China；
3.The Second Well Logging Department，Daqing Drilling Corporation，Songyuan138000，Jilin，China）

Two-dimensional numerical simulation of detonation wave interference among perforating bullets was made by employing the explicit dynamic finite element program.Effects of the projectile body on detonation wave interference among perforating bullets were considered.And the results of numerical simulation were discussed.The main cause of interference among charges，which affected perforation result in high shot density perforating technology，was the interfered pressure field of blast wave and damaged detonation wave，which was designed initially.The results of numerical simulation are in agreement with previous physical phenomena and laws.The study indicates that the calculation model and simulation method are reasonable and feasible，which can be applied to the optimizing design for gun-perforator of high shot density.

mechanics of explosion；shaped charge jet；finite element analysis；interference among charges；deflection

28October 2009；Revised 30August 2010

HAN Xiu-qing，iamcaolina827＠126.com

（责任编辑 丁 峰）

O343.2；TE951 国标学科代码：130·3520

A

1001-1455（2011）02-0220-05＊

2009-10-28；

2010-08-30

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2006AA09Z326）

曹丽娜（1982— ），女，硕士，助教。

Supported by the National High-tech R＆D Program （863Program）（2006AA09Z326）