电爆炸增产工具爆炸腔支架结构优化设计

刘 奔，王德国，郭岩宝，王 涛

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

电爆炸增产工具爆炸腔支架结构优化设计

刘 奔，王德国，郭岩宝，王 涛

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

金属丝电爆炸技术(EEW)因其能够产生可控的、稳定的、连续的冲击波，能提高原油采收率而被用于石油行业中。由于电爆炸增产井下工具的结构设计要求，高低压电极之间采用支架支撑连接，形成爆炸腔，电爆炸产生的冲击波沿径向传播，必定会受到支架结构的影响。利用非线性动力分析软件AUTODYN，分析了电爆炸增产井下工具爆炸腔支架对冲击波传播的影响。结果表明，在相同的支架外壁弧长下，支架内径对冲击波的幅值影响较小，对比冲量有一定影响；支架侧面的倾斜角度会影响冲击波在其两侧产生的环流；支架外壁后的峰值压力和比冲量都随支架角度的增大而降低，而且较小的内壁弧长能显著提高支架外壁后的冲击波峰值压力和比冲量。

工具；电爆炸；冲击波传播特性；结构优化

近几年，一种基于金属丝电爆炸技术的物理增产方法在石油行业兴起。该技术使用电爆炸在井下密闭条件下产生周期性的冲击波，通过射孔孔眼作用于地层岩石和流体，在近井地带形成多条不受地应力影响的径向裂缝，使得人工裂缝和天然裂缝沟通，并且在周期性力作用下，地层流体产生谐振，对储层天然流通通道进行疏通、清洗，大幅度提高储层渗流能力[1-5]。该工具的结构如图1所示。

图1 金属丝电爆炸增产工具结构示意

由于电爆炸工具的结构设计要求，高低压电极之间用支架支撑连接，形成爆炸腔，这样电爆炸产生的冲击波沿径向传播，必定会受到支架结构的影响。因此，合理的支架结构设计不仅能满足强度要求，更重要的是能减小其对冲击波造成的影响，从而提高工具在井下作业过程中的稳定性。

本文利用非线性动力分析软件AUTODYN，建立自由场水下爆炸耦合数值模型，利用TNT爆炸来代替金属丝电爆炸产生冲击波，研究分析不同支架结构对水下冲击波传播的影响，使冲击波尽可能均匀向四周传播。

1 材料模型及状态方程

1.1 爆炸源

电爆炸脉冲谐振压裂工具的爆炸源为金属丝，当高密度的电流脉冲通过金属丝时，固态的金属丝在焦耳热的作用下经过一系列相变，过热的液态和气态金属的混合物随着产生的冲击波向外扩散[6-7]。由于冲击波传播的相似性，在AUTODYN软件中，利用TNT当量来模拟金属丝电爆炸产生的冲击波。TNT爆轰速度为6 930 m/s，C-J压力为21 GPa，爆轰产物状态方程采用JWL方程，该状态方程可计算爆炸中由化学能转化成的压力。压力和能量的关系式[8-10]为

(1)

式中：p为压力；V为炸药相对体积；e为炸药初始比内能，e=4.29×106J/kg；C1、C2、r1、r2和w为材料常数，TNT炸药的材料参数假定为C1=3.7 377×105MPa，C2=3.7 471×103MPa，r1=4.15，r2=0.9，w=0.35。

1.2 水

炸药在水介质中爆炸时，在装药内形成高温高压的爆轰产物，其压力远大于周围水介质的静压力，在水介质中会产生水中冲击波和气泡脉动现象。水介质采用多项式状态方程进行描述，其形式根据压缩状态的不同而定[8-10]。

当水为压缩状态(μ>0)时，状态方程为

p=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e′

(2)

当水为膨胀状态(μ<0)时，状态方程为

p=T1μ+T2μ2+B0ρ0e′

(3)

其中：μ=ρ/ρ0-1，e′=(ρgh+p0)/ρB0

(4)

式中：ρ0是初始密度；A1、A2、A3、B0、B1、T1和T2为常数，由AUTODYN材料库直接赋值；e′是比内能；ρ和h分别是水的密度和深度；g和p0分别为重力加速度和大气压强。各参数取值为：ρ0=1×103kg/m3，A1=2.2×109Pa，A2=9.54×109Pa，A3=1.457×1010Pa，B0=0.28，B1=0.28，T1=2.2×109Pa，T2=0Pa。

1.3 支架

在数值模拟过程中，确定支架钢材强度方程为JohnsonCook模型描述。JohnsonCook模型是为了模拟承受大应变、高应变率材料的强度性能。这些性能可能会出现在由于高速碰撞和炸药爆轰引起的强烈冲击载荷问题中。其模型的一般形式[8]为

(5)

模拟采用软件自带的steel 4340钢，其本构关系拟合结果为：A=792 MPa，B=510 MPa，n=0.26，C=0.014，m=1.03。

2 几何模型及数值模型

为了研究支架结构对水下冲击波传播特性的影响，将电爆炸脉冲谐振工具的爆炸腔体部分简化为二维平面模型。图2所示为2种结构设计方案，图中阴影部分为支架的截面，3个支架沿圆周均布，工具外径为102 mm，图2a中内径d及支架开口角度α为需要优化的参数，图2b中内径d及支架开口角度β为需要优化的参数。根据支架的强度及结构稳定性要求，将上述参数的取值范围规定为：50 mm≤d≤70 mm，20 °≤α≤40 °。为了将2种结构进行对比，β的取值与d和α相关，即在相同的内经d下，保证2种结构支架的外圆弧等长。计算得到的β值如表1。

图2 支架结构

d/mmβ/(°)α=20°α=25°α=30°α=35°α=40°5034.243.753.062.170.95537.247.657.767.576.96040.952.363.373.883.96545.558.170.181.492.17051.365.478.590.6101.7

水下冲击波的计算模型如图3所示。计算区域为200 mm×200 mm，计算网格尺寸1 mm。利用TNT来代替金属丝的电爆炸，其装药量尺寸为6 mm×6 mm，起爆点位于炸药的中心。水和炸药均采用Euler算法，支架采用Lagrange算法。在模型截断边界处施加无反射边界条件(Flow out 边界条件)，以消除边界的冲击波反射。为了探测冲击波经过支架后的幅值及冲量，在直径为120 mm的圆周上布置了2个Gauge点，Gauge1位于支架背面的中心位置，受支架结构影响最大；Gauge 2位于2个支架之间空腔的中心位置，为整个圆周上受支架影响最小的位置。

图3 支架计算模型

3 结果与分析

3.1 冲击波及其传播过程

图4～5分别为2种支架设计方案下，不同时刻冲击波压力及矢量分布图。图6为其监控的Gauge点处冲击波峰值压力变化过程曲线。

支架结构参数为：内径d=60 mm，α=30°，β根据表1取63.3 °。

a 0.015 ms

b 0.025 ms

c 0.035 ms

a 0.015 ms

b 0.025 ms

c 0.035 ms

a 支架结构1

b 支架结构2

从图4a可以看出，炸药发生爆炸时，入射冲击波遇到支架内壁立即产生正反射，在支架内壁附近形成了反射高压区。支架轮廓之外的冲击波在传播过程中由于没有受到阻碍作用，这部分区域传播的冲击波不会发生反射，可以无阻碍的通过支架侧面，冲击波超压不会因为反射增加。相对于内壁中心区域的高压区，支架侧面由于只承受入射冲击波的冲击，处于低压区域[11-12]。在稀疏波的作用下，内壁处冲击波向支架两侧运动，但在其运动过程中，由于受到支架侧面入射波的影响，在支架两侧形成环流，并与相邻的入射波一起向前传播，如图4b的冲击波矢量图所示。随着环流的进一步发展，冲击波绕过支架侧面向支架后壁中心运动，直到两侧的环流发生相互碰撞，如图4c冲击波矢量图所示，在碰撞区的压力会急剧升高，其压力对应于图6a中Gauge1压力曲线中的峰值压力125 MPa。另一方面，从图4中的压力云图可知，支架内壁则由于稀疏波的作用，压力呈逐渐下降的趋势。

图5中支架结构与图4的主要差别在于将支架内侧弧度由30°变化为5°，从而大大减少了入射冲击波遇到支架内壁产生的反射，如图5a所示。此时，冲击波绕过支架侧面后仍然会产生环流，在后壁形成高压区。但是，从图6b中Gauge1的压力曲线可以看出，此结构下支架后壁处压力上升时间更快，幅值更高，峰值压力达到148 MPa。

3.2 支架结构对冲击波传播的影响

要对给定目标产生某种程度的毁伤，从超压角度来说，冲击波峰值压力必须不低于某一临界值，并且对目标持续作用的时间不小于某一临界值，只有具有这种条件的冲击波才能够对目标产生给定的毁伤效果。从冲量角度讲，爆炸冲击波必须在某一临界时间内达到或超出某一最小临界比冲量，只有在临界时间内超出这个临界比冲量，目标才能产生某种等级的破坏。由此可知，爆炸冲击波对目标的毁伤能力是指爆炸冲击波能否在一段时间内对目标保持一定的压力作用。它既具有一定的幅值大小，又具有时间的意义[13]。本文通过采集Gauge点处的峰值压力和比冲量来表征冲击波的特性。其中，冲击波的幅值可以从Gauge点的压力时间曲线上直接得到，而冲击波的比冲量，即正压区压力对时间的积分，计算式为

(6)

式中：t+冲击波正压持续时间；p(t)为压力随时间的变化曲线。

图7对比了不同支架内径条件下，2种结构Gauge点处的压力峰值和比冲量，结构1支架角度α为30°，结构2中支架角度β按照表1取对应的角度值。

从图7a可以看出，对于结构1，Gauge 1处的峰值压力和比冲量都在一定范围内小幅波动，支架内径的变化对其影响不大。这是由于结构1支架的侧壁与冲击波的扩散方向一致，侧壁几乎没有对冲击波造成任何的反射，因此冲击波在支架侧壁产生环流强度几乎一致，从而使位于支架外壁Gauge 1处的压力值变化不大。而对于结构2，其峰值压力和比冲量都随支架内径的减小呈下降趋势，峰值压力最大降幅9.9%，比冲量最大降幅5.4%。值得一提的是，结构2在Gauge 1处的峰值压力普遍高于结构1，最大压力差在支架内径为70 mm时达到42.2 MPa。由此可见，在相同的外壁弧长下，支架侧面的倾斜角度对冲击波在其两侧产生的环流效果有较为明显的影响。

图7b显示了Gauge2的峰值压力和比冲量。由于Gauge 2处于2个支架的中间区域，远离支架结构对冲击波传播的影响，其峰值压力保持在254 MPa。从其压力随时间的分布图可知，曲线的变化主要在第2个波峰之后(如图6)，因此其对比冲量的影响也不大，而且结构1在Gauge 2处的峰值压力和比冲量都高于结构2，可见支架的侧面与冲击波波阵面接触对支架之间区域的冲击波传播也有一定的影响。

a Gauge1

b Gauge2

图8对比了2种结构下，支架角度对冲击波传播的影响。其中支架内径d=60 mm。

a Gauge1

b Gauge2

从图8可以看出，支架角度对冲击波的影响较大，2种结构在Gauge 1处的峰值压力和比冲量都随支架角度的增大而降低。由于支架内壁的正反射，结构2随着支架角度的增大，其值下降的更为显著，从而凸显其结构的不合理性，而结构2较小的内壁弧长比结构1更有利于减小支架结构对冲击波的削弱作用。在Gauge 2处，支架角度的增大使得其峰值压力和比冲量都有小幅的增长。

为了提高Gauge1的冲击波性能，以利于在波阵面上获得尽可能均匀冲击波参数，当支架内径为70 mm，支架角度α=20 °即β=51.3 °时，结构2都表现出较好的效果。

支架结构优化后Gauge点处的压力曲线如图9所示。Gauge1处的峰值压力为177.4 MPa，比冲量1 800 kPa·ms；Gauge 2处的峰值压力为254.1 MPa，比冲量2 200 kPa·ms，不仅大幅提升了Gauge1处的冲击波性能，而且也保证了Gauge 2处具有较好的冲击波效果。

图9 支架结构优化后Gauge点处的压力曲线

4 结论

1) 利用非线性动力分析软件AUTODYN，分析了电爆炸增产工具爆炸腔支架对水中冲击波的影响。

2) 支架内径对冲击波的幅值影响较小，但对比冲量有一定影响。在相同的支架外壁弧长下，支架侧面的倾斜角度对冲击波在其两侧产生的环流效果有较为明显的影响。

3) 支架开口角度对冲击波的传播有较大影响。支架外壁后的峰值压力和比冲量都随支架角度的增大而降低。支架内壁的弧长对冲击波有正反射作用，较小的内壁弧长能显著提高支架外壁后的冲击波峰值压力和比冲量。

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Structural Optimization Design of Electric Wire Explosion Tool Explosive Cavity

LIU Ben，WANG Deguo，GUO Yanbao，WANG Tao

(College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The electrical explosion of wire (EEW)，which can generate a convenient，stable，and controllable shock wave，is gradually acted as a physical enhanced oil recovery technology in petroleum industry.Due to the structural design requirements of electrical wire explosion tool，the two electrodes were supported by the support，and they formed the explosive cavity.The shock waves spread along the radial will be affected by the support structure.In order to investigate the effect of support on shock waves，the calculate model was established and the propagation law of shock waves through the support were analyzed in AUTODYN.The results show that under the same arc length of support outer wall，the inner diameter of support has a little effect on the peak pressure，but it has some effects on the impulse.The circulation of shock waves，which were formed on the two side of support，were affected by the support angle.The peak pressure and impulse behind the support outer wall were reduced with the increase of support angle，and what is more，they would be significantly improved when the inner wall is designed with a small arc length.

tool；electrical explosion；shock wave propagation characteristic；structural optimization

1001-3482(2017)04-0037-06

2017-01-08

国家自然科学基金(51675534，51375495)；中国石油大学(北京)科研基金(2462017BJB06，C201602)

刘 奔(1988-)，男，湖北汉川人，博士研究生，主要从事电爆炸等离子放电井下工具的基础及应用研究，E-mail：liubenblue1201@sina.com。

TE934.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.010