聚能射孔作用下环空压力测试与数值分析

陈华彬,陈锋,唐凯,王树山,贾曦雨,罗苗壮

(1.中国石油集团测井有限公司西南分公司,重庆400021；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)

0 引 言

从技术发展和工程应用角度看,中国套管、管柱动力学响应研究仍然处于起始研究阶段,研究机构主要局限在非线性动力学数值模拟与仿真研究。国外研究机构也在应用模拟试验技术,可以进行测试射孔作业管柱动态响应的压力、应变、加速度等有关力学参量随时间变化,但无法建立动态力学响应参量与宏观失稳及损伤之间的对应关系。

开展了油气井射孔对管柱的动态力学研究,研究了冲击载荷理论模型,认识了爆炸冲击波在不同界面上来回反射、透射,以压应力波的形式沿着枪体壁面向外扩展。由于射孔弹装配的非对称性以及起爆的时序性,射孔枪体及管柱承受着明显的非对称性不均匀冲击过载,爆炸施加的侧向加载会合成为绕中心轴线的剪切扭转振动。为此,建立了射孔枪系统数值仿真模型,在试炮水池的进行了射孔枪力学响应测试,完成测试枪管内部和枪管端头的轴向、径向、周向加速度数据,验证了数值仿真模型的可靠性。同时,油层套管动态力学研究建立了射孔对套管影响的动态响应机理,基于射孔枪的测试数据,研究了套管系统仿真模型和射孔时弹药量等效仿真模型,模拟计算等效条件下套管动态响应。本文结合前期研究成果,继续应用数值分析技术和测试技术开展爆炸冲击载荷下测试环空力学响应,获取射孔下套管环空的压力经验理论模型,推进套管、管柱动态力学响应的基础研究。

1 射孔能量分布以及影响

油气井射孔作业沟通井筒与地层[1],在井下高温高压工况条件下,射孔弹在射孔枪管内爆轰形成射流,高能炸药爆炸产生的冲击波在整个射孔作业系统间传递。炸药能量除用于挤压药型罩形成射流的部分外,其余的能量对于整个射孔系统来说均为负面作用,研究表明这一部分能量达到装药能量的70%左右[2]。射孔弹爆轰带来的冲击横向效应是井液载荷中的关键组成部分。射孔作业系统间接产生载荷作用包括:射孔弹壳体破裂碰撞射孔枪管壁产生的冲击与振动载荷;射孔枪弹架在爆炸的驱动下损伤变形碰撞枪管壁产生应力波。

聚能射孔弹起爆过程中,高能炸药爆炸的能量一部分用于驱动药型罩挤垮,形成金属射流,射流头部以6 000 m/s的平均速度侵彻,另一部分用于克服射孔弹壳体约束形成冲击波[3]。冲击波开始透过射孔弹结构向空气介质中传递,再透过枪管传递进井液中,在这一载荷传递过程中,压力依次突破装药界面、射孔弹壳体、空气介质、射孔枪管最终透射进入到井液中。在冲击波的传递过程中,由于各个介质材料的波阻抗不同,冲击波每突破一种材料界面进入到另一材料时,强度都会被削弱。高能装药在爆炸瞬间的初始爆轰压力约为20 GPa左右,在透过枪管最终传递到井液介质中时,冲击波在水中造成的压力值约十几兆帕,视装药相位的不同,周向差别较大,此时的冲击波已经衰减为弱冲击波,但仍具有强间断性质,波的脉宽也不断拉伸,不具备冲击波传播的优势。

在金属射流侵彻射孔枪管之后,射流头部进入井液(见图1),高速的金属射流与井液碰撞,由于井液原有的状态近似于静态,因此,这一过程也可以类似于侵彻过程,射流头部与井液接触时,在井液产生的挤压压力仍高达2 GPa。

图1 射流侵彻井液示意图

后续的压力波在井液中沿射流周向环形传播(见图2),在射流近端可以维持较高的传播压力,高达400 MPa以上,这一瞬态的高压在井液中直接与油气井的套管内壁、枪管等接触,势必会对井筒完整性造成影响[4]。

图2 井液中的环形压力波

除了上述2种载荷外,井液中冲击波过后由于能量带来的扰动,井液介质会发生快速流动,这一部分压力基于井液的快速流动,压力值相对较低,也是强间断性质。但是这种压力持续时间较长,作用范围大,在实际工程中作为井液震荡压力的主要来源,直接作用于油气井套管、油管柱,该载荷长时间超载会影响套管、油管柱的完整性,比如套管变形或油管弯曲等,需要研究枪管与套管间的环空压力特征。因此,射孔作业在井液的冲击波[5](即耦合装药爆炸压力和射流侵彻压力)和波后流场压力是文章的仿真分析和实验测试主要研究对象。

2 射孔环空流场压力实验测试

2.1 搭建地面模拟测试系统

建立一套与数值仿真模型一致的射孔实验测试系统,整个实验系统主要由3部分组成,分别为套管系统装置、枪管载荷源系统装置、实验测试系统[10]。

套管系统装置作为整个实验的主要载体,套管与枪管形成环空,环空充满水介质。套管尺寸为5 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,内径108 mm,长度1 200 mm,在距离套管顶端200 mm处在安装数据采集传感器进行压力采集,套管顶端具有良好密封性能。连接套管的接头焊接钢板上,与套管连接靠螺纹方式,同时焊接一件与枪管连接的89型死堵接头,用来安装89型射孔器。

枪管载荷源系统作为实验测试的动态载荷来源。实验器材包括89型射孔枪和89型射孔弹(SDP39HMX25-2),枪管长度500 mm,实验射孔设计参数为相位60°,孔密16孔/m,装配射孔弹3发,装药为HMX,药量25 g/发。射孔枪一端与套管居中连接,枪内装雷管和导爆索,雷管线与密封引线柱相连,射孔枪另外一端的接头内有密封引线柱,该系统可以避免导爆索起爆压力触发测试系统[11]。

实验测试系统是实验数据采集的中枢,需要测量不同射孔弹数量条件下射孔弹爆炸条件下枪管与套管间井液的压力载荷。根据水下密闭管状容器爆炸测试试验的经验和结果,实验选用CY-YD-214压电式压力传感器与CY-YZ-050压阻式压力传感器[12]。测量系统由压力传感器、电荷放大器、数据采集仪、上位机等4个部分组成。

2.2 测试数据与分析

实验工况分为单发射孔弹以及三发射孔弹2种规格实验。每种工况进行2次,以保证测试数据的科学性。

试验数据记录使用专用数据采集仪进行记录,并在试验结束后应用Origin pro专用数据处理软件进行后期处理(见图3)。结果显示,单发射孔弹作用条件下,距射孔弹位置600 mm处的冲击波压力峰值为42 MPa,冲击波波形较为规整,井液流动压力在距爆源60 cm与80 cm处的压力值均在4.3 MPa,且压力波形规整。三发射孔弹作用条件下,距离射孔弹位置600 mm处的冲击波压力峰值分别为64 MPa与81 MPa(该值可能受到对应的实验测试过程同轴线被炸断影响,不予考虑),井液流动压力在距爆源60 cm与80 cm处的压力值均在10 MPa左右,压力波形紊乱。

图3 测试原始曲线图

与单发射孔弹作用条件下的冲击波压力历史曲线相比较,三发射孔弹耦合作用下的压力波形具有较大的比冲量,即冲击波的上升沿持续时间较长,压力持续作用时间较长,可以认为是多发射孔弹作用条件下,多条射流在微秒量级的时间内冲击井液造成的压力峰值相距较近,造成的叠加现象。

压力叠加现象说明,多发射孔弹耦合作用条件下的冲击波在峰值上并没有太多幅度高于单发射孔弹作用条件下的冲击波峰值,而增加了冲击波作用的时长,依据基本的冲击波毁伤评估方法,即超压联合比冲量准则,可以解释多发射孔弹作用条件下压力造成油管、井筒等负面损伤的事实。

3 实验工况数值仿真

3.1 数值仿真

建立一套射孔作业系统的数值仿真模型,包括了射孔弹、射孔枪管、套管、枪管内空气、环空水介质,整个模型是基于前期研究标定仿真模型基础上,进而扩展。射孔弹包含药型罩、装药及壳体3部分。数值仿真模型中的空气、井液、装药及药型罩是流体材料性质,采用ALE算法。枪管和射孔弹壳体是钢材料,采用Lagrange单元算法。炸药的起爆和爆炸过程是一种快速的化学反应过程,对于该过程的描述,主要应用CJ理论模型和ZND理论模型。

数值仿真[7]基于实验的工况采用89型射孔弹,89型枪管以及5 in套管进行实验测试(见图4),射孔参数为射孔弹药量25 g/发,孔密16孔/m,相位60°。建立与实验工况一样的有限元分析模型[8-9],仿真系统基于合法性、相容性、逼近精确性、良好的单元形状,网格的自适应性原则划分网格见图5。

空气采用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL线性多项式状态方程,具体参数见表1。射孔弹壳体和枪管均采用MAT_PLASTIC_KENEMATIC随动硬化模型描述,具体参数见表2。

图4 三发射孔弹试验测试压力曲线

图5 有限元网格模型图

射孔弹的装药为HMX,采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN高能炸药燃烧材料模型和JWL状态方程进行描述,具体参数见表3。数值仿真模型中水的材料模型参数见表4。

表1 空气域材料参数(单位制:cm-μs-g-Mbar)

表2 枪管材料参数(单位制:cm-μs-g-Mbar)

表3 HMX炸药材料参数(单位制:cm-μs-g-Mbar)

表4 水的材料模型参数

图6 井液压力历史云图

从图6数值仿真可知,三发射孔弹间隔起爆,射流侵彻至井液液面时在井液中产生巨大的侵彻压力,以射流侵彻位置为中心向射流周向展开,最大压力峰值在400 MPa以上。当高压区半径达到2.5 cm左右时,冲击波阵面开始分离并且与下一发起爆的射孔弹之间发生干涉,冲击波被冲散,只在两冲击波交汇处产生较大的压力峰值。此时射流对井液进行稳定侵彻,射流的横向效应在井液中产生了较小的稳定高压区,并且此高压持续至计算时长终止,压力峰值稳定在100 MPa以上。

图7 传播方向上井液单元提取示意图

3.2 仿真数据与测试数据比较

选取实验测试获得的冲击波测试数据验证数值仿真模型(见图4),图4中冲击波压力峰值为64 MPa,实验测试的传感器位置置于枪管顶端600 mm位置。在数值仿真中,完整地再现试验系统需要非常庞大的计算资源。因此,在验证仿真准确性时,联合有限元法与数值分析方法,得到的分析结果同实验进行对比,验证模型的准确性。应用有限元模型进行仿真求并对求解结果进行处理,在沿冲击波载荷源传播方向上选取一系列靠近套管内壁面处的井液单元提取压力历史曲线(见图7)。

输出各个节点中的最大压力值,按照距离载荷源远近的方法进行排列。将得到的数值用Origin Pro数据仿真处理软件进行拟合。得到拟合公式

y=58.83+459.47e-160.78x

(1)

式中,y为压力值,MPa;x为距离,m。

在仿真模型中选取的20个特征点的压力值与拟合得到的数学模型计算值重合度高度一致,拟合得到的数学模型,并且模型在该计算工况下可靠合理。

利用上述拟合得到的数学模型对实验工况下的600 mm处壁面流场压力进行求解,得到的压力峰值为59 MPa,该压力值对比实验测试压力峰值64 MPa相差5 MPa,两者相差小于8%,学术研究范围内认为该联合仿真方法真实可信。

3.3 环空压力经验理论模型

对数值模拟仿真结果进行分析时,应用一种数据分析的手段,对后处理程序进行了2次开发,使其能够将整个套管内壁面的环空压力历史曲线进行批量提取,同时使用matlab方法将其转换为3D曲面图,使得在同一静态图中包含了空间、时间、压力3种信息。

图8直观地描绘了对应区域内的压力峰值,并描绘了各个峰值间出现的位置差异、衰减趋势等信息,利用matlab的曲面公式拟合功能,对获得的曲面进行了拟合,获得曲面的解析方程基本形式为

(2)

公式(2)仍需要后续继续深入研究,对不同工况条件下的三发射孔弹进行数值模拟并获得该曲面后,均可以得到相应工况条件下的参数Z、B、C、D、E、F、G、H。随着数据工作量的积累,最终可以获得成为的射孔压力特征表征公式。

图8 空间—时间—压力曲面图

4 结 论

(1)通过2种不同规格参数的实验测试获取了射孔冲击波数据和波后流场压力数据,分析对比2种不同规格的实验测试波后压力峰值,射孔作业仿真系统通过实验测试数据验证,2种方式获得的数据吻合度一致,也验证了前期的数值仿真模型的可靠性。

(2)通过数值仿真模型研究,提取仿真模型的压力历史数据,拟合井液压力与载荷源距离相关性公式,形成包含空间、时间、压力3种信息的环空压力理论模型。为继续开展套管动态响应研究提供原始载荷数据来源以及较为完备的加载工作方法与工具,简化并规范后续动静耦合加载条件下套管抗挤毁性能仿真研究的工作。

(3)通过实验与仿真研究可以指导后续射孔器研发,为了更好地利用射孔弹炸药能量做有用功,一方面需要研发性能更好的射孔弹,如射孔弹型腔设计、射孔弹壳体材料与强度、药型罩工艺等方面,进一步提高射孔弹装药能量对射孔侵彻做功的利用率,降低装药的能量损失给油气井带来的负作用,进一步提高井筒的完整性和下井管柱的安全性;另一方面,在无法改变射孔弹能量损耗情况下,兼顾井筒完整和管柱安全,通过合理工艺将损失的能量利用起来,利用它对孔道清洁、提高储层渗透率等,为后续流体注入和产出做贡献,或者在射孔枪之间增加阻尼接头,充分利用损失的能量对储层进行正压作用,制造微裂缝。