射孔枪耐压性能的影响因素分析

2019-12-25窦益华姚杰李明飞秦彦斌

测井技术 2019年4期

窦益华,姚杰,李明飞,秦彦斌

(西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065)

0 引言

射孔枪的外壁上设置有等深外盲孔和不等深外盲孔,盲孔破环了射孔枪的完整性,降低了枪管的耐压性能。唐凯等[1]利用Pro/E的CAD和CAE功能完成超高压射孔枪的结构设计、数值分析以及多参数联合控制进行有限元分析和优化设计。考虑射孔枪的密封和承压等常规因素,综合考虑3个关键因素:盲孔深度、孔密和相位角、拉力载荷和温度对射孔枪的抗压强度的影响,经过试验验证,超高压射孔枪的设计满足强度和耐压性能的要求。李奔驰等[2]根据拉美公式和第三强度理论得到射孔枪枪体的外压,利用ANSYS有限元分别分析形位公差、枪长、盲孔深度、拉力载荷、接头、温度对射孔枪耐压性能的影响,为提高改善超高温超高压89型210 MPa射孔枪的耐压性能提供新思路。经过260 MPa极限压力性能试验验证,该射孔枪的安全性高。成功应用于塔里木油田克深9区块KSX6井、KSY01井等井。唐凯等[3]利用ANSYS建立了不等深盲孔和等深盲孔射孔枪的有限元模型,对比分析不等深盲孔和等深盲孔对射孔枪耐压性能的影响,结果表明等深盲孔射孔枪的耐压性能优于不等深盲孔射孔枪,平均提高9.3%。利用True Grid建立了射孔弹侵彻不等深盲孔和等深盲孔的有限元模型,通过仿真发现,等深盲孔比不等深盲孔更能减少射流能量损失,提高射孔器穿深。

由于射孔枪受力的复杂性,难以用理论解析法或者力法进行求解最大等效应力和极限耐压性能影响分析。因此,本文取射孔枪管体最大等效应力达到材料屈服强度时的外挤压力作为极限耐压性能,利用有限元分别计算和分析不同盲孔深度下的等深外盲孔和不等深外盲孔射孔枪极限耐压性能,并分析温度、轴向拉力载荷、枪长、接头对射孔枪耐压性能的影响。

1 射孔枪耐压强度理论计算

将射孔枪看成厚壁圆筒壳体,主要承受井筒液柱压力和射孔瞬间的冲击波压力等外载荷,从内壁开始屈服,破坏形式为强度破坏。假设射孔枪承受内压p1、外压p2,内半径a、外半径b、壁厚t,径向应力σr、周向应力σs,厚壁圆筒任意处半径r,泊松比μ。根据拉梅公式[3]厚壁圆柱在弹性阶段的应力分量与位移分别为

(1)

射孔时壳体内部有压力,把圆柱内的压力即视为p1=0。当壳体只有外压作用时圆柱壳体的应力分量与位移分量分别为

(2)

根据第三强度理论,即最大剪应力理论,由于射孔枪的内压为0,当射孔枪内壁达到屈服强度极限σs时,其承受的外压为

(3)

2 等深外盲孔和不等深外盲孔结构及对射孔枪耐压性能影响

2.1 等深外盲孔和不等深外盲孔结构

图1为等深外盲孔和不等深外盲孔结构示意图。绝大多数射孔枪盲孔结构采用等深外盲孔,少数采用不等深外盲孔。无论采用等深外盲孔还是不等深外盲孔结构射孔枪圆周方向上深度都不均匀,造成射孔枪盲孔位置剩余管壁厚度不均匀。

图1 等深外盲孔和不等深外盲孔结构示意图

2.2 材料性能及网格模型

选取89型210 MPa射孔枪,材料为32CrMo4作为研究对象,屈服强度σs=945 MPa,弹性模量E=2.06×1011Pa,泊松比μ=0.25,壁厚t=8.8 mm,内半径a=35.7 mm,外半径b=44.5 mm。

选取射孔枪建模长度l=1 000 mm。选取孔密度n=20孔/m,孔径d=10 mm,相位角90°。应用Solidworks三维建模软件建立射孔枪实体模型,再将模型导入ANSYS有限元软件中采用自由网格方式划分所见实体模型,得到如图2所示射孔枪有限元网格模型。

图2 射孔枪有限元网格模型

在ANSYS中,将射孔枪有限元模型进行2个端面固定约束,给外表面加载均布外压进行仿真计算。

2.3 等深外盲孔和不等深外盲孔射孔枪耐压性能仿真

取射孔枪管体最大等效应力达到材料的屈服强度945 MPa时的外挤压力(抗外挤强度)作为其极限耐压性能(耐压强度)。分别分析3.5、4.0、4.5、5.0 mm盲孔深度的等深外盲孔和不等深外盲孔射孔枪的耐压性能。

以盲孔深度4.0 mm的SQ89×8.8 mm射孔枪为例,射孔枪外径为44.5 mm,内径为35.7 mm,盲孔处外径为40.5 mm。由式(3)得到射孔枪的耐压性能理论值在105.4～168 MPa(105.4 MPa为盲孔薄弱处的部位)。ANSYS仿真结果表明,当等深外盲孔射孔枪外挤压力达到146.4 MPa时,射孔枪内壁最大等效应力为945 MPa,射孔枪开始屈服;当不等深外盲孔射孔枪外挤压力达到126.2 MPa时,射孔枪内壁最大等效应力为945 MPa,射孔枪开始屈服。可见仿真计算得到的耐压值在由式(3)计算的理论值范围内,且等深外盲孔比不等深外盲孔更能提高耐压性能。

图3为等深外盲孔和不等深外盲孔的射孔枪达到耐压极限时的等效应变云图。从图3中看出,无论等深外盲孔和不等深外盲孔射孔枪,盲孔都是射孔枪枪体最薄弱的部位,最大等效应力和最大变形均发生在盲孔;等深盲孔的应力和变形比不等深盲孔分布更均匀;等深盲孔可以避免不等深盲孔处管壁厚度不均匀引起的应力集中;等深盲孔比不等深盲孔更能提高射孔枪的耐压性能。

2.4 等深外盲孔和不等深盲孔射孔枪耐压性能影响对比分析

根据仿真计算结果,绘制不同盲孔深度下等深外盲孔和不等深外盲孔射孔枪耐压性能变化图(见图4),等深外盲孔比不等深外盲孔射孔枪耐压性能平均提高15.5%;盲孔深为3.5、4.0、4.5、5.0 mm的SQ89×8.8 mm射孔枪采用等深盲孔后耐压性能分别提高18.86%、16.01%、15.87%、10.79%。采用较深盲孔深度的等深射孔枪,其耐压性能甚至超过较浅盲孔深度的不等深盲孔射孔枪的耐压性能,如盲孔深度5.0 mm的射孔枪比盲孔深度3.5 mm的不等深外盲孔射孔枪耐压性能更高。在满足相同耐压要求的情况下,采用深度较深的等深外盲孔结构以减少盲孔处枪管壁厚,进而减少能量损失。

图4 不同盲孔深度下等深外盲孔和不等深外盲孔射孔枪耐压性能变化图

3 其他因素对射孔枪耐压性能的影响

以89型210 MPa的SQ89×8.8 mm射孔枪为研究对象,分别分析温度、轴向拉力载荷、枪长、接头对射孔枪耐压性能的影响。

3.1 温度对射孔枪耐压性能的影响

温度的影响主要是对枪管材料自身的屈服强度和温度应力下的抗拉强度的影响。图5为不同温度下的屈服强度和抗拉强度。从图5中可以看出,屈服强度和抗拉强度都随着温度的升高而降低,屈服强度在50 ℃到250 ℃下降16.25%。射孔枪的耐压性能也随温度的升高而下降。

图5 温度对射孔枪耐压性能的影响

3.2 轴向拉力载荷对射孔枪耐压性能的影响

利用ANSYS有限元分别对3.3、3.8 m射孔枪建模。建模时对射孔枪一端施加固定约束,另一端施加轴向拉力载荷2～10 t,外表面施加210 MPa的均布外压。仿真结果见图6。轴向拉力载荷每增加2 t,最大Von Mises应力增加4 MPa;最大Von Mises应力随轴向拉力载荷的增加呈线性增长趋势,且轴向拉力载荷对耐压性能的影响小于均布外压对射孔枪的耐压性能的影响。在一定轴向载荷作用下,射孔枪越长,承压能力越低。3.8 m射孔枪耐压性能低于3.3 m射孔枪。

图6 轴向载荷对射孔枪耐压性能的影响

3.3 枪长对射孔枪耐压性能的影响

射孔枪长度应适中,太长会降低安全系数,太短会早造成射孔盲段和接头数量的增加。取10 mm的孔径,20 孔/m的孔密,相位角90°的射孔枪,对1.3～4.3 m的不同长度射孔枪建模,两端施加固定约束,外表面施加210 MPa的均布外压。仿真结果见图7。射孔枪耐压性能随长度的增加呈下降趋势,1.3～2.8 m下降8.79%,2.8～4.3 m下降5.75%,考虑到安全性,长度应该控制在3.8 m以内。实际应用中,为了射孔枪的安全性和不产生射孔盲段,需要使得射孔枪长枪变短枪,则在弹架上每隔1 m的位置增加1个支撑环结构。

图7 枪长对射孔枪耐压性能的影响

3.4 接头对射孔枪耐压性能的影响

利用ANSYS有限元分析时,接头相当于增加固定约束。选取3.8 m枪长建模,外表面210 MPa均布外压,对无接头和有接头的射孔枪建模,建模时,一种情况是射孔枪一端螺纹面加固定约束,另一端无接头,无约束,加载轴向拉力载荷10 t;另一种情况是射孔枪螺纹面加固定约束,另一端有接头(固定约束)、轴向拉力载荷10 t加载到接头上。仿真结果表明,有接头和无接头的最大等效应力均位于盲孔处;没有接头的最大等效应力超过有接头的最大等效应力;有接头提高了射孔枪枪管的耐压性能。